CN103427888A - 一种获取波束赋形权向量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取波束赋形权向量的方法及装置。该方法包括：A，根据接收的侦听参考信号获取上行信道估计矩阵；B，判断侦听参考信号是否为天线切换发射，如果是，执行步骤C，否则，执行步骤E；C，对获取的上行信道估计矩阵按照用户的发射天线单元数进行拆分，获取拆分的上行信道估计子矩阵；D，计算拆分的上行信道估计子矩阵的范数，获取范数最大的上行信道估计子矩阵；E，对范数最大的上行信道估计子矩阵或上行信道估计矩阵执行共轭转置处理，并对执行共轭转置处理的矩阵执行取相位操作处理，得到波束赋形权向量。应用本发明，可以降低计算复杂度、节约计算资源。

Description

一种获取波束赋形权向量的方法及装置

技术领域

本发明涉及智能天线技术，特别涉及一种获取波束赋形权向量的方法及装置。

背景技术

波束赋形是智能天线的关键技术之一，波束赋形通过利用数字信号处理技术，选择合适的波束赋形算法对接收的上行信号进行赋形处理，计算得到波束赋形权向量，对下行信号进行波束赋形，形成空间定向波束，用以跟踪用户，波束赋形技术可以充分利用移动用户信号，从而实现空分复用。

现有技术中，计算波束赋形权向量的波束赋形算法主要包括波束扫描法（GOB，Grid Of Beam）算法以及特征向量法（EBB，Eigenvalue BasedBeamforming）算法，下面分别进行简要描述。

GOB算法是基于参数模型（利用信道的空域参数）的算法，用以使基站实现下行指向性发射。通过将整个天线单元阵列的波束空间划分为L个波束区域，并为每个波束区域设置一个初始到达方向角（DOA，Direction OfArrival），以各个波束区域的初始到达方向角的方向向量为该波束区域权值，计算各个波束区域的接收信号功率，然后根据最大信号功率准则，找到最大接收信号功率对应的波束区域权值，即为赋形所需的波束赋形权向量，在得到波束赋形权向量后，将该波束赋形权向量与待发射信号进行相乘后即可向用户发射。其中，

设置各波束区域的初始到达方向角的公式为：

${\mathrm{\θ}}_l=\frac{360\·(l-1)}{L},l=1,...,L---\left(1\right)$

式中，

θ_l为设置的第l个波束区域的初始到达方向角；

L为划分的波束区域总数。

各波束区域权值表达式为：

$w_l=[1,e^{\mathrm{jkd}\cos {\mathrm{\θ}}_l},...,e^{\mathrm{jk}(N-1)d\cos {\mathrm{\θ}}_l}]---\left(2\right)$

式中，

w_l为第l个波束区域的波束区域权值；

k为波数；

d为相邻天线单元之间的间距，可以认为是一个常量；

N为天线单元数。

各个波束区域的接收信号功率公式为：

${\mathrm{\σ}}_l^2=w_l^H{R}_{\mathrm{xx}}{w}_l---\left(3\right)$

R_xx=H·H^H

式中，

(·)^H表示矩阵的共轭转置运算；

为第l个波束区域的接收信号功率；

R_xx为空间相关矩阵，H为上行信道估计矩阵，关于空间相关矩阵的详细获取流程，具体可参见相关技术文献，在此不再赘述。

这样，最大接收信号功率

对应的波束区域权值w_l即为GOB算法赋形所需的波束赋形权向量，即：

$w=\arg \underset{w_l}{\max }{w}_l^H{R}_{\mathrm{xx}}{w}_l$

在获取波束赋形权向量后，对各用户的发射信号进行赋形并且将赋形后的数据进行合并，输出至各天线单元进行发射。

由上述可见，对于GOB算法，只能针对来波的最大功率方向进行赋形，且需要预先设置并获取各波束区域权值，因此比较适合信道为单径的情况，例如，环境比较空旷的农村或郊区，较为适用GOB算法的波束赋形，不能适用于极化的天线配置的场景。因而，现有技术中，广泛采用EBB算法来计算波束赋形权向量。

