CN103427893B - 一种两阶段码本搜索的三维波束赋形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两阶段码本搜索的三维波束赋形方法，主要解决现有技术仅适用于强相关环境、搜索复杂度高、反馈负载高的问题。具体步骤是：首先，将码本分解成一个长期码本和短期码本；其次，使用两阶段码本搜索初始化赋形权值矩阵；然后，根据计算的行索引和列索引取值，采用两阶段码本搜索更新对应行和列的赋形权值矢量；接下来，若是更新首行首列，则反馈长期和短期码本索引，否则仅反馈短期码本索引；最后，每次得到完整的波束赋形权值矩阵，对发送给用户的信号进行赋形操作，直至信号发送完毕。本发明具有所得权值与信道完全匹配、码本搜索复杂度和反馈负载低等优点，可用于长期演进增强LTE-A系统三维波束赋形。

Description

一种两阶段码本搜索的三维波束赋形方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信领域中一种两阶段码本搜索的三维波束赋形方法。本发明可用于长期演进增强LTE-A下行链路低空间相关性场景中补偿信道低相关性对赋形增益的影响，具有码本搜索复杂度低、反馈负载低、赋形增益高等特点。

背景技术

波束赋形技术被广泛应用于无线通信系统中，其主要任务是补偿无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落与失真，同时降低同频用户间的干扰，提高系统容量。引入三维波束赋形后，基站端可通过控制波束在包括水平维和竖直维在内的三维空间内跟踪用户，较二维2D波束赋形更大地提升用户的吞吐量和性能增益。

西安电子科技大学申请的专利“LTE中的三维波束赋形方法”(专利申请号：CN201110379694.0，公开号：CN102412885A)公开了一种LTE中的三维波束赋形方法。该方法的步骤为：第一，基站端采用阵列天线结构，且垂直方向上的每一根天线有可用于波束赋形的端口；第二，终端在接收到信号后，进行信道估计，得到三维信道矩阵H，并根据H选择水平维和垂直维预编码矩阵；第三，终端将步骤2中选择出的预编码矩阵对应的序号反馈给基站，基站根据反馈序号恢复出对应的水平和垂直维预编码矩阵，并生成三维预编码矩阵；第四，基站根据步骤3中得到的预编码矩阵对发送信号进行预编码处理，进行三维波束赋形，并将处理后的信号从天线发出，终端接收到信号后，返回步骤2。该方法综合利用水平和垂直方向上的信道信息，同时进行水平和垂直维波束赋形，可获得更强的波束赋形增益，提高系统的整体性能。该方法的不足之处是：该方法仅适用于基站端平面天线阵不同行、不同列天线所对应的信道在空间均是强相关的场景，并且具有较高的码本搜索复杂度和反馈负载。可是，由于信道环境中多径时延扩展、散射体分布等因素的影响，信道的空间强相关性不能保持不变，存在信道相关性较低的情形，导致赋形增益的下降。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，针对三维波束赋形问题提供一种两阶段码本搜索的三维波束赋形方法，以使其适用于低空间相关性场景，以较小的码本搜索复杂度和反馈负载获得更好的赋形增益。

本发明实现上述目的的具体步骤如下：

(1)码本分解：

1a)对离散傅里叶变换DFT码本进行等间隔分组，选取等间隔分组中每个分组的第一个列矢量组成长期码本；

1b)从等间隔分组中任选一个分组，将该分组的所有列矢量组成短期码本。

(2)估计初始信道增益：

长期演进增强LTE-A下行通信链路中的用户，采用最小二乘信道估计方法，分别估计基站天线阵中第一行和第一列天线所对应的信道增益。

(3)初始化波束赋形权值矩阵：

3a)将码本计数器的计数值设定为0；

3b)依据最大容量准则，对长期码本进行搜索，选出长期码本中与信道增益相匹配的水平维长期码本索引和竖直维长期码本索引，完成三维波束赋形中第一阶段码本搜索；

3c)依据最大容量准则，结合水平维长期码本索引和竖直维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与信道增益相匹配的水平维短期码本索引和竖直维短期码本索引，完成三维波束赋形中第二阶段码本搜索；

3d)将水平维长期码本索引、水平维短期码本索引、竖直维长期码本索引、竖直维短期码本索引反馈给长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站；

3e)将赋形计数器的计数值设定为0；

3f)长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站，根据水平维长期码本索引和水平维短期码本索引，参照长期码本和短期码本，生成水平维波束赋形权值矩阵；

3g)长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站，根据竖直维长期码本索引和竖直维短期码本索引，参照长期码本和短期码本，生成竖直维波束赋形权值矩阵；

