專利名稱：一種新型智能天線及實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動通信技術(shù)領(lǐng)域，更確切地說是涉及第三代移動通信系統(tǒng)中的一種新型智能天線及實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：
在TD-SCDMA第三代移動通信(3G)系統(tǒng)中使用智能天線已經(jīng)成為業(yè)界的共識，并已經(jīng)規(guī)模應(yīng)用。
一個典型的智能天線陣的示意圖見圖1一個8單元的環(huán)形智能天線和一個6單元的線形智能天線。它們均由多個安裝在同一平面上的天線單元、校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)及連接的射頻饋線接口組成。從頂視圖可見，這些天線單元以不超過半波長的距離整齊排列成一個園(左)或者一條直線(右)。以上兩種智能天線均已經(jīng)商用，廣泛使用于第三代移動通信(TD-SCDMA)系統(tǒng)中，其設(shè)計及校準(zhǔn)方法都已在很多專利中公開，在此不再重復(fù)。
在3G的長期演進(jìn)計劃(LTE)和未來的第四代移動通信(4G)系統(tǒng)中均要求使用多天線技術(shù)，包括空間分集、智能天線和多入多出(MIMO)天線系統(tǒng)。但問題在于目前的認(rèn)識是在使用空間分集和多入多出(MIMO)技術(shù)時要求組成天線陣的各天線單元距離較大，相互之間不相關(guān)，而智能天線技術(shù)中，又要求各天線單元之間的距離不超過最高工作頻率的半波長，相互相關(guān)。因而，目前還沒有一種天線系統(tǒng)的設(shè)計能解決此問題。為了同時使用上述天線技術(shù)，有人使用一個等間距天線單元分布的智能天線加上幾個距離較遠(yuǎn)的天線單元組成MIMO天線來共同實現(xiàn)此多功能的多天線系統(tǒng)。也就是說，將兩種天線陣安裝在同一地方。即使這樣，還有使用靈活性，與基帶信號處理電路的配合等等問題。
現(xiàn)有技術(shù)的缺點的客觀評價(與本發(fā)明技術(shù)特點相對應(yīng)) 上述目前主要使用的智能天線設(shè)計方法的主要缺點在于 1.要實現(xiàn)智能天線的多天線單元的天線陣必須保持各天線單元之間的距離相同，不能超過最高工作頻率的半波長，因而，必須設(shè)計制造為一個整體，不能根據(jù)某些工程現(xiàn)場要求任意安裝； 2.各天線單元距離較近，電波傳播相關(guān)性強(qiáng)，難以獲得空間分集增益； 3.智能天線和多入多出(MIMO)天線難以在同一天線陣中實現(xiàn)，這對3G后(如LTE)和4G移動通信的實施是一個很大的問題。
另外，在TD-SCDMA第三代移動通信(3G)系統(tǒng)中使用智能天線已經(jīng)是業(yè)界的共識。而在3G的長期發(fā)展計劃(LTE，標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過)和2008年開始考慮的第四代移動通信(4G)系統(tǒng)，更將廣泛使用諸如空間分集、智能天線及多入多出(MIMO)等多天線技術(shù)。眾所周知，在智能天線技術(shù)中，校準(zhǔn)又是關(guān)鍵的一環(huán)。在中國專利ZL99111350.0、ZL01120547.4、專利申請02131218.4、專利申請02158623.3等中，已經(jīng)對智能天線校準(zhǔn)技術(shù)及實現(xiàn)方法有多個發(fā)明，并在現(xiàn)有系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。此校準(zhǔn)方法如圖5所示，以具有4只天線單元的天線陣為例，4只天線單元101、102、103、104及校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)150(可能還有低噪聲放大器和功率放大器)均安裝在室外天線塔上。此校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)150在每個天線單元接口處于天線實現(xiàn)弱耦合151、152、153及154。然后，使用5條射頻電纜111、112、113、114及115與室內(nèi)基站設(shè)備連接。其中，射頻電纜111、112、113及114分別連接至基站設(shè)備內(nèi)的射頻收發(fā)信機(jī)131、132、133及134。而射頻電纜115則連接至校準(zhǔn)用的射頻收發(fā)信機(jī)135。這些射頻收發(fā)信機(jī)再連接至基帶電路140。整個基站通過Iub接口160連接至網(wǎng)絡(luò)(RNC)。進(jìn)行接收校準(zhǔn)時，校準(zhǔn)用的射頻收發(fā)信機(jī)135發(fā)射校準(zhǔn)用的信號，其它射頻收發(fā)信機(jī)131、132、133及134處于接收狀態(tài)，記錄并計算各接收鏈路的接收信號的幅度。