EBB算法，也称为最大功率特征分解赋形算法，通过对空间相关矩阵进行特征值的分解来得到波束赋形权向量。具体来说：

首先，对空间相关矩阵R_xx进行特征分解：

[V,D]=eig(R_xx)                (4)

式中，

V为特征向量矩阵；

D为特征值矩阵。

式中，对空间相关矩阵R_xx进行特征分解的计算量随着天线单元数N的增加呈指数增加。例如，对于天线单元数N＝8，特征分解的计算量为KN²＝64K，其中，K为迭代次数。

对R_xx进行特征分解后，获取最大特征值对应的特征向量，即为波束赋形权向量：

$w=\mathrm{agr}\underset{D_i}{\max }{V}_i---\left(5\right)$

由上述可见，EBB算法的赋形效果（波束赋形权向量）取决于信道估计的准确程度，与信道的径数无关，且无需预先获取各波束区域权值。如果信道中有多条径，并且各自对应的来波方向比较分散，则利用EBB算法，可以给出多条径的赋形效果。

综上所述，EBB算法虽然能适应多径环境和多种极化配置的环境，但是由于其实现复杂度较高，计算量随着天线单元数的增加呈指数增加，占用了大量的资源。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种获取波束赋形权向量的方法，降低计算复杂度、节约计算资源。

本发明的另一目的在于提出一种获取波束赋形权向量的装置，降低计算复杂度、节约计算资源。

为达到上述目的，本发明提供了一种获取波束赋形权向量的方法，该方法包括：

A，根据接收的侦听参考信号获取上行信道估计矩阵；

B，判断侦听参考信号是否为天线切换发射，如果是，执行步骤C，否则，执行步骤E；

C，对获取的上行信道估计矩阵按照用户的发射天线单元数进行拆分，获取拆分的上行信道估计子矩阵；

D，计算拆分的上行信道估计子矩阵的范数，获取范数最大的上行信道估计子矩阵；

E，对范数最大的上行信道估计子矩阵或上行信道估计矩阵执行共轭转置处理，并对执行共轭转置处理的矩阵执行取相位操作处理，得到波束赋形权向量。

所述用户的发射天线单元包括第一发射天线单元以及第二发射天线单元，所述对获取的上行信道估计矩阵按照用户的发射天线单元数进行拆分包括：

将获取的上行信道估计矩阵拆分为第一发射天线单元对应的上行信道估计子矩阵、以及，第二发射天线单元对应的上行信道估计子矩阵。

进一步包括：

根据计算得到的波束赋形权向量，对各用户的发射信号进行赋形，将赋形后的数据进行发射。

一种获取波束赋形权向量的装置，该装置包括：上行信道估计矩阵获取模块、拆分及范数计算模块以及波束赋形权向量获取模块，其中，

上行信道估计矩阵获取模块，用于根据接收的侦听参考信号获取上行信道估计矩阵；

拆分及范数计算模块，用于对获取的上行信道估计矩阵按照用户的发射天线单元数进行拆分，获取拆分的上行信道估计子矩阵，计算拆分的上行信道估计子矩阵的范数，获取范数最大的上行信道估计子矩阵，输出至波束赋形权向量获取模块；

波束赋形权向量获取模块，用于对接收的矩阵执行共轭转置处理，并对执行共轭转置处理的矩阵执行取相位操作处理，得到波束赋形权向量。

所述拆分及范数计算模块包括：判断单元、拆分单元以及范数计算单元，其中，

判断单元，用于判断侦听参考信号是否为天线切换发射，如果是，将上行信道估计矩阵获取模块获取的上行信道估计矩阵输出至波束赋形权向量获取模块，否则，将上行信道估计矩阵获取模块获取的上行信道估计矩阵输出至拆分单元；