3h)将水平维波束赋形权值矩阵和竖直维波束赋形权值矩阵做点乘运算，得到完整的波束赋形权值矩阵。

(4)确定行索引和列索引取值：

4a)将码本计数器的计数值加1；

4b)将当前码本计数器的计数值与长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中天线的行数做取余数运算，如果所得余数不等于0，则将该余数作为行索引取值，如果所得余数等于0，则将长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中天线的行数作为行索引取值；

4c)将得到的行索引取值作为列索引取值。

(5)估计信道增益：

5a)采用最小二乘信道估计方法，对长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中行索引取值所对应行的信道增益进行估计；

5b)采用最小二乘信道估计方法，对长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中列索引取值所对应列的信道增益进行估计。

(6)判断行和列的索引取值是否等于1：

判断行索引取值和列索引取值是否等于1，如果是，执行步骤(7)；否则，执行步骤(10)。

(7)选取长期码本索引和短期码本索引：

7a)依据最大容量准则，对长期码本进行搜索，选出长期码本中与步骤5a)估计出的信道增益相匹配的水平维长期码本索引；

7b)依据最大容量准则，结合水平维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与步骤5a)估计出的信道增益相匹配的水平维短期码本索引；

7c)依据最大容量准则，对长期码本进行搜索，选出长期码本中与步骤5b)估计出的信道增益相匹配的竖直维长期码本索引；

7d)依据最大容量准则，结合竖直维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与步骤5b)估计出的信道增益相匹配的竖直维短期码本索引。

(8)反馈长期码本索引和短期码本索引：

8a)将水平维长期码本索引、竖直维长期码本索引、水平维短期码本索引、竖直维短期码本索引反馈给长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站；

8b)将赋形计数器的计数值加1。

(9)判断两个计数器的计数值是否相等：

判断码本计数器的当前计数值和赋形计数器的当前计数值是否相等，如果是，执行步骤(12)，否则，执行步骤(8)。

(10)选取短期码本索引：

10a)依据最大容量准则，结合水平维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与步骤5a)估计出的信道增益相匹配的水平维短期码本索引；

10b)依据最大容量准则，结合竖直维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与步骤5b)估计出的信道增益相匹配的竖直维短期码本索引。

(11)反馈短期码本索引：

将水平维短期码本索引、竖直维短期码本索引反馈给长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站。

(12)更新波束赋形权值矩阵：

12a)长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站根据获得的水平维长期码本索引和水平维短期码本索引，更新水平维波束赋形权值矩阵；

12b)长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站根据获得的竖直维长期码本索引和竖直维短期码本索引，更新竖直维波束赋形权值矩阵；

12c)将更新后的水平维波束赋形权值矩阵和更新后的竖直维波束赋形权值矩阵做点乘运算，得到完整的更新后的波束赋形权值矩阵。

(13)输出赋形结果：

将波束赋形权值矩阵与长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站发送给用户的数据做乘法运算，获得波束赋形加权信号，基站天线阵发射该波束赋形加权信号，完成波束赋形操作。

(14)判断数据是否传送完：

判断赋形计数器的计数值是否大于长期演进增强LTE-A下行通信链路中基站发送给用户的数据帧的长度，如果是，执行步骤(15)，否则，执行步骤(4)。

(15)结束：

长期演进增强LTE-A下行通信链路中基站给用户发送数据，发送完成后，结束三维波束赋形操作。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明将三维波束赋形矩阵分解成一个长期码本和短期码本的直积，在码本搜索时采用两阶段码本搜索方法，并根据码本搜索结果确定反馈量的大小，克服了现有技术存在的码本搜索复杂度高、反馈负载高的不足，使得本发明具有码本搜索复杂度低、反馈负载低的优点，降低了用户的处理时间和上行反馈链路的负载。

第二，由于本发明根据进行波束赋形的次数计算行索引和列索引的取值，并将对应行、对应列的波束赋形权值矢量进行更新，得到实时更新且与信道相匹配的波束赋形权值矩阵，克服了现有技术存在的仅适用于高空间相关性场景、无法应对信道场景变化的不足，使得本发明具有可适用于低空间相关性场景的优点，最大可能的实现了实时信道适配。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明在低相关场景下的仿真效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

