CN114726425A - 基于移相器开关控制的波束成形方法、装置以及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于移相器开关控制的波束成形方法、装置以及系统。方法包括：获取弱负载终端的信道的信道向量；基于所述信道向量得到与所述信道对应的各个移相器的贡献度；基于与所述信道对应的各个移相器的贡献度，依次将各移相器的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器的连接状态后，计算所述弱负载终端的待处理信干噪比，若所述待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器的连接状态，并将符合预设条件的移相器的连接状态更改为闭合；采用连接状态为闭合的至少一个移相器调节与所述弱负载终端对应的波束的宽度；所述波束由所述基站向所述弱负载终端发送的电磁波或者接收所述弱负载终端发送的电磁波形成的。

Description

基于移相器开关控制的波束成形方法、装置以及系统
技术领域
本发明涉及一种通信技术领域，尤其涉及一种基于移相器开关控制的波束成形方法、装置以及系统。
背景技术
现代毫米波通信系统中的用户类型是多种多样的，通常情况下上行信道和下行信道的负载不同，例如，无人机或者高清监控摄像装置产生极大地上行信道需求，而下行信道需求不大。浏览高清视频或者下载大型文件的智能手机或者平板电脑对下行信道需求巨大。因此需要根据不同均衡的上行负载和下行负载进行适当的调整，以最大化系统资源利用。
目前，行业内已有的上行下行信道均衡策略，主要是调节时分双工模式上下行传输占据时间片长短，即动态时分双工模式。这种方式是通过为高负载侧分配较多的传输时间，低负载侧分配较少的传输时间。但是这种方式仅能够实现毫米波通信系统级的上下信道中的负载均衡的情况。所有的用户只能承受相同的负载均衡结果，即所有的用户经过调节后的上行信道容量和下行信道容量完全相同。而无法适用于各个用户上行信道和下行信道的负载不均衡的场景。
因此，急需一种数据流传输方法以解决上述的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了的一种基于移相器开关控制的波束成形方法、装置以及系统，实现对波束宽度调节，降低功耗，提高系统能量效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于移相器开关控制的波束成形方法，包括：获取弱负载终端的信道的信道向量；所述信道为弱负载终端的弱负载侧的信道；基于所述信道向量得到与所述信道对应的各个移相器的贡献度；其中，与所述信道对应的移相器包括多个；所述移相器位于基站中；基于与所述信道对应的各个移相器的贡献度，依次将各移相器的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器的连接状态后，计算所述弱负载终端的待处理信干噪比，若所述待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器的连接状态，并将符合预设条件的移相器的连接状态更改为闭合；采用连接状态为闭合的至少一个移相器调节与所述弱负载终端对应的波束的宽度；所述波束由所述基站向所述弱负载终端发送的电磁波或者接收所述弱负载终端发送的电磁波形成的。
优选的，在所述获取弱负载终端的信道向量之前，还包括：在检测到终端的上行信道和下行信道的待传输数据流的大小不同的情况下，确定所述终端为弱负载终端；所述待传输数据流以所述电磁波的形式传输，所述电磁波形成所述波束。
优选的，在获取弱负载终端的信道的信道向量之后，还包括：基于所述信道向量得到弱负载终端的初始信干噪比；所述若所述待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器的连接状态，包括：若所述待处理信干噪比小于所述初始信干噪比的预设倍数，则停止更改移相器的连接状态。
优选的，所述弱负载终端包括多个；所述基于所述信道向量得到弱负载终端的初始信干噪比，包括：将各个弱负载终端的所述信道向量分别输入初始信干噪比函数，得到各个弱负载终端的初始信干噪比：
Figure BDA0003596313750000021
其中，SINRk表示第k个弱负载终端的初始信干噪比，k表示弱负载终端的编号，hk表示第k个弱负载的信道向量，Pt为所述系统内的基站的发射功率，FRF是模拟波束成形器矩阵，FBB是数字波束成形器矩阵，[FBB]：，k表示数字波束成形器的第k列元素，[FBB]：，u表示数字波束成形器的第u列元素，σ2表示噪声功率，K表示弱负载终端的数量，每个移相器连接一个开关，所述模拟波束成形器包括至少一个移相器和与所述至少一个移相器连接的开关。
优选的，所述基于所述信道向量得到与所述信道对应的各个移相器的贡献度，包括：将各个弱负载终端的所述信道向量分别输入贡献度函数，得到与每个信道对应的每个移相器的贡献度：
Figure BDA0003596313750000031
其中，δ(ak)表示与第k个弱负载终端的信道对应的第ak个移相器的贡献度，hu表示第u个弱负载终端的信道向量，hu的取值范围为[1，K]，hk表示第k个弱负载终端的信道向量，
Figure BDA0003596313750000032
表示第k个弱负载终端的信道向量内的与第ak个基站天线对应的信道元素，
Figure BDA0003596313750000033
表示第u个弱负载终端的信道向量内的与第ak个基站天线对应的信道元素，γk表示所述预设倍数，所述基站包括多个基站天线，每个移相器连接一个基站天线。
优选的，所述计算所述弱负载终端的待处理信干噪比，包括：针对每个弱负载终端，通过待处理信干噪比函数分别对每个弱负载终端的所述信道向量、移相器的连接状态，以及各基站天线的数量进行计算，得到每个弱负载终端的待处理信干噪比：
Figure BDA0003596313750000034
