CN102104403B - 波束赋形和循环时延分集的切换方法和系统 - Google Patents

波束赋形和循环时延分集的切换方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波束赋形和循环时延分集的切换方法和系统,该方法包括:在判决周期内,根据切换算法从预定多天线数据发送模式中选择适合于当前用户的数据发送模式,其中,预定多天线数据发送模式包括:波束赋形和循环时延分集;使用选择的数据发送模式传输数据。本发明最大限度地提高了系统的性能。

Description

波束赋形和循环时延分集的切换方法和系统
技术领域
本发明涉及通信领域,具体而言,涉及一种波束赋形(BeamForming,简称为BF)和循环时延分集(Cyclic Delay Diversity,简称为CDD)的切换方法和系统。
背景技术
BF是基于自适应天线原理,利用天线阵列通过先进的信号处理算法分别对各天线单元进行加权处理,使阵列实时对准有用信号方向,而在干扰方向形成零点以抑制干扰信号,从而提高信干噪比,提升系统性能,增加系统的覆盖范围。
图1是根据相关技术的BF发送端的示意图,如图1所示,信源经过信道编码、调制后,乘以对应天线上的权值Wi发送出去,其中,i=1,2,…,m,m为发送端的实际物理天线。经过波束赋形后,多根天线相当于一根虚拟的天线。
CDD是正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,简称为OFDM)里常用的一种多天线发送分集方案,它在各个天线上发送相同的频域数据,并对时域的OFDM符号进行不同的循环延迟,以此来获得频域分集增益。
图2是根据相关技术的CDD发送端的示意图,如图2所示,信源经过信道编码、调制后,经过逆傅立叶变换(Inverse Fast FourierTransform,简称为IFFT)成时域数据,并用对应天线的循环延迟Di进行相应的延迟后,加循环前缀(Cyclic Prefix,简称为CP)发送出去,其中,i为1,2,…,m,m为发送天线数目。
BF和CDD这两种技术都能提高无线通讯系统的性能和增加系统的覆盖范围。两者的主要区别在于:BF需要根据信道信息来获得信号处理的权值,在时分复用系统中,根据互易性来获取信道信息估计权值,在频分复用系统中,通过接收端反馈信道信息估计权值。这里说的信道信息可以是上下行数据或者导频对应的信道,也可以是上行反馈信道。所以BF的性能会受到信道信息的准确性和及时性的影响。而CDD不受上行信道或者接收端反馈的影响。一般来说,在能选取合适的权值的情况下,BF的性能优于CDD的性能。但是在信道信息不准确或者不及时的情况下,用它估计得到的权值做BF,性能可能差于CDD的性能。
但是,目前无法解决BF和CDD自适应切换的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种BF和CDD的切换方法和系统,以至少解决上述问题。
根据本发明的一个方面,提供了一种波束赋形和循环时延分集的切换方法,包括:在判决周期内,根据切换算法从预定多天线数据发送模式中选择适合于当前用户的数据发送模式,其中,预定多天线数据发送模式包括:波束赋形和循环时延分集;使用选择的数据发送模式传输数据。
优选地,切换算法包括:步骤1,初始化先前权值相关性RPre=α,切换判决的周期为T帧,其中,α为大于0的常数;步骤2,在周期内,根据帧的时间顺序,计算得到用户第一次权值W1=(W11,W12,…,W1Tx)T;步骤3,根据帧的时间顺序,计算用户下一次权值W2=(W21,W2,…,W2Tx)T,用户对应的相邻两次权值相关性为RCur=f(W1,W2),其中,f是对权值W1,W2的处理函数,Tx为传输天线数目,T为矩阵的转置;步骤4,先前权值相关性更新为RPre=ρRPre+(1-ρ)RCur,其中,ρ为常量且0≤ρ≤1;将RPre和预先配置的门限值Tr比较,如果RPre≥Tr,则统计量Ns加1,且将权值W2的值赋给W1;重复步骤3~步骤4,直到周期T结束或者Ns≥Num,其中,Num为配置的门限值。