结合附图1对本发明的步骤作进一步的详细描述：

步骤1，码本分解。

对离散傅里叶变换DFT码本进行等间隔分组，选取等间隔分组中每个分组的第一个列矢量组成长期码本。

从等间隔分组中任选一个分组，将该分组的所有列矢量组成短期码本。

步骤2，估计初始信道增益。

长期演进增强LTE-A下行通信链路中的用户，采用最小二乘信道估计方法，分别估计基站天线阵中第一行和第一列天线所对应的信道增益。

步骤3，初始化波束赋形权值矩阵。

将码本计数器的计数值设定为0。

依据最大容量准则，对长期码本进行搜索，选出长期码本中与信道增益相匹配的水平维长期码本索引和竖直维长期码本索引，完成三维波束赋形中第一阶段码本搜索。

长期码本搜索过程按照下列公式进行：

$A=\underset{I}{max}\{{\[H_H{W}_L(:,I)\]}^H\[H_H{W}_L(:,I)\]\}$

$B=\underset{J}{max}\{{\[H_V{W}_L(:,J)\]}^H\[H_V{W}_L(:,J)\]\}$

其中，A和B分别表示水平维长期码本索引和竖直维长期码本索引，max(·)表示取最大值符号，I表示水平维长期码本的搜索因子，J表示竖直维长期码本的搜索因子，H_H和H_V分别表示基站天线阵中第一行和第一列天线所对应的信道增益，W_L表示长期码本，W_L(:,I)和W_L(:,J)分别表示长期码本W_L的第I列水平维长期码本波束赋形权值矢量和长期码本W_L的第J列竖直维长期码本波束赋形权值矢量，[·]^H表示矩阵的共轭转置。

依据最大容量准则，结合水平维长期码本索引和竖直维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与信道增益相匹配的水平维短期码本索引和竖直维短期码本索引，完成三维波束赋形中第二阶段码本搜索。

短期码本搜索过程按照下列公式进行：

$C=\underset{M}{max}\{{\[H_H{W}_L(:,A).\×W_S(:,M)\]}^H\[H_H{W}_L(:,A).\×W_S(:,M)\]\}$

$D=\underset{N}{max}\{{\[H_V{W}_L(:,B).\×W_S(:,N)\]}^H\[H_V{W}_L(:,B).\×W_S(:,N)\]\}$

其中，C和D分别表示水平维短期码本索引和竖直维短期码本索引，max(·)表示取最大值符号，M表示水平维短期码本的搜索因子，N表示竖直维短期码本的搜索因子，H_H和H_V分别表示基站天线阵中第一行和第一列天线所对应的信道增益，W_L表示长期码本，A和B分别表示水平维长期码本索引和竖直维长期码本索引，W_L(:,A)和W_L(:,B)分别表示长期码本W_L的第A列水平维长期码本波束赋形权值矢量和长期码本W_L的第B列竖直维长期码本波束赋形权值矢量，W_S表示短期码本，W_S(:,M)和W_S(:,N)分别表示短期码本W_S的第M列水平维短期码本波束赋形权值矢量和短期码本W_S的第N列竖直维短期码本波束赋形权值矢量，.×表示矩阵间的点乘运算，[·]^H表示矩阵的共轭转置。

将水平维长期码本索引、水平维短期码本索引、竖直维长期码本索引、竖直维短期码本索引反馈给长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站。

将赋形计数器的计数值设定为0。

长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站，根据水平维长期码本索引和水平维短期码本索引，参照长期码本和短期码本，生成水平维波束赋形权值矩阵。

生成水平维波束赋形权值矩阵的步骤如下：

第一步，按照下列公式，生成水平维波束赋形权值矢量：

P＝W_L(:,A).×W_S(:,C)

其中，P表示对应于长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中第一行天线的水平维波束赋形权值矢量，W_L表示长期码本，A表示水平维长期码本索引，W_L(:,A)表示长期码本W_L的第A列水平维长期码本波束赋形权值矢量，W_S表示短期码本，C表示水平维短期码本索引，W_S(:,C)表示短期码本W_S的第C列水平维短期码本波束赋形权值矢量；第二步，将水平维波束赋形权值矢量P，作为基站天线阵中每一行天线的水平维波束赋形权值矢量，从而生成完整的水平维波束赋形权值矩阵。

长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站，根据竖直维长期码本索引和竖直维短期码本索引，参照长期码本和短期码本，生成竖直维波束赋形权值矩阵。

生成竖直维波束赋形权值矩阵的步骤如下：

第一步，按照下列公式，生成竖直维波束赋形权值矢量：

Q＝W_L(:,B).×W_S(:,D)

