CN104158577A - 一种3d-mimo系统的波束赋形实现方法 - Google Patents

Abstract

一种3D-MIMO系统的波束赋形实现方法，操作步骤如下：计算开发空间相关矩阵的空间相关SCB-BF方案的赋形权重向量，获取部分信道信息，计算相位参数，以及根据已经获取的三个参数和设定公式计算得到SP-BF方案的权重向量后，利用该权重向量以波束赋形方式向用户发送信号。本发明方法利用基站已获知发送相关阵R的基础，挑选部分天线进行信道估计，并利用获得的部分信道向量信息改造开发相关阵的赋形权重向量w_SCB，得到新权重向量w_SP，而新权重向量w_SP的系统性能更好。此外，通过调整获取信道信息的比例，本发明可动态平衡系统系能和信道获取的开销。且操作步骤简单、容易实现，计算复杂度低，可用于指导FDD 3D-MIMO系统的传输方案设计。

Description

一种3D-MIMO系统的波束赋形实现方法

技术领域

本发明涉及一种三维多输入多输出3D-MIMO(Three Dimensional MultipleInput Multiple Output)系统的波束赋形实现方法，属于多天线通信技术领域。

背景技术

多天线MIMO技术已经日趋成熟，可以在不增加频谱带宽和发射功率的情况下，提高链路传输质量并增加系统容量，因此，MIMO技术已经成为几乎所有新兴无线宽带标准的关键特征。例如第三代合作伙伴项目3GPP的LTE-A标准。多天线技术的发展趋势是在基站上安装越来越多的天线，即所谓的大规模天线系统。使用相对过量的基站天线，可以潜在地实现空前的频谱效率和能量效率，显著提高系统性能。现在，大规模天线技术作为5G的一种候选关键技术，引起了学术界和工业界的广泛兴趣。

然而，在实际系统中，由于基站的天线安装空间有限，应用于理论分析的线性大规模天线阵列是不切实际的，促使安装空间紧凑的2D、3D天线阵列结构的3D-MIMO系统的诞生。在3D-MIMO系统中，基站的天线单元在其垂直维也有分布，为其信号处理带来了新的垂直维自由度。

参见图1，介绍本发明3D-MIMO系统的波束赋形实现方法所适用的通信系统场景组成架构：基站的天线数为N，基站通过波束赋形的方式给用户发送数据，则该通信系统的数据模型可表示为：接收符号式中，γ为接收信噪比SNR(Signal to Noise Ratio)，信道向量h＝[h₁,h₂,…,h_N]，波束赋形权重向量w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T，上标字符T表示转置，即波束赋形权重向量w为列向量，x为发送符号，int和noise分别为干扰和噪声。此时，用户接收信号的信干燥比(Signal to Interference and Noise Ratio,SINR)计算公式为：

式中，P_int为干扰的功率，且符号功率Ε{|x|²}和噪声功率Ε{|noise|²}均为1，|hw|表示赋形增益hw的模长。

从上述两个公式可以看出，波束赋形权重向量w的数值会直接影响到赋形增益hw的模长，它对用户接收信号质量起着至关重要的作用。因此，合理设计波束赋形权重向量w将大大提高通信系统性能，减小系统开销。

最大比发送MRT(Maximum Ratio Transmission)的波束赋形方案中，基站利用实时信道信息的共轭形式对发送信号进行波束赋形。该MRT方案的波束赋形权重向量w_MRT的计算公式为其中，h^H为信道向量h的共轭转置，||h||₂为信道向量h的二范数。可以看出，MRT方案要求基站已获知实时信道信息h。

时分双工TDD(Time Division Duplex)系统可以利用信道互易性，通过发送上行导频信号来估计信道。此时，信道估计的计算开销只和用户数有关，而与基站的天线数无关。所以当天线规模变大时，TDD系统信道估计的计算开销不会随着天线数的增加而增大，只与用户数有关。然而，频分双工FDD(FrequencyDivision Duplex)系统不能开发信道的互易性，获取信道信息的方式是下行发送导频符号，然后上行反馈信道信息。当天线规模很大时，下行训练和上行反馈的开销将难以承受。因此，在FDD大规模天线系统中，获取全信道信息h是不切实际的。