优选地,f(W1,W2)=|W1 H*W2|,其中,H为矩阵的共厄转置。
优选地,根据切换算法选择适合于当前用户的数据发送模式包括:如果Ns≥Num,则将原来使用循环时延分集的用户的数据发送模式切换到波束赋形;如果Ns≥Num,则原来使用波束赋形的用户的数据发送模式继续选择波束赋形。
优选地,根据切换算法选择适合于当前用户的数据发送模式包括:如果Ns<Num,则原来使用循环时延分集的用户的数据发送模式继续选择循环时延分集;如果Ns<Num,则将原来使用波束赋形的用户的数据发送模式切换到循环时延分集。
根据本发明的另一个方面,提供了一种波束赋形和循环时延分集的切换系统,包括:模式判决模块,用于根据切换算法判决用户适合使用的发送模式为波束赋形或循环时延分集;循环时延分集发送模块,用于对时域数据按对应天线的循环延迟量延迟后进行发送;波束赋形发送模块,用于对数据乘以对应天线的权值分量后进行发送;切换模块,用于根据模式判决模块的结果,确定使用波束赋形发送模块或循环时延分集发送模块来发送数据。
优选地,该系统还包括:权值计算模块,用于根据用户的信道系数矩阵计算波束赋形的权值。
优选地,切换算法包括:步骤1,初始化先前权值相关性RPre=α,切换判决的周期为T帧,其中,α为大于0的常数;步骤2,在周期内,根据帧的时间顺序,计算得到用户第一次权值W1=(W11,W12,…,W1Tx)T;步骤3,根据帧的时间顺序,计算用户下一次权值W2=(W21,W2,…,W2Tx)T,用户对应的相邻两次权值相关性为RCur=f(W1,W2),其中,f是对权值W1,W2的处理函数,Tx为传输天线数目,T为矩阵的转置;步骤4,先前权值相关性更新为RPre=ρRPre(1-ρ)RCur,其中,ρ为常量且0≤ρ≤1;将RPre和预先配置的门限值Tr比较,如果RPre≥Tr,则统计量Ns加1,且将权值W2的值赋给W1;重复步骤3~步骤4,直到周期T结束或者Ns≥Num,其中,Num为配置的门限值。
优选地,f(W1,W2)=|W1 H*W2|,其中,H为矩阵的共厄转置。
优选地,模式判决模块包括:第一模式判决子模块,用于在Ns≥Num的情况下,判决原来使用循环时延分集的用户的数据发送模式为波束赋形;第二模式判决子模块,用于在Ns≥Num的情况下,判决原来使用波束赋形的用户的数据发送模式继续为波束赋形;第三模式判决子模块,用于在Ns<Num的情况下,判决原来使用循环时延分集的用户的数据发送模式继续为循环时延分集;第四模式判决子模块,用于在Ns<Num的情况下,判决原来使用波束赋形的用户的数据发送模式为循环时延分集。
通过本发明,根据系统的处理能力和信道情况选择BF或CDD中性能好的技术来发送数据,解决了无法对BF和CDD自适应切换的问题,进而最大限度地提高了系统的性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是根据相关技术的BF发送端的示意图;
图2是根据相关技术的CDD发送端的示意图;
图3是根据本发明实施例的BF和CDD的切换方法的流程图;
图4是根据本发明实施例的BF和CDD的切换系统的结构框图;
图5是根据本发明实施例的BF和CDD的切换系统的优选结构框图;
图6是根据本发明实施例的BF和CDD的切换方法的详细流程图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
方法实施例
根据本发明的实施例,提供了一种BF和CDD的切换方法,应用于包括发送端和接收端的无线通信系统。图3是根据本发明实施例的BF和CDD的切换方法的流程图,如图3所示,包括如下的步骤S302至步骤S304:
步骤S302,在判决周期内,根据切换算法从预定多天线数据发送模式中选择适合于当前用户的数据发送模式,其中,所述预定多天线数据发送模式包括:波束赋形和循环时延分集。
步骤S304,使用选择的数据发送模式传输数据。
具体地,无线通信系统根据切换算法从包括BF或CDD的两种多天线数据发送模式中选择一种适合于当前用户的数据发送模式;无线通信系统中的发送端根据选择的结果使用相应的发送模式传输数据;其中,切换算法由无线通信系统中的模式判决模块执行完成。
进一步地,无线通信系统模式判决模块的切换算法具体包括以下步骤:
步骤1,初始化先前权值相关性RPre=α,这里,α为大于0的常数;切换判决的周期为T帧。
步骤2,在周期T内,根据帧的时间顺序,发送端第一次计算得到的权值记为W1=(W11,W12,…,W1Tx)T
步骤3,根据帧的时间顺序,基站计算用户下一个最新权值,记为W2=(W21,W2,…,W2Tx)T,则用户对应的相邻两次权值相关性为RCur=f(W1,W2),其中,f是对权值W1,W2的处理,优选地,为f(W1,W2)=|W1 H*W2|,其中,Tx为传输天线数目,T为矩阵的转置,H为矩阵的共厄转置。
步骤4,先前权值相关性更新为RPre=ρRPre+(1-ρ)RCur,ρ为常量且0≤ρ≤1。将RPre和配置的门限值Tr比较,如果RPre≥Tr,则统计量Ns加1;且将权值W2的值赋给W1
步骤5,重复步骤3~步骤4,直到周期T结束或者Ns≥Num,其中,Num为配置的门限值。
具体地,根据切换算法选择适合于当前用户的数据发送模式包括:
如果Ns≥Num,原来使用CDD的用户切换到BF。
如果Ns≥Num,原来使用BF的用户,继续使用BF。
如果Ns<Num,原来使用CDD的用户继续用CDD。
如果Ns<Num,原来使用BF的用户,切换到CDD。
通过该实施例,提供了一种下行BF和CDD自适应切换的方法,可以实现BF和CDD的自适应切换,从而使两者有效结合,最大限度地提高无线通讯系统链路的性能和系统的覆盖范围。
系统实施例
根据本发明的实施例,提供了一种BF和CDD的切换系统,该系统可以用于实现上述的BF和CDD的切换方法。图4是根据本发明实施例的BF和CDD的切换系统的结构框图,如图4所示,该系统包括:模式判决模块2、切换模块4、CDD发送模块6、BF发送模块8,下面对上述结构进行详细描述。
模式判决模块2:用于根据切换算法,判决该用户最适合使用的发送模式为BF或CDD;切换模块4:连接至模式判决模块2,用于根据模式判决模块2的结果,决定使用BF发送模块8还是CDD发送模块6来发送数据;CDD发送模块8:连接至切换模块4,用于将时域数据按对应天线的循环延迟量延迟后发送出去;BF发送模块0:连接至切换模块4,用于对数据乘以对应天线的权值分量后发送出去。
优选地,该系统还包括:权值计算模块:用于根据用户的信道系数矩阵计算BF的权值。
其中,切换算法包括:
步骤1,初始化先前权值相关性RPre=α,切换判决的周期为T帧,其中,α为大于0的常数。
步骤2,在所述周期内,根据帧的时间顺序,计算得到用户第一次权值W1=(W11,W12,…,W1Tx)T
步骤3,根据所述帧的时间顺序,计算用户下一次权值W2=(W21,W2,…,W2Tx)T,用户对应的相邻两次权值相关性为RCur=f(W1,W2),其中,f是对权值W1,W2的处理函数,Tx为传输天线数目,T为矩阵的转置,优选地,f(W1,W2)=|W1 H*W2|,其中,H为矩阵的共厄转置。
步骤4,所述先前权值相关性更新为RPre=ρRPre+(1-ρ)RCur,其中,ρ为常量且0≤ρ≤1;将RPre和预先配置的门限值Tr比较,如果RPre≥Tr,则统计量Ns加1,且将权值W2的值赋给W1
重复步骤3~步骤4,直到周期T结束或者Ns≥Num,其中,Num为配置的门限值。
具体地,模式判决模块包括:
第一模式判决子模块,用于在Ns≥Num的情况下,判决原来使用循环时延分集的用户的数据发送模式为波束赋形。
第二模式判决子模块,用于在Ns≥Num的情况下,判决原来使用波束赋形的用户的数据发送模式继续为波束赋形。
第三模式判决子模块,用于在Ns<Num的情况下,判决原来使用循环时延分集的用户的数据发送模式继续为循环时延分集。
第四模式判决子模块,用于在Ns<Num的情况下,判决原来使用波束赋形的用户的数据发送模式为循环时延分集。
通过上述实施例,可以根据系统的特点,灵活地选择BF和CDD中性能较好的技术来发送数据,从而最大限度地提高了系统的性能和覆盖范围。
下面结合实际应用对上述系统进行说明。图5是根据本发明实施例的BF和CDD的切换系统的优选结构框图,如图5所示,一方面,信源经过信道调制编码模块的调制编码,再经过符号映射模块的符号映射,进入切换模块,另一方面,将信道系数矩阵的信道信息输入权值计算模块进行权值计算,然后权值计算模块将权值相关性输入模式判决模块,权值计算模块将权值信息输入BF发送模块,模式判决模块将判决结果通知给切换模块,切换模块选择CDD发送模块或BF发送模块来发送数据。
图6是根据本发明实施例的BF和CDD的切换方法的详细流程图,下面结合图6对本发明的优选实施例进行描述。
实施例一
假设一个基站下面服务的用户有M个,其集合表示成Ω,用户i记为ui。其中,CDD用户的集合记为ΩCDD,初始化为空集,即ΩCDD={φ}。BF用户的集合记为ΩBF,初始化为全集,即ΩBF=Ω。配置切换的周期为T帧。权值相关性门限配置为Tr,统计变量的门限值配置为Num。先前权值相关性配置为RPre=α。
在周期T内,基站下的每个用户ui,i=1,2,…,M进行如下处理,如图6的流程所示,直到遍历完所有的用户。
(1)按帧的时间顺序,根据自己的信道系数矩阵,计算得到第一个权值W1=(W11,W12,…,W1m)T,这里,T是矩阵的转置,m是发送天线数目。
(2)根据帧的时间顺序,计算用户下一个最新权值W2=(W21,W22,…,W2m)T,W2在W1的下一帧或者几帧中计算。
(3)计算该用户当前权值相关性RCur=|W1 H*W2|,并更新先前权值相关性为RPre=ρRPre+(1-ρ)RCur,ρ为常量且0≤ρ≤1。更新权值W1=W2
比较先前权值相关性RPre与门限值Tr,如果RPre≥Tr,则统计变量Ns加1。
(4)重复执行(2)和(3)直到周期T结束或者Ns≥Num。
(5)对于用户ui,i=1,2,…,M,进行如下模式选择:
(A)如果ui在CDD用户集合ΩCDD中且Ns≥Num,那么将该用户从CDD集合中删除,并将它加到BF集合ΩBF中。
(B)如果ui在CDD用户集合ΩCDD中且Ns<Num,则将该用户继续保留在CDD集合ΩCDD中。
(C)如果ui在BF用户集合ΩBF中且Ns≥Num,则将该用户继续保留在BF集合ΩBF中。
(D)如果ui在BF用户集合ΩBF中且Ns<Num,则将该用户从BF集合中删除,并将它加到CDD集合ΩCDD中。
基站按用户所在的集合进行数据发送,如果该用户在CDD集合中,则选择CDD发送模块,将数据按CDD的模式发送出去;如果该用户在BF集合中,则选择BF发送模块,将数据按BF的模式发送出去。
然后,基站进入到下一个判决周期。
实施例二
下面再根据权值相关性、系统的处理能力和是否有信道信息等给出另外一个实施例。
假设一个基站下面服务的用户有M个,其集合表示成Ω,用户i记为ui。系统能同时处理的BF用户个数配置为N。其中CDD用户的集合记为ΩCDD,初始化为全集,即ΩCDD=Ω。BF用户的集合记为ΩBF,初始化为空集,即ΩBF={φ}。配置切换的周期为T帧。权值相关性门限配置为Tr,统计变量的门限值配置为Num。先前权值相关性配置为RPre=α。
