CN1391309A - 在智能天线阵列中或与其相关的改进 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于智能天线阵列的波束形成方法，特别涉及用于智能两维天线的波束形成方法。智能天线应用连接到一个组合/波束形成网络的低增益天线的阵列。智能天线可通过距离延伸，死区填充和改善的建筑物穿透提供增强的覆盖范围。通过在基站改进发送和接收可增加可允许的路径损耗，由此能改善该基站的作用距离。本发明的第一方面提供对2维阵列产生低旁瓣波束方向图的方法。另一方面提供由大阵列中用于四个天线的标准体的目前考虑的反馈信号技术。本发明适于CDMA无线蜂窝系统，如目前被确定用于第三代蜂窝无线网络，和其他的无线系统，例如TDMA系统和无线LAN。

Description

在智能天线阵列中或与其相关的改进

技术领域

本发明涉及智能天线阵列的波束形成方法，特别涉及按二维阵列配置的垂直定向的智能天线的波束形成方法。

背景技术

在其他情况下称为自适应天线阵列的智能天线阵列包括连接到组合/波束形成网络的低增益天线。智能天线可通过距离延伸，死区填充和改善的建筑物穿透性提供增强的作用距离。通过在基站改进发送和接收可增加可允许的路径损耗，由此能改善该基站的距离范围。通过在基站使用智能天线能降低一个无线网络的原始开发成本：随在系统使用中的开发，通过增加附加小区地点和减小现存基站距离范围能增加系统的容量。

由此智能天线阵列方便实施的数字波束形成对即将来临的移动通信网络例如UMTS网络被考虑为最有前途的技术之一。线性和平面天线阵列通常被考虑成候选天线类型。这是因为相对其他例如环形阵列类型的天线它们产生低的旁瓣。如果一个通信天线阵列在其波束图形中产生高的旁瓣，这将使强干扰信号在某些方向上到达移动终端，对于下行链路传输可以是一个严重的问题。

在目前的UTRAN技术条件中(R’99)，存在着基于来自移动终端的反馈的一种发射分集方案。其想法在于从两个不同的天线向小区中所有移动终端发射固定功率的不同的信号。该移动终端周期性地向该基站报告该信号的幅度和相位，基于此，该基站调整用于传输专用信号的天线加权。目前，在3GPP中，计划扩展发射分集方案到四个天线，但迄今不可能的是这样一种技术将甚至进一步扩展到一个很大数量的天线。

发明内容

本发明力图提供适于用在蜂窝基站中的改进的天线装置。本发明还力图提供增加一个蜂窝通信站的容量的可操作的天线装置。

按本发明的第一方面，提供了一种智能天线基站装置，包括一个2维天线阵列，其天线元件提供水平平面中的全向波束覆盖，其中：

可操作对指定波束方向最佳的储存的波束形成加权集合以使阵列产生定向下行链路波束。

最好该阵列具有一个物理周期性，从而减少用于指定波束方向的原理加权集合的数量。这种周期性对于许多天线的规则的环形阵列通常包括一个小的角度范围，例如对于一个平衡的正方形阵列为90°角范围，对于正三角形为120°角范围和对于矩形为180°角范围，指定的波束方向与一个角范围相关。在阵列包括元件间规则间隔的环形阵列的情况下，对于所选择的波束形成加权之间的角度，加权可由旋转和/或内插确定。即，不是让一个单独的加权集合去覆盖天线的波束方向的所有角度，而是有一个用于有限弧度例如30°的加权集合，这样的一个加权集合可以按30°步进旋转十二次以提供天线的360°的覆盖。如果3dB带宽小于20°，则对于该周期之间的角度要求内插。

按本发明另一方面，提供可操作的基站装置以开发在3GPP中建议的反馈信号技术。该技术特别对于在UTRAN中的下行链路波束成形已经加以改进，但是它们也可用于上行链路波束形成以及其他的无线系统中。引导(公共控制频道)信号可由子阵列的一个天线发射：可用反馈信号帮助确定一个合适的加权集合。

这样本发明的第一方面提供了一个可操作的装置以对2维阵列产生低旁瓣波束方向图。另一方面提供了目前由3GPP考虑的用于大阵列中四个天线的反馈信号技术。本发明适合用于如目前被确定为第三代蜂窝无线网络的CDMA无线蜂窝系统，以及其他的例如TDMA系统和无线LAN系统。

