专利名称：一种自适应控制天线波束的基站设备及方法
技术领域：
本发明涉及一种在采用频分双工(FDD)方式的无线蜂窝通信系统中，自适应控制天线波束进行所需用户信号的接收和发送的基站设备及方法，本发明可以应用于任何采用频分双工(FDD)方式的多址接入方法的数据传输系统，尤其适用于采用频分双工(FDD)方式的码分多址(CDMA)蜂窝系统。
码分多址(CDMA)是一种多址接入方法，它基于扩频技术并且近来已成为除现有FDMA和TDMA方法之外应用于蜂窝无线系统的又一种多址方法。与现有方法相比，CDMA具有许多优点，例如频谱利用率高、规划简单等。
在采用CDMA方法的系统中，每一个用户被分配给一个唯一的扩频码，用户的窄带数据信号与该扩频码相乘形成一个频带比原有频带宽很多的扩频调制信号。所有用户通过同时使用同一个频带来进行接收或发送。在接收机中可以根据每一个用户的扩频码区分不同用户的信号。在接收机中提供的匹配滤波器与所需信号同步，它们根据每一个用户的扩频码识别每一个用户的信号。在接收机中通过将扩频信号再次乘以发送时所用的扩频码，将扩频信号恢复成用户的数据信号。由于在设计扩频码时，使不同的扩频码间尽可能地不相关，因而用其他扩频码扩频的信号在乘以所需用户的扩频码后并不会恢复到窄带上。因此它们对所需信号而言以噪声形式出现。在一般的移动通信环境中，基站和移动台之间的信号沿接收机和发射机之间的若干路径进行传播。这种多径传播现象主要是由信号在发射机和接收机周围的物体表面的反射引起的。由于不同的传播路径的长度不同，沿不同路径到达接收机的同一信号的不同多径成分到达接收机的传播时延也不同。在CDMA系统中，在信号的接收过程中以与分集接收或发送相同的方式处理多径传播。在CDMA系统中使用的接收机是一种多分支结构的接收机，其中每一分支与沿某一单独路径传播的多径组分同步。每一分支是一个单独的接收机元件，其功能是生成和解调期望接收信号分量。在传统的CDMA系统中采用相干或不相干的方法合并不同接收机元件信号是有益的，并且可得到良好的接收信号质量。
在CDMA系统中，许多用户使用同一频带进行通信。由于不可能设计出完全互不相关的扩频码集合，所以不同用户之间仍存在相互干扰。一般来说，在一个频带内的用户数越多，干扰水平就越高，链路的通信质量就越差。因此，CDMA系统是一个干扰受限的无线通信系统，其每一个规定宽度的频带所能容纳的信道数是有限度的，所以前述的各种技术手段只能将通信系统的容量提高到一定程度，要想超过这个限度则必须增加其他的资源。空间分集是增加系统容量与改善系统性能的最新发展技术，理论上分析表明只要正确地使用一组天线，形成新的自由度和空间，就能极大地增加系统容量。此外，采用空间分集还可以降低功耗、增加抗衰落和抗干扰能力，更有效地切换以及更好的安全性和系统鲁棒性。
为了增加系统容量改善系统性能，实现空间分集的一种直接方法是使用定向天线，将无线系统分为扇区。在这方面进行了大量研究，如美国专利U.4955082(1989.1，移动通信系统)、美国专利U.S4989204(1989.12，数字移动站在通话期间通过小区时的高通过量通信的方法和系统)等。采用扇区的基站接收机中可以大幅度减少移动台间的相互干扰。这是因为一般干扰均匀分布在不同的入射方向上，因而其数量可以通过扇区化减少。当然可以在传输的两个方向上都实现扇区化，扇区化所提供的容量收益正比于扇区的数量。
扇区化可以采用一种特殊形式的软切换，即更软越区切换。其中移动台通过同时与两个扇区通信来执行从其中一个扇区到另一个扇区的软越区切换。尽管越区切换提高了连接质量，扇区化增加了系统容量，可是多个移动台的移动自然导致了这些移动台执行若干从一个扇区到另一个扇区的越区切换的次数，这增加了系统的负荷。若干越区切换也产生了几个移动台同时与多个扇区通信的情况，从而因为移动台要在较宽的区域内接收信号而丧失了扇区化所增加的系统容量的优势。
