改善无线基站覆盖和提高容量的天线装置及信号处理方法.pdf

提供一种无线通信系统中所使用的多波束天线装置，其中：由所述多波束天线装置形成的多波束天线包括不同指向的、预定数量的窄波束天线，并且在同一指向的窄波束天线之间实现极化分集。提供一种使用上述天线的多波束天线系统。还提供一种在使用多波束天线装置的无线通信系统中实现的信号处理方法，包括步骤：提供所述多波束天线装置；对上行多波束信号分集执行均衡接收。还提供一种在使用上述多波束天线装置的无线通信系统中执行上述信号处理的装置。本发明可扩大系统的覆盖区域；提高系统容量；提高频谱利用效率；降低系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。

1、  一种无线通信系统中所使用的多波束天线装置，其中：
由所述多波束天线装置形成的多波束天线包括不同指向的、预定数量的窄波束天线，并且在同一指向的窄波束天线之间实现极化分集。

2、  如权利要求1所述的多波束天线装置，包括：
管理单元，用于通过各天线阵元接收预定数量的、极化方式不同的信号，并选取其中的若干路信号输出；
合路网络，用于接收从所述管理单元中输出的信号，对这些信号处理后输出到一个天线阵列中以获得所述多波束天线。

3、  如权利要求2所述的多波束天线装置，其中，
所述管理单元包括两个Butler矩阵，每个所述Butler矩阵是8*8的管理矩阵，且每个Butler矩阵分别接收4路极化方式不同的信号，并分别选取4路信号输入到所述和路网络，从该和路网络中输出的信号输出到4*8的天线阵列中，从而在形成的多波束天线中包括固定8个波束的天线，其中，4对窄波束指向4个不同的方向，每对窄的波束是两个不同的偏振的组合。

4、  如权利要求3所述的多波束天线装置，其中，
每对窄的波束是两个+/-45度偏振的组合。

5、  一种在使用多波束天线装置的无线通信系统中实现的信号处理方法，包括步骤：
提供所述多波束天线装置，其中，由该多波束天线装置形成的多波束天线包括不同指向的、预定数量的窄波束天线，并且在同一指向的窄波束天线之间实现极化分集；
对上行多波束信号分集执行均衡接收。

6、  如权利要求5所述的信号处理方法，还包括步骤：
根据对上行多波束信号分集均衡接收的相关结果指导下行波束信号的选择。

7、  如权利要求6所述的信号处理方法，其中：
通过对各上行多波束信号分集均衡接收的相关结果之间的比较来指导下行波束信号的选择。

8、  如权利要求5-7中任一项所述的信号处理方法，其中，对上行多波束信号分集执行均衡接收的步骤还包括子步骤：
对从所述多波束天线装置接收的各路信号进行同步解调；
对经过上述处理后输出的信号进行分集合并，从而获得上行信号比特流。

9、  如权利要求8所述的信号处理方法，其中，
在所述同步解调步骤与所述分集合并步骤之间还包括步骤：
采用匹配滤波器对经过同步处理的信号进行恢复，同时对该经过同步处理的信号进行信道估计；
采用信道估计处理输出的相关结果作为加权因子对所述经过恢复的信号进行加权处理。

10、  如权利要求9所述的信号处理方法，还包括步骤：
在所述分集合并步骤之后对所述分集合并的结果进行Vertibi最大似然估计运算，以便实现上行信号分集的均衡接收。

11、  如权利要求5-10中任一项所述的信号处理方法，其中，所述多波束天线装置包括：
管理单元，用于通过各天线阵元接收预定数量的、极化方式不同的信号，并选取其中的若干路信号输出；
合路网络，用于接收从所述管理单元中输出的信号，对该信号处理后输出到一个天线阵列中以获得所述多波束天线。

12、  如权利要求11所述的信号处理方法，其中，
所述管理单元包括两个Butler矩阵，每个所述Butler矩阵是8*8的管理矩阵，且每个Butler矩阵分别接收4路极化方式不同的信号，并分别选取4路信号输入到所述和路网络，从该和路网络中输出的信号输出到4*8的天线阵列中，从而在形成的多波束天线中包括固定8个波束的天线，其中，4对窄波束指向4个不同的方向，每对窄的波束是两个不同的偏振的组合。

