CN102237923B - 一种波束赋形的方法、装置及基站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波束赋形方法、装置及基站，该方法包括：在TDD系统中，根据天线接收的经上行信道发送的sounding信号序列，计算上行信道的信道估计值序列；对下行采用PUSC子载波映射方式的每个簇，根据该簇中每个子载波的物理位置与sounding信号序列的对应关系，确定该簇中每个子载波在信道估计值序列中对应的信道估计值；根据该簇中每个子载波对应的信道估计值，计算该簇的波束赋形权值；使用该簇的波束赋形权值对该簇中的所有子载波进行波束赋形处理。本发明对于不同cluster的子载波而言，可以分别使用较优的波束赋形权值进行波束赋形处理，提高了波束赋形的精度，使得系统性能和容量得到提高。

Description

一种波束赋形的方法、装置及基站

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种波束赋形的方法、装置及基站。

背景技术

在多天线的无线通信系统中，可以采用波束赋形技术来提高系统性能。波束赋形技术是一种智能天线技术，它通过采用波束赋形算法，确定基站向用户发射下行信号的方式，从而使基站通过较小的总发射功率就可以令用户端获得较高的信号电平，进而获得较高的信噪比。

特征波束赋形(EigenvalueBasedBeamforming，EBB)是一种常用的波束赋形技术。它根据信道特性参数得到空间相关矩阵，对空间相关矩阵进行特征值分解来得到下行数据的加权矢量。这种方法主要是利用上行和下行信道的互易性，通过上行信道的即时参数和历史数据，及时地通过对空间相关矩阵进行特征值的分解，来确定下行加权波束，使天线阵产生定向波束指向用户，改善通信系统的性能。

在IEEE802.16e系统中，因为采用时分双工(TimeDivisionDuplex，TDD)的双工模式，上下行信道具有互易性，上行可以使用测探(sounding)信号序列提供基站(BS，BaseStation)做信道估计以用于下行波束赋形，通常的做法是：

步骤1、接收天线收到的用户经上行信道发送过来的sounding信号序列，与基站根据用户发送的媒体接入控制(MAC，MediaAcessControl)消息得到的sounding信号序列进行匹配，进行上行信道估计；设接收天线数为n，sounding信号序列的长度为SLen，第n根天线接收到的sounding信号序列为Y_n，基站根据用户发送的MAC消息得到的sounding信号序列为X，则该信道的信道估计序列H_n求解公式如下：

H_n＝Y_n*conj(X)

步骤2、求自相关矩阵；

R_hh＝H*H′/SLen

其中H为[H₁，H₂，…，H_n]′。

步骤3、对自相关矩阵进行特征分解，求得最大的特征值以及对应的特征向量，该特征向量即为估计的下行波束赋形的权值。

这种波束赋形方法的缺点是下行每个用户的所有子载波都共用同一组波束赋形权值，对于不同簇(cluster)中子载波来说，不能保证波束赋形的权值都是最优解，因此下行波束赋形可能不能达到比较理想的效果。

发明内容

本发明提供一种波束赋形的方法、装置及基站，用以针对下行采用部分使用子信道(PartiallyUsedSub-Carrier，PUSC)子载波映射方式的每个簇分别实现精度较高的波束赋形处理。

本发明提供的一种波束赋形的方法，包括：

根据天线接收的经上行信道发送的测探sounding信号序列，计算上行信道的信道估计值序列；

对下行采用部分使用子信道PUSC子载波映射方式的簇，根据所述簇中的子载波的物理位置与所述sounding信号序列的对应关系，确定所述簇中子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值；

根据所述簇中子载波对应的信道估计值，计算所述簇的波束赋形权值；

使用所述簇的波束赋形权值对该簇中的子载波进行波束赋形处理。

进一步地，确定所述簇中每个子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值，包括：

在下行载波映射表中，确定所述簇中每个子载波的物理位置对应的所述sounding信号序列中的序列值；

在下行载波映射表中，确定所述簇中子载波的物理位置对应的所述sounding信号序列中的序列值；

根据所述簇中子载波的物理位置对应的序列值与所述信道估计值序列中各信道估计值的对应关系，确定所述簇中子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值。