全向天线的一个规则的两维阵列，而特别是环形阵列比在无线蜂窝网络中应用于智能天线的线性的和平面的阵列具有许多优点。如果使用在水平面中具有全向性方向图的元件，则每个天线元件，或至少高比例的天线元件将能贡献于无线电信号的发射和接收，这将特别地导致以下好处：低本成的线性功率放大器(LPA)，因要求较低的功率处理；较高的天线增益；较高的空间分集增益，因天线分布所致，以及；用于软(在扇区内)转换的信号是冗余的，这将提供进一步的容量增加。

因此本发明能基于2维阵列用全向性智能天线促进这些优点的实现。例如，在一个实施例中，本发明提供了在波束方向图中具有低旁瓣的环形天线阵列，这将减轻对其他用户的干扰并能使用SDMA；使下行链路容量更高；允许互存具有话音业务的更高的数据率业务；以及使其可能应用四个天线的3GPP反馈技术于大阵列垂直取向全向性天线，该阵列是线性的(在两维中)，环形的或平面的。

附图说明

根据考虑下列说明书和表示在附图图表中的图可更容易理解本发明和本发明的不同的其他方面和特征可变得显而易见，其中：

图1表示一个环形阵列的波束图形的例子；

图2表示以一个圆配置的全向天线的2-维装置；

图3表示以一个正方形配置的全向天线的2-维装置；

图4表示基本的自适应波束形成器配置；

图5表示一个主波瓣阵列图的内插/旋转标度；

图6表示按本发明第一方面的关于波束形成的一个流程图；

图7表示按本发明第二方面的关于波束形成的一个流程图；

图8a和b表示在2GHz频率在一个全向天线的水平面中的某些低旁瓣图；

图9说明一个环形阵列的子阵列；

图10说明按本发明第一方面制作的一个波束成形的；

图11-13是关于按本发明再一方面的波束形成器的工作的流程图。

具体实施方式

现在将通过例子来描述由发明人设想的用于执行本发明的最佳模式。在以下的说明中陈述的多数专门细节为的是提供对本发明的全面的了解。但是对本专业技术人员而言显见的是本发明可以用该专门细节的变化付诸实践。

至今，使用环形阵列已受到限制，这是因为当使用环形阵列时，多数波束形成算法倾向产生高的旁瓣，这将对其他的移动终端引起强的干扰并限制使用空域多址存取(SDMA)。使用非环形的无疑尚未被公开的其他类型的2-维阵列也可能遭遇到类似的问题。参照图1，这里表示某些西门子TD-SCDMA环形天线阵列的波束图。可以看到旁瓣电平(定向波束)可以为-4dB高，而对于一个线性阵列达到-12dB的旁瓣电平并不困难。该问题是当在下行链路中的代码不足有效地限制数据率时对W-CDMA特别严重。表示出由单个全向天线提供的在所有方向上基本均匀的一个基准方向图。

一个天线阵列的波束图在很大的程度上由波束形成加权所确定。对于线性阵列，存在许多产生低旁瓣的已知的加权分布函数，例如台劳(Taylor)和切别雪夫(Chebyshev)分布。不幸的是，对于非线性阵列，不存在容易的解。理论上，如果给定限制条件和目标函数，一个阵列的加权可使用最佳化方法实时地最佳化。但实际上，这种技术难以实施，这是由于对信号处理功率的过度的要求。

现在参照图2，在第一实施例中，本发明提供了一个全向性天线的周期性的环形阵列；可操作波束形成装置以便在水平面中的任意两个相邻元件间的角度方向产生具有低旁瓣的最佳方向图，以覆盖一个角范围。为覆盖360°的范围仅要求可操作一个小的加权集合去覆盖一个角周期：在相邻天线之间的每个角周期是按照施加到围绕天线装置的中心轴的其他角周期的加权的一个重复。例如可以储存一个加权集合，该加权集合包括一个加权，该加权用于在一半径方向由一个天线元件与用于在该天线元件和其相邻天线元件之一之间的多个角的加权一起形成的一个波束，以覆盖围绕该基站的区域的十二分之一：在360°上旋转该加权集合十二次将对围绕该天线装置的整个空间提供覆盖。在缓冲器或其他ROM器件中可储存这样的波束形成加权集合的最佳组。由内插和旋转加权分配能在任意其他方向使用该最佳加权集合。

图3表示具有天线元件的一个天线装置，该天线元件在水平方向是全向性的，并且天线元件用正方形配置。有四个旋转对称的90°角周期：在360°上旋转加权集合四次将提供围绕该天线装置的整个空间的覆盖。

