CN101340648B - 一种多用户波束赋形发射权值的生成方法 - Google Patents

Abstract

一种多用户波束赋形发射权值的生成方法，包括：基站根据接收到的上行信号采用DOA算法估计出各用户的DOA角度；基站将满足分组约束条件的用户分入同一用户组；所述分组约束条件包括：对于任意两个用户U_j、U_k，对应的θ_j和θ_k需满足：|θ_j-θ_k|≥δ×Δθ；其中，0.5≤δ≤2，Δθ为零陷展宽算法所使用的零陷宽度值；对于用户组中的用户U_i，使用θ_i作为主瓣方向，并以θ₁，...，θ_i-1，θ_i+1，...，θ_M作为零陷方向，采用零陷展宽算法生成用户U_i的发射权值。综上所述，在不使用编码的情况下，采用本发明的方法为多用户生成的发射权值，可以实现多用户以较小的干扰有效地复用相同的时、频、码资源。

Description

一种多用户波束赋形发射权值的生成方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种多用户波束赋形发射权值的生成方法。

背景技术

多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)系统由于能有效提高信道容量而成为LTE(Long Term Evolution，长期演进)研究中的一项倍受关注的技术。

针对多用户使用的预编码方法的基本思想是发射端已知所有用户的信道信息，根据所有用户的信道信息，通过多用户信号分离算法对多用户的信号进行分离，消除用户之间的干扰，达到同时同频传输多用户信号的目的。

对于下行链路来讲，NodeB(基站)需要知道各用户的下行信道矩阵，这类基于信道信息进行用户间干扰消除的MU-MIMO(Multiple User-MIMO，多用户多输入多输出)方法存在的瓶颈是：在FDD(Frequency Division Duplex，频分双工)模式下，得到信道信息比较困难，利用码本反馈信道信息需要耗费很大的开销且反馈的信道矩阵准确性低。

为了解决上述问题，波束赋形(beamforming)方法通过用户所在方位来区分用户，从而可以实现多个用户复用相同的时间频率资源。对于小天线间距(0.5λ)下的MIMO系统，更加适合于应用波束赋形技术。

但是，现有技术中的波束赋形方法无法实现为多用户生成理想的发射权值，以实现多用户以较小的干扰有效地复用相同的时、频、码资源的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种多用户波束赋形发射权值的生成方法，以实现多用户以较小的干扰有效地复用相同的时、频、码资源的目的。

为了解决上述问题，本发明提供一种多用户波束赋形发射权值的生成方法，包括：

基站根据接收到的上行信号采用波达角DOA算法估计出各用户的DOA角度；

基站将满足分组约束条件的用户分入同一用户组；所述分组约束条件包括：对于任意两个用户U_j、U_k，对应的θ_j和θ_k需满足：|θ_j-θ_k|≥δ×Δθ；其中，0.5≤δ≤2，Δθ为零陷展宽算法所使用的零陷宽度值；

对于用户组中的用户U_i，使用θ_i作为主瓣方向，并以θ₁，...，θ_i-1，θ_i+1，...，θ_M作为零陷方向，采用零陷展宽算法生成用户U_i的发射权值；所述用户组中包含用户：U₁、...，U_i-1，U_i+1，...，U_M；

其中，θ_n为用户U_n的DOA角度；1≤n≤N；M为所述用户组中的用户总数，M≤N。

此外，所述分组约束条件还包括：对于任意两个用户U_j、U_k，对应的DOA角度θ_j和θ_k需满足：|θ_j-θ_k|≥Δφ；

其中，使用8根发送天线时：Δφ＞10°，使用4根发送天线时：Δφ＞20°。

此外，使用8根发送天线时：Δφ＞20°，使用4根发送天线时：Δφ＞40°。

此外，所述分组约束条件还包括：对于任一用户的峰均比，需满足峰均比＞峰均比门限值；

其中，若基站根据接收到的上行信号得到用户U_i对应的波束图主瓣的增益值为P_i，波束图增益的均值为Q_i，则用户U_i的峰均比为P_i/Q_i；

所述峰均比门限值大于2。

此外，所述分组约束条件还包括：对于任一用户的旁瓣主瓣增益比，需满足旁瓣主瓣增益比＜旁瓣主瓣增益比门限值；

其中，若基站根据接收信号得到用户U_i所对应的波束图中除主瓣外增益最大的方向的波束增益值为P₂；用户U_i所对应的波束图的主瓣波束增益值P₁，则所述旁瓣主瓣增益比为：P₂/P₁；

