CN101517922B - 波束形成的方法、系统以及装置 - Google Patents

Abstract

这里公开的是用于下行链路形成的一种系统和方法，在确定用于波束形成过程的导向矢量时，它将发射机处的非理想信道状态信息(CSI)考虑在内。导向矢量计算方法定义为提高所希望的信号分量的平均功率与该信号对其它无线终端的干扰功率之和之比，这里将它称为信号-泄漏比。通过在计算导向矢量时将非理想CSI考虑在内，能够降低给定信噪比对应的比特差错率。还公开一种功率分配方法，通过提高当前与基站通信的所有无线终端的信号-干扰加噪声比，这种方法能够提高系统的性能。这种功率分配方法同样能够降低给定信噪比情况下特别是在高信噪比情况下的比特差错率。

Description

波束形成的方法、系统以及装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术。具体而言，本发明涉及下行链路波束形成的系统和方法。

背景技术

波束形成是利用天线阵列控制发射信号方向的过程。阵列中每个天线发射的信号在所希望的方向上相加使得合成信号强度增强，而在不希望的方向上互相抵消使得合成信号强度减弱。可以将波束形成技术应用于蜂窝通信系统来提高能够连接到单个基站的用户的容量。通过在同一频带上同时与不同位置上的多个无线终端(例如蜂窝电话)进行通信，基站能够利用波束形成技术提高容量。

为了使基站能够进行波束形成，可能需要信道状态信息(CSI)。CSI指的是信号通道的数学表示，也就是从发送方到接收方信号穿过通信媒质的方式的数学表示。基站处能够获得用于波束形成的CSI有可能因为各种问题而不是理想的，例如信道估计误差、量化误差和反馈延迟。与基站处能够获得理想CSI时能够实现的比特差错率相比，非理想CSI会增大给定信噪比下的比特差错率。因此，需要利用非理想CSI来进行波束形成，而不怎么增大给定信噪比下的比特差错率。

发明内容

在这里公开的是一种电信网络组件。这种电信网络组件可以包括存储器，用于储存指令；以及处理器，用于执行储存的指令。储存的指令可以包括：确定将非理想信道状态信息考虑在内的导向矢量；输出要应用于要发射的符号的导向矢量。

在这里公开的还有一种系统，包括：导向矢量计算单元，用于确定将非理想信道状态信息考虑在内的导向矢量。这一系统还可以包括发射天线阵列，用于按照计算出来的导向矢量发射信号。

在这里公开的还有一种波束形成方法，用于确定将非理想信道状态信息考虑在内的导向矢量。这种方法还可以确定功率分配值，这一功率分配值能够提高给多个无线终端之一的至少一个信号的信号强度。这种方法还可以按照导向矢量和功率分配值发射至少一个符号。

通过以下详细说明，同时结合附图和权利要求，本发明的这些和其它特征和优点将会更加清楚。

附图说明

为了更加全面地理解本发明及其优点，下面将参考以下简要描述，并结合附图和详细说明，其中相似的附图标记表示相似的部件。

图1说明一种示例性的电信系统；

图2说明实现波束形成方法一个实施例的示例性过程；

图3说明一个示例性基站；

图4A～4B说明一个实施例中将非理想CSI考虑在内时提高了性能的示例性计算机仿真结果；

图5A～5B说明另一个实施例中将非理想CSI考虑在内时提高了性能的示例性计算机仿真结果；

图6A～6B说明另一个实施例中将非理想CSI考虑在内时提高了性能的示例性计算机仿真结果；

图7A～7B说明一个实施例中分配功率时提高了性能的示例性计算机仿真结果；以及

图8说明适合于实现本发明几个实施例的示例性通用计算机系统。

具体实施方式

一开始就应当明白，尽管下面给出了本发明一个实施例的说明性实现方式，但是本发明还可以用任意数量的技术来实现，不管它们是现在已知的还是已经存在的。无论如何，本公开不限于下面说明的说明性的实现方式、附图和技术，包括这里说明和描述的示例性设计和实现方式，而是可以在后面的权利要求及其等同方案的范围内进行改进。

这里公开的是用于下行链路波束形成的一种系统和方法，这种波束形成技术在确定波束形成过程中使用的导向矢量(steering vector)时，将发射机处的非理想信道状态信息(CSI)考虑在内。将导向矢量计算出来，以便提高所需信号分量的平均功率与其它无线终端的干扰功率和之比，这个比值称为信号-泄漏比。通过在计算导向矢量时将非理想CSI考虑在内，能够降低给定信噪比对应的比特差错率。当无线终端数量维持固定时，通过增加发射天线的数量来进一步提高增益性能。还公开一种功率分配方法，通过提高当前与基站通信的所有无线终端的信号-干扰加噪声比，这种方法能够提高系统的性能。这种功率分配方法同样能够降低给定信噪比情况下特别是在高信噪比情况下的比特差错率。

