CN1658526A - 无线信道的下行波束赋形方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线信道的下行波束赋形方法和装置。该方法包括步骤：对所述多个天线进行信道估计；根据所述多个天线的信道估计，进行用户空间参数估计；根据所述空间参数估计，进行波束赋形权矢量估计；根据波束赋形权矢量估计，控制波束赋形。装置包括：多个收发信道估计装置，用于输出多个收发信道估计；相关装置，用于对所述多个收发信道估计进行相关；信道参数估计装置，用于根据相关结果，获得信道参数估计；波束赋形装置，用于根据信道参数估计，对波束赋形。利用本发明，能够根据环境的特性来决定天线的波束赋形。

Description

无线信道的下行波束赋形方法和装置

技术领域

本发明涉及移动通信，尤其涉及无线信道的下行波束赋形方法和装置。

背景技术

在移动通信系统中，智能天线技术的研究和应用受到了越来越广泛的重视。智能天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，以达到充分高效利用移动用户信号并抑制干扰信号的目的。利用智能天线可以使有用信号最大化而干扰信号最小化，从而极大地提高了系统的容量、扩大了系统的覆盖。智能天线在蜂窝移动通信中的应用主要有两个方面的技术：一个是上行信号的多天线接收处理技术，另一个是下行信号的波束赋形发送技术。智能天线的上行接收是对多天线接收信号直接进行处理，而下行波束赋形是利用上行接收信号或下行终端接收信号的反馈来间接地确定基站下行发送信号的赋形参数。因此，智能天线下行波束赋形方案的实现有赖于移动信道环境特性参数的时间不变或缓变性。

对于离基站较远的终端来说，通常其信号空间传播的角度扩散较小，有明显的信号波达的主要方向，波达方向随时间是一个缓变量(相对于帧周期)。在这种情况下，通常的智能天线赋形算法可以有效可靠地实现下行波束赋形。

对于离基站较近且信号传播环境较为复杂的终端来说，其信号空间传播的角度扩散较大，没有明显的信号波达的主要方向，波达方向随时间是一个快变量(相对于帧周期)。在这种情况下，通常的智能天线赋形算法不能够有效可靠地实现下行波束赋形，甚至出现赋形不如不赋形的情况。

由于移动通信信道的复杂时变特性，希望有一种智能天线的下行波束赋形方法和装置能够根据环境的特性来决定赋形。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺点，提供一种无线信道的下行波束赋形方法和装置，用于具有多个天线与收发装置的系统。

本发明的方法包括步骤：

一种无线信道的下行波束赋形方法，用于具有多个天线与收发装置的系统，其特征在于所述方法包括步骤：

对所述多个天线进行信道估计；

根据所述多个天线的信道估计，进行用户空间参数估计；

根据所述空间参数估计，进行波束赋形权矢量估计，从至少两种赋形波束参数中得到一种赋形波束参数；

根据波束赋形权矢量估计，控制波束赋形。

较佳的，所述进行用户空间参数估计包括步骤：

进行用户空间相关矩阵估计；

根据所述信道估计与相关矩阵估计，进行空间功率方向谱估计；

根据所述空间功率方向谱估计，进行空间时间特性参数估计；

所述空间参数估计包括：空间功率方向谱估计和空间时间特性参数估计。

较佳的，所述从至少两种赋形波束中得到一种赋形波束包括：根据空间时间特性参数从多级波束中选择一种赋形波束，和根据空间时间特性参数设置波束优化准则得到一种赋形波束。

较佳的，所述空间时间特性参数估计包括：来波方向角度变化范围ΔDOA^(k)；接收信号最大方向归一化增益的取值范围G_min ^(k)；或者接收信号最大方向的波束宽度的取值范围_HPmax ^(k)；或者上述参数的组合。

