CN102035588A - 基于角度信息的发射多播赋形方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明属于移动通信技术领域，具体公开了一种基于角度信息的多播发射波束赋形的方法及***。本发明采用目标移动台的角度信息来代替传统赋形算法中使用的完整信道信息，更加适合于无法及时获得信道信息的集群通信***中。本发明还使用波束赋形增益来代替传统赋形算法中使用的信噪比作为新的赋形优化目标，这样就不会涉及到具体的信道信息。本发明涉及的流程分为三个步骤：首先由基站获得移动台的角度信息，然后基于波束赋形增益作为优化目标生成波束赋形向量，最后将波束赋形向量与信号结合，完成发射。本发明能够显著的提高集群通信的群发业务中目标用户的接收信噪比，非常适合应用于集群通信***中。

Description

基于角度信息的发射多播赋形方法及***

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及一种利用智能天线来提高TD-SCDMA(时分同步码分多址)集群通信中组呼、群呼等群发业务中目标用户接收信号质量的方法及***。

背景技术

随着空时信号处理技术的发展，智能天线技术在移动通信领域得到了广泛的应用，其主要利用相关度较高的天线阵列来对发射或接收的信号进行处理，获取天线阵列增益来提高***的性能，这种方法又称波束赋形。发射波束赋形是指发射端根据已知的信道信息，产生一个最优发射权值，对发射信号进行预处理，使发射信号在空间叠加，形成一个主瓣对准目标用户的下行波束，从而提高目标用户的信噪比，起到提高用户接收信号质量的作用。

目前TD-SCDMA的智能天线波束赋形基本上属于点到点赋形的范畴，即基站根据移动台的上行空时信道特征，通过特征值分解的方式生成最优的赋形权值，然后进行发射，在提供下行赋形增益的同时，还提供了多小区间的干扰抑制能力。

TD-SCDMA集群业务是一种群发业务。在群发业务中，基站端向一个用户组内的多个目标用户发送相同的数据。由于用户组内的目标用户随机分布在小区内，并且在这类业务中，基站无法及时地获得目标用户的信道信息，因此需要设计一种适合于TD-SCDMA集群通信***的新的波束赋形方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于角度信息的波束赋形方法及***，该发明在群发业务中相对于没有采用波束赋形的***能够显著提高目标用户的接收信噪比。

一种基于角度信息的发射多播赋形方法，该方法包括以下步骤：角度信息计算步骤，计算各目标用户移动台与智能天线参考平面之间的角度；空间特征计算步骤，基于所述角度，计算群组内各目标用户移动台所处角度的空间特征；赋形向量计算步骤，基于所述空间特征，计算多播发射波束赋形向量；数据发送步骤，利用所述多播波束赋形向量对群发信号进行波束赋形并发送。

所述空间特征计算步骤中的空间特征用a_i表示，a_i的计算方法为：

其中：θ_i为群组内的第i个目标用户所在的移动台和智能天线参考平面之间的角度。

所述赋形向量计算步骤包括：i)赋形增益计算步骤：计算群组内各目标用户在衰落信道下接收信噪比的赋形增益Gi：

其中：w为多播发射波束赋形向量，ai为第i个目标用户所处角度的空间特征；ii)赋形向量计算步骤：上式在满足准则1或准则2的情况下，计算出多播发射波束赋形向量w。所述准则1为：群组内所有目标用户的平均赋形增益Gi最大，且多播发射波束赋形向量w的模为1；所述准则2为：群组内目标用户获得的最小赋形增益Gi最大，且多播发射波束赋形向量w的模为1。

一种基于角度信息的发射多播赋形***，该***包括：角度信息计算模块，用于计算各目标用户移动台与智能天线参考平面之间的角度；空间特征计算模块，用于基于所述角度，计算群组内各目标用户移动台所处角度的空间特征；赋形向量计算模块，用于基于所述空间特征，计算多播发射波束赋形向量；数据发送模块，利用所述多播波束赋形向量对群发信号进行波束赋形并发送。