上述目前主要使用的智能天線校準(zhǔn)方法的主要缺點在于 4.必須使用校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，造成天線陣的成本增加； 5.校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的制造誤差是難以避免的，此制造誤差將導(dǎo)致校準(zhǔn)誤差，使校準(zhǔn)精度降低； 6.對每一種天線單元排列方法的智能天線必須設(shè)計與之對應(yīng)的校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)； 7.不可能使用于天線單元任意排列的新型智能天線，沒有可能解決今后將智能天線和多入多出(MIMO)天線在同一天線陣中實現(xiàn)的目標(biāo)，這對3G后(如LTE)和4G移動通信的實施是一個很大的問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種可以按任意間距排列的新型智能天線。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種新型智能天線的實現(xiàn)裝置，由多只任意排列，任意間距的天線單元所組成的天線陣用作智能天線的系統(tǒng)裝置，其中天線單元直接通過射頻電纜連接至多只射頻收發(fā)信機(jī)，所述多只射頻收發(fā)信機(jī)的數(shù)字接收端連接至基帶處理器的接收處理單元；所述多只射頻收發(fā)信機(jī)的數(shù)字發(fā)射端連接至基帶處理器的發(fā)射處理單元，基帶處理器的收發(fā)控制單元通過控制總線控制此多只射頻接收機(jī)和射頻發(fā)射機(jī)的開啟、關(guān)斷，接收、發(fā)射增益，發(fā)射功率電平以及獲得監(jiān)測告警信息，所述射頻收發(fā)信機(jī)其接收端加上模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器將接收到的模擬中頻信號轉(zhuǎn)換為高速數(shù)字信號，下變頻將各個載波分開并分別進(jìn)行數(shù)字濾波，形成各個載波的數(shù)字接收信號，待發(fā)射的各個載波的數(shù)字信號進(jìn)行上變頻和數(shù)字濾波，再通過數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器形成模擬中頻信號送至模擬發(fā)射機(jī)的發(fā)射端。
本發(fā)明的目的之二是提供一種可以實現(xiàn)按任意間距排列的新型智能天線的方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案所述新型智能天線的各個天線單元按任意間距排列構(gòu)成天線陣，所述天線陣工作為智能天線或分集天線或者多入多出天線，所述天線陣的全部或者部分單元在工作于智能天線模式下，所述新型智能天線實時進(jìn)行接收波束和發(fā)射波束賦形，并獲得空間分集的增益；或?qū)⑺鎏炀€陣分為幾組，在實現(xiàn)智能天線的同時工作于MIMO模式。
所述一個任意排列的天線陣同時工作于智能天線、空間分集天線和MIMO天線狀態(tài)，不需要校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)及附屬的校準(zhǔn)射頻收發(fā)信機(jī)。
所述天線陣元的相對位置是任意的，當(dāng)工作于數(shù)字通信系統(tǒng)時，其最大橫向尺寸所造成的電波傳播時延不超過一個碼片寬度的1/8，當(dāng)天線橫向尺寸更大或者數(shù)據(jù)傳輸速率更高，則對此傳輸造成的時延進(jìn)行校準(zhǔn)。
所述接收波形束賦形是將所述所有接收信號按需要方式合成，按最大接收信號功率合成。
所述實現(xiàn)發(fā)射波束賦形是對每一鏈路的發(fā)射信號加上一個相位移，其值為該鏈路接收信號的相位(θi)加上該鏈路的校準(zhǔn)系數(shù)(βi)。
所述任意位置和任意間距的天線陣覆蓋整個小區(qū)或扇區(qū)的波束將由一只天線單元實現(xiàn)。
