專利名稱：在智能天線陣列中或與其相關的改進的制作方法
技術領域：
本發明涉及智能天線陣列的波束形成方法。
由此智能天線陣列方便實施的數字波束形成對UMTS網絡被考慮為最有前途的技術之一。線性和平面天線陣列通常被考慮成候選天線類型。這是因為相對其他例如環形陣列類型的天線它們產生低的旁瓣。如果一個通信天線陣列在其波束圖形中產生高的旁瓣，這將使強干擾信號在某些方向上到達移動終端，對于下行鏈路傳輸可以是一個嚴重的問題。
在R’99UTRAN技術條件中，引入反饋機制來幫助應用兩個天線的發射分集技術。概念是使用不同的擾頻碼從兩個不同的天線發射固定功率的下行鏈路信號到所有在公共頻道中的移動終端，并之后按照從指定的移動終端接收的反饋信號對專用頻道采用天線加權，目前對在引入反饋信號傳輸到四個天線的建議存在很大的商業興趣。這樣的反饋信息使自適應波束形成用于具有四個元件的陣列。一方面，由于有限的信號傳輸帶寬，不可能有時引入用于多于四個天線的任何信號傳輸機制。另一方面，某些陣列，例如用于蜂窩網絡的環形陣列需要至少八個天線以獲得顯著的陣列增益。同樣，可以想像，由多于四個元件組成的線性天線陣列將用在未來的UTRAN產品中。
按照本發明的第一方面，提供了一種智能天線基站裝置，包括一個天線元件陣列，該陣列被細分成許多子陣列，其中一個元件或選自每個子陣列的多個元件可操作以廣播公共控制頻道信號，工作時該信號由在該基站覆蓋的區域中的移動終端返回；該裝置是可操作的，以應用儲存的加權數據和與反饋數據一起到達的數據的方向使該陣列產生在所說移動終端方向的定向的下行鏈路波束。
該反饋信號能促使用于波束形成加權的相位和幅度分量的最佳化分配于專用頻道。
該反饋信號能促使用于波束形成加權的相位分量的最佳化分配于專用頻道。
該反饋信號能促使用于波束形成加權的幅度分量的最佳化分配于專用頻道。
該反饋信號的相位信息能用來確定該引導天線加權的相位分量。
該反饋信號的幅度能用來確定該引導天線加權的幅度分量。
陣列可包括多個定向天線或一個全向天線陣列。
按照本發明的第二方面，提供了操作一個智能天線基站裝置的方法，該裝置包括一個天線元件陣列，該陣列細分成多個子陣列，該方法包括步驟從一個元件或每個子陣列選擇的多個元件發送引導信號；接收由在基站覆蓋的區域中的移動終端返回的反饋信號；該裝置是可操作的，以應用儲存的加權數據和與反饋數據一起到達的數據的方向使該陣列產生在所說移動終端方向的定向的下行鏈路波束。
這樣本發明的第一方向提供了反饋信號傳輸技術，這種技術目前由在大陣列中用四個定向的或全向的天線的3GPP所考慮。本發明適用于目前被確定為第三代蜂窩無線網絡的CDMA無線蜂窩系統，和其他的無線系統，例如TDMA系統和無線LAN。本發明因此能促進實現智能天線的進一步的優點。
根據考慮下列說明書和表示在附表中的圖可更容易理解本發明和本發明的不同的其他方面和特征可變得顯而易見，其中
圖1表示一個環形陣列的波束圖形的例子；圖2表示以一個圓配置的全向天線的2-維裝置；圖3表示以一個正方形配置的全向天線的2-維裝置；圖4表示基本的自適應波束形成器配置；圖5表示一個主波瓣陣列圖的內插/旋轉標度；圖6表示關于波束形成的一個流程圖；圖7表示關于波束形成的第二個流程圖；圖8a和b表示在2GHz頻率在一個全向天線的水平面中的某些低旁瓣圖；圖9說明一個環形陣列的子陣列；圖10說明按本發明第一方面制作的一個波束成形的；圖11-13是關于按本發明的波束形成器的工作的流程圖。
