CN110365391B - 一种5g下行信道信号分集接收的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种5G下行信道信号分集接收的方法，属于移动通信领域。该方法包括：S1：终端开启所有天线阵列的接收模式，计算天线阵列接收信号强度；S2：选出主天线阵列，确定基站的来波方向；S3：终端分集接收不同天线阵列，根据物理下行信号来波方位角生成对应的接收赋形矩阵；S4：终端侧使用不同天线阵列分集接收物理信道数据，采用最大比合并算法进行分集合并处理，计算得到终端分集接收结果。本发明提高了终端物理下行信号的接收增益，能够有效抵制毫米波空间传播差、方向性强的特点，并增加终端毫米波的接收性能。

Description

一种5G下行信道信号分集接收的方法

技术领域

本发明属于移动通信领域，涉及移动通信系统中终端实现技术，具体涉及一种第五代移动通信系统新无线(简称：5G NR)的下行信号在终端侧使用分集技术进行接收的方法。

背景技术

随着无线移动通信技术发展，低频段的无线资源已经越来越稀缺。在5G NR系统中，将可以使用的频段分成两个频率范围，即频率范围1(简称：FR1)，450MHz–6000MHz和频率范围2(简称：FR2)，24250MHz–52600MHz，其中FR2频段也称为毫米波频段。毫米波频段由于工作频率高，在空间传输损耗大，传输距离短，导致在使用毫米波组网时小区覆盖半径小，无形中增加了运营商的建网成本，阻碍了毫米波频段在移动通信领域中的应用。虽然可以通过增加基站发射功率和增加小区覆盖半径来进行改善，但是这样势必增加小区的发送机功耗，进而增加小区的能耗。近几年来，在移动通信领域中，基站的电费支出已经占据网络运营很大成本。

虽然毫米波频段存在种种弊端，但是由于其频率高，波长短，只有毫米级，适合采用天线阵列进行收发处理，因此天线阵列的波束赋形成为5G NR系统的关键技术之一，也正因为毫米波的波长比较短，为天线阵列技术应用到移动终端中提供可能。由于用户手持移动终端方式比较灵活，移动终端在空间内的移动范围比较随机，加之毫米波波长较短，绕射能力差，无线信号被遮挡的概率大大增加，因此在5G NR终端FR2频段天线设计中，常常使用多个天线阵列接收来实现，如图1所示。这样无论使用者如何手持移动终端或终端在空间以何种方式随机移动，总有天线阵列面向毫米波的来波方向。

在目前5G NR信号处理中，基站采用波束赋形方式(数字波束赋形或模拟波束赋形)进行发送。为了增加接收增益，5G NR终端也采用了波束赋形方式接收下行信号。通常只使用一个天线阵列进行接收处理，但是在5G NR终端设计中，如图1所示，终端不止有一个天线阵列，主天线阵列接收到来自基站的下行信号的同时，其他天线阵列也会收到来自基站的下行信号。

因此，亟需一种能有效提高终端接收5G信号的性能的接收方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种5G下行信道信号分集接收的方法，在5G NR系统中，使用频率范围2(简称：FR2)频段时，具体频率范围24250MHz–52600MHz，在终端侧存在多组天线阵列，每组天线阵列处于终端的不同或相同平面，终端在解析5G基站发送物理下行信号时，将采用分集接收合并方式来提高接收性能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种5G下行信道信号分集接收的方法，具体是物理信道数据接收处理流程，如图3所示，具体包括以下步骤：

S1：终端打开所有天线阵列接收来自基站发送的物理下行信号，计算每个天线阵列接收信号强度，采用天线阵列中平均每根天线的接收信号强度来表示整个天线阵列的接收信号强度；假设终端有k个天线阵列，则终端在同一时刻接收到k个分集的物理下行信号；如图3中1步；

S2：选择接收信号强度最大的天线阵列为主天线阵列，使用该主天线阵列进行物理下行信号的来波方向估计，估算出物理下行信号的来波方位角；使用主天线阵列估算出来物理下行信号的来波方位角，计算出其它天线阵列的来波方位角；如图3中2、3步；