其中，Q表示对应于长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中第一列天线的竖直维波束赋形权值矢量，W_L表示长期码本，B表示竖直维长期码本索引，W_L(:,B)表示长期码本W_L的第B列竖直维长期码本波束赋形权值矢量，W_S表示短期码本，D表示竖直维短期码本索引，W_S(:,D)表示短期码本W_S的第D列竖直维短期码本波束赋形权值矢量；第二步，将竖直维波束赋形权值矢量Q，作为基站天线阵中每一列天线的竖直维波束赋形权值矢量，从而生成完整的竖直维波束赋形权值矩阵。

将水平维波束赋形权值矩阵和竖直维波束赋形权值矩阵做点乘运算，得到完整的波束赋形权值矩阵。

步骤4，确定行索引和列索引取值。

将码本计数器的计数值加1。

将当前码本计数器的计数值与长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中天线的行数做取余数运算，如果所得余数不等于0，则将该余数作为行索引取值，如果所得余数等于0，则将长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中天线的行数作为行索引取值。

将得到的行索引取值作为列索引取值。

步骤5，估计信道增益。

5a)采用最小二乘信道估计方法，对长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中行索引取值所对应行的信道增益进行估计。

5b)采用最小二乘信道估计方法，对长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中列索引取值所对应列的信道增益进行估计。

步骤6，判断行和列的索引取值是否等于1。

判断行索引取值和列索引取值是否等于1，如果是，执行步骤7；否则，执行步骤10。

步骤7，选取长期码本索引和短期码本索引。

依据最大容量准则，对长期码本进行搜索，选出长期码本中与步骤5a)估计出的信道增益相匹配的水平维长期码本索引。

长期码本搜索过程按照下列公式进行：

$A=\underset{I}{max}\{{\[H_H{W}_L(:,I)\]}^H\[H_H{W}_L(:,I)\]\}$

其中，A表示水平维长期码本索引，max(·)表示取最大值符号，I表示水平维长期码本的搜索因子，H_H表示基站天线阵中第一行天线所对应的信道增益，W_L表示长期码本，W_L(:,I)表示长期码本W_L的第I列水平维长期码本波束赋形权值矢量，[·]^H表示矩阵的共轭转置。

依据最大容量准则，结合水平维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与步骤5a)估计出的信道增益相匹配的水平维短期码本索引。

短期码本搜索过程按照下列公式进行：

$C=\underset{M}{max}\{{\[H_H{W}_L(:,A).\×W_S(:,M)\]}^H\[H_H{W}_L(:,A).\×W_S(:,M)\]\}$

其中，C表示水平维短期码本索引，max(·)表示取最大值符号，M表示水平维短期码本的搜索因子，H_H表示基站天线阵中第一行天线所对应的信道增益，W_L表示长期码本，A表示水平维长期码本索引，W_L(:,A)表示长期码本W_L的第A列水平维长期码本波束赋形权值矢量，W_S表示短期码本，W_S(:,M)表示短期码本W_S的第M列水平维短期码本波束赋形权值矢量，.×表示矩阵间的点乘运算，[·]^H表示矩阵的共轭转置。

依据最大容量准则，对长期码本进行搜索，选出长期码本中与步骤5b)估计出的信道增益相匹配的竖直维长期码本索引。

长期码本搜索过程按照下列公式进行：

$B=\underset{J}{max}\{{\[H_V{W}_L(:,J)\]}^H\[H_V{W}_L(:,J)\]\}$

其中，B表示竖直维长期码本索引，max(·)表示取最大值符号，J表示竖直维长期码本的搜索因子，H_V表示基站天线阵中第一列天线所对应的信道增益，W_L表示长期码本，W_L(:,J)表示长期码本W_L的第J列竖直维长期码本波束赋形权值矢量，[·]^H表示矩阵的共轭转置。

依据最大容量准则，结合竖直维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与步骤5b)估计出的信道增益相匹配的竖直维短期码本索引。

短期码本搜索过程按照下列公式进行：

$D=\underset{N}{max}\{{\[H_V{W}_L(:,B).\×W_S(:,N)\]}^H\[H_V{W}_L(:,B).\×W_S(:,N)\]\}$

其中，D表示竖直维短期码本索引，max(·)表示取最大值符号，N表示竖直维短期码本的搜索因子，H_V表示基站天线阵中第一列天线所对应的信道增益，W_L表示长期码本，B表示竖直维长期码本索引，W_L(:,B)表示长期码本W_L的第B列竖直维长期码本波束赋形权值矢量，W_S表示短期码本，W_S(:,N)表示短期码本W_S的第N列竖直维短期码本波束赋形权值矢量，.×表示矩阵间的点乘运算，[·]^H表示矩阵的共轭转置。

步骤8，反馈长期码本索引和短期码本索引。

将水平维长期码本索引、竖直维长期码本索引、水平维短期码本索引、竖直维短期码本索引反馈给长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站。

