发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种实现单用户波束成形的系统及方法,能实现针对单用户的双流的波束成形。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种实现单用户波束成形的系统,该系统包括:检测单元、零陷展宽计算单元和波束成形单元;其中,
检测单元,用于检测上行信号强度并获取第一检测阀值和第二检测阀值;将所述第一检测阀值和所述第二检测阀值输入所述零陷展宽计算单元;
零陷展宽计算单元,用于根据输入的第一检测阀值和第二检测阀值,采用零陷展宽算法计算出与第一检测阀值对应的第一波束成形权值、和与第二检测阀值对应的第二波束成形权值;
波束成形单元,用于在为同一个用户同时发送两个数据流状态下,分别根据所述第一波束成形权值和所述第二波束成形权值设置波束成形的方向并实现下行的波束成形。
其中,所述第一检测阀值具体为第一波达方向DOA1,所述第二检测阀值具体为第二波达方向DOA2;
所述检测单元,进一步用于根据上行SRS导频进行所述检测并获取到所述DOA1和所述DOA2;
所述零陷展宽计算单元,进一步用于根据DOA1和DOA2计算出与DOA1对应的第一波束成形权值W1、和与DOA2对应的第二波束成形权值W2;其中,W1对应的波束的主方向为DOA1,同时在DOA2上生成宽零陷;W2对应的波束的主方向为DOA2,同时在DOA1上生成宽零陷。
其中,该系统还包括:导频添加单元,用于获取所述两个数据流,在第一数据流上添加第一层专用导频DRS1,在第二数据流上添加第二层专用导频DRS2,并将添加DRS1后的第一数据流、和添加DRS2后的第二数据流输入所述波束成形单元。
其中,所述波束成形单元,进一步用于将所述添加DRS1后的第一数据流与所述W1相乘并映射到天线,将所述添加DRS2后的第二数据流与所述W2相乘并映射到天线;对映射到天线的两组信号叠加后发送,完成下行的波束成形。
一种实现单用户波束成形的方法,该方法包括:
检测单元检测上行信号强度并获取第一检测阀值和第二检测阀值;将所述第一检测阀值和所述第二检测阀值输入零陷展宽计算单元;
零陷展宽计算单元根据输入的第一检测阀值和第二检测阀值,采用零陷展宽算法计算出与第一检测阀值对应的第一波束成形权值、和与第二检测阀值对应的第二波束成形权值;
在为同一个用户同时发送两个数据流情况下,波束成形单元分别根据所述第一波束成形权值、和所述第二波束成形权值设置波束成形的方向并实现下行的波束成形。
其中,所述第一检测阀值具体为DOA1,所述第二检测阀值具体为DOA2;所述检测单元具体根据上行SRS导频进行所述检测并获取到所述DOA1和所述DOA2;
所述零陷展宽计算单元具体根据DOA1和DOA2计算出与DOA1对应的W1、和与DOA2对应的W2;其中,W1对应的波束的主方向为DOA1,同时在DOA2上生成宽零陷;W2对应的波束的主方向为DOA2,同时在DOA1上生成宽零陷。
其中,所述波束成形单元实现所述下行的波束成形之前还包括:导频添加单元获取所述两个数据流,在第一数据流上添加DRS1,在第二数据流上添加DRS2。
其中,所述波束成形单元实现所述下行的波束成形具体为:
将添加DRS1后的第一数据流与所述W1相乘并映射到天线,将添加DRS2后的第二数据流与所述W2相乘并映射到天线;对映射到天线的两组信号叠加后发送,完成下行的波束成形。
其中,实现所述下行的波束成形之后还包括:用户终端对接收到的叠加后的信号解调时,采用所述DRS1和所述DRS2分别解调。
检测单元检测上行信号强度并获取第一检测阀值和第二检测阀值;零陷展宽计算单元根据输入的第一检测阀值和第二检测阀值,采用零陷展宽算法计算出与第一检测阀值对应的第一波束成形权值、和与第二检测阀值对应的第二波束成形权值;在为同一个用户同时发送两个数据流情况下,波束成形单元分别根据第一波束成形权值、和第二波束成形权值设置波束成形的方向并实现下行的波束成形。
采用本发明实现了针对单用户的双流的波束成形,为一个用户同时发送两个数据流,由于采用MIMO技术能有效地提高信道容量,因此,采用本发明能提高系统的吞吐量和单个用户的吞吐量。并且使用零陷展宽算法为获取的上行第一检测阀值和第二检测阀值,分别设计相对应的适合的第一波束成形权值和第二波束成形权值,通过该设计的第一波束成形权值、和第二波束成形权值设计波束成形的方向并实现下行的波束成形,从而在实现单用户的双流的波束成形同时,能有效地降低两个数据流之间的干扰。其中,波束成形权值也可以称为天线发射权值。
