CN102237922A - 一种波束赋形的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波束赋形的方法和装置。通过提取上行信号中的参考信号，并且对小区高层配置进行解析，获取该参考信号的参数配置，并生成本地信号；利用参考信号和本地信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数；利用信道系数计算各个子阵列上的空间协方差矩阵；通过对协方差矩阵进行特征值分解得到特征向量，由此获得加权系数；利用该加权系数，对发射到终端的数据和终端专属参考信号进行加权处理，完成对下行链路的波束赋形。通过上述过程对波束赋形的计算过程进行简化，在保证一定波束赋形精度的条件下，能够有效提高实现波束赋形的速度，降低系统的延时，确保能够指向目标终端，降低信号的解调错误和对其他终端干扰的目的。

Description

一种波束赋形的方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体的说，是涉及一种波束赋形的方法和装置。

背景技术

在无线通信环境中，终端通常分布在基站的各个方向，由于环境的影响两者之间的通信会产生多径信号，而有用信号则在一定的空间分布，为保证信号能够被正确的解调，这就对信号接收和处理提出了很高的要求。在现有技术的LTE(Long Term Evolution，长期演进)系统中，通常采用的波束赋形技术来对抗干扰，同时还能根据信道信息动态的调整波束的形状和指向，使UE(User Equipment，终端)接收的信号达到最大，同时利用波束具有的明确指向性，减少了其他终端用户受到的干扰。

波束赋形的基本原理如下所述，其原理图如图1所示：

接收端信号可表示为：  r＝hx+u                    (1)

则，                  P_s＝E[|w^Hhx|²]＝w^HR_hhw     (2)

                      P_u＝E[|w^Hu|²]＝w^HR_uuw      (3)

其中，P_s为加权后形成赋形波束的信号功率；P_u为加权后的噪声加干扰的功率；(*)^H表示矩阵或向量的转置共轭，E[*]表示对矩阵计算统计平均。

具体在上式(1)、(2)和(3)中：

x为发送符号；h为K_a×1的信道系数矩阵(K_a为阵列天线的阵元数目)；

u为K_a×1的干扰加噪声向量；R_hh为信道的空间协方差矩阵；

w为K_a×1的阵列天线的权向量；R_uu为干扰和噪声的空间协方差矩阵。

波束形成后的SINR(，信干噪比)为：

$\mathrm{SINR}=\frac{w^H{R}_{\mathrm{hh}}w}{w^H{R}_{\mathrm{uu}}w}---\left(4\right)$

在进行波束赋形的过程中要求具有相当的精度。其一，波束具有很强的指向性，一旦计算产生偏差，强波束就会指向其他地方，不仅导致目标UE无法接收到信号，还会对其他UE产生较强的干扰，造成信号的解调错误。其二，要求计算延时尽可能的小，如果延时过大，移动中的UE可能已经不处于原来的位置，导致信道的参数信息发生变化，使得产生的波束赋形的权向量已经不再精确的指向目标UE，即按照先前的权重进行寻找并不能找到原来的目标UE，同样会造成信号的解调错误和对其他UE的干扰。

为保证波束赋形具有一定精度，在现有技术中采用的是传统空间协方差矩阵的特征值分解的方法，采用该种方法虽然能够使波束赋形达到较高的精度，但是，由于该中计算方式较为复杂，会产生很大的计算量，使得系统产生一定的延时，从而使得波束赋形的权向量已经不能精确的指向目标UE，导致信号的解调错误和对其他UE的干扰。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种波束赋形的方法和装置，以克服现有技术中由于计算量过大，使系统延时不能精确指向目标UE，从而导致信号的解调错误和对其他UE干扰的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种波束赋形的方法，包括：

提取接收到的上行信号中的参考信号，并且对小区高层配置进行解析，获取所述参考信号的参数配置，生成本地信号；

利用所述参考信号和所述本地信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数；

基于去噪声的所述信道系数，分别计算各个子阵列上的空间协方差矩阵，并执行累加和特征值分解，获取对应的特征向量；

依据对应的所述特征向量，分别获取各个所述子阵列的加权系数；

利用所述加权系数，对发射到终端的数据和终端专属参考信号进行加权处理，完成对下行链路的波束赋形。

优选地，包括：

所述参考信号为导频信号或探测参考信号。

优选地，提取接收到的上行信号中的参考信号，并且对小区高层配置进行解析，获取所述参考信号的参数配置，生成本地信号的具体过程包括：

获取上行子帧，提取上行子帧中的导频信号所占的子载波，并进行存储；

依据所述小区高层配置，获取所述导频信号中的时域参数、频域参数、小区级的参数和终端级的参数；

依据所述时域参数、频域参数、小区级的参数和终端级的参数生成本地导频信号。

优选地，当所述参考信号为导频信号时，利用所述参考信号和所述本地信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数的具体过程包括：