拆分单元，用于对获取的上行信道估计矩阵按照用户的发射天线单元数进行拆分；

范数计算单元，用于计算拆分的上行信道估计子矩阵的范数，获取范数最大的上行信道估计子矩阵，输出至波束赋形权向量获取模块。

进一步包括：

赋形模块，用于根据计算得到的波束赋形权向量，对各用户的发射信号进行赋形并且将赋形后的数据进行发射。

由上述的技术方案可见，本发明提供的一种获取波束赋形权向量的方法及装置，A，根据接收的侦听参考信号获取上行信道估计矩阵；B，判断侦听参考信号是否为天线切换发射，如果是，执行步骤C，否则，执行步骤E；C，对获取的上行信道估计矩阵按照用户的发射天线单元数进行拆分，获取拆分的上行信道估计子矩阵；D，计算拆分的上行信道估计子矩阵的范数，获取范数最大的上行信道估计子矩阵；E，对范数最大的上行信道估计子矩阵或上行信道估计矩阵执行共轭转置处理，并对执行共轭转置处理的矩阵执行取相位操作处理，得到波束赋形权向量。这样，当侦听参考信号不为天线切换发射，直接对上行信道估计矩阵执行共轭转置以及取相位操作处理得到波束赋形权向量，当侦听参考信号为天线切换发射，也只需对上行信道估计矩阵进行拆分、范数计算、共轭转置以及取相位操作处理得到波束赋形权向量，降低了计算复杂度、大大减少了计算量，节约了计算资源。

附图说明

图1为本发明实施例获取波束赋形权向量的方法流程示意图。

图2为本发明实施例获取波束赋形权向量的方法具体流程示意图。

图3为本发明实施例获取波束赋形权向量的装置结构示意图。

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，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

图1为本发明实施例获取波束赋形权向量的方法流程示意图。参见图1，该流程包括：

步骤101，根据接收的侦听参考信号（SRS，Sounding Reference Signal）获取上行信道估计矩阵；

本步骤中，SRS信号包括本小区的有用信号、外小区的干扰信号及噪声，其中，本小区的有用信号包括多用户的发射数据和训练序列。小区基站的各天线单元接收SRS信号，利用接收的多用户的训练序列部分进行信道冲击响应的估计，形成上行信道估计矩阵。关于利用SRS信号得到上行信道估计矩阵的流程，具体可参见相关技术文献，在此不再赘述。

本发明实施例中，根据用户发射SRS信号的天线单元数，即SRS信号是否天线切换发射，可以将SRS信号分为单天线发射的SRS信号以及天线切换发射的SRS信号，对于单天线发射，是指用户在发射SRS信号时，只有一根用户天线单元处于发射状态；对于天线切换发射，是指用户在发射SRS信号时，两根用户天线单元都处于发射状态。实际应用中，用户采用单天线发射还是天线切换发射，可预先由基站通知给用户。

本发明实施例中，将获取的上行信道估计矩阵记为H_k，N，其中，k为用户发射SRS信号的天线单元数，N为基站的天线单元数。例如，k=1、N=8，表示基站的阵列天线单元数为8，对应单天线发射，上行信道估计矩阵记为H_1,8。

步骤102，对获取的上行信道估计矩阵按照用户的发射天线单元数进行拆分，获取拆分的上行信道估计子矩阵；

本步骤中，如果为单天线发射，则无需对获取的上行信道估计矩阵进行拆分，该上行信道估计矩阵即为拆分的上行信道估计子矩阵。

如果为天线切换发射，用户的发射天线单元数为2，分别为第一发射天线单元以及第二发射天线单元，这样，需要将获取的上行信道估计矩阵拆分为第一发射天线单元对应的上行信道估计子矩阵、以及，第二发射天线单元对应的上行信道估计子矩阵。即：

$H_{\mathrm{2,8}}=\left[\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{lx}8}\\ H_{\mathrm{lx}8}^{\′}\end{array}\right]$

