CN102457313A - 一种在时分双工中完成多用户多层波束成形的方法及装置 - Google Patents

一种在时分双工中完成多用户多层波束成形的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在时分双工中完成多用户多层波束成形的方法及装置，此方法包括：确定多输入多输出组内每个用户的具有数据传输能力的层，在各用户具有数据传输能力的层对应的层特征值中选择出取值位于各层特征值降值排序中前W个层特征值，将此W个层特征值对应的层作为波束成形使用层，对此W个层使用波束成形进行数据传输，W为正整数。本发明方案给出了同时使用多个层的多用户波束成形策略方案，统一考虑多个用户多个层的数据综合使用，例如同时使用W个层同时发送W个数据流，可以提高系统吞吐量，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，提高空间信道的资源利用率。

Description

一种在时分双工中完成多用户多层波束成形的方法及装置
技术领域
本发明涉及多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，简称MIMO)无线移动通信系统，尤其涉及一种在时分双工中完成多用户多层波束成形的方法及装置。
背景技术
多输入多输出(MIMO)技术由于其有效提高信道容量的效果成为长期演进系统(Long Term Evolution，简称LTE)和LTE+系统中倍受关注的技术。
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，多个用户使用多个数据流，从而提高整个系统的吞吐量。
对于即将开始制定的第三代合作伙伴计划(3GPP)Release-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，如何选择控制波束成形所使用的层并从而充分并合理得利用空间信道资源成为重要的课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在时分双工中完成多用户多层波束成形的方法及装置，提高空间信道的资源利用率。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种在时分双工中完成多用户多层波束成形的方法，包括：确定多输入多输出组内每个用户的具有数据传输能力的层，在各用户具有数据传输能力的层对应的层特征值中选择出取值位于各层特征值降值排序中前W个层特征值，将此W个层特征值对应的层作为波束成形使用层，对此W个层使用波束成形进行数据传输，W为正整数。
进一步地，上述方法还可以具有以下特点：
层特征值是指用户的具有数据传输能力的层在此用户的下行信道矩阵中对应的特征值。
进一步地，上述方法还可以具有以下特点：
确定所述波束成形使用层后，将此波束成形使用层在相应用户的下行信道矩阵中对应的特征向量作为此层的数据流的发射权值矢量。
进一步地，上述方法还可以具有以下特点：
确定每个用户中具有数据传输能力的层的方法包括：判断终端接收到的层数据的信噪比大于预设信噪比门限时，确定该层为具有数据传输能力的层。
进一步地，上述方法还可以具有以下特点：
W的值小于或等于所述多输入多输出组内所有用户的接收天线个数以及基站发射天线个数中的最小值。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种在时分双工中完成多用户多层波束成形的装置，位于基站内，所述装置，用于确定多输入多输出组内每个用户的具有数据传输能力的层，在各用户具有数据传输能力的层对应的层特征值中选择出取值位于各层特征值降值排序中前W个层特征值，将此W个层特征值对应的层作为波束成形使用层，对此W个层使用波束成形进行数据传输，W为正整数。
进一步地，上述装置还可以具有以下特点：
层特征值是指用户的具有数据传输能力的层在此用户的下行信道矩阵中对应的特征值。
进一步地，上述装置还可以具有以下特点：
所述装置，还用于确定所述波束成形使用层后，将此波束成形使用层在相应用户的下行信道矩阵中对应的特征向量作为此层的数据流的发射权值矢量。
进一步地，上述装置还可以具有以下特点：
所述装置，还用于使用下述方法确定每个用户中具有数据传输能力的层：判断终端接收到的层数据的信噪比大于预设信噪比门限时，确定该层为具有数据传输能力的层。
进一步地，上述装置还可以具有以下特点：
W的值小于或等于所述多输入多输出组内所有用户的接收天线个数以及基站发射天线个数中的最小值。
本发明方案给出了同时使用多个层的多用户波束成形策略方案，统一考虑多个用户多个层的数据综合使用，例如同时使用W个层同时发送W个数据流，可以提高系统吞吐量，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，提高空间信道的资源利用率。
附图说明
图1是实施例中在时分双工中完成多用户多层波束成形的方法流程图。
具体实施方式
一种在时分双工中完成多用户多层波束成形的装置位于基站(例如，eNB)内，此装置用于确定多输入多输出组内每个用户的具有数据传输能力的层，在各用户具有数据传输能力的层对应的层特征值中选择出取值位于各层特征值降值排序中前W个层特征值，将此W个层特征值对应的层作为波束成形使用层，对此W个层使用波束成形进行数据传输，W为正整数。
其中，层特征值是指用户的具有数据传输能力的层在此用户的下行信道矩阵中对应的特征值。W的值小于或等于所述多输入多输出组内所有用户的接收天线个数以及基站发射天线个数中的最小值。
此装置在确定所述波束成形使用层后，将此波束成形使用层在相应用户的下行信道矩阵中对应的特征向量作为此层的数据流的发射权值矢量。
此装置使用下述方法确定每个用户中具有数据传输能力的层：判断终端接收到的层数据的信噪比大于预设信噪比门限时，确定该层为具有数据传输能力的层。
如图1所示，在时分双工中完成多用户多层波束成形的方法，包括：
步骤101，确定多输入多输出组内每个用户的具有数据传输能力的层。
在TDD(时分双工)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与下行传输，通常认为上行信道与下行信道具有互易性，即可以通过每个用户的上行信道信息直接获得每个用户的下行信道信息，从而基站侧可以获得每个用户的信道信息。基站侧可以根据每个用户的上行行探测参考信号(SRS导频)估计用户的上行信道矩阵，通过TDD信道的互易性得到每个用户的下行信道矩阵，对于每个用户的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个特征矢量，其中f是基站侧发射天线数目(N)和用户的接收天线数目(M)中的最小值。用户的具有数据传输能力的层在此用户的下行信道矩阵中对应的特征值为层特征值。第1特征值λ11为空间信道层1的增益；第2特征值λ22为空间信道层2的增益；第f特征值λff为空间信道层f的增益。层1的数据到达接收端后的信噪比为SNRRX*λ11，层2的数据到达接收端后的信噪比为SNRRX*λ22，层f的数据到达接收端后的信噪比为SNRRX*λff。其中，SNRRX为接收端接收正确块率达到预设百分比P的信噪比门限值，此门限对于每个用户是相同的。其中，对应于λ11的第一列特征矢量即为层1所需要使用的权值矢量；对应于λ22的第一列特征矢量即为层2所需要使用的权值矢量；对应于λff的第一列特征矢量即为层f所需要使用的权值矢量。
确定每个用户中具有数据传输能力的层的方法包括：判断终端接收到的层数据的信噪比大于预设信噪比门限SNRRX时，确定该层为具有数据传输能力的层。对于某一用户，基站侧发射天线数目为N，用户的接收天线数目为M，判断终端接收到的层数据的信噪比大于预设信噪比门限SNRRX的层数为k，可获得k个特征值以及k个特征矢量，并且k＜min(M，N)。
步骤102，在各用户具有数据传输能力的层对应的层特征值中选择出取值位于各层特征值降值排序中前W个层特征值，将此W个层特征值对应的层作为波束成形使用层，对此W个层使用波束成形进行数据传输，W为正整数。
将此波束成形使用层在相应用户的下行信道矩阵中对应的特征向量作为此层的数据流的发射权值矢量。
W的值小于或等于多输入多输出组内所有用户的接收天线个数以及基站发射天线个数中的最小值。W的值为多输入多输出组内所有用户的接收天线个数以及基站发射天线个数中的最小值时，得到系统的性能较优。
对于单个用户而言，可使用多个层同时进行数据传输，但是当MIMO组中所有用户的传输数据的总层数大到一定程度时，就会导致用户之间的干扰，使部分数据流难以正确解码。通过上述方法选择出W个层，提高信道容量的同时防止干扰。
对选出的W个层使用波束成形进行数据传输时，对层1至层W的数据进行编码和调制，对层1至层W的数据分别加载每个层各自的专用导频(Dedicated Reference Signal，简称DRS)，对层1至层W的数据分别乘以相应的发射权值，从而将数据映射至发射天线，并通过天线进行空间信号发送。完成波束成形过程。
本发明同时考虑多个层的多用户波束成形策略方案，选择优选特征值以及对应的层进行数据传输，并将优选特征值对应的特征矢量作为相应层的发射权值矢量，可以最大限度得利用信道容量。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