将赋形计数器的计数值加1。

步骤9，判断两个计数器的计数值是否相等。

判断码本计数器的当前计数值和赋形计数器的当前计数值是否相等，如果是，执行步骤12，否则，执行步骤8。

步骤10，选取短期码本索引。

依据最大容量准则，结合水平维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与步骤5a)估计出的信道增益相匹配的水平维短期码本索引。

短期码本搜索过程按照下列公式进行：

$C=\underset{M}{max}\{{\[H_H{W}_L(:,A).\×W_S(:,M)\]}^H\[H_H{W}_L(:,A).\×W_S(:,M)\]\}$

其中，C表示水平维短期码本索引，max(·)表示取最大值符号，M表示水平维短期码本的搜索因子，H_H表示基站天线阵中第一行天线所对应的信道增益，W_L表示长期码本，A表示水平维长期码本索引，W_L(:,A)表示长期码本W_L的第A列水平维长期码本波束赋形权值矢量，W_S表示短期码本，W_S(:,M)表示短期码本W_S的第M列水平维短期码本波束赋形权值矢量，.×表示矩阵间的点乘运算，[·]^H表示矩阵的共轭转置。

依据最大容量准则，结合竖直维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与步骤5b)估计出的信道增益相匹配的竖直维短期码本索引。

短期码本搜索过程按照下列公式进行：

$D=\underset{N}{max}\{{\[H_V{W}_L(:,B).\×W_S(:,N)\]}^H\[H_V{W}_L(:,B).\×W_S(:,N)\]\}$

其中，D表示竖直维短期码本索引，max(·)表示取最大值符号，N表示竖直维短期码本的搜索因子，H_V表示基站天线阵中第一列天线所对应的信道增益，W_L表示长期码本，B表示竖直维长期码本索引，W_L(:,B)表示长期码本W_L的第B列竖直维长期码本波束赋形权值矢量，W_S表示短期码本，W_S(:,N)表示短期码本W_S的第N列竖直维短期码本波束赋形权值矢量，.×表示矩阵间的点乘运算，[·]^H表示矩阵的共轭转置。

步骤11，反馈短期码本索引。

将水平维短期码本索引、竖直维短期码本索引反馈给长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站。

步骤12，更新波束赋形权值矩阵。

长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站根据获得的水平维长期码本索引和水平维短期码本索引，更新水平维波束赋形权值矩阵。

更新水平维波束赋形权值矩阵的步骤如下：

第一步，按照下列公式，生成水平维波束赋形权值矢量：

P＝W_L(:,A).×W_S(:,C)

其中，P表示对应于长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中第一行天线的水平维波束赋形权值矢量，W_L表示长期码本，A表示水平维长期码本索引，W_L(:,A)表示长期码本W_L的第A列水平维长期码本波束赋形权值矢量，W_S表示短期码本，C表示水平维短期码本索引，W_S(:,C)表示短期码本W_S的第C列水平维短期码本波束赋形权值矢量；第二步，找到行索引取值在水平维波束赋形权值矩阵中所对应的行，利用第一步得到的水平维波束赋形权值矢量对该行波束赋形权值矢量进行替换，完成对水平维波束赋形权值矩阵的更新。

长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站根据获得的竖直维长期码本索引和竖直维短期码本索引，更新竖直维波束赋形权值矩阵。

更新竖直维波束赋形权值矩阵的步骤如下：

第一步，按照下列公式，生成竖直维波束赋形权值矢量：

Q＝W_L(:,B).×W_S(:,D)

其中，Q表示对应于长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中第一列天线的竖直维波束赋形权值矢量，W_L表示长期码本，B表示竖直维长期码本索引，W_L(:,B)表示长期码本W_L的第B列竖直维长期码本波束赋形权值矢量，W_S表示短期码本，D表示竖直维短期码本索引，W_S(:,D)表示短期码本W_S的第D列竖直维短期码本波束赋形权值矢量；第二步，找到列索引取值在竖直维波束赋形权值矩阵中所对应的列，利用第一步得到的竖直维波束赋形权值矢量对该列波束赋形权值矢量进行替换，完成对竖直维波束赋形权值矩阵的更新。

将更新后的水平维波束赋形权值矩阵和更新后的竖直维波束赋形权值矩阵做点乘运算，得到完整的更新后的波束赋形权值矩阵。

步骤13，输出赋形结果。

将波束赋形权值矩阵与长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站发送给用户的数据做乘法运算，获得波束赋形加权信号，基站天线阵发射该波束赋形加权信号，完成波束赋形操作。

