专利名称：应用于cdma系统中的固定波束成形装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种智能天线系统的固定波束成形方法和装置，特别涉及一种码分多址(CDMA)移动通信系统中采用智能天线技术的实现方法和装置。
背景技术：
近年来，CDMA移动通信系统已经获得了很大的发展和应用，最为典型的例子如目前普遍商用的CDMA2000移动通信系统。与其它体制的移动通信系统，如时分多址TDMA、频分多址FDMA系统相比，CDMA系统具有容量和业务质量上的优势，但是CDMA系统用户之间的共信道干扰(CCI)和无线信道的恶化等特点限制了CDMA系统的容量，另一方面，移动通信用户数目增加迅速，人们对移动通话质量的要求也不断提高，这要求蜂窝小区在大容量下仍有高的通话质量。在降低系统的干扰，提高系统的容量方面，普遍采用的方法是小区扇区化技术，但是过多的扇区会带来额外的软件切换负担和信令负担，同时扇区过多会增加导频污染，因此典型的设置是一个基站采用三个扇区或者六个扇区。在城市密集地区，有时需要在扇区基站的基础上进一步提高系统的容量及性能，此时需要采用其它的一些技术，如多载波技术，智能天线技术等等。
智能天线是一种基于自适应天线原理的移动通信新技术。与全向天线相比，智能天线通过固定窄波束可以带来很高的天线增益，理论上讲，具有N个天线阵元的智能天线系统，能够带来的天线增益为10Log(N)dB，因此在具有同样阵元发射功率的情况下，智能天线系统可以加大基站的覆盖范围。在保持同样覆盖范围的情况下，智能天线系统可以提高基站系统的性能，降低天线阵元的发射功率，提高基站的成本效益。通过固定窄波束，智能天线系统可以将扇区进一步分割，与扇区非智能天线系统相比，系统的容量可以大大提高。智能天线在消除干扰、扩大小区覆盖半径、降低系统成本、提高系统容量方面具有不可比拟的优越性。正因为如此，现有体制的CDMA系统都希望在自己的系统中使用智能天线技术，但因为算法复杂度高，实际应用受到了很大限制。
智能天线系统按照实现方式不同可分为自适应智能天线系统和固定多波束切换系统。自适应天线系统利用某种自适应准则形成用户的信号发射和接收波束，具有很大的灵活性和良好的性能增益，但是系统实现复杂，在现有系统的基础上升级为智能天线系统也相当困难。固定多波束切换系统需要预先形成多个固定的波束覆盖整个小区，上行、下行链路通过选择合适的一个或者几个波束接收或者发射信号。该方法具有很强的鲁棒性，实现比较容易。如果要在现有CDMA基站系统的基础上采用智能天线系统，选择固定多波束切换系统在简化系统的实现方面具有明显优势。
在CDMA系统中采用固定多波束切换系统时，不仅要形成多个固定窄波束，用于发射和接收用户的业务信息，而且要形成一个覆盖整个扇区的扇区波束，用于发射用户的公用信息，如导频信息。在这方面目前研究领域已经提出了诸多实现方案1)通过额外增加一个扇区定向天线发射公用信息。这种方法需要额外高功率发射天线，增加了系统的实现成本。2)采用额外的一个阵列天线产生一个固定的扇区波束，相应内容可以参考美国专利US06094165。这种方法需要增加一个额外的阵列天线及其相应设备。3)通过采用所有固定窄波束同时发射用户的公用信息，借此实现扇区波束的功能。但是由于各个波束之间存在一定程度的交叠，随机相位会使交叠区域产生恶性叠加，出现所谓的覆盖盲区。针对这个问题，美国专利US2002/0072393提出了一种解决方案，此方案需要每个固定窄波束具有不同的发射频率，以减轻波束之间的恶性叠加效果。缺点是不同的发射频率增加了算法实现的复杂度；如果频率偏移过小，还会造成解调性能的下降。同样针对这个问题，中国专利CN1261989A提出了一种解决方案，该方案在波束成形网络的各个波束端口输入幅度近似相等的信号，通过调整各个波束信号间的相位关系实现扇区波束，扇区波束成形方法使得信号能量主要集中在天线端口的一个端口上进行发射。这样的扇区波束优点是具有和单个阵元天线波束辐射图相似的宽其平滑的主波束。但是将扇区波束信号能量只集中在其中的一个天线阵元上发射也会带来不利的影响。一方面由于能量只集中在一个天线阵元上，使得该天线阵元的发射信号幅度因此而有所增加，这意味着需要具有更高增益的功率放大器与之相适应，从而增加了系统的实现成本。另一方面，过高的信号能量发射必然会影响到天线阵元的使用寿命。
发明内容
本发明乃为解决上述问题而提出一种应用于CDMA系统中的固定波束成形装置及其方法，使扇区波束的信号能量在各个天线阵元端具有相等或者近似相等的特性，并且在不显著增加系统复杂度的情况下满足由非智能天线到智能天线的升级需要。
本发明提供一种应用于CDMA系统中的固定波束成形装置，在基站侧形成一簇固定窄波束和一个扇区波束，包括a.固定窄波束成形网络，用以产生多个不同指向的固定窄波束；b.相位调整装置，其调整该固定波束成形网络各个波束端口的初始相位，形成扇区波束；c.天线阵列，其由多个天线阵元构成；其中所述固定窄波束成形网络的一侧为波束信号输入输出端口，一侧为天线阵元端口，通过设计该波束端口和该天线阵元端口之间的相位延迟，产生多个不同指向的固定窄波束。
