CN103152093A - 二维到达角的获取方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二维到达角的获取方法，包括：获取移动站和通信站之间的第一整体信道系数矩阵，根据所述第一整体信道系数矩阵提取垂直方向的信道系数矩阵，根据所述垂直方向的信道系数矩阵计算俯仰角；以及，获取移动站和通信站之间的第二整体信道系数矩阵，根据所述第二整体信道系数矩阵提取水平方向的信道系数矩阵，根据所述水平方向的信道系数矩阵计算方位角；第一整体信道系数矩阵和第二整体信道系数矩阵为通信站和移动站之间相同时刻或不同时刻的整体信道系数矩阵。本发明还提供一种二维到达角获取装置。本发明简化了二维到达角的获取。

Description

二维到达角的获取方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通讯领域，尤其涉及一种三维波束赋形(Three DimensionBeamforming，3D BF)的到达角获取方法和装置。

背景技术

来自空间的无线电波，其到达方向(Direction of arrival，DOA)可以用水平方位角θ和垂直俯仰角φ表示，如图1所示。传统的处理方法认为无线电波来自远场，其俯仰角很小，如图2所示，可以忽略，从而只考虑水平方位角。这种不考虑俯仰角的方法，对移动站离通信站比较远时可以提供非常好的近似。但对于移动站离通信站比较近时，垂直方向的俯仰角一般比较大，不能忽略，如密集城区的微基站下的用户。我们称这种既考虑水平方位角θ和垂直俯仰角φ的到达方向为二维DOA，或者二维到达角(Angle of Arrival，AOA)，如果无线电波是从天线阵发送出去的，也叫二维离开角(Angle ofDeparture，AOD)。本文统一称二维到达角。

到达角估计广泛应用于波束赋形技术中。波束赋形是一种信号处理技术，它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。传统的波束赋形或者到达角估计，都只进行水平方位角的估计。从而能区分水平方位角不同的移动站，如图3(a)所示。而对于水平方位角一样，垂直俯仰角不同的移动站是不能区分的，如图3(b)所示。这限制了波束赋形的自由度。而估计二维到达角，并将它应用到波束赋形中，就形成了既能自适应地调整水平方位角度，又能自适应地调整垂直俯仰角度的三维波束赋形。三维波束赋形在垂直覆盖(如图4所示)、垂直方向的干扰抑制(如图5所示)等方面有着二维波束赋形无法比拟的优势，它能更好地满足第四代无线通信系统对覆盖和干扰抑制的要求。

二维到达角的另外一个应用是移动站的定位。在知道通信站的位置、高度以及二维到达角后，也可以很容易地确定移动站的位置，而移动站的定位，是非常有意义和价值的。

总之，二维到达角的估计在三维波束赋形，移动站定位等领域有着广泛的应用，是一种非常值得研究的技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种二维到达角的获取方法和装置，可简化二维到达角获取的计算复杂度。

为了解决上述问题，本发明提供了一种二维到达角的获取方法，包括：

获取移动站和通信站之间的第一整体信道系数矩阵，根据所述第一整体信道系数矩阵提取垂直方向的信道系数矩阵，根据所述垂直方向的信道系数矩阵计算俯仰角；以及，

获取移动站和通信站之间的第二整体信道系数矩阵，根据所述第二整体信道系数矩阵提取水平方向的信道系数矩阵，根据所述水平方向的信道系数矩阵计算方位角；

其中，所述第一整体信道系数矩阵和第二整体信道系数矩阵为所述通信站和移动站之间相同时刻或不同时刻的整体信道系数矩阵。

进一步的，上述方法还可具有以下特点，所述第一整体信道系数矩阵或第二整体信道系数矩阵是用来计算二维到达角的资源块上的信道系数矩阵H(l)，所述H(l)中的元素h_n，m(l)表示所述通信站的第m根天线到所述移动站的第n根天线在所述资源块上第l个载波上的信道系数，n＝1，…，N_R，当所述通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，m＝(i-1)N_H+j，当所述通信站的天线阵列索引以垂直方向为主序时，m＝(j-1)N_V+i，i＝1，…，N_V，j＝1，…，N_H，N_R表示所述移动站的天线数目，N_H表示所述通信站的天线阵列在水平方向上的天线数目，N_V表示所述通信站的天线阵列在垂直方向的天线数目；l＝1，…，N_S表示所述资源块上的载波个数。

进一步的，上述方法还可具有以下特点，所述根据第一整体信道系数矩阵提取垂直方向的信道系数矩阵包括：

当所述通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，所述垂直方向的信道系数矩阵H_V(l，j)为所述H(l)中所有列索引满足m_i＝(i-1)N_H+j，i＝1，…，N_V的列构成的矩阵；或者，