较佳的，所述空间时间特性参数估计包括：计算来波方向角度变化范围ΔDOA^(k)和接收信号最大方向归一化增益的取值范围G_min ^(k)，或者来波方向角度变化范围ΔDOA^(k)和接收信号最大方向的波束宽度的取值范围_HPmax ^(k)。

较佳的，所述进行波束赋形权矢量估计的步骤包括：根据空间时间特性参数ΔDOA^(k)、G_min ^(k)或_HPmax ^(k)判断是否满足优化条件，如果是，则设定优化规则并按照优化规则进行波束优化，获得波束赋形权矢量；否则，按照传统波束赋形方法获得波束赋形权矢量。

较佳的，所述进行波束赋形权矢量估计的步骤包括：

a)判断ΔDOA^(k)≥ε_DOA，如果成立，则执行步骤b)，否则执行步骤c)；

b)，设置波束优化准则，使波束最大增益方向在ΔDOA^(k)的中心方向DOA₀ ^(k)，半功率波瓣宽度逼近ΔDOA^(k)；执行步骤g)；

c)，如果输入的第二参数是G_min ^(k)，则判断 $G_{\min }^{\left(k\right)}\≤{\mathrm{\ϵ}}_G,$ 如果成立，则执行步骤d)，否则执行步骤e)；或者，如果输入的第二参数是_HPmax ^(k)，则判断 如果成立，则执行步骤d)，否则执行步骤e)；

d)，设置波束优化准则，如果输入的第二参数是G_min ^(k)，则波束的最大增益方向在ΔDOA^(k)的中心方向DOA₀ ^(k)，赋形增益逼近G_min ^(k)，并且半功率波瓣宽度大于ε_DOA；或者，如果输入的第二参数是_HPmax ^(k)，波束最大增益方向在ΔDOA^(k)的中心方向，使其半功率波瓣宽度逼近_HPmax ^(k)；执行步骤g)；

e)，应用传统的波束赋形方法，使波束中心方向在DOA₀ ^(k)；

g)，根据设置的波束优化准则优化赋形波束，得到赋形权矢量；

其中，ε_DOA、ε_G和ε_HP分别为参数ΔDOA^(k)、G_min ^(k)和_HPmax ^(k)参数的门限。

较佳的，所述进行波束赋形权矢量估计的步骤包括：根据增益和半功率波瓣宽度范围值设定波束等级，再根据空间时间特性参数ΔDOA^(k)和G_min ^(k)或者根据ΔDOA^(k)和_HPmax ^(k)选择相应的波束等级。

较佳的，所述进行波束赋形权矢量估计的步骤包括：

h)，判断ΔDOA^(k)≥ε_DOA，2，如果成立，则选择第三级波束，否则，执行步骤j)；

j)，判断

或者 $G_{\min }^{\left(k\right)}\≤{\mathrm{\ϵ}}_{G,2},$ 如果成立，则选择第三级波束，否则，执行步骤k)；

k)，ΔDOA^(k)≤ε_DOA，1，如果成立，则执行步骤1)，否则，选择第二级波束；

l)，判断 或者 $G_{\min }^{\left(k\right)}\≥{\mathrm{\ϵ}}_{G,1},$ 如果成立，则选择第一级波束，否则，选择第二级波束。

其中ε_DOA，1、ε_DOA，2、ε_G，1、ε_G，2、ε_HP，1和ε_HP，2分别为ΔDOA^(k)、G_min ^(k)和_HPmax ^(k)的第一级门限和第二级门限，第一级波束、第二级波束和第三级波束依据增益和半功率波瓣宽度划分。