将所述导频信号和所述本地信号进行相除，获取含有噪声的信道系数；

对所述含有噪声的信道系数，依次执行傅里叶反变换、时域置零和傅里叶变换的操作，获取去除噪声后的信道系数。

优选地，当所述参考信号为导频信号时，执行累加和特征值分解，获取对应的特征向量；依据对应的所述特征向量，分别获取每个所述子阵列的加权系数的具体过程包括：

分别进行每个所述子阵列上的信道系数与其本身的共轭转置相乘的计算，获取每个所述子阵列上单个物理资源块上的空间协方差矩阵；

在每个所述子阵列上将获取的空间协方差矩阵进行累加平均；

将累加后的空间协方差矩阵与单位列矩阵进行迭代相乘，当达到预设迭代次数后，获取对应的矩阵为特征向量；

对所述特征向量进行归一化处理，分别获取各个所述子阵列的加权系数。

优选地，当参考信号为探测参考信号时，提取接收到的上行信号中的参考信号，并且对小区高层配置进行解析，获取所述参考信号的参数配置，生成本地信号的具体过程包括：

获取上行信号中的探测参考信号，并且对小区高层配置进行解析，得到所述探测参考信号的参数配置；

利用所述参数配置，依据LTE长期演进协议产生基序列并进行预设的循环移位，获取整个上行带宽的参考信号；

根据探测参考信号所在的资源单元索引，从所述整个上行带宽的参考信号中提取生成本地信号，并进行存储。

优选地，当所述参考信号为探测参考信号时，利用所述参考信号和所述本地信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数的具体过程包括：

根据预设给定带宽确定进行信道估计时带宽扩展的长度，将所述探测参考信号和所述本地信号进行相除，获取含有噪声的信道系数；

对扩展后的所述含有噪声的信号系数，依次执行傅里叶反变换、时域置零和傅里叶变换的操作，获取去除噪声后的信道系数。

优选地，当所述参考信号为探测参考信号时，执行累加和特征值分解，获取对应的特征向量；依据对应的所述特征向量，分别获取每个所述子阵列的加权系数的具体过程包括：

获取两个正负45度交叉极化的子阵列，负45度的子阵列为第一子阵列，正45度的子阵列为第二子阵列，分别确定所述第一子阵列和第二子阵列的信道系数；

依据第一子阵列的信道系数与其本身的共轭转置相乘的计算，获取所述第一子阵列上单个物理资源块上的空间协方差矩阵，并进行存储；

依据第二子阵列的信道系数与其本身的共轭转置相乘的计算，获取所述第二子阵列上单个物理资源块上的空间协方差矩阵，并进行存储；

将所述第一子阵列和第二子阵列的空间协方差矩阵分别进行累加，并在整个物理资源块上进行平均，获取对应所述第一子阵列和第二子阵列的两个4×4的空间协方差矩阵；

将两个所述4×4的空间协方差矩阵，分别与存储于单个物理资源块上的前一次波束赋形获取的空间协方差矩阵进行算术平均，获取新的空间协方差矩阵；

将所述新的空间协方差矩阵与单位列矩阵进行迭代相乘，当达到预设迭代次数后，获取分别对应所述第一子阵列和第二子阵列的特征向量；

依据所述特征向量进行归一化处理，并对所述第二子阵列进行预设的相位偏移后，分别获取所述第一子阵列和所述第二子阵列的加权系数。

一种波束赋形的装置，包括：

参数解析单元，用于提取小区高层配置并进行解析，获取所述参考信号的参数配置；

本地信号生成单元，用于依据所述参考信号的参数配置，生成本地信号；

信道估计单元，用于利用所述参考信号和所述本地信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数；

空间协方差矩阵计算单元，用于基于去噪声的所述信道系数，分别计算各个子阵列上单个物理资源块上的空间协方差矩阵；

子阵列特征值分解单元，用于对各个子阵列的空间协方差矩阵进行累加和特征值分解，获取对应的特征向量；并依据对应的所述特征向量，分别获取各个所述子阵列的加权系数；

波速赋形单元，用于利用所述加权系数，对发射到终端的数据和终端专属参考信号进行加权处理，完成对下行链路的波束赋形。

优选地，所述参考信号为导频信号或探测参考信号；

当所述参考信号为探测参考信号时；所述本地信号生成单元包括：本地信号生成模块和本地信号存储模块，用于依据所述参考信号的参数配置，生成本地信号，并进行存储；

所述空间协方差矩阵计算单元包括：空间协方差矩阵计算模块和空间协方差矩阵存储模块，用于基于去噪声的所述信道系数，分别计算各个子阵列上单个物理资源块上的空间协方差矩阵，并进行存储。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种波束赋形的方法和装置。通过提取上行信号中的参考信号，并且对小区高层配置进行解析，获取该参考信号的参数配置，并生成本地信号；利用所述参考信号和所述本地信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数；并根据获取到的信道系数计算各个子阵列上的空间协方差矩阵；通过对协方差矩阵进行特征值分解得到特征向量，由此获得加权系数；最终利用获取到的加权系数，对发射到终端的数据和终端专属参考信号进行加权处理，完成对下行链路的波束赋形。通过上述过程对波束赋形的计算过程进行简化，在保证一定波束赋形精度的条件下，能够有效提高实现波束赋形的速度，降低系统的延时，确保能够指向目标终端，降低信号的解调错误和对其他终端干扰的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为波束赋形的原理示意图；