当所述通信站的天线阵列索引以垂直方向为主序时，所述H_V(l，j)为H(l)中所有列索引满足m_i＝(j-1)N_V+i，i＝1，…，N_V的列构成的矩阵；

其中，j＝1，…，N_H，l＝1，…，N_S。

进一步的，上述方法还可具有以下特点，所述根据垂直方向的信道系数矩阵计算俯仰角包括：

根据所述垂直方向的信道系数矩阵计算垂直方向的相关矩阵R_V，计算垂直方向的激励向量e_V与所述垂直方向的相关矩阵R_V的二次型的绝对值将使得取最大值时的角度θ_V，max作为垂直方向的角频率，根据所述垂直方向的角频率θ_V，max得到最终的俯仰角，所述 $e_V={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j{\mathrm{\θ}}_v}& \·\·\·& e^{j(N_v-1){\mathrm{\θ}}_v}\end{array}\right]}^T.$

进一步的，上述方法还可具有以下特点，所述根据第二整体信道系数矩阵提取水平方向的信道系数矩阵包括：

当所述通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，所述水平方向的信道系数矩阵H_H(l，i)为所述H(l)中所有列索引满足m_j＝(i-1)N_H+j，j＝1，…，N_H的列构成的矩阵；或者，

当所述通信站的天线阵列索引以垂直方向为主序时，所述水平方向的信道系数矩阵H_H(l，i)为所述H(l)中所有列索引满足m_j＝(j-1)N_V+i，j＝1，…，N_H的列构成的矩阵；

其中，i＝1，…，N_V，l＝1，…，N_S。

进一步的，上述方法还可具有以下特点，所述根据水平方向的信道系数矩阵计算方位角包括：

根据所述水平方向的信道系数矩阵计算水平方向的相关矩阵R_H，计算水平方向的激励向量e_H与所述水平方向的相关矩阵R_H的二次型的绝对值

将使得

取最大值时的角度θ_H，max作为水平方向的角频率，根据所述水平方向的角频率θ_H，max求得最终的方位角，所述水平方向的激励向量 $e_H={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j{\mathrm{\θ}}_H}& \·\·\·& e^{j(N_H-1){\mathrm{\θ}}_H}\end{array}\right]}^T.$

进一步的，上述方法还可具有以下特点，所述方法还包括：以第一周期周期性获取所述第一整体信道系数矩阵并计算俯仰角，以第二周期周期性获取所述第二整体信道系数矩阵并计算方位角，且所述第一周期大于第二周期。

本发明还提供一种二维到达角的获取装置，包括：

整体信道系数矩阵获取模块，用于获取移动站和通信站之间的第一整体信道系数矩阵和第二整体信道系数矩阵，其中，所述第一整体信道系数矩阵和第二整体信道系数矩阵为所述通信站和移动站之间相同时刻或不同时刻的整体信道系数矩阵；

垂直方向信道系数矩阵提取模块，用于根据所述第一整体信道系数矩阵提取垂直方向的信道系数矩阵；

俯仰角计算模块，用于根据所述垂直方向的信道系数矩阵计算俯仰角；

水平方向信道系数矩阵提取模块，用于根据所述第二整体信道系数矩阵提取水平方向的信道系数矩阵；

方位角计算模块，用于根据所述水平方向的信道系数矩阵计算方位角。

进一步的，上述装置还可具有以下特点，所述整体信道系数矩阵获取模块获取的所述第一整体信道系数矩阵或第二整体信道系数矩阵是用来计算二维到达角的资源块上的信道系数矩阵H(l)，所述H(l)中的元素h_n，m(l)表示所述通信站的第m根天线到所述移动站的第n根天线在所述资源块上第l个载波上的信道系数，n＝1，…，N_R，当所述通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，m＝(i-1)N_H+j，当所述通信站的天线阵列索引以垂直方向为主序时，m＝(j-1)N_V+i，i＝1，…，N_V，j＝1，…，N_H，N_R表示所述移动站的天线数目，N_H表示所述通信站的天线阵列在水平方向上的天线数目，N_V表示所述通信站的天线阵列在垂直方向的天线数目；l＝1，…，N_S表示所述资源块上的载波个数。

进一步的，上述装置还可具有以下特点，所述垂直方向信道系数矩阵提取模块根据第一整体信道系数矩阵提取垂直方向的信道系数矩阵包括：

当所述通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，所述垂直方向的信道系数矩阵H_V(l，j)为所述H(l)中所有列索引满足m_i＝(i-1)N_H+j，i＝1，…，N_V的列构成的矩阵；或者，

