下行波束形成方法.pdf

本发明提出了一种下行波束形成方法，该方法包括：在需要进行下行波束形成的情况下，基站(BS)主动或在移动台的请求下向移动台发送下行信道侦听序列；移动台利用接收到的下行信道侦听序列对各个发射天线进行波达方向估计以获得估计值，并根据估计值得到对应发射天线的权值，通过上行专用反馈信道将估计值和对应发射天线的权值反馈给基站并保存；基站根据对应发射天线的权值进行下行波束形成；以及重复执行以上步骤以进行下行波束形成。通过本发明，根据用户位置的变化情况和空口资源情况动态的发送信道帧听序列和反馈用户所处波束位置信息，达到了更好的波束跟踪和节省空口带宽资源效果。

1.  一种下行波束形成方法，其特征在于，所述方法包括：
在需要进行下行波束形成的情况下，基站主动或在移动台的请求下向所述移动台发送下行信道侦听序列；
所述移动台利用接收到的所述下行信道侦听序列对各个发射天线进行波达方向估计以获得估计值，并根据所述估计值得到对应发射天线的权值，通过上行专用反馈信道将所述估计值和所述对应发射天线的权值反馈给所述基站并保存；
所述基站根据所述对应发射天线的权值进行下行波束形成；以及
重复执行以上步骤以进行下行波束形成。

2.  根据权利要求1所述的下行波束形成方法，其特征在于，在无线信道条件变化或所述移动台进行移动的情况下，所述移动台要求所述基站再次发送下行信道侦听序列。

3.  根据权利要求2所述的下行波束形成方法，其特征在于，在通过当前接收到的下行信道侦听序列估计出的估计值与上一次估计出的估计值的差值大于预定波达方向差门限的情况下，所述移动台向请求所述基站发送下行信道侦听序列并根据接收到的所述下行信道侦听序列对所述各个发射天线重新进行波达方向估计。

