专利名称：移动通信终端和阵列天线方向图控制方法
技术领域：
本发明涉及一种移动通信终端，根据码分多址(以下称为CDMA)通信系统，通过使用包含多个天线单元的阵列天线来接收无线信号，以执行无线通信。本发明也涉及一种用于阵列天线的方向图控制方法。
用于阵列天线方向图的常规控制方法，例如，根据最小均方误差(以下称为MMSE)使用一种自适应算法，如最小递归平方算法(以下称为RLS算法)，采样矩阵逆算法(以下称为SMI算法)，和最小均方算法(以下称为LMS算法)。在这种控制方法中，根据自适应算法确定一组用来形成包含多个天线单元的阵列天线方向图的加权因数，以最小化从基站接收的信号和本地产生的基准信号之间的均方误差。
然而，当用于阵列天线的常规方向图控制方法应用到移动通信终端，以根据CDMA通信系统接收无线信号来执行无线通信时，会产生下列问题。用于阵列天线的常规方向图控制方法需要基准信号，以供自己使用。在常规方向图控制方法中，确定一组加权因数，以使接收信号和基准信号之间的均方误差最小化。当对接收的信号执行解扩处理时，所需的信号放大为扩频增益的量；因此，方向图中由噪音和干扰信号引起的影响变的更小。同样，移动站环境下的干扰要比基站环境下的干扰少，而且干扰电平通常比所需信号的干扰电平小。因此，有可能用于确定一组形成阵列天线方向图加权因数的自适应算法的收敛性能降低。此外，由于用来确定加权因数的回归计算的发散性，而有可能不能确定加权因数。因此，阵列天线的方向图控制操作变得不稳定。
图4示出一系列的阵列天线方向图的视图，当根据CDMA通信系统在可移动站(下行链路)接收无线信号时，在解扩之后通过应用常规阵列天线方向图控制方法(此后用做LMS)，控制阵列天线方向图以形成一系列的阵列天线方向图。在图4，示出四单元λ/2间隔的线性阵列天线的重复更新的方向图。如图4所示，使用LMS算法的常规控制方法没有形成指向信号入射方向的主波束的稳定的方向图。这是出于上述提到的原因由于LMS算法的收敛性能的降低引起的。
如上述解释，当应用常规阵列天线方向图控制方法控制阵列天线的方向图时，在向CDMA移动通信终端解扩之后，方向图控制操作变得不稳定。因此，很难提高对基站的方向图的跟踪性能。
同样，当使用高速阵列天线方向图控制方法如RLS或SMI时，用来确定加权因数以最小化均方误差的计算量很大，因此，电力消耗增加。结果是，存在移动通信终端的电池使用寿命很短的问题。
而且，本发明的另一个目的是提供一种移动通信终端和其控制方法，其中移动通信终端可以减少用来确定一组加权因数以形成阵列天线方向图的处理过程的操作量。
为解决上述问题，本发明第一方面的特征在于，根据码分多址协议，通过接收包含导频信号的无线信号以执行无线通信的移动通信终端包括具有多个天线单元的阵列天线；
导频信号解扩装置，根据预定的解扩代码，对天线单元接收的信号进行解扩处理并为每个天线单元提取该导频信号；方向图控制装置，根据由天线单元的导频信号解扩装置为每个天线单元提取的导频信号，执行加权操作，以形成具有多个天线单元的阵列天线的方向图。
本发明的第二方面特征在于，移动通信终端中的方向图控制装置包括确定导频信号相位角的相位计算装置；加权因数计算装置，通过使用相位计算装置确定的相位角来确定用于形成阵列天线方向图的一组加权因数。
本发明第三方面的特征在于，移动通信终端中的方向图控制装置包括形成阵列天线方向图的加权因数计算装置，其中导频信号用做加权因数，或者通过将导频信号与一个常数相乘，确定加权因数。
本发明第四方面的特征在于，方向图控制装置通过将接收信号与加权因数相乘，控制阵列天线的接收方向图。
本发明第五方面的特征在于，方向图控制装置根据发射频率补偿加权因数，并通过将发射信号与补偿的加权因数相乘，控制阵列天线的发射方向图。
本发明第六方面的特征在于，用于具有包含多个天线单元的阵列天线的移动通信终端中阵列天线定向模块的控制方法，根据码分多址协议由阵列天线接收包含导频信号的无线信号，执行无线通信，其中包括步骤根据预定的解扩代码，在天线单元对接收的信号进行解扩处理，并为每个天线单元提取导频信号；根据每个天线单元的导频信号，进行方向图控制处理，以形成包含多个天线单元的阵列天线的方向图。