当所述通信站的天线阵列索引以垂直方向为主序时，所述H_V(l，j)为H(l)中所有列索引满足m_i＝(j-1)N_V+i，i＝1，…，N_V的列构成的矩阵；

其中，j＝1，…，N_H，l＝1，…，N_S。

进一步的，上述装置还可具有以下特点，所述俯仰角计算模块根据垂直方向的信道系数矩阵计算俯仰角包括：

根据所述垂直方向的信道系数矩阵计算垂直方向的相关矩阵R_V，计算垂直方向的激励向量e_V与所述垂直方向的相关矩阵R_V的二次型的绝对值

将使得取最大值时的角度θ_V，max作为垂直方向的角频率，根据所述垂直方向的角频率θ_V，max得到最终的俯仰角，所述 $e_V={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j{\mathrm{\θ}}_v}& \·\·\·& e^{j(N_v-1){\mathrm{\θ}}_v}\end{array}\right]}^T.$

进一步的，上述装置还可具有以下特点，所述水平方向信道系数矩阵提取模块根据第二整体信道系数矩阵提取水平方向的信道系数矩阵包括：

当所述通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，所述水平方向的信道系数矩阵H_H(l，i)为所述H(l)中所有列索引满足m_j＝(i-1)N_H+j，j＝1，…，N_H的列构成的矩阵；或者，

当所述通信站的天线阵列索引以垂直方向为主序时，所述水平方向的信道系数矩阵H_H(l，i)为所述H(l)中所有列索引满足m_j＝(j-1)N_V+i，j＝1，…，N_H的列构成的矩阵；

其中，i＝1，…，N_V，l＝1，…，N_S。

进一步的，上述装置还可具有以下特点，所述方位角计算模块根据水平方向的信道系数矩阵计算方位角包括：

根据所述水平方向的信道系数矩阵计算水平方向的相关矩阵R_H，计算水平方向的激励向量e_H与所述水平方向的相关矩阵R_H的二次型的绝对值

将使得

取最大值时的角度θ_H，max作为水平方向的角频率，根据所述水平方向的角频率θ_H，max求得最终的方位角，所述水平方向的激励向量 $e_H={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j{\mathrm{\θ}}_H}& \·\·\·& e^{j(N_H-1){\mathrm{\θ}}_H}\end{array}\right]}^T.$

进一步的，上述装置还可具有以下特点，所述整体信道系数矩阵获取模块以第一周期周期性计算所述第一整体信道系数矩阵，以第二周期周期性计算所述第二整体信道系数矩阵，且所述第一周期大于第二周期。

采用本发明所述的方法和装置，可以简化二维到达角的获取。

附图说明

图1是无线电波到达天线阵列的示意图；

图2是无线电波到达天线阵列俯仰角很小的场景；

图3是传统的波束赋形示意图；

图4是用三维波束赋形实现垂直方向覆盖示意图；

图5是用三维波束赋形实现垂直方向干扰抑制示意图；

图6是本发明所述计算二维到达角方法的流程图；

图7是本发明所述的二维到达角获取装置一实施方式；

图8是本发明所述的天线阵列索引以水平方向为主序的天线阵列；

图9是本发明所述的天线阵列索引以垂直方向为主序的天线阵列；

图10是本发明所述的二维到达角获取装置另一实施方式。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明用到的一些术语定义如下。

通信站：宏基站、微基站、直放站、中继、拉远设备、无线接入点等各种无线通信设备。

移动站：数据卡、手机、笔记本电脑、个人电脑、平板电脑、个人数字助理、蓝牙等各种终端。

本发明实施例提供了一种二维到达角的获取方法，应用于包括通信站和移动站的无线通信系统，如图6所示，包括：

获取通信站和移动站之间的第一整体信道系数矩阵，根据所述第一整体信道系数矩阵提取垂直方向的信道系数矩阵，根据垂直方向的信道系数矩阵计算俯仰角；

获取通信站和移动站之间的第二整体信道系数矩阵，根据第二整体信道系数矩阵提取水平方向的信道系数矩阵，根据水平方向的信道系数矩阵计算方位角；

所述第一整体信道系数矩阵和第二整体信道系数矩阵为所述通信站和移动站之间相同时刻或不同时刻的整体信道系数矩阵。如果是相同时刻的，则表示基于同一整体信道系数矩阵计算俯仰角和方位角。如果不同，则表示基于不同的整体信道系数矩阵计算俯仰角和方位角。

进一步的，可以周期性计算俯仰角和方位角。一种实施方式中，计算俯仰角的周期为第一周期，计算方位角的周期为第二周期，且所述第一周期大于第二周期。统计发现，垂直方向的角度改变比水平方向慢，可以不用过快的更新垂直方向的俯仰角，设置第一周期大于第二周期可以减少计算量。当然，在本发明其它实施方式中，也可以第一周期和第二周期一样大，或者，第一周期小于第二周期。