所述接收時延校準(zhǔn)是測量各個天線單元所接收到的，上行信號中已知的導(dǎo)行碼的到達(dá)時間。若第i鏈路的到達(dá)時間為τi，則以最晚(τj)到達(dá)的鏈路為基準(zhǔn)，先到達(dá)的信號加上一個時延以補(bǔ)償此傳輸時延差， δi＝τj—τi i＝1，2，…，N 發(fā)射時延校準(zhǔn)是根據(jù)前述接收時延校準(zhǔn)所測量獲得的各個鏈路信號到達(dá)的時延差(δi)，各個鏈路均應(yīng)當(dāng)在其發(fā)射時隙先加上此時延(δi)，然后再進(jìn)行前述發(fā)射波束賦形。
本發(fā)明提出一種新型智能天線以及實現(xiàn)方法組成智能天線的各個天線單元不需要按間距不超過半波長等距離排列而是按任意間距任意排列，可以控制使此多天線陣可以工作為智能天線、分集天線或者多入多出(MIMO)天線。此天線陣的全部或者部分單元可以在工作于智能天線模式下，此新型智能天線可以實時進(jìn)行接收波束和發(fā)射波束賦形，并獲得空間分集的增益，也可以將此天線陣分為幾組，在實現(xiàn)智能天線的同時工作于MIMO模式。使用本發(fā)明的方法，使一個任意排列的天線陣同時可以工作于智能天線、空間分集天線和MIMO天線狀態(tài)，不需要校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)及附屬的能天線、空間分集天線和MIMO天線狀態(tài)，不需要校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)及附屬的校準(zhǔn)射頻收發(fā)信機(jī)，降低了天線成本，每個天線單元任意排列，不產(chǎn)生較大的迎風(fēng)面積，解決了工程安裝的困難。
本發(fā)明的目的之三是提供一種校準(zhǔn)精度高，成本低的校準(zhǔn)智能天線的方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種校準(zhǔn)智能天線的方法，分別從連接智能天線每單元的每個發(fā)射機(jī)發(fā)射一段已知的碼，同時在連接其它天線單元的接收機(jī)進(jìn)行接收，并對接收到的信號進(jìn)行計算，以完成對整個智能天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)。
所述對整個智能天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)時，從連接每個天線的發(fā)射機(jī)發(fā)出校準(zhǔn)用已知的碼，連接其它天線的接收機(jī)進(jìn)行接收，方法為，先由控制器(240)將射頻發(fā)射機(jī)(221)設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)，射頻發(fā)射機(jī)(222、223、224)均關(guān)閉，射頻接收機(jī)(231)關(guān)閉而射頻接收機(jī)(232、233、234)設(shè)置為接收狀態(tài)，則當(dāng)射頻發(fā)射機(jī)(221)發(fā)射已知校準(zhǔn)碼時，射頻接收機(jī)(232、233、234)分別接收到信號(R21、R31、R41)并記錄在控制器(240)中。再由控制器(240)順序分別將射頻發(fā)射機(jī)(222、223、224)設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)，重復(fù)上述過程。這樣就完成了校準(zhǔn)測試。
所述校準(zhǔn)碼以單位電平發(fā)射，而每通道的發(fā)射傳輸系數(shù)為t，接收傳輸系數(shù)為r，天線單元間的耦合系數(shù)為C，則上述校準(zhǔn)測試獲得的 Rij＝ricjitj (1) 由于天線單元之間的耦合系數(shù)是互易的，即 cij＝cji (2) 我們可以消去C，而得到校準(zhǔn)結(jié)果每鏈路接收和發(fā)射傳輸系數(shù)之比與參考鏈路的接收和發(fā)射傳輸系數(shù)之比之間的關(guān)系 ri/ti＝Ri1r1/R1it1 i＝2，3，4 (3) 同時，還有其它Rij的測試數(shù)據(jù)和式(1)中可以獲得的其它表示式可以作為式(3)結(jié)果的校驗。在此校準(zhǔn)結(jié)果中，最重要的是其相位關(guān)系，以 ri/ti＝|ri/ti|ejβi我 則βi＝(ηi-ζi)-(η1-ζ1) (4) 式(4)中，ηi與ζi為第i鏈路接收傳輸系數(shù)ri和發(fā)射傳輸系數(shù)ti的相位，校準(zhǔn)結(jié)果為智能天線每射頻鏈路接收和發(fā)射傳輸系數(shù)之比與參考射頻鏈路的接收和發(fā)射傳輸系數(shù)之比之間的關(guān)系。
