專利名稱：基于陣列天線和mimo聯(lián)合傳輸波束成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及一種基于陣列天線和多輸入多輸出 (Multiple Input Multiple Output, ΜΙΜΟ)聯(lián)合傳輸波束成形方法，該方法可以提高無線通信系統(tǒng)的頻譜利用率、吞吐量、可靠性以及擴(kuò)大無線通信的覆蓋范圍。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有傳輸波束成形技術(shù)分兩種一種是基于MIMO預(yù)編碼的波束成形技術(shù)，另一種是基于陣列天線的波束成形技術(shù)。第一種，基于MIMO預(yù)編碼的波束成形技術(shù)。MIMO波束成形(MIMO-BF)也叫做MIMO預(yù)編碼技術(shù)，是一種在發(fā)射端利用信道狀態(tài)信息(CSI)對發(fā)送符號進(jìn)行預(yù)處理，以提高系統(tǒng)容量或以降低系統(tǒng)誤碼率為目的的信號處理技術(shù)。MIMO-BF要求天線之間相互獨立，其可為系統(tǒng)帶來分集或復(fù)用增益?，F(xiàn)有的MIMO 預(yù)編碼技術(shù)有基于信道奇異值分解(SVD)的預(yù)編碼技術(shù)和基于信道幾何均值分解(GMD)的預(yù)編碼技術(shù)等。三星電子株式會社北京三星通信技術(shù)研究有限公司申請的專利“SVD預(yù)編碼方法、預(yù)編碼方法及使用所述方法的系統(tǒng)”(專利申請?zhí)?00710192895. 3，公開號 101453258)。該專利申請主要是提出了一種在發(fā)射端使用預(yù)編碼方法，其步驟是對接收到的信息比特進(jìn)行信道編碼；對已編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶調(diào)制，根據(jù)UL Sounding信號估計信道矩陣(Ht)，并利用所述信道矩陣(Ht)，基于奇異值分解得到發(fā)射矩陣(V)，利用所述的發(fā)射矩陣(V)對調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼；將結(jié)果分配到OFDM子載波上，并發(fā)射得到的數(shù)據(jù)碼元。 該專利申請存在的不足是，該方法所獲取的MIMO波束成形帶來的性能增益(分集增益或復(fù)用增益)，其對無線通信系統(tǒng)的吞吐量、頻譜利用率以及誤碼性能提升有限，在通信場景稍微惡劣的條件下，使用戶的通信質(zhì)量明顯下降，嚴(yán)重影響用戶體驗，降低用戶感知度。第二種，基于陣列天線的波束成形技術(shù)。陣列天線波束成形(AA-BF)是一種由多天線單元組成的陣列天線系統(tǒng)的波束成形，要求天線單元之間具有強(qiáng)相關(guān)性。AA-BF原理是通過調(diào)節(jié)各陣元信號的加權(quán)幅度和相位將無線電信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間指向性波束。使天線主波束對準(zhǔn)期望用戶方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾用戶方向，獲得陣列增益，增強(qiáng)信號品質(zhì)?，F(xiàn)有的AA-BF方法有基于波達(dá)方向(DOA)估計的波束成形算法和特征波束成形算法等。華為技術(shù)有限公司申請的專利“一種波束成形的方法、系統(tǒng)和裝置”(專利申請?zhí)?2007101卯422. 9，公開號101453255)。該專利申請主要公開了一種波束成形方法，包括以下步驟基站在各波束中發(fā)射碼序列，所述碼序列中的碼元與所述各波束一一對應(yīng)；在收到根據(jù)終端接收的信號和所述碼序列的相關(guān)度生成的波束選擇信息后，所述基站對發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行波束成形。該專利申請公開的方法和裝置存在的不足是，該方法限制每個用戶只分配一個波束，如果在無線通信環(huán)境散射體較多的情況下，這種分配方式并不是最優(yōu)的，一個用戶可能會存在多個最優(yōu)波束，并且在非視距條件下，使用該方法會使系統(tǒng)性能迅速惡化。