为适应移动通信的时变特性，很多人研究自适应天线技术，如美国专利U.S4599734(1985.4，多向时分复用的通信的空间分集通信系统)、美国专利U.S550735(1993.4，在移动/室内蜂窝无线通信系统中的分集发送)和中国专利96194112(1996.5，基站设备，以及一种控制天线波束方向的发射方法)，其中最有效的方式是SDMA(空分多址)，它允许许多个终端通过不同的空间信道来共享同一个常规信道(频率，时间)因而不需要增加频率就可倍增系统容量。这通过根据移动台的位置将基站的接收机天线波束调整到所需信号到达方向来实现。为此，系统采用自适应天线阵列，即相控天线，并处理接收到的信号，通过接收到的信号来跟踪移动台的变化。这里所谓相控是指通过调整天线阵列的每个天线阵元接收到的信号的相位，来控制天线波束的指向。
在SDMA中通过天线阵列接收信号，并通过数字信号处理进行数字波束赋形(DBF)，使所需信号的信噪比最大。这是通过调整天线阵列所接收的信号的相位使所需信号通过相加求和得到加强，而其它干扰信号通过相加求和得到削弱实现的。在根据前述参考资料的装置中，对每个检测出的分量进行单独的波束赋形。
对采用CDMA多址方式的系统而言，使用SDMA比用其他空间分集技术，如扇区化，具有许多优势。如果在扇区化过程中为增加频谱利用率而窄化扇区波束，则系统内扇区之间的切换次数也随着增加。这就相应地增加了基站控制器的负荷。
虽然使用了自适应天线阵列的无线通信系统有许多优点，但目前在实际中应用还需要解决一些关键的技术问题。如在FDD双工方式下的下行定向发射问题等。对于FDD双工方式的无线通信系统，由于上、下行链路采用不同的载波频率，如果上、下行链路采用同一个天线阵列和相同的发射权值向量对待接收和发送的信号进行加权，所形成的波束的最大增益方向和形状将不相同，使下行发送波束的最大增益方向不能指向期望用户所在方向，这势必影响下行信号的发送质量。虽然采用先对到达波方向(DOA)进行估计然后在设计指向波达方向的波束的方法原理上可以解决下行发送的问题，但是由于在无线蜂窝通信系统中传播的信号具有丰富的多径传播，一般不满足波达方向估计算法的适用条件，因此波达方向的精度很难得到保证，现有的波达方向估计算法计算量很大，需要十分复杂的硬件，实现成本很高。由于大部分的无线通信系统都采用FDD双工方式，所以如何在FDD双工方式下采用自适应天线的问题就成为一个必须解决的重要问题。
本发明的一个目的是，提出一种自适应控制天线波束的基站设备。
本发明的另一个目的是，提出一种新的在采用FDD双工方式的无线通信系统中，自适应定向接收和定向发送所需用户信号的方法，所述方法在上行链路方向采用自适应更新算法形成随时间变化的天线波束，然后在预先设计设计好的下行固定波束中搜索与上行接收波束指向最为接近的波束，进行所需信号的发送。
本发明的自适应控制天线波束的基站设备，包括天线阵列，控制与接口单元，位于天线阵列和控制与接口单元之间并分别与两者相连的N个并列的基带处理单元，所述基带处理单元包括上行波束赋形器，解扩器，检测器，下行波束赋形器，扩频器，编码器；其特征在于还包括一个空间处理控制器，所述空间处理控制器与天线阵列、上行波束赋形器、下行波束赋形器相连，并连接到检测器的输出端接收检测器反馈的输出信号；所述上行波束赋形器，其输入端连接到天线阵列的输出端，其输出端连接到解扩器的输入端；所述解扩器，其输入端与上行波束赋形器的输出端相连接，其输出端连接到检测器的输入端；所述检测器，其输入端连接到解扩器的输出端，输出端与接口与控制单元连接；所述扩频器，其输入端与编码器的输出端相连接，输出端与下行波束赋形器的输入端相连；所述下行波束赋形器，其输入端与扩频器的输出端相连，其输出端与天线阵列相连接，从天线阵列到达的M个数字复I，Q样本输送给上行波束赋形器的输入端。
如上所述的本发明的基站装置中，所述空间处理控制器包括一个上行自适应波束赋形控制器，一个搜索与控制单元，以及上行频率固定波束权值向量存储器和下行频率固定波束权值向量存储器；所述上行自适应波束赋形控制器的一个输入端与上行波束赋形器的输出端相连，另一个输入端与检测器的输出端相连，一个输入/输出端与搜索与控制单元的输出/输入端相连，一个输出端通过与上行波束赋形器的一个输入端相连；所述搜索与控制单元有三个输入/输出端，一个与上行波束赋形控制器的输入/输出端相连，其余两个输入/输出端分别与上行频率固定波束权值向量存储器和下行频率固定波束权值向量存储器的输入/输出端相连；由所述下行频率固定波束权值向量存储器输出给下行波束赋形器。
