CN101800582A - 一种多用户波束成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户波束成形方法及装置，适用于基于TDD的MIMO无线通信***。本发明方案中，根据上行信道信息获得每个用户的下行信道信息，采用波达方向DOA估计算法，根据所述下行信道信息获得每个用户的DOA信息，并且，对用户进行配对，满足设定的约束条件的用户组成配对的用户组，采用零陷展宽算法，根据配对的用户组内每个用户的DOA信息计算各用户的波束权值，每个用户的波束权值所对应的波束具有如下性质，在对应用户自己的DOA方向形成主瓣，在配对的用户组内其他用户的DOA方向生成宽零陷，在不使用编码的情况下，仅仅利用多天线技术，利用波束零陷展宽技术，可以使得至少2个用户利用相同的时、频、码资源，实现了对***资源的有效复用。

Description

一种多用户波束成形方法及装置

技术领域

本发明涉及多输入多输出(MIMO，Multiple Input and Multiple Output)无线通信技术，特别是指一种适用于时分双工(TDD，Time Division Duplex)的基于波束零陷展宽的多用户波束成形方法及装置。

背景技术

MIMO无线通信技术，由于其能够有效提高信道容量，而成为长期演进(LTE，Long Term Evolution)研究中一项倍受关注的技术。

波束成形(beam forming)的方法是通过用户所在不同方位来区分用户，从而可以实现多个用户对相同的时间、频率资源进行复用。对于小天线间距(0.5λ)情况，非常有利于控制波束指向，更加适合于应用波束成形技术。波束成形技术主要是通过控制波束方向来进行工作的，比较适合用于空旷的郊区场景。波束成形可以获得明显的波束能量增益，能够扩大小区的覆盖。波束成形技术利用天线阵列结构可以获得特征方向的波束，因此能够获得明显的波束能量增益，这可以完善小区覆盖，减小***干扰和增加***容量，提高链路可靠性，提高峰值速率，可以有效改善边沿用户的性能。

对于演进LTE(LTE-A)通信***而言，可以将现有的单流波束成形技术扩展至多流波束成形技术，再将多流波束分别分配给多个用户使用，这种方法可以用于实现空分多址。波束成形技术对于多天线空间信道的快速变化的敏感度较低，而且零陷展宽方法可以更加有效的控制用户间的干扰。

在多用户MIMO模式中，可以通过设计合适的发射天线和接收天线的权值矢量来设计赋形波束的方向，控制波束图的具体形状，可以在期望方向形成主瓣、干扰方向形成零陷，从而对多用户的信号进行区分，去除用户间干扰。MU-BF可以获得多用户复用增益，从而提高小区的吞吐量。

虽然多用户MIMO模式下采用波束成形技术有诸多优点，但是，在不使用编码的情况下，仅仅利用多天线技术，多用户同时同频复用***资源却一直是尚未解决的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多用户波束成形方法及装置，

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种多用户波束成形方法，适用于基于时分双工TDD的多输入多输出MIMO无线通信***，该方法包含：根据上行信道信息获得每个用户的下行信道信息；采用波达方向DOA估计算法，根据所述下行信道信息获得每个用户的DOA信息，并且，对用户进行配对，满足设定的约束条件的用户组成配对的用户组；采用零陷展宽算法，根据配对的用户组内每个用户的DOA信息计算各用户的波束权值，每个用户的波束权值所对应的波束具有如下性质，在对应用户自己的DOA方向形成主瓣，在配对的用户组内其他用户的DOA方向生成宽零陷。

所述根据上行信道信息获得每个用户的下行信道信息，包括：通过对上行检测参考信号SRS的估计获得上行信道信息；利用上行信道与下行信道的互易性，根据上行信道信息获得下行信道信息。

所述约束条件为：用户之间的DOA角之差不小于设定值，进一步地，8Tx天线时，所述约束条件为Δφ＞10°，4Tx天线时，所述约束条件为Δφ＞20°，其中，Δφ为用户之间的DOA角之差；或者，用户的波束图峰均比不小于设定的峰均比门限，进一步地，所述波束图峰均比是波束图主瓣的增益与波束图增益均值的比值；或者，用户的波束图旁瓣主瓣增益比不小于设定的增益门限，进一步地，所述波束图旁瓣主瓣增益比是最大旁瓣的增益与主瓣增益的比值。

