CN101355379B - 一种适用于时分双工系统的下行波束赋形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于时分双工系统的下行波束赋形方法，包括：根据上行链路的信道冲激响应，计算每根天线发射同一待发射信号的不同延迟时间对应的权值因子；基站端的每根天线，按照不同的延迟时间，将待发射信号与每根发射天线的各个发射延迟时间对应的权值因子相乘后发射。应用本发明，在多径信道环境下，相对于现有的基于EBB算法进行的下行波束赋形方法，能够进一步提高用户接收信号的信噪比。

Description

一种适用于时分双工系统的下行波束赋形方法

技术领域

本发明涉及时分双工(Time Division Duplexing，TDD)技术，特别涉及一种适用于TDD系统的下行波束赋形方法。

背景技术

在移动通信系统中，基站可以根据用户发送的上行信号，对上行链路的信道进行估计，得到上行链路的信道冲激响应。由于在TDD系统中，上行链路和下行链路的信道冲激响应可以认为是互易的，在用户移动速度低于某一门限情况下，上下行链路的信道冲激响应可以认为是相同或变化较小。因此，基站可以将估计得到的上行链路的信道冲激响应作为下行链路的信道冲激响应，这为在TDD系统中利用上行接收信号进行下行波束赋形技术创造了条件。

下行波束赋形技术是一种智能天线技术，它通过采用波束赋形算法，基站根据用户发送的上行信号，确定基站向用户发射下行信号的方式，从而使基站端通过较小的总发射功率就可以令用户端获得较高的信号电平，进而获得较高的信噪比。当前采用的波束赋形技术主要有基于特征向量(eigenvectorbased beam，EBB)方法和波束扫描(Grid of beam，GOB)方法，其中EBB方法性能较好，尤其在多径信道下的表现更加突出。

具体地，利用EBB算法进行的下行波束赋形为：

步骤A0：估计系统上行链路的信道冲激响应，并根据该信道冲激响应确定下行波束赋形的权值矢量，将该矢量中的各个元素对应设置为基站端各个天线的权值因子；

步骤A1：基站端的所有天线，将各自的待发射信号与该天线对应的权值因子相乘后发射。

在上述下行波束赋形方法中，通过调节权值矢量的不同取值，能够使用户端接收到的信号具有尽可能大的信噪比。因此，根据信道冲激响应确定合适的权值矢量是保证下行波束赋形方法性能的重要方面。

下面介绍在EBB算法中根据信道冲激响应确定权值矢量的过程。为了便于描述，在本文中做以下定义：

W表示上行和下行链路信道冲激响应的最大延迟，单位为码片，典型值为16，由于无线信道环境的多径效应，基站端发送出来的一个信号可能会通过多条路径到达用户端，从而带来不同的延迟，W即表示系统支持的信道冲激响应的最大延迟；Ka表示基站端天线阵列的天线数量，典型值为8；m＝{m₀，m₁，...，m_Ka-1}^T表示EBB算法中的权值矢量，其中的任意一个元素为对应于某天线的权值因子；{h_w，ka，w＝0～W-1，ka＝0～Ka-1}表示上行链路的信道冲激响应，该信道冲激响应是一个矩阵，其中的任意一个元素h_w，ka表示第ka根天线延迟为w码片的路径的信道冲激响应，所有天线的所有路径信道冲激响应组成了整个链路的信道冲激响应。

在EBB算法中，确定权值矢量的算法推导过程如下：

步骤B0：假设基站的所有天线在同一时刻的待发射信号为单位脉冲δ(n)，得到用户端的接收信号矢量表达式。

由于信道的最大延迟为W，因此基站端在某时刻发射信号后，用户端接收基站端发射信号的时间范围为t＝0～W-1。根据前述定义的变量，当基站待发射信号为单位脉冲δ(n)时，用户端在任意时刻的接收信号可以表示为：

$r_t=\underset{\mathrm{ka}=0}{\overset{\mathrm{Ka}-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{t,\mathrm{ka}}{m}_{\mathrm{ka}}+n_t,$ 由该表达式可知，用户端在t＝0～W-1时间范围内的接收信号构成的接收信号矢量为：