所述应用于CDMA系统中的固定波束成形装置还包括馈线相位校正装置，用以补偿该基站馈线建设过程中的随机相位偏差。
所述应用于CDMA系统中的固定波束成形装置还包括射频前端电路，用以实现信号的双向传输以及下行信号的功率放大，包括功率放大器，发射接收切换电路以及相位校准电路。
所述固定窄波束成形网络为射频固定窄波束成形网络。
所述固定窄波束成形网络中，波束端口信号在天线阵元端口之间形成的相位延迟为 其中N为固定窄波束成形网络中波束端口或天线阵元端口的个数，1为波束端口序号。
所述固定窄波束成形网络中，波束端口信号在天线阵元端口之间形成的相位延迟为 其中N为固定窄波束成形网络中波束端口或天线阵元端口的个数，1为波束端口序号。
所述相位调整装置调整该固定窄波束成形网络各个波束端口的初始相位形成扇区波束，是利用多个固定窄波束的叠加形成一个覆盖全扇区的扇区波束，发送该扇区用户的公用信息。
所述相位调整装置调整初始相位过程中，还包括选择相位调整数值，使该阵元端口具有相等的合成信号幅度。
本发明进而提供一种应用于CDMA系统中的固定波束成形方法，在基站侧形成一簇固定窄波束和一个扇区波束，首先校正该基站馈线的相位，然后利用固定窄波束成形网络和天线阵列形成一簇固定窄波束，利用该固定窄波束成形网络、相位调整装置和该天线阵列形成扇区波束，通过射频前端电路实现信号的双向传输。
所述固定窄波束成形网络为射频固定窄波束成形网络。
所述固定窄波束成形网络中，波束端口信号在天线阵元端口之间形成的相位延迟为 或者 其中N为固定窄波束成形网络中波束端口或天线阵元端口的个数，1为波束端口序号。
所述扇区波束形成过程中还包括选择相位调整数值，使该阵元端口具有相等的合成信号幅度。
所述信号传输过程中，每根固定窄波束馈线接收用户信息的过程，还包括比较来自各个波束馈线的信号强度，首先固定窄带波束接收信号，然后比较接收信号的接收信号强度，根据该比较结果，选择接收/发射波束，再进行接收/发射信号。
本发明提供一种应用于CDMA系统中的固定波束成形装置，在基站侧形成一簇固定窄波束和一个扇区波束，包括a.同相信号产生装置，用以根据该扇区波束信号产生同相信号；b.信号合路装置，其在下行链路中实现该固定窄波束信号和该扇区波束信号的合成，在上行链路中实现接收信号到该固定窄波束馈线的无损传输；c.固定窄波束成形网络，用以产生多个不同指向的固定窄波束；d.相位调整装置，其调整该固定波束成形网络各个波束端口的初始相位，形成扇区波束；e.天线阵列，有多个天线阵元构成；其中所述固定窄波束成形网络的一侧为波束信号输入输出端口，另一侧为该天线阵元端口，通过设计该波束端口和该天线阵元端口之间的相位延迟，产生多个不同指向的固定窄波束。
所述应用于CDMA系统中的固定波束成形装置还包括一射频前端电路，用以实现信号的双向传输以及下行信号的功率放大，包括功率放大器，发射接收切换电路以及相位校准电路。
所述固定窄波束成形网络中，波束端口信号在天线阵元端口之间形成的相位延迟为 或者 其中N为固定窄波束成形网络中波束端口或天线阵元端口的个数，1为波束端口序号。
所述相位调整装置调整该固定窄波束成形网络各个波束端口的初始相位形成扇区波束，是利用多个固定窄波束的叠加形成一个覆盖全扇区的扇区波束，发送该扇区用户的公用信息。
所述相位调整装置调整初始相位过程中，还包括选择相位调整数值，使该阵元端口具有相等的合成信号幅度。
所述固定窄波束成形网路为射频固定窄波束成形网络。
本发明进而提供一种应用于CDMA系统中的固定波束成形方法，在基站侧形成一簇固定窄波束和一个扇区波束，首先根据该扇区波束信号产生同相信号，然后实现该固定窄波束信号和该扇区波束信号的合成，再利用固定窄波束成形网络和天线阵列形成一簇固定窄波束，利用该固定窄波束成形网络、相位调整装置和该天线阵列形成扇区波束，最后通过天线阵列发射接收信号。
根据本发明提供的应用于CDMA系统中的固定波束成形装置及其方法，采用模拟固定波束成形技术，利用固定窄波束成形网络(Butler阵)实现多个固定窄波束，利用相位调整装置对Butler阵波束端初始相位的控制形成一个覆盖全扇区的扇区波束，扇区波束的信号能量在各个天线阵元端具有相等或者近似相等的特性，因此可以充分利用天线阵列带来的性能增益，降低单个天线阵元的发射信号幅度，由此降低了系统的实现成本。相对于自适应波束成形技术，本发明实现简单，很容易由原来的扇区非智能天线系统升级为扇区智能天线系统，最大限度地保护了原有系统的投资效益。
