CN103684559A - 阵列天线通信系统中的数据发送方法、装置及发射机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了阵列天线通信系统中的数据发送方法、装置及发射机，该阵列天线包含在三维空间的多个方向上排列的多个天线子阵元，该方法包括：按照所述阵列天线的多个天线子阵元的排布方式生成三维码本；通过所述三维码本对待发送的数据流进行预编码得到预编码后的数据流，并将预编码后的数据流在多个天线子阵元上进行发射。本发明实施例中，采用阵列天线对数据进行发射，由于阵列天线具有更多的发射天线数，因而可以具有更多可用的自由空间度；并且由于本发明实施例可以针对阵列天线生成三维空间的三维码本，因此可以应用到面状阵列天线上，在三维空间上形成波束赋形，相应获得三维空间上的自适应覆盖范围，从而提高通信系统的发射容量。

Description

阵列天线通信系统中的数据发送方法、装置及发射机

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及阵列天线通信系统中的数据发送方法、装置及发射机。

背景技术

当前无线通信系统中大量使用多天线技术，这些无线通信系统包括蜂窝系统，如长期演进（Long Term Evolution，LTE）系统、全球微波保真（World Interoperability forMicrowave Access，WiMAX）系统等，还包括短距离无线通信系统，如无线高保真（WirelessFidelity，WiFi）系统等。在上述无线通信系统中，多天线技术主要指通过发射机与接收机之间的多个发射天线和多个接收天线进行信号的发射和接收处理，上述处理过程也称为多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术。在应用上述MIMO技术时，发射机通常设置多根线状排列的天线，包括设置2根、4根、或者8根。以设置8根天线的发射机为例，现有LTE R10（版本10）中定义了8天线的发射码本，该发射码本可以适用于多用户MIMO传输，也可以适用于单用户MIMO传输，支持1至8之间任意数目的传输流，上述发射码本为按照水平方向排列的最多8根天线的发射机设计，可以支持单个或多个用户在水平方向上的多流发射。

随着天线技术的发展，包括更多天线数目的阵列天线被引入到发射机上，例如，8列4行的面状天线。当阵列天线引入到发射机上后，发射机由于具有更多的发射天线数，因而可以具有更多可用的自由空间度。但是，由于现有通信系统中仅定义了在水平方向上的发射码本，因此难以应用到面状阵列天线上，无法在三维空间上形成波束赋形，难以获得自适应覆盖范围，更难获得在三维空间上的更多用户的空分复用，从而无法获得阵列天线系统的性能增益。

发明内容

本发明实施例中提供了多天线通信系统中的码本生成方法、装置及发射机，用以解决现有技术中无法获得面状阵列天线的发射码本的问题。

为解决上述问题，本发明实施例提供的技术方案如下：

一方面，提供一种阵列天线通信系统中的数据发送方法，所述阵列天线包含在三维空间的多个方向上排列的多个天线子阵元，所述方法包括：

按照所述阵列天线的多个天线子阵元的排布方式生成三维码本,所述多个天线子阵元在三维空间的多个方向上排列；

通过所述三维码本对待发送的数据流进行预编码得到预编码后的数据流，并将所述预编码后的数据流在多个天线子阵元上进行发射。

结合一方面，在第一种可能的实现方式中，所述按照所述阵列天线的多个天线子阵元的排布方式生成三维码本，包括：

按照所述多个天线子阵元的排布方式获得预编码向量；

根据所述预编码向量生成激励矩阵；

通过所述激励矩阵生成三维码本。

结合第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述阵列天线由第一方向上的M’排天线子阵元和第二方向上的N’排天线子阵元组成，所述M’和N’为大于1的自然数；

所述预编码向量，包括：第一方向上的元素个数为N的单流预编码向量，所述N为不大于N’的自然数；或者，第二方向上的元素个数为M的单流预编码向量，所述M为不大于M’的自然数；

所述激励矩阵，包括：根据第一方向上的单流预编码向量生成的单流激励矩阵；或者，根据第二方向上的单流预编码向量生成的单流激励矩阵；或者，根据第一方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵；或者，根据第二方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵；或者，根据第一方向上的单流预编码向量和第二方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵。

结合一方面，第一种可能的实现方式，或第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述通过所述三维码本对待发送的数据流进行预编码，包括：

将所述待发送的K个数据流中的第k个数据流的数据符号分别与所述三维码本中的第k个激励矩阵中的元素相乘，得到K个数据符号矩阵，所述K为自然数；

将所述K个数据符号矩阵中位于同一位置的数据符号进行累加，得到一个累加后的数据符号矩阵；

所述将预编码后数据流在多个天线子阵元上进行发射，包括：

将所述累加后的数据符号矩阵中的每个数据符号分别在多个天线子阵元上进行发射。

结合一方面，第一种可能的实现方式，第二种可能的实现方式，或第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述阵列天线中的天线子阵元使用的极化方式包括：线性极化、交叉极化或圆极化。

结合一方面，第一种可能的实现方式，第二种可能的实现方式，第三种可能的实现方式，或第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述阵列天线为由第一阵列天线和第二阵列天线合并后组成的阵列天线；或者，

所述阵列天线为从第三阵列天线中划分出的子阵列天线。

另一方面，提供一种阵列天线通信系统中的数据发送装置，所述阵列天线包含在三维空间的多个方向上排列的多个天线子阵元，所述装置包括：

生成单元，用于按照所述阵列天线的多个天线子阵元的排布方式生成三维码本,所述多个天线子阵元在三维空间的多个方向上排列；

编码单元，用于通过所述生成单元生成的所述三维码本对待发送的数据流进行预编码得到预编码后的数据流；

发送单元，用于将所述编码单元预编码后的数据流在多个天线子阵元上进行发射。

结合另一方面，在第一种可能的实现方式中，所述生成单元包括：

预编码向量生成子单元，用于按照所述多个天线子阵元的排布方式获得预编码向量；

激励矩阵生成子单元，用于根据所述预编码向量生成子单元生成的预编码向量生成激励矩；

三维码本生成子单元，用于通过所述激励矩阵生成子单元生成的激励矩阵生成三维码本。

结合第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述阵列天线由第一方向上的M’排天线子阵元和第二方向上的N’排天线子阵元组成，所述M’和N’为大于1的自然数；

所述预编码向量，包括：第一方向上的元素个数为N的单流预编码向量，所述N为不大于N’的自然数；或者，第二方向上的元素个数为M的单流预编码向量，所述M为不大于M’的自然数；

所述激励矩阵，包括：根据第一方向上的单流预编码向量生成的单流激励矩阵；或者，根据第二方向上的单流预编码向量生成的单流激励矩阵；或者，根据第一方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵；或者，根据第二方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵；或者，根据第一方向上的单流预编码向量和第二方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵。

结合另一方面，第一种可能的实现方式，或第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述编码单元包括：

矩阵相乘子单元，用于将所述待发送的K个数据流中的第k个数据流的数据符号分别与所述三维码本中的第k个激励矩阵中的元素相乘，得到K个数据符号矩阵，所述K为自然数；

符号累加子单元，用于将所述K个数据符号矩阵中位于同一位置的数据符号进行累加，得到一个累加后的数据符号矩阵；

所述发送单元，具体用于将所述累加后的数据符号矩阵中的每个数据符号分别在多个天线子阵元上进行发射。

又一方面，提供一种发射机，所述发射机应用在阵列天线通信系统中，所述发射机包括：阵列天线和处理器，其中，

所述阵列天线，包含在三维空间的多个方向上排列的多个天线子阵元；

所述处理器，用于按照所述阵列天线的多个天线子阵元的排布方式生成三维码本,所述多个天线子阵元在三维空间的多个方向上排列，通过所述三维码本对待发送的数据流进行预编码得到预编码后的数据流，并将所述预编码后的数据流输出到对应的天线子阵元上进行发射。

