CN103281110B - 波束赋形方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种波束赋形方法和设备，涉及无线通信领域，用于提高波束赋形的准确度。本发明中，网络侧在下行子帧发送下行信号前，使用根据之前多次接收到的上行SRS分别得到的DOA值，估计终端当前的DOA值，根据该DOA值确定波束赋形系数，并使用该波束赋形系数对下行子帧上的下行信号进行波束赋形后发送出去，本方案不需要等待终端最新上报的上行SRS并据此确定波束赋形系数，而是根据历史DOA值估计出终端当前的DOA值并根据该DOA值确定波束赋形系数，从而有效地跟上终端的运动角度的变化，提高了波束赋形的准确度。

Description

波束赋形方法和设备

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种波束赋形方法和设备。

背景技术

长期演进（LongTermEvolution，LTE）通信系统的下行波束赋形技术，基站根据用户终端（UserEquipment，UE）发送的上行探测参考信号（SoundingReferenceSignal，SRS）来计算当前的来波角度，进而计算当前的波束赋形宽带赋形权值，使用波束赋形宽带赋形权值对天线的下行信号进行波束赋形，以达到波束赋形效果。

波束赋形具有如下优点：

天线波束赋形的结果等效于增大了天线增益。若采用K根天线的环形阵，则天线增益最大可能增加10lgKdB；

波束赋形的结果使得多址干扰大大降低。只有来自主瓣方向和较大副瓣方向的多径才对有用信号带来干扰；

天线阵可以对来波方向角（DOA）进行精确计算，据此可以进行用户定位；

波束赋形可以使更多的功率集中在用户方向上，以提高小区边缘用户的吞吐量；

波束赋形可以充分利用时分双工（TimeDivisionDuplex，TDD）系统的信道对称性。

进行波束赋形时，通过将多个天线的下行信号进行加权合并，调整天线方向图形成某个方向的波束，以达到降低干扰和噪声的效果。

时分长期演进（TD-LTE）系统中的时域帧结构如图1所示，SRS信号的发送位置为上行特殊时隙（UpPTS）或者是上行子帧。

当UE处于郊区、高速铁路、高速公路等高运动速度的场景时，UE的DOA的变化范围如图2所示。假定UE的运动速度为V，TD-LTE系统一个无线帧的时间长度为T：

V=120km/h，T=10ms；

$d=V*T=\frac{120}{3.6}*\frac{10}{1000}\≈0.33m;$

α＝arcsin（d/L）；

θ∈[β-α，β+α]；

其中，β为终端所在位置与基站发现方向的夹角；

L为终端到基站的距离；

α为一个无线帧长度的时间内终端运动的最大角度；

d为一个无线帧长度的时间内终端的运动距离；

θ为一个无线帧长度的时间内由于终端高速运动导致的角度变化范围，即上一时刻终端相对于基站的角度在经过终端运动后产生的变化范围，这个变换在一个无线帧长度的时间内是有极限范围的。

现有的波束赋形宽带赋形权值的计算处理流程如图3所示：

基站接收终端第M次上报的上行SRS，根据该上行SRS计算DOA，利用无线系统的上下行信道镜像的原则，将利用上行SRS信号计算得到的DOA值转换为波束赋形系数，再将在接下来的下行子帧上待发送的下行信号乘上该波束赋形系数后发送出去；基站接收终端第M+1次上报的上行SRS，根据该上行SRS计算DOA，利用无线系统的上下行信道镜像的原则，将利用上行SRS信号计算得到的DOA值转换为波束赋形系数，再将在接下来的下行子帧上待发送的下行信号乘上该波束赋形系数后发送出去，依次类推。

综上，在UE的高速运动场景下，由于基站接收到上行SRS后计算DOA，再将DOA转换为波束赋形系数，再将在接下来的下行子帧上待发送的下行信号乘上该波束赋形系数后发送出去，此时终端已经相对于上行SRS接收时的位置发生了变化，变化的范围由图2显示计算的θ，这样由波束赋形计算的指示方向就发生了偏差，导致终端接收信号的质量变差，没有达到波束赋形的预期目的，对用户的下行业务速率没有提升。

