CN102545981B - 在无线通信系统中基于doa进行波束赋形的方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在OFDMA无线通信系统中基于DOA进行波束赋形的方法与设备。其中，设备先获取无线通信系统中基站与用户设备之间的频域信道衰落矩阵；随后，再根据所述频域信道衰落矩阵来估算DOA；最后根据所估算的DOA来生成波束赋形向量。本发明的优点包括：1)方便系统在不同环境下，进行不同的预编码技术的切换；2)相对于信道衰落信息，DOA信息在频域上随着子载波的变化相对缓慢，因此本发明的基于DOA的波束成形技术使得在几乎不影响性能的情况下，以多个子载波为一簇进行预编码操作矢量计算成为可能。

Description

在无线通信系统中基于DOA进行波束赋形的方法与设备

技术领域

本发明涉及OFDMA的无线通信，尤其涉及在OFDMA无线通信系统中基于DOA进行波束赋形的方法与设备。

背景技术

LTE系统的下行采用波束赋形来获取天线阵列增益。目前波束赋形算法主要基于信道衰落矩阵分解，又叫基于特征值的波束赋形(EBB)，以下将对EBB方案予以详细说明。

考虑一个下行单用户MIMO系统，由一个n_T根天线的基站(BS)和一个n_R根天线的用户设备构成，基站和用户设备之间的频域上的信道衰落矩阵表示为 代表预编码矩阵，其中v是未进行预编码的数据向量的维数，则用户设备的接收信号表示为：

y＝HWs+z，

其中z是噪声向量。

EBB方案是单用户MIMO系统中最优的波束赋形算法。它根据最大SNR准则设计发送端的波束赋形向量。为了最大化接收端的SNR，预编码向量需要满足以下条件

$W_0=\arg \underset{w}{\max }\left\{\mathrm{trace}\right[{\left(\mathrm{HW}\right)}^{*}\left(\mathrm{HW}\right)\left]\right\}$

$=\arg \underset{w}{\max }\left\{\mathrm{trace}\right[\left(H^{*}{W}^{*}\mathrm{HW}\right)\left]\right\}$

其中(.)^*表示共轭转置。预编码向量可通过奇异值分解(SVD)获得：

H＝USV^*，

取v的前v列即构成w，它由最大的v个特征值对应的特征向量组成。

然而，在实际系统中，预编码操作不是在每个子载波上进行的，而是基于一个或多个资源块(RB)上进行的。预编码单元的中心子载波的预编码矩阵利用EBB算法来生成，这个预编码矩阵用于该预编码单元的的所有子载波。考虑到在一些RB上信道衰落不是平坦的，当预编码单元不止一个RB时，EBB的性能迅速恶化。

发明内容

本发明的目的是提供一种在OFDMA无线通信系统中基于DOA进行波束赋形的方法与设备。

根据本发明的一个方面，提供一种在OFDMA无线通信系统中基于DOA进行波束赋形的方法，其中，该方法包括以下步骤：

a获取所述无线通信系统中基站与用户设备之间的频域信道衰落矩阵；

b根据所述频域信道衰落矩阵来估算DOA；

c根据所估算的DOA来生成波束赋形向量。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种在基于OFDMA的无线通信系统中基于DOA来进行波束赋形的设备，其中，该方法包括以下步骤：

获取装置，用于获取所述无线通信系统中基站与用户设备之间的频域信道衰落矩阵；

估算装置，用于根据所述频域信道衰落矩阵来估算DOA；

生成装置，用于根据所估算的DOA来生成波束赋形向量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)相对于现有技术，本发明利用OFDM系统中的频域信道矩阵进行DOA估计，不仅符合标准(例如LTE的标准)，而且方便了系统在不同环境下，不同的预编码技术的切换。

2)相对于信道衰落信息，DOA信息在频域上随着子载波的变化相对缓慢，因此本发明的基于DOA的波束成形技术使得在几乎不影响性能的情况下，以多个子载波为一簇进行预编码操作矢量计算成为可能。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明OFDMA无线通信系统的拓扑图；