图1画出了能够用于实现这里公开的波束形成技术的说明性电信系统100。电信系统100包括基站102和多个无线终端112、114和116。基站102具有N_T个发射天线104，并且分别与K个无线终端112、114和116通信。如同这里所使用的一样，用“N_T”或大写的“K”分别表示天线或无线终端数量的具体指定。例如，在具有五个发射天线104的基站内，N_T＝5。同样，在具有八个无线终端的系统内，K＝8。如图1所示，无线终端的数量小于或等于发射天线104的数量，也就是说K≤N_T。无线终端112、114或116中的每一个可以是移动无线终端，例如蜂窝电话，或者固定无线终端。无线终端112、114和116中的每一个具有至少一个接收天线112A、114A和116A，用于从基站102接收通信信号。还有，无线终端112、114和116通过空分多址共享同一频带。空分多址是利用无线终端112、114和116的空间分集的一种通信技术。也就是说，无线终端112、114和116中的每一个可以处于互相排它性的位置上。利用波束形成，发射信号的方向可以由基站102来控制，使得基站102能够在同一频带上与多个空间分集的无线终端112、114和116通信。

如同上面所讨论的一样，波束形成是利用天线阵列控制发射信号方向的过程。基站102可以按照导向矢量发射输入数据符号给希望的无线终端，这个导向矢量被用来利用波束形成进行通信。导向矢量表明发射天线104中的每个天线如何发射数据，从而使得一组互相叠加的信号如何被引向无线终端。导向矢量承载符号的方式被称为信号矢量。当信号矢量穿越基站102和无线终端之间的空间时，传输介质会影响发射信号矢量。将传输介质影响信号矢量的方式表示为信道。在无线终端处收到的信号包括收到的任何噪声以及受到信道影响的信号矢量。噪声包括无线终端的天线捕获到的背景噪声以及给其它无线终端的信号。无线终端收到的信号的强度受到基站102处分配给信号的功率的影响。通过改变基站102处分配的功率，无线终端处收到的信号的强度也同样改变。下面更加详细地描述波束形成过程。

基站102通过通信信道h₁ 106、h_k 108和h_K 110与每个无线终端112、114和116通信。通信信道h₁ 106、h_k 108和h_K 110表示介质中信号从发射天线104到达接收天线112A、114A或116A之一所通过的路径。如同这里所使用的一样，使用下标k表示的是对相似项构成的各个组的一般指定，例如对通信信道或无线终端的一般指定。假设通信信道h₁ 106、h_k 108和h_K 110具有平坦衰落特性。衰落指的是通信介质中的改变引起的发射信号的变化，其中平坦衰落指的是对于接收信号中的所有频率分量，衰落都成比例地出现(proportionally)。将与基站处的第i个发射天线和第k个无线终端114对应的复信道增益表示为h_ik。例如，将第一发射天线104到第一无线终端112的信道表示为h₁₁。每个信道h_ik都可以是具有零均值、单位方差并且对于不同的i或k独立的圆复高斯函数。

如同上面所讨论的一样，CSI被基站102用于波束形成。可以用本领域技术人员熟知的任何技术将CSI从每个无线终端112、114和116反馈回基站102。例如，可以用时分双工(TDD)系统将CSI反馈回来。在TDD系统中，用于将CSI传递给基站102的上行链路通信与从基站102出发的下行链路通信处于同一频带。为了防止干扰，上行链路和下行链路通信在不同的时刻进行。也可以在无线终端处估计CSI，并通过任何合适的反馈技术将它反馈回基站102。

CSI指的是信号通道的数学表示h_ik。因为各种原因，例如信道估计误差、量化误差(对于低数据速率反馈)和反馈中的延迟，基站处用于波束形成能够使用的CSI是非理想的，可以将它表示为：

${\hat{h}}_{\mathrm{ik}}=h_{\mathrm{ik}}+e_{\mathrm{ik}}$

其中

表示假设有误差的CSI，h_ik表示实际CSI，e_ik表示CSI中的误差。误差e_ik可能是复高斯函数，具有零均值，方差为

不依赖于h_ik，并且对于不同的i和k是独立同分布(i.i.d.，independent，identically distributed)。如果将全部信道的CSI的每个分量表示为如下矩阵形式：

那么：

${\hat{h}}_k=h_k+e_k---\left(2\right)$

图2说明本公开一个实施例中将非理想CSI考虑在内的波束形成过程。在框202中，为每个无线终端计算导向矢量，来提高所希望的信号功率，以及减少对其它无线终端的干扰的总功率。在框204中，按照框202中计算出来的导向矢量调整要发射的符号，以获得信号矢量。在框206中，在给定发射功率总量的基础上，为每个天线计算分配的功率，以提高所有无线终端的信号-干扰加噪声比(SINR)。在框208中，按照框206中计算出来的分配功率调整框204中获得的信号矢量。在框210中，发射天线104将信号矢量发射给无线终端112、114和116。尽管针对上述过程图2给出了一个特定顺序，但是这一顺序不是限制性的。例如，可以在框202和204之前或者与它们同时执行框206和208的操作。在另一种替换实施例中，框206和208是可选的。也就是说，可以仅仅按照导向矢量来发射信号，而不将功率分配应用于发射信号。在这种情况下，基站102处能够获得的总发射功率将被均匀地分配给每个发射天线104。下面将更加详细地描述图2所示过程里的每个框。