S3：根据每个天线阵列物理下行信号的来波方位角，得到每个天线阵列物理下行信号的接收赋形矩阵，记为w_rx,1,w_rx,2,…,w_rx,k；然后使用该接收赋形矩阵计算出每个天线阵列分集接收到的物理下行信号R₁,R₂,…,R_k；如图3中4步；

S4：从接收到物理下行信号中，选出符合分集接收条件的分集数据，进行分集接收合并计算；如图3中5步；

S5：对符合分集条件的物理下行信号进行傅里叶变换，将物理下行信号从时域变换到成频域，作连续FFT计算，形成完整的5G无线资源时频资源格，并且从中分离出物理信道数据和解调参考信号数据，其中物理信道数据记为y₁,y₂,…,y_k，解调参考信号数据记为DMRS₁,DMRS₂,…,DMRS_k；如图3中6步；

S6：利用物理下行信号中的解调参考信号进行信道估计，估算出每个天线阵列对应物理信道数据对应的信道特征矩阵h₁,h₂,…,h_k，将不符合分集合并计算的信道特征矩阵设置为0矩阵；如图3中7步；

S7：终端侧使用不同天线阵列分集接收物理信道数据y₁,y₂,…,y_k，采用分集接收最大比合并算法计算得到终端分集接收结果；如图3中8步。

进一步，所述步骤S1中，假设每根天线的接收信号强度指示为rssi_i，那么整个天线阵列的接收信号强度表示为：

其中i＝1,2,…,N_r，N_r为天线阵列的天线数目。

进一步，所述步骤S2中，选用主天线阵列，终端使用解调参考信号数据进行波束扫描和跟踪确定基站的来波方向，当一个天线阵列中基站发送物理下行信号的来波方位角确定时，假设来波方向和天线阵列的垂直和水平夹角为

则终端使用不同天线阵列之间的坐标关系计算出其它天线阵列的物理下行信号来波方向的方位角，记为

其中k为终端用于接收的天线阵列个数，k为大于等于1的整数。

进一步，所述步骤S5中，物理信道数据

其中，n_k表示高斯白噪声，x为基站发送的物理下行信号，W_tx为基站发送波束赋形矩阵，H_k为发送天线阵列到第k个接收天线阵列的空间信道矩阵，令

使用解调参考信号数据进行信号估计，估算出物理信道数据y₁,y₂,…,y_k对应的信道特征h₁,h₂,…,h_k。

进一步，所述步骤S7中，分集接收计算公式表示为：

其中

为分集合并加权矩阵，y＝(y₁,y₂,…,y_k)^T，上标T表示矩阵转置操作；当

条件下，即

时，分集接收合并得到信号的信噪比最大，则终端分集接收结果：

其中h＝(h₁,h₂,…,h_k)^T，上标T表示转置操作，上标H标识共轭转置操作，n为高斯白噪声。

本发明的有益效果在于：

(1)对于支持FR2频段的终端，终端中存在多个天线阵列来接收物理下行信号，本发明给出了一种选择天线阵列的方法，即选择接收信号最强的天线阵列作为主天线阵列来使用；

(2)常规物理下行信号接收中，通常仅使用主天线阵列接收的物理下行信号，丢弃其它天线阵列接收的信号，本发明则使用多个天线阵列接收到的物理下行信号，并且使用最大比合并算法进行合并，提高了终端物理下行信号的接收增益；

(3)本发明采用分集合并算法来处理物理下行信号接收，有效抵制毫米波空间传播差、方向性强的特点，并增加终端毫米波的接收性能。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为5G NR终端的常规天线整列示意图；