在周期T内,如果当前的BF用户个数大于N,则,这个周期内不进行切换判决,属于CDD集合的用户继续保留在CDD集合ΩCDD,属于BF集合的用户继续保留在BF集合ΩBF中,直到有BF用户跟基站脱离联系。这时开始进行如下切换判决。
基站下的每个用户ui,i=1,2,…,M进行如下处理,如图6流程图所示,直到遍历完所有的用户。
(1)如果在周期T内,用户一直没有信道信息,则,
(A)如果该用户属于CDD集合,则继续保留在CDD集合ΩCDD中,
(B)如果该用户属于BF集合,则从BF集合ΩBF中删除该用户,并且添加到CDD集合ΩCDD中。
如果在周期T内有信道信息,则进行如下的权值相关性判决:
(2)按帧的时间顺序,根据自己的信道系数矩阵,计算得到第一个权值W1=(W11,W12,…,W1m)T,这里,T是矩阵的转置,m是发送天线数目。
(3)根据帧的时间顺序,计算用户下一个最新权值W2=(W21,W22,…,W2m)T。W2在W1的下一帧或者几帧中计算。
(4)计算该用户当前权值相关性RCur=|W1 H*W2|,并更新先前权值相关性为RPre=ρRPre+(1-ρ)RCur,ρ为常量且0≤ρ≤1。更新权值W1=W2
比较先前权值相关性RPre与门限值Tr,如果RPre≥Tr,则统计变量Ns加1。
(5)重复执行(3)和(4)直到周期T结束或者Ns≥Num。
(6)对于用户ui,i=1,2,…,M,进行如下模式选择:
(A)如果ui在CDD用户集合ΩCDD中且Ns≥Num,则将该用户从CDD集合中删除,并将它加到BF集合ΩBF中。
(B)如果ui在CDD用户集合ΩCDD中且Ns<Num,则将该用户继续保留在CDD集合ΩCDD中。
(C)如果ui在BF用户集合ΩBF中且Ns≥Num,则将该用户继续保留在BF集合ΩBF中。
(D)如果ui在BF用户集合ΩBF中且Ns<Num,则将该用户从BF集合中删除,并将它加到CDD集合ΩCDD中。
基站按用户所在的集合进行数据发送,如果该用户在CDD集合中,则按选择CDD发送模块,将数据按CDD的模式发送出去;如果该用户在BF集合中,则选择BF发送模块,将数据按BF的模式发送出去。
然后,基站进入到下一个判决周期。
通过本发明的上述实施例,根据系统的处理能力和信道情况选择BF或CDD中性能好的技术来发送数据,解决了无法对BF和CDD自适应切换的问题,进而最大限度地提高了系统的性能。
显然,本领域的技术人员应该明白,上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现,它们可以集中在单个的计算装置上,或者分布在多个计算装置所组成的网络上,可选地,它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现,从而,可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行,并且在某些情况下,可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤,或者将它们分别制作成各个集成电路模块,或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样,本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种波束赋形和循环时延分集的切换方法,其特征在于,包括: 
在判决周期内,根据切换算法从预定多天线数据发送模式中选择适合于当前用户的数据发送模式; 
其中,所述预定多天线数据发送模式包括:波束赋形和循环时延分集; 
其中,所述切换算法包括: 
步骤1,初始化先前权值相关性RPre=α,切换判决的周期为T帧,其中,α为大于0的常数; 
步骤2,在所述周期内,根据帧的时间顺序,计算得到用户第一次权值W1=(W11,W12,…,W1Tx)T; 
