專利名稱：一種用于切換波束型智能天線系統的波束判決方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信系統的接收方法與裝置，特別涉及一種用于切換波束型智能天線系統的波束判決方法和裝置。
背景技術：
在無線通信系統中，用戶設備與基站通過無線信道傳播信號。與有線信道相比，無線信道環境較為惡劣，存在衰落、多徑等諸多干擾，所以無線通信系統中的信號接收處理方法一直是直接影響系統性能的一個決定因素。
碼分多址(Code Division Multiple Access，以下簡稱為CDMA)系統作為一種無線通信系統，也具有無線通信系統的上述特征。而且在該系統中，多個用戶在同一時刻共用同一頻點發射信號，所以還存在自干擾，即不同用戶相互之間干擾，又稱多址干擾(Multiple Access Interference，簡稱為MAI)，從而使無線信號的接收更加困難。但是由于CDMA系統具有系統容量大、頻譜利用率高、背景噪聲抑制能力強以及保密性好等特點，所以正逐漸成為無線通信的主流技術之一。
為了提高無線信號的接收能力從而增加系統的容量，傳統上采用時間分集、天線分集等技術。采用這些技術雖然已經取得了一定的效果，但是技術的發展和實際應用的需求對于系統無線信號接收提出了更高的要求。近年來，隨著多用戶檢測(MultiUser Detection，簡稱為MDI)技術、自適應均衡技術以及智能天線(Smart Antenna)技術的發展，為進一步提高CDMA系統對于無線信號的接收性能提供了可能。其中，智能天線技術來源于軍事技術中的陣列天線(Array Antenna)技術，屬于一種通過空間信息區別不同用戶的空間分集方法，它通過數字信號處理，使天線陣為每個用戶自適應地進行波束賦形，相當于為每個用戶形成了一個可跟蹤它的高增益天線。
如圖1所示，一個典型的智能天線系統可以分為三大部分信號接收單元、波束形成單元以及權值確定單元，以下分別加以描述。
信號接收單元10包括天線陣列(由天線陣元1011～101N構成)以及與每個天線陣元對應的射頻通道1021～102N。多個天線陣元按照一定的幾何關系構成天線陣列，分別獨立接收空中無線信號。為了保證這些信號可以用于后續處理，要求這些天線陣元具有相關性，如此各個相鄰陣元之間的距離一般設置為所接收射頻信號波長的一半左右。各個射頻通道與天線陣元相對應，完成對于天線陣元輸出信號的放大與解調。信號接收單元的輸入為空中無線信號，輸出為具有相關關系的經過解調的復信號X1～XN。
波束形成單元11用于為每個用戶進行波束賦形，它包括復數乘法器組(由復數乘法器1111～111N組成)以及復數加法器112。復數乘法器組中的復數乘法器1111～111N完成信號接收單元10輸出的解調后信號與權值確定單元提供的對應權值ωi(i＝1，2……N)之間的乘法運算并將信號輸出至復數加法器。復數加法器對復數乘法器的輸出結果求和并輸出信號r。輸出信號r一方面作為整個智能天線系統的輸出，另一方面還提供給權值確定單元12。
權值確定單元12確定波束形成單元11中各個復數乘法器作乘法運算時用到的對應權值ωi，其輸入為信號接收單元10各射頻通道的輸出X1～XN和波束形成單元的輸出r，輸出為權值ωi。該單元是智能天線系統的核心部分，其輸出權值的質量將直接影響整個智能天線系統輸出信號r的質量。