图2为本发明实施例一公开的一种波束赋形的方法流程图；

图3为本发明具体示例一公开的一种波束赋形的方法流程图；

图4为本发明具体示例二中公开的SRS的时频结构示意图；

图5为本发明具体示例二公开的一种波束赋形的方法流程图；

图6为本发明实施例二公开的一种波束赋形的装置结构示意图；

图7为本发明具体示例三公开的一种波束赋形的装置结构示意图；

图8为本发明具体示例四公开的一种波束赋形的装置结构示意图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下：

PRB：Physical Resource Block，物理资源块；

LTE：Long Term Evolution，长期演进；

UE：User Equipment，终端；

TDD：Time Division Duplex，时分双工；

SINR：Signal to Interference plus Noise Ratio，信干噪比；

SRS：Sounding Reference Signal，探测参考信号；

UpPTS：Uplink Pilot Time Slot，上行链路导频时隙；

FFT：Fast Fourier Transformation，快速傅里叶正变换；

IFFT：Inverse Fast Fourier Transformation，快速傅里叶反变换；

CSI：Channel Statement Information，信道状态信息；

RE：Resource Element，资源单元；

RB：Resource Block，资源块。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由背景技术可知，在LTE系统中，采用现有技术中的方法执行波束赋形的计算或操作的过程中，由于计算过程较为复杂，计算量较大，容易使系统产生一定的延时或延迟，从而使得波束赋形的权向量已经不能精确的指向目标UE，导致信号的解调错误和对其他UE的干扰问题。

基于TD-LTE系统是LTE的TDD的即时分双工，其上下行链路是时分的，并且其上下行信道具有互易性。因此，可以利用对上行信号的估计获得下行链路信道的空时域参数信息，从而将下行数据和UE专用参考信号按照来波方向的矢量发射出去，使干扰信号得到抑制，而下行有用信息的功率在终端达到最大接收。

因此，本发明实施例公开了一种波束赋形的方法和装置，通过对波束赋形的计算过程进行简化，在保证一定波束赋形精度的条件下，能够有效提高实现波束赋形的速度，降低系统的延时，确保能够指向目标终端，降低信号的解调错误和对其他终端干扰的目的。本发明所公开的一种波束赋形的方法和装置的具体内容通过以下实施例进行说明。

实施例一

由背景技术中所公开的公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)可知，为满足对波束赋形精度以及计算速度的要求，需要获取能够满足最大SINR的最佳权向量w，即权重系数。

本发明该实施例一公开的一种波束赋形的方法，其核心思想为：通过从小区高层配置提取对应的参数，生成本地信号；并将生成的本地信号用于信道估计处理中，从而获得每个天线上的信道系数估计结果；根据估计出的信道系数分别计算子阵列上的空间协方差矩阵，对发射到终端的数据和终端专属参考信号进行加权处理，完成对下行链路的波束赋形。

请参阅附图2，为本发明公开的一种波束赋形的方法流程图。主要包括以下步骤：

步骤S101，提取接收到的上行信号中的参考信号，并且对小区高层参数配置进行解析，获取所述参考信号的参数配置，生成本地信号。

步骤S102，利用所述参考信号和所述本地信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数。

步骤S103，基于去噪声的所述信道系数，分别计算各个子阵列上的空间协方差矩阵，并执行累加和特征值分解，获取对应的特征向量。

步骤S104，依据对应的所述特征向量，分别获取各个所述子阵列的加权系数。

步骤S105，利用所述加权系数，对发射到终端的数据和终端专属参考信号进行加权处理，完成对下行的波束赋形。

针对上述的波束赋形的方法，执行步骤S101～步骤S105中所提到的参考信号可以为导频信号，也可以为SRS信号。根据不同的参考信号，其具体过程通过以下示例进行详细说明。

具体示例一：

当参考信号为导频信号时，执行上述方法的过程具体包括：利用接收到的上行信号提取导频信号并解析，获取其参数配置，同时利用这些参数配置生成本地导频信号；将该本地导频信号用于信道估计中，使用基于DFT的信道估计方法，得到降低噪声后相对纯净的信道系数；根据得到的子载波上的信道系数在一个PRB上进行平均，得到PRB上的信道系数，并用于计算天线子阵列上的空间协方差矩阵，对获取的协方差矩阵分别进行特征值分解得到特征向量，再根据特征向量确定子阵列的加权系数，将其用于对下行链路的波束赋形的操作。

请参阅附图3为其具体的波束赋形的方法流程图，主要包括：

步骤S201，提取接收到的上行信号中的导频信号，并且对小区高层参数配置进行解析，获取所述导频信号的参数配置，生成本地导频信号。

在执行步骤S201中，具体包括：

步骤S2011，获取上行子帧，从上行子帧中提取导频信号所占的子载波，并将其进行存储。

步骤S2012，依据所述小区高层配置，获取所述导频信号中的时域参数、频域参数、小区级的参数和UE级的参数。

步骤S2013，依据所述时域参数、频域参数、小区级的参数和终端级的参数生成本地导频信号。

通过执行步骤S201，根据从上行信号中提取的导频参数来生成本地导频序列即本地导频信号，再将其用于下述的信道估计中。

步骤S202，利用接收到的所述导频信号和生成的所述本地导频信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数。

