CN102474315B - 多输入多输出波束赋形数据发送方法和装置 - Google Patents

多输入多输出波束赋形数据发送方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多输入多输出(MIMO)波束赋形的数据发送方法和装置。该方法包括：MIMO编码步骤，对数据流进行多输入多输出编码，得到编码后的数据流；权值估计步骤，根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取发送端的天线阵列的Tx×S维的波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S，其中Tx为发送端的发送天线数目，S为进行MIMO编码后的数据流个数，S≤Tx；波束赋形步骤，使用波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S对编码后的数据流进行加权，将加权后的数据流在相应的天线发送出去，其中，天线i发送的数据是叠加数据i＝1，…，Tx，j＝1，…，S，xj是编码后的第j个数据流。

Description

多输入多输出波束赋形数据发送方法和装置
技术领域
本发明涉及无线通讯领域，尤其涉及一种下行MIMO(Multiple InputMultiple Output，多输入多输出)波束赋形(Beam forming，BF)数据发送方法和装置。
背景技术
波束赋形是基于自适应天线原理，利用天线阵列通过先进的信号处理算法分别对各天线单元加权处理，使阵列实时对准有用信号方向，而在干扰方向形成零点以抑制干扰信号，从而提高信噪比，提升系统性能，增加系统的覆盖范围。如图1所示。
MIMO是在发送端和接收端分别安置多根天线的通信系统。它主要分成两类。当发送端或接收端有多根天线时，且每根发送天线发送的数据集是相同的，接收端对获得多个分支的信号进行合并，从而提高链路的可靠性，我们将这一类MIMO技术叫做空间分集。对于发送端和接收端都是两根天线时，其中的一种分集编码方式如图2(a)所示，天线1在两个相邻时刻(或子载波)分别发送符号s1和
Figure GPA0000142685930000031
天线2在两个相邻时刻(或子载波)分别发送符号s2和另外，当发送端和接收端同时存在多根天线时，由于MIMO信道等效成多个并行的信道，从而可以同时并行发送多个数据流，提高了数据的传输速率，这就是空间复用。对于发送端和接收端都是两根天线时，其中的一种空间复用编码方式如图2(b)所示，天线1和天线2在同时频资源上分别发送符号s1和s2。
MIMO和波束赋形相结合，形成一种同时具有两种技术优点的新技术，叫MIMO波束赋形，简称MIMO+BF。它既能像波束赋形那样抑制干扰信号，又能像MIMO那样提高链路的可靠性或传输速率。其中的一种MIMO波束赋形的结构如图3所示。整个天线阵列形成S个波束，每个波束相当于一根虚拟天线。虚拟天线之间构成一个MIMO系统。当波束赋形与空间分集相结合时，我们叫它空间分集波束赋形；当波束赋形与空间复用相结合时，我们叫它空间复用波束赋形。
MIMO波束赋形权值W的获取，是MIMO波束赋形的关键技术之一。权值W的准确性和及时性很大程度上影响着MIMO波束赋形的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种MIMIO波束赋形数据发送方法和装置，可实现MIMO和波束赋形两种技术的有效结合，最大限度地提高系统的性能和覆盖范围。
为了解决上述问题，本发明提供了一种多输入多输出波束赋形的数据发送方法，包括：
MIMO编码步骤，对数据流进行多输入多输出(MIMO)编码，得到编码后的数据流；
权值估计步骤，根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取发送端的天线阵列的Tx×S维的波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S，其中，Tx为发送端的发送天线数目，S为进行MIMO编码后的数据流个数，S≤Tx；
波束赋形步骤，使用所述波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S对所述编码后的数据流进行加权，将所述加权后的数据流在相应的天线发送出去，其中，天线i发送的数据是叠加数据
Figure GPA0000142685930000041
i＝1，…，Tx，j＝1，…，S，xj是编码后的第j个数据流。
其中，所述权值估计步骤中包括：
根据所述信道信息获取所述发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵；
根据所述统计信道相关矩阵确定所述发送端的天线阵列的波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S。
其中，所述获取所述发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵包括：
初始化步骤，初始化所述发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵Rstat；确定用于计算该发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵的若干个符号；
更新步骤，选择符号，计算接收端到发送端天线阵列当前选择的符号上特定载波集合上的信道相关性矩阵
Figure GPA0000142685930000042
更新统计信道相关矩阵Rstat＝ρRstat+(1-ρ)R，其中，H(k)是发送端天线阵列的发送天线到接收端天线上特定载波集合中第k个子载波的信道系数矩阵，N表示特定载波集合上包含载波的数目，αk为常数，表示第k个子载波相关矩阵的权重，ρ为常量，且0≤ρ≤1；上标H是对矩阵求共轭转置；
控制步骤，重复所述更新步骤，直到选择完用于计算发送端天线阵列的统计信道相关矩阵的所述若干个符号。
其中，所述更新步骤中，根据如下方式获取所述H(k)：
发送端测量接收端的天线到发送端天线阵列的上行信道的信道系数矩阵，根据信道互易性，由测量的信道系数矩阵得到Rx行Tx列的所述H(k)；
或者，接收端测量发送端的天线阵列到接收端的接收天线的信道系数矩阵并反馈给发送端，发送端根据接收端反馈的所述信道系数矩阵得到Rx行Tx列的所述H(k)；
其中，Tx为发送端天线阵列的发送天线数目，Rx是接收端的接收天线数。
其中，所述上行信道包括：接收端传输上行业务的数据信道、或者接收端向发送端反馈信息的上行反馈信道，或者接收端向发送端发送的探通信号或导频信号对应的信道。