图2为5G物理下行信号分集接收原理图；

图3为本发明中5G物理下行信道PDSCH接收处理过程流程图；

图4为5G基站发送物理下行共享信道PDSCH流程图；

图5为5G终端分集接收物理下行共享信道PDSCH流程图；

图6为5G终端分集接收物理下行共享信道PDSCH的数学模型；

图7为实施例中5G物理下行共享信道PDSCH接收处理过程流程图；

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，以下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，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明中物理下行信号发送和接收处理如图2所示。5G NR系统工作在FR2频段，基站发送物理下行信号(包括物理信道数据和解调参考信号数据)，通过射频通道加载到基站天线阵列，经过基站天线阵列赋形之后发送出去。在终端侧存在多组天线阵列(假设为k组)，每组天线阵列采用本身波束赋形接收方式接收来自基站的物理下行信号，每组接收到的物理下行信号为一个接收分集。接收到的k组物理下行信号采用最大比合并算法进行合并，然后在终端继续进行物理信道数据的解调过程。

参见图4～图5，具体解释了5G NR系统中物理下行共享信道(PDSCH)接收处理的过程。在物理信道PDSCH上传输的信号称为物理下行共享信道信号(PDSCH信号)，PDSCH信号内容包括PDSCH信道数据(PDSCH Data)和PDSCH的解调参考信号数据(PDSCH DMRS)。

如图4所示，图4为5G NR系统中基站(gNodeB)发送PDSCH信号的原理框图，基站发送下行PDSCH信号的处理流程如下：

步骤1：在5G NR系统中，基站和终端之间传输可以使用一个码字(codeword)或两个码字，码字数据经过信道编码和信道调制之后进行层映射。

步骤2：根据第三代合作伙伴计划(简称：3GPP)标准的要求，层映射的目的是将PDSCH Data分成多层进行传输。传输过程中，基站为每层数据分配一个独立的PDSCH DMRS，然后层数据和对应PDSCH DMRS同时映射到5G NR的时频资源格。

步骤3：每层数据生成对应的时频资源格，在一个逻辑天线端口发送，首先经过逆傅里叶变换(简称：IFFT)，将频域信号转换成时域信号，并加载到基站天线的逻辑端口上，经过射频通道，由基站的天线整列发送到空中。

图5为5G NR系统中终端接收PDSCH信号的原理框图。本实施例中给出终端使用2个天线阵列接收下行PDSCH信号的示意图，利用2路分集接收进行合并。终端接收PDSCH信号的处理流程如下：

步骤1：终端采用天线阵列接收来自基站的PDSCH信号，首先选择接收信号最强的天线阵列作为主天线阵列，然后采用该天线阵列进行下行PDSCH信号的来波方位角估算。根据2个天线阵列在空间的位置关系，估算出其他天线阵列的下行PDSCH信号的来波方位角。

步骤2：利用估算得到每个天线阵列的下行PDSCH信号来波方位角，计算出接收天线阵列的接收波束赋形矩阵，由此计算出每个天线阵列收到的下行PDSCH信号，其中每路PDSCH信号就是一路分集合并信号。

步骤3：对下行PDSCH信号进行傅里叶变换(FFT)，得到时频资源格数据，从时频资源格中提取PDSCH Data和PDSCH DMRS数据。使用PDSCH的解调参考信号进行信道估计，估算出PDSCH Data的信道矩阵。在该步骤中，不同天线阵列进行信道估计时使用的PDSCH DMRS都相同，即对应层的PDSCH DMRS信号。

步骤4：使用分集接收的信道矩阵和PDSCH Data进行分集合并。

步骤5：分集合并数据进行信号解调和信道解码，即可得到基站发送的PDSCH数据块。

图6为5G终端分集接收物理下行共享信道PDSCH的数学模型，解释了本实施例中信号处理的具体过程：

假设x为基站发送PDSCH信号，W_tx为基站发送赋形矩阵，H_k为收发天线阵列之间的空间信道矩阵，其中k为接收天线阵列数目，在本实施例中选取为2，W_rx为终端天线阵列接收赋形矩阵，y₁,y₂,…,y_k为接收到的PDSCH分集数据，w_co_mb为分集合并矩阵，n为高斯白噪声，Y为终端分集接收结果。

