CN105245261B - 一种波束成形装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种波束成形装置和方法，可获取更为准确的CSI，以优化波束成形。本发明实施例方法包括：预先建立有基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系；获取用户的下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵；获取用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵；根据获取的信道估计值、信道估计误差的协方差矩阵以及信道时延变化误差的协方差矩阵以及建立的所述对应关系，确定用户的下行信道在当前时隙的CSI；根据CSI进行波束成形。

Description

一种波束成形装置和方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种波束成形装置和方法。
背景技术
波束成形是一种将无线信号进行方向性传输的数字处理技术，其基本思想是将多用户信号进行线性预编码，以使得每一个用户的信号尽量只向该用户的方向传送而且避免干扰其他用户。
MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，多用户多入多出技术)通信需要基站知道下行信道的CSI(channel state information，信道状态信息)以对多用户信号进行波束成形。通常，CSI的获取都是通过一个通信节点(基站或者用户)发射导频信道，另一个通信节点进行信道估计而得到，此时，CSI受到噪声误差和时延误差的影响，导致CSI不准确。然而，波束成形的性能受到CSI准确性的限制，如果CSI不准确，那么基站可能错误地把一用户的有用信号传输到偏离该用户的方向，这样既造成了该用户有用信号功率下降，而且增加了其他用户受到的多用户干扰，最终导致了系统容量的下降。
发明内容
本发明实施例提供了一种波束成形装置和方法，可获取更为准确的CSI，以优化波束成形。
本发明实施例的第一方面提供一种波束成形装置，所述波束成形装置预先建立有基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及所述用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，其中，所述第一时隙为所述第二时隙前的某一时隙；所述波束成形装置包括：
第一获取单元，用于对基站与某一用户之间的下行信道进行信道估计，获取所述用户的下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵；
第二获取单元，用于获取所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
确定单元，用于根据获取的所述信道估计值、所述信道估计误差的协方差矩阵以及所述信道时延变化误差的协方差矩阵以及建立的所述对应关系，确定所述用户的下行信道在当前时隙的CSI；
处理单元，用于根据所述CSI进行波束成形。
结合本发明实施例的第一方面，在本发明实施例的第一方面的第一种实现方式中，所述波束成形装置还包括用于建立所述对应关系的建立单元；
所述建立单元，具体用于基于公式建立所述对应关系；
其中，Δk,t的协方差矩阵Θk,t＝ρ2(τ)Λk,t-τ+Γk,τ；
Hk，t为用户k的下行信道在时隙t的CSI；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计值；Λk,t-τ为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计误差的协方差矩阵；Γk,τ为用户k的下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
结合本发明实施例的第一方面，在本发明实施例的第一方面的第二种实现方式中，所述第二获取单元包括：
获取模块，用于获取所述用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
定义模块，用于定义一个大于0的时延插值函数f(.)，且所述时延插值函数f(.)满足f(0)＝0；
计算模块，用于根据所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵和所述时延插值函数，计算所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
结合本发明实施例的第一方面的第二种实现方式，在本发明实施例的第一方面的第三种实现方式中，
所述计算模块，具体用于基于以下公式计算所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵：
Γk,τ＝f(τ)Γk,δ/f(δ)
其中，Γk,τ为用户k的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵；f(.)为所述时延插值函数；Γk,δ为用户k的下行信道在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
结合本发明实施例的第一方面的第二种实现方式，在本发明实施例的第一方面的第四种实现方式中，
所述获取模块，具体用于在基站所在小区进行测量，得到离线统计的所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
结合本发明实施例的第一方面的第二种实现方式，在本发明实施例的第一方面的第五种实现方式中，
所述获取模块，具体用于通过估计信道估计的时延变化量获取所述用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
结合本发明实施例的第一方面的第五种实现方式，在本发明实施例的第一方面的第六种实现方式中，所述获取模块包括：
获取子模块，用于根据用户每隔δ个时隙发送的上行导频信号对所述用户的下行信道进行信道估计，获取所述用户的下行信道在时隙nδ信道估计误差的协方差矩阵，其中，n＝1，2，……，T+1，T为大于1的正整数；以及获取对应的T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵；
计算子模块，用于基于以下公式计算所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵：
其中，Γk,δ为所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为所述T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵的平均值；Λk,nδ为用户k的下行信道在时隙nδ内的信道估计误差的协方差矩阵。
结合本发明实施例的第一方面、本发明实施例的第一方面的第一种至第六种实现方式中的任意一种，在本发明实施例的第一方面的第七种实现方式中，所述处理单元包括：
确定模块，用于当所述用户为线性接收机时，利用以下最优化问题确定目标波束成形矩阵；
其中，所述数学模型的目标函数R表示系统容量，且所述表示用户k的数据流dk的优先级，所述表示用户k的数据流dk的数据速率，且为根据所述CSI获取的所述用户的数据流的信号与干扰加噪声比的表达式；所述数学模型的约束条件表示系统总发射功率不大于PT；表示波束成形矩阵；
处理模块，用于根据所述目标波束成形矩阵进行波束成形。
结合本发明实施例的第一方面的第七种实现方式，在本发明实施例的第一方面的第八种实现方式中，所述确定模块包括：
创建子模块，用于创建所述最优化问题；
转换模块，用于引入并优化中间变量，以便消除所述最优化问题中目标函数的对数及矩阵求逆操作，得到转换后的最优化问题；
确定子模块，用于利用转换后的最优化问题确定目标波束成形矩阵。
结合本发明实施例的第一方面的第八种实现方式，在本发明实施例的第一方面的第九种实现方式中，
所述确定子模块，具体用于初始化波束成形矩阵，对波束成形矩阵和中间变量进行交替迭代更新，当满足迭代次数达到预设值或者所述转换后的最优化问题的目标值增加小于某个阈值时，确定目标波束成形矩阵。
本发明实施例第二方面提供了一种波束成形方法，包括：