本发明的自适应定向接收和定向发送所需用户信号的方法，包括下列步骤(1)基站设备的接收机采用自适应更新算法形成随时间变化的上行链路接收天线波束。
(2)基站设备的接收机在预先设计好的下行固定波束中寻找一个与上行接收波束指向最为接近的下行固定波束，用该波束进行所需信号的发送。
与现有的采用DOA(到达方向估计)的SDMA系统相比，根据本发明的方法不但提供了较好的频谱利用率，而且不需要估计信号的到达方向，降低了系统的实现复杂度，从而降低了系统的造价。这基于以下的事实如果基站在从移动台接收信号分量的方向上发送信号而在其它方向上不发射或发射的功率比较低，则下行传输方向上对其他用户的干扰将大幅度地减少，从而可大幅度提高下行链路的容量。
根据本发明的优选实施例，可以在基带上进行数字信号处理，因而可以通过相控接收信号直接将天线波束调整到所需方向。
下面结合根据附图的例子更详细地描述本发明所述装置和方法，其中
图1是说明移动台和基站间的多径传播情况的示意图；图2是说明信号多径时延分布的示意图；图3是一种自适应天线阵列的结构图；图4是说明控制天线波束使之朝向移动台的示意图；图5是本发明的基站设备的结构框图；图6是本发明基站设备中基带处理单元结构框图；图7是基带处理单元中的空间处理控制器的结构框图8是本发明的方法的流程图。
虽然本发明也可用于其它多址接入方式，但为了叙述方便，下面将以CDMA系统为例，更详细地描述根据本发明的方法和设备。基于下面的描述对于本领域的技术人员而言是显而易见的，所以本发明的描述并不局限于CDMA系统。
图1说明了蜂窝系统中传送的信号的典型的多径传播现象。该图示出了基站设备100和与该基站设备通信的移动台102。在蜂窝无线通信系统中，移动台一般以全向天线模式进行发射。由于移动台的天线都比较低，往往处在许多高大物体的包围之中，这些物体包括高大建筑物，山脉丘陵以及其它物体等。这些物体的表面能够反射和散射无线电波。图1示出了由移动台发出的一些波束104和106。位于移动台附近的物体108，122的表面反射所发射的信号，后者沿不同路径到达基站设备100的天线。由于多径所走的路径不同，因而到达基站设备到达方向和传播时延也不同。移动台102和基站设备100之间的物体120阻挡了基站设备100和移动台102之间的直接通路。
图2说明了在空域上，基站接收机中信号的多径现象所引起的信号分量瞬态散射作为到达角的函数的例子。
图2中，横轴200为信号分量的到达角(AOA)单位为度；纵轴202为接收信号分量的的功率。在图2的例子中信号分量204，206，208，210从四个方向到达且从每个方向到达的信号的功率也不一样。
在较大的宏小区中，基站天线位置较高，信号的分量通常仅以少数不同的到达角到达基站天线，这些到达角通常在移动台与基站的直接连线附近。在较小的微小区中由于基站天线都比较低，往往处在周围物体的包围之中，基站周围环绕着反射表面，信号分量的到达角的扩展也比较大。
以上描述了上行传输方向上的多径传播情况，根据互逆定理，在下行方向上也会发生相似现象。也可以认为多径路由在两个方向上基本对称。因为反射和散射对频率的依赖不大。因此，如果基站检测到一个信号以角度β到达，那么发送一个具有相同角度β的信号将会使该信号发向移动台的方向。
基于以上描述，可以认为蜂窝无线通信系统中存在着多径传播，多径路由在上行链路和下行链路两个方向传输的路由具有对称性。如果朝着上行信号的到达方向发送下行信号，那么该信号将会到达移动台的天线。因此，下行波束赋形的目标是使下行发送的天线波束的最大增益角指向上行所需信号到达的方向。
根据本发明的技术方案，上行接收采用自适应算法对形成接收波束的天线阵列的权值向量进行更新，所述天线阵列是由若干单个天线元件按一定的空间分布组成的。为说明如何通过天线阵列形成指向某一方向的天线波束，本发明给出图3。图3作为一种天线阵列的可能实现结构，它可以应用于本发明的优选实施例。
