基站、基站模块和估计上行链路信号的参数的方法

专利名称：基站、基站模块和估计上行链路信号的参数的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于无线电通信网络的基站、这种基站的基站模块以及在无线电通信网络的基站中增强对在上行链路中的信号参数的估计的方法。
背景技术：
从现有技术中已知的是，为基站配备能够输出完全可控的下行链路波束的智能天线阵列。当被用于用户特定(user-specific)的数字波束成形时，这种智能天线阵列的波束成形器能够以这样的方式对这些传送信号的相角和/或幅度进行加权，从而波束的方向适合于在天线阵列的整个覆盖扇区中与终端一起移动。
为了能够使下行链路波束按照终端的运动而进行运动，该基站必须确定能够找到该终端的方向。这可以通过估计出由基站从相应终端接收到的上行链路信号的到达的方位角(azimuth)方向来实现。为了接收上行链路信号，基站通常采用固定波束接收系统，从而可以对该固定波束进行评估来估计出上行链路信号的到达方向。
为了进行说明，图1显示出在用于对来自单个用户的信号进行处理以估计出到达方向的基站中的结构。
在图1中所示的部分基站包括在其输入端处与具有八个接收机天线的均匀线性天线阵列(ULA)(未示出)连接的上行链路数字波束矩阵11。该上行链路数字波束矩阵11的输出端通过用于进行标准RAKE处理的装置12与用于估计上行链路信号的到达方向DoA的装置13连接。用于估计到达方向的装置13一方面与未示出的基站的其它组成部件连接。另一方面，它们与适用于对信号进行扩展(spread)和加权的处理装置14连接。处理装置14接收来自用于进行下行链路比特处理的装置15的信号作为进一步的输入信号并且向用于进行用户特定数字波束成形的装置16输出信号。用于进行用户特定数字波束成形的装置16的输出端与八个发射天线(未示出)连接。用于进行标准RAKE处理的装置12、用于估计到达方向的装置13、用于进行下行链路比特处理的装置15和处理装置14用于进行数字基带处理。
首先在数字波束矩阵11中对通过接收天线进入基站的信号进行处理。数字波束矩阵11是一种MxM矩阵，其中M为天线振子(antenna element)的数量，即在所述实施例中M＝8。数字波束矩阵11从接收信号中产生出沿着八个不同方向的固定接收波束。通过该数字波束矩阵11和均匀线性天线阵列(ULA)，可以产生出正交波束(Butler矩阵)或任意非正交波束组。将所产生出的波束输入给用于进行标准RAKE处理的装置12。
在通过用于进行标准RAKE处理的装置12在码片级上进行处理之后，在用于估计到达方向的装置13中对这些波束进行评估以便能够确定传送下行链路信号的最佳方向。可以简单地通过测量出来自每个波束的功率来估计出这些上行链路信号的到达方向。具体地说，可以确定出在该信道估计中的导频码元的功率。具有通过快衰落法平均的最高上行链路功率的波束的波束方向被认为是下行链路波束所要遵循的到达方向。还可以通过任意已知的用来在波束空间中确定到达方向的方法来估计出上行链路信号的到达方向。用于估计到达方向的装置13为处理装置14提供功率控制和加权信息以形成与所确定的到达方向相对应的下行链路波束。另外，在用于估计到达方向的装置13中的其它元件将包括由终端传送的数据信号在内的软比特(soft bits)转发给在该图中未示出的组成部件。
通过用于进行下行链路比特处理15的装置对构成将要从该网络传送给终端的信号的硬比特(hard bits)进行处理，例如进行编码然后转发给处理装置14。该处理装置14能够根据从用于估计到达方向的装置13接收到的信息对那些信号进行扩展和加权。将经这样处理的信号传送给用于用户特定数字波束成形的装置16，该装置16在指向所确定的上行链路信号的到达方向的下行链路波束中通过发射天线来传送这些信号。