步骤14，判断数据是否传送完。

判断赋形计数器的计数值是否大于长期演进增强LTE-A下行通信链路中基站发送给用户的数据帧的长度，如果是，执行步骤15，否则，执行步骤4。

步骤15，结束。

长期演进增强LTE-A下行通信链路中基站给用户发送数据，发送完成后，结束三维波束赋形操作。

下面结合仿真图对本发明的效果作进一步的描述：

1.仿真条件：

本发明仿真实验的运行系统为Intel(R)Core(TM)i5CPU6503.20GHz，32位Windows操作系统，仿真软件采用MATLABR(2011a)。

仿真参数设置如下所示。

系统载波频率为f＝2.6e9Hz，系统带宽为10MHz，用户数为100，小区半径500米，基站端天线阵为4行4列的天线阵，水平维阵元间距为载波的半波长，竖直维间距为载波的半波长，基站天线高度为32米，用户接收天线数为1，每一时刻同时服务用户数为10，选用码本为长度为32的DFT码本，信噪比仿真区间为0dB～20dB，每个信噪比下的循环次数为10000，噪声环境为加性高斯白噪声。

2.仿真结果：

附图2为本发明所发明的方法与现有方法在低空间相关性场景下的仿真效果图，其中横轴表示信噪比SNR，单位是dB，纵轴表示信道容量，单位是bit/s/Hz。在附图2中，黑色虚线为现有的三维波束赋形方法在不同信噪比下的信道容量仿真曲线，黑色实线为本发明所提出的一种两阶段码本搜索的三维波束赋形方法在不同信噪比下的信道容量仿真曲线。对比附图2中的这两条曲线可以看出，本发明所发明的方法与现有方法相比，在相同信噪比条件下可获得更高的信道容量，波束赋形增益更好。

从码本搜索复杂度和反馈负载来看，现有的方法每选取一个波束赋形权值矩阵进行32次码本搜索，而本发明所提供的方法仅在对第一行和第一列所对应的信道选取波束赋形矢量时需要32次搜索，其与情况仅需要9次搜索，降低了码本的搜索复杂度；现有的方法每次需要反馈2log2(32)＝10比特，本发明所提供的方法仅在对第一行和第一列对应的码本索引进行反馈时需要2log2(32)＝10比特，其余情况每次仅需要反馈短期码本索引2log2(8)＝6比特，降低了系统的反馈负载。

Claims (7)

1.一种两阶段码本搜索的三维波束赋形方法，包括如下步骤：

(1)码本分解：

1a)对离散傅里叶变换DFT码本进行等间隔分组，选取等间隔分组中每个分组的第一个列矢量组成长期码本；

1b)从等间隔分组中任选一个分组，将该分组的所有列矢量组成短期码本；

(2)估计初始信道增益：

长期演进增强LTE-A下行通信链路中的用户，采用最小二乘信道估计方法，分别估计基站天线阵中第一行和第一列天线所对应的信道增益；

(3)初始化波束赋形权值矩阵：

3a)将码本计数器的计数值设定为0；

3b)依据最大容量准则，对长期码本进行搜索，选出长期码本中与信道增益相匹配的水平维长期码本索引和竖直维长期码本索引，完成三维波束赋形中第一阶段码本搜索；

3c)依据最大容量准则，结合水平维长期码本索引和竖直维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与信道增益相匹配的水平维短期码本索引和竖直维短期码本索引，完成三维波束赋形中第二阶段码本搜索；

3d)将水平维长期码本索引、水平维短期码本索引、竖直维长期码本索引、竖直维短期码本索引反馈给长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站；

3e)将赋形计数器的计数值设定为0；

3f)长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站，根据水平维长期码本索引和水平维短期码本索引，参照长期码本和短期码本，生成水平维波束赋形权值矩阵；

3g)长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站，根据竖直维长期码本索引和竖直维短期码本索引，参照长期码本和短期码本，生成竖直维波束赋形权值矩阵；

3h)将水平维波束赋形权值矩阵和竖直维波束赋形权值矩阵做点乘运算，得到完整的波束赋形权值矩阵；

(4)确定行索引和列索引取值：

4a)将码本计数器的计数值加1；

4b)将当前码本计数器的计数值与长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中天线的行数做取余数运算，如果所得余数不等于0，则将该余数作为行索引取值，如果所得余数等于0，则将长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中天线的行数作为行索引取值；

4c)将得到的行索引取值作为列索引取值；

(5)估计信道增益：

5a)采用最小二乘信道估计方法，对长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中行索引取值所对应行的信道增益进行估计；

