CN106027131A - 基站与波束成形方法 - Google Patents

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刘善赟
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Abstract

本发明公开一种基站与波束成形方法。所述的方法包括下述步骤：基站实时获取和/或预估的列车的当前位置信息；基站将获得的位置信息与预存的相位激励表匹配；从相位激励表中得出应采用的天线阵元和应赋予该天线阵元的相位激励。本发明针对高移动性场景中位置信息可以实时获取且移动方向固定的特点，再利用列车顶宽裕的空间布置大规模天线阵列达到满分集的效果，设计了适用于大规模MIMO的基于列车位置信息的STBC‑UBF联合策略，这种策略的能够达到STBC‑ABF的性能限，同时复杂度低，因此在实际应用中与理论性能的差距不会大，能够在现有硬件计算量的情况下低成本部署。

Description

基站与波束成形方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，重点针对高速移动场景下，处理大规模多天线输入输出(MIMO)系统，设计低复杂度波束成形与空时编码的联合策略问题。
背景技术
在5G的规划中，高移动性(High Mobility)成为了非常重要的一部分，高铁通信是其中一个典型应用场景。高可靠性和高数据传输率是未来高移动通信系统的基本要求。由于MIMO可大大提高地面蜂窝网络的传输速率、覆盖范围等网络性能，在未来高铁通信的规划中，大规模MIMO的相关技术会得到广泛应用，以此提高整个系统的性能。
波束成形，最早来自自适应天线中的一个概念。其基本的思想是通过对多天线阵元接收到的各路信号进行一定的幅度和相位加权合成，形成所需的特定信号，这种操作在天线方向图里形成了规定指向上的波束，所以称其为波束成形。使用波束成形的前提是必须采用多天线系统，而我们的高移动系统中往往会使用大规模MIMO系统。
现有自适应波束成形的方案中，需要获取CSI或是上行信道协方差矩阵(UCCM:Uplink Channel Covariance Matrix)，亦或是下行信道协方差矩阵(DCCM:Downlink Channel Covariance Matrix)，这些方案对其计算复杂度特别高，因此在实际实施的时候性能会降低不少。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种低复杂度的波束形成方法和基站。
为达到上述目的，本发明的波束成形方法，包括下述步骤：
基站实时获取和/或预估的列车的当前位置信息；
基站将获得的位置信息与预存的相位激励表匹配；
从相位激励表中得出应采用的天线阵元和应赋予该天线阵元的相位激励。
较佳的，所述的位置信息为列车通过GPS获得，并从上行链路反馈给基站的。
较佳的，所述的相位激励表为与位置信息相关的矩阵；其中，矩阵中每一列中各个元素代表形成某个波束时各天线阵元上所赋予的相位激励，列数量代表需要的总波束数量。
较佳的，所述的位置信息预估的方法为：
确认最后一次获得的位置信息；
确认最后一次获得的位置信息的时间与当前时间的时间差；
估算列车速度；
通过时间和速度计算当前列车行驶距离；
通过预存的列车轨道信息计算当前列车的位置。
为达到上述目的，本发明的一种基站，包括：
地址获取单元，用于实时获取和/或预估列车的当前位置信息；
存储单元，预存有基于位置信息制作的相位激励表；
区配单元：基于地址获取单元实时获取和/或预估的列车的当前位置信息和预存的相位激励表匹配，得出应采用的天线阵元和应赋予该天线阵元的相位激励。
较佳的，还包括一列车轨道信息存储单元，用于存储列车轨道的坐标位置。
本发明针对高移动性场景中位置信息可以实时获取(或者预估d(t))且移动方向固定的特点，再利用列车顶宽裕的空间布置大规模天线阵列达到满分集的效果，设计了适用于大规模MIMO的基于列车位置信息的STBC-UBF联合策略，这种策略的能够达到STBC-ABF的性能限，同时复杂度低，因此在实际应用中与理论性能的差距不会大，能够在现有硬件计算量的情况下低成本部署。
