基站與波束成形方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基站與波束成形方法。所述的方法包括下述步驟：基站實(shí)時(shí)獲取和/或預(yù)估的列車的當(dāng)前位置信息；基站將獲得的位置信息與預(yù)存的相位激勵(lì)表匹配；從相位激勵(lì)表中得出應(yīng)采用的天線陣元和應(yīng)賦予該天線陣元的相位激勵(lì)。本發(fā)明針對(duì)高移動(dòng)性場(chǎng)景中位置信息可以實(shí)時(shí)獲取且移動(dòng)方向固定的特點(diǎn)，再利用列車頂寬裕的空間布置大規(guī)模天線陣列達(dá)到滿分集的效果，設(shè)計(jì)了適用于大規(guī)模MIMO的基于列車位置信息的STBC?UBF聯(lián)合策略，這種策略的能夠達(dá)到STBC?ABF的性能限，同時(shí)復(fù)雜度低，因此在實(shí)際應(yīng)用中與理論性能的差距不會(huì)大，能夠在現(xiàn)有硬件計(jì)算量的情況下低成本部署。
【專利說(shuō)明】
基站與波束成形方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，重點(diǎn)針對(duì)高速移動(dòng)場(chǎng)景下，處理大規(guī)模多天線輸入輸 出(ΜΙΜΟ)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)低復(fù)雜度波束成形與空時(shí)編碼的聯(lián)合策略問(wèn)題。
【背景技術(shù)】
[0002] 在5G的規(guī)劃中，高移動(dòng)性(High Mobility)成為了非常重要的一部分，高鐵通信是 其中一個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景。高可靠性和高數(shù)據(jù)傳輸率是未來(lái)高移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本要求。由 于Μπω可大大提高地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、覆蓋范圍等網(wǎng)絡(luò)性能，在未來(lái)高鐵通信的規(guī) 劃中，大規(guī)模ΜΙΜΟ的相關(guān)技術(shù)會(huì)得到廣泛應(yīng)用，以此提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。
[0003] 波束成形，最早來(lái)自自適應(yīng)天線中的一個(gè)概念。其基本的思想是通過(guò)對(duì)多天線陣 元接收到的各路信號(hào)進(jìn)行一定的幅度和相位加權(quán)合成，形成所需的特定信號(hào)，這種操作在 天線方向圖里形成了規(guī)定指向上的波束，所以稱其為波束成形。使用波束成形的前提是必 須采用多天線系統(tǒng)，而我們的高移動(dòng)系統(tǒng)中往往會(huì)使用大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)。
[0004] 現(xiàn)有自適應(yīng)波束成形的方案中，需要獲取CSI或是上行信道協(xié)方差矩陣（UCCM: Uplink Channel Covariance Matrix)，亦或是下行信道協(xié)方差矩陣（DCCM:Downlink Channel Covariance Matrix)，這些方案對(duì)其計(jì)算復(fù)雜度特別高，因此在實(shí)際實(shí)施的時(shí)候 性能會(huì)降低不少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為克服上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種低復(fù)雜度的波束形成方法和基站。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的波束成形方法，包括下述步驟：
[0007] 基站實(shí)時(shí)獲取和/或預(yù)估的列車的當(dāng)前位置信息；
[0008] 基站將獲得的位置信息與預(yù)存的相位激勵(lì)表匹配；
[0009] 從相位激勵(lì)表中得出應(yīng)采用的天線陣元和應(yīng)賦予該天線陣元的相位激勵(lì)。
[0010] 較佳的，所述的位置信息為列車通過(guò)GPS獲得，并從上行鏈路反饋給基站的。
[0011] 較佳的，所述的相位激勵(lì)表為與位置信息相關(guān)的矩陣;其中，矩陣中每一列中各個(gè) 元素代表形成某個(gè)波束時(shí)各天線陣元上所賦予的相位激勵(lì)，列數(shù)量代表需要的總波束數(shù) 量。
[0012] 較佳的，所述的位置信息預(yù)估的方法為：
[0013]確認(rèn)最后一次獲得的位置信息；
[0014] 確認(rèn)最后一次獲得的位置信息的時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間的時(shí)間差；
[0015] 估算列車速度；