图3a中，天线阵列包括M个天线元件300，302，304，……，这些元件可以是全向天线，也可以是定向天线。每一元件连接到射频部件306，308，310。在接收方向，所述部件根据已知技术将接收到的信号转换成中频并将该信号采样成I，Q两路数字信号，得到的复样本随后在乘法器312，314，316中乘上相应的权值Wm(m＝1，…，M)，已经过相乘处理的样本318，320，322通过一个加法器324相加经326输出给接收机的其它部件。
图3b给出的是在发送方向上，328接发送机其它部件输出的经过扩频后的样本传输给分路器330，分路器330把一路信号复制到M路332，334，336上，然后在乘法器338，340，342中乘上相应的权值Wm’(m＝1，…，M)，经过相乘处理的样本被输送给发送机的射频部件344，346，348，这些射频部件把中频的数字信号转换成模拟信号并调制到高频输送给天线元件发送出去。
在本发明中，每一时刻的上行复权值向量Wm(m＝1，…，M)是通过自适应更新算法得到的，它能实现所需形状和最大增益方向指向所需方向的天线波束模式。因为这种对接收信号进行处理的方式针对基带上数字化信号进行，这种处理接收信号的方式称为数字波束赋形(DBF)。通过这种数字波束赋形，可以使天线阵列的增益朝向所需方向。调整从不同天线获得的信号相位并叠加这些相控信号产生了所需方向的虚天线波束。
在本发明中，某一时刻的下行发送复权值向量Wm’(m＝1，…，M)是在下行固定波束发射权值向量存储器中，波束最大增益方向与该时刻上行接收所用波束的最大增益方向最为接近的权值向量。用Wm’(m＝1，…，M)对待发射信号进行相控，可以实现所需的辐射图。
图4是说明控制天线波束使之朝向移动台的示意图；它示意性地说明了天线阵列如何产生一个指向移动台400的强定向波束402。图4中，天线阵列由包括4个元件408，410，412，414的一个均匀空分线性组组成。天线阵列除形成了一个强波束以外还形成了一组较小的旁瓣404，406。这种方向性是通过对信号进行数字相控使不同天线元件上的信号在移动台方向进行同相迭加而实现的。
图5是本发明的基站设备结构的框图。该基站设备包括一个由M个单独的天线元件组成的天线阵列500。该天线阵列可以是线性的，平面的或全向的。天线阵列500通过M个元件中的每一个，从每个移动台接收，在若干不同方向的不同路径上延迟的，多径传播信号，经过预放大，再将该信号转换成中频并将M个信号进行模数转换转换成数字信号。得到的M个数字复I，Q两路信号提供给基带处理单元502，504。
每个与基站通信的处于激活状态的移动台由一个基带处理单元提供服务，基带处理单元对接收和发送的信号进行数字信号处理。所述基带处理单元可以看作包括一个接收机和一个相应的发射机。数字信号在接收方向和发射方向上都通过对信号进行相控实现天线波束的数字波束赋形。
在接收方向上，所述基带处理单元对信号进行空间滤波，使天线阵列的增益在所需信号的到达方向最大，解调接收的信号分量并进行分集合并，对分集合并后的信号进行解码得到用户数据比特。解码得到的用户数据比特进一步传输给控制与接口单元506，控制与接口单元将用户数据比特传输给交换系统508，交换系统508再把用户数据比特路由到公众网传输到网络的其它部分。
在发送方向上，用户数据比特从交换系统到达控制与接口单元506，控制与接口单元将它们分配到正确的基带处理单元502到504，在基带处理单元502到504中被编码和扩频调制，调制后的信号经过与复权值相乘对待发射信号进行相控完成波束的预赋形，所乘的复权值向量决定了波束的最大增益方向和形状。待发送信号相控得到M个信号分别输送给天线阵列500的M个元件的每一个。在本发明中，接收和发送的天线阵列为同一天线阵列，接收和发送的方向的信号经过适当的双工滤波器进行分离。
在天线阵列500中来自每一个基带处理单元的，经过相控后发往同一天线的信号，经过加法器相加后，被转换成模拟信号，转移到射频(发送)单元再通过天线阵列发送出去。