图3说明用于完成前面结合图2描述的波束形成过程的说明性的基站102。基站包括导向矢量计算单元306、功率分配计算单元308、多个调整单元302和304以及多个天线104。每个调整单元302和304以及天线104排成并行结构，如图3所示。如同下面将更加详细地说明的一样，导向矢量计算单元306可以被用来产生导向矢量，当基站102处能够获得非理想CSI时，这个导向矢量能够减小接收信号的比特差错率(BER)。如同下面更加详细地描述的一样，功率分配计算单元308可以被用来调整天线104发射的信号的信号强度，以便当基站102处能够获得非理想CSI时进一步降低接收信号的BER。

如图1和3所示，基站102具有作为输入数据的符号s_k，要将它发射给第k个无线终端114。符号s_k可以表示未经加工的数据，也可以表示已经加密以确保数据传输安全。此外，还可以在符号s_k中嵌入纠错码，以便能够在无线终端114处更加可靠地对数据解码。符号s_k可以是i.i.d.的，并且具有零均值和单位方差。

图3所示的基站102可以包括导向矢量计算单元306，用于计算第k个无线终端114的导向矢量u_k。回到图2，框202可以用导向矢量计算单元306来实现。导向矢量u_k表明N_T个发射天线104中的每一个如何发射数据，从而将利用波束形成的通信信号发送给第k个无线终端114。可以将导向矢量u_k表示为

其中u_1k表示要由第一个发射天线104发射的导向分量，

表示要由第N_T个发射天线104发射的导向分量。

图3所示的基站102还可以包括多个调整单元302，用于产生信号矢量x。回到图2，框204可以用调整单元302来实现。信号矢量x说明发射天线104如何按照所有无线终端112、114和116的导向矢量，为所有无线终端112、114和116发射符号。图3所示的每个调整单元302为第k个无线终端114产生信号矢量x的一部分，其中对于l＝1，...，N_T，x_lk＝u_lks_k，它要由基站102发射。信号矢量x_lk的每一部分表示第l个发射天线104如何按照导向分量u_lk发射符号s_k。基站处的发射信号矢量x表示按照所有无线终端112、114和116的导向矢量u_k发射的符号s_k的总和。可以将导向后的信号矢量表示为：

$x=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k{s}_k---\left(3\right)$

其中s_k表示为第k个无线终端114发射的符号，u_k表示第k个无线终端114的导向矢量。

图3所示的基站102可以包括功率分配计算单元308。回到图2，框206可以用功率分配计算单元308来完成。功率分配计算单元308被用于计算功率分配因子p_lk，以便调整天线104发射的信号的信号强度，下面将详细介绍。

图3所示的基站102可以包括多个调整单元304。回到图2，框208可以用调整单元304来完成。调整单元304改变信号矢量x_lk，从而使得分配给信号矢量x_lk的每一部分的功率可以按照功率分配计算单元308计算出来的功率分配因子p_lk来加以调整。

每个无线终端112、114和116可以通过它们的对应天线112A、114A和116A接收信号。穿过通信信道以后，在第k个无线终端114处收到的信号可以被表示为：

$r_k=h_k^T{u}_k{s}_k+\underset{l\≠k}{\mathrm{\Σ}}{h}_k^T{u}_l{s}_l+n_k---\left(4\right)$

其中第一项表示第k个无线终端114处所希望的信号分量。这个所希望的信号分量表示第k个无线终端114的发射信号矢量x如何穿过通信信道h_k。公式(4)中的第二项

表示第k个无线终端114处收到的多用户干扰(MUI)。MUI表示所有其它无线终端的发射信号矢量x之和是如何穿过通信信道h_k的，并且是如何被第k个无线终端114收到的。公式(4)的第三项n_k表示第k个无线终端114处的加性高斯白噪声(AWGN)，它具有零均值和方差MUI和噪声n_k表示第k个无线终端114处收到的不希望的信号分量。

从公式(4)中的接收信号可知，瞬时信号-干扰加噪声比(SINR)将是：

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{{\left|h_k^T{u}_k\right|}^2}{\underset{l\≠k}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_k^T{u}_l\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_n^2}---\left(5\right)$

SINR表示所希望的信号分量的幅度与不希望的信号分量的幅度之和的比值。

按照一个实施例，下面讨论为了进一步提高性能，利用非理想CSI和功率分配进行波束形成。在基站102处，只观察到非理想CSI：

因此，根据公式(2)，对于导向矢量u_k，第k个无线终端114观察到的所希望的信号分量为：

$h_k^T{u}_k={({\hat{h}}_k-e_k)}^T{u}_k$

如同上面所定义的一样。所以，给定基站处的非理想CSI，第k个无线终端114的所希望的信号分量的平均功率为：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{kk}}=E{\left|{({\hat{h}}_k-e_k)}^T{u}_k\right|}^2$

$={\left|{\hat{h}}_k^T{u}_k\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_h^2{\left|\right|u_k\left|\right|}^2---\left(6\right)$

类似地，在第k个无线终端114处，来自第n个无线终端的发射符号的干扰功率为：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nk}}={\left|{\hat{h}}_k^T{u}_n\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_h^2{\left|\right|u_n\left|\right|}^2---\left(7\right)$

