CN102013908A - 一种tdd系统的下行单用户多层波束成形方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种TDD系统的下行单用户多层波束成形方法和装置，方法包括：eNb根据估计的上行信道矩阵获取下行信道矩阵，并根据所述下行信道矩阵得到每个空间信道层的增益和发射权值；eNb利用每个空间信道层的增益计算不同空间信道层传输的数据到达接收端后的信噪比，以获取可以正确传输数据的k个空间信道层；eNb将所述k个空间信道层传输的数据分别加载专用导频，并将所述k个空间信道层传输的数据分别乘以相应的发射权值后，通过天线发射出去。本发明统一考虑多个层的数据、最大限度的利用信道容量，从而充分并合理的利用空间信道的资源。

Description

一种TDD系统的下行单用户多层波束成形方法和装置

技术领域

本发明涉及无线移动通信领域，尤其涉及一种波束成形技术。

背景技术

多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)系统由于其有效提高信道容量而成为LTE、LTE+的研究中一项倍受人们关注的技术。

在单用户MIMO模式中，可以通过设计合适的发射天线和接收天线的权值矢量来对多个数据流通过多个层同时进行传输，并可以使多个层的数据之间并行传输，去除层间干扰。

在多用户MIMO模式中，可以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，区分多用户的信号，去除用户间干扰。

波束成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)情况有利于控制波束指向，更加适合于应用波束成形(beamforming)技术。同时波束成形技术也可以对同一个用户的信号最强的几个方向进行传输，以利用多径信道环境中最强的几条径。

波束成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。波束成形可以获得明显的波束能量增益，可以扩大小区的覆盖。同时波束成形技术也可以用于复杂的城区环境，利用波束方向类的算法可以利用信号最强的几个径的方向，利用信道矩阵分解类的算法可以使用信道容量最好的几条径。

波束成形技术利用天线阵列结构可以获得特征方向的波束，因此可以获得明显的波束能量增益，这可以完善小区覆盖和系统容量，减小系统干扰和增加系统容量，提高链路可靠性，提高峰值速率，波束成形技术可以有效的改善边沿用户的性能，对于LTE+系统来说，可以将现有的单流波束成形技术扩展至多流波束成形技术，仍然适用于单用户，从而提高用户的吞吐量。

对于即将开始制定的3GPP Rel-10标准来说，基站侧天线数目将会扩展至8个以上，终端侧天线数目将会扩展至4个以上，对于未来的波束成形技术来说，控制波束成形所使用的层数从而充分并合理的利用空间信道资源成为重要的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TDD系统的下行单用户多层波束成形方法和装置，本发明通过下行信道矩阵得到每个空间信道层的增益和发射权值，解决了控制波束成形所使用的空间信道层的层数的问题，从而最大限度利用信道容量。

根据本发明的一个方面，本发明提出的一种TDD系统的下行单用户多层波束成形方法包括：

A)演进B节点eNB根据估计的上行信道矩阵获取下行信道矩阵，并根据所述下行信道矩阵得到每个空间信道层的增益和发射权值；

B)eNb利用每个空间信道层的增益计算不同空间信道层传输的数据到达接收端后的信噪比，以获取可以正确传输数据的k个空间信道层；

C)eNb将所述k个空间信道层传输的数据分别加载专用导频，并将所述k个空间信道层传输的数据分别乘以相应的发射权值后，通过天线发射出去。

根据本发明的另一个方面，本发明提出的一种TDD系统的下行单用户多层波束成形装置包括：

参数生成单元，用于根据估计的上行信道矩阵获取下行信道矩阵，并根据所述下行信道矩阵，生成每个空间信道层的增益和发射权值；

判决单元，用于利用每个空间信道层的增益计算不同空间信道层传输的数据到达接收端后的信噪比，并获取可以正确传输数据的k个空间信道层；

发送单元，用于将所述k个空间信道层传输的数据分别加载专用导频，并乘以相应的发射权值后，通过天线发射出去。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