进一步地，根据所述簇中每个子载波对应的信道估计值，计算所述簇的波束赋形权值，包括：

计算所述簇中子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值的协方差矩阵；

将计算得到的协方差矩阵进行累加求平均值，得到平均协方差矩阵；

对所述平均协方差矩阵进行特征值分解，得到所述平均协方差矩阵的最大特征值对应的特征向量；

将所述最大特征值对应的特征向量作为该簇的波束赋形权值。

进一步地，通过下述公式计算所述平均协方差矩阵：通过下述公式计算所述平均协方差矩阵：其中：

为所述平均协方差矩阵；

n为一个簇包含的子载波个数；

H_k ^HH_k为每个子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值的协方差矩阵，k为簇中每个子载波的序号。

进一步地，所述根据天线接收的经上行信道发送的sounding信号序列计算上行信道的信道估计值序列，包括：

使用下述公式计算所述信道估计值序列：

h_s＝r_s/s_s

上式中：h_s为信道估计值序列；

r_s为天线接收的经上行信道发送的sounding信号序列；

S_s为基站根据用户发送的MAC消息得到的sounding信号序列。

本发明实施例提供的一种波束赋形的装置，包括：

信道估计值序列计算模块，用于根据天线接收的经上行信道发送的测探sounding信号序列，计算上行信道的信道估计值序列；

确定模块，用于对下行采用部分使用子信道PUSC子载波映射方式的簇，根据所述簇中的子载波的物理位置与sounding信号序列的对应关系，确定所述簇中子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值；

波束赋形权值计算模块，用于根据所述簇中子载波对应的信道估计值，计算所述簇的波束赋形权值；

波束赋形模块，用于使用所述簇的波束赋形权值对该簇中的子载波进行波束赋形处理。

所述确定模块，进一步用于在下行载波映射表中，确定所述簇中子载波的物理位置对应的所述sounding信号序列中的序列值；根据所述簇中载波的物理位置对应的序列值与所述信道估计值序列中各信道估计值的对应关系，确定该簇中子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值。

波束赋形权值计算模块进一步用于计算所述簇中子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值的协方差矩阵；将计算得到的协方差矩阵进行累加求平均值，得到平均协方差矩阵；对所述平均协方差矩阵进行特征值分解，得到所述平均协方差矩阵的最大特征值对应的特征向量；将所述最大特征值对应的特征向量作为该簇的波束赋形权值。

所述波束赋形权值计算模块进一步通过下述公式计算所述平均协方差矩阵：

其中：为所述平均协方差矩阵；

n为一个簇包含的子载波个数；

H_k ^HH_k为每个子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值的协方差矩阵，k为簇中每个子载波的序号。

本发明实施例提供了一种基站，该基站包括上述波束赋形的装置。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的波束赋形的方法、装置及基站，先通过基站天线接收的sounding信号序列，计算出上行信道的信道估计值序列，然后对采用PUSC子载波映射方式的每个簇(cluster)，根据该cluster中每个子载波的物理位置与sounding信号序列的对应关系，确定该cluster中每个子载波在信道估计值序列中对应的信道估计值，根据每个子载波对应的信道估计值，计算该簇的波束赋形权值，使用计算得到的波束赋形权值对该簇中所有子载波进行波束赋形的处理。本发明实施例提供的波束赋形的方法及装置，以下行采用PUSC子载波映射方式的每个cluster为单元，计算出该cluster的波束赋形权值，使用计算出的该cluster的波束赋形权值，对该cluster内的子载波进行波束赋形处理，对于不同cluster的子载波而言，可以分别使用较优的波束赋形权值进行波束赋形处理，提高了波束赋形的精度，使得系统的性能和容量得到提高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的波束赋形的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的计算波束赋形权值的流程图；

图3为本发明实施例提供的对cluster中所有子载波进行波束赋形处理过程的示意图；

图4为本发明实施例提供的波束赋形装置的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明实施例提供的一种波束赋形的方法、装置及基站的具体实施方式进行详细地说明。