利用本发明，能够根据环境的特性来决定天线的波束赋形，尤其是在复杂无线信道的情况下。

附图说明

图1所示为本发明的实施例的无线信道下行波束赋形的装置的原理图；

图2为本发明的实施例的无线信道下行波束赋形的方法的流程图；

图3为本发明的实施例的波束优化的子流程图；

图4为本发明的实施例的波束选择的子流程图；

图5是本发明的实施例所用的8单元均匀圆形阵列的示意图；

图6是利用本发明的实施例所用的8单元均匀圆形阵列获得的优化波束方向图；

图7是本发明的实施例所用的8单元均匀圆形阵列所用的3级波束方向图。

具体实施方式

为了便于本领域一般技术人员实施与理解本发明，下面分别参照附图通过实施例描述本发明的方法和装置。

图1所示为本发明的实施例的复杂无线信道下行波束赋形的装置的原理图。

包括如下各部分：

Ka个天线单元1-1-1-Ka。天线单元的辐射特性满足小区覆盖。例如全向小区的全向天线单元和覆盖多扇区系统的扇区天线单元。在上行，天线单元接收空间电磁信号，包括本小区所有用户的信号(包括数据和训练序列)和外小区的干扰信号以及空间的各种噪声信号；在下行则发射各用户下行信号，由于在各用户在不同天线上的加权不同，对于不同用户来说，天线阵列系统具有不同的辐射特性。

和，Ka个收发转换开关2-1-2-Ka分别与天线单元连接。在时分双工系统中，根据系统时钟，天线在收发过程进行转换。在不使用收发共用天线的系统则不需要此类收发转换开关。

及，Ka个信道估计器3-1-3-Ka分别与K个收发转换开关连接。根据发送的训练序列，估计用户的信道冲激响应。本发明对信道估计器没有限制。例如可以采用Steine估计器及其各种变化形式等。

相关运算器4，其输入端是所有信道估计器3的输出端。对估计的用户信道冲激响应在空间域进行相关运算，输出各用户的空间相关矩阵；

谱估计器5与相关运算器4的输出端连接。根据用户的空间相关矩阵进行来波的空间图谱估计，该器件的输出是若干空间特性参数。

参数估计器6接收来自谱估计器5的空间特性参数，根据估计的方向功率谱来进行空间时间特性参数的估计。

波束优化/选择器7接收谱估计器输出的用户空间时间特性参数，并根据空间时间特性参数对赋形权矢量进行下列处理

1.波束优化：对赋形波束进行优化，使其能够对用户的来波信号达到最佳的接收；

2.波束选择：在预先设置的一些权矢量中进行选择，使其能够对用户的来波信号达到最佳的接收。

这样，波束优化/选择器6输出各用户波束赋形的权矢量。

波束赋形器8。对各用户的发射信号进行赋形并且将赋形后的数据进行合并，经过收发控制开关馈入各天线单元。

本发明公开的无线信道环境下行的波束赋形方法首先利用天线单元、收发转换开关、信道估计器、相关运算器和谱估计器获取无线信道的空间时间特性；然后，波束优化/选择器和波束赋形器，根据前面获取的无线信道的空间时间特性，采用与之相应的赋形波束做下行赋形。

图2为本发明的实施例的复杂无线信道下行波束赋形的方法的流程图。

其中，

步骤1，各天线信道估计：各天线1-1，1-ka接收的信号e^(i，ka)，ka＝1，…，Ka包括3部分，本小区的有用信号、外小区的干扰信号和噪声，其中本小区的有用信号包括多用户的发射数据和训练序列。信号经过收发转换开关2到达信道估计器3，这里，i是帧的序号。

在信道估计器3中，利用接收的多用户的训练序列部分进行信道冲激响应的估计。虽然以实施例描述了具体的方法，但本发明可以使用任何其它的信道估计的方式和方法。信道估计器输出了估计的各天线上信道冲激响应

k＝1，…，K，ka＝1，…，Ka的归一化形式h^(i，k，ka)。K是第K个用户。

${\tilde{h}}^{(i,k,\mathrm{ka})}={[{\tilde{h}}_1^{(i,k,\mathrm{ka})},{\tilde{h}}_2^{(i,k,\mathrm{ka})},\·\·\·,{\tilde{h}}_w^{(i,k,\mathrm{ka})}]}^T---k=1,\·\·\·,K,\mathrm{ka}=1,\·\·\·,\mathrm{Ka}$ (公式1)

