CN103780291B - 利用三维波束码本进行通信的方法、装置及基站 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种无线通信***中利用三维波束码本进行通信的方法、装置及基站，其中所述方法包括：利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个预编码后的数据；所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L；通过天线阵列发送由所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流，所述天线阵列包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；L≤N×M，且所述L、M和N均为正整数。实施本发明实施例，可实现在三维空间中形成多个指向多个方向的波束。

Description

利用三维波束码本进行通信的方法、装置及基站

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及利用三维波束码本进行通信的方法、装置及基站。

背景技术

在无线通信***的发展中，天线技术是当前无线通信***中最活跃的研究领域之一。当前的主流的无线通信***中都大量使用了多天线技术，蜂窝***有LTE(Long TermEvolution长期演进)***、WiMAX(World interoperability forMicrowave Access全球微波接入互操作)***等，短距离无线通信***有各个版本的WiFi(Wireless Fidelity无线高保真)***。目前正在使用的上述无线通信***中，多天线技术主要是使用发送机与接收机之间的多个发送天线和多个接收天线进行发送和接收处理，即MIMO(Multiple InputMultiple Output多入多出)技术。这些***中使用的MIMO技术，发送站通常是多根线状排列的天线，典型的数目有2根、4根，在LTE***Rel-10(版本10)版本中引入了最多8根天线的配置。即使这样，在当前的民用通信***中，最多也就是8根沿某一水平或垂直方向的线状排列的天线了。

随着天线技术的发展和进步，更多可能的天线数目的阵列天线被引入到发送机上来，尤其是引入到体积相对较大的基站发送机身上来。更多的天线数的面状天线(多排，多列)，如8列4排的面状天线阵。阵列天线引入到发送机上后，发送机由于有更多的发送天线数目，因而具有了更多可用的空间自由度，从而可以实现发送机的主动波束赋形，即具有天线阵列的发送机可以在三维空域上辐射出多个大小范围可控的空间区域。从而为无线通信***新更高的频谱效率方向的演进提供了可能。

上述具有阵列天线的发送机要获得更多发送天线数带来的***增益，其中必须解决三维空间的码本的设计问题。否则无法得到阵列天线在理论上提供的可能的性能增益。

在现有技术中，LTE R8中定义了最多4天线的发送码本的设计方案。这种方案为最多4个发送天线定义了1流，2流和4流的发送码本。这些码本的设计背景主要是SU-MIMO(Single User-MIMO单用户MIMO)，并且其天线结构是ULA(均匀线性阵列Uniform LinearArray)阵的最多4个沿一条直线排列的天线。这种码本显然不能直接用于类似8列4行场景的天线阵列***。尤其是，这些码本主要是用于水平方向上的预编码，不能够实现垂直方向上多仰角的指向，更不能实现三维空间的波束映射。

另一种现有技术的方案中，LTE R10中定义了8天线的基站发送码本。这种码本既适合于MU-MIMO(Multiple User-MIMO多用户MIMO)，也适合于SU-MIMO，其支持的流数分别为：1至8之间的任意数目。同样的，这种码本是为按水平方向排列的最多8天线的基站***设计的，其也不适合在垂直方向上多仰角的指向，也不能实现三维空间的波束映射，更不适合天线数大于8的基站***。

发明内容

本发明实施例提供无线通信***中利用三维波束码本进行通信的方法、装置及基站，可在三维空间中形成能指向多个方向的波束。

本发明第一方面提供一种无线通信***中利用三维波束码本进行通信的方法，可包括：

利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个预编码后的数据，所述三维波束码本矩阵能够用于三维波束空间的预编码；所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L；

通过天线阵列发送由所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流，所述天线阵列包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；L≤N×M，且所述L、M和N均为正整数。

在第一种可能的实现方式中，L＝1，且所述L个数据流形成第k个波束，所述三维波束码本矩阵为：

其中，γ_k为第k个波束的第一向量，为指向第二阵列方向上的空间窄波束，为第k个波束的第二向量，为指向第一阵列方向上的一个空间波束，这里为长度为M的所述第二向量中的各个元素，k为正整数。

