CN102801454B - 波束赋形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波束赋形方法及装置，该方法包括：获取Sounding信号带宽内频点的信道响应；使用Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的对应关系确定Sounding信号带宽内频点的信道响应进行插值处理的权值；使用插值处理的权值确定波束赋形的权值，并使用波束赋形的权值对上行数据进行波束赋形。通过本发明，提高了波束赋形的准确率。

Description

波束赋形方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种波束赋形方法及装置。

背景技术

无线信道因为电磁波多径反射和散射效应引入了通常所说的衰落，信道衰落对于通信质量的影响表现为在接收端信号检测差错概率的增加。为了对抗衰落，信道编码，交织等技术在无线通信中广泛应用，以降低接收机信号检测差错概率。同时，使用多天线接收(Single Input Multiple Output，简称为SIMO)或多天线发射(Multiple Input SingleOutput，简称为MISO)的多天线技术，利用空间分集与信道编码相结合也能很好的对抗信道衰落。

波束赋形(Beamforming)是一种基于自适应天线原理的下行多天线发射分集(Transmit Diversity)MISO技术。它结合了自适应天线技术的优点，利用天线阵列对波束的汇成和指向的进行控制，可以自适应地调整其方向图以跟踪终端信号的变化。Beamforming的特点是能够以较低的代价换得天线覆盖范围、系统容量、频谱利用率、业务质量等性能的提高，在消除干扰、扩大小区覆盖半径、降低系统成本、提高系统容量方面具有不可比拟的优越性。

信道Sounding是一种终端发探测信号通知基站的机制，终端向基站发ChannelSounding波形。通过时分双工(Time Division Duplex，简称为TDD)系统信道互易性，基站能够知道基站侧到终端侧信道的信道响应。这种机制使基站能够知道OFDMA系统中Sounding信号带宽内的信道响应的质量，基站可以根据不同终端Sounding信号带宽内的信道响应的质量，选择信道质量好的频带给该终端作为通信频带。这种机制使基站能够测量上行信道响应，当发射和接收硬件恰好校准时，基站可以根据测量的上行信道响应，估计下行信道响应。

由SS向BS提供信道响应信息(或信道状态信息CSI)的Sounding技术与Beamforming技术相结合，就能够很好的获取Beamforming赋形权值极大提高Beamforming技术的无线链路性能。

下面对Beamforming的原理进行介绍：

设M是MISO系统中发射机发射天线数，接收机的接收信号可以表示为：

$y=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j{x}_j+n---\left(1\right)$

其中，h_j是发射天线j到接收天线的信道衰落，x_j是天线j发送的符号。在假设各发射天线到接收天线信道衰落独立的条件下，设各发射天线上的发射信号为：

w_j，j＝1，2，…，M (2)

这里w_j满足 $\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_j\right|}^2=1---\left(3\right)$

以上限制是为了保证不增加多天线发射时的发射总功率。将公式(2)代入公式(1)，可以得到

由上式可以得到在该信道条件下的SNR为：

$\mathrm{SNR}(h_1,...,h_M)=\frac{E{\left|x\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j{w}_j\right|}^2}{E{\left|n\right|}^2}=\mathrm{SNR}{\left|\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j{w}_j\right|}^2---\left(5\right)$

由上述公式，要获得最大的SNR，设定 $w_j=\frac{h_j^{*}}{\sqrt{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_j\right|}^2}}---\left(6\right)$

则SNR的最大值为： $\mathrm{SNR}(h_1,...{,h}_m)=\mathrm{SNR}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_j\right|}^2---\left(7\right)$

按照MRC相同的推导，可以得到此时接收机的差错概率为：

$P_r\left\{\mathrm{\ϵ}\right\}\≤\frac{1}{{(1+\frac{\mathrm{SNR}}{2})}^M}---\left(8\right)$

使用公式(6)中最佳权值按照(2)中所示对各发射天线调制符号进行加权就是发射波束赋形(Transmit Beamforming)，也是最大速率传输(Maximum Rate Transmit，简称为MRT)。但是，进行发射波束赋形必须明确信道状态信息(Channel State Information，简称为CSI)，对于TDD系统可以使用Sounding技术来获取CSI，Sounding也即UL ChannelSounding，是利用TDD系统上下行信道互易性，由终端向基站提供信道响应信息(或信道状态信息CSI)的一种手段，主要应用于TDD系统。

