在通信系统中估计下行链路波束形成加权值的方法和设备

摘要

一种下行链路波束形成设备和方法。在一个实施例中，根据本发明教导的方法包括从多个天线阵振子接收上行链路通信信号，选择一个环境的操作条件以及响应于被选择的环境的操作条件来估计在下行链路通信信号中使用的下行链路波束形成加权值。

说明书

相关申请

本发明涉及2000年9月22日提交的并且被转让给本申请的受让人的题为“用于在通信系统中确定操作条件的方法和设备(Method andApparatus For Determining An Operating Condition In ACommunication System)”的共同未决的申请09/668,664。

发明背景

技术领域

本发明总体上涉及通信系统，并且更具体而言，本发明涉及采用天线阵的无线通信系统。

背景技术

天线阵可以被用于发射和/或接收射频信号的通信系统。天线阵典型地包括多个空间分开的天线并且可以被用于多个不同的无线应用中，包括无线电通信系统、蜂窝系统、电视广播、点到点系统、寻呼系统、医疗应用等。

天线阵在这种系统中的使用通常提供胜过单独振子天线的使用的天线性能改进。这些天线性能改进可以包括接收的信号的改进的信噪比和抗扰性。对于发射的信号的天线性能改进可以包括改进的方向性以及因此向其它同频道用户的更少的功率，改进的安全性和减少的发射功率需求。天线阵可以被只用于信号接收，用于信号发射或者既用于信号接收也用于发射。

天线阵系统的典型应用是在无线通信系统中。例子包括蜂窝通信系统和无线本地回路系统。这种无线通信系统典型地包括一个或多个通常称作基站的通信站，每个与它的也称作远程终端和手机的用户单元通信。在蜂窝系统中，远程终端典型地是移动台，而在无线本地回路系统中，远程单元典型地是固定单元。

天线阵典型地位于基站中，但是也可以被用在用户终端中。从远程终端到基站的通信通常被称作上行链路，而从基站到远程终端的通信通常被称作下行链路。在时分双工(TDD)系统中，利用一个特定远程终端的上行链路和下行链路通信在同一频率上但是在不同的时隙中进行。在频分双工(FDD)系统中，利用一个特定远程终端的上行链路和下行链路通信在一个不同的频率上并且可以同时或者不同时地进行。

由于在FDD中在上行链路和下行链路通信中使用不同的频率，所以在基站与远程终端之间的上行链路和下行链路通信信道中的信号的行为是有差别的。所述差别随着信道具有更多的多径分量而更加明显。在多径环境中，由例如建筑物等引起的散射和/或反射导致通信信号中的幅度和相位改变和/或多径分量。多径分量的行为对于不同的频率是不同的，并且到达天线阵的通信信号关于频率改变。这使得下行链路波束形成对于FDD系统比对于TDD系统更有挑战性，这是因为在TDD系统中的上行链路和下行链路频率是相同的。因此，无线通信系统的性能受到环境中散射体存在的影响。

影响无线通信系统性能的另一个因素是在环境中同时使用同一频率或者信道的多个远程终端的存在。随着使用同一频率的分开的源或者远程终端的数量的增加，通信信道中的干扰量也会增加。

发明内容

本发明提供了下行链路波束形成设备和方法。在一个实施例中，根据本发明教导的方法包括从多个天线阵振子接收上行链路通信信号，选择环境的一个操作条件以及响应于被选择的环境的操作条件而估计在下行链路通信信号中使用的下行链路波束形成加权值。通过详细描述、附图以及所附权利要求可以更显而易见本发明的额外特征和优点。

附图说明

在附图中举例而非限制地描述本发明。

图1是根据本发明教导的一个实施例的基站的框图。

图2是根据本发明教导的一个实施例的操作在低杂波环境中的基站的框图。

图3是根据本发明教导的一个实施例的操作在高杂波和低干扰环境中的基站的框图。

图4是根据本发明教导的一个实施例的操作在高杂波和高干扰环境中的基站的框图。

图5是根据本发明教导的一个实施例的用于下行链路波束形成的方法的流程图。

图6是根据本发明教导的一个实施例的响应于环境条件来估计下行链路波束形成加权值的流程图。

详细描述

根据本发明的一个方面，提供了根据一个通信系统的操作条件或环境来估计下行链路波束形成加权值的方法和设备。在下面的描述中，给出了大量的具体细节以便提供对于本发明的全面理解。不过，显然对于本领域技术人员来说，实践本发明并不需要这些具体的细节。在其它实例中，没有详细描述众所周知的内容或者方法，以免影响本发明的描述。

