CN103138816A - 一种子阵列互补波束赋形的方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种子阵列互补波束赋形的方法与设备；通过确定两个不同极化方向的天线子阵列，其中，所述天线子阵列包括一个或多个天线；分别为所述两个天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保波束赋形的覆盖范围最大化。与现有技术相比，本发明使用极化天线阵列，通过最大化的功率在广播信道上进行传输，有效地降低了干扰，增加了小区的覆盖范围。

Description

一种子阵列互补波束赋形的方法与设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种子阵列互补波束赋形的技术。

背景技术

在多天线通信系统中，例如在LTE TDD中，波束赋形(beamforming)是一个重要的技术。该技术能够改进系统的吞吐量，增加系统的覆盖范围。eNB基于用户设备发送的探询参考信号(Sounding Reference Signals，SRS)，生成波束赋形权值，并将这些权值应用到与用户设备的下行链路传输中。

然而，对广播信道，例如控制信道等，波束赋形权值不能根据特定用户设备的探询参考信号生成。因此，需要一个传输方案来满足覆盖和干扰抑制的需求。

现有技术中，静态波束赋形方法通常被用于广播信道传输。在这种方法中，通过优化设计方法可以得到静态波束赋形权值向量。每个权值被分配给一个物理天线。为所有的控制信道形成一个静态的波束方向图(static beam pattern)。静态波束赋形的权值向量将决定这些信道的覆盖范围和干扰。例如，对具有8个天线的相同极化方向的天线阵列，8*1的波束赋形权值向量用于生成静态波束。对具有8个天线的交叉极化天线阵列，这8个天线被分为不同极化方向的两个天线子阵列。两个完全相同的4*1波束赋形权值向量被用于每个子天线阵列。因此，两个子阵列的波束具有同样的方向图。

这种方法的弊端是为了保持静态波束的一个良好的方向图及降低干扰，一些波束赋形权值的幅度小于1，这将导致基站不能以最大化的功率来进行传输，从而影响基站的覆盖范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种子阵列互补波束赋形(Subarraycomplementary beamforming，SCB)的方法与设备。

根据本发明的一个方面，提供了一种在交叉极化天线阵列中进行子阵列互补波束赋形的方法，其中，该方法包括：

a确定两个不同极化方向的天线子阵列，其中，所述天线子阵列包括一个或多个天线；

b分别为所述两个天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保波束赋形的覆盖范围最大化。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种在交叉极化天线阵列中进行子阵列互补波束赋形的赋值设备，其中，该设备包括：

天线确定装置，用于确定两个不同极化方向的天线子阵列，其中，所述天线子阵列包括一个或多个天线；

赋值装置，用于分别为所述两个天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保波束赋形的覆盖范围最大化。

与现有技术相比，本发明使用极化天线阵列，通过最大化的功率在广播信道上进行传输，有效地降低了干扰，增加了小区的覆盖范围。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出根据本发明一个方面的子阵列互补波束赋形的设备示意图；

图2示出根据本发明一个优选实施例的子阵列互补波束赋形的示意图；

图3示出根据本发明一个优选实施例的子阵列互补波束赋形的示意图；

图4示出根据本发明一个优选实施例的子阵列互补波束赋形的示意图；

图5示出根据本发明一个优选实施例的子阵列互补波束赋形的示意图；

图6示出根据本发明另一个方面的子阵列互补波束赋形的方法流程图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1示出根据本发明一个方面的子阵列互补波束赋形的设备示意图；赋值设备1包括天线确定装置101和赋值装置102。

子阵列互补波束赋形的基本思想是，为在两个不同极化方向的天线子阵列，分配两个不同的波束赋形权值向量。虽然由于传输功率的限制，每个天线子阵列的波束赋形方向图不满足覆盖要求，但将这两个子阵列的信号合并起来后的波束赋形方向图可以满足覆盖要求。