其中，τk(Sk)表示第k个弱负载终端的待处理信干噪比，hk，s＝hkSk表示第k个移相器关闭后更新的信道向量，Sk表示第k个弱负载终端的选择矩阵，所述选择矩阵中的行数和列数都由所述基站天线的个数确定，所述选择矩阵为对角矩阵且对角线上的元素为0或者1，0表示移相器的连接状态为断开，1表示移相器的连接状态为闭合，
Figure BDA0003596313750000035
表示等效噪声。
优选的，所述基于与所述信道对应的各个移相器的贡献度，依次将各移相器的连接状态由闭合更改为断开，包括：针对与所述信道对应的每个移相器，将各个移相器的贡献度进行从小到大的排序，依次将移相器的连接状态由闭合更改为断开。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于移相器开关控制的波束成形装置，包括：信道向量获取模块，用于获取弱负载终端的信道的信道向量；所述信道为弱负载终端的弱负载侧的信道；贡献度获取模块，用于基于所述信道向量得到与所述信道对应的各个移相器的贡献度；其中，与所述信道对应的移相器包括多个；所述移相器位于基站中；移相器关闭模块，用于基于与所述信道对应的各个移相器的贡献度，依次将各移相器的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器的连接状态后，计算所述弱负载终端的待处理信干噪比，若所述待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器的连接状态，并将符合预设条件的移相器的连接状态更改为闭合；宽度调节模块，用于采用连接状态为闭合的至少一个移相器调节与所述弱负载终端对应的波束的宽度；所述波束由所述基站向所述弱负载终端发送的电磁波或者接收所述弱负载终端发送的电磁波形成的。
第三方面，本发明实施例还提供了一种无线通信系统，其特征在于，包括弱负载终端、多个移相器、基站、基于移相器开关控制的波束成形装置；其中，所述弱负载终端，用于向所述基站发送电磁波，或者接收所述基站发送的电磁波；所述多个移相器，所述移相器位于基站中，用于调节波束的宽度；所述波束由所述弱负载终端向基站发送的电磁波或者接收基站发送的电磁波形成的；所述基于移相器开关控制的波束成形装置，包括信道向量获取模块、贡献度获取模块、移相器关闭模块和宽度调节模块；其中，信道向量获取模块，用于获取弱负载终端的信道的信道向量；所述信道为弱负载终端的弱负载侧的信道；贡献度获取模块，用于基于所述信道向量得到与所述信道对应的各个移相器的贡献度；其中，与所述信道对应的移相器包括多个；移相器关闭模块，用于基于与所述信道对应的各个移相器的贡献度，依次将各移相器的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器的连接状态后，计算所述弱负载终端的待处理信干噪比，若所述待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器的连接状态，并将符合预设条件的移相器的连接状态更改为闭合；宽度调节模块，用于采用连接状态为闭合的至少一个移相器调节与所述弱负载终端对应的波束的宽度；所述波束由所述基站向所述弱负载终端发送的电磁波或者接收所述弱负载终端发送的电磁波形成的。
第四方面，本发明实施例还提供了一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如本发明实施例任一所述的基于移相器开关控制的波束成形方法。
本发明实施例的技术方案，通过获取弱负载终端的信道的信道向量，所述信道为弱负载终端的弱负载侧的信道；基于所述信道向量得到与所述信道对应的各个移相器的贡献度；与所述信道对应的移相器包括多个；所述移相器位于基站中；基于与所述信道对应的各个移相器的贡献度，依次将各移相器的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器的连接状态后，计算所述弱负载终端的待处理信干噪比，若所述待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器的连接状态，并将符合预设条件的移相器的连接状态更改为闭合；采用连接状态为闭合的至少一个移相器调节与所述弱负载终端对应的波束的宽度；所述波束由所述基站向所述弱负载终端发送的电磁波或者接收所述弱负载终端发送的电磁波形成的。通过本发明实施例的技术方案实现了在不影响弱负载终端的弱负载侧的电磁波的传输前提下，变关闭部分移相器，对弱负载终端的波束宽度的调节，进而降低系统功耗，从整体上提高系统的能量效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1为本发明实施例一中的一种基于移相器开关控制的波束成形方法的流程示意图；
图2为本发明实施例二中的一种基于移相器开关控制的波束成形方法的流程示意图；
图3为本发明实施例二中的一种基于移相器开关控制的波束成形装置的示意图；
图4为本发明实施例三中的一种基于移相器开关控制的波束成形装置的结构示意图；
图5为本发明实施例四中的一种无线通信系统的结构示意图。
具体实施方式
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，本领域普通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。
在阐述本发明实施例的技术方案之前，先对本发明实施例的应用场景进行示例性说明：
现今由于传统的全数字波束成型结构功耗过大，实际中难以采用。毫米波大规模阵列通常采用数字-模拟混合波束成形结构，数字与模拟部分通过射频链路连接。对于一条射频链路而言，同时与所有的天线相连接，与每个天线之间的连接通过移相器12改变信号的相位以实现模拟波束成形。信号是指数字编码信号序列中的信号，数据流包括数字编码信号序列。对于工作在毫米波波段的大规模阵列而言，由于天线数可达数百至上千，因此，即便单个移相器12的功耗很低，总功耗也会非常大。而无线通信系统中接入的设备趋向多样化，这些智能设备的性能需求各有不同。无线通信系统终端的性能需求的多样化往往带来上行信道和下行信道的负载不均衡。比如，浏览高清视频或下载大文件的智能手机、平板电脑等需要比上行信道更大的下行信道容量，而正在飞行的无人机或实时高清监控的摄像设备等需要比下行信道更大的上行信道容量。而且即便是同种类型的设备，对于弱负载侧信道容量也可能存在不同。这样，无线通信系统无法对终端的负载不均衡进行调节，进而降低了系统的能量效率。本发明实施例可以实现对在不影响弱负载终端的数据流的传输的前提下，对波束宽度进行调整，降低弱负载终端的功耗，进而降低系统功耗，从整体上提高系统的能量效率。