${\left(r\right)}_{W\×1}={\left[\begin{array}{ccccc}{h}_{\mathrm{0,0}}& h_{\mathrm{0,1}}& h_{\mathrm{0,2}}& & h_{0,\mathrm{Ka}-1}\\ h_{\mathrm{1,0}}& h_{\mathrm{1,1}}& h_{\mathrm{1,2}}& & h_{1,\mathrm{Ka}-1}\\ h_{\mathrm{2,0}}& h_{\mathrm{2,1}}& h_{\mathrm{2,2}}& \·\·\·& h_{2,\mathrm{Ka}-1}\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ h_{W-\mathrm{1,0}}& h_{W-\mathrm{1,1}}& h_{W-\mathrm{1,2}}& & h_{W-1,\mathrm{Ka}-1}\end{array}\right]}_{(W\×\mathrm{Ka})}\×\left[\begin{array}{c}{m}_0\\ m_1\\ m_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ m_{\mathrm{Ka}-1}\end{array}\right]+n=H_{(W\×\mathrm{Ka})}\×m_{(\mathrm{Ka}\×1)}+n$

其中，n表示噪声矩阵。

步骤B1：根据用户的接收信号矢量，计算接收信号的信噪比表达式。

假设用户端的联合检测非常理想，所有的符号间干扰(inter-symbolinterference，ISI)和用户间干扰(multiple access interference，MAI)都可以在联合检测中加以利用，则用户的接收信号功率可以表示为m^HH^HHm，又由于噪声的功率为n^Hn，因此用户接收信号的信噪比可以表示为

(1)。

步骤B2：最大化接收信号的功率得到权值矢量m。

下行波束赋形算法的目的是使用户接收信号的信噪比最大，因此使信噪比最大的权值矢量m就是下行波束赋形的权值矢量，也就是EBB算法中要求解的权值矢量。根据信噪比的表达式

可以看出，求使信噪比最大时m就转化为一个瑞利商(rayleigh quotient)问题。m的最优解就是H^HH的最大特征值对应的特征矢量，在下行链路的信道冲激响应H确定的情况下，可以求得该m。如前所述，在TDD系统中，可以将上行链路的信道冲激响应作为下行链路的信道冲激响应H。

通过上述推导过程可以得到步骤A0中确定权值矢量的具体过程为：

步骤A01：估计上行链路的信道冲激响应H，具体方式可以为：基站端根据用户发送的上行信号，估计上行链路的信道冲激响应；

步骤A02：根据估计的上行链路的信道冲激响应，求

最大时的m，将得到的m作为权值矢量。

将取值矢量中的任意元素m_Ka设置为第ka根天线对应的权值因子。当基站端根据设置的权值因子向用户端发射信号时，能使用户端获得较高的信噪比。

发明内容

本发明提供一种下行波束赋形方法，在多径的无线信道环境下，相对于EBB算法，能够进一步提高用户接收信道的信噪比。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种适用于时分双工系统的下行波束赋形方法，包括：

根据上行链路的信道冲激响应，计算每根天线发射同一待发射信号的不同延迟时间对应的权值因子；

基站端的每根天线，按照不同的延迟时间，将待发射信号与每根天线的各个延迟时间对应的权值因子相乘后发射。

较佳地，所述基站端的每根天线发射同一待发射信号的不同延迟时间为：0，1，...，W-1，单位为码片，所述W为上行链路信道冲激响应的最大延迟。

较佳地，所述根据上行链路的信道冲激响应，计算每根天线发射同一待发射信号的不同延迟时间对应的权值因子包括：

根据上行链路的信道冲激响应构造所有天线的上行链路的信道冲激响应J；

根据所述所有天线的上行链路的信道冲激响应计算所述权值因子。

较佳地，所述所有天线的上行链路的信道冲激响应为：

$J={\left[\begin{array}{cccc}{J}_0& J_1& \·\·\·& J_{\mathrm{Ka}-1}\end{array}\right]}_{(2W-1)\×\mathrm{KaW}},$ 其中，

h_w，ka表示第ka根天线延迟时间为w码片的路径的上行链路的信道冲激响应。

较佳地，所述根据所有天线的上行链路的信道冲激响应计算所述权值因子包括：

计算使

最大的S，将S中的任意元素S_w，ka设置为第ka根天线上延迟时间为w码片对应的权值因子，其中，ka＝0，1，...，Ka-1，w＝0，1，...，W-1，所述W为上行链路信道冲激响应的最大延迟。