图1a是第一实施例采用4×4Butler阵构成一个扇区波束和四个固定窄波束成形装置图；图1b是耦合器端口结构示意图；图1c是耦合器端口之间的相位、幅度关系表；图2a是相位调整前波束端口与阵元端口之间的相位延迟关系表；图2b是本发明第一实施例形成的固定波束图；图3是未采用相位调整装置120的Butler阵110形成的扇区波束图；图4a是相位调整后波束端口与阵元端口之间的相位延迟关系；图4b是采用相位调整装置120和Butler阵110形成的扇区波束图；图5a是实现本发明第一实施例采用4×4Butler阵构成一个扇区波束和三个固定窄波束成形装置图；图5b是信号合路器端口示意图；图5c是信号合路器的信号输入输出关系表；图6a是相位调整前波束端口和阵元端口之间的相位延迟关系表；图6b是本发明第一实施例形成固定波束图；图7是未采用相位调整装置520的Butler阵510形成的扇区波束图；图8a是相位调整后波束端口与阵元端口的相位延迟关系表；图8b是采用相位调整装置520和Butler阵510形成的扇区波束图；图9是本发明第一实施例扇区智能天线基站系统框图；图10是扇区智能天线基站系统中固定窄波束选择流程图；图11a是第二实施例扇区波束和固定窄波束成形装置图；图11b是合路器的端口幅度与相位关系表；图12是第二实施例扇区基站系统框图；及图13是本发明扇区智能天线蜂窝移动系统框图。
具体实施例方式
本发明是利用同一个天线阵列产生一簇固定窄波束和一个扇区波束，并将其应用于CDMA移动通信系统中。为了实现上述目的，本发明第一实施例的系统主要包括天线阵列，固定窄波束成形网络(Butler阵)和相位调整装置。其中固定窄波束成形网络(Butler阵)和相位调整装置共同组成一个扇区波束和固定窄波束成形装置。
根据本发明提供的方法，首先利用固定窄波束成形网络(Butler阵)和天线阵列实现一簇固定窄波束。波束成形需要调整信号的加权系数和进行移相等处理过程，处理过程可以在基带进行，也可以在射频端进行，本文主要讨论在射频端进行波束成形。Butler阵是一类典型的射频固定波束成形网络，其一侧为波束信号输入输出端口，一侧是天线阵元端口；通过设计波束端口和天线阵元端口之间的相位延迟，由此产生若干个不同指向的固定窄波束。Butler阵是一个双向波束成形网络，固定窄波束和Butler阵的波束信号输入输出端口之间存在一一对应的关系。从Butler阵固定窄波束的实现过程来看，固定窄波束由阵元端口间的相位延迟关系唯一确定，不受波束端口初始相位的影响，即不受前面相位调整装置的影响。Butler阵具有实现简单，波束正交的特点，因此实际应用广泛。有关Butler阵产生固定波束的文献众多，在此不作详述。
然后利用固定窄波束成形网络(Butler阵)、相位调整装置和天线阵列实现扇区波束。利用多个固定窄波束的叠加形成一个覆盖全扇区的扇区波束，发送该扇区用户的公用信息。
多个固定窄波束的叠加在Butler阵中表现为将发射信号同时输入到Butler阵的波束输入端口。为了有效地形成扇区波束，本文提出了扇区波束成形的三个基本设计原则原则1在形成扇区波束的各个固定窄波束中，要求相邻固定窄波束之间存在一定程度的交叠。
原则2要求各个固定窄波束在叠加过程中不要出现恶性叠加现象，即不要出现覆盖盲区。所谓恶性叠加是指几个信号由于具有不同的相位关系，叠加的结果使得合成信号的幅度大大减小，甚至出现零陷。
原则3要求各个固定窄波束信号经过固定窄波束成形网络(Butler阵)之后在各个天线阵元上形成相等或者尽可能相等的合成信号幅度。
本文扇区波束的成形过程要求原则1、原则2和原则3须同时满足。
在利用Butler阵实现扇区波束时，原则1通过选择Butler阵能够提供的所有固定窄波束得以满足。具体而言，对于N×N的Butler阵(N×N表示具有N个波束端口和N个天线阵元端口)，如果按照公式(1)所示的阵元间相位延迟关系设计Butler阵，则扇区波束通过选择所有的N个固定窄波束叠加产生；如果按照公式(2)所示的阵元间相位延迟关系设计Butler阵，则扇区波束通过选择其中的N-1个固定窄波束叠加产生，抛弃序号为N/2的固定窄波束不用。
gr,l=1Nexp(-jθl)exp[-j2(l-N+12)(r)πN],r,l=1,2,......,N---(1)]]>gr,l=1Nexp(-jθl)exp[-j2lrπN],r,l=1,2,......N---(2)]]>公式(1)表示的阵元间相位延迟为 公式(2)表示的阵元间相位延迟为 相位延迟由固定窄波束成形网络(Butler阵)实现。其中，N表示Butler阵的波束端口、或者天线阵元端口个数；r表示天线阵元端口序号；l表示波束端口序号，利用波束l发射或接收用户信号意味着选择端口l作为发射或接收用户信号端口；gr，l表示阵元端口r和波束端口l之间的相位延迟带来的信号增益；θl表示波束l在相应波束端口上的附加相位，它包括Butler阵本身带来的附加相位，波束输入端口的随机相位偏差等。θl对固定窄波束成形没有任何影响。但是在用多个固定窄波束叠加实现扇区波束时，θl将起关键性的作用。
在利用Butler阵实现扇区波束时，原则2和原则3通过相位调整装置合理地调整各个波束输入信号的初始相位，即通过合理地选择θl同时得到满足。
利用多个固定窄波束的叠加实现扇区波束，在Butler阵中表现为在所有的波束输入端口输入相同的扇区波束信号。假定Sl(t)表示波束端口l要发射的信号形式，则按照原则3选择的θl应当使各个波束信号Sl(t)经过Butler阵之后在各个阵元端口形成的合成信号yr(t)(1≤r≤N)具有相等或者尽可能相等的合成信号幅度。公式(3)和公式(4)分别给出了对应公式(1)和公式(2)两种情况下的合成信号表达形式。
