CN101938762B - 基于空间谱估计的下行特征波束传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于空间谱估计的下行特征波束传输方法，包括如下步骤：(1)用户向基站发送入网请求；(2)基站利用Capon和MUSIC方法进行联合空间谱估计，找出信道能量的在空间集中的L个方向，以及每个方向上对应的能量大小；(3)基站基于联合空间谱估计结果构建空域协方差矩阵；(4)基站对空域协方差矩阵进行特征值分解，选取最大的P个特征值所对应的P个特征向量，作为阵列的加权向量，在空间形成P个独立的波束；(5)基站选择输出通道数P的空时编码模式，通过特征波束加权后由基站发射，经无线信道到达用户；(6)该用户对接收的信号经过空时解码后，恢复原始数据，下行传输过程完成。本发明实时性好，复杂度低，稳健性好且易于实现。

Description

基于空间谱估计的下行特征波束传输方法

技术领域

本发明属于无线通信信号处理领域，涉及到一种基于空间谱估计的下行特征波束传输方法，提高了无线通信中基站与用户间下行链路的通信质量。

背景技术

在无线通信中，由基站至用户的通信称为下行通信。在下行多天线传输中，采用发射分集或是空间复用技术可以有效的提高信号的传输质量或传输速率。应用环境是在独立瑞利衰落信道，即要求等效的传输信道矩阵的各元素为独立同分布的复高斯随机变量。如果将发射分集或是空间复用技术直接应用于相关性信道中，会导致***性能的显著下降。为了解决这一问题，提出了基于空时特征波束编码的方法，包括基于反馈的信道状态信息方法和基于无反馈的空间波束估计方法。

例如，Shengli Zhou等人在“Optimal Transmitter Eigen-Beamformingand Space-Time Block Coding Based on Channel Correlations.IEEE Trans.Inform.Theory，vol.42,No.7.July 2003”中提出的利用注水原理实现发射分集与波束形成相结合技术应用于下行信道通信的方法。该方法是将信道状态信息转化成空域协方差矩阵，通过特征值分解得到特征向量和特征值，利用注水原理筛选最大的几个特征值对应的特征向量作为阵列的加权向量，从而实现对信号最优的预编码处理。此方法的不足之处在于，由于注水原理的使用仍然依赖于部分信道状态信息的准确性，当信道状态信息存在误差时，使用这种方法时，通信性能就会受到严重影响。并且基站接收冗长的信道状态信息矩阵会产生较大的时延，将直接导致***的实时性差。由于信道状态信息矩阵的每个元素都会受到传输过程中量化误差影响，极易受干扰，使得信道状态信息中含有传输误差，通信稳健性差。另外，当用户在进行信道估计含有误差时，这种方法所产生的功率效率也会受到一定影响。当信道状态信息不准确的时候，***误码率比较高，总而言之该方法不能很好适应信道状态信息不准确的通信环境。

又如，Kevin H.Lin等人在“Adaptive Transmit EigenbeamformingWith Orthogonal Space-Time Block Coding in Correlated Space-TimeChannels,2004.Proceedings.(ICASSP'04).IEEE InternationalConference on Volume:4”中提出的利用无反馈技术的下行信道通信方法，该方法是通过基站信道估计获得几个主要的波达方向，然后结合阵列导向矢量建立一个空域协方差矩阵，在特征值分解后仍然通过注水原理获取阵列的加权向量，以实现信号的最优预编码处理。这种方法有效避免了信道状态信息不准确和信道估计误差对发射端预处理的影响，并且提出了将波达方向信息利用到空域协方差矩阵的构建中，使得信号发射性能得到了显著提升，从而提升了通信质量。此方法的不足之处在于，其空域协方差矩阵的获得的前提是已知每条路径波达方向，而在实际应用中所有路径的方向很难获得，导致无法准确获得空域协方差矩阵。由于该方法在波达方向造成空域协方差矩阵的不准确，从而导致整个下行信道的通信质量的下降。为确定所有路径方向导致该方法的复杂度过高，阻碍了该方法在实际工程中的应用，不易实现。

发明内容

本发明的目的针对上述已有技术的不足，提出了一种基于空间谱估计的下行特征波束传输方法。该方法无需信道状态信息反馈，利用空间谱估计结果构建空域协方差矩阵，可以最大程度的逼近基于信道状态信息反馈的特征波束传输方法的性能。

本发明的实现步骤如下：

步骤1，用户向基站发送入网请求。

步骤2，基站利用Capon和MUSIC方法进行联合空间谱估计，找出信道能量在空间集中的L个方向，以及每个方向上对应的能量大小。其中，设定MUSIC可估计的到达波方向数为M-1，M为基站发射天线的阵元数。