通过这个方法，可以根据以固定波束中的近似分辨率栅格(rough resolution grid)来估计上行链路到达方向。这意味着，即使在下行链路中可以以任意分辨率(resolution)来使该发射波束连续转向，但是该下行链路波束成形的精确度并不限于该上行链路波束间隔。如果波束数量等于在智能天线阵列中的纵列数，则该精确度不足以用于进行下行链路波束控制。即使由于通过增加接收天线的数量以提高接收波束数量从而提高了到达方向的分辨率，角分辨率在4-8个波束/天线的情况下也不一定足够。在上行链路中，角分辨率在4个波束的情况下大约为30°，而在8个波束的情况下大约为15°。
或者，为了根据固定波束的功率来估计到达方向，可以通过将信道估计转换回到振子域(element domain)来选择下行链路波束的方向。为此，将波束成形信号与倒相数字波束矩阵相乘以获得振子空间信号。然后，在该元素空间中使用任意已知的到达方向技术。但是，对于实际应用而言，该方法导致计算量太大。
此外，在一些应用中，对于形成下行链路波束而言，角扩展的知识与到达方向的知识同等重要或者甚至更重要。

发明内容
本发明的一个目的在于提供一种基站、一种基站模块和一种方法，它们使得能够简单地提高对上行链路信号的参数的估计。
该目的一方面是通过用于无线电通信网络的基站来实现的，该基站包括一移相网络，用来从由接收天线阵列提供的接收信号中形成用于固定接收角度的波束；用于确定表示所形成波束中的至少一些的信号强度的分布和表示信号强度的多个预先计算出的分布之间的最小偏差的装置，每个预先计算出的分布与接收信号的至少一个特定参数的不同数值相对应；以及用于根据所述最小偏差估计在该上行链路中的至少一个参数的数值的装置。
另一方面，该目的是通过用于在无线电通信网络中的基站中增强对在上行链路中的信号参数的估计的方法，该方法包括用该基站的接收天线阵列接收上行链路信号；从所接收的信号中形成用于固定到达角度的波束；确定表示所形成波束中的至少一些的信号强度的分布和表示信号强度的多个预先计算出的分布之间的最小偏差，每个预先计算出的分布与接收信号的至少一个特定参数的不同数值相对应；以及将与所确定的所述最小偏差相对应的至少一个参数的数值估计作为所接收信号的至少一个参数的数值。
该目的同样可以通过根据本发明的用于基站的基站模块来实现，该基站模块包括用于确定表示所形成波束中的至少一些的信号强度的分布和表示信号强度的多个预先计算出的分布之间的最小偏差的装置，这些预先计算出的分布与接收信号的至少一个参数的不同数值相对应。
本发明是从以下事实着手而得出的，即在理论上通过天线阵列在基站处接收到的信号可以在所有波束中看到而与到达方向无关。该信号强度只在指向到达方向的波束中最高。由于在每个波束中的信号强度是所接收信号的不同参数例如到达方向或标准偏差的函数，所以可以预先计算出波束组的至少一个参数的不同数值。当形成从所接收的信号中产生出的波束并且将它与这些预定波束进行比较时，与所形成波束最佳对应的预先计算出的波束组确定了至少一个参数的数值。因此，本发明提供一种用来增强对上行链路信号的参数的估计的简单方法。
表示信号强度的分布可以特别是在所用波束上的功率分布，但是它也可以包括与功率分布等同的任意其它分布。
所述至少一个估计参数具体用来形成下行链路波束。
从从属权利要求中可以更加清楚本发明的优选实施方案。
所接收的信号的至少一个参数尤其可以是到达方向和/或表示所接收信号的角扩展的标准偏差。
用于接收来自终端的上行链路信号并且用于向基站的移相网络提供所接收到的信号的接收天线阵列可以由本发明的基站所包括或者形成该基站的辅助部分。而且，移相网络可以是数字的或是模拟的，并且接收天线阵列可以包括任意数量的天线例如8个或4个天线。