所述旁瓣主瓣增益比门限值小于或等于0dB。

此外，所述旁瓣主瓣增益比门限值等于-5dB。

此外，采用零陷展宽算法生成所述用户组中各用户的发射权值后，所述基站对所述用户组中的各用户的发射权值进行正交化。

此外，所述δ的取值范围为：1≤δ≤1.5。

此外，所述Δθ的取值范围为：Δθ≤40°。

此外，采用8天线时，Δθ的取值范围为：25°≤Δθ≤30°。

综上所述，在不使用编码的情况下，采用本发明的方法为多用户生成的发射权值，可以实现多用户以较小的干扰有效地复用相同的时、频、码资源。

附图说明

图1是本发明实施例多用户波束赋形发射权值的生成方法流程图；

图2是随机输入信号序列长度为15时的第一零陷展宽波束图；

图3是随机输入信号序列长度为15时的第二零陷展宽波束图；

图4是随机输入信号序列长度为1500时的零陷展宽波束图。

具体实施方式

在多用户MIMO模式中，可以通过设计合适的发射天线的权值矢量(简称发射权值)来设计赋形波束的方向，区分多用户的信号，去除用户间干扰。

因此，本发明的基本思路是，采用DOA(Direction of Arrival，波达角)估计算法估计各用户所在位置对应的DOA角度，并根据分组约束条件对用户进行分组；然后根据零陷展宽算法计算组内用户的发射权值；最后对组内用户的发射权值进行正交化，得到最终的波束赋形发射权值，以实现组内用户有效地复用相同的时、频、码资源的目的。

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

图1是本发明实施例多用户波束赋形发射权值的生成方法流程图，包括以下步骤：

101：NodeB根据接收到的上行信号，采用MUSIC(Multiple SignalClassification，多重信号分类)、Capon(卡朋)等DOA估计算法分别估计出各用户所在位置对应的DOA角度：θ₁，θ₂，...，θ_N；其中，θ_i为用户i所在位置对应的DOA角度，i＝1，2，...，N，N为用户总数。

102：将多用户中满足分组约束条件的用户分入同一用户组；

分组约束条件包括：零陷展宽约束条件，权值正交化约束条件，峰均比约束条件，旁瓣主瓣增益比约束条件；下面分别进行详细介绍。

零陷展宽约束条件：

对于任意两个用户：用户i和用户j，当其所在位置对应的DOA角度分别为θ_i和θ_j时，零陷展宽约束条件为：

|θ_i-θ_j|≥δ×Δθ；

其中，δ为常数，取值范围为：0.5≤δ≤2；优选地1≤δ≤1.5。

上述Δθ为零陷宽度，是零陷展宽算法中的一个重要参数，这个参数表示零陷展宽算法所设置的零陷应该达到的宽度。根据仿真验证，当Δθ小于40度时，零陷范围内波束能量几乎为零，性能较好；当Δθ大于40度时，零陷范围内会有波束凸起，不利于使用。

因此，在后续步骤采用零陷展宽算法计算发射权值时，Δθ取值不应大于40度；但是Δθ取值过小也达不到零陷展宽的目的，采用8天线时，Δθ优选的取值范围为25～30度。

权值正交化约束条件：

对于任意两个用户：用户i和用户j，当其所在位置对应的DOA角度分别为θ_i和θ_j时，权值正交化约束条件为：|θ_i-θ_j|≥Δφ。

使用8根发送天线时：Δφ＞10°，优选地，Δφ＞20°。

使用4根发送天线时：Δφ＞20°，优选地，Δφ＞40°。

由于两组权值之间的正交是两数据流间无干扰的必要条件，正交化后有可能实现两数据流间无干扰；若u1、u2为正交化前的权值，v1，v2为正交化后的权值，对u2做正交化后，得到的权值v2对应的波束在u1主方向形成零陷，即正交化不影响形成零陷的性能。