图2为本发明一个方面的在OFDMA无线通信系统中基于DOA进行波束赋形进行波束赋形的方法的流程图；

图3为本发明另一个方面的在OFDMA无线通信系统中基于DOA进行波束赋形的方法的流程图；

图4为基站和用户设备1的天线间的信号传播路径示意图；

图5为本发明一个方面的在OFDMA无线通信系统中基于DOA进行波束赋形的设备示意图；

图6为本发明另一个方面的在OFDMA无线通信系统中基于DOA进行波束赋形的设备示意图；

图7为郊区宏蜂窝场景下EBB和本发明在不同预编码单元粒度下的BER性能比较示意图；

图8为城区宏蜂窝场景下EBB和本发明在不同预编码单元粒度下的BER性能比较示意图；

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1示出了本发明OFDMA无线通信系统的拓扑图。用户设备11、用户设备12、......用户设备1K可以是任何一种能以无线方式和基站通信的电子设备，包括但不限于：手机、PDA等。而且，用户设备11、用户设备12、......用户设备1K、以及基站各自包含多根天线，例如，用户设备11包含N₁根天线，用户设备12包含N₂根天线，......用户设备1K包含N_k根天线，基站2包含N_T根天线。用户设备11、用户设备12、......用户设备1K各自可根据接收到的发射信号估计出各自与基站之间的信道信息，例如，用户设备11估计出自身与基站2之间的信道信息为H₁，用户设备12估计出自身与基站2之间的信道信息为H₂，......用户设备1K估计出自身与基站2之间的信道信息为H_k，由于本领域技术人员对于用户设备如何根据接收到的信息估计出信道信息的技术已经知悉，故在此不再详述。

图2示出了本发明一个方面在OFDMA无线通信系统中基于DOA进行波束赋形的方法的流程图。其中，用户设备1可以是用户设备11、用户设备12、......用户设备1K中的任何一者，设备2包括但不限于：基站或Node-B，或网络控制器等。

具体的，在步骤S1中，用户设备1接收来自基站的发射信号。

接着，在步骤S2中，用户设备1根据接收的发射信号估计自身与基站之间的信道信息，例如为H。

接着，在步骤S3中，用户设备1将所估计的信道信息发送给设备2。

接着，在步骤S4中，设备2接收来自用户设备1的信道信息。

接着，在步骤S5中，设备2由接收的信道信息中获取基站与用户设备1之间的频域信道衰落矩阵H。例如，当接收的信道信息为时时域信道信息时，设备2将其进行频域变换即可获得频域信道衰落矩阵H。

接着，在步骤S6中，设备2根据所述频域信道衰落矩阵来估算波达方向(DOA)。

最后，在步骤S7中，设备2根据所估算的DOA来生成波束赋形向量。

本领域技术人员应该理解，设备2获取用户设备1与基站之间的频域信道衰落矩阵的方式并非以上所述为限，事实上，还可以由基站处或者网络控制器处获取等，在此不再详述。

图3示出了本发明另一个方面在OFDMA无线通信系统中基于DOA进行波束赋形的方法的流程图。

具体的，步骤S1至S5已在图2所示的实施例中予以详述，在此以引用的方式包含，不再重述。

接着，在步骤S6’中，设备2通过在(-90°，90°)的范围内对下列公式计算极大值来估算所述DOA：

$\underset{\mathrm{\θ}}{\max }$ {Q(θ)}

subjecttoθ∈(-90°，90°)，

其中， v⁽⁰⁾对应于信号的零空间，N_T为基站的天线数量。

作为一种优选方式，设备2先对用户设备1与基站之间的频域信道衰落矩阵H进行奇异值分解(SVD)为：

H＝US(V⁽¹⁾V⁽⁰⁾)^*，

由此可获得最大特征矢量v⁽⁰⁾，其中，v⁽¹⁾对应于信号空间，而最大特征矢量v⁽⁰⁾则对应于信号的零空间。

本领域技术人员应该理解，对频域信道衰落矩阵的分解以获得v⁽⁰⁾并非以SVD分解为限。

随后，设备2基于上述公式，计算θ在(-90°，90°)范围内取不同值时所对应的Q，从中选取最大的Q，其所对应的θ即为最佳的DOA。例如，设备2估算出最佳的DOA为30°。

以下将对予以简单说明：

请参见图4，考虑线性天线阵列，用d表示天线阵列元素之间的距离，载波波长为λ，角频率为ω，天线n_i-1和反射体S之间的距离比天线n_i和反射体S之间的距离大Δs，相应用户设备1接收到来自天线n_i-1发射的信号的时延比来自天线n_i发射的信号的时延也长了Δt，用户设备1接收到来自天线n₁的发射信号的时延比来自天线n_i的发射信号的时延长(i-1)Δt。因此，为了使用户设备1接收的信号有一定时延，故可可以预先为天线n_i的信号引入额外的时延(i-1)Δt。假设天线n₁的发射信号为u(t)，则天线n_i的信号为u(t-(i-1)Δt)。本领域技术人员应理解，由于本发明适用于TDD模式下的LTE系统，即上下行信道为同频，具有互易性，因此可采用上行信号的DOA作为下行发送的DOA。信号之间的关系在时间频率域为

