CN103023543B - 一种波束赋形方法、装置及基站设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波束赋形方法、装置及基站设备，用以解决现有智能天线波束赋形技术中存在的方向空洞问题。所述波束赋形方法，包括：基于上行信道估计获取UE的主特征方向向量；使用广播信道赋形向量和获取到的主特征方向向量合成下行赋形向量；利用合成的下行赋形向量对承载发送给UE的下行数据的波束进行赋形。本方案能够提升波束赋形的可靠性，保障用户实现稳定通信。

Description

一种波束赋形方法、装置及基站设备

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方法、装置及基站设备。

背景技术

波束赋形技术是一种基于小间距天线阵列的线性预处理技术，能够根据用户的信道特征，通过调整天线阵列中各天线单元的激励，使天线波束方向图形状变为指定的波束形状，从而达到扩大覆盖、提高系统容量、降低干扰的目的。

采用TDD(Time Division Duplex，时分双工)方式的移动通信系统即TDD系统，例如TD-SCDMA(Time Division Synchronous CDMA，时分同步CDMA；CDMA：Code Division Multiple Access，码分多址接入)系统、TD-LTE(TD-SCDMA Long Term Evolution，TD-SCDMA的长期演进)系统、LTE-A(LTE-Advanced)系统等，利用智能天线进行波束赋形。下面，以TD-SCDMA系统为例进行说明。

现有TD-SCDMA系统中，智能天线由含有多个天线单元的天线阵列和与每个天线单元对应的具有先进数字信号处理技术的收发信机组成。智能天线可以动态产生多个波束方向图，每个波束都指向一个特定的UE(User Equipment，用户设备)，这种波束方向图能自适应地跟踪任一UE。

现有TD-SCDMA系统中，引入了8天线配置，采用基于最大信噪比特征分解算法的智能天线波束赋形技术，具体算法介绍如下：

步骤1、计算出上行多天线的信号相关矩阵R_xx和上行多天线的信号噪声矩阵R_nn，根据R_xx和R_nn得到上行多天线的信噪比矩阵R_SNR，具体计算方法如公式[1]所示：

$R_{\mathrm{SNR}}=R_{\mathrm{xx}}{R}_{\mathrm{nn}}^{-1}---\left[1\right]$

步骤2、对上行多天线的信噪比矩阵R_SNR进行特征值分解，具体分解方式如公式[2]所示：

$R_{\mathrm{SNR}}={\mathrm{P\λP}}^{\′}=\left[\begin{array}{cccc}{P}_1& P_2& L& P_8\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\λ}}_1& 0& L& 0\\ 0& {\mathrm{\λ}}_2& L& 0\\ M& M& O& M\\ 0& 0& L& {\mathrm{\λ}}_8\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ M\\ P_8\end{array}\right]---\left[2\right]$

其中，P表示分解后的向量矩阵[P₁ P₂ L P₈]；λ表示分解后的特征值对角阵 $\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\λ}}_1& 0& L& 0\\ 0& {\mathrm{\λ}}_2& L& 0\\ M& M& O& M\\ 0& 0& L& {\mathrm{\λ}}_8\end{array}\right],$ 其中特征值为λ₁、λ₂...λ₈；P′表示P的转置矩阵。

步骤3、选择最大特征值对应的特征向量作为下行赋形向量，具体的，针对公式[2]的分解结果，选择λ₁、λ₂...λ₈中的最大值对应的特征向量作为下行赋形向量。

本发明人在发明过程中发现，上述基于最大信噪比特征值分解算法的智能天线波束赋形技术，适用于信道有明显的主特征方向且空间方向保持不变的情况。但是，无线信道特征是时变的，最适合UE的空间方向并不一定是稳定的。并且，利用特征值分解获得的下行赋形向量将持续一个时隙，但在一个时隙内，有可能在时间维度上存在方向空洞，导致UE无法正确接收信号，上述情况通常出现在无线信道突变时，例如UE的移动或者突然的遮挡，都会导致方向空洞。同时，当前时隙的下行赋形向量是基于对无线信道在前时隙的上行信道估计，存在一定的时间间隔，信道并不是完全互易的。