其中，所述根据统计信道相关矩阵确定所述发送端的天线阵列的波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S包括如下方式之一：
方式一、在预先设定的矩阵集合Wm，m＝1，2，…，M中，选择使得
Figure GPA0000142685930000051
最大的Wm作为波束赋形的权值，其中，det表示求矩阵的行列式值，Wm，m＝1，2，…，M是Tx×S维的复数矩阵；
方式二、对统计信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，选择前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为矩阵W的一列，形成一个Tx×S维的复数矩阵W，将W作为所述波束赋形的权值；
方式三、对统计信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，选出前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为矩阵的一列，形成一个Tx×S维的复数矩阵
Figure GPA0000142685930000052
对矩阵
Figure GPA0000142685930000056
进行恒模处理得到
Figure GPA0000142685930000053
将W作为所述波束赋形的权值，是指对矩阵进行恒模处理。
其中，所述MIMO编码步骤中，所述对数据流进行MIMO编码是指对数据流进行空间分集编码或者空间复用编码。
其中，所述权值估计步骤中，在根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S前，还判断是否需要更新权值，如果需要更新，则根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S；否则，使用系统预先配置的权值或者上一次确定的权值作为波束赋形的权值对编码后的数据流进行加权并发送。
本发明还提供一种多输入多输出波束赋形的数据发送装置，包括：
MIMO编码模块，用于对数据流进行MIMO编码，得到编码后的数据流；
权值估计模块，用于根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取发送端的天线阵列的波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S，其中，Tx为发送端的发送天线数目，S为进行MIMO编码后的数据流个数，S≤Tx；
波束赋形模块，用于使用所述波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S对所述编码后的数据流进行加权，将所述加权后的数据流在相应的天线发送出去，其中，天线i发送的数据是叠加数据
Figure GPA0000142685930000061
i＝1，…，Tx，j＝1，…，S，xj是编码后的第j个数据流。
其中，所述权值估计模块包括：
统计信道相关矩阵获取单元，用于根据所述信道信息获取所述发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵；
权值获取单元，根据所述统计信道相关矩阵确定所述发送端的天线阵列的波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S。
其中，所述统计信道相关矩阵获取单元包括初始化子单元、更新子单元和控制子单元：
初始化子单元，用于初始化所述发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵Rstat；确定用于计算该发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵的若干个符号；
更新子单元，用于选择符号，计算接收端到发送端天线阵列当前选择的符号上特定载波集合上的信道相关性矩阵
Figure GPA0000142685930000062
更新统计信道相关矩阵Rstat＝ρRstat+(1-ρ)R，其中，H(k)是发送端天线阵列的发送天线到接收端天线上特定载波集合中第k个子载波的信道系数矩阵，N表示特定载波集合上包含载波的数目，αk为常数，表示第k个子载波相关矩阵的权重，ρ为常量，且0≤ρ≤1；上标H是对矩阵求共轭转置；
控制子单元，用于控制所述更新子单元重复进行更新，直到选择完用于计算发送端天线阵列的统计信道相关矩阵的所述若干个符号。
其中，所述更新子单元，用于根据如下方式获取所述H(k)：
所述更新子单元测量接收端的天线到发送端天线阵列的上行信道的信道系数矩阵，根据信道互易性，由测量的信道系数矩阵得到Rx行Tx列的所述H(k)；
或者，接收端测量发送端的天线阵列到接收端的接收天线的信道系数矩阵并反馈给所述更新子单元，所述更新子单元根据接收端反馈的所述信道系数矩阵得到Rx行Tx列的所述H(k)；
其中，Tx为发送端天线阵列的发送天线数目，Rx是接收端的接收天线数。
其中，所述上行信道包括：接收端传输上行业务的数据信道、或者接收端向发送端反馈信息的上行反馈信道，或者接收端向发送端发送的探通信号或导频信号对应的信道。
其中，所述权值获取单元用于使用如下方式之一获取所述波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S：
方式一、在预先设定的矩阵集合Wm，m＝1，2，…，M中，选择使得最大的Wm作为波束赋形的权值，其中，det表示求矩阵的行列式值，Wm，m＝1，2，…，M是Tx×S维的复数矩阵；
方式二，对统计信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，选择前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为矩阵W的一列，形成一个Tx×S维的复数矩阵W，将W作为所述波束赋形的权值；
方式三，对统计的信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，选出前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为矩阵的一列，形成一个Tx×S维的复数矩阵
Figure GPA0000142685930000073
对矩阵
Figure GPA0000142685930000074
进行恒模处理得到
Figure GPA0000142685930000075
将W作为所述波束赋形的权值，是指对矩阵