图6是说明根据本发明的的优选实施例的基带处理单元的结构框图。基带处理单元包括一个或多个上行波束赋形器600，在该图中示出其中之一，其输入端连接到天线阵列500的输出端，其输出端连接到解扩器602的输入端，其功能是完成对上行接收信号的相控，包括一个或多个解扩器602，在该图中只示出其中之一，其输入端与上行波束赋形器600的输出端相连接，其输出端连接到检测器604的输入端，其功能是解调所需信号分量，包括一个检测器604，其输入端连接到解扩器602的输出端，输出端与接口与控制单元连接，包括一个空间处理控制器610，它与天线阵列500、上行波束赋形器600、下行波束赋形器618(在该图中示出其中之一)相连，并连接到接收检测器的输出端接收检测器反馈的输出信号，还包括一个或多个扩频调制器620(在该图中示出其中之一)，其输入端与编码器622的输出端相连接，输出端与下行波束赋形器618的输入端相连，波束赋形器618的输入端与扩频器620的输出端相连，输出端与天线阵列相连接，从天线阵列到达的M个数字复I，Q样本输送给所有上行波束赋形器600和空间处理控制器610的输入端。
下面结合图6、图3，考察上行波束赋形器600的工作原理。上行波束赋形器600可以如图3a所示，包括信号与复系数相乘的乘法器312，314，316，乘法器的一个输入端与天线阵元的射频前端的输出端相连，另一个输入端与空间处理控制器610的输出端相连，其输出端与加法器322的输入端相连，在乘法器312，314，316中信号乘上空间处理控制器610传过来的相应的上行接收权值Wm(m＝1，…，M)，由此可以确定在波束赋形器中可见的放大信号的到达角。已经过相乘处理的样本318，320，322通过一个加法器324相加经326输出给解扩器602。上行波束赋形器600由空间处理控制器进行控制。
上行波束赋形器600的输出信号被传输给解扩器602。解扩器602的输入端与上行波束赋形器600的输出端相连，输出端连接到检测器604的输入端，其功能与传统的瑞克(Rake)接收机相同，主要是解调所需信号分量。其实现是通过用期望用户特有的扩频码与上行波束赋形器600的输出的信号进行互相关解调出所需信号分量传输给检测器604。
检测器604的输入端连接到解扩器602的输出端与接口与控制单元506相连，其功能是对来自不同解扩器602输出的信号分量进行分集合并，并把分集合并后的信号解码成用户数据比特，并把解码的结果输出给空间处理控制器和接口与控制单元。检测器可用现有已知技术实现。
编码器622的输入端连接到接口与控制单元506，输出端连接到扩频器620的输入端，编码器622的功能是编码用户数据比特。它把一定长度的用户数据比特按照通信协议的要求编码成待传输的数据符号发送给扩频器620。编码器可用现有已知技术实现。
扩频器620的输入端与编码器622相连，输出端连接到下行波束赋形器618。其功能是把编码器622输出的数据符号与分配给用户的特定扩频码相乘，把窄带的数据符号扩频调制到较宽的扩频信号。扩频器620也可以用现有已知技术实现。
下行波束赋形器618如图3b所示，包括分路器330，分路器330把一路信号复制到M路332、334、336上，包括乘法器338、340、342。在乘法器338、340、342中，待发送信号乘上空间处理控制器输出的相应的复权值Wm’(m＝1，…，M)，经过相乘处理的样本被输送给发送机的射频部件344，346，348，这些射频部件把中频的数字信号转换成模拟信号并调制到高频输送给天线元件发送出去。
空间处理控制器610通过614与下行波束赋形器618相连，通过612与上行波束赋形器600相连，通过608接收上行波束赋形器600的输出信号，通过616接收检测器604反馈的检测结果。
空间处理控制器610的功能是根据上行波束赋形器600的输出信号和检测器604的反馈的检测结果，自适应的调整控制上行波束赋形器600和下行波束赋形器618的复权值，使得上行接收波束和下行发射波束的最大增益方向指向上行所需信号分量到达的方向，其两个输入端分别连接到上行波束赋形器600和检测器604的输出端，两个输出端分别与上行波束赋形器600和下行波束赋形器618的输入端相连。
