专利名称：一种基于数字波束形成的智能天线实现方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及移动通讯领域的智能天线技术。
背景技术：
90年代以来，阵列处理技术引入移动通信领域，很快形成了一个新的研究热点—智能天线。智能天线在提高系统通信质量、缓解无线通信日益增长与频谱资源不足的矛盾、降低系统整体造价和改善系统管理等方面，都具有独特的优点。最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信，用来完成空间滤波和定位等。近年来，随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的深入，现代数字信号处理技术的迅速发展，智能天线技术得以用于具有复杂电波传播环境的移动通信。智能天线的实质是在不明显增加系统复杂度的情况下，可满足服务质量和网络扩容的需要。实际上它使通信资源不再局限于时间域(TDMA)、频率域(FDMA)或码域(CDMA)而拓展到了空间域，属于空分多址(SDMA)体制。
智能天线系统结构和算法、网络控制和规划是智能天线需要考虑的主要问题。波束形成是智能天线的关键技术。波束形成是对阵列天线的波束幅度、波束指向和波束零点位置进行控制。在期望方向保证高增益波束指向的同时，在干扰方向形成波束零点。通过调节各阵元的加权幅度和加权相位来改变方向图形状。目前，关于智能天线的理论算法很多，有多种分类方法。智能天线从波束控制形式上可以分为预多波束和自适应波束两大类。预多波束基于波束切换。自适应波束基于波束自动调整。任何一种成熟的商用算法需要解决算法可实现性、算法开销、算法性能、算法兼容性等关键问题。
在美国专利United States Patent6,236,866，“Adaptive antenna patterncontrol for a multiple access communication system”中提出了自适应天线波束控制的思想。专利中论述了采用该方法对于CDMA通讯系统的优势，可以达到自动“小区呼吸”，没有论述具体实现方法。Metawave公司的SPOTLIGHT系统是实现射频波束形成，没有基带波束形成配置灵活。国外一些学者提出一些智能天线算法。如Least Squares De-spread Respired MultitargetArray(LS-DRMTA)，Least Squares De-spread Re-spread Multitarget ConstabtModulus AlogorithmArray(LS-DRMTCMA)，来自S.Rappaport，J.Liberti，“SmartAntennas for Wireless CommunicationsIS-95 and Third Generation CDMAApplications”，还有Piolt Symol-Assisted Decision-Directed CoherentAdaptive Array Diversity for DS-CDMA Mobile Radio Reverse Link，来自IEICETRANS.FUNDANENTALS.1997.上述方法的一个困难是算法复杂度较高，为了满足算法的实时性、收敛性，导致基站成本过高。算法中需要的附加信息如多径时延等需要改变基带处理器的结构和应用方式。同时，切换、无线资源控制和管理也需要更新。这些变化导致智能天线系统和非智能天线系统的结构不同，限制了使用的灵活性发明内容本发明提出一种基于智能波束的预多波束智能天线实现方法，并提出一种实现此方法的天线。实施本发明的技术方案，使得智能天线系统能够灵活配置，和常规基站兼容，有较好的性价比和扩展性，在算法性能和算法实现性之间取得折中。
本发明中的基于智能波束的预多波束智能天线实现方法，包括步骤一(102)配置应用方式；步骤二(103)预多波束配置；步骤三(104)波束形成，常规基带处理；步骤四(105)各小区业务量评估；步骤五(106)链路性能测量；步骤六(107)根据算法和测量参数，波束形成参数更新；步骤七(108)根据算法和测量参数，应用方式更新。
