CN101453255A - 一种波束成形的方法、系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种波束成形的方法，包括以下步骤：基站在各波束中发射码序列，所述码序列中的码元与所述各波束一一对应；在收到根据终端接收的信号和所述码序列的相关度生成的波束选择信息后，所述基站对发送的数据进行波束成形。通过本发明实施例，终端通过做相关度计算生成波束选择信息，并反馈给基站，由基站根据该波束选择信息对发送的数据进行波束成形，终端计算量增加不大，对终端复杂度的要求不高，不仅大大降低了基站的负担，且极大地避免了波束成形失败的可能，提高了智能天线系统的性能。

Description

一种波束成形的方法、系统和装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种波束成形的方法、系统和装置。

背景技术

基站智能天线是一种由多个天线单元组成的阵列天线，通过调节各单元信号的加权幅度和相位，改变阵列的方向图，可以抑制干扰，提高信噪比。基站智能天线可以自动测出用户的方向，并将波束指向用户，实现了波束跟用户走。图1为智能天线最简单的结构——线阵结构，在线阵结构中，一般设定阵元为等间距，如图1所示相邻阵元的间距为d。

在智能天线应用中，一般假设入射波为远场源，即为平面波。根据图1，可以计算出第l根天线的入射波相对第一根天线到达的距离差，如公式(1)所示，

D(l)＝(l-1)dcos(θ)                     (1)

进而可以计算出第l根天线的入射波相对第一根天线到达的相位差，如公式(2)所示，

则第l根天线的接收信号可以表示成(3)式，

其中

为每根天线的信道响应，由每根天线对应的构成的

为阵列流矢量或者称为空间阵列响应，它和天线阵列的结构相关，其中T表示共轭转置。对于圆阵，其原理也一样，由此，从(3)式可以看出，各天线接收信号差别就是

不同。

从(3)式可以看出，各天线接收信号差别就是相位不同和天线噪声不一样。阵列的输出是对各阵元的接收信号向量y(l，t)在各阵元上分量的加权和，如图2所示，输出可写作

$y\left(t\right)=w^{H}x\left(m\right)=\underset{l=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{w}_m\left(\mathrm{\θ}\right)\·y(l,t)---\left(4\right)$

波束成形的目的是尽可能使各天线接收的信号能够同相相加，即估计波束成形因子w_m，最大限度地补偿a(θ)，进而实现最大的波束成形增益10log(M)，M为天线数。

智能天线波束成形是智能天线技术的核心，主要有两种实现方式，一是自适应波束成形，该方法根据信道空间响应实时估计波束成形因子，计算量大，复杂度高；另一种实现方式是切换波束成形，该方法预先设定好一组波束及其对应得因子，通过波束选择的方法进行波束成形，计算量和复杂度都非常低，是一个被认为最有实用价值的方法。

目前对于下行链路的波束选择，常用的方法是上行检测，利用信道的互易性，通过对上行链路的空间信道估计，根据某种准则选择下行波束，并选择该波束作为下行链路成形波束。该方法也称为专用导频方法。通过上行信道估计选择波束进行下行波束成形，对数据和导频都进行波束成形。但是该方法具有以下缺点：

(1)基站需要对每个用户进行空间信道估计，并进行波束选择，运算量大；

(2)由于上下行信道的差异性，尤其是对于FDD(Frequency DivisionDuplex，频分双工模式)系统，通过基站上行检测进行下行波束成形，可靠性差；

(3)不能实时跟踪用户的状况，尤其是当用户方向发生巨大变化时。因为，在实际情况中一旦确定波束成形因子后连续很多帧可能都不需要进行波束更新，但是，如果要实时跟踪用户的话则每帧都需要进行波束选择，运算量太大。

现有技术另一种波束选择方法是采用公共导频方法，即每根天线发射不同的导频，在接收端进行空间信道估计，并进行波束选择，反馈给基站。公共导频不进行波束成形，只对数据进行波束成形。公共导频方法要求用户对空间信道进行估计，计算量大，相对于专用导频方法，终端接收复杂度更高，不过波束跟踪效果更好。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：在现有的波束成形方法中，专用导频方法，对于FDD系统不适用，不能实时地跟踪用户状况；而公共导频方法终端的接收复杂度较高。

发明内容

本发明实施例提供一种波束成形的方法、系统和装置，以解决现有的波束成形方法不适用于FDD系统，终端的接收复杂度高的问题。

为达到上述目的，本发明实施例一方面提供一种波束成形的方法，包括以下步骤：基站在各波束中发射码序列，所述码序列中的码元与所述各波束一一对应；在收到根据终端接收的信号和所述码序列的相关度生成的波束选择信息后，所述基站对发送的数据进行波束成形。

另一方面，本发明实施例还提供一种波束成形的系统，包括：基站，用于在各波束中发射码序列，所述码序列中的码元与所述各波束一一对应，并根据反馈的波束选择信息对应的波束对发送的数据进行波束成形；终端，用于接收所述基站发射的信号，根据所述接收的信号和所述码序列的相关度生成波束选择信息，并将所述波束选择信息反馈给所述基站。