5b)采用最小二乘信道估计方法，对长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中列索引取值所对应列的信道增益进行估计；

(6)判断行和列的索引取值是否等于1：

判断行索引取值和列索引取值是否等于1，如果是，执行步骤(7)；否则，执行步骤(10)；

(7)选取长期码本索引和短期码本索引：

7a)依据最大容量准则，对长期码本进行搜索，选出长期码本中与步骤5a)估计出的信道增益相匹配的水平维长期码本索引；

7b)依据最大容量准则，结合水平维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与步骤5a)估计出的信道增益相匹配的水平维短期码本索引；

7c)依据最大容量准则，对长期码本进行搜索，选出长期码本中与步骤5b)估计出的信道增益相匹配的竖直维长期码本索引；

7d)依据最大容量准则，结合竖直维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与步骤5b)估计出的信道增益相匹配的竖直维短期码本索引；

(8)反馈长期码本索引和短期码本索引：

8a)将水平维长期码本索引、竖直维长期码本索引、水平维短期码本索引、竖直维短期码本索引反馈给长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站；

8b)将赋形计数器的计数值加1；

(9)判断两个计数器的计数值是否相等：

判断码本计数器的当前计数值和赋形计数器的当前计数值是否相等，如果是，执行步骤(12)，否则，执行步骤(8)；

(10)选取短期码本索引：

10a)依据最大容量准则，结合水平维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与步骤5a)估计出的信道增益相匹配的水平维短期码本索引；

10b)依据最大容量准则，结合竖直维长期码本索引，对短期码本进行搜索，选出短期码本中与步骤5b)估计出的信道增益相匹配的竖直维短期码本索引；

(11)反馈短期码本索引：

将水平维短期码本索引、竖直维短期码本索引反馈给长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站；

(12)更新波束赋形权值矩阵：

12a)长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站根据获得的水平维长期码本索引和水平维短期码本索引，更新水平维波束赋形权值矩阵；

12b)长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站根据获得的竖直维长期码本索引和竖直维短期码本索引，更新竖直维波束赋形权值矩阵；

12c)将更新后的水平维波束赋形权值矩阵和更新后的竖直维波束赋形权值矩阵做点乘运算，得到完整的更新后的波束赋形权值矩阵；

(13)输出赋形结果：

将波束赋形权值矩阵与长期演进增强LTE-A下行通信链路中的基站发送给用户的数据做乘法运算，获得波束赋形加权信号，基站天线阵发射该波束赋形加权信号，完成波束赋形操作；

(14)判断数据是否传送完：

判断赋形计数器的计数值是否大于长期演进增强LTE-A下行通信链路中基站发送给用户的数据帧的长度，如果是，执行步骤(15)，否则，执行步骤(4)；

(15)结束：

长期演进增强LTE-A下行通信链路中基站给用户发送数据，发送完成后，结束三维波束赋形操作。

2.根据权利要求1所述的一种两阶段码本搜索的三维波束赋形方法，其特征在于，步骤3b)、步骤7a)、步骤7c)中所述的最大容量准则，按照下列公式进行：

$A=\underset{I}{max}\{{\[H_H{W}_L(:,I)\]}^H\[H_H{W}_L(:,I)\]\}$

$B=\underset{J}{max}\{{\[H_V{W}_L(:,J)\]}^H\[H_V{W}_L(:,J)\]\}$

其中，A和B分别表示水平维长期码本索引和竖直维长期码本索引，max(·)表示取最大值符号，I表示水平维长期码本的搜索因子，J表示竖直维长期码本的搜索因子，H_H和H_V分别表示基站天线阵中第一行和第一列天线所对应的信道增益，W_L表示长期码本，W_L(:,I)和W_L(:,J)分别表示长期码本W_L的第I列水平维长期码本波束赋形权值矢量和长期码本W_L的第J列竖直维长期码本波束赋形权值矢量，[·]^H表示矩阵的共轭转置。

3.根据权利要求1所述的一种两阶段码本搜索的三维波束赋形方法，其特征在于，步骤3c)、步骤7b)、步骤7d)、步骤10a)、步骤10b)中所述的最大容量准则，按照下列公式进行：

$C=\underset{M}{max}\{{\[H_H{W}_L(:,A).\×W_S(:,M)\]}^H\[H_H{W}_L(:,A).\×W_S(:,M)\]\}$

$D=\underset{N}{max}\{{\[H_V{W}_L(:,B).\×W_S(:,N)\]}^H\[H_V{W}_L(:,B).\×W_S(:,N)\]\}$