yr(t)(1≤r≤N)=Σl=1NSl(t)gr,l---(3)]]>yr(t)(1≤r≤N)=Σl=1,l≠N/2NSl(t)gr,l---(4)]]>在公式(3)中，因为Sl(t)在各个波束端口l(1≤l≤N)具有相同的信号形式，所以阵元端口r的合成信号yr(t)的幅度只与 有关。在矢量图中， 表示N个矢量gr，l(1≤l≤N)的矢量之和。而对于不同的阵元端口r1，r2，gr2，l可以通过gr1，l以公式(1)决定的阵元间相位延迟 进行旋转得到。所以，满足原则3的过程实际上是在矢量图中寻找N个幅度相等的矢量gr，l(l＝1)，使它们的矢量之和以及它们按照公式(1)决定的阵元间相位延迟-2(l-N+12)nπN(1≤n≤N-1)]]>进行旋转后得到的N个矢量之和具有相等或者近似相等的合成矢量幅度。按照这个原则，在矢量图中可以很容易地找到N个幅度相等的矢量gr，l，进而代入公式(1)可以得到Butler阵N个波束输入信号的初始相位调整数值θl。采用同样的方式，可以得到Butler阵在公式(2)和公式(4)情况下的相位调整数值θl。
按照原则3设计的θl以及由此产生的天线阵元发射信号yr(t)(1≤r≤N)须同时满足原则2。即此时承载发射信号yr(t)(1≤r≤N)的天线阵列在空间应形成一个宽的扇区波束。该原则可以通过观察承载发射信号yr(t)(1≤r≤N)的天线阵列在空间形成的发射波束图得以验证。
考虑到天线阵列具有10log(N)dB的性能增益(N为阵元数目)，为了获得相同的覆盖距离，扇区波束的信号能量应该是单个固定窄波束信号能量的N倍。假定固定窄波束的信号幅度为1，则扇区波束信号的幅度为 此时由公式(1)和(2)可知固定窄波束经过Butler阵之后在阵元端口形成的信号幅度为 如果扇区波束经过Butler阵之后将能量集中在一个天线阵元上，则在该阵元端口上的扇区波束信号幅度为 是固定窄波束信号幅度的N倍；如果扇区波束经过Butler阵之后将能量平均分配到N个阵元端口，则在每个阵元端口上的扇区波束信号幅度为1，是固定窄波束信号幅度的 倍。两者相比，将扇区波束能量平均分配的方案降低了功率放大器的实现性能要求(降低10log(N)dB)，由此可以降低整个系统的实现成本，并且低的发射功率可以延长阵元天线的使用寿命。
然后附加射频前端电路和馈线相位校正装置等设备。如图9所示，此时，在CDMA系统中，由基站引出N条馈线(对应于N个固定窄波束)，依次经过馈线相位校正装置940，扇区波束和固定窄波束成形装置950(包括相位调整装置和Butler阵)以及射频前端电路960，最后到达天线阵列970。整个链路是双向的。
射频前端电路主要包括输出功率放大器、发射接收切换电路、相位校准电路等设备。功率放大器是射频前端电路在下行链路的主要组成部分，信号经过功率放大器放大之后由天线阵列发射出去。在上行链路，射频前端电路主要完成天线阵列接收信号到Butler阵的无损传输。相位校准电路目的是为了校准Butler阵和天线阵列之间的相位延迟，因为射频前端电路相对固定，实际工程实施时可以只进行一次相位延迟校准。
扇区波束的成形过程要求对相位调整装置输入端的随机相位进行严格的控制。增加馈线相位校正装置的目的就是为了补偿固定窄波束馈线建设过程中的随机相位偏差，使得在扇区波束成形过程中，在相位调整装置的各个输入端口的信号具有相同的相位。否则随机相位偏差会破坏扇区波束的形成过程，造成恶劣的后果。
本发明提出的扇区波束和固定窄波束实现方案，均属于射频波束成形技术，在将一个扇区非智能天线系统升级为扇区智能天线系统时，相对于自适应智能天线系统，基站设备修改较少，不仅容易升级，而且可以有效地保证原有设备的投资效益。
本发明第二实施例的系统主要包括天线阵列和一个扇区波束和固定窄波束成形装置。其中波束成形装置主要包括固定窄波束成形网络(Butler阵)、相位调整装置、信号合路装置以及同相信号产生装置。
在第二实施例的系统中，固定窄波束和扇区波束的处理方法与第一实施例的步骤1和步骤2相同。即固定窄波束主要通过固定窄波束成形网络(Butler阵)实现，扇区波束主要通过固定窄波束成形网络(Butler阵)和相位调整装置实现。扇区波束的形成方法同样基于第一实施例中提出的三个基本设计原则。
第二实施例还增加了一个信号合路装置和一个同相信号产生装置。连同固定窄波束成形网络(Butler阵)和相位调整装置，组成一个新的扇区波束和固定窄波束成形装置。要发射的扇区波束信号由扇区波束馈线送给同相信号产生装置产生N路同相信号，经过信号合路装置在相位调整装置的输入端形成N路同相的输入信号，随后由Butler阵和相位调整装置所决定的特定相位延迟关系形成有效扇区波束。
通过增加一个信号合路装置和一个同相信号产生装置，不需要对基站馈线进行相位校正就能有效地形成扇区波束，简化了工程实施的复杂度。