通过大量仿真验证，得到以下结论：

当使用8根发送天线时，当两权值向量对应的波束中心角间隔大于20度时，可以认为正交化对波束性能没有影响；

当使用4根发送天线时，当两权值向量对应的波束中心角间隔大于40度时，可以认为正交化对波束性能没有影响；

但是，当两权值向量对应的波束中心角间隔过于接近时(例如，使用8根发送天线时间隔小于20度，使用4根发送天线时间隔小于40度)波束发生形变，原因在于权值v2所产生的波束既要在u2方向形成主瓣，又要在u1方向形成零陷，由于波束宽度的原因，这一点是无法做到的，所以波束就会发生非所要求的形变。

也就是说，如果用户i和用户j不满足上述权值正交化约束条件，则不适于采用零陷展宽算法生成权值，即不能将用户i和用户j分在一组进行后续的采用零陷展宽算法生成权值的操作。

峰均比约束条件

这个约束条件是限制NodeB的接收信号中用户所对应的波束图主瓣的增益与该用户所对应的波束图增益均值的比需要大于一门限值(称为峰均比门限值)，这样保证了当主瓣的增益不是足够大时，将不能通过约束条件，从而不能进行后续的多用户波束赋形算法，即不能将该用户与其它用户分为一组。

峰均比约束条件为：峰均比＞峰均比门限值。

其中，若NodeB根据接收信号得到用户i对应的波束图主瓣的增益值为P_i，用户i对应的波束图增益的均值为Q_i，则用户i的峰均比为P_i/Q_i。

上述峰均比门限值可通过仿真确定，峰均比门限值可以大于2。

旁瓣主瓣增益比约束条件：

这个约束条件是限制NodeB的接收信号中用户所对应的波束图最大旁瓣的增益与主瓣增益的比必须小于一门限值(称为旁瓣主瓣增益比门限值)，这样保证了若旁瓣的增益过大时不能通过约束条件，从而不能进行后续的多用户波束赋形算法，即不能将该用户与其它用户分为一组。

若NodeB根据接收信号找到用户所对应的波束图中除主瓣外增益最大的方向(即主瓣边零陷以外的方向)后，估计得到此方向的波束增益值为P₂；该用户所对应的波束图的主瓣波束增益值P₁，则旁瓣主瓣增益比约束条件为：P₂/P₁＜旁瓣主瓣增益比门限值。

旁瓣主瓣增益比门限值可以通过仿真确定，例如，旁瓣主瓣增益比门限值的取值范围可以是小于或等于0dB，优选地，旁瓣主瓣增益比门限值可以等于-5dB。

在上述4个分组约束条件中，零陷展宽约束条件为必须满足的条件，即同一用户组中的任意两个用户的DOA角度必须满足零陷展宽约束条件。而其余3个约束条件为可选的条件。

103：采用零陷展宽算法为用户组内的各用户生成发射权值。

设组内用户为{用户1，...，用户M}，对应的DOA角度分别为：θ₁，...，θ_M；M＞1；对于用户i，以θ_i作为主瓣方向(或称为主瓣角度)，并以θ₁，...，θ_i-1，θ_i+1，...，θ_M作为零陷方向(或称为零陷角度，或干扰角度)，使用零陷展宽算法生成用户i的发射权值。

下面以组内用户为{用户1，用户2}，对应的DOA角度分别为：θ₁，θ₂为例，介绍为用户2生成发射权值的具体步骤。其中，用户2的主瓣方向θ_d＝θ₂，零陷方向为θ₁，零陷宽度为Δθ(如上所述，Δθ优选的取值范围为25～30度)，左扰动幅度为p，右扰动幅度为q，且p+q＝1。

103a：根据零陷方向θ₁(也称为干扰的入射角度)、零陷宽度Δθ计算用户2的协方差矩阵R，具体的计算过程如下：

计算左扰动导向矢量(即θ₁+pΔθ方向对应的导向矢量)a(θ₁+pΔθ)和右扰动导向矢量(即θ₁-qΔθ方向对应的导向矢量)a(θ₁-qΔθ)：

(公式1)

(公式2)

在(公式1)和(公式2)中，记：

如果Δθ很小则有：

(公式3)