在执行步骤S202中，具体包括：

步骤S2021，将所述导频信号和所述本地信号进行相除，获取含有噪声的信道系数。

步骤S2022，对所述含有噪声的信道系数，依次执行IFFT变换、时域置零和FFT变换的操作，获取去除噪声后的信道系数。

在执行上述步骤S202的过程中，实际上是对提取出的导频信号，即对从上行信号中获取的导频信号进行信道估计，从而得到LTE系统的每根天线上的信道系数。

执行上述步骤S2021～步骤S2022的具体过程为：将接收到的导频信号与本地生成的导频信号(本地导频信号)进行相除，得到只含有噪声的信道系数；然后，将进行相除处理后的导频信号通过IFFT变换，变换至时域中；然后再进行时域置零，只保留变换后的含有噪声的信道系数的两边的部分；最后，再经过FFT变换，再一次变换至频域中，从而达到去除噪声的目的，从而得到每根天线的相对纯净的信道系数(去噪声的信道系数)。

步骤S203，基于去噪声的所述信道系数，分别计算各个子阵列上的空间协方差矩阵，并执行累加和特征值分解，获取对应的特征向量。

在执行步骤S203的过程中，具体包括：

步骤S2031，分别进行每个所述子阵列上的信道系数与其本身的共轭转置相乘的计算，获取每个所述子阵列上单个物理资源块上的空间协方差矩阵。

步骤S2032，在每个所述子阵列上将获取的空间协方差矩阵进行累加平均。

步骤S2033，将累加后的空间协方差矩阵与单位列矩阵进行迭代相乘，当达到预设迭代次数后，获取对应的矩阵为特征向量。

在执行上述步骤S203的过程中，实际上是分别计算两个子阵列上的协方差矩阵，将每个PRB上的协方差矩阵进行累加，通过特征值分解得到特征向量。

在TD-LTE系统中，根据信道估计出的每个子载波上的信道系数在一个PRB内进行平均得到每个PRB上的信道系数。

基于信道系数的公式(5)：

$h_k=[h_1^k,h_2^k,...,h_m^k]---\left(5\right)$

其中，h_k为第k个PRB在m根天线上的信道系数。

在TD-LTE系统中一般采用8阵元的±45°交叉极化天线结构，将一个8天线系统分为两个子阵列，即第一子阵列和第二子阵列。

针对第一子阵列和第一子阵列上的信道估计结果，即信道系数可以表示为：

$h_k^{\left(1\right)}={[h_1^k,h_2^k,\·,h_{m/2}^k]}^T---\left(6\right)$

$h_k^{\left(2\right)}={[h_{m/2+1}^k,h_{m/2+2}^k,\·,h_m^k]}^T---\left(7\right)$

在执行上述步骤S203的过程中，通过分别计算每个子阵列上信道系数与其本身的共轭转置相乘来得到每个子阵列上单个PRB上的协方差矩阵，并将每个协方差矩阵进行累加平均。其中，天线的结构为±45°交叉极化天线，每个子阵上的天线数目为总数的一半。

将得到的协方差矩阵与单位列矩阵进行迭代相乘，即：

w＝R_hh×E    (8)

其中，E＝[1 1 1·1]^T、R_hh为子阵列上得到的协方差矩阵。

当达到预设的迭代次数后，可以确定上述得到的矩阵为特征向量。

步骤S204，对所述特征向量进行归一化处理，分别获取各个所述子阵列的加权系数。

步骤S205，利用所得的加权系数，对发射到终端的数据和导频信号进行加权处理，完成对下行链路的波束赋形。

在执行上述步骤S204和步骤S205的过程中，具体的过程为：首先对得到的加权系数进行归一化处理，丢弃幅度信息，只保留相位信息；然后，利用归一化处理后的加权系数在基带处理时，对信道进行功率调整；最后，对发射到终端的数据，以及UE专属参考信号(当参考信号为导频信号，该UE专属参考信号为导频信号)进行加权处理，完成对下行的波束赋形。

需要说明的是，在进行归一化处理的过程中，对子阵列2上进行预设的相位偏移，使其达到频率分集的效果。

当参考信号为导频信号时，通过执行上述具体的过程，对波束赋形的计算过程进行简化，在保证一定波束赋形精度的条件下，实现对下行链路的波束赋形操作。同时，能够有效提高实现波束赋形的速度，降低系统的延时，确保能够指向目标终端，降低信号的解调错误和对其他终端干扰的目的。

具体示例二

在TD-LTE系统中对于常规的上行子帧来说，SRS信号只能位于一个子帧的最后一个OFDM符号，并且每个子帧最多只有一个SRS信号，但对于特殊子帧来说，可以在UpPTS上最多配置两个符号的SRS信号。SRS在频域上最多占用96个RB，并且每两个子载波占用一个，在频带的两端空出一些带宽避免与PUCCH冲突。利用对SRS信号进行信道估计得到信道系数，在计算协方差矩阵进行特征值分解得到特征向量，并利用得到的特征向量确定加权系数来进行下行链路的波束赋形。其中，SRS信号的时频结构示意图如图4所示。

