CN103475397A - 一种三维波束赋形的方法、通信站及移动站 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维波束赋形的方法、通信站及移动站,包括:通信站接收移动站反馈的第一权值;所述通信站获取第二权值,根据第一权值和第二权值生成三维波束赋形的权值,采用所述三维波束赋形的权值对待发送的数据进行预处理,将预处理后的数据映射到天线端口,发送给移动站。本发明能够以较低的计算复杂度和资源开销获得了三维波束赋形的权值,从而利用三维波束赋形提高无线通信***的性能。
Description
技术领域
本发明涉及无线通讯领域,尤其涉及一种三维波束赋形的方法、通信站及移动站。
背景技术
波束赋形是一种信号处理技术,它基于自适应天线原理,利用天线阵列通过先进的信号处理算法分别对各天线单元加权处理,使阵列实时对准有用信号方向,而在干扰方向形成零点以抑制干扰信号。从而提高信噪比,提升***性能,增加***的覆盖范围。
传统的波束赋形一般是指二维波束赋形,它只区分水平方位角不一样的移动站,如图1(a)所示,而对于水平方位角一样,垂直俯仰角不同的移动站是不能区分的,如图1(b)所示。三维波束赋形是一种同时考虑水平方位角和垂直俯仰角的一种立体的波束赋形技术,它既能自适应地调整水平方位角度,又能自适应地调整垂直俯仰角度,从而既能区分不同方位角的接收端,也能区分不同俯仰角的接收端。三维波束赋形在垂直覆盖(如图2所示)、垂直方向的干扰抑制(如图3所示)等方面有着二维波束赋形无法比拟的优势,它能更好地满足***无线通信***对覆盖和干扰抑制的要求,是非常值得研究的技术之一。
三维波束赋形权值的获取,是实现三维波束赋形的关键技术之一。权值的准确性和及时性很大程度上影响着三维波束赋形的性能。一般来说,实现三维波束赋形的天线阵列为二维的平面或曲面阵,阵元数目比较多,发送端阵元到接收端阵元间的信道矩阵维数比较大,目前移动站采用基于码本反馈的方法获取权值,需要较大的反馈量,且涉及大矩阵的运算,运算复杂度很高,并且为了估计发送端阵元到接收端阵元间的信道矩阵,需要很大的导频开销。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种三维波束赋形的方法、通信站及移动站,能够降低移动站的运算量及资源开销。
为解决上述技术问题,本发明的一种移动站,包括:第一权值获取模块和第一权值反馈模块,其中:
第一权值获取模块,用于获取第一权值;
第一权值反馈模块,用于向通信站反馈所述第一权值。
进一步地,还包括下行信道测量模块,其中:
所述下行信道测量模块,用于测量下行链路信道,得到下行链路信道估计值H(l);
所述第一权值获取模块,具体用于根据H(l)从预先配置的第一权值的码本集合中选择一预编码矩阵作为所述第一权值。
进一步地,所述移动站为数据卡、手机、笔记本电脑、个人电脑、平板电脑、个人数字助理或蓝牙设备。
进一步地,一种通信站,包括:第二权值获取模块、三维波束赋形权值获取模块和波束赋形模块,其中:
所述第二权值获取模块,用于获取第二权值;
所述三维波束赋形权值获取模块,用于接收移动站反馈的第一权值,根据第一权值和所述第二权值获取模块获取的第二权值生成三维波束赋形的权值;
所述波束赋形模块,用于采用所述三维波束赋形的权值对待发送的数据进行预处理,将预处理后的数据映射到天线端口,发送给移动站。
进一步地,还包括:上行信道测量模块,其中:
所述上行信道测量模块,用于测量上行链路信道,得到上行链路信道估计值;
所述第二权值获取模块,具体用于根据所述上行链路信道估计值估计移动站到通信站的垂直方向的波达角θ,确定第二取值为其中,或d为平面阵列天线中相邻行的天线阵元的距离,λ为无线电波的波长,M为平面天线阵列的行数。
