專利名稱：移動通信終端和陣列天線方向圖控制方法
技術領域：
本發明涉及一種移動通信終端，根據碼分多址(以下稱為CDMA)通信系統，通過使用包含多個天線單元的陣列天線來接收無線信號，以執行無線通信。本發明也涉及一種用于陣列天線的方向圖控制方法。
用于陣列天線方向圖的常規控制方法，例如，根據最小均方誤差(以下稱為MMSE)使用一種自適應算法，如最小遞歸平方算法(以下稱為RLS算法)，采樣矩陣逆算法(以下稱為SMI算法)，和最小均方算法(以下稱為LMS算法)。在這種控制方法中，根據自適應算法確定一組用來形成包含多個天線單元的陣列天線方向圖的加權因數，以最小化從基站接收的信號和本地產生的基準信號之間的均方誤差。
然而，當用于陣列天線的常規方向圖控制方法應用到移動通信終端，以根據CDMA通信系統接收無線信號來執行無線通信時，會產生下列問題。用于陣列天線的常規方向圖控制方法需要基準信號，以供自己使用。在常規方向圖控制方法中，確定一組加權因數，以使接收信號和基準信號之間的均方誤差最小化。當對接收的信號執行解擴處理時，所需的信號放大為擴頻增益的量；因此，方向圖中由噪音和干擾信號引起的影響變的更小。同樣，移動站環境下的干擾要比基站環境下的干擾少，而且干擾電平通常比所需信號的干擾電平小。因此，有可能用于確定一組形成陣列天線方向圖加權因數的自適應算法的收斂性能降低。此外，由于用來確定加權因數的回歸計算的發散性，而有可能不能確定加權因數。因此，陣列天線的方向圖控制操作變得不穩定。
圖4示出一系列的陣列天線方向圖的視圖，當根據CDMA通信系統在可移動站(下行鏈路)接收無線信號時，在解擴之后通過應用常規陣列天線方向圖控制方法(此后用做LMS)，控制陣列天線方向圖以形成一系列的陣列天線方向圖。在圖4，示出四單元λ/2間隔的線性陣列天線的重復更新的方向圖。如圖4所示，使用LMS算法的常規控制方法沒有形成指向信號入射方向的主波束的穩定的方向圖。這是出于上述提到的原因由于LMS算法的收斂性能的降低引起的。
如上述解釋，當應用常規陣列天線方向圖控制方法控制陣列天線的方向圖時，在向CDMA移動通信終端解擴之后，方向圖控制操作變得不穩定。因此，很難提高對基站的方向圖的跟蹤性能。
同樣，當使用高速陣列天線方向圖控制方法如RLS或SMI時，用來確定加權因數以最小化均方誤差的計算量很大，因此，電力消耗增加。結果是，存在移動通信終端的電池使用壽命很短的問題。
而且，本發明的另一個目的是提供一種移動通信終端和其控制方法，其中移動通信終端可以減少用來確定一組加權因數以形成陣列天線方向圖的處理過程的操作量。
為解決上述問題，本發明第一方面的特征在于，根據碼分多址協議，通過接收包含導頻信號的無線信號以執行無線通信的移動通信終端包括具有多個天線單元的陣列天線；
導頻信號解擴裝置，根據預定的解擴代碼，對天線單元接收的信號進行解擴處理并為每個天線單元提取該導頻信號；方向圖控制裝置，根據由天線單元的導頻信號解擴裝置為每個天線單元提取的導頻信號，執行加權操作，以形成具有多個天線單元的陣列天線的方向圖。
本發明的第二方面特征在于，移動通信終端中的方向圖控制裝置包括確定導頻信號相位角的相位計算裝置；加權因數計算裝置，通過使用相位計算裝置確定的相位角來確定用于形成陣列天線方向圖的一組加權因數。
本發明第三方面的特征在于，移動通信終端中的方向圖控制裝置包括形成陣列天線方向圖的加權因數計算裝置，其中導頻信號用做加權因數，或者通過將導頻信號與一個常數相乘，確定加權因數。
本發明第四方面的特征在于，方向圖控制裝置通過將接收信號與加權因數相乘，控制陣列天線的接收方向圖。
本發明第五方面的特征在于，方向圖控制裝置根據發射頻率補償加權因數，并通過將發射信號與補償的加權因數相乘，控制陣列天線的發射方向圖。
本發明第六方面的特征在于，用于具有包含多個天線單元的陣列天線的移動通信終端中陣列天線定向模塊的控制方法，根據碼分多址協議由陣列天線接收包含導頻信號的無線信號，執行無線通信，其中包括步驟根據預定的解擴代碼，在天線單元對接收的信號進行解擴處理，并為每個天線單元提取導頻信號；根據每個天線單元的導頻信號，進行方向圖控制處理，以形成包含多個天線單元的陣列天線的方向圖。