具体实施方式
本发明的基本思想是:本发明实现了针对单用户的双流的波束成形,为一个用户同时发送两个数据流,检测上行信号强度并获取第一检测阀值和第二检测阀值后,零陷展宽计算单元根据输入的第一检测阀值和第二检测阀值,采用零陷展宽算法计算出与第一检测阀值对应的第一波束成形权值、和与第二检测阀值对应的第二波束成形权值;波束成形单元分别根据第一波束成形权值、和第二波束成形权值设置波束成形的方向并实现下行的波束成形。
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。
如图1所示,一种实现单用户波束成形的系统,该系统包括:检测单元、零陷展宽计算单元和波束成形单元。其中,检测单元用于检测上行信号强度并获取第一检测阀值和第二检测阀值;将第一检测阀值和第二检测阀值输入零陷展宽计算单元。零陷展宽计算单元,用于根据输入的第一检测阀值和第二检测阀值,采用零陷展宽算法计算出与第一检测阀值对应的第一波束成形权值、和与第二检测阀值对应的第二波束成形权值。波束成形单元,用于在为同一个用户同时发送两个数据流状态下,分别根据第一波束成形权值和第二波束成形权值设置波束成形的方向并实现下行的波束成形。
这里需要指出的是,所谓第一检测阀值和第二检测阀值指:检测单元在检测上行信号强度时所获得的两个最大上限值,且第一检测阀值大于第二检测阀值。采用两个信号强度的最大上限值作为零陷展宽计算单元的输入参数原因在于:用户所处的空间信道是复杂的空间物理环境,散射体会使得接收信号由多个子径的信号组成,信号强度最大的两个子径上的干扰最显著,需要降低这个最显著的干扰才能很好的实现最终的波束成形。也就是说,估计出信号强度最大的两个子径方向是很重要的,这样一来,获取到信号覆盖范围中两个信号强度的最大上限值;根据这两个信号强度的最大上限值,采用现有的零陷展宽算法分别计算出相对应的两个波束成形权值,那么根据两个波束成形权值实现的波束成形是较好的,干扰较低。
这里,第一检测阀值具体为第一波达方向(DOA1),第二检测阀值具体为第二波达方向(DOA2)情况下,检测单元进一步用于根据上行SRS导频进行所述检测并获取到DOA1和DOA2。其中,SRS是sounding reference signal的简称,通常称为上行sounding导频。
零陷展宽计算单元进一步用于根据DOA1和DOA2计算出与DOA1对应的第一波束成形权值(W1)、和与DOA2对应的第二波束成形权值(W2)。其中,W1对应的波束的主方向为DOA1,同时在DOA2上生成宽零陷;W2对应的波束的主方向为DOA2,同时在DOA1上生成宽零陷。
这里,该系统还包括:信道编码及调制单元,用于对输入的两个数据流进行信道编码及调制。该信道编码及调制单元还与调度单元相连接,调度单元作为预留的单元,可以用于对经信道编码及调制后的两个数据流进行各种调度。这里,举例来说,预留该调度单元的原因在于:比如,当基站判断出信号状况不好时,需进行自适应调度,此时只接收一个数据流并发送给系统中的后续单元;当基站判断出信号状况得到改善时,仍然需要进行自适应调度,此时可以同时接收两个数据流并发送给系统中的后续单元。
该系统还包括导频添加单元,导频添加单元可以与预留的调度单元相连接,导频添加单元用于获取两个数据流,在第一数据流上添加第一层专用导频(DRS1),在第二数据流上添加第二层专用导频(DRS2),并将添加DRS1后的第一数据流、和添加DRS2后的第二数据流输入波束成形单元。波束成形单元,进一步用于将添加DRS1后的第一数据流与W1相乘并映射到天线,将添加DRS2后的第二数据流与W2相乘并映射到天线;对映射到天线的两组信号叠加后发送,完成下行的波束成形。
如图2所示为本发明基于零陷展宽算法实现单用户双流波束成形的原理示意图,图2中只涉及系统中用于完成下行的波束成形的各个单元,不包括用于实现上行的检测和计算波束成形权值的单元,而且系统中包括信道编码及调制单元和预留的调度单元,图中的
