CN102223168B - 基于阵列天线和mimo联合传输波束成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于阵列天线和MIMO联合传输波束成形方法，其步骤为：(1)初始化；(2)获得全向信道状态信息；(3)获得空问真实波束；(4)前n个波束传输数据；(5)等效信道估计；(6)获得虚拟波束；(7)获得联合BF性能值；(8)选取最优AA-BF发送的波束数；(9)传输数据。本发明可以同时获取多天线系统带来的分集增益、复用增益和阵列增益，提高了通信链路的可靠性，可以最大限度的提升无线通信系统的频谱利用率、吞吐量、扩大无线通信的覆盖范围，可同时满足用户在视距和非视距条件下的通信需求。进而提高了用户的通信质量，增强了用户的感知度。

Description

基于阵列天线和MIMO联合传输波束成形方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种基于阵列天线和多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)联合传输波束成形方法，该方法可以提高无线通信系统的频谱利用率、吞吐量、可靠性以及扩大无线通信的覆盖范围。

背景技术

现有传输波束成形技术分两种：一种是基于MIMO预编码的波束成形技术，另一种是基于阵列天线的波束成形技术。

第一种，基于MIMO预编码的波束成形技术。

MIMO波束成形(MIMO-BF)也叫做MIMO预编码技术，是一种在发射端利用信道状态信息(CSI)对发送符号进行预处理，以提高系统容量或以降低系统误码率为目的的信号处理技术。MIMO-BF要求天线之间相互独立，其可为系统带来分集或复用增益。现有的MIMO预编码技术有基于信道奇异值分解(SVD)的预编码技术和基于信道几何均值分解(GMD)的预编码技术等。

三星电子株式会社北京三星通信技术研究有限公司申请的专利“SVD预编码方法、预编码方法及使用所述方法的系统”(专利申请号200710192895.3，公开号101453258)。该专利申请主要是提出了一种在发射端使用预编码方法，其步骤是：对接收到的信息比特进行信道编码；对已编码数据进行基带调制，根据UL Sounding信号估计信道矩阵(H^T)，并利用所述信道矩阵(H^T)，基于奇异值分解得到发射矩阵(V)，利用所述的发射矩阵(V)对调制数据进行预编码；将结果分配到OFDM子载波上，并发射得到的数据码元。该专利申请存在的不足是，该方法所获取的MIMO波束成形带来的性能增益(分集增益或复用增益)，其对无线通信系统的吞吐量、频谱利用率以及误码性能提升有限，在通信场景稍微恶劣的条件下，使用户的通信质量明显下降，严重影响用户体验，降低用户感知度。

第二种，基于阵列天线的波束成形技术。

阵列天线波束成形(AA-BF)是一种由多天线单元组成的阵列天线系统的波束成形，要求天线单元之间具有强相关性。AA-BF原理是通过调节各阵元信号的加权幅度和相位将无线电信号导向具体的方向，产生空间指向性波束。使天线主波束对准期望用户方向，旁瓣或零陷对准干扰用户方向，获得阵列增益，增强信号品质。现有的AA-BF方法有基于波达方向(DOA)估计的波束成形算法和特征波束成形算法等。

华为技术有限公司申请的专利“一种波束成形的方法、系统和装置”(专利申请号200710195422.9，公开号101453255)。该专利申请主要公开了一种波束成形方法，包括以下步骤：基站在各波束中发射码序列，所述码序列中的码元与所述各波束一一对应；在收到根据终端接收的信号和所述码序列的相关度生成的波束选择信息后，所述基站对发送的数据进行波束成形。该专利申请公开的方法和装置存在的不足是，该方法限制每个用户只分配一个波束，如果在无线通信环境散射体较多的情况下，这种分配方式并不是最优的，一个用户可能会存在多个最优波束，并且在非视距条件下，使用该方法会使系统性能迅速恶化。

MIMO-BF能够为无线通信系统带来分集或复用增益，AA-BF能够为无线通信系统带来阵列增益，都可以提高系统性能。不过，MIMO-BF要求天线之间相互独立，而AA-BF要求天线之间强相关。由于MIMO-BF和AA-BF对天线相关性要求截然不同，将两者简单结合起来，并不能同时获取MIMO-BF和AA-BF带来的性能增益，必须采用某些联合传输波束成形方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于阵列天线和MIMO联合传输波束成形方法，可以最大限度的获取MIMO-BF和AA-BF带来的性能增益。