至今，使用環形陣列已受到限制，這是因為當使用環形陣列時，多數波束形成算法傾向產生高的旁瓣，這將對其他的移動終端引起強的干擾并限制使用空域多址存取(SDMA)。使用非環形的無疑尚未被公開的其他類型的2-維陣列也可能遭遇到類似的問題。參照圖1，這里表示某些西門子TD-SCDMA環形天線陣列的波束圖。可以看到旁瓣電平(定向波束)可以為-4dB高，而對于一個線性陣列達到-12dB的旁瓣電平并不困難。該問題當在下行鏈路中的代碼的不足有效地限制數據率時對W-CDMA特別嚴重。表示出由單個全向天線提供的在所有方向上基本均勻的一個基準方向圖。
一個天線陣列的波束圖在很大的程度上由波束形成加權所確定。對于線性陣列，存在許多產生低旁瓣的已知的加權分布函數，例如臺勞(Taylor)和切別雪夫(Chebyshev)分布。不幸的是，對于非線性陣列，不存在容易的解。理論上，如果給定限制條件和目標函數，一個陣列的加權可使用最佳化方法實時地最佳化。但實際上，這種技術難以實施，這是由于對信號處理功率的過度的要求。
參照圖2，這里表示全向天線的一個周期性的環形陣列，在申請人同時申請的共同未決的申請(代理號2001P09403，未指定序列號)中描述；一個波束形成裝置是可操作的，以便在視圖平面中的每個元件的徑向產生一組在任意兩個相鄰元件之間的角度方向具有低旁瓣的最佳方向圖，以覆蓋一個角范圍。為覆蓋360°的范圍，僅要求一個小的可操作的加權集合(Weight Set)來覆蓋一個角周期(angular period)根據施加到其他圍繞天線裝置的中心軸的弧線的加權，在相鄰天線之間的弧線的每個角周期是一個重復。例如可以存儲一個加權集合以覆蓋圍繞基站區域的十二分之一，該加權集合包括用于在一個徑向由一個天線元件與用于在那個天線元件和其相鄰天線元件之一個元件之間的多個角的加權一起形成的一個波束的加權在360°范圍上旋轉該加權集合十二次提供圍繞該天線裝置的整個空間的覆蓋。這樣的一個波束形成加權集合的最佳組可儲存在緩沖器或其他的ROM器件中。在任何其他方向借助加權分配的內插和旋轉能夠使用最佳加權集合。圖3表示具有配置為正方形的天線元件的在水平方向為全向性的一種天線裝置。有四個90°的旋轉對稱性的角周期在360°上旋轉加權集合四次將提供圍繞天線裝置的整個空間的覆蓋。
需要確定下行鏈路波束的方向。該信息可以多種方式獲得例如，如已知的那樣，由通過該網絡或基站本身的三角測量，借助于全球定位系統(GPS)，反饋信號可以揭示位置。當需要下行鏈路波束形成和給定波束的方向時，基于儲存的最佳加權集合組分配一個加權集合，并產生具有保證低旁瓣電平的波束方向圖。
圖4表示下行鏈路波束形成器的示意配置；在此僅表示四個天線元件40，但是波束形成器考慮從一個希望與其通信的移動終端得到的信號44的到達的方向；從ROM或類似器件得到加權信息。來自波束形成器的信號由乘法器48施加到天線輸入饋點。當要求通信時，得到相應于多個方向的儲存的加權；旋轉或旋轉和內插數據乘以一個系數，而到天線的信號被適當地加權。
圖5表示為一個全向性波束部分的360°角范圍如何分成12個‘n1’主波束例如相應于圖2環形裝置的12個天線方向。對于一個簡單情況，可以是這樣，旋轉該主波束到十二個天線方向之任一方向即可滿足。然后，不需要對n2個加權形成基準以提供中間波束。無論怎樣，對于12個波束配置而言n2個中間波束可能需要取決于3dB波束寬度是否小于30°。圖5的例子表示四個中間波束。