式中，

H_1x8为第一发射天线单元对应的上行信道估计子矩阵；

H′_1x8为第二发射天线单元对应的上行信道估计子矩阵。

步骤103，计算拆分的上行信道估计子矩阵的范数，获取范数最大的上行信道估计子矩阵；

本步骤中，如果上行信道估计子矩阵的范数越大，表明其增益越大，性能也就越好。这样，在上行信道估计结果为多维向量的情况下，使用范数最大的上行信道估计子矩阵生成波束赋形权向量，可以使得赋形效果最好。

如前所述，对于单天线发射，范数最大的上行信道估计子矩阵即为该上行信道估计矩阵，也就是说，无需对该上行信道估计矩阵执行范数计算。

对于天线切换发射，计算||H_1x8||²以及||H′_1x8||²，如果||H_1x8||²≥||H′_1x8||²，则范数最大的上行信道估计子矩阵为H_1x8；如果||H_1x8||²＜||H′_1x8||²，则范数最大的上行信道估计子矩阵为H′_1x8。

步骤104，对范数最大的上行信道估计子矩阵执行共轭转置处理，并对执行共轭转置处理的上行信道估计子矩阵执行取相位操作处理，得到波束赋形权向量。

本步骤中，通过对范数最大的上行信道估计子矩阵进行共轭转置处理，得到中间波束赋形权向量，可以使下行多天线发射信号在接收端进行同相合并，从而使接收端的信噪比（SINR，Signal to Interface plus Noise Ratio）最大，达到最佳的接收状态。

本发明实施例中，对于单天线发射：

w′=(H_1,8)^H

对于天线切换发射的||H_1x8||²≥||H′_1x8||²情形：

w′=(H_1x8)^H

对于天线切换发射的||H_1x8||²＜||H′_1x8||²情形：

w′=(H′_1x8)^H

式中，

w′为中间波束赋形权向量。

关于执行取相位操作处理的流程，具体可参见相关技术文献，在此不再赘述。

较佳地，该方法还可以进一步包括：

步骤105，根据计算得到的波束赋形权向量，对各用户的发射信号进行赋形并且将赋形后的数据进行发射。

本步骤中，关于对发射信号进行赋形、合并的详细流程，具体可参见相关技术文献，在此不再赘述。

图2为本发明实施例获取波束赋形权向量的方法具体流程示意图。参见图2，该流程包括：

步骤201，判断SRS信号是否为天线切换发射，如果是，执行步骤202，否则，执行步骤205；

步骤202，根据SRS信号获取上行信道估计矩阵；

本步骤中，获取的上行信道估计矩阵为H_2，8。

步骤203，将获取的上行信道估计矩阵拆分为两个上行信道估计子矩阵；

本步骤中，按照用户的发射天线单元数，将获取的上行信道估计矩阵H_2，8拆分为第一发射天线单元对应的上行信道估计子矩阵H_1x8、以及，第二发射天线单元对应的上行信道估计子矩阵H′_1x8。即：

$H_{\mathrm{2,8}}=\left[\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{lx}8}\\ H_{\mathrm{lx}8}^{\′}\end{array}\right]$

步骤204，分别计算两个上行信道估计子矩阵的范数，获取范数较大的上行信道估计子矩阵，执行步骤206；

本步骤中，设：

ξ_1x8=||H_1x8||²

ξ′_1x8=||H′_1x8||²

如果ξ_1x8≥ξ′_1x8，则范数最大的上行信道估计子矩阵为H_1x8；如果ξ_1x8＜ξ′_1x8，则范数最大的上行信道估计子矩阵为H′_1x8。

步骤205，根据SRS信号获取上行信道估计矩阵；

本步骤中，获取的上行信道估计矩阵为H_1，8。

步骤206，执行共轭转置处理，得到中间波束赋形权向量；

本步骤中，如果为上行信道估计矩阵，对上行信道估计矩阵执行共轭转置处理，得到中间波束赋形权向量；如果为上行信道估计子矩阵，对上行信道估计子矩阵执行共轭转置处理，得到中间波束赋形权向量。