同样，发射天线阵列可以由本发明的基站所包括，或者形成该基站的一个辅助部分。发射天线阵列可以用来发射具有至少一个估计参数数值的下行链路波束。因此，该下行链路波束可以例如指向估计的到达方向和/或形成有估计的角扩展。要注意的是，下行链路波束的产生基础不只限于所期望用户的参数。在一些应用中，例如在下行链路零位控制(null steering)中，根据与所期望用户的参数干扰的其它用户的参数来确定该下行链路波束。
为了限制与预先计算出的分布进行比较的次数，可以首先确定用于至少一些所形成波束的功率或一些其它等同信号。然后，根据这些波束的功率或等同信号数值来确定到达方向应该处于的角度区域。具体地说，具有最高功率或等同信号数值的波束周围的区域适用于作为这种角度区域。本发明所提出的最小偏差的估计只是基于与对应于在所述角度区域中的到达方向的预先计算出的分布的比较。
确定该最小偏差的优选方法是确定用于至少一些所形成波束的信号强度分布的信号数值相对于其中一个预先计算出的分布的相应信号数值的均方误差总和。
在至少一些所形成波束上的分布在比较之前可以采用几种方法进行改善，以便在比较中实现更加可靠的结果。例如在至少一些所形成的波束上的分布可以在某个时间区域上例如在两个或多个帧上进行平均。而且，可以采用不同类型的滤波结构例如平滑滤波器型滤波器来在使用该分布来确定最小偏差之前在至少一些所形成的波束上将该分布过滤。另外，可以使用用在该分布中的所有所形成波束的总信号数值来使该分布的每个波束的信号数值归一化。
如果对多个连续确定出的分布进行比较的话，则可以进一步改善该估计。对于每个所形成的分布，确定出最小偏差和至少一个相应的参数数值。然后可以将不同的所得到的参数数值进行平均，并且将该平均值当作至少一个参数的总估计值。
如果同时要估计多个参数的话，则存储用于那些参数的不同组合的预先计算出的分布以进行比较。优选的是，存储用于具有不同标准偏差的不同到达方向的预先计算出的分布，并且将它们与在至少一些所形成的波束上的分布进行比较。然后，可以将所期望的到达方向和所接收信号的标准偏差估计作为与导致最小偏差的预先计算出的分布相对应的两个参数的组合。
如在于2000年12月23日申请的并且在这里被引用作为参考的相同申请人的共同未决申请“Base station，base station module andmethod for direction of arrival estimation”中所述一样，在估计到达方向和/或接收信号的角扩展之前，可以通过在各个相邻波束之间形成附加波束来确定更密的波束格栅，因此使所提出的估计的基础更加精细。
根据本发明的基站、基站模块和方法可以具体用在WCDMA系统中，但是它们并不局限于这些系统。


在下面将参照附图对本发明进行更详细地说明，其中图1显示出在用于处理来自单个终端的上行链路信号的基站中的结构；图2a显示出8天线阵列的正交波束；图2b显示出8天线阵列的非正交波束；图3显示出预先计算出的波束功率的实施例；图4显示出由模拟得出的均方误差的分布；图5显示出由模拟得出的估计到达方向的柱状图；并且图6显示出由模拟得出的估计标准偏差的柱状图。
具体实施例方式
已经参照本发明的背景技术对图1进行了描述。根据本发明的基站具有与在图1中所描绘的基站相同的结构，只是用于估计到达方向的装置13包括用来对到达方向进行精确估计的附加装置或者功能。因此，在下面将再次参照图1。
在图1的用于估计到达方向的装置13中，存储预先计算出的功率分布组。针对到达方向和接收信号的标准偏差的特定组合计算出每个功率分布。