附加射频前端电路等设备，可以将上述实现方案应用在CDMA系统中。射频前端电路的构成和功能同第一实施例。此时，在CDMA系统中，下行链路的固定窄波束信号由基站引出N条固定窄波束馈线，依次经过信号合路装置，相位调整装置，Butler阵和射频前端电路，最后到达天线阵列。下行链路的扇区波束信号由基站引出的扇区波束馈线，依次经过同相信号产生装置，信号合路装置，相位调整装置，Butler阵和射频前端电路，最后到达天线阵列。上行链路由天线阵列接收的信号依次经过射频前端电路，Butler阵，相位调整装置，信号合路装置和固定窄波束馈线，最后到达基站。
其中，信号合路装置在下行链路完成固定窄波束信号和由同相信号产生装置产生的扇区波束信号的合并传输，在上行链路完成接收信号到固定窄波束馈线的无损传输。
下面以4×4Butler阵为例，说明利用4个固定窄波束和3个固定窄波束产生扇区波束的具体设计情况。
图1a给出了一种利用4×4Butler阵实现一个扇区波束和四个固定窄波束的实例。图中，110为Butler阵，120为相位调整装置，两者构成一个扇区波束和固定窄波束成形装置100。Butler阵110主要由3dB耦合器130～133和相位延迟器140～141组成；相位调整装置120主要由相位延迟器142～145组成。3dB耦合器各端口结构如图1b所示。3dB耦合器各端口信号之间的相位、幅度关系如图1c所示。相位延迟器140～145中的数字表示具体延迟相位，单位为度。f1～f4表示Butler阵110的波束输入、输出端口，L1～L4表示增加相位调整装置120后的波束输入、输出端口，F1～F4表示Butler阵的天线阵元端口，其后接天线阵列。Butler阵110按照公式(1)决定的阵元间相位延迟关系设计而成。由Butler阵110即可实现4个固定窄波束200～203(如图2b所示)。为了实现扇区波束，需要通过相位调整装置120对Butler阵110各个波束端口的初始相位进行调整，按照本文提出的三个扇区波束设计原则，相位调整装置120给出了一组利用4个固定窄波束叠加实现扇区波束的实际相位调节数值。由相位调整装置120和Butler阵110组成的扇区波束和固定窄波束成形装置100，可实现扇区波束400和固定波束200～203。
图2a给出了波束端口f1～f4和阵元端口F1～F4之间的相位延迟关系，其中阵元间的相位延迟由公式(1)决定。假定阵元天线波束辐射图具有全向等增益特性，由图1aButler阵110形成的4个固定窄波束为200～203所示，分别对应f1～f4四个波束端口，相应的波束最大辐射方向分别为+48.7度、+14.3度、-14.3度和-48.7度，对应的3dB波瓣宽度分别为46度、27度、27度和46度。
图3给出了由Butler阵110形成的扇区波束300，图中扇区波束300通过在Butler阵110的四个波束输入端f1～f4输入等幅同相信号产生。由图可以看出所形成的扇区波束存在明显的覆盖盲区，即未经过相位调整的固定窄波束200～203在叠加过程中出现了恶性叠加现象。因此必须对Butler阵110波束输入端f1～f4的初始相位进行调整和控制，才能形成覆盖效果良好的扇区波束。
图4b给出了经过图1a相位调整装置120调整波束端相位后形成的扇区波束400，扇区波束400通过在相位调整装置120的四个波束输入端L1～L4输入等幅同相信号产生。由图可以看出叠加后的扇区波束3dB带宽接近120度。因此利用图1a的扇区波束和固定窄波束成形装置100可以构成三扇区智能天线基站系统，每个扇区具有4个固定窄波束和1个扇区波束，覆盖120度范围的扇区区域。
图4a给出了经过相位调整以后波束端口L1～L4和阵元端口F1～F4之间的相位延迟关系(单位为度)。按照这种相位延迟关系，不仅能够得到性能良好的扇区波束400，而且扇区波束信号经过Butler阵之后在各个天线阵元端形成了相等的合成信号幅度。假定输入到相位调整转置120各个波束输入端的信号幅度为1，则天线阵元1接收到的扇区波束信号幅度为|ej(3π/8)+ej(-3π/8)+ej(3π/8)+ej(5π/8)|＝2.0，反映在图4a表格中为F1端口的列相位[67.5，-67.5，67.5，112.5]所对应的加权矢量之和。同理可得F2、F3与F4三个阵元端口的合成信号幅度均为2.0。显然扇区波束在每个天线阵元端口形成了相同幅度的发射信号，此信号幅度为固定窄波束信号幅度的4=2]]>倍。
在图4a中，“阵元间相位延迟”给出的列相位为F1、F2、F3和F4中相邻列相位之间的相位差。在矢量图中，从其中一个阵元端口列相位转变到其相邻的阵元端口列相位，表现为相应的加权矢量按照“阵元间相位延迟”给出的列相位进行旋转。既然扇区波束在天线阵元端口形成的发射信号幅度为相应端口的列相位对应的加权矢量之和，因此按照原则三设计扇区波束的过程实际上是在矢量图中寻找4个等幅度矢量，使它们按照“阵元间相位延迟”给出的列相位进行旋转时，具有等幅度的求和结果。按照这种思路可以进行快速的扇区波束设计。