为了提供考虑了非理想CSI的导向矢量，可以确定导向矢量u_k，k＝1，...，K，来提高SINR的低值。也就是说，选择u_k，k＝1，...，K来提高：

$\mathrm{\γ}(u_1,...,u_k)=\underset{1\≤k\≤K}{\min }\left\{\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{kk}}}{\underset{l\≠k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lk}}+{\mathrm{\σ}}_n^2}\right\}$

在这个实施例中，导向矢量计算单元306可以通过提高上式来完成框202。

可以替换地，不是求解以上方程，而是可以将每个导向矢量选择成提高信号-泄漏比(SLR)的比值，也就是提高：

${\mathrm{\γ}}_k\left(u_k\right)=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{kk}}}{\underset{l\≠k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{kl}}}---\left(8\right)$

(8)式中的分子λ_kk表示基站发射给第k个无线终端114的所希望的信号分量的平均功率。(8)式的分母

表示基站给第k个无线终端114的信号发射到其它无线终端112和116的平均干扰功率之和。因此，SLR表示第k个无线终端114的所希望的信号分量的平均功率，与发射第k个无线终端114的信号给其它无线终端112和116的平均干扰功率之和的比。利用(6)和(7)，将基站102处观察到的非理想CSI考虑在内，就可以将(8)式表示为：

${\mathrm{\γ}}_k\left(u_k\right)=\frac{{\left|{\hat{h}}_k^T{u}_k\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_h^2{\left|\right|u_k\left|\right|}^2}{\underset{l\≠k}{\mathrm{\Σ}}({\left|{\hat{h}}_l^T{u}_k\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_h^2{\left|\right|u_k\left|\right|}^2)}$

$=\frac{u_k^H{R}_{\mathrm{sk}}{u}_k}{u_k^H{R}_{\mathrm{ik}}{u}_k}---\left(9\right)$

其中：

$R_{\mathrm{sk}}={\hat{h}}_k*{\hat{h}}_k^T+{\mathrm{\σ}}_h^{2}I$

并且

$R_{\mathrm{ik}}=\underset{l\≠k}{\mathrm{\Σ}}{\hat{h}}_l*{\hat{h}}_l^T+(K-1){\mathrm{\σ}}_h^{2}I$

可以看出，如果

那么R_sk和R_ik都是正定的。令R_ik的本征分解为：

其中d_lk是全部非零的，U_k表示单位矩阵。记：

$v_k=D_k{U}_k^H{u}_k,$

或者

$u_k=U_k{D}_k^{-1}{v}_k$

其中

并且

${\mathrm{\γ}}_k\left(u_k\right)=\frac{v_k^H{D}_k^{-1}{U}_k^H{R}_{\mathrm{sk}}{U}_k{D}_k^{-1}{v}_k}{{\left|\right|v_k\left|\right|}^2}$

令γ_ok表示

的最大本征值，v_ok表示对应的本征矢量。那么当u_k满足如下条件时，SLRγ_k(u_k)，达到高值γ_ok：

$u_{\mathrm{ok}}=U_k{D}_k^{-1}{v}_{\mathrm{ok}}---\left(10\right)$

从公式(10)计算出来的矢量不必归一化，但是可以通过对u_ok进行归一化来获得导向矢量。因此，导向矢量计算单元306可以按照上面的定义通过计算u_ok并对其进行归一化处理来实现框202，从而获得基站102处能够获得非理想CSI的时候提高SLR的导向矢量。

上面讨论的是为每个无线终端进行的导向矢量优化，以提高到其它无线终端的所希望的信号功率和降低总干扰功率。为了进一步优化整个电信系统100，还要对发射功率进行优化，这里的发射功率指的是分配给要发射给每个无线终端112、114和116的信号功率。当确定上述导向矢量时，分配给每个无线终端112、114和116的信号的功率相等。这可能不是最优的，因为部分无线终端会有比其它终端更高的SINR。

如果一些无线终端已经具有更高的SINR，那么功率就会浪费，即给具有高SINR的无线终端的信号分配过多的功率，而给具有低SINR的无线终端的信号分配的功率不够，都会浪费功率。还有，如果降低分配给要发射给具有高SINR的无线终端的信号的功率，就能够降低这些信号产生的干扰。换言之，既然那些无线终端的SINR已经很高，因此可以降低信号的SINR而不会给接收信号带来不利影响，在这种情况下，可以降低分配给这些信号的功率来适当降低SINR。通过降低分配给具有高SINR的信号的功率，也能够降低这些信号引起的干扰。因此，为了优化功率，要尽量提高所有无线终端的SINR。这是通过如下方式实现的：提高具有低SINR的无线终端的SINR，降低具有高SINR的无线终端的SINR，直到所有无线终端的SINR相等，如同下面详细讨论的一样。

根据一个实施例，每个无线终端的平均发射功率都是单位功率。因此，对于具有K个无线终端的系统，总的发射功率是K。令发射给第k个无线终端114的信号的发射功率是p_k。那么：

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{p}_k=K$ 并且p_k＞0

和以前一样，当使用优化导向矢量时，λ_lk表示平均干扰功率，λ_kk表示所希望的信号的平均功率。于是，第k个无线终端的SINR将是：

${\mathrm{\γ}}_k(p_1,...,p_K)=\frac{p_k{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{kk}}}{\underset{l\≠k}{\mathrm{\Σ}}{p}_l{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lk}}+{\mathrm{\σ}}_n^2}$