较佳地，在计算对应的权值因子后，该方法进一步包括：对计算得到的权值因子进行修正，在发射信号时乘以修正后的权值因子。

较佳地，所述对计算得到的权值因子进行修正为：比较各个权值因子与预先设置的门限，若该权值因子小于所述门限，则将该权值因子的取值置0；否则，保持该权值因子的取值不变。

较佳地，所述对计算得到的权值因子进行修正为：在所有权值因子中，选择取值最大的N个权值因子，将除所述N个权值因子外的其它权值因子的取值置0，所述N个权值因子的取值不变；所述N为预先设置的保留路径数。

较佳地，所述上行链路的信道冲激响应为根据基站端接收的用户信号估计得到的上行链路的信道冲激响应。

由上述技术方案可见，本发明中，根据上行链路的信道冲激响应，计算每根天线发射同一待发射信号的不同延迟时间对应的权值因子，当发射信号时，基站端的每根天线，按照不同的延迟时间，将待发射信号与每根天线的各个延迟时间对应的权值因子相乘后发射。这样，将待发射信号在每根天线上以不同的延迟时间发射多次，并在发射时乘以与该天线的延迟时间对应的权值因子，从而在多径信道环境下，相对于现有的基于EBB算法进行的下行波束赋形方法，能够进一步提高用户接收信号的信噪比。

附图说明

图1为本发明提供的适用于TDD系统的下行波束赋形方法的总体流程图。

图2为本发明实施例中适用于TDD系统的下行波束赋形方法的具体流程图。

图3为本发明方法与背景技术中EBB方法的性能比较示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术手段和优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明的基本思想是：在发射下行信号时，在各个天线上将待发射信号以不同的延迟时间发射多次，通过调整不同天线的不同延迟时间所对应的权值因子，提高用户接收信号的信噪比。

图1为本发明提供的适用于TDD系统的下行波束赋形方法的总体流程图。如图1所示，该方法包括：

步骤101，根据上行链路的信道冲激响应，计算每根天线发射同一待发射信号的不同延迟时间对应的权值因子。

本步骤中，首先需要根据信道冲激响应确定权值矢量，然后，将权值矢量中的各个元素设置为相应天线和延迟时间对应的权值因子。其中，不同的延迟时间具体可以为：0，1，...，W-1，单位为码片，W为下行链路信道冲激响应的最大延迟。

在EBB算法中，所有天线对待发射信号只发射1次，因此不同天线各自对应有权值因子，但对于任意一根天线，只有一个对应的权值因子；本发明中，各个天线会将待发射信号以不同的延迟时间发射多次，因此，权值因子的设置不仅要对应于不同天线，并且要对应该天线上发射信号的不同延迟时间，可见，本发明中确定的权值因子是对应于两个变量的，分别是天线和延迟时间。

具体地，设置不同天线和不同延迟时间对应的权值因子的方式可以通过建立表格的方式进行，例如，如表1所示的权值因子设置表格。

 

天线编号	延迟时间(单位：码片)	权值因子取值
			0	0	s0，0

 

0	1	s0，1
			...	...	...
0	W-1	s0，W-1
			1	0	s1，0
...	...	...
			1	W-1	s1，W-1
...	...	...
			Ka-1	0	sKa-1，0
...	...	...
			Ka-1	W-1	sKa-1，W-1

