阵列天线实现全向覆盖的方法与装置.pdf

本发明涉及一种在智能天线通信系统中，实现公共信道全向覆盖的方法与装置。利用天线阵列中已有的所有天线阵元，而不是从中选取一个或另外增加一个天线阵元，因而无需采用大功率的功率放大器和高增益的天线阵元，从而简化结构和节省系统成本。装置包括一公共信道波束赋形加权系数发生器和M个加权系数调节器。将公共信道信号的发射时间分成时隙；由公共信道波束赋形加权系数发生器自主产生N个权向量；在连续的公共信道信号发射时隙的每个发射时隙，循环地从N个权向量中选取一个权向量，由M个权系数调节器用该权向量中的M个加权系数，对应M个发射通道中的公共信道信号进行加权，再对应送M个天线阵元发射。M与N均为大于1的正整数。

1.  一种阵列天线实现全向覆盖的方法，其特征在于包括以下处理步骤：
A.产生N个权向量，记为w₁，w₂...w_N，每个权向量由M个加权系数构成，记为w₁，w₂...w_M，M个加权系数对应M个发射通道，M个发射通道对应M个天线阵元，M、N是大于1的正整数；
B.将公共信道信号的发射时间分成时隙；
C.重复执行本步骤，在连续的公共信道信号发射时隙的每个发射时隙，从N个权向量w₁，w₂...w_N中选取一个权向量，用该权向量中的M个加权系数w₁，w₂...w_M，对应M个发射通道中的公共信道信号进行加权，对应送M个天线阵元发射。

2.  根据权利要求1所述的阵列天线实现全向覆盖的方法，其特征在于：所述公共信道波束赋形加权系数发生器，按N个权向量的方向图的平均值表现为近似各向同性产生N个权向量。

3.  根据权利要求1所述的阵列天线实现全向覆盖的方法，其特征在于：所述步骤C中，所述的选取一个权向量，是按照权向量w₁，w₂...w_N的序号，在连续的发射时隙顺序选取每一个权向量。

4.  一种阵列天线实现全向覆盖的装置，阵列天线包括M个天线阵元和与M个天线阵元对应的M个发射通道，其特征在于：
包括一公共信道波束赋形加权系数发生器和M个权系数调节器；
公共信道波束赋形加权系数发生器产生N个权向量，记为w₁，w₂...w_N，每个权向量包括M个加权系数，记为w₁，w₂...w_M；在连续的公共信道信号发射时间的每个发射时隙，公共信道波束赋形加权系数发生器从N个权向量中选取一个权向量，用该权向量中的M个加权系数，对应M个发射通道，通过M个权系数调节器对M个发射通道中的公共信道信号进行加权，M、N是大于1的正整数。

5.  根据权利要求4所述的阵列天线实现全向覆盖的装置，其特征在于：
所述公共信道波束赋形加权系数发生器循环产生的N个权向量，N个权向量的方向图的平均值表现为近似各向同性。

6.  如权利要求4所述的阵列天线实现全向覆盖的装置，其特征在于：
所述公共信道波束赋形加权系数发生器从N个权向量中选取一个权向量，是按照权向量w₁，w₂...w_N的序号顺序地选取每一个权向量，对所述公共信道信号进行加权。

