专利名称：提高天线阵列的干扰置零的鲁棒性的方法和系统的制作方法
提高天线阵列的干扰置零的鲁棒性的方法和系统
交叉引用
本发明要求以下申请的优先权2006年8月10日提交的题为 "Robust Interference Suppression with Wider Beam Width Nulling by Antenna
Array"的美国临时申请60/836,720，以及2007年1月18日提交的题为 "Method and System for Improving Robustness of Interference Nulling for
Antenna Array"的美国专利申请11/654,941。
背景技术：
干扰是损害无线通信网络的性能的因素之一。干扰减小了无线通信信 道的容量并引起诸如丢失呼叫、减小数据速率等问题。
对于无线通信网络设计者来说，开发一种减轻干扰的方法是很重要 的。最常用的方法包括不充分使用通信信道、限制通信网络中的用户数 目以及减小小区的覆盖面积。实质上，传统的方法用频谱效率来兑换无线 通信网络的更好性能。结果，使得无线通信网络服务提供商要花更长时间 才能收回在无线通信网络中的投资。
在无线通信网络中，设有天线阵列的基站收发信台(base transceiver station, BTS)具有对其天线波束(antenna beam)形状进行赋形的能力。 通过将一组波束成形(beamforming)权重矢量施加到天线阵列，BTS可 以创建被引向特定用户端设备(CPE)的定向波束，以增加信号的强度。
相同的技术可以被用来减轻无线通信网络中的干扰。天线波束形状的 置零角(nulling angle)可以被置于朝向干扰到达方向(DOA)，同时在 CPE方向上仍保持波束上的大部分增益。结果，干扰信号的强度被减弱到 对无线通信网络影响更小或没有影响的点上。这种方法一般被称为用于天 线阵列的干扰置零(interferencenulling)。
在利用用于天线阵列的干扰置零的无线通信网络中，天线阵列的波束成形权重矢量W是基于以下特征值等式来确定的(i ,.+ 2/)—、， = ^<1)， 其中，《是从干扰信号计算出的协方差矩阵； 是信道噪声的标准偏差； A是从所需信号计算出的协方差矩阵；/是单位矩阵；义是最大特征值。 这通常被称为一种特征值波束成形/干扰抑制方法。
等式1中的干扰协方差矩阵描述了干扰DOA。由于根据等式1计算的 波束成形权重矢量考虑了干扰DOA，因此天线波束形状被适当地旋转。 换言之，通过将波束成形权重矢量施加到BTS上的天线阵列，天线波束形 状被旋转，使置零角重新被定位为朝向干扰DOA。传统上，干扰协方差 矩阵由干扰信号的空间签名(spatial signature)来确定。
图1是图示出理想环境中的天线波束形状和干扰DOA的示图。主波 束110在天线波束形状中被示为一个波瓣(lobe)。信号DOA 120和干扰 DOA130被示为直线。置零角140被定位于朝向干扰DOA 130。由于干扰 DOA 130落在置零角140内，因此极大地削减了干扰信号的强度。如图1 所图示的，零点位于天线波束形状的较陡的倾斜处。
图2A是图示出实际环境中的天线波束形状和干扰DOA的示图。干扰 DOA 220落在天线波束形状的主波束210内。结果，干扰信号降低了CPE 的信噪比。
图2B是图示出具有传统的天线阵列的干扰置零的天线波束形状的示 图。图2B示出了以下情形在天线波束形状被旋转了一个旋转角240之 后，干扰DOA 220仍然在主波束212内。干扰协方差矩阵中的轻微误差就 会降低波束成形权重矢量的精确性，其进而导致不准确的旋转角，以致于 置零角错过了干扰DOA。在这种情形中，无线通信网络的性能被降低 了。