发明内容

本发明实施例提供一种波束赋形方法和设备，用于提高波束赋形的准确度。

一种波束赋形方法，该方法包括：

网络侧接收终端N次上报的上行探测参考信号SRS，在每次接收到上行SRS后，根据接收到的上行SRS确定终端的来波方向角度DOA值，并保存确定的DOA值；其中N为大于1的整数；

网络侧使用最小均方误差MMSE算法，根据保存的N个DOA值估计终端当前的DOA值；根据终端当前的DOA值确定波束赋形系数；

网络侧根据所述波束赋形系数对在当前下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形，并在当前下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号。

一种基站，该基站包括：

DOA确定单元，用于接收终端N次上报的上行探测参考信号SRS，在每次接收到上行SRS后，根据接收到的上行SRS确定终端的来波方向角度DOA值，并保存确定的DOA值；其中N为大于1的整数；

赋形系数确定单元，用于使用最小均方误差MMSE算法，根据保存的N个DOA值估计终端当前的DOA值；根据终端当前的DOA值确定波束赋形系数；

信号传输单元，用于根据所述波束赋形系数对在当前下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形，并在当前下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号。

本发明实施例提供的方案中，网络侧接收终端N次上报的上行SRS，在每次接收到上行SRS后，根据接收到的上行SRS确定终端的DOA值，并保存确定的DOA值，使用MMSE算法根据保存的N个DOA值估计终端当前的DOA值，根据终端当前的DOA值确定波束赋形系数，并根据该波束赋形系数对在当前下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形后，在当前下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号。可见，本方案中，网络侧在下行子帧发送下行信号前，使用根据之前多次接收到的上行SRS分别得到的DOA值，估计终端当前的DOA值，根据该DOA值确定波束赋形系数，并使用该波束赋形系数对下行子帧上的下行信号进行波束赋形后发送出去，本方案不需要等待终端最新上报的上行SRS并据此确定波束赋形系数，而是根据历史DOA值估计出终端当前的DOA值并根据该DOA值确定波束赋形系数，从而有效地跟上终端的运动角度的变化，提高了波束赋形的准确度。

附图说明

图1为现有技术中TD-LTE时域帧结构示意图；

图2为现有技术中高速运动时的终端角度变化范围示意图；

图3为现有技术中波束赋形方法流程示意图；

图4为本发明实施例提供的方法流程示意图；

图5为本发明实施例的具体流程示意图；

图6为本发明实施例提供的基站结构示意图。

具体实施方式

为了提高对下行信号进行波束赋形的准确性，本发明实施例提供一种波束赋形方法。

参见图4，本发明实施例提供的波束赋形方法，包括以下步骤：

步骤40：网络侧接收终端N次上报的上行SRS，在每次接收到上行SRS后，根据接收到的上行SRS确定终端的DOA值，并保存确定的DOA值；其中N为大于1的整数；

步骤41：网络侧使用最小均方误差（MMSE）算法，根据保存的N个DOA值估计终端当前的DOA值；根据终端当前的DOA值确定波束赋形系数；

步骤42：网络侧根据确定的波束赋形系数对在当前下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形，并在当前下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号。这里，根据波束赋形系数对在当前下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形，具体实现可以为：将在当前下行子帧上待发送的下行信号乘以所述波束赋形系数，得到在当前下行子帧上向终端发送的信号即波束赋形后的下行信号。

具体的，步骤41中根据终端当前的DOA值确定波束赋形系数，具体实现为：采用波束扫描（GOB）法，根据终端当前的DOA值得到波束赋形系数。

进一步的，网络侧在当前下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号之后，网络侧接收终端第N+1次上报的SRS，根据第N+1次上报的SRS确定终端的DOA值，并保存确定的DOA值；使用MMSE算法，根据最近保存的N个DOA值估计终端当前的DOA值；根据终端当前的DOA值重新确定波束赋形系数；根据重新确定的波束赋形系数对在下一下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形，并在下一下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号。

