CN105812036A - 一种非时变 mimo 系统的波束赋形实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非时变MIMO系统的波束赋形实现方法，包括以下步骤：步骤S1、对于符合物理信道环境的MIMO系统，通过虚拟天线阵列的方式构造MIMO信道模型；步骤S2、采用3GPP的2x2以及4x4码本对发射天线作波束赋形。本发明的非时变MIMO系统的波束赋形实现方法通过SVD信道分裂技术改进现有波束赋形算法，实现MIMO系统容量的提升，通过理论计算，在2×2和4×4天线配置下系统容量分别可提升3dB和6dB。

Description

一种非时变 MIMO 系统的波束赋形实现方法

技术领域

本发明涉及无线通信传输的技术领域，特别是涉及一种非时变MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出MIMO)系统的波束赋形实现方法。

背景技术

多输入多输出MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)系统是一项运用于802.11n的核心技术，用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型，能利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。

具体地，多输入多输出系统中，在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势。

波束赋形的目标是根据系统性能指标，形成对基带(中频)信号的最佳组合或者分配。具体地说，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，同时降低同信道用户间的干扰。因此，首先需要建立系统模型，描述系统中各处的信号，而后才可能根据系统性能要求，将信号的组合或分配表述为一个数学问题，寻求其最优解。

在发射端，波束赋形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被以一种恰当的方式组合起来，从而获得期盼中的信号辐射模式。

当MIMO系统通过在发射机和接收机处的多天线来提升通信质量时，还可以通过波束赋型来提升系统容量。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种非时变MIMO系统的波束赋形实现方法，通过SVD信道分裂技术改进现有波束赋形算法，实现MIMO系统容量的提升，通过理论计算，在2×2和4×4天线配置下系统容量分别可提升3dB和6dB。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种非时变MIMO系统的波束赋形实现方法，包括以下步骤：步骤S1、对于符合物理信道环境的MIMO系统，通过虚拟天线阵列的方式构造MIMO信道模型；步骤S2、采用3GPP的2x2以及4x4码本对发射天线作波束赋形。

根据上述的非时变MIMO系统的波束赋形实现方法，其中：所述步骤S1中，采用奇异值分解的方法来实现信道分裂。

进一步地，根据上述的非时变MIMO系统的波束赋形实现方法，其中：所述MIMO信道模型中，信道矩阵为 $H=a\sqrt{M_T{N}_R}\exp (-\frac{j2\mathrm{\πd}}{{\mathrm{\λ}}_c})e_r\left({\cos \mathrm{\φ}}_r\right)e_t{\left({\cos \mathrm{\φ}}_t\right)}^{*},$ 其中

$\begin{array}{c}{e}_r\left(\cos \mathrm{\φ}\right):=\frac{1}{\sqrt{N_R}}\left[\begin{array}{c}1\\ \exp (-j{2\mathrm{\π\Δ}}_r\cos \mathrm{\φ})\\ .\\ .\\ \exp (-j2\mathrm{\π}(N_R-1){\mathrm{\Δ}}_r\cos \mathrm{\φ})\end{array}\right]\\ e_t\left(\cos \mathrm{\φ}\right):=\frac{1}{\sqrt{M_T}}\left[\begin{array}{c}1\\ \exp (-j{2\mathrm{\π\Δ}}_t\cos \mathrm{\φ})\\ .\\ .\\ \exp (-j2\mathrm{\π}(M_T-1){\mathrm{\Δ}}_t\cos \mathrm{\φ})\end{array}\right]\end{array}.$

根据上述的非时变MIMO系统的波束赋形实现方法，其中：所述步骤S2中，采用3GPP协议中对2x2天线和4x4天线的码本作波束赋形的权值后，权值的方向特性表示为单天线波传播的特性与阵列因子的乘积，即

$W_{\mathrm{tot}}=W_{\mathrm{el}}\·W_{\mathrm{array}}=W_{\mathrm{el}}\·\underset{m=1}{\overset{M_T}{\mathrm{\Σ}}}{w}_m{e}^{j2\mathrm{\π}(m-1)\sin \mathrm{\φ}}.$