本发明方案给出了同时使用多个层的单用户波束成形方法和装置，统一考虑多个层的数据，最大限度的利用信道容量，从而充分并合理得利用空间信道的资源。

附图说明

图1是TDD系统的下行单用户多层波束成形方法原理框图；

图2是TDD系统的下行单用户多层波束成形方法流程图；

图3是TDD系统的下行单用户多层波束成形装置框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在TDD系统中，由于上行信道与下行信道所处的频段相同，仅通过时间变化切换上行信道与下行信道的数据传输，因此，通常认为上行信道与下行信道具有互易性，即可以通过上行信道信息直接获得下行信道信息。因此，当TDD系统的eNb根据上行SRS导频计算用户的上行信道矩阵后，根据TDD系统的上行信道和下行信道的互易性，获得下行信道矩阵H，如下：

$H=\left[\begin{array}{ccccc}{h}_{11}& h_{12}& h_{13}& \mathrm{\Λ}& h_{1n}\\ h_{21}& h_{22}& h_{23}& \mathrm{\Λ}& h_{2n}\\ M& M& M& O& M\\ h_{m1}& h_{m2}& h_{m3}& \mathrm{\Λ}& h_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$

其中，H为m*n矩阵，m为接收天线数目，n为发射天线数目。

将下行信道矩阵H做特征值分解，得到的特征值矩阵E如下：

$E=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\λ}}_{11}& 0& \mathrm{\Λ}& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\λ}}_{22}& \mathrm{\Λ}& 0& 0\\ M& M& O& 0& M\\ 0& 0& \mathrm{\Λ}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ff}}& 0\end{array}\right]$

其中，f＝min(m，n)，特征值λ₁₁为空间信道层1的增益，对应于λ₁₁的第1列特征矢量即为空间信道层1所需要使用的发射权值；特征值λ₂₂为空间信道层2的增益，对应于λ₂₂的第2列特征矢量为空间信道层2所需要使用的发射权值；特征值λ_ff为空间信道层f的增益，对应于λ_ff的第f列特征矢量为空间信道层f所需要使用的发射权值。

因此，通过空间信道层1传递的数据到达接收端后的信噪比为SNR_TX*λ₁₁，空间信道层2的数据到达接收端后的信噪比为SNR_TX*λ₂₂，空间信道层f的数据到达接收端后的信噪比为SNR_TX*λ_ff。

当某一空间信道层的数据到达接收端后的信噪比大于信噪比门限值SNR_RX时，则可认为此空间信道层的数据到达接收端后，接收端可以正常解码，则这一层可以用作数据传输，否则不能用作数据传输。当有k个空间信道层的数据到达接收端后的信噪比大于信噪比门限值SNR_RX时，则共有k个空间信道层可以同时进行数据传输。

其中，SNR_TX为发射侧的链路信噪比；SNR_RX为接收侧接收数据的正确块率达到设定值P时的接收信噪比，即接收正确块率达到设定值P的信噪比门限值；所述SNR_TX和SNR_RX的值为TDD系统的已知值；所述设定值p≥70％，优选值为70％。

当存在K个空间信道层可以同时用作数据传输时，结合图1进一步说明TDD系统的下行单用户多层波束成形方法。

图1显示了TDD系统的下行单用户多层波束成形方法原理框图，如图1所示：

eNb对k个空间信道层的数据分别进行编码和调制，调度并加载每个空间信道层各自的专用导频(Dedicated Reference Signal，DRS)，并对已加载专用导频的编码和调制后的所述k个空间信道层的数据分别乘以相应空间信道层的发射权值，从而将k个空间信道层数据分别映射至八根天线上，经过加权后得到空间信号，并通过各空间信道层自己的天线端口进行发送。