预先建立有基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及所述用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，其中，所述第一时隙为所述第二时隙前的某一时隙；
对基站与某一用户之间的下行信道进行信道估计，获取所述用户的下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵；
获取所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
根据获取的所述信道估计值、所述信道估计误差的协方差矩阵以及所述信道时延变化误差的协方差矩阵以及建立的所述对应关系，确定所述用户的下行信道在当前时隙的CSI；
根据所述CSI进行波束成形。
结合本发明实施例的第二方面，在本发明实施例的第二方面的第一种实现方式中，所述方法还包括建立所述对应关系；
所述建立所述对应关系包括：
基于公式建立所述对应关系；
其中，Δk,t的协方差矩阵Θk,t＝ρ2(τ)Λk,t-τ+Γk,τ；
Hk,t为用户k的下行信道在时隙t的CSI；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计值；Λk,t-τ为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计误差的协方差矩阵；Γk,τ为用户k的下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
结合本发明实施例的第二方面，在本发明实施例的第二方面的第二种实现方式中，所述获取所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵包括：
获取所述用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
定义一个大于0的时延插值函数f(.)，且所述时延插值函数f(.)满足f(0)＝0；
根据所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵和所述时延插值函数，计算所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
结合本发明实施例的第二方面的第二种实现方式，本发明实施例的第二方面的第三种实现方式中，所述根据所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵和所述时延插值函数，计算所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵包括：
基于以下公式计算所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵：
Γk,τ＝f(τ)Γk,δ/f(δ)
其中，Γk,τ为用户k的下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；f(.)为所述时延插值函数；Γk,δ为用户k的下行信道在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
结合本发明实施例的第二方面的第二种实现方式，本发明实施例的第二方面的第四种实现方式中，所述获取所述用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵包括：
在基站所在小区进行测量，得到离线统计的所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
结合本发明实施例的第二方面的第二种实现方式，本发明实施例的第二方面的第五种实现方式中，所述获取所述用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵包括：
通过估计信道估计的时延变化量获取所述用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
结合本发明实施例的第二方面的第五种实现方式，本发明实施例的第二方面的第六种实现方式中，所述通过估计信道估计的时延变化量获取所述用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵包括：
根据用户每隔δ个时隙发送的上行导频信号对所述用户的下行信道进行信道估计，获取所述用户的下行信道在时隙nδ信道估计误差的协方差矩阵，其中，n＝1，2，……，T+1，T为大于1的正整数；以及获取对应的T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵；
基于以下公式计算所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵：
其中，Γk,δ为所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为所述T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵的平均值；Λk,nδ为用户k的下行信道在时隙nδ内的信道估计误差的协方差矩阵。
结合本发明实施例的第二方面、本发明实施例的第二方面的第一种至第六种实现方式中的任意一种，在本发明实施例的第二方面的第七种实现方式中，所述根据所述CSI进行波束成形包括：当所述用户为线性接收机时，利用以下最优化问题确定目标波束成形矩阵；
其中，所述数学模型的目标函数R表示系统容量，且所述表示用户k的数据流dk的优先级，所述表示用户k的数据流dk的数据速率，且为根据所述CSI获取的所述用户的数据流的信号与干扰加噪声比的表达式；所述数学模型的约束条件表示系统总发射功率不大于PT；表示波束成形矩阵；
根据所述目标波束成形矩阵进行波束成形。
结合本发明实施例的第二方面的第七种实现方式，本发明实施例的第二方面的第八种实现方式中，所述基于以下最优化问题确定目标波束成形矩阵包括：
创建所述最优化问题；
引入并优化中间变量，以便消除所述最优化问题中目标函数的对数及矩阵求逆操作，得到转换后的最优化问题；
利用转换后的最优化问题确定目标波束成形矩阵。
结合本发明实施例的第二方面的第八种实现方式，本发明实施例的第二方面的第九种实现方式中，所述预设的迭代停止条件包括：
迭代次数达到预设值或者所述转换后的最优化问题的目标值增加小于某个阈值。
本发明实施例提供的技术方案中，预先构建有基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及所述用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，其中，所述第一时隙为所述第二时隙前的某一时隙；对基站与用户之间的下行信道进行信道估计，获取用户的下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值和信道估计误差的协方差矩阵；获取用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵，再根据获取的信道估计值、信道估计误差的协方差矩阵以及信道时延变化误差的协方差矩阵以及建立的该对应关系，确定用户的下行信道在当前时隙的CSI，从而获取综合考虑信道噪声误差和信道时延误差的CSI，并根据该CSI进行波束成形。因此相对于现有技术，本发明实施例通过建立的基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及该用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，来确定综合考虑信道噪声误差和信道时延误差的CSI，从而获取更为准确的CSI，以优化波束成形。
附图说明
图1为多用户MIMO通信系统的示意图；
图2为本发明实施例中波束成形方法一个实施例示意图；
图3为本发明实施例中波束成形方法另一实施例示意图；
图4显示的是本发明的频谱效率和其他现有技术方法的比较示意图；
图5显示的是本发明提出的波束成形矩阵算法收敛情况；
图6为本发明实施例中波束成形装置一个实施例示意图；
