CN102457320A

CN102457320A - 一种频分双工系统下行单用户多径波束成形方法及装置

Info

Publication number: CN102457320A
Application number: CN2010105268297A
Authority: CN
Inventors: 郭阳; 禹忠
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2012-05-16
Also published as: WO2012058872A1

Abstract

本发明公开了一种频分双工系统下行多用户多径波束赋形方法及装置，其中所述方法包括：基站分别根据每个用户的上行信号估计得到多个径，并根据预先设定的判决准则确定各用户可以用于数据传输的径；所述基站根据每个用户的最大传输层数W，从所有用户的所有可以用于数据传输的径中选出最优的W个径，并使用所述W个径对所述每个用户进行数据传输；其中，W为正整数。通过本发明，在FDD系统中实现多用户的多径波束赋形传输技术，能够为多个用户同时发送多个数据流，增强用户及系统的吞吐量。

Description

一种频分双工系统下行单用户多径波束成形方法及装置

技术领域

本发明涉及智能天线波束赋形技术领域，更具体地，涉及一种FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工）系统下行单用户多径波束成形方法及装置。

背景技术

MIMO（Multiple Input and Multiple Output，多输入多输出）系统由于其能够有效提高信道容量而成为LTE（Long Term Evolution，长期演进）、LTE+ 的研究中一项倍受人们关注的技术。

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（0.5λ）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，仍然适用于单用户，从而提高用户的吞吐量。

对于即将开始制定的3GPP（Third Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）Rel-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，控制波束成形所使用的层数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

本发明解决的技术问题是提供一种频分双工系统下行单用户多径波束成形方法及装置，在FDD系统中实现单用户的多径波束成形传输技术，能够为单用户同时发送多个数据流，增强用户及系统的吞吐量。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种频分双工系统下行单用户多径波束成形方法，基站根据每个用户的上行信号功率峰值估计得到多个径的波达方向（DOA）角度；

所述基站根据预先设定的判决准则对所述多个径进行检验，并使用其中通过检验的k个径的DOA角度对所述用户进行下行数据传输；

其中，k为正整数，且k的值小于等于基站侧发射天线数与所述用户接收天线数之间的最小值。

进一步地，所述基站通过多重信号分类算法或CAPON算法估计得到所述上行信号功率峰值对应的多个径的DOA角度。

进一步地，所述上行信号包括：上行sounding RS导频（SRS导频）。

进一步地，所述判决准则为：若所述径的下行数据的接收端信噪比大于等于预先设定的门限值，则判定所述径通过检验。

进一步地，所述根据判决准则对所述径进行检验，具体包括：

所述基站检测所述估计得到的每个径的信号强度，并估计得出每个径的下行数据到达接收端的增益倍数；

根据所述径的发射端信噪比与所述增益倍数的乘积得出所述径的下行数据到达接收端后的接收端信噪比，通过比较所述接收端信噪比是否大于所述预先设定的门限值，对所述径进行检验。

本发明还提供了一种频分双工系统下行单用户多径波束成形装置，应用于基站，所述装置包括：

DOA估计模块，用于根据每个用户的上行信号功率峰值估计得到多个径的波达方向（DOA）角度；

判决模块，根据预先设定的判决准则对所述多个径进行检验；

数据传输模块，用于根据所述判决模块的判决结果，使用其中通过检验的k个径的DOA角度对所述用户进行下行数据传输；其中，k为正整数，且k的值小于等于基站侧发射天线数与所述用户接收天线数之间的最小值。

进一步地，所述DOA估计模块，用于通过多重信号分类算法或CAPON算法估计得到所述上行信号功率峰值对应的多个径的DOA角度。

进一步地，所述DOA估计模块，用于通过所述用户的上行SRS导频信号估计得到所述多个径的DOA角度。

进一步地，所述判决模块用于，根据以下判决准则对所述径进行检验：若所述径的下行数据的接收端信噪比大于等于预先设定的门限值，则判定所述径通过检验。

进一步地，所述DOA估计模块还用于，检测所述估计得到的每个径的信号强度，并估计得出每个径的下行数据到达接收端的增益倍数；

所述判决模块用于，根据所述径的发射端信噪比与所述增益倍数的乘积得出所述径的下行数据到达接收端后的接收端信噪比，通过比较所述接收端信噪比是否大于所述预先设定的门限值，对所述径进行检验。

与现有技术相比，本发明提供的上述方案至少具有如下有益效果：该方案可以为一个用户同时发送多个数据流，在FDD系统中利用多径信号的DOA（Direction of Arrival，波达方向）方向角而进行多流传输，增加了用户和系统的吞吐量。