再一方面，本发明实施例还提供一种基站，包括：发射模块，用于在各波束中发射码序列，所述码序列中的码元与所述各波束一一对应；波束成形模块，用于根据终端反馈的波束选择信息对应的波束对发送的数据进行波束成形。

再一方面，本发明实施例还提供一种终端，包括：接收模块，用于接收基站发射的信号；信息生成模块，与所述接收模块连接，用于根据所述接收模块接收的信号和所述码序列的相关度生成波束选择信息；反馈模块，与所述信息生成模块连接，用于将所述信息生成模块生成的波束选择信息反馈给所述基站。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：通过本发明实施例，终端通过相关度计算生成波束选择信息，并反馈给基站，基站根据终端反馈的波束选择信息对发送的数据进行波束成形，从而降低了基站的计算量，并且对终端的复杂度要求不高，同时适用于FDD系统。

附图说明

图1为现有技术智能天线线阵的一般结构原理图；

图2为现有技术智能天线的阵列输出结构的示意图；

图3为本发明实施例波束成形的方法的流程图；

图4为本发明实施例波束成形的系统的结构图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种波束成形的方法，主要解决的是下行链路的波束成形问题，采用下行检测，能够克服由于FDD系统上行检测不准确，或者公共导频方法的高复杂度问题。本发明实施例对于各个导频或相关性非常好的码序列都进行波束成形，且导频或相关性非常好的码序列同波束一一对应，导频数与波束数相等，由于进行了波束成形，因此终端相当于接收单天线数据，使终端检测变得更加简单。

如图3所示，为本发明实施例波束成形的方法的流程图，具体包括以下步骤：

步骤S301，基站在各波束中发射码序列，该码序列中的码元与各波束一一对应。本发明实施例采用下行检测上行反馈的形式，针对每一个下行波束生成一个正交码或者相关性非常好的码序列，本发明实施例以沃尔什码为例进行说明，下行波束与沃尔什码一一对应。假设基站侧有BEAM_NUM个波束，则需要有BEAM_NUM个沃尔什码与各个波束相对应，例如：设X＝[X₁，X₂，…，X_{Beam_num}，…，X_{BEAM_NUM}]，为一沃尔什码序列，Beam_num的取值为1～BEAM_NUM，其中Beam_num为对应的波束号，则每个天线单元l发射的信号为：

其中Beam_num为对应波束号，l为对应的天线单元，X_{Beam_num}(n)为X的第n个码元。

本发明实施例在帧设计的时候只需要预留出一小块资源用于传输对应的码序列，如OFDMA系统中的一个时频块，该时频块资源的大小同码序列的设计相关。

步骤S302，在收到根据终端接收的信号和码序列的相关度生成的波束选择信息后，基站对发送的数据进行波束成形。该终端反馈的波束选择信息是终端根据接收到的信号和码序列的相关度生成的。假设终端只有一根天线，多天线的情况与之类似，在终端接收到基站发射的信号之后，终端计算接收的信号和码序列的相关度，并选择相关度的峰值对应的波束为最优波束，如式(6)所示。

$\arg \underset{\mathrm{Beam}\_\mathrm{num}}{\max }Y\·{X_{\mathrm{Beam}\_\mathrm{num}}}^T---\left(6\right)$

其中

Y(n)为行向量，M为天线阵元数。

终端根据接收的信号和码序列的相关度选择波束，对每帧信号都检测，并通过如公式(6)所述的方法进行相关处理，然后根据相关度的峰值生成并实时更新波束选择信息，如果该波束选择信息有变化则反馈给基站，否则不需要反馈，这保证了波束成形的效果，当然也可以每帧都反馈波束选择信息给基站。基站根据终端反馈的波束选择信息对应的波束对该终端进行波束成形。

在本发明实施例中，由于终端通过计算相关度进行波束选择，计算量增加不大，对终端复杂度的要求不高。本发明实施例不仅大大降低了基站的负担，且极大地避免了波束成形失败的可能，因此，通过本发明实施例可以大大提高智能天线系统的性能，提高系统容量。

本发明实施例通过设计一个专门的时频块，同时在各个方向对码序列进行波束成形，终端只需要做简单的相关度计算就可以选择出最优波束，并反馈给基站，这比公共导频方法的波束选择简单很多，而且这对于FDD系统来说也是有利的，同时具有了专用导频和公共导频波束选择方案的优点，节省了终端的计算量。而且采用本发明实施例，对于相邻基站的波束选择/定位也非常便利，不需要进行接入就可以获取邻居基站/小区的方位信息，从而更加有利于小区的切换，降低了切换时延。

如图4所示，为本发明实施例波束成形的系统的结构图，包括：基站1，用于在各波束中发射码序列，码序列中的码元与各波束一一对应，并根据反馈的波束选择信息对应的波束对发送的数据进行波束成形；终端2，用于接收基站1发射的信号，并根据接收的信号和码序列的相关度生成波束选择信息，并将该波束选择信息反馈给基站1。