进一步地,所述三维波束赋形权值获取模块,具体用于对第一权值和第二权值进行克罗内克积,将克罗内克积的结果作为所述三维波束赋形的权值。
进一步地,所述通信站为宏基站、微基站、直放站、中继、拉远设备或无线接入点。
进一步地,一种波束赋形的方法,包括:
移动站获取第一权值,并向通信站反馈所述第一权值。
进一步地,移动站获取第一权值,包括:
所述移动站测量下行链路信道,得到下行链路信道估计值H(l),根据H(l)从预先配置的第一权值的码本集合中选择一预编码矩阵作为所述第一权值。
进一步地,向通信站反馈所述第一权值,包括:
所述移动站将所选择的预编码矩阵对应的索引赋值给预编码矩阵索引(PMI),将所述PMI发送给所述通信站。
进一步地,一种三维波束赋形的方法,包括:
通信站接收移动站反馈的第一权值;
所述通信站获取第二权值,根据第一权值和第二权值生成三维波束赋形的权值,采用所述三维波束赋形的权值对待发送的数据进行预处理,将预处理后的数据映射到天线端口,发送给移动站。
进一步地,所述通信站获取第二权值,包括:
所述通信站测量上行链路信道,得到上行链路信道估计值,根据所述上行链路信道估计值估计移动站到通信站的垂直方向的波达角θ,确定第二取值为其中,或d为平面阵列天线中相邻行的天线阵元的距离,λ为无线电波的波长,M为平面天线阵列的行数。
进一步地,所述通信站根据第一权值和第二权值生成三维波束赋形的权值,包括:
所述通信站对第一权值和第二权值进行克罗内克积,将克罗内克积的结果作为所述三维波束赋形的权值。
进一步地,所述通信站周期性获取第二权值,所述移动站周期性获取第一权值,所述移动站获取第一权值的周期小于所述通信站获取第二权值的周期。
进一步地,还包括:
所述通信站在向移动站发送数据时,还向移动站发送导频,所述导频采用小区专用参考信号(CRS),所述通信站对于每一列天线在相同的导频子载波位置上发送相同的导频序列,或者采用第二权值对导频序列进行预处理,并映射到每一列天线相应的导频子载波位置上;或者,
所述导频采用解调参考导频(DMRS)和信道状态信息参考导频(CSI-RS),所述通信站采用三维波束赋形的权值对DMRS进行预处理,并映射到天线端口,采用第二权值对CSI-RS进行预处理,并映射到天线端口。
综上所述,本发明能够以较低的计算复杂度和资源开销获得了三维波束赋形的权值,从而利用三维波束赋形提高无线通信***的性能。
附图说明
图1(a)和图1(b)是传统二维波束赋形的示意图;
图2是用三维波束赋形实现垂直覆盖的示意图;
图3是用三维波束赋形实现垂直方向干扰抑制的示意图;
图4是本实施方式的移动站的架构图;
图5是本实施方式的通信站的架构图;
图6~图7是本实施方式的三维波束赋形的方法的流程图;
图8是本实施方式的***的示意图;
图9是本实施方式的一种平面天线阵列天线索引的示意图;
图10是本实施方式的另一种平面天线阵列天线索引的示意图。
图11是本实施方式的三维波束赋形的方法的流程图;
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。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任意组合。
如图4所示,本实施方式提供一种移动站,包括:
下行信道测量模块41,用于测量下行链路信道,得到下行链路信道估计值H(l);下行链路信道为通信站到移动站方向的无线链路。
第一权值获取模块42,用于根据H(l)从预先配置的第一权值的码本集合中选择一预编码矩阵作为第一权值。
第一权值反馈模块43,用于将第一权值或其对应的索引反馈给通信站。
移动站:数据卡、手机、笔记本电脑、个人电脑、平板电脑、个人数字助理、蓝牙设备等各种无线终端。
如图5所示,本实施方式还提供了一种通信站,包括:
上行信道测量模块51,用于测量上行链路信道,到上行链路信道估计值;上行链路信道为移动站到通信站方向的无线链路。