本發明第七方面的特征在于，在陣列天線方向圖的控制方法中，方向圖的控制過程包括步驟計算每個天線單元導頻信號的相位角；和使用每個天線單元導頻信號的相位角，確定一組用于形成陣列天線方向圖的加權因數。
本發明第八方面的特征在于，陣列天線方向圖的控制方法包括方向圖控制過程，其中導頻信號用做加權因數；或者通過將導頻信號與常數相乘，確定加權因數。
如上述解釋，根據本發明，每個天線接收的信號根據預定的解擴代碼解擴，以給每個陣列天線單元提取預定的導頻信號。導頻信號包括與信號到達方向相關的相位信息。可以將提取的導頻信號看做表示無線信號入射方向的陣列響應向量。本發明中，有可能從每個天線單元導頻信號的相位信息計算出陣列加權因數，以直接形成包含多個天線單元的陣列天線方向圖。因此，不是必須使用需要基準信號的自適應算法。同樣，沒有產生由自適應算法的收斂性能諸如遞歸計算的發散性之類引起的問題。
通過這么做，就可能控制陣列天線方向圖，以使方向圖的主波束穩定地指向無線信號的入射方向，即使移動通信終端改變了位置。這樣的結果是，提供移動通信終端的有利之處在于可以實現比常規裝置更優質的通信質量。
根據本發明的第二或第七方面，首先確定導頻信號的相位角，然后使用該相位角確定用于形成陣列天線方向圖的加權因數。因此，不用進行遞歸計算而可以確定加權因數。所以，可以減少確定形成陣列天線方向圖的加權因數的計算過程。因此，可以降低對電的消耗。
根據本發明的第三或第八方面，提取的導頻信號，或乘以一個常數的導頻信號用做形成陣列天線方向圖的加權因數。因此，不用進行遞歸計算而可以確定陣列加權因數。這樣的結果是，可以減少確定形成陣列天線方向圖的加權因數的計算過程。因此，可以降低對電的消耗。
如上述解釋，本發明可以降低電力的消耗，并可以降低移動通信終端的電池的電能消耗。結果是，產生可以降低電池充電頻率的效果，致使實現移動電話使用壽命長和便于攜帶。
圖1是根據本發明實施例的移動通信終端中的接收功能的方框圖。
圖2是根據本實施例如圖1所示的移動電話單元的發射功能部分的方框圖。
圖3是根據本實施例，顯示根據陣列天線方向圖控制方法控制天線方向圖形成的天線方向圖的視圖。
圖4是根據常規陣列天線方向圖控制方法顯示由控制天線方向圖形成的天線方向圖的視圖。
首先，對陣列天線方向圖控制方法的本實施例作出如下的綜合描述。移動電話根據CDMA通信系統從基站接收無線信號。該無線信號包括預定的導頻信號(例如，CDMA美國標準“TIA.EIA-95B，§7.1.3.2”)，該信號用來識別基站和檢測擴頻碼(PN代碼)片同步時隙(finger)及從多個基站發射的信號強度，因此通過CDMA移動電話可以選出具有最強強度的信號(可以由搜索裝置實現)。該導頻信號可以看作算術中的“1+j”，并分別在它的實部和虛部上由擴頻碼擴頻，且從基站中發射該導頻信號。
另一方面，在移動電話中，預先設置可以提取導頻信號的解擴代碼。在陣列天線方向圖控制方法中的本實施例中，根據解擴代碼(PN代碼)，對包含在陣列天線的每個天線單元中接收的信號執行解擴處理，提取包含在每個天線單元中接收的信號的導頻信號。
為每個天線單元提取的導頻信號包括表示無線信號入射方向的相位信息。可以將相位信息看做表示無線信號入射方向的陣列響應向量。本發明中，計算出陣列加權因數，因此，從每個天線單元提取的信號的相位信息中，可以直接形成包含多個天線單元的陣列天線方向圖，其中相位信息組成接收的無線信號的陣列響應向量。因此，不是必須使用需要產生復雜的基準信號的自適應算法。同樣，沒有由遞歸自適應算法的收斂性能諸如遞歸計算的發散性之類引起的問題；所以，本發明可以穩定地控制陣列天線方向圖。
參考圖1，解釋根據本發明使用陣列天線方向圖控制方法的移動電話如下。圖1中，參考數字1和1-N(N是整數，是2或更大的數)表示包含在天線單元中的N個天線單元。參考數字2表示射頻(RF)接收部分，用來通過天線單元1到1-N同時接收N個CDMA無線信號，并對應天線單元1到1-N輸出接收的信號x1到xN。RF接收部分2包括無線信號接收電路，下行轉換器，和模擬-數字轉換器，并通過數字化N個接收的無線信號，該RF接收部分產生接收信號x1到xN。
