CN101800581A - 基于频分双工系统的多用户波束赋形方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频分双工系统的多用户波束赋形方法，包括：所述基站根据一个以上用户终端上报的波达角的信息对每个用户终端的下行信号进行分组，并对每组中的下行信号进行波束赋形，其中，每组中波束赋形后的下行信号的主瓣方向位于该下行信号所属用户终端所上报的波达角方向、零陷方向位于组中其余下行信号的主瓣方向。本发明同时公开了一种实现前述方法的装置。本发明保证了每个分组内不同用户终端的下行信号之间的干扰得到进一步降低，同一组内的下行信号能使用同时频的资源，保证通信质量的同时提高了FDD系统的容量。

Description

基于频分双工系统的多用户波束赋形方法与装置

技术领域

本发明涉及一种基于频分双工(FDD，Frequency Division Duplex)系统的多用户波束赋形(beamforming)方法与装置。

背景技术

多输入多输出(MIMO，Multiple Input and Multiple Output)系统由于提高了信道容量而成为长期演进(LTE，Long Term Evolution)系统中一项倍受关注的技术。在多用户MIMO模式中，通过设计合适的发射天线和接收天线的权值矢量来设计赋形波束的方向，从而区分多用户的信号，去除用户间的干扰。

波束赋形的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)情况，更有利于控制波束的指向。波束赋形技术主要是通过控制波束方向来进行工作的，比较适合用于空旷的郊区场景。波束赋形可以获得明显的波束能量增益，可以扩大小区的覆盖。在多用户MIMO模式中，通过设计合适的发射天线和接收天线的权值矢量来设计赋形波束的方向，控制波束的具体形状，能在期望方向形成主瓣和干扰方向形成零陷，从而去除用户间的干扰。但目前如何处理多用户之间的波束赋形问题，尚处于研究之中。特别是如何应用于FDD系统中，尚没有相关的技术指导。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于频分双工系统的多用户波束赋形方法与装置，能在FDD系统中实现对多用户的下行信号的波束赋形。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于频分双工系统的多用户波束赋形方法，包括：

所述基站根据一个以上用户终端上报的波达角的信息对每个用户终端的下行信号进行分组，并对每组中的下行信号进行波束赋形，其中，每组中波束赋形后的下行信号的主瓣方向位于该下行信号所属用户终端所上报的波达角方向、零陷方向位于组中其余下行信号的主瓣方向。

优选地，所述基站根据一个以上用户终端上报的波达角的信息对每个用户终端的下行信号进行分组，具体为：

对于四天线的频分双工系统，用户终端上报的波达角之间的差值大于等于二十度时，所述用户终端的下行信号分到一组中；

对于八天线的频分双工系统，用户终端上报的波达角之间的差值大于等于十度时，所述用户终端的下行信号分到一组中。

优选地，用户终端上报的波达角的信息，具体为：

所述用户终端根据所接收的下行信号测量所述用户终端与发射所述下行信号的基站之间的波达角，并将所述波达角的信息上报至所述基站。

优选地，将所述波达角的信息上报至所述基站，具体为：

根据频分双工系统为上报所述波达角的信息所分配的比特数n，将整个波达角均分为2ⁿ，即每个二进制数对应一个角度值；所述用户终端测量出波达角后，选取最接近的二进制数对应的角度值作为测量值，并上报所述测量值对应的二进制数。

优选地，对每组中的下行信号进行波束赋形之后，还包括：

对每组中的下行信号进行正交化处理。

优选地，所述用户终端还上报CQI及RI信息。

一种基于频分双工系统的多用户波束赋形装置，包括：

上报单元，用于上报每个用户终端的波达角的信息；

分组单元，用于根据所述上报单元所上报的波达角的信息对每个用户终端的下行信号进行分组；以及

波束赋形单元，用于对每组中的下行信号进行波束赋形，其中，每组中波束赋形后的下行信号的主瓣方向位于该下行信号所属用户终端所对应的波达角方向、零陷方向位于组中其余下行信号的主瓣方向。