需要确定下行链路波束的方向。该信息可以多种方式获得：例如，如已知的那样，由通过该网络或基站本身的三角测量，借助于全球定位系统(GPS)，反馈信号可以揭示位置。当需要下行链路波束形成和给定波束的方向时，基于储存的最佳加权集合组分配一个加权集合，并产生具有保证低旁瓣电平的波束方向图。

图4表示下行链路波束形成器的示意配置；在此仅表示四个天线元件40，但是波束形成器考虑从一个希望与其通信的移动终端得到的信号44的到达的方向；从ROM或类似器件得到加权信息。来自波束形成器的信号由乘法器48施加到天线输入馈点。当要求通信时，得到相应于多个方向的储存的加权；旋转或旋转和内插数据乘以一个系数，而到天线的信号被适当地加权。

图5表示为一个全向性波束部分的360°角范围如何分成12个‘n1’主波束：例如相应于图2环形装置的12个天线方向。对于一个简单情况，可以是这样，旋转该主波束到十二个天线方向之任一方向即可满足。然后，不需要对n2个加权形成基准以提供中间波束。无论怎样，对于12个波束配置而言n2个中间波束可能需要取决于3dB波束宽度是否小于30°。图5的例子表示四个中间波束。

图6表示第一个流程图：同样参考图4，这里来自一个希望与其通信的移动用户的一个移动终端的反馈数据的到达方向(DOA)由处理器44接收：确定相对于一个基准的最近的分立角。波束形成器42提供在ROM 46中储存的加权数据。在该图中，到达信息的方向相应一个主波瓣方向，3dB波束带宽使得只要要求该主波束的旋转能使小区的所有区域被覆盖。但是要注意有可能确定独立于两维阵列的任何周期性的主波束方向。人们将理解，如果该波束带宽足够宽或存在着足够的储存的加权，则在主波束之间具有内插并不有利，这是因为非-规则内插可使计算更为困难，或要求更多的处理功率/更多的存储器。

图7表示第二个流程图。如图6的情况，处理DOA信息以确定相对一个基准(步骤2)的最近分立角。务必取决于一个内插加权集合指数，同旋转加权一起确定内插的和旋转的主波束(步骤3-5)。如在图6的情况一样，该信号将驱动波束形成器乘法器42。图8a和b表示两个最佳的低旁瓣波束图。将理解到该旁瓣是低的，低于-12dB。

在R’99UTRAN技术条件中，引入反馈机制来帮助应用两个天线的发射分集技术。概念是使用不同的扰频码从两个不同的天线发射固定功率的下行链路信号到所有在公共频道中的移动终端，并之后按照从指定的移动终端接收的反馈信号对专用频道采用天线加权。目前对在引入反馈信号传输到四个天线的建议存在很大的商业兴趣。这样的反馈信息使自适应波束形成用于具有四个元件的阵列。一方面，由于有限的信号传输带宽，不可能有时引入用于多于四个天线的任何信号传输机制。另一方面，用于蜂窝网络的环形阵列需要至少八个天线以获得显著的阵列增强。同样可以想像，由多于四个元件组成的线性天线阵列将用在未来的UTRAN产品中。因此，对大阵列需要能采用目前反馈信号传输方案的新的波束形成技术，但其被限于两个和四个天线。

现在参照图9，它表示本发明的另一个实施例。一个大的天线阵列被分成许多称为子阵列的小组，在当前情况下被分成四组，例如每组包括二个到十个元件，目前情况是包括三个天线元件。由于在每个子阵列中的天线元件靠近放置，可选择每个阵列的一个天线元件作为引导天线发射不同的信号，如同发射分集方案那样。来自预定的移动终端的该反馈信号则被用来将该限制放置在每个子阵列的加权上以便发射专用信号。

可以使用幅度信息设置用于子阵列加权的幅度的范围，然后使所有经受这种限制的天线加权最佳化。另一方面，可使用该幅度信息去确定每个子阵列加权的幅度并基本上确定所有天线加权的相位以使波束最佳化。如上所讨论的，要求一个测向函数去执行这种最佳化。

当可得到合适的信号处理功率条件下，或可实时产生最佳波束，或可从如上述予储存的最佳集合选择最佳波束。图10表示这样一种下行链路波束形成器70的配置，这里使用四个引导天线71P1...71P4。该下行链路波束的信号传输是由单元77控制的：移动终端的反馈在单元73中内插，并使用来自单元73与来自储存加权存储器76一起的数据和使用来自加权分配单元75中的单元74的到达数据的方向。来自加权分配单元的信号用输入传输线馈送到乘法单元，然后传送到天线。该波束形成器相应于适合用于图9中表示的配置天线的波束形成器，但在图中仅表示七个天线，而图10的引导天线71P1-71P4相应图2的引导天线1，2，3和4，天线的总数将变化，这取决于所使用的天线类型，例如，如果它是一个环形阵列，实际中在那里该数可能是八，十二或十六。