MIMO-BF能夠為無線通信系統(tǒng)帶來分集或復(fù)用增益，AA-BF能夠為無線通信系統(tǒng)帶來陣列增益，都可以提高系統(tǒng)性能。不過，MIMO-BF要求天線之間相互獨立，而AA-BF要求天線之間強(qiáng)相關(guān)。由于MIMO-BF和AA-BF對天線相關(guān)性要求截然不同，將兩者簡單結(jié)合起來，并不能同時獲取MIMO-BF和AA-BF帶來的性能增益，必須采用某些聯(lián)合傳輸波束成形方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于陣列天線和MIMO聯(lián)合傳輸波束成形方法，可以最大限度的獲取MIMO-BF和AA-BF帶來的性能增益。本發(fā)明實現(xiàn)的基本思路是，首先各個子陣列使用AA-BF方法產(chǎn)生一組波束，然后傳輸點通過反復(fù)調(diào)整各子陣列發(fā)送的波束數(shù)，使AA-BF和MIMO-BF聯(lián)合傳輸波束成形的性能達(dá)到最優(yōu)，此時系統(tǒng)可同時獲取MIMO-BF和AA-BF帶來的性能增益。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實現(xiàn)步驟如下(1)初始化。傳輸點將發(fā)送波束數(shù)η設(shè)為1，初始性能值％設(shè)為0 ；(2)獲得全向信道狀態(tài)信息。根據(jù)通信系統(tǒng)對性能需求和傳輸方式的不同，發(fā)送端采用信道估計技術(shù)完成全向信道估計，得到全向信道狀態(tài)信息CSI-O ；(3)獲得空間真實波束。傳輸點對獲取的CSI-O采用AA-BF方法得到N個波束，對 N個波束性能指標(biāo)的特征值按照從大到小排序；(4)前η個波束傳輸數(shù)據(jù)。傳輸點通過對已排序的N個波束中的前η個波束傳輸數(shù)據(jù)；( 等效信道估計。根據(jù)通信系統(tǒng)對性能需求和傳輸方式的不同，發(fā)送端采用信道估計技術(shù)完成對做完AA-BF后的等效信道進(jìn)行估計，得到等效信道狀態(tài)信息CSI-E ；(6)獲得虛擬波束。傳輸點對所獲取的CSI-E，采用MIMO-BF方法得到MIMO空間虛擬波束；(7)獲得聯(lián)合BF性能值化。系統(tǒng)在做完陣列天線波束成形后，采用MIMO波束成形方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)聯(lián)合波束成形，系統(tǒng)采用與其所關(guān)注性能對應(yīng)的計算方法獲取聯(lián)合波束成形后的系統(tǒng)性能值Q1 ；(8)選取最優(yōu)AA-BF發(fā)送的波束數(shù)。傳輸點比較當(dāng)前經(jīng)過聯(lián)合MIMO-BF和發(fā)送η 個波束的AA-BF的系統(tǒng)性能值I與經(jīng)過聯(lián)合MIMO-BF和發(fā)送η_1個波束的AA-BF的系統(tǒng)性能值Qlri的大小。8a)若Qlri小于等于化不成立，則η = η_1，此式表示AA-BF發(fā)送波束數(shù)自減1，其中η為AA-BF發(fā)送的最優(yōu)波束數(shù)，轉(zhuǎn)入步驟9 ；8b)若Qlri小于等于I成立，則η = n+1，此式表示AA-BF發(fā)送波束數(shù)自加1，若η 小于等于N不成立，則η = η-l，其中η為發(fā)送的最優(yōu)波束數(shù)，轉(zhuǎn)入步驟9，若η小于等于N 成立，返回步驟4;(9)傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在做完陣列天線波束成形后，采用MIMO波束成形方法傳輸數(shù)據(jù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點第一，由于本發(fā)明允許每個用戶可以有多個波束傳輸數(shù)據(jù)，克服了現(xiàn)有技術(shù)每個用戶只有一個波束傳輸數(shù)據(jù)的缺點，提高了通信鏈路的可靠性。第二，由于本發(fā)明采用基于陣列天線和MIMO聯(lián)合傳輸波束成形方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)不能同時獲取多天線系統(tǒng)帶來的分集增益、復(fù)用增益和陣列增益的缺點，可以最大限度的提升無線通信系統(tǒng)的頻譜利用率、吞吐量、可靠性以及擴(kuò)大無線通信的覆蓋范圍，可同時滿足用戶在視距和非視距條件下的通信需求。進(jìn)而提高了用戶的通信質(zhì)量，增強(qiáng)了用戶的感知度。