智能天線系統按照待處理信號中心頻率的大小可以分為中頻智能天線系統和基帶智能天線系統兩大類。在中頻智能天線系統中，信號接收單元各個射頻通道的輸出X1～XN和波束形成單元的輸出r的中心頻率屬中頻信號。其處理方法是不區分用戶。采用這種類型的智能天線系統可以形成“智能小區”(Smart Cell)，通過調節小區的覆蓋區域來提高系統的接收質量。在基帶智能天線系統中，信號接收單元各個射頻通道的輸出X1～XN和波束形成單元的輸出r的中心頻率屬于基帶信號。其處理方法是可以區別或者不區分用戶，但是一般采用區別用戶的處理方法。采用這種類型的智能天線系統可對不同的用戶形成對應的接收波束，從而獲得更加良好的接收性能。
CDMA系統由于在同一個時刻和同一個頻點存在多個發射信號的不同用戶，所以如果采用不區別用戶的中頻型智能天線系統，則接收效果不佳。而如果采用區別用戶的基帶型智能天線系統，則接收效果一般優于中頻型智能天線系統。所以對于CDMA系統，一般采用基帶型智能天線系統來提高接收質量。
基帶型智能天線系統按照權值確定方法的不同可以分為切換波束(SwitchBeamed)型智能天線系統、到達方向角(DOA，Direction Of Arrived)型智能天線系統以及自適應(Adaptive)型智能天線系統三種類型。
切換波束型智能天線系統利用天線陣列預先形成多個窄的定向波束，分別指向各個方向，相當于用N個天線覆蓋N個角區域。當移動用戶發生移動時，這種類型的智能天線系統通過檢測信號強度確定用戶位置所屬的波束，然后利用預先存儲的與各個波束對應的權值對該用戶完成波束賦形以獲得最佳的輸出信號，即切換至用戶位置所屬的波束。如圖2所示，典型的切換波束型智能天線系統的權值確定單元由波束信號質量指標計算模塊、波束判決模塊以及權值查找模塊三部分構成，其中，接收信號由各個波束的信號分量構成并且各個分量的質量指標V1、V2……VM是不同的，這些分量的信號質量指標由波束信號質量指標計算裝置計算確定；波束判決裝置根據信號質量指標V1、V2……VM確定用戶位置所屬的波束并輸出該波束的對應標號Index；權值查找裝置根據波束的標號查找出相應的權值ω1、ω2……，ωN，該裝置一般可用查找表或者數據庫實現。
圖3為切換波束智能天線系統的天線方向示意圖。點O(30)為基站位置，311和312為兩個確定的波束區域I與波束區域II，它們之間具有部分共同覆蓋的區域III。如果用戶方向位于波束I的中心線，即位于圖中A位置321，則其屬于波束I，換句話說，基站天線陣列接收的該用戶信號中對應該波束I的信號分量的質量指標最優，因此對該用戶采用波束I；如果用戶方向位于兩個波束交接點與基站連線上，即位于圖中B位置322，則從理論上講，基站天線陣列接收的該用戶信號中對應該波束I和II的信號分量的質量指標是相等的，因此用戶可以屬于波束I也可以是波束II。但是考慮到噪聲等因素的影響，波束I和II的信號分量的信號質量指標41和42將會如圖4所示圍繞理想值40隨時間波動。如果按照孰大孰優的原則，即選定信號質量指標41和42中較大值對應的波束作為用戶位置所屬波束，則勢必造成用戶所屬波束如圖4所示在I與II之間頻繁切換，而且隨著噪聲的增加，切換頻率也將隨之增大。考慮到一般的切換波束型智能天線被直接用于下行發射，這種頻繁切換可能使用戶設備不斷進行軟/更軟切換，從而大量消耗系統資源，增加了系統成本。
發明內容
因此本發明的目的是提供一種用于切換波束型智能天線系統的波束判決方法，它可在對波束內信號較強的用戶影響不大的前提下，減少波束交界處用戶的切換次數并且在用戶位置改變時完成波束切換。