所述计算各用户的波束权值的过程中包括：将配对的用户组内除该用户以外其他用户的方向角作为干扰角。

所述计算各用户的波束权值之后，进一步包括：将用户的数据流与用户对应的波束权值相乘，并加载用户专用导频后通过天线进行发送；或者，对配对的用户组内各用户的波束权值进行正交处理，得到每个用户的正交波束权值，将用户的数据流与用户对应的正交波束权值相乘，并加载用户专用导频后通过天线进行发送。

该方法进一步包括：不反馈预编码矩阵指示PMI信息，空余的PMI信息位用于信道质量指示CQI和/或分类指示RI的反馈。

该方法进一步包括：基于SRS和CQI反馈，对反馈的CQI进行估计和补偿；和/或，基于SRS和公共导频的CQI反馈计算RI。

一种多用户波束成形装置，适用于基于TDD的MIMO无线通信***，该装置包括：下行信道单元、DOA单元、配对单元、计算单元和处理单元，其中，所述下行信道单元用于根据上行信道信息获得每个用户的下行信道信息；所述DOA单元用于采用DOA估计算法，根据下行信道信息获得每个用户的DOA信息；所述配对单元用于对用户进行配对，满足设定的约束条件的用户组成配对的用户组；所述计算单元用于采用零陷展宽算法，根据配对的用户组内每个用户的DOA信息计算各用户的波束权值，每个用户的波束权值所对应的波束具有如下性质，在对应用户自己的DOA方向形成主瓣，在配对的用户组内其他用户的DOA方向生成宽零陷。

该装置进一步包括：处理单元，用于将用户的数据流与用户对应的波束权值相乘，并加载用户专用导频后发送；或者，正交单元和处理单元，其中，所述正交单元用于对配对的用户组内各用户的波束权值进行正交处理，得到每个用户的正交波束权值；所述处理单元用于将用户的数据流与用户对应的正交波束权值相乘，并加载用户专用导频后发送。

该装置进一步包括：CQI补偿单元，用于基于SRS和公共导频的CQI反馈，对反馈的CQI进行估计和补偿；和/或，RI确定单元，基于SRS和公共导频的CQI反馈计算RI。

本发明方案中，在基于TDD的MIMO无线通信***中，根据上行信道信息获得每个用户的下行信道信息，采用波达方向DOA估计算法，根据所述下行信道信息获得每个用户的DOA信息，并且，对用户进行配对，满足设定的约束条件的用户组成配对的用户组，采用零陷展宽算法，根据配对的用户组内每个用户的DOA信息计算各用户的波束权值，每个用户的波束权值所对应的波束具有如下性质，在对应用户自己的DOA方向形成主瓣，在配对的用户组内其他用户的DOA方向生成宽零陷，在不使用编码的情况下，仅仅利用多天线技术，利用波束零陷展宽技术，可以使得至少2个用户利用相同的时、频、码资源，实现了对***资源的有效复用。进一步地还通过波束权值正交化技术，有效降低用户间干扰。

另外，本发明方案中对于反馈信令的实现方案细节问题给予了定义，进行了完善。

附图说明

图1为本发明TDD无线通信***中基于零陷展宽的多用户波束成形及赋形的发射机原理示意图；

图2为本发明TDD无线通信***中基于零陷展宽的多用户波束成形及赋形流程图；

图3为本发明TDD无线通信***中基于零陷展宽的多用户波束成形及赋形装置结构示意图。

具体实施方式

结合图1和图2，TDD无线通信***中基于零陷展宽的多用户波束成形的具体处理过程包括以下步骤：

步骤201：根据上行信道信息获得每个用户的下行信道信息。

通过对上行检测参考信号(SRS，Sounding Reference Signal)的估计获得上行信道信息；对应TDD方式，可以利用上行信道与下行信道的互易性，根据上行信道信息获得下行信道信息。下行信道信息可以通过下行信道矩阵的方式来表示。