下面对Sounding与Beamforming结合进行说明。

以IEEE 802.16e协议一种Sounding与Beamforming结合为例：该过程包括如下步骤：

步骤1：BS通过UL-MAP的PAPR/Safety_Zone/Sounding_Zone_IE为上行子帧分配Sounding Zone资源；

步骤2：BS通过U L-MAP的UL_Sounding_Command_IE对Sounding Zone中的每个Sounding符号以及每个Soundng符号中的SS定意其Sounding实现方式；

步骤3：SS根据UL-MAP的PAPR/Safety_Zone/Sounding_Zone_IE和UL_Sounding_Command_IE在上行子帧对应资源位置发对应模式的Sounding信号；

步骤4：BS接收UL Sounding信号，根据该用户Sounding信号获取上行信道响应信息(或信道状态信息CSI)，利用TDD系统上下行信道互易性，根据Sounding信号进行信道响应估计，计算Beamforming权值，对该用户下行数据Beamforming。

相关技术中在sounding与Beamforming结合进行数据传输过程中，由于sounding信号频带与下行发射数据所占用的频带不一致，导致Beamforming的赋形权值不准确，且上行Beamforming性能比较差。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种波束赋形方法及装置，以至少解决上述相关技术中在sounding与Beamforming结合进行数据传输过程中，由于sounding信号频带与下行发射数据所占用的频带不一致，导致Beamforming的赋形权值不准确，导致下行Beamforming性能比较差问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种波束赋形方法，包括：获取Sounding信号带宽内频点的信道响应；使用Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的对应关系确定Sounding信号带宽内频点的信道响应进行插值处理的权值；使用插值处理的权值确定波束赋形的权值，并使用波束赋形的权值对上行数据进行波束赋形。

优选地，使用Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的对应关系确定Sounding信号带宽内频点的信道响应进行插值处理的权值包括：使用如下公式确定插值处理的权值W：其中，R_hp为Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的信道响应相关矩阵，R_pp为Sounding信号带宽内频点之间的相关矩阵，为噪声，X为Sounding信号序列，X^H为Sounding信号序列矩阵的非奇异矩阵。

优选地，获取Sounding信号带宽内频点的信道响应包括：使用如下公式确定Sounding信号带宽内频点的信道响应 其中R是基站接收到的终端在Sounding频点发射的信号，S是终端发射波形。

优选地，使用插值处理的权值确定波束赋形的权值包括：使用如下公式确定波束赋形的权值其中为Sounding信号带宽内频点的信道响应。

优选地，插值处理为最小均方差(MMSE)插值处理。

根据本发明的另一方面，提供了一种波束赋形装置，包括：获取模块，用于获取Sounding信号带宽内频点的信道响应；处理模块，用于使用Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的对应关系确定Sounding信号带宽内频点的信道响应进行插值处理的权值；确定模块，用于使用插值处理的权值确定波束赋形的权值；波束赋形模块，用于使用波束赋形的权值对上行数据进行波束赋形。

优选地，处理模块用于使用如下公式确定插值处理的权值W：其中，R_hp为Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的信道响应相关矩阵，R_pp为Sounding信号带宽内频点之间的相关矩阵，为噪声，X为Sounding信号序列，X^H为Sounding信号序列矩阵的非奇异矩阵。

优选地，获取模块用于使用如下公式确定Sounding信号带宽内频点的信道响应 其中R是基站接收到的终端在Sounding频点发射的信号，S是终端发射波形。

优选地，波束赋形模块用于使用如下公式确定波束赋形的权值其中为Sounding信号带宽内频点的信道响应。

优选地，插值处理为最小均方差(MMSE)插值处理。

通过本发明，采用根据Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的对应关系确定Sounding信号带宽内频点的信道响应进行插值处理的权值，并使用该权值确定波束赋形权值，对上行数据进行波束赋形，解决了相关技术中由于sounding信号频带与下行发射数据所占用的频带不一致，导致Beamforming的赋形权值不准确，且上行Beamforming性能比较差的问题，进而达到了提高上行数据Beamforming性能的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的sounding与Beamforming结合的示意图；