下面结合图7详细说明空间处理控制器610的工作过程。图7为空间处理控制器610的结构框图。空间处理控制器包括一个上行自适应波束赋形控制器700，一个搜索与控制单元702，以及上行频率固定波束权值向量存储器704和下行频率固定波束权值向量存储器706。自适应波束赋形控制器700的一个输入端通过608与上行波束赋形器600的输出端相连，一个输入端通过616与检测器604的输出端相连，一个输入/输出端与搜索与控制单元702的输出/输入端相连，一个输出端通过612与上行波束赋形器600的一个输入端相连，搜索与控制单元702的三个输入/输出端除一个与上行波束赋形控制器700的输入/输出端相连外，其余两个输入/输出端分别与上行频率固定波束权值向量存储器704和下行频率固定波束权值向量存储器706的输入/输出端相连。
上行自适应波束赋形控制器702从608接收上行波束赋形控制器600的输出信号，从616接收检测器604反馈的检测结果，它根据上行波束赋形器600的输出和检测器604反馈的检测结果用自适应算法产生上行接收复权值向量的更新向量，并对上行接收复权值向量进行更新产生新的上行接收复权值向量，同时把产生的新的复权值向量输送给搜索与控制单元702和上行波束赋形器600。
上行频率固定波束权值向量存储器704与下行频率固定波束权值向量存储器706是经过特定的波束优化设计方法设计的复权值向量组成的权值向量存储器对。两权值向量存储器中序号相同的向量所对应的波束的最大增益方向相同，其复权值的幅度与上行自适应接收复权值的幅度相同。两个权值向量存储器704、706可用普通的存储器实现。
搜索与控制单元702接到上行自适应波束赋形控制器输送来的上行接收复权值向量后，在上行频率固定波束权值向量存储器中，搜索与上行接收复权值向量最为相似的上行频率固定波束权值向量，这种搜索既可通过穷举法进行，也可采用其它搜索算法如在上次搜索结果的附近进行部分搜索等方法进行。搜索到的结果反馈给搜索与控制单元702，搜索与控制单元702在下行频率固定波束中，提取序号与搜索到上行频率固定波束权值向量相同的下行发送复权值向量，对下行待发送信号进行相控。
图8描述本发明的方法的流程，它涉及在CDMA系统中应用信号的数字相控。
在基站中使用的采用角度分集的接收机包括数字接收机装置，它可以在角度域自适应地跟踪所需信号的到达方向的变化，使天线阵列的波束的最大增益方向始终指向所需信号分量到达方向，并解调所需的信号分量。在解调之前，对天线阵列接收的数字信号样本进行数字相控使天线阵列的最大增益方向指向所需信号分量的到达方向。
在本发明所述方法中，相控所产生的天线波束是具有预定形状的波束，这可通过在权值向量的自适应更新过程中只更新权值向量的相位而不更新幅度实现。这样做的目的是为了在下行发送时，更容易地从下行固定波束权值向量向量存储器中，找到与上行接收信号的权值向量所对应的波束，该波束具有最为接近的最大增益方向和形状，称为下行发送权值向量。
这样做虽然没有使自适应算法能够计算出待接收所需信号的优化波束形状，从而通过将天线模式的零点定向到干扰到达方向的优势得到充分发挥，但这样做并不会使系统性能下降太多，因为根据前面所述，在CDMA系统中干扰的到达方向角的概率分布为均匀分布，任何方向的干扰源都不比别的方向的干扰源占有明显的优势。因此，在干扰均匀分布的环境中，使具有预定形状的天线波束的最大增益方向指向所需信号分量的到达方向就已足够。与现有技术相比，这使采用较简单的接收机来实现成为可能，而且使下行发送波束赋形算法变得更为简单也更容易实现。