特别是对于TDD系统来说上、下行存在时间间隔，在上行i时隙信道估计的最大特征值对应的特征向量，未必适用于下行j时隙信道，并且i时隙和j时隙的时间间隔越大，适用性会越低，也就是说采用上行信道估计的最大特征值对应的特征向量作为下行赋形向量并不可靠，很可能出现方向空洞，导致下行赋形向量与无线信道并不匹配。进一步，对于传输用户平面信息的业务信道来说，其波束赋形的成形效果是一种窄波束，也提升了方向空洞及类似事件的发生概率。如图1所示，为导致波束赋形不可靠的一种具体场景，可以看出，在上行i时隙NodeB(基站)接收UE发送的上行信号，NodeB基于上行i时隙的多天线信号进行信道估计，采用上行信道估计的最大特征值对应的特征向量作为下行赋形向量，在下行j时隙对承载发送给UE的下行数据的波束进行赋形后发射，但是上行i时隙和下行j时隙之间存在时间间隔，在该时间间隔内UE发生了移动，因此出现了方向空洞，导致下行赋形向量与无线信道并不匹配，UE无法正确接收信号。

可见，现有TDD系统采用的智能天线波束赋形技术，存在着方向空洞问题，导致波束赋形的可靠性较差，UE无法正确接收信号，从而降低了用户通信的稳定性。

发明内容

本发明实施例提供一种波束赋形方法、装置及基站设备，用以解决现有智能天线波束赋形技术中存在的方向空洞问题，从而提升波束赋形的可靠性，保障用户实现稳定通信。

本发明实施例提供一种波束赋形方法，包括：

基于上行信道估计获取用户设备UE的主特征方向向量；

使用广播信道赋形向量和获取到的主特征方向向量合成下行赋形向量；

利用合成的下行赋形向量对承载发送给UE的下行数据的波束进行赋形。

本发明实施例提供一种波束赋形装置，包括：

获取单元，用于基于上行信道估计获取用户设备UE的主特征方向向量；

合成单元，用于使用广播信道赋形向量和获取到的主特征方向向量合成下行赋形向量；

波束赋形单元，用于利用所述合成单元合成的下行赋形向量对承载发送给UE的下行数据的波束进行赋形。

本发明实施例还提供一种基站设备，包括上述波束赋形装置。

本发明实施例提供的波束赋形方法、装置及基站设备，在下行赋形向量中引入了广播信道赋形向量，采用广播信道赋形向量和基于上行信道估计获取到的UE的主特征方向向量两者合成的方式，由于广播信道赋形向量主要用于覆盖整个小区，避免出现覆盖盲区，相对固定且稳定，因此能够在保持波束赋形抑制小区干扰能力的基础上，有效弥补方向空洞问题，从而提升波束赋形的可靠性，保障用户实现稳定通信。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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，构成本发明的一部分，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为现有技术中导致波束赋形不可靠的具体场景示意图；

图2a为业务信道波束赋形的成形效果示意图；

图2b为广播信道波束赋形的成形效果示意图；

图3为本发明实施例中波束赋形方法流程图；

图4为TD-SCDMA系统的帧结构示意图；

图5为本发明实施例中TD-SCDMA系统的波束赋形流程图；

图6为本发明实施例中基站设备的结构示意图；

图7为本发明实施例中波束赋形装置框图。

具体实施方式

本发明实施例旨在提供一种健壮的波束赋形方法，用以弥补现有智能天线波束赋形技术中存在的方向空洞问题，下行赋形向量中引入广播信道赋形向量，采用广播信道赋形向量和基于上行信道估计获取到的UE的主特征方向向量两者合成的方式，从而在抑制小区干扰的同时提升波束赋形的可靠性，保障用户实现稳定通信。