三维波束赋形权值获取模块53,用于接收移动站反馈的第一权值,根据第一权值和第二权值获取模块52获取的第二权值生成三维波束赋形的权值。
波束赋形模块54,用于采用三维波束赋形的权值对待发送的数据进行预处理,将预处理后的数据映射到天线端口,发送给移动站。
通信站为宏基站、微基站、直放站、中继、拉远设备、无线接入点等各种无线通信设备。
如图6所示,本实施方式的三维波束赋形的方法在移动站侧包括:
步骤601:移动站测量下行链路信道,得到下行链路信道估计值H(l);
下行链路信道包括但不限于下行导频信道、下行控制信道和下行数据信道。
步骤602:移动站根据H(l)从预先配置的第一权值的码本集合中选择一预编码矩阵作为第一权值;
步骤603:移动站向通信站反馈第一权值。
移动站将第一权值反馈给通信站的方法包括但不限于,码本量化反馈的方法,包括:将所选择的预编码矩阵对应的索引赋值给预编码矩阵索引(PMI),将PMI发送给通信站。
如图7所示,本实施方式的三维波束赋形的方法在通信站侧包括:
步骤701:通信站测量上行链路信道,得到上行链路信道估计值;
上行链路信道包括但不限于上行解调参考信号信道、上行测量参考信号信道、上行控制信道和上行业务信道。
步骤702:通信站根据上行链路信道估计值获取第二权值;
通信站根据上行链路信道估计值获取第二权值的方法包括但不限于各类基于波达角估计的波束赋形方法,包括:根据上行链路信道估计值估计移动站到通信站的垂直方向的波达角θ,确定第二取值为其中,或d为平面阵列天线中相邻行的天线阵元的距离,λ为无线电波的波长,M为平面天线阵列的行数。
步骤703:通信站接收移动站反馈的第一权值,根据第一权值和第二权值生成三维波束赋形的权值;
通信站根据第一权值和第二权值生成三维波束赋形的权值的方法包括但不限于,将第一权值和第二权值通过克罗内克乘积生成三维波束赋形的权值。
步骤704:通信站采用三维波束赋形的权值对待发送的数据进行预处理,将预处理后的数据映射到天线端口,发送给移动站。
移动站周期性获取第一权值,通信站周期性获取第二权值,移动站获取第一权值的周期小于通信站获取第二权值的周期。
应用示例:
下面以基于FDD(Frequency Division Duplex,频分双工)的LTE(LongTerm Evolution,长期演进)***为例说明本实施方式的方法。
如图8所示,基站(通信站)上安装了平面天线阵列。如图9所示,本实施例中阵元索引以列为主序排列,即排完一列后再排下一列直到最后一列。在实际应用中也可以以行为主序排列,如图10所示,即排完一行后再排第二行直到最后一行。另外,阵元并不限于排列在平面上,也可以排列在曲面上。
基站共有M行N列天线,用户(移动站)有K根天线。基站为该用户分配的下行资源块的载波索引为l=1,…,ND,上行资源块的载波索引为l=1,…,NU。资源块是一个时频二维结构,在时域上占据一个或多个连续的符号,在频域上占据一个或多个连续的子载波。子载波:资源块上1个符号上的1个子载波。所述符号为正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,OFDM)或者正交频分多址(Orthogonal Frequency DivisionMultiple Access,OFDMA)符号。
基站和用户都保留有一个第一权值的码本集合,秩为r的码本表示为Ci(r),码本是码本集合中的一个元素,为N×r的复数矩阵,它的列与列之间相互正交,列向量的范数为1,i=1,…,Nr,Nr为秩为r的码本个数。码本集合:复数向量和/或复数矩阵的集合,矩阵的列之间正交,且每列的范数为1。码本集合是对信道空间的量化,且移动站和通信站保存的码本集合完全相同。码本集合中的每个复数向量或者矩阵称为预编码矩阵,预编码矩阵在码本集合中对应的索引称为预编码矩阵索引。