如上所述，本发明的非时变MIMO系统的波束赋形实现方法，具有以下有益效果：

(1)通过SVD信道分裂技术改进现有波束赋形算法，实现MIMO系统容量的提升；

(2)通过理论计算，在2×2和4×4天线配置下系统容量分别可提升3dB和6dB；

(3)在MIMO系统中通过抑制多天线之间MIMO信道的干扰来提高系统容量的波束赋形。

附图说明

图1显示为现有技术中的天线间隔和MIMO传输的关系示意图；

图2显示为现有技术中的直射光线加一条反射径的物理模型示意图；

图3显示为现有技术中MIMO信道模型的示意图；

图4显示为本发明的非时变MIMO系统的波束赋形实现方法的流程图；

图5显示为通过SVD将MIMO系统的信道转换为平行独立的子信道的建模示意图；

图6显示为波束赋形在MIMO系统中的应用示意图；

图7显示为2天线单流预编码码本；

图8显示为4天线单流预编码码本；

图9显示为4天线线性天线阵列权值因子。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

在本发明的非时变MIMO系统的波束赋形实现方法中，通过对MIMO系统发射天线作波束赋形来提升系统容量。具体地，利用发射机和接收机间不同天线的距离来加强MIMO系统的容量。

图1显示了天线间隔和MIMO传输的关系。从地理方面的物理模型来考虑，直射光线加一条反射径的物理模型如图2所示。因此，MIMO信道模型如图3所示。其中，信道矩阵H表达为H＝U∑V^*。

本发明的非时变MIMO系统的波束赋形实现方法中，包括以下步骤：

步骤S1、对于符合物理信道环境的MIMO系统，通过虚拟天线阵列的方式构造MIMO信道模型，其中，采用SVD(singularvaluedecomposition，奇异值分解)的方法来实现信道分裂。

具体地，通过SVD的方法将图2中的DavidTse物理模型的MIMO信道进行建模，如图5所示。

其中，信道矩阵表达为冲击响应表达为每一根发射天线到达每一根接收天线的路损与冲击信号的乘积，即

$h_{\mathrm{ik}}=\mathrm{aexp}(-\frac{j2\mathrm{\πd}}{{\mathrm{\λ}}_c}).\exp \left(j2\mathrm{\π}(k-1){\mathrm{\Δ}}_t\cos {\mathrm{\φ}}_t\right).\exp (-j2\mathrm{\π}(i-1){\mathrm{\Δ}}_r{\cos \mathrm{\φ}}_r)$

因此，信道矩阵变形为 $H=a\sqrt{M_T{N}_R}\exp (-\frac{j2\mathrm{\πd}}{{\mathrm{\λ}}_c})e_r\left({\cos \mathrm{\φ}}_r\right)e_t{\left({\cos \mathrm{\φ}}_t\right)}^{*}.$ 其中

$\begin{array}{c}{e}_r\left(\cos \mathrm{\φ}\right):=\frac{1}{\sqrt{N_R}}\left[\begin{array}{c}1\\ \exp (-j{2\mathrm{\π\Δ}}_r\cos \mathrm{\φ})\\ .\\ .\\ \exp (-j2\mathrm{\π}(N_R-1){\mathrm{\Δ}}_r\cos \mathrm{\φ})\end{array}\right]\\ e_t\left(\cos \mathrm{\φ}\right):=\frac{1}{\sqrt{M_T}}\left[\begin{array}{c}1\\ \exp (-j{2\mathrm{\π\Δ}}_t\cos \mathrm{\φ})\\ .\\ .\\ \exp (-j2\mathrm{\π}(M_T-1){\mathrm{\Δ}}_t\cos \mathrm{\φ})\end{array}\right]\end{array}$

波束赋形的方法可以利用天线多样性来抑制接收端的多径衰落现象。同时，接收信号可以通过相位重调使得接收信号最大化。这种方法适用于有相关性的天线之间很小的天线间距的情况，可通过在发射端天线上加权值的方法来使得接收端的信号被有效地调制。图6是波束赋形在MIMO系统中的应用。