$h^{(i,k,\mathrm{ka})}=\frac{{\tilde{h}}^{(i,k,\mathrm{ka})}}{\mathrm{norm}\left({\tilde{h}}^{(i,k,\mathrm{ka})}\right)}$ (公式2)

其中，W是信道估计窗长。

这里，用信道估计矩阵来表示用户的信道估计信息。用户k的信道估计矩阵表示如下

(公式3)

步骤2，用户空间相关矩阵估计：在相关运算器4，计算了各用户的空间相关矩阵

$R_{\mathrm{xx}}^{(i,k)}=H^{(i,k)H}\·H^{(i,k)}---k=1,\·\·\·,K$ (公式4)

运算(·)^H表示矩阵的共扼转置运算。

以根据参数的具体数值进行波束优化或者选择。

步骤3，空间功率方向谱估计：

根据用户相干矩阵R_xx ^(i，k)的估计，可以得到每帧的来波方向功率图谱，

(公式5)

其中，a()是阵列响应矢量。

          a()＝[a₁()，a₂()，…，a_ka()]^T       (公式6)

步骤4，空间时间特性参数估计：

在参数估计器6中对信道的空间时间特性参数进行了估计。本发明提出3个反映信道空间时间特性的参数，即来波角度的变化、来波功率谱图最大增益的变化以及来波功率谱图宽度的变化。这3个参数都可以反映信道的空间时间特性，可以根据参数的具体数值进行波束优化或者选择。这3个参数都要根据用户的来波方向功率谱图来计算：

来波方向功率图谱的最大增益值为

(公式7)

每帧的来波角度

(公式8)

每帧的来波方向功率图谱的半功率波束宽度

(公式9)

(公式10)

上面的过程是对当前帧的处理，最终给出的特性参数是当前帧的特性参数在若干帧内的变化范围，包括：

参数1)考察来波方向角度变化的范围。

对各时隙估计的来波方向角度进行考察，记录短时间内出现的来波方向角度变化范围ΔDOA^(k)。假设

         DOA^(k)＝{DOA^(i，k)，DOA^(i-1，k)，…，DOA^(i-I+1，k)}  (公式11-1)

        ΔDOA^(k)＝max{DOA^(k)}-min{DOA^(k)}                 (公式11-2)

来波角度的中心角

${\mathrm{DOA}}_0^{\left(k\right)}=\frac{\max \left\{{\mathrm{DOA}}^{\left(k\right)}\right\}+\min \left\{{\mathrm{DOA}}^{\left(k\right)}\right\}}{2}$ (公式11-3)

参数2)考察最大增益的最小值。

对各时隙估计的来波方向功率图谱进行考察，得到接收信号最大方向归一化增益的取值范围G_min ^(k)。

$p_{\max }^{\left(k\right)}=\{p_{\max }^{(i,k)},p_{\max }^{(i-1,k)},\·\·\·,p_{\max ,}^{(i-N+1,k)}\}$ (公式12-1)

$G_{\min }^{\left(k\right)}=\min \left\{p_{\max }^{\left(k\right)}\right\}$ (公式12-2)

参数3)考察波束宽度的最大值。

对各时隙估计的来波方向功率图谱进行考察，得到接收信号最大方向的波束宽度的取值范围_HPmax ^(k)。

(公式13-1)

(公式13-2)

谱估计器6输出3个参数中的任意2个，即ΔDOA^(k)和G_min ^(k)或者ΔDOA^(k)和_HPmax ^(k)。根据参数确定匹配的波束赋形算法。

步骤5，波束赋形权矢量估计：

步骤4)给出了反映信道空间时间特性的参数，步骤5)根据步骤4)提供的参数进行下行的波束赋形。波束赋形的权矢量可以根据参数优化，也可以在预先设置的权矢量中进行选择。