实施例一
图1为本发明实施例所提供的一种基于移相器开关控制的波束成形方法的流程示意图，本实施例可适用于对弱负载终端的波束宽度进行调节的情况，该方法可以由基于移相器开关控制的波束成形系统来执行，该系统可以通过软件和/或硬件的形式实现。
如图1所示，本发明实施例的基于移相器开关控制的波束成形方法具体包括如下步骤：
S110、获取弱负载终端11的信道的信道向量。
其中，终端是指可以与基站13之间传输电磁波的终端，比如，手机、平板电脑等。弱负载终端11是指相对于强负载终端而言，终端的上行信道和下行信道的负载出现不均衡情况时，具有弱负载，弱负载可以是上行信道的负载，也可以是下行信道的负载。此时的终端为弱负载终端11。需要说明的是，本发明实施例中信道为弱负载终端11的弱负载侧的信道。针对弱负载终端11的一系列操作等，都是针对弱负载终端11的弱负载侧的操作。比如。获取信道向量、计算初始信干噪比、计算待处理信干噪比等。移相器12与弱负载终端11的弱负载侧的信道对应。应当理解，弱负载可以是上行信道的负载，也可以是下行信道的负载。比如，终端处于浏览视频的状况，下行信道的信道容量需求较大，而上行信道容量需求较小，也即上行信道为弱负载侧，终端为弱负载终端11。信道是指基站13与终端之间的通信设备，功能是将数据流从基站13发送至终端，或者将数据流从终端发送至基站13。数据流以电磁波为载体。信道向量是指弱负载终端11的信道的量化，以数学形式表示信道，便于后续的操作。信道向量中的每个信道元素可以是指接收端的天线接收到的发送端的天线发送过来的数据流经过信道传输之后得到的值。每个信道向量中的信道元素的个数等于与弱负载终端11的信道对应的移相器12的个数，由于移相器12的个数与基站天线的个数相同，所以，信道元素的个数等于与弱负载终端11对应的基站天线的个数。这里的移相器12的连接状态为闭合。接收端可以是终端，也可以是基站13。终端包括终端天线，基站13包括基站天线。在本发明实施例中，在基站13与终端的数据流的传输之前，首先传输一个导频信号，用于获取信道向量。需要说明的是，本发明实施例应用于无线通信系统中，系统采用时分双工模式。无线通信系统可以包括一个基站13和多个终端。每个终端的上行信道和下行信道是指相同的信道，只是在不同时刻传输的电磁波的方向不同。电磁波的方向为终端向基站13的方向传输，则信道为上行信道，电磁波的方向为基站13向终端的方向传输，则信道为下行信道。
具体的，获取弱负载终端11的信道的信道向量，为后续计算弱负载终端11的信道相对应的各个移相器12的贡献度做准备工作。
进一步的，在本发明实施例中，在获取弱负载终端11的信道向量之前，还包括：在检测到终端的上行信道和下行信道的待传输数据流的大小不同的情况下，确定终端为弱负载终端11；数据流以电磁波的形式传输，电磁波形成波束。
其中，待传输数据流是指需要传输的数据流。待传输数据流的发送端可以是终端，也可以是基站13。当发送端是终端时，是指上行信道的待传输数据流。当发送端是基站13时，是指下行信道的待传输数据流。待传输数据流以电磁波的形式传输，电磁波形成波束。可选的，下行信道中的数据流经过波束成形器得到电磁波。波束成形器是指混合波束成形器，包括数字波束成形器和模拟波束成形器。
具体的，在检测到终端的上行信道和下行信道的待传输数据流的大小不同时，终端的上行信道和下行信道的负载出现不均衡，也即包括强负载侧和弱负载侧，此时终端为弱负载终端11。数据流的大小可以是数据所占内存的大小。
S120、基于信道向量得到与信道对应的各个移相器12的贡献度。
其中，与信道对应的移相器12包括多个；移相器12位于基站13中。基站13中设置多个移相器12，每个移相器12连接一个基站天线，多个基站天线形成基站天线阵列。在上行信道和下行信道进行电磁波的传输时，都需要经过基站13内的多个移相器12，而当改变移相器12的连接状态则会影响电磁波传输的效率，也即影响波束的宽度，进而影响着系统的能量效率。贡献度可以是指对初始信干噪比的影响程度，初始信干噪比的相关内容将在下述实施例中进行阐述。
具体的，根据信道向量得到与弱负载终端11的信道相对应的每个移相器12的贡献度，可以基于贡献度对移相器12进行操作，以改变波束的宽度。
S130、基于与信道对应的各个移相器12的贡献度，依次将各移相器12的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器12的连接状态后，计算弱负载终端11的待处理信干噪比，若待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器12的连接状态，并将符合预设条件的移相器12的连接状态更改为闭合。
其中，移相器12的连接状态包括闭合和断开。移相器12的连接状态为断开时，移相器12关闭，移相器12的连接状态为闭合时，移相器12接通。预设条件可以是待处理信干噪比小于预设值等。应当理解，移相器12的初始连接状态为闭合，也即移相器12接通。关闭移相器也就是将移相器的连接状态由闭合更改为断开。
具体的，根据与弱负载终端11的信道相对应的各个移相器12的贡献度，依次将移相器12的连接状态由闭合更改为断开，并在每次更改移相器12的连接状态之后，基于剩余的移相器12计算弱负载终端11的待处理信干噪比。在待处理信干噪比不符合预设条件的情况下，继续更改下一个移相器12的连接状态。在待处理信干噪比符合预设条件的情况下，停止更改移相器12的连接状态，并将符合预设条件的移相器12的连接状态更改为闭合。