结合又一方面，在第一种可能的实现方式中，所述处理器，具体用于按照所述多个天线子阵元的排布方式获得预编码向量，根据所述预编码向量生成激励矩阵，通过所述激励矩阵生成三维码本。

结合又一方面，或第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述处理器，具体用于将所述待发送的K个数据流中的第k个数据流的数据符号分别与所述三维码本中的第k个激励矩阵中的元素相乘，得到K个数据符号矩阵，所述K为自然数，将所述K个数据符号矩阵中位于同一位置的数据符号进行累加，得到一个累加后的数据符号矩阵，将所述累加后的数据符号矩阵中的每个数据符号分别在多个天线子阵元上进行发射。

结合又一方面，第一种可能的实现方式，或第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述阵列天线由第一方向上的M’排天线子阵元和第二方向上的N’排天线子阵元组成，所述M’和N’为大于1的自然数；其中，

所述第一方向上每一排天线子阵元中相邻的两个天线子阵元之间的间隔相等；和/或，所述第二方向上每一排天线子阵元中相邻的两个天线子阵元之间的间隔相等。

结合又一方面，第一种可能的实现方式，第二种可能的实现方式，或第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述阵列天线中的天线子阵元使用的极化方式包括：线性极化、交叉极化或圆极化。

结合又一方面，第一种可能的实现方式，第二种可能的实现方式，第三种可能的实现方式，或第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，

所述阵列天线为由第一阵列天线和第二阵列天线合并后组成的阵列天线；或者，

所述阵列天线为从第三阵列天线中划分出的子阵列天线。

本发明实施例中，阵列天线包含在三维空间的多个方向上排列的多个天线子阵元，当采用该阵列天线进行数据发射时，按照多个天线子阵元的排布方式生成三维码本，通过该三维码本对待发送的数据流进行预编码，并将预编码后的数据流在多个天线子阵元上进行发射。应用本发明实施例，采用阵列天线对数据进行发射，由于阵列天线具有更多的发射天线数，因而可以具有更多可用的自由空间度；并且由于本发明实施例可以针对阵列天线生成三维空间的三维码本，因此可以应用到面状阵列天线上，在三维空间上形成波束赋形，相应获得三维空间上的自适应覆盖范围，从而提高通信系统的发射容量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明阵列天线通信系统中的数据发送方法的一个实施例流程图；

图2A为本发明实施例中一种阵列天线的结构示意图；

图2B为本发明实施例中不同仰角方向上的波束示意图；

图3A为本发明数据发送方法实施例中生成三维码本的一个实施例流程图；

图3B为应用图3A所示实施例生成的三维码本做预编码所形成的空间波束示意图；

图4为本发明数据发送方法实施例中生成三维码本的另一个实施例流程图；

图5A为本发明数据发送方法实施例中生成三维码本的另一个实施例流程图；

图5B为应用图5A所示实施例生成的三维码本做预编码所形成的空间波束示意图；

图6为本发明数据发送方法实施例中生成三维码本的另一个实施例流程图；

图7A为本发明数据发送方法实施例中生成三维码本的另一个实施例流程图；

图7B为应用图7A所示实施例生成的三维码本做预编码所形成的空间波束示意图；

图8为应用本发明数据发送方法实施例的发射过程结构示意图；

图9A为本发明阵列天线通信系统中的数据发送装置的实施例框图；

图9B为图9A中的生成单元的实施例框图；

图10为本发明发射机的实施例框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，为本发明阵列天线通信系统中的数据发送方法的一个实施例流程图：

步骤101：按照多个天线子阵元的排布方式生成三维码本。

可选的，按照多个天线子阵元的排布方式获得预编码向量，根据所述预编码向量生成激励矩阵，通过所述激励矩阵生成三维码本。

可选的，阵列天线可以由第一方向上的M’排天线子阵元和第二方向上的N’排天线子阵元组成，所述M’和N’为大于1的自然数。其中，预编码向量可以包括：第一方向上的元素个数为N的单流预编码向量，所述N为不大于N’的自然数；或者，第二方向上的元素个数为M的单流预编码向量，所述M为不大于M’的自然数。其中，激励矩阵可以包括：根据第一方向上的单流预编码向量生成的单流激励矩阵；或者，根据第二方向上的单流预编码向量生成的单流激励矩阵；或者，根据第一方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵；或者，根据第二方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵；或者，根据第一方向上的单流预编码向量和第二方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵。

可选的，所述第一方向上每一排天线子阵元中相邻的两个天线子阵元之间的间隔相等；和/或，所述第二方向上每一排天线子阵元中相邻的两个天线子阵元之间的间隔相等。

可选的，所述阵列天线为由第一阵列天线和第二阵列天线合并后组成的阵列天线；或者，所述阵列天线为从第三阵列天线中划分出的子阵列天线。

可选的，所述阵列天线中的天线子阵元使用的极化方式包括：线性极化、交叉极化或圆极化。

步骤102：通过三维码本对待发送的数据流进行预编码得到预编码后的数据流，并将预编码后的数据流在多个天线子阵元上进行发射。

可选的，将所述待发送的K个数据流中的第k个数据流的数据符号分别与所述三维码本中的第k个激励矩阵中的元素相乘，得到K个数据符号矩阵，所述K为自然数，将所述K个数据符号矩阵中位于同一位置的数据符号进行累加，得到一个累加后的数据符号矩阵，将所述累加后的数据符号矩阵中的每个数据符号分别在多个天线子阵元上进行发射。

由上述实施例可见，在采用阵列天线对数据进行发射时，由于阵列天线具有更多的发射天线数，因而可以具有更多可用的自由空间度；并且由于本发明实施例可以针对阵列天线生成三维空间的三维码本，因此可以应用到面状阵列天线上，在三维空间上形成波束赋形，相应获得三维空间上的自适应覆盖范围，从而提高通信系统的发射容量。

本发明实施例应用在具有阵列天线的通信系统中，通常阵列天线设置在基站的发射机上，该阵列天线包含在三维空间的多个方向上排列的多个天线子阵元。后续本发明实施例中以第一方向为垂直方向，第二方向为水平方向的面状阵列天线为例进行描述。其中，该面状阵列天线包括N行M列天线子阵元，即在垂直方向有M列天线子阵元，在水平方向上有N行天线子阵元。在应用该面状天线子阵元生成预编码向量时，对于每一行天线子阵元，和/或每一列天线子阵元，可以采用其中全部的天线子阵元生成预编码向量，也可以采用其中部分的天线子阵元生成预编码向量，对此本发明实施例不进行限制，后续为了示例方便，以采用每一行天线子阵元，和/或每一列天线子阵元上的所有天线子阵元生成预编码向量为例进行描述。

参见图2，为应用本发明实施例的一种阵列天线的结构示意图，下面结合图2对本发明实施例阵列天线中涉及的术语进行描述：

图2A中示出了一个8行4列的均匀线性阵列（Uniform Linear Array，ULA），该ULA天线设置在三维空间坐标系中，该三维空间坐标系中的x轴和y轴确定了水平方向上的平面，y轴和z轴确定了垂直方向上的平面，其中该ULA天线设置在由y轴和z轴确定的垂直平面上。ULA天线中的每个天线可以称为一个天线子阵元，其中每列天线子阵元间的间隔相等，表示为d_V，每行天线子阵元间的间隔也相等，表示为d_H。上述d_V和d_H可以用天线发射信号的归一波长λ表示，例如，当d_V＝1/2时，d_V即表示λ/2。

图2A中，P（x,y,z）表示ULA天线中所有天线子阵元发射信号指向的远场P点，该P点可以指代应用该ULA天线进行数据发射时，接收该数据的某个终端所在的位置。图2A中，将第4行第2列的天线子阵元与P点之间进行连线，其中θ表示信号传播方向的仰角（相对于z轴），DT表示信号传播方向的下倾角（相对于xy轴构成的水平平面），φ表示信号传播方向的方位角（相对于xy轴构成的水平平面内相对于x轴）。需要说明的是，图2A中示出的阵列天线为等间隔排列的ULA天线，本发明实施例也可以应用在非等间隔排列的阵列天线中，对此本发明实施例不进行限制。