Figure GPA0000142685930000077
进行恒模处理。
其中，所述权值估计模块，用于在根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S前，还判断是否需要更新权值，如果需要更新，则根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S；否则，使用系统预先配置的权值或者上一次确定的权值作为波束赋形的权值。
采用本发明所述的方法和装置，可以得到MIMO波束赋形的权值，并且实现MIMO与波束赋形的合理结合，从而最大限度地提高系统的性能。
附图概述
图1是本发明所述的基于线性天线阵列的BF系统示意图；
图2是本发明所述的MIMO系统及其一种编码方式的示意图；
图3是本发明所述的基于线性天线阵列的MIMO与BF混合系统示意图；
图4是本发明所述的发送端天线的类型示意图；
图5是本发明所述的基于线性天线阵列的MIMO波束赋形装置示意图；
图6是发送端每根物理天线在同一个时频资源上的发送数据流示意图。
本发明的较佳实施方式
本发明用到的一些术语定义如下：
发送端：用来发送数据或者信息的设备，比如宏基站，微基站等。
接收端：用来接收数据或者信息的设备，如终端，移动台，手持设备，数据卡等。
本发明提供了一种MIMO波束赋形的权值数据发送方法，包括：
将数据流进行MIMO编码，得到编码后的数据流X＝(x1，…，xS)T；
根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取发送端的天线阵列的Tx×S维的波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S，其中，Tx为发送端的发送天线数目，S为进行MIMO编码后的数据流个数；
使用波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S对MIMO编码后的数据进行加权，将加权后的数据流经过相应的天线发送出去。其中，天线i发送的数据是叠加数据
Figure GPA0000142685930000081
i＝1，…，Tx，j＝1，…，S。
其中所述MIMO编码是指将一个或者多个数据流进行变换处理之后形成多个数据流。MIMO编码包括空间分集编码或空间复用编码。其中所述空间分集编码是指：将输入的每个数据流变换成多份拷贝和/或者拷贝的共轭和/或拷贝的负共轭。其中所述空间复用编码是指：将输入的一个或者多个数据流直接输出。
其中，根据信道信息获取波束赋形的权值前，还判断是否需要更新权值，如果需要更新，则根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S；否则，使用先前保留的权值作为波束赋形的权值。先前保留的权值可以是系统预先配置的权值，也可以是上一次根据信道信息获取的权值。
其中，根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取发送端的天线阵列的Tx×S维的波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S包括：
步骤101，根据所述信道信息获取所述发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵；
步骤102，根据所述统计信道相关矩阵确定所述发送端的天线阵列的波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S。
其中，步骤101进一步包括：
初始化步骤：初始化所述发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵Rstat；确定用于计算该发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵的若干个符号；
更新步骤，选择符号，计算接收端到发送端天线阵列当前选择的符号上特定载波集合上的信道相关性矩阵
Figure GPA0000142685930000091
更新统计信道相关矩阵Rstat＝ρRstat+(1-ρ)R，其中，H(k)是发送端天线阵列的发送天线到接收端天线上特定载波集合中第k个子载波的信道系数矩阵，N表示特定载波集合上包含载波的数目，αk为常数，表示第k个子载波相关矩阵的权重，ρ为常量，且0≤ρ≤1；上标H是对矩阵求共轭转置；
控制步骤，重复所述更新步骤，直到选择完用于计算发送端天线阵列的统计信道相关矩阵的所述若干个符号。
其中，更新步骤中，根据如下方式获取H(k)；
发送端测量接收端的天线到发送端天线阵列的上行信道的信道系数矩阵，根据信道互易性，由测量的信道系数矩阵得到Rx行Tx列的所述H(k)；所述上行信道包括：接收端传输上行业务的数据信道、或者接收端向发送端反馈信息的上行反馈信道，或者接收端向发送端发送的探通信号或导频信号对应的信道；
或者，接收端测量发送端的天线阵列到接收端的接收天线的信道系数矩阵并反馈给发送端，发送端根据接收端反馈的所述信道系数矩阵得到Rx行Tx列的所述H(k)；
其中，Tx为发送端天线阵列的发送天线数目，Rx是接收端的接收天线数。
获取统计信道相关矩阵Rstat的一种具体算法是：
(1)初始化统计信道相关矩阵Rstat，选取用于统计信道相关矩阵的符号索引；
(2)计算该接收端当前符号索引对应符号上特定载波集合上的信道相关性矩阵：
Figure GPA0000142685930000101
这里，N表示特定载波集合上包含载波的数目，αk为常数，表示第k个子载波的信道系数矩阵的权重，HRx，Tx(k)是特定载波集合中第k个子载波的信道系数矩阵，
(3)统计信道相关矩阵更新为Rstat＝f(Rstat，R)，f代表一个函数，优选地，f(Rstat，R)＝ρRstat+(1-ρ)R，ρ为常量且0≤ρ≤1，获取下一符号索引；
(4)重复(2)～(3)直到选择完用于获取统计信道相关矩阵的符号，比如，使用一帧的符号获取统计信道相关矩阵，则重复(2)-(3)直到该帧结束，得到最终的统计信道相关矩阵。
步骤102中，可以根据统计信道相关矩阵Rstat，用固定权值方法、特征向量权值方法和恒模特征向量权值方法来获取波束赋形的权值。其中，可以由发送端获取最终的统计信道相关矩阵，发送端根据统计信道相关矩阵得到权值；也可以由接收端获取最终的统计信道相关矩阵后，向发送端反馈该最终的统计信道相关矩阵，发送端根据最终的统计信道相关矩阵获取权值；或者，由接收端获取最终的统计信道相关矩阵后，根据最终的统计信道相关矩阵获取权值或权值索引，反馈给发送端，发送端根据接收端反馈的权值或权值索引得到权值。