按照本發明的用于切換波束型智能天線系統的波束判決方法，所述智能天線系統接收包含對應各波束的信號分量的每個用戶信號并計算各信號分量的信號質量指標，其中，當系統確定每個用戶位置所屬波束時執行以下步驟(1)將設定數量的若干等間隔時刻上每個波束作為最優波束的最優出現次數分別累計，其中，所述最優波束為每一時刻具有最佳信號質量指標的信號分量所對應的波束；以及(2)將最大的最優出現次數與預先設定的第一閾值比較，如果所述最大的最優出現次數小于預先設定的第一閾值并且用戶位置當前所屬波束的最優出現次數大于或等于預先設定的第二閾值，或者所述最大的最優出現次數小于預先設定的第二閾值，則確定用戶位置仍然屬于當前所屬波束，否則，確定用戶位置屬于具有最大最優出現次數的波束，其中，所述第一閾值大于所述第二閾值。
因此本發明的另一個目的是提供一種用于切換波束型智能天線系統的波束判決裝置，它可在對波束內信號較強的用戶影響不大的前提下，減少波束交界處用戶的切換次數并且在用戶位置改變時完成波束切換。
按照本發明的用于切換波束型智能天線系統的波束判決裝置，所述智能天線系統的權值確定單元由波束信號質量指標計算裝置、波束判決裝置以及權值查找裝置組成，波束信號質量指標計算裝置計算每個用戶信號中對應各波束的信號分量的信號質量指標，權值查找裝置根據波束判決裝置確定的用戶位置所屬波束查找相應的權值，其中，所述波束判決裝置包含最優波束選擇單元，其從所述波束信號質量指標計算裝置計算得到的每一時刻各波束對應信號分量的信號質量指標中選擇具有最佳信號質量指標的信號分量所對應的波束作為該時刻的最優波束；統計處理單元，其對設定數量的若干等間隔時刻上所述最優波束選擇單元選定的最優波束出現次數分別進行累計以確定各波束在該若干等間隔時刻上的最優出現次數；以及波束判決單元，將統計處理單元得到的各波束最優出現次數中的最大最優出現次數與預先設定的第一閾值比較，如果最大的最優出現次數小于預先設定的第一閾值并且用戶位置當前所屬波束的最優出現次數大于或等于預先設定的第二閾值，或者所述最大的最優出現次數小于預先設定的第二閾值，則確定用戶位置屬于當前所屬波束，否則，確定用戶位置屬于具有最大最優出現次數的波束，其中，所述第一閾值大于所述第二閾值。
由上可見，由于采用雙閾值來判斷是否需要切換波束，因此可以避免或減少用戶在兩個波束交疊區域時波束的頻繁切換，降低了系統成本并且提高了系統的可靠性。
通過以下結合附圖對本發明較佳實施例的描述，可以進一步理解本發明的各種目標、優點和特點，其中圖1為智能天線系統的結構示意圖；圖2為切換波束智能天線系統中權值確定裝置的結構示意圖；圖3為切換波束智能天線系統的天線方向示意圖；圖4為用戶位于圖3中位置B處時基站智能天線接收到的信號中波束I和II分量的信號質量指標隨時間的變化曲線圖；圖5為權值確定過程的流程圖，該過程包含了按照本發明的波束判決方法較佳實施例；以及圖6為按照本發明的波束判決裝置較佳實施例的結構示意圖。
具體實施例方式
以下以圖4為例描述各波束信號分量的噪聲特性。假設一段時間
內測得的波束I對應信號分量的信號質量指標優于波束II對應信號分量的信號質量指標的時間為t12，測得的波束II對應信號分量的信號質量指標優于波束I對應信號分量的信號質量指標的時間為t21，兩個波束I和II的噪聲是獨立同分布的，則可以從數學上證明t12＝t21＝T/2。根據研究證實，各波束的信號分量內的噪聲是獨立同分布的，因此對于圖4中兩個波束I和II的情形，當在一定時間段內以固定速率采樣測量兩個波束的信號分量的信號質量指標時，所測得的各波束信號質量指標的分布與用戶位置存在如下的對應關系當用戶位置為A或者用戶信號到達基站天線的角度處于波束I較集中的位置A時，每次測得的信號質量指標中波束I的信號質量指標最優出現次數最多，換句話說，該出現次數占總采樣次數的比例最高，其他出現次數較小的波束的信號視為噪聲影響；當用戶位置為B或者用戶信號到達基站天線的角度處于兩個波束I和II的