优选地，所述分组单元根据所述上报单元所上报的波达角的信息对每个用户终端的下行信号进行分组，具体为：

对于四天线的频分双工系统，用户终端对应的波达角之间的差值大于等于二十度时，所述用户终端的下行信号分到一组中；

对于八天线的频分双工系统，用户终端对应的波达角之间的差值大于等于十度时，所述用户终端的下行信号分到一组中。

优选地，所述上报单元上报的波达角的信息，具体为：

所述用户终端根据所接收的下行信号测量所述用户终端与发射所述下行信号的基站之间的波达角，所述上报单元将所述波达角的信息上报至所述基站。

优选地，将所述波达角的信息上报至所述基站，具体为：

根据频分双工系统为上报所述波达角的信息所分配的比特数n，将整个波达角均分为2ⁿ，即每个二进制数对应一个角度值；所述用户终端测量出波达角后，选取最接近的二进制数对应的角度值作为测量值，所述上报单元上报所述测量值对应的二进制数。

优选地，所述装置还包括：

正交化处理单元，用于对所述波束赋形单元处理后的下行信号进行正交化处理；

其中，所述上报单元还上报CQI及RI信息。

本发明根据用户终端上报的波达角信息对下行信号进行分组，分组的原则是使不同用户终端的下行信号之间的波达角之差大于设定角度，这样，在对下行信号进行波束赋形时，即可根据用户终端的波达角设计赋形的波束，使得波束赋形后的下行信号的主瓣方向位于该下行信号所属用户终端所对应的波达角方向、零陷方向位于组中其余下行信号的主瓣方向。根据上述的波束赋形的目的设计相应的波束赋形权值，与待波束赋形的下行信号的作积即可。本发明还对波束赋形后的下行信号进行正交化处理，这样，组内不同用户终端的下行信号之间的干扰得到进一步降低，同一组内的下行信号能使用同时频的资源，保证通信质量的同时提高了FDD系统的容量。

附图说明

图1为本发明基于频分双工系统的多用户波束赋形方法的流程图；

图2为本发明基于频分双工系统的多用户波束赋形方法的应用系统的组成结构示意图。

图3为本发明基于频分双工系统的多用户波束赋形装置的一种组成结构示意图；

图4为本发明基于频分双工系统的多用户波束赋形装置的另一种组成结构示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是：根据用户终端上报的波达角(DOA)信息对下行信号进行分组，分组的原则是使不同用户终端的下行信号之间的波达角之差大于设定角度，这样，在对下行信号进行波束赋形时，即可根据用户终端的波达角设计赋形的波束，使得波束赋形后的下行信号的主瓣方向位于该下行信号所属用户终端所对应的波达角方向、零陷方向位于组中其余下行信号的主瓣方向。根据上述的波束赋形的目的设计相应的波束赋形权值，与待波束赋形的下行信号的作积即可。本发明还对波束赋形后的下行信号进行正交化处理，这样，组内不同用户终端的下行信号之间的干扰得到进一步降低，同一组内的下行信号能使用同时频的资源，保证通信质量的同时提高了FDD系统的容量。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下举实施例并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明基于频分双工系统的多用户波束赋形方法的流程图，如图1所示，本发明基于频分双工系统的多用户波束赋形方法包括以下步骤：

步骤101：基站根据一个以上用户终端上报的波达角的信息对每个用户终端的下行信号进行分组。

FDD系统中，由于上行信道与下行信道所处的频段不同，基站侧无法通过上行信道信息而直接获得下行信道信息，因此，基站侧无法使用下行信道矩阵信息获取用户终端的波达角。但在FDD系统中，却能利用用户终端完成波达角的测量，用户终端根据公共导频完成对下行信号的信道估计，从而获取下行信道矩阵信息，并根据下行信道矩阵信息计算出所述用户终端与发射所述下行信号的基站之间的波达角。本领域技术人员应当理解，用户终端根据下行信号完成波达角的测量是现有技术，这里不再给出具体的测量方式。

用户终端完成波达角的测量之后，如何上报波达角的信息也是一个棘手的问题。对于时分双工(TDD，Time Division Duplex)系统而言，基站侧即可实现对用户终端的波达角测量，因此无需用户终端上报波达角信息。为节约上报资源，本发明提出一种波达角信息上报方式，所占用的资源较少，以下详细说明。