图5a给出了一种第一实施例中利用4×4Butler阵实现一个扇区波束和三个固定窄波束的实例。图中，510为Butler阵，520为相位调整装置，两者构成一个扇区波束和固定窄波束成形装置500。Butler阵510主要由3dB耦合器530、540，相位延迟器560～561以及信号合路器(分路器)550～557构成；相位调整装置520主要由相位延迟器562～564组成。图5b为合路器端口结构示意图。3dB耦合器530的交叉之路具有90度相位延迟；3dB耦合器540的交叉之路具有0度相位延迟；相位延迟器560～564的单位为度；信号合路器(分路器)550～557的信号输入输出关系如图5c所示。f1～f4表示Butler阵510的波束输入、输出端口(抛掉f2端口不用)，L1、L3、L4表示增加相位调整装置520后的波束输入、输出端口，F1～F4表示Butler阵510的天线阵元端口。Butler阵510按照公式(2)决定的阵元间相位延迟关系设计而成。由Butler阵510可实现3个固定窄波束600～602。为了实现扇区波束，需要通过相位调整装置520对Butler阵510各个波束端口的初始相位进行调整，按照本文提出的三个扇区波束设计原则，相位调整装置520给出了利用3个固定窄波束叠加实现扇区波束的实际相位调节数值。由相位调整装置520和Butler阵510组成的扇区波束和固定窄波束成形装置500，可实现扇区波束800和固定波束600～602。
在图6a给出了波束端口f1，f3，f4和阵元端口F1～F4之间的相位延迟关系，其中阵元间的相位延迟由公式(2)决定。请参见图6b，假定阵元天线波束辐射图具有全向等增益特性，由图5aButler阵510形成的3个固定窄波束为600～602所示，其中f1，f3，f4分别对应波束600、602和601，相应的波束最大辐射方向分别为-30度、30度和0度，对应的3dB波瓣宽度分别为30度、30度和26度。
图7给出了由Butler阵510形成的扇区波束700，图中扇区波束通过在Butler阵510的三个波束输入端f1，f3，f4输入等幅同相信号产生。由图可以看出未经过相位调整所形成的扇区波束已经具有良好的通带性能。但是由图6a给出的相位延迟关系可得，此时扇区波束在天线阵元端口F1～F4形成的信号幅度之比为 并不具有等幅度特性。
图8b给出了经过图5a相位调整装置520调整波束端相位后形成的扇区波束800，扇区波束通过在相位调整装置520的三个波束输入端L1、L3、L4输入等幅同相信号产生。由图8b可以看出叠加后的扇区波束在通带内虽然具有一定的波动，但仍具有良好的通带性能，其3dB带宽接近120度。在图8a中，给出了经过相位调整以后波束端口L1、L3、L4和阵元端口F1～F4之间的相位延迟关系(单位为度)。由此相位关系易知，扇区波束在天线阵元端口F1～F4形成的信号具有等幅度特性，从而可以有效地降低单个天线的发射功率，延长天线阵子的使用寿命。
图9给出了第一实施例利用扇区波束和固定窄波束成形装置100、或者500架构的扇区基站系统。为了说明方便，图9仅给出了按装置500设计的扇区基站系统。图9中基站900包含三个收发信机模块910～912，每个模块引出一条馈线，组成基站馈线920，经过馈线相位校正装置940，波束成形装置950和射频前端电路960，最后到达天线阵列970。其中波束成形装置950即为扇区波束和固定窄波束成形装置500。整个链路是双向的。在上行，基站900通过由波束成形装置950形成的所有固定波束接收来自每个用户的信息，即通过每根固定窄波束馈线接收用户信息，对于每个用户比较来自各个波束馈线的信号质量，然后根据基站预先设计的波束选择逻辑选择接收信号波束和发射信号波束。一种非常简单而且行之有效的波束选择逻辑可以采用比较接收信号强度的方法进行。在下行，用户的业务信息通过预选的固定窄波束馈线发射，用户的公共信息通过扇区波束发射，即通过选择所有的固定窄波束馈线发射。为了产生发射公共用户信息的扇区波束，必须对基站馈线920实行相位校正，以保证扇区波束信号在波束成形装置950的输入端形成同相信号输入，此功能由馈线相位校正装置940完成，一般相位校正的误差控制在±10度之内。实际工程实施过程中，相位校正大大增加了系统实现的复杂度。射频前端电路960则主要完成信号的双向传输以及下行信号的功率放大。
图10给出了一种采用比较接收信号强度(RSSI-Received SignalStrength Indicator)的方法进行波束选择的操作流程。首先由窄带波束接收信号(步骤1010)，然后比较接收信号的接收信号强度(步骤1020)，根据该比较结果，选择接收/发射波束(步骤1030)，然后接收/发射信号(步骤1040)。其中在选择多个波束发射信号时，应设法避免各个波束之间的恶性叠加现象。