进一步的，在本发明实施例中，基于与信道对应的各个移相器12的贡献度，依次将各移相器12的连接状态由闭合更改为断开，包括：针对与信道对应的每个移相器12，将各个移相器12的贡献度进行从小到大的排序，依次将移相器12的连接状态由闭合更改为断开。
具体的，将贡献度从小到大排序，并从贡献度最小的移相器12开始进行移相器12的连接状态的更改。贡献度低的移相器12对于待处理信干噪比的影响小，因此，从贡献度低的移相器12开始关闭。
S140、采用连接状态为闭合的至少一个移相器12调节与弱负载终端11对应的波束的宽度。
其中，波束由基站13向弱负载终端11发送的电磁波或者接收弱负载终端11发送的电磁波形成的。示例性的，当波束的宽度变宽时，电磁波传输的效率变慢，也即数据流传输的效率变慢。
具体的，通过连接状态为闭合的至少一个移相器12调节与弱负载终端11对应的波束的宽度，在不影响弱负载终端11的弱负载侧的数据流传输的前提下，降低了功耗，从整体上提高了系统的能量效率。
应当理解，能量效率等于频谱效率除以功率消耗，功率消耗包括发射功率和所有硬件的损耗。包括移相器12、基站天线、终端天线等硬件设备。
频谱效率是指信息传输速率的上限，也即系统的总信息传输效率R：
Figure BDA0003596313750000091
其中，SINRk表示第k个弱负载终端11的初始信干噪比，弱负载终端11的个数为K个。
本发明实施例的技术方案，通过获取弱负载终端11的信道的信道向量；所述信道为弱负载终端11的弱负载侧的信道；基于信道向量得到与信道对应的各个移相器12的贡献度；与信道对应的移相器12包括多个；移相器12位于基站13中；基于与信道对应的各个移相器12的贡献度，依次将各移相器12的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器12的连接状态后，计算弱负载终端11的待处理信干噪比，若待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器12的连接状态，并将符合预设条件的移相器12的连接状态更改为闭合；采用连接状态为闭合的至少一个移相器12调节与弱负载终端11对应的波束的宽度；波束由基站13向弱负载终端11发送的电磁波或者接收弱负载终端11发送的电磁波形成的。通过本发明实施例的技术方案实现了在不影响弱负载终端的弱负载侧的电磁波的传输前提下，变关闭部分移相器，对弱负载终端的波束宽度的调节，进而降低系统功耗，从整体上提高系统的能量效率。
实施例二
图2是本发明实施例提供的一种基于移相器12开关控制的波束成形方法的流程示意图，本发明实施例在上述实施例的可选方案的基础上增加对初始信干噪比的获取以及基于初始信干噪比对步骤S130进行的细化。其中，与上述实施例相同或者相似的技术术语将不再赘述。
S210、获取弱负载终端11的信道的信道向量。
S220、基于信道向量得到与信道对应的各个移相器12的贡献度。
S230、基于信道向量得到弱负载终端11的初始信干噪比。
其中，初始信干噪比是指在与信道相对应的所有移相器12的连接状态都是闭合的，也即移相器12都是连通的情况下，弱负载终端11的信干噪比。
具体的，通过获取初始信干噪比，为后续进行弱负载侧的待处理信干噪比的处理做准备工作。
进一步的，在本发明实施例中，弱负载终端11包括多个；基于信道向量得到弱负载终端11的初始信干噪比，包括：将各个弱负载终端11的信道向量分别输入初始信干噪比函数，得到各个弱负载终端11的初始信干噪比：
Figure BDA0003596313750000101
其中，SINRk表示第k个弱负载终端11的初始信干噪比，k表示弱负载终端11的编号，hk表示第k个弱负载的信道向量，Pt为系统内的基站13的发射功率，FRF是模拟波束成形器矩阵，FBB是数字波束成形器矩阵，[FBB]：，k表示数字波束成形器的第k列元素，[FBB]：，u表示数字波束成形器的第u列元素，σ2表示噪声功率，K表示弱负载终端11的数量，每个移相器12连接一个开关，模拟波束成形器包括至少一个移相器12和与至少一个移相器12连接的开关。
具体的，得到每个弱负载终端11的弱负载侧的移相器12都处于连通状态时的初始信干噪比，也可以是弱负载终端11的强负载侧的信干噪比。在弱负载侧的所有的移相器12都处于连通状态时，弱负载侧与强负载侧的信干噪比相同。
S240、基于与信道对应的各个移相器12的贡献度，依次将各移相器12的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器12的连接状态后，计算弱负载终端11的待处理信干噪比。
进一步的，在本发明实施例中，基于信道向量得到与信道对应的各个移相器12的贡献度，包括：将各个弱负载终端11的信道向量分别输入贡献度函数，得到与每个信道对应的每个移相器12的贡献度：
Figure BDA0003596313750000111
其中，δ(ak)表示与第k个弱负载终端11的信道对应的第ak个移相器12的贡献度，hu表示第u个弱负载终端11的信道向量，hu的取值范围为[1，K]，hk表示第k个弱负载终端11的信道向量，
Figure BDA0003596313750000112
表示第k个弱负载终端11的信道向量内的与第ak个基站天线对应的信道元系，
Figure BDA0003596313750000113
表示第u个弱负载终端11的信道向量内的与第ak个基站天线对应的信道元素，γk表示预设倍数，基站13包括多个基站天线，每个移相器12连接一个基站天线。
进一步的，在本发明实施例中，计算弱负载终端11的待处理信干噪比，包括：针对每个弱负载终端11，通过待处理信干噪比函数分别对每个弱负载终端11的信道向量、移相器12的连接状态，以及各基站天线的数量进行计算，得到每个弱负载终端11的待处理信干噪比：
Figure BDA0003596313750000114
其中，τk(Sk)表示第k个弱负载终端11的待处理信干噪比，hk，s＝hkSk表示第k个移相器12关闭后更新的信道向量，Sk表示第k个弱负载终端11的选择矩阵，选择矩阵中的行数和列数都由基站天线的个数确定，选择矩阵为对角矩阵且对角线上的元素为0或者1，0表示移相器12的连接状态为断开，1表示移相器12的连接状态为闭合，
