增强型波束转换天线配置的制作方法

专利名称：增强型波束转换天线配置的制作方法
技术领域：
本发明涉及波束转换天线(switched-beam antenna)配置装置，例如 用于基站设备的波束转换智能天线，以及一种用于控制该天线配置装置的 天线方向图的方法。
背景技术：
智能天线是安装在基站(BTS)站点的天线阵列，并且是在中国开发 的TD-SCDMA (时分-同步码分多址)的一个重要特点。作为第3代 (3G)无线通信系统标准之一，TD-SCDMA使用TDMA和CDMA来作 为多址接入方法，特别是其采用了 TDD (时分双工)作为它的双工模 式，这对于应用智能天线提供了更多的方便性。在典型的TD-SCDMA配 置中，智能天线的天线阵列是包括8个天线元的环形阵列。TD-SCDMA 智能天线系统利用波束形成概念和其它成熟的信号处理算法，来合并来自 天线阵列的多个天线元，以自适应地进行发射和接收。一般而言，智能天线系统包括N个天线元以及N个相关的馈送电缆 和在RF部分中的N个相干RF (射频)JlUL信机。它用于提供指向特定 终端设备(或3G术语的用户设备(UE))的波束形成。因此，代替了 使用无线功率来"照射"整个小区，基站只对在小区中是活跃的终端发送 功率。该照射具有直接的益处，即在减少了小区中的移动装置与移动装置 之间的干扰和相邻小区中的干扰的同时，增加了小区中的终端所接收的功率。在TD-SCDMA和TDD系统中的智能天线系统能够非常有效，这是 因为对于上行和下行两个链路这些系统使用同样的频率，从而能够假定在 两个方向上是近似同样的信道。因此智能天线被广泛认可为是当被用来代 替传统天线以减少不希望的来自空间域的用户干扰时，解决无线通信系统 容量和覆盖要求的有前途的技术。通常将智能天线分类为要么是波束转换天线要么是自适应阵列天线。 与自适应阵列天线相比较，波束转换天线复杂性较低，更易于实施，这对 于制造商或运营商而言具有吸引力。此外，波束转换智能天线系统提供了 鲁棒性实现方式以防备多径传播影响，并减少了复杂性，复杂性是完全自 适应智能天线的实施方式的固有特性。但是，波束转换智能天线的一个主要的局限性是"扇形畸变，，现象，U示当UE在使用波束转换智能天线的BTS周围移动时，该BTS从该 UE接收的功率是变动的。当DOA (到达方向)偏离所选波束的轴线 时，可得到的天线增益减少。图2示出了带有多个固定波束的传统智能天线的固定天线方向图的实 例。在图2中，UE1位于波束A和波束B的交叉区域，而UE2和UE3 位于波束A和波束B的最大增益方向。不管UEl是选择波束A或是选择 波束B，它的信号将有别于UE2或UE3，因为用于在两个波束交叉区域 处的UEl的天线增益比波束A或波束B的最大天线增益小很多。因此， UEl不能利用来自UE2的或UE3的波束的最大天线增益。于是，如果就 UE1而论，则UE2或UE3的干扰可以具有比从UE1接收的信号更高的 天线增益，这不是应该从波束转换智能天线的作用期望的。对于波束转换智能天线，波束方向图和波束宽度典型的是固定的，并 且因为实施成本和;更件可行性的局限其不能无限狭窄。因此，当用户偶然 没有位于波束峰值区域周围时，该"扇形畸变"问题将无可避免。文件US 20020068590A1披露了 一种使用带有各个波束方向的天线阵 列的无线通信方法和系统。更具体地，特定波束的波束方向被控制为在不 同的时隙中变化。为了防止来自各个基站的无线电波互相干扰，将这些无 线电波控制为在不同的时间发射，从而避免干扰。为了实现此目的，对不 同基站的操作进行管理以便它们之间互相同步，从而使得基站发射无线电 波的方向能够及时转换以避免干扰。但是，该现有技术虽用来防止波束干