为了优化功率分配，只要不是所有无线终端的SINR都已经相等，就可以调整功率分布来提高所有无线终端的最低SINR，γ_k(p₁，...，p_K)。作为结果，经过优化功率分配，所有γ_k(p_o1，...，p_oK)必须相等。例如，如果有四个无线终端，那么每个无线终端将具有一个SINR，也就是说会有SINR γ₁、γ₂、γ₃和γ₄。如果在这个实例中γ₁＞γ₂＞γ₃＞γ₄，那么第四个无线终端具有最低SINR。如上所述，为了优化基站102的功率分配，就要提高最低SINR。在这个实例中，通过提高分配给第四个无线终端的功率来提高第四个无线终端的SINR，直到第四个无线终端的SINR等于第三个无线终端的SINR，也就是γ₃＝γ₄。当第三个和第四个无线终端的SINR互相相等时，分配给第四个和第三个无线终端的功率会被同时提高，直到全部无线终端的SINR相等，也就是γ₁＝γ₂＝γ₃＝γ₄。由于基站102只有给定量的总功率，分配更多的功率给第四个无线终端时，将给第一个无线终端分配较少的功率。例如，如果γ₄一开始是γ_o4，并且γ₁＝10γ_o4、γ₂＝7γ_o4并且γ₃＝3γ_o4，那么将对功率进行调整，将功率增加到第四个无线终端，直到γ₄＝5γ_o4；将功率增加到第三个无线终端，直到γ₃＝5γ_o4；从第二个无线终端减去功率，直到γ₂＝5γ_o4，并且从第一个无线终端减去功率，直到γ₁＝5γ_o4。

因此，可以通过以下等式获得最优SINRγ_o和功率分配：

$p_{\mathrm{ok}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{kk}}={\mathrm{\γ}}_o\underset{l\≠k}{\mathrm{\Σ}}{p}_{\mathrm{ol}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lk}}+{\mathrm{\γ}}_o{\mathrm{\σ}}_n^2---\left(11\right)$

其中k＝1，...，K，并且：

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{ok}}=K$

令：

Λ_d＝diag{λ₁₁，…，λ_KK}、

以及优化功率分配矢量：

p_o＝(p_o1，…，p_oK)^T

那么可以将(11)表示成更加紧凑的形式：

$((1+\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_o}){\mathrm{\Λ}}_d-\mathrm{\Λ})p_o={\mathrm{\σ}}_n^{2}1---\left(12\right)$

并且

1^Tp_o＝K

其中：

从公式(12)可知：

$p_o={\mathrm{\σ}}_n^2{((1+\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_o}){\mathrm{\Λ}}_d-\mathrm{\Λ})}^{-1}1---\left(13\right)$

于是，最优SINR(γ_o)由以下等式确定：

${\mathrm{\σ}}_n^2{1}^T{((1+\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_o}){\mathrm{\Λ}}_d-\mathrm{\Λ})}^{-1}1=K---\left(14\right)$

一旦由(14)确定了γ_o，就能够从(13)找到最优功率分配。因此，通过按照以上定义计算分配功率，来提高所有无线终端的SINR，功率分配计算单元306可以实现框206。

在另一个实施例中，当电信系统100的干扰有限时，也就是说，信噪比非常大，并且那么最优功率分配方法就能够进行简化。在这种情况下，令

${\tilde{p}}_o={\mathrm{\Λ}}_d{p}_o$

并且：

$\widetilde{\mathrm{\Λ}}={\mathrm{\Λ\Λ}}_d^{-1}$

那么(12)成为：

$(1+\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_o}){\tilde{p}}_o=\widetilde{\mathrm{\Λ}}{\tilde{p}}_o$

注意，

是非负矩阵。存在非负矢量

对于k＝1，...，K有使得：

$\mathrm{\ρ}{\tilde{p}}_o=\widetilde{\mathrm{\Λ}}{\tilde{p}}_o$

于是最优功率分配是：

$p_o={\widetilde{\mathrm{\Λ}}}_d^{-1}{\tilde{p}}_o$

并且在这种情况下的最优信干比(SIR)将是：

${\mathrm{\γ}}_o=\frac{1}{\mathrm{\ρ}-1}$

因此，通过按照以上定义计算功率分配来提高所有无线终端的SINR，功率分配计算单元306将实现框206。尽管上面计算功率分配来提高所有无线终端的SINR，也可以通过降低每个无线终端112、114和116的给定SINR约束的总发射功率来计算功率分配。

图4A、4B、5A、5B、6A和6B所示的实例说明这里公开的系统和方法的计算机仿真性能，用带圆圈的线条表示，用来与基站102处不考虑非理想CSI的系统相对比，后者用带星形的线条表示。在仿真过程中，假设与不同对的发射和接收天线对应的信道增益h_ik是独立的具有零均值和单位方差的复(圆)高斯函数，并且在发射机处只有非理想的CSI可以用于下行链路波束形成。发射符号是独立的，并且是从4-QAM星座 $\left\{\begin{array}{cc}\±\frac{1}{\sqrt{2}}& \±j\frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right\}$ 中随机地选取的，每个都具有相同概率。