在第二种可能的实现方式中，L＝M，且所述L个数据流形成第k个波束，所述三维波束码本矩阵为：

其中，γ_k为第k个波束的第一向量，为指向第二阵列方向的空间窄波束，为第k个波束的第i个第二向量，为指向第一阵列方向上的第i个空间波束，其中为长度为M的所述第二向量的各个元素，i的取值范围为大于等于1且小于等于M的整数，k为正整数。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，或第一方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述第k个波束服务于一个或多个终端。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，或第一方面的第二种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，

其中，β_k是第k个波束在第二阵列方向上使用的波束成形向量，其中β_k，0，到β_k，N-1为β_k向量中的各个元素，j表示一虚数单位，j*j＝-1，d为所述第k个波束在第二阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的间隔，Ω_k为所述第k个波束的主波瓣在第二阵列方向上的空间波束位置。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，或第一方面的第二种可能的实现方式，或第一方面的第三种可能的实现方式，或第一方面的第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，

其中，α_k是第k个波束在第一阵列方向上使用的波束形成向量，其中α_k，0，到α_k，M-1为α_k向量中的各个元素，b为所述第k个波束在第一阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的间隔，ψ_k为所述第k个波束的主波瓣在第一阵列方向上的空间波束位置。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，或第一方面的第二种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，

其中，β_k是第k个波束在第二阵列方向上使用的波束形成向量，其中β_k，0，到β_k，N-1为β_k向量中的各个元素，j表示一虚数单位，j*j＝-1，d_n(n＝0，...，N-1)为所述第k个波束在第二阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的位置，Ω_k为所述第k个波束的在第二阵列方向上的主波瓣空间波束位置。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，或第一方面的第二种可能的实现方式，或第一方面的第六种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，

其中，α_k是第k个波束在第一阵列方向上使用的波束形成向量，其中α_k，0，到α_k，M-1为α_k向量中的各个元素，b_n(n＝0，...，M-1)为所述第k个波束在第一阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的位置，ψ_k为所述第k个波束的在第一阵列方向上的主波瓣空间波束位置。

结合第一方面的第四种可能的实现方式，或第一方面的第六种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，Ω_k＝cos(θ)或者Ω_k＝-cos(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；

或者，Ω_k＝cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝sin(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。

结合第一方面的第五种可能的实现方式，或第一方面的第七种可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，ψ_k＝cos(θ)或者ψ_k＝-cos(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；

或者，ψ_k＝cos(φ)sin(θ)或者ψ_k＝-cos(φ)sin(θ)或者ψ_k＝sin(φ)sin(θ)或者ψ_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。

结合第一方面的第四种可能的实现方式，或第一方面的第六种可能的实现方式，或第一方面的第八种可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，Ω_k＝kΩ₀，其中，所述Ω₀是第一个波束成形向量β₀所对应的半波束宽度。

结合第一方面的第五种可能的实现方式，或第一方面的第七种可能的实现方式，或第一方面的第九种可能的实现方式，在第十一种可能的实现方式中，ψ_k＝kψ₀，其中，所述ψ₀是第一个波束成形向量α₀所对应的半波束宽度。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，或第一方面的第二种可能的实现方式，或第一方面的第三种可能的实现方式，或第一方面的第四种可能的实现方式，或第一方面的第五种可能的实现方式，或第一方面的第六种可能的实现方式，或第一方面的第七种可能的实现方式，或第一方面的第八种可能的实现方式，或第一方面的第九种可能的实现方式，或第一方面的第十种可能的实现方式，或第一方面的第十一种可能的实现方式，在第十二种可能的实现方式中，所述第一向量与第二向量中的至少一项为：长期演进***LTE的第八版本中的4天线发送码本、或LTE的第十版本中的8天线发送码本。

结合第一方面，在第十三种可能的实现方式中，其特征在于，L＝v，所述L个数据流形成K个波束，所述三维波束码本矩阵为：

其中，K为正整数，为第n1个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₁列的波束码本，为第n2个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₂列的波束码本，为第K个波束的波束码本矩阵中选出的具有v_k列的波束码本，n1和n2均为小于K的正整数，K为不大于N的正整数，v_i为不大于M的正整数。