终端N次上报的上行SRS为终端连续N次上报的上行SRS。较佳的，N的取值可以为5。

本方法可以应用于小区边缘UE，低信噪比（SNR）的场景。本方法可以应用在LTE等通信系统中。

下面结合具体实施例对本发明进行说明：

本实施例中，根据从第M次开始累计存储的连续N次DOA值，使用MMSE算法估计得到临近的下一次即第M+N+1次的DOA值，由该DOA值计算波束赋型系数后对下行信号进行波束赋形，再收到一次上行SRS后，计算并保存该次的DOA值，根据从第（M+1）次开始累计的N次DOA值，使用MMSE算法估计得到临近的下一次即第M+1+N+1次的DOA值，由该DOA值计算波束赋型系数后对下行信号进行波束赋形，依此类推。

举例说明，假设从第3（即M）次接收上行SRS开始，将根据最近的5（即N）次（4、5、6、7、8这5次）接收的上行SRS分别计算得到的DOA值保存，然后根据这5个DOA值采用MMSE算法估计得到第9次使用的DOA值，再将根据第9次接收到的上行SRS计算得到的DOA值保存；接下来，将保存的、根据最近5次（5、6、7、8、9这5次）接收到的上行SRS分别计算得到的DOA值采用MMSE算法估计得到第10次使用的DOA值，再将根据第10次接收到的上行SRS计算得到的DOA值保存；依此类推。

如图5所示，具体流程如下：

步骤51：基站接收终端连续N次上报的上行SRS，将该N次上报的第一次记为第M次；在每次接收到上行SRS后，根据接收到的上行SRS确定终端的来波方向角度DOA值，并保存确定的DOA值；

步骤52：使用MMSE算法，根据保存的N个DOA值估计出第（M+N+1）次的DOA值作为第（M+N+1）次的波束赋形角度值；

步骤53：将估计出的DOA值进行GOB计算得到波束赋形系数；根据该波束赋形系数对在当前下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形，并在当前下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号；

步骤54：接收终端第M+N+1次上报的上行SRS，根据该上行SRS确定终端的DOA值，并保存确定的DOA值；

步骤55：使用MMSE算法，根据保存的从第M+1次开始的N个DOA值（即从第M+1次到第M+N+1次保存的DOA值）估计出第（M+N+2）次的DOA值作为第（M+N+2）次的波束赋形角度值；

步骤56：将估计出的DOA值进行GOB计算得到波束赋形系数；根据该波束赋形系数对在当前下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形，并在当前下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号；依此类推。

参见图6，本发明实施例提供一种基站，该基站包括：

DOA确定单元60，用于接收终端N次上报的上行探测参考信号SRS，在每次接收到上行SRS后，根据接收到的上行SRS确定终端的来波方向角度DOA值，并保存确定的DOA值；其中N为大于1的整数；

赋形系数确定单元61，用于使用最小均方误差MMSE算法，根据保存的N个DOA值估计终端当前的DOA值；根据终端当前的DOA值确定波束赋形系数；

信号传输单元62，用于根据所述波束赋形系数对在当前下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形，并在当前下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号。

进一步的，所述赋形系数确定单元61用于：

采用波束扫描GOB法，根据终端当前的DOA值得到波束赋形系数。

进一步的，所述DOA确定单元60还用于：

在当前下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号之后，接收终端第N+1次上报的SRS，根据第N+1次上报的SRS确定终端的DOA值，并保存确定的DOA值；

所述赋形系数确定单元61还用于：使用MMSE算法，根据最近保存的N个DOA值估计终端当前的DOA值；根据终端当前的DOA值重新确定波束赋形系数；

所述信号传输单元62还用于：根据重新确定的波束赋形系数对在下一下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形，并在下一下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号。