进一步地，所述第一整体信道系数矩阵是指用来计算二维到达角的资源块上的信道系数矩阵H(l)。

其中，H(l)中的第n行第m列元素h_n，m(l)表示通信站第m根天线到移动站第n根天线在所述资源块上第l个载波上的信道系数，n＝1，…，N_R，当所述通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，m＝(i-1)N_H+j，当所述通信站的天线阵列索引以垂直方向为主序时，m＝(j-1)N_V+i，i＝1，…，N_V，j＝1，…，N_H，N_R表示移动站的天线数目，N_H表示通信站天线阵列在水平方向上的天线数目，N_V表示通信站天线阵列在垂直方向的天线数目；l＝1，…，N_S表示所述资源块上的载波个数，它可以仅是导频载波或者数据载波，也可以是导频载波和数据载波。天线阵列在水平方向和垂直方向的天线数目在基站摆放天线时就能够确定。

其中，所述资源块是一个时频二维结构，在时域上占据一个或多个连续的符号，在频域上占据一个或多个连续的子载波。所述符号包括正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)或者正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)。所述数据载波或者导频载波是指资源块上1个OFDM(或者OFDMA)上的1个子载波。

进一步地，根据第一整体信道系数矩阵提取垂直方向的信道系数矩阵包括：

提取垂直方向的信道系数矩阵H_V(l，j)，当所述通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，H_V(l，j)为H(l)中所有列索引满足m_i＝(i-1)N_H+j，i＝1，…，N_V的列构成的矩阵；当以垂直方向为主序时，H_V(l，j)为H(l)中所有列索引满足m_i＝(j-1)N_V+i，i＝1，…，N_V的列构成的矩阵。其中，j＝1，…，N_H，l＝1，…，N_S。

进一步地，由垂直方向的信道系数矩阵计算俯仰角包括：

根据垂直方向的信道系数矩阵计算垂直方向的相关矩阵R_V，计算垂直方向的激励向量e_V与垂直方向的相关矩阵R_V的二次型的绝对值

将使得

取最大值时的角度θ_V，max作为垂直方向的角频率，根据垂直方向的角频率θ_V，max求得最终的俯仰角。

其中，垂直方向的相关矩阵为 $R_V=\frac{1}{N_H*N_S}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_H}{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_S}{H}_V{(l,j)}^H{H}_V(l,j),$ 垂直方向的激励向量 $e_V={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j{\mathrm{\θ}}_v}& \·\·\·& e^{j(N_v-1){\mathrm{\θ}}_v}\end{array}\right]}^T,$ 其中，上标H表示矩阵的共轭转置，上标T表示矩阵的转置。

进一步地，所述根据第二整体信道系数矩阵提取水平方向的信道系数矩阵包括：

当通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，水平方向的信道系数矩阵H_H(l，i)为H(l)中所有列索引满足m_j＝(i-1)N_H+j，j＝1，…，N_H的列构成的矩阵；

当通信站的天线阵列索引以垂直方向为主序时，所述水平方向的信道系数矩阵H_H(l，i)为所述H(l)中所有列索引满足m_j＝(j-1)N_V+i，j＝1，…，N_H的列构成的矩阵；其中，i＝1，…，N_V，l＝1，…，N_S。

进一步地，由水平方向的信道系数矩阵计算方位角包括：

根据水平方向的信道系数矩阵计算水平方向的相关矩阵R_H，计算水平方向的激励向量e_H与水平方向的相关矩阵R_H的二次型的绝对值

将使得

取最大值时的角度θ_H，max作为水平方向的角频率，根据水平方向的角频率θ_H，max求得最终的方位角。

其中，水平方向的相关矩阵为 $R_H=\frac{1}{N_V*N_S}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_V}{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_S}{H}_H{(l,i)}^H{H}_H(l,i),$ 垂直方向的激励向量 $e_H={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j{\mathrm{\θ}}_H}& \·\·\·& e^{j(N_H-1){\mathrm{\θ}}_H}\end{array}\right]}^T,$ 这里，上标H表示矩阵的共轭转置，上标T表示矩阵的转置。

具体实施例1

本实施例基于平面天线阵列给出二维到达角获取方法的实施例。平面天线阵如图8所示。天线阵列索引以水平方向为主序排列，即先排第一行，再排第二行，直到最后一行。X-Z平面上的天线阵列如图8(a)所示，Y-Z平面的天线阵列如图8(b)所示。通信站在水平方向上有N_H根天线，在垂直方向上有N_V根天线。通信站为该移动站分配的时频资源块索引l＝1，…，N_S。

其中，如果是要实现上行二维到达角的获取，通信站可以通过上行链路直接获取信道系数矩阵H(l)，并通过计算二维到达角的相关步骤计算二维到达角。

如果是要实现下行二维到达角的获取，那么通信站可以通过上行链路直接获取信道系数矩阵H^U(l)，并利用信道的互易性，将上行信道系数矩阵H^U(l)做转置后作为计算二维到达角的信道系数矩阵H(l)，或者通过移动站反馈其所获取的下行信道H(l)给通信站；然后根据信道系数矩阵H(l)和计算二维到达角的相关步骤计算二维到达角。当然，也可以是移动站获取下行信道系数矩阵H(l)并利用计算二维到达角的相关步骤计算二维到达角，并将计算的二维到达角反馈给通信站。移动站反馈给通信站的到达角，可以是量化后的到达角。