基于上述内容，在执行上述方法的过程中，当参考信号为SRS信号时，请参阅附图5为其具体的波束赋形的方法流程图，主要包括：

步骤S301，提取接收到的上行信号中的SRS信号并进行解析，获取所述参考信号的参数配置，生成本地信号。

在执行步骤S301的过程中，具体包括：

步骤S3011，获取上行信号中的探测参考信号并进行解析，得到所述SRS信号的参数配置。

步骤S3012，利用所述参数配置，依据LTE协议产生基序列

并进行预设的循环移位，获取整个上行带宽的参考信号。

步骤S3013，根据SRS信号所在的RE索引，从所述整个上行带宽的参考信号中提取生成本地信号。

通过执行步骤S301，根据从上行信号中提取的SRS信号解析出的参数配置，来生成本地信号，再将其用于下述的信道估计中。该SRS信号的参数配置包括上下行配置，特殊子帧配置，发射周期，子帧偏移，SRS带宽等参数。

步骤S302，利用所述SRS信号和所述本地信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数。

在执行步骤S302的过程中，具体包括：

步骤S3021，根据预设给定带宽确定进行信道估计时带宽扩展的长度，将所述SRS信号和所述本地信号进行相除，获取含有噪声的信道系数。

步骤S3022，对扩展后的所述含有噪声的信号系数，依次执行IFFT变换、时域置零和FFT变换的操作，获取去除噪声后的信道系数。

需要说明的是，针对上述步骤S3021的执行过程中，具体可举例进行说明，如图4所示的SRS信号。

该SRS信号的带宽Band_SRS＝96RB，每两个子载波占一个SRS信号，因此，子载波的实际带宽为48RB。

由于，LTE协议要求上行信号必须满足公式(9)：

$N_{\mathrm{RB}}^{\mathrm{UL}}=2^{{\mathrm{\α}}_2}\·3^{{\mathrm{\α}}_3}\·5^{{\mathrm{\α}}_5}---\left(9\right)$

其中，α₂，α₃，α₅为一组非负整数值。

通过查表可得扩展的带宽为50RB，确定需要补零的子载波的个数为(50-48)×12＝24个子载波。

由公式(1)可知，接收到的SRS信号为：y＝hs+n；

通过利用SRS信号和所述本地信号进行相除，即y/s，可得到带有噪声的信道系数为：H＝h+n/s。

由步骤S3021可知扩展后的带宽的长度为600个子载波，然后再执行步骤S3022。具体为：对子载波上的含有噪声的信号系数进行IFFT变换后(变换至时域中)；再对其中间部分进行置零(执行时域置零)，仅保留其两端部分，并且保证所保留的这两端的长度相等；最后，再进行FFT变换，将其变换到频域，最终得到比较纯净的信道系数(去噪声的信道系数)。

步骤S303，基于去噪声的所述信道系数，分别计算各个子阵列上的空间协方差矩阵，并执行累加和特征值分解，获取对应的特征向量。

在执行步骤S303的过程中，具体包括：

步骤S3031，获取两个±45°交叉极化的子阵列，-45°的子阵列为第一子阵列，+45°的子阵列为第二子阵列，分别确定所述第一子阵列和第二子阵列的信道系数。

步骤S3032，依据第一子阵列的信道系数与其本身的共轭转置相乘的计算，获取所述第一子阵列上单个PRB上的空间协方差矩阵，并进行存储。

步骤S3033，依据第二子阵列的信道系数与其本身的共轭转置相乘的计算，获取所述第二子阵列上单个PRB上的空间协方差矩阵，并进行存储。

步骤S3034，将所述第一子阵列和第二子阵列的空间协方差矩阵分别进行累加，并在整个PRB上进行平均，获取对应所述第一子阵列和第二子阵列的两个4×4的空间协方差矩阵。

步骤S3035，将两个所述4×4的空间协方差矩阵，与存储的单个PRB上的前一次波束赋形获取的空间协方差矩阵进行算术平均，获取新的空间协方差矩阵。

步骤S3036，将所述新的空间协方差矩阵与单位列矩阵进行迭代相乘，当达到预设迭代次数后，获取分别对应所述第一子阵列和第二子阵列的特征向量。

在TD-LTE系统中一般采用8阵元的±45°交叉极化天线结构，将一个8天线系统分为两个子阵列。在本发明中-45°的子阵列为第一子阵列，+45°的子阵列为第二子阵列。

其中，第k个PRB上的信道系数可以表示为：

$h_k=[h_1^k,h_2^k,...,h_8^k]---\left(10\right)$

针对第一子阵列和第二子阵列，两个阵列的信道系数可以分别表示为：

$h_k^{\left(1\right)}={[h_1^k,h_2^k,h_3^k,h_4^k]}^T---\left(11\right)$

$h_k^{\left(2\right)}={[h_5^k,h_6^k,h_7^k,h_8^k]}^T---\left(12\right)$

通过执行上述步骤S3032和步骤S3033，获取第一子阵列和第二子阵列的空间协方差矩阵。

第一子阵列的空间协方差矩阵为：

$R_{\mathrm{hh}}^{\left(1\right)}=h_k^{\left(1\right)}\×{\left(h_k^{\left(1\right)}\right)}^H---\left(13\right)$

其中，(*)^H表示进行共轭转置。

同理可得，第二子阵列上的空间协方差矩阵为：

$R_{\mathrm{hh}}^{\left(2\right)}=h_k^{\left(2\right)}\×{\left(h_k^{\left(2\right)}\right)}^H---\left(14\right)$