本发明人在发明过程中发现，现有TDD系统中包括两种赋形波束：得到小区覆盖的全向波束和针对UE的赋形波束。广播信道必需使用全向波束，覆盖整个小区，业务信道通常使用赋形波束，覆盖单个UE。业务信道波束赋形的成形效果示意图如图2a所示，广播信道波束赋形的成形效果示意图如图2b所示。业务信道波束赋形的本质是根据上行多天线的信道冲击响应，获取相应的下行赋形向量，不同的下行赋形向量会产生不同的波束方向图，其主要目的是将辐射能量集中于UE位置，形成窄波束，再结合功率控制，降低整个区域的辐射能量，在保证用户正常通信的基础上提升整个区域的SNR(信噪比)；而广播信道也有其相关的赋形向量，本发明实施例中称为广播信道赋形向量，其主要用于覆盖整个小区，避免出现覆盖盲区，所以广播信道赋形向量相对固定且稳定，能够有效的解决方向空洞问题。

基于上述两种赋形波束、以及业务信道波束赋形和广播信道波束赋形的特点，在业务信道波束赋形时，为了提升波束赋形的可靠性，同时保留波束赋形抑制小区干扰的特性，本发明实施例提供一种波束赋形方法，采用将业务信道的赋形波束和广播信道的全向波束相结合的方式。

以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图3所示，本发明实施例提供的波束赋形方法，包括如下步骤：

S301、基于上行信道估计获取UE的主特征方向向量；

S302、使用广播信道赋形向量和获取到的主特征方向向量合成下行赋形向量；

S303、利用合成的下行赋形向量对承载发送给UE的下行数据的波束进行赋形。

在S301的具体实施中，UE的主特征方向向量的获取方法，具体可以包括如下步骤：

步骤a、基于上行信道估计获得UE的上行多天线的信道特征矩阵；

上行多天线的信道特征矩阵可以为上行多天线的信噪比矩阵R_SNR，通过上行多天线的信号相关矩阵R_xx与上行多天线的信号噪声矩阵R_nn的逆矩阵进行矩阵乘法运算得到，具体计算方法为上行多天线的信道特征矩阵也可以直接采用上行多天线的信号相关矩阵R_xx。

步骤b、对UE的上行多天线的信道特征矩阵进行特征值分解，将最大特征值对应的特征向量确定为UE的主特征方向向量；对上行多天线的信道特征矩阵进行特征值分解的方法请参考背景技术，具体不再赘述。

在S302的具体实施中，本发明实施例提供一种较佳的基于下行负荷合成下行赋形向量的方法，当下行负荷较低时，波束赋形以提升可靠性为主要目的，当下行负荷较高时，波束赋形以抑制小区干扰为主要目的，也就是说根据下行负荷确定广播信道赋形向量和UE的主特征方向向量所占的权重，广播信道赋形向量所占的权重随着下行负荷的降低而单调增加，相应的，UE的主特征方向向量所占的权重随着下行负荷的降低而单调减少；具体的，下行赋形向量的合成可以通过公式[3]实现：

p＝f₁(β)p¹+f₂(β)p²        [3]

其中，p表示下行赋形向量，p¹表示UE的主特征方向向量，p²表示广播信道赋形向量，β表示下行负荷，f₁(β)表示主特征方向向量所占的权重，f₂(β)表示广播信道赋形向量所占的权重，f₁(β)为β的单调增函数且f₁(β)+f₂(β)＝1，0≤f₁(β)≤1，相应的，f₂(β)为β的单调减函数且0≤f₂(β)≤1。

较佳的，可以预先配置调节适应因子α，α的取值可以根据经验选取，并且根据实际情况可以灵活调整。f₁(β)具体通过公式f₁(β)＝α*β，α≥0实现，f₂(β)具体通过公式f₂(β)＝1-α*β实现，即广播信道赋形向量所占的权重与下行负荷成反比，UE的主特征方向向量所占的权重与下行负荷成正比，则公式[3]具体采用如下形式，如公式[4]所示：

p＝(α*β)p¹+(1-α*β)p²，α≥0   [4]