步骤3，基站基于联合空间谱估计结果，构建空域协方差矩阵R_SCM。

步骤4，基站对空域协方差矩阵R_SCM进行特征值分解，选取最大的P个特征值所对应的P个特征向量，作为阵列的加权向量，在空间形成P个独立的波束。

步骤5，基站根据P的取值和用户的服务质量需求，选择输出通道数为P的空时编码模式。空时编码模块的P路输出信号通过特征波束加权后由基站发射，经无线信道到达用户。

步骤6，用户对接收的信号经过空时解码后，恢复原始数据，下行传输过程完成。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，本发明实时性强。本发明在构建空域协方差矩阵的过程中，采用Capon与MUSIC的联合空间谱估计的方法，避免了基站接收冗长的信道状态信息矩阵，提升了***的实时性。

第二，本发明的稳健性好。所构建的空域协方差矩可以最大程度的逼近真实的空域协方差矩阵；此外，本发明中的特征波束形成不依赖于反馈的信道估计结果，因此不受信道估计误差和反馈时延的影响，因此本发明具有较好的稳健性。

第三，本发明的复杂度低。本发明MUSIC谱估计所估计的达到波方向数为M-1，通常情况下，实际的空间路径数远大于阵列天线数M，因此，与基于估计每条路径波达方向的估计算法相比，本发明复杂度低，易于实现。研究结果表明，本发明可以较低的复杂度逼近基于完美信道状态信息反馈方法的性能。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明在2簇多径情况下的空间谱估计图。

图3是本发明在5簇多径情况下的空间谱估计图。

图4是本发明与同类方法在完美信道状态信息时的性能比较图。

图5是本发明与同类方法在路径数不同时的性能比较图。

图6是本发明与同类方法在空间5簇多径时的性能比较图。

具体实施方式

参图1，本发明实施的具体方式包括如下步骤：

步骤1，某用户向基站发送入网请求。

步骤2，基站通过Capon和MUSIC得到的空间谱联合判断空间信道中的角度信息。基站以接收状态进行空间谱估计，假设基站采用等距线阵，阵元数为M。

2a)设定MUSIC可估计的到达波方向数为M-1，M为基站发射天线的阵元数。通过MUSIC算法估计出M-1个可分辨的到达波方向。

2b)结合Capon空间功率谱结果，筛选出L个可分辨的到达波方向以及对应的功率信息，其中，L≤M-1。在Capon空间功率谱估计图中，确定功率最高的谱峰峰值E。确定MUSIC所得到的M-1个峰在Capon空间功率谱中对应的功率值，如存在某角度对应的功率值小于0.5E则认为其不构成实际谱峰并舍去。

2c)统计有效谱峰对应的中心角度θ_i与功率值σ_i，其中1≤i≤L。

步骤3，基站利用联合空间谱估计结果，构建下行信道的空域协方差矩阵模型：

3a)基站根据联合空间谱估计值获得的L个路径的中心角度，求出相对于基站阵列的导向矢量：

其中d为阵元间距，λ为信号波长，θ_i为有效谱峰对应的中心角度。

3b)基站根据联合空间谱估计的L个中心角度的功率信息，构建空域协方差矩阵 $R_{\mathrm{SCM}}=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i^{2}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)a^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right).$

步骤4，基站对R_SCM进行特征分解，选择P组特征向量作为阵列的加权向量。

4a）基站空域协方差矩阵进行特征分解

R_SCM为Hermite矩阵，对其进行特征分解可以得到相应特征值与特征向量。

对R_SCM进行特征值分解：R_SCM＝VDV^H，

其中D＝diag(λ₁，...,λ_M)，对角元素λ_m(1≤m≤M)为R_SCM的特征值，V＝[v₁,...,v_M]∈C^M×N为这些特征值对应的一组特征向量{v_m∈C^M×1,1≤m≤M}所组成的酉矩阵。

4b）选择P组向量

D中P个最大的特征值就对应着P个簇，将这P个特征值{λ_p,1≤p≤P}所对应的P个特征向量{w_p,1≤p≤P}作为发射阵列的阵列加权矢量：W＝[ξ₁，...，ξ_P]，用于基站信号的发射。

步骤5，基站根据P的取值和用户的服务质量需求，选择输出通道数为P的空时编码模式，产生信号矩阵X。空时编码模块的P路输出信号通过特征波束加权后由基站发射，经无线信道到达用户。

步骤6，发送请求的用户需要对接收信号进行空时解码，经过空时解码处理可以获得空时编码矩阵信号X，下行无线通信结束。此过程中接受信号Y=XW^HH+N，其中X为步骤5中获得的空时编码矩阵信号，W为步骤4中获得的预编码矩阵，H是真实信道，N为高斯白噪声。