步骤207，对中间波束赋形权向量执行取相位操作处理，得到波束赋形权向量；

步骤208，将计算得到的波束赋形权向量用于下行数据的发射。

至此，该获取波束赋形权向量的流程结束。

由上述可见，本发明实施例的获取波束赋形权向量的方法，根据接收的SRS信号获取上行信道估计矩阵；如果为单天线发射，对获取的上行信道估计矩阵执行共轭转置处理，并对执行共轭转置处理的上行信道估计子矩阵执行取相位操作处理，得到波束赋形权向量；如果为天线切换发射，对上行信道估计矩阵按照用户的发射天线单元数进行拆分，计算拆分的上行信道估计子矩阵的范数，获取范数最大的上行信道估计子矩阵；对范数最大的上行信道估计子矩阵执行共轭转置处理，并对执行共轭转置处理的上行信道估计子矩阵执行取相位操作处理，得到波束赋形权向量。这样，只需要对获取的上行信道估计矩阵进行拆分、范数计算、共轭转置以及取相位操作处理，也就是说，对上行信道估计矩阵执行简单运算，在上行信道估计矩阵为多维向量（发射天线单元数为2）的情况下，使用范数最大的那一维向量（范数最大的上行信道估计子矩阵）生成波束赋形权向量，相较于GOB算法通过上行信道估计矩阵与转置的上行信道估计矩阵相乘得到空间相关矩阵，再与波束区域权值矩阵进行相乘运算获取接收信号功率，查找最大接收信号功率对应的波束区域权值作为波束赋形权向量所需的计算量，以及EBB算法通过上行信道估计矩阵与转置的上行信道估计矩阵相乘得到空间相关矩阵，再对空间相关矩阵进行特征分解获取最大特征值对应的特征向量，作为波束赋形权向量所需的计算量，由于未涉及矩阵相乘运算，有效降低了计算复杂度、大大减少了计算量，节约了计算资源；同时，通过对上行信道估计矩阵执行共轭处理，对于单载波情况下，与EBB算法计算得到的波束赋形权向量等价，因此，在有效节省计算量的情况下，性能与EBB算法相当，且适用于极化配置的场景。

图3为本发明实施例获取波束赋形权向量的装置结构示意图。参见图3，该装置包括：上行信道估计矩阵获取模块、拆分及范数计算模块以及波束赋形权向量获取模块，其中，

上行信道估计矩阵获取模块，用于根据接收的侦听参考信号获取上行信道估计矩阵；

拆分及范数计算模块，用于对获取的上行信道估计矩阵按照用户的发射天线单元数进行拆分，获取拆分的上行信道估计子矩阵，计算拆分的上行信道估计子矩阵的范数，获取范数最大的上行信道估计子矩阵，输出至波束赋形权向量获取模块；

波束赋形权向量获取模块，用于对接收的矩阵执行共轭转置处理，并对执行共轭转置处理的矩阵执行取相位操作处理，得到波束赋形权向量。

该装置进一步包括：

赋形模块，用于根据计算得到的波束赋形权向量，对各用户的发射信号进行赋形并且将赋形后的数据进行发射。

其中，拆分及范数计算模块包括：判断单元、拆分单元以及范数计算单元（图中未示出），其中，

判断单元，用于判断侦听参考信号是否为天线切换发射，如果是，将上行信道估计矩阵获取模块获取的上行信道估计矩阵输出至波束赋形权向量获取模块，否则，将上行信道估计矩阵获取模块获取的上行信道估计矩阵输出至拆分单元；