从图4A、4B、5A、5B、6A和6B可知，这里公开的系统和方法对于CSI多义性(ambiguity)更加坚固。图4A和4B说明对于具有N_T＝4个发射天线和K＝2个无线终端的系统，下行链路波束形成的性能。图4A说明当SNR＝20dB时，BER随CSI多义性的变化。图4B说明当σ_h＝-20dB时，BER随SNR的变化。从图4A和4B可以看出，对于具有N_T＝4个发射天线和K＝2个无线终端，并且σ_h＝-20dB的系统，与不考虑在基站102处的CSI的系统相比，为了1％的BER所需要的SNR降低了2dB多。当无线终端的数量固定不变时，性能增益随着发射天线的数量增加而提高，如图5A和5B所示。图5A和5B说明对于具有N_T＝8个发射天线和K＝2个无线终端的系统，下行链路波束形成的性能。图5A说明当SNR＝20dB时，BER随CSI多义性的变化。图5B说明当σ_h＝-20dB时，BER随SNR的变化。如图5A和5B所示，如果在以上环境中发射天线的数量改变成N_T＝8，那么为了1％的BER所需要的SNR降低了4dB多。当发射天线的数量固定不变并且无线终端的数量增加时，性能增益下降，如同通过将图5A和5B与图6A和6B进行比较能够看出的一样。图6A和6B说明对于具有N_T＝8个发射天线和K＝4个无线终端的系统，波束形成的性能。图6A说明当SNR＝20dB时，BER随CSI多义性的变化，图6B说明当σ_h＝-20dB时，BER随SNR的变化。

图7A说明当σ_h＝-10dB时自适应功率分配对具有N_T＝4个发射天线和K＝2个无线终端的系统的影响，图7B说明自适应功率分配对具有N_T＝8个发射天线和K＝4个无线终端的系统的影响。图7A和7B说明BER随SNR的变化，带方形的线条表示没有功率分配，带菱形的线条表示如上所述的功率分配。如图7A和7B所示，当σ_h＝-20dB时，对于具有不同数量的发射天线和无线终端的系统，通过具有非理想CSI的功率分配能够获得性能改善。从图7A和7B可以看出，存在性能改善，特别是SNR很高时。

上面描述的是确定波束形成过程中使用的导向矢量时，将发射机处的非理想CSI考虑在内，用于下行链路波束形成的系统和方法。如同示例性结果中看到的一样，通过在计算导向矢量时将非理想CSI考虑在内，对于给定信噪比的比特差错率得到降低。当无线终端的数量固定不变时，通过增加发射天线的数量，性能增益进一步提高。上面还公开了一种功率分配方法，它通过提高目前与基站通信的所有无线终端的SINR，能够提高系统的性能。对于给定信噪比，功率分配同样能够降低比特差错率，特别是信噪比很高时。

上面描述的系统中的导向矢量计算单元306、功率分配计算单元308和/或所有其它电信网络组件，可以在具有足够处理能力、存储器资源和网络吞吐量能力来处理必要负荷的任何通用计算机上实现。图8画出了适合于实现这里公开的一个或多个实施例的典型的通用计算机系统。计算机系统880包括处理器882(可以将它称为中央处理器单元或CPU)，这个处理器882与存储器设备通信，存储器设备包括次级存储884、只读存储器(ROM)886、随机存取存储器(RAM)888、输入/输出(I/O)890设备和网络连接设备892。可以将处理器实现为一个或多个CPU芯片。

次级存储884通常包括一个或多个盘驱动或带驱动，并且用于数据的非易失性存储，以及如果RAM 888不足以保存所有工作数据，将它作为过流数据存储设备。可以用次级存储884来保存程序，选择这些程序运行的时候将它们载入RAM 888。ROM 886用于保存指令，还可能保存程序执行期间要读取的数据。ROM 886是一个非易失性存储器设备，相对于次级存储的大存储器容量而言，通常只有很小的存储器容量。RAM 888用于储存易失性数据，并且可能保存指令。对ROM 886和RAM 888的访问通常都比对次级存储884的快。

I/O 890设备可以包括打印机、视频监视器、液晶显示器(LCD)、触摸屏显示器、键盘、小键盘、开关、拨号盘、鼠标器、跟踪球、语音识别器、读卡器、纸带读取器或者大家熟知的其它输入设备。网络连接设备892可以采取调制解调器、调制解调器组、以太网卡、通用串行总线(USB)接口卡、串行接口、令牌环卡、光纤分布式数据接口(FDDI)卡、无线局域网(WLAN)卡、无线电收发机卡(例如码分多址(CDMA)和/或全球移动通信系统(GSM)无线电收发机卡)以及大家熟知的其它网络设备。这些网络连接892设备可以使得处理器882能够与因特网或者一个或多个内部网进行通信。利用这种网络连接，在执行上述方法步骤时，处理器882能够从网络接收信息，或者可以将信息输出给网络。常常表示为要用处理器882执行的指令序列的这种信息，可以以例如载波中携带的计算机数据信号的形式从网络接收过来以及输出到网络。