13、  如权利要求12所述的信号处理方法，其中，
每对窄的波束是两个+/-45度偏振的组合。

14、  一种在使用多波束天线装置的无线通信系统中执行信号处理的装置，包括：
用于对由所述多波束天线装置所接收的上行多波束信号分集执行均衡接收的设备。

15、  如权利要求14所述的信号处理装置，还包括：
用于根据对上行多波束信号分集均衡接收的相关结果指导下行波束信号选择的设备。

16、  如权利要求15所述的信号处理装置，其中，所述指导下行波束信号选择的设备通过对各上行多波束信号分集均衡接收的相关结果之间的比较来指导下行波束信号的选择。

17、  如权利要求14-16中任何一项所述的信号处理装置，还包括：
同步解调设备，用于对从所述多波束天线装置接收的上行多波束信号进行同步解调；
分集合并设备，用于对从所述同步解调设备输出的信号进行分集合并，从而获得上行信号比特流。

18、  如权利要求17所述的信号处理装置，还包括：
匹配滤波器，用于对经过同步处理的信号进行恢复；
信道估计设备，用于对该经过同步处理的信号进行信道估计；
加权设备，用于采用信道估计设备输出的相关结果作为加权因子对所述经过恢复的信号进行加权处理，其中，所述分集合并设备对从各加权设备输出的信号进行分集合并。

19、  如权利要求18所述的信号处理装置，还包括：
Vertibi解码器，用于对从所述分集合并设备的输出结果进行Vertibi最大似然估计运算，以便实现上行多波束信号分集的均衡接收。

20、  一种无线通信系统的多波束天线系统，其包括：
波束成形模块(1)，用于形成多波束天线，该多波束天线接收来自不同方向、不同极化方式的无线信号；
波束切换模块(3)，用于接收由所述多波束天线接收的各路信号；
扫描接收模块(2)，用于对由所述多波束天线接收的各路信号进行处理，以便根据处理结果指导波束切换模块(3)对上行多波束信号进行分集合成。

21、  如权利要求20所述的多波束天线系统，其中，波束切换模块(3)还用于根据对上行多波束信号进行分集合成处理的结果来对下行信号进行切换选择。

22、  如权利要求21所述的多波束天线系统，其中：
所述多波束天线包括不同指向的、预定数量的窄波束天线，并且在同一指向的窄波束天线之间实现极化分集。

23、  如权利要求20-22中任一项所述的多波束天线系统，其中：
所述波束成形模块(1)包括：
管理单元，用于通过各天线阵元接收预定数量的、极化方式不同的信号，并选取其中的若干路信号输出；
合路网络，用于接收从所述管理单元中输出的信号，对该信号处理后输出到一个天线阵列中以获得所述多波束天线。

24、  如权利要求23所述的多波束天线系统，其中，
所述管理单元包括两个Butler矩阵，每个所述Butler矩阵是8*8的管理矩阵，且每个Butler矩阵分别接收4路极化方式不同的信号，并分别选取4路信号输入到所述和路网络，从该和路网络中输出的信号输出到4*8的天线阵列中，从而在形成的多波束天线中包括固定8个波束的天线，其中，4对窄波束指向4个不同的方向，每对窄的波束是两个不同的偏振的组合。