Figure BDA0003596313750000115
表示等效噪声。在本发明实施例中，用选择矩阵Sk的零范数作为目标函数，表示连接状态为闭合的移相器12的个数，Sk可以定义为第k个弱负载终端11对应的Nt×Nt选择矩阵，Nt为基站天线个数，当然，基站天线的个数与移相器12的个数相同，移相器12的个数为Nt。
具体的，在本发明实施例中，对于移相器12进行编号，以区分不同的移相器12。进而，在选择矩阵的对角线上，当存在移相器12的连接状态为断开时，可以将与该移相器12相对应的选择矩阵的对角线上的元素由1更改为0。可选地，移相器12在初始状态都是连通的。
S250、若待处理信干噪比小于初始信干噪比的预设倍数，则停止更改移相器12的连接状态。
其中，预设倍数可以是指预先设置的倍数，比如，0.12倍、1.3倍等。预设倍数的具体数值，可根据实际情况进行设置，这里不做具体限制。
具体的，当待处理信干噪比小于初始信干噪比的预设倍数时，停止更改移相器12的连接状态。当待处理信干噪比大于等于初始信干噪比的预设倍数时，继续更改移相器12的连接状态。
S260、将符合预设条件的移相器12的连接状态更改为闭合。
需要说明的是，预设条件是指待处理信干噪比小于初始信干噪比的预设倍数。示例性的，编号为45的移相器连接状态更改为断开，之后计算待处理信干噪比小于初始信干噪比的预设倍数，停止更改移相器12的连接状态。并将编号为45的移相器的连接状态从断开更改为闭合。
S270、采用连接状态为闭合的至少一个移相器12调节弱负载终端11对应的波束的宽度。
示例性的，参加图3，数据流1至数据流k依次为弱负载终端1至弱负载终端k所需要的待传输数据流。待传输数据流位于基站13中，基站13通过将数据流1至数据流k经过数字波束成形器Vd去噪，将数据流1至数据流k去噪后依次经过对应的射频链路1至射频链路k，到达模拟波束成形器Va。经过模拟波束成形器的处理后，由基站天线发送至弱负载终端11。应当理解，每个射频链路对应一个数据流也即对应一个弱负载终端11。弱负载终端11可以有K个，包括弱负载终端1至弱负载终端k。模拟波束成形器Va包括一个开关和与开关连接的移相器12。每个移相器12一端连接一个基站天线，另一端连接一个开关。基站天线的个数为Nt，移相器12和开关的个数为Nt。每个射频链路一端连接数字波束成形器，另一端连接与弱负载终端11对应的至少一个移相器12，在移相器12与射频链路之间，包括一个开关，也即射频链路连接开关的一端，开关的另一端连接移相器12。通过对开关进行控制，进而更改移相器12的连接状态，降低弱负载终端11的弱负载侧的功耗，从整体上提高系统能量效率。可选的，去噪的方式可以是迫零数字预编码。数据流1至数据流k经过数字波束成形器Vd进行迫零数字预编码，则数字波束成形器为：当信道向量依次为h1，…，hk时，每个信道向量经过模拟波束成形器的等效信道为
Figure BDA0003596313750000121
迫零预编码的数字波束成形器
Figure BDA0003596313750000122
相比于现有技术中的数字-模拟混合结构，每个移相器12都设置有个开关，移相器12的关闭，可以降低系统的总功耗，进而提升系统的能量效率。应当理解，本发明实施例的无线通信系统采用时分双工模式进行电磁波的传输。因此，数据流的方向可以是指由基站13传输至终端，也可以是指由终端传输至基站13。数据流以电磁波的形式在基站天线和终端天线之间传输。
示例性的，假设用于浏览高清4K视频的弱负载终端11的下行带宽要求约为50Mbps，而此时上行带宽要求仅为0.5Mbps。应当理解，在已知弱负载终端11的信道容量和频谱效率的基础上，可以得到弱负载终端11的带宽。通过本发明实施例的技术方案，弱负载终端11的弱负载侧的性能约束可以取γk＝0.15。也即，上述实施例中的预设倍数为0.15。则仅需要约20％的移相器12工作。以同时服务4个终端、基站天线有256个的基站13为例，4个终端则可以关闭820个移相器12，按每个移相器12功耗35mW计算，能够节约28.7W的功耗。另外，本发明实施例可以实现各弱负载终端11采用不同的弱负载侧的性能约束，以γ1＝0.65，γ2＝0.6，γ3＝0.55，γ4＝0.5的4个弱负载终端11为例，本发明实施例的技术方案可以将系统的能量效率提升到原系统的2.3倍。
S270、采用连接状态为闭合的至少一个移相器12调节弱负载终端11对应的波束的宽度。
本发明实施例的技术方案，通过获取弱负载终端11的信道的信道向量；基于信道向量得到与信道对应的各个移相器12的贡献度；与信道对应的移相器12包括多个，移相器12位于基站13中，基于信道向量得到弱负载终端11的初始信干噪比，基于与信道对应的各个移相器12的贡献度，依次将各移相器12的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器12的连接状态后，计算弱负载终端11的待处理信干噪比。若待处理信干噪比小于初始信干噪比的预设倍数，则停止更改移相器12的连接状态。并将符合预设条件的移相器12的连接状态更改为闭合；采用连接状态为闭合的至少一个移相器12调节与弱负载终端11对应的波束的宽度，波束由基站13向弱负载终端11发送的电磁波或者接收弱负载终端11发送的电磁波形成的。通过本发明实施例的技术方案实现了在不影响弱负载终端的弱负载侧的电磁波的传输前提下，变关闭部分移相器，对弱负载终端的波束宽度的调节，进而降低系统功耗，从整体上提高系统的能量效率。
实施例三
图4为本发明实施例提供的一种基于移相器开关控制的波束成形装置的结构示意图，本发明实施例所提供的基于移相器开关控制的波束成形装置可执行本发明任意实施例所提供的基于移相器开关控制的波束成形方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。该装置包括：信道向量获取模块1410、贡献度获取模块1420、移相器关闭模块1430和宽度调节模块1440。其中：