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为依据本发明实施例的FDD系统单用户波束成形方法的原理示意图；

图2为依据本发明实施例的FDD系统单用户波束成形方法的流程示意图。

具体实施方式

在FDD系统中，由于上行信道与下行信道所处不同的频段，上行信道与下行信道不具有互易性，无法通过上行信道信息直接获得下行信道信息，即基站侧无法获得下行信道矩阵的信息，无法使用信道矩阵做特征值分解而得到波束成形发射权值的方法。即无法使用这种最优的、最大限度利用信道容量的方法。

针对现有技术存在的上述问题，本发明的提出一种适用于FDD系统的下行单用户波束成形策略方案，该方案的主要思想在于，鉴于FDD系统具有上述特性的限制，本发明考虑使用角度类的波束成形方法，即：eNB（evolved Node B，演进型基站）根据上行信号估计得到来自多个角度的信号峰值，而来自多个角度的信号可以理解为来自空间多个径的信号；并根据这些多个径的增益等信息，按照一定的判决准则检测出适用于进行数据传输的径，从而实现对单用户进行多径波束成形下行信号的传输。

基于上述思想，本发明提供一种频分双工系统下行单用户多径波束成形方法，具体采用如下技术方案：

基站根据每个用户的上行信号功率峰值估计得到多个径的波达方向（DOA）角度；

进一步地，所述基站通过MUSIC（Multiple Signal Classification，多重信号分类）算法或CAPON算法估计出所述多个功率峰值对应的径的DOA方向角。

进一步地，所述判决准则为：若某个径的数据到达接收端后的接收端信噪比大于预先设定的门限值，则判决所述径通过检验。

进一步地，所述根据判决准则对所述多个方向角进行检验，具体包括：

所述基站检测所述估计出的每个径的信号强度，并估计得出每个径的下行信号到达接收端的增益倍数；

根据该径发射端的链路信噪比与该径的增益倍数的乘积得出该径下行信号到达接收端后的接收端信噪比，通过比较所述接收端信噪比是否大于预先设定的所述门限值，对该径进行检验。

本发明上述方案中主要涉及如下几个参量：

1）发射端信噪比：SNR _TX，该值为发射端的已知值；

2）使得接收正确块率（即1-BLER（误块率））达到P（P的优选值为70%）时的接收端信噪比：SNR _RX，SNR _RX即为接收误块率达到P的信噪比门限值，该门限值通常也为已知值；

3）通过上行信号估计得到的第一条径的信号到达接收端的增益倍数为λ₁；第二条径的信号到达接收端的增益倍数为λ₂；第f条径的信号到达接收端的增益倍数为λ_f。

其中，λ为特征值，其可以表示出信道矩阵的增益。基站在进行DOA估计时，是对于所接收到的信号进行自相关检测，判断信号的自相关性强弱，在每个空间角度做一次，相关性最强的几个方向就是最强的几个径所在的方向，相关性值的大小说明信号增益的程度。

根据以上参量，层1的数据到达接收端后的信噪比为SNR _TX*λ₁，层2的数据到达接收端后的信噪比为SNR _TX*λ₂，层f的数据到达接收端后的信噪比为SNR _TX*λ_f。

根据本发明方案，判决某层（径）是否通过检验能够用于数据传输的判决准则为：层的数据到达接收端后的信噪比是否大于门限值SNR _RX，即当某一层的数据到达接收端后的信噪比大于门限值SNR _RX时，则可认为此层的数据可以正常解码，这一层可以进行传输。根据基站侧发射天线的个数与用户接收天线数之间的个数（在用户接入时会上报给基站），当有N个层的数据到达接收端后的信噪比大于门限值SNR _RX时，可以选择其中的k个径（根据需要可以任意选出k个径，也可以选出信号强度最优的k个径）进行数据传输，其中，k小于等于基站侧发射天线数与所述用户接收天线数之间的最小值，即共有k个层同时进行传输。

为了便于阐述本发明，以下将结合附图及具体实施例对本发明技术方案的实施作进一步详细描述。

图1示出了本发明实施例中，基站确定用于数据传输的k个径后，对于k个径所在的方向进行波束赋形，然后使用k个径的DOA对单用户进行k层发送的过程。参见图1，该过程主要包括：对每一层的数据流进行编码调制、调度；对每一层数据流分别加载各自的专用导频，并分别乘以相应的发射权值后，将数据映射至发射天线，并通过天线进行空间信号发送。

图2示出了本发明实施例的频分双工系统下行单用户多径波束成形方案的流程示意图，其具体实施步骤描述如下：

第一步：eNB可以根据上行sounding RS导频（SRS导频）估计用户的DOA方向角度，估计得到来自用户的上行信号功率峰值的多个径的波达方向角度，并将多个角度分别记为DOA1、DOA2、…DOAf。

