CN103916174B - 一种频分双工系统中的联合空域与极化域波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种频分双工系统中的联合空域与极化域波束形成方法。无线传播中的多径效应、极化旋转和极化色散效应会引起无线信号极化特征的变化，从而导致信号在接收端的极化失配，引起接收信噪比恶化。传统数字波束形成技术无法单独通过空域信号处理来弥补极化失配所造成的性能损失。为了弥补该损失，本发明将终端反馈给基站的预编码与交叉天线平均接收功率比互易相结合，形成了一种联合空域和极化域的发射波束形成方法。该方法不仅能够在空域实现信号的增强，还能够弥补收发端极化不匹配造成的信噪比损失。本发明为频分双工系统中联合空域与极化域发射数字波束形成技术的实际应用提供了有益的参考方案。

Description

一种频分双工系统中的联合空域与极化域波束形成方法

技术领域

本发明属于阵列信号处理技术领域，涉及一种频分双工系统中的联合空域与极化域波束形成方法，能够广泛地应用到多天线无线移动通信系统中。

背景技术

波束形成又叫空域滤波，是一种使用多天线阵列定向发送和接收信号的信号处理技术。波束形成技术通过调整相位阵列的基本单元的参数，使得某些角度的信号获得相长干涉，而另一些角度的信号获得相消干涉。波束形成既可以用于信号发射端，又可以用于信号接收端。波束形成技术在发射端时，波束形成器控制每一个发射装置的相位和信号幅度，从而在发射出的信号波阵中获得需要相长和相消干涉模式。在接收端，不同接收器接收到的信号以一种恰当的方式组合起来，从而获得期望的信号辐射模式。

与此同时，在空间传播中由于无线电波和电离层中电子的相互作用(法拉第效应)会造成无线电波极化方向的旋转。另外，空中水气凝结物会造成无线电波的去极化效果，从而改变电波的极化状态，以至于功率从预期极化状态转变到一种非预期的正交极化状态。在这种情况下，由于收发端极化的不匹配，会导致接收信噪比的损失(最差情况是收端天线极化方向和经过空间传播后的发端电波极化完全正交，导致接收功率为0)。

在TDD(Time Division Duplexing，时分双工)系统下，由于上下行信道具备完全的互易性，因此利用上行信道估计结果可以获得下行波束赋形权值，从而实现下行最大比发射(MRT，Maximum Ratio Transmit)，进而实现最佳的波束指向和极化匹配，达到最佳接收性能。但对于FDD(Frequency Division Duplexing频分双工)系统，由于上下行传输频点不同，导致上行瞬时信道和下行瞬时信道有很大差异，无法直接通过上行信道来获取满足最佳波束角度和最佳极化匹配的最优的下行波束权值。

对于FDD系统，目前协议中通常采用闭环预编码方法，但其由于只对发天线进行相位加权，提高收发端极化匹配程度的效果有限，仍存在较大的极化不匹配造成的功率损失，其接收机性能受限。

在3GPP LTE Release 9 36.211标准协议中，对于FDD系统，目前协议中主要采用下行预编码最优选择方法：UE(User Equipment)接收信号后，进行信道动态估计得到信道矩阵H，通过“最优码本选择算法(如基于接收信噪比最大化准则的码本选择算法)”来获得最佳预编码矩阵对应的序号PMI(Precoding Matrix Index)。UE将PMI通过上行反馈信道反馈给激战。基站获得PMI信息之后，从码本矩阵中选择PMI对应的码本，作为下行发射的权值向量，基站的多天线同时发射信号s时，以此加权向量信息进行相位加权，实现波束赋形。但由于预编码矩阵数目有限，通过UE反馈的PMI来选择的权值向量进行发射波束形成时会存在量化误差。该方法在应用于双极化天线发射波束形成波时，实际就是对正交极化天线的发射信号进行了相位加权，再加上相位量化误差的存在，无法精确调整主极化角度，从而抑制极化不匹配造成的功率损失效果有限。