为了能够计算出作为预定到达方向和预定标准偏差的函数的在波束空间上的功率分布，必须知道波束的形状、到达信号的功率分布类型和那个分布的参数。可以从天线阵列的结构和所使用的波束矩阵中计算出这些波束的形状。图2a显示出8个正交波束的这种形状的实施例，而图2b显示出8个非正交波束的这种形状的实施例。在这两个实施例中，对于在方位接收角上的相应8个波束，用dB来描述该波束功率。
图3显示出在三维坐标系统中对于1°的预定标准偏差的五个预先计算出的功率分布组。根据八波束阵列成形正交波束和拉普拉斯功率方位角频谱来对这些组进行计算。在该坐标系统中，在x轴线处的数值表示对于从0°-8°的角度区域的到达方向(度)，并且在y轴线处的数值表示八个波束的波束指标(beam index)。在z轴线处的数值表示波束功率(dB)。这五组功率分布的每个由连接针对特定到达方向所形成的八个波束的波束功率的曲线所表示。在给定角度区域中的组数由到达方向的选定步长来确定，该步长在该实施方案中设定为2°。
将用于不同角度区域和用于不同标准偏差的相应组存储。
如上面参照图1所述一样，上行链路信号从特定到达方向进入该基站的八天线阵列中。这些信号可以是专用控制信号或数据信道的信号。数字波束矩阵从如在图2a中所述的信号中形成用于固定接收角度的八个正交波束。
在下面，在用于估计到达方向的装置中确定到达方向的不确定区域。为此，在相同的延迟位置处确定出每个都经过在两个接收帧上平均的八个形成波束中至少一些波束的信号强度。通过所有使用的组成部件的总功率来使所测出的功率归一化，所使用的组成部件数量与在下面所述的偏差估计中所使用的波束数量相等。具有最高功率的波束被假设为大致指向到达方向。在位于具有最高功率的波束的左侧或右侧上的其中一个波束的功率显著高于在相应另一侧上的波束功率的情况中，则假设到达方向在具有最高功率的波束的方向和具有较高功率的相邻波束之间，从而将位于这两个波束之间的区域限定为不确定区域。在位于具有最高功率的波束的左侧和右侧上的波束的功率基本上相同的情况中，假定到达方向位于这两个相邻波束之间的某个位置处，从而将这两个相邻波束之间的区域限定为不确定区域。在这种情况中，具有最高功率的波束位于所确定的区域的中间处。
将经过在两个接收帧上平均的功率分布与所存储的用于所确定的不确定区域的所有功率分布组例如在图3中所示的组单独进行比较。更具体地说，通过计算出在不确定区域的所形成的功率分布和每个预先计算出的功率分布之间的均方误差来确定所接收的功率分布和所存储的功率分布之间的偏差。
对于相应的模拟而言，假设发送所接收的上行链路信号的用户位于与-10.5°的接收信号到达方向相对应的位置处。假设该信号的标准偏差(半功率波束宽度HPBW)为2°。存在有其移动速度为120公里/小时的一个路径瑞利衰落信道。未编码比特差错率(BER)大约为15％。而且假定可以在两个帧上进行平均来实现理想的功率估计。
图4显示出基于上述参数的模拟结果，并且针对400个以上不同的功率分布组来计算出的均方误差。在分配给不同组的组号上以dB为单位描绘出MSE。不确定区域在该图面中显示出10次，每次以不同的角扩展，第一次以1°的标准偏差，然后以2°，直到10°的标准偏差。在该不确定区域内的组号是从到达方向的最低包含度数向到达方向的最高包含度数分布。在图4的图面中，在标准偏差为2°的组中，例如表示出在该不确定区域内的特定到达方向，即-20°、0.5°和0°。在属于特定标准偏差的每一组数组内，可以记录最小的MSE。其中最低的总体MSE数值表示与所接收的功率分布相比具有最小偏差的一组。由于每个组的确定是基于到达方向和标准偏差的特定组合，所以最小MSE表示属于所接收信号的最可能的组合。