在本实施例中上标T表示矩阵或者向量的转置,上标H表示矩阵或者向量的共轭转置。
基站在发送数据时,将待发送的业务数据映射到资源块上,即映射到基站分配给该用户的LTE帧结构中的相应RB(Resource block,资源块)上,导频使用CRS(Cell specific Reference signal,小区专用参考信号)。基站将映射到资源块上的业务数据用三维波束赋形的权值进行预处理,以将数据映射到天线端口。对于CRS的映射,可以将平面天线的每一列阵元看成一个等效的天线,即每一列天线在相同的导频子载波位置上发送相同的导频序列,或者对导频序列用第二权值C2进行预处理,并映射到每一列天线相应的导频子载波位置上。
实际应用中,导频也可以使用解调参考导频(DeModulation Referencesignal,DMRS)和信道状态信息参考导频(Channel state Information Referencesignal,CSI-RS)组合的方式。这时,DMRS导频类似业务数据一样用三维波束赋形的权值进行预处理以映射到天线端口,对CSI-RS的处理类似CRS导频,用第二权值进行预处理以映射到相应的天线端口。
如图11所示,基站和用户通过如下步骤实现三维波束赋形,包括:
步骤1101:用户测量下行链路信道;
用户接收基站发送的业务数据、解调导频和/或测量导频,并用CRS或者CSI-RS导频测量信道,可以采用现有的任一信道估计方法,记估计的下行链路信道估计值为H(l),其元素为hij(l),表示基站第i根等效天线(即第i列天线信道的线性组合)到用户第j根接收天线的信道系数,l=1,…,NDP表示用户资源块上每根等效天线用来放CRS或者CSI-RS导频的子载波索引,NDP为用户资源块上每根等效天线用来放CRS或者CSI-RS导频的子载波的个数。
步骤1102:用户根据下行链路信道获取第一权值;
用户采用下行链路信道估计值H(l),l=1,…,NDP获取第一权值。
例如,可以基于最大容量的方法从码本集合中选择相应的预编码矩阵索引,包括:
基站发送的数据层数为r,那么从码本集合Ci(r),i=1,…,Nr中寻找使得Ci(r)HRCi(r)的绝对值|Ci(r)HRCi(r)|最大的预编码矩阵Ci(r),且将这个预编码矩阵的索引i赋值给预编码矩阵索引PMI。这里,称为信道协方差矩阵。
步骤1103:用户将第一权值反馈给基站;
发送PMI的时间可以为基站指定的任意时刻。
在实际应用中,基站会给用户分配上行资源块,用户在基站分配的上行资源块上发送上行解调导频或者测量导频,并通过上行数据业务信道发送上行数据业务,其中,测量导频有探测导频(Sounding),它可以按基站指示周期性地发送,也可以是非周期性的发送。
步骤1104:基站测量上行链路信道;
基站接收用户发送的上行数据业务,上行探测导频或解调导频,控制信道信息等,并根据上行解调导频或者探测导频测量上行信道。
测量信道的方法可以采用现有的任一信道估计方法,记估计的上行链路信道估计值为HU(l,k,j),是行向量,其元素为hi(l,k,j),表示用户第k根天线到基站的第i行第j列的接收天线的信道系数,l=1,…,NUP表示用户资源块上发送上行探测导频或者解调导频的载波索引,NUP为探测导频或者解调导频的载波个数,k=1,…,K,i=1,…,M,j=1,…,N。
在实际应用中,基站用上行解调导频估计的信道对接收的业务数据信号进行多天线技术合并处理和解调。
步骤1105:基站根据上行链路信道获取第二权值;
第二权值的获取可以基于样本点HU(l,k,j),l=1,…,NUP,k=1,…,K,j=1,…,N估计用户到基站的垂直方向的波达角θ,则第二权值为这里,或者d为平面阵列天线中相邻行的天线阵元的距离,λ为无线电波的波长。