图7为本发明实施例中波束成形装置另一实施例示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种波束成形装置和方法，可获取更为准确的CSI，以优化波束成形，以下分别进行详细说明。
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、完整地描述，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。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明应用多用户MIMO通信，如图1所示，为多用户MIMO通信系统的示意图，该多用户MIMO通信系统包括基站101和k个用户102，其中，基站101配备有NB个天线，用户k配备有NU,k个天线，基站101通过本发明提供的技术方案确定用户102的下行信道的CSI，再根据该CSI进行波束成形。
需要说明的是，本发明实施例通过建立的基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及该用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，来确定综合考虑信道噪声误差和信道时延误差的CSI，下面详细介绍该对应关系的建立过程，具体包括以下步骤：
一、构建下述信道时延变化误差的模型：
Hk,t＝ρ(τ)Hk,t-τ+Ek,τ,t (1)
其中，Hk,t为用户k的下行信道在时隙t的CSI；Hk,t-τ为用户k的下行信道在时隙t-τ的CSI；
ρ(.)为该下行信道的信道时间相关函数，其中，ρ(τ)＝J0(2πfd,kTsτ)，J0(·)为0阶1型Bessel函数，fd,k为用户k的多普勒频移,Ts为一个时隙的时间长度；
Ek,τ,t为服从高斯分布的信道时延变化误差，其协方差矩阵表示为Γk,τ，且该Γk,τ不依赖于时隙t，其中，τ表示以时隙为单位的任意时延。
二、构建下述信道估计误差模型：
其中，为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计值；Hk,t-τ为用户k的下行信道在时隙t-τ的CSI；
Ak,t-τΞt-τ为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计误差，其中，Ak,t-τ为信道估计使用的滤波器矩阵，Ξt-τ为服从独立同分布的高斯误差向量，且其协方差矩阵为为基站噪声频谱密度，I为单位矩阵。
三、将公式(2)代入到公式(1)，便可以建立基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差、该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差以及该用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的相互关系，具体为：
四、进一步建立基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差、该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差以及该用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，具体包括：
令：
Δk,t＝ρ(τ)Ak,t-τΞt-τ+Ek,τ,t (5)
则公式(3)对应可以表示为：
其中，代表Hk,t的期望值；
Δk,t的协方差矩阵Θk,t为：
其中，表示期望值；vec(.)表示向量化操作；(.)H表示矩阵的共轭转置；
ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；Λk,t-τ为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计误差的协方差矩阵；Γk,τ为用户k的下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
由此，可建立基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差、该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差以及该用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，其中，该第一时隙为该第二时隙前的某一时隙。
需要说明的是，在实际应用过程中，该对应关系的建立过程并不是每次都要执行，本发明实施例的实施只需保证可以应用该建立好的对应关系即可。
下面从基站的角度对本发明实施例中的波束成形方法进行描述，请参阅图2，本发明实施例中波束成形方法一个实施例包括：
需要说明的是，在本实施例中，预先建立有基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、该用户的下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及该用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，其中，该第一时隙为该第二时隙前的某一时隙；
在本实施例中，根据上述公式(1)至(7)得到，该对应关系包括：
其中，Δk,t的协方差矩阵Θk,t＝ρ2(τ)Λk,t-τ+Γk,τ；
Hk,t为用户k的下行信道在时隙t的CSI；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计值；Λk,t-τ为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计误差的协方差矩阵；Γk,τ为用户k的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
201、对基站与某一用户之间的下行信道进行信道估计，获取该用户的下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵；
在本实施例中，可以基站可以根据现有的信道估计方法获取该用户的下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值，具体此处对信道估计值的获取方法不做限定。
在本实施例中，基站可以基于下述公式获取该对应信道估计误差的协方差矩阵：
其中，可以根据Ξt-τ的统计特性得出 表示克罗内克积(Kronecker product)。
202、获取该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
在本实施例中，该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵Γk,τ依赖于该用户和基站所处的具体物理环境，其不依赖于时隙t。作为优选，基站获取该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵可以包括：
获取该用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；定义一个大于0的时延插值函数；根据该时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵和该时延插值函数，计算该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
其中，根据该时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵和该时延插值函数，计算该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵可以包括：
基于以下公式计算所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵：
Γk,τ＝f(τ)Γk,δ/f(δ)
其中，Γk,τ为用户k的下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；f(.)为所述时延插值函数；Γk,δ为用户k的下行信道在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