就此而言，所需要的是一种用于改进用在干扰置零方法中的干扰协方 差矩阵的方法和系统，其将带来产生更宽置零角的更有效的波束成形权重 矢量。更宽的置零角使得天线波束形状不易受干扰协方差矩阵中的误差所 影响
发明内容
本发明公开了一种用于提高无线通信网络中用于天线阵列的干扰置零
的鲁棒性(robustness)的方法和系统。该方法包括从由天线阵列接收的 干扰信号矩阵生成第-干扰空间签名，从所述第一干扰空间签名导出第二 干扰空间签名，从所述第二干扰空间签名计算协方差矩阵；并且从所述协 方差矩阵生成所述波束成形权重矢量。
然而，当结合附图阅读下面对具体实施例的描述时，将最好地理解本 发明的操作的构建和方法以及本发明另外的对象和优点。
作为本说明书一部分的附图被包括以示出本发明的某些方面。参考这
些附图的一个或多个，结合在此呈现的描述可以更好地理解本发明。应当
注意，附图中所示的特征不一定按比例绘制。
图1是图示出理想环境中的天线波束形状和干扰DOA的示图。
图2A是图示出实际环境中的天线波束形状和干扰DOA的示图。
图2B是图示出对天线阵列施加波束成形权重矢量以后的天线波束形
状和干扰DOA的示图。
图3是图示出根据本发明的一个实施例用于生成波束成形权重矢量的
方法的流程图。
图4是图示出使用在本发明中公开的干扰置零方法的天线波束形状的 示图。
图5是图示出获得一组干扰派生空间签名的第一方法的流程图。 图6是图示出获得一组干扰派生空间签名的第二方法的流程图。
具体实施例方式
对本发明的下面的详细描述涉及附图。所述描述包括示例性实施例， 不排除其它实施例，并且可以对所描述的实施例作出不脱离本发明的精神 和范围的修改。下面的详细描述不限制本发明。而是由所附权利要求来限 定本发明的范围。
本发明公开了一种用于提高无线通信网络中用于天线阵列的干扰置零的鲁棒性的方法和系统。该方法和系统生成了协方差矩阵，其用来计算用 于天线阵列的鲁棒性更强的波束形成权重矢量。
在传统方法中，直接从cpe的干扰空间签名推导干扰协方差矩阵。但 是，在本发明公开的方法中，从派生干扰空间签名推导干扰协方差矩阵， 所述派生干扰空间签名是从cpe的干扰空间签名生成的。派生干扰空间签 名可被视为cpe的一组预测干扰空间签名。
图3是图示出根据本发明的一个实施例用于生成用于干扰置零的波束 成形权重矢量的方法的流程图。在步骤310，无线通信网络中具有m个天 线的bts在《个接收周期中接收干扰信号。
bts上的m个天线中的每个在时间i接收干扰信号 ，其中 /e(l，…m)。
令"=&作为表示所有m个天线在时间/接收的干扰信号的矢量。接收干
扰信号7具有矢量元素(^乙...1;)并且1^=(^，^...1;)。
cpe的干扰空间签名r'是利用本领域技术人员公知的公共算法从接收 干扰信号矩阵y计算出的。步骤310随着时间被连续地重复，以用于不断 地监视无线通信网络中的干扰信号。
在步骤320， bts记录在步骤310中生成的最近/个干扰空间签名。令 ^作为具有矢量元素(K，^,.,)的矩阵，并且f^ =(^>2'，..《)表示干扰空间 签名矩阵，其中，K'是第/个空间签名。
在步骤330，根据下面的图5和图6描述的两种方法之一，从干扰空 间签名矩阵^创建一组m个干扰派生空间签名，并且形成矩阵『。
在步骤340，利用本领域技术人员已知的算法从矩阵『计算干扰协方 差矩阵。
在步骤350，基于用于天线阵列的干扰置零，利用干扰协方差矩阵生 成cpe的波束成形权重矢量。波束成形权重矢量被施加到天线阵列以创建 一种天线波束形状，该天线波束形状的置零角比使用传统干扰置零方法所创建的天线波束形状的置零角更宽。
图4是图示出使用根据上述本发明的实施例的干扰置零方法的天线波
束形状的示图。主波束412表示根据由本发明所公开的方法创建的波束成 形权重矢量将主波束410旋转旋转角440之后的主波束。图4示出了其中 干扰DOA 420落在主波束412之外的情形，这是因为置零角460比利用传 统方法创建的置零角更宽；例如，如图l所示的置零角。