扰却没有防止上述的扇形畸变问题。 发明内容因此，本发明的目的是提供阵列天线配置装置，通过该装置可以避免 扇形畸变问题而基本上不增加复杂性。通过一种控制波束转换天线阵列的天线方向图的方法来实现本发明的目的，所述方法包括以下步骤*提供预定数量的固定天线方向图；*对所述固定天线方向图中的每一个分配时间复用信号的预定时隙；以及*在其所分配时隙期间转换所述波束转换天线阵列以产生所述固定 天线方向图。此外，通过一种用于控制天线方向图的波束转换天线配置装置来实现 本发明的上述目的，所述天线阵列包括*方向图形成装置，用于提供预定数量的固定天线方向图；以及 *转换控制装置，用于控制所述波束转换天线阵列，以在时间复用信号所分配的相应不同时隙期间产生所述固定天线方向图中的每一个。因此，时间域时隙被联系到空间域，任何用户具有多个不同的天线方 向图以从中选择.因此，极大的减少了用户位于天线方向图的两个波束的 交叉区域的风险。所提出的时间域和空间域处理方法的联合使用导致减少 小区内和小区间的千扰。此外，能够实质上减少波束转换天线的"扇形畸 变"现象以便将波束转换天线阵列的性能增强到"离散的"自适应天线的 程度，其中该性能取决于可得到的工作时隙的数量。因此能够以可以忽略 的附加成本实现巨大的增益.此外，通过为不同时隙属性选择不同波束方向图能够实现慢DCA。 波束方向图还能够被緩慢调整以在不同时隙中传播业务。终端设备或者用户设备可以选择具有最大天线增益的时隙以接入与波
束转换天线配置装置连接的基站设备。此外，每个固定天线方向图可以适于以与其它固定天线阵互补的方式 覆盖天线配置装置的接收区域。因此由于不同天线方向图的优化交迭，能 够最小化波束交叉的增益损耗。每个不同的固定天线方向图可以包括指向 不同角方向的多个固定波束。才艮据第一选项，转换步骤可以包括将天线元的多个传输或接收路径转 换为方向图形成单元的多个输出中预定的一个。在该情况下，方向图形成 单元具有对于所有可选天线方向图的可用方向图形成参数，其中不同的输 出被分配给特定的天线方向图，于是被分配给时隙。才艮据可选择的第二选项，转换步骤可以包括将专用的方向图形成W: 转换到方向图形成单元。在该情况下，方向图形成单元被配置为产生或形 成所选天线方向图，而用于产生或形成不同天线方向图所需要的方向图形 成参数被选择性地转换到方向图形成单元。单独的方向图形成参数能够被 存储在相应的存储器中。此外，能够测量所接收信号的到达方向，并且能够根据测量结果触发 到所述时隙中不同的一个的小区内切换.在从属权利要求中限定有利的进一步的发展。


现在参考附图，在优选实施例的基础上描述本发明，其中 图1示出了才艮据第一优选实施例的波束转换天线阵列的原理^f匡图； 图2示出了具有为所有时隙维持的多个固定波束的传统智能天线的天 线方向图；图3示出了根据该优选实施例所提出的智能天线的天线方向图；以及 图4示出了根据笫二优选实施例的波束转换天线阵列的原理框图。
具体实施方式
如图1所示，现在根据用于TD-SCDMA系统的智能天线来描述本发
明的优选实施例。图1示出了根据第一优选实施例的可控波束转换智能天线的原理框图。智能天线的天线阵列包括N个天线元Al到An以及N个相干iML信 机20-1到20-n，用于通过各自的天线元Al到An来发射和接收时间复用 的TD-SCDMA信号。该天线阵列可以是环形天线阵列或者线形天线阵 列，其中天线元的数量可以设置为例如N-8。由于实际上天线元Al到 An被配置在不同的位置，接收的或者发射的信号的相位将随预定接收点 的不同而不同。为了产生或者形成预期的天线方向图，在方向图形成单元30中使用 波束形成或方向图形成参数来处理每个天线元Al到An的单独的传输或 接收信号，以实现具有最大值或指向各自预定方向的波束的预期天线方向 图。方向图形成参数可以是复杂的加权，其能够基于用于信号传输或接收 的预期方向，被计算出来或从存储器读取出来。根据该优选实施例，波束转换智能天线的性能通过利用TD-SCDMA 系统的时间复用特性而得以增强。为了减轻波束转换天线的"扇形畸变" 现象，联合利用时间域和空间域。更具体的，方向图形成单元30所形成 的天线方向图在时间复用信号的不同时隙中被连续^"改或变化。因此，在 不同的定时，波束转换智能天线将覆盖小区的不同区域或不同的照射区 域。在整个时间域中，转换方向图的波束能够覆盖整个小区其余部分，例 如一个方向图的最大值或波束基本上位于其它方向图的最小值或波束交叉 处。例如，在3个上行时隙的情况下，用户在时间域中具有3个不同的方 向图来选择，从而用户位于两个波束的交叉区域的风险减少了。因此，能 够增强波束转换智能天线的性能而无需增加实施复杂性。在优选实施例的对称资源分配模式中，系统可以使用用于从终端设备 到可以i殳置智能天线的基站设备的上行链路方向的时隙Tl、 T2和T3， 以及用于相反的下行链路方向的时隙T4、 T5和T6。