圖1為本發(fā)明的流程圖；圖2為本發(fā)明的發(fā)射原理示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。參照圖2本發(fā)明實施例傳輸點的天線配置為4個子陣列，圖2中陣列個數(shù)m取4， 每個子陣列部署4個陣元。4個子陣列之間相互獨立，每個子陣列上的4個陣元強(qiáng)相關(guān)。參照附圖1對本發(fā)明實現(xiàn)的步驟進(jìn)行具體描述。步驟1，初始化。傳輸點將發(fā)送波束數(shù)η設(shè)為1，初始性能值％設(shè)為0。波束性能值是指系統(tǒng)的吞吐量、覆蓋范圍和頻譜利用率三個指標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)所關(guān)注的性能值選取其中一個指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。由于本實施例關(guān)注系統(tǒng)的吞吐量，故系統(tǒng)的初始性能值仏即為吞吐量，將其設(shè)為0。， 該步驟的目的是可確保系統(tǒng)至少成功進(jìn)行一次迭代。步驟2，獲取全向信道信息。根據(jù)通信系統(tǒng)對性能需求和傳輸方式的不同，發(fā)送端采用信道估計技術(shù)完成全向信道估計，性能需求是指系統(tǒng)對信道估計誤碼率的要求，傳輸方式包括TDD方式和FDD方式。信道估計技術(shù)包括在FDD和TDD傳輸方式下的信道估計。FDD系統(tǒng)的信道估計需要反饋鏈路，TDD系統(tǒng)通過上下行信道的互易性，傳輸點利用上行信道估計下行信道狀態(tài)信息， 因此TDD系統(tǒng)不需要專有的反饋鏈路。AA-BF的實現(xiàn)需要精確的信道狀態(tài)信息，信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性將直接影響系統(tǒng)整體性能。信道估計就是通過某種算法估計出實際信道的徑數(shù)和徑的系數(shù)，以此可識別每副發(fā)送天線和接收天線之間的信道沖激響應(yīng)。本發(fā)明實施例采用基于訓(xùn)練序列的信道估計算法，傳輸點通過發(fā)送已知的訓(xùn)練序列，在用戶端進(jìn)行初始全向信道估計，當(dāng)發(fā)送有用的信息數(shù)據(jù)時，利用初始的全向信道估計結(jié)果進(jìn)行一次判決更新，得到實時全向信道信息CSI-0。用戶端將CSI-O通過反饋鏈路反饋回傳輸點。步驟3，獲得空間真實波束。AA-BF方法采用現(xiàn)有技術(shù)中常用的特征波束成形方法和基于波達(dá)方向(DOA)估計的波束成形方法。本發(fā)明實施例中傳輸點通過步驟2所獲取的全向信道狀態(tài)信息CSI-0，采用特征波束成形算法使每個子陣列產(chǎn)生4個波束，由于本發(fā)明實施例的系統(tǒng)總共有4個子陣列，故系統(tǒng)總共可產(chǎn)生16個波束。
特征波束成形是一種陣列天線波束成形技術(shù)，其具體的實現(xiàn)方式為傳輸點對陣列信道響應(yīng)的相關(guān)矩陣，按照下列公式進(jìn)行特征值分解Ck = E{\X) = FtAkVf其中，Ck為第k個子陣列信道響應(yīng)的相關(guān)矩陣，hk為第k個子陣列的信道響應(yīng)矩陣，本實施例k = 1，2，3，4，( ·)H代表共軛轉(zhuǎn)置，Vi,k為第i特征值對應(yīng)的特征向量，M為每個子陣列的陣元數(shù)，本實施例M = 4。用不同特征值對應(yīng)的特征向量對陣列進(jìn)行加權(quán)得到多個波束，且這些波束之間相
互獨立。傳輸點分別對4個子陣列信道響應(yīng)的相關(guān)矩陣進(jìn)行特征值分解，分解后每個子陣列可得到4個特征值，由于本實施例的系統(tǒng)總共有4個子陣列，故可產(chǎn)生16個特征值，相對應(yīng)的總共有16個特征向量，任意一個特征向量對相應(yīng)的陣列進(jìn)行加權(quán)可以得到一個波束。 將這16個特征值按照從大到小進(jìn)行排序，即各子陣列的加權(quán)因子(特征值對應(yīng)的特征向量)也進(jìn)行了排序。步驟4，前η個波束傳輸數(shù)據(jù)。傳輸點選取步驟3中的前η個特征值所對應(yīng)的特征向量對所對應(yīng)的子陣列進(jìn)行加權(quán)，此時系統(tǒng)可得到η個波束，傳輸點采用這η個波束傳輸數(shù)據(jù)。