本发明第七方面的特征在于，在阵列天线方向图的控制方法中，方向图的控制过程包括步骤计算每个天线单元导频信号的相位角；和使用每个天线单元导频信号的相位角，确定一组用于形成阵列天线方向图的加权因数。
本发明第八方面的特征在于，阵列天线方向图的控制方法包括方向图控制过程，其中导频信号用做加权因数；或者通过将导频信号与常数相乘，确定加权因数。
如上述解释，根据本发明，每个天线接收的信号根据预定的解扩代码解扩，以给每个阵列天线单元提取预定的导频信号。导频信号包括与信号到达方向相关的相位信息。可以将提取的导频信号看做表示无线信号入射方向的阵列响应向量。本发明中，有可能从每个天线单元导频信号的相位信息计算出阵列加权因数，以直接形成包含多个天线单元的阵列天线方向图。因此，不是必须使用需要基准信号的自适应算法。同样，没有产生由自适应算法的收敛性能诸如递归计算的发散性之类引起的问题。
通过这么做，就可能控制阵列天线方向图，以使方向图的主波束稳定地指向无线信号的入射方向，即使移动通信终端改变了位置。这样的结果是，提供移动通信终端的有利之处在于可以实现比常规装置更优质的通信质量。
根据本发明的第二或第七方面，首先确定导频信号的相位角，然后使用该相位角确定用于形成阵列天线方向图的加权因数。因此，不用进行递归计算而可以确定加权因数。所以，可以减少确定形成阵列天线方向图的加权因数的计算过程。因此，可以降低对电的消耗。
根据本发明的第三或第八方面，提取的导频信号，或乘以一个常数的导频信号用做形成阵列天线方向图的加权因数。因此，不用进行递归计算而可以确定阵列加权因数。这样的结果是，可以减少确定形成阵列天线方向图的加权因数的计算过程。因此，可以降低对电的消耗。
如上述解释，本发明可以降低电力的消耗，并可以降低移动通信终端的电池的电能消耗。结果是，产生可以降低电池充电频率的效果，致使实现移动电话使用寿命长和便于携带。
图1是根据本发明实施例的移动通信终端中的接收功能的方框图。
图2是根据本实施例如图1所示的移动电话单元的发射功能部分的方框图。
图3是根据本实施例，显示根据阵列天线方向图控制方法控制天线方向图形成的天线方向图的视图。
图4是根据常规阵列天线方向图控制方法显示由控制天线方向图形成的天线方向图的视图。
首先，对阵列天线方向图控制方法的本实施例作出如下的综合描述。移动电话根据CDMA通信系统从基站接收无线信号。该无线信号包括预定的导频信号(例如，CDMA美国标准“TIA.EIA-95B，§7.1.3.2”)，该信号用来识别基站和检测扩频码(PN代码)片同步时隙(finger)及从多个基站发射的信号强度，因此通过CDMA移动电话可以选出具有最强强度的信号(可以由搜索装置实现)。该导频信号可以看作算术中的“1+j”，并分别在它的实部和虚部上由扩频码扩频，且从基站中发射该导频信号。
另一方面，在移动电话中，预先设置可以提取导频信号的解扩代码。在阵列天线方向图控制方法中的本实施例中，根据解扩代码(PN代码)，对包含在阵列天线的每个天线单元中接收的信号执行解扩处理，提取包含在每个天线单元中接收的信号的导频信号。
为每个天线单元提取的导频信号包括表示无线信号入射方向的相位信息。可以将相位信息看做表示无线信号入射方向的阵列响应向量。本发明中，计算出阵列加权因数，因此，从每个天线单元提取的信号的相位信息中，可以直接形成包含多个天线单元的阵列天线方向图，其中相位信息组成接收的无线信号的阵列响应向量。因此，不是必须使用需要产生复杂的基准信号的自适应算法。同样，没有由递归自适应算法的收敛性能诸如递归计算的发散性之类引起的问题；所以，本发明可以稳定地控制阵列天线方向图。
参考图1，解释根据本发明使用阵列天线方向图控制方法的移动电话如下。图1中，参考数字1和1-N(N是整数，是2或更大的数)表示包含在天线单元中的N个天线单元。参考数字2表示射频(RF)接收部分，用来通过天线单元1到1-N同时接收N个CDMA无线信号，并对应天线单元1到1-N输出接收的信号x1到xN。RF接收部分2包括无线信号接收电路，下行转换器，和模拟-数字转换器，并通过数字化N个接收的无线信号，该RF接收部分产生接收信号x1到xN。