圖6表示第一個流程圖同樣參考圖4，這里來自一個希望與其通信的移動用戶的一個移動終端的反饋數據的到達方向(DoA)由處理器44接收確定相對于一個基準的最近的分立角。波束形成器42提供在ROM46中儲存的加權數據。在該圖中，到達信息的方向相應一個主波瓣方向，3dB波束帶寬使得只要要求該主波束的旋轉能使小區的所有區域被覆蓋。但是要注意有可能確定獨立于兩維陣列的任何周期性的主波束方向。人們將理解，如果該波束帶寬足夠寬或存在著足夠的儲存的加權，則在主波束之間具有內插并不有利，這是因為非-規則內插可使計算更為困難，或要求更多的處理功率/更多的存儲器。
圖7表示第二個流程圖。如圖6的情況，處理DoA信息以確定相對一個基準(步驟2)的最近分立角。務必取決于一個內插加權集合指數，同旋轉加權一起確定內插的和旋轉的主波束(步驟3-5)。如在圖6的情況一樣，該信號將驅動波束形成器乘法器42。圖8a和b表示兩個最佳的低旁瓣波束圖。將理解到該旁瓣是低的，低于-12dB。
在R’99UTRAN技術條件中，引入反饋機制來幫助應用兩個天線的發射分集技術。概念是使用不同的擾頻碼從兩個不同的天線發射固定功率的下行鏈路信號到所有在公共頻道中的移動終端，并之后按照從指定的移動終端接收的反饋信號對專用頻道采用天線加權。目前對在引入反饋信號傳輸到四個天線的建議存在很大的商業興趣。這樣的反饋信息使自適應波束形成用于具有四個元件的陣列。一方面，由于有限的信號傳輸帶寬，不可能有時引入用于多于四個天線的任何信號傳輸機制。另一方面，用于蜂窩網絡的環形陣列需要至少八個天線以獲得顯著的陣列增強。同樣可以想像，由多于四個元件組成的線性天線陣列將用在未來的UTRAN產品中。因此，對大陣列需要能采用目前反饋信號傳輸方案的新的波束形成技術，但其被限于兩個和四個天線。
現在參照圖9，它表示本發明的另一個實施例。一個大的天線陣列被分成許多稱為子陣列的小組，在當前情況下被分成四組，例如每組包括二個到十個元件，目前情況是包括三個天線元件。由于在每個子陣列中的天線元件靠近放置，可選擇每個陣列的一個天線元件作為引導天線發射不同的信號，如同發射分集方案那樣。來自預定的移動終端的該反饋信號則被用來將該限制放置在每個子陣列的加權上以便發射專用信號。
可以使用幅度信息設置用于子陣列加權的幅度的范圍，然后使所有經受這種限制的天線加權最佳化。另一方面，可使用該幅度信息去確定每個子陣列加權的幅度并基本上確定所有天線加權的相位以使波束最佳化。如上所討論的，要求一個測向函數去執行這種最佳化。
當可得到合適的信號處理功率條件下，或可實時產生最佳波束，或可從如上述予儲存的最佳集合選擇最佳波束。圖10表示這樣一種下行鏈路波束形成器70的配置，這里使用四個引導天線71p1...71p4。該下行鏈路波束的信號傳輸是由單元77控制的移動終端的反饋在單元73中內插，并使用來自單元73與來自儲存加權存儲器76一起的數據和使用來自加權分配單元75中的單元74的到達數據的方向。來自加權分配單元的信號用輸入傳輸線饋送到乘法單元，然后傳送到天線。該波束形成器相應于適合用于圖9中表示的配置天線的波束形成器，但在圖中僅表示七個天線，而圖10的引導天線71p1-71p4相應圖2的引導天線1，2，3和4，天線的總數將變化，這取決于所使用的天線類型，例如，如果它是一個環形陣列，實際中在那里該數可能是八，十二或十六。
現在參照圖11，它表示描繪本發明工作的流程圖。基本地，天線陣列被分組成多個子陣列，例如每個子陣列與在全向小區位置范圍內的90°周期相關，可操作用每個子組的一個或多個引導天線來廣播引導信號。僅使用一個子陣列的一個天線元件或其少量的天線元件將降低信號傳輸所要求的帶寬。從覆蓋區域中一個移動終端接收的反饋用作對于最佳波束形成加權的限制條件；沒有進行關于天線元件或陣列配置的設想。