25、  如权利要求24所述的多波束天线系统，其中：
每对窄的波束是两个+/-45度偏振的组合。

改善无线基站覆盖和提高容量 的天线装置及信号处理方法
技术领域
本发明总的来说涉及无线通信领域，更具体地说，涉及在无线通信系统中，通过使用智能天线中的多波束天线代替原来系统中的天线而实现提高频谱利用效率，提高系统容量，降低干扰的方法及其装置。本发明还涉及无线通信系统中自动优化发射和接收方向图的信号处理方法和装置。
背景技术
智能天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。与其它日渐深入和成熟的干扰消除技术相比，智能天线技术在移动通信中的应用研究更显得方兴未艾并显示出巨大潜力。
智能天线通常包括：切换波束(Switched Beam)和自适应阵列(Adaptive array)。切换波束方式又称为多波束(Multi-Beam)方式。自适应阵列又称为自适应波束方式。
多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随阵元数目的确定而确定。随着用户在小区中的移动，基站选择不同的相应波束，使接受信号最强。自适应阵天线一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距1/2波长，若阵元间距过大，则接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一般取半波长。阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线是智能天线的主要类型，可以实现全向天线，完成用户信号接收和发送。自适应阵天线系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。自适应阵天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，等同于信号有线传输的线缆，有效克服了干扰对系统的影响。
智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域，由于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片处理能力不断提高，芯片价格已经可以为现代通信系统所接受。同时，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，以此代替模拟电路形成天线波束方法，提高了天线系统的可靠性与灵活程度，智能天线技术因此开始在移动通信中得到应用。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话音质量。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂度情况下满足扩充容量的需要。不同于常规的扇区天线和天线分集方法，通过在基站使用全向收发智能天线，可以为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信号发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。不同于传统的时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或码分多址(CDMA)方式，智能天线引入了第四维多址方式：空分多址(SDMA)方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码情况下，用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。智能天线相当于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天线波束控制下，可以显著降低用户信号彼此间干扰。
例如，现在广泛使用的SanYo基站采用自适应阵列天线，基本的自适应天线原理如图1所示。在实际应用中SanYo基站安装了4个全向天线，其典型的波瓣图如图2所示。由于波瓣的不规则性，导致它的控制信道(CCH)存在盲区。即当PS(手持机)处于盲区时，PS不能收到广播信息，从而产生呼叫不应的现象。目前SanYo基站采用旋转波瓣和重发广播信息的方法来解决这个问题。但效果并不理想。至于现有技术中的多波束(Multi-Beam)智能天线，也存在不能区分理想信号和干扰信号的弱点。