其中，(*)^H表示进行共轭转置。

然后，再执行步骤S3034和步骤S3035，将每个子阵列的空间协方差矩阵分别进行累加，并在整个PRB上进行平均；最终得到对应第一子阵列和第二子阵列的两个4×4的协方差矩阵，并与存储于单个PRB中的前一次波束赋形获取的空间协方差矩阵进行算术平均，获取新的空间协方差矩阵。

然后，再执行步骤S3036，将得到的空间协方差矩阵与单位列矩阵进行迭代相乘，在达到预设迭代次数后，确定分别获取的矩阵为对应第一子阵列和第二子阵列的特征向量。

步骤S304，依据对应的所述特征向量，分别获取各个所述子阵列的加权系数。

其中在执行步骤S304时，依据获取到的所述特征向量进行归一化处理，并对所述第二子阵列进行预设的相位偏移后，分别获取所述第一子阵列和所述第二子阵列的加权系数。

需要说明的是，对第k个PRB上的两个子阵列上分别进行归一化，获取对应的加权系数的具体可以由下式表示：

$w_k^{\left(1\right)}={[\frac{w_1^k}{\left|w_1^k\right|},\frac{w_2^k}{\left|w_2^k\right|},\frac{w_3^k}{\left|w_3^k\right|},\frac{w_4^k}{\left|w_4^k\right|}]}^T---\left(15\right)$

$w_k^{\left(2\right)}={[\frac{w_5^k}{\left|w_5^k\right|},\frac{w_6^k}{\left|w_6^k\right|},\frac{w_7^k}{\left|w_7^k\right|},\frac{w_8^k}{\left|w_8^k\right|}]}^T---\left(16\right)$

其中，根据公式(11)和公式(12)所示，第k个PRB上的第一子阵列和第二子阵列上的信道系数可以分别表示为：

和

则第一子阵列和第二子阵列上得到的加权系数表示为：w₁和w₂。

需要说明的是，上述对第一子阵列归一化后获取的加权系数直接采用重复的方式扩展到整个带宽。而对于第二子阵列则采用预设的相位偏移，使其达到频率分集的效果。

在本发明公开的示例中，第二子阵列在第k个PRB上的加权系数可以通过下式(17)获得：

$w_2^{\′}=\frac{h_k^{\left(2\right)}/|h_k^{\left(2\right)}\·w_2|}{h_k^{\left(1\right)}/|h_k^{\left(1\right)}\·w_1|}\·w_2---\left(17\right)$

其中，各字符指代与上述公式中的指代相同。

此外，对于第二子阵列上的加权系数，除了采用上式进行计算获取之外，还可以对每个PRB上的权重乘以一个固定的相位e^-j2πkN来实现。

其中k表示PRB号；N是一个与上行带宽和延迟以及FFT变换点数大小有关的常数。

步骤S305，利用所述加权系数，对发射到终端的数据和UE专属参考信号进行加权处理，完成对下行链路的波束赋形。

执行步骤S305，利用归一化处理后的加权系数在基带处理时，对信道进行功率调整；最后，对发射到终端的数据，以及UE专属参考信号(当参考信号为SRS信号，该UE专属参考信号为SRS信号)进行加权处理，完成对下行的波束赋形。

上述本发明实施例一公开的具体示例一和具体示例二，对波束赋形的方法进行了详细的说明。主要包括以下内容：

其一，根据小区高层配置参数来生成本地信号，并利用本地信号进行信道估计，从而去除发送信号源的影响，得到只带噪声的信道系数，并通过IFFT、时域置零和FFT变换最终得到去噪后的信道系数。

其二，对于两个子阵列上空间协方差矩阵的计算，将每个PRB上协方差矩阵累加并平均，并且与前一次波束赋形产生的空间协方差矩阵进行算数平均。

其三，对于第一子阵列上的权重采用简单重复扩展到整个带宽，第二子阵列上的权重要进行相位偏移以达到一定的频率偏移效果。

由上述可知，本发明实施例通过上述过程对波束赋形的计算过程进行简化，在保证一定波束赋形精度的条件下，能够有效提高实现波束赋形的速度，降低系统的延时，确保能够指向目标终端，降低信号的解调错误和对其他终端干扰的目的。

上述本发明公开的实施例中详细描述了一种波束赋形的方法，对于本发明的方法可采用多种形式的装置实现，因此本发明还公开了一种对应上述波束赋形方法的装置，下面给出具体的实施例进行详细说明。

实施例二

如图6所示，为本发明实施例二公开的一种波束赋形的装置结构示意图，主要包括：参数解析单元101、本地信号生成单元102、信道估计单元103、空间协方差矩阵计算单元104、子阵特征值分解单元105和波束赋形单元106。

参数解析单元101，用于提取接收到的上行信号中的参考信号，并且对小区高层参数配置进行解析，获取所述参考信号的参数配置。

本地信号生成单元102，用于依据所述参考信号的参数配置，生成本地信号。

信道估计单元103，用于利用所述参考信号和所述本地信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数。