步骤202：采用波达方向(DOA，Direction of Arrival)估计算法，根据下行信道信息获得每个用户的DOA信息。

步骤203：对用户进行配对，满足设定的约束条件的用户组成配对的用户组。

所述约束条件可以为用户之间的DOA角之差不小于设定值。不同用户之间的DOA角之差Δφ是零陷展宽算法中的重要参数，该参数表示零陷展宽算法所设置的零陷应该达到的宽度，在8Tx天线时，可以设置约束条件为Δφ＞10°；在4Tx天线时，可以设置约束条件为Δφ＞20°。对用户进行配对时，由DOA角之差达到设定值或设定值以上的用户组成配对的用户组。

所述约束条件也可以为用户的波束图峰均比不小于设定的峰均比门限。所述波束图峰均比是波束图主瓣的增益与波束图增益均值的比值。对于一个确定用户而言，波束图主瓣的增益及波束图增益均值是已经设置好的。设置这样的约束条件，能够确保如果用户的主瓣的增益不是足够大的话，将不能成为配对的用户组中的用户，从而不能进行后续的多用户的零陷展宽算法。所述峰均比门限的选取可以通过仿真来确定。

所述约束条件还可以为用户的波束图旁瓣主瓣增益比不小于设定的增益门限。所述波束图旁瓣主瓣增益比是最大旁瓣的增益与主瓣增益的比值。对于一个确定用户而言，最大旁瓣的增益和主瓣增益是已经设置好的。设置这样的约束条件，能够保证旁瓣的增益过大的用户将不能成为配对的用户组中的用户，从而不能进行后续的多用户的零陷展宽算法。最大旁瓣的增益和主瓣增益的确定可以为：找到除主瓣外增益最大的方向、即主瓣边零陷以外的方向，估计得到该方向的波束增益值P₂，并且估计得到主瓣波束增益值P₁，这样，约束条件为：P₂/P₁＜增益门限。增益门限值可以通过仿真确定，如增益门限取-5dB。

步骤202和步骤203没有明显的执行顺序，既可以同时执行；也可以先执行步骤202，后执行步骤203；还可以先执行步骤203，后执行步骤202.

步骤204：采用零陷展宽算法，根据配对的用户组内每个用户的DOA信息计算各用户的波束权值。每个用户的波束权值所对应的波束具有如下性质：在对应用户自己的DOA方向形成主瓣，在配对的用户组内其他用户的DOA方向生成宽零陷，以降低用户间干扰。计算一个用户的波束权值的过程中：将配对的用户组内除该用户以外其他用户的方向角作为干扰角。采用零陷展宽算法的具体计算过程如下。

线性约束最小方差(LCMV)准则是指在某个线性约束条件下，使阵列输出的方差最小：

下面采用零陷展宽算法计算得到能够使阵列输出的方差最小的R_xx。

设干扰角的入射角度为θ₁，在数据失配的情况下，角度的最大变化量为Δθ，按两点分布考虑，入射角左边扰动pΔθ，右边的扰动为qΔθ，且p+q＝1。由于干扰功率的大小只影响零陷的深度，可假设两个干扰的功率相等。这样，两个干扰形成的导向矢量为：

式(1)、式(2)中，

如果Δθ很小，则有：

将式(3)代入式(1)、式(4)代入式(2)，可以看到，对于固定的入射角，|cosθ₁|≤1。考虑最大的角度扩散，取|cosθ₁|＝1，并设

这样，式(1)、式(2)可以变化为：

式(5)、式(6)中

并且有：

这样，接收的信号可以表示式为：

X₊(t)＝BAS(t)+Bn(t)            (9)

X_-(t)＝C^HAS(t)+C^Hn(t)          (10)

其中，X₊(t)表示从θ₁+pΔθ入射的干扰，而X_-(t)表示从θ₁-qΔθ入射的干扰。分别取两个信号形成的协方差矩阵，由于BB^H＝I、CC^H＝I，所以有：

$R^{+}=E\left[X_{+}\left(t\right)X_{+}^H\left(t\right)\right]=\mathrm{BAP}{A}^H{B}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I---\left(11\right)$

$R^{-}=E\left[X_{-}\left(t\right)X_{-}^H\left(t\right)\right]=C^H{\mathrm{APA}}^{H}C+{\mathrm{\σ}}^{2}I---\left(12\right)$

由于式(11)、式(12)是在信号分成两部分的基础上得到的协方差矩阵，因此在计算的时候需要将两个矩阵进行算术平均，这样，得到的协方差矩阵为：

$R=\frac{1}{2}(R^{+}+R^{-})=\frac{1}{2}({\mathrm{BAPA}}^H{B}^H+C^H{\mathrm{APA}}^{H}C)+{\mathrm{\σ}}^{2}I---\left(13\right)$