本发明实施例提供的波束赋形的方法，如图1所示，包括如下步骤：

S101、根据天线接收的经上行信道发送的测探(sounding)信号序列，计算上行信道的信道估计值序列；

S102、对下行采用部分使用子信道(PartiallyUsedSub-Carrier，PUSC)子载波映射方式的每个簇(cluster)，根据该簇中的每个子载波的物理位置与sounding信号序列的对应关系，确定该簇中每个子载波在该信道估计值序列中对应的信道估计值；

S103、根据该簇中每个子载波对应的信道估计值，计算该簇的波束赋形权值；

S104、使用所述簇对应的波束赋形权值对该簇中的所有子载波进行波束赋形处理。

下面，对上述步骤S101至S104的具体实现方式进行详细地阐述。

上述步骤S101中，用户终端经上行信道向基站发送sounding信号序列，基站通过天线接收到之后，可以使用根据接收的sounding信号序列和基站通过MAC消息得到的sounding信号序列，计算上行信道的信道估计值序列。

Sounding信号序列实质上是一组Golay码，给予不同的参数，就会形成不同的sounding信号序列，基站本地预先存储有Golay码，用户通过MAC消息发送相应的参数，向基站指定发送的sounding信号序列。基站根据MAC消息得到的sounding信号序列是未经上行信道的sounding信号序列，基站将其与从天线接收到经上行信道过来的sounding信号序列匹配，以此来进行上行信道的信道估计。

本发明实施例中，较佳地，采用最小平方(LeastSquare，LS)算法为例进行上行信道的估计。

假设上行信道的信道估计值序列用h_s表示，计算h_s的具体的实施方法如下：

通过公式h_s＝r_s/s_s来计算信道估计值序列；上式中：

h_s为信道估计值序列；

r_s为天线接收的经上行信道发送的sounding信号序列；

S_s基站根据用户发送的MAC消息得到的sounding信号序列。

容易想见，上述S101步骤中上行信道的估计的算法还可以采用其他方式进行上行信道估计。

本发明实施例中，使用上行信道的估计结果，对下行子载波(包括导频子载波和数据子载波)进行波束赋形，与现有技术不同的是，本发明实施例以下行采用PUSC子载波映射方式的每个簇为单元，进行波束赋形权值的计算，在具体实施时，对于PUSC中的所有cluster都会分别计算其波束赋形权值，为了说明的简要，在上述步骤S102和S103中仅以单个簇为例说明计算波束赋形权值的过程。

上述步骤S102中，每一个cluster中的每个子载波的物理位置都与sounding信号序列中包含的序列值有一定的映射关系，以1024点的FFT系统为例，sounding信号序列中包含864个序列值，一个cluster中包含14个子载波，每个子载波的物理位置都与sounding信号序列中的序列值有对应关系。

下行簇中的每个子载波与其物理位置的映射关系记载在下行载波映射表中。通过这个下行载波映射表，可以确定该簇中每个子载波的物理位置对应的sounding信号序列中的序列值；

根据簇中每个载波的物理位置对应的sounding信号序列值与信道估计值序列中各信道估计值的对应关系，可以进一步地确定该簇中每个子载波在信道估计值序列中对应的信道估计值。

上述步骤S103中，较佳地，按照下述流程记载的方法计算某个簇对应的波束赋形权值，该流程如图2所示，包括如下步骤：

S201、计算该簇中每个子载波在信道估计值序列中对应的信道估计值的协方差矩阵；

在本发明实施例中，每个子载波在信道估计值序列中对应的信道估计值的协方差矩阵用H_k ^HH_k表示，H_k是该簇中序号为k的子载波从发射天线到接收天线的信道响应矩阵，该矩阵大小为N_Rx×N_Tx(N_Rx和N_Tx分别为接收天线与发射天线的数量)。

S202、将步骤S201中计算得到的所有协方差矩阵进行累加求平均值，得到平均协方差矩阵，得到平均协方差矩阵

具体地，平均协方差矩阵通过下述公式计算得到：

$\stackrel{\‾}{R_h}=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H_k}^H{H}_k;$