所述智能天線校準(zhǔn)方法同樣使用于其它數(shù)量天線陣的校準(zhǔn)。
本發(fā)明校準(zhǔn)方法基于“一種新型智能天線及實現(xiàn)方法和裝置”中考慮的，天線單元任意排列的，工作于時分雙工(TDD)系統(tǒng)的智能天線的校準(zhǔn)方法。本發(fā)明的方法僅僅分別從連接智能天線每單元的每個發(fā)射機(jī)發(fā)射一段已知的碼(數(shù)據(jù))，同時在連接其它天線單元的接收機(jī)進(jìn)行接收，并對接收到的信號進(jìn)行計算，以完成對整個智能天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)。使用本發(fā)明的方法，不需要使用與中國專利ZL99111250.0和中國專利ZL01120547.4類似的校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，并且，測試所得到的數(shù)據(jù)還可以互相校驗，以保證校準(zhǔn)測試的準(zhǔn)確性。



圖1是目前使用的智能天線的示意圖； 圖2是本發(fā)明新型智能天線的示意圖； 圖3是實現(xiàn)本發(fā)明新型智能天線的實施例； 圖4是本發(fā)明新型智能天線收發(fā)波束賦形示意圖； 圖5是目前使用的智能天線校準(zhǔn)方法的示意圖； 圖6是本發(fā)明中新型智能天線校準(zhǔn)方法示意圖。

具體實施例方式 本發(fā)明將通過如下圖描述的一個TDD(如TD-SCDMA)系統(tǒng)無線基站使用的智能天線系統(tǒng)為實施例來予以詳細(xì)說明。
圖2示本發(fā)明的一個由N只任意排列，任意間距的天線單元所組成的天線陣的側(cè)視圖和頂視圖。在陸地移動通信使用環(huán)境下，只考慮在水平面的接收和發(fā)射波束，故只考慮在水平面的天線排列。此天線陣工作于時分多址(TDD)移動通信系統(tǒng)，即每只天線單元在不同的時間進(jìn)行接收和發(fā)射。對工作于頻分多址(FDD)移動通信系統(tǒng)， 則需要兩個天線陣工作于不同頻率分別進(jìn)行接收和發(fā)射。但不論時分或者頻分系統(tǒng)，其工作原理是相同的，故本專利以時分雙工系統(tǒng)為例來說明。由此圖可見，天線陣元的相對位置是任意的，當(dāng)工作于數(shù)字通信系統(tǒng)時，其最大橫向尺寸(寬度或者深度)所造成的電波傳播時延最好不超過一個碼片寬度的1/8。例如，對TD-SCDMA系統(tǒng)，碼片速率為1.28Mcps，1/8碼片的傳輸時延為大約100ns，相應(yīng)的天線陣最大橫向尺寸為30米。當(dāng)天線橫向尺寸更大或者數(shù)據(jù)傳輸速率更高，則必須考慮對此傳輸造成的時延進(jìn)行校準(zhǔn)。
圖3示本發(fā)明的一個由N只任意排列，任意間距的天線單元所組成的天線陣用作智能天線的系統(tǒng)裝置。圖中，N(N>1)只天線單元201、202、203，…，20i，…，20N直接通過射頻電纜211、212、213，…，21i，…，21N連接至N只射頻收發(fā)信機(jī)221、222、223，…，22i，…，22N。此N只射頻收發(fā)信機(jī)的數(shù)字接收端231、232、233，…，23i，…，23N連接至基帶處理器250的接收處理單元251；此N只射頻收發(fā)信機(jī)的數(shù)字發(fā)射端241、242、243，…，24i，…，24N連接至基帶處理器250的發(fā)射處理單元252?；鶐幚砥?50的收發(fā)控制單元253通過控制總線251、252、253，…，25i，…，25N控制此N只射頻接收機(jī)和射頻發(fā)射機(jī)的開啟、關(guān)斷，接收、發(fā)射增益，發(fā)射功率電平以及獲得監(jiān)測告警信息。上述射頻收發(fā)信機(jī)221、222、223，…，22i，…，22N可以為傳統(tǒng)的射頻收發(fā)信機(jī)，其接收端加上模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)將接收到的模擬中頻信號轉(zhuǎn)換為高速數(shù)字信號，下變頻將各個載波分開并分別進(jìn)行數(shù)字濾波，形成各個載波的數(shù)字接收信號；待發(fā)射的各個載波的數(shù)字信號進(jìn)行上變頻和數(shù)字濾波，再通過數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)形成模擬中頻信號送至模擬發(fā)射機(jī)的發(fā)射端。