接下来，只描述上行方向，虽然用于下行方向的控制方法与用于上行 方向相同是显而易见的， 在图2的传统或常规波束转换天线系统中，所有时隙具有相同的波束 方向图。与此相反，根据优选实施例，每个时隙被联系到或分配给特定的 波束转换天线方向图。在第一实施例中，对于每个天线元Al到An，方 向图形成单元30具有3个输出，每个输出被分配给3个时隙Tl到T3中 的一个。此外，提供了转换装置50，其功能在图1中示意性的示出。当然， 该转换装置50的实现能够基于任何合适电子硬件或软件解决方案，其反 映了下面的功能性。基于从定时电路46得到的时间复用信号的时隙定 时，方向图控制单元42产生与3个时隙Tl到T3同步的控制信号或输 出，或产生在3个时隙Tl到T3处的控制信号或输出。根据该控制信 号，控制转换装置50被控制为将M信机20-1到20-n相继接触到方向 图形成单元30的输出中相应的一个，以将基于所分配的方向图形成Wt 的方向图形成处理应用到转换装置50所选择的单独时隙Ti (i-l到 3)。这样，转换装置50用于依据当前时隙，选择用于每个天线元Al到 An的特定的处理操作集合，以便提供在时隙与天线方向图之间的固定联 系。图3示出了根据该优选实施例的所提出的智能天线的天线方向图的实 例。正如从图3中能够推断的，以" + "和"o"标记的3个不同波 束方向图中的每一个属于不同时隙Tl、 T2和T3,并且与其它两个方向 图互补地被配置。即该3个天线方向图或者波束方向图集合以互补方式覆 盖了该小区.结果，每个时间域时隙Tl到T3被联系到空间特性，从而 使得为了优化覆盖或者信号能量，任何用户具有3个不同的波束方向图来 选择。因此，极大的减少了用户位于两个波束交叉区域的风险，该风险在 3个不同天线方向图的本实例中近似为1/3。从而极大地减少"扇形畸 变"现象的损害。在图3中，该3个天线方向图作为候选被提供，并且如果UE1选择 时隙T2来接入，即选择联系到时隙T2的天线方向图，那么它能够在时 隙T2中利用波束C的最大增益来通信。 因此，该方法能够净iuf作一种"离散，，自适应智能天线，当移动终端 在系统中接入或移动时，该方法能够通过确定其不同的工作时隙来离！UiL 选择或^"改其M信机天线波束方向图，但是与真正的自适应天线不同， 自适应天线计算新的加权矢量.图4示出了根据第二优选实施例的可控波束转换智能天线的原理框图。在第二实施例中，对于联系到各自的时隙Tl到T3的所有可选天线 方向图，方向图形成# Wi的集合被存储在存储器44中。再次，定时 电路46向方向图控制单元42提供时隙定时，方向图控制单元42访问存 储器44，例如通过在寻址存储器情况下应用预定的存储器地址或者在环 形存储器(ring-type of memory)情况下应用时钟信号，以便为时隙Tl 到T3中的现行的一个读取预期的方向图形成参数Wi。于是，所读取的 方向图形成^ltWi被提供给方向图形成单元32，该方向图形成^L可以 包括m个单独的参数一一诸如复杂的权重，方向图形成单元将所提供的 方向图形成;f^t Wi应用到方向图形成处理以便产生或形成分配给现行时 隙的预期天线方向图。因此，与第一实施例相类似，转换功能由方向图控制单元42和定时 电路46控制，以便依据当前的时隙为天线元A1到An中的每一个选择由 所读取的方向图形成M Wi定义的特定的处理操作集合，从而提供在时 隙与天线方向图之间的固定联系。4艮显然，能够以多于3个的可选天线方向图实现本发明。如果存在足 够的时隙来以仅4艮'J、角度差配置足够的互补天线方向图，那么从干扰抵消 的观点来看波束转换天线将非常接近自适应天线，并且几乎位于任何方向 的每个用户都能够发现具有指向其的波束峰的天线方向图，以〗更得到对于 所有其它用户或终端设备的相对波束增益。另一个修改可以是从终端设备(诸如移动终端)接收的信号的所测量 DoA触发小区内切换，该切换将终端移到与以前的时隙相比具有不同的 天线方向图的不同时隙。这能够通过^^基站设备发起合适的切换信号来实现。如果使用3个时隙则小区内切换的可能性是传统方法的3倍。因此， 知道小区内切换能够花费多久很重要。