Y.C.Liang，Hochwald等人在2001年就提出了利用FDD系统上下行信道二阶统计特征的相似性来设计发射DBF权值。M.Jordan用FDD系统上下行信道空时相关矩阵所满足的互易特征，基站侧基于上行信道估计所得的空时相关矩阵来获取下行空时相关矩阵，然后即可进一步得到下行波束形成权值。类似地，摩托罗拉、爱立信、华为等公司在3GPP标准提案和专利中也分别提出了利用FDD系统上下行角度功率谱互易和二阶统计特性的互易来设计下行发射DBF权值。但是，这些公开资料同样没有解决收发端极化不匹配所造成的信噪比损失的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种频分双工系统中的联合空域与极化域波束形成方法，利用上下行信道在空域和极化域特征的互易性，设计了发射波束形成权值，提高了整个系统发射波束形成的接收信噪比。

本发明的技术方案是：一种频分双工系统中的联合空域与极化域波束形成方法，步骤如下：

1)用户端UE根据下行信道估计结果，在预编码集合中根据用户端接收信噪比最大准则选择最优的预编码向量，并将最优预编码向量对应的序号PMI通过上行控制信道反馈给基站；所述的基站配备N/2个双极化天线阵子单元，每个阵子单元包含两个正交极化天线阵子，共配备有N个天线阵子，N为大于1的正整数；

2)基站根据上行控制信道获取UE反馈的最优预编码向量的序号PMI，在预编码集合中选出对应的最优预编码向量

3)基站计算获得上行多天线信道的平均增益比向量具体计算步骤如下：

31)基站基于上行信道估计结果得到上行N个接收天线的平均接收功率G₁,...,G_N；

32)对步骤31)得到的N个接收天线的平均接收功率G₁,...,G_N分别进行开根号处理，进而得到平均增益比向量

4)对平均增益比向量进行功率归一化处理，得到模值为1的归一化平均增益比向量矩阵

5)将上行反馈的最优预编码向量和模值为1的归一化平均增益比向量矩阵进行点乘，得到波束赋形所需的权值向量

6)将权值向量w与发射信号s相乘，得到w₁s,w₂s,...,w_Ns；将信号w₁s,w₂s,...,w_Ns分别通过第1,...,N个发射天线发射，完成整个联合空域和极化域发射波束形成的整个过程。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)实现了一种在极化域进行波束形成的方法，能够在空域波束形成的基础上进一步增强期望信号、抑制干扰；

(2)将“闭环预编码”与“正交极化接收天线的平均增益比向量”相结合，得到结合了正交极化天线平均增益比向量的多天线加权复向量，以此加权向量可进行多极化天线在空域和极化域的联合波束形成。

(3)利用正交极化天线的接收平均功率增益比向量在不同频点上的互易性，实现了FDD系统下获取收发端极化匹配所带来的性能增益。

附图说明

图1为联合空域和极化域的波束形成方案流程图；

图2为极化天线编号的示意图。

具体实施方式

图1为本发明方法流程图，下面根据说明书附图对本发明进行介绍，具体实施过程如下：

实施例1：

1)用户端UE(User Equipment)根据下行信道估计结果，在预编码集合中选择最优的预编码，最优预编码向量的选择方法可以是基于下行接收信噪比最大化准则，并将最优预编码矩阵对应的序号PMI(Precoding Matrix Index)通过上行控制信道反馈给基站；所述的基站配备N/2个双极化天线阵子单元，每个阵子单元包含两个正交极化天线阵子，共配备有N个天线阵子，N为大于1的正整数；

2)基站根据上行控制信道获取UE反馈的最优PMI，在协议规定的预编码集合中选出对应的最优预编码向量

3)基站计算上行多天线信道的平均增益比向量平均增益比向量的计算步骤如下：

3.1)基站基于上行信道估计可以得到上行N个接收天线的平均接收功率G₁,...,G_N。平均接收功率G₁,...,G_N可以两种方法来获得：

a)通过α滤波来获得：通过信道估计可以获得当前时刻t的瞬时功率为G₁′(t),...,G′_N(t)，以及t-1时刻的平均接收功率为G₁(t),...,G_N(t-1)，则当前时刻t的平均接收功率为G_i(t)＝(1-α)·G_i(t-1)+α·G_i′(t),i＝1,...,N，采用G_i(t),i＝1,...,N作为平均接收功率G₁,...,G_N。

b)长时平均来获得：设定窗长W，存储当前时刻以及前W-1个时刻的瞬时平均功率G_i′(t-W+1),...,G_i′(t),i＝1,...,N，则当前时刻的平均接收功率为采用G_i(t),i＝1,...,N作为平均接收功率G₁,...,G_N。