本发明的效果可通过以下实验仿真进一步加以说明。

信道模型及仿真参数设定，假设发射端和接收端空时信道均为准静态；由于基站架设较高，其周围的散射体在空间构成了P个簇。假定P个簇包含有Q条路径，在每个簇中，若干条路径在一定的角度扩展范围内等间隔分布。此外，假设相邻两个簇在空间没有重叠，并保持一定的间隔。假定用户位于被丰富的散射体所包围，且天线间距至少大于2倍的波长，不同天线所接收到的信号衰落是相互独立的，在以上假设条件下，用户端的信道可以用标准的瑞利衰落信道模型来描述。仿真参数：采用BPSK调制，基站采用8阵元的等距线阵，用户采用单天线接收。选择两组信道参数：空间有2簇和5簇两种情况，每个簇的角度扩展均为12度。图2，图4，图5是2簇的情况，在2簇的情况下，中心角度取（-60°，30°）或（0°，30°）；图3，图6是5簇的情况，在5簇的情况下，中心角度取(-60°，-30°，0°，30°，60°)。

本发明中空间谱估计得出的空间谱为图2，图3所示，其中包含了Capon和MUSIC 2种方法的空间谱估计图。通过图2，图3可以看出能量较强的M-1个方向中心角度，然后通过Capon半功率筛选后可得到L个有效角度。其中MUSIC空间谱是为了确定路径方向，Capon方法可以筛选能量较大的方向并确定其对应功率。由图4可以看出，随着信源数的增加，本发明性能逐渐提升；在本发明中使用M-1个信源数时，其性能与同类方法在完美信道状态信息时的误码率基本相同。由图5可以看出，本发明在路径数增多时仍然具有较好的稳定性。图6是本发明与同类方法在空间5簇多径时的性能比较图，可以看出在空间多径数量增多时，本发明仍然具有较好的性能。

从以上仿真可以看出，本发明的性能可以在减小***复杂度的情况下逼近传统方法。在下行无线通信***中，***性能与信道状态信息密切相关，一方面本发明可以通过空间谱估计精确的测量能量较强的L个方向，从而保证了信道方位信息的准确性；另一方面，无反馈需求也避免了信道估计误差对信道能量信息带来的影响，可以保证***性能具有较好的稳定性。

Claims (3)

1.一种基于空间谱估计的下行特征波束传输方法，包括以下步骤：

步骤1，用户向基站发送入网请求；

步骤2，基站利用Capon和MUSIC方法进行联合空间谱估计，找出信道能量在空间集中的L个方向，以及每个方向上对应的能量大小，其中，设定MUSIC可估计的到达波方向数为M-1，M为基站发射天线的阵元数；

步骤3，基站基于联合空间谱估计结果，构建空域协方差矩阵R_SCM；

步骤4，基站对空域协方差矩阵R_SCM进行特征值分解，选取最大的P个特征值所对应的P个特征向量，作为阵列的加权向量，在空间形成P个独立的波束；

步骤5，基站根据P的取值和用户的服务质量需求，选择输出通道数为P的空时编码模式，空时编码模块的P路输出信号通过特征波束加权后由基站发射，经无线信道到达用户；

步骤6，用户对接收的信号经过空时解码后，恢复原始数据，下行传输过程完成。

2.根据权利要求1所述的基于空间谱估计的下行特征波束传输方法，其中步骤2所述的基站利用Capon和MUSIC方法进行联合空间谱估计，找出信道能量的在空间集中的L个方向，以及每个方向上对应的能量大小，按如下步骤进行：

2a)设定MUSIC可估计的到达波方向数为M-1，M为基站发射天线的阵元数，通过MUSIC算法估计出M-1个可分辨的到达波方向；

2b)结合Capon空间功率谱结果，筛选出L个可分辨的到达波方向以及对应的功率信息，其中，L≤M-1，在Capon空间功率谱估计图中，确定功率最高的谱峰峰值E，确定MUSIC所得到的M-1个峰在Capon空间功率谱中对应的功率值，如存在某角度对应的功率值小于0.5E则认为其不构成实际谱峰并舍去；

2c)统计有效谱峰对应的中心角度θ_i与功率值σ_i，其中1≤i≤L。

3.根据权利要求1所述的基于空间谱估计的下行特征波束传输方法，其中步骤3所述的基站利用联合空间谱估计结果，构建下行信道的空域协方差矩阵模型R_SCM，按如下步骤进行：

3a)基站根据联合空间谱估计值获得的L个路径的中心角度，求出相对于基站阵列的导向矢量：

$a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=e^{j2\mathrm{\π}(n-1)d\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)/\mathrm{\λ}},1\≤i\≤L,1\≤n\≤M$

其中d为阵元间距，λ为信号波长，θ_i为有效谱峰对应的中心角度；

3b)基站根据联合空间谱估计的L个中心角度的功率信息，构建空域协方差矩阵 $R_{\mathrm{SCM}}=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i^{2}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)a^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right).$

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