現在將詳細說明如下每組子陣列的每個引導天線廣播引導信號(步驟i)。在覆蓋區域內的移動電話啟動測量用信號相位和幅度詞句表示的引導信號(步驟ii)，該信息返回到基收發信機站(BTS)(步驟iii)。考慮反饋限制和到達信息方向以最佳化波束形成加權(步驟iv)，該加權傳送到波束形成裝置，一般其可采用乘法器的形式。
圖12表示實施圖11中表示的一般概念的最佳方式。對于由指數m1表示的每個分立角，存在許多相應于由指數m2表示不同反饋組合的予最佳加權。予最佳加權的數量通常對應于上述主波束，以及另外的用于內插波束方向，只要合適的予最佳加權。
在圖13中，引入第三指數m3反映這樣一個事實，即存在與可以是通常能采用的配置相關的某些對稱性/周期性，使得能減小儲存的加權的數量，并由此能實施旋轉或反射操作。
權利要求
1.一種智能天線基站裝置包括細分成多個子陣列的天線元件陣列，其中一個元件或從每個子陣列中選擇的多個元件可操作發射引導信號，工作時該引導信號由在基站覆蓋的區域內的移動終端返回；該裝置可操作應用儲存的加權數據和與反饋數據一起的到達數據的方向使該陣列在所說移動終端的方向產生定向的下行鏈路波束。
2.按權利要求1的裝置，其中反饋信號促使用于指定用于專用頻道的波束形成加權的相位和幅度分量的最佳化。
3.按權利要求1的裝置，其中反饋信號促使用于指定用于專用頻道的波束形成加權的相位分量的最佳化。
4.按權利要求1的裝置，其中反饋信號促使用于指定用于專用頻道的波束形成加權的幅度分量的最佳化。
5.按權利要求3的裝置，其中反饋信號的相位信息用于確定該引導天線加權的相位分量。
6.按權利要求4的裝置，其中反饋信號的幅度用于確定該引導天線加權的幅度分量。
7.按權利要求1的裝置，其中陣列具有物理周期性，由此減少原理最佳加權集合的數量。
8.按權利要求1-7任一的裝置，其中陣列包括相鄰元件間隔規則的環形陣列。
9.按權利要求1-7任一的裝置，其中陣列包括矩形陣列。
10.按權利要求1-7任一的裝置，其中天線包括定向天線。
11.按權利要求1-7任一的裝置，其中天線包括全向天線。
12.按權利要求1-3任一的裝置，其中多個角方向是在由兩個相鄰元件形成的一個角中選擇的，由此得到基本的最佳加權集合組。
13.一種操作智能天線基站裝置方法，該裝置包括一個天線元件陣列，該陣列被細分成多個子陣列，該方法包括步驟從一個元件或從每個子陣列選擇的多個元件發射引導信號；接收由在該基站覆蓋區域中的移動終端返回的反饋信號；該裝置可操作以應用儲存的加權數據和與反饋數據一起的到達數據的方向使陣列在所說移動終端方向產生定向下行鏈路波束。
14.按權利要求13的方法，其中該反饋信號促進用于指定用于專用頻道的波束形成加權的相位和幅度分量的最佳化。
15.按權利要求13的方法，其中該反饋信號促進用于指定用于專用頻道的波束形成加權的相位分量的最佳化。
16.按權利要求13的方法，其中該反饋信號促進用于指定用于專用頻道的波束形成加權的幅度分量的最佳化。
全文摘要
本發明涉及智能天線陣列的一種波束形成方法。智能天線應用連接到一個組合/波束形成網絡的低增益天線的陣列。智能天線可通過距離延伸，死區填充和改善的建筑物穿透提供增強的作用距離。通過在基站改進發送和接收可增加可允許的路徑損耗，由此能改善該基站的作用距離。本發明的第一方面提供由大陣列中用于四個天線的標準體的目前考慮的反饋信號傳輸技術。本發明適于CDMA無線蜂窩系統，如目前被確定用于第三代蜂窩無線網絡，和其他的無線系統，例如TDMA系統和無線LAN。
文檔編號H04B7/06GK1391310SQ0212302
公開日2003年1月15日 申請日期2002年6月12日 優先權日2001年6月12日
發明者郭英杰 申請人:莫比斯菲爾有限公司