參考數字3表示搜索部分(搜索裝置)，用來執行PN碼片同步時隙(finger)，以及使用接收信號x1到xN中的任意一個進行最強信號選擇探測，并輸出選出的所需碼片同步時隙(finger)。
參考數字4表示陣列響應向量探測部分，用來根據解擴代碼(PN代碼)對接收信號x1到xN執行解擴處理，并為每個天線單元提取包含在接收信號x1到xN中的導頻信號Z1到ZN作為輸出。陣列響應向量探測部分4根據由搜索部分3探測的碼片同步時隙(finger)對接收信號x1到xN執行解擴處理。以這種方式提取的導頻信號Z1到ZN包括表示信號入射方向的陣列響應向量[Z1到ZN]。
參考數字5表示換算部分，包括由參考數字5a表示的相位計算部分和由參考數字5b表示的加權因數計算部分。換算部分調整由陣列響應向量探測部分4提取的導頻信號的振幅。相位計算部分5a計算導頻信號Z1到ZN的相位角θ1到θN以輸出。此外，加權因數計算部分5b使用相位角θ1到θN為天線單元1到1-N計算加權因數W1到WN。
參考數字6表示噪聲抑制部分，如用來抑制包括在加權因數W1到WN中的噪音部分的低通濾波器。對于噪聲抑制部分6來說，可以使用移動平均低通濾波器。當噪音引起的影響很小時，噪聲抑制部分6不是必需的。
參考數字7表示乘法器。提供有N個乘法器。參考數字8表示加法器。N個乘法器與接收信號x1到xN和分別從噪聲抑制部分6輸出的共軛加權因數W1到WN相乘。上述提到的乘法的總和由加法器8計算。加法器8輸出的信號y成為具有由加權因數W1到WN形成的接收方向圖的陣列天線的輸出信號。
參考數字9表示從陣列天線輸出信號y探測信道信號(同步，分頁，通信量，等等)的信道信號接收部分。
下一步，將會解釋通過從接收信號x1到xN中提取導頻信號Z1到ZN，由陣列響應向量探測部分4進行陣列響應向量探測操作。第一步，對應于天線單元1-i(i是從1到N的整數)的接收信號xi由公式F1表示。xi=Ai[PI(t)+jPQ(t)+s(t)PI(t)+js(t)PQ(t)]ejθi]]>=AiejPN(t)ejθi+Ais(t)[PI(t)+jPQ(t)]ejθi---F1]]>這里，Ai表示天線單元1-i的接收信號的振幅。PI(t)和PQ(t)表示解擴代碼(PN代碼)的實部和虛部(“I”和“Q”分別表示實部和虛部)。
ejPN(t)＝PI(t)+jPQ(t)和 是由無線信號的入射角產生的相位分量。 表示導頻信道信號。S(t)表示如同步，分頁，或通信量等等不同于導頻信道的信道信號。
根據CDMA通信系統，由公式F1中的s(t)表示的不同于導頻信道的信道信號與導頻信道信號正交。因此，不同于導頻信道的信道信號在進行用于提取導頻信號的解擴過程之后，變成0(零)。這里為了便于解釋，設xi只包含一個導頻信道信號。根據假設，xi由下列公式F2表示。xi=AiejPN(t)ejθi---F2]]>根據從搜索部分3的碼片同步時隙(finger)的輸出，并根據預定的代碼(PN代碼)，陣列響應向量探測部分4對公式F1中表示的xi進行解擴，以提取導頻信號Zi。導頻信號Zi可以由下列公式F3表示。Zi=∫Txie-jPN(t)ejαdt---F3]]>這里，T表示解擴計算的范圍。e-jPN(t)表示預定的解擴代碼。eja表示諸如用于碼片同步時隙(finger)探測的天線單元的固定相位誤差引起的固定未知相位分量。當公式F2中xi的帶入公式F3時，Zi可以由下列公式F4表示。Zi=∫TAiejPN(t)ejθie-jPN(t)ejαdt]]>=AiTejθiejα---F4]]>陣列響應向量探測部分4對天線單元1-1到1-N執行上述處理過程以確定Z1到ZN。這些Z1到ZN[Z1到ZN]＝[ 到 ]Tejα組成陣列響應向量的向量。每個Zi(i是從1到N的整數)表示陣列響應向量的成分。公式F3中的ejα不影響陣列響應向量；因此，設α＝0和ejα＝1。