本发明中的基于智能波束的预多波束智能天线，包括阵列天线(21)、上行射频通道单元(22)、下行射频通道单元(26)、上行波束形成单元(23)、下行波束形成单元(26)、基带处理器(24)、波束处理控制器(27)；所述阵列天线由多个阵元组成，相应地，上行射频通道单元和下行射频通道单元也由多个上行射频通道和多个下行射频通道组成，每个阵元连接一个上行和下行射频通道，再通过波束形成单元与基带处理器连接；射频通道完成射频到基带信号的转换；波束形成器完成数字波束形成，完成阵元域信号向波束域信号的转换；将波束域信号对应成常规的阵元信号，输入到基站基带MODEM的天线输入端，完成上行过程；下行过程从基带处理器出来的用户信息，经过下行波束形成将信号映射到阵元域，再经过每个射频通道和阵列天线发射出去，完成下行过程。
上述天线，其阵列结构可以是每一阵列由四阵元组成，阵元间隔半波长；上行波束形成单元和下行波束形成单元由多个波束形成组成，每一个波束形成对应于四个阵元。每一个波束形成包括四组乘加运算器，每组乘加运算器包括四个复数乘法器和一个累加器。
采用本发明提供的方法1)灵活调节波束，改变扇区的覆盖形状，甚至可进一步改变整个小区的覆盖形状，从而平衡业务量，动态优化网络规划，提高网络容量；
2)利用预先生成的1~2个来覆盖整个扇区，也就是说一个扇区是由1~2个窄波束覆盖，由于窄波束的使用则可降低其他用户的干扰，在特殊要求下，可以增加窄波束的个数。
采用本发明的天线1)系统配置灵活。只需将常规系统中的信道处理板换成智能天线信道处理板即可完成常规基站到智能天线基站的升级，原来的硬件系统不变。一个基站可以根据需要配置成常规基站和智能天线基站的混合体。
2)实现性好。采用常规RAKE接收机技术，可以直接采用现成芯片，避免了一些关键问题。系统实现采用一般ASIC技术即可达到要求。
3)兼容性好。最大限度的利用现有基站控制器和无线资源管理功能。兼容空域处理、时域处理、分集处理的优点，提高系统处理增益。切换技术也可以兼容在常规系统中实现。对于系统后级硬件能够兼容。
4)性价比好。由于本方法最大限度的应用了现有处理技术和设备，较好的兼顾成本、性能，因而具有广泛的应用前景。
5)扩展性好。本发明提供的基于智能波束的实现结构和实现平台还可以支持多种算法。在波束控制27中可以注入不同的基带算法，实现不同的功能。
下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
图1是本发明的方法流程图；图2是本发明中的天线应用于WCDMA系统中的一种实施框图；图3是本发明中的天线的一个实施例采用的阵列结构图；图4是本发明中的天线采用的上行基带波束形成实施框图；图5是本发明中的天线采用的下行基带波束形成实施框图；图6本发明中的天线应用于WCDMA系统中的一种实施框图；图7本发明中的天线应用于cdma2000系统中的一种实施框图；具体实施方式
图1是本发明的方法的流程图。
图2为本发明应用于WCDMA系统中的一种实施框图。包括阵元(21)、上行通道(22)，上行波束形成(23)，基带处理(24)，下行波束形成(25)，下行通道(26)。
空间信号从天线2101…2112进入上行通道2201…2212，产生的IQ基带信号进入上行波束形成231…233，输出12组波束域信号，该12组波束域信号直接进入基带处理芯片的12个输入。下行数据进入基带处理芯片后，根据上行数据的信息输出到相应的输出，进入下行波束形成251…253，再经过下行通道进入天线阵元2101…2112发射出去。
本发明采用的阵列结构如图3所示。4阵元线列阵。阵元间隔半波长。
图2中的上行波束形成如图4所示。图2中的231包括图4的41、42、43、44四组乘加运算器。41运算器中包括411、412、413、414四个复数乘法器，其系数为w0＝(w00、w01、w02、w03)，由外部输入。415为累加器。
图2中的下行波束形成如图5所示。图2中的251包括图5的51、52、53、54四组运算器和55累加器组。51运算器中包括511、512、513、514四个复数乘法器，其系数为w0＝(w00、w01、w02、w03)，由外部输入。55累加器组由551、552、553、554累加器组成。