当干扰DOA附近的置零角更宽时，干扰协方差矩阵中微小的误差将 不会严重影响干扰置零方法的效率，这是因为干扰DOA将落在置零角的 更宽的跨度内。
图5是图示出获得一组干扰派生空间签名的第一方法的流程图。在步 骤510，生成了一组/个干扰空间签名。(参考与千扰空间签名有关的图3 的步骤310和320。)
在步骤520，计算矩阵^。矩阵^的每个矢量元素都是两个连续干扰 空间签名的 delta 矢量，即，ro=(C-K)并且 《=(^-^."巧'—^,…X—()，其中，/e(2，…,/)。
在步骤530，根据下式计算矩阵^中的每个矢量元素的范数 夂—l(K广K)l，其中，Ai是^中的两个连续干扰空间签名的delta矢量的 范数。
在步骤540，干扰空间签名范数A是A,.的平均值，并且根据下式进行
计算△= / —
在步骤550，利用优化过程来计算一组m个干扰派生空间签名，它们 是矩阵^的矢量元素，其中，J^—^…，^…,0并且乂e(l,…m)。根据无 线通信网络的需要来预定干扰派生空间签名的数目。干扰派生空间签名矢 量必须满足下面的三个准则。
第一，每个干扰派生空间签名F;的范数必须等于1，即||巧| = 1，其中，
/e(l,…m)。第二，对于每个干扰派生空间签名^，其中，k(l,...m),从每 个巧到在图3的步骤320中最近计算出的干扰空间签名K的欧几里德 (Euclidian)距离等于干扰空间签名范数△，即《=△，其中，
9第三，由于可能存在多于一组干扰派生空间签名满足第一和第二准 则，因此，在二维空间中分布最均匀的那组干扰派生空间签名被选择。也
就是，在K和其它^之间根据等式I; 2 ^-^|| (其中ye(l,…m)并且
具有最大欧几里德距离的那组d皮选择作为用来计算干扰协方差矩 阵的干扰派生空间签名。
图6是图示出获得一组干扰派生空间签名的第二方法的流程图。 在步骤610，生成一组/个干扰空间签名。(参考与干扰空间签名有关 的图3的步骤310和320。)
在步骤620，根据下式计算/-1个干扰转换矩阵7;: 7^*^=1^，其
中，k(2，...,/)，并且7;是将^i映射到K的干扰转换矩阵。
在步骤630，利用优化过程来计算一组m个干扰派生空间签名，并且 根据下式创建矩阵 (~=(^...,^，...，rm)，并且六(l，…m)): K=7;*r;，其中，k(2，…，/)并且m《/-1，并且K'是最近计算出的干扰空 间签名。根据无线通信网络的需求来预定干扰派生空间签名的数目。
本发明公开的方法从利用传统方法计算的干扰空间签名创建了一组干 扰派生空间签名。从干扰派生空间签名生成的干扰协方差矩阵产生了带来 具有更宽置零角的天线波束形状的波束成形权重矢量，更宽的置零角提高 了干扰置零方法的鲁棒性。
上述说明提供了许多不同实施例或者用于实现本发明的不同特征的实 施例。描述了部件和过程的具体实施例以帮助澄清本发明。当然，这些具 体描述仅仅是实施例而不希望从权利要求中所描述的来限制本发明。
虽然在此如在一个或多个示例中所实现的那样图示和描述了本发明， 但是不希望将本发明限制为所示出的细节，这是因为可以在其中作出各种 修改和结构改变而不脱离本发明的精神并且落在权利要求的等同物的范畴 和范围内。因此，适当的是，以与本发明的范围一致的方式来广泛地构建 所附权利要求，如在以下权利要求中所阐述的。
权利要求