所述空间特征计算模块计算得到的空间特征用ai表示，ai的计算方法为：

其中：θ_i为群组内的第i个目标用户所在的移动台和智能天线参考平面之间的角度。

所述赋形向量计算模块包括：i)赋形增益计算单元，用于计算群组内各目标用户在衰落信道下接收信噪比的赋形增益Gi：

其中：w为多播发射波束赋形向量，ai为第i个目标用户所处角度的空间特征；ii)赋形向量计算单元，用于上式在满足准则1或准则2的情况下，计算出多播发射波束赋形向量w。所述准则1为：群组内所有目标用户的平均赋形增益Gi最大，且多播发射波束赋形向量w的模为1；所述准则2为：群组内目标用户获得的最小赋形增益Gi最大，且多播发射波束赋形向量w的模为1。

与现有方法相比，本发明具有如下优点：

1.提出信噪比增益最大化为新的赋形目标，因此基站仅需要知道用户的角度信息，而避免了复杂的完整信道信息传输机制；

2.由于采用了有效的波束赋形，提高了目标用户的接收信噪比；

3.由于在特定方向上形成赋形波束，从而减少了对其他群组在其他方向上的干扰；

4.对现有的***的改动较小，便于应用到实际***中。

附图说明

图1为本发明的一个具体实施环境的示意图；

图2为本发明的实施流程图；

图3为本发明的结构示意图

图中：1、基站，2、移动台，3、智能天线参考平面。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2所示，一种基于角度信息的发射多播赋形方法，该方法包括以下步骤：角度信息计算步骤S1，计算各目标用户移动台与智能天线参考平面之间的角度；空间特征计算步骤S2，基于角度，计算群组内各目标用户移动台所处角度的空间特征；赋形向量计算步骤S3，基于空间特征，计算多播发射波束赋形向量；数据发送步骤S4，利用多播波束赋形向量对群发信号进行波束赋形并由智能天线进行发送。

空间特征计算步骤中的空间特征用a_i表示，在均匀直线阵列中，a_i的计算方法为：

其中：θ_i为群组内的第i个目标用户所在的移动台和智能天线参考平面之间的角度。

赋形向量计算步骤包括：i)赋形增益计算步骤：计算群组内各目标用户在衰落信道下接收信噪比的赋形增益Gi：

其中：w为多播发射波束赋形向量，ai为第i个目标用户所处角度的空间特征；ii)赋形向量计算步骤：上式在满足准则1或准则2的情况下，计算出多播发射波束赋形向量w。准则1为：群组内所有目标用户的平均赋形增益Gi最大，且多播发射波束赋形向量w的模为1；准则2为：群组内目标用户获得的最小赋形增益Gi最大，且多播发射波束赋形向量w的模为1。

如图3所示，一种基于角度信息的发射多播赋形***，该***包括：角度信息计算模块301，用于计算各目标用户移动台与智能天线参考平面之间的角度。空间特征计算模块302，用于基于角度，计算群组内各目标用户移动台所处角度的空间特征。赋形向量计算模块303，用于基于空间特征，计算多播发射波束赋形向量。数据发送模块304，利用多播波束赋形向量对群发信号进行波束赋形并发送。

空间特征计算模块计算得到的空间特征用ai表示，ai的计算方法为：其中：θ_i为群组内的第i个目标用户所在的移动台和智能天线参考平面之间的角度。

赋形向量计算模块包括：i)赋形增益计算单元，用于计算群组内各目标用户在衰落信道下接收信噪比的赋形增益Gi：

其中：w为多播发射波束赋形向量，ai为第i个目标用户所处角度的空间特征。ii)赋形向量计算单元，用于上式在满足准则1或准则2的情况下，计算出多播发射波束赋形向量w。准则1为：群组内所有目标用户的平均赋形增益Gi最大，且多播发射波束赋形向量w的模为1。准则2为：群组内目标用户获得的最小赋形增益Gi最大，且多播发射波束赋形向量w的模为1。