[0016] 通過(guò)時(shí)間和速度計(jì)算當(dāng)前列車行駛距離；
[0017]通過(guò)預(yù)存的列車軌道信息計(jì)算當(dāng)前列車的位置。
[0018]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種基站，包括：
[0019]地址獲取單元，用于實(shí)時(shí)獲取和/或預(yù)估列車的當(dāng)前位置信息；
[0020] 存儲(chǔ)單元，預(yù)存有基于位置信息制作的相位激勵(lì)表；
[0021] 區(qū)配單元:基于地址獲取單元實(shí)時(shí)獲取和/或預(yù)估的列車的當(dāng)前位置信息和預(yù)存 的相位激勵(lì)表匹配，得出應(yīng)采用的天線陣元和應(yīng)賦予該天線陣元的相位激勵(lì)。
[0022] 較佳的，還包括一列車軌道信息存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)列車軌道的坐標(biāo)位置。
[0023] 本發(fā)明針對(duì)高移動(dòng)性場(chǎng)景中位置信息可以實(shí)時(shí)獲取(或者預(yù)估d(t))且移動(dòng)方向 固定的特點(diǎn)，再利用列車頂寬裕的空間布置大規(guī)模天線陣列達(dá)到滿分集的效果，設(shè)計(jì)了適 用于大規(guī)模Μ頂0的基于列車位置信息的STBC-UBF聯(lián)合策略，這種策略的能夠達(dá)到STBC-ABF 的性能限，同時(shí)復(fù)雜度低，因此在實(shí)際應(yīng)用中與理論性能的差距不會(huì)大，能夠在現(xiàn)有硬件計(jì) 算量的情況下低成本部署。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本申請(qǐng)的系統(tǒng)模型圖。
[0025] 圖2本申請(qǐng)與現(xiàn)有技術(shù)在不同傳輸功率下移動(dòng)服務(wù)量比較
[0026] 圖3本申請(qǐng)與現(xiàn)有技術(shù)在高移動(dòng)場(chǎng)景中切換成功率比較。
[0027] 圖4為本申請(qǐng)與現(xiàn)有技術(shù)在單基站內(nèi)誤比特率比較。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0029] 如圖1所示，本發(fā)明是基于高移動(dòng)性場(chǎng)景中移動(dòng)方向固定的特點(diǎn)，再利用列車頂寬 裕的空間布置大規(guī)模天線陣列達(dá)到滿分集的效果，設(shè)計(jì)了適用于大規(guī)模ΜΙΜΟ的基于列車 位置信息的STBC-UBF聯(lián)合策略，這種策略的能夠達(dá)到STBC-ABF的性能限，同時(shí)復(fù)雜度低，因 此在實(shí)際應(yīng)用中與理論性能的差距不會(huì)大，能夠在現(xiàn)有硬件計(jì)算量的情況下低成本部署。
[0030] 基本的波束成形與空時(shí)編碼的聯(lián)合傳輸策略，服從如下的矩陣：
[0032]其中*表示復(fù)共輒運(yùn)算。
[0033]加上權(quán)重之后，整個(gè)波束成形后的傳輸信號(hào)為：
[0040] 根據(jù)基站到鐵路段的垂直距離do與基站有效傳輸覆蓋半徑，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選取合 適的波束成形數(shù)量N，根據(jù)以上算法預(yù)先算出波束成形權(quán)重，將其與對(duì)應(yīng)的列車位置信息預(yù) 先儲(chǔ)存在基站端。因此，基站能夠通過(guò)列車反饋的位置信息，通過(guò)查表法快速查出配置的波 束成形權(quán)重并替代在傳輸中，因而能夠以較大概率在不增加系統(tǒng)線上計(jì)算復(fù)雜度的情況 下，大大提高系統(tǒng)整體性能。
[0041] 由于一旦基站被部署，而列車移動(dòng)方向固定且位置信息可以實(shí)時(shí)獲取，因此，根據(jù) 列車在軌道上的不同位置計(jì)算出Θ:。，隨后設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)能夠覆蓋列車所在位置的相位激勵(lì)i 0sti，并以矩陣形式預(yù)先存儲(chǔ)在基站端。
[0042] 實(shí)施例1
[0043]本發(fā)明的波束成形方法，包括：
[0044] 11、基站通過(guò)連續(xù)的反饋獲取列車的位置信息d(t)。
[0045] 12、基站將獲取的列車實(shí)時(shí)地理位置信息d( t)和相位激勵(lì)表
[0046] 9sti: )，20sti(d(t))，· · ·，N0sti(d(t))]匹配，尋找對(duì)應(yīng)項(xiàng)i9sti(d(t))。
[0047] 13、基站根調(diào)整天線相位激勵(lì)，等待接收下一個(gè)d(t)。