交界處B時，每次測得的信號質量指標中波束I和波束II的信號質量指標最優或最大的出現次數幾乎相等并且占總采樣次數的比例較高，其他出現次數較小的波束的信號視為噪聲影響；當用戶信號到達基站天線的角度處于兩個波束I和II的交界III處但是偏向一個波束I的中心位置(即A和B之間)時，每次測得的信號質量指標中波束I和波束II的信號質量指標最優或最大的出現次數占總采樣次數的比例較高，而其他出現次數較小的波束的信號視為噪聲影響，但是波束I信號質量指標最優或最大的出現次數大于波束II信號質量指標最優或最大的出現次數。
根據各波束信號質量指標的分布與用戶位置的上述對應關系，本發明的波束判決方法只有當以固定采樣速率測得的一段時間內波束的信號質量指標最優出現次數發生明顯變化并且該對應波束不是用戶位置所屬當前波束時，才確定將用戶位置所屬波束切換至信號質量指標最優出現次數最多的波束，否則，保持當前用戶位置所屬波束不變，由此明顯降低了波束切換次數。為了判斷信號質量指標最優出現次數是否發生明顯變化，本發明引入雙閾值作為判據標準，即，如果波束的信號質量指標最優出現次數都小于一個較大的閾值并且當前用戶位置所屬波束的信號質量指標最優出現次數大于或等于另一個較小的閾值時，或者波束的信號質量指標都小于較小的第二閾值，則視為未發生明顯變化，只有當某一波束的信號質量指標最優出現次數都大于或等于該較大的閾值，或者雖然沒有超過較大的閾值但是當前用戶位置所屬波束的信號質量指標最優出現次數小于另一較小的閾值時，才視為發生明顯變化。上述第一閾值和第二閾值的具體數值可以根據無線通信系統的實際情況，通過仿真確定。
圖5為權值確定過程的流程圖，該過程包含了按照本發明的波束判決方法較佳實施例。如圖5所示，在步驟1.1，智能天線系統通過天線陣列接收每個用戶的無線信號，并向相應的射頻通道輸出射頻信號；隨后，在步驟1.2，各個射頻通道將輸入的射頻信號進行功率放大、通道校正、解調以及匹配濾波處理并向權值確定單元和波束形成單元輸出待處理的基帶信號。以下是權值確定過程。在步驟2.1，轉換為基帶信號的每個用戶信號包含了對應每個波束的信號分量，首先由權值確定單元計算等間隔的每一時刻各個波束的信號分量的信號質量指標并選取信號質量指標最優的信號分量對應的波束作為最優波束；隨后在步驟2.2，對該最優波束的標號進行分類計數，即，將標號相同的最優波束的出現次數累加；接著在步驟2.3，判斷總的計數次數(也即采樣次數)是否達到規定次數，由于采樣速率是固定的，因此也即判斷采樣時間是否滿足設定長度；如果計數次數未到達規定次數，則返回步驟2.1，否則，進入步驟2.4，對分類計數的結果按照大小進行排序；接著在步驟2.5，判斷最大計數值(即最大的最優波束出現次數)是否大于閾值門限N1，如果最大計數值大于或等于閾值門限N1，則進入步驟2.6，選定具有該最大計數值的波束作為確定權值的波束；隨后在步驟2.7，權值確定單元根據上述具有該最大計數值的波束的標號，通過查表獲取相應的權值并在提供給步驟2.8完成波束成形后返回步驟1.1，從而開始新一輪的權值確定過程。如果最大計數值小于閾值門限N1，則在步驟2.9中，判斷是否不存在大于或等于閾值門限N2的計數值，其中，閾值N2小于N1。如果不存在大于或等于閾值門限N2的計數值，則進入步驟2.12，選取當前所屬波束作為確定權值的波束并進入步驟2.7，否則，在步驟2.10中從排序后的分類計數中選取計數值大于或等于閾值門限N2的波束并隨后進入步驟2.11，判斷計數值大于或等于閾值門限N2的波束中是否包含用戶位置當前所屬波束。如果大于或等于閾值門限N2的波束中包含用戶位置當前所屬波束，則進入步驟2.12，否則，進入步驟2.6，選取具有最大計數值的波束作為確定權值的波束。