在整个说明书中对于“一个实施例”或者“实施例”的参考是指连同该实施例描述的一个特定特征、结构或者特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各处中出现的“在一个实施例中”或者“在实施例中”不一定都是指同一个实施例。此外，在一个或者多个实施例中能够以任何恰当的方式来组合特定的特征、结构或者特性。

根据本发明的一个方面，提供了无线通信系统中的一种基站，该基站能够估计所述无线通信系统在其中操作的环境或者条件。根据操作条件来估计用于估计用于从基站到远程终端的下行链路通信信号的下行链路波束形成加权值的方法。例如，在一个实施例中，根据是否一个低杂波、高杂波低干扰或者高杂波高干扰环境被估计来不同地估计下行链路波束形成加权值。

在一个实施例中，所述基站包括一个具有多个天线振子的天线阵。上行链路通信信号被天线阵中的天线振子接收并且在上行链路通信信号执行处理以便估计所述基站是否操作在低杂波、高杂波低干扰环境或者高杂波高干扰环境。在所述环境被估计之后，根据被估计的环境条件来估计下行链路通信中使用的下行链路波束形成加权值。

为了说明，图1是根据本发明教导的一个实施例的无线通信系统的基站101的框图。如图所示，基站101包括一个具有多个天线振子105和107的天线阵103。应当理解，尽管为了说明的目的而在图1中示出的天线阵103具有两个天线振子105和107，但是根据本发明的教导，天线阵103也可以包括两个以上的天线振子。如图所示，上行链路通信信号117被天线阵103的天线振子105和107接收。在一个实施例中，上行链路通信信号117被从无线通信系统的一个或多个远程终端接收。

在所示的实施例中，接收机109被耦合以便从天线阵103的天线振子105和107接收上行链路通信信号117。在一个实施例中，信号处理器111被耦合到接收机109以便接收上行链路通信信号117。在一个实施例中，存储器113被耦合到接收机109以便存储由接收机109接收的上行链路通信信号117，并且信号处理器111被耦合到存储器113以便接收被存储的通信信号。在一个实施例中，存储器113是一个机器可读的介质，其中存储了可以由信号处理器111执行的软件指令。

如图1所示的实施例所说明的，信号处理器111处理被接收的上行链路通信信号117，并且响应于被接收的上行链路通信信号117来产生一个环境估计115。在一个实施例中，环境估计115可以是一个低杂波环境、高杂波低干扰环境或者高杂波高干扰环境的估计。

应当指出，在2000年9月22日提交的并且被转让给本申请的受让人的题为“用于在通信系统中确定操作条件的方法和设备(Methodand Apparatus For Determining An Operating Condition In ACommunication System)”的共同未决的申请09/668,664中描述了可以与本发明的实施例一起使用的用于估计诸如环境估计115的环境的各种设备、方法和/或技术。

在一个实施例中，信号处理器111然后估计用于下行链路通信信号的下行链路波束形成加权值131。在一个实施例中，用于估计波束形成加权值131的方法和/或技术是基于环境估计115的。例如，在一个实施例中，如果在环境估计115中估计到一个低杂波环境，则使用第一种技术来估计下行链路波束形成加权值131。如果在环境估计115中估计到一个高杂波低干扰环境，则使用第二种技术来估计下行链路波束形成加权值131。如果在环境估计115中估计到高杂波高干扰环境，则使用第三种技术来估计下行链路波束形成加权值131。

为了说明，图2是根据本发明教导的一个实施例的操作在低杂波环境中的基站201的框图。对于本说明书来说，一个低杂波环境对应于其中有相对少的散射体等的可以引起多径分量的环境。这种环境可以在例如其特征为一层或两层楼的郊区环境中发现。在某些情况中，在基站和远程终端之间可以有一条视线。

如图2所示，基站201包括从远程终端219接收上行链路通信信号217的天线阵203。在一个实施例中，基站201可以是蜂窝基站等的一部分，并且远程终端可以是蜂窝电话等一部分的移动单元。不过，应当理解，本发明并不限于任何特定类型的无线应用，如蜂窝系统，而是可以用于各种类型的采用天线阵的无线系统和应用。在一个实施例中，本发明在空分多址系统(SDMA)或者其中采用自适应阵列的其它类型系统中是有用的。例如，本发明的一个实施例可以被用于时分双工(TDD)或者尤其是频分双工(FDD)通信系统和/或连同其它无线结构使用。此外，可以用硬件、软件或者其组合来实现本发明实施例的各种元件中的每一个或者组合。