4.  根据权利要求3所述的下行波束形成方法，其特征在于，根据所述波束跟踪效果和空中接口资源确定所述波达方向差门限。

5.  根据权利要求1所述的下行波束形成方法，其特征在于，所述基站周期性地发送下行信道侦听序列到所述移动台。

6.  根据权利要求4或5所述的下行波束形成方法，其特征在于，对于所述基站，所述波达方向为所述移动台信道的到达方向。

7.  根据权利要求6所述的下行波束形成方法，其特征在于，所述专用反馈信道为物理专用信道或对于物理层透明的高层解析的信道。

8.  根据权利要求7所述的下行波束形成方法，其特征在于，所述方法用于正交频分多址接入系统。

9.  根据权利要求7所述的下行波束形成方法，其特征在于，所述方法用于WiMax系统。

下行波束形成方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种下行波束形成方法。
背景技术
正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple，简称OFDM)在频域把频谱分成若干个正交的子信道，各子信道的载波相互重叠，提高了频谱利用率。由于各子信道的带宽相对较窄，因此对整个发射带宽信号来讲频率选择性信道对于各个子信道信号来讲是平坦衰落的，均衡可对每个子载波分别进行，大大简化了接收机结构。由于OFDM具有频谱利用率高、均衡简单的优点，非常适合于高速的有线和无线传输，因此得到了广泛研究。正交频分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，简称OFDMA)则是基于OFDM技术的一种多址方式，在时间和频率两个维度上对用户数据进行分配是OFDMA系统的基本特征，OFDMA在无线资源分配上有非常高的灵活性。
智能天线技术是一种阵列天线技术，它利用信号在传输方向对于不同天线距离上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖方向，使主波束对准用户方向，旁瓣或零陷对准干扰信号方向，并能够自动跟踪用户和监测环境变化，为每位用户提供优质的上行链路和下行链路信号，从而达到抑制干扰、准确提取有效信号的目的。智能天线技术和OFDMA系统有效结合，可以更好的提高OFDMA系统的覆盖和抗干扰能力。上行和下行的波束形成技术是智能天线系统的关键。
发明内容
鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提出了一种下行波束形成方法，可以根据用户位置的变化情况和空口资源情况动态的发送信道帧听序列和反馈用户所处波束位置信息，以达到更好的波束跟踪和节省空口带宽资源效果。
根据本发明的下行波束形成方法包括：在需要进行下行波束形成的情况下，基站(BS)主动或在移动台的请求下向移动台发送下行信道侦听序列；移动台利用接收到的下行信道侦听序列对各个发射天线进行波达方向估计以获得估计值，并根据估计值得到对应发射天线的权值，通过上行专用反馈信道将估计值和对应发射天线的权值反馈给基站并保存；基站根据对应发射天线的权值进行下行波束形成；以及重复执行以上步骤以进行下行波束形成。
其中，在无线信道条件变化或移动台进行移动的情况下，移动台要求基站再次发送下行信道侦听序列。在通过当前接收到的下行信道侦听序列估计出的估计值与上一次估计出的估计值的差值大于预定波达方向差门限的情况下，移动台向请求基站发送下行信道侦听序列并根据接收到的下行信道侦听序列对各个发射天线重新进行波达方向估计。根据波束跟踪效果和空中接口资源确定波达方向差门限。基站周期性地发送下行信道侦听序列到移动台。对于基站，波达方向为移动台信道的到达方向。专用反馈信道为物理专用信道或对于物理层透明的高层解析的信道。方法用于正交频分多址接入系统。该下行波束形成方法用于WiMax系统。
通过本发明，根据用户位置的变化情况和空口资源情况动态的发送信道帧听序列和反馈用户所处波束位置信息，达到了更好的波束跟踪和节省空口带宽资源效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明的实施例的下行波束形成方法的流程图；
图2是根据本发明的实施例的下行帧听序列的示意图；
图3是根据本发明的另一个实施例的波束形成方法的流程图；以及
图4是根据本发明的实施例的又一个实施例的波束形成方法的流程图。
具体实施方式
下面参考附图，详细说明本发明的具体实施方式。
图1是根据本发明的实施例的下行波束形成方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S102，在需要进行下行波束形成的情况下，基站主动或在移动台的请求下向移动台发送下行信道侦听序列。
步骤S104，移动台利用接收到的下行信道侦听序列对各个发射天线进行波达方向估计以获得估计值，并根据估计值得到对应发射天线的权值，通过上行专用反馈信道将估计值和对应发射天线的权值反馈给基站并保存。
步骤S106，基站根据对应发射天线的权值进行下行波束形成。
重复执行以上步骤以进行下行波束形成。
其中，在无线信道条件变化或移动台进行移动的情况下，移动台要求基站再次发送下行信道侦听序列。在通过当前接收到的下行信道侦听序列估计出的估计值与上一次估计出的估计值的差值大于预定波达方向差门限的情况下，移动台向请求基站发送下行信道侦听序列并根据接收到的下行信道侦听序列对各个发射天线重新进行波达方向估计。根据波束跟踪效果和空中接口资源确定波达方向差门限。基站周期性地发送下行信道侦听序列到移动台。对于基站，波达方向为移动台信道的到达方向。专用反馈信道为物理专用信道或对于物理层透明的高层解析的信道。方法用于正交频分多址接入系统。该下行波束形成方法用于全球微波接入互操作性系统(Worldwide Interoperability for Microwave Access，简称WiMax系统)。
对于时分双工方式，智能天线系统一般利用无线信道的互易性，基站根据接收信号的差异进行波达方向估计，并将其作为下行波束形成的权值，用于下行方向。另外一种较为常用的方法是多波束法，基站预先形成N个波束，波达方向估计可以在移动台里进行，移动台计算来自不同天线信号的差异，判断目前所处波束位置并将波束索引反馈给基站，基站则按照此索引值进行下行波束形成，这种方法由于系统由于空口资源限制，一般只支持有限个波束，所以形成的波束可能指向性并不好。根据本发明的实施例，提出了一种自适应波束形成方法和多波束方法相互结合的下行波束形成方法。系统可以根据用户位置的变化情况和空口资源情况动态的发送信道帧听序列和反馈用户所处波束位置信息，以达到更好的波束跟踪和节省空口带宽资源效果。