在波束优化/选择器7中进行波束赋形权矢量的估计或选择，得到的权矢量在波束赋形器8中用于下行的波束赋形。本方面提出两种波束赋形权矢量的计算方法。方法1是根据信道的空时特性实时的进行波束优化；方法2是根据信道的空时特性在预设的多级波束中进行选择。

方法1)采用与移动信道空间时间特性相匹配的波束进行下行赋形发送。考察来波方向角度变化、最大增益值取值或波束宽度取值，都是为了得到一种赋形波束，使其能够适应波束方向的可能变化。和传统的只有一种固定的赋形波束的方案相比，这种方案可以更好的适应复杂时变信道。根据所得到的空间特性参数，优化符合其参数的扇区波束。要求波束的宽度能够覆盖来波角度的变化和波束宽度的变化；波束的增益接近来波最大增益值的变化范围的中值。方法1根据空间时间特性参数ΔDOA^(k)、G_min ^(k)或_HPmax ^(k)判断是否满足优化条件，也就是判断是否是没有明显的信号波达的主要方向，波达方向随时间是一个快变量的复杂信道。如果是，则设定优化规则并按照优化规则进行波束优化，获得波束赋形权矢量；否则，按照传统波束赋形方法获得波束赋形权矢量。

图3给出了方法1的具体流程，叙述如下：

步骤511)，判断ΔDOA^(k)≥ε_DOA，如果成立，则执行步骤512)，否则执行步骤514)；其中，ε_DOA是ΔDOA的门限值；

步骤512)，设置波束优化准则，使波束最大增益方向在ΔDOA^(k)的中心方向DOA₀ ^(k)，半功率波瓣宽度逼近ΔDOA^(k)；

步骤513)，波束优化器根据步骤设置的波束优化准则优化赋形波束，得到赋形权矢量；

步骤514)，第2个特性参数G_min ^(k)或者_HPmax ^(k)的值，如果输入的第二参数是G_min ^(k)，则判断 $G_{\min }^{\left(k\right)}\≤{\mathrm{\ϵ}}_G;$ 如果输入的第二参数是_HPmax ^(k)，则判断

如果成立，则执行步骤515)，否则执行步骤516)；其中ε_G是G_min ^(k)的门限值，ε_HP是_HPmax ^(k)的门限值；

步骤515)，设置波束优化准则，如果输入的第二参数是G_min ^(k)，则波束的最大增益方向在ΔDOA^(k)的中心方向DOA₀ ^(k)，赋形增益逼近G_min ^(k)，并且半功率波瓣宽度大于ε_DOA；如果输入的第二参数是_HPmax ^(K)，波束最大增益方向在ΔDOA^(k)的中心方向，使其半功率波瓣宽度逼近_HPmax ^(k)。执行步骤513)；

步骤516)，应用传统的波束赋形方法，使波束中心方向在DOA₀ ^(k)。

方法2)按相应的空间特性参数选择对应级别的多级波束。

方法2)是根据增益和半功率波瓣宽度范围值设定波束等级，再根据空间时间特性参数ΔDOA^(k)和G_min ^(k)或者根据ΔDOA^(k)和_HPmax ^(k)选择相应的波束等级。为了简化实现，我们可以只设定若干个等级的赋形波束(比如，3个级别的赋形波束)。和传统的只有一种固定的赋形波束的方案相比，多个波束的赋形方案可以在更好的适应复杂时变信道的同时保持相对的简单性。

多级波束的优化以实现不同覆盖范围和增益为准则，考虑到波束宽度和增益的制约关系，要求多级波束的半功率波瓣宽度依次递增，对每级波束都要对其波束宽度和增益做限制。在第n级波束，要求波束宽度的范围是[_HPmin ⁽ⁿ⁾，_HPmax ⁽ⁿ⁾]，增益的范围是[G_min ⁽ⁿ⁾，G_max ⁽ⁿ⁾]，在此限制上优化多级波束。例如我们对3级波束提出了如表1所示的技术指标。