本发明实施例中，激励向量是使阵列天线中的任意一行天线子阵元，或者任意一列天线子阵元达到预设主瓣旁瓣能量比（Side Lobe Ratio，SLR）的向量，激励向量可以表示为u。其中，对应任意一行天线子阵元（水平方向）的激励向量表示为u_H，对应任意一列天线子阵元（垂直方向）的激励向量表示为u_V。生成激励向量u可以采用现有技术中的Woodward综合法、切比雪夫综合法、泰勒综合法等，对此本发明实施例不进行限制，本发明实施例可以直接应用采用如上述的各种方向图综合方法生成的激励向量生成三维码本。对于生成的每个激励向量u，其长度为对应的天线子阵元的个数，如图2A所示，每一列天线子阵元包含八个天线子阵元，则对应的u_V的长度为8，每一行天线子阵元包含四个天线子阵元，则对应的u_H的长度为4。

本发明实施例中，结合图2A，方向向量是指每个天线子阵元到P点之间的波束在三维坐标系中的向量表示，也可以称为P点的三维方向向量。其中，假设每个天线子阵元的坐标位置表示为(x_i,y_i,z_i)。

则本发明实施例中，采用下倾角DT表示的方向向量的通用计算公式如下：

$a=e^{j2\mathrm{\π}(x_i\sin \left(\mathrm{DT}\right)\cos \mathrm{\φ}+y_i\cos \left(\mathrm{DT}\right)\sin \mathrm{\φ}-z_i\sin \left(\mathrm{DT}\right))},$ i＝0,1,…,K-1    公式1

或者，采用仰角θ表示的方向向量的通用计算公式如下：

$a=e^{j2\mathrm{\π}(x_i\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\cos \mathrm{\φ}+y_i\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\sin \mathrm{\φ}-z_i\cos \left(\mathrm{\θ}\right))},$ i＝0,1,…,K-1    公式2

上述公式1和公式2中，K表示阵列天线中包含的天线子阵元的数量。仍然结合图1示出的阵列天线，由于阵列天线排列在y轴和z轴确定的平面上，因此方向向量在水平方向的向量a_H和垂直方向的向量a_V可以表示如下：

其中，采用下倾角DT表示的水平方向向量和垂直方向向量如下所示：

$a_H=e^{j2\mathrm{\π}\left(y_i\cos \left(\mathrm{DT}\right)\sin \mathrm{\φ}\right)},$ i＝0,1,…,K-1    公式3

$a_V=e^{-j2\mathrm{\π}{z}_i\sin \left(\mathrm{DT}\right)},$ i＝0,1,…,K-1    公式4

其中，采用仰角θ表示的水平方向向量和垂直方向向量如下所示：

$a_H=e^{j2\mathrm{\π}\left(y_i\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\sin \mathrm{\φ}\right)},$ i＝0,1,…,K-1    公式5

$a_V=e^{j2\mathrm{\π}\left(z_i\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\right)},$ i＝0,1,…,K-1    公式6

另外，本发明实施例中，为了保证生成的三维码本在阵列天线的行方向和列方向上减少波束之间的干扰，需要对应行方向和列方向上的天线子阵元的波束之间实现正交，因此可以通过控制每个波束的主瓣之间的宽度为主瓣半波束长度的整数倍，实现波束之间的正交。如图2B所示，为采用Woodward综合法生成的三个不同仰角方向上的波束示意图：其中主瓣波束长度为60°，则主瓣半波束长度为30°，因此在进行波束控制时，可以将每个波束的主瓣之间的宽度调整为30°的整数倍，如图2B中所示，每个主瓣之间的宽度为30°。

下面结合几个实施例详细描述本发明中生成三维码本的过程，在生成三维码本后，后续传输数据时可以应用已经生成的三维码本进行发射，为了描述方便，下述实施例中均以N行M列的ULA天线为例描述三维码本的生成过程。

参见图3A，为本发明数据发送方法实施例中生成三维码本的一个实施例流程图，该实施例示出了生成垂直方向上的单流（单波束）码本的过程：

步骤301：根据垂直方向上任意一列天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量。

本实施例中，天线子阵元之间的位置关系表示每一列天线子阵元中的每个天线子阵元在垂直方向上（即z轴上）相对于三维坐标系原点的距离。由于本实施例中生成垂直方向上的码本，因此根据前述公式4或公式6示出的方向向量的通式可以获得垂直方向上的方向向量。

其中，垂直方向上以下倾角DT为变量的单流方向向量表示如下：

$a_V\left(\mathrm{DT}\right)=e^{-j{n}_{V}2\mathrm{\π}{d}_V\sin \left(\mathrm{DT}\right)}$ 公式7

结合前述公式4可知，上述公式7中，z_i＝d_V·n_V，d_V表示一列天线子阵元中，两两相邻的天线子阵元之间的位置参数，即两两相邻的天线子阵元在垂直方向上的间隔，n_V＝[0,1,…,N-1]^T中的T表示向量的转置，N表示阵列天线的行数。

其中，垂直方向上以仰角θ为变量的单波束方向向量表示如下：

$a_V\left(\mathrm{\θ}\right)=e^{j{n}_{V}2\mathrm{\π}{d}_V\cos \left(\mathrm{\θ}\right)},n_v={[\mathrm{0,1},...,N-1]}^T$ 公式8

结合前述公式6可知，上述公式8中，z_i＝d_V·n_V，d_V表示一列天线子阵元中，两两相邻的天线子阵元之间的位置参数，即两两相邻的天线子阵元在垂直方向上的间隔，n_V＝[0,1,…,N-1]^T中T表示向量的转置，N表示阵列天线的行数。

根据上述公式7生成的a_V(DT)，或根据上述公式8生成的a_V(θ)为N行1列的列向量。

步骤302：获得任意一列天线子阵元在垂直方向上的激励向量，将该激励向量与单流方向向量中的元素对应相乘，生成垂直方向上的单流预编码向量。

本步骤中，首先选择一个方向向量中的角度k，该角度表示终端在三维空间中相对于阵列天线的角度，该角度k用下倾角表示为DT_k，用仰角表示为θ_k。将角度k分别代入公式7和8中，可以得到a_V,k＝a_V(DT_k)，或者a_V,k＝a_V(θ_k)。

并且，假设按照现有技术，生成了长度为N的激励向量u_V，则该u_V能够实现垂直方向上的波束形成，u_V为1行N列的行向量。

将上述垂直方向上的激励向量u_V与垂直方向上的单流方向向量a_V,k中的元素对应相乘，生成垂直方向上的单流预编码向量b_V，k，如下所示：

b_V,k(n)=u_V(n)·a_V,k(n),n＝0，...,N-1    公式9

步骤303：将垂直方向上的单流预编码向量排列成M列，该M列单流预编码向量组成垂直方向上的单流激励矩阵。

将步骤302中生成的垂直方向上的单流预编码向量b_V,k排成M列，得到垂直方向上的单流激励矩阵A_V(k)，如下所示：

公式10

步骤304：将垂直方向上的单流激励矩阵作为阵列天线在垂直方向上的单流三维码本。

将步骤303中生成的单流激励矩阵A_V(k)作为垂直方向上单流三维码本，如下所示：

W⁽¹⁾＝{A_V(k)}    公式11

上式11中，（1）表示该三维码本对应一个数据流，即单流三维码本。

参见图3B，为应用图3A所示实施例生成的三维码本做预编码所形成的空间波束示意图：该三维码本为支持单流的指向DT_k或θ_k的三维码本W⁽¹⁾。

参见图4，为本发明数据发送方法实施例中生成三维码本的另一个实施例流程图，该实施例示出了生成水平方向上的单流（单波束）码本的过程：

步骤401：根据水平方向上任意一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量。

本实施例中，天线子阵元之间的位置关系表示每一行天线子阵元中的每个天线子阵元在水平方向上（即y轴上）相对于三维坐标系原点的距离。由于本实施例中生成水平方向上的码本，因此根据前述公式3或公式5示出的方向向量的通式可以获得水平方向上的方向向量。