步骤S2、采用3GPP的2x2以及4x4码本对发射天线作波束赋形。

具体地，采用图7和图8中的3GPP协议中对两天线和四天线的码本作波束赋形的权值，可以利用码本的正交特性抑制天线元素之间的干扰，并且选择适应出射波方向的波瓣方向来提高系统容量。

权值的方向特性可以表示为单天线波传播的特性与阵列因子的乘积，即

$W_{\mathrm{tot}}=W_{\mathrm{el}}\·W_{\mathrm{array}}=W_{\mathrm{el}}\·\underset{m=1}{\overset{M_T}{\mathrm{\Σ}}}{w}_m{e}^{j2\mathrm{\π}(m-1)\sin \mathrm{\φ}}$

图9是4天线线性天线阵列权值因子。

为了得到波束赋形在实际网络应用中的效果，在Raytracing模拟器中模拟网络覆盖图，下表中是网络的配置环境。

表1、网络的配置环境

Frequecy	2.7GHZ
		Max.Path loss	150dB
Bandwidth	20MHz
		P tx	0dBm

模拟器通过实景模拟可以得到仿真结果.从仿真结果中可以看出3dB的天线增益。使用不同的码本时，根据天线主瓣的发射方向，有3dB的波束赋形天线增益。

综上所述，本发明的非时变MIMO系统的波束赋形实现方法通过SVD信道分裂技术改进现有波束赋形算法，实现MIMO系统容量的提升，通过理论计算，在2×2和4×4天线配置下系统容量分别可提升3dB和6dB。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种非时变MIMO系统的波束赋形实现方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1、对于符合物理信道环境的MIMO系统，通过虚拟天线阵列的方式构造MIMO信道模型；

步骤S2、采用3GPP的2x2以及4x4码本对发射天线作波束赋形。

2.根据权利要求1所述的非时变MIMO系统的波束赋形实现方法，其特征在于：所述步骤S1中，采用奇异值分解的方法来实现信道分裂。

3.根据权利要求2所述的非时变MIMO系统的波束赋形实现方法，其特征在于：所述MIMO信道模型中，信道矩阵为 $H=a\sqrt{M_T{N}_R}\exp (-\frac{j2\mathrm{\πd}}{{\mathrm{\λ}}_c})e_r\left(\cos {\mathrm{\φ}}_r\right)e_t{\left(\cos {\mathrm{\φ}}_t\right)}^{*},$ 其中

$e_r\left(\cos \mathrm{\φ}\right):=\frac{1}{\sqrt{N_R}}\left[\begin{array}{c}1\\ \exp (-j2\mathrm{\π}{\mathrm{\Δ}}_r\cos \mathrm{\φ})\\ .\\ .\\ \exp (-j2\mathrm{\π}(N_R-1){\mathrm{\Δ}}_r\cos \mathrm{\φ})\end{array}\right]$

$e_t\left(\cos \mathrm{\φ}\right):=\frac{1}{\sqrt{M_T}}\left[\begin{array}{c}1\\ \exp (-j2\mathrm{\π}{\mathrm{\Δ}}_t\cos \mathrm{\φ})\\ .\\ .\\ \exp (-j2\mathrm{\π}(M_T-1){\mathrm{\Δ}}_t\cos \mathrm{\φ})\end{array}\right].$

4.根据权利要求1所述的非时变MIMO系统的波束赋形实现方法，其特征在于：所述步骤S2中，采用3GPP协议中对2x2天线和4x4天线的码本作波束赋形的权值后，权值的方向特性表示为单天线波传播的特性与阵列因子的乘积，即

$W_{\mathrm{tot}}=W_{\mathrm{el}}\·W_{\mathrm{array}}=W_{\mathrm{el}}\·\underset{m=1}{\overset{M_T}{\mathrm{\Σ}}}{w}_m{e}^{j2\mathrm{\π}(m-1)\sin \mathrm{\φ}}.$