当然，具体实施中f₁(β)和f₂(β)也可以采用其它具体的函数形式，只要满足f₁(β)为β的单调增函数，f₂(β)为β的单调减函数，且f₁(β)+f₂(β)＝1，0≤f₁(β)≤1，0≤f₂(β)≤1即可。

本发明实施例提供的波束赋形方法，适用于TD-SCDMA系统、TD-LTE系统、LTE-A系统等各种利用智能天线进行波束赋形的TDD系统。其中：

在TD-SCDMA系统中，下行负荷β可以采用时隙码道利用率，TD-SCDMA系统单时隙码道数为16，当前时隙的码道使用数与即将分配的码道数之和用x表示，则β＝x/16；

在TD-SCDMA系统中，β也可以采用载波码道利用率，下行载波总码道数用A表示，则A＝下行时隙数*16，当前载波的码道使用数与即将分配的码道数之和用y表示，β＝y/A。

与TD-SCDMA系统中下行负荷β的计算方式类似，在TD-LTE系统中下行负荷β可以采用时隙/载波RB(Resource Block，资源块)利用率。

从更广的意义来说，下行负荷β也可以为小区使用功率与小区最大发射功率之比。从更广的范围来说，下行负荷β也可以为UE所在区域的下行负荷，例如UE所在区域的码道/RB利用率、或者UE所在区域的使用功率与该区域中各小区最大发射功率之和的比值。

需要说明的是，使用广播信道赋形向量和UE的主特征方向向量合成下行赋形向量时，广播信道赋形向量和UE的主特征方向向量所占的权重也可以根据其它因素确定，例如干扰抬升、上行/下行信噪比等，具体实施方式可以参照基于下行负荷的实施方式，不再赘述。

下面以TD-SCDMA系统为例对本发明实施例提供的波束赋形方法进行详细说明。

TD-SCDMA系统采用了如图4所示的帧结构：一个10ms Radio Frame(无线帧)由两个5ms Subframe(子帧)组成，每个Subframe又分为长度为0.675ms的七个常规时隙(Time Slot，TS)和三个特殊时隙，三个特殊时隙分别为：DwPTS(下行导频时隙)、GP(保护间隔)和UpPTS(上行导频时隙)。在这7个常规时隙中，TS0总是分配给下行链路，TS1总是分配给上行链路。上行链路的时隙和下行链路的时隙之间由一个转换点分开，在TD-SCDMA系统中的每个5ms的Subframe中，有两个转换点(UL到DL和DL到UL)。基于上述TD-SCDMA系统的帧结构，假设UE使用TS1为上行时隙上传数据，TS4为下行时隙接收数据，则波束赋形过程如图5所示：

S501、NodeB在上行时隙TS1通过智能天线接收UE的上行多天线信号；

S502、NodeB根据接收到的上行多天线信号，基于上行信道估计得到UE的上行多天线的信号相关矩阵R_xx和上行多天线的信号噪声矩阵R_nn；

S503、NodeB计算上行多天线的信噪比矩阵R_SNR，具体计算方法为 $R_{\mathrm{SNR}}=R_{\mathrm{xx}}{R}_{\mathrm{nn}}^{-1};$

S504、NodeB对上行多天线的信噪比矩阵R_SNR进行特征值分解，具体计算方法为R_SNR＝PλP′；

具体实施中，NodeB也可以直接对上行多天线的信号相关矩阵R_xx进行特征值分解；

S505、NodeB选择最大特征值对应的特征向量作为UE的主特征方向向量p¹，获取下行时隙TS4的下行负荷β，以及从小区信息中提取广播信道赋形向量p²；

S506、NodeB利用下行负荷β、主特征方向向量p¹、以及广播信道赋形向量p²合成下行赋形向量p，具体可以采用如下计算方法p＝(α*β)p¹+(1-α*β)p²，α≥0，α为预先配置的调节适应因子；