返回去参考图2，尽管在所述环境中存在散射体223，但是相对少，因此图2所示的环境是低杂波环境的描述。从传播方面来看，基站201与远程终端219之间的通信信道是良好的。在一个实施例中，基站201通过天线阵203接收上行链路通信信号217。基站201处理上行链路信号217并且产生环境估计215，其在图2中是低杂波环境的估计。在一个实施例中，基站201还响应于上行链路信号217和环境估计215来估计用于下行链路通信信号的下行链路波束形成加权值231。

图3是根据本发明教导的一个实施例的操作在高杂波低干扰环境中的基站301的框图。对于本说明书来说，高杂波环境对应于其中有相对大量的会引起多径分量的散射体等的环境。这种环境的一个例子是其特征为高楼并且传播环境相对苛刻的城市环境。在高杂波环境中一般是缺乏视线传播的。城市或者高杂波环境传播信道通常包括多个传播路径并且不象郊区环境那样包括一个占优势的路径。因此，在高杂波环境中通常有一个进入的上行链路信号的到达传播的重要角度。对于本说明书来说，低杂波环境对应于其中有相对少的同时使用同一频率或信道的源或者远程终端的环境。

如图3所示，基站301包括从远程终端319接收上行链路通信信号317的天线阵303。如图3所示，有相对大量的散射体存在，包括散射体323、325、327和329。相对大量的散射体在上行链路通信信号317中引入了许多多径分量。因此，图3所示的环境是一个高杂波环境。此外，图3所示的例子表示相对少的远程终端，其中示出的一个是远程终端319，因此所示的环境是低干扰环境的一个例子。

在一个实施例中，基站301通过天线阵303接收上行链路通信信号317。基站301处理所述上行链路信号317并且产生一个环境估计315，其在图3中是高杂波低干扰环境的估计。在一个实施例中，基站301还响应于上行链路信号317和环境估计315来估计用于下行链路通信信号的下行链路波束形成加权值331。

图4是根据本发明教导的一个实施例的操作在高杂波高干扰环境中的基站401的框图。对于本说明书来说，高干扰环境对应于其中有相对大量的同时使用同一频率或信道的源或远程终端的环境。这种环境的一个例子是其中有许多使用同一信道的无线电话用户的环境，例如一个繁忙的市区或者机场环境。

如图4所示，基站401包括从许多远程终端接收上行链路通信信号417的天线阵403，所述远程终端包括远程终端419和421。如图4所示，有相对大量的散射体存在，包括散射体423、425、427和429。相对大量的散射体在上行链路通信信号417中引入许多多径分量。因此，图4所示的环境是一个高杂波环境。此外，图4所示的例子有相对大量的远程终端，其中的两个被示出为远程终端419和421，因此所示的环境是高干扰环境的一个例子。

在一个实施例中，基站401通过天线阵403接收上行链路通信信号417。基站401处理上行链路信号417并且产生环境估计415，其在图4中是高杂波高干扰环境的一个估计。在一个实施例中，基站401还响应于上行链路信号417和环境估计415来估计用于下行链路通信信号的下行链路波束形成加权值431。

在图5中以流程图501总体上描述了为从基站到远程终端的下行链路通信信号估计下行链路波束形成加权值的方法的一个实施例。图5中流程图501所示的方法可以被利用诸如上述在图1到图4所述的基站来实践。如框503所示，上行链路信号被例如图1的天线阵103的多个天线振子105和107接收。在一个实施例中，上行链路信号被提供给接收机103，然后被提供给信号处理器111。在一个实施例中，上行链路信号被存储在存储器113中，然后被提供给信号处理器111。在另一个实施例中，上行链路信号被从接收机109直接接收。

在一个实施例中，框505表示所述环境然后被选择。如前所述，在2000年9月22日提交的并且被转让给本申请的受让人的题为“用于在通信系统中确定操作条件的方法和设备(Method and ApparatusFor Determining An Operating Condition In A CommunicationSystem)”的共同未决的申请09/668,664中描述了用于估计环境的操作条件的方法和/或技术的一些例子。

框507表示在一个实施例中，下行链路波束形成加权值被响应于例如在框505中产生的被选择的操作条件而产生。在一个实施例中，在框507中产生的下行链路波束形成加权值可以被领会了本发明优点的本领域技术人员采用来产生从基站到远程终端的下行链路通信信号。