(1)固定权值方法
在预先设定的矩阵集合Wi，i＝1，2，…，M中按照权值选择原则选取一个矩阵作为MIMO波束赋形的权值，这里，Wi，i＝1，2，…，M是Tx×S维的复数矩阵，其中Tx为发送天线数目，S为MIMO编码后的数据流个数，且S≤Tx。
优选地，权值选择原则可以基于统计信道相关矩阵Rstat。
优选地，基于统计信道相关矩阵Rstat的权值选择原则可以基于公式
Figure GPA0000142685930000111
即选择使得det(Wi HRstatWi)最大的Wi作为波束赋形的权值，det表示求矩阵的行列式值。
(2)特征向量权值方法
特征向量权值方法的步骤包括：
A)对统计信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，且特征值λi对应的特征向量为Wi，其中，Wi是Tx×1的向量，i＝1，2，…，Tx，Tx为发送端的发送天线数目。
B)选出前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为矩阵W的一列，形成一个Tx×S维的复数矩阵W。将W作为MIMO波束赋形的权值。
(3)恒模特征向量方法
恒模特征向量方法的步骤包括：
A)对统计信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，且特征值λi对应的特征向量为Wi，其中，Wi是Tx×1的向量，i＝1，2，…，Tx，Tx为发送端的发送天线数目。
B)选出前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为矩阵
Figure GPA0000142685930000112
的一列，形成一个Tx×S维的复数矩阵
Figure GPA0000142685930000113
C)对矩阵进行恒模处理后得到其中，
Figure GPA0000142685930000116
是指对矩阵
Figure GPA0000142685930000117
进行恒模处理，其使得处理后的矩阵或向量里的每个元素绝对值相等，将该恒模的矩阵W作为MIMO波束赋形的权值。
本发明还提供一种MIMO波束赋形数据发送的装置，如图5所示，包括：
MIMO编码模块：用于对数据流进行MIMO编码，得到编码后的数据流X＝(x1，…，xS)T，所述MIMO编码包括空间分集编码或者空间复用编码；
权值估计模块：用于根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取发送端的天线阵列的波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S，其中，Tx为发送端的发送天线数目，S为进行MIMO编码后的数据流个数，S≤Tx；
波束赋形模块，用于使用所述波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S对所述编码后的数据流进行加权，将所述加权后的数据流在相应的天线发送出去，其中，天线i发送的数据是叠加数据i＝1，…，Tx，j＝1，…，S，xj是编码后的第j个数据流。
其中，所述权值估计模块包括：
统计信道相关矩阵获取单元，用于根据所述信道信息获取所述发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵；
权值获取单元，根据所述统计信道相关矩阵确定所述发送端的天线阵列的波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S。
其中，所述统计信道相关矩阵获取单元包括初始化子单元、更新子单元和控制子单元：
初始化子单元：用于初始化所述发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵Rstat；确定用于计算该发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵的若干个符号；
更新子单元，用于选择符号，计算接收端到发送端天线阵列当前选择的符号上特定载波集合上的信道相关性矩阵
Figure GPA0000142685930000122
更新统计信道相关矩阵Rstat＝ρRstat+(1-ρ)R，其中，H(k)是发送端天线阵列的发送天线到接收端天线上特定载波集合中第k个子载波的信道系数矩阵，N表示特定载波集合上包含载波的数目，αk为常数，表示第k个子载波相关矩阵的权重，ρ为常量，且0≤ρ≤1；上标H是对矩阵求共轭转置；
控制子单元，用于控制所述更新子单元重复进行更新，直到选择完用于计算发送端天线阵列的统计信道相关矩阵的所述若干个符号。
其中，所述更新子单元，用于根据如下方式获取所述H(k)：
所述更新子单元测量接收端的天线到发送端天线阵列的上行信道的信道系数矩阵，根据信道互易性，由测量的信道系数矩阵得到Rx行Tx列的所述H(k)；
或者，接收端测量发送端的天线阵列到接收端的接收天线的信道系数矩阵并反馈给所述更新子单元，所述更新子单元根据接收端反馈的所述信道系数矩阵得到Rx行Tx列的所述H(k)；
其中，Tx为发送端天线阵列的发送天线数目，Rx是接收端的接收天线数。
其中，所述上行信道包括：接收端传输上行业务的数据信道、或者接收端向发送端反馈信息的上行反馈信道，或者接收端向发送端发送的探通信号或导频信号对应的信道。
其中，所述权值获取单元用于使用如下方式之一获取所述波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S：
方式一、在预先设定的矩阵集合Wm，m＝1，2，…，M中，选择使得
Figure GPA0000142685930000131
最大的Wm作为波束赋形的权值，其中，det表示求矩阵的行列式值，Wm，m＝1，2，…，M是Tx×S维的复数矩阵；
方式二，对统计信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，选择前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为矩阵W的一列，形成一个Tx×S维的复数矩阵W，将W作为所述波束赋形的权值；
方式三，对统计的信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，选出前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为矩阵
Figure GPA0000142685930000132
的一列，形成一个Tx×S维的复数矩阵
Figure GPA0000142685930000133