参考数字3表示搜索部分(搜索装置)，用来执行PN码片同步时隙(finger)，以及使用接收信号x1到xN中的任意一个进行最强信号选择探测，并输出选出的所需码片同步时隙(finger)。
参考数字4表示阵列响应向量探测部分，用来根据解扩代码(PN代码)对接收信号x1到xN执行解扩处理，并为每个天线单元提取包含在接收信号x1到xN中的导频信号Z1到ZN作为输出。阵列响应向量探测部分4根据由搜索部分3探测的码片同步时隙(finger)对接收信号x1到xN执行解扩处理。以这种方式提取的导频信号Z1到ZN包括表示信号入射方向的阵列响应向量[Z1到ZN]。
参考数字5表示换算部分，包括由参考数字5a表示的相位计算部分和由参考数字5b表示的加权因数计算部分。换算部分调整由阵列响应向量探测部分4提取的导频信号的振幅。相位计算部分5a计算导频信号Z1到ZN的相位角θ1到θN以输出。此外，加权因数计算部分5b使用相位角θ1到θN为天线单元1到1-N计算加权因数W1到WN。
参考数字6表示噪声抑制部分，如用来抑制包括在加权因数W1到WN中的噪音部分的低通滤波器。对于噪声抑制部分6来说，可以使用移动平均低通滤波器。当噪音引起的影响很小时，噪声抑制部分6不是必需的。
参考数字7表示乘法器。提供有N个乘法器。参考数字8表示加法器。N个乘法器与接收信号x1到xN和分别从噪声抑制部分6输出的共轭加权因数W1到WN相乘。上述提到的乘法的总和由加法器8计算。加法器8输出的信号y成为具有由加权因数W1到WN形成的接收方向图的阵列天线的输出信号。
参考数字9表示从阵列天线输出信号y探测信道信号(同步，分页，通信量，等等)的信道信号接收部分。
下一步，将会解释通过从接收信号x1到xN中提取导频信号Z1到ZN，由阵列响应向量探测部分4进行阵列响应向量探测操作。第一步，对应于天线单元1-i(i是从1到N的整数)的接收信号xi由公式F1表示。xi=Ai[PI(t)+jPQ(t)+s(t)PI(t)+js(t)PQ(t)]ejθi]]>=AiejPN(t)ejθi+Ais(t)[PI(t)+jPQ(t)]ejθi---F1]]>这里，Ai表示天线单元1-i的接收信号的振幅。PI(t)和PQ(t)表示解扩代码(PN代码)的实部和虚部(“I”和“Q”分别表示实部和虚部)。
ejPN(t)＝PI(t)+jPQ(t)和 是由无线信号的入射角产生的相位分量。 表示导频信道信号。S(t)表示如同步，分页，或通信量等等不同于导频信道的信道信号。
根据CDMA通信系统，由公式F1中的s(t)表示的不同于导频信道的信道信号与导频信道信号正交。因此，不同于导频信道的信道信号在进行用于提取导频信号的解扩过程之后，变成0(零)。这里为了便于解释，设xi只包含一个导频信道信号。根据假设，xi由下列公式F2表示。xi=AiejPN(t)ejθi---F2]]>根据从搜索部分3的码片同步时隙(finger)的输出，并根据预定的代码(PN代码)，阵列响应向量探测部分4对公式F1中表示的xi进行解扩，以提取导频信号Zi。导频信号Zi可以由下列公式F3表示。Zi=∫Txie-jPN(t)ejαdt---F3]]>这里，T表示解扩计算的范围。e-jPN(t)表示预定的解扩代码。eja表示诸如用于码片同步时隙(finger)探测的天线单元的固定相位误差引起的固定未知相位分量。当公式F2中xi的带入公式F3时，Zi可以由下列公式F4表示。Zi=∫TAiejPN(t)ejθie-jPN(t)ejαdt]]>=AiTejθiejα---F4]]>阵列响应向量探测部分4对天线单元1-1到1-N执行上述处理过程以确定Z1到ZN。这些Z1到ZN[Z1到ZN]＝[ 到 ]Tejα组成阵列响应向量的向量。每个Zi(i是从1到N的整数)表示阵列响应向量的成分。公式F3中的ejα不影响阵列响应向量；因此，设α＝0和ejα＝1。