本發(fā)明的智能天線的波束賦形方法包括智能天線校準(zhǔn)，接收波束賦形，發(fā)射波束賦形和小區(qū)(扇區(qū))覆蓋波束的形成。
通過圖4來詳細(xì)說明如下 ●智能天線校準(zhǔn) 本發(fā)明校準(zhǔn)方法為分別從連接新型智能天線每單元的每個發(fā)射機(jī)發(fā)射一段已知的碼，同時在連接其它天線單元的接收機(jī)進(jìn)行接收，并對接收到的信號進(jìn)行計算，以完成對整個智能天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)。
圖6中，4只任意排列的天線單元201、202、203及204直接通過射頻電纜211、212、213及214連接至4只射頻發(fā)射機(jī)221、222、223及224和4只射頻接收機(jī)231、232、233及234?？刂破?40控制上述射頻發(fā)射機(jī)和射頻接收機(jī)機(jī)的工作狀態(tài)并對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過接口電路250及傳輸媒介與基站的室內(nèi)系統(tǒng)連接完成信號的傳輸。控制器240可以采用現(xiàn)有模塊或由現(xiàn)有元器件構(gòu)成。
本發(fā)明的校準(zhǔn)方法將基于圖6的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)予以詳細(xì)說明。針對此智能天線系統(tǒng)，在校準(zhǔn)時，順序從圖6中連接每個天線的發(fā)射機(jī)發(fā)出校準(zhǔn)用已知的碼(信號)而連接其它天線的接收機(jī)進(jìn)行接收。例如，先由控制器240將射頻發(fā)射機(jī)221設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)，射頻發(fā)射機(jī)222、223及224均關(guān)閉，射頻接收機(jī)231關(guān)閉而射頻接收機(jī)232、233及234設(shè)置為接收狀態(tài)，則當(dāng)射頻發(fā)射機(jī)221發(fā)射已知校準(zhǔn)碼時，射頻接收機(jī)232、233及234分別接收到信號R21、R31及R41并記錄在控制器240中。然后由控制器240將射頻發(fā)射機(jī)222設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)，射頻發(fā)射機(jī)221、223及224均關(guān)閉，射頻接收機(jī)232關(guān)閉而射頻接收機(jī)231、233及234設(shè)置為接收狀態(tài)，則當(dāng)射頻發(fā)射機(jī)222發(fā)射已知校準(zhǔn)碼時，射頻接收機(jī)231、233及234分別接收到信號R12、R32及R42并記錄在控制器240中。再由控制器240將射頻發(fā)射機(jī)223設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)，射頻發(fā)射機(jī)221、222及224均關(guān)閉，射頻接收機(jī)233關(guān)閉而射頻接收機(jī)231、232及234設(shè)置為接收狀態(tài)，則當(dāng)射頻發(fā)射機(jī)223發(fā)射已知校準(zhǔn)碼時，射頻接收機(jī)231、232及234分別接收到信號R13、R23及R43并記錄在控制器240中。最后由控制器240將射頻發(fā)射機(jī)224設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)，射頻發(fā)射機(jī)221、222及223均關(guān)閉，射頻接收機(jī)234關(guān)閉而射頻接收機(jī)231、232及233設(shè)置為接收狀態(tài)，則當(dāng)射頻發(fā)射機(jī)224發(fā)射已知校準(zhǔn)碼時，射頻接收機(jī)231、232及233分別接收到信號R14、R24及R34并記錄在控制器240中，這樣就完成了校準(zhǔn)測試。
根據(jù)上述校準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)，可以通過相對關(guān)系的計算，計算出相對于任何一個通路的相對數(shù)據(jù)，通過比較可進(jìn)行相互間的校驗。