其中，水平方向上以下倾角DT表示的单流方向向量表示如下：

$a_H=e^{j{n}_{H}2\mathrm{\π}{d}_H\cos \left({\mathrm{DT}}_i\right)\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}$ 公式12

结合前述公式3可知，上述公式12中，y_i＝d_H·n_H，d_H表示一行天线子阵元中，两两相邻的天线子阵元之间的位置参数，即两两相邻的天线子阵元在水平方向上的间隔，n_H＝[0,1,…,M-1]中的M表示阵列天线的列数。

其中，水平方向上以仰角θ表示的单波束方向向量表示如下：

$a_H=e^{-{\mathrm{jn}}_{H}2\mathrm{\π}{d}_H\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}$ 公式13

结合前述公式5可知，上述公式13中，y_i＝d_H·n_H，d_H表示一行天线子阵元中，两两相邻的天线子阵元之间的位置参数，即两两相邻的天线子阵元在垂直方向上的间隔，n_H＝[0,1,…,M-1]中的M表示阵列天线的列数。

根据上述公式12和公式13生成的上述生成的a_H为1行M列的行向量。

步骤402：获得任意一行天线子阵元在水平方向上的激励向量，将该激励向量与单流方向向量中的元素对应相乘，生成水平方向上的单流预编码向量。

本步骤中，首先选择一个水平方向上的固定方位角i，即φ的取值为i，表示为φ_i，该角度表示终端在三维空间中相对于阵列天线的角度。其中，对于公式12，下倾角DT可以取任意值，对于公式13，仰角θ可以取任意值。将上述角度分别代入公式12和公式13中，可以得到水平方向向量a_H，i。

并且，假设按照现有技术，生成了长度为M的激励向量u_H，则该u_H能够实现水平方向上的波束形成，u_H为1行M列的行向量。

将上述水平方向上的激励向量u_H与水平方向上的单流方向向量a_H,i中的元素对应相乘，生成水平方向上的单流预编码向量b_H,i，如下所示：

b_H,i(n)＝u_H(n)·a_H,i(n),n＝0,...,M-1    公式14

步骤403：将水平方向上的单流预编码向量排列成N行，该N行单流预编码向量组成水平方向上的单流激励矩阵。

将步骤402中生成的水平方向上的单流预编码向量b_H,i排列成N行，得到水平方向上的单流激励矩阵A_H(i)，如下所示：

公式15

步骤404：将水平方向上的单流激励矩阵作为阵列天线在水平方向上的单流三维码本。

将步骤403中生成的单流激励矩阵A_H(i)作为水平方向上单流三维码本，该三维码本为支持单流的指向φ_i的三维码本W⁽¹⁾：

W⁽¹⁾＝{A_H(i)}    公式16

上式16中，（1）表示该三维码本对应一个数据流，该三维码本可以实现对单一水平方向方位角的波束赋形。

参见图5，为本发明数据发送方法实施例中生成三维码本的另一个实施例流程图，该实施例示出了生成垂直方向上的多流（多波束）码本的过程：

步骤501：对于M列天线子阵元中的每一列天线子阵元，根据每一列天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成每一列天线子阵元指向特定角度的单流方向向量。

本实施例中，阵列天线共有M列，因此可以按照前述图3中示出的生成垂直方向上单波束的方向向量的方式，生成垂直方向上每一列天线子阵元的方向向量，M列单流方向向量可以表示如下：

$a_{V,m}=a_{V,m\left(k_m\right)}\left(n\right)$ 公式17

上述公式17中，m的取值为1至M，n的取值为1至N，k_m表示第m列天线子阵元对应的方向向量中的角度。

步骤502：获得每一列天线子阵元在垂直方向上的激励向量，将每一列天线子阵元的激励向量与单流方向向量中的元素对应相乘，生成垂直方向上每一列天线子阵元的单流预编码向量。

本步骤中，仍然按照现有技术，为每一列天线子阵元生成长度为N的激励向量u_V，m，对应垂直方向共生成M个长度为N的激励向量。

将上述垂直方向上对应每一列天线子阵元的激励向量u_V，m与方向向量a_V,m中的元素对应相乘，生成垂直方向上的M个预编码向量b_V，m，如下所示：

b_V,m(n)=u_V,m(n)·a_V,m(n),n=0，...,N-1,m=1,....,M    公式18

步骤503：根据垂直方向上每一列天线子阵元的单流预编码向量生成每一列天线子阵元的单流激励矩阵。

生成的每一列天线子阵元的单流激励矩阵包含M列，其中，第m列天线子阵元的单流激励矩阵中的第m列上，设置第m列天线子阵元的单流预编码向量，除第m列外的其它列上设置0，该m的取值为1至M，每一列天线子阵元的单流激励矩阵如下所示：

A_V(m)＝[0,…b_V,m,0,…，0]    公式19

上述公式19中，b_V,m对应的每一列激励向量u_V，m可以相同，也可以不同。根据公式19，则M列天线子阵元的单流激励矩阵如下所示：

公式20

步骤504：将对应M列天线子阵元的M个单流激励矩阵排列成M列，该M列单流激励矩阵组成垂直方向上的多流激励矩阵，将该垂直方向上的多流激励矩阵作为阵列天线在垂直方向上的多流三维码本。

将步骤503中的M个激励矩阵A_V(m)排成M列，得到垂直方向上的多流三维码本W^(M)，如下所示：

W^(M)＝{{A_V(1)},…,{A_V(M)}}    公式21

参见图5B，为应用图5A所示实施例生成的三维码本做预编码所形成的空间波束示意图：该三维码本为指向多个方向的多流三维码本W^(M)。

参见图6，为本发明数据发送方法实施例中生成三维码本的另一个实施例流程图，该实施例示出了生成水平方向上的多流（多波束）码本的过程：

步骤601：对于N行天线子阵元中的每一行天线子阵元，根据每一行天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成每一行天线子阵元指向特定角度的单流方向向量。

本实施例中，阵列天线共有N行，因此可以按照前述图4示出的生成水平方向上单波束的方向向量的方式，生成水平方向上每一行天线子阵元的方向向量，N行单流方向向量可以表示如下：

$a_{H,n}=a_{H,n\left({\mathrm{\φ}}_n\right)}\left(m\right)$ 公式22

上述公式22中，m的取值为1至M，n的取值为1至N，φ_n表示第n行天线子阵元对应的方向向量中的角度。

步骤602：获得每一行天线子阵元在水平方向上的激励向量，将每一行天线子阵元的激励向量与单流方向向量中的元素对应相乘，生成水平方向上每一行天线子阵元的单流预编码向量。

本步骤中，仍然按照现有技术，为每一行天线子阵元生成长度为M的激励向量u_H，n，对应水平方向共生成N个长度为M的激励向量。

将上述水平方向上对应每一行天线子阵元的激励向量u_H，n与方向向量a_H,n中的元素对应相乘，生成水平方向上的N个预编码向量b_H，n，如下所示：

b_H，n(m)=u_H,n(m)·a_H,n(m),m＝0,...,M-1,n=1,....,N    公式23

步骤603：根据水平方向上每一行天线子阵元的单流预编码向量生成每一行天线子阵元的单流激励矩阵。

生成的每一行天线子阵元的单流激励矩阵包含N行，其中，第n排天线子阵元的单流激励矩阵中的第n行上，设置第n排天线子阵元的单流预编码向量，除第n行外的其它行上设置0，所述n的取值为1至N，每一行天线子阵元的单流激励矩阵如下所示：