步驟5，等效信道估計。MIMO-BF的實現(xiàn)同樣需要精確的信道信息，信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性將直接影響系統(tǒng)整體性能。此時信道是已做完AA-BF后的等效信道，本發(fā)明實施例采用基于訓(xùn)練序列的信道估計算法，傳輸點通過發(fā)送已知的訓(xùn)練序列，在用戶端進(jìn)行初始等效信道估計，當(dāng)發(fā)送有用的信息數(shù)據(jù)時，利用初始的等效信道估計結(jié)果進(jìn)行一次判決更新，得到實時等效信道估計 CSI-E。用戶端將CSI-E通過反饋鏈路反饋回傳輸點。步驟6，獲取MIMO虛擬波束。MIMO-BF方法采用現(xiàn)有技術(shù)中常用的奇異值分解方法和幾何均值分解方法。本發(fā)明實施例中傳輸點對所獲取的等效信道狀態(tài)信息CSI-E，采用奇異值分解(SVD)進(jìn)行MIMO 傳輸波束成形。信道矩陣H的SVD分解如下H = USVh式中，V和U是酉矩陣；S是由奇異值組成的對角矩陣；Vh是V的Hermitian(復(fù)數(shù)共軛轉(zhuǎn)置)矩陣。酉矩陣的定義為VhV = VVh = IS的對角值為非負(fù)值，并且降序排列。V的前Nss列被用作傳輸波束加權(quán)值。其中 Nss為空間流數(shù)目。本發(fā)明實施例采用SVD計算V矩陣的原因是，在線性接收機(jī)的情況下它可以達(dá)到最大似然的性能，從而大大簡化了接收機(jī)的設(shè)計。步驟7，獲得聯(lián)合BF性能值。系統(tǒng)在做完陣列天線波束成形后，采用MIMO波束成形方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了聯(lián)合波輸成形。系統(tǒng)采用與其所關(guān)注性能對應(yīng)的計算方法獲取聯(lián)合波束成形后的系統(tǒng)性能值。對應(yīng)的計算方法包括吞吐量、覆蓋范圍和頻譜利用率的計算方法，并且這些計算方法為本領(lǐng)域通用的方法。由于本實施例關(guān)注系統(tǒng)的吞吐量，故此時系統(tǒng)根據(jù)調(diào)制階數(shù)、編碼速率、信道帶寬和子載波數(shù)目計算聯(lián)合波束成形后的系統(tǒng)吞吐量I。步驟8，選取最優(yōu)AA-BF發(fā)送的波束數(shù)。系統(tǒng)通過不斷調(diào)整每個子陣列AA-BF的發(fā)送波束數(shù)，使AA-BF和MIMO-BF的聯(lián)合 BF性能達(dá)到最優(yōu)。本實施例傳輸點比較當(dāng)前經(jīng)過MIMO-BF和發(fā)送η個波束的AA-BF的聯(lián)合性能值Qn 與經(jīng)過MIMO-BF和發(fā)送η-1個波束的AA-BF的聯(lián)合性能值Qn-I的大小，若Qn小于Qn-I，則得到最優(yōu)AA-BF發(fā)送的波束數(shù)η = η-1，轉(zhuǎn)入步驟9。若Qn大于等于Qn-I^lj η = η+1，此時若η大于AA-BF產(chǎn)生的總的波束數(shù)16，則得到最優(yōu)AA-BF發(fā)送的波束數(shù)η = η_1，轉(zhuǎn)入步驟9 ；若η小于等于AA-BF產(chǎn)生的總的波束數(shù)16，轉(zhuǎn)入步驟4。步驟9，傳輸數(shù)據(jù)。經(jīng)過上面的步驟后，此時傳輸點已經(jīng)獲得使系統(tǒng)吞吐量最大的發(fā)送波束數(shù)η。傳輸點聯(lián)合MIMO-BF和發(fā)送η個波束的AA-BF傳輸數(shù)據(jù)，此時可獲取最大的系統(tǒng)吞吐量。
權(quán)利要求