基于样本点HU(l,k,j),l=1,…,NUp,k=1,…,K,j=1,…,N估计波达角的方法有很多种,现有的各类估计波达角的方法都适用。
比如,基于多信号分类的算法(Multiple Signal Classification,MUSIC),过程如下,计算样本点的协方差矩阵:
当然,实际应用当中,为了减小搜索时间,可以采用固定波束的方式,将垂直方向分成几个固定的波束,即将波达方向分成一组离散的值,i=1,…,Nb,这里,Nb为波达方向离散值的个数,取使得或者最大的对应的为第二权值,或者等价地使得最小的对应的为第二权值。
步骤1106:基站将第一权值和第二权值生成三维波束赋形的权值;
基站根据用户反馈的PMI和信道秩r,找到其对应的第一权值C1(r),联合步骤1105中获取的第二权值生成三维波束赋形的权值。如平面天线阵列以列为主序排列,即阵元排完一列后再排下一列直到最后一列,那么最终的三维波束赋形权值为
在实际应用中,存在其它方式或者变形来达到与Kronecker积最终结果相等的效果,但都在本实施方式的保护范围之内。
步骤1107:基站采用三维波束赋形的权值对待发送的数据进行预处理,将预处理后的数据映射到天线端口,发送给移动站。
基站将映射到资源块上的业务数据用三维波束赋形的权值W3D进行预处理,以把数据映射到天线端口,对于CRS的映射,可以将平面天线的每一列阵元看成一个等效的天线,即每一列天线在相同的导频载波位置上发送相同的导频序列,或者对导频序列用第二权值C2进行预处理,把它映射到每一列天线相应的导频子载波位置上。
对于DMRS类似业务数据一样用三维波束赋形权值W3D进行预处理以映射到天线端口,而CSI-RS,用第二权值进行预处理以映射到相应的天线端口。
对映射到天线端口的业务数据和CRS(或者DMRS、CSI-RS),可选地,需要变换到时域;可选地,进行循环延迟分集处理,可选地,进行上变频处理等,然后通过射频单元发送给用户。
基站和用户通过步骤1101~1107实现了三维波束赋形的一次权值获取和业务数据和导频的发送,其中,权值获取可以在一定周期内完成,并不需要每个时刻都更新。如果没有权值更新,在进行步骤1107时,可以利用已获取的权值或者基站默认的权值,或者从已存的权值集合中随机选择权值进行波束赋形处理。
在实际应用中,由于第二权值一般是基于俯仰角计算的,而移动站相对于通信站的俯仰角的改变,比起瞬时信道改变来说要小些,所以第二权值的改变比第一权值的改变要慢些。从而,在权值的更新上,第一权值的获取和第二权值的获取可以不同步,且第一权值的获取周期小于第二权值的获取周期。如果第二权值没有更新,可以选择上一次更新的值进行相关的波束赋形和三维波束赋形权值生成操作。
在实际应用中,可以选择步骤1101~1107中的部分步骤执行。在实际应用中,可以先执行第一权值获取的步骤1101和1102,后执行第二权值获取的步骤1104和1105;也可以先执行第二权值获取的步骤1104和1105,后执行第一权值获取的步骤1101和1102。
本实施例所述的方法同样可以应用到其它的基于FDD的***,如GSM***,CDMA***,WCDMA***,CDMA2000***等。
本实施例的方法,同样适合时分双工的***,如TD-LTE,16e,16m,TD-SCDMA等***。在时分双工的***中,由于上下行信道具有更好的互易性,可获得性能更好地第二权值。如,在步骤1105中,可以基于特征波束赋形的方法获得第二权值,即对协方差矩阵R进行特征值分解,将最大特征值对应的特征向量作为第二权值。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成,所述程序可以存储于计算机可读存储介质中,如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地,上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地,上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