然而，在3D-MIMO系统中，紧凑的天线阵列结构导致天线单元的间距减小，而且，实际无线传播信道中垂直维的功率角度扩展远小于水平维的功率角度扩展，因此天线单元间的衰落相关性急剧增加，尤其是垂直维。另一方面，基站天线阵列的发送相关阵是准静态的，相比于信道向量是缓慢变化的，因此3D-MIMO系统中的波束赋形可以充分开发空间相关性，以缓解对实时信道的依赖。此时，可将信道向量h表示为其中，为服从独立同分布的均值为0的复高斯信道向量，记做I_N是大小为N×N的单位矩阵。R为发送相关阵，而发送相关矩阵R被定义为：式中，[R]_pq为发送相关矩阵R的第p行第q列元素，[h]_p和[h]_q分别为信道向量h的第p项和第q项分量，符号E{x}表示随机变量x的期望值，h^*表示复数h的复共轭。发送相关阵R的数值大小取决于无线传播环境和天线配置，且其是缓慢变化的。

此时，开发空间相关性的波束赋形SCB-BF(Spatial-correlation-basedbeamforming,)方案的权重向量w_SCB为：其中，arg为选取优化参数，max为取最大值，w是赋形权重向量，且向量w的二范数||w||₂＝1，即满足发送功率为1。可以证明：w_SCB是发送相关阵R最大特征值λ_max对应的特征向量，满足 $R^{\frac{1}{2}}{w}_{\mathrm{SCB}}=\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{w}_{\mathrm{SCB}}.$

由于发送相关阵R是信道向量的二阶统计特征，相比于瞬时变化的信道向量，其变化速度取决于用户方位，属于准静态的，所以SCB-BF波束赋形方案的权重向量w_SCB也是准静态的，将大大减小其对实时信道信息的依赖，从而减少系统获取信道信息的开销。

但是，SCB-BF只开发空间相关性，波束赋形的性能取决于λ_max，当天线阵列的相关性变小时，系统性能会大大退化。

综上所述，现有3D-MIMO系统的两类波束赋形方案中，一种依赖实时全信道信息h，性能好，但其信道获取的开销庞大；另一种基于准静态的空间相关阵R，开销小，但其性能一般。如何将这两种方案进行取长补短的改进和创新，就成为业内科技人员关注的焦点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种3D-MIMO系统的波束赋形实现方法，本发明方法是综合现有的两种波束赋形方案：即综合利用实时信道向量的最大比发送MRT(Maximum Ratio Transmission)波束赋形方案和开发空间相关矩阵的空间相关SCB-BF(Spatial-correlation-based beamforming)波束赋形方案，在开发相关性的基础上，利用部分实时信道信息进一步提高系统性能，并且通过调整获取实时信道信息的比例来平衡系统的性能和开销。

为了达到上述目的，本发明提供了一种三维多输入多输出3D-MIMO ThreeDimensional Multiple Input Multiple Output)系统的波束赋形实现方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

步骤1，计算开发空间相关矩阵的空间相关SCB-BF(Spatial-correlation-basedbeamforming)方案的赋形权重向量：设置系统的基站配置有N根天线单元，则用户与基站之间的全信道共包括N个分量，设该全信道向量h＝[h₁,h₂,…h_n,…,h_N]，其中，自然数n为天线单元的序号，其最大数为N；h_n是第n根天线单元对应的信道复系数，再设置基站已获知用户的发送相关矩阵R；基站根据上述参数和按照下述公式，计算得到仅开发空间相关性的SCB-BF方案的赋形权重向量w_SCB：w_SCB＝[w_SCB,1,w_SCB,2,…,w_SCB,n,…,w_SCB,N]^T，式中，w_SCB为矩阵R的最大特征值所对应的特征向量，是准静态的，其上标T表示转置：即w_SCB为列向量，w_SCB,n是SCB-BF方案中第n根天线单元上的复权重；

步骤2，获取部分信道信息：基站发送导频信号给用户，用户反馈信息给基站；

步骤3，计算相位参数：基站根据反馈的部分信道信息和赋形增益hw_SCB，计算得到相位参数其中，符号angle(x)表示取括号中复数x的相位值，是w_SCB在所选取的共K根天线单元上的权重分量组成的部分权重向量，且满足[w_SCB]_n和分别为向量w_SCB和的第n个分量；

步骤4，基站根据已经获取的w_SCB、和ω三个参数和下述公式计算得到SP-BF方案的权重向量w_SP后，利用该权重向量w_SP以波束赋形方式向用户发送信号：所述权重向量w_SP在第n根天线单元上的分量为[w_SP]_n：其中，和分别为部分权重向量和部分信道向量的二范数，而为新构造的权重向量的第n个分量，式中，表示部分信道的共轭转置，e^jω为复相位。