具体的下行波束形成方法可以包括以下步骤：
步骤一，如果需要下行波束形成，移动台首先通知基站进行下行信道帧听序列的发送。
步骤二，基站根据此需求在预备分配的时频资源区域进行下行侦听序列的发送，每个天线的侦听序列独立发送，格式如图2所示。
步骤三，移动台根据接收到的各发射天线信号进行波达方向估计，设估计值为θ₁，相应的其估计的天线权值为M为发射天线个数。
步骤四，移动台通过上行专用反馈信道将估计的权值和波达方向θ₁反馈给基站，同时存入移动台的内存系统。
步骤五，基站根据反馈得到的天线权值进行下行波束形成，增强信号强度，以达到智能天线效果。
步骤六，如果是移动台发起下行帧听序列发送，当无线信道条件变化或者移动台进行移动时，移动台接收的信号强度有可能变弱，这时移动台可以要求基站再次发送下行信道帧听序列。如果是基站周期性发送下行帧听序列，则跳过此步。
步骤七，移动台根据接收到的各发射天线信号进行波达方向估计，假设估计值为θ₂，相应的其估计的天线权值为M为发射天线个数。
步骤八，移动台计算θ₁和θ₂的差值σ，如果σ＞∏，则移动台可要求基站进行下行信道帧听序列的发送。
步骤九，移动台估计新的波达方向和天线权值并循环执行步骤三以后的各步骤。
其中，在步骤一中，所述信道侦听序列是由基站主动发送，或者移动台要求基站发送的约定的已知序列。移动台通过此序列可以进行信道估计，信道测量，噪声测量等工作。
在步骤二中，所述波达方向对于基站来讲是指移动台信号的到达方向，不同的方向来波可以造成的接收天线之间不同的相位差异。在本专利中，波达方向可以由信道互易性由移动台估计得出。
在步骤三中，所述专用反馈信道是指通信系统一般具有的专用上行反馈信道，此信道可以是物理专用的，也可以是物理层透明，由高层解析的。反馈信道的主要要求是高可靠的传输效果和尽可能的低反馈时间延时。
在步骤六中，∏是由系统设定的波达方向差门限，门限值小则帧听序列和权值反馈较为频繁，波束跟踪效果好，占用较多的空口资源，反之则帧听序列和权值反馈间隔时间长，波束跟踪效果差，但节省空口带宽资源。系统需要平衡这两方面的需求。
以4天线WiMax系统为例，首次对下行信道进行测量时，由于还没有数据发出，则一般利用基站发送的专用的中间导码(Midamble)。图2是根据本发明的实施例的下行帧听序列的示意图。如图2所示，这是本实施例设计的下行信道帧听序列。可以看到，由于要独立估计下行4天线到CPE的独立信道参数，所以多个天线独立发送信息。而且由于WiMax是一个宽带系统，要求信道帧听序列对于数据的信道一致要好，所以信道帧听序列一般要涵盖数据区所使用的整个频率资源，在时间上可以考虑放在数据区的中间，前面和后面。
当CPE接收信号质量变差，WiMax基站可以启用下行波束形成来增强下行信号强度，以提高通信质量。首先CPE通过管理消息要求基站发送中间导码，并协商中间导码的发送方式，这主要包括发送周期，发送长度，码子产生方式。按照此要求，WiMax基站结合当前的子载波分配情况，在此用户突发(burst)的附近插入中间导码，并在下行帧信道分配消息(DL-MAP)中详细描述中间导码占用载波情况。
CPE(customer premises equipment，Wimax终端)根据接收到的中间导码进行波达方向估计，假设估计的权值为由于基站射频通道的不一致性，此权值里不仅包含了CPE和基站相对位置的信息，也有射频通道的校正权值信息，即其中是用户位置信息权值，是通道校正权值。CPE通过上行快速反馈信道快速反馈(Fast Feedback，简称FFB)，将W反馈给BS，由于W已经包含了通道校正信息，基站按照此权值进行波束形成就可以满足多天线信号在CPE侧同相位叠加的效果。
图3是根据本发明的另一个实施例的波束形成方法的流程图。如图3所示，如果CPE和基站协商的是周期发送中间导码方式，则CPE可以进行周期性的下行波达方向(Direction of Arrival，简称DOA)估计。这种情况下，如果估计值和上次反馈的W所对应的波达方向差值超过一定门限，则CPE对基站更新一次所需要的下行权值，否则只估计，不反馈，以节省上行空口带宽资源。
如图3所示，该波束形成方法包括以下步骤：
S302，基站周期发送下行帧听序列。
步骤S304，移动台根据发送的帧听序列进行波达方向估计。
步骤S306，判断是否是初始权值，如果是则进入步骤S312，否则进入步骤S308。
步骤S308，移动台将对比估计出的波达方向和存储的波达方向之间的差值。
步骤S310，移动台将结果通过专用反馈信道反馈给基站，并存储。
步骤S312，移动台将结果通过专用反馈信道反馈给基站，并存储。
步骤S314，基站根据反馈结果进行波束形成。
图4是根据本发明的实施例的又一个实施例的波束形成方法的流程图。如图4所示，如果CPE和基站协商是CPE发起中间导码发送方式，则CPE可以根据接收信号强度来判断是否需要进行波束权值的更新。系统如果需要，则通过管理消息要求基站发送中间导码，CPE进行波达方向估计，假设估计出的波达方向和上次反馈的波达方向差值较大则更新权值。这种方式下也节省了下行发送中间导码的空口资源。
如图4所示，该波束形成方法包括以下步骤：
步骤S402，基站周期发送下行帧听序列。
步骤S404，移动台根据发送的帧听序列进行波达方向估计。
步骤S406，移动台将结果通过专用反馈信道反馈给基站，并存储。
步骤S408，移动台判断基站下行信号强度是否不符合要求，如果是则进入步骤S410，否则进入步骤S412。
步骤S410，移动台请求基站发送下行帧听序列。
步骤S412，移动台对比估计出的波达方向和存储的波达方向之间的差值。
步骤S414，判断是否大于门限值，如果是则进入步骤S416，否则进入步骤S418。
步骤S416，移动台将结果通过专用反馈信道反馈给基站，并存储。
步骤S418，基站根据更新的权值进行波束形成。
通过本发明，根据用户位置的变化情况和空口资源情况动态的发送信道帧听序列和反馈用户所处波束位置信息，达到了更好的波束跟踪和节省空口带宽资源效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。