其中，C和D分别表示水平维短期码本索引和竖直维短期码本索引，max(·)表示取最大值符号，M表示水平维短期码本的搜索因子，N表示竖直维短期码本的搜索因子，H_H和H_V分别表示基站天线阵中第一行和第一列天线所对应的信道增益，W_L表示长期码本，A和B分别表示水平维长期码本索引和竖直维长期码本索引，W_L(:,A)和W_L(:,B)分别表示长期码本W_L的第A列水平维长期码本波束赋形权值矢量和长期码本W_L的第B列竖直维长期码本波束赋形权值矢量，W_S表示短期码本，W_S(:,M)和W_S(:,N)分别表示短期码本W_S的第M列水平维短期码本波束赋形权值矢量和短期码本W_S的第N列竖直维短期码本波束赋形权值矢量，.×表示矩阵间的点乘运算，[·]^H表示矩阵的共轭转置。

4.根据权利要求1所述的一种两阶段码本搜索的三维波束赋形方法，其特征在于，步骤3f)中所述的生成水平维波束赋形权值矩阵的步骤如下：

第一步，按照下列公式，生成水平维波束赋形权值矢量：

P＝W_L(:,A).×W_S(:,C)

其中，P表示对应于长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中第一行天线的水平维波束赋形权值矢量，W_L表示长期码本，A表示水平维长期码本索引，W_L(:,A)表示长期码本W_L的第A列水平维长期码本波束赋形权值矢量，W_S表示短期码本，C表示水平维短期码本索引，W_S(:,C)表示短期码本W_S的第C列水平维短期码本波束赋形权值矢量；

第二步，将水平维波束赋形权值矢量P，作为基站天线阵中每一行天线的水平维波束赋形权值矢量，从而生成完整的水平维波束赋形权值矩阵。

5.根据权利要求1所述的一种两阶段码本搜索的三维波束赋形方法，其特征在于，步骤3g)中所述的生成竖直维波束赋形权值矩阵的步骤如下：

第一步，按照下列公式，生成竖直维波束赋形权值矢量：

Q＝W_L(:,B).×W_S(:,D)

其中，Q表示对应于长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中第一列天线的竖直维波束赋形权值矢量，W_L表示长期码本，B表示竖直维长期码本索引，W_L(:,B)表示长期码本W_L的第B列竖直维长期码本波束赋形权值矢量，W_S表示短期码本，D表示竖直维短期码本索引，W_S(:,D)表示短期码本W_S的第D列竖直维短期码本波束赋形权值矢量；

第二步，将竖直维波束赋形权值矢量Q，作为基站天线阵中每一列天线的竖直维波束赋形权值矢量，从而生成完整的竖直维波束赋形权值矩阵。

6.根据权利要求1所述的一种两阶段码本搜索的三维波束赋形方法，其特征在于，步骤12a)中所述的更新水平维波束赋形权值矩阵的步骤如下：

第一步，按照下列公式，生成水平维波束赋形权值矢量：

P＝W_L(:,A).×W_S(:,C)

其中，P表示对应于长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中第一行天线的水平维波束赋形权值矢量，W_L表示长期码本，A表示水平维长期码本索引，W_L(:,A)表示长期码本W_L的第A列水平维长期码本波束赋形权值矢量，W_S表示短期码本，C表示水平维短期码本索引，W_S(:,C)表示短期码本W_S的第C列水平维短期码本波束赋形权值矢量；

第二步，找到行索引取值在水平维波束赋形权值矩阵中所对应的行，利用第一步得到的水平维波束赋形权值矢量对该行波束赋形权值矢量进行替换，完成对水平维波束赋形权值矩阵的更新。

7.根据权利要求1所述的一种两阶段码本搜索的三维波束赋形方法，其特征在于，步骤12b)中所述的更新竖直维波束赋形权值矩阵的步骤如下：

第一步，按照下列公式，生成竖直维波束赋形权值矢量：

Q＝W_L(:,B).×W_S(:,D)

其中，Q表示对应于长期演进增强LTE-A下行通信链路基站天线阵中第一列天线的竖直维波束赋形权值矢量，W_L表示长期码本，B表示竖直维长期码本索引，W_L(:,B)表示长期码本W_L的第B列竖直维长期码本波束赋形权值矢量，W_S表示短期码本，D表示竖直维短期码本索引，W_S(:,D)表示短期码本W_S的第D列竖直维短期码本波束赋形权值矢量；

第二步，找到列索引取值在竖直维波束赋形权值矩阵中所对应的列，利用第一步得到的竖直维波束赋形权值矢量对该列波束赋形权值矢量进行替换，完成对竖直维波束赋形权值矩阵的更新。