如本實施例所示，當接收的信號xi是數字化的離散信號時，接收的信號xi由下列公式F5表示。xi=AiejPN(nTs)ejθi---F5]]>這里，Ts表示采樣周期。N表示采樣數。并且，提取的是陣列響應向量成分的導頻信號ZI可以由下列公式F6表示。Zi=Σn=0M-1xie-jPN(nTS)ejα]]>=Σn=0M-1AiejPN(nTS)ejθ1e-jPN(nTs)ejα]]>=AiMejθ1ejα---F6]]>這里，M表示解擴計算的范圍。
下一步，將解釋換算部分5調整Z1到ZN的振幅的換算過程。從陣列響應向量探測部分4輸出的陣列響應向量[Z1，Z2到ZN]的單元Z1，Z2到ZN的振幅和接收的信號x1，x2到xN的振幅成比例。當接收的信號的波動范圍較大時，需要將陣列響應向量的單元的范圍限制在一定范圍內。換算部分5就是為此目的而配置的。
第一步，由下列公式F7，相位計算部分5a計算導頻信號Zi的相位角θ1。這里，設α＝0。θi=tan-1(Im(Zi)Re(Zi))---F7]]>這里，Re(Zi)表示Zi的實部，Im(Zi)表示ZI的虛部。
因此，根據下列公式F8，加權因數計算部分5b通過使用公式F7中計算出的相位角θi為天線單元1-i計算加權因數Wi。通過這樣做，加權因數Wi的振幅為常數，而不管接收的信號的振幅為何值。Wi=ejθi---F8]]>這里，換算部分5僅調整陣列響應向量成分的振幅；因此，可以接收的換算如下。
Wi＝ZiZ0F9Wi＝ZiCiF10
這里，Z0是除了0(零)之外的任意常量(復數或實數)。而且，Ci是除了0(零)之外的實數。
例如，當在天線單元中接收的信號強度沒有很大的變化時，可接受的是將由陣列響應向量探測部分4提取的Zi在如Z0＝1的條件下直接用做Wi。而且，可接受的是可以設置Z0為另一個固定的值。且，可接受的是Z0可以根據下列公式11計算。Z0=11NΣi=1N|xi|2---F11]]>此外，Z0可以根據使用由移動通信終端探測到的接收信號強度標志(RSSI值)的公式F12計算，Z0=1RSSI---F12]]>此外，Ci可以根據下列公式F13和F14來計算。Ci＝k|xi|2，i＝1，2，....，NF13k=1Σi=1N|xi|2---F14]]>還有確定Z0或Ci的其它方法。僅要求確定Z0或CI，以使陣列響應向量成分的振幅在一特定范圍內。
當根據公式F9和F10確定加權因數Wi時，從陣列響應向量探測部分4輸出的導頻信號Z1到ZN輸入到加權因數計算部分5b。因此，不需要在此提供相位探測部分5a。
上述方法中計算的加權因數W1到WN中的噪音分量由噪聲抑制部分6進行抑制。接收的信號x1到xN在由噪聲抑制部分6進行抑制之后，在N個乘法器7中與加權因數W1到WN的共軛相乘。根據由導頻信號Z1到ZN組成的陣列響應向量[Z1到ZN]，N個乘法器7的輸出信號是每個接收的信號x1到xN的加權信號。
下一步，由加法器8計算由N個乘法器7進行上述乘法的總和。從加法器8輸出的信號y變成具有由加權因數W1到WN形成的接收方向圖的陣列天線的輸出信號。通過這樣做，就可能穩定地控制陣列天線的接收方向圖。
圖2所示的是移動電話發射功能部分的上述實施例的方框圖。圖2中，下文同樣的參考數字適用于圖1所示的對應數字，所以這里省略重復性的描述。如圖2所示，包含在加權因數W1到WN中的噪音部分由噪聲抑制部分6進行抑制，其中加權因數W1到WN由加權因數計算部分5b計算。此外，相差/頻差校正部分11為天線單元之間的固定初始相位差補償噪音抑制加權因數W1到WN，如果需要的話，也可為發射和接收頻率之間的頻差補償噪音抑制加權因數W1到WN。
下一步，從相差/頻差校正部分11輸出的加權因數W1到WN的共軛由N個乘法器7和發射信號相乘。來自這些乘法器7的輸出信號通過RF發射和接收部分21從天線單元1-1到1-N中發射。來自乘法器7的輸出信號是具有由加權因數W1到WN形成的發射方向圖的陣列天線的發射信號。通過這樣做，就有可能穩定地控制陣列天線的發射方向圖。