空间协方差矩阵计算单元104，用于基于去噪声的所述信道系数，分别计算各个子阵列上单个物理资源块上的空间协方差矩阵。

子阵列特征值分解单元105，用于对各个子阵列的空间协方差矩阵进行累加和特征值分解，获取对应的特征向量；并依据对应的所述特征向量，分别获取各个所述子阵列的加权系数。

波速赋形单元106，用于利用所述加权系数，对发射到终端的数据和终端专属参考信号进行加权处理，完成对下行链路的波束赋形。

需要说明的是，在本发明实施例中所公开的参考信号可以为导频信号，也可以为SRS信号。根据不同的参考信号，其具体过程通过以下示例进行详细说明。

具体示例三

如图7所示，当参考信号为导频信号时，上述装置内对应包括处理导频信号的单元。主要包括：导频参数解析单元201、本地导频信号生成单元202、信道估计单元203、空间协方差矩阵计算单元204、子阵特征值分解单元205和波束赋形单元206。

导频信号参数解析单元202，用于提取接收到的上行信号中的导频信号，并且对小区高层参数配置进行解析，获取所述导频信号的参数配置。

本地导频信号生成单元102，用于依据所述导频信号的参数配置，生成本地导频信号，并按照LTE协议规定，将所述本地导频信号映射到相应的子载波上。

信道估计单元103，用于利用所述导频信号和所述本地导频信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数。

空间协方差矩阵计算单元104，用于基于去噪声的所述信道系数，分别计算各个子阵列上单个物理资源块上的空间协方差矩阵。

子阵列特征值分解单元105，用于对各个子阵列的空间协方差矩阵进行累加和特征值分解，获取对应的特征向量；并依据对应的所述特征向量，分别获取各个所述子阵列的加权系数。

波速赋形单元106，用于利用所述加权系数，对发射到终端的数据和终端专属参考信号进行加权处理，完成对下行链路的波束赋形。

在本发明所公开的具体示例三中，通过利用该装置可以完整的实现从导频信号的接收到协方差矩阵的获得，以及特征值分解，到最后的得到整个带宽上的加权系数实现下行链路的波束赋形操作。

具体示例四

在上述本发明实施例二的基础上，当参考信号为SRS信号时，上述装置内对应包括处理导频信号的单元，如图8所示，主要包括：SRS参数解析单元201、本地信号生成单元202、本地信号存储单元203、信道估计单元204、空间协方差矩阵计算单元205、空间协方差矩阵存储单元206，子阵特征值分解单元207和波束赋形单元208。

SRS参数解析单元201，用于检测上行子帧中是否存在SRS信号，并且从小区高层配置中解析SRS参数配置。

该单元中主要解析SRS小区级参数和UE参数。

本地信号生成单元202，用于利用解析出的SRS参数来生成基序列以及从中抽取出SRS所在的子载波，即用于利用解析出的SRS参数生成本地信号。

本地信号存储单元203，用于将生成的本地信号存储起来，以便在信道估计中用来计算信道系数。

信道估计单元204，用于将接收到的SRS信号与本地信号进行相除，得到只含噪声的信道系数，并在经过IFFT/FFT变换、时域置零等过程后获得去除噪声的相对纯净的信道系数。

空间协方差矩阵计算单元205，用于根据信道估计单元504得到的信道系数，分别计算两个子阵列上的信道协方差矩阵，并且对每个PRB上的协方差矩阵进行累加并且在整个带宽上进行平均。

协方差矩阵存储单元206，用于将本次得到的两个子阵列上的协方差矩阵进行存储，以便于与前一次的波束赋形过程中获取的协方差矩阵进行算术平均，用于减小协方差矩阵的误差。

子阵特征值分解单元207，用于将每个子阵列上得到的4×4的协方差矩阵与一个4×1的全1向量(单位列矩阵)迭代相乘，直到达到预设的迭代次数后停止运算，确定获取的矩阵为特征向量，并依据对应的所述特征向量，分别获取各个所述子阵列的加权系数。

波束赋形单元208，用于利用所述加权系数，对发射到终端的数据和终端专属参考信号进行加权处理，完成对下行链路的波束赋形。

以上本发明实施例二公开的装置中各个单元内的具体执行过程与上述实施例一中公开的方法对应，这里不再进行赘述。

综上所述：

本发明上述实施例公开的一种波束赋形的方法和装置，通过对波束赋形的计算过程进行简化，在保证一定波束赋形精度的条件下，能够有效提高实现波束赋形的速度，降低系统的延时，确保能够指向目标终端，降低信号的解调错误和对其他终端干扰的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种波束赋形的方法，其特征在于，包括：

提取接收到的上行信号中的参考信号，并且对小区高层配置进行解析，获取所述参考信号的参数配置，生成本地信号；

利用所述参考信号和所述本地信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数；

基于去噪声的所述信道系数，分别计算各个子阵列上的空间协方差矩阵，并执行累加和特征值分解，获取对应的特征向量；

依据对应的所述特征向量，分别获取各个所述子阵列的加权系数；

利用所述加权系数，对发射到终端的数据和终端专属参考信号进行加权处理，完成对下行链路的波束赋形。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：

所述参考信号为导频信号或探测参考信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提取接收到的上行信号中的参考信号，并且对小区高层配置进行解析，获取所述参考信号的参数配置，生成本地信号的具体过程包括：