其中，天线确定装置101确定两个不同极化方向的天线子阵列，其中，所述天线子阵列包括一个或多个天线。具体地，在波束赋形技术中，通常将多个天线按极化方向分成两组，如将8个天线分成两组，每组4个天线，形成一个子阵列，该子阵列中的4个天线形成了一个极化方向，由此，天线确定装置101确定在两个不同极化方向上的天线子阵列，该不同极化方向的天线子阵列具有不同的方向图。

赋值装置102分别为所述两个天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保波束赋形的覆盖范围最大化。具体地，赋值装置102根据天线确定装置101所确定的天线子阵列，为这两个天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，如通过为这两个天线子阵列中包括的每个天线分配一个波束赋形权值，确定这两个天线子阵列的波束赋形权值向量，以确保波束赋形的覆盖范围最大化，如图2所示。例如，在子阵列互补波束赋形中，端口(port)0和端口1分别通过两个不同的天线子阵列和两个不同的静态波束赋形权值来进行传输。虽然每个端口的覆盖范围不符合要求，端口0和端口1携带空频块编码(SFBC)信号，因此，用户设备可以将这两个端口的信号进行合并。如果两个天线子阵列对应的波束可以互补，例如，端口0的位置较好，而端口1的则较弱，在小区内仍然可以得到一个较好的覆盖范围，反之亦然。这样，通过对这两个天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，使得这两个天线子阵列对应的波束合并起来，可以最大化波束赋形的覆盖范围。合并后的波束赋形方向图所对应的增益可以通过下式进行计算：

$F\left(\mathrm{\θ}\right)=G\left(\mathrm{\θ}\right)\sqrt{({\left|\underset{n=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{0,n}\exp \left(\mathrm{jn}\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{d}_{\mathrm{ele}}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\right)\right|}^2+{\left|\underset{n=4}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{1,n}\exp \left(\mathrm{jn}\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{d}_{\mathrm{ele}}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\right)\right|}^2)}$

优选地，赋值装置102根据所述天线子阵列所对应的天线类型，分别为所述天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。具体地，此处有两种类型的天线，一种是D型天线，另一种是FAD型天线。当载波频率为2.6GHz，这两种天线的关键参数如下表：

表1：D型和FAD型天线的关键参数

参数	增益(dBi)	3dB BW(角度)	天线间隔(mm)
				D型天线	15.5	90	60(0.52λ)
FAD型天线	17	65	75(0.65λ)

赋值装置102根据天线确定装置101所确定的天线子阵列所对应的天线类型，如该天线子阵列中各个天线是D型天线还是FAD型天线，为这两个天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保波束赋形的覆盖范围最大化。

优选地，当所述天线类型为FAD型天线，赋值装置102分别为所述天线子阵列分配预定的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。具体地，对FAD型天线，赋值装置102确定这两个天线子阵列的波束赋形权值向量如下：

${\stackrel{\→}{w}}_0=\{1,-1,-1,-1\};$ ${\stackrel{\→}{w}}_1=\{\mathrm{1,1},-\mathrm{1,1}\}$

此处，这两个权值向量的幅度均为1，因此，对每天线最大发送功率5W的RRH来说，端口0和端口1将分别以20W的功率进行传输，而不会有功率损耗。在使用上述波束赋形权值向量后，端口0和端口1的波束方向图及合并后的波束方向图的增益如图3所示。

由图3可以看到，合并后的波束方向图的增益相比单个天线的增益，在各个方向上都大了6dB。这样，组合并后的波束方向图与单个天线的方向图具有同样的形状。另外，虽然端口0和端口1的有一些波纹(ripples)，在目标覆盖范围的任何角度(-60°～60°)，不管是端口0还是端口1都比单个天线的增益要高。

优选地，当所述天线类型为D型天线，赋值装置102采用启发式搜索，分别为所述天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。具体地，对FAD型天线，赋值装置102采用启发式搜索方法，确定这两个天线子阵列的波束赋形权值向量如下：