本发明3D-MIMO系统的波束赋形实现方法的创新优点是：

本发明方法是利用基站已经获知发送相关阵R的前提下，挑选部分天线进行信道估计，并利用获得的部分信道向量信息改造开发相关阵的赋形权重向量w_SCB，得到新权重向量w_SP，而该新权重向量w_SP比w_SCB具有更好的系统性能。此外，通过调整获取信道信息的比例，本发明方法可以动态平衡系统系能和信道获取的计算开销。而且，本发明方法的操作步骤简单、容易实现，波束赋形方案的计算复杂度低。

总之，本发明可用于指导FDD 3D-MIMO系统的传输方案设计，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明3D-MIMO系统的波束赋形实现方法适用的通信系统场景组成架构示意图。

图2是本发明3D-MIMO系统的波束赋形实现方法操作步骤方框图。

图3是本发明3D-MIMO系统的波束赋形实现方法实施例中的基站平面天线阵列示意图。

图4是图1所示的平面天线阵列和线性阵列的阵列相关性的统计曲线图。

图5(A)、(B)分别是本发明3D-MIMO波束赋形实现方法实施例和现有技术方案的信干噪比SINR与系统吞吐的分布曲线图。

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，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图2，介绍本发明3D-MIMO系统的波束赋形实现方法的具体操作步骤：

步骤1，计算开发空间相关矩阵的空间相关SCB-BF(Spatial-correlation-basedbeamforming)方案的赋形权重向量：设置系统的基站配置有N根天线单元，则用户与基站之间的全信道共包括N个分量，设该全信道向量h＝[h₁,h₂,…h_n,…,h_N]，其中，自然数n为天线单元的序号，其最大数为N；h_n是第n根天线单元对应的信道复系数，再设置基站已获知用户的发送相关矩阵R；基站根据上述参数和按照公式w_SCB＝[w_SCB,1,w_SCB,2,…,w_SCB,n,…,w_SCB,N]^T，计算得到仅开发空间相关性的SCB-BF方案的赋形权重向量w_SCB。式中，w_SCB为矩阵R的最大特征值所对应的特征向量，是准静态的，其上标T表示转置：即w_SCB为列向量，w_SCB,n是SCB-BF方案中第n根天线单元上的复权重。

步骤2，获取部分信道信息：基站发送导频信号给用户，用户反馈信息给基站。

该步骤2包括下列操作内容：

(21)挑选天线单元：从上述N根天线单元组成的天线阵列中共选取K根天线单元，该K根天线单元的序号组成集合U；若该K根天线单元中的第k根天线单元的序号为μ_k，且满足1≤μ_k≤N，则U＝{μ₁,μ₂,…,μ_k,…μ_K}；基站只获取该被选取的K根天线单元对应的信道，并将准备获取的部分信道记做则欲获取的部分信道与实际的全信道h之间满足其中，和[h]_n分别为向量和h的第n个分量。

(22)发送导频信号：基站发送用于信道估计的导频符号，共使用K+1个导频符号：前K个导频符号分别在被选取的K根天线上直接发送，用于估计部分信道最后一个导频符号是通过权重向量w_SCB赋形，再在N根天线单元上发送，用于估计相位参数。

(23)反馈信道信息：用户接收导频信号，利用前K个导频符号估计得到部分信道向量再利用最后一个导频符号估计得到信道向量h和权重向量w_SCB的乘积，即SCB-BF方案的赋形增益hw_SCB；然后，用户将部分信道向量和hw_SCB一起经由上行信道反馈给基站。

步骤3，计算相位参数：基站根据反馈的部分信道信息和赋形增益hw_SCB，计算得到相位参数其中，符号angle(x)表示取括号中复数x的相位值，是w_SCB在所选取的共K根天线单元上的权重分量组成的部分权重向量，且满足[w_SCB]_n和分别为向量w_SCB和的第n个分量。

本发明方法中，为了有效提高波束赋形的性能，必须准确获取相位参数ω的数值，而且，获取相位参数ω只需要占用一个单独的导频符号。

步骤4，基站根据已经获取的w_SCB、和ω三个参数和下述公式计算得到SP-BF方案的权重向量w_SP后，利用该权重向量w_SP以波束赋形方式向用户发送信号。

权重向量w_SP在第n根天线单元上的分量为[w_SP]_n：其中，和分别为部分权重向量和部分信道向量的二范数，而为新构造的权重向量的第n个分量，式中，表示部分信道的共轭转置，e^jω为复相位。