在移动终端的速度v-30kmh (即 8.3m/s)、自基站(BTS)起的径向距离r-300m、 n-4个波束、对于上 行和下行链路LCR一TDD系统分别具有s-3个时隙、副帧长度sl-5ms 以及扇区角sa-120度的情况下，小区内切换周期(HOP)的平均值能够 如下计算HOP-2*pi*r*sa/(n*s)/360/v = 2*pi*300*120/(4*3)/360/8.3 = 6.3s 该小区内切换周期的平均值应该是可接受的。因此，虽然所提出的方 法增加了小区内切换的频率，但是该方法没有导致严重的过载.应注意，本发明不局限于上述的优选实施例，而是可以被实现在用于 针对时间复用信号一一诸如TDMA信号一一的任何种类的无线通信系统 的4壬何波束转换天线配置中。此外，图1和图4的块可以作为分立的石更件 单元或电路或作为软件程序来实现，基于所迷块来控制信号处理功能或单 元以执行所述的功能步骤，因此优选实施例可以在所附权利要求的范围内 而变化。
权利要求
1.一种控制波束转换天线阵列的天线方向图的方法，所述方法包括以下步骤a)提供预定数量的固定天线方向图；b)对所述固定天线方向图中的每一个分配时间复用信号的预定时隙；以及c)在其分配的时隙期间转换所述波束转换天线阵列以产生所述固定天线方向图。
2. 根据权利要求1的方法，其中所述时间复用信号包括TDMA信号。
3. 根据权利要求1或2的方法，进一步包括这样的步骤 选捧具有最大天线增益的时隙以接入具有所述波束转换天线配置的基站。
4. 才艮据前述权利要求中的任一项的方法，其中所述固定天线方向图 中的每一个以相对于其它固定天线方向图互补的方式覆盖所述天线配置的 传输或接收区域，
5. 根据前述权利要求中的任一项的方法，其中所迷固定天线方向图 中的每一个包括指向不同角度方向的多个固定波束。
6. 根据前述权利要求中的任一项的方法，其中所述转换步骤包括将 天线元(Al到An)的多个传输或接*径转换到方向图形成单元(30) 的多个输出中预定的一个。
7. 根据权利要求1到6中任一项的方法，其中所述转换步骤包括将 专用方向图形成参数转换到方向图形成单元(30)。
8. 根据前迷权利要求中的任一项的方法，进一步包括以下步骤 测量所接收信号的到达方向；以及根据所述测量步骤的结果来触发到所述时隙中不同的一个的小区内切换。
9. 一种用于控制天线方向图的波束转换天线配置装置，所述天线阵 列配置装置包括a) 方向图形成装置(30)，用于提供预定数量的固定天线方向图；以及b) 转换控制装置(42， 46)，用于控制所述波束转换天线阵列，以 在时间复用信号的相应不同分配时隙期间，产生所述固定天线方向图中的 每一个。
10. 根据权利要求8的波束转换天线配置装置，其中所述转换控制装 置(42， 46)被配置为控制转换装置(50)，以i吏将天线元(Al到An) 的多个传输或接收路径转换到所述方向图形成装置(30)的多个输出中预 定的一个.
11. 根据权利要求8或9的波束转换天线配置装置，其中所述转换控 制装置(42， 46)被配置为将专用方向图形成##1转换到所述方向图形成 装置(30)。
12. 根据权利要求10的波束转换天线配置装置，进一步包括 存储装置(44)，用于存储所迷专用方向图形成参数.
13. 根据权利要求8到11中的任一项的波束转换天线配置装置，其 中所述波束转换天线阵列包括用于TDMA系统的智能天线。
14. 一种基站i殳备，包括根据权利要求9到13中的任一项的波束转 换天线配置装置.
15. 根据权利要求14的基站设备，进一步包括 测量装置，用于测量所接收信号的到达方向；以及触发装置，用于^L据所述测量步骤的结果来触发到所述时间间隙中不 同的一个的小区内切换，
全文摘要
本发明涉及波束转换天线配置装置和一种控制这样的天线配置装置的天线方向图的方法，其中预定数量的固定天线方向图中的每一个的天线方向图被分配给时间复用信号的预定时隙，在其分配的时隙期间将波束转换天线配置装置转换为产生固定天线方向图。因此，任何用户能够通过选择合适的时隙而在不同的波束方向图之间选择，所以极大的减少了用户位于两个波束的交叉区域的风险。
文档编号H04B7/08GK101128995SQ200680006114
公开日2008年2月20日 申请日期2006年1月20日 优先权日2005年3月11日
发明者冯明海, 源 朱, 胡武婕 申请人:诺基亚公司