假设终端使用DMRS进行信道估计，得到PDSCH数据的信道矩阵：

在该实施例中，

其中W_rx由终端根据来波方位角计算得到。在PDSCH下行信号传输过程中，PDSCH Data和PDSCH DMRS数据在同一个时频资源格，并且经过相同的发送赋形矩阵，空间信道以及接收波束赋形矩阵，因此可以使用PDSCH DMRS数据来估算出PDSCH Data的信道传输特征h_k。在本实施例中，采用DMRS进行信道估计的时候，得到的h_k信道特征已经包括了W_rx，W_tx以及H_k信息。

y_k＝h_kx+n_k (3)

采用矩阵方式表示为：

y＝hx+n (4)

采用最大比分集合并的计算公式为：

其中w₁,w₂,…,w_k为不同分集支路的分集合并加权系数。

采用矩阵简化描述如下：

其中

将公式(4)代入公式(7)中，

当

条件下，即

时，分集接收合并得到信号的信噪比最大，则终端分集接收结果：

图7为5G物理下行共享信道PDSCH接收处理流程图，在实际终端中进行物理下行共享信道PDSCH分集接收的处理流程具体包括以下步骤：

步骤1：终端打开可以使用的接收天线阵列，在该实施例中，两个天线阵列处于接收状态。如图7中1步。

步骤2：计算天线阵列接收的每根天线的信号强度(在天线阵列移相器之前或之后进行计算)，采用平均方式计算出该天线阵列的接收信号强度。假设天线阵列有N_r根天线，每根天线接收到的接收信号强度指示(rssi)为rssi_i，其中i＝1,2,…,N_r。则计算该天线阵列接收信号强度为：

选择接收信号强度最大的天线阵列为主天线阵列，使用该主天线阵列进行PDSCH信号的来波方向估计，估算出PDSCH信号的来波方位角，记为

如图7中2步。

步骤3：由于终端不同天线阵列的位置关系固定，根据主天线阵列估算出相对其他天线阵列的PDSCH信号来波方位角，假设该实施例中两个天线阵列的来波方位角为

和

由于基站距离终端比较远，因此同一个平面中的两个天线阵列的来波方位角是相同的。任何两个天线阵列的来波方位角的关系可以表示为

θ_i＝l_i*θ+θ_i0

其中i为天线阵列的编号，l_i,m_i,θ_i0,

为不同天线阵列之间的位置关系，这些参数在终端设计天线阵列的位置时已确定。如图7中3步。

步骤4：根据各个天线阵列的赋形矩阵的设计，计算出PDSCH信号中对应来波方向为

的天线阵列1的接收波束赋形矩阵W_rx，1，来波方向为

的天线阵列2的接收波束赋形矩阵W_rx,2。该步骤主要用于确保天线阵列接收赋形方向和PDSCH信号的来波方向相同，以便天线阵列信号合并之后强度最大。如图7中4步。

该实施例中，两个天线阵列接收信号强度可以表示为：

PDSCH信号

PDSCH信号

其中n为高斯白噪声，如图7中5步。

步骤5：终端两个天线阵列接收到的分集信号R₁，R₂，即PDSCH信号，其中R₁，R₂数据包括PDSCH Data和PDSCH DMRS时域数据，对天线阵列接收到的R₁，R₂分别进行FFT计算，得到5G的时频资源格。从时频资源格中取出PDSCH Data分集数据y₁，y₂和PDSCH DMRS数据PDSCHDMRS₁，PDSCH DMRS₂。如图7中6步。

PDSCH Data分集数据和PDSCH DMRS数据经过相同的基站发送赋形矩阵W_tx，无线空中信道H，并采用相同的接收赋形矩阵W_rx，使用PDSCH DMRS进行信道估计，估算出PDSCHData分集数据的传输通道特征h。