表1

由表1可见，对于每根天线，均有W个不同的延迟时间，并且各个延迟时间之间有一定的规律，即延迟时间以步长为1个码片增长，最大的延迟时间为下行链路信道冲激响应的最大延迟。对于第ka根天线，当延迟时间为w码片时，设置其对应的权值因子为s_ka，w，其中，ka的取值为0～Ka，w的取值为0～W-1。

步骤102，基站端的每根天线，按照不同的延迟时间，将待发射信号与每根天线的各个延迟时间对应的权值因子相乘后发射。

本步骤中，每根天线发射信号时，根据步骤101中确定的天线、延迟时间和权值因子的对应关系，将待发射信号乘以对应的权值因子后，按照相应的延迟时间，从对应天线发射出去。具体地，对于第ka根天线，按照w码片的延迟时间，将待发送信号乘以权值因子s_ka，w后发射出去，其中，ka的取值为0～Ka，w的取值为0～W-1。

通过上述本发明提供的方法，将待发射信号在每根天线上分别以不同的延迟时间发射多次，并在发射时乘以相应的权值因子，从而相对于EBB算法进行的下行波束赋形方法，使用户接收信号的信噪比进一步提高。

上述即为对本发明的总体概述，下面通过具体实施例说明本发明的具体实施方式。

首先推导本发明中确定权值矢量的算法：

步骤C0，假设待发射信号为单位脉冲δ(n)，基站端的每根天线分别以w码片的延迟时间发射W次δ(n)，得到用户端的接收信号矢量表达式。

由于上行链路信道冲激响应的最大延迟为W，对基站端以0码片的延迟时间(即没有延迟)发射的信号，用户端接收该信号的时间范围为t＝0～W-1；对基站端以1个码片的延迟时间发射的信号，用户端接收该信号的时间范围为t＝1～W；对基站端以2个码片的延迟时间发射的信号，用户端接收该信号的时间范围为t＝2～W+1；……对基站端以W-1码片的延迟时间发射的信号，用户端接收该信号的时间范围为t＝W-1～2W-2。由上述可得，用户端接收同一发射信号的时间范围为t＝0～2W-2。假设第ka根天线、w码片的延迟时间对应的权值因子为S_w,ka，用户端在任意时刻的接收信号可以表示为 $r_t=\underset{\mathrm{ka}=0}{\overset{\mathrm{Ka}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{w=0}{\overset{W-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{t-w,\mathrm{ka}}{S}_{w,\mathrm{ka}}+n_t,$ 根据该表达式，用户端在t＝0～2W-2时间范围内的接收信号r_t构成的接收信号矢量为： $r=\underset{\mathrm{ka}=0}{\overset{\mathrm{Ka}-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{:,\mathrm{ka}}\⊗s_{:,\mathrm{ka}}+n=\underset{\mathrm{ka}=0}{\overset{\mathrm{Ka}-1}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{\mathrm{ka}}{S}_{\mathrm{ka}}=\mathrm{JS}+n,$ 在该矢量表达式中， $J={\left[\begin{array}{cccc}{J}_0& J_1& \·\·\·& J_{\mathrm{Ka}-1}\end{array}\right]}_{(2W-1)\×\mathrm{KaW}},$

$S={\left[\begin{array}{c}{S}_0\\ S_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ S_{\mathrm{Ka}-1}\end{array}\right]}_{\mathrm{KaW}\×1},$ $S_{\mathrm{ka}}={\left[\begin{array}{c}{S}_{0,\mathrm{ka}}\\ S_{1,\mathrm{ka}}\\ \·\\ \·\\ \·\\ S_{W-1,\mathrm{ka}}\end{array}\right]}_{W\×1}---\left(3\right)$

n表示噪声矩阵。参照信道冲激响应的定义，可以将矩阵J看作所有天线的上行链路的信道冲激响应。

步骤C1，根据步骤C0中得到的用户的接收信号矢量，计算接收信号的信噪比表达式。

假设用户端的联合检测非常理想，所有的符号间干扰(inter-symbolinterference，ISI)和用户间干扰(multiple access interference，MAI)都可以在联合检测中加以利用，则用户的接收信号功率可以表示为(JS)^HJS＝S^HJ^HJS，又由于噪声的功率为n^Hn，因此用户接收信号的信噪比可以表示为