作為一個例子，參考圖5，設(shè)通道1(即天線201、短射頻電纜211和收發(fā)信機(jī)221/231所形成的通道)為參考，校準(zhǔn)碼以單位電平發(fā)射，而每通道的發(fā)射傳輸系數(shù)為t，接收傳輸系數(shù)為r，天線單元間的耦合系數(shù)為C，則上述校準(zhǔn)測試獲得的 Rij＝ricjitj (1) 由于天線單元之間的耦合系數(shù)是互易的，即 cij＝cji (2) 我們可以消去C，而得到校準(zhǔn)結(jié)果每鏈路接收和發(fā)射傳輸系數(shù)之比與參考鏈路的接收和發(fā)射傳輸系數(shù)之比之間的關(guān)系 ri/ti＝Ri1r1/R1it1 i＝2，3，4 (3) 同時，還有其它Rij的測試數(shù)據(jù)和式(1)中可以獲得的其它表示式可以作為式(3)結(jié)果的校驗。在此校準(zhǔn)結(jié)果中，最重要的是其相位關(guān)系，以 ri/ti＝|ri/ti|ejβi我 則βi＝(ηi-ζi)-(η1-ζ1) (4) 式(4)中，ηi與ζi為第i鏈路接收傳輸系數(shù)ri和發(fā)射傳輸系數(shù)ti的相位。
本例示4天線陣的校準(zhǔn)方法，同樣可以使用于其它數(shù)量天線陣的校準(zhǔn)。本發(fā)明的校準(zhǔn)方法在適當(dāng)修改后，也可以使用于頻分雙工系統(tǒng)中智能天線的校準(zhǔn)。
●接收波束賦形 接收波束賦形是通過測量各接收鏈路接收到的信號幅度和相位，并以需要的方式對各鏈路接收信號合成而實現(xiàn)。如圖4所示，圖4和圖3基本相同，只是天線陣是用頂視圖來表示。對來自一個用戶終端的上行信號，其來波以一個角度射向此天線陣，由于傳播路徑不同，在各天線單元的反應(yīng)在相位和幅度都不同，設(shè)第i個天線單元接收到的信號為Ai Ai＝aiejαi (1) 設(shè)第i條接收鏈路從天線(包括饋線41i和射頻收發(fā)信機(jī)42i)至接口端43i的傳輸系數(shù)為 Di＝diejηi (2) 設(shè)第i條發(fā)射鏈路(包括饋線41i和射頻收發(fā)信機(jī)42i)從接口端44i至天線的傳輸系數(shù)為 Ti＝tiejζi (3) 則基帶處理器從第i條接收鏈路獲得的接收信號為 Ri＝riejθi (4) 顯然， ri＝aidi θi＝αi+ηi(5) 接收波形束賦形就是將上述所有接收信號按需要方式合成，最常用的是按最大接收信號功率合成。因為上述式(5)中所接收到的幅度ri和相位θi都是可以測量獲得的。只要在每條鏈路中補(bǔ)償其相位θi就可以實現(xiàn)。
當(dāng)此天線陣的橫向尺寸所造成的電波傳播時延超過一個碼片寬度的1/8時，就必須在進(jìn)行前述接收波束賦形前先對此電波傳輸時延進(jìn)行校準(zhǔn)。其校準(zhǔn)方法是測量各個天線單元所接收到的，上行信號中已知的導(dǎo)行碼(例如TD-SCDMA系統(tǒng)中的中間碼(Midamble))的到達(dá)時間。若第i鏈路的到達(dá)時間為τi，則以最晚(即τi最大)到達(dá)的鏈路為基準(zhǔn)，先到達(dá)的信號加上一個時延以補(bǔ)償此傳輸時延差。例如，對圖4所述的上行信號，第j鏈路的到達(dá)時間最晚，則第i鏈路就必須加上時延補(bǔ)償值 δi＝τj—τi i＝1，2，…，N (6) ●發(fā)射波束賦形 發(fā)射波束賦性的目標(biāo)是產(chǎn)生一個對準(zhǔn)發(fā)射目標(biāo)的波束。如圖4所示，在無線基站接收到來自一個用戶終端的信號后，在發(fā)射時隙，組成智能天線的各個天線單元將以基本相同的發(fā)射功率電平向此終端發(fā)射下行信號，發(fā)射波束賦性就是使各個天線單元所發(fā)射的信號對此終端聚焦。為此，必須實現(xiàn)此合成波束的波陣面和上行信號的波陣面平行，即每天線單元發(fā)射信號的相位必須滿足 γi+ζi+αi＝const(7) 式中，γi是上行波束賦性所需要的相位移； ζi是式(3)中定義的發(fā)射鏈路的傳輸相位移； αi是式(1)中表示的接收信號的相位。
由式(5)，并令 cosnt＝ζ1-η1 這里，我們以第1個天線單元為參考(也可以以任意一個天線單元為參考)，則可以獲得上行波束賦性所需要的相位移 γi＝βi+θi (8) 式中βi＝ζ1-η1-ζi+ηi(9) 為對第i條鏈路的校準(zhǔn)系數(shù)，由前述校準(zhǔn)過程獲得。實現(xiàn)發(fā)射波束賦形就是對每一鏈路的發(fā)射信號加上一個相位移，其值為該鏈路接收信號的相位θi加上該鏈路的校準(zhǔn)系數(shù)βi。
當(dāng)此天線陣的橫向尺寸所造成的電波傳播時延超過一個碼片寬度的1/8時，就必須在進(jìn)行前述發(fā)射波束賦形前先對此電波傳輸時延進(jìn)行校準(zhǔn)。其校準(zhǔn)方法是根據(jù)前述接收時延校準(zhǔn)所測量獲得的各個鏈路信號到達(dá)的時延差δi(式(6))，各個鏈路均應(yīng)當(dāng)在其發(fā)射時隙先加上此時延δi，然后再進(jìn)行前述發(fā)射波束賦形。