图11a给出了第二实施例对应的扇区波束和固定窄波束成形装置1100。图中装置1100主要由Butler阵1110、相位调整装置1120、同相信号产生装置1160和信号合路装置1150构成。固定窄波束通过固定窄波束馈线1172、信号合路装置1150、相位调整装置1120以及Butler阵1110构成的链路得以实现，每个波束馈线对应一个固定窄波束。扇区波束通过扇区波束馈线1171、同相信号产生装置1160、信号合路装置1150、相位调整装置1120以及Butler阵1110构成的链路得以实现。图中Butler阵1110和相位调整装置1120共同组成装置1130，其功能同第一实施例，主要完成固定窄波束赋形和扇区波束赋形。为了说明方便，假定装置1130具有4个波束输入端口I1～I4和4个天线阵元端口F1～F4，类似第一实施例中的装置100。同相信号产生装置1160和信号合路装置1150保证来自扇区波束馈线1171的扇区波束信号在相位调整装置1120的4个波束输入端口I1～I4形成同相的输入信号。同相信号产生装置1160表示其输出端1173的各路信号之间具有相同的相位，即与输入端1171之间存在相同的相位差。同相信号产生装置1160的一种典型实现形式是采用图5a中的Butler阵510，此时输入端口1171(L5)为图5a中的波束端口f4。信号合路装置1150由完全相同的合路器1140～1143组成，其中合路器的端口幅度、相位关系如图11b中表格所示。信号合路装置1150主要完成下行链路固定窄波束信号和扇区波束信号的合成，以及上行链路接收信号到固定窄波束馈线的无损传输。
与第一实施例中的装置100、500不同，装置1100需要增加一个扇区波束端口L5，区别于其它的固定窄波束端口L1～L4。固定窄波束通过固定窄波束馈线1172与基站相连；扇区波束通过扇区波束馈线1171同基站相连。
采用第二实施例(扇区波束和固定波束成形装置1100)的最大优点是不需要对基站和扇区波束和固定窄波束成形装置1100之间的基站馈线实行相位校准就能有效地实现固定窄波束和扇区波束。因此可以简化系统实现的复杂度，容易实现扇区非智能天线系统到扇区智能天线系统的升级，尤其在射频前端与基站相隔较远的情况下(如铁塔基站)。
图12给出了利用第二实施例(扇区波束和固定窄波束成形装置1100)架构的扇区基站系统。其中波束成形装置1250即为扇区波束和固定波束成形装置1100。为了说明方便，假定装置1100可以形成三个固定窄波束和一个扇区波束。此时，基站1200包含4个收发信机1210～1213模块，每个模块引出一条馈线，组成固定窄波束馈线1220和扇区波束馈线1230，经过扇区波束和固定窄波束成形装置1250和射频前端电路1260，最后到达天线阵列1270。其信号处理流程同第一实施例，区别之处只是扇区波束信号经过的实际链路和固定窄波束信号经过的实际链路有所差别。
图13给出了采用本发明扇区智能天线蜂窝移动通信系统框图。相对于扇区非智能天线蜂窝移动通信系统，此系统可以提高系统的容量，减少基站的数目。图13中，1300、1301和1302是采用智能天线系统的三扇区基站。每个基站扇区包含多个预先生成的固定窄波束和一个扇区波束。以基站1301的1310扇区为例，固定窄波束分别为1320、1321和1322，扇区波束为1340。实际系统设计中，可以根据业务量的大小和扇区大小自由设置每个扇区的固定波束个数。用户1330在扇区1310内移动时，基站通过比较来自固定波束1320、1321和1322的接收信号，或者选择其中信号质量最好的一个波束作为接收波束，或者选择若干个信号质量较好的波束作为接收波束，然后把各个波束的信号合并。用户的公用信息，如导频信息，通过扇区波束1340发射。当然扇区波束1340不限于发射此类信息，也可以发射业务信息和接收用户信息。当用户移动到扇区1310、1311和1312的边界时，基站1301、1302要支持扇区之间的切换功能，其操作原理和扇区非智能天线系统类似。
权利要求
1.一种应用于CDMA系统中的固定波束成形装置，在基站侧形成一簇固定窄波束和一个扇区波束，其特征在于包括a.固定窄波束成形网络，用以产生多个不同指向的固定窄波束；b.相位调整装置，其调整该固定波束成形网络各个波束端口的初始相位，形成扇区波束；及c.天线阵列，其由多个天线阵元构成；其中所述固定窄波束成形网络的一侧为波束信号输入输出端口，一侧为天线阵元端口，通过设计该波束端口和该天线阵元端口之间的相位延迟，产生多个不同指向的固定窄波束。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括馈线相位校正装置，用以补偿该基站馈线建设过程中的随机相位偏差。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括射频前端电路，用以实现信号的双向传输以及下行信号的功率放大，包括功率放大器，发射接收切换电路以及相位校准电路。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述固定窄波束成形网络为射频固定窄波束成形网络。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述波束端口信号在天线阵元端口之间形成的相位延迟为2(l-N+12)πN,]]>其中N为固定窄波束成形网络中波束端口或天线阵元端口的个数，1为波束端口序号。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述波束端口信号在天线阵元端口之间形成的相位延迟为 其中N为固定窄波束成形网络中波束端口或天线阵元端口的个数，1为波束端口序号。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述相位调整装置调整该固定波束成形网络各个波束端口的初始相位形成扇区波束，是利用多个固定窄波束的叠加形成一个覆盖全扇区的扇区波束，发送该扇区用户的公用信息。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述相位调整装置调整初始相位过程中，还包括选择相位调整数值，使该阵元端口具有相等的合成信号幅度。