在该衰落信道中，功率方位角频谱按照信道系数衰落。由此，到达方向的短期平均值(在当前实施例中为在20ms的两个连续无线电帧上的平均值)可以与实际值不同，实际值在这里被设定为-10.5°。如果针对多个短期平均值对参照图4所述的功率分布进行比较并且如果之后对不同的所得到的估计值进行统计评估以得出最终估计值的话，则由此可以进一步改进对到达方向和标准偏差的估计。
图5为对于450帧的估计到达方向的柱状图，该图与基于分别在两个帧上的平均值的225个估计值相对应。该柱状图显示出每个估计到达方向的出现次数。可以看出，该到达方向的平均值大约为-10.5°。
图6为相应的柱状图，显示出225个估计标准偏差中的每一个的出现次数。该标准偏差的平均值为2°。
因此，估计到达方向和标准偏差两者都非常接近于用于模拟的实际到达方向和实际标准偏差。
权利要求
1.用于无线电通信网络的基站，它包括一移相网络(11)，用于从由接收天线阵列提供的接收信号中形成针对固定接收角度的波束；用于确定在表示至少一些所形成波束的信号强度的分布和表示波束信号强度的多个预先计算出的分布之间的最小偏差的装置(13)，每个预先计算出的分布与所接收信号的至少一个特定参数的不同数值相对应；以及用于根据所述最小偏差估计在所述上行链路中的至少一个参数的数值的装置(13)。
2.如权利要求1所述的基站，还包括一接收天线阵列，用来接收来自一终端的信号并且将该接收信号提供给所述基站的移相网络(11)。
3.如权利要求1或2所述的基站，其中所述至少一个参数是到达方向和/或构成接收信号的角扩展的标准偏差。
4.如权利要求3所述的基站，还包括一发射天线阵列，用来沿着所述估计的到达方向发射一波束。
5.如权利要求3所述的基站，还包括一发射天线阵列，用来以估计角扩展来发射一波束。
6.如权利要求3所述的基站，还包括用于进行下行链路零位控制的一发射天线阵列，用于根据属于与下行链路波束前往的用户的所接收信号干扰的用户的所接收信号的参数来发射所述下行链路波束。
7.如前面权利要求中任一项所述的基站，还包括一装置(13)，用于确定表示至少一些所形成波束的信号强度的信号数值，并且用于根据表示波束信号强度的所确定的信号数值来确定到达方向应该处于的角度区域，其中用于确定最小偏差的装置(13)适用于只是根据与对应于在所述角度区域中的到达方向的预先计算出的分布进行比较来确定最小偏差。
8.如前面权利要求中任一项所述的基站，其中用于确定最小偏差的装置(13)适用于相对于其中一个预先计算出的分布的信号数值来确定用于表示用于至少一些所形成波束的信号强度的分布的信号数值的均方误差的总和的最小值作为最小偏差。
9.如前面权利要求中任一项所述的基站，其中用于确定最小偏差的装置适用于使用在预定时段上平均化的分布作为表示至少一些所形成波束的信号强度的分布。
10.如前面权利要求中任一项所述的基站，还包括一滤波结构，用来在输送给用于确定最小偏差的装置(13)之前对表示所形成波束的信号强度的分布进行过滤。
11.如前面权利要求中任一项所述的基站，还包括用于利用所述分布的所有波束的相应总信号数值将用于表示用于该分布的波束的信号强度的分布的信号数值进行归一化的装置(13)。
12.如前面权利要求中任一项所述的基站，其中用于确定最小偏差的所述装置(13)存储用于具有不同标准偏差的不同到达方向的预先计算出的分布，并且其中用于估计所述至少一个特定参数的装置(13)适用于将与导致最小偏差的预先计算出的分布相对应的到达方向和标准偏差估计作为所期望的到达方向和接收信号的分布的标准偏差。
13.如前面权利要求中任一项所述的基站，其中用于确定最小偏差的所述装置(13)适用于确定对于多个连续确定的分布中每一个的最小偏差，并且其中用于估计在上行链路中接收到的信号的至少一个参数的所述装置(13)适用于将与导致相应最小偏差的预先计算出的分布相对应的参数的平均值估计作为用于至少一个参数的数值。