信道向量获取模块1410，用于获取弱负载终端11的信道的信道向量；信道为弱负载终端11的弱负载侧的信道；贡献度获取模块1420，用于基于信道向量得到与信道对应的各个移相器12的贡献度；其中，与信道对应的移相器12包括多个；移相器12位于基站13中；移相器关闭模块1430，用于基于与信道对应的各个移相器12的贡献度，依次将各移相器12的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器12的连接状态后，计算弱负载终端11的待处理信干噪比，若待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器12的连接状态，并将符合预设条件的移相器12的连接状态更改为闭合；宽度调节模块1440，用于采用连接状态为闭合的至少一个移相器12调节与弱负载终端11对应的波束的宽度；波束由基站13向弱负载终端11发送的电磁波或者接收弱负载终端11发送的电磁波形成的。
进一步的，在本发明实施例中，装置还包括：弱负载终端确定模块，用于在检测到终端的上行信道和下行信道的待传输数据流的大小不同的情况下，确定终端为弱负载终端11；待传输数据流以电磁波的形式传输，电磁波形成波束。
进一步的，在本发明实施例中，装置还包括：初始信干噪比获取模块，用于基于信道向量得到弱负载终端11的初始信干噪比；移相器关闭模块1430，还用于：若待处理信干噪比小于初始信干噪比的预设倍数，则停止更改移相器12的连接状态。
进一步的，在本发明实施例中，弱负载终端11包括多个；初始信干噪比获取模块，还用于：将各个弱负载终端11的信道向量分别输入初始信干噪比函数，得到各个弱负载终端11的初始信干噪比：
Figure BDA0003596313750000141
其中，SINRk表示第k个弱负载终端11的初始信干噪比，k表示弱负载终端11的编号，hk表示第k个弱负载的信道向量，Pt为系统内的基站13的发射功率，FRF是模拟波束成形器矩阵，FBB是数字波束成形器矩阵，[FBB]：，k表示数字波束成形器的第k列元素，[FBB]：，u表示数字波束成形器的第u列元素，σ2表示噪声功率，K表示弱负载终端11的数量，每个移相器12连接一个开关，模拟波束成形器包括至少一个移相器12和与至少一个移相器12连接的开关。
进一步的，在本发明实施例中，贡献度获取模块1420，还用于：
将各个弱负载终端11的信道向量分别输入贡献度函数，得到与每个信道对应的每个移相器12的贡献度：
Figure BDA0003596313750000151
其中，δ(ak)表示与第k个弱负载终端11的信道对应的第ak个移相器12的贡献度，hu表示第u个弱负载终端11的信道向量，hu的取值范围为[1，K]，hk表示第k个弱负载终端11的信道向量，
Figure BDA0003596313750000152
表示第k个弱负载终端11的信道向量内的与第ak个基站天线对应的信道元素，
Figure BDA0003596313750000153
表示第u个弱负载终端11的信道向量内的与第ak个基站天线对应的信道元素，γk表示预设倍数，基站13包括多个基站天线，每个移相器12连接一个基站天线。
进一步的，在本发明实施例中，移相器关闭模块1430，还用于：
针对每个弱负载终端11，通过待处理信干噪比函数分别对每个弱负载终端11的信道向量、移相器12的连接状态，以及各基站天线的数量进行计算，得到每个弱负载终端11的待处理信干噪比：
Figure BDA0003596313750000154
其中，τk(Sk)表示第k个弱负载终端11的待处理信干噪比，hk，s＝hkSk表示第k个移相器12关闭后更新的信道向量，Sk表示第k个弱负载终端11的选择矩阵，选择矩阵中的行数和列数都由基站天线的个数确定，选择矩阵为对角矩阵且对角线上的元素为0或者1，0表示移相器12的连接状态为断开，1表示移相器12的连接状态为闭合，
Figure BDA0003596313750000155
表示等效噪声。
进一步的，在本发明实施例中，移相器关闭模块1430，还用于：
针对与信道对应的每个移相器12，将各个移相器12的贡献度进行从小到大的排序，依次将移相器12的连接状态由闭合更改为断开。
本发明实施例，通过获取弱负载终端11的信道的信道向量；基于信道向量得到与信道对应的各个移相器12的贡献度；与信道对应的移相器12包括多个；移相器12位于基站13中；基于与信道对应的各个移相器12的贡献度，依次将各移相器12的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器12的连接状态后，计算弱负载终端11的待处理信干噪比，若待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器12的连接状态，并将符合预设条件的移相器12的连接状态更改为闭合；采用连接状态为闭合的至少一个移相器12调节与弱负载终端11对应的波束的宽度；波束由基站13向弱负载终端11发送的电磁波或者接收弱负载终端11发送的电磁波形成的。通过本发明实施例的技术方案实现了在不影响弱负载终端的弱负载侧的电磁波的传输前提下，变关闭部分移相器，对弱负载终端的波束宽度的调节，进而降低系统功耗，从整体上提高系统的能量效率。
值得注意的是，上述装置所包括的各个模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明实施例的保护范围。
实施例四
图5为本发明实施例提供的一种无线通信系统的结构示意图，本发明实施例所提供的无线通信系统可实现本发明任意实施例所提供的基于移相器开关控制的波束成形方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。该系统包括弱负载终端11、多个移相器12、基站13、基于移相器开关控制的波束成形装置14；其中：