如上所述，智能天線系統的權值確定單元由波束信號質量指標計算裝置、波束判決裝置以及權值查找裝置組成，波束信號質量指標計算裝置計算每個用戶信號中對應各波束的信號分量的信號質量指標，權值查找裝置根據波束判決裝置確定的用戶位置所屬波束查找相應的權值，本發明在波束判決裝置中也引入雙閾值判決方式。具體而言，本發明波束判決裝置的最優波束選擇單元從波束信號質量指標計算裝置計算得到的每一時刻各波束對應信號分量的信號質量指標中選擇具有最佳信號質量指標的波束作為該時刻的最優波束，然后由統計處理單元對一定時段內以固定速率測得的若干時刻上所述最大值選擇單元選定的最優波束進行統計以確定各波束在該若干等間隔時刻上的最優出現次數，最后由波束判決單元將統計處理單元得到的各波束最優出現次數中的最大最優出現次數與預先設定的較大的第一閾值比較，如果最大的最優出現次數小于預先設定的第一閾值并且用戶位置當前所屬波束的最優出現次數大于或等于預先設定的較小的第二閾值，則確定用戶位置屬于當前所屬波束，否則，確定用戶位置屬于具有最大最優出現次數的波束。
圖6為按照本發明的波束判決裝置較佳實施例的結構示意圖。該較佳實施例的波束判決裝置包含最大值選擇單元60、計數單元61、排序單元62、判決單元63以及控制單元64。最大值選擇單元60以固定速率從波束信號質量指標計算裝置提供的每一時刻的各個波束信號質量指標V1、V2……VM中選定信號質量指標最大或最優的波束作為最優波束并將該波束的標號Indexmax提供給計數單元62。隨后，計數單元61對最大值選擇單元提供的標號進行分類計數，也即將標號相同的最優波束的出現次數累加，當分類計數的總數達到規定數值時，計數單元61將計數結果(即各個波束作為最優波束在規定計數次數內出現的次數)N1……NM送至排序單元62。排序單元62對計數結果進行排序，得到按照大小排列的各個波束作為最優波束出現的次數序列N1′……NM′。該次數序列被送至判決單元63，在判決單元63完成步驟2.4～步驟2.91或2.92的判決功能并將判決得到的用戶位置所屬波束的標號Index輸出至權值查找裝置。上述最大值選擇單元60、計數單元61、排序單元62和判決單元63實現的功能都在控制單元64的控制邏輯C0、C1、C2和C3下完成。
根據計算，在按照本發明的方法中，數據總線和地址總線上的數據流量是符號級的(約為15K)，因此可以用諸如數字信號處理器(DSP)之類的中央處理器來實現本發明的波束判決裝置，而且這種符號級的數據流量幾乎不占用數據總線以及地址總線的容量。
值得指出的是，上述信號質量指標V1、V2……VM包括但不局限于對應波束的各信號分量的能量值。
權利要求
1.一種用于切換波束型智能天線系統的波束判決方法，所述智能天線系統接收包含對應各波束的信號分量的每個用戶信號并計算各信號分量的信號質量指標，其特征在于，當系統確定每個用戶位置所屬波束時執行以下步驟(1)將設定數量的若干等間隔時刻上每個波束作為最優波束的最優出現次數分別累計，其中，所述最優波束為每一等間隔時刻上具有最佳信號質量指標的信號分量所對應的波束；以及(2)將最大的最優出現次數與預先設定的第一閾值比較，如果所述最大的最優出現次數小于預先設定的第一閾值并且用戶位置當前所屬波束的最優出現次數大于或等于預先設定的第二閾值，或者所述最大的最優出現次數小于預先設定的第二閾值，則確定用戶位置仍然屬于當前所屬波束，否則，確定用戶位置屬于具有最大最優出現次數的波束，其中，所述第一閾值大于所述第二閾值。