這里，可接受的是陣列天線的發射/接收方向圖可由上述圖1和圖2的實施例綜合而成。
圖3是顯示本發明當前實施例中通過控制陣列天線方向圖形成的天線方向圖的視圖。圖3中，示出四單元λ/2間隔的線性陣列天線的重復更新的方向圖。如圖3所示，可以看出方向圖的主波束指向信號的入射方向，并且可以穩定地控制陣列天線方向圖。
如上所述，根據本發明，不需要使用需要基準信號的自適應算法。而且，也不存在自適應算法如遞歸計算的收斂性這樣的問題。因此，有可能穩定地控制陣列天線方向圖。通過這樣做，即使移動通信終端改變其位置，也可能穩定地控制陣列天線方向圖，所以可以指向無線信號的入射角。
在本發明中，為每個天線單元計算相位角，以及使用該相位角計算對應于天線單元的權重因素。因此，有可能確定權重因素而不需要進行遞歸計算。通過這樣做，有可能減少為形成陣列天線方向圖進行確定權重因素的處理過程。因此，有可能降低對電的消耗。
本發明的移動通信終端包括諸如個人數字助理(下面稱為PDA)和普通移動電話之類的移動終端。這里假設PDA包括無線通信裝置。
該移動通信終端也包括無線通信裝置，如提供給移動部件如汽車和火車的車輛電話。
如上所述，參考附圖詳細地解釋了本發明的實施例。應當明白上述說明是本發明的優選實施例，且會對上述發明作出各種改變和修改，而這些改變和修改不會偏離本發明如所附權利要求中定義的精神和范圍。
權利要求
1.一種移動通信終端，根據碼分多址通信系統，通過接收包含導頻信號的無線信號以進行無線通信，其中包括具有多個天線單元的陣列天線；導頻信號解擴裝置，根據預定的解擴代碼，用于對天線單元接收的信號進行解擴處理并為每個天線單元提取該導頻信號；方向圖控制裝置，根據由天線單元的導頻信號解擴裝置為每個天線單元提取導頻信號，執行加權操作，以形成具有多個天線單元的陣列天線的方向2.根據權利要求1所述的移動通信終端，其特征在于其中的方向圖控制裝置包括確定導頻信號相位角的相位計算裝置；加權因數計算裝置，通過使用相位計算裝置確定的相位角來確定用于形成陣列天線方向圖的一組加權因數。
3.根據權利要求1所述的移動通信終端，其特征在于其中的方向圖控制裝置包括用于形成陣列天線方向圖的加權因數計算裝置，其中導頻信號直接用做加權因數；或者通過將導頻信號與一個常數相乘，確定加權因數。
4.根據權利要求2或3所述的移動通信終端，其特征在于其中的方向圖控制裝置通過將接收信號與加權因數的共軛相乘，控制陣列天線的接收方向圖。
5.根據權利要求2或3所述的移動通信終端，其特征在于其中的方向圖控制裝置根據發射頻率校正加權因數，并通過將發射信號與校正的加權因數的共軛相乘，控制陣列天線的發射方向圖。
6.一種用于具有包含多個天線單元的陣列天線的移動通信終端中陣列天線方向圖的控制方法，根據碼分多址通信系統由陣列天線接收包含導頻信號的無線信號，以進行無線通信，其中包括步驟根據預定的解擴代碼，在天線單元對接收的信號進行解擴處理，并為每個天線單元提取導頻信號；根據為每個天線單元提取的導頻信號，為加權天線單元接收的信號而進行方向圖控制處理，以形成包含多個天線單元的陣列天線方向圖。
7.根據權利要求6所述的陣列天線方向圖控制方法，其特征在于方向圖的控制過程包括步驟計算每個天線單元導頻信號的相位角；使用相位角，計算一組用于形成陣列天線方向圖的加權因數。
8.根據權利要求6所述的陣列天線方向圖控制方法，其特征在于方向圖的控制過程包括步驟導頻信號直接用做加權因數；或者通過將導頻信號與常數相乘，確定加權因數。
全文摘要
一種移動通信終端，根據CDMA通信系統，由包含多個天線單元(1－1到1－N)的陣列天線來接收包含導頻信號的無線信號，以執行無線通信，及根據預定的解擴代碼對在每個天線單元(1－1到1－N)接收的信號x
文檔編號H04B1/707GK1414811SQ02147380
公開日2003年4月30日 申請日期2002年10月23日 優先權日2001年10月25日
發明者童方偉, 加藤正則 申請人:京瓷株式會社