实施例：

本发明可应用于TD-SCDMA集群通信***单基站、单群组的群发业务中，也可以应用于其他单基站、单群组的多播发射业务中。在电波传播环境具有直视路径(LOS，Line of Sight)的情况下本发明的应用效果更好。下面以本发明适用的一个场景为例，进行详细说明。如图1所示，对各个方向上形成的波束主瓣进行了演示。

在一个配备了智能天线的TD-SCDMA集群通信***的小区中，一个群组的用户集中分布在四个主要的方向上，基站通过基于角度的多播发射波束赋形形成在四个方向上的赋形主瓣，从而将能量集中于用户所处的角度范围内，提高了目标用户的接收信噪比。

详细的实施流程如下：

步骤1：目标用户移动台按照集群***中规定的信道轮流向基站1发送控制信息，报告移动台2当前的状态。控制信息包括移动台所在小区、所属群组、信号状态等。TD-SCDMA基站根据该控制信息利用智能天线检测各个目标用户移动台所处位置与智能天线参考平面3之间的角度，并不断进行更新，如图1、图2所示。此步可采用相对成熟的到达角(AOA，Angle of Arrival)检测算法实现，如Capon方法、MUSIC(多重信号分类)、ESPRIT(旋转不变子空间)算法等，可较为精确的得到用户所处的角度。

步骤2：根据步骤1中的最新角度信息，计算群组内各目标用户所处角度的空间特征a_i。在均匀直线阵列中，a_i的计算方法为：其中：θ_i为群组内的第i个目标用户所在的移动台和智能天线参考平面之间的角度。

步骤3：计算群组内各目标用户在衰落信道下接收信噪比的赋形增益Gi：其中：w为多播发射波束赋形向量，a_i为第i个目标用户所处角度的空间特征。

本实施例把目标用户的接收赋形增益G_i作为优化目标。从整个群组来看，赋形增益G_i的优化准则包括两种情况：第一种情况可以把整个群组的平均接收赋形增益作为优化目标，第二种情况把群组中用户获得的最小赋形增益作为优化目标，用数学表达式表示即为：

第一种情况：

且|w|²＝1

上式中：C^N表示一个N维复值向量，w为多播发射波束赋形向量，N表示智能天线中天线阵元的个数，M表示群组内的用户数。第一种情况在维持整个天线阵列发射功率不变的前提下，使目标用户的接收信噪比增益之和最大，即平均接收信噪比增益最大且多播发射波束赋形向量的模为1。

第二种情况：

且|w|²＝1

上式中：C^N表示一个N维复值向量，N表示智能天线中天线阵元的个数，w为多播发射波束赋形向量，M表示群组内的用户数。第二种情况在维持整个天线阵列发射功率不变的前提下，使目标用户中最小的信噪比增益最大，同时满足多播发射波束赋形向量的模为1。

根据第一种或第二种优化准则计算出多播发射波束赋形向量w。

步骤4：在上一步中得到的波束赋形向量为w＝[w₀ w₁ w₂...w_N]^T，N为智能天线阵列的阵元数。赋形向量的每个元素代表每个天线阵元对信号的加权，将信号与赋形向量的各元素相乘，然后通过天线阵元进行发射，便完成发射波束赋形。

一种基于角度信息的发射多播赋形***，该***包括：角度信息计算模块，用于计算各目标用户移动台与智能天线参考平面之间的角度；空间特征计算模块，用于基于角度，计算群组内各目标用户移动台所处角度的空间特征；赋形向量计算模块，用于基于空间特征，计算多播发射波束赋形向量；数据发送模块，利用多播波束赋形向量对群发信号进行波束赋形并发送。

空间特征计算模块计算得到的空间特征用ai表示，ai的计算方法为：

其中：θ_i为群组内的第i个目标用户所在的移动台和智能天线参考平面之间的角度。

赋形向量计算模块包括：i)赋形增益计算单元，用于计算群组内各目标用户在衰落信道下接收信噪比的赋形增益Gi：

其中：w为多播发射波束赋形向量，ai为第i个目标用户所处角度的空间特征；ii)赋形向量计算单元，用于上式在满足准则1或准则2的情况下，计算出多播发射波束赋形向量w。准则1为：群组内所有目标用户的平均赋形增益Gi最大，且多播发射波束赋形向量w的模为1；准则2为：群组内目标用户获得的最小赋形增益Gi最大，且多播发射波束赋形向量w的模为1。