可选地，时延插值函数可以选取以下函数，例如，f(τ)＝τ，或者f(τ)＝1-(J0(2πfd,kTsτ))2，具体此处对时延插值函数的具体形式不做限定。
需要说明的是，在本实施例中，该用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵可以通过不同的方式获取，下面分别进行说明：
一、在基站所在小区进行测量，得到离线统计的该时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
此时，预先在基站所在小区进行测量得到，得到的无法体现每个用户自身的信道时延变化误差的协方差矩阵，相应地，基于该时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵可以得到离线估计的该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
二、通过估计信道估计的时延变化误差获取该用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
其中，通过估计信道估计的时延变化误差获取该用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵具体可以包括：
根据用户每隔δ个时隙发送的上行导频信号对所述用户的下行信道进行信道估计，获取所述用户的下行信道在时隙nδ信道估计误差的协方差矩阵，其中，n＝1，2，……，T+1，T为大于1的正整数；以及获取对应的T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵；
基于以下公式计算所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵：
其中，Γk,δ为所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为所述T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵的平均值；Λk,nδ为用户k的下行信道在时隙nδ内的信道估计误差的协方差矩阵。
上述公式(7)可以建立该时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵、该n个在时延δ内的信道时延误差的协方差矩阵估计值的平均值、用户k的下行信道在时隙nδ内的信道估计误差的协方差矩阵以及用户k的下行信道在时隙(n+1)δ的信道估计误差的协方差矩阵之间的相互关系，下面详细分析上述公式(7)对应的相互关系的建立过程：
首先，当用户k每隔δ个时隙发送上行导频信号以让基站估计下行信道时，可以根据上述公式(3)建立的相互关系得到：
其中，为用户k的下行信道在时隙(n+1)δ的信道估计值；为用户k的下行信道在时隙nδ的信道估计值；
令：
其中，公式(10)表示信道估计值的时延变化量；
则公式(9)对应可以表示为：
其中，和Ek，δ，(n+1)δ的协方差矩阵分别定义为和则和Γk,δ之间满足：
从而建立该时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵、该时延δ内的信道时延误差的协方差矩阵、用户k的下行信道在时隙nδ(其中，n＝1，2，……，T+1)信道估计误差的协方差矩阵之间的相互关系。
在本实施例中，该时延δ内的信道时延误差的协方差矩阵估计值通过采样平均方式获取，即：
将上述T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵的平均值作为本实施例中的该时延δ内的信道时延误差的协方差矩阵估计值，便可以得到该时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵、该n个在时延δ内的信道时延误差的协方差矩阵估计值的平均值、用户k的下行信道在时隙nδ(其中，n＝1，2，……，T+1)信道估计误差的协方差矩阵之间的相互关系。
需要说明的是，上面仅以几个例子说明了该用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵的获取方式，在实际应用过程中，基站可以对上述获取方式进行结合使用，还可以采用其他的获取方式，具体此处对该用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵的获取方式不做限定。
203、根据获取的该信道估计值、该信道估计误差的协方差矩阵以及该信道时延变化误差的协方差矩阵以及建立的该对应关系，确定该用户的下行信道在当前时隙的CSI；
在本实施例中，由于该对应关系限定了基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差、该用户的下行信道的信道时延变化误差的协方差以及该用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，且该第一时隙为该第二时隙前的某一时隙，则在获取了该用户的下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵，并可以根据该对应关系确定该用户的下行信道在当前时隙的CSI。
204、根据该CSI进行波束成形；
具体此处对如何根据步骤203中确定的CSI进行波束成形不做限定，可以是根据现有的处理流程对该CSI进行相应处理，以进行波束成形，也可以是采用优化的方案根据该CSI进行波束成形，下面将在图3所示实施例中进行详细说明，此处不再赘述。
本发明实施例提供的技术方案中，预先构建有基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及所述用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，其中，所述第一时隙为所述第二时隙前的某一时隙；对基站与用户之间的下行信道进行信道估计，获取用户的下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值和信道估计误差的协方差矩阵；获取用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵，再根据获取的信道估计值、信道估计误差的协方差矩阵以及信道时延变化误差的协方差矩阵以及建立的该对应关系，确定用户的下行信道在当前时隙的CSI，从而获取综合考虑信道噪声误差和信道时延误差的CSI，并根据该CSI进行波束成形。因此相对于现有技术，本发明实施例通过建立的基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及该用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，来确定综合考虑信道噪声误差和信道时延误差的CSI，从而获取更为准确的CSI，以优化波束成形。
下面在图2所示实施例的基础上，进一步详细描述当该用户为线性接收机时，基站是如何根据上述确定的CSI进行波束成形，从而优化波束成形矩阵，使得系统容量增加，具体请参阅图3，本发明实施例中波束成形方法另一实施例包括：
需要说明的是，在本实施例中，预先建立有基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及该用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，其中，该第一时隙为该第二时隙前的某一时隙；
在本实施例中，根据上述公式(1)至(7)得到，该对应关系包括：
其中，Δk,t的协方差矩阵Θk,t＝ρ2(τ)Λk,t-τ+Γk,τ；
Hk,t为用户k的下行信道在时隙t的CSI；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计值；Λk,t-τ为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计误差的协方差矩阵；Γk,τ为用户k的下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