            表1  3级波束的技术指标

波束级别	第1级波束	第2级波束	第3级波束
				增益范围(dB)	≥6	3～6	1～3
半功率波瓣宽度范围(°)	≤50	50～100	360

波束的选择准则就是要把可能的各方向的来波包含在赋形波束之内。通过信道的空间时间特性参数，建立特性参数与相应波束之间的关系。在特性参数和相应的波束之间建立对应关系，按照对应关系选择赋形波束。假设赋形波束为N级，则对每个特性参数，需要设置N-1个门限将特性参数分成N个区间，和N级波束一一对应。如果通过考察多个特性参数来确定赋形波束，则赋形波束以所有特性参数对应波束中最宽波束作为赋形波束。

同样以3级波束作为例子，对于输入的特性参数ΔDOA^(k)、G_min ^(k)和_HPmax ^(k)，因为N＝3，所以设定门限ε_DOA，1、ε_DOA，2、ε_G，1、ε_G，2、ε_HP，1和ε_HP，2，(其中ε_DOA，1＜ε_DOA，2，ε_G，1＞ε_G，2，ε_HP，1＜ε_HP，2)以特性参数ΔDOA^(k)和G_min ^(k)为参考，波束选择如表2所示，波束中心方向在ΔDOA^(k)的中心方向。以特性参数ΔDOA^(k)和_HPmax ^(k)为参考，波束选择如表3所示，波束中心方向在ΔDOA^(k)的中心方向。

         表2  3级波束选择准则1

         表3  3级波束选择准则2

波束选择的子流程图如图4所示，叙述如下：

步骤521)，判断ΔDOA^(k)≥ε_DOA，2，如果成立，则选择第三级波束，否则，执行步骤522)；

步骤522)，判断 或者 $G_{\min }^{\left(k\right)}\≤{\mathrm{\ϵ}}_{G,2},$ 如果成立，则选择第三级波束，否则，执行步骤523)；

步骤523)，ΔDOA^(k)≤ε_DOA，1，如果成立，则执行步骤524)，否则，选择第二级波束；

步骤524)，判断

或者 $G_{\min }^{\left(k\right)}\≥{\mathrm{\ϵ}}_{G,1},$ 如果成立，则选择第一级波束，否则，选择第二级波束。

为了容易理解本发明，通过一个具体实施例描述，这是基于3GPPTDD系统实现的。

天线阵列是由8个全向辐射单元组成的均匀环形阵列。环形阵列半径是载波波长的0.6倍。仿真4个用户的情况，每个用户占用一个CDMA码道，扩频系数Q＝16，采用16位midamble码作为训练序列，信道估计是经过门限处理的Steine估计器；信道环境采用3GPP case2信道，即3条等功率多径，3条径角度分布为[-50°，50°]均匀分布。

我们给出对第一个用户的处理，取10子帧的参数做处理，用户1的中心角度为180°，其他3个用户角度随机分布。

根据上行接收的midamble训练序列进行信道估计、相关运算和谱估计，得到10个子帧的空时特性参数，特性参数如表4所示。

在3个参数中选择ΔDOA⁽¹⁾和_HPmax ^(k)作为考察参数，两个参数的值分别为77°和108°，此外来波方向的中心角度

作为赋形中心方向给出。

            表4  空间时间特性参数变化

1	200	6.66195	100
				2	209	7.34728	73
3	167	7.15751	58
				4	167	7.07409	59
5	149	8.9655	34
				6	176	8.78555	35
7	219	7.31599	52
				8	146	6.34965	90
9	142	6.81329	108
				10	175	7.30739	83
DOA0 (1)(°)	ΔDOA(1)(°)	Gmin (k)(dB)	HPmax (k)(°)
				180.5	77	6.35	108