[0048] 圖2為采用本方法使用現(xiàn)有方法在不同傳輸功率下移動(dòng)服務(wù)量比較。圖3采用本方 法使用現(xiàn)有方法在高移動(dòng)場(chǎng)景中切換成功率比較。圖4為采用本方法使用現(xiàn)有方法在單基 站內(nèi)誤比特率比較。其中，STBC表示只采用空時(shí)編碼的傳輸策略，STBC-ABF表示采用自適應(yīng) 波束成形和空時(shí)編碼的聯(lián)合策略，STBC-UBF為本發(fā)明所提出的方法。從圖中可以看出，不需 要準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息(CSI: Channel State Information)，也無(wú)需引入巨額計(jì)算復(fù)雜度 的情況下即可達(dá)到自適應(yīng)波束成形和空時(shí)編碼的聯(lián)合策略所達(dá)到的效果。
[0049] 其中，上述的位置信息為列車通過(guò)GPS獲得，并從上行鏈路反饋給基站的。
[0050] 上述的相位激勵(lì)表為與位置信息相關(guān)的矩陣，如下所示，
[0052]其中，矩陣中每一列中各個(gè)元素代表形成某個(gè)波束時(shí)各天線陣元上所賦予的相位 激勵(lì)，列數(shù)量代表需要的總波束數(shù)量。
[0053]下面以實(shí)際的例子作進(jìn)一步的說(shuō)明：
[0054]假設(shè)基站覆蓋范圍為700米，基站到鐵軌垂直距離為50米，天線為8陣元，一共產(chǎn)生 8個(gè)波束，每個(gè)波束覆蓋范圍不等，那么圖1中的矩陣列表則為8*8,矩陣中每一列中各個(gè)元 素代表形成某個(gè)波束時(shí)各天線陣元上所賦予的相位激勵(lì)，列數(shù)量代表需要的總波束數(shù)量。 譬如列車剛進(jìn)入基站時(shí)，根據(jù)其地理位置信息d(t)知道此時(shí)由第一個(gè)波束覆蓋，那么基站 處拿出8*8矩陣中的第一列相位激勵(lì)賦予天線，因?yàn)榫湍軐⑻炀€能量定向饋給列車所在位 置。當(dāng)列車進(jìn)入第二個(gè)波束的覆蓋范圍，同樣，基站收到反饋的列車位置信息，匹配查表本 地存儲(chǔ)的8*8矩陣，拿出第二列相位激勵(lì)賦予天線。如果由于列車位置信息精度問(wèn)題，當(dāng)列 車位于兩波束交界處時(shí)，可做出如下功率分配優(yōu)化：
[0055]此時(shí)兩路傳輸信號(hào)可以表示為：
[0058] 我們定義= 1,2，此時(shí)信噪比可以表示為：
[0059] ;/ = + ?；]
[0060] 利用列車地理位置信息，我們得到如下的優(yōu)化問(wèn)題：
[0061] argmaxJ = E[ | αι 12+1 a〗|2]
[0062] s . t .Ε[0ια2*] =0
[0063] fi+f2 = 1
[0064] 有如下的結(jié)論：
[0065] 當(dāng)CSI未知時(shí)，如果>，1)2為2，則fi = 1，f2 = 0，如果 AW < A#，貝ljfi = 0，f2 = 1〇
[0066] 實(shí)施例2
[0067] 本實(shí)施例是在實(shí)施例1基礎(chǔ)上的改進(jìn)，基于列車的軌道線路是固定的，因此在獲取 了幾次列車位置信息后，還可以對(duì)基進(jìn)下一步的位置信息進(jìn)行預(yù)估。所述的位置信息預(yù)估 的方法為：
[0068] 111、確認(rèn)最后一次獲得的位置信息；
[0069] 112、確認(rèn)最后一次獲得的位置信息的時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間的時(shí)間差；
[0070] 113、估算列車速度；
[0071] 114、通過(guò)時(shí)間和速度計(jì)算當(dāng)前列車行駛距離；
[0072] 115、通過(guò)預(yù)存的列車軌道信息計(jì)算當(dāng)前列車的位置。
[0073] 通過(guò)上述方法，通過(guò)幾次對(duì)列車位置獲取即可實(shí)現(xiàn)對(duì)列車位置的預(yù)估。
[0074] 實(shí)施例3
[0075]本發(fā)明的一種基站，包括：
[0076] 地址獲取單元，用于實(shí)時(shí)獲取和/或預(yù)估列車的當(dāng)前位置信息；
[0077] 存儲(chǔ)單元，預(yù)存有基于位置信息制作的相位激勵(lì)表；
[0078] 區(qū)配單元:基于地址獲取單元實(shí)時(shí)獲取和/或預(yù)估的列車的當(dāng)前位置信息和預(yù)存 的相位激勵(lì)表匹配，得出應(yīng)采用的天線陣元和應(yīng)賦予該天線陣元的相位激勵(lì)。
[0079] 還包括一列車軌道信息存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)列車軌道的坐標(biāo)位置。
[0080] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的 技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的實(shí)施及技術(shù)細(xì)節(jié)可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的所提方法 思想及核心原理范圍內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍 內(nèi)。