${\stackrel{\→}{w}}_0=\{\mathrm{1,0.5}+0.866i,-0.5+0.866i,0.5403+0.8415i\};$

${\stackrel{\→}{w}}_1=\{\mathrm{1,0.5}-0.866i,-0.5-0.866i,0.5403+0.8415i\}$

该波束由两个波束组成，一个指向30°，另一个指向-30°。波束赋形方向图如图4所示。

更优选地，赋值设备1还包括权值确定装置(未示出)，该权值确定装置根据所述天线子阵列，确定所述天线子阵列中每个天线的波束赋形权值；随后，所述赋值装置102根据所述波束赋形权值，确定所述天线子阵列的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。

图5示出了在静态波束赋形和子阵列互补波束赋形的情况下，信噪比(SINR)的累计概率分布图。

在图5中，假设载波频率为2.6GHz，具有8个正负45°的极化天线，站间距为500米，路径损耗模式为COST-Hata，天线类型为D型天线。由图可知，在静态波束赋形的情况下，有56％的用户设备的信噪比低于3dB；而在子阵列互补波束赋形的情况下，只有52％的用户的信噪比低于3dB。可见，子阵列互补波束赋形更有效地降低了干扰，增加了小区的覆盖范围。

图6示出根据本发明另一个方面的子阵列互补波束赋形的方法流程图。

子阵列互补波束赋形的基本思想是，为在两个不同极化方向的天线子阵列，分配两个不同的波束赋形权值向量。虽然由于传输功率的限制，每个天线子阵列的波束赋形方向图不满足覆盖要求，但将这两个子阵列信号合并后的波束赋形方向图可以满足覆盖要求。

在步骤S1中，赋值设备1确定两个不同极化方向的天线子阵列，其中，所述天线子阵列包括一个或多个天线。具体地，在波束赋形技术中，通常将多个天线分成两组，如将8个天线按极化方向分成两组，每组4个天线，形成一个子阵列，由此，在步骤S1中，赋值设备1确定在两个不同极化方向上的天线子阵列，该不同极化方向的天线子阵列具有不同的方向图。

在步骤S2中，赋值设备1分别为所述两个天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保波束赋形的覆盖范围最大化。具体地，在步骤S2中，赋值设备1根据在步骤S1中所确定的天线子阵列，为这两个天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，如通过为这两个天线子阵列中包括的每个天线分配一个波束赋形权值，确定这两个天线子阵列的波束赋形权值向量，以确保波束赋形的覆盖范围最大化，如图2所示。例如，在子阵列互补波束赋形中，端口(port)0和端口1分别通过两个不同的天线子阵列和两个不同的静态波束赋形权值来进行传输。虽然每个端口的覆盖范围不符合要求，然而，在LTE系统中，端口0和端口1至携带空频块编码(SFBC)信号，因此，用户设备可以将这两个端口的信号进行合并。如果两个天线子阵列对应的波束可以互补，例如，端口0的位置较好，而端口1的则较弱，在小区内仍然可以得到一个较好的覆盖范围，反之亦然。这样，通过对这两个天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，使得这两个天线子阵列对应的波束合并起来，可以最大化波束赋形的覆盖范围。合并后的波束赋形方向图所对应的增益可以通过下式进行计算：

$F\left(\mathrm{\θ}\right)=G\left(\mathrm{\θ}\right)\sqrt{({\left|\underset{n=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{0,n}\exp \left(\mathrm{jn}\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{d}_{\mathrm{ele}}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\right)\right|}^2+{\left|\underset{n=4}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{1,n}\exp \left(\mathrm{jn}\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{d}_{\mathrm{ele}}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\right)\right|}^2)}$

优选地，在步骤S2中，赋值设备1根据所述天线子阵列所对应的天线类型，分别为所述天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。具体地，此处有两种类型的天线，一种是D型天线，另一种是FAD型天线。当载波频率为2.6GHz，这两种天线的关键参数如下表：

表2：D型和FAD型天线的关键参数

参数	增益(dBi)	3dB BW(角度)	天线间隔(mm)
				D型天线	15.5	90	60(0.52λ)
FAD型天线	17	65	75(0.65λ)

在步骤S2中，赋值设备1根据在步骤S1中所确定的天线子阵列所对应的天线类型，如该天线子阵列中各个天线是D型天线还是FAD型天线，为这两个天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保波束赋形的覆盖范围最大化。