301、对基站与某一用户之间的下行信道进行信道估计，获取该用户的下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵；
302、获取该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
303、根据获取的该信道估计值、该信道估计误差的协方差矩阵以及该信道时延变化误差的协方差矩阵以及建立的该对应关系，确定该用户的下行信道在当前时隙的CSI；
需要说明的是，本实施例中的步骤301至步骤303与图2所示实施例中的步骤201至步骤202过程相同，具体此处不再赘述。
304、当该用户为线性接收机时，利用以下最优化问题确定目标波束成形矩阵；
其中，该数学模型的目标函数R表示系统容量，且该表示用户k的数据流dk的优先级，该表示用户k的数据流dk的数据速率，且为根据该CSI获取的用户k的数据流dk的信号与干扰加噪声比的表达式；该数学模型的约束条件表示系统总发射功率不大于PT；表示波束成形矩阵。
在本实施例中，波束成形的目标是在系统发射总功率不大于PT的情况下，最大化系统总数据速率，由此，以系统容量作为目标函数，以系统总发射功率不大于PT约束条件构建最优化问题。
其中，在经步骤303确定该CSI后，可以基于该CSI确定当该用户为线性接收机时对应的具体包括：
为了便于描述，对上述记号进行简化，对应地，Hk,t记为Hk，记为 记为Θk，则基站的下行发射信号为：
其中，和Dk分别为用户k的数据信号，波束成形矩阵，和数据流数目。
用户k接收到的信号表示为：
其中，为用户k的加性高斯白噪声，其分布功率谱密度为
将上述公式(6)代入到公式(12)，用户k的接收信号可以表示为：
如果用户k使用的是线性接收机，那么用户k的第dk个数据流的SINR(signal tointerference plus noise ratio,信号与干扰加噪声比)可表示为:
其中,为用户k接收到的所 有信号的协方差矩阵，(.)*表示共轭操作。
由此，可以根据上述步骤确定当该用户为线性接收机时基于该CSI的
在本实施例中，通过处理上述最优化问题便可确定目标波束成形矩阵，即需要说明的是，在本实施例中，由步骤303确定的该CSI并非是该CSI的绝对实际值，其中的Δk,t由该Δk,t的协方差矩阵Θk,t来对应，而只需用到以及Θk,t，由此，可以理解的是，在本实施例中，在由Hk,t到确定的过程中是借助中间参数来实现的。
在实际处理过程中，上述最优化问题涉及到对数操作以及矩阵求逆操作，处理难度较大。为此，作为优选，通过引入新的变量到的表达式中来消除对数及矩阵求逆操作，则步骤304可以包括：
首先，创建上述最优化问题；
其次，引入并优化中间变量，以便消除该最优化问题中目标函数的对数及矩阵求逆操作，得到转换后的最优化问题；在本步骤中，可以通过共轭函数变形的方式引入新的变量到的表达式中来消除对数及矩阵求逆操作，具体包括：
1)、对执行对数函数的共轭函数变形，并获取第一变量的最优解；
在此次共轭函数变形的过程中，将新引入一个变量，即为第一变量在本实施例中，执行对数函数的共轭函数变形后的可以表示为一个无约束优化问题，由此，基站可以根据该无约束优化问题可以求解出第一变量的最优解。可以理解的是，本领域技术人员可以根据现有技术获知对数函数的共轭函数变形的具体过程，例如，可以理解为：任意给定一正数e，那么loge可以表示为log e＝minw≥0ew-logw-1。
2)对经执行对数函数的共轭函数变形后的执行二次函数的共轭函数变形，得到转换后的最优化问题，并获取第二变量的最优解；
同样，在此次共轭函数变形的过程中，将新引入一个变量，即为第二变量在本实施例中，执行二次函数的共轭函数变形后的可以表示为一个无约束最优化问题，由此，对于一个固定的第一变量(即上述求解出的第一变量的最优解)，基站可以根据该无约束最优化问题求解出第二变量的最优解。可以理解的是，本领域技术人员可以根据现有技术获知二次函数的共轭函数变形的具体过程，例如，可以理解为：任意给定复数t、正数λ和J，那么数-λ2|t|2/J可以表示为其中表示实部，(·)*表示共轭。
在本实施例中，上述引入并优化中间变量的具体步骤可以包括：
由矩阵求逆引理，将表示为：
引入变量将表示为一个优化问题的形式：
公式(13)中最优化的为：
此处，将该代入到公式(14)中的右边即可验证公式(14)的正确性。
再次引入变量将再次转化为：
公式(16)中的最优化问题，对于一个固定的最优化的为：
此处，将该代入到公式(16)中的右边，即可还原公式(16)，即可验证公式(16)的正确性；
将公式(16)代入到上述最优化问题中，即可得到转换后的最优化问题：
最后，利用转换后的最优化问题、第一变量的最优解以及第二变量的最优解确定目标波束成形矩阵；
在本实施例中，经转换后的最优化问题相对于转换前的最优化问题的好处是，前者可以使用BCD(block coordinate descent，分块坐标下降)进行优化，如果固定变量和中的任意两者，其对于第三个变量是有闭合解的。
在本实施例中，可以首先将第一变量的最优解、第二变量的最优解代入第二最优化问题，以确定出一个初始波束成形矩阵并初始化波束成形矩阵，再对波束成形矩阵、第一变量以及第二变量进行交替迭代更新，当满足预设的迭代停止条件时，确定最终的波束成形矩阵。
其中和的解分别由公式(15)和公式(17)给出。的解符合以下形式：
其中，
μ是一个不小于0的数值，且可以通过注水算法求得。
注水算法的具体操作为：如果当μ＝0时，符合功率约束条件那么最优的μ为0。如果上述条件不满足，那么μ的选择应使约束条件满足。为了求得相应的μ，进行特征值分解：
其中Q为一包含所有特征向量的酉矩阵，Σ为一包含所有特征值的对角矩阵。令
那么约束条件等价于
其中[Ψ]n,n和[Σ]n,n分别表示Ψ和Σ的第n个对角线元素。上式的左边项为μ的递减函数，故满足上式的μ可以由二分法求得。
在本实施例中，通过迭代交替更新变量和波束成形矩阵能够接近转换后的最优化问题的最优解。
可选地，在本实施例中，该预设的迭代停止条件可以包括迭代次数达到预设值或者所述转换后的最优化问题的目标值增加小于某个阈值，在实际应用过程中，还可以是上述两种方式的结合或者其他方式，具体此处不做限定。
305、根据该目标波束成形矩阵进行波束成形。
在获取目标波束成形矩阵后，即可根据进行波束成形，具体此处对如何利用进行波束成形不做详细描述，本领域技术人员可根据现有技术获取相应的处理流程。
在图2所示实施例的基础上，本实施例提供的技术方案中，可以在不确定该CSI的绝对实际值以及用户接收机为线性的情况下，优化波束成形矩阵以使系统容量增加。
下面利用表1所示的仿真参数对图3所示实施例中的波束成形方法进行仿真，在该仿真中，有K＝2个用户，每个用户接收Dk＝2个数据流，时延δ内的信道时延误的协方差矩阵Γk,δ为离线估计得到，用户每10个子帧发送一次上行导频，上行导频的信噪比为10dB。
载波频率 2GHz
带宽 10MHz
双工方式 时分双工
可用子载波 600
分配的资源块数目 6
(基站天线数，用户天线数) (8,2)
信道模型 SCME,urban_micro
表1
则相应的仿真结果可参见图4和图5。图4显示的是本发明的频谱效率和其他现有技术方法的比较，其中，曲线a对应本发明的频谱效率，曲线b对应现有技术中采用WMMSE(reweighted minimum mean square error，加权最小均方误差)进行波束成形的频谱效率，曲线c对应现有技术中采用ZF(zero-forcing，迫零法)进行波束成形的频谱效率，由图4可以看出，本发明所提出的方法能够显著提高系统的频谱效率。图5显示的是本发明提出的波束成形矩阵算法收敛情况，其中，横坐标为迭代次数，纵坐标为每次迭代得到的波束成形矩阵所能达到的系统容量，图中分别画出三个信道实例下的收敛状况，由图5可以看出，基本上能够在5次迭代内就达到较高的系统容量。
上面对本发明实施例中的波束成形方法进行了描述，下面对本发明实施例中的波束成形装置进行描述，请参阅图6，本发明实施例中波束成形装置一个实施例包括：
首先，所述波束成形装置预先建立有基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及所述用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，其中，所述第一时隙为所述第二时隙前的某一时隙；
所述波束成形装置包括：