表示导频添加单元,a表示W2对应的波束的主方向DOA2在DOA1上所生成的宽零陷。从图2中可直观看出:两个数据流经信道编码及调制单元和调度单元处理后,通过导频添加单元分别添加各自的专用导频DRS1和DRS2;在波束成形单元,通过各自的波束成形权值W1和W2设置波束成形的方向,并且将添加DRS1后的第一数据流与W1相乘并映射到天线,将添加DRS2后的第二数据流与W2相乘并映射到天线;对映射到天线的两组信号叠加后发送,完成下行的波束成形。
其中,采用零陷展宽算法计算出的W1对应的波束的主方向为DOA1,同时在DOA2上生成宽零陷,这里,DOA1为第一波束的主瓣方向,该主瓣方向上的波束具体形状以粗点划线表示,相对应的旁瓣方向上的波束具体形状仍以粗点划线表示。采用零陷展宽算法计算出的W2对应的波束的主方向为DOA2,同时在DOA1上生成宽零陷,这里,DOA2为第二波束的主瓣方向,该主瓣方向上的波束具体形状以粗实线表示,相对应的旁瓣方向上的波束具体形状仍以粗实线表示。从图2中可以直观看出:由于采用零陷展宽算法后所计算出的W2对应的波束的主方向为DOA2,同时在DOA1上生成宽零陷,因此,第二波束的旁瓣方向的信号并不会干扰到第一波束主瓣方向的信号。这样,采用本发明就避免了波束相互之间的干扰。
如图3所示,一种实现单用户波束成形的方法,该方法包括以下步骤:
步骤101、检测单元检测上行信号强度并获取第一检测阀值和第二检测阀值;将第一检测阀值和第二检测阀值输入零陷展宽计算单元。
步骤102、零陷展宽计算单元根据输入的第一检测阀值和第二检测阀值,采用零陷展宽算法计算出与第一检测阀值对应的第一波束成形权值、和与第二检测阀值对应的第二波束成形权值。
步骤103、在为同一个用户同时发送两个数据流情况下,波束成形单元分别根据第一波束成形权值、和第二波束成形权值设置波束成形的方向并实现下行的波束成形。
针对由以上步骤101~步骤103所构成的技术方案而言,当第一检测阀值具体为DOA1,第二检测阀值具体为DOA2时,步骤101中,检测单元具体根据上行SRS导频进行所述检测并获取到DOA1和DOA2。
步骤102中,零陷展宽计算单元具体根据DOA1和DOA2计算出与DOA1对应的W1、和与DOA2对应的W2。
其中,W1对应的波束的主方向为DOA1,同时在DOA2上生成宽零陷;W2对应的波束的主方向为DOA2,同时在DOA1上生成宽零陷。
步骤103中,波束成形单元实现所述下行的波束成形之前还包括:导频添加单元获取两个数据流,在第一数据流上添加DRS1,在第二数据流上添加DRS2。
这里,步骤103中,波束成形单元实现所述下行的波束成形具体为:将添加DRS1后的第一数据流与W1相乘并映射到天线,将添加DRS2后的第二数据流与W2相乘并映射到天线;对映射到天线的两组信号叠加后发送,完成下行的波束成形。
这里,步骤103中,实现所述下行的波束成形之后还包括:用户终端(UE)对接收到的叠加后的信号解调时,采用DRS1和DRS2分别解调。需要指出的是:由于DRS1和DRS2其实就是占用了数据中的资源,DRS1和DRS2是加载在数据流中的,而非天线口的,因此,利用DRS1和DRS2可以估计出等效的信道,即:8×2天线配置的系统,接收端利用DRS1和DRS2来进行信道估计的时候,估得的等效信道是1×2维的,利用这个等效信道进行接收端的分别解调。
需要指出的是,本发明可以应用于LTE+系统中,LTE+系统是采用FDD模式的系统,由于FDD模式的系统中上行信道与下行信道所处不同的频段,无法通过上行信道信息直接获得下行信道信息,不利于使用信道矩阵信息并对信道矩阵做特征值分解获取波束成形权值以实现波束成形,所以,本发明采用零陷展宽算法计算出与第一检测阀值对应的第一波束成形权值、和与第二检测阀值对应的第二波束成形权值以实现波束成形,同时能有效地减低干扰。
综上所述,本发明主要包括以下几方面内容:
第一,增强型节点(eNB,eNodeB)可以根据上行SRS导频估计用户的DOA角度,这里的DOA是估计得到的来自用户的上行信号功率最大的两个方向角,并将这两个DOA角度分别记为DOA1和DOA2。其中,DOA1为信号功率最大的方向角。
第二,将DOA1和DOA2作为输入参数,使用零陷展宽算法,可以分别得到所期望的两个方向上的两组波束成形权值W1和W2。其中,W1对应的波束的主方向为DOA1,同时在DOA2方向生成宽零陷;W2对应的波束的主方向为DOA2,同时在DOA1方向生成宽零陷;以降低用户间干扰。