申请日为2001年6月8日，公开日为2003年1月15日，申请号为01113416.x的中国专利申请“非智能天线基站升级为智能天线基站的方法及基带处理系统”主要描述了在CDMA系统中通过预多波束智能天线将非智能天线基站升级为智能天线基站方法和基带处理系统。该文献全文引入以资参考。但是这种将非智能基站升级为智能基站的方法是在CDMA系统中实现的。由于其他非CDMA系统在体系结构和工作方式上与CDMA系统存在区别，因此这种方法对其他无线通信系统并不具有普遍适用性。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的一个目的是提供一种可以扩大系统的覆盖区域和提高系统容量的天线装置及其方法。
本发明的另一个目的是提供一种在无线通信系统中自动优化发射和接收方向图的信号处理方法和装置。
根据本发明的第一方面，提供一种无线通信系统中所使用的多波束天线装置，其中：由所述多波束天线装置形成的多波束天线包括不同指向的、预定数量的窄波束天线，并且在同一指向的窄波束天线之间实现极化分集。
在上述多波束天线的一种实施方式中，所述多波束天线包括：管理单元，用于通过各天线阵元接收预定数量的、极化方式不同的信号，并选取其中的若干路信号输出；合路网络，用于接收从所述管理单元中输出的信号，对这些信号处理后输出到一个天线阵列中以获得所述多波束天线。
根据本发明的第二方面，提供一种在使用多波束天线装置的无线通信系统中实现的信号处理方法，包括步骤：提供所述多波束天线装置，其中，由该多波束天线装置形成的多波束天线包括不同指向的、预定数量的窄波束天线，并且在同一指向的窄波束天线之间实现极化分集；对上行多波束信号分集执行均衡接收。
在上述信号处理方法中，根据对上行多波束信号分集均衡接收的相关结果指导下行波束信号地选择。
根据本发明的第三方面，提供一种在使用多波束天线装置的无线通信系统中执行信号处理的装置，包括：用于对由所述多波束天线装置所接收的上行多波束信号分集执行均衡接收的设备。
根据本发明的第四方面，提供一种无线通信系统的多波束天线系统，其包括：波束成形模块，用于形成多波束天线，该多波束天线接收来自不同方向、不同极化方式的无线信号；波束切换模块，用于接收由所述多波束天线接收的各路信号；扫描接收模块，用于对由所述多波束天线接收的各路信号进行处理，以便根据处理结果指导波束切换模块对上行多波束信号进行分集合成。
本发明的上述技术方案可以在以下方面提高未来移动通信系统性能：(1)扩大系统的覆盖区域；(2)提高系统容量；(3)提高频谱利用效率；(4)降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。
为了描述简便起见，本发明下面的具体实施方式特别结合小灵通PAS(个人接入系统，Personal Access System)系统中进行说明。但是，这并不构成对本发明技术方案的限制。本领域技术人员应理解，本发明的上述技术方案同样可应用于其他类似的无线通信系统中。
附图说明
图1示出了现有技术中自适应天线的工作原理简图；
图2示出了现有技术中使用自适应天线的SanYo基站的覆盖波瓣图；
图3示出了根据本发明的多波束智能天线解决方案的体系结构简图；
图4示出了根据本发明的多波束天线的原理简图；
图5示出了根据本发明的多波束天线的波瓣图；
图6示出了根据本发明的多波束天线中波束随用户移动切换的示意图；
图7示出了根据本发明的多波束天线中波束切换算法的流程图；
图8示出了现有技术中的全向天线与根据本发明的多波束天线的实际效果比较图。
具体实施方式
下面结合各附图对本发明的技术方案进行详细描述。
以下的描述是将根据本发明的具有多个波束的多波束天线装置应用在目前已广泛应用的UTStarcom公司基站而进行的。但是正如上述，这并不构成对本发明的限制。
图3示出了本发明的多波束天线系统的一个实施例的体系结构，它完全兼容现有的基站结构。如图3所示，利用波束成形模块1实现的多波束天线接收来自不同方向、不同极化方式的无线信号，并将其送至波束切换处理模块3；与此同时，一个扫描接收模块2对各路信号进行相应处理，这些处理结果最终指导波束切换模块3对上行信号进行分集合成和/或根据对上行信号的处理结果来指导对下行信号进行切换选择。波束切换模块3的输出送至信道收发送模块6。在图3的实施例中，波束成形模块1包括各天线阵元4和Butler矩阵波束成形器5(以下简称为Butler矩阵)。其中，Butler矩阵5还可以使用本领域技术人员熟知的其他可实现相应功能的器件，天线阵元的数量和排列方式也可以采取各种合适的配置，具体选择涉及具体无线环境、要求达到的技术指标、器件的性价比等因素。
如图3所示，本发明的这一技术方案的设计涉及两个部分：一部分是天线，另一部分是无线电收发器中的解调部分。
天线部分
图4示出了本发明的如图3所示的多波束天线系统的波束成形模块1的一种具体结构。如图4所示，八路信号按不同的极化方式分别输入到一个8*8的Butler矩阵21，每个Butler矩阵21对所述信号在模拟域实现了等价于快速富丽叶变换的处理，并且每个Butler矩阵各自选取其中的四路输出到合路网路22，然后通过合路网路22进行的信号合并处理后输出到4*8的天线阵列23中，从而形成本发明的多波束天线。在该实施例中，这种天线阵列23是一种平面阵天线，天线在一个矩形网格上规则分布。除了4×8以外，该天线阵列还可以为6×8，4×8，6×4，4×4，2×8，2×4；各天线阵元在垂直向的间距一般为0.5波长到1波长，水平间距0.25波长到0.7波长。天线屏蔽器24是为了提高天线阵列23的性能而设置。