其中，H(l)中的元素h_n，m(l)表示通信站第m根天线到移动站第n根天线在所述资源块上第l个载波上的信道系数，n＝1，…，N_R，m＝(i-1)N_H+j，i＝1，…，N_V，j＝1，…，N_H，N_R表示移动站的天线数目，N_H表示通信站天线阵列在水平方向上的天线数目，N_V表示通信站天线阵列在垂直方向的天线数目；l＝1，…，N_S表示所述资源块上的载波个数，它可以仅是导频载波或者数据载波，也可以是导频载波和数据载波。

通信站或者移动站在获取信道系数矩阵后，通过如下步骤，分层计算二维到达角。

(1)在第一周期内，提取垂直方向上的信道系数矩阵

对于j＝1，…，N_H，l＝1，…，N_S，提取垂直方向的信道系数矩阵H_V(l，j)，它由H(l)中所有列索引满足m_i＝(i-1)N_H+j，i＝1，…，N_V的列构成的矩阵。

(2)在第一周期内，根据垂直方向上的信道系数矩阵计算俯仰角

其步骤如下：

(a)根据垂直方向的信道系数矩阵计算垂直方向的相关矩阵 $R_V=\frac{1}{N_H*N_S}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_H}{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_S}{H}_V{(l,j)}^H{H}_V(l,j);$

(b)计算垂直方向的激励向量e_V与垂直方向的相关矩阵R_V的二次型的绝对值其中，垂直方向的激励向量 $e_V={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j{\mathrm{\θ}}_v}& \·\·\·& e^{j(N_v-1){\mathrm{\θ}}_v}\end{array}\right]}^T,$ 这里，上标H表示矩阵的共轭转置，上标T表示矩阵的转置。

(c)在[-π，π)的范围内搜索使得

取最大值的θ_V，max；

(d)根据θ_V，max计算俯仰角

如果俯仰角定义为与Z轴的夹角，如图1所示，且天线阵元在垂直方向上的间距为d_z，那么俯仰角可以通过如下公式计算

这里，λ是无线电波的波长；arccos(·)是反余弦函数。

(3)在第二周期内，提取水平方向上的信道系数矩阵

对于i＝1，…，N_V，l＝1，…，N_S，提取水平方向的信道系数矩阵H_H(l，i)，它由H(l)中所有列索引满足m_j＝(i-1)N_H+j，j＝1，…，N_H的列构成的矩阵。

(4)在第二周期内，根据水平方向上的信道系数矩阵计算方位角

其步骤如下：

(a)根据水平方向上的信道系数矩阵计算水平方向的相关矩阵为 $R_H=\frac{1}{N_V*N_S}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_V}{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_S}{H}_H{(l,i)}^H{H}_H(l,i).$

(b)计算水平方向的激励向量e_H与水平方向的相关矩阵R_H的二次型的绝对值

其中，水平方向的激励向量 $e_H={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j{\mathrm{\θ}}_H}& \·\·\·& e^{j(N_H-1){\mathrm{\θ}}_H}\end{array}\right]}^T,$ 这里，上标H表示矩阵的共轭转置，上标T表示矩阵的转置。

(c)在[-π，π)的范围内搜索使得

取最大值时的θ_H，max。

(d)根据θ_H，max计算方位角

如果方位角定义为与X轴的夹角，如图1所示，且天线阵元在水平方向上的间距为d_H。当天线阵列在X-Z平面，如图8(a)所示，那么方位角可以通过如下公式计算： $\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_{H,\max }\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}{d}_H\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}\right);$

当天线阵列在Y-Z平面，如图8(b)所示，那么方位角可以通过如下公式计算：

这里，λ是无线电波的波长；arccos(·)是反余弦函数，arcsin(·)是反正弦函数。

具体实施例2

本实施例基于平面天线阵列给出二维到达角获取方法的实施例。平面天线阵如图9所示。天线阵列索引以垂直方向为主序排列，即先排第一列，再排第二列，直到最后一列。X-Z平面上的天线阵列如图9(a)所示，Y-Z平面的天线阵列如图9(b)所示。通信站在水平方向上有N_H根天线，在垂直方向上有N_V根天线。通信站为该移动站分配的时频资源块索引l＝1，…，N_S。如果是要实现上行二维到达角的获取，通信站可以通过上行链路直接获取信道系数矩阵H(l)，并通过计算二维到达角的相关步骤计算二维到达角。如果是要实现下行二维到达角，那么通信站可以通过上行链路直接获取信道系数矩阵H^U(l)，并利用信道的互易性，将上行信道系数矩阵H^U(l)做转置后作为计算二维到达角的信道系数矩阵H(l)；或者通过移动站反馈其所获取的下行信道H(l)给通信站。并根据信道系数矩阵H(l)和计算二维到达角的相关步骤计算二维到达角。也可以是移动站获取下行信道系数矩阵H(l)并利用计算二维到达角的相关步骤计算二维到达角，并将计算的二维到达角反馈给通信站。移动站反馈给通信站的到达角，可以是量化后的到达角。