1.一種基于陣列天線和MIMO聯(lián)合傳輸波束成形方法，包括步驟如下(1)初始化，傳輸點將發(fā)送波束數(shù)Π設(shè)為1，初始性能值％設(shè)為0；(2)獲得全向信道狀態(tài)信息，根據(jù)通信系統(tǒng)對性能需求和傳輸方式的不同，發(fā)送端采用信道估計技術(shù)完成全向信道估計，得到全向信道狀態(tài)信息CSI-O ；(3)獲得空間真實波束，傳輸點對獲取的CSI-O采用AA-BF方法得到N個波束，對N個波束性能指標(biāo)的特征值按照從大到小排序；(4)前η個波束傳輸數(shù)據(jù)，傳輸點通過對已排序的N個波束中的前η個波束傳輸數(shù)據(jù)；(5)等效信道估計，根據(jù)通信系統(tǒng)對性能需求和傳輸方式的不同，發(fā)送端采用信道估計技術(shù)完成對做完AA-BF后的等效信道進(jìn)行估計，得到等效信道狀態(tài)信息CSI-E ；(6)獲得虛擬波束，傳輸點對所獲取的CSI-E，采用MIMO-BF方法得到MIMO空間虛擬波束；(7)獲得聯(lián)合BF性能值I，系統(tǒng)在做完陣列天線波束成形后，采用MIMO波束成形方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)聯(lián)合波束成形，系統(tǒng)采用與其所關(guān)注性能對應(yīng)的計算方法獲取聯(lián)合波束成形后的系統(tǒng)性能值Q1 ；(8)選取最優(yōu)AA-BF發(fā)送的波束數(shù)，傳輸點比較當(dāng)前經(jīng)過聯(lián)合MIMO-BF和發(fā)送η個波束的AA-BF的系統(tǒng)性能值I與經(jīng)過聯(lián)合MIMO-BF和發(fā)送η_1個波束的AA-BF的系統(tǒng)性能值 Qn-I的大小。8a)若Qlri小于等于&不成立，則η = η_1，此式表示AA-BF發(fā)送波束數(shù)自減1，其中η 為AA-BF發(fā)送的最優(yōu)波束數(shù)，轉(zhuǎn)入步驟9 ；8b)若Qlri小于等于&成立，則η = η+1，此式表示AA-BF發(fā)送波束數(shù)自加1，若η小于等于N不成立，則η = η-1，其中η為發(fā)送的最優(yōu)波束數(shù)，轉(zhuǎn)入步驟9，若η小于等于N成立， 返回步驟4 ；(9)傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在做完陣列天線波束成形后，采用MIMO波束成形方法傳輸數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列天線和MIMO聯(lián)合傳輸波束成形方法，其特征在于， 所述步驟(1)中的波束性能值是指系統(tǒng)的吞吐量、覆蓋范圍、頻譜利用率三個指標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)所關(guān)注的性能值選取其中一個指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列天線和MIMO聯(lián)合傳輸波束成形方法，其特征在于， 步驟(2)和(5)中所述信道估計采用FDD和TDD傳輸方式下進(jìn)行的信道估計，性能需求是指系統(tǒng)對信道估計誤碼率的要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列天線和MIMO聯(lián)合傳輸波束成形方法，其特征在于， 所述步驟(3)中的AA-BF方法采用特征波束成形方法和基于波達(dá)方向估計的波束成形方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列天線和MIMO聯(lián)合傳輸波束成形方法，其特征在于， 所述的步驟(3)中的MIMO-BF方法采用奇異值分解方法和幾何均值分解方法。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于陣列天線和MIMO聯(lián)合傳輸波束成形方法，其步驟為(1)初始化；(2)獲得全向信道狀態(tài)信息；(3)獲得空問真實波束；(4)前n個波束傳輸數(shù)據(jù)；(5)等效信道估計；(6)獲得虛擬波束；(7)獲得聯(lián)合BF性能值；(8)選取最優(yōu)AA-BF發(fā)送的波束數(shù)；(9)傳輸數(shù)據(jù)。本發(fā)明可以同時獲取多天線系統(tǒng)帶來的分集增益、復(fù)用增益和陣列增益，提高了通信鏈路的可靠性，可以最大限度的提升無線通信系統(tǒng)的頻譜利用率、吞吐量、擴(kuò)大無線通信的覆蓋范圍，可同時滿足用戶在視距和非視距條件下的通信需求。進(jìn)而提高了用戶的通信質(zhì)量，增強(qiáng)了用戶的感知度。
文檔編號H04B7/06GK102223168SQ201110148199
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者孟凱凱, 張海林, 李勇朝, 趙力強(qiáng) 申請人:西安電子科技大學(xué)