(4)。

步骤C2，最大化接收信号的功率得到权值矢量S。

如前所述，使信噪比最大的权值矢量S就是下行波束赋形的权值矢量。根据信噪比的表达式

可以看出，求使信噪比最大时的S就转化为一个瑞利商(rayleigh quotient)问题。S的最优解就是J^HJ的最大特征值对应的特征矢量。

至此，推导权值矢量计算方法的流程结束。由上述推导可见，本发明中确定权值矢量的方式可以为：求

最大时的S。

图2为本发明实施例中适用于TDD系统的下行波束赋形方法的具体流程图。如图2所示，该方法包括：

步骤201，估计上行链路的信道冲激响应。

本步骤中，具体确定上行链路的信道冲激响应的方式可以采用与背景技术中相同的方式，即基站端根据用户发送的上行信号对上行链路的信道进行估计，得到上行链路的信道冲激响应。

步骤202，根据步骤201确定的信道冲激响应构造所有天线的上行链路的信道冲激响应J。

根据前述步骤C0的推导过程可知，本步骤可以按照式(2)构造J，具体为：

$J={\left[\begin{array}{cccc}{J}_0& J_1& \·\·\·& J_{\mathrm{Ka}-1}\end{array}\right]}_{(2W-1)\×\mathrm{KaW}},$

步骤203，根据上行链路的信道冲激响应和表达式

计算每根天线的不同延迟时间对应的权值因子。

由前述步骤C1～C2的推导过程和表达式(3)可知，使表达式最大的S即为所有权值因子构成的权值矢量。具体解法为：计算J^HJ的最大特征值对应的特征矢量，将该特征矢量作为S。

根据表达式(3)，将求得的权值矢量中的各个元素作为与各个天线和各个延迟时间对应的杈值因子。其中，每根天线的不同延迟时间与系统支持的信道冲激响应的最大延迟W相关，该不同延迟时间可以为：0，1，…，W-1，单位为码片。

具体地，将权值矢量中的元素作为各个天线和各个延迟时间对应的权值因子为，将元素S_ka,w设置为与第ka根天线、延迟时间为w码片对应的权值因子，其中，ka的取值为0～Ka，w的取值为0～W-1。

步骤204，基站端的每根天线，按照不同的延迟时间，将待发射信号与每根天线的各个延迟时间对应的权值因子相乘后发射。

本步骤中，根据步骤204中确定的各个权值因子，将待发射信号乘以对应的权值因子后，在各个发射天线上，分别以不同的延迟时间发射出去。具体地，对于第ka根天线，按照w码片的延迟时间，将待发送信号乘以权值因子S_ka,w后发射出去，其中，ka的取值为0～Ka，w的取值为0～W-1。

至此，本实施例的方法流程结束。依照上述下行波束赋形方法进行基站端的信号发射，即能够使用户接收信号的信噪比进一步提高，为用户带来更好的服务体验，进一步节省系统资源，有效增加系统容量，提高频谱利用率。并且，该下行波束赋形方法中的权值矢量可以随时根据变化的上行链路的信道冲激响应做实时的调整。

在本发明提供的方法中，待发射信号在每根天线发射W次，这可能在接收端造成其他干扰。不过，由于实际的多径信道环境中，虽然信道冲激响应的最大延迟典型值为16，但通常多径信道的路径数为3、4条，因此经过信道估计得到的信道冲激响应中很多元素的值为0，根据该信道冲激响应获得的等价信道冲激响应中也有很多元素为0，从而使根据该等价信道冲激响应确定的权值因子中部分为0，因此在实际发射信号时每根天线上的发射次数达不到W次，从而一般不会对接收端造成干扰。