其中，H(l)中的元素h_n，m(l)表示通信站第m根天线到移动站第n根天线在所述资源块上第l个载波上的信道系数，n＝1，…，N_R，m＝(j-1)N_V+i，i＝1，…，N_V，j＝1，…，N_H，N_R表示移动站的天线数目，N_H表示通信站天线阵列在水平方向上的天线数目，N_V表示通信站天线阵列在垂直方向的天线数目；l＝1，…，N_S表示所述资源块上的载波个数，它可以仅是导频载波或者数据载波，也可以是导频和数据载波。

通信站或者移动站在获取信道系数矩阵后，通过如下步骤，分层计算二维到达角。

(1)在第一周期内，提取垂直方向上的信道系数矩阵

对于j＝1，…，N_H，l＝1，…，N_S，提取垂直方向的信道系数矩阵H_V(l，j)，它由H(l)中所有列索引满足m_i＝(j-1)N_V+i，i＝1，…，N_V的列构成的矩阵。

(2)在第一周期内，根据垂直方向上的信道系数矩阵计算俯仰角

其步骤如下：

(a)根据垂直方向的信道系数矩阵计算垂直方向的相关矩阵 $R_V=\frac{1}{N_H*N_S}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_H}{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_S}{H}_V{(l,j)}^H{H}_V(l,j);$

(b)计算垂直方向的激励向量e_V与垂直方向的相关矩阵R_V的二次型的绝对值

其中，垂直方向的激励向量 $e_V={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j{\mathrm{\θ}}_v}& \·\·\·& e^{j(N_v-1){\mathrm{\θ}}_v}\end{array}\right]}^T,$ 这里，上标H表示矩阵的共轭转置，上标T表示矩阵的转置。

(c)在[-π，π)的范围内搜索使得

取最大值的θ_V，max；当然，也可以是超过2π的角度值。

(d)根据θ_V，max计算俯仰角。

如果俯仰角定义为与Z轴的夹角，如图1所示，且天线阵元在垂直方向上的间距为d_z，那么俯仰角可以通过如下公式计算

这里，λ是无线电波的波长；arccos(·)是反余弦函数。

(3)在第二周期内，提取水平方向上的信道系数矩阵

对于i＝1，…，N_V，l＝1，…，N_S，提取水平方向的信道系数矩阵H_H(l，i)，它由H(l)中所有列索引满足m_j＝(j-1)N_V+i，j＝1，…，N_H的列构成的矩阵。

(4)在第二周期内，根据水平方向上的信道系数矩阵计算方位角

其步骤如下：

(a)根据水平方向上的信道系数矩阵计算水平方向的相关矩阵为 $R_H=\frac{1}{N_V*N_S}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_V}{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_S}{H}_H{(l,i)}^H{H}_H(l,i).$

(b)计算水平方向的激励向量e_H与水平方向的相关矩阵R_H的二次型的绝对值

其中，水平方向的激励向量 $e_H={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j{\mathrm{\θ}}_H}& \·\·\·& e^{j(N_H-1){\mathrm{\θ}}_H}\end{array}\right]}^T,$ 这里，上标H表示矩阵的共轭转置，上标T表示矩阵的转置。

(c)在[-π，π)的范围内搜索使得

取最大值时的θ_H，max。当然，也可以是超过2π的角度值。

(d)根据θ_H，max计算方位角

如果方位角定义为与X轴的夹角，如图1所示，且天线阵元在水平方向上的间距为d_H。当天线阵列在X-Z平面，如图8(a)所示，那么方位角可以通过如下公式计算： $\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_{H,\max }\mathrm{\λ}}{{2\mathrm{\πd}}_H\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}\right);$

当天线阵列在Y-Z平面，如图8(b)所示，那么方位角可以通过如下公式计算：

这里，λ是无线电波的波长；arccos(·)是反余弦函数，arcsin(·)是反正弦函数。

本发明实施例还提供一种获取二维到达角的装置，如图7，10所示，包括：

整体信道系数矩阵获取模块：用于获取移动站和通信站之间的第一整体信道系数矩阵和第二整体信道系数矩阵，其中，所述第一整体信道系数矩阵和第二整体信道系数矩阵为所述通信站和移动站之间相同时刻或不同时刻的整体信道系数矩阵；