第三,本发明适用于LTE+系统,本发明的双流单用户波束成形技术需要使用双层专用导频(DRS,dual-layer),分别记作DRS1和DRS2。eNB将为同一个用户同时发送两个数据流,在第一数据流中添加DRS1;在第二数据流2中添加DRS2。
第四,添加DRS1后的第一数据流与W1相乘映射至天线,添加DRS2后的第二数据流与W2相乘映射至天线,在天线端口两组信号进行叠加。通过天线进行发送,完成下行赋形过程。
第五,接收端的UE根据DRS1和DRS2进行信号解调。
本发明还包括涉及反馈信令的方法和格式定义的内容,如下所示:这部分内容与发明的联系就是:在使用发明内容的上述操作的时候,同时规定下面这些具体的使用点
第一,在LTE+系统下,本发明中不需要预编码矩阵指示(PMI,PrecodingMetrix Index)反馈,在定义新的下行控制指示(DCI,Downlink control Index)模式时可以将节约的反馈空间可以用于其它信令的传输,也可以取消PMI反馈空间。
第二,用户之间的干扰受到配对情况和所使用的预编码矢量的影响很大,在FDD情况下的信道质量指示(CQI)估计方法,可以采用基于所有的公共导频的CQI进行估计,UE进行反馈的方法。eNB可以根据数据流间的干扰情况对于UE所上报的CQI进行调整并修改。
第三,信道矩阵的秩(Rank)估计方法:FDD情况下,由于CQI的估计使用了公共导频来获取信道,所以信道矩阵的秩指示(RI,rank Index)需要UE进行估计,并向eNB进行反馈。
第四,需要使用双层专用导频。
以下对现有的零陷展宽算法进行阐述。
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:
在公式1和公式2中, 如果Δθ很小则有:
把公式3、公式4代入公式1、公式2可以看到,对于固定的入射角,|cosθ
1|≤1,考虑最大的角度扩散,在这里取|cosθ
1|=1,这样设
这样,公式1、公式2可以变化为:
这样,接收的信号表示式为:
X+(t)=BAS(t)+Bn(t) (9)
X-(t)=CHAS(t)+CHn(t) (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BBH=I和CCH=I,所以有:
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,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:
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 (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) (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干噪比。
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)。那么对于其中的元素r
ij经过
的运算以后为:
经过公式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:
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:
其中。为Hadamard积。经过这样运算得到的矩阵和经过公式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即LCMV准则公式
这里需要指出的是:本发明采用上述现有的零陷展宽算法时,要使用两次这个算法。具体来说,第一次使用该零陷展宽算法时,是将DOA1作为期望方向,而将DOA2作为干扰方向,得到适合于用户1使用的第一波束成形权值;第二次使用该零陷展宽算法时,是将DOA2作为期望方向,而DOA1作为干扰方向,得到适合于用户2使用的第二波束成形权值,其中该零陷展宽算法中的θ
1代表干扰的方向,公式
中的θ
d代表期望方向。
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。