公式24

上述公式24中，b_H,n对应的每一行激励向量u_H，n可以相同，也可以不同。根据公式24，则N行天线子阵元的单流激励矩阵如下所示：

公式25

步骤604：将对应N行天线子阵元的N个单流激励矩阵排列成N行，该N行单流激励矩阵组成水平方向上的多流激励矩阵，将该水平方向上的多流激励矩阵作为阵列天线在水平方向上的多流三维码本。

将步骤603中的N个激励矩阵A_H(N)排成N列，得到水平方向上的多流三维码本W^(N)，如下所示：

W^(N)＝{{A_H(1)}，…,{A_H(N)}}    公式26

参见图7A，为本发明数据发送方法实施例中生成三维码本的另一个实施例流程图，该实施例示出了生成垂直和水平联合方向上的多流（多波束）码本的过程：

步骤701：生成垂直方向上的单流激励矩阵，以及生成水平方向上的单流激励矩阵。

其中，在生成垂直方向上的单流激励矩阵时，可以根据任意一列天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量，获得任意一列天线子阵元在垂直方向上的激励向量，将该激励向量与单流方向向量中的元素对应相乘，生成垂直方向上的单流预编码向量，将垂直方向上的单流预编码向量排列成M列，生成垂直方向上的单流激励矩阵。具体的，生成垂直方向上的单流激励矩阵的详细过程可以参见前述图3中的步骤301至步骤303，得到的垂直方向上的单流激励矩阵为

其中，在生成水平方向上的单流激励矩阵时，根据任意一行天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量，获得任意一行天线子阵元在水平方向上的激励向量，将该激励向量与单流方向向量中的元素对应相乘，生成水平方向上的单流预编码向量，以及将水平方向上的单流预编码向量排列成N行，生成水平方向上的单流激励矩阵。具体的，生成水平方向上的单流激励矩阵的详细过程可以参见前述图4中的步骤401至步骤403，得到的水平方向上的单流激励矩阵为

步骤702：将垂直方向上的单流激励矩阵和水平方向上的单流激励矩阵中的元素对应相乘，得到每个数据流的单流激励矩阵，每个数据流的单流激励矩阵组成多个数据流的多流激励矩阵。

将步骤701中的A_V(k)和A_H(i)中的所有元素对应相乘，得到矩阵A(k,i)，如下所示：

公式27

上述公式27中，

运算表示两个同维度矩阵中的所有元素对应相乘，即同为N行M列的两个矩阵A_V(k)和A_H(i)中位于同一位置上的元素相乘。

步骤703：将多个数据流的多流激励矩阵作为阵列天线在垂直方向和水平方向上的多流三维码本。

假设每个数据流的多流激励矩阵如下所示：

B(k+(i-1)N)＝A(k,i),1≤k≤N,1≤i≤M    公式28

则根据上述公式28可知，可以得到如下最大支持N·M流的三维预编码矩阵为：

W^(N×M)＝{{B(1)},{B(2)},L,B(N·M)}}    公式29

根据上述公式29示出的三维预编码矩阵，可以得到支持L流的三维预编码矩阵W^(L)，W^(L)为从上述W^(N×M)中选出的L个子矩阵B(m),1≤m≤N·M，其中L小于等于N·M，N×M表示该三维预编码矩阵为N行M列的阵列天线对应的预编码矩阵。

参见图7B，为应用图7A所示实施例生成的三维码本做预编码所形成的空间波束示意图：该三维码本为指向垂直和水平的不同方向上的多流三维码本W^(N×M)。

参见图8，为应用前述本发明实施例中生成的三维码本进行信号发射的系统架构图：

图8示出的系统架构中，包含共支持L流的三维码本W^(l)，l的取值为0至L-1，L≤N·M；每个三维码本W^(l)包含N行M列元素，因此对应每一个元素设置一个乘法器

每个三维码本W^(l)对应设置N·M个乘法器不同三维码本位于同一位置上的元素对应一个加法器

整个系统架构内设置N·M个加法器

图8中，假设有L个数据流x^{l},0≤l≤L-1，则每个数据流与其对应的三维码本W^(l)相乘，由于每个数据流包含多个数据符号，则上述相乘的过程为第i个时频资源上的第l个空间流上的数据符号x^{l}与三维码本W^(l)中的每个元素对应相乘，所有第i个时频资源上的第l个空间流上的数据符号与W^(l)中的同一位置上的元素通过乘法器相乘后输出到对应该位置的加法器上进行累加，然后将累加结果输出，得到预编码后的数据流，当L＝N·M时，上述过程可以通过如下公式表示：

$y^{(N\×M)}\left(i\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{W}^{\left\{l\right\}}\left(i\right)\·x^{\left\{l\right\}}\left(i\right)$ 公式30

经过上述公式30预编码后的数据流y^(N×M)(i)，输出到N行M列的阵列天线上的对应天线子阵元上，然后通过每个天线子阵元上的天线端口将预编码后的数据符号发送出去。将y^(N×M)(i)得到的结果送到阵列天线的各个子阵元的端口上去，以实现多流数据的并行发送。

由上述实施例可见，采用阵列天线对数据进行发射，由于阵列天线具有更多的发射天线数，因而可以具有更多可用的自由空间度；并且由于本发明实施例可以针对阵列天线生成三维空间的三维码本，因此可以应用到面状阵列天线上，在三维空间上形成波束赋形，相应获得三维空间上的自适应覆盖范围，从而提高通信系统的发射容量。

与本发明数据发送方法的实施例相对应，本发明还提供了数据发送装置及发射机的实施例。

参见图9A，为本发明阵列天线通信系统中的数据发送装置的实施例框图，该阵列天线包含在三维空间的多个方向上排列的多个天线子阵元。

该装置包括：生成单元910、编码单元920和发送单元930。

其中，生成单元910，用于按照所述阵列天线的多个天线子阵元的排布方式生成三维码本,所述多个天线子阵元在三维空间的多个方向上排列；

编码单元920，用于通过所述生成单元910生成的所述三维码本对待发送的数据流进行预编码得到预编码后的数据流；

发送单元930，用于将所述编码单元920预编码后的数据流在多个天线子阵元上进行发射。

可选的，所述编码单元920可以包括（图9中未示出）：

矩阵相乘子单元，用于将所述待发送的K个数据流中的第k个数据流的数据符号分别与所述三维码本中的第k个激励矩阵中的元素相乘，得到K个数据符号矩阵，所述K为自然数；

符号累加子单元，用于将所述K个数据符号矩阵中位于同一位置的数据符号进行累加，得到一个累加后的数据符号矩阵；

相应的，所述发送单元930，可以具体用于将所述累加后的数据符号矩阵中的每个数据符号分别在多个天线子阵元上进行发射。

参见图9B，为图9A中生成单元910的实施例框图：

该生成单元910可以包括：

预编码向量生成子单元911，用于按照所述多个天线子阵元的排布方式获得预编码向量；

激励矩阵生成子单元912，用于根据所述预编码向量生成子单元911生成的预编码向量生成激励矩；

三维码本生成子单元913，用于通过所述激励矩阵生成子单元912生成的激励矩阵生成三维码本。

本实施例中，所述阵列天线可以由第一方向上的M’排天线子阵元和第二方向上的N’排天线子阵元组成，所述M’和N’为大于1的自然数；

预编码向量，可以包括：第一方向上的元素个数为N的单流预编码向量，所述N为不大于N’的自然数；或者，第二方向上的元素个数为M的单流预编码向量，所述M为不大于M’的自然数；

激励矩阵可以包括：根据第一方向上的单流预编码向量生成的单流激励矩阵；或者，根据第二方向上的单流预编码向量生成的单流激励矩阵；或者，根据第一方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵；或者，根据第二方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵；或者，根据第一方向上的单流预编码向量和第二方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵。

可选的，在一个具体的实施例中：

预编码向量生成子单元911，具体用于根据所述第一方向上任意一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量，获得所述任意一排天线子阵元在第一方向上的激励向量，将所述激励向量的多个元素与所述单流方向向量中的多个元素对应相乘，生成所述第一方向上的单流预编码向量；