附图说明
图1为本申请的系统模型图。
图2本申请与现有技术在不同传输功率下移动服务量比较
图3本申请与现有技术在高移动场景中切换成功率比较。
图4为本申请与现有技术在单基站内误比特率比较。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明是基于高移动性场景中移动方向固定的特点，再利用列车顶宽裕的 空间布置大规模天线阵列达到满分集的效果，设计了适用于大规模MIMO的基于列车位置信息的STBC-UBF联合策略，这种策略的能够达到STBC-ABF的性能限，同时复杂度低，因此在实际应用中与理论性能的差距不会大，能够在现有硬件计算量的情况下低成本部署。
基本的波束成形与空时编码的联合传输策略，服从如下的矩阵：
其中*表示复共轭运算。
加上权重之后，整个波束成形后的传输信号为：
波束成形权重计算公式如下：
其中其他一些参数的计算如下：
根据基站到铁路段的垂直距离d0与基站有效传输覆盖半径，在系统设计时选取合适的波束成形数量N,根据以上算法预先算出波束成形权重，将其与对应的列车位置信息预先储存在基站端。因此，基站能够通过列车反馈的位置信息，通过查表法快速查出配置的波束成形权重并替代在传输中，因而能够以较大概率在不增加系统线上计算复杂度的情况下，大大提高系统整体性能。
由于一旦基站被部署，而列车移动方向固定且位置信息可以实时获取，因此，根据列车在轨道上的不同位置计算出θlo，随后设计和存储能够覆盖列车所在位置的相位激励iθsti，并以矩阵形式预先存储在基站端。
实施例1
本发明的波束成形方法，包括：
11、基站通过连续的反馈获取列车的位置信息d(t)。
12、基站将获取的列车实时地理位置信息d(t)和相位激励表
θsti:[1θsti(d(t)),2θsti(d(t)),...,Nθsti(d(t))]匹配，寻找对应项iθsti(d(t))。
13、基站根据iθsti(d(t))调整天线相位激励，等待接收下一个d(t)。
图2为采用本方法使用现有方法在不同传输功率下移动服务量比较。图3采用本方法使用现有方法在高移动场景中切换成功率比较。图4为采用本方法使用现有方法在单基站内误比特率比较。其中，STBC表示只采用空时编码的传输策略，STBC-ABF表示采用自适应波束成形和空时编码的联合策略，STBC-UBF为本发明所提出的方法。从图中可以看出，不需要准确的信道状态信息(CSI:Channel State Information)，也无需引入巨额计算复杂度的情况下即可达到自适应波束成形和空时编码的联合策略所达到的效果。
其中，上述的位置信息为列车通过GPS获得，并从上行链路反馈给基站的。
上述的相位激励表为与位置信息相关的矩阵，如下所示，
其中，矩阵中每一列中各个元素代表形成某个波束时各天线阵元上所赋予的相位激励，列数量代表需要的总波束数量。
下面以实际的例子作进一步的说明：
假设基站覆盖范围为700米，基站到铁轨垂直距离为50米，天线为8阵元，一共产生8个波束，每个波束覆盖范围不等，那么图1中的矩阵列表则为8*8，矩阵中每一列中各个元素代表形成某个波束时各天线阵元上所赋予的相位激励，列数量代表需要的总波束数量。譬 如列车刚进入基站时，根据其地理位置信息d(t)知道此时由第一个波束覆盖，那么基站处拿出8*8矩阵中的第一列相位激励赋予天线，因为就能将天线能量定向馈给列车所在位置。当列车进入第二个波束的覆盖范围，同样，基站收到反馈的列车位置信息，匹配查表本地存储的8*8矩阵，拿出第二列相位激励赋予天线。如果由于列车位置信息精度问题，当列车位于两波束交界处时，可做出如下功率分配优化：
此时两路传输信号可以表示为：
我们定义此时信噪比可以表示为：
利用列车地理位置信息，我们得到如下的优化问题：
argmaxJ＝E[|α1|2+|α2|2]
s.t.E[α1α2 *]＝0
f1+f2＝1
有如下的结论：