通过式(13)可以看出，由于矩阵B和C中没有包括入射角信息，因此最终得到的协方差矩阵为接收信号协方差矩阵的算术运算。扰动Δθ的概率为p，-Δθ的概率则为1-p，因此，扰动的均值为：

m＝(2p-1)Δθ                (14)

均值的不同代表扰动中心位置的不同，显然p＝0.5时扰动中心在入射角的方向。扰动的方差∑²为：

∑²＝4Δθ²p(1-p)            (15)

作为扰动与中心角偏差的一种度量，方差∑²越大，则表示对扰动的影响越大，当p＝0.5时达到最大。由于是对扰动的影响，因此∑²表示对扰动的抑制，从而影响接收信号的信干噪比。

观察式(7)和式(8)可知，当p＝0.5时，B＝C。设

中的元素

(1≤i，j≤M)，由于B和C均为以指数函数为特征值的对角矩阵。那么，对于其中的元素r_ij经过

的运算以后为：

而经过

运算以后的元素为：

经过式(13)的运算可以将矩阵的对应元素做平均，这样矩阵R中的对应元素为：

从式(18)可以看到，经过式(13)的运算后，得到的矩阵为接收信号协方差矩阵对应元素的运算，定义矩阵T，其中的元素为：

并对矩阵

做如式(20)的运算：

其中ο为Hadamard积。经过这样运算得到的矩阵和经过式(13)得到的矩阵一样，但却可以减少运算量。

将得到的R代入线性约束最小方差公式

中，即将R作为R_xx，得到配对的用户组内每个用户的波束权值，从而完成波束形成算法。

步骤205：将用户的数据流与用户对应的波束权值相乘，并加载用户专用导频(UE-specific reference signals)后通过天线进行发送，完成下行波束的赋形。

进一步地，在步骤204和步骤205之间还可以包括：对配对的用户组内各用户的波束权值进行正交处理，得到每个用户的正交波束权值。此时，步骤205中采用正交波束权值与用户的数据流相乘。对各用户的波束权值进行的正交处理可以通过Gram-Schmidt正交化算法来实现。将用户的数据流与用户对应的加权波束权值相乘，并加载用户专用导频后发送，能够更进一步地降低用户间干扰。

以上各处理步骤均在eNodeB中完成。

另外，结合TDD无线通信***中基于零陷展宽的多用户波束成形及赋形方案，本发明还提供了反馈信令的实现方案。

TDD模式下，不需要反馈预编码矩阵指示(PMI，Precoding MatrixIndication)信息，空余的PMI信息位可以用于其它信息的反馈，例如信道质量指示(CQI，Channel Quality Indication)、分类指示(RI，Rank Indication)。

用户之间的干扰受到配对情况和所使用的预编码矢量的影响很大，上行信道信息是利用SRS进行获取的，基本的信道情况、如下行信道的好坏由公共导频的CQI反馈来获得。对于CQI估计方法，可以联合基于SRS和CQI反馈，由eNodeB对反馈的CQI进行估计和补偿，得到更合适的CQI。对于Rank估计方法，由于CQI的估计使用了SRS来获取上行信道信息，因此，可以由eNodeB自身基于SRS和公共导频的CQI反馈来计算RI，这样就减少了上行RI的反馈。

在TDD模式下，不需要使用公共导频(CRS，Common Reference Signal)，需要使用每个用户的专用导频。

图3为本发明TDD无线通信***中基于零陷展宽的多用户波束成形及赋形装置结构示意图，如图3所示，该装置包括：下行信道单元、DOA单元、配对单元、计算单元和处理单元，其中，下行信道单元用于根据上行信道信息获得每个用户的下行信道信息，并提供给DOA单元；DOA单元用于采用DOA估计算法，根据下行信道信息获得每个用户的DOA信息，并提供给计算单元；配对单元用于对用户进行配对，满足设定的约束条件的用户组成配对的用户组，并将得到的配对的用户组提供给计算单元；计算单元用于采用零陷展宽算法，根据配对的用户组内每个用户的DOA信息计算各用户的波束权值，并提供给处理单元；处理单元用于将用户的数据流与用户对应的波束权值相乘，并加载用户专用导频后发送。计算单元中得到的每个用户的波束权值所对应的波束具有如下性质：在对应用户自己的DOA方向形成主瓣，在配对的用户组内其他用户的DOA方向生成宽零陷。