14.用于根据前面权利要求中任一项所述的基站的基站模块，包括用于确定在表示至少一些所形成的波束的信号强度的分布和表示信号强度的多个预先计算出的分布之间的最小偏差，这些预先计算出的分布与接收信号的至少一个参数的不同数值相对应。
15.用于在无线电通信网络的基站中增强对在上行链路中的信号参数的估计的方法，该方法包括用所述基站的接收天线阵列接收上行链路信号；从接收信号中形成针对固定到达角度的波束；确定在表示至少一些所形成波束的信号强度的分布和表示信号强度的多个预先计算出的分布之间的最小偏差，这些预先计算出的分布与所接收的上行链路信号的至少一个参数的不同数值相对应；并且将与所确定的最小偏差相对应的至少一个参数的数值估计作为所接收信号的至少一个参数的数值。
16.如权利要求15所述的方法，其中所接收信号的至少一个参数的估计数值用于形成下行链路波束。
17.如权利要求15所述的方法，其中所接收信号的至少一个参数的估计数值用于进行下行链路零位控制，所述参数属于与下行链路波束前往的用户的所接收信号干扰的用户的所接收信号。
18.如权利要求15-17中任一项所述的方法，其中所述至少一个参数表示到达方向和/或构成所接收信号的角扩展的标准偏差。
19.如权利要求15-18中任一项所述的方法，该方法在确定所述最小偏差之前还包括以下步骤确定表示至少一些波束的信号强度的信号数值；根据所确定的表示这些波束的信号强度的信号数值来确定到达方向应该处在的角度区域；仅根据与在所述角度区域中的到达方向相对应的预先计算出的分布来确定最小偏差。
20.如权利要求15-19中任一项所述的方法，其中相对于其中一个预先计算出的分布的信号数值将最小偏差确定为用于表示每个所形成波束的信号强度的分布的信号数值的均方误差的总和的最小值。
21.如权利要求15-20中任一项所述的方法，其中在确定所述偏差之前在预定时段上将在所形成的波束中的至少一些上的分布求平均值。
22.如权利要求15-21中任一项所述的方法，其中在确定所述偏差之前将在所形成波束的至少一些上的分布进行过滤。
23.如权利要求15-22中任一项所述的方法，其中利用所要使用的所有波束的总信号数值对用于表示所要使用的波束的信号强度的分布的信号数值进行归一化。
24.如权利要求14-21中任一项所述的方法，其中将在所形成波束的至少一些上的分布与用于具有不同标准偏差的不同到达方向的预先计算出的分布进行比较，所确定的最小值表示所期望的到达方向，同时所期望的标准偏差表示所接收信号的角扩展。
25.如权利要求15-24中任一项所述的方法，其中在所形成波束的至少一些上确定多个连续分布的每一个的所述最小偏差，将至少一个参数的数值估计为与具有用于连续分布中的每一个的相应最小偏差的预先计算出的分布相对应的参数的平均值。
全文摘要
本发明涉及一种用于无线电通信网络的基站。为了使得能够简单地提高对上行链路信号的参数的估计，本发明提出，所述基站包括一移相网络(11)，用于从由接收天线阵列提供的接收信号中形成针对固定接收角度的波束；用于确定在表示所形成波束的至少一些的信号强度的分布和表示波束信号强度的多个预先计算出的分布之间的最小偏差的装置(13)，每个预先计算出的分布于接收信号的至少一个特定参数的不同数值相对应；以及用于根据所述最小偏差估计在所述上行链路中的至少一个参数的数值的装置(13)。本发明还涉及包括相应步骤的方法以及包括用于确定最小偏差的相应装置的基站的基站模块。
文档编号H04B7/08GK1479953SQ00820109
公开日2004年3月3日 申请日期2000年12月29日 优先权日2000年12月29日
发明者阿萨·提罗拉, 卡里·赫尼曼, 赫尼曼, 阿萨 提罗拉 申请人:诺基亚公司