对矩阵进行恒模处理得到
Figure GPA0000142685930000135
将W作为所述波束赋形的权值。
其中，所述MIMO编码模块，用于对所述数据流进行空间分集编码或者空间复用编码。
其中，所述权值估计模块，用于在根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S前，还判断是否需要更新权值，如果需要更新，则根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取波束赋形的权值W＝(Wi，j)Tx×S；否则，使用系统预先配置的权值或者上一次确定的权值作为波束赋形的权值。
实施例1
本发明天线配置部分关于线性阵列天线的实施例。
如图4(a)所示，发送端或者接收端安装了多根天线，每根天线处于同一平面的同一直线上。每根天线可以是向所有方向发送电磁波的全向天线，或者是向某一角度范围发送电磁波的方向天线，或者是向某一方向极化的单极化天线。
实施例2
本发明天线配置部分关于双极化天线的实施例。
如图4(b)所示，发送端或者接收端安装了多对天线，每对天线处于同一平面的同一直线上。每对天线是向某一方向极化的一对双极化天线，如，这对双极化天线中的一根极化天线为+45°极化，另外一根是-45°极化。
实施例3
本发明天线配置部分关于圆柱天线的实施例。
如图4(c)所示，发送端或者接收端安装了多根天线，每根天线处于一个椭圆形的边上。每根天线可以是向所有方向发送电磁波的全向天线，或者是向某一角度范围发送电磁波的方向天线，或者是向某一方向极化的单极化天线。
实施例4
本发明信道系数获取部分关于利用信道互易性得到信道系数矩阵的实施例。
发送端和接收端分别安装了Tx和Rx根天线，天线配置可以是图4中的线性阵列天线，或者双极化天线，或者圆柱天线。接收端用部分或者全部安装的天线向发送端发送数据流，这个数据流可以是接收端向发送端反馈的信息，或者导频，或者Sounding序列或者业务数据。这里，接收端发送数据流的天线数目为Rt，且Rt≤Rx。发送端进行上行信道估计，估计出来的信道系数为hi，j(t，k)，表示接收端用来发送数据的天线j到发送端i之间的t时刻第k子载波上的信道系数，这里，i＝1，…，Tx，j＝1，…，Rt，t＝1，…，Ts，k＝1，…，N，Ts和N表示用来估计权值的资源块在时域上的符号个数和频域上的子载波个数。表示成矩阵形式为
Figure GPA0000142685930000151
那么，利用信道的互易性，发送端到接收端的下行信道矩阵为(HUL(t，k))T，T表示矩阵或者向量的转置。发送端用权值估计模块和(HUL(t，k))T获得权值。
实施例5
本发明信道系数矩阵获取部分关于下行反馈得到信道系数矩阵的实施例。
发送端和接收端分别安装了Tx和Rx根天线，天线配置可以是图4中的线性阵列天线，或者双极化天线，或者圆柱天线。接收端估计发送端到接收端的下行链路的信道系数hi，j(t，k)，表示发送端天线j到接收端i之间的t时刻第k子载波上的信道系数，这里，j＝1，…，Tx，i＝1，…，Rx，t＝1，…，Ts，k＝1，…，N，Ts和N表示用来估计权值的资源块在时域上的符号个数和频域上的子载波个数。表示成矩阵形式为
Figure GPA0000142685930000152
接收端要么利用HDL(t，k)获得波束赋形的权值，或者权值的索引，或者统计信道相关矩阵，然后反馈给发送端；要么将HDL(t，k)或者量化的
Figure GPA0000142685930000153
反馈发送端，发送端利用HDL(t，k)或者量化的获取波束赋形权值。
实施例6
本发明MIMO编码部分关于空间分集方案一编码的实施例。
发送端有Tx根发送物理天线，整个天线组被虚拟成两个波束，每个波束是一个虚拟天线。发送的数据流是s1和s2，波束赋形权值为：
W = w 11 w 21 . . . . . . w 1 Tx w 2 Tx
空间分集时，虚拟天线1在两个相邻时刻(或子载波)分别发送数据流s1和天线2在两个相邻时刻(或子载波)分别发送数据流s2和
Figure GPA0000142685930000164
即，第一个时刻(或子载波)，映射到物理天线的情况如图6(a)所示，第i根天线上发送叠加数据w1is1+w2is2，第二个时刻(或子载波)，映射到物理天线的情况如图6(c)所示，第i根天线上发送叠加数据
Figure GPA0000142685930000165
这里，i＝1，…，Tx。
实施例7
本发明MIMO编码部分关于空间分集方案二编码的实施例。
发送端有Tx根发送物理天线，整个天线组被虚拟成两个波束，每个波束是一个虚拟天线。发送的数据流是s1，波束赋形权值为：
W = w 11 w 21 . . . . . . w 1 Tx w 2 Tx
空间分集时，虚拟天线1在同一时刻(或子载波)发送数据流s1和虚拟天线2在同一时刻(或子载波)发送数据流
Figure GPA0000142685930000167
即，同一个时刻(或子载波)，映射到物理天线的情况如图6(b)所示，第i根天线上发送叠加数据
Figure GPA0000142685930000168
这里，i＝1，…，Tx。
实施例8
本发明MIMO编码部分关于空间复用编码的实施例。
发送端有Tx根发送物理天线，整个天线组被虚拟成两个波束，每个波束是一个虚拟天线。发送的数据流是s1和s2，波束赋形权值为：
W = w 11 w 21 . . . . . . w 1 Tx w 2 Tx
空间分集时，虚拟天线1在同一时刻(或子载波)发送数据流s1和虚拟天线2在同一时刻(或子载波)发送数据流s2。即，同一个时刻(或子载波)，映射到物理天线的情况如图6(a)所示，第i根天线上发送叠加数据w1is1+w2is2，这里，i＝1，…，Tx。
实施例9
本发明权值获取部分关于固定权值方法获取权值的实施例。
发送端预先设定的矩阵(向量)集合Wi，i＝1，2，…，N，这里，Wi，i＝1，2，…，N是Tx×S维的复数矩阵，其中Tx为发送天线数目，S为MIMO编码后的数据流个数，且S≤Tx。
发送端在权值获取模块，判决是是否需要更新权值，如果不需要更新权值，那么使用系统预先配置好的权值或者上一次保留下来的权值。如果需要更新权值，那么利用固定权值方法获取权值，其步骤包括，
(1)初始化统计信道相关矩阵Rstat，如果是第1帧，那么初始化为全零的矩阵，否则初化为上一次保留下来的值。选取用于统计信道相关矩阵的符号索引。
(2)计算该接收端当前符号索引对应符号上特定载波集合上的信道相关性矩阵：
Figure GPA0000142685930000172