图2是根据本发明实施例的波束赋形方法的流程图；以及

图3是根据本发明实施例的波束赋形装置的结构框图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例提供了一种波束赋形方法，图2是根据本发明实施例的波束赋形的方法的流程图，如图2所示，该方法包括：

步骤S202：获取Sounding信号带宽内频点的信道响应；

步骤S204：使用Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的对应关系确定Sounding信号带宽内频点的信道响应进行插值处理的权值；

步骤S206：使用插值处理的权值确定波束赋形的权值，并使用波束赋形的权值对上行数据进行波束赋形。

通过上述步骤，首先获取Sounding信号带宽内频点的信道响应，然后使用Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的对应关系确定对Sounding信号带宽内频点的信道响应进行插值处理的权值，使用该权值确定波束赋形的权值，并对上行数据进行波束赋形。克服了相关技术中由于sounding信号频带与下行发射数据所占用的频带不一致，导致Beamforming的赋形权值不准确，且上行Beamforming性能比较差的问题，进而达到了提高上行数据Beamforming性能的效果。

优选地，可以采用不同的方式来使用Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的对应关系确定Sounding信号带宽内频点的信道响应进行插值处理的权值，只要将Sounding喜好带宽内频点与下行信号所在频点的差异体现在Sounding信号带宽内频点的信道响应，就可使克服sounding信号频带与下行发射数据所占用的频带不一致，导致Beamforming的赋形权值不准确的问题，在本实施例中提供了一种优选的实施方式：使用如下公式确定插值处理的权值W：其中，R_hp为Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的信道响应相关矩阵，R_pp为Sounding信号带宽内频点之间的相关矩阵，为噪声，X为Sounding信号序列，X^H为Sounding信号序列矩阵的非奇异矩阵。通过该优选实施例，提高了插值处理权值确定的准确性。

优选地，下面对步骤S202的一个优选实施方式进行说明。Sounding信号带宽内频点的信道响应通过以下公式确定其中R是基站接收到的终端在Sounding频点发射的信号，S是终端发射波形。通过该优选实施例，采用现有技术确定Sounding信号带宽内频点的信道响应，减低了研发成本。

优选地，下面对步骤S206中使用插值处理的权值确定波束赋形的权值可以有多种实施方式，下面仅对其中一个优选实施方式进行说明，使用如下公式确定波束赋形的权值其中为Sounding信号带宽内频点的信道响应。通过该优选实施例，采用对Sounding信号带宽内频点信号的信道估计进行插值处理，可以使得在Sounding信号频带与下行数据所在频带不同的情况下，得到准确的波束赋形权值，提高了波束赋形权值的准确率。

优选地，插值处理为最小均方差(MMSE)插值处理。通过该优选实施例，采用现有技术中的方式进行插值处理，降低了研发成本，并且采用MMSE方式可以提高插值的准确率。

本实施例提供了一种波束赋形装置，可以用于实现上述的波束赋形方法，图3是根据本发明实施例的波束赋形装置的结构框图，如图3所示，该装置包括：获取模块32、处理模块34、确定模块36和波束赋形模块38，下面对上述结构进行详细说明。

获取模块32，用于获取Sounding信号带宽内频点的信道响应；处理模块34，连接至获取模块32，用于使用Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的对应关系确定获取模块32获取到的Sounding信号带宽内频点的信道响应进行插值处理的权值；确定模块36，连接至处理模块34，用于使用处理模块34处理得到的插值处理的权值确定波束赋形的权值；波束赋形模块38，连接至确定模块36，用于使用确定模块36确定的波束赋形的权值对上行数据进行波束赋形。

优选地，处理模块34用于使用如下公式确定插值处理的权值W：其中，R_hp为Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的信道响应相关矩阵，R_pp为Sounding信号带宽内频点之间的相关矩阵，为噪声，X为Sounding信号序列，X^H为Sounding信号序列矩阵的非奇异矩阵。