该装置进一步包括：正交单元，用于对配对的用户组内各用户的波束权值进行正交处理，得到每个用户的正交波束权值；所述处理单元采用正交波束权值与用户的数据流相乘。

该装置还进一步包括：CQI补偿单元，用于基于SRS和公共导频的CQI反馈，对反馈的CQI进行估计和补偿；和/或，RI确定单元，基于SRS和公共导频的CQI反馈计算RI。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多用户波束成形方法，适用于基于时分双工TDD的多输入多输出MIMO无线通信***，其特征在于，该方法包含：

根据上行信道信息获得每个用户的下行信道信息；

采用波达方向DOA估计算法，根据所述下行信道信息获得每个用户的DOA信息，并且，对用户进行配对，满足设定的约束条件的用户组成配对的用户组；

采用零陷展宽算法，根据配对的用户组内每个用户的DOA信息计算各用户的波束权值，每个用户的波束权值所对应的波束具有如下性质，在对应用户自己的DOA方向形成主瓣，在配对的用户组内其他用户的DOA方向生成宽零陷。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据上行信道信息获得每个用户的下行信道信息，包括：通过对上行检测参考信号SRS的估计获得上行信道信息；利用上行信道与下行信道的互易性，根据上行信道信息获得下行信道信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述约束条件为：

用户之间的DOA角之差不小于设定值，进一步地，8Tx天线时，所述约束条件为Δφ＞10°，4Tx天线时，所述约束条件为Δφ＞20°，其中，Δφ为用户之间的DOA角之差；或者，

用户的波束图峰均比不小于设定的峰均比门限，进一步地，所述波束图峰均比是波束图主瓣的增益与波束图增益均值的比值；或者，

用户的波束图旁瓣主瓣增益比不小于设定的增益门限，进一步地，所述波束图旁瓣主瓣增益比是最大旁瓣的增益与主瓣增益的比值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算各用户的波束权值的过程中包括：将配对的用户组内除该用户以外其他用户的方向角作为干扰角。

5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，所述计算各用户的波束权值之后，进一步包括：

将用户的数据流与用户对应的波束权值相乘，并加载用户专用导频后通过天线进行发送；或者，

对配对的用户组内各用户的波束权值进行正交处理，得到每个用户的正交波束权值，将用户的数据流与用户对应的正交波束权值相乘，并加载用户专用导频后通过天线进行发送。

6.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：不反馈预编码矩阵指示PMI信息，空余的PMI信息位用于信道质量指示CQI和/或分类指示RI的反馈。

7.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

基于SRS和CQI反馈，对反馈的CQI进行估计和补偿；和/或，

基于SRS和公共导频的CQI反馈计算RI。

8.一种多用户波束成形装置，适用于基于TDD的MIMO无线通信***，其特征在于，该装置包括：下行信道单元、DOA单元、配对单元、计算单元和处理单元，其中，

所述下行信道单元用于根据上行信道信息获得每个用户的下行信道信息；

所述DOA单元用于采用DOA估计算法，根据下行信道信息获得每个用户的DOA信息；

所述配对单元用于对用户进行配对，满足设定的约束条件的用户组成配对的用户组；

所述计算单元用于采用零陷展宽算法，根据配对的用户组内每个用户的DOA信息计算各用户的波束权值，每个用户的波束权值所对应的波束具有如下性质，在对应用户自己的DOA方向形成主瓣，在配对的用户组内其他用户的DOA方向生成宽零陷。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：

处理单元，用于将用户的数据流与用户对应的波束权值相乘，并加载用户专用导频后发送；或者，

正交单元和处理单元，其中，所述正交单元用于对配对的用户组内各用户的波束权值进行正交处理，得到每个用户的正交波束权值；所述处理单元用于将用户的数据流与用户对应的正交波束权值相乘，并加载用户专用导频后发送。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：

CQI补偿单元，用于基于SRS和公共导频的CQI反馈，对反馈的CQI进行估计和补偿；和/或，

RI确定单元，基于SRS和公共导频的CQI反馈计算RI。

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