当CSI未知时，如果则f1＝1,f2＝0，如果则f1＝0,f2＝1。
实施例2
本实施例是在实施例1基础上的改进，基于列车的轨道线路是固定的，因此在获取了几次列车位置信息后，还可以对基进下一步的位置信息进行预估。所述的位置信息预估的方法为：
111、确认最后一次获得的位置信息；
112、确认最后一次获得的位置信息的时间与当前时间的时间差；
113、估算列车速度；
114、通过时间和速度计算当前列车行驶距离；
115、通过预存的列车轨道信息计算当前列车的位置。
通过上述方法，通过几次对列车位置获取即可实现对列车位置的预估。
实施例3
本发明的一种基站，包括：
地址获取单元，用于实时获取和/或预估列车的当前位置信息；
存储单元，预存有基于位置信息制作的相位激励表；
区配单元：基于地址获取单元实时获取和/或预估的列车的当前位置信息和预存的相位激励表匹配，得出应采用的天线阵元和应赋予该天线阵元的相位激励。
还包括一列车轨道信息存储单元，用于存储列车轨道的坐标位置。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于相关领域的技术人员来说，本发明的实施及技术细节可以有各种更改和变化。凡在本发明的所提方法思想及核心原理范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
本领域普通技术人员将会理解，本发明的各个方面、或各个方面的可能实现方式可以被具体实施为系统、方法或者计算机程序产品。因此，本发明的各方面、或各个方面的可能实现方式可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件等等)，或者组合软件和硬件方面的实施例的形式，在这里都统称为“电路”、“模块”或者“系统”。此外，本发明的各方面、或各个方面的可能实现方式可以采用计算机程序产品的形式，计算机程序产品是指存储在计算机可读介质中的计算机可读程序代码。
计算机可读程序代码可以完全在用户的计算机上执行、部分在用户的计算机上执行、作为单独的软件包、部分在用户的计算机上并且部分在远程计算机上，或者完全在远程计算机或者服务器上执行。也应该注意，在某些替代实施方案中，在流程图中各步骤、或框图中各块所注明的功能可能不按图中注明的顺序发生。例如，依赖于所涉及的功能，接连示出的两个步骤、或两个块实际上可能被大致同时执行，或者这些块有时候可能被以相反顺序执行。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种波束成形方法，其特征在于，所述的方法包括下述步骤：
基站实时获取和/或预估的列车的当前位置信息；
基站将获得的位置信息与预存的相位激励表匹配；
从相位激励表中得出应采用的天线阵元和应赋予该天线阵元的相位激励。
2.如权利要求1任意权利要求所述的波束成形方法，其特征在于，所述的位置信息为列车通过GPS获得，并从上行链路反馈给基站的。
3.如权利要求1任意权利要求所述的波束成形方法，其特征在于，所述的相位激励表为与位置信息相关的矩阵；其中，矩阵中每一列中各个元素代表形成某个波束时各天线阵元上所赋予的相位激励，列数量代表需要的总波束数量。
4.如权利要求1任意权利要求所述的波束成形方法，其特征在于，所述的位置信息预估的方法为：
确认最后一次获得的位置信息；
确认最后一次获得的位置信息的时间与当前时间的时间差；
估算列车速度；
通过时间和速度计算当前列车行驶距离；
通过预存的列车轨道信息计算当前列车的位置。
5.一种基站，其特征在于，包括：
地址获取单元，用于实时获取和/或预估列车的当前位置信息；
存储单元，预存有基于位置信息制作的相位激励表；
区配单元：基于地址获取单元实时获取和/或预估的列车的当前位置信息和预存的相位激励表匹配，得出应采用的天线阵元和应赋予该天线阵元的相位激励。
6.如权利要求5所述的基站，其特征在于，还包括一列车轨道信息存储单元，用于存储列车轨道的坐标位置。
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