优选地，当所述天线类型为FAD型天线，在步骤S2中，赋值设备1分别为所述天线子阵列分配预定的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。具体地，对FAD型天线，在步骤S2中，赋值设备1确定这两个天线子阵列的波束赋形权值向量如下：

${\stackrel{\→}{w}}_0=\{1,-1,-1,-1\};$ ${\stackrel{\→}{w}}_1=\{\mathrm{1,1},-\mathrm{1,1}\}$

此处，这两个权值向量的幅度均为1，因此，对5*8w的RRH来说，端口0和端口1将分别以20w的功率进行传输，而不会有功率损耗。在使用上述波束赋形权值向量后，端口0和端口1的波束方向图及组合后的波束方向图的增益如图3所示。

由图3可以看到，组合后的波束方向图的增益相比单个天线的增益，在各个方向上都大了6dB。这样，组合后的波束方向图与单个天线的方向图具有同样的形状。另外，虽然端口0和端口1的有一些波纹(ripples)，在目标覆盖范围的任何角度(-60°～60°)，不管是端口0还是端口1都比单个天线的增益要高。

优选地，当所述天线类型为D型天线，在步骤S2中，赋值设备1采用启发式搜索，分别为所述天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。具体地，对D型天线，在步骤S2中，赋值设备1采用启发式搜索方法，确定这两个天线子阵列的波束赋形权值向量如下：

${\stackrel{\→}{w}}_0=\{\mathrm{1,0.5}+0.866i,-0.5+0.866i,0.5403+0.8415i\};$

${\stackrel{\→}{w}}_1=\{\mathrm{1,0.5}-0.866i,-0.5-0.866i,0.5403+0.8415i\}$

该波束由两个波束组成，一个指向30°方向，另一个指向-30°方向。波束赋形方向图如图4所示。

更优选地，在步骤S3(未示出)中，赋值设备1根据所述天线子阵列，确定所述天线子阵列中每个天线的波束赋形权值；随后，在步骤S2中，赋值设备1根据所述波束赋形权值，确定所述天线子阵列的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种在交叉极化天线阵列中进行子阵列互补波束赋形的方法，其中，该方法包括：

a确定两个不同极化方向的天线子阵列，其中，所述天线子阵列包括一个或多个天线；

b分别为所述两个天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保波束赋形的覆盖范围最大化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤b包括：

-根据所述天线子阵列所对应的天线类型，分别为所述天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述步骤b包括：

-当所述天线类型为FAD型天线，分别为所述天线子阵列分配预定的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述步骤b包括：

-当所述天线类型为D型天线，分别为所述天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，该方法还包括：

-根据所述天线子阵列，确定所述天线子阵列中每个天线的波束赋形权值；

其中，所述步骤b包括：

-根据所述波束赋形权值，确定所述天线子阵列的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。

6.一种在交叉极化天线阵列中进行子阵列互补波束赋形的赋值设备，其中，该设备包括：

天线确定装置，用于确定两个不同极化方向的天线子阵列，其中，所述天线子阵列包括一个或多个天线；

赋值装置，用于分别为所述两个天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保波束赋形的覆盖范围最大化。

7.根据权利要求6所述的赋值设备，其中，所述赋值装置用于：

-根据所述天线子阵列所对应的天线类型，分别为所述天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。

8.根据权利要求7所述的赋值设备，其中，所述赋值装置用于：

-当所述天线类型为FAD型天线，分别为所述天线子阵列分配预定的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。

9.根据权利要求7所述的赋值设备，其中，所述赋值装置用于：

-当所述天线类型为D型天线，分别为所述天线子阵列分配不同的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的赋值设备，其中，该设备还包括：

权值确定装置，用于根据所述天线子阵列，确定所述天线子阵列中每个天线的波束赋形权值；

其中，所述赋值装置用于：

-根据所述波束赋形权值，确定所述天线子阵列的波束赋形权值向量，以确保所述波束赋形的覆盖范围最大化。

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