进一步的，所述终端N次上报的上行SRS为终端连续N次上报的上行SRS。

进一步的，所述信号传输单元62用于：

将在当前下行子帧上待发送的下行信号乘以所述波束赋形系数，得到在当前下行子帧上向终端发送的信号。

综上，本发明的有益效果包括：

本发明实施例提供的方案中，网络侧接收终端N次上报的上行SRS，在每次接收到上行SRS后，根据接收到的上行SRS确定终端的DOA值，并保存确定的DOA值，使用MMSE算法根据保存的N个DOA值估计终端当前的DOA值，根据终端当前的DOA值确定波束赋形系数，并根据该波束赋形系数对在当前下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形后，在当前下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号。可见，本方案中，网络侧在下行子帧发送下行信号前，使用根据之前多次接收到的上行SRS分别得到的DOA值，估计终端当前的DOA值，根据该DOA值确定波束赋形系数，并使用该波束赋形系数对下行子帧上的下行信号进行波束赋形后发送出去，本方案不需要等待终端最新上报的上行SRS并据此确定波束赋形系数，而是根据历史DOA值估计出终端当前的DOA值并根据该DOA值确定波束赋形系数，从而有效地跟上终端的运动角度的变化，提高了波束赋形的准确度。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

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 (10)

1.一种波束赋形方法，其特征在于，该方法包括：

网络侧接收终端N次上报的上行探测参考信号SRS，在每次接收到上行SRS后，根据接收到的上行SRS确定终端的来波方向角度DOA值，并保存确定的DOA值；其中N为大于1的整数；

网络侧使用最小均方误差MMSE算法，根据保存的N个DOA值估计终端当前的DOA值；根据终端当前的DOA值确定波束赋形系数；

网络侧根据所述波束赋形系数对在当前下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形，并在当前下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据终端当前的DOA值确定波束赋形系数，具体包括：

采用波束扫描GOB法，根据终端当前的DOA值得到波束赋形系数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，网络侧在当前下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号之后，进一步包括：

网络侧接收终端第N+1次上报的SRS，根据第N+1次上报的SRS确定终端的DOA值，并保存确定的DOA值；使用MMSE算法，根据最近保存的N个DOA值估计终端当前的DOA值；根据终端当前的DOA值重新确定波束赋形系数；根据重新确定的波束赋形系数对在下一下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形，并在下一下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号。

4.如权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，所述终端N次上报的上行SRS为终端连续N次上报的上行SRS。

5.如权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，所述根据所述波束赋形系数对在当前下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形，具体包括：

将在当前下行子帧上待发送的下行信号乘以所述波束赋形系数，得到在当前下行子帧上向终端发送的信号。

6.一种基站，其特征在于，该基站包括：

DOA确定单元，用于接收终端N次上报的上行探测参考信号SRS，在每次接收到上行SRS后，根据接收到的上行SRS确定终端的来波方向角度DOA值，并保存确定的DOA值；其中N为大于1的整数；

赋形系数确定单元，用于使用最小均方误差MMSE算法，根据保存的N个DOA值估计终端当前的DOA值；根据终端当前的DOA值确定波束赋形系数；

信号传输单元，用于根据所述波束赋形系数对在当前下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形，并在当前下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号。

7.如权利要求6所述的基站，其特征在于，所述赋形系数确定单元用于：

采用波束扫描GOB法，根据终端当前的DOA值得到波束赋形系数。

8.如权利要求6所述的基站，其特征在于，所述DOA确定单元还用于：

在当前下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号之后，接收终端第N+1次上报的SRS，根据第N+1次上报的SRS确定终端的DOA值，并保存确定的DOA值；

所述赋形系数确定单元还用于：使用MMSE算法，根据最近保存的N个DOA值估计终端当前的DOA值；根据终端当前的DOA值重新确定波束赋形系数；

所述信号传输单元还用于：根据重新确定的波束赋形系数对在下一下行子帧上待发送的下行信号进行波束赋形，并在下一下行子帧上向终端发送波束赋形后的下行信号。

9.如权利要求6-8中任一所述的基站，其特征在于，所述终端N次上报的上行SRS为终端连续N次上报的上行SRS。

10.如权利要求6-8中任一所述的基站，其特征在于，所述信号传输单元用于：

将在当前下行子帧上待发送的下行信号乘以所述波束赋形系数，得到在当前下行子帧上向终端发送的信号。