1. 一种在具有天线阵列的无线通信网络中生成波束成形权重矢量的方法，该方法包括从由所述天线阵列接收的干扰信号矩阵生成第一干扰空间签名；从所述第一干扰空间签名导出第二干扰空间签名；从所述第二干扰空间签名计算协方差矩阵；以及从所述协方差矩阵生成所述波束成形权重矢量。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，导出所述第二干扰空间签名还包括..生成两个或更多个第二矢量，其中每个第二矢量是所述干扰信号矩阵 中的两个连续第一矢量之差；计算所述两个或更多个第二矢量的两个或更多个范数以及干扰空间签 名范数，所述干扰空间签名范数是所述范数的平均值；利用矢量操作生成干扰派生空间签名的至少一组两个或更多个第三矢 量，并且形成所述两个或更多个第三矢量的第一矩阵，所述两个或更多个 第三矢量满足以下准则每个第三矢量的范数等于l;每个第三矢量和第一矢量之一之差的范数等于所述干扰空间签名 范数；以及第三矢量最平均地分布在二维空间上。
3. 如权利要求2所述的方法，其中， 一组所述第二矢量比一组所述第 一矢量少一个元素。
4. 如权利要求2所述的方法，其中，所述第一矢量之一是由基站收发信台(BTS)计算的最近的干扰空间签名。
5. 如权利要求2所述的方法，最平均地分布在所述二维空间上的所述一组第三矢量在每个矢量和该组中的其它矢量之间具有最大的欧几里德距 离，所述欧几里德距离根据下式计算<formula>formula see original document page 2</formula>，其中，K表示所述两个或更多个第三矢量。
6. —种在具有天线阵列的无线通信网络中生成波束形成权重矢量的方法，该方法包括计算两个或更多个第一矢量，所述第一矢量是用户端设备的干扰空间 签名；生成两个或更多个第一矩阵，其中每个所述第一矩阵是具有一组两个 第一矢量的干扰转换矩阵，并且是所述第一矢量之一和所述第二矢量的共 轭转置的乘积；通过将所述两个或更多个第一矩阵施加到所述第一矢量之一来生成干 扰派生空间签名的两个或更多个第二矢量；以及创建第三矩阵和波束成形权重矢量，所述第三矩阵是所述第二矩阵的 干扰协方差矩阵，并且所述波束成形权重矢量展宽了天线波束形状的置零 角。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，所述两个或更多个第一矢量是随 时间从接收信号计算出的干扰空间签名。
8. 如权利要求6所述的方法，其中，所述第一矢量之一是由基站收发 信台计算的最近的干扰空间签名。
9. 如权利要求6所述的方法，其中，所述两个或更多个第一矩阵中的 每个是两个连续矢量的乘积。
10. —种无线通信网络系统，包括接收机模块，该接收机模块具有多个天线以随时间从用户端设备 (CPE)收集信号；第一矢量操作模块，其被配置为计算所述CPE的一个或多个干扰空间 签名以形成第一多个矢量；存储器模块，用于收集所述第一多个矢量；第二矢量操作模块，用于从所述第一多个矢量中的两个或更多个计算 一个或多个干扰派生空间签名，以形成第二多个矢量；以及信号处理模块，用于利用所述第二多个矢量形成干扰空间签名的第一 矩阵，并且计算第三矢量，其中，由所述信号处理模块从所述第三矢量生成预定的天线波束形状。
11. 如权利要求IO所述的系统，其中，所述第二矢量操作模块生成所 述两个或更多个第二矢量，所述第二多个矢量中的每个矢量是所述第一多 个矢量中的两个连续矢量之差。
12. 如权利要求IO所述的系统，其中，所述第二矢量操作模块还被配置为从所述第二多个矢量计算第一多个范数，并且从所述第一多个范数的 平均值计算干扰空间签名范数。
13. 如权利要求IO所述的系统，其中，所述第三矢量是波束成形权重
全文摘要
本发明公开了一种用于提高无线通信网络中用于天线阵列的干扰置零的鲁棒性的方法和系统。该方法包括从由天线阵列接收的干扰信号矩阵生成第一干扰空间签名，从所述第一干扰空间签名导出第二干扰空间签名，从所述第二干扰空间签名计算协方差矩阵；并且从所述协方差矩阵生成所述波束成形权重矢量。
文档编号H01Q3/26GK101536249SQ200780025278
公开日2009年9月16日 申请日期2007年2月1日 优先权日2007年1月18日
发明者杭·金 申请人:思科技术公司