垂直方向信道系数矩阵提取模块：用于根据所述第一整体信道系数矩阵提取垂直方向的信道系数矩阵；具体提取方法参考方法实施例。

俯仰角计算模块，与垂直方向信道系数矩阵提取模块相连，用于根据所述垂直方向的信道系数矩阵计算俯仰角；具体计算方法参考方法实施例；

水平方向信道系数矩阵提取模块：用于根据所述第二整体信道系数矩阵提取水平方向的信道系数矩阵；具体提取方法参考方法实施例。

方位角计算模块，与水平方向信道系数矩阵提取模块相连，用于根据所述水平方向的信道系数矩阵计算方位角。具体计算方法参考方法实施例。

其中，所述整体信道系数矩阵获取模块以第一周期周期性计算所述第一整体信道系数矩阵，以第二周期周期性计算所述第二整体信道系数矩阵，且所述第一周期大于第二周期。

图7中，垂直方向信道系数矩阵提取模块与整体信道系数矩阵获取模块相连，水平方向信道系数矩阵提取模块与俯仰角计算模块相连；

图10中，垂直方向信道系数矩阵提取模块，水平方向信道系数矩阵模块均与整体信道系数矩阵获取模块相连。

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 (14)

1.一种二维到达角的获取方法，包括：

获取移动站和通信站之间的第一整体信道系数矩阵，根据所述第一整体信道系数矩阵提取垂直方向的信道系数矩阵，根据所述垂直方向的信道系数矩阵计算俯仰角；以及，

获取移动站和通信站之间的第二整体信道系数矩阵，根据所述第二整体信道系数矩阵提取水平方向的信道系数矩阵，根据所述水平方向的信道系数矩阵计算方位角；

其中，所述第一整体信道系数矩阵和第二整体信道系数矩阵为所述通信站和移动站之间相同时刻或不同时刻的整体信道系数矩阵。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一整体信道系数矩阵或第二整体信道系数矩阵是用来计算二维到达角的资源块上的信道系数矩阵H(l)，所述H(l)中的元素h_n，m(l)表示所述通信站的第m根天线到所述移动站的第n根天线在所述资源块上第l个载波上的信道系数，n＝1，…，N_R，当所述通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，m＝(i-1)N_H+j，当所述通信站的天线阵列索引以垂直方向为主序时，m＝(j-1)N_V+i，i＝1，…，N_V，j＝1，…，N_H，N_R表示所述移动站的天线数目，N_H表示所述通信站的天线阵列在水平方向上的天线数目，N_V表示所述通信站的天线阵列在垂直方向的天线数目；l＝1，…，N_S表示所述资源块上的载波个数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据第一整体信道系数矩阵提取垂直方向的信道系数矩阵包括：

当所述通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，所述垂直方向的信道系数矩阵H_V(l，j)为所述H(l)中所有列索引满足m_i＝(i-1)N_H+j，i＝1，…，N_V的列构成的矩阵；或者，

当所述通信站的天线阵列索引以垂直方向为主序时，所述H_V(l，j)为H(l)中所有列索引满足m_i＝(j-1)N_V+i，i＝1，…，N_V的列构成的矩阵；

其中，j＝1，…，N_H，l＝1，…，N_S。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据垂直方向的信道系数矩阵计算俯仰角包括：

根据所述垂直方向的信道系数矩阵计算垂直方向的相关矩阵R_V，计算垂直方向的激励向量e_V与所述垂直方向的相关矩阵R_V的二次型的绝对值

将使得取最大值时的角度θ_V，max作为垂直方向的角频率，根据所述垂直方向的角频率θ_V，max得到最终的俯仰角，所述 $e_V={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j{\mathrm{\θ}}_v}& \·\·\·& e^{j(N_v-1){\mathrm{\θ}}_v}\end{array}\right]}^T.$

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据第二整体信道系数矩阵提取水平方向的信道系数矩阵包括：

当所述通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，所述水平方向的信道系数矩阵H_H(l，i)为所述H(l)中所有列索引满足m_j＝(i-1)N_H+j，j＝1，…，N_H的列构成的矩阵；或者，

当所述通信站的天线阵列索引以垂直方向为主序时，所述水平方向的信道系数矩阵H_H(l，i)为所述H(l)中所有列索引满足m_j＝(j-1)N_V+i，j＝1，…，N_H的列构成的矩阵；

其中，i＝1，…，N_V，l＝1，…，N_S。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据水平方向的信道系数矩阵计算方位角包括：

根据所述水平方向的信道系数矩阵计算水平方向的相关矩阵R_H，计算水平方向的激励向量e_H与所述水平方向的相关矩阵R_H的二次型的绝对值将使得取最大值时的角度θ_H，max作为水平方向的角频率，根据所述水平方向的角频率θ_H，max求得最终的方位角，所述水平方向的激励向量 $e_H={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j{\mathrm{\θ}}_H}& \·\·\·& e^{j(N_H-1){\mathrm{\θ}}_H}\end{array}\right]}^T.$