激励矩阵生成子单元912，具体用于将所述第一方向上的单流预编码向量排列成M列，所述M列单流预编码向量组成所述第一方向上的单流激励矩阵；

三维码本生成子单元913，具体用于将所述第一方向上的单流激励矩阵作为所述阵列天线在第一方向上的单流三维码本。

可选的，在另一个具体的实施例中：

预编码向量生成子单元911，具体用于根据所述第二方向上任意一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量，获得所述任意一排天线子阵元在第二方向上的激励向量，将所述激励向量的多个元素与所述单流方向向量中的多个元素对应相乘，生成所述第二方向上的单流预编码向量；

激励矩阵生成子单元912，具体用于将所述第二方向上的单流预编码向量排列成N行，所述N行单流预编码向量组成所述水平方向上的单流激励矩阵；

三维码本生成子单元913，具体用于将所述第二方向上的单流激励矩阵作为所述阵列天线在第二方向上的单流三维码本。

可选的，在另一个具体的实施例中：

预编码向量生成子单元911，具体用于对于所述M排天线子阵元中的每一排天线子阵元，根据所述每一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成所述每一排天线子阵元指向特定角度的单流方向向量，获得所述每一排天线子阵元在第一方向上的激励向量，将每一排天线子阵元的激励向量与单流方向向量中的元素对应相乘，生成所述第一方向上每一排天线子阵元的单流预编码向量；

激励矩阵生成子单元912，具体用于根据第一方向上每一排天线子阵元的单流预编码向量生成每一排天线子阵元的单流激励矩阵，所述单流激励矩阵包含M列，其中，第m排天线子阵元的单流激励矩阵中的第m列上设置第m排天线子阵元的单流预编码向量，除所述第m列外的其它列上设置0，所述m的取值为1至M的整数，将对应M排天线子阵元的M个单流激励矩阵排列成M列，所述M列单流激励矩阵组成第一方向上的多流激励矩阵；

三维码本生成子单元913，具体用于将所述第一方向上的多流激励矩阵作为所述阵列天线在第一方向上的多流三维码本。

可选的，在另一个具体的实施例中：

预编码向量生成子单元911，具体用于对于所述N排天线子阵元中的每一排天线子阵元，根据所述每一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成所述每一排天线子阵元指向特定角度的单流方向向量，获得所述每一排天线子阵元在第二方向上的激励向量，将每一排天线子阵元的激励向量与单流方向向量中的元素对应相乘，生成所述水平方向上每一排天线子阵元的单流预编码向量；

激励矩阵生成子单元912，具体用于根据第二方向上每一排天线子阵元的单流预编码向量生成每一排天线子阵元的单流激励矩阵，所述单流激励矩阵包含N行，其中，第n排天线子阵元的单流激励矩阵中的第n行上设置第n排天线子阵元的单流预编码向量，除所述第n行外的其它行上设置0，所述n的取值为1至N的整数，将对应N排天线子阵元的N个单流激励矩阵排列成N行，所述N行单流激励矩阵组成第二方向上的多流激励矩阵；

三维码本生成子单元913，具体用于将所述第二方向上的多流激励矩阵作为所述阵列天线在第二方向上的多流三维码本。

可选的，在另一个具体的实施例中：

预编码向量生成子单元911，具体用于根据任意一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量，获得所述任意一排天线子阵元在第一方向上的激励向量，将所述激励向量的多个元素与所述单流方向向量中的多个元素对应相乘，生成所述第一方向上的单流预编码向量；以及，根据任意一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量，获得所述任意一排天线子阵元在第二方向上的激励向量，将所述激励向量的多个元素与所述单流方向向量中的多个元素对应相乘，生成所述第二方向上的单流预编码向量；

激励矩阵生成子单元912，具体用于将所述第一方向上的单流预编码向量排列成M列，生成所述垂直方向上的单流激励矩阵，以及将所述第二方向上的单流预编码向量排列成N行，生成所述水平方向上的单流激励矩阵，将多个数据流中的每个数据流对应的所述第一方向上的单流激励矩阵中的元素和所述第二方向上的单流激励矩阵中的元素对应相乘，得到每个数据流的单流激励矩阵，所述每个数据流的单流激励矩阵组成所述多个数据流的多流激励矩阵；

三维码本生成子单元913，具体用于将所述多个数据流的多流激励矩阵作为所述阵列天线在第一方向和第二方向上的多流三维码本。

参见图10，为本发明发射机的实施例框图，该发射机可以应用在阵列天线通信系统中：

该发射机包括：阵列天线1010和处理器1020。

其中，所述阵列天线1010，包含在三维空间的多个方向上排列的多个天线子阵元；

所述处理器1020，用于按照所述阵列天线的多个天线子阵元的排布方式生成三维码本,所述多个天线子阵元在三维空间的多个方向上排列，通过所述三维码本对待发送的数据流进行预编码得到预编码后的数据流，并将所述预编码后的数据流输出到对应的天线子阵元上进行发射。

其中，所述处理器1020，可以具体用于按照所述多个天线子阵元的排布方式获得预编码向量，根据所述预编码向量生成激励矩阵，通过所述激励矩阵生成三维码本。

其中，所述处理器1020，可以具体用于将所述待发送的K个数据流中的第k个数据流的数据符号分别与所述三维码本中的第k个激励矩阵中的元素相乘，得到K个数据符号矩阵，所述K为自然数，将所述K个数据符号矩阵中位于同一位置的数据符号进行累加，得到一个累加后的数据符号矩阵，将所述累加后的数据符号矩阵中的每个数据符号分别在多个天线子阵元上进行发射。

在上述实施例中，阵列天线1010可以由第一方向上的M’排天线子阵元和第二方向上的N’排天线子阵元组成，所述M’和N’为大于1的自然数。可选的，所述第一方向上每一排天线子阵元中相邻的两个天线子阵元之间的间隔相等；和/或，所述第二方向上每一排天线子阵元中相邻的两个天线子阵元之间的间隔相等。

可选的，所述阵列天线1010中的天线子阵元使用的极化方式包括：线性极化、交叉极化或圆极化。

可选的，所述阵列天线1010可以为由第一阵列天线和第二阵列天线合并后组成的阵列天线；或者，所述阵列天线1010也可以为从第三阵列天线中划分出的子阵列天线。

由上述实施例可见，阵列天线包含在三维空间的多个方向上排列的多个天线子阵元，当采用该阵列天线进行数据发射时，按照多个天线子阵元的排布方式生成三维码本，通过所述三维码本对待发送的数据流进行预编码，并将预编码后的数据流在多个天线子阵元上进行发射。应用本发明实施例，采用阵列天线对数据进行发射，由于阵列天线具有更多的发射天线数，因而可以具有更多可用的自由空间度；并且由于本发明实施例可以针对阵列天线生成三维空间的三维码本，因此可以应用到面状阵列天线上，在三维空间上形成波束赋形，相应获得三维空间上的自适应覆盖范围，从而提高通信系统的发射容量。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (28)

1.一种阵列天线通信系统中的数据发送方法，其特征在于，所述阵列天线包含在三维空间的多个方向上排列的多个天线子阵元，所述方法包括：

按照所述阵列天线的多个天线子阵元的排布方式生成三维码本,所述多个天线子阵元在三维空间的多个方向上排列；

通过所述三维码本对待发送的数据流进行预编码得到预编码后的数据流，并将所述预编码后的数据流在多个天线子阵元上进行发射。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照所述阵列天线的多个天线子阵元的排布方式生成三维码本，包括：

按照所述多个天线子阵元的排布方式获得预编码向量；

根据所述预编码向量生成激励矩阵；

通过所述激励矩阵生成三维码本。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述阵列天线由第一方向上的M’排天线子阵元和第二方向上的N’排天线子阵元组成，所述M’和N’为大于1的自然数；