其中，基站1包括：发射模块11，用于在各波束中发射码序列；

波束成形模块12，用于根据终端2反馈的波束选择信息对应的波束对发送的数据进行波束成形。

其中，基站1还包括：序列生成模块13，用于生成发射模块11发射的码序列，该码序列可以包括正交码序列或者沃尔什码序列等相关性比较好的码序列。

其中，终端2包括：接收模块21，用于接收基站1发射的信号；

信息生成模块22，与接收模块21连接，用于根据接收模块21接收的信号和码序列的相关度生成波束选择信息；

反馈模块23，与信息生成模块22连接，用于将信息生成模块22生成的波束选择信息反馈给基站1。

其中，信息生成模块22包括：计算子模块221，用于计算终端2接收的信号和码序列的相关度；

峰值确定子模块222，与计算子模块221连接，用于确定计算子模块221计算的相关度的峰值；

生成子模块223，与峰值确定子模块222连接，用于根据峰值确定子模块222确定的相关度的峰值生成波束选择信息。

其中，终端2还包括：信息更新模块24，与信息生成模块22连接，用于在信息生成模块22确定相关度的峰值之后，根据该相关度的峰值实时更新波束选择信息。

上述波束成形的系统，终端2在接收到基站1发射的信号之后，通过相关度计算生成波束选择信息，并反馈给基站1，然后基站1根据该终端2反馈的波束选择信息对应的波束对发送的数据进行波束成形，不仅大大降低了基站1的计算量，且对终端2复杂度的要求不高。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，对于上行链路波束成形也可以采用类似方法，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1、一种波束成形的方法，其特征在于，包括以下步骤：

基站在各波束中发射码序列，所述码序列中的码元与所述各波束一一对应；

在收到根据终端接收的信号和所述码序列的相关度生成的波束选择信息后，所述基站对发送的数据进行波束成形。

2、如权利要求1所述波束成形的方法，其特征在于，所述基站对发送的数据进行波束成形包括：在下行链路波束成形中，所述基站对发送给所述终端的下行数据进行波束成形。

3、如权利要求1所述波束成形的方法，其特征在于，所述基站在各波束中发射的码序列是所述基站生成的正交码序列或者沃尔什码序列。

4、如权利要求1所述波束成形的方法，其特征在于，所述根据终端接收的信号和所述码序列的相关度生成波束选择信息，具体包括以下步骤：

计算所述终端接收的信号和所述码序列的相关度；

确定所述相关度的峰值；

根据所述相关度的峰值生成所述波束选择信息。

5、如权利要求4所述波束成形的方法，其特征在于，所述基站对发送的数据进行波束成形具体包括：所述基站根据所述波束选择信息对应的波束对所述发送的数据进行波束成形。

6、如权利要求4所述波束成形的方法，其特征在于，在根据所述相关度的峰值生成所述波束选择信息之后，还包括：根据所述相关度的峰值实时更新所述波束选择信息。

7、一种波束成形的系统，其特征在于，包括：

基站，用于在各波束中发射码序列，所述码序列中的码元与所述各波束一一对应，并根据反馈的波束选择信息对应的波束对发送的数据进行波束成形；

终端，用于接收所述基站发射的信号，根据所述接收的信号和所述码序列的相关度生成波束选择信息，并将所述波束选择信息反馈给所述基站。

8、如权利要求7所述波束成形的系统，其特征在于，所述基站包括：

发射模块，用于在各波束中发射所述码序列；

波束成形模块，用于根据所述终端反馈的波束选择信息对应的波束对所述发送的数据进行波束成形。

9、如权利要求7所述波束成形的系统，其特征在于，所述终端包括：

接收模块，用于接收所述基站发射的信号；

信息生成模块，与所述接收模块连接，用于根据所述接收模块接收的信号和所述码序列的相关度生成所述波束选择信息；

反馈模块，与所述信息生成模块连接，用于将所述信息生成模块生成的波束选择信息反馈给所述基站。

10、一种基站，其特征在于，包括：

发射模块，用于在各波束中发射码序列，所述码序列中的码元与所述各波束一一对应；

波束成形模块，用于根据终端反馈的波束选择信息对应的波束对发送的数据进行波束成形。

11、如权利要求10所述基站，其特征在于，还包括：序列生成模块，用于生成所述发射模块发射的码序列，所述码序列包括正交码序列或者沃尔什码序列。

12、一种终端，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收基站发射的信号；

信息生成模块，与所述接收模块连接，用于根据所述接收模块接收的信号和所述码序列的相关度生成波束选择信息；

反馈模块，与所述信息生成模块连接，用于将所述信息生成模块生成的波束选择信息反馈给所述基站。

13、如权利要求12所述终端，其特征在于，所述信息生成模块包括：

计算子模块，用于计算所述终端接收的信号和所述码序列的相关度；

峰值确定子模块，与所述计算子模块连接，用于确定所述计算子模块计算的相关度的峰值；

生成子模块，与所述峰值确定子模块连接，用于根据所述峰值确定子模块确定的相关度的峰值生成所述波束选择信息。

14、如权利要求12所述终端，其特征在于，还包括：信息更新模块，与所述信息生成模块连接，用于在所述信息生成模块确定所述相关度的峰值之后，根据所述相关度的峰值实时更新所述波束选择信息。

Images