S507、NodeB在下行时隙TS4利用下行赋形向量p对承载发送给UE的下行数据的波束进行赋形后，通过智能天线发射。

基于同一技术构思，本发明实施例还提供了一种波束赋形装置，该波束赋形装置一般设置在基站设备中，如图6所示，基站设备中设置有本发明实施例提供的波束赋形装置601，波束赋形装置601与智能天线602和上行信道估计单元603相连，上行信道估计单元603与联合检测单元604相连。其中：

智能天线602由含有多个天线单元6021的天线阵列和与每个天线单元6021对应的具有先进数字信号处理技术的收发信机6022组成，通过智能天线602接收所有UE向基站发送的上行多天线信号；

上行估计单元603对所有UE的上行多天线信号进行上行信道估计，可以得到每一个UE的上行多天线的信号相关矩阵、上行多天线的信号噪声矩阵等提供给波束赋形装置601；

联合检测单元604能够根据上行信道估计单元估计的无线信道，对所有UE的上行多天线信号同时进行检测，得到所有UE的上行数据；

波束赋形装置601基于上行信道估计可以获取每一个UE的主特征方向向量，针对每一个UE，可以根据下行负荷、广播信道赋形向量和获取到的主特征方向向量合成下行赋形向量；波束赋形装置601利用合成的下行赋形向量对承载发送给UE的下行数据的波束进行赋形；波束赋形后的下行数据通过智能天线发射给UE。

其中，波束赋形装置的一种可能结构，如图7所示，具体包括：

获取单元701，用于基于上行信道估计获取UE的主特征方向向量；

合成单元702，用于使用广播信道赋形向量和获取单元701获取到的主特征方向向量合成下行赋形向量；其中，广播信道赋形向量可以预先配置在波束赋形装置中，也可以在使用时由波束赋形装置从小区信息中直接获取；

波束赋形单元703，用于利用合成单元702合成的下行赋形向量对承载发送给UE的下行数据的波束进行赋形。

较佳的，合成单元702的一种可能结构，具体包括：

负荷确定子单元7021，用于确定下行负荷；

权重确定子单元7022，用于根据下行负荷确定广播信道赋形向量和获取到的主特征方向向量所占的权重，其中，广播信道赋形向量所占的权重随着下行负荷的降低而单调增加；

合成子单元7023，用于使用广播信道赋形向量和获取到的主特征方向向量，并基于权重确定子单元7022确定出的权重合成下行赋形向量。

其中，负荷确定子单元7021，具体用于确定下行负荷为时隙码道/资源块利用率、或者载波码道/资源块利用率、或者小区使用功率与小区最大发射功率之比、或者UE所在区域的码道/资源块利用率、或者UE所在区域的使用功率与该区域中各小区最大发射功率之和的比值。

较佳的，获取单元701的一种可能结构，具体包括：

矩阵确定子单元7011，用于基于上行信道估计获得上行多天线的信道特征矩阵；

特征值分解子单元7012，用于对矩阵确定子单元7011获得的信道特征矩阵进行特征值分解，将最大特征值对应的特征向量确定为UE的主特征方向向量。

本发明实施例提供的波束赋形方法、装置及基站设备，在下行赋形向量中引入了广播信道赋形向量，采用广播信道赋形向量和基于上行信道估计获取到的UE的主特征方向向量两者合成的方式，由于广播信道赋形向量主要用于覆盖整个小区，避免出现覆盖盲区，相对固定且稳定，因此能够在保持波束赋形抑制小区干扰能力的基础上，有效弥补方向空洞问题，从而提升波束赋形的可靠性，保障用户实现稳定通信。