本发明实现的基本思路是，首先各个子阵列使用AA-BF方法产生一组波束，然后传输点通过反复调整各子阵列发送的波束数，使AA-BF和MIMO-BF联合传输波束成形的性能达到最优，此时系统可同时获取MIMO-BF和AA-BF带来的性能增益。

为实现上述目的，本发明实现步骤如下：

(1)初始化。传输点将发送波束数n设为1，初始性能值Q₀设为0；

(2)获得全向信道状态信息。根据通信系统对性能需求和传输方式的不同，发送端采用信道估计技术完成全向信道估计，得到全向信道状态信息CSI-O；

(3)获得空间真实波束。传输点对获取的CSI-O采用AA-BF方法得到N个波束，对N个波束性能指标的特征值按照从大到小排序；

(4)前n个波束传输数据。传输点通过对已排序的N个波束中的前n个波束传输数据；

(5)等效信道估计。根据通信系统对性能需求和传输方式的不同，发送端采用信道估计技术完成对做完AA-BF后的等效信道进行估计，得到等效信道状态信息CSI-E；

(6)获得虚拟波束。传输点对所获取的CSI-E，采用MIMO-BF方法得到MIMO空间虚拟波束；

(7)获得联合BF性能值Q_n。系统在做完阵列天线波束成形后，采用MIMO波束成形方法进行数据传输，实现联合波束成形，系统采用与其所关注性能对应的计算方法获取联合波束成形后的系统性能值Q_n；

(8)选取最优AA-BF发送的波束数。传输点比较当前经过联合MIMO-BF和发送n个波束的AA-BF的系统性能值Q_n与经过联合MIMO-BF和发送n-1个波束的AA-BF的系统性能值Q_n-1的大小。

8a)若Q_n-1小于等于Q_n不成立，则n＝n-1，此式表示AA-BF发送波束数自减1，其中n为AA-BF发送的最优波束数，转入步骤9；

8b)若Q_n-1小于等于Q_n成立，则n＝n+1，此式表示AA-BF发送波束数自加1，若n小于等于N不成立，则n＝n-1，其中n为发送的最优波束数，转入步骤9，若n小于等于N成立，返回步骤4；

(9)传输数据。系统在做完阵列天线波束成形后，采用MIMO波束成形方法传输数据。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明允许每个用户可以有多个波束传输数据，克服了现有技术每个用户只有一个波束传输数据的缺点，提高了通信链路的可靠性。

第二，由于本发明采用基于阵列天线和MIMO联合传输波束成形方法，克服了现有技术不能同时获取多天线系统带来的分集增益、复用增益和阵列增益的缺点，可以最大限度的提升无线通信系统的频谱利用率、吞吐量、可靠性以及扩大无线通信的覆盖范围，可同时满足用户在视距和非视距条件下的通信需求。进而提高了用户的通信质量，增强了用户的感知度。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的发射原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参照图2本发明实施例传输点的天线配置为4个子阵列，图2中阵列个数m取4，每个子阵列部署4个阵元。4个子阵列之间相互独立，每个子阵列上的4个阵元强相关。

参照附图1对本发明实现的步骤进行具体描述。

步骤1，初始化。

传输点将发送波束数n设为1，初始性能值Q₀设为0。波束性能值是指系统的吞吐量、覆盖范围和频谱利用率三个指标，根据系统所关注的性能值选取其中一个指标进行优化。由于本实施例关注系统的吞吐量，故系统的初始性能值Q₀即为吞吐量，将其设为0。，该步骤的目的是可确保系统至少成功进行一次迭代。

步骤2，获取全向信道信息。

根据通信系统对性能需求和传输方式的不同，发送端采用信道估计技术完成全向信道估计，性能需求是指系统对信道估计误码率的要求，传输方式包括TDD方式和FDD方式。信道估计技术包括在FDD和TDD传输方式下的信道估计。FDD系统的信道估计需要反馈链路，TDD系统通过上下行信道的互易性，传输点利用上行信道估计下行信道状态信息，因此TDD系统不需要专有的反馈链路。