$u\left(t\right)\↔U\left(\mathrm{\ω}\right)$

$u(t-(i-1)\mathrm{\Δt})\↔U\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-\mathrm{j\ω}(i-1)\mathrm{\Δt}}\·$

在时域的时延等效于频域的相位延迟，故天线n_i的相位延迟为e^-jω(i-1)Δt，由此，波束赋形向量为：

$w=(1,e^{-j\mathrm{\ω}*\mathrm{\Δt}},e^{-j\mathrm{\ω}*2\mathrm{\Δt}},...,e^{-\mathrm{j\ω}(i-2)\mathrm{\Δt}},e^{-\mathrm{j\ω}(i-1)\mathrm{\Δt}}).$

由于Δs＝sin(θ)*d，光速为c＝λ*f，其中f为载波频率。通常天线阵列元素之间的距离为半个波长，即d＝0.5λ，因此上式的波束赋形向量变形为：

$w=(1,e^{-\mathrm{j\π}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)},e^{-\mathrm{j\π}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)*2},...,e^{-\mathrm{j\π}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)*(N_T-2)},e^{-\mathrm{j\π}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)*(N_T-1)})$

接着，在步骤S7’中，设备2根据所估算的DOA来生成波束赋形向量。例如，设备2估算的DOA为30°，由此，生成的波束赋形向量为：

接着，在步骤S8中，设备2基于所计算的波束赋形向量来对待传输信号执行频域的波束赋形操作，以生成波束赋形后的待传输信号。

最后，在步骤S9中，设备2对所述波束赋形后的待传输信号执行IDFT变换，以便进行发射。

作为一种优选方式，设备2对所述波束赋形后的待传输信号执行IFFT变换。

图5示出了本发明一个方面在OFDMA无线通信系统中基于DOA进行波束赋形的设备示意图。其中，设备2包括：获取装置21、估算装置22和生成装置23。

具体的，首先，用户设备1接收来自基站的发射信号。

接着，用户设备1根据接收的发射信号估计自身与基站之间的信道信息，例如为H。

接着，用户设备1将所估计的信道信息发送给设备2。

接着，获取装置21接收来自用户设备1的信道信息。

接着，获取装置21由接收的信道信息中获取基站与用户设备1之间的频域信道衰落矩阵H。例如，当获取装置21接收的信道信息为时时域信道信息时，获取装置21将其进行频域变换即可获得频域信道衰落矩阵H。

接着，估算装置22根据所述频域信道衰落矩阵来估算波达方向(DOA)。

最后，生成装置23根据所估算的DOA来生成波束赋形向量。

本领域技术人员应该理解，获取装置21获取用户设备1与基站之间的频域信道衰落矩阵的方式并非以上所述为限，事实上，还可以由基站处或者网络控制器处获取等，在此不再详述。

图6示出了本发明另一个方面在OFDMA无线通信系统中基于DOA进行波束赋形的设备示意图。其中，设备2包括：获取装置21、估算装置22、生成装置23、波束赋形装置24和IDFT变换装置25。

具体的，获取装置21获取频域信道衰落矩阵过程已在图5所示的实施例中予以详述，在此以引用的形式包含，不再重述。

接着，估算装置22通过在(-90°，90°)的范围内对下列公式计算极大值来估算所述DOA：

$\underset{\mathrm{\θ}}{\max }$ {Q(θ)}

subjecttoθ∈(-90°，90°)，

其中， v⁽⁰⁾对应于信号的零空间，N_T为基站的天线数量。

作为一种优选方式，估算装置22先对用户设备1与基站之间的频域信道衰落矩阵H进行奇异值分解(SVD)为：

H＝US(V⁽¹⁾V⁽⁰⁾)^*

由此可获得最大特征矢量v⁽⁰⁾，其中，v⁽¹⁾对应于信号空间，而最大特征矢量v⁽⁰⁾则对应于信号的零空间。

本领域技术人员应该理解，对频域信道衰落矩阵的分解以获得最大特征矢量并非以SVD分解为限。

随后，估算装置22再基于上述公式，计算θ在(-90°，90°)范围内取不同值时所对应的Q，从中选取最大的Q，该最大的Q所对应的θ即为最佳的DOA。例如，设备2估算出最佳的DOA为30°。