3.2)对G₁,...,G_N分别进行开根号，即可得

4)对平均增益比向量进行功率归一化，可得到模值为1的归一化平均增益比向量的计算公式如下

${\stackrel{\→}{k}}_{norm}=\frac{\stackrel{\→}{k}}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{G_i}^2}}---\left(1\right)$

5)将上行反馈的最优预编码向量和进行点乘(即两个向量对应元素相乘)得到波束赋形所需的权值向量w。计算公式如下：

$w={\stackrel{\→}{k}}_{norm}\·\hat{w}---\left(2\right)$

6)将权值向量w与发射信号s相乘，得到w₁s,w₂s,...,w_Ns，并将信号w₁s,w₂s,...,w_Ns分别在第1,...,N个发射天线上发射出去，完成整个联合空域与极化域的发射波束形成。

实施例2：

1)UE根据下行信道估计结果，在预编码集合中选择最优的预编码，最优预编码向量的选择方法可以是基于下行接收信噪比最大化准则，并将最优预编码矩阵对应的序号PMI(Precoding Matrix Index)通过上行控制信道反馈给基站。

2)基站根据上行控制信道获取UE反馈的最优PMI，在协议规定的预编码集合中选出对应的最优预编码向量其中，N为基站天线阵子总数，基站包含N/2个双极化天线阵子单元，每个阵子单元包含两个正交极化天线阵子，因此基站天线阵子总数为N。

3)基站计算上行多天线信道的平均增益比向量平均增益比向量的计算步骤如下：

3.1)在N个接收天线阵子中任意选择两个具有不同极化方式的天线阵子P1和P2，利用具体实施例1中的两种方法可以计算得到P1和P2的平均接收功率比为G_p1:G_p2。不失一般性，如图2所示，定义前N/2个天线阵子的极化方式为P1，后N/2个天线阵子的极化方式为P2，则N个接收天线的接收功率为

3.2)对G₁,...,G_N分别进行开根号，即可得

4)对平均增益比向量进行功率归一化，可得到模值为1的归一化平均增益比向量的计算公式如下

${\stackrel{\→}{k}}_{norm}=\frac{\stackrel{\→}{k}}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{G_i}^2}}---\left(1\right)$

5)将上行反馈的最优预编码向量和进行点乘(即两个向量对应元素相乘)得到波束赋形所需的权值向量w。计算公式如下：

$w={\stackrel{\→}{k}}_{norm}\·\hat{w}---\left(2\right)$

6)将权值向量w与发射信号s相乘，得到w₁s,w₂s,...,w_Ns，并将信号w₁s,w₂s,...,w_Ns分别在第1,...,N个发射天线上发射出去，完成整个联合空域与极化域的发射波束形成。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种频分双工系统中的联合空域与极化域波束形成方法，其特征在于步骤如下：

1)用户端UE根据下行信道估计结果，在预编码集合中根据用户端接收信噪比最大准则选择最优的预编码向量，并将最优预编码向量对应的序号PMI通过上行控制信道反馈给基站；所述的基站配备N/2个双极化天线阵子单元，每个阵子单元包含两个正交极化天线阵子，共配备有N个天线阵子，N为大于1的正整数；

2)基站根据上行控制信道获取UE反馈的最优预编码向量的序号PMI，在预编码集合中选出对应的最优预编码向量

3)基站计算获得上行多天线信道的平均增益比向量具体计算步骤如下：

31)基站基于上行信道估计结果得到上行N个接收天线的平均接收功率G₁,...,G_N；

32)对步骤31)得到的N个接收天线的平均接收功率G₁,...,G_N分别进行开根号处理，进而得到平均增益比向量

4)对平均增益比向量进行功率归一化处理，得到模值为1的归一化平均增益比向量矩阵

5)将上行反馈的最优预编码向量和模值为1的归一化平均增益比向量矩阵进行点乘，得到波束赋形所需的权值向量

6)将权值向量w与发射信号s相乘，得到w₁s,w₂s,...,w_Ns；将信号w₁s,w₂s,...,w_Ns分别通过第1,...,N个发射天线发射，完成整个联合空域和极化域发射波束形成的整个过程。