在分析考察移动信道空间时间特性的基础上，采用与移动信道空间时间特性相匹配的波束进行下行赋形。一种选择是方法1)按相应的空间特性参数优化最佳的赋形波束；一种选择是方法1)按相应的空间特性参数选择对应级别的多级波束。

方法1，按相应的空间时间特性参数优化最佳的赋形波束

设定的空间时间特性参数门限如表5所示，据所设定的门限和波束优化子流程(图3)，因为ΔDOA⁽¹⁾＞ε_DOA，因此需要优化一个半功率波瓣宽度同ΔDOA⁽¹⁾逼近的波束，以覆盖所有可能的来波方向。

          表5  波束优化门限参数表

参数	εDOA(°)	εG(dB)	εHP(°)	L
					值	50	6.0	80	360

图6给出了优化的结果，该波束的阵列功率增益大约为5dB，3dB波束宽度大约是78°，和来波方向的变化范围基本符合。表6给出了该波束的赋形参数。

           表6  优化波束的赋形参数

方法2，按相应的空间特性参数选择对应级别的多级波束

具体方案为赋形波束分为三个等级。各级波束的技术指标见表1，其中，根据第1级波束即为传统的波束赋形器的波束，第3级波束是各单元等幅同相馈电的波束，第二级波束是根据所要求的技术指标优化的波束。3级波束的波束方向图如图7所示。在空间形成了很好的依次展宽的赋形波束。其中第2级波束增益大约4.7dB，波束宽度85°。

表7设定了3级波束选择的门限设定，根据表2、3所设定的波束选择的准则以及表7所设定的波束选择的门限参数，根据表7和图4所示的波束选择的流程，可知例子中提供的信道空间时间特性参数对应的是3级波束的第2级。和波束优化的结果相比，3级波束提供的波束宽度比来波角度的变化略宽一些。表8给出了3级波束的赋形参数。

                   表7  3级波束选择门限参数表

参数	εDOA，1(°)	εDOA，2(°)	εG，1(dB)	εG，2(dB)	εHP，1(°)	εHP，2(°)
							值	40	80	7	4	50	100

                    表8  三级波束的赋形参数

虽然上述举例只讲到了设定3级波束的情况，但是根据需要，也可以设定2级或4级等多级波束。其原理相同，在此不累述。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，因此，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (11)

1、一种无线信道的下行波束赋形方法，用于具有多个天线与收发装置的系统，其特征在于所述方法包括步骤：

对所述多个天线进行信道估计；

根据所述多个天线的信道估计，进行用户空间参数估计；

根据所述空间参数估计，进行波束赋形权矢量估计，从至少两种赋形波束中得到一种赋形波束；

根据波束赋形权矢量估计，控制波束赋形。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行用户空间参数估计包括步骤：

进行用户空间相关矩阵估计；

根据所述信道估计与相关矩阵估计，进行空间功率方向谱估计；

根据所述空间功率方向谱估计，进行空间时间特性参数估计；

所述空间参数估计包括：空间功率方向谱估计和空间时间特性参数估计。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述从至少两种赋形波束中得到一种赋形波束包括：根据空间时间特性参数从多级波束中选择一种赋形波束，和根据空间时间特性参数设置波束优化准则得到一种赋形波束。

4、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述空间时间特性参数估计包括：计算来波方向角度变化范围ΔDOA^(k)；接收信号最大方向归一化增益的取值范围G_min ^(k)；或者接收信号最大方向的波束宽度的取值范围_HPmax ^(k)；或者上述参数的组合。