利用本发明的SP-BF波束赋形实现方法，基站通过权重向量w_SP进行SP-BF波束赋形给用户发送信号时，用户的接收信号质量要比传统的仅开发空间相关性的SCB-BF方案下的接收信号质量，明显得到改善和提高，能够接近MRT方案的性能。其理论证明如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{hw}}_{\mathrm{SP}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[h\right]}_n{\left[w_{\mathrm{SP}}\right]}_n=\underset{n\∈U}{\mathrm{\Σ}}{\left[h\right]}_n{\left[w_{\mathrm{SP}}\right]}_n+\underset{n\∈\{\mathrm{1,2},...N\}-U}{\mathrm{\Σ}}{\left[h\right]}_n{\left[w_{\mathrm{SP}}\right]}_n\\ =\hat{h}{\left|\right|{\hat{w}}_{\mathrm{SCB}}\left|\right|}_2\frac{{\hat{h}}^H}{{\left|\right|\hat{h}\left|\right|}_2}{e}^{\mathrm{j\ω}}+(h-\hat{h})(w_{\mathrm{SCB}}-{\hat{w}}_{\mathrm{SCB}})={\left|\right|{\hat{w}}_{\mathrm{SCB}}\left|\right|}_2{\left|\right|\hat{h}\left|\right|}_2{e}^{\mathrm{j\ω}}+{\mathrm{hw}}_{\mathrm{SCB}}-{\hat{h}\hat{w}}_{\mathrm{SCB}}\end{array};$ 其中，{1,2,...N}-U表示两个集合{1,2,...N}与U的差集；

当相位参数ω取值为 $\mathrm{\ω}=\mathrm{angle}({\mathrm{hw}}_{\mathrm{SCB}}-{\hat{h}\hat{w}}_{\mathrm{SCB}}),$ 则有：

$\begin{array}{c}\left|{\mathrm{hw}}_{\mathrm{SP}}\right|=|{\left|\right|{\hat{w}}_{\mathrm{SCB}}\left|\right|}_2{\left|\right|\hat{h}\left|\right|}_2{e}^{\mathrm{j\ω}}+{\mathrm{hw}}_{\mathrm{SCB}}-{\hat{h}\hat{w}}_{\mathrm{SCB}}|={\left|\right|{\hat{w}}_{\mathrm{SCB}}\left|\right|}_2{\left|\right|\hat{h}\left|\right|}_2+|{\mathrm{hw}}_{\mathrm{SCB}}-{\hat{h}\hat{w}}_{\mathrm{SCB}}|\\ \≥\left|{\hat{h}\hat{w}}_{\mathrm{SCB}}\right|+|{\mathrm{hw}}_{\mathrm{SCB}}-{\hat{h}\hat{w}}_{\mathrm{SCB}}|\≥\left|{\mathrm{hw}}_{\mathrm{SCB}}\right|\end{array};$ 其中，|hw_SP|和|hw_SCB|分别为赋形增益hw_SP和hw_SCB的模长。

另外，由于基站发射功率为1，即||w_SP||₂＝1，则有：

从上述公式中可以推断，本发明SP-BF波束赋形实现方法要比MRT波束赋形方法的性能稍差些，但是优于SCB-BF波束赋形方案。另外，本发明方法中，基站在波束赋形时综合利用发送相关矩阵和部分信道信息来提高赋形效果，并调节获取的信道信息比例来平衡系统的性能和开销。

为评估和验证本发明方法的性能，搭建了一个3D-MIMO系统级仿真实施例平台，并进行了大量的仿真实施试验。

下面具体介绍本发明仿真实施例的系统结构组成：网络拓扑模型包含19小区，每个小区有三个扇区，每个扇区装备有2D平面线性天线阵列(参见图3)，主要仿真参数如下表1所述。

本发明3D-MIMO波束赋形实现方法实施例的系统仿真参数表

参见图4，介绍本发明实施例的仿真试验结果：相对于传统的具有相同天线数的线性阵列，3D-MIMO系统中2D平面阵列天线的空间相关性很强，因而波束赋形开发空间相关性的潜力很大。

为了验证本发明方法，同时仿真了MRT，SCB-BF和本发明SP-BF三种技术方案。其中SP-BF根据选取部分信道信息的比例分别表示为SP-BF(2)、SP-BF(3)、SP-BF(5)。用户接收信号的信干噪比SINR和吞吐TP(Through Put)的累积分布曲线CDF(Cumulative Distribution Function)如图5所示。进行统计的吞吐性能如下表2所示：

本发明3D-MIMO波束赋形实现方法实施例的吞吐量结果统计表

技术方案(bit/s/Hz)	MRT	SP-BF(2)	SP-BF(3)	SP-BF(5)	SCB-BF
						系统吞吐	13.97	12.49	11.41	10.29	8.85
平均用户吞吐	0.466	0.416	0.380	0.343	0.295
						最差5％用户吞吐	0.185	0.144	0.126	0.106	0.076