弱负载终端11，用于向基站13发送电磁波，或者接收基站13发送的电磁波；多个移相器12，移相器12位于基站13中，用于调节波束的宽度；波束由弱负载终端11向基站13发送的电磁波或者接收基站13发送的电磁波形成的；基于移相器12开关控制的波束成形装置14，包括信道向量获取模块1410、贡献度获取模块1420、移相器关闭模块1430和宽度调节模块1440；其中，信道向量获取模块1410，用于获取弱负载终端11的信道的信道向量；信道为弱负载终端11的弱负载侧的信道；贡献度获取模块1420，用于基于信道向量得到与信道对应的各个移相器12的贡献度；其中，与信道对应的移相器12包括多个；移相器关闭模块1430，用于基于与信道对应的各个移相器12的贡献度，依次将各移相器12的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器12的连接状态后，计算弱负载终端11的待处理信干噪比，若待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器12的连接状态，并将符合预设条件的移相器12的连接状态更改为闭合；宽度调节模块1440，用于采用连接状态为闭合的至少一个移相器12调节与弱负载终端11对应的波束的宽度；波束由基站13向弱负载终端11发送的电磁波或者接收弱负载终端11发送的电磁波形成的。
具体的，在本发明实施例中，无线通信系统包括基站13和多个终端，而在多个终端中存在弱负载终端11。无线通信系统主要针对弱负载终端11的弱负载侧的数据流的传输进行调节，以调节波束的宽度的形式，调节系统的功耗，进而从整体上提到系统能量效率。弱负载终端11用于向基站13发送电磁波或者接收基站13发送的电磁波。电磁波是数据流传输的表现形式，数据流以电磁波的方式进行传输。移相器12位于基站13中，用于调节波束的宽度。需要说明的是，移相器12包括多个，每个移相器12连接一个基站天线，与每个弱负载终端11的弱负载侧的信道对应的移相器12的个数可以相同，也可以不同。
本发明实施例的技术方案，无线通信系统包括弱负载终端11，向基站13发送电磁波或者接收基站13发送的电磁波。多个移相器12，位于基站13中，用于调节波束的宽度，波束由弱负载终端11向基站13发送的电磁波或者接收基站13发送的电磁波形成的。基于移相器12开关控制的波束成形装置包括信道向量获取模块、贡献度获取模块、移相器12关闭模块和宽度调节模块。信道向量获取模块，用于获取弱负载终端11的信道的信道向量。贡献度获取模块，用于基于信道向量得到与信道对应的各个移相器12的贡献度。移相器关闭模块，用于基于与信道对应的各个移相器12的贡献度，依次将各移相器12的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器12的连接状态后，计算弱负载终端11的待处理信干噪比，若待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器12的连接状态，并将符合预设条件的移相器12的连接状态更改为闭合，宽度调节模块，用于采用连接状态为闭合的至少一个移相器12调节与弱负载终端11对应的波束的宽度，波束由基站13向弱负载终端11发送的电磁波或者接收弱负载终端11发送的电磁波形成的。本发明实施例的技术方案实现了对弱负载终端11的弱负载侧的移相器12进行调节，进而调整波束的宽度，降低系统功耗，提高系统能量效率。
实施例五
本发明实施例还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行一种基于移相器开关控制的波束成形方法，方法包括：
获取弱负载终端11的信道的信道向量；信道为弱负载终端11的弱负载侧的信道；基于信道向量得到与信道对应的各个移相器12的贡献度；其中，与信道对应的移相器12包括多个；移相器12位于基站13中；基于与信道对应的各个移相器12的贡献度，依次将各移相器12的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器12的连接状态后，计算弱负载终端11的待处理信干噪比，若待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器12的连接状态，并将符合预设条件的移相器12的连接状态更改为闭合；采用连接状态为闭合的至少一个移相器12调节与弱负载终端11对应的波束的宽度；波束由基站13向弱负载终端11发送的电磁波或者接收弱负载终端11发送的电磁波形成的。
本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明实施例操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言——诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于移相器开关控制的波束成形方法，其特征在于，包括：
获取弱负载终端的信道的信道向量；所述信道为弱负载终端的弱负载侧的信道；
基于所述信道向量得到与所述信道对应的各个移相器的贡献度；其中，与所述信道对应的移相器包括多个；所述移相器位于基站中；
基于与所述信道对应的各个移相器的贡献度，依次将各移相器的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器的连接状态后，计算所述弱负载终端的待处理信干噪比，若所述待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器的连接状态，并将符合预设条件的移相器的连接状态更改为闭合；
采用连接状态为闭合的至少一个移相器调节与所述弱负载终端对应的波束的宽度；所述波束由所述基站向所述弱负载终端发送的电磁波或者接收所述弱负载终端发送的电磁波形成的。
2.根据权利要求1所述的基于移相器开关控制的波束成形方法，其特征在于，在所述获取弱负载终端的信道向量之前，还包括：
在检测到终端的上行信道和下行信道的待传输数据流的大小不同的情况下，确定所述终端为弱负载终端；所述待传输数据流以所述电磁波的形式传输，所述电磁波形成所述波束。