所述预编码向量，包括：

第一方向上的元素个数为N的单流预编码向量，所述N为不大于N’的自然数；或者，第二方向上的元素个数为M的单流预编码向量，所述M为不大于M’的自然数；

所述激励矩阵，包括：

根据第一方向上的单流预编码向量生成的单流激励矩阵；或者，

根据第二方向上的单流预编码向量生成的单流激励矩阵；或者，

根据第一方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵；或者，

根据第二方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵；或者，

根据第一方向上的单流预编码向量和第二方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，按照所述多个天线子阵元的排布方式获得第一方向上的单流预编码向量，包括：

根据所述第一方向上任意一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量；

获得所述任意一排天线子阵元在第一方向上的激励向量；

将所述激励向量的多个元素与所述单流方向向量中的多个元素对应相乘，生成所述第一方向上的单流预编码向量；

根据第一方向上的单流预编码向量生成单流激励矩阵，包括：

将所述第一方向上的单流预编码向量排列成M列，所述M列单流预编码向量组成所述第一方向上的单流激励矩阵；

通过所述激励矩阵生成三维码本，包括：

将所述第一方向上的单流激励矩阵作为所述阵列天线在第一方向上的单流三维码本。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，按照所述多个天线子阵元的排布方式获得第二方向上的单流预编码向量，包括：

根据所述第二方向上任意一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量；

获得所述任意一排天线子阵元在第二方向上的激励向量；

将所述激励向量的多个元素与所述单流方向向量中的多个元素对应相乘，生成所述第二方向上的单流预编码向量；

根据第二方向上的单流预编码向量生成单流激励矩阵，包括：

将所述第二方向上的单流预编码向量排列成N行，所述N行单流预编码向量组成所述水平方向上的单流激励矩阵；

所述通过所述激励矩阵生成三维码本，包括：

将所述第二方向上的单流激励矩阵作为所述阵列天线在第二方向上的单流三维码本。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，按照所述多个天线子阵元的排布方式获得第一方向上的单流预编码向量，包括：

对于所述M排天线子阵元中的每一排天线子阵元，根据所述每一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成所述每一排天线子阵元指向特定角度的单流方向向量；

获得所述每一排天线子阵元在第一方向上的激励向量；

将每一排天线子阵元的激励向量与单流方向向量中的元素对应相乘，生成所述第一方向上每一排天线子阵元的单流预编码向量；

所述根据第一方向上的单流预编码向量生成多流激励矩阵，包括：

根据第一方向上每一排天线子阵元的单流预编码向量生成每一排天线子阵元的单流激励矩阵，所述单流激励矩阵包含M列，其中，第m排天线子阵元的单流激励矩阵中的第m列上设置第m排天线子阵元的单流预编码向量，除所述第m列外的其它列上设置0，所述m的取值为1至M的整数；

将对应M排天线子阵元的M个单流激励矩阵排列成M列，所述M列单流激励矩阵组成第一方向上的多流激励矩阵；

通过所述激励矩阵生成三维码本，具体为：

将所述第一方向上的多流激励矩阵作为所述阵列天线在第一方向上的多流三维码本。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，按照所述多个天线子阵元的排布方式获得第二方向上的单流预编码向量，包括：

对于所述N排天线子阵元中的每一排天线子阵元，根据所述每一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成所述每一排天线子阵元指向特定角度的单流方向向量；

获得所述每一排天线子阵元在第二方向上的激励向量；

将每一排天线子阵元的激励向量与单流方向向量中的元素对应相乘，生成所述水平方向上每一排天线子阵元的单流预编码向量；

根据第二方向上的单流预编码向量生成多流激励矩阵，包括：

根据第二方向上每一排天线子阵元的单流预编码向量生成每一排天线子阵元的单流激励矩阵，所述单流激励矩阵包含N行，其中，第n排天线子阵元的单流激励矩阵中的第n行上设置第n排天线子阵元的单流预编码向量，除所述第n行外的其它行上设置0，所述n的取值为1至N的整数；

将对应N排天线子阵元的N个单流激励矩阵排列成N行，所述N行单流激励矩阵组成第二方向上的多流激励矩阵；

通过所述激励矩阵生成三维码本，具体为：

将所述第二方向上的多流激励矩阵作为所述阵列天线在第二方向上的多流三维码本。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，按照所述多个天线子阵元的排布方式获得第一方向和第二方向上的单流预编码向量，包括：

根据任意一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量，获得所述任意一排天线子阵元在第一方向上的激励向量，将所述激励向量的多个元素与所述单流方向向量中的多个元素对应相乘，生成所述第一方向上的单流预编码向量；

根据任意一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量，获得所述任意一排天线子阵元在第二方向上的激励向量，将所述激励向量的多个元素与所述单流方向向量中的多个元素对应相乘，生成所述第二方向上的单流预编码向量；

根据第一方向上的单流预编码向量和第二方向上的单流预编码向量生成多流激励矩阵，包括：

将所述第一方向上的单流预编码向量排列成M列，生成所述垂直方向上的单流激励矩阵，以及将所述第二方向上的单流预编码向量排列成N行，生成所述水平方向上的单流激励矩阵；

将多个数据流中的每个数据流对应的所述第一方向上的单流激励矩阵中的元素和所述第二方向上的单流激励矩阵中的元素对应相乘，得到每个数据流的单流激励矩阵，所述每个数据流的单流激励矩阵组成所述多个数据流的多流激励矩阵；

通过所述激励矩阵生成三维码本，包括：

将所述多个数据流的多流激励矩阵作为所述阵列天线在第一方向和第二方向上的多流三维码本。

9.根据权利要求6至8任意一项所述的方法，其特征在于，所述多流激励矩阵中的单流激励矩阵对应的特定角度的旋转向量的间隔，为所述激励向量产生的半主波束宽度的整数倍。

10.根据权利要求3至9任意一项所述的方法，其特征在于，

所述第一方向上每一排天线子阵元中相邻的两个天线子阵元之间的间隔相等；和/或，

所述第二方向上每一排天线子阵元中相邻的两个天线子阵元之间的间隔相等。

11.根据权利要求1至10任意一项所述的方法，其特征在于，所述通过所述三维码本对待发送的数据流进行预编码，包括：

将所述待发送的K个数据流中的第k个数据流的数据符号分别与所述三维码本中的第k个激励矩阵中的元素相乘，得到K个数据符号矩阵，所述K为自然数；

将所述K个数据符号矩阵中位于同一位置的数据符号进行累加，得到一个累加后的数据符号矩阵；

所述将预编码后数据流在多个天线子阵元上进行发射，包括：

将所述累加后的数据符号矩阵中的每个数据符号分别在多个天线子阵元上进行发射。

12.根据权利要求1至11任意一项所述的方法，其特征在于，所述阵列天线中的天线子阵元使用的极化方式包括：线性极化、交叉极化或圆极化。

13.根据权利要求1至12任意一项所述的方法，其特征在于，

所述阵列天线为由第一阵列天线和第二阵列天线合并后组成的阵列天线；或者，

所述阵列天线为从第三阵列天线中划分出的子阵列天线。

14.一种阵列天线通信系统中的数据发送装置，其特征在于，所述阵列天线包含在三维空间的多个方向上排列的多个天线子阵元，所述装置包括：

生成单元，用于按照所述阵列天线的多个天线子阵元的排布方式生成三维码本,所述多个天线子阵元在三维空间的多个方向上排列；

编码单元，用于通过所述生成单元生成的所述三维码本对待发送的数据流进行预编码得到预编码后的数据流；

发送单元，用于将所述编码单元预编码后的数据流在多个天线子阵元上进行发射。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述生成单元包括：

预编码向量生成子单元，用于按照所述多个天线子阵元的排布方式获得预编码向量；

激励矩阵生成子单元，用于根据所述预编码向量生成子单元生成的预编码向量生成激励矩；

三维码本生成子单元，用于通过所述激励矩阵生成子单元生成的激励矩阵生成三维码本。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述阵列天线由第一方向上的M’排天线子阵元和第二方向上的N’排天线子阵元组成，所述M’和N’为大于1的自然数；