●小區(qū)(扇區(qū))覆蓋波束的形成 對移動通信系統(tǒng)，無線基站必須發(fā)射如廣播、尋呼等覆蓋整個小區(qū)(扇區(qū))的波束。對本發(fā)明的任意位置和任意間距的天線陣是不可能合成此波束的，使用本發(fā)明任意位置和任意間距的天線陣時覆蓋整個小區(qū)(扇區(qū))的波束將由一只天線單元實現(xiàn)，對TD-SCDMA系統(tǒng)，在發(fā)射此覆蓋整個小區(qū)(扇區(qū))的波束時僅此天線單元發(fā)射而其它天線單元不發(fā)射信號。此發(fā)射天線的發(fā)射電平應(yīng)當(dāng)比作為智能通訊天線發(fā)射定向波束時的發(fā)射電平高，具體的發(fā)射電平由工程設(shè)計確定。
權(quán)利要求
1.一種新型智能天線，其特征在于由多只任意排列，任意間距的天線單元組成天線陣，其中天線單元直接通過射頻電纜連接至多只射頻收發(fā)信機(jī)，所述多只射頻收發(fā)信機(jī)的數(shù)字接收端連接至基帶處理器的接收處理單元；所述多只射頻收發(fā)信機(jī)的數(shù)字發(fā)射端連接至基帶處理器的發(fā)射處理單元，基帶處理器的收發(fā)控制單元通過控制總線控制此多只射頻接收機(jī)和射頻發(fā)射機(jī)的開啟、關(guān)斷，接收、發(fā)射增益，發(fā)射功率電平以及獲得監(jiān)測告警信息，所述射頻收發(fā)信機(jī)其接收端加上模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器將接收到的模擬中頻信號轉(zhuǎn)換為高速數(shù)字信號，下變頻將各個載波分開并分別進(jìn)行數(shù)字濾波，形成各個載波的數(shù)字接收信號，待發(fā)射的各個載波的數(shù)字信號進(jìn)行上變頻和數(shù)字濾波，再通過數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器形成模擬中頻信號送至模擬發(fā)射機(jī)的發(fā)射端。
2.一種新型智能天線的實現(xiàn)方法，其特征在于所述新型智能天線的各個天線單元按任意間距排列構(gòu)成天線陣，所述天線陣工作為智能天線或分集天線或者多入多出天線，所述天線陣的全部或者部分單元在工作于智能天線模式下，所述新型智能天線實時進(jìn)行接收波束和發(fā)射波束賦形，并獲得空間分集的增益；或?qū)⑺鎏炀€陣分為幾組，在實現(xiàn)智能天線的同時工作于MIMO模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述一個任意排列的天線陣同時工作于智能天線、空間分集天線和MIMO天線狀態(tài)，不需要校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)及附屬的校準(zhǔn)射頻收發(fā)信機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述天線陣元的相對位置是任意的，當(dāng)工作于數(shù)字通信系統(tǒng)時，其最大橫向尺寸所造成的電波傳播時延不超過一個碼片寬度的1/8，當(dāng)天線橫向尺寸更大或者數(shù)據(jù)傳輸速率更高，則對此傳輸造成的時延進(jìn)行校準(zhǔn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述接收波形束賦形是將所述所有接收信號按需要方式合成，按最大接收信號功率合成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述實現(xiàn)發(fā)射波束賦形是對每一鏈路的發(fā)射信號加上一個相位移，其值為該鏈路接收信號的相位(θi)加上該鏈路的校準(zhǔn)系數(shù)(βi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述任意位置和任意間距的天線陣覆蓋整個小區(qū)或扇區(qū)的波束將由一只天線單元實現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述接收時延校準(zhǔn)是測量各個天線單元所接收到的，上行信號中已知的導(dǎo)行碼的到達(dá)時間。若第i鏈路的到達(dá)時間為τi，則以最晚(τj)到達(dá)的鏈路為基準(zhǔn)，先到達(dá)的信號加上一個時延以補(bǔ)償此傳輸時延差，