第一获取单元601，用于对基站与某一用户之间的下行信道进行信道估计，获取所述用户的下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵；
第二获取单元602，用于获取所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
确定单元603，用于根据获取的所述信道估计值、所述信道估计误差的协方差矩阵以及所述信道时延变化误差的协方差矩阵以及建立的所述对应关系，确定所述用户的下行信道在当前时隙的CSI；
处理单元604，用于根据所述CSI进行波束成形。
为便于理解，下面以一具体应用场景为例，对本实施例中波束成形装置内部运作流程进行描述：
所述波束成形装置预先建立有基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及所述用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，其中，所述第一时隙为所述第二时隙前的某一时隙；第一获取单元601对基站与某一用户之间的下行信道进行信道估计，获取所述用户的下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵；第二获取单元602获取所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵；确定单元603根据获取的所述信道估计值、所述信道估计误差的协方差矩阵以及所述信道时延变化误差的协方差矩阵以及建立的所述对应关系，确定所述用户的下行信道在当前时隙的CSI；处理单元604根据所述CSI进行波束成形。
可选地，在本实施例中，所述波束成形装置还可以包括用于建立所述对应关系的建立单元605；
所述建立单元605，具体用于基于公式建立所述对应关系；
其中，Δk,t的协方差矩阵Θk,t＝ρ2(τ)Λk,t-τ+Γk,τ；
Hk,t为用户k的下行信道在时隙t的CSI；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计值；Λk,t-τ为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计误差的协方差矩阵；Γk,τ为用户k的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
可选地，在本实施例中，所述第二获取单元602包括：
获取模块6021，用于获取所述用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
定义模块6022，用于定义一个大于0的时延插值函数f(.)，且所述时延插值函数f(.)满足f(0)＝0；
计算模块6023，用于根据所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵和所述时延插值函数，计算所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
可选地，在本实施例中，所述计算模块6023，具体用于基于以下公式计算所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵：
Γk,τ＝f(τ)Γk,δ/f(δ)
其中，Γk,τ为用户k的下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；f(.)为所述时延插值函数；Γk,δ为用户k的下行信道在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
可选地，在本实施例中，所述获取模块6021，具体用于在基站所在小区进行测量，得到离线统计的所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
可选地，在本实施例中，所述获取模块6021可以包括：
获取子模块，用于根据用户每隔δ个时隙发送的上行导频信号对所述用户的下行信道进行信道估计，获取所述用户的下行信道在时隙nδ信道估计误差的协方差矩阵，其中，n＝1，2，……，T+1，T为大于1的正整数；以及获取对应的T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵；
计算子模块，用于基于以下公式计算所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵：
其中，Γk,δ为所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为所述T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵的平均值；Λk,nδ为用户k的下行信道在时隙nδ内的信道估计误差的协方差矩阵。
本发明实施例提供的技术方案中，波束成形装置预先构建有基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及所述用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，其中，所述第一时隙为所述第二时隙前的某一时隙；第一获取单元601对基站与用户之间的下行信道进行信道估计，获取用户的下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值和信道估计误差的协方差矩阵；第二获取单元602获取用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵，再由确定单元603根据获取的信道估计值、信道估计误差的协方差矩阵以及信道时延变化误差的协方差矩阵以及建立的该对应关系，确定用户的下行信道在当前时隙的CSI，从而获取综合考虑信道噪声误差和信道时延误差的CSI，并通过处理单元604根据所述CSI进行波束成形。因此相对于现有技术，本发明实施例通过建立的基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、该用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及该用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，来确定综合考虑信道噪声误差和信道时延误差的CSI，从而获取更为准确的CSI，以优化波束成形。
下面在图6所示实施例的基础上，进一步详细描述处理单元604的结构，具体请参阅图7，本发明实施例中波束成形装置另一实施例包括：
首先，所述波束成形装置预先建立有基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及所述用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，其中，所述第一时隙为所述第二时隙前的某一时隙；
所述波束成形装置包括：
第一获取单元701，用于对基站与某一用户之间的下行信道进行信道估计，获取所述用户的下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵；
第二获取单元702，用于获取所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
确定单元703，用于根据获取的所述信道估计值、所述信道估计误差的协方差矩阵以及所述信道时延变化误差的协方差矩阵以及建立的所述对应关系，确定所述用户的下行信道在当前时隙的CSI；
处理单元704，用于根据所述CSI进行波束成形。
在本实施例中，处理单元704包括：
确定模块7041，用于当所述用户为线性接收机时，利用以下最优化问题确定目标波束成形矩阵；
其中，所述数学模型的目标函数R表示系统容量，且所述表示用户k的数据流dk的优先级，所述表示用户k的数据流dk的数据速率，且为根据所述CSI获取的用户k的数据流dk的信号与干扰加噪声比的表达式；所述数学模型的约束条件表示系统总发射功率不大于PT；表示波束成形矩阵；
处理模块7042，用于根据所述目标波束成形矩阵进行波束成形。
可选地，在本实施例中，所述确定模块7041包括：
创建子模块，用于创建所述最优化问题；