从上述结合图4的描述可以看出，相比8个单独的天线覆盖同一区域，本发明的多波束天线是一个具有管理矩阵(在本实施例中为Butler矩阵)的阵列天线，它通过8个不同的波束覆盖一个扇区。
图5示出了如图4所示的本发明的多波束天线解决方案的波瓣图。如图5所示，选择固定8个波束的天线，4对窄波束a，b，c，d指向4个不同的方向，从实际的效果看，它相当于一个板状天线。在设计中，每对窄的波束是两个不同的偏振的组合(例如，约+/-45度)。本领域技术人员了解，在具体实施时还可以根据不同的无线环境和技术要求而使用其他设计参数，例如，对天线阵元数量、偏振组合的方向等，都可以选择不同于该实施例的其他数值。这些具体数值是本领域技术人员在实施本发明的该技术方案时容易想到的。
解调部分
通常的蜂窝算法是依据RSSI执行的，上行采用MRC(最大合并)方式，下行是SC(选择合并)方式。这同样可以应用在本发明的多波束天线系统中，如图6所示，一个扇区波束发送和接收控制信道CCH(图中未示出)覆盖整个覆盖区域，而其他窄波束11-14用来做通话信道。每个窄波束指向不同的方向，当用户移动时，系统会跟踪并用不同的波束来连接用户。由于上述算法是现有技术中公知的，故在此不再赘述。
图7示出了根据本发明的信号处理方法的一个实施例中的解调算法的流程图。如图7所示，不同于PAS中普遍采用的差分解调方案，在该方案中采用相干解调方案。对从天线接收的各路信号进行A/D转换，然后进行同步和信道估计，同时采用匹配滤波器对经过同步处理的信号进行恢复；接着采用通过信道估计得到的已知信号的相关结果作为加权因子对从匹配滤波器输出的信号进行加权运算；对加权运算结果进行分集合并，并使得分集合并的结果通过Vertibi最大似然估计处理，从而获得对上行信号进行处理的输出结果。由于同时采用了同步解调，均衡接收，相关合并及最大似然估计，上行信号的接收灵敏度及抗干扰能力得到了极大的提高。与此同时，还可通过上述的相关结果进行来指导下行波束的选择，例如通过对各相关结果进行比较来实现这种指导。相比一般的RSSI，本发明的这种解调方法可有效避免同频干扰引起的误判。
根据上述分析可看出，利用上述如图7所示的本发明的解调算法能够提高本发明的多波束天线解决方案的性能，即，根据对各个信道的评估作出相应的处理并能同步结合。但是，本领域技术人员了解，即使采用现有技术中普通的解调算法与根据本发明的多波束天线系统配合工作也可取得相应的有益效果(下面将说明)。
此外，在如图7所示的解调算法中，所述的匹配滤波、信道估计、相关和Vertibi最大似然估计这些处理可以省略，即只对经A/D转换后的各路信号进行同步解调处理，也仍然可以取得优于现有技术中通常的差分解调方案的技术效果，即，提高了对上行信号处理的质量。而且，本领域技术人员了解，用于指导下行波束选择的各路上行信号的相关结果也可以不从信道估计处理输出中提取而在对上行信号处理过程中的其他合适的点处提取，这取决于具体的无线环境和所要达到的技术指标等因素且可由本领域技术人员在具体实施该方法时选择。
上述根据本发明的多波束天线系统以及相应的解调算法可以有效地提高连接质量。本申请的发明人对应用本了发明的上述多波束天线和解调算法的无线通信系统中进行了无线链路连接的过程仿真。在仿真过程中，原始信号经过调制、整形后，输出到仿真的信道中到达接收端，加入高斯白噪声后，由解调算法对其进行处理，处理得到的接收信号与原始信号进行比较以得到比特率和误帧率。
图8示出了现有技术中的全向天线与根据本发明的多波束天线的实际效果比较图。如图8所示，横坐标表示信号能量噪声比，纵坐标表示误比特率和误帧率，且曲线L1和L2表示本发明的多波束天线，曲线L3和L4表示现有技术中全向天线。其中，与本发明的多波束天线结合的是普通的解调算法。从图中的具体数据可看出，即使采用现有技术中的普通算法，采用根据本发明的多波束天线仍然能给连接质量带来很大的提高。
本发明人在应用了本发明的上述多波束天线(未使用本发明的上述解调算法)的无线通信系统中进行了试验。实验结果显示，与现有技术相比，采用本发明的多波束天线可提高上下行增益达2db；极大地降低冲突干扰，对于上行链路干扰，TCH切换率可降低25％，对于下行链路干扰，LCCH请求(下行链路干扰指示)对于当前站和邻近站可降低30％；提高连接质量：提高接通率(平均通话时间提高提高约5％)，降低断线率约25％。
虽然上面已经结合本发明的具体实施例介绍了本发明，但是，本领域技术人员了解，在不背离本发明的精神实质和原理的情况下，还可以对本发明的上述实施例做出各种修改或改进。总之，本发明的保护范围只由附后的权利要求述限定。