接收端根据专用导频对空间信号进行信号解调。

图2显示了TDD系统的下行单用户多层波束成形方法流程图，如图2所示，步骤包括：

第一步：eNb根据上行SRS导频估计用户的上行信道矩阵，并通过TDD系统上行信道与下行信道的互易性得到下行信道矩阵；

第二步：对下行信道矩阵进行特征值分解，得到f个特征值和对应的f列特征矢量，其中f＝min(m，n)，m为接收天线数目，n为发射天线数目；

第三步：根据空间信道层的数据到达接收端后的信噪比是否大于信噪比门限值SNR_RX获得可以用作数据传输的k个空间信道层，以及对应的k个特征值和特征矢量；

第四步：对k个空间信道层的数据分别进行编码和调制处理；

第五步：对k个空间信道层的数据分别加载每个空间信道层各自的专用导频；

第六步：对加载专用导频的经过编码和调制的k个空间信道层的数据分别乘以每个空间信道层各自的特征矢量，从而将数据映射至天线上，并将映射到天线的数据加权后得到空间信号，通过每个空间信道层各自的天线端口发送出去；

第七步：接收端(UE侧)根据专用导频对空间信号进行信号解调。

所述特征值是空间信道层的增益，用于计算数据通过空间信道层到达接收端后的信噪比；

所述特征向量是空间信道层的发射权值，用于将数据映射到发射天线上。

图3显示了TDD系统的下行单用户多层波束成形装置框图，如图3所示，装置包括：

参数生成单元，用于根据估计的上行信道矩阵获取下行信道矩阵，并根据所述下行信道矩阵，生成每个空间信道层的增益和发射权值；所述参数生成单元根据上行SRS导频估计用户的上行信道矩阵，从而通过TDD系统的上行信道与下行信道之间的互异性直接获取下行信道矩阵，并将所述下行信道矩阵进行特征值分解，得到特征值和特征向量，即每个空间信道层的增益和发射权值。

判决单元，用于利用每个空间信道层的增益计算不同空间信道层传输的数据到达接收端后的信噪比，并获取可以正确传输数据的k个空间信道层；所述判决单元通过比较所述数据到达接收端后的信噪比与信噪比门限值，获取可以正确传输数据的k个空间信道层，即若通过某一个空间信道层传输的所述数据到达接收端后的信噪比大于信噪比门限值，则所述空间信道层可以用于数据传输，否则不能进行数据传输；所述信噪比门限值为接收端接收数据的正确块率达到设定值P时的信噪比，所述设定值p≥70％，优选值为70％。

发送单元，用于将所述k个空间信道层传输的数据分别加载专用导频，并乘以相应的发射权值后，通过天线发射出去；所述发送单元将所述k个空间信道层传输的数据分别经过编码和调制后加载每个空间信道层的专用导频，并把经过编码和调制的k个空间信道层传输的数据乘以相应的发射权值，映射到天线上；映射到天线上的数据经过加权后，形成空间信号，并由相应的天线端口发射出去。

所述判决单元包括：

接收端信噪比计算子单元，用于根据所述参数生成单元生成的所述增益和发送侧链路信噪比计算不同空间信道层传输的数据到达接收端后的信噪比；

判决子单元，用于在某一个空间信道层传输的所述数据到达接收端后的信噪比大于信噪比门限值时，判决所述空间信道层可以用于数据传输，否则不能用作数据传输。

所述发送单元包括：

编码调制子单元，用于将发送数据进行编码和调制；

波束成形子单元，用于为编码和调制后的数据加载空间信道层的专用导频，将编码和调制后的数据乘以相应空间信道层的发射权值，并映射到天线上；

发送子单元，用于将映射到天线上的数据经过加权后，形成空间信号，由相应的天线端口发射出去。

所述装置的工作原理如下：

参数生成单元根据上行SRS导频估计上行信道矩阵，并通过TDD系统的上行信道与下行信道的互易性，直接获得下行信道矩阵。将所述下行信道矩阵进行特征值分解，得到每个空间信道层的增益和发射权值，并分别送入判决单元的接收端信噪比计算子单元和所述发送单元的波束成形子单元中。