其中，可以使用MUSIC算法、CAPON算法等算法。

第二步：估计得到来自多个角度的信号峰值，来自多个角度的信号可以理解为来自空间多个径的信号，同时检测得到来自每个径的信号强度，从而估计得到在每条径的方向的下行信号到达接收端后的增益的倍数λ_1、λ₂…λ_f。

第三步：使用判决准则（层的数据到达接收端后的信噪比是否大于门限值SNR _RX）得到可以用来做数据传输的k个径，从而确定出可以进行数据传输的k个方向角DOA1、DOA2、…DOAk。

第四步：根据DOA1、DOA2…DOAk可以分别得到k列发射权值W1、W2…Wk ，W1权值矢量对应的波束方向为DOA1，W2权值矢量对应的波束方向为DOA2，Wk权值矢量对应的波束方向为DOAk。

第五步：对W1、W2、…Wk进行正交化处理，再进行归一化，得到相互正交的且模值为1的发射权值W1、W2’、…Wk’。

其中，W2’…Wk’与W2…Wk所对应的波束的方向基本相同，性能相近。进行正交化处理的优势在于W1、W2’、…Wk’之间两两相互正交，减少了两个数据流间的干扰，因此用W2’、…Wk’代替W2、…Wk对第2个至第k个径的数据流进行加权。

第六步：对发射方向为DOA1~DOAk的数据流进行编码、调制；

第七步：对发射方向为DOA1~DOAk的数据流分别加载每个层各自的专用导频（Dedicated Reference Signal，简称为DRS）；

第八步：对发射方向为DOA1~DOAk的数据流分别乘以相应的发射权值，即乘以相应的发射权值W1 W2’ …Wk’，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。完成波束赋形过程；

第九步：接收端即用户设备（User Equipment，简称为UE）侧根据专用导频进行信号解调。

此外，本发明实施例中还提供了一种频分双工系统下行单用户多径波束成形装置，应用于基站，该装置主要包括以下功能模块：

以上仅为本发明的优选实施案例而已，并不用于限制本发明，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可根据本发明做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。

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。

Claims

1.一种频分双工系统下行多用户多径波束赋形方法，其特征在于，

基站分别根据每个用户的上行信号估计得到多个径，并根据预先设定的判决准则确定各用户可以用于数据传输的径；

所述基站根据每个用户的最大传输层数W，从所有用户的所有可以用于数据传输的径中选出最优的W个径，并使用所述W个径对所述每个用户进行数据传输；其中，W为正整数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述最大传输层数W为基站侧发射天线数与所述用户接收天线数之间的最小值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述最优的径是指下行信号到达接收端的增益倍数最大的径。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述上行信号包括：上行sounding RS导频（SRS导频）；

所述预先设定的判决准则为：若所述径的下行数据的接收端信噪比大于等于预先设定的门限值，则判定所述径通过检验。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述基站在确定各用户可以用于数据传输的径时，确定的每个用户可以用于数据传输的径的个数小于等于基站侧发射天线的个数，且小于等于所述用户接收天线的个数。

6.如权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于，

所述基站使用所述W个径对所述每个用户进行数据传输时，分别选择所述W个径所对应的特征向量作为所述每个径的数据流所使用的发射权值。

7.一种频分双工系统下行多用户多径波束赋形装置，其特征在于，应用于基站，所述装置包括：

判决模块，用于分别根据每个用户的上行信号估计得到多个径，并根据预先设定的判决准则确定各用户可以用于数据传输的径；

多径发射模块，根据每个用户的最大传输层数W，从所有用户的所有可以用于数据传输的径中选出最优的W个径，并使用所述W个径对所述每个用户进行数据传输；其中，W为正整数，且W为基站侧发射天线数与所述用户接收天线数之间的最小值。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，

所述多径发射模块选出的所述最优的径，是指下行信号到达接收端的增益倍数最大的径。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，

所述判决模块用于，根据所述用户的上行SRS导频估计得到k个径，并根据以下判决准则确定所述用户可以用于数据传输的径：若所述径的下行数据的接收端信噪比大于等于预先设定的门限值，则判定所述径可以用于数据传输的径；

其中，k为正整数，k小于等于基站侧发射天线的个数，且小于等于所述用户接收天线的个数。

10.如权利要求7、8或9所述的装置，其特征在于，

所述多径发射模块用于，在使用所述W个径对所述每个用户进行数据传输时，分别选择所述W个径所对应的特征向量作为所述每个径的数据流所使用的发射权值。