为了说明，图6是说明根据本发明的教导的一个实施例的产生用于下行链路通信信号的方法的流程图601。如框603所示，如果有一个低杂波环境估计，则第一方案被用于估计下行链路波束形成加权值。在一个实施例中，如果一个低杂波环境被根据框603而估计，则从上行链路通信信号获取的信道信息被用于下行链路空间处理。例如，在一个实施例中，框605表示如果有一个低杂波环境估计，则一个到达角度(AOA)被从上行链路通信信号中估计。在一个实施例中，如框607所示，下行链路波束形成加权值然后被根据所估计的AOA而计算。

在一个实施例中，众所周知的技术被用来估计AOA。可以被根据本发明的教导而使用的已知的AOA估计技术包括例如延迟与求和方法、卡彭(Capon)的方法、多信号分类(MUSIC)以及通过循环不变性技术的信号参数的估计(ESPRIT)。

延迟与求和方法还被称作传统的波束形成装置方法或者傅立叶方法。波束形成装置使用加权值w，它是用于任何给定角度θ的空间特征标记。因此，w＝a(θ)。波束形成装置的输出功率被为每个方位角度而计算。对应于最大输出功率的AOA被声明为源AOA。这个已知的技术产生宽的波束。

卡彭的已知方法在视角θ中形成波束，但是它也设法零无关联的干扰。这可以通过在以下约束条件的条件下最小化遭受限制的输出功率而达到，所述约束条件是波束被在所述视角的方向中形成，以使得：

minwE[y(k)]²＝min_ww^HR_zzw                (公式1)

假设w^Ha(θ)＝1                          (公式2)

其中，y是输出，w是加权矢量，H表示厄米特转置，并且R_zz是输入相关矩阵。作为AOA函数的输出功率谱由下式给出：

P_Capton(θ)＝1/(a^HR_zza(θ))           (公式3)

已知的MUSIC技术是采用输入协方差矩阵的本征结构的高分辨率算法。MUSIC是一个参数估计算法，它估计入射信号的数量、它们的AOA、它们的强度以及入射信号之间的互相关。协方差矩阵的本征矢量属于以下两个正交子空间中的任何一个：信号子空间或者噪声子空间。对应于信号的AOA的导引向量位于信号子空间中，因此与噪声子空间正交。通过在所有与噪声子空间的本征矢量生成的空间垂直的阵列导引向量中搜索，AOA被估计。

已知的ESPRIT技术是减少用于MUSIC的计算和存储需求的另一个子空间技术。ESPRIT不需要穷举的搜索或者精确的校准。ESPRIT通过使用具有一个结构的阵列振子而获得它的优点，所述结构能够被分解成为两个相等尺寸的同样的子阵列，这两个子阵列的相应振子被通过一个固定平移的非旋转距离而互相置换。

所有上述AOA技术都假设天线阵被校准，也就是，所有归因于天线、接收机和发射机链的偏差都被消除。对于一个均匀线性阵列，对于一个特定入射角(θ)的上行链路的空间特征标记可以被表示为：$$ >>>a>u>>>(>\theta >)>>=>\left(\begin{array}{}>>1>>>e>>j>2>\pi >d>cos>>(>\theta >)>>/>>\lambda >u>>>>·>·>·>>e>>j>2>\pi >>(>M>->1>)>>d>cos>>(>\theta >)>>/>>\lambda >u>>>>>\end{array}\right)$$(公式4)

其中，d是振子间的间距，λ_u是上行链路波长，M是天线阵中的振子的数量。在一个实施例中，下行链路空间特征标记被通过利用要被在下行链路通信信号中使用的下行链路波长(λ_d)代替上行链路波长(λ_u)来获得。

在上行链路通信信号中，有与一个远程终端相关联的多个AOA分量。在一个实施例中，与每个远程终端相关联的AOA被从另一个分开，并且下行链路加权值被如下估计。首先，源的数量被使用一个已知的顺序估计算法而估计，所述算法是例如阿凯克(Akaike)信息准则(AIC)、最小描述长度(MDL)等。接下来，各个远程终端的上行链路空间特征标记被使用已知的技术分开，所述已知的技术是例如迭代最小平方投影(ILSP)方法等。然后，AOA估计算法被应用在估计的上行链路空间特征标记上并且与每个远程终端相关联的AOA被估计。然后，与每个远程终端相关联的占优势的AOA被选择，并且下行链路波束形成加权值被使用以下公式而形成：

w_i＝(A^HA)^-1a_i                           (公式5)