AA-BF的实现需要精确的信道状态信息，信道状态信息的准确性将直接影响系统整体性能。信道估计就是通过某种算法估计出实际信道的径数和径的系数，以此可识别每副发送天线和接收天线之间的信道冲激响应。

本发明实施例采用基于训练序列的信道估计算法，传输点通过发送已知的训练序列，在用户端进行初始全向信道估计，当发送有用的信息数据时，利用初始的全向信道估计结果进行一次判决更新，得到实时全向信道信息CSI-O。用户端将CSI-O通过反馈链路反馈回传输点。

步骤3，获得空间真实波束。

AA-BF方法采用现有技术中常用的特征波束成形方法和基于波达方向(DOA)估计的波束成形方法。本发明实施例中传输点通过步骤2所获取的全向信道状态信息CSI-O，采用特征波束成形算法使每个子阵列产生4个波束，由于本发明实施例的系统总共有4个子阵列，故系统总共可产生16个波束。

特征波束成形是一种阵列天线波束成形技术，其具体的实现方式为传输点对阵列信道响应的相关矩阵，按照下列公式进行特征值分解：

$C_k=E\{h_k,h_k^H\}=V_k{\mathrm{\Λ}}_k{V}_k^H=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{i,k}{V}_{i,k}{V}_{i,k}^H$

其中，C_k为第k个子阵列信道响应的相关矩阵，h_k为第k个子阵列的信道响应矩阵，本实施例k＝1，2，3，4，(·)^H代表共轭转置，V_i，k为第i特征值对应的特征向量，M为每个子阵列的阵元数，本实施例M＝4。

用不同特征值对应的特征向量对阵列进行加权得到多个波束，且这些波束之间相互独立。

传输点分别对4个子阵列信道响应的相关矩阵进行特征值分解，分解后每个子阵列可得到4个特征值，由于本实施例的系统总共有4个子阵列，故可产生16个特征值，相对应的总共有16个特征向量，任意一个特征向量对相应的阵列进行加权可以得到一个波束。将这16个特征值按照从大到小进行排序，即各子阵列的加权因子(特征值对应的特征向量)也进行了排序。

步骤4，前n个波束传输数据。

传输点选取步骤3中的前n个特征值所对应的特征向量对所对应的子阵列进行加权，此时系统可得到n个波束，传输点采用这n个波束传输数据。

步骤5，等效信道估计。

MIMO-BF的实现同样需要精确的信道信息，信道状态信息的准确性将直接影响系统整体性能。

此时信道是已做完AA-BF后的等效信道，本发明实施例采用基于训练序列的信道估计算法，传输点通过发送已知的训练序列，在用户端进行初始等效信道估计，当发送有用的信息数据时，利用初始的等效信道估计结果进行一次判决更新，得到实时等效信道估计CSI-E。用户端将CSI-E通过反馈链路反馈回传输点。

步骤6，获取MIMO虚拟波束。

MIMO-BF方法采用现有技术中常用的奇异值分解方法和几何均值分解方法。本发明实施例中传输点对所获取的等效信道状态信息CSI-E，采用奇异值分解(SVD)进行MIMO传输波束成形。信道矩阵H的SVD分解如下：

H＝USV^H

式中，V和U是酉矩阵；S是由奇异值组成的对角矩阵；V^H是V的Hermitian(复数共轭转置)矩阵。酉矩阵的定义为

V^HV＝VV^H＝I

S的对角值为非负值，并且降序排列。V的前N_ss列被用作传输波束加权值。其中N_ss为空间流数目。

本发明实施例采用SVD计算V矩阵的原因是，在线性接收机的情况下它可以达到最大似然的性能，从而大大简化了接收机的设计。

步骤7，获得联合BF性能值。

系统在做完阵列天线波束成形后，采用MIMO波束成形方法进行数据传输，实现了联合波输成形。系统采用与其所关注性能对应的计算方法获取联合波束成形后的系统性能值。对应的计算方法包括吞吐量、覆盖范围和频谱利用率的计算方法，并且这些计算方法为本领域通用的方法。由于本实施例关注系统的吞吐量，故此时系统根据调制阶数、编码速率、信道带宽和子载波数目计算联合波束成形后的系统吞吐量Q_n。