转换模块，用于引入并优化中间变量，以便消除所述最优化问题中目标函数的对数及矩阵求逆操作，得到转换后的最优化问题；
确定子模块，用于初始化波束成形矩阵，对波束成形矩阵和中间变量进行交替迭代更新，当满足预设的迭代停止条件时，确定目标波束成形矩阵。
可选地，在本实施例中，所述确定子模块，具体用于初始化波束成形矩阵，对波束成形矩阵和中间变量进行交替迭代更新，当满足迭代次数达到预设值或者所述转换后的最优化问题的目标值增加小于某个阈值时，确定目标波束成形矩阵。
可选地，在本实施例中，所述波束成形装置还可以包括用于建立所述对应关系的建立单元705；
所述建立单元705，具体用于基于公式建立所述对应关系；
其中，Δk,t的协方差矩阵Θk,t＝ρ2(τ)Λk,t-τ+Γk,τ；
Hk,t为用户k的下行信道在时隙t的CSI；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计值；Λk,t-τ为用户k的下行信道在时隙t-τ的信道估计误差的协方差矩阵；Γk,τ为用户k的下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
可选地，在本实施例中，所述第二获取单元702包括：
获取模块7021，用于获取所述用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
定义模块7022，用于定义一个大于0的时延插值函数f(.)，且所述时延插值函数f(.)满足f(0)＝0；
计算模块7023，用于根据所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵和所述时延插值函数，计算所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
可选地，在本实施例中，所述计算模块7023，具体用于基于以下公式计算所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵：
Γk,τ＝f(τ)Γk,δ/f(δ)
其中，Γk,τ为用户k的下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；f(.)为所述时延插值函数；Γk,δ为用户k的下行信道在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
可选地，在本实施例中，所述获取模块7021，具体用于在基站所在小区进行测量，得到离线统计的所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
可选地，在本实施例中，所述获取模块7021可以包括：
获取子模块，用于根据用户每隔δ个时隙发送的上行导频信号对所述用户的下行信道进行信道估计，获取所述用户的下行信道在时隙nδ信道估计误差的协方差矩阵，其中，n＝1，2，……，T+1，T为大于1的正整数；以及获取对应的T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵；
计算子模块，用于基于以下公式计算所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵：
其中，Γk,δ为所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为所述T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵的平均值；Λk,nδ为用户k的下行信道在时隙nδ内的信道估计误差的协方差矩阵。
在图6所示实施例的基础上，本实施例提供的技术方案中，处理单元704可以在不确定该CSI的绝对实际值以及用户接收机为线性的情况下，优化波束成形矩阵以使系统容量增加。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (20)

1.一种波束成形装置，其特征在于，所述波束成形装置预先建立有基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、所述下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及所述下行信道在第二时隙的信道状态信息CSI之间的对应关系，其中，所述第一时隙为所述第二时隙前的某一时隙；所述波束成形装置包括：
第一获取单元，用于对基站与某一用户之间的下行信道进行信道估计，获取所述下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵；
第二获取单元，用于获取所述下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
确定单元，用于根据获取的所述信道估计值、所述信道估计误差的协方差矩阵以及所述信道时延变化误差的协方差矩阵以及建立的所述对应关系，确定所述某一用户的下行信道在当前时隙的CSI；
处理单元，用于根据所述CSI进行波束成形。
2.如权利要求1所述的波束成形装置，其特征在于，所述波束成形装置还包括用于建立所述对应关系的建立单元；
所述建立单元，具体用于基于公式建立所述对应关系；
其中，Δk,t的协方差矩阵Θk,t＝ρ2(τ)Λk,t-τ+Γk,τ；
Hk,t为基站与用户k之间的下行信道在时隙t的CSI；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为所述下行信道在时隙t-τ的信道估计值；Λk,t-τ为所述下行信道在时隙t-τ的信道估计误差的协方差矩阵；Γk,τ为所述下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
3.如权利要求1所述的波束成形装置，其特征在于，所述第二获取单元包括：
获取模块，用于获取所述下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
定义模块，用于定义一个大于0的时延插值函数f(.)，且所述时延插值函数f(.)满足f(0)＝0；
计算模块，用于根据在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵和所述时延插值函数，计算所述下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
4.如权利要求3所述的波束成形装置，其特征在于，
所述计算模块，具体用于基于以下公式计算所述下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵：
Γk,τ＝f(τ)Γk,δ/f(δ)
其中，Γk,τ为所述下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；k代表用户k；f(.)为所述时延插值函数；Γk,δ为所述下行信道在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
5.如权利要求3所述的波束成形装置，其特征在于，
所述获取模块，具体用于在基站所在小区进行测量，得到离线统计的在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
6.如权利要求3所述的波束成形装置，其特征在于，
所述获取模块，具体用于通过估计信道估计的时延变化量获取所述下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
7.如权利要求6所述的波束成形装置，其特征在于，所述获取模块包括：
获取子模块，用于根据用户每隔δ个时隙发送的上行导频信号对所述下行信道进行信道估计，获取所述下行信道在时隙nδ的信道估计误差的协方差矩阵，其中，n＝1，2，……，T+1，T为大于1的正整数；以及获取对应的T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵；
计算子模块，用于基于以下公式计算在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵：