如本实施例所示，当接收的信号xi是数字化的离散信号时，接收的信号xi由下列公式F5表示。xi=AiejPN(nTs)ejθi---F5]]>这里，Ts表示采样周期。N表示采样数。并且，提取的是阵列响应向量成分的导频信号ZI可以由下列公式F6表示。Zi=Σn=0M-1xie-jPN(nTS)ejα]]>=Σn=0M-1AiejPN(nTS)ejθ1e-jPN(nTs)ejα]]>=AiMejθ1ejα---F6]]>这里，M表示解扩计算的范围。
下一步，将解释换算部分5调整Z1到ZN的振幅的换算过程。从阵列响应向量探测部分4输出的阵列响应向量[Z1，Z2到ZN]的单元Z1，Z2到ZN的振幅和接收的信号x1，x2到xN的振幅成比例。当接收的信号的波动范围较大时，需要将阵列响应向量的单元的范围限制在一定范围内。换算部分5就是为此目的而配置的。
第一步，由下列公式F7，相位计算部分5a计算导频信号Zi的相位角θ1。这里，设α＝0。θi=tan-1(Im(Zi)Re(Zi))---F7]]>这里，Re(Zi)表示Zi的实部，Im(Zi)表示ZI的虚部。
因此，根据下列公式F8，加权因数计算部分5b通过使用公式F7中计算出的相位角θi为天线单元1-i计算加权因数Wi。通过这样做，加权因数Wi的振幅为常数，而不管接收的信号的振幅为何值。Wi=ejθi---F8]]>这里，换算部分5仅调整阵列响应向量成分的振幅；因此，可以接收的换算如下。
Wi＝ZiZ0F9Wi＝ZiCiF10
这里，Z0是除了0(零)之外的任意常量(复数或实数)。而且，Ci是除了0(零)之外的实数。
例如，当在天线单元中接收的信号强度没有很大的变化时，可接受的是将由阵列响应向量探测部分4提取的Zi在如Z0＝1的条件下直接用做Wi。而且，可接受的是可以设置Z0为另一个固定的值。且，可接受的是Z0可以根据下列公式11计算。Z0=11NΣi=1N|xi|2---F11]]>此外，Z0可以根据使用由移动通信终端探测到的接收信号强度标志(RSSI值)的公式F12计算，Z0=1RSSI---F12]]>此外，Ci可以根据下列公式F13和F14来计算。Ci＝k|xi|2，i＝1，2，....，NF13k=1Σi=1N|xi|2---F14]]>还有确定Z0或Ci的其它方法。仅要求确定Z0或CI，以使阵列响应向量成分的振幅在一特定范围内。
当根据公式F9和F10确定加权因数Wi时，从阵列响应向量探测部分4输出的导频信号Z1到ZN输入到加权因数计算部分5b。因此，不需要在此提供相位探测部分5a。
上述方法中计算的加权因数W1到WN中的噪音分量由噪声抑制部分6进行抑制。接收的信号x1到xN在由噪声抑制部分6进行抑制之后，在N个乘法器7中与加权因数W1到WN的共轭相乘。根据由导频信号Z1到ZN组成的阵列响应向量[Z1到ZN]，N个乘法器7的输出信号是每个接收的信号x1到xN的加权信号。
下一步，由加法器8计算由N个乘法器7进行上述乘法的总和。从加法器8输出的信号y变成具有由加权因数W1到WN形成的接收方向图的阵列天线的输出信号。通过这样做，就可能稳定地控制阵列天线的接收方向图。
图2所示的是移动电话发射功能部分的上述实施例的方框图。图2中，下文同样的参考数字适用于图1所示的对应数字，所以这里省略重复性的描述。如图2所示，包含在加权因数W1到WN中的噪音部分由噪声抑制部分6进行抑制，其中加权因数W1到WN由加权因数计算部分5b计算。此外，相差/频差校正部分11为天线单元之间的固定初始相位差补偿噪音抑制加权因数W1到WN，如果需要的话，也可为发射和接收频率之间的频差补偿噪音抑制加权因数W1到WN。
下一步，从相差/频差校正部分11输出的加权因数W1到WN的共轭由N个乘法器7和发射信号相乘。来自这些乘法器7的输出信号通过RF发射和接收部分21从天线单元1-1到1-N中发射。来自乘法器7的输出信号是具有由加权因数W1到WN形成的发射方向图的阵列天线的发射信号。通过这样做，就有可能稳定地控制阵列天线的发射方向图。