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)包括以下步驟(1a)將每一時刻具有最佳信號質量指標的信號分量所對應的波束作為該時刻的最優波束并使該波束的最優出現次數遞增一次；以及(1b)確定各個波束的最優出現次數總數是否小于所述設定數量，如果小于所述設定數量，則返回步驟(1a)，否則進入步驟(2)。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在步驟(1b)進入步驟(2)之前包含以下步驟將獲得的各個波束作為最優波束的出現次數進行排序。
4.如權利要求1-3中任意一項所述的方法，其特征在于，所述信號質量指標為與波束對應的各信號分量的能量值。
5.如權利要求4中任意一項所述的方法，其特征在于，所述第一閾值和第二閾值根據無線通信系統的性能，通過仿真方法確定。
6.一種用于切換波束型智能天線系統的波束判決裝置，所述智能天線系統的權值確定單元由波束信號質量指標計算裝置、波束判決裝置以及權值查找裝置組成，波束信號質量指標計算裝置計算每個用戶信號中對應各波束的信號分量的信號質量指標，權值查找裝置根據波束判決裝置確定的用戶位置所屬波束查找相應的權值，其特征在于，所述波束判決裝置包含最優波束選擇單元，其從所述波束信號質量指標計算裝置計算得到的每一時刻各波束對應信號分量的信號質量指標中選擇具有最佳信號質量指標的信號分量所對應的波束作為該時刻的最優波束；統計處理單元，其對設定數量的若干等間隔時刻上所述最優波束選擇單元選定的最優波束出現次數分別進行累計以確定各波束在該若干等間隔時刻上的最優出現次數；以及波束判決單元，將統計處理單元得到的各波束最優出現次數中的最大最優出現次數與預先設定的第一閾值比較，如果最大的最優出現次數小于預先設定的第一閾值并且用戶位置當前所屬波束的最優出現次數大于或等于預先設定的第二閾值，或者所述最大的最優出現次數小于預先設定的第二閾值，則確定用戶位置屬于當前所屬波束，否則，確定用戶位置屬于具有最大最優出現次數的波束，其中，所述第一閾值大于所述第二閾值。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述統計處理單元包括計數單元，它將設定數量的若干等間隔時刻上所述最優波束選擇單元選定的每個波束作為最優波束的最優出現次數分別進行計數；排序單元，它將所述計數單元獲得的各個波束作為最優波束的出現次數計數值進行排序。
8.如權利要求6或7所述的裝置，其特征在于，所述第一閾值和第二閾值根據無線通信系統的性能，通過仿真方法確定。
9.如權利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述信號質量指標為與波束對應的各信號分量的能量值。
10.如權利要求6或7所述的裝置，其特征在于，最優波束選擇單元、統計處理單元和波束判決單元用數字信號處理器(DSP)實現。
全文摘要
本發明提供一種用于切換波束型智能天線系統的波束判決方法和裝置，它引入雙閾值作為判斷信號質量指標最優出現次數是否發生明顯變化的判據，只有當以固定采樣速率測得的一段時間內波束的信號質量指標最優出現次數發生明顯變化并且該對應波束不是用戶位置所屬當前波束時，才確定進行波束切換，否則，保持當前用戶位置所屬波束不變，由此可在對波束內信號較強的用戶影響不大的前提下，減少波束交界處用戶的切換次數并且在用戶位置改變時完成波束切換。
文檔編號H04B7/04GK1479465SQ02136730
公開日2004年3月3日 申請日期2002年8月30日 優先權日2002年8月30日
發明者吳濤, 濤 吳 申請人:華為技術有限公司