优选地，获取模块32用于使用如下公式确定Sounding信号带宽内频点的信道响应 其中R是基站接收到的终端在Sounding频点发射的信号，S是终端发射波形。

优选地，波束赋形模块38用于使用如下公式确定波束赋形的权值其中为Sounding信号带宽内频点的信道响应。

优选地，插值处理为最小均方差MMSE插值处理。

下面结合优选实施例进行描述：

优选实施例

本实施例提供了一种波束赋形方法，本优选实施例结合上述实施例及其中的优选实施方式，在本实施例中采用最小均方误差(Minimum Mean Square Error，简称为MMSE)滤波对Sounding信号信道估计响应插值获取Beamforming的MRT赋形权值，该方法包括如步骤：

步骤1：使用LS信道估计获取终端在Sounding信号带宽内各频点的信道响应估计值：

其中，R是基站接收到的终端在Sounding频点发射的信号，S是终端发射波形。

步骤2：对相关矩阵进行求解，步骤2包括以下三个子步骤：

A、频域相关系数推导

假设多径功率衰减服从负指数分布，那么功率延迟分布可以用式子(9)近似表示：

$S_H\left(\mathrm{\τ}\right)=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}}\exp (-\frac{\mathrm{\τ}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}})& 0\≤\mathrm{\τ}\\ 0& 0>\mathrm{\τ}\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中σ_τ为均方时延。对S_H(τ)进行Fourier变换，可以得到信道频域相关函数：

$R_H\left(\mathrm{\Δf}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}}{\∫}_0^{\∝}\exp (-\frac{\mathrm{\τ}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}})\exp (-j2\mathrm{\π\Δf\τ})\mathrm{d\τ}---\left(10\right)$

对上述结果进行整理可以得到：

$R_H\left(\mathrm{\Δf}\right)=\frac{1}{1+j2\mathrm{\π\Δf}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}}---\left(11\right)$

那么相隔Δl个频点相关系数为： $R_H\left(\mathrm{\Δl}\right)=\frac{1}{1+j2\mathrm{\π\Δl}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}L}---\left(12\right)$

其中，上述L为相邻频点的频率间隔。

B、频域相关系数估计

终端在Sounding信号带宽内频点的信道响应可以通过LS信道估计求得。利用这些估计得到的数值，信道频域相关系数可以通过下式计算：

${\hat{R}}_H\left(\mathrm{\Δl}\right)=E_{t,k}\left\{{\hat{H}}_t\left(k\right){\hat{H}}_t(k+\mathrm{\Δl})\right\}---\left(13\right)$

其中，E_t，k是针对每个OFDMA符号t，每个频点k求平均。以802.16e的Sounding信号(信号波形为1)为例，LS信道估计得到的结果可以表示如下：

$\hat{H}\left(k\right)=H\left(k\right)+N\left(k\right)---\left(14\right)$

其中，为估计得到的信道响应，H(k)为真实的信道响应，N(k)为噪声。信道响应和噪声相互独立，那么(6)式中求得的信道频域相关系数可以表示为：

${\hat{R}}_H\left(\mathrm{\Δl}\right)=R_H\left(\mathrm{\Δl}\right)+R_Z\left(\mathrm{\Δl}\right)---\left(15\right)$

其中，为利用LS信道估计得到的信道频域相关系数，R_H(Δl)为真实的信道频域相关系数，R_Z(Δl)为噪声之间的相关系数。如果不同载波信道估计的噪声是不相关的，那么可以得到R_Z(Δl)为一个delta函数。故而(13)式可以表示如下：

${\hat{R}}_H\left(\mathrm{\Δl}\right)=\left\{\begin{array}{cc}{R}_H\left(0\right)+{\mathrm{\σ}}^2& \mathrm{\Δl}=0\\ R_H\left(\mathrm{\Δl}\right)& .....\mathrm{\Δl}\≠0\end{array}\right.---\left(16\right)$