仿真实施例的多次试验结果表明，仅仅开发空间相关性的SCB-BF能够实现MRT系统性能的一大部分，而本发明提出的SP-BF波束赋形实现方法，是在SCB-BF和MRT之间建立了一座桥梁。当基站不知道信道信息时，SP-BF等于SCB-BF；而当基站知道全信道时，SP-BF等于MRT。而且，当基站只知道部分信道信息时，SP-BF的系统性能就能够超过SCB-BF所获得的系统性能，并且，随着获取信道信息的比例增加，会逐渐逼近MRT的性能。下面的表3中，总结了三种波束赋形方案的特点。

本发明与现有两种技术方案的特征对比。

以上所述仅仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明方法原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种三维多输入多输出3D-MIMO(Three Dimensional Multiple InputMultiple Output)系统的波束赋形实现方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

步骤1，计算开发空间相关矩阵的空间相关SCB-BF(Spatial-correlation-basedbeamforming)方案的赋形权重向量：设置系统的基站配置有N根天线单元，则用户与基站之间的全信道共包括N个分量，设该全信道向量h＝[h₁,h₂,…h_n,…,h_N]，其中，自然数n为天线单元的序号，其最大数为N；h_n是第n根天线单元对应的信道复系数，再设置基站已获知用户的发送相关矩阵R；基站根据上述参数和按照下述公式，计算得到仅开发空间相关性的SCB-BF方案的赋形权重向量w_SCB：w_SCB＝[w_SCB,1,w_SCB,2,…,w_SCB,n,…,w_SCB,N]^T，式中，w_SCB为矩阵R的最大特征值所对应的特征向量，是准静态的，其上标T表示转置：即w_SCB为列向量，w_SCB,n是SCB-BF方案中第n根天线单元上的复权重；

步骤2，获取部分信道信息：基站发送导频信号给用户，用户反馈信息给基站；

步骤3，计算相位参数：基站根据反馈的部分信道信息和赋形增益hw_SCB，计算得到相位参数其中，符号angle(x)表示取括号中复数x的相位值，是w_SCB在所选取的共K根天线单元上的权重分量组成的部分权重向量，且满足[w_SCB]_n和分别为向量w_SCB和的第n个分量；

步骤4，基站根据已经获取的w_SCB、和ω三个参数和下述公式计算得到SP-BF方案的权重向量w_SP后，利用该权重向量w_SP以波束赋形方式向用户发送信号：所述权重向量w_SP在第n根天线单元上的分量为[w_SP]_n：其中，和分别为部分权重向量和部分信道向量的二范数，而为新构造的权重向量的第n个分量，式中，表示部分信道的共轭转置，e^jω为复相位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括下列操作内容：

(21)挑选天线单元：从上述N根天线单元组成的天线阵列中共选取K根天线单元，该K根天线单元的序号组成集合U；若该K根天线单元中的第k根天线单元的序号为μ_k，且满足1≤μ_k≤N，则U＝{μ₁,μ₂,…,μ_k,…μ_K}；基站只获取该被选取的K根天线单元对应的信道，并将准备获取的部分信道记做则欲获取的部分信道与实际的全信道h之间满足其中，和[h]_n分别为向量和h的第n个分量；

(22)发送导频信号：基站发送用于信道估计的导频符号，共使用K+1个导频符号：前K个导频符号分别在被选取的K根天线上直接发送，用于估计部分信道最后一个导频符号是通过权重向量w_SCB赋形，再在N根天线单元上发送，用于估计相位参数；

(23)反馈信道信息：用户接收导频信号，利用前K个导频符号估计得到部分信道向量再利用最后一个导频符号估计得到信道向量h和权重向量w_SCB的乘积，即SCB-BF方案的赋形增益hw_SCB；然后，用户将部分信道向量和hw_SCB一起经由上行信道反馈给基站。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：基站通过权重向量w_SP进行SP-BF波束赋形给用户发送信号时，用户的接收信号质量要比传统的仅开发空间相关性的SCB-BF方案下的接收信号质量明显得到改善和提高，能够接近MRT方案的性能。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法中，为了有效提高波束赋形的性能，必须准确获取相位参数ω；而相位参数ω的获取只需要占用一个单独的导频符号。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法中，基站在波束赋形时综合利用发送相关矩阵和部分信道信息来提高赋形效果，并调节获取的信道信息比例来平衡系统的性能和开销。