图2中的波束控制27完成上、下行波束赋形控制。波束赋形可以根据业务量平衡、人为设定、高层反馈、空时算法等进行控制。
波束形成231…233由于在基带完成，因此有非常灵活的应用方式。不同应用方式对应不同的应用环境。本系统的天线阵配置使用三个4阵元直线阵配置，直线阵夹角120°，共支持12通道，如图3所示。图2为一种典型应用方式。这种方式的优点是折中业务平衡、空域处理和波束分集技术。
图6所示本发明应用于WCDMA系统中的另外一种实施框图。上行以业务平衡为主。没有空域处理。
空间信号从天线6101…6112进入上行通道6201…6212，产生的IQ基带信号进入上行波束形成631…633，输出6组波束域信号，该6组波束域信号直接进入基带处理芯片的6个输入。由于CSM5200支持6扇区分集。因此，上述6组波束域信号表示6个扇区情况，每个扇区的分集天线输入被屏蔽掉。下行数据进入基带处理芯片后，根据上行数据的信息输出到相应的输出，进入下行波束形成651…653，再经过下行通道进入天线阵元6101…6112发射出去。
图7本发明应用于cdma2000系统中的一种实施框图。以业务平衡为主要目的，不考虑空分效果。
空间信号从天线7101…7112进入上行通道7201…7212，产生的IQ基带信号进入上行波束形成731…733，输出6组波束域信号，该6组波束域信号直接进入基带处理芯片的6个输入。由于CSM5000支持6扇区分集。因此，上述6组波束域信号表示6个扇区情况，每个扇区的分集天线输入被屏蔽掉。下行数据进入基带处理芯片后，根据上行数据的信息输出到相应的输出，进入下行波束形成751…753，再经过下行通道进入天线阵元7101…7112发射出去。下行也不考虑分集处理，形成6个波束。
权利要求
1.一种基于数字波束形成的智能天线实现方法，包括步骤一(102)配置应用方式；步骤二(103)预多波束配置；步骤三(104)波束形成，常规基带处理；步骤四(105)各小区业务量评估；步骤五(106)链路性能测量；步骤六(107)根据算法和测量参数，波束形成参数更新；步骤七(108)根据算法和测量参数，应用方式调整。
2.一种基于数字波束形成的智能天线，包括阵列天线(21)、上行射频通道单元(22)、下行射频通道单元(26)、上行波束形成单元(23)、下行波束形成单元(26)、基带处理器(24)、波束处理控制器(27)；所述阵列天线由多个阵元组成，相应地，上行射频通道单元和下行射频通道单元也由多个上行射频通道和多个下行射频通道组成，每个阵元连接一个上行和下行射频通道，再通过波束形成单元与基带处理器连接；射频通道完成射频到基带信号的转换；波束形成器完成数字波束形成，完成阵元域信号向波束域信号的转换；将波束域信号对应成常规的阵元信号，输入到基站基带MODEM的天线输入端，完成上行过程；下行过程从基带处理器出来的用户信息，经过下行波束形成将信号映射到阵元域，再经过每个射频通道和阵列天线发射出去，完成下行过程。
3.权利要求2所述的基于数字波束形成的智能天线，其特征在于阵列结构是每一阵列由四阵元组成，阵元间隔半波长；上行波束形成单元和下行波束形成单元由多个波束形成组成，每一个波束形成对应于四个阵元。
4.权利要求3所述的基于数字波束形成的智能天线，其特征在于每一个波束形成包括四组乘加运算器，每组乘加运算器包括四个复数乘法器和一个累加器。
全文摘要
一种基于数字波束形成的智能天线实现方法及装置，涉及移动通讯领域的智能天线技术。方法包括配置应用方式；预多波束配置；波束形成，常规基带处理；各小区业务量评估；链路性能测量；根据算法和测量参数，波束形成参数更新；根据算法和测量参数，应用方式更新。天线包括阵列天线、上行射频通道单元、下行射频通道单元、上行波束形成单元、下行波束形成单元、基带处理器、波束处理控制器。能灵活调节波束，改变扇区的覆盖形状，从而平衡业务量，动态优化网络规划，提高网络容量；实现性好；兼容性好；性价比好；扩展性好。
文档编号H04B7/06GK1553717SQ03131848
公开日2004年12月8日 申请日期2003年6月6日 优先权日2003年6月6日
发明者杨锋, 袁翔, 李蓉, 锋 杨 申请人:深圳市中兴通讯股份有限公司南京分公司, 深圳市中兴通讯股份有限公司南京分公