获取上行子帧，提取上行子帧中的导频信号所占的子载波，并进行存储；

依据所述小区高层配置，获取所述导频信号中的时域参数、频域参数、小区级的参数和终端级的参数；

依据所述时域参数、频域参数、小区级的参数和终端级的参数生成本地导频信号。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的方法，其特征在于，当所述参考信号为导频信号时，利用所述参考信号和所述本地信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数的具体过程包括：

将所述导频信号和所述本地信号进行相除，获取含有噪声的信道系数；

对所述含有噪声的信道系数，依次执行傅里叶反变换、时域置零和傅里叶变换的操作，获取去除噪声后的信道系数。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的方法，其特征在于，当所述参考信号为导频信号时，执行累加和特征值分解，获取对应的特征向量；依据对应的所述特征向量，分别获取每个所述子阵列的加权系数的具体过程包括：

分别进行每个所述子阵列上的信道系数与其本身的共轭转置相乘的计算，获取每个所述子阵列上单个物理资源块上的空间协方差矩阵；

在每个所述子阵列上将获取的空间协方差矩阵进行累加平均；

将累加后的空间协方差矩阵与单位列矩阵进行迭代相乘，当达到预设迭代次数后，获取对应的矩阵为特征向量；

对所述特征向量进行归一化处理，分别获取各个所述子阵列的加权系数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当参考信号为探测参考信号时，提取接收到的上行信号中的参考信号，并且对小区高层配置进行解析，获取所述参考信号的参数配置，生成本地信号的具体过程包括：

获取上行信号中的探测参考信号，并且对小区高层配置进行解析，得到所述探测参考信号的参数配置；

利用所述参数配置，依据LTE长期演进协议产生基序列

，并进行预设的循环移位，获取整个上行带宽的参考信号；

根据探测参考信号所在的资源单元索引，从所述整个上行带宽的参考信号中提取生成本地信号，并进行存储。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，当所述参考信号为探测参考信号时，利用所述参考信号和所述本地信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数的具体过程包括：

根据预设给定带宽确定进行信道估计时带宽扩展的长度，将所述探测参考信号和所述本地信号进行相除，获取含有噪声的信道系数；

对扩展后的所述含有噪声的信号系数，依次执行傅里叶反变换、时域置零和傅里叶变换的操作，获取去除噪声后的信道系数。

8.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，当所述参考信号为探测参考信号时，执行累加和特征值分解，获取对应的特征向量；依据对应的所述特征向量，分别获取每个所述子阵列的加权系数的具体过程包括：

获取两个正负45度交叉极化的子阵列，负45度的子阵列为第一子阵列，正45度的子阵列为第二子阵列，分别确定所述第一子阵列和第二子阵列的信道系数；

依据第一子阵列的信道系数与其本身的共轭转置相乘的计算，获取所述第一子阵列上单个物理资源块上的空间协方差矩阵，并进行存储；

依据第二子阵列的信道系数与其本身的共轭转置相乘的计算，获取所述第二子阵列上单个物理资源块上的空间协方差矩阵，并进行存储；

将所述第一子阵列和第二子阵列的空间协方差矩阵分别进行累加，并在整个物理资源块上进行平均，获取对应所述第一子阵列和第二子阵列的两个4×4的空间协方差矩阵；

将两个所述4×4的空间协方差矩阵，分别与存储于单个物理资源块上的前一次波束赋形获取的空间协方差矩阵进行算术平均，获取新的空间协方差矩阵；

将所述新的空间协方差矩阵与单位列矩阵进行迭代相乘，当达到预设迭代次数后，获取分别对应所述第一子阵列和第二子阵列的特征向量；

依据所述特征向量进行归一化处理，并对所述第二子阵列进行预设的相位偏移后，分别获取所述第一子阵列和所述第二子阵列的加权系数。

9.一种波束赋形的装置，其特征在于，包括：

参数解析单元，用于提取小区高层配置并进行解析，获取所述参考信号的参数配置；

本地信号生成单元，用于依据所述参考信号的参数配置，生成本地信号；

信道估计单元，用于利用所述参考信号和所述本地信号进行信道估计，获取去噪声的信道系数；

空间协方差矩阵计算单元，用于基于去噪声的所述信道系数，分别计算各个子阵列上单个物理资源块上的空间协方差矩阵；

子阵列特征值分解单元，用于对各个子阵列的空间协方差矩阵进行累加和特征值分解，获取对应的特征向量；并依据对应的所述特征向量，分别获取各个所述子阵列的加权系数；

波速赋形单元，用于利用所述加权系数，对发射到终端的数据和终端专属参考信号进行加权处理，完成对下行链路的波束赋形。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参考信号为导频信号或探测参考信号；

当所述参考信号为探测参考信号时；所述本地信号生成单元包括：本地信号生成模块和本地信号存储模块，用于依据所述参考信号的参数配置，生成本地信号，并进行存储；

所述空间协方差矩阵计算单元包括：空间协方差矩阵计算模块和空间协方差矩阵存储模块，用于基于去噪声的所述信道系数，分别计算各个子阵列上单个物理资源块上的空间协方差矩阵，并进行存储。

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