可能包括要用处理器882执行的数据或指令的这种信息，可以以例如计算机数据基带信号或者载波中携带的信号的形式，从网络接收过来或者输出到网络。网络连接892设备生成的基带信号或者载波中携带的信号可以在电导体中或表面上传播，在同轴电缆中，在波导中，在光介质中(例如光纤)或者在空气或自由空间中传播。基带信号或者载波中携带的信号包含的信息可以按照不同的序列来排序，如同对于信息的处理或生成或者信息的发射或接收而言所需要的一样。基带信号或者载波中携带的信号，或者目前正在使用或者以后开发出来的其它类型的信号，在这里称为传输介质，可以按照本领域中技术人员熟知的几种方法来生成。

处理器882执行从硬盘、软盘、光盘(可以将这些基于盘的各种系统全部看作次级存储884)、ROM 886、RAM 888或者网络连接设备892访问的指令、代码、计算机程序、脚本。

尽管在本公开中提供了几个实施例，但是应当明白，这里公开的系统和方法可以用其它具体形式来实现，而不会偏离本发明的实质或范围。这些实施例都是说明性的而不是限制性的，目的不是限于这里给出的细节。各个单元或组件可以被组合或集成到另一个系统，或者可以省略或者不实现某些特征。例如，尽管这里描述的是下行链路波束形成，但是这里公开的系统也可以被修改成用来实现上行链路波束形成。

还有，在这里的各个实施例中描述和说明成离散或分离的技术、系统、子系统和方法，可以与其它系统、模块技术或方法组合或集成，而不会偏离本公开的范围。这里说明或介绍成直接互相耦合或通信的其它项目，可以通过某些接口或设备耦合，从而使这些项目不能被看作直接互相耦合，但是仍然间接互相耦合或通信，不论是用电气的、机械的还是其它方式。变化、替换和取代的其它实例对于本领域技术人员而言都是可以确定的，它们不会偏离这里公开的本发明的实质和范围。

Claims (23)

1.一种用于电信网络的波束形成方法，包括：

确定将非理想信道状态信息考虑在内的导向矢量；以及

输出要应用于要发射的符号的所述导向矢量，

其中将所述导向矢量计算出来以提高信号-泄漏比，所述信号-泄漏比是按照以下公式计算出来的：

${\mathrm{\γ}}_k\left(u_k\right)=\frac{{\left|{\hat{h}}_k^T{u}_k\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_h^2{\left|\right|u_k\left|\right|}^2}{\underset{l\≠k}{\mathrm{\Σ}}({\left|{\hat{h}}_l^T{u}_k\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_h^2{\left|\right|u_k\left|\right|}^2)}$

其中γ_k表示信号-泄漏比，u_k表示导向矢量，

是假设信道中有误差的第k个信道的矢量表示，

是不同于第k个信道的其它信道的矢量表示，

表示信道误差的方差。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

确定多个无线终端之间分配的发射功率，从而使得所述无线终端里至少一个无线终端的信号-干扰加噪声比得到提高。

3.如权利要求2所述的方法，还包括：

输出要应用于要发射的信号矢量的功率分配值。

4.如权利要求2所述的方法，其中最优信号-干扰加噪声比是按照如下公式计算出来的：

${\mathrm{\σ}}_n^2{1}^T{((1+\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_o}){\mathrm{\Λ}}_d-\mathrm{\Λ})}^{-1}1=K,$

其中γ_o表示最优信号-干扰加噪声比，K表示无线终端的数量，

表示加性高斯白噪声的方差，1表示K个1的矩阵，Λ_d表示K个信号的平均功率的对角矩阵，Λ表示这K个信号的平均功率的方阵。

5.如权利要求4所述的方法，其中最优功率分配值是按照如下公式计算出来的：

$p_o={\mathrm{\σ}}_n^2{((1+\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_o}){\mathrm{\Λ}}_d-\mathrm{\Λ})}^{-1}1;$

其中p_o表示最优功率分配值，γ_o表示最优信号-干扰加噪声比，

表示加性高斯白噪声的方差，1表示K个1的矩阵，Λ_d表示K个信号的平均功率的对角矩阵，Λ表示这K个信号的平均功率的方阵。

6.一种用于电信网络的波束形成设备，包括：

用于确定将非理想信道状态信息考虑在内的导向矢量的装置；以及

用于输出要应用于要发射的符号的所述导向矢量的装置；

其中将所述导向矢量计算出来以提高信号-泄漏比，所述信号-泄漏比是按照以下公式计算出来的：

${\mathrm{\γ}}_k\left(u_k\right)=\frac{{\left|{\hat{h}}_k^T{u}_k\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_h^2{\left|\right|u_k\left|\right|}^2}{\underset{l\≠k}{\mathrm{\Σ}}({\left|{\hat{h}}_l^T{u}_k\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_h^2{\left|\right|u_k\left|\right|}^2)}$