5、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述空间时间特性参数估计包括：计算来波方向角度变化范围ΔDOA^(k)和接收信号最大方向归一化增益的取值范围G_min ^(k)，或者来波方向角度变化范围ΔDOA^(k)和接收信号最大方向的波束宽度的取值范围_HPmax ^(k)。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述进行波束赋形权矢量估计的步骤包括：根据空间时间特性参数ΔDOA^(k)、G_min ^(k)或_HPmax ^(k)判断是否满足优化条件，如果是，则设定优化规则并按照优化规则进行波束优化，获得波束赋形权矢量；否则，按照传统波束赋形方法获得波束赋形权矢量。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述进行波束赋形权矢量估计的步骤包括：

a)判断ΔDOA^(k)≥ε_DOA，如果成立，则执行步骤b)，否则执行步骤c)；

b)，设置波束优化准则，使波束最大增益方向在ΔDOA^(k)的中心方向DOA₀ ^(k)，半功率波瓣宽度逼近ΔDOA^(k)；执行步骤g)；

c)，如果输入的第二参数是G_min ^(k)，则判断 $G_{\min }^{\left(k\right)}\≤{\mathrm{\ϵ}}_G,$ 如果成立，则执行步骤d)，否则执行步骤e)；或者，如果输入的第二参数是_HPmax ^(k)，则判断 如果成立，则执行步骤d)，否则执行步骤e)；

d)，设置波束优化准则，如果输入的第二参数是G_min ^(k)，则波束的最大增益方向在ΔDOA^(k)的中心方向DOA₀ ^(k)，赋形增益逼近G_min ^(k)，并且半功率波瓣宽度大于ε_DOA；或者，如果输入的第二参数是_HPmax ^(k)，波束最大增益方向在ΔDOA^(k)的中心方向，使其半功率波瓣宽度逼近_HPmax ^(k)；执行步骤g)；

e)，应用传统的波束赋形方法，使波束中心方向在DOA₀ ^(k)；

g)，根据设置的波束优化准则优化赋形波束，得到赋形权矢量；

其中，ε_DOA、ε_G和ε_HP分别为参数ΔDOA^(k)、G_min ^(k)和_HPmax ^(k)的门限。

8、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述进行波束赋形权矢量估计的步骤包括：根据增益和半功率波瓣宽度范围值设定波束等级，再根据空间时间特性参数ΔDOA^(k)和G_min ^(k)或者根据ΔDOA^(k)和_HPmax ^(k)选择相应的波束等级。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述进行波束赋形权矢量估计的步骤包括：

h)，判断ΔDOA^(k)≥ε_DOA，2，如果成立，则选择第三级波束，否则，执行步骤j)；

j)，判断

或者 $G_{\min }^{\left(k\right)}\≤{\mathrm{\ϵ}}_{G,2},$ 如果成立，则选择第三级波束，否则，执行步骤k)；

k)，ΔDOA^(K)≤ε_DOA，1，如果成立，则执行步骤1)，否则，选择第二级波束；

l)，判断 或者 $G_{\min }^{\left(k\right)}\≥{\mathrm{\ϵ}}_{G,1},$ 如果成立，则选择第一级波束，否则，选择第二级波束。

其中ε_DOA，1、ε_DOA，2、ε_G，1、ε_G，2、ε_HP，1和ε_HP，2分别为ΔDOA^(k)、G_min ^(k)和_HPmax ^(k)参数的第一级门限和第二级门限，第一级波束、第二级波束和第三级波束依据增益和半功率波瓣宽度划分。

10、一种无线信道的下行波束赋形装置，包括：

多个收发信道估计装置，用于输出多个收发信道估计；

相关装置，用于对所述多个收发信道估计进行相关；

信道参数估计装置，用于根据相关结果，获得信道参数估计；

波束赋形装置，用于根据信道参数估计，对波束赋形；

其特征在于，所述多个收发信道估计装置包括多个天线；多个收发开关，耦合到所述多个天线和波束赋形装置；多个信道估计器，耦合到多个收发开关和相关装置；

所述信道参数估计装置，包括相互耦合的谱估计器和参数估计器。

11、如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述波束赋形装置包括：波束优化器，用于根据信道参数估计进行波束优化；和/或波束选择器，用于根据信道参数估计在预定波束中选择波束。

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