其中，σ²为系统接收机噪声。

C、频域相关系数计算

根据(12)式和(16)式之间的关系可以求出均方时延σ_τ。根据(12)式可以求出任意两个频点之间的相关系数。

步骤3：根据(2)得到(1)中求解所需要的相关矩阵，使用(1)进行MMSE插值得到下行非Sounding频点的Beamforming的赋形权值。

本实施例中使用如下公式确定波束赋形的权值：

$H_{\mathrm{lmmse}}=W{\hat{H}}_{\mathrm{ls}}---\left(17\right)$

其中 为LS信道估计得到的终端在Sounding信号带宽内频点的信道响应。R_hp为终端使用的下行非Sounding频点与该终端某Sounding频点之间的信道响应相关矩阵，R_pp为Sounding频点与Sounding频点之间的相关矩阵。为噪声，X为发送的Sounding序列。需要说明的是，步骤3中采用的是基于MMSE准则进行的处理。

该优选实施例，克服了在实际系统中，可能出现终端在OFDMA系统中Sounding信号频带与其下行发射数据所占用频带不一致的情况是，那么此时根据Sounding信号进行Beamforming的MRT权值赋形权值就需要根据Sounding信号带宽内频点信号的信道响应估计进行插值得到，本实施例中提高了一种MMSE滤波器来进行插值的方法，能够提升插值拟合度，得到更为准确的MRT赋形权值，以提升系统下行Beamforming性能。

通过上述实施例，提供了一种波束赋形方法及装置，通过根据Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的对应关系确定Sounding信号带宽内频点的信道响应进行插值处理的权值，并使用该权值确定波束赋形权值，对上行数据进行波束赋形，解决了在使用MRT的Beamforming下行发射时必须保证终端Sounding带宽必须与下行发射带宽一致的限制，可以实现全频带的频点信道响应估计，同时，与目前使用的线性插值相比，提升了插值拟合精度，极大提高了MRT的Beamforming下行发射技术的性能。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波束赋形方法，其特征在于，包括：

获取Sounding信号带宽内频点的信道响应；

使用所述Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的对应关系确定所述Sounding信号带宽内频点的信道响应进行插值处理的权值；

使用所述插值处理的权值确定波束赋形的权值，并使用所述波束赋形的权值对上行数据进行波束赋形。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的对应关系确定所述Sounding信号带宽内频点的信道响应进行插值处理的权值包括：

使用如下公式确定所述插值处理的权值其中，R_hp为所述Sounding信号带宽内频点与所述下行数据所在频点的信道响应相关矩阵，R_pp为Sounding信号带宽内频点之间的相关矩阵，为噪声，X为Sounding信号序列，X^H为Sounding信号序列矩阵的非奇异矩阵。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获取Sounding信号带宽内频点的信道响应包括：使用如下公式确定Sounding信号带宽内频点的信道响应

其中R是基站接收到的终端在Sounding频点发射的信号，S是终端发射波形。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，使用所述插值处理的权值确定波束赋形的权值包括：

使用如下公式确定波束赋形的权值其中为Sounding信号带宽内频点的信道响应。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述插值处理为最小均方差MMSE插值处理。

6.一种波束赋形装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取Sounding信号带宽内频点的信道响应；

处理模块，用于使用所述Sounding信号带宽内频点与下行数据所在频点的对应关系确定所述Sounding信号带宽内频点的信道响应进行插值处理的权值；

确定模块，用于使用所述插值处理的权值确定波束赋形的权值；

波束赋形模块，用于使用所述波束赋形的权值对上行数据进行波束赋形。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述处理模块用于使用如下公式确定所述插值处理的权值其中，R_hp为所述Sounding信号带宽内频点与所述下行数据所在频点的信道响应相关矩阵，R_pp为Sounding信号带宽内频点之间的相关矩阵，为噪声，X为Sounding信号序列，X^H为Sounding信号序列矩阵的非奇异矩阵。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述获取模块用于使用如下公式确定Sounding信号带宽内频点的信道响应 其中R是基站接收到的终端在Sounding频点发射的信号，S是终端发射波形。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述波束赋形模块用于使用如下公式确定波束赋形的权值其中为Sounding信号带宽内频点的信道响应。

10.根据权利要求6至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述插值处理为最小均方差MMSE插值处理。