δi＝Tj—Tii＝1，2，…，N
發(fā)射時延校準(zhǔn)是根據(jù)前述接收時延校準(zhǔn)所測量獲得的各個鏈路信號到達(dá)的時延差(δi)，各個鏈路均應(yīng)當(dāng)在其發(fā)射時隙先加上此時延(δi)，然后再進(jìn)行前述發(fā)射波束賦形。
9.一種校準(zhǔn)智能天線的方法，其特征在于分別從連接新型智能天線每單元的每個發(fā)射機(jī)發(fā)射一段已知的碼，同時在連接其它天線單元的接收機(jī)進(jìn)行接收，并對接收到的信號進(jìn)行計算，以完成對整個智能天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述對整個智能天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)時，從連接每個天線的發(fā)射機(jī)發(fā)出校準(zhǔn)用已知的碼，連接其它天線的接收機(jī)進(jìn)行接收，方法為，先由控制器(240)將射頻發(fā)射機(jī)(221)設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)，射頻發(fā)射機(jī)(222、223、224)均關(guān)閉，射頻接收機(jī)(231)關(guān)閉而射頻接收機(jī)(232、233、234)設(shè)置為接收狀態(tài)，則當(dāng)射頻發(fā)射機(jī)(221)發(fā)射已知校準(zhǔn)碼時，射頻接收機(jī)(232、233、234)分別接收到信號(R21、R31、R41)并記錄在控制器(240)中。再由控制器(240)順序分別將射頻發(fā)射機(jī)(222、223、224)設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)，重復(fù)上述過程，這樣就完成了校準(zhǔn)測試。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述校準(zhǔn)碼以單位電平發(fā)射，而每通道的發(fā)射傳輸系數(shù)為t，接收傳輸系數(shù)為r，天線單元間的耦合系數(shù)為C，則上述校準(zhǔn)測試獲得的
Rij＝ricjitj (1)
由于天線單元之間的耦合系數(shù)是互易的，即
cij＝cji (2)
消去C，而得到校準(zhǔn)結(jié)果每鏈路接收和發(fā)射傳輸系數(shù)之比與參考鏈路的接收和發(fā)射傳輸系數(shù)之比之間的關(guān)系
ri/ti＝Ri1r1/R1it1 i＝2，3，4 (3)
同時，還有其它Rij的測試數(shù)據(jù)和式(1)中可以獲得的其它表示式作為式(3)結(jié)果的校驗，在此校準(zhǔn)結(jié)果中，最重要的是其相位關(guān)系，以
ri/ti＝|ri/ti|ejβi我
則βi＝(ηi-ζi)-(η1-ζ1) (4)
式(4)中，ηi與ζi為第i鏈路接收傳輸系數(shù)ri和發(fā)射傳輸系數(shù)ti的相位，校準(zhǔn)結(jié)果為智能天線每射頻鏈路接收和發(fā)射傳輸系數(shù)之比與參考射頻鏈路的接收和發(fā)射傳輸系數(shù)之比之間的關(guān)系。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在所述智能天線校準(zhǔn)方法同樣使用于其它數(shù)量天線陣的校準(zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種新型智能天線及實現(xiàn)方法組成智能天線的各個天線單元不需要按間距不超過半波長等距離排列而是按任意間距任意排列，接收波束的賦形是通過測量各接收鏈路接收到的信號幅度和相位，并以需要的方式對各鏈路接收信號合成而實現(xiàn)的。發(fā)射波束賦形就是使各個天線單元所發(fā)射的信號對此終端聚焦。用軟件控制使此多天線陣可以工作為智能天線、分集天線或者多入多出(MIMO)天線。新型智能天線無需設(shè)專用校準(zhǔn)用收發(fā)信機(jī)及專用校準(zhǔn)鏈路。為3G、3G后及4G移動通信網(wǎng)中無線基站提供了多功能的多天線系統(tǒng)實現(xiàn)方法。
文檔編號H04B17/00GK101546868SQ200810045060
公開日2009年9月30日 申請日期2008年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月27日
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