另外，对于上述提到的发射W次会带来干扰的问题，也可以通过修正计算所得权值因子的方式减少发射次数，从而减小造成的干扰。具体地，可以有两种修正权值因子的方式：一、预先设置门限，将所有计算得到的权值因子与门限进行比较，若该权值因子小于门限，则将该权值因子置0；否则，保持该权值因子的取值不变；二、预先设置保留的路径数N，在所有的权值因子中选择N个最大的权值因子，保持其权值因子的取值不变，将其余权值因子的取值置0。通过上述两种方式，均可以限制同一信号的发射次数，使系统既能够提高用户接收信号的信噪比，又能尽量降低对在接收端的其他干扰。

本实施例还提供了本发明方法与背景技术中EBB方法的性能比较示意图。如图3所示，纵坐标为误码率P_b，横坐标为以分贝(dB)为单位的载波干扰比(C/I)，其中，C/I是信噪比的一种形式。图中的曲线301表示采用背景技术的基于EBB算法的下行波束赋形方法时，在满足一定误码率的前提下，用户接收信号的C/I；曲线302表示采用本发明的下行波束赋形方法时，在满足一定误码率的前提下，用户接收信号的C/I。由图3可以看出，本发明的方法相对于背景技术中的方法，用户接收信号的C/I提高了1.5-2dB。可见，本发明的方法能够进一步提高用户接收信号的信噪比，为用户带来更好的体验。另外，上述图3的性能曲线是在三条径的无线信道环境中测得的结果，事实上，随着多径数目的增大，本发明能够带来更大的信噪比提升。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于时分双工系统的下行波束赋形方法，其特征在于，该方法包括：

根据上行链路的信道冲激响应，构造所有天线的上行链路的信道冲激响应J＝[J₀ J₁…J_Ka-1]_(2W-1)×KaW；其中， $J_{\mathrm{ka}}={\left[\begin{array}{cccc}{h}_{1,\mathrm{ka}}& & & \\ h_{2,\mathrm{ka}}& h_{1,\mathrm{ka}}& & \\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& h_{2,\mathrm{ka}}& & \\ h_{W,\mathrm{ka}}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& & h_{1,\mathrm{ka}}\\ & h_{W,\mathrm{ka}}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& h_{2,\mathrm{ka}}\\ & & & \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ & & & h_{W,\mathrm{ka}}\end{array}\right]}_{(2W-1)\×W},$ h_w，ka表示第ka根天线延迟时间为w码片的路径的上行链路的信道冲激响应；

根据所述所有天线的上行链路的信道冲激响应J，计算每根天线发射同一待发射信号的不同延迟时间对应的权值因子；

基站端的每根天线，按照不同的延迟时间，将待发射信号与每根天线的各个延迟时间对应的权值因子相乘后发射；

其中计算所述权值因子的方式为：计算使

最大的S，将S中的任意元素s_w，ka设置为第ka根天线上延迟时间为w码片对应的权值因子；其中， $S={\left[\begin{array}{c}{S}_0\\ S_1\\ .\\ .\\ .\\ S_{\mathrm{Ka}-1}\end{array}\right]}_{\mathrm{KaW}\×1},$ $S_{\mathrm{ka}}={\left[\begin{array}{c}{s}_{0,\mathrm{ka}}\\ s_{1,\mathrm{ka}}\\ .\\ .\\ .\\ s_{W-1,\mathrm{ka}}\end{array}\right]}_{W\×1},$ ka＝0，1，...，Ka-1，w＝0，1，...，W-1，所述W为上行链路信道冲激响应的最大延迟。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算对应的权值因子后，该方法进一步包括：对计算得到的权值因子进行修正，在发射信号时乘以修正后的权值因子。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对计算得到的权值因子进行修正为：比较各个权值因子与预先设置的门限，若该权值因子小于所述门限，则将该权值因子的取值置0；否则，保持该权值因子的取值不变。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对计算得到的权值因子进行修正为：在所有权值因子中，选择取值最大的N个权值因子，将除所述N个权值因子外的其它权值因子的取值置0，所述N个权值因子的取值不变；所述N为预先设置的保留路径数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上行链路的信道冲激响应为根据基站端接收的用户信号估计得到的上行链路的信道冲激响应。

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