则PDSCH Data分集数据计算表达式：

PDSCH Data分集y₁＝h₁x+n₁

PDSCH Data分集y₂＝h₂x+n₂

在该实施例中，h₁信道特征由PDSCH DMRS₁信道估计得到，h₂信道特征由PDSCHDMRS₂信道估计得到。如图5中7步。

步骤8：利用分集接收中的最大比算法进行合并计算出PDSCH Data。根据分集接收中，最大比合并算法之后得到的PDSCH Data数据：

其中，

如图7中8步。

步骤9：最后对PDSCH Data数据Y进行解调以及信道译码得到基站发送的PDSCH数据块。

本实施例仅给出基站发送一层PDSCH Data数据的分集接收处理过程，根据3GPP标准规定，对于同一个终端，基站发送的PDSCH信道数据可以映射到1，2，4，8层进行发送，同样可以使用天线阵列分集接收方法进行处理。由于在使用天线阵列进行PDSCH信号接收过程中，每层数据处理原理和过程相同，不再一一描述。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种5G下行信道信号分集接收的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：终端打开所有天线阵列接收来自基站发送的物理下行信号，计算每个天线阵列接收信号强度，采用天线阵列中平均每根天线的接收信号强度来表示整个天线阵列的接收信号强度；假设终端有k个天线阵列，则终端在同一时刻接收到k个分集的物理下行信号；

S2：选择接收信号强度最大的天线阵列为主天线阵列，使用该主天线阵列进行物理下行信号的来波方向估计，估算出物理下行信号的来波方位角；使用主天线阵列估算出来物理下行信号的来波方位角，计算出其它天线阵列的来波方位角；

S3：根据每个天线阵列物理下行信号的来波方位角，得到每个天线阵列物理下行信号的接收赋形矩阵，记为w_rx,1,w_rx,2,…,w_rx,k；然后使用该接收赋形矩阵计算出每个天线阵列分集接收到的物理下行信号R₁,R₂,…,R_k；

S4：从接收到物理下行信号中，选出符合分集接收条件的分集数据，进行分集接收合并计算；

S5：对符合分集条件的物理下行信号进行傅里叶变换，将物理下行信号从时域变换到成频域，作连续FFT计算，形成完整的5G无线资源时频资源格，并且从中分离出物理信道数据和解调参考信号数据，其中物理信道数据记为y₁,y₂,…,y_k，解调参考信号数据记为DMRS₁,DMRS₂,…,DMRS_k；

S6：利用物理下行信号中的解调参考信号进行信道估计，估算出每个天线阵列对应物理信道数据对应的信道特征矩阵h₁,h₂,…,h_k，将不符合分集合并计算的信道特征矩阵设置为0矩阵；

S7：终端侧使用不同天线阵列分集接收物理信道数据y₁,y₂,…,y_k，采用最大比分集合并算法计算得到终端分集接收结果；

最大比分集合并的计算公式表示为：

其中

为分集合并加权矩阵，y＝(y₁,y₂,…,y_k)^T，上标T表示转置操作；当

条件下，即

时，分集接收合并得到信号的信噪比最大，则终端分集接收结果为：

其中h＝(h₁,h₂,…,h_k)^T，上标T表示转置操作，上标H标识共轭转置操作，n为高斯白噪声。

2.根据权利要求1所述的一种5G下行信道信号分集接收的方法，其特征在于，所述步骤S1中，假设每根天线的接收信号强度指示为rssi_i，那么整个天线阵列的接收信号强度表示为：

其中i＝1,2,…,N_r，N_r为天线阵列的天线数目。

3.根据权利要求1所述的一种5G下行信道信号分集接收的方法，其特征在于，所述步骤S2中，选用主天线阵列，终端使用解调参考信号数据进行波束扫描和跟踪确定基站的来波方向，当一个天线阵列中基站发送物理下行信号的来波方位角确定时，假设来波方向和天线阵列的垂直和水平夹角为

则终端使用不同天线阵列之间的坐标关系计算出其它天线阵列的物理下行信号来波方向的方位角，记为

其中k为终端用于接收的天线阵列个数，k为大于等于1的整数。

4.根据权利要求1所述的一种5G下行信道信号分集接收的方法，其特征在于，所述步骤S5中，物理信道数据

其中，n_k表示高斯白噪声，x为基站发送的物理下行信号，W_tx为基站发送波束赋形矩阵，H_k为发送天线阵列到第k个接收天线阵列的空间信道矩阵，令

使用解调参考信号数据进行信号估计，估算出物理信道数据y₁,y₂,…,y_k对应的信道特征h₁,h₂,…,h_k。

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