以上对本发明所提供的一种基于角度信息的发射多播赋形方法和***进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于角度信息的发射多播赋形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

角度信息计算步骤，计算各目标用户移动台与智能天线参考平面之间的角度；

空间特征计算步骤，基于所述角度，计算群组内各目标用户移动台所处角度的空间特征；

赋形向量计算步骤，基于所述空间特征，计算多播发射波束赋形向量；

数据发送步骤，利用所述多播波束赋形向量对群发信号进行波束赋形并发送。

2.根据权利要求1所述的一种基于角度信息的发射多播赋形方法，其特征在于，所述空间特征计算步骤中的空间特征用a_i表示，a_i的计算方法为：

$a_i={[1e^{-\mathrm{j\π}\cos {\mathrm{\θ}}_i}{e}^{-j2\mathrm{\π}\cos {\mathrm{\θ}}_i}\·\·\·e^{-j(N-1)\mathrm{\π}\cos {\mathrm{\θ}}_i}]}^T$

其中：θ_i为群组内的第i个目标用户所在的移动台和智能天线参考平面之间的角度。

3.根据权利要求1所述的一种基于角度信息的发射多播赋形方法，其特征在于，所述赋形向量计算步骤包括：

i)赋形增益计算步骤：

计算群组内各目标用户在衰落信道下接收信噪比的赋形增益G_i：

$G_i=w^H{a}_i{a}_i^{H}w={\left|w^H{a}_i\right|}^2$

其中：w为多播发射波束赋形向量，a_i为第i个目标用户所处角度的空间特征；

ii)赋形向量计算步骤：

上式在满足准则1或准则2的情况下，计算出多播发射波束赋形向量w；

所述准则1为：群组内所有目标用户的平均赋形增益G_i最大，且多播发射波束赋形向量w的模为1；

所述准则2为：群组内目标用户获得的最小赋形增益G_i最大，且多播发射波束赋形向量w的模为1。

4.一种基于角度信息的发射多播赋形***，其特征在于，该***包括：

角度信息计算模块，用于计算各目标用户移动台与智能天线参考平面之间的角度；

空间特征计算模块，用于基于所述角度，计算群组内各目标用户移动台所处角度的空间特征；

赋形向量计算模块，用于基于所述空间特征，计算多播发射波束赋形向量；

数据发送模块，利用所述多播波束赋形向量对群发信号进行波束赋形并发送。

5.根据权利要求4所述的一种基于角度信息的发射多播赋形***，其特征在于，所述空间特征计算模块计算得到的空间特征用a_i表示，a_i的计算方法为：

$a_i={[1e^{-\mathrm{j\π}\cos {\mathrm{\θ}}_i}{e}^{-j2\mathrm{\π}\cos {\mathrm{\θ}}_i}\·\·\·e^{-j(N-1)\mathrm{\π}\cos {\mathrm{\θ}}_i}]}^T$

其中：θ_i为群组内的第i个目标用户所在的移动台和智能天线参考平面之间的角度。

6.根据权利要求4所述的一种基于角度信息的发射多播赋形***，其特征在于，所述赋形向量计算模块包括：

i)赋形增益计算单元，用于计算群组内各目标用户在衰落信道下接收信噪比的赋形增益Gi：

$G_i=w^H{a}_i{a}_i^{H}w={\left|w^H{a}_i\right|}^2$

其中：w为多播发射波束赋形向量，a_i为第i个目标用户所处角度的空间特征；

ii)赋形向量计算单元，用于上式在满足准则1或准则2的情况下，计算出多播发射波束赋形向量w；

所述准则1为：群组内所有目标用户的平均赋形增益Gi最大，且多播发射波束赋形向量w的模为1；

所述准则2为：群组内目标用户获得的最小赋形增益Gi最大，且多播发射波束赋形向量w的模为1。

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