结合第一方面，在第十四种可能的实现方式中，L＝v，所述L个数据流形成K个波束，所述三维波束码本矩阵为：

其中，K为正整数，ρ_x(x＝n1，n2，......，K)为波束的功率分配因子，为第n1个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₁列的波束码本，为第n2个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₂列的波束码本，为第K个波束的波束码本矩阵中选出的具有v_k列的波束码本，n1和n2均为小于K的正整数，K为不大于N的正整数，v_i为不大于M的正整数。

结合第一方面的第十三种可能的实现方式，或第一方面的第十四种可能的实现方式，在第十五种可能的实现方式中，所述K个波束分别服务于多个终端。

结合第一方面的第十三种可能的实现方式，或第一方面的第十四种可能的实现方式，或第一方面的第十五种可能的实现方式，在第十六种可能的实现方式中，所述K个波束有相同或不同的功率。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，或第一方面的第二种可能的实现方式，或第一方面的第三种可能的实现方式，或第一方面的第四种可能的实现方式，或第一方面的第五种可能的实现方式，或第一方面的第六种可能的实现方式，或第一方面的第七种可能的实现方式，或第一方面的第八种可能的实现方式，或第一方面的第九种可能的实现方式，或第一方面的第十种可能的实现方式，或第一方面的第十一种可能的实现方式，或第一方面的第十二种可能的实现方式，或第一方面的第十三种可能的实现方式，或第一方面的第十四种可能的实现方式，或第一方面的第十五种可能的实现方式，或第一方面的第十六种可能的实现方式，在第十七种可能的实现方式中，在所述通过所述天线阵列发送由所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流的步骤之前，还包括：

将所述由N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流按照先第一阵列方向后第二阵列方向的顺序映射到所述天线阵列上。

本发明第二方面提供一种无线通信***中利用三维波束码本进行通信的装置，可包括：

预编码模块，用于利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个预编码后的数据，所述三维波束码本矩阵能够用于三维波束空间的预编码；所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L；

发送模块，与所述预编码模块连接，用于通过天线阵列发送由所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流，所述天线阵列包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；L≤N×M，且所述L、M和N均为正整数。

在第一种可能的实现方式中，L＝1，且所述L个数据流形成第k个波束，所述三维波束码本矩阵为：

其中，γ_k为第k个波束的第一向量，为指向第二阵列方向上的空间窄波束，为第k个波束的第二向量，为指向第一阵列方向上的一个空间波束，这里为长度为M的所述第二向量中的各个元素，k为正整数。

在第二种可能的实现方式中，L＝M，且所述L个数据流形成第k个波束，所述三维波束码本矩阵为：

其中，γ_k为第k个波束的第一向量，为指向第二阵列方向的空间窄波束，为第k个波束的第i个第二向量，为指向第一阵列方向上的第i个空间波束，其中为长度为M的所述第二向量的各个元素，i的取值范围为大于等于1且小于等于M的整数，k为正整数。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，结合第二方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述第k个波束服务于一个或多个终端。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，或第一方面的第二种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，

其中，β_k是第k个波束在第二阵列方向上使用的波束形成向量，其中β_k，0，到β_k，N-1为β_k向量中的各个元素，j表示一虚数单位，j*j＝-1，d为所述第k个波束在第二阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的间隔，Ω_k为所述第k个波束的主波瓣在第二阵列方向上的空间波束位置。

结合第二方面的第二种可能的实现方式，或第二方面的第三种可能的实现方式，或第二方面的第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，

其中，，α_k是第k个波束在第一阵列方向上使用的波束形成向量，其中α_k，0，到α_k，M-1为α_k向量中的各个元素，b为所述第k个波束在第一阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的间隔，ψ_k为所述第k个波束的主波瓣在第一阵列方向上的空间波束位置。

结合第二方面的第二种可能的实现方式，或第二方面的第三种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，