现在参照图11，它表示描绘本发明工作的流程图。基本地，天线阵列被分组成多个子阵列，例如每个子阵列与在全向小区位置范围内的90°周期相关，可操作用每个子组的一个或多个引导天线来广播引导信号。仅使用一个子阵列的一个天线元件或其少量的天线元件将降低信号传输所要求的带宽。从覆盖区域中一个移动终端接收的反馈用作对于最佳波束形成加权的限制条件；没有进行关于天线元件或阵列配置的设想。

现在将详细说明如下：每组子阵列的每个引导天线广播引导信号(步骤i)。在覆盖区域内的移动电话启动测量用信号相位和幅度词句表示的引导信号(步骤ii)，该信息返回到基收发信机站(BTS)(步骤iii)。考虑反馈限制和到达信息方向以最佳化波束形成加权(步骤iv)，该加权传送到波束形成装置，一般其可采用乘法器的形式。

图12表示实施图11中表示的一般概念的最佳方式。对于由指数m₁表示的每个分立角，存在许多相应于由指数m₂表示不同反馈组合的予最佳加权。予最佳加权的数量通常对应于上述主波束，以及另外的用于内插波束方向，只要合适的予最佳加权。

在图13中，引入第三指数m₃反映这样一个事实，即存在与可以是通常能采用的配置相关的某些对称性/周期性，使得能减小储存的加权的数量，并由此能实施旋转或反射操作。

Claims (18)

1.一种智能天线基站装置包括全向性天线元件的一个2维阵列，其中：

可操作地对指定波束方向最佳的储存的波束形成加权集合以使该阵列产生定向的下行链路波束。

2.按权利要求1的装置，其中该阵列具有物理周期性，由此减少用于指定波束方向的原理加权集合数量和由此二次的加权集合通过旋转获得。

3.按权利要求1的装置，其中多个角方向是在两个相邻元件间形成的二个角中选择的，由此获得一个基本加权集合组。

4.按权利要求2或3的装置，其中，对于在指定波束方向和其周期性旋转之间的角，该角是在原理和二次角之间或相邻二次角之间，波束形成加权由内插确定。

5.按权利要求1的装置，其中阵列包括在天线元件间具有角空间的环形阵列。

6.按权利要求1的装置，其中阵列包括一个正方形阵列。

7.按权利要求1的装置，其中天线阵列包括细分成多个子阵列的天线元件，其中：

可操作每个子阵列的引导天线元件以广播公共控制频道信号，可操作该阵列以接收由基站覆盖区域中移动终端返回的任意反馈信号；

可操作该装置以应用储存的加权数据和与反馈距离数据一起到达数据的方向使阵列在所说移动终端的方向产生定向下行链路波束。

8.按权利要求7的装置，其中可操作选自每个子阵列的元件以广播公共控制频道信号。

9.按权利要求7和8的装置，其中反馈信号提供关于从每个引导天线元件发射的信号的幅度和相位的数据。

10.按权利要求7的装置，其中反馈信号促进对用于分配给专用频道的波束形成加权的幅度和相位的最佳化。

11.按权利要求7的装置，其中反馈信号促进对用于分配给专用频道的波束形成加权的相位的最佳化。

12.按权利要求7的装置，其中反馈信号促进对用于分配给专用频道的波束形成加权的幅度的最佳化。

13.按权利要求7的装置，其中使用反馈信号的相位信息确定引导天线加权的相位。

14.按权利要求7的装置，其中使用反馈信号的幅度信息促进专用频道的波束最佳化。

15.一种操作智能天线基站装置的方法，该装置包括全向性天线的2维阵列，该方法包括步骤：

储存对指定波束方向最佳化的波束形成加权集合，由此使该阵列产生定向的下行链路波束。

16.按权利要求15的方法，其中阵列具有物理周期性，由此方法还包括：由旋转获得二次加权集合，由此减少用于指定波束方向的原理加权集合的数量。

17.按权利要求15的方法包括在两个相邻元件之间形成的一个角中选择多个角方向的步骤，由此获得一个基本加权集合组。

18.按权利要求16或17的方法，其中对于在指定波束方向和其周期旋转之间的角，原理和二次角或在相邻二次角之间，波束形成加权由内插确定。

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