所述预编码向量，包括：

第一方向上的元素个数为N的单流预编码向量，所述N为不大于N’的自然数；或者，第二方向上的元素个数为M的单流预编码向量，所述M为不大于M’的自然数；

所述激励矩阵，包括：

根据第一方向上的单流预编码向量生成的单流激励矩阵；或者，

根据第二方向上的单流预编码向量生成的单流激励矩阵；或者，

根据第一方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵；或者，

根据第二方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵；或者，

根据第一方向上的单流预编码向量和第二方向上的单流预编码向量生成的多流激励矩阵。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，

预编码向量生成子单元，具体用于根据所述第一方向上任意一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量，获得所述任意一排天线子阵元在第一方向上的激励向量，将所述激励向量的多个元素与所述单流方向向量中的多个元素对应相乘，生成所述第一方向上的单流预编码向量；

激励矩阵生成子单元，具体用于将所述第一方向上的单流预编码向量排列成M列，所述M列单流预编码向量组成所述第一方向上的单流激励矩阵；

三维码本生成子单元，具体用于将所述第一方向上的单流激励矩阵作为所述阵列天线在第一方向上的单流三维码本。

18.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，

预编码向量生成子单元，具体用于根据所述第二方向上任意一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量，获得所述任意一排天线子阵元在第二方向上的激励向量，将所述激励向量的多个元素与所述单流方向向量中的多个元素对应相乘，生成所述第二方向上的单流预编码向量；

激励矩阵生成子单元，具体用于将所述第二方向上的单流预编码向量排列成N行，所述N行单流预编码向量组成所述水平方向上的单流激励矩阵；

三维码本生成子单元，具体用于将所述第二方向上的单流激励矩阵作为所述阵列天线在第二方向上的单流三维码本。

19.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，

预编码向量生成子单元，具体用于对于所述M排天线子阵元中的每一排天线子阵元，根据所述每一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成所述每一排天线子阵元指向特定角度的单流方向向量，获得所述每一排天线子阵元在第一方向上的激励向量，将每一排天线子阵元的激励向量与单流方向向量中的元素对应相乘，生成所述第一方向上每一排天线子阵元的单流预编码向量；

激励矩阵生成子单元，具体用于根据第一方向上每一排天线子阵元的单流预编码向量生成每一排天线子阵元的单流激励矩阵，所述单流激励矩阵包含M列，其中，第m排天线子阵元的单流激励矩阵中的第m列上设置第m排天线子阵元的单流预编码向量，除所述第m列外的其它列上设置0，所述m的取值为1至M的整数，将对应M排天线子阵元的M个单流激励矩阵排列成M列，所述M列单流激励矩阵组成第一方向上的多流激励矩阵；

三维码本生成子单元，具体用于将所述第一方向上的多流激励矩阵作为所述阵列天线在第一方向上的多流三维码本。

20.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，

预编码向量生成子单元，具体用于对于所述N排天线子阵元中的每一排天线子阵元，根据所述每一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成所述每一排天线子阵元指向特定角度的单流方向向量，获得所述每一排天线子阵元在第二方向上的激励向量，将每一排天线子阵元的激励向量与单流方向向量中的元素对应相乘，生成所述水平方向上每一排天线子阵元的单流预编码向量；

激励矩阵生成子单元，具体用于根据第二方向上每一排天线子阵元的单流预编码向量生成每一排天线子阵元的单流激励矩阵，所述单流激励矩阵包含N行，其中，第n排天线子阵元的单流激励矩阵中的第n行上设置第n排天线子阵元的单流预编码向量，除所述第n行外的其它行上设置0，所述n的取值为1至N的整数，将对应N排天线子阵元的N个单流激励矩阵排列成N行，所述N行单流激励矩阵组成第二方向上的多流激励矩阵；

三维码本生成子单元，具体用于将所述第二方向上的多流激励矩阵作为所述阵列天线在第二方向上的多流三维码本。

21.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，

预编码向量生成子单元，具体用于根据任意一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量，获得所述任意一排天线子阵元在第一方向上的激励向量，将所述激励向量的多个元素与所述单流方向向量中的多个元素对应相乘，生成所述第一方向上的单流预编码向量；以及，根据任意一排天线子阵元中两两相邻的子阵元之间的位置参数，生成指向特定角度的单流方向向量，获得所述任意一排天线子阵元在第二方向上的激励向量，将所述激励向量的多个元素与所述单流方向向量中的多个元素对应相乘，生成所述第二方向上的单流预编码向量；

激励矩阵生成子单元，具体用于将所述第一方向上的单流预编码向量排列成M列，生成所述垂直方向上的单流激励矩阵，以及将所述第二方向上的单流预编码向量排列成N行，生成所述水平方向上的单流激励矩阵，将多个数据流中的每个数据流对应的所述第一方向上的单流激励矩阵中的元素和所述第二方向上的单流激励矩阵中的元素对应相乘，得到每个数据流的单流激励矩阵，所述每个数据流的单流激励矩阵组成所述多个数据流的多流激励矩阵；

三维码本生成子单元，具体用于将所述多个数据流的多流激励矩阵作为所述阵列天线在第一方向和第二方向上的多流三维码本。

22.根据权利要求14至21任意一项所述的装置，其特征在于，所述编码单元包括：

矩阵相乘子单元，用于将所述待发送的K个数据流中的第k个数据流的数据符号分别与所述三维码本中的第k个激励矩阵中的元素相乘，得到K个数据符号矩阵，所述K为自然数；

符号累加子单元，用于将所述K个数据符号矩阵中位于同一位置的数据符号进行累加，得到一个累加后的数据符号矩阵；

所述发送单元，具体用于将所述累加后的数据符号矩阵中的每个数据符号分别在多个天线子阵元上进行发射。

23.一种发射机，其特征在于，所述发射机应用在阵列天线通信系统中，所述发射机包括：阵列天线和处理器，其中，

所述阵列天线，包含在三维空间的多个方向上排列的多个天线子阵元；

所述处理器，用于按照所述阵列天线的多个天线子阵元的排布方式生成三维码本,所述多个天线子阵元在三维空间的多个方向上排列，通过所述三维码本对待发送的数据流进行预编码得到预编码后的数据流，并将所述预编码后的数据流输出到对应的天线子阵元上进行发射。

24.根据权利要求23所述的发射机，其特征在于，

所述处理器，具体用于按照所述多个天线子阵元的排布方式获得预编码向量，根据所述预编码向量生成激励矩阵，通过所述激励矩阵生成三维码本。

25.根据权利要求23或24任意一项所述的发射机，其特征在于，

所述处理器，具体用于将所述待发送的K个数据流中的第k个数据流的数据符号分别与所述三维码本中的第k个激励矩阵中的元素相乘，得到K个数据符号矩阵，所述K为自然数，将所述K个数据符号矩阵中位于同一位置的数据符号进行累加，得到一个累加后的数据符号矩阵，将所述累加后的数据符号矩阵中的每个数据符号分别在多个天线子阵元上进行发射。

26.根据权利要求23至25任意一项所述的发射机，其特征在于，

所述阵列天线由第一方向上的M’排天线子阵元和第二方向上的N’排天线子阵元组成，所述M’和N’为大于1的自然数；其中，

所述第一方向上每一排天线子阵元中相邻的两个天线子阵元之间的间隔相等；和/或，

所述第二方向上每一排天线子阵元中相邻的两个天线子阵元之间的间隔相等。

27.根据权利要求23至26任意一项所述的发射机，其特征在于，所述阵列天线中的天线子阵元使用的极化方式包括：线性极化、交叉极化或圆极化。

28.根据权利要求23至27任意一项所述的发射机，其特征在于，

所述阵列天线为由第一阵列天线和第二阵列天线合并后组成的阵列天线；或者，

所述阵列天线为从第三阵列天线中划分出的子阵列天线。

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