Claims (10)

1.一种在时分双工中完成多用户多层波束成形的方法，其特征在于，
确定多输入多输出组内每个用户的具有数据传输能力的层，在各用户具有数据传输能力的层对应的层特征值中选择出取值位于各层特征值降值排序中前W个层特征值，将此W个层特征值对应的层作为波束成形使用层，对此W个层使用波束成形进行数据传输，W为正整数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
层特征值是指用户的具有数据传输能力的层在此用户的下行信道矩阵中对应的特征值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
确定所述波束成形使用层后，将此波束成形使用层在相应用户的下行信道矩阵中对应的特征向量作为此层的数据流的发射权值矢量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
确定每个用户中具有数据传输能力的层的方法包括：判断终端接收到的层数据的信噪比大于预设信噪比门限时，确定该层为具有数据传输能力的层。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
W的值小于或等于所述多输入多输出组内所有用户的接收天线个数以及基站发射天线个数中的最小值。
6.一种在时分双工中完成多用户多层波束成形的装置，位于基站内，其特征在于，
所述装置，用于确定多输入多输出组内每个用户的具有数据传输能力的层，在各用户具有数据传输能力的层对应的层特征值中选择出取值位于各层特征值降值排序中前W个层特征值，将此W个层特征值对应的层作为波束成形使用层，对此W个层使用波束成形进行数据传输，W为正整数。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，
层特征值是指用户的具有数据传输能力的层在此用户的下行信道矩阵中对应的特征值。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述装置，还用于确定所述波束成形使用层后，将此波束成形使用层在相应用户的下行信道矩阵中对应的特征向量作为此层的数据流的发射权值矢量。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述装置，还用于使用下述方法确定每个用户中具有数据传输能力的层：判断终端接收到的层数据的信噪比大于预设信噪比门限时，确定该层为具有数据传输能力的层。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，
W的值小于或等于所述多输入多输出组内所有用户的接收天线个数以及基站发射天线个数中的最小值。
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