这里，N表示特定载波集合上包含载波的数目，HRx，Tx(k)是特定载波集合中第k个子载波的信道系数矩阵。Tx，Rx分别是发送端和接收端的发送和接收天线数目，上标H是对矩阵求共轭转置。
(3)统计信道相关矩阵更新为Rstat＝ρRstat+(1-ρ)R，ρ为常量且0≤ρ≤1，当前符号索引加1。
(4)重复(2)～(3)直到本帧结束。
(5)基于公式
Figure GPA0000142685930000181
选出最适合的权值Wopt作为该接收端的波束赋形权值，这里，det表示求矩阵的行列式值。
实施例10
本发明权值获取部分关于特征向量权值方法获取权值的实施例。
发送端在权值获取模块，判决是是否需要更新权值，如果不需要更新权值，那么使用系统预先配置好的权值或者上一次保留下来的权值。如果需要更新权值，那么利用特征向量权值方法获取权值，其步骤包括，
(1)初始化统计信道相关矩阵Rstat，如果是第1帧，那么初始化为全零的矩阵，否则初化为上一次保留下来的值。选取用于统计信道相关矩阵的符号索引。
(2)计算该接收端当前符号索引对应符号上特定载波集合上的信道相关性矩阵：
Figure GPA0000142685930000182
这里，N表示特定载波集合上包含载波的数目，HRx，Tx(k)是特定载波集合中第k个子载波的信道系数矩阵。Tx，Rx分别是发送端和接收端的发送和接收天线数目，上标H是对矩阵求共厄转置。
(3)统计信道相关矩阵更新为Rstat＝ρRstat+(1-ρ)R，ρ为常量且0≤ρ≤1，当前符号索引加1。
(4)重复(2)～(3)直到本帧结束。
(5)对统计信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，且特征值λi对应的特征向量为Wi，这里，Wi是Tx×1的向量，i＝1，2，…，Tx，Tx为发送端的发送天线数目。
(6)选出前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为MIMO波束赋形权值矩阵W的一列。形成一个Tx×S维的复数矩阵W。W就是MIMO波束赋形的权值。
实施例11
本发明权值获取部分关于恒模特征向量方法获取权值的实施例。
发送端在权值获取模块，判决是是否需要更新权值，如果不需要更新权值，那么使用系统预先配置好的权值或者上一次保留下来的权值。如果需要更新权值，那么利用恒模特征向量权值方法获取权值，其步骤包括，
(1)初始化统计信道相关矩阵Rstat，如果是第1帧，那么初始化为全零的矩阵，否则初化为上一次保留下来的值。选取用于统计信道相关矩阵的符号索引
(2)计算该接收端当前符号索引对应符号上特定载波集合上的信道相关性矩阵：
Figure GPA0000142685930000191
这里，N表示特定载波集合上包含载波的数目，HRx，Tx(k)是特定载波集合中第k个子载波的信道系数矩阵。Tx，Rx分别是发送端和接收端的发送和接收天线数目，上标H是对矩阵求共轭转置。
(3)统计信道相关矩阵更新为Rstat＝ρRstat+(1-ρ)R，ρ为常量且0≤ρ≤1，当前符号索引加1。
(4)重复(2)～(3)直到本帧结束。
(5)对统计信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，且特征值λi对应的特征向量为Wi，这里，Wi是Tx×1的向量，i＝1，2，…，Tx，Tx为发送端的发送天线数目。
(6)选出前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为MIMO波束赋形权值矩阵
Figure GPA0000142685930000192
的一列。形成一个Tx×S维的复数矩阵
(7)对矩阵
Figure GPA0000142685930000195
进行恒模处理这里，f是一种恒模处理，它使得处理后的矩阵或向量里的每个元素绝对值相等。最后，形成一个恒模的矩阵W，该W作为MIMO波束赋形的权值。
实施例12
本发明整个方案的一个具体实施例。
发送端为基站，它有Tx根天线，天线排列在一个线性阵列上。基站预先设定的矩阵(向量)集合Wi，i＝1，2，…，N，这里，Wi，i＝1，2，…，N是Tx×2维的复数矩阵，其中Tx为发送天线数目。
该基站下面有M个用户，每个用户有两根天线。基站对每个用户进行如下操作，以实现MIMO波束赋形。
将基站发送给用户的数据流输入MIMO编码模块，MIMO编码模块将数据流分成两两一组，记为si，1，si，2，对其进行空间分集编码 s i , 1 - s i , 2 * s i , 2 s i , 1 * , i＝1，…，Ns/2，Ns为数据流的长度。
在权值估计模块中计算权值W，W是一个Tx×2的矩阵。权值估计模块判决是是否需要更新权值，如果不需要更新权值，那么使用系统预先配置好的权值或者上一次保留下来的权值。如果需要更新权值，那么利用固定权值方法获取权值，其步骤包括，
(1)初始化统计信道相关矩阵Rstat，如果是第1帧，那么初始化为全零的矩阵，否则初化为上一次保留下来的值。选取用于统计信道相关矩阵的符号索引。
(2)计算该接收端当前符号索引对应符号上特定载波集合上的信道相关性矩阵：
Figure GPA0000142685930000202
这里，N表示特定载波集合上包含载波的数目，HRx，Tx(k)是特定载波集合中第k个子载波的信道系数矩阵，它通过估计上行发送Sounding的信道得到。Tx，Rx分别是发送端和接收端的发送和接收天线数目，上标H是对矩阵求共厄转置。
(3)统计信道相关矩阵更新为Rstat＝ρRstat+(1-ρ)R，ρ为常量且0≤ρ≤1，当前符号索引加1。
(4)重复(2)～(3)直到本帧结束。
(5)基于公式
Figure GPA0000142685930000203
选出最适合的权值Wopt作为该接收端的波束赋形权值W，这里，det表示求矩阵的行列式值。其中， W = W 11 W 21 . . . . . . W 1 Tx W 2 Tx ,
得到权值后，用权值对数据流进行加权，加权后，天线j在时间对的第一个符号时间上发送W1，jsi，1+W2，jsi，2，在第二个符号时间上发送
Figure GPA0000142685930000205
这里，j＝1，…，Tx，i＝1，…，Ns/2。
实施例13
本发明整个方案的另一个具体实施例。
发送端为基站，它有Tx/2根双极化天线，天线排列在一个线性阵列上。该基站下面有M个用户，每个用户有两根天线。基站对每个用户进行如下操作，以实现MIMO波束赋形。
将基站发送给用户的数据流输入MIMO编码模块，MIMO编码模块将数据流分成两两一组，记为si，1，si，2，对其进行空间分集编码 S i , 1 S i , 2 , i＝1，…，Ns/2，Ns为数据流的长度。