进一步，在合成下行赋形向量时根据下行负荷确定广播信道赋形向量和UE的主特征方向向量的权重，在下行负荷较低的情况下，提升广播信道赋形向量的权重，降低主特征方向向量的权重，以提高每个用户的可靠性，有效避免方向空洞的出现导致掉话；在下行负荷较高的情况下，降低广播信道赋形向量的权重，提升主特征方向向量的权重，以有效降低小区干扰，提升覆盖区域的SNR，也就提高了整体用户的可靠性。

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)

1.一种波束赋形方法，其特征在于，包括：

基于上行信道估计获取用户设备UE的主特征方向向量；

使用广播信道赋形向量和获取到的主特征方向向量合成下行赋形向量；

利用合成的下行赋形向量对承载发送给UE的下行数据的波束进行赋形；

其中，所述基于上行信道估计获取UE的主特征方向向量，具体包括：

基于上行信道估计获得UE的上行多天线的信道特征矩阵；

对所述信道特征矩阵进行特征值分解，将最大特征值对应的特征向量确定为UE的主特征方向向量；

所述使用广播信道赋形向量和获取到的主特征方向向量合成下行赋形向量，具体包括：

根据下行负荷确定广播信道赋形向量和获取到的主特征方向向量所占的权重，所述广播信道赋形向量所占的权重随着下行负荷的降低而单调增加；并

基于确定出的权重合成下行赋形向量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下行赋形向量的合成通过公式p＝f₁(β)p¹+f₂(β)p²实现；其中，p表示所述下行赋形向量，p¹表示所述主特征方向向量，p²表示所述广播信道赋形向量，β表示所述下行负荷，f₁(β)表示所述主特征方向向量所占的权重，f₂(β)表示所述广播信道赋形向量所占的权重，f₁(β)为β的单调增函数且f₁(β)+f₂(β)＝1,0≤f₁(β)≤1。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述f₁(β)具体通过公式f₁(β)＝α*β,α≥0实现，所述f₂(β)具体通过公式f₂(β)＝1-α*β实现，其中α为预先配置的调节适应因子。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述下行负荷包括时隙码道/资源块利用率、或者载波码道/资源块利用率、或者小区使用功率与小区最大发射功率之比、或者UE所在区域的码道/资源块利用率、或者UE所在区域的使用功率与该区域中各小区的最大发射功率之和的比值。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上行多天线的信道特征矩阵包括：上行多天线的信号相关矩阵；或者，上行多天线的信噪比矩阵，所述上行多天线的信噪比矩阵由上行多天线的信号相关矩阵与上行多天线的信号噪声矩阵的逆矩阵进行矩阵乘法运算得到。

6.一种波束赋形装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于基于上行信道估计获取用户设备UE的主特征方向向量；

合成单元，用于使用广播信道赋形向量和获取到的主特征方向向量合成下行赋形向量；

波束赋形单元，用于利用所述合成单元合成的下行赋形向量对承载发送给UE的下行数据的波束进行赋形；

其中，所述获取单元，具体包括：

矩阵确定子单元，用于基于上行信道估计获得UE的上行多天线的信道特征矩阵；

特征值分解子单元，用于对所述矩阵确定子单元获得的信道特征矩阵进行特征值分解，将最大特征值对应的特征向量确定为UE的主特征方向向量；

所述合成单元，具体包括：

负荷确定子单元，用于确定下行负荷；

权重确定子单元，用于根据下行负荷确定广播信道赋形向量和获取到的主特征方向向量所占的权重，所述广播信道赋形向量所占的权重随着下行负荷的降低而单调增加；

合成子单元，用于使用广播信道赋形向量和获取到的主特征方向向量，并基于所述权重确定子单元确定出的权重合成下行赋形向量。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述负荷确定子单元，具体用于确定下行负荷为时隙码道/资源块利用率、或者载波码道/资源块利用率、或者小区使用功率与小区最大发射功率之比、或者UE所在区域的码道/资源块利用率、或者UE所在区域的使用功率与该区域中各小区最大发射功率之和的比值。

8.一种基站设备，其特征在于，包括如权利要求6至7任一所述的波束赋形装置。