其中γ_k表示信号-泄漏比，u_k表示导向矢量，

是假设信道中有误差的第k个信道的矢量表示，

是不同于第k个信道的其它信道的矢量表示，

表示信道误差的方差。

7.如权利要求6所述的设备，还包括：

用于确定多个无线终端之间分配的发射功率，从而使得所述无线终端里至少一个无线终端的信号-干扰加噪声比得到提高的装置。

8.如权利要求7所述的设备，还包括：

用于输出要应用于要发射的信号矢量的功率分配值的装置。

9.如权利要求7所述的设备，其中最优信号-干扰加噪声比是按照如下公式计算出来的：

${\mathrm{\σ}}_n^2{1}^T{((1+\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_o}){\mathrm{\Λ}}_d-\mathrm{\Λ})}^{-1}1=K,$

其中γ_o表示最优信号-干扰加噪声比，K表示无线终端的数量，

表示加性高斯白噪声的方差，1表示K个1的矩阵，Λ_d表示K个信号的平均功率的对角矩阵，Λ表示这K个信号的平均功率的方阵。

10.如权利要求9所述的设备，其中最优功率分配值是按照如下公式计算出来的：

$p_o={\mathrm{\σ}}_n^2{((1+\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_o}){\mathrm{\Λ}}_d-\mathrm{\Λ})}^{-1}1;$

其中p_o表示最优功率分配值，γ_o表示最优信号-干扰加噪声比，

表示加性高斯白噪声的方差，1表示K个1的矩阵，Λ_d表示K个信号的平均功率的对角矩阵，Λ表示这K个信号的平均功率的方阵。

11.一种波束形成方法，包括：

确定将非理想信道状态信息考虑在内的导向矢量；

确定功率分配值，所述功率分配值能够提高给多个无线终端之一的至少一个信号的信号强度；以及

按照所述导向矢量和所述功率分配值发射至少一个符号，

其中将所述导向矢量计算出来以提高信号-泄漏比，所述信号-泄漏比是按照以下公式计算出来的：

${\mathrm{\γ}}_k\left(u_k\right)=\frac{{\left|{\hat{h}}_k^T{u}_k\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_h^2{\left|\right|u_k\left|\right|}^2}{\underset{l\≠k}{\mathrm{\Σ}}({\left|{\hat{h}}_l^T{u}_k\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_h^2{\left|\right|u_k\left|\right|}^2)}$

其中γ_k表示信号-泄漏比，u_k表示导向矢量，

是假设信道中有误差的第k个信道的矢量表示，

是不同于第k个信道的其它信道的矢量表示，

表示信道误差的方差。

12.如权利要求11所述的波束形成方法，其中，与给其它用户的干扰总功率相比，将所述导向矢量确定为使得给所述无线终端之一的希望的信号功率得到提高。

13.如权利要求11所述的波束形成方法，还包括：

对所述导向矢量进行归一化处理。

14.如权利要求11所述的波束形成方法，其中，与具有高信号-噪声加干扰比的无线终端的信号矢量相比，将所述功率分配成使得将更多的功率分配给具有低信号-噪声加干扰比的无线终端的信号矢量。

15.如权利要求14所述的波束形成方法，其中，与要在无线终端的信号矢量之间分配的总功率被均匀划分而分配的功率相比，将所述功率分配成使得给信号-噪声加干扰比比所述无线终端中的至少一个的信号-噪声加干扰比高的无线终端的信号矢量分配较少的功率。

16.如权利要求14所述的波束形成方法，其中，与要在活动用户的信号矢量之间分配的总功率被均匀划分而分配的功率相比，将所述功率分配成使得给信号-噪声加干扰比比所述无线终端中的至少一个的信号-噪声加干扰比低的无线终端的信号矢量分配较多的功率。

17.如权利要求11所述的波束形成方法，其中，如果所述无线终端里每一个的信号-噪声加干扰比相等，将所述功率分配成使得将相同的功率分配给所述无线终端里每一个的信号矢量。

18.一种用于波束形成的系统，包括：

导向矢量计算单元，用于确定将非理想信道状态信息考虑在内的导向矢量；以及

发射天线阵列，用于按照计算出来的导向矢量发射信号，

其中将所述导向矢量计算出来以提高信号-泄漏比，所述信号-泄漏比是按照以下公式计算出来的：

${\mathrm{\γ}}_k\left(u_k\right)=\frac{{\left|{\hat{h}}_k^T{u}_k\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_h^2{\left|\right|u_k\left|\right|}^2}{\underset{l\≠k}{\mathrm{\Σ}}({\left|{\hat{h}}_l^T{u}_k\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_h^2{\left|\right|u_k\left|\right|}^2)}$

其中γ_k表示信号-泄漏比，u_k表示导向矢量，

是假设信道中有误差的第k个信道的矢量表示，

是不同于第k个信道的其它信道的矢量表示，

表示信道误差的方差。

19.如权利要求18所述的系统，还包括：

调整单元，用于将计算出来的导向矢量应用于符号来生成信号矢量。

20.如权利要求18所述的系统，还包括：

功率分配计算单元，用于确定要分配给发射天线阵列发射的信号的功率，使得无线终端的信号-噪声加干扰比得以提高。

21.如权利要求20所述的系统，还包括：

调整单元，用于将分配的功率应用于信号矢量。

22.如权利要求20所述的系统，其中：

所述信号也是按照分配的功率发射的。

23.如权利要求18所述的系统，还包括：

单天线装置，用于接收所发射的信号。

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