其中：为平均协方差矩阵；

n为一个簇包含的子载波个数，通常为14；

H_k ^HH_k为每个子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值的协方差矩阵，k为簇中每个子载波的序号，k的取值范围为1～14。

S203、对平均协方差矩阵进行特征值分解，得到所述平均协方差矩阵的最大特征值对应的特征向量；将该最大特征值对应的特征向量作为该簇的波束赋形权值。

在本步骤S203中，计算出来的波束赋形权值为M*1大小的列向量，M为基站发射天线数量值。例如波束赋形权值为分别对应基站四根发射天线所发射的子载波。

图1中的步骤S104对cluster中所有子载波进行波束赋形处理的过程，如图3所示，包括下述步骤：

将经S101-S103步骤得到的cluster的波束赋形权值，对该cluster中的所有子载波的数据进行加权；

将该cluster中的所有子载波加权后的数据映射到各自的物理资源上；

进行正交频分复用OFDM调制后经基站发射天线发射。

将所有cluster的所有子载波都按照上述过程进行处理，即完成了整个下行子载波的波束赋形。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种波束赋形的装置，由于该装置解决问题的原理与前述一种波束赋形的方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

本发明实施例提供的波束赋形装置，如图4所示，包括：信道估计值序列计算模块401、确定模块402、波束赋形权值计算模块403和波束赋形模块404；

信道估计值序列计算模块401，用于根据天线接收的经上行信道发送的测探sounding信号序列，计算上行信道的信道估计值序列；

确定模块402，用于对下行采用部分使用子信道(PUSC)子载波映射方式的每个簇，根据该簇中的每个子载波的物理位置与sounding信号序列的对应关系，确定该簇中每个子载波在信道估计值序列中对应的信道估计值；

波束赋形权值计算模块403，用于根据该簇中每个子载波对应的信道估计值，计算该簇对应的波束赋形权值；

波束赋形模块404，用于使用该簇对应的波束赋形权值对该簇中的所有子载波进行波束赋形处理。

进一步地，本发明实施例提供的上述装置中的信道估计值序列计算模块403，具体用于使用下述公式计算所述信道估计值序列：h_s＝r_s/s_s

上式中：h_s为信道估计值序列；

r_s为天线接收的经上行信道发送的sounding信号序列；

S_s为基站根据用户发送的MAC消息得到的sounding信号序列。

进一步地，本发明实施例提供的上述装置中的确定模块402，进一步用于在下行载波映射表中，确定该簇中每个子载波的物理位置对应的sounding信号序列中的序列值；根据该簇中每个载波的物理位置对应的序列值与信道估计值序列中各信道估计值的对应关系，确定该簇中每个子载波在信道估计值序列中对应的信道估计值。

进一步地，本发明实施例提供的上述装置中的波束赋形权值计算模块403，具体用于计算该簇中每个子载波在信道估计值序列中对应的信道估计值的协方差矩阵；将计算得到的所有协方差矩阵进行累加求平均值，得到平均协方差矩阵；对平均协方差矩阵进行特征值分解，得到平均协方差矩阵的最大特征值对应的特征向量；将最大特征值对应的特征向量作为该簇的波束赋形权值。

进一步地，本发明实施例提供的上述装置中的波束赋形权值计算模块，进一步通过下述公式计算平均协方差矩阵：

$\stackrel{\‾}{R_h}=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H_k}^H{H}_k;$

上式中：为平均协方差矩阵；

n为一个簇包含的子载波个数；

H_k ^HH_k为每个子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值的协方差矩阵，k为簇中每个子载波的序号。

本发明实施例还提供了一种基站，该基站中包含本发明实施例提供的上述波束赋形的装置。

本发明实施例提供的波束赋形的方法、装置及基站，先通过基站天线接收的sounding信号序列，计算出上行信道的信道估计值序列，然后对采用PUSC子载波映射方式的每个簇，根据簇(cluster)中每个子载波的物理位置与sounding信号序列的对应关系，确定该簇中每个子载波在信道估计值序列中对应的信道估计值，根据每个子载波对应的信道估计值，计算该簇的波束赋形权值，使用计算得到的波束赋形权值对该簇中所有子载波进行波束赋形的处理。本发明实施例提供的波束赋形的方法及装置，以下行采用PUSC子载波映射方式的每个cluster为单元，计算出该cluster的波束赋形权值，使用计算出的cluster的波束赋形权值，对该cluster内的所有子载波进行波束赋形处理，对于不同cluster的子载波而言，可以分别使用较优的波束赋形权值进行波束赋形处理，提高了波束赋形的精度，使得系统的性能和容量得到提高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种波束赋形的方法，其特征在于，包括：