这里，可接受的是阵列天线的发射/接收方向图可由上述图1和图2的实施例综合而成。
图3是显示本发明当前实施例中通过控制阵列天线方向图形成的天线方向图的视图。图3中，示出四单元λ/2间隔的线性阵列天线的重复更新的方向图。如图3所示，可以看出方向图的主波束指向信号的入射方向，并且可以稳定地控制阵列天线方向图。
如上所述，根据本发明，不需要使用需要基准信号的自适应算法。而且，也不存在自适应算法如递归计算的收敛性这样的问题。因此，有可能稳定地控制阵列天线方向图。通过这样做，即使移动通信终端改变其位置，也可能稳定地控制阵列天线方向图，所以可以指向无线信号的入射角。
在本发明中，为每个天线单元计算相位角，以及使用该相位角计算对应于天线单元的权重因素。因此，有可能确定权重因素而不需要进行递归计算。通过这样做，有可能减少为形成阵列天线方向图进行确定权重因素的处理过程。因此，有可能降低对电的消耗。
本发明的移动通信终端包括诸如个人数字助理(下面称为PDA)和普通移动电话之类的移动终端。这里假设PDA包括无线通信装置。
该移动通信终端也包括无线通信装置，如提供给移动部件如汽车和火车的车辆电话。
如上所述，参考附图详细地解释了本发明的实施例。应当明白上述说明是本发明的优选实施例，且会对上述发明作出各种改变和修改，而这些改变和修改不会偏离本发明如所附权利要求中定义的精神和范围。
权利要求
1.一种移动通信终端，根据码分多址通信系统，通过接收包含导频信号的无线信号以进行无线通信，其中包括具有多个天线单元的阵列天线；导频信号解扩装置，根据预定的解扩代码，用于对天线单元接收的信号进行解扩处理并为每个天线单元提取该导频信号；方向图控制装置，根据由天线单元的导频信号解扩装置为每个天线单元提取导频信号，执行加权操作，以形成具有多个天线单元的阵列天线的方向2.根据权利要求1所述的移动通信终端，其特征在于其中的方向图控制装置包括确定导频信号相位角的相位计算装置；加权因数计算装置，通过使用相位计算装置确定的相位角来确定用于形成阵列天线方向图的一组加权因数。
3.根据权利要求1所述的移动通信终端，其特征在于其中的方向图控制装置包括用于形成阵列天线方向图的加权因数计算装置，其中导频信号直接用做加权因数；或者通过将导频信号与一个常数相乘，确定加权因数。
4.根据权利要求2或3所述的移动通信终端，其特征在于其中的方向图控制装置通过将接收信号与加权因数的共轭相乘，控制阵列天线的接收方向图。
5.根据权利要求2或3所述的移动通信终端，其特征在于其中的方向图控制装置根据发射频率校正加权因数，并通过将发射信号与校正的加权因数的共轭相乘，控制阵列天线的发射方向图。
6.一种用于具有包含多个天线单元的阵列天线的移动通信终端中阵列天线方向图的控制方法，根据码分多址通信系统由阵列天线接收包含导频信号的无线信号，以进行无线通信，其中包括步骤根据预定的解扩代码，在天线单元对接收的信号进行解扩处理，并为每个天线单元提取导频信号；根据为每个天线单元提取的导频信号，为加权天线单元接收的信号而进行方向图控制处理，以形成包含多个天线单元的阵列天线方向图。
7.根据权利要求6所述的阵列天线方向图控制方法，其特征在于方向图的控制过程包括步骤计算每个天线单元导频信号的相位角；使用相位角，计算一组用于形成阵列天线方向图的加权因数。
8.根据权利要求6所述的阵列天线方向图控制方法，其特征在于方向图的控制过程包括步骤导频信号直接用做加权因数；或者通过将导频信号与常数相乘，确定加权因数。
全文摘要
一种移动通信终端，根据CDMA通信系统，由包含多个天线单元(1－1到1－N)的阵列天线来接收包含导频信号的无线信号，以执行无线通信，及根据预定的解扩代码对在每个天线单元(1－1到1－N)接收的信号x
文档编号H04B1/707GK1414811SQ02147380
公开日2003年4月30日 申请日期2002年10月23日 优先权日2001年10月25日
发明者童方伟, 加藤正则 申请人:京瓷株式会社