其中，Γk,δ为在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；k代表用户k；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为所述T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵的平均值；Λk,nδ为所述下行信道在时隙nδ的信道估计误差的协方差矩阵。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的波束成形装置，其特征在于，所述处理单元包括：
确定模块，用于当所述某一用户为线性接收机时，利用以下最优化问题确定目标波束成形矩阵；
其中，数学模型的目标函数R表示系统容量，且所述表示用户k的数据流dk的优先级，所述表示用户k的数据流dk的数据速率，且 为根据所述CSI获取的所述用户k的数据流的信号与干扰加噪声比的表达式；所述数学模型的约束条件表示系统总发射功率不大于PT；表示波束成形矩阵；
处理模块，用于根据所述目标波束成形矩阵进行波束成形。
9.如权利要求8所述的波束成形装置，其特征在于，所述确定模块包括：
创建子模块，用于创建所述最优化问题；
转换模块，用于引入并优化中间变量，以便消除所述最优化问题中目标函数的对数及矩阵求逆操作，得到转换后的最优化问题；
确定子模块，用于利用转换后的最优化问题确定目标波束成形矩阵。
10.如权利要求9所述的波束成形装置，其特征在于，
所述确定子模块，具体用于初始化波束成形矩阵，对波束成形矩阵和中间变量进行交替迭代更新，当满足迭代次数达到预设值或者所述转换后的最优化问题的目标值增加小于某个阈值时，确定目标波束成形矩阵。
11.一种波束成形方法，其特征在于，包括：
预先建立有基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、所述下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及所述下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，其中，所述第一时隙为所述第二时隙前的某一时隙；
对基站与某一用户之间的下行信道进行信道估计，获取所述下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵；
获取所述下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
根据获取的所述信道估计值、所述信道估计误差的协方差矩阵以及所述信道时延变化误差的协方差矩阵以及建立的所述对应关系，确定所述某一用户的下行信道在当前时隙的CSI；
根据所述CSI进行波束成形。
12.如权利要求11所述的波束成形方法，其特征在于，所述方法还包括建立所述对应关系；
所述建立所述对应关系包括：
基于公式建立所述对应关系；
其中，Δk,t的协方差矩阵Θk,t＝ρ2(τ)Λk,t-τ+Γk,τ；
Hk,t为基站与用户k之间的下行信道在时隙t的CSI；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为所述下行信道在时隙t-τ的信道估计值；Λk,t-τ为所述下行信道在时隙t-τ的信道估计误差的协方差矩阵；Γk,τ为所述下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
13.如权利要求11所述的波束成形方法，其特征在于，所述获取所述下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵包括：
获取所述下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
定义一个大于0的时延插值函数f(.)，且所述时延插值函数f(.)满足f(0)＝0；
根据在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵和所述时延插值函数，计算所述下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
14.如权利要求13所述的波束成形方法，其特征在于，所述根据在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵和所述时延插值函数，计算所述下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵包括：
基于以下公式计算所述下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵：
Γk,τ＝f(τ)Γk,δ/f(δ)
其中，Γk,τ为所述下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；k代表用户k；f(.)为所述时延插值函数；Γk,δ为所述下行信道在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
15.如权利要求13所述的波束成形方法，其特征在于，所述获取所述下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵包括：
在基站所在小区进行测量，得到离线统计的在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
16.如权利要求13所述的波束成形方法，其特征在于，所述获取所述下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵包括：
通过估计信道估计的时延变化量获取所述下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
17.如权利要求16所述的波束成形方法，其特征在于，所述通过估计信道估计的时延变化量获取所述下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵包括：
根据用户每隔δ个时隙发送的上行导频信号对所述下行信道进行信道估计，获取所述下行信道在时隙nδ的信道估计误差的协方差矩阵，其中，n＝1，2，……，T+1，T为大于1的正整数；以及获取对应的T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵；
基于以下公式计算在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵：
其中，Γk,δ为在所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；k代表用户k；ρ(.)为所述下行信道的信道时间相关函数；为所述T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方差矩阵的平均值；Λk,nδ为所述下行信道在时隙nδ的信道估计误差的协方差矩阵。
18.如权利要求11至17中任意一项所述的波束成形方法，其特征在于，所述根据所述CSI进行波束成形包括：当所述某一用户为线性接收机时，利用以下最优化问题确定目标波束成形矩阵：
其中，数学模型的目标函数R表示系统容量，且所述表示用户k的数据流dk的优先级，所述表示用户k的数据流dk的数据速率，且 为根据所述CSI获取的所述用户k的数据流的信号与干扰加噪声比的表达式；所述数学模型的约束条件表示系统总发射功率不大于PT；表示波束成形矩阵；
根据所述目标波束成形矩阵进行波束成形。
19.如权利要求18所述的波束成形方法，其特征在于，所述基于以下最优化问题确定目标波束成形矩阵包括：
创建所述最优化问题；
引入并优化中间变量，以便消除所述最优化问题中目标函数的对数及矩阵求逆操作，得到转换后的最优化问题；
利用转换后的最优化问题确定目标波束成形矩阵。
20.如权利要求19所述的波束成形方法，其特征在于，所述利用转换后的最优化问题确定目标波束成形矩阵包括：
初始化波束成形矩阵，对波束成形矩阵和中间变量进行交替迭代更新，当满足预设的迭代停止条件时，确定目标波束成形矩阵；
所述预设的迭代停止条件包括：
迭代次数达到预设值或者所述转换后的最优化问题的目标值增加小于某个阈值。
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