接着，生成装置23根据估算装置22所估算的DOA来生成波束赋形向量。例如，估算装置22估算的DOA为30°，由此，生成装置23生成的波束赋形向量为：

接着，波束赋形装置24基于所计算的波束赋形向量来对待传输信号执行频域的波束赋形操作，以生成波束赋形后的待传输信号。

最后，IDFT变换装置25对所述波束赋形后的待传输信号执行IDFT变换，以便进行发射。

作为一种优选方式，IDFT变换装置25对所述波束赋形后的待传输信号执行IFFT变换。

以下将通过仿真来说明本发明的优越性能。

仿真基于空间信道模型(SCM)来进行，其中，用户设备的移动速度为10m/s，图7和图8分别显示了郊区宏蜂窝和城区宏蜂窝场景下EBB和本发明的基于DOA的波束赋形在不同预编码单元粒度下的BER性能，该性能为平均了1000个蒙特卡罗信道矩阵的误比特率(BER)性能。从图中可以看出，当预编码单元粒度为一个RB时，两种方案的性能几乎一样，当预编码单元粒度为5个RB时，不管是郊区宏蜂窝还是城区宏蜂窝，本发明的基于DOA的波束赋形方案优于EBB。尽管当波束赋形操作针对每个子载波时，EBB的性能是最优的，但是DOA信息在多个RB上相对频域信道衰落矩阵来说更加平坦。因此随着预编码单元粒度的增加，本发明的基于DOA的波束赋形优于EBB。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (8)

1.一种在OFDMA无线通信系统中基于DOA进行波束赋形的方法,其中，该方法包括以下步骤:

a获取所述无线通信系统中基站与用户设备之间的频域信道衰落矩阵；

b根据所述频域信道衰落矩阵来估算DOA；其中，该步骤还包括：

-通过在(-90°,90°)的范围内对下列公式计算极大值来估算所述DOA,

$Q=\frac{1}{{w_{\mathrm{\θ}}}^{*}{V}^{\left(0\right)}{\left({w_{\mathrm{\θ}}}^{*}{V}^{\left(0\right)}\right)}^{*}}$

其中， $w_{\mathrm{\θ}}=(1,e^{-\mathrm{j\π}\sin },e^{-\mathrm{j\π}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)*2},...e^{-\mathrm{j\π}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)*(N_T-2)},e^{-\mathrm{j\π}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)*(N_{T}1-)}),$ N_T为基

站的天线数量，V⁽⁰⁾对应于信号的零空间；

c根据所估算的DOA来生成波束赋形向量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括：

-基于所计算的波束赋形向量来对待传输信号执行频域的波束赋形操作，以生成波束赋形后的待传输信号；

-对所述波束赋形后的待传输信号执行IDFT变换。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤b还包括：

-对频域信道衰落矩阵的SVD分解以获得最大特征矢量。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述无线通信系统包括基于OFDM的MIMO无线通信系统。

5.一种在OFDMA无线通信系统中基于DOA进行波束赋形的设备,其中，该设备包括:

获取装置，用于获取所述无线通信系统中基站与用户设备之间的频域信道衰落矩阵；

估算装置，用于根据所述频域信道衰落矩阵来估算DOA；其中，所述估算装置还用于：

通过在(-90°,90°)的范围内对下列公式计算极大值来估算所述DOA,

$Q=\frac{1}{{w_{\mathrm{\θ}}}^{*}{V}^{\left(0\right)}{\left({w_{\mathrm{\θ}}}^{*}{V}^{\left(0\right)}\right)}^{*}}$

其中， $w_{\mathrm{\θ}}=(1,e^{-\mathrm{j\π}\sin },e^{-\mathrm{j\π}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)*2},...e^{-\mathrm{j\π}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)*(N_T-2)},e^{-\mathrm{j\π}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)*(N_{T}1-)}),$ N_T为基站的天线数量，V⁽⁰⁾对应于信号的零空间；

生成装置，用于根据所估算的DOA来生成波束赋形向量。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，还包括：

波束赋形装置，用于基于所计算的波束赋形向量来对待传输信号执行频域的波束赋形操作，以生成波束赋形后的待传输信号；

IDFT变换装置，用于对所述波束赋形后的待传输信号执行IDFT变换。

7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述估算装置还用于，对频域信道衰落矩阵的SVD分解以获得最大特征矢量。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的设备，其中，所述无线通信系统包括基于OFDM的MIMO无线通信系统，所述设备包括所述用户设备所属基站或Node-B，或网络控制器。