在权值估计模块中计算权值W，W是一个Tx×2的矩阵。权值估计模块判决是是否需要更新权值，如果不需要更新权值，那么使用系统预先配置好的权值或者上一次保留下来的权值。如果需要更新权值，那么利用固定权值方法获取权值，其步骤包括，
(1)初始化统计信道相关矩阵Rstat，如果是第1帧，那么初始化为全零的矩阵，否则初化为上一次保留下来的值。选取用于统计信道相关矩阵的符号索引。
(2)计算该接收端当前符号索引对应符号上特定载波集合上的信道相关性矩阵：
Figure GPA0000142685930000212
这里，N表示特定载波集合上包含载波的数目，HRx，Tx(k)是特定载波集合中第k个子载波的信道系数矩阵。Tx，Rx分别是发送端和接收端的发送和接收天线数目，上标H是对矩阵求共轭转置。
(3)统计信道相关矩阵更新为Rstat＝ρRstat+(1-ρ)R，ρ为常量且0≤ρ≤1，当前符号索引加1。
(4)重复(2)～(3)直到本帧结束。
(5)对统计信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，且特征值λi对应的特征向量为Wi，这里，Wi是Tx×1的向量，i＝1，2，…，Tx，Tx为发送端的发送天线数目。
(6)选出前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为MIMO波束赋形权值矩阵W的一列。形成一个Tx×S维的复数矩阵W。W就是MIMO波束赋形的权值。其中，
W = W 11 W 21 . . . . . . W 1 Tx T 2 Tx
得到权值后，用权值对数据流进行加权，加权后，天线j在同第一符号时间上发送W1，jSi，1+W2，jSi，2，这里，j＝1，…，Tx，i＝1，…，Ns/2。
实施例14
本发明整个方案的一个般化的实施例。
发送端为基站，它有Tx根天线，天线是线性阵列天线，或者圆柱天线，或者双极化天线。该基站下面有M个用户，每个用户有Rx根天线。基站对每个用户进行如下操作，以实现MIMO波束赋形。
基站将发送给用户的数据流进行MIMO编码。MIMO编码后的数据流为Xi＝(xi，1，…，xi，S)T，这里，S是数据流的个数，i＝1，…，Ns/S，Ns为数据流的总长度。
用权值估计模块获取权值W，W是一个Tx×S的矩阵。
得到权值后，用权值对数据流进行加权，加权后，天线j在同第一符号时间上发送
Figure GPA0000142685930000222
这里，j＝1，…，Tx，i＝1，…，Ns/S。
工业实用性
采用本发明所述的方法和装置，可以得到MIMO波束赋形的权值，并且实现MIMO与波束赋形的合理结合，从而最大限度地提高系统的性能。

Claims (11)

1.一种多输入多输出波束赋形的数据发送方法，包括：
MIMO编码步骤，对数据流进行多输入多输出（MIMO）编码，得到编码后的数据流；
权值估计步骤，根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取发送端的天线阵列的Tx×S维的波束赋形的权值W=(Wi,j)Tx×S，包括：根据所述信道信息获取所述发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵；根据所述统计信道相关矩阵确定所述发送端的天线阵列的波束赋形的权值W=(Wi,j)Tx×S；其中，Tx为发送端的发送天线数目，S为进行MIMO编码后的数据流个数，S≤Tx；
波束赋形步骤，使用所述波束赋形的权值W=(Wi,j)Tx×S对所述编码后的数据流进行加权，将所述加权后的数据流在相应的天线发送出去，其中，天线i发送的数据是叠加数据
Figure FDA0000465017160000011
i=1,...,Tx,j=1,...,S，xj是编码后的第j个数据流；
所述根据统计信道相关矩阵确定所述发送端的天线阵列的波束赋形的权值W=(Wi,j)Tx×S包括如下方式之一：
方式一、在预先设定的矩阵集合Wm,m=1,2,...,M中，选择使得
Figure FDA0000465017160000018
最大的Wm作为波束赋形的权值，其中，det表示求矩阵的行列式值，Wm,m=1,2,...,M是Tx×S维的复数矩阵；
方式二、对统计信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，选择前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为矩阵W的一列，形成一个Tx×S维的复数矩阵W，将W作为所述波束赋形的权值；
方式三、对统计信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，选出前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为矩阵
Figure FDA0000465017160000012
的一列，形成一个Tx×S维的复数矩阵对矩阵进行恒模处理得到将W作为所述波束赋形的权值，
Figure FDA0000465017160000016
是指对矩阵
Figure FDA0000465017160000017
进行恒模处理。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述获取所述发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵包括：
初始化步骤，初始化所述发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵Rstat；确定用于计算该发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵的若干个符号；
更新步骤，选择符号，计算接收端到发送端天线阵列当前选择的符号上特定载波集合上的信道相关性矩阵
Figure FDA0000465017160000021
更新统计信道相关矩阵Rstat=ρRstat+(1-ρ)R，其中，H(k)是发送端天线阵列的发送天线到接收端天线上特定载波集合中第k个子载波的信道系数矩阵，N表示特定载波集合上包含载波的数目，αk为常数，表示第k个子载波相关矩阵的权重，ρ为常量，且0≤ρ≤1；上标H是对矩阵求共轭转置；
控制步骤，重复所述更新步骤，直到选择完用于计算发送端天线阵列的统计信道相关矩阵的所述若干个符号。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述更新步骤中，根据如下方式获取所述H(k)：