根据天线接收的经上行信道发送的测探sounding信号序列和基站通过MAC消息得到的sounding信号序列，计算上行信道的信道估计值序列；

对下行采用部分使用子信道PUSC子载波映射方式的簇，根据所述簇中的子载波的物理位置与所述sounding信号序列的对应关系，确定所述簇中子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值；

根据所述簇中子载波对应的信道估计值，计算所述簇的波束赋形权值，具体的，计算所述簇中子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值的协方差矩阵；将计算得到的协方差矩阵进行累加求平均值，得到平均协方差矩阵；对所述平均协方差矩阵进行特征值分解，得到所述平均协方差矩阵的最大特征值对应的特征向量；将所述最大特征值对应的特征向量作为该簇的波束赋形权值；

使用所述簇的波束赋形权值对该簇中的子载波进行波束赋形处理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述簇中子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值，包括：

在下行载波映射表中，确定所述簇中子载波的物理位置对应的所述sounding信号序列中的序列值；

根据所述簇中子载波的物理位置对应的序列值与所述信道估计值序列中各信道估计值的对应关系，确定所述簇中子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下述公式计算所述平均协方差矩阵： $\stackrel{\‾}{R_h}=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{H_k}^H{H}_k;$ 其中：

为所述平均协方差矩阵；

n为一个簇包含的子载波个数；

H_k ^HH_k为每个子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值的协方差矩阵，k为簇中每个子载波的序号。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据天线接收的经上行信道发送的测探sounding信号序列和基站通过MAC消息得到的sounding信号序列，计算上行信道的信道估计值序列，包括：

使用下述公式计算所述信道估计值序列:

h_s＝r_s/s_s

上式中:h_s为信道估计值序列；

r_s为天线接收的经上行信道发送的sounding信号序列；

S_s为基站根据用户发送的MAC消息得到的sounding信号序列；

下标s表示sounding信号序列。

5.一种波束赋形的装置，其特征在于，包括：

信道估计值序列计算模块，用于根据测探sounding信号序列和基站通过MAC消息得到的sounding信号序列，计算上行信道的信道估计值序列；

确定模块，用于对下行采用部分使用子信道PUSC子载波映射方式的簇，根据所述簇中的子载波的物理位置与sounding信号序列的对应关系，确定所述簇中子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值；

波束赋形权值计算模块，用于根据所述簇中子载波对应的信道估计值，计算所述簇的波束赋形权值，具体的，用于计算所述簇中子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值的协方差矩阵；将计算得到的协方差矩阵进行累加求平均值，得到平均协方差矩阵；对所述平均协方差矩阵进行特征值分解，得到所述平均协方差矩阵的最大特征值对应的特征向量；将所述最大特征值对应的特征向量作为该簇的波束赋形权值；

波束赋形模块，用于使用所述簇的波束赋形权值对该簇中的子载波进行波束赋形处理。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述确定模块，进一步用于在下行载波映射表中，确定所述簇中子载波的物理位置对应的所述sounding信号序列中的序列值；根据所述簇中载波的物理位置对应的序列值与所述信道估计值序列中各信道估计值的对应关系，确定该簇中子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述波束赋形权值计算模块进一步通过下述公式计算所述平均协方差矩阵：

其中：为所述平均协方差矩阵；

n为一个簇包含的子载波个数；

H_k ^HH_k为每个子载波在所述信道估计值序列中对应的信道估计值的协方差矩阵，k为簇中每个子载波的序号。

8.一种基站，其特征在于，包括如权利要求5-7任一项所述的波束赋形的装置。