其中，w是下行链路波束形成加权矢量，A矩阵包括所有远程终端的下行链路空间特征标记，H表示厄米特转置，并且a_i是第i个远程终端的下行链路空间特征标记。因此，在本发明的一个实施例中，只有具有最大功率的AOA分量被用于计算下行链路波束形成加权值。因此，w_i表示根据本发明的教导在一个低杂波环境中为下行链路通信信号估计的下行链路波束形成加权值。

返回去参考图6中的流程图601，框609表示如果有一个高杂波低干扰环境估计，则第二个方案被用于估计下行链路波束形成加权值。在一个实施例中，如果根据框609，一个高杂波低干扰环境被估计，则框611表示上行链路空间特征标记被估计。然后，根据框613，下行链路波束形成加权值被根据上行链路空间特征标记而计算。

在一个实施例中，在高杂波低噪声环境情况下的上行链路空间特征标记不被从上行链路通信信号AOA中而是通过将输入阵列信号与一个参考信号相关而估计。因此，被估计的上行链路空间特征标记被如下估计：

_u＝r_zs＝[Z^Hs]_M×1                     (公式6)

其中_u是估计的上行链路空间特征标记，r_zs是输入阵列信号Z与参考信号s之间的相关。H表示厄米特转置，M是天线阵中振子的数量。在一个实施例中，在高杂波低干扰环境的情况中的下行链路波束形成加权值被根据下列公式估计：

w_d＝_u^*                                (公式7)

其中，w_d表示根据本发明的教导在高杂波低干扰环境中为下行链路通信信号估计的下行链路波束形成加权值。

返回去参考图6的流程图601，框615说明如果有一个高杂波高干扰环境估计，则第三种方案被用于估计下行链路波束形成加权值。在一个实施例中，如果一个高杂波高干扰环境被根据框615估计，则框617表示上行链路最佳加权值然后被估计。在一个实施例中，然后从上行链路波束图中估计希望的远程终端和干扰信号的AOA。如框619所示，在一个实施例中，然后通过使用已知的零扩大技术来扩大指向干扰信号的零来估计下行链路波束形成加权值。因此，增加的功率被指向希望的远程终端，并且减少的功率被指向干扰信号。

例如，在一个实施例中，上行链路加权值被根据下列公式计算：

w_[M×1]＝R_zz^-1r_zs                      (公式8)

其中w是表示上行链路最佳加权值的Mx1矩阵，M是天线阵中的振子数量。R_zz是根据下式计算的相关矩阵：

R_zz＝[Z’Z]_M×M                        (公式9)

并且r_zs是根据下式计算的相关矢量：

r_zs＝[Zs]_M×1                          (公式10)

并且Z表示一个矩阵，该矩阵代表接收的上行链路通信信号，s表示一个参考信号，M是天线阵中的振子数量。

在一个实施例中，在上行链路最佳加权值w[M×1]被估计之后，一个上行链路波束图被使用理解了本发明优点的本领域技术人员已知的技术而形成。如本领域技术人员已知的，位于上行链路波束图中的零对应于干扰信号。在一个实施例中，根据本发明的教导，位于上行链路波束图中的零被使用已知的技术扩大并且然后下行链路波束形成加权值被为高杂波高干扰环境确定。如本领域技术人员已知的，在波束图中的零对应于干扰信号的AOA。因此，通过扩大波束图中在干扰信号的AOA中的零，减小的功率被指向从根据本发明教导从下行链路波束形成加权值中产生的下行链路通信信号中的干扰信号。在另一个实施例中，根据本发明的教导，应当理解，用于减小指向干扰信号的功率的零扩大技术被用在除了高杂波高干扰之外的环境条件中。

在以上的详细描述，包括在摘要中的描述中，参考本发明的示范实施例描述了本发明的方法和设备。但是，显然，在不偏离本发明更宽精神和范围的条件下，可以有各种修改和改变。因此，本说明书和附图应当被认为是说明性而不是限制性的。说明书和摘要并非是穷举的，也并没有将本发明限制为所公开的精确形式。

在所附权利要求中使用的术语不应当被理解为将本发明限制为在说明书中公开的具体实施例。而是，本发明的范围完全由所附的权利要求来确定，所附权利要求应当被根据权利要求解释的被确立的教导而分析。