步骤3,根据所述帧的时间顺序,计算用户下一次权值W2=(W21,W2,…,W2Tx)T,用户对应的相邻两次权值相关性为RCur=f(W1,W2),其中,f是对权值W1,W2的处理函数,Tx为传输天线数目,T为矩阵的转置; 
步骤4,所述先前权值相关性更新为RPre=ρRPre+(1-ρ)RCur,其中,ρ为常量且0≤ρ≤1;将RPre和预先配置的门限值Tr比较,如果RPre≥Tr,则统计量Ns加1,且将权值W2的值赋给W1; 
重复步骤3~步骤4,直到周期T结束或者Ns≥Num,其中,Num为配置的门限值; 
使用选择的数据发送模式传输数据。 
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
Figure FSB0000116511400000011
其中,H为矩阵的共厄转置。 
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,根据所述切换算法选择适合于当前用户的数据发送模式包括: 
如果Ns≥Num,则将原来使用循环时延分集的用户的数据发送模式切换到波束赋形; 
如果Ns≥Num,则原来使用波束赋形的用户的数据发送模式继续选择波束赋形。 
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,根据所述切换算法选择适合于当前用户的数据发送模式包括: 
如果Ns<Num,则原来使用循环时延分集的用户的数据发送模式继续选择循环时延分集; 
如果Ns<Num,则将原来使用波束赋形的用户的数据发送模式切换到循环时延分集。 
5.一种波束赋形和循环时延分集的切换系统,其特征在于,包括: 
模式判决模块,用于根据切换算法判决用户适合使用的发送模式为波束赋形或循环时延分集; 
循环时延分集发送模块,用于对时域数据按对应天线的循环延迟量延迟后进行发送; 
波束赋形发送模块,用于对数据乘以对应天线的权值分量后进行发送; 
切换模块,用于根据所述模式判决模块的结果,确定使用所述波束赋形发送模块或所述循环时延分集发送模块来发送数据; 
其中,所述切换算法包括: 
步骤1,初始化先前权值相关性RPre=α,切换判决的周期为T帧,其中,α为大于0的常数; 
步骤2,在所述周期内,根据帧的时间顺序,计算得到用户第一次权值W1=(W11,W12,…,W1Tx)T; 
步骤3,根据所述帧的时间顺序,计算用户下一次权值W2=(W21,W2,…,W2Tx)T,用户对应的相邻两次权值相关性为RCur=f(W1,W2),其中,f是对权值W1,W2的处理函数,Tx为传输天线数目,T为矩阵的转置; 
步骤4,所述先前权值相关性更新为RPre=ρRPre+(1-ρ)RCur,其中,ρ为常量且0≤ρ≤1;将RPre和预先配置的门限值Tr比较,如果RPre≥Tr,则统计量Ns加1,且将权值W2的值赋给W1; 
重复步骤3~步骤4,直到周期T结束或者Ns≥Num,其中,Num为配置的门限值。 
6.根据权利要求5所述的系统,其特征在于,还包括: 
权值计算模块,用于根据用户的信道系数矩阵计算波束赋形的权值。 
7.根据权利要求5所述的系统,其特征在于,
Figure FSB0000116511400000031
其中,H为矩阵的共厄转置。 
8.根据权利要求5所述的系统,其特征在于,所述模式判决模块包括: 
第一模式判决子模块,用于在Ns≥Num的情况下,判决原来使用循环时延分集的用户的数据发送模式为波束赋形; 
第二模式判决子模块,用于在Ns≥Num的情况下,判决原来使用波束赋形的用户的数据发送模式继续为波束赋形; 
第三模式判决子模块,用于在Ns<Num的情况下,判决原来使用循环时延分集的用户的数据发送模式继续为循环时延分集; 
第四模式判决子模块,用于在Ns<Num的情况下,判决原来使用波束赋形的用户的数据发送模式为循环时延分集。 
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