本发明根据FDD系统为上报所述波达角的信息所分配的比特数n确定上报的方式，具体是将整个波达角均分为2ⁿ，每个二进制数对应一个角度值；用户终端测量出波达角后，选取最接近的二进制数对应的角度值作为测量值，并上报所述测量值对应的二进制数。如FDD系统为上报所述波达角的信息所分配资源为4bit时，在波达角-60度～60度之间的范围，量化成以下的16种值，即16种情况下的量化角：

$\left\{\begin{array}{cccccccc}-56.25& -48.75& -41.25& -33.75& -26.25& -18.75& -11.25& -3.75\\ 3.75& 11.25& 18.75& 26.25& 33.75& 41.25& 48.75& 56.25\end{array}\right\}$

这16种波达角值分别对应于“0000”至“1111”的二进制数。例如如果用户终端测量出的波达角值为10度，则最接近于11.25度，则选取“0110”的二进制数上报至基站。由于系统中对上报的二进制数与用户终端测量出的波达角值进行了约定，因此基站侧接收到“0110”的数值后即可确定出用户终端的波达角。可使用原来承载预编码矩阵指示(PMI，Precoding Matrix Indication)信息的资源来承载波达角信息。当然，也可以选取更多位的二进制数来上报用户终端的波达角，选取的二进制数越多，上报的波达角越精确，但所占用的资源也相应增加。当用户终端所测量的波达角值位于量化的两个上报值之间时，上报左右两个量化值对应的二进制数均可。

基站根据每个用户终端上报的波达角，对待发送的下行信号进行分组，分组的原则主要是考虑该组内的下行信号之间不会造成干扰，至少，在波束赋形后的下行信号的主瓣上，不能有来自其他下行信号旁瓣的干扰，本发明是尽量让组内其他下行信号的零陷位于某下行信号的主瓣上，以使各下行信号之间的干扰降低到最小。考虑到本发明波束赋形的要求，如果下行信号之间的主瓣方向的角度差较小时，无法实现其他下行信号的零陷位于某下行信号的主瓣上这一要求，因此，本发明对下行信号进行分组的原则是：

对于4天线的FDD系统，用户终端对应的波达角之间的差值大于等于20度时，所述用户终端的下行信号分到一组中，优选地，对于4天线的FDD系统而言，用户终端对应的波达角之间的差值大于40度时，用户终端对应的下行信号分为一组；对于8天线的FDD系统，用户终端对应的波达角之间的差值大于等于10度时，所述用户终端的下行信号分到一组中，优选地，对于8天线的FDD系统而言，用户终端对应的波达角之间的差值大于20度，用户终端对应的下行信号分为一组。

步骤102：基站对每组中的下行信号进行波束赋形，其中，每组中波束赋形后的下行信号的主瓣方向位于该下行信号所属用户终端所上报的波达角方向、零陷方向位于组中其余下行信号的主瓣方向。

基站根据每组中的用户终端上报的波达角信息，计算符合步骤102设定条件的各下行信号的波束赋形权值，具体的计算方式如下：

计算组内的波束赋形权值，即在某个线性约束条件下，使下式阵列输出的方差最小，线性约束条件即为要计算的波束赋形权值。

线性约束最小方差(LCMV)准则：

设干扰的入射角度为θ₁，在数据失配的情况下，角度的最大变化量为Δθ，按两点分布考虑，入射角左边扰动pΔθ，右边的扰动为qΔθ，且p+q＝1。由于干扰功率的大小只影响零陷的深度，可假设两个干扰的功率相等。这样，两个干扰形成的导向矢量为：

(式1)

(式2)

在(式1)和(式2)中，

如果Δθ很小则有：

(式3)

(式4)

把(式3)、(式4)代入(式1)、(式2)可以看到，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，这样设

这样，(式1)、(式2)可以变化为：

(式5)

(式6)

(式5)(式6)中

并且有：

(式7)

(式8)

这样，接收的信号表示式为：

X₊(t)＝BAS(t)+Bn(t)          (式9)

X_-(t)＝C^HAS(t)+C^Hn(t)        (式10)

其中X₊(t)表示从θ₁+pΔθ入射的干扰，而X_-(t)表示从θ₁-qΔθ入射的干扰。分别取两个信号形成的协方差矩阵，由于BB^H＝I和CC^H＝I，所以有：

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

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

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

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

从(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Δθ的概率为p，取-Δθ的概率为1-p，故扰动的均值为：

m＝(2p-1)Δθ            (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)        (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时达到最大。由于扰动，∑²表示对扰动抑制，从而影响接收信号的信噪比。