(公式4)

把(公式3)、(公式4)分别代入(公式1)、(公式2)后，对于固定的入射角：|cosθ₁| ≤1(考虑最大的角度扩散，在这里取|cosθ₁|＝1)，设

这样，(公式1)、(公式2)可以分别变为：

(公式5)：

(公式6)：

其中，a(θ₁)为零陷中心方向导向矢量。

记(公式5)(公式6)中的

并且令：

(公式7)

(公式8)

这样，接收的信号可以表示式为：

X₊(t)＝BAS(t)+Bn(t)      (公式9)

X_-(t)＝C^HAS(t)+C^Hn(t)    (公式10)

其中X₊(t)表示从θ₁+pΔθ入射的干扰信号，而X_-(t)表示从θ₁-qΔθ入射的干扰信号；S(t)表示输入信号，n(t)表示噪声信号。

分别取两个干扰信号形成的协方差矩阵，并且由于BB^H＝I和CC^H＝I，所以有：

$R^{+}=E\left[X_{+}\left(t\right)X_{+}^H\left(t\right)\right]={\mathrm{BAPA}}^H{B}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I$ (公式11)

$R^{-}=E\left[X_{-}\left(t\right)X_{-}^H\left(t\right)\right]=C^H{\mathrm{APA}}^{H}C+{\mathrm{\σ}}^{2}I$ (公式12)

其中，A＝a(θ₁)，P为S(t)的协方差，I为单位矩阵。

由于(公式11)、(公式12)是在信号分成两部分的基础上得出的协方差矩阵，需要将两个矩阵进行算术平均，这样得到的协方差矩阵为：

$R=\frac{1}{2}(R^{+}+R^{-})=\frac{1}{2}({\mathrm{BAPA}}^H{B}^H+C^H{\mathrm{APA}}^{H}C)+{\mathrm{\σ}}^{2}I$ (公式13)

此外，还可以采用如下步骤替换103a：

103a’：根据零陷方向θ₁、零陷宽度Δθ、左扰动幅度p以及NodeB估计得到的接收信号中用户2对应的原始协方差矩阵

计算用户2的协方差矩阵R，具体的计算过程如下：

从(公式13)可以看出，由于矩阵B和C没有入射角信息，最终得到的协方差矩阵为接收信号协方差矩阵的算术运算，扰动的均值m为：

m＝(2p-1)Δθ    (公式14)

均值的不同代表扰动中心位置的不同，显然p＝0.5时扰动中心在入射角的方向；扰动的方差∑²为：

∑²＝4Δθ²p(1-p)    (公式15)

作为扰动和中心角偏差的一种度量，方差越大，则表示对扰动的影响越大，当p＝0.5时∑²达到最大。

此外，观察(公式7)和(公式8)可知，当p＝0.5时有B＝C，由于B和C均为以指数函数为特征值的对角矩阵，设中的元素

1≤i，j≤M，M为

的行数；那么对于其中的元素

经过

的运算以后为：

(公式16)

而经过运算以后的元素为：

(公式17)

其中，exp(x)表示e^x。

经过(公式13)的运算可以把矩阵对应元素做平均得到矩阵R，矩阵R中的对应元素为：

(公式18)

从(公式18)可以看到，经过(公式13)的运算以后得到的矩阵为接收信号协方差矩阵对应元素的运算，定义矩阵T，其中的元素为：

(公式19)

对矩阵

做如下运算：

(公式20)

其中，ο表示Hadamard(哈达玛特)积。经过上述运算得到的矩阵(以公式20或公式18表示)和经过(公式13)得到的矩阵一样，但可以减少运算量。

103b：将得到的协方差矩阵R带入线性约束最小方差算法(LCMV准则)公式，得到用户2的带有零陷的发射权值w，从而完成波束赋形算法。

线性约束最小方差算法公式为：

w＝R^-1a(θ_d)[a^H(θ_d)R^-1a(θ_d)]^-1g；其中，g为归一化常数。

采用以上步骤计算得到用户2的发射权值。对于用户1，如果取θ_d＝θ₁，以用户2的主瓣方向θ₂为零陷方向，采用上述步骤可以计算得到用户1的发射权值。

采用零陷展宽算法，为组内每个用户生成的发射权值具有如下性质：在用户自己的DOA方向形成主瓣，在组内其它用户的DOA方向生成宽零陷。

104：对组内多个用户的发射权值进行正交化，使得组内用户的发射权值相互正交，得到最终的波束赋形发射权值。

可以采用Schmidt(施密特)正交化算法，对组内用户的发射权值进行正交化。例如，步骤103中得到的用户1和用户2的发射权值分别为u1、u2；正交化后用户1和用户2的发射权值分别v1、v2，则有：