[0081 ]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)理解，本發(fā)明的各個(gè)方面、或各個(gè)方面的可能實(shí)現(xiàn)方式 可以被具體實(shí)施為系統(tǒng)、方法或者計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明的各方面、或各個(gè)方面的 可能實(shí)現(xiàn)方式可以采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例(包括固件、駐留軟件等等），或者 組合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式，在這里都統(tǒng)稱為"電路"、"模塊"或者"系統(tǒng)"。此外， 本發(fā)明的各方面、或各個(gè)方面的可能實(shí)現(xiàn)方式可以采用計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式，計(jì)算機(jī)程 序產(chǎn)品是指存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼。
[0082] 計(jì)算機(jī)可讀程序代碼可以完全在用戶的計(jì)算機(jī)上執(zhí)行、部分在用戶的計(jì)算機(jī)上執(zhí) 行、作為單獨(dú)的軟件包、部分在用戶的計(jì)算機(jī)上并且部分在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上，或者完全在遠(yuǎn)程 計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器上執(zhí)行。也應(yīng)該注意，在某些替代實(shí)施方案中，在流程圖中各步驟、或框 圖中各塊所注明的功能可能不按圖中注明的順序發(fā)生。例如，依賴于所涉及的功能，接連示 出的兩個(gè)步驟、或兩個(gè)塊實(shí)際上可能被大致同時(shí)執(zhí)行，或者這些塊有時(shí)候可能被以相反順 序執(zhí)行。
[0083] 顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精 神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍 之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種波束成形方法，其特征在于，所述的方法包括下述步驟： 基站實(shí)時(shí)獲取和/或預(yù)估的列車的當(dāng)前位置信息； 基站將獲得的位置信息與預(yù)存的相位激勵(lì)表匹配； 從相位激勵(lì)表中得出應(yīng)采用的天線陣元和應(yīng)賦予該天線陣元的相位激勵(lì)。2. 如權(quán)利要求1任意權(quán)利要求所述的波束成形方法，其特征在于，所述的位置信息為列 車通過(guò)GPS獲得，并從上行鏈路反饋給基站的。3. 如權(quán)利要求1任意權(quán)利要求所述的波束成形方法，其特征在于，所述的相位激勵(lì)表為 與位置信息相關(guān)的矩陣;其中，矩陣中每一列中各個(gè)元素代表形成某個(gè)波束時(shí)各天線陣元 上所賦予的相位激勵(lì)，列數(shù)量代表需要的總波束數(shù)量。4. 如權(quán)利要求1任意權(quán)利要求所述的波束成形方法，其特征在于，所述的位置信息預(yù)估 的方法為： 確認(rèn)最后一次獲得的位置信息； 確認(rèn)最后一次獲得的位置信息的時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間的時(shí)間差； 估算列車速度； 通過(guò)時(shí)間和速度計(jì)算當(dāng)前列車行駛距離； 通過(guò)預(yù)存的列車軌道信息計(jì)算當(dāng)前列車的位置。5. -種基站，其特征在于，包括： 地址獲取單元，用于實(shí)時(shí)獲取和/或預(yù)估列車的當(dāng)前位置信息； 存儲(chǔ)單元，預(yù)存有基于位置信息制作的相位激勵(lì)表； 區(qū)配單元:基于地址獲取單元實(shí)時(shí)獲取和/或預(yù)估的列車的當(dāng)前位置信息和預(yù)存的相 位激勵(lì)表匹配，得出應(yīng)采用的天線陣元和應(yīng)賦予該天線陣元的相位激勵(lì)。6. 如權(quán)利要求5所述的基站，其特征在于，還包括一列車軌道信息存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ) 列車軌道的坐標(biāo)位置。
【文檔編號(hào)】H04B7/06GK106027131SQ201610590835
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月25日
【發(fā)明人】陳徐洪, 劉善赟, 樊平毅
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)