观察(式7)和(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)。那么对于其中的元素r_ij经过

的运算以后为：

(式16)

而经过

运算以后的元素为：

(式17)

经过(式13)的运算可以把矩阵对应元素做平均，这样矩阵R中的对应元素为：

(式18)

从(式18)可以看到，经过(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：

(式19)

并对矩阵

做如(式20)的运算：

(式20)

其中ο为矩阵的Hadamard积。经过这样运算得到的矩阵和经过(式13)得到的矩阵一样，但可以减少运算量。

将得到的R带入线性约束最小方差算法(LCMV准则)公式

得到阵列的加权系数，从而完成波束赋形权值的计算。

将所计算得到的波束赋形权值与每组待波束赋形的下行信号相乘，即完成下行信号的波束赋形处理。在待发送下行信号中插入公共导频即可进行发送。

如图1所示，本发明基于频分双工系统的多用户波束赋形方法还包括步骤：

步骤103：对步骤102中进行波束赋形处理后的每组中的下行信号进行正交化处理。

所谓的正交化处理即采用Gram-Schmidt正交化处理方式类似的方法对两路信号进行相应处理。Gram-Schmidt正交化算法为公知常识，这里不再赘述。正交化处理后的下行信号中插入公共导频即可进行发送。

图2为本发明基于频分双工系统的多用户波束赋形方法的应用系统的组成结构示意图，如图2所示，本发明应用的FDD系统包括信道编码(ChannelEncoder)器、调度(Scheduler)及波束赋形处理单元、发射天线、UE等，发往UE的数据流经过信道编码器编码后，发送至调度处理单元，调度处理单元对待发送UE的数据信号进行调度，分配相应的资源，分配资源后的数据信号即进行波束赋形处理，具体的，即首先按数据信号所属的UE上报的波达角进行配对分组，并对组中的每个信号进行赋形处理，使每组中波束赋形后的下行信号的主瓣方向位于该下行信号所属用户终端所上报的波达角方向、零陷方向位于组中其余下行信号的主瓣方向。波束赋形处理后的信号再进行正交处理，插入公共导频后再发送至UE。需要说明的是，本发明中，UE除了向基站反馈DOA信息外，还需要完成信道质量指示(CQI，Channel Quality Indication)、分类指示(RI，Rank Indication)信息的上报。关于CQI、RI信息的测量，属于现有技术，这里不再赘述其实现细节。

图3为本发明基于频分双工系统的多用户波束赋形装置的一种组成结构示意图，如图3所示，本发明基于频分双工系统的多用户波束赋形装置包括上报单元30、分组单元31和波束赋形单元32，其中，上报单元30用于上报每个用户终端的波达角的信息，该上报单元30位于用户终端中。上报波达角信息的方式可参见前述步骤101中的上报方式，这里不再赘述。上报单元30还上报CQI及RI信息，CQI及RI由UE完成相关测量。分组单元31用于根据所述上报单元30所上报的波达角的信息对每个用户终端的下行信号进行分组。分组的原则是：对于4天线的FDD系统，用户终端对应的波达角之间的差值大于等于20度时，所述用户终端的下行信号分到一组中，优选地，对于4天线的FDD系统而言，用户终端对应的波达角之间的差值大于40度时，用户终端对应的下行信号分为一组；对于8天线的FDD系统，用户终端对应的波达角之间的差值大于等于10度时，所述用户终端的下行信号分到一组中，优选地，对于8天线的FDD系统而言，用户终端对应的波达角之间的差值大于20度，用户终端对应的下行信号分为一组。波束赋形单元32用于对每组中的下行信号进行波束赋形，其中，每组中波束赋形后的下行信号的主瓣方向位于该下行信号所属用户终端所对应的波达角方向、零陷方向位于组中其余下行信号的主瓣方向。波束赋形的方式参见前述步骤102中的方式，这里不再赘述。波束赋形单元32处理后的下行信号中插入公共导频即可进行发送。