拆分单元，用于对获取的上行信道估计矩阵按照用户的发射天线单元数进行拆分；

范数计算单元，用于计算拆分的上行信道估计子矩阵的范数，获取范数最大的上行信道估计子矩阵，输出至波束赋形权向量获取模块。

表1为本发明实施例将获取的波束赋形权向量与通过现有方法获取波束赋形权向量，分别应用于下行发射信号的性能效果表。参见表1，表中，信噪比单位为分贝（dB），吞吐量单位为比特每秒每赫兹（bit/s/Hz），包括方案1至方案6，其中，方案1为本发明的单流、移动速度为30Km、且对向量做只取相位处理（GOBsingleBFGOBothervectoronlyphase1RB30km）；方案2为本发明单流GOB、移动速度为30Km（singleBFGOBothervector1RB30km）；方案3为现有单流EBB算法、移动速度为30Km（singleBFEBB30km）；方案4为本发明单流GOB、移动速度为3Km（singleBFGOBothervector1RB3km）；方案5为现有单流EBB算法、移动速度为3Km（singleBFEBB3km）；方案6为本发明单流GOB、移动速度为3Km、且对向量做只取相位处理（singleBFGOBothervectoronlyphase1RB3km）。可见，在相同吞吐量的情况下，方案6的信噪比最高，方案5次之，然后，依序为方案4、方案3、方案1以及方案2。即在同等条件下，本发明实施例提出的波束赋形权向量算法的性能与EBB算法相当，同时在实现复杂度和运算量上都明显的低于GOB算法和EBB算法。

表1

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种获取波束赋形权向量的方法，其特征在于，该方法包括：

A，根据接收的侦听参考信号获取上行信道估计矩阵；

B，判断侦听参考信号是否为天线切换发射，如果是，执行步骤C，否则，执行步骤E；

C，对获取的上行信道估计矩阵按照用户的发射天线单元数进行拆分，获取拆分的上行信道估计子矩阵；

D，计算拆分的上行信道估计子矩阵的范数，获取范数最大的上行信道估计子矩阵；

E，对范数最大的上行信道估计子矩阵或上行信道估计矩阵执行共轭转置处理，并对执行共轭转置处理的矩阵执行取相位操作处理，得到波束赋形权向量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用户的发射天线单元包括第一发射天线单元以及第二发射天线单元，所述对获取的上行信道估计矩阵按照用户的发射天线单元数进行拆分包括：

将获取的上行信道估计矩阵拆分为第一发射天线单元对应的上行信道估计子矩阵、以及，第二发射天线单元对应的上行信道估计子矩阵。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，进一步包括：

根据计算得到的波束赋形权向量，对各用户的发射信号进行赋形，将赋形后的数据进行发射。

4.一种获取波束赋形权向量的装置，其特征在于，该装置包括：上行信道估计矩阵获取模块、拆分及范数计算模块以及波束赋形权向量获取模块，其中，

上行信道估计矩阵获取模块，用于根据接收的侦听参考信号获取上行信道估计矩阵；

拆分及范数计算模块，用于对获取的上行信道估计矩阵按照用户的发射天线单元数进行拆分，获取拆分的上行信道估计子矩阵，计算拆分的上行信道估计子矩阵的范数，获取范数最大的上行信道估计子矩阵，输出至波束赋形权向量获取模块；

波束赋形权向量获取模块，用于对接收的矩阵执行共轭转置处理，并对执行共轭转置处理的矩阵执行取相位操作处理，得到波束赋形权向量。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述拆分及范数计算模块包括：判断单元、拆分单元以及范数计算单元，其中，

判断单元，用于判断侦听参考信号是否为天线切换发射，如果是，将上行信道估计矩阵获取模块获取的上行信道估计矩阵输出至波束赋形权向量获取模块，否则，将上行信道估计矩阵获取模块获取的上行信道估计矩阵输出至拆分单元；

拆分单元，用于对获取的上行信道估计矩阵按照用户的发射天线单元数进行拆分；

范数计算单元，用于计算拆分的上行信道估计子矩阵的范数，获取范数最大的上行信道估计子矩阵，输出至波束赋形权向量获取模块。

6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，进一步包括：

赋形模块，用于根据计算得到的波束赋形权向量，对各用户的发射信号进行赋形并且将赋形后的数据进行发射。

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