9.一种应用于CDMA系统中的固定波束成形方法，在基站侧形成一簇固定窄波束和一个扇区波束，其特征在于包括如下步骤步骤一校正该基站馈线的相位；步骤二利用固定窄波束成形网络和天线阵列形成一簇固定窄波束；步骤三利用该固定窄波束成形网络、相位调整装置和该天线阵列形成扇区波束；步骤四通过射频前端电路实现信号的双向传输。
10.如权利要求9所述之方法，其特征在于所述固定窄波束成形网络为射频固定窄波束成形网络。
11.如权利要求9所述之方法，其特征在于所述固定窄波束成形网络中波束端口信号在天线阵元端口之间形成的相位延迟为-2(l-N+12)πN,]]>其中N为固定窄波束成形网络中波束端口或天线阵元端口的个数，1为波束端口序号。
12.如权利要求9所述之方法，其特征在于所述固定窄波束成形网络中波束端口信号在天线阵元端口之间形成的相位延迟为 其中N为固定窄波束成形网络中波束端口或天线阵元端口的个数，1为波束端口序号。
13.如权利要求9所述之方法，其特征在于所述步骤三中还包括选择相位调整数值，使该阵元端口具有相等的合成信号幅度。
14.如权利要求9所述之方法，其特征在于所述步骤四信号传输过程中，每根固定窄波束馈线接收用户信息的过程，还包括比较来自各个波束馈线的信号强度，包括如下步骤步骤1固定窄带波束接收信号；步骤2比较接收信号的接收信号强度；步骤3根据该比较结果，选择接收/发射波束；及步骤4接收/发射信号。
15.一种应用于CDMA系统中的固定波束成形装置，在基站侧形成一簇固定窄波束和一个扇区波束，其特征在于包括a.同相信号产生装置，用以根据该扇区波束信号产生同相信号；b.信号合路装置，其在下行链路中实现该固定窄波束信号和该扇区波束信号的合成，在上行链路中实现接收信号到该固定窄波束馈线的无损传输；c.固定窄波束成形网络，用以产生多个不同指向的固定窄波束；d.相位调整装置，其调整该固定波束成形网络各个波束端口的初始相位，形成扇区波束；及e.天线阵列，有多个天线阵元构成；其中所述固定窄波束成形网络的一侧为波束信号输入输出端口，另一侧为该天线阵元端口，通过设计该波束端口和该天线阵元端口之间的相位延迟，产生多个不同指向的固定窄波束。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于还包括一射频前端电路，用以实现信号的双向传输以及下行信号的功率放大，包括功率放大器，发射接收切换电路以及相位校准电路。
17.如权利要求15所述的装置，其特征在于所述波束端口信号在天线阵元端口之间形成的相位延迟为2(l-N+12)πN,]]>其中N为固定窄波束成形网络中波束端口或天线阵元端口的个数，1为波束端口序号。
18.如权利要求15所述的装置，其特征在于所述波束端口信号在天线阵元端口之间形成的相位延迟为 其中N为固定窄波束成形网络中波束端口或天线阵元端口的个数，1为波束端口序号。
19.如权利要求15所述的装置，其特征在于所述相位调整装置调整该固定波束成形网络各个波束端口的初始相位形成扇区波束，是利用多个固定窄波束的叠加形成一个覆盖全扇区的扇区波束，发送该扇区用户的公用信息。
20.如权利要求15所述的装置，其特征在于所述相位调整装置调整初始相位过程中，还包括选择相位调整数值，使该阵元端口具有相等的合成信号幅度。
21.如权利要求15所述的装置，其特征在于所述固定窄波束成形网路为射频固定窄波束成形网络。
22.一种应用于CDMA系统中的固定波束成形方法，在基站侧形成一簇固定窄波束和一个扇区波束，其特征在于包括如下步骤步骤一根据该扇区波束信号产生同相信号；步骤二；实现该固定窄波束信号和该扇区波束信号的合成；步骤三利用固定窄波束成形网络和天线阵列形成一簇固定窄波束；步骤四利用该固定窄波束成形网络、相位调整装置和该天线阵列形成扇区波束；步骤五通过天线阵列发射接收信号。
全文摘要
一种应用于CDMA系统中的固定波束成形装置及其方法，利用一个天线阵列同时实现一簇固定窄波束和一个扇区波束，采用模拟固定波束成形技术，利用固定窄波束成形网络(Butler阵)实现多个固定窄波束，利用相位调整装置对Butler阵波束端初始相位的控制形成一个覆盖全扇区的扇区波束，扇区波束的信号能量在各个天线阵元端具有相等或者近似相等的特性，因此可以充分利用天线阵列带来的性能增益，降低单个天线阵元的发射信号幅度，由此降低了系统的实现成本。
文档编号H04B7/06GK1540903SQ20031011199
公开日2004年10月27日 申请日期2003年10月29日 优先权日2003年10月29日
发明者张彭, 李立林, 彭 张 申请人:中兴通讯股份有限公司