图4为本发明基于频分双工系统的多用户波束赋形装置的另一种组成结构示意图，如图4所示，本发明基于频分双工系统的多用户波束赋形装置包括上报单元40、分组单元41、波束赋形单元42和正交化处理单元43，其中，上报单元40、分组单元41、波束赋形单元42与图3所示的上报单元30、分组单元31和波束赋形单元32完全相同，图4所示的结构是在图3的基础上增加了正交化处理单元43，正交化处理单元43用于对所述波束赋形单元处理后的下行信号进行正交化处理。所谓的正交化处理即采用Gram-Schmidt正交化处理方式类似的方法对待发送下行信号进行相应处理。Gram-Schmidt正交化算法为公知常识，这里不再赘述。正交化处理单元43处理后的下行信号中插入公共导频即可进行发送。

本领域技术人员应当理解，图3、图4所示的基于频分双工系统的多用户波束赋形装置是为实现前述基于频分双工系统的多用户波束赋形方法而设计的，图3、图4所示基于频分双工系统的多用户波束赋形装置中的各处理单元的实现功能可参照图1所示的方法中的相关描述而理解。图3、图4所示的基于频分双工系统的多用户波束赋形装置中各单元的功能可通过运行于处理器上的程序而实现，也可通过具体的逻辑电路而实现。

以上所述，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。

Claims (11)

1.一种基于频分双工系统的多用户波束赋形方法，其特征在于，包括：

所述基站根据一个以上用户终端上报的波达角的信息对每个用户终端的下行信号进行分组，并对每组中的下行信号进行波束赋形，其中，每组中波束赋形后的下行信号的主瓣方向位于该下行信号所属用户终端所上报的波达角方向、零陷方向位于组中其余下行信号的主瓣方向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站根据一个以上用户终端上报的波达角的信息对每个用户终端的下行信号进行分组，具体为：

对于四天线的频分双工系统，用户终端上报的波达角之间的差值大于等于二十度时，所述用户终端的下行信号分到一组中；

对于八天线的频分双工系统，用户终端上报的波达角之间的差值大于等于十度时，所述用户终端的下行信号分到一组中。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用户终端上报的波达角的信息，具体为：

所述用户终端根据所接收的下行信号测量所述用户终端与发射所述下行信号的基站之间的波达角，并将所述波达角的信息上报至所述基站。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述波达角的信息上报至所述基站，具体为：

根据频分双工系统为上报所述波达角的信息所分配的比特数n，将整个波达角均分为2ⁿ，即每个二进制数对应一个角度值；所述用户终端测量出波达角后，选取最接近的二进制数对应的角度值作为测量值，并上报所述测量值对应的二进制数。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，对每组中的下行信号进行波束赋形之后，还包括：

对每组中的下行信号进行正交化处理。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述用户终端还上报信道质量指示CQI及分类指示RI信息。

7.一种基于频分双工系统的多用户波束赋形装置，其特征在于，包括：

上报单元，用于上报每个用户终端的波达角的信息；

分组单元，用于根据所述上报单元所上报的波达角的信息对每个用户终端的下行信号进行分组；以及

波束赋形单元，用于对每组中的下行信号进行波束赋形，其中，每组中波束赋形后的下行信号的主瓣方向位于该下行信号所属用户终端所对应的波达角方向、零陷方向位于组中其余下行信号的主瓣方向。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述分组单元根据所述上报单元所上报的波达角的信息对每个用户终端的下行信号进行分组，具体为：

对于四天线的频分双工系统，用户终端对应的波达角之间的差值大于等于二十度时，所述用户终端的下行信号分到一组中；

对于八天线的频分双工系统，用户终端对应的波达角之间的差值大于等于十度时，所述用户终端的下行信号分到一组中。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述上报单元上报的波达角的信息，具体为：

所述用户终端根据所接收的下行信号测量所述用户终端与发射所述下行信号的基站之间的波达角，所述上报单元将所述波达角的信息上报至所述基站。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，将所述波达角的信息上报至所述基站，具体为：

根据频分双工系统为上报所述波达角的信息所分配的比特数n，将整个波达角均分为2ⁿ，即每个二进制数对应一个角度值；所述用户终端测量出波达角后，选取最接近的二进制数对应的角度值作为测量值，所述上报单元上报所述测量值对应的二进制数。

11.根据权利要求6至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

正交化处理单元，用于对所述波束赋形单元处理后的下行信号进行正交化处理；

其中，所述上报单元还上报CQI及RI信息。

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