在本发明中，上行采用自适应算法对上行接收权值向量进行更新，从而形成一个始终指向所需用户的波束对所需信号分量的接收，下行采用固定波束进行所需信号的发射。下行发射所用的波束是下行固定波束组中的一个最大增益方向与上行接收波束的最大增益方向最为接近的波束。由于对采用FDD双工方式的系统，上行链路和下行链路的载波频率不同，无法通过直接比较上行接收所用的权值向量与下行固定波束权值向量的相似性来获得与上行波束的最大增益方向最为接近的下行固定波束。但这可以通过下述方式进行在设计下行固定波束时对具有确定的最大增益方向和形状的同一个波束，可以用上行载波频率和下行载波频率分别设计一个权值向量，并称这两个对应同一波束的权值向量为一个权值向量对。所有固定波束对应的上行频率权值向量按顺序存储在一个权值向量存储器中，并称该存储器为上行频率固定波束权值向量存储器704，所有固定波束对应的下行频率权值向量按相同顺序存储在另一个向量存储器中，并称该存储器为下行频率固定波束权值向量存储器706，上行频率固定波束权值向量存储器与下行频率固定波束权值向量存储器构成固定波束权值向量存储器对。当发射机-接收机的控制器接到接收机发送来的接收上行所需信号分量的权值向量后，就在上行频率固定波束权值向量存储器中，搜索与该上行权值向量最为相似的上行频率固定波束权值向量，然后再在下行频率固定波束权值向量存储器中读取相应的下行频率固定波束权值向量，并用该权值向量对下行待发送信号进行相控。上行接收权值向量和上行频率固定波束权值向量的相似性的比较可以通过现有技术如最小均方误差，最大相似系数等实现。为了减少由上行自适应算法形成的接收波束的最大增益方向与下行固定波束最大增益方向间的偏差，可以把固定波束设计得很密，这样做虽然会增加初始搜索的计算量，但总的计算量不会增加太多。这是因为一旦第一次搜索成功，下一次搜索就可在上次搜索的结果附近进行，这样可使搜索的范围大大减小，从而减少搜索算法的计算量。对一个所需信号分量可以有一个或多个发射波束，从不同波束发射的所需信号分量可以一些采用空时码发射，另一些采用正常发射方式。
本发明所述方法在下行方向消除了大量干扰。发射所使用的天线阵列与接收所使用的天线阵列相同。对待发送信号进行相控的方式与接收期间相同。现有技术CDMA系统为方便移动台进行相关接收和小区间切换与识别均采用公共导频符号。所述导频信号是一个数据未经调制的扩频编码信号，其向基站覆盖区的发射方式与业务信道相同。根据本发明的方法实现的CDMA系统业务信道的信号，采用随时间变化的窄波束接收和发射，第一导频信道采用不随时间变化的宽波束发射。由于业务信道的信号和第一公共导频信号所经历的系统不同，信号所走的路径可能也不相同，因而第一公共导频信号不能再用于相干检测的基准。为此可在发送业务信道的随时间变化的窄波束中，发送第二公共导频信号作为相干检测的基准。
权利要求
1.一种自适应控制天线波束的基站设备，包括天线阵列(500)，控制与接口单元(506)，位于天线阵列(500)和控制与接口单元(506)之间并分别与两者相连的基带处理单元；所述基带处理单元包括上行波束赋形器(600)，解扩器(602)，检测器(604)，下行波束赋形器(618)，扩频器(620)，编码器(622)；其特征在于还包括一个空间处理控制器(610)，所述空间处理控制器(610)与天线阵列(500)、上行波束赋形器(600)、下行波束赋形器(618)相连，并连接到检测器(604)的输出端接收检测器反馈的输出信号；所述上行波束赋形器(600)，其输入端连接到天线阵列(500)的输出端，其输出端连接到解扩器(602)的输入端；所述解扩器(602)，其输入端与上行波束赋形器(600)的输出端相连接，其输出端连接到检测器(604)的输入端；所述检测器(604)，其输入端连接到解扩器(602)的输出端，输出端与接口与控制单元(506)连接；所述扩频器(620)，其输入端与编码器(622)的输出端相连接，输出端与下行波束赋形器(618)的输入端相连；所述下行波束赋形器(618)，其输入端与扩频器(620)的输出端相连，其输出端与天线阵列(500)相连接，从天线阵列(500)到达的M个数字复I，Q样本输送给上行波束赋形器(600)的输入端。