7.如权利要求1至6任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：以第一周期周期性获取所述第一整体信道系数矩阵并计算俯仰角，以第二周期周期性获取所述第二整体信道系数矩阵并计算方位角，且所述第一周期大于第二周期。

8.一种二维到达角的获取装置，包括：

整体信道系数矩阵获取模块，用于获取移动站和通信站之间的第一整体信道系数矩阵和第二整体信道系数矩阵，其中，所述第一整体信道系数矩阵和第二整体信道系数矩阵为所述通信站和移动站之间相同时刻或不同时刻的整体信道系数矩阵；

垂直方向信道系数矩阵提取模块，用于根据所述第一整体信道系数矩阵提取垂直方向的信道系数矩阵；

俯仰角计算模块，用于根据所述垂直方向的信道系数矩阵计算俯仰角；

水平方向信道系数矩阵提取模块，用于根据所述第二整体信道系数矩阵提取水平方向的信道系数矩阵；

方位角计算模块，用于根据所述水平方向的信道系数矩阵计算方位角。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述整体信道系数矩阵获取模块获取的所述第一整体信道系数矩阵或第二整体信道系数矩阵是用来计算二维到达角的资源块上的信道系数矩阵H(l)，所述H(l)中的元素h_n，m(l)表示所述通信站的第m根天线到所述移动站的第n根天线在所述资源块上第l个载波上的信道系数，n＝1，…，N_R，当所述通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，m＝(i-1)N_H+j，当所述通信站的天线阵列索引以垂直方向为主序时，m＝(j-1)N_V+i，i＝1，…，N_V，j＝1，…，N_H，N_R表示所述移动站的天线数目，N_H表示所述通信站的天线阵列在水平方向上的天线数目，N_V表示所述通信站的天线阵列在垂直方向的天线数目；l＝1，…，N_S表示所述资源块上的载波个数。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述垂直方向信道系数矩阵提取模块根据第一整体信道系数矩阵提取垂直方向的信道系数矩阵包括：

当所述通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，所述垂直方向的信道系数矩阵H_V(l，j)为所述H(l)中所有列索引满足m_i＝(i-1)N_H+j，i＝1，…，N_V的列构成的矩阵；或者，

当所述通信站的天线阵列索引以垂直方向为主序时，所述H_V(l，j)为H(l)中所有列索引满足m_i＝(j-1)N_V+i，i＝1，…，N_V的列构成的矩阵；

其中，j＝1，…，N_H，l＝1，…，N_S。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述俯仰角计算模块根据垂直方向的信道系数矩阵计算俯仰角包括：

根据所述垂直方向的信道系数矩阵计算垂直方向的相关矩阵R_V，计算垂直方向的激励向量e_V与所述垂直方向的相关矩阵R_V的二次型的绝对值

将使得

取最大值时的角度θ_V，max作为垂直方向的角频率，根据所述垂直方向的角频率θ_V，max得到最终的俯仰角，所述 $e_V={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j{\mathrm{\θ}}_v}& \·\·\·& e^{j(N_v-1){\mathrm{\θ}}_v}\end{array}\right]}^T.$

12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述水平方向信道系数矩阵提取模块根据第二整体信道系数矩阵提取水平方向的信道系数矩阵包括：

当所述通信站的天线阵列索引以水平方向为主序时，所述水平方向的信道系数矩阵H_H(l，i)为所述H(l)中所有列索引满足m_j＝(i-1)N_H+j，j＝1，…，N_H的列构成的矩阵；或者，

当所述通信站的天线阵列索引以垂直方向为主序时，所述水平方向的信道系数矩阵H_H(l，i)为所述H(l)中所有列索引满足m_j＝(j-1)N_V+i，j＝1，…，N_H的列构成的矩阵；

其中，i＝1，…，N_V，l＝1，…，N_S。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述方位角计算模块根据水平方向的信道系数矩阵计算方位角包括：

根据所述水平方向的信道系数矩阵计算水平方向的相关矩阵R_H，计算水平方向的激励向量e_H与所述水平方向的相关矩阵R_H的二次型的绝对值将使得

取最大值时的角度θ_H，max作为水平方向的角频率，根据所述水平方向的角频率θ_H，max求得最终的方位角，所述水平方向的激励向量 $e_H={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j{\mathrm{\θ}}_H}& \·\·\·& e^{j(N_H-1){\mathrm{\θ}}_H}\end{array}\right]}^T.$

14.如权利要求7至13任一所述的装置，其特征在于，所述整体信道系数矩阵获取模块以第一周期周期性计算所述第一整体信道系数矩阵，以第二周期周期性计算所述第二整体信道系数矩阵，且所述第一周期大于第二周期。

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