Claims (15)
1.一种移动站,其特征在于,包括:第一权值获取模块和第一权值反馈模块,其中:
第一权值获取模块,用于获取第一权值;
第一权值反馈模块,用于向通信站反馈所述第一权值。
2.如权利要求1所述的移动站,其特征在于,还包括下行信道测量模块,其中:
所述下行信道测量模块,用于测量下行链路信道,得到下行链路信道估计值H(l);
所述第一权值获取模块,具体用于根据H(l)从预先配置的第一权值的码本集合中选择一预编码矩阵作为所述第一权值。
3.如权利要求1所述的移动站,其特征在于,所述移动站为数据卡、手机、笔记本电脑、个人电脑、平板电脑、个人数字助理或蓝牙设备。
4.一种通信站,其特征在于,包括:第二权值获取模块、三维波束赋形权值获取模块和波束赋形模块,其中:
所述第二权值获取模块,用于获取第二权值;
所述三维波束赋形权值获取模块,用于接收移动站反馈的第一权值,根据第一权值和所述第二权值获取模块获取的第二权值生成三维波束赋形的权值;
所述波束赋形模块,用于采用所述三维波束赋形的权值对待发送的数据进行预处理,将预处理后的数据映射到天线端口,发送给移动站。
6.如权利要求4所述的通信站,其特征在于:
所述三维波束赋形权值获取模块,具体用于对第一权值和第二权值进行克罗内克积,将克罗内克积的结果作为所述三维波束赋形的权值。
7.如权利要求4所述的通信站,其特征在于,所述通信站为宏基站、微基站、直放站、中继、拉远设备或无线接入点。
8.一种波束赋形的方法,其特征在于,包括:
移动站获取第一权值,并向通信站反馈所述第一权值。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于,移动站获取第一权值,包括:
所述移动站测量下行链路信道,得到下行链路信道估计值H(l),根据H(l)从预先配置的第一权值的码本集合中选择一预编码矩阵作为所述第一权值。
10.如权利要求9所述的方法,其特征在于,向通信站反馈所述第一权值,包括:
所述移动站将所选择的预编码矩阵对应的索引赋值给预编码矩阵索引(PMI),将所述PMI发送给所述通信站。
11.一种三维波束赋形的方法,其特征在于,包括:
通信站接收移动站反馈的第一权值;
所述通信站获取第二权值,根据第一权值和第二权值生成三维波束赋形的权值,采用所述三维波束赋形的权值对待发送的数据进行预处理,将预处理后的数据映射到天线端口,发送给移动站。
13.如权利要求11所述的方法,其特征在于,所述通信站根据第一权值和第二权值生成三维波束赋形的权值,包括:
所述通信站对第一权值和第二权值进行克罗内克积,将克罗内克积的结果作为所述三维波束赋形的权值。
14.如权利要求11所述的方法,其特征在于:
所述通信站周期性获取第二权值,所述移动站周期性获取第一权值,所述移动站获取第一权值的周期小于所述通信站获取第二权值的周期。
15.如权利要求11所述的方法,其特征在于,还包括:
所述通信站在向移动站发送数据时,还向移动站发送导频,所述导频采用小区专用参考信号(CRS),所述通信站对于每一列天线在相同的导频子载波位置上发送相同的导频序列,或者采用第二权值对导频序列进行预处理,并映射到每一列天线相应的导频子载波位置上;或者,
所述导频采用解调参考导频(DMRS)和信道状态信息参考导频(CSI-RS),所述通信站采用三维波束赋形的权值对DMRS进行预处理,并映射到天线端口,采用第二权值对CSI-RS进行预处理,并映射到天线端口。
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