步骤8，选取最优AA-BF发送的波束数。

系统通过不断调整每个子阵列AA-BF的发送波束数，使AA-BF和MIMO-BF的联合BF性能达到最优。

本实施例传输点比较当前经过MIMO-BF和发送n个波束的AA-BF的联合性能值Qn与经过MIMO-BF和发送n-1个波束的AA-BF的联合性能值Qn-1的大小，若Qn小于Qn-1，则得到最优AA-BF发送的波束数n＝n-1，转入步骤9。若Qn大于等于Qn-1，则n＝n+1，此时若n大于AA-BF产生的总的波束数16，则得到最优AA-BF发送的波束数n＝n-1，转入步骤9；若n小于等于AA-BF产生的总的波束数16，转入步骤4。

步骤9，传输数据。

经过上面的步骤后，此时传输点已经获得使系统吞吐量最大的发送波束数n。传输点联合MIMO-BF和发送n个波束的AA-BF传输数据，此时可获取最大的系统吞吐量。

Claims (5)

1.一种基于阵列天线和MIMO联合传输波束成形方法，包括步骤如下：

(1)初始化，传输点将发送波束数n设为1，初始波束性能值Q₀设为0；

(2)获得全向信道状态信息，根据通信系统对性能需求和传输方式的不同，发送端采用信道估计技术完成全向信道估计，得到全向信道状态信息CSI-O；

(3)获得空间真实波束，传输点对获取的CSI-O采用阵列天线波束成形方法得到N个波束，对N个波束性能指标的特征值按照从大到小排序；

(4)前n个波束传输数据，传输点通过对已排序的N个波束中的前n个波束传输数据；

(5)等效信道估计，根据通信系统对性能需求和传输方式的不同，发送端采用信道估计技术完成对做完阵列天线波束成形后的等效信道进行估计，得到等效信道状态信息CSI-E；

(6)获得虚拟波束，传输点对所获取的CSI-E，采用MIMO波束成形方法得到MIMO空间虚拟波束；

(7)获得联合BF性能值Q_n，系统在做完阵列天线波束成形后，采用MIMO波束成形方法进行数据传输，实现联合波束成形，系统采用与其所关注性能对应的计算方法获取联合波束成形后的系统性能值Q_n；

(8)选取最优阵列天线波束成形发送的波束数，传输点比较当前经过联合MIMO波束成形和发送n个波束的阵列天线波束成形的系统性能值Q_n与经过联合MIMO波束成形和发送n-1个波束的阵列天线波束成形的系统性能值Q_n-1的大小；

8a)若Q_n-1小于等于Q_n不成立，则n=n-1，此式表示阵列天线波束成形发送波束数自减1，其中n为阵列天线波束成形发送的最优波束数，转入步骤(9)；

8b)若Q_n-1小于等于Q_n成立，则n=n+1，此式表示阵列天线波束成形发送波束数自加1，若n小于等于N不成立，则n=n-1，其中n为发送的最优波束数，转入步骤(9)，若n小于等于N成立，返回步骤(4)；

(9)传输数据，系统在做完阵列天线波束成形后，采用MIMO波束成形方法传输数据。

2.根据权利要求1所述的基于阵列天线和MIMO联合传输波束成形方法，其特征在于，所述步骤(1)中的波束性能值是指系统的吞吐量、覆盖范围、频谱利用率三个指标，根据系统所关注的性能值选取其中一个指标进行优化。

3.根据权利要求1所述的基于阵列天线和MIMO联合传输波束成形方法，其特征在于，步骤(2)和(5)中所述信道估计采用FDD和TDD传输方式下进行的信道估计，性能需求是指系统对信道估计误码率的要求。

4.根据权利要求1所述的基于阵列天线和MIMO联合传输波束成形方法，其特征在于，所述步骤(3)中的阵列天线波束成形方法采用特征波束成形方法和基于波达方向估计的波束成形方法。

5.根据权利要求1所述的基于阵列天线和MIMO联合传输波束成形方法，其特征在于，所述的步骤(6)中的MIMO波束成形方法采用奇异值分解方法和几何均值分解方法。

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