阵列天线实现全向覆盖的方法与装置
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，更确切地说是涉及基于智能天线的、实现公共信道全向覆盖的方法与装置。
背景技术
阵列信号处理技术最早出现在自适应天线组合技术中，此后在军用通信系统中首先使用了阵列天线，随着近年来微计算机和数字信号处理技术的发展，在民用蜂窝移动通信系统中也开始使用阵列天线。
在阵列天线系统中，系统自适应地对移动用户信号进行波束赋形，跟踪用户的运动，因此阵列天线也被称为智能天线阵列。在第三代移动通信系统的时分-同步码分多址(TD-SCDMA)系统中，更是将智能天线技术作为它的一项关键技术来对待。
参见图1，智能天线阵列的导向矢量示意图。假设一个窄带信号的智能天线阵列包含M＞1个天线阵元，m是M个天线阵元中的一个阵元，天线阵列的导向矢量为a(θ)，它是M维的列向量，由天线阵元的排列方式唯一确定。如果以第一天线阵元为参考点，则天线阵列的导向矢量a(θ)可表示为(大写字母黑体表示矩阵，小写字母黑体表示列矢量，普通字母表示标量，以下同)：
a ( θ ) = 1 e - jr 2 T k · · · e - jr M T k T ]]>
图中，r_m是第m个天线阵元到参考点的距离矢量(m＝2，...，M)，k为θ角方向的波数矢量，|k|＝ω/c＝2π/λ，ω是载波角频率，c是光速，λ是波长，式中T是转置符。
参见图2，示意一个典型的智能天线系统结构。M个接收天线对应M个接收通道，M个发射通道对应M个发射天线。
对于一个特定的用户，到达方向估计模块(DOA估计)21根据M个天线阵元上的接收信号估计出该特定用户的到达方向信息。自适应波束赋形权系数发生器22，根据该特定用户的到达方向信息调整权向量(自适应波束赋形权系数发生器22，为每个发射通道产生一个加权系数，各通道的权系数调节器23用自身通道的加权系数调节(做乘法)专用信道信号s(t)，M个天线阵元的加权系数w₁，w₂...w_M构成一个权向量w，从而对该特定用户形成一个指向波束，并且自适应地跟踪用户的移动。图中*为共轭符。
采用智能天线技术后，可以有效地降低系统的干扰，增加系统的容量，提高频谱效率。
在图2所示的智能天线系统中，每个天线阵元的发射通道用一个权系数(权系数等同于权值)进行加权，表示成权向量为：
w＝[w₁  w₂  ...w_M]^T
天线阵列在各个方向上的方向系数为：
g(θ)＝w^Ha(θ)
式中H为共轭转置符。
在无线通信系统中，除了针对单个用户通信的专用信道外，还需要有广播信道、寻呼信道等公共信道。公共信道和专用信道对天线覆盖的要求不同：专用信道要求形成尽可能窄的波束，而公共信道则要求覆盖整个小区，即要求公共信道全向覆盖，使所有的用户都能接收到由公共信道传播的公共信息。因而，移动通信系统在使用了智能天线后，使得天线阵列具有了方向性，但还需要采取适当的技术措施，来满足公共信道的全向覆盖要求。
实现公共信道全向覆盖的一种技术是采用单天线阵元发射。具体做法包括：在阵列天线中选取一个天线阵元，用于实现公共信道的小区全向覆盖；或者在天线阵列之外另外增加一个天线阵元，专门用于实现公共信道的小区全向覆盖。
在智能天线中，由于采用了多个天线阵元，可以降低天线的增益和降低对功放的要求，但如果采用上述单天线阵元实现全向覆盖的方案，就要求此天线阵元具有比其他天线阵元高得多的发射功率(采用大功率的功率放大器和高增益的天线阵元)，因此增加了系统成本。
发明内容
本发明的目的是设计阵列天线实现全向覆盖的方法和装置，在智能天线通信系统中，实现公共信道全向覆盖的方法与装置，利用天线阵列中已有的所有天线阵元，而不是从中选取一个或另外增加一个天线阵元，因而无需采用大功率的功率放大器和高增益的天线阵元，从而简化系统结构和节省系统成本。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种阵列天线实现全向覆盖的方法，其特征在于包括以下处理步骤：
A.产生N个权向量，记为w₁，w₂...w_N，每个权向量由M个加权系数构成，记为w₁，w₂...w_M，M个加权系数对应M个发射通道，M个发射通道对应M个天线阵元，M、N是大于1的正整数；
B.将公共信道信号的发射时间分成时隙；
C.重复执行本步骤，在连续的公共信道信号发射时隙的每个发射时隙，从N个权向量w₁，w₂...w_N中选取一个权向量，用该权向量中的M个加权系数w₁，w₂...w_M对应M个发射通道中的公共信道信号进行加权，对应送M个天线阵元发射。
本发明的目的还通过以下技术方案实现：
一种阵列天线实现全向覆盖的装置，阵列天线包括M个天线阵元和与M个天线阵元对应的M个发射通道，其特征在于：
包括一公共信道波束赋形加权系数发生器和M个权系数调节器；
公共信道波束赋形加权系数发生器产生N个权向量，记为w₁，w₂...w_N，每个权向量包括M个加权系数，记为w₁，w₂...w_M；在连续的公共信道信号发射时间的每个发射时隙，公共信道波束赋形加权系数发生器从N个权向量中选取一个权向量，用该权向量中的M个加权系数，对应M个发射通道，通过M个权系数调节器对M个发射通道中的公共信道信号进行加权，M、N是大于1地正整数。