3.根据权利要求1所述的基于移相器开关控制的波束成形方法，其特征在于，在获取弱负载终端的信道的信道向量之后，还包括：
基于所述信道向量得到弱负载终端的初始信干噪比；
所述若所述待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器的连接状态，包括：
若所述待处理信干噪比小于所述初始信干噪比的预设倍数，则停止更改移相器的连接状态。
4.根据权利要求3所述的基于移相器开关控制的波束成形方法，其特征在于，所述弱负载终端包括多个；
所述基于所述信道向量得到弱负载终端的初始信干噪比，包括：
将各个弱负载终端的所述信道向量分别输入初始信干噪比函数，得到各个弱负载终端的初始信干噪比：
Figure FDA0003596313740000021
其中，SINRk表示第k个弱负载终端的初始信干噪比，k表示弱负载终端的编号，hk表示第k个弱负载的信道向量，Pt为所述系统内的基站的发射功率，FRF是模拟波束成形器矩阵，FBB是数字波束成形器矩阵，[FBB]：，k表示数字波束成形器的第k列元素，[FBB]：，u表示数字波束成形器的第u列元素，σ2表示噪声功率，K表示弱负载终端的数量，每个移相器连接一个开关，所述模拟波束成形器包括至少一个移相器和与所述至少一个移相器连接的开关。
5.根据权利要求4所述的基于移相器开关控制的波束成形方法，其特征在于，所述基于所述信道向量得到与所述信道对应的各个移相器的贡献度，包括：
将各个弱负载终端的所述信道向量分别输入贡献度函数，得到与每个信道对应的每个移相器的贡献度：
Figure FDA0003596313740000022
其中，δ(ak)表示与第k个弱负载终端的信道对应的第ak个移相器的贡献度，hu表示第u个弱负载终端的信道向量，hu的取值范围为[1，K]，hk表示第k个弱负载终端的信道向量，
Figure FDA0003596313740000023
表示第k个弱负载终端的信道向量内的与第ak个基站天线对应的信道元素，
Figure FDA0003596313740000024
表示第u个弱负载终端的信道向量内的与第ak个基站天线对应的信道元素，γk表示所述预设倍数，所述基站包括多个基站天线，每个移相器连接一个基站天线。
6.根据权利要求5所述的基于移相器开关控制的波束成形方法，其特征在于，所述计算所述弱负载终端的待处理信干噪比，包括：
针对每个弱负载终端，通过待处理信干噪比函数分别对每个弱负载终端的所述信道向量、移相器的连接状态，以及各基站天线的数量进行计算，得到每个弱负载终端的待处理信干噪比：
Figure FDA0003596313740000025
其中，τk(Sk)表示第k个弱负载终端的待处理信干噪比，hk，s＝hkSk表示第k个移相器关闭后更新的信道向量，Sk表示第k个弱负载终端的选择矩阵，所述选择矩阵中的行数和列数都由所述基站天线的个数确定，所述选择矩阵为对角矩阵且对角线上的元素为0或者1，0表示移相器的连接状态为断开，1表示移相器的连接状态为闭合，
Figure FDA0003596313740000031
表示等效噪声。
7.根据权利要求1所述的基于移相器开关控制的波束成形方法，其特征在于，所述基于与所述信道对应的各个移相器的贡献度，依次将各移相器的连接状态由闭合更改为断开，包括：
针对与所述信道对应的每个移相器，将各个移相器的贡献度进行从小到大的排序，依次将移相器的连接状态由闭合更改为断开。
8.一种基于移相器开关控制的波束成形装置，其特征在于，包括：
信道向量获取模块，用于获取弱负载终端的信道的信道向量；所述信道为弱负载终端的弱负载侧的信道；
贡献度获取模块，用于基于所述信道向量得到与所述信道对应的各个移相器的贡献度；其中，与所述信道对应的移相器包括多个；所述移相器位于基站中；
移相器关闭模块，用于基于与所述信道对应的各个移相器的贡献度，依次将各移相器的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器的连接状态后，计算所述弱负载终端的待处理信干噪比，若所述待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器的连接状态，并将符合预设条件的移相器的连接状态更改为闭合；
宽度调节模块，用于采用连接状态为闭合的至少一个移相器调节与所述弱负载终端对应的波束的宽度；所述波束由所述基站向所述弱负载终端发送的电磁波或者接收所述弱负载终端发送的电磁波形成的。
9.一种无线通信系统，其特征在于，包括弱负载终端、多个移相器、基站、基于移相器开关控制的波束成形装置；其中，
所述弱负载终端，用于向所述基站发送电磁波，或者接收所述基站发送的电磁波；
所述多个移相器，所述移相器位于基站中，用于调节波束的宽度；所述波束由所述弱负载终端向基站发送的电磁波或者接收基站发送的电磁波形成的；
所述基于移相器开关控制的波束成形装置，包括信道向量获取模块、贡献度获取模块、移相器关闭模块和宽度调节模块；其中，
信道向量获取模块，用于获取弱负载终端的信道的信道向量；所述信道为弱负载终端的弱负载侧的信道；
贡献度获取模块，用于基于所述信道向量得到与所述信道对应的各个移相器的贡献度；其中，与所述信道对应的移相器包括多个；
移相器关闭模块，用于基于与所述信道对应的各个移相器的贡献度，依次将各移相器的连接状态由闭合更改为断开，并在每更改一个移相器的连接状态后，计算所述弱负载终端的待处理信干噪比，若所述待处理信干噪比符合预设条件，则停止更改移相器的连接状态，并将符合预设条件的移相器的连接状态更改为闭合；
宽度调节模块，用于采用连接状态为闭合的至少一个移相器调节与所述弱负载终端对应的波束的宽度；所述波束由所述基站向所述弱负载终端发送的电磁波或者接收所述弱负载终端发送的电磁波形成的。
10.一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如权利要求1-7中任一所述的基于移相器开关控制的波束成形方法。
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