2.如权利要求1所述的基站装置，其特征在于，所述空间处理控制器(610)包括一个上行自适应波束赋形控制器(700)，一个搜索与控制单元(702)，以及上行频率固定波束权值向量存储器(704)和下行频率固定波束权值向量存储器(706)；所述上行自适应波束赋形控制器(700)的一个输入端与上行波束赋形器(600)的输出端相连，另一个输入端与检测器(604)的输出端相连，一个输入/输出端与搜索与控制单元(702)的输出/输入端相连，一个输出端通过(612)与上行波束赋形器(600)的一个输入端相连；所述搜索与控制单元(702)有三个输入/输出端，一个与上行波束赋形控制器(700)的输入/输出端相连，其余两个输入/输出端分别与上行频率固定波束权值向量存储器(704)和下行频率固定波束权值向量存储器(706)的输入/输出端相连；由所述下行频率固定波束权值向量存储器(706)输出给下行波束赋形器(618)。
3.如权利要求1所述的基站装置，其特征在于所述的基带处理单元为多个具有相同结构相并列的基带处理单元组成。
4.如权利要求1所述的基站装置，其特征在于所述上行波束赋形器(600)和所述解扩器(602)分别有并列的多个。
5.如权利要求1所述的基站装置，其特征在于所述下行波束赋形器(618)和所述扩频器(620)分别有并列的多个。
6.如权利要求2所述的基站装置，其特征在于所述上行频率固定波束权值向量存储器(704)和下行频率固定波束权值向量存储器(706)为特定的波束优化设计的复加权系数权值向量组成的向量存储器，可通过普通的随机存储器实现。
7.一种自适应定向接收和定向发送所需用户信号的方法，包括下列步骤(1)基站设备的接收机采用自适应更新算法形成随时间变化的上行链路接收天线波束；(2)基站设备的接收机在预先设计好的下行固定波束中寻找一个与上行接收波束指向最为接近的下行固定波束，并用该波束进行所需信号的发送。
8.如权利要求7所述的自适应定向接收和定向发送所需用户信号的方法，其特征在于，所述自适应更新算法是通过根据基站设备的接收机接收到的信号与期望信号的误差产生权值更新向量，然后上行接收权值向量进行更新，形成新的接收权值向量的过程。
9.如权利要求7所述的自适应定向接收和定向发送所需用户信号的方法，其特征在于，所述步骤(2)又包括以下步骤(1)基带处理单元的搜索与控制装置接到上行接收权值向量后，在上行频率固定波束权值向量存储器中，搜索与上行接收权值向量最为相似的上行频率固定波束权值向量。(2)基带处理单元的搜索与控制装置根据搜索到的结果，在下行频率固定波束权值向量存储器中，读取与搜索到的上行频率固定波束权值向量最相似的下行频率固定波束权值向量。(3)基带处理单元的搜索与控制装置控制下行频率固定波束权值向量存储器，把搜索到的下行频率固定波束权值向量输出给下行波束赋形器，通过下行波束赋形器相控下行待发送所需信号。
10.如权利要求9所述的自适应定向接收和定向发送所需用户信号的方法，其特征在于所述的在上行频率固定波束权值向量存储器中搜索与上行接收权值向量最为相似的上行频率固定波束权值向量，是采用最小均方误差或最大相似系数来实现的。
11.如权利要求9所述的自适应定向接收和定向发送所需用户信号的方法，其特征在于下一次搜索是在上次搜索的结果附近进行的。
12.如权利要求7所述的自适应定向接收和定向发送所需用户信号的方法，其特征在于所述步骤(2)中发送一个所需信号分量可以有一个或多个发射波束，从不同波束发射的所需信号分量可以一些采用空时码发射，另一些采用正常发射方式。
全文摘要
本发明提出一种自适应控制天线波束的基站设备和方法,装置包括天线阵列500,控制与接口单元506及基带处理单元,基带处理单元包括上行波束赋形器600,解扩器602,检测器604,下行波束赋形器618,扩频器620,编码器622;还包括空间处理控制器610,所述方法在上行链路方向采用自适应更新算法形成随时间变化的天线波束,在预先设计好的下行固定波束中搜索与上行接收波束指向最为接近的波束,进行所需信号的发送;本发明有较好的频谱利用率,降低了系统的实现复杂度,可大幅度提高下行链路的容量。
文档编号H04W88/08GK1377202SQ0110571
公开日2002年10月30日 申请日期2001年3月22日 优先权日2001年3月22日
发明者李鲲鹏, 赵建平, 查明勇 申请人:深圳市中兴通讯股份有限公司