本发明使用一个公共信道波束赋形系数发生器产生N个权向量(N大于1)；将对公共信道的信号发射时间分成时隙；在每个时隙，从N个权向量中选择1个权向量，用该权向量中的M个权值(加权系数)对应M个发射通道，在M个权系数调节器中用M个权值分别对M个发射通道进行加权；循环使用N个权向量中的每一个权向量。
在给定一个权向量，即给定一组加权系数的情况下，天线阵列的方向图具有相应的方向性，该方向性与天线阵列的排列和加权系数有关系。在不同的时刻，各发射通道采用不同的加权系数加权，使得天线阵列的方向图不断地改变。在某个特定的方向上，天线增益随着时间表现出强度的变化，这相当于一个信道的快衰落，通过信道编码等技术，可以克服此快衰落。从平均效果上来看，各个方向上天线的增益基本相同，就相当于一个各向同性的天线阵列，从而实现了本发明的目的，即采用天线阵列中的所有天线阵元实现公共信道的小区全向覆盖。
本发明的技术方案相对于公共信道的单天线阵元发射，无需采用大功率的功率放大器和高增益的天线阵元，从而降低了系统成本和简化了系统结构。
图1是智能天线阵列的导向矢量示意图；
图2是典型的智能天线系统结构示意图；
图3是本发明的阵列天线实现公共信道全向覆盖的装置结构图及方法流程图；
图4是线性天线阵列的方向图表达示意图；
图5是使用本发明方法与装置后的天线阵列方向图效果图。
参见图3，本发明的阵列天线实现全向覆盖的装置，包括一个公共信道波束赋形加权系数发生器31，和M个权系数调节器32。公共信道波束赋形加权系数发生器31自主产生N个权向量(N大于1)，记为w₁、w₂、...、w_N，每个权向量包括M个加权系数，记为w₁、w₂、...、w_M，该M个加权系数对应M个发射通道，由M个加权系数调节器32分别用对应的1个加权系数对自身发射通道进行加权。
将公共信道信号s(t)的发射时间分成时隙，在每个发射时隙，从N个权向量中选取一个权向量。在连续的发射时隙，轮流使用此N个权向量，即在每个发射时隙里，每个发射通道，被1个加权系数加权。N个权向量中各M个权值的设计，使得经此N组权值加权后的天线阵列方向图的平均增益呈各向同性。一般说来，选取两个权向量(N＝2)即两组权值就可以达到上述目的。
本发明通过设计每一个权向量及每一个权向量中的一组加权系数，使用阵列天线中的全部天线阵元，实现公共信道的全向覆盖。
下面以线性阵列为例，进一步说明本发明。
参见图4，对于一个线性阵列，其方向图的表达为： g ( θ ) = Σ m = 1 M w m * e - j 2 π λ ( m - 1 ) d sin θ , ]]>
式中d为天线阵元之间的间距，如图4中所示。
如果天线阵列有8个天线阵元，M＝8，天线阵元之间的间距d为半个波长λ/2，选取两个权向量(N＝2)，即两组权系数，为：
w₁＝[1  1  1  -1  1  -1  1   1]
w₂＝[1  i  -1  i  1  -i  -1  -i]
由公共信道波束赋形加权系数发生器自动产生这两个权向量，每一个权向量中包括8个加权系数。要求该两个权向量的方向图互补，即两个权向量的方向图的平均值表现为近似各向同性。只要有了该生成原则，公共信道波束赋形加权系数发生器按照该原则生成权向量，可以有多种实现技术，不在此一一列举。
将公共信道信号的发射时间分成时隙。在第一个发射时隙，从这两个权向量中选择一个权向量，如w₁＝[1 1 1 -1 1 -1 1 1]，在8个权系数调节器中用相应的加权系数对公共信道信号s(t)进行加权，即用1对发射通道1中的公共信道信号s(t)进行加权，用1对发射通道2中的公共信道信号s(t)进行加权，...，用-1对发射通道4中的公共信道信号s(t)进行加权，...，用1对发射通道8中的公共信道信号s(t)进行加权。在第二个发射时隙，从这两个权向量中再选择另一个权向量，w₂＝[1 i -1 i 1 -i -1 -i]，在8个权系数调节器中用相应的加权系数对公共信道信号s(t)进行加权，即用1对发射通道1中的公共信道信号s(t)进行加权，用i对发射通道2中的公共信道信号s(t)进行加权，用-1对发射通道3中的公共信道信号s(t)进行加权，...，用-i对发射通道8中的公共信道信号s(t)进行加权(i为虚数单位)。在第三个发射时隙，又用w₁＝[1 1 1 -1 1 -1 1 1]对公共信道信号s(t)进行加权...。
这两个权向量即两组权系数的方向图是互补的，在任何一个方向上，一组权系数的方向图增益弱，另一组权系数的方向图增益强，形成互补，如图5所示的两个方向图的叠加结果。
图5中，实线是采用权向量w₁时的方向图，在0°、90°、180°、270°方向增益最强，而在60°、120°、240°、300°方向增益最弱；虚线是采用权向量w₂的方向图，在60°、120°、240°、300°方向增益最强，在0°、90°、180°、270°方向增益最弱。因而交替使用这两个权向量、两组加权系数，就可以实现全向覆盖。
本发明的技术方案，充分利用了天线阵列中所有天线阵元的发射功率，避免了在智能天线系统中，为了实现公共信道的全向覆盖而采用大功率的功率放大器和高增益天线，使系统得到简化，节省了成本。