发送端测量接收端的天线到发送端天线阵列的上行信道的信道系数矩阵，根据信道互易性，由测量的信道系数矩阵得到Rx行Tx列的所述H(k)；
或者，接收端测量发送端的天线阵列到接收端的接收天线的信道系数矩阵并反馈给发送端，发送端根据接收端反馈的所述信道系数矩阵得到Rx行Tx列的所述H(k)；
其中，Tx为发送端天线阵列的发送天线数目，Rx是接收端的接收天线数。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述上行信道包括：接收端传输上行业务的数据信道、或者接收端向发送端反馈信息的上行反馈信道，或者接收端向发送端发送的探通信号或导频信号对应的信道。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述MIMO编码步骤中，所述对数据流进行MIMO编码是指对数据流进行空间分集编码或者空间复用编码。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述权值估计步骤中，在根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取波束赋形的权值W=(Wi,j)Tx×S前，还判断是否需要更新权值，如果需要更新，则根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取波束赋形的权值W=(Wi,j)Tx×S；否则，使用系统预先配置的权值或者上一次确定的权值作为波束赋形的权值对编码后的数据流进行加权并发送。
7.一种多输入多输出波束赋形的数据发送装置，包括：
MIMO编码模块，用于对数据流进行MIMO编码，得到编码后的数据流；
权值估计模块，用于根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取发送端的天线阵列的波束赋形的权值W=(Wi,j)Tx×S，其中，Tx为发送端的发送天线数目，S为进行MIMO编码后的数据流个数，S≤Tx；
波束赋形模块，用于使用所述波束赋形的权值W=(Wi,j)Tx×S对所述编码后的数据流进行加权，将所述加权后的数据流在相应的天线发送出去，其中，天线i发送的数据是叠加数据
Figure FDA0000465017160000031
i=1,...,Tx,j=1,...,S，xj是编码后的第j个数据流；
其中，所述权值估计模块包括：
统计信道相关矩阵获取单元，用于根据所述信道信息获取所述发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵；
权值获取单元，根据所述统计信道相关矩阵确定所述发送端的天线阵列的波束赋形的权值W=(Wi,j)Tx×S；
所述权值获取单元用于使用如下方式之一获取所述波束赋形的权值W=(Wi,j)Tx×S：
方式一、在预先设定的矩阵集合Wm,m=1,2,...,M中，选择使得
Figure FDA0000465017160000038
最大的Wm作为波束赋形的权值，其中，det表示求矩阵的行列式值，Wm,m=1,2,...,M是Tx×S维的复数矩阵；
方式二，对统计信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，选择前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为矩阵W的一列，形成一个Tx×S维的复数矩阵W，将W作为所述波束赋形的权值；
方式三，对统计的信道相关矩阵Rstat进行特征值分解，选出前S个最大特征值对应的特征向量，每个特征向量作为矩阵
Figure FDA0000465017160000032
的一列，形成一个Tx×S维的复数矩阵
Figure FDA0000465017160000033
对矩阵
Figure FDA0000465017160000034
进行恒模处理得到
Figure FDA0000465017160000035
将W作为所述波束赋形的权值，是指对矩阵
Figure FDA0000465017160000037
进行恒模处理。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述统计信道相关矩阵获取单元包括初始化子单元、更新子单元和控制子单元：
初始化子单元，用于初始化所述发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵Rstat；确定用于计算该发送端的天线阵列的统计信道相关矩阵的若干个符号；
更新子单元，用于选择符号，计算接收端到发送端天线阵列当前选择的符号上特定载波集合上的信道相关性矩阵
Figure FDA0000465017160000041
更新统计信道相关矩阵Rstat=ρRstat+(1-ρ)R，其中，H(k)是发送端天线阵列的发送天线到接收端天线上特定载波集合中第k个子载波的信道系数矩阵，N表示特定载波集合上包含载波的数目，αk为常数，表示第k个子载波相关矩阵的权重，ρ为常量，且0≤ρ≤1；上标H是对矩阵求共轭转置；
控制子单元，用于控制所述更新子单元重复进行更新，直到选择完用于计算发送端天线阵列的统计信道相关矩阵的所述若干个符号。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述更新子单元，用于根据如下方式获取所述H(k)：
所述更新子单元测量接收端的天线到发送端天线阵列的上行信道的信道系数矩阵，根据信道互易性，由测量的信道系数矩阵得到Rx行Tx列的所述H(k)；
或者，接收端测量发送端的天线阵列到接收端的接收天线的信道系数矩阵并反馈给所述更新子单元，所述更新子单元根据接收端反馈的所述信道系数矩阵得到Rx行Tx列的所述H(k)；
其中，Tx为发送端天线阵列的发送天线数目，Rx是接收端的接收天线数。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述上行信道包括：接收端传输上行业务的数据信道、或者接收端向发送端反馈信息的上行反馈信道，或者接收端向发送端发送的探通信号或导频信号对应的信道。
11.如权利要求7所述的装置，其中，所述权值估计模块，用于在根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取波束赋形的权值W=(Wi,j)Tx×S前，还判断是否需要更新权值，如果需要更新，则根据发送端的天线阵列到接收端天线的信道信息获取波束赋形的权值W=(Wi,j)Tx×S；否则，使用系统预先配置的权值或者上一次确定的权值作为波束赋形的权值。
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