v1＝u1；

$v2=u2-\frac{(u2,v1)}{{\left|\right|v1\left|\right|}^2}v1;$

上式中(·)表示内积，即u2*v1^H；||·||表示取模。

零陷展宽算法的仿真验证：

下面将结合附图对本发明根据零陷展宽算法生成的发射权值对应的波束图进行描述，以验证采用零陷展宽算法生成的发射权值的有效性。

仿真验证中要求在45°和-30°两个方向形成加宽零陷，而在10°方向形成主瓣。如附图所示，图2和图3为随机输入信号x的序列长度为15时所形成的波束图，图4为随机输入信号x的序列长度为1500时所形成的波束图。从附图中可以看出无论输入信号序列长短，所生成的波束都可以满足展宽的零陷和主瓣的方向。只是序列较短时，由于输入信号的随机性，所生成的波束图不稳定，旁瓣有时会比较大。随着输入信号序列长度的增加，算法所生成的波束图趋于稳定，且旁瓣增益不断减小。

Claims (10)

1.一种多用户波束赋形发射权值的生成方法，其特征在于，包括：

基站根据接收到的上行信号采用波达角DOA算法估计出各用户的DOA角度；

基站将满足分组约束条件的用户分入同一用户组；所述分组约束条件包括：对于任意两个用户U_j、U_k，对应的θ_j和θ_k需满足：|θ_j-θ_k|≥δ×Δθ；其中，0.5≤δ≤2，Δθ为零陷展宽算法所使用的零陷宽度值；

对于用户组中的用户U_i，使用θ_i作为主瓣方向，并以θ₁，...，θ_i-1，θ_i+1，...，θ_M作为零陷方向，采用零陷展宽算法生成用户U_i的发射权值；所述用户组中包含用户：U₁、...，U_i-1，U_i+1，...，U_M；

其中，θ_n为用户U_n的DOA角度；1≤n≤N；M为所述用户组中的用户总数，M≤N；N为所有用户的总数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述分组约束条件还包括：对于任意两个用户U_j、U_k，对应的DOA角度θ_j和θ_k需满足：|θ_j-θ_k|≥Δφ；

其中，使用8根发送天线时：Δφ＞10°，使用4根发送天线时：Δφ＞20°。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

使用8根发送天线时：Δφ＞20°，使用4根发送天线时：Δφ＞40°。

4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，

所述分组约束条件还包括：对于任一用户的峰均比，需满足峰均比＞峰均比门限值；

其中，若基站根据接收到的上行信号得到用户U_i对应的波束图主瓣的增益值为P_i，波束图增益的均值为Q_i，则用户U_i的峰均比为P_i/Q_i；

所述峰均比门限值大于2。

5.如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，

所述分组约束条件还包括：对于任一用户的旁瓣主瓣增益比，需满足旁瓣主瓣增益比＜旁瓣主瓣增益比门限值；

其中，若基站根据接收信号得到用户U_i所对应的波束图中除主瓣外增益最大的方向的波束增益值为P₂；用户U_i所对应的波束图的主瓣波束增益值P₁，则所述旁瓣主瓣增益比为：P₂/P₁；

所述旁瓣主瓣增益比门限值小于或等于0dB。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述旁瓣主瓣增益比门限值等于-5dB。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

采用零陷展宽算法生成所述用户组中各用户的发射权值后，所述基站对所述用户组中的各用户的发射权值进行正交化。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述δ的取值范围为：1≤δ≤1.5。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述Δθ的取值范围为：Δθ≤40°。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，

采用8天线时，Δθ的取值范围为：25°≤Δθ≤30°。

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