所述接收端信噪比计算子单元将发射侧链路的信噪比乘以接收的所述增益，得到不同空间信道层传输的数据到达接收端的信噪比，并将计算得到的所述信噪比送入相连的判决子单元中，由所述判决子单元比较所述信噪比与信噪比门限值，若接收端信噪比大于所述信噪比门限值，则空间信道层可以用作数据传输，将可以用作数据传输的空间信道层的信息传送给发送单元的编码调制子单元，由所述编码调制子单元将可以用于传送数据的空间信道层的数据进行编码和调制处理，并将处理后的数据送入波束成形子单元。

所述波束成形子单元将数据加载专用导频后，对所述数据乘以发射权值，使数据映射到天线上，经过数据加权后通过相应的空间信道层的天线端口发送出去。

综上所述，本发明统一考虑多个层的数据，最大限度得利用信道容量，从而充分并合理得利用空间信道的资源。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种TDD系统的下行单用户多层波束成形方法，其特征在于，包括：

A)演进B节点eNB根据估计的上行信道矩阵获取下行信道矩阵，并根据所述下行信道矩阵得到每个空间信道层的增益和发射权值；

B)eNB利用每个空间信道层的增益计算不同空间信道层传输的数据到达接收端后的信噪比，以获取可以正确传输数据的k个空间信道层；

C)eNB将所述k个空间信道层传输的数据分别加载专用导频，并将所述k个空间信道层传输的数据分别乘以相应的发射权值后，通过天线发射出去。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A)具体为：

eNb根据上行探测导频(Sounding Reference Signal，SRS)生成用户的上行信道矩阵，并通过所述上行信道矩阵得到下行信道矩阵；

eNb将所述下行信道矩阵进行特征值分解，得到每个空间信道层的所述增益和所述发射权值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B)中，eNb通过比较所述数据到达接收端后的信噪比与信噪比门限值，获取可以正确传输数据的k个空间信道层，具体为：

若通过某一个空间信道层传输的所述数据到达接收端后的信噪比大于信噪比门限值，则所述空间信道层可以用于数据传输，否则不能进行数据传输；

所述信噪比门限值为接收端接收数据的正确块率达到设定值P时的信噪比。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述设定值p≥70％。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述设定值P取70％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，执行所述步骤C)前，还包括：eNb将所述k个空间信道层传输的数据分别经过编码和调制。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤C)具体为：

eNb将所述经过编码和调制的数据分别加载每个空间信道层的专用导频，并把所述数据乘以相应的发射权值，映射到天线上；

映射到天线上的数据经过加权后，形成空间信号，并由相应的天线端口发射出去。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收端使用专用导频解调eNb 发送的空间信号。

9.一种TDD系统的下行单用户多层波束成形装置，其特征在于，包括：

参数生成单元，用于根据估计的上行信道矩阵获取下行信道矩阵，并根据所述下行信道矩阵，生成每个空间信道层的增益和发射权值；

判决单元，用于利用每个空间信道层的增益计算不同空间信道层传输的数据到达接收端后的信噪比，并获取可以正确传输数据的k个空间信道层；

发送单元，用于将所述k个空间信道层传输的数据分别加载专用导频，并乘以相应的发射权值后，通过天线发射出去。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述判决单元包括：

接收端信噪比计算子单元，用于根据所述参数生成单元生成的所述增益和发送侧链路信噪比计算不同空间信道层传输的数据到达接收端后的信噪比；

判决子单元，用于在某一个空间信道层传输的所述数据到达接收端后的信噪比大于信噪比门限值时，判决所述空间信道层可以用于数据传输，否则不能用作数据传输。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述发送单元包括：

编码调制子单元，用于将发送数据进行编码和调制；

波束成形子单元，用于为编码和调制后的数据加载空间信道层的专用导频，将编码和调制后的数据乘以相应空间信道层的发射权值，并映射到天线上；

发送子单元，用于将映射到天线上的数据经过加权后，形成空间信号，由相应的天线端口发射出去。 

Images