其中，β_k是第k个波束在第二阵列方向上使用的波束形成向量，其中β_k，0，到β_k，N-1为β_k向量中的各个元素，j表示一虚数单位，j*j＝-1，d_n(n＝0，...，N-1)为所述第k个波束在第二阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的位置，Ω_k为所述第k个波束的在第二阵列方向上的主波瓣空间波束位置。

结合第二方面的第二种可能的实现方式，或第二方面的第三种可能的实现方式，或第二方面的第六种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，

其中，α_k是第k个波束在第一阵列方向上使用的波束形成向量，其中α_k，0，到α_k，M-1为α_k向量中的各个元素，b_n(n＝0，...，M-1)为所述第k个波束在第一阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的位置，ψ_k为所述第k个波束的在第一阵列方向上的主波瓣空间波束位置。

结合第二方面的第四种可能的实现方式，或第二方面的第六种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，Ω_k＝cos(θ)或者Ω_k＝-cos(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；

或者，Ω_k＝cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝sin(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。

结合第二方面的第五种可能的实现方式，或第二方面的第七种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，ψ_k＝cos(θ)或者ψ_k＝-cos(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；

或者，ψ_k＝cos(φ)sin(θ)或者ψ_k＝-cos(φ)sin(θ)或者ψ_k＝sin(φ)sin(θ)或者ψ_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。

结合第二方面的第四种可能的实现方式，或第二方面的第六种可能的实现方式，或第二方面的第八种可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，Ω_k＝kΩ₀，其中，所述Ω₀是第一个波束成形向量β₀所对应的半波束宽度。

结合第二方面的第五种可能的实现方式，或第二方面的第七种可能的实现方式，或第二方面的第九种可能的实现方式，在第十一种可能的实现方式中，ψ_k＝kψ₀，其中，所述ψ₀是第一个波束成形向量α₀所对应的半波束宽度。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，或第二方面的第二种可能的实现方式，或第二方面的第三种可能的实现方式，或第二方面的第四种可能的实现方式，或第二方面的第五种可能的实现方式，或第二方面的第六种可能的实现方式，或第二方面的第七种可能的实现方式，或第二方面的第八种可能的实现方式，或第二方面的第九种可能的实现方式，或第二方面的第十种可能的实现方式，或第二方面的第十一种可能的实现方式，在第十二种可能的实现方式中，所述第一向量与第二向量中的至少一项为：长期演进***LTE的第八版本中的4天线发送码本、或LTE的第十版本中的8天线发送码本。

结合第二方面，在第十三种可能的实现方式中，其特征在于，L＝v，所述L个数据流形成K个波束，所述三维波束码本矩阵为：

其中，K为正整数，为第n1个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₁列的波束码本，为第n2个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₂列的波束码本，为第K个波束的波束码本矩阵中选出的具有v_k列的波束码本，n1和n2均为小于K的正整数，K为不大于N的正整数，v_i为不大于M的正整数。

结合第二方面，在第十四种可能的实现方式中，L＝v，所述L个数据流形成K个波束，所述三维波束码本矩阵为：

其中，K为正整数，ρ_x(x＝n1，n2，......，K)为波束的功率分配因子，为第n1个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₁列的波束码本，为第n2个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₂列的波束码本，为第K个波束的波束码本矩阵中选出的具有v_k列的波束码本，n1和n2均为小于K的正整数，K为不大于N的正整数，v_i为不大于M的正整数。

结合第二方面的第十三种可能的实现方式，或第二方面的第十四种可能的实现方式，在第十五种可能的实现方式中，所述K个波束分别服务于多个终端。

结合第二方面的第十三种可能的实现方式，或第二方面的第十四种可能的实现方式，或第二方面的第十五种可能的实现方式，在第十六种可能的实现方式中，所述K个波束有相同或不同的功率。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，或第二方面的第二种可能的实现方式，或第二方面的第三种可能的实现方式，或第二方面的第四种可能的实现方式，或第二方面的第五种可能的实现方式，或第二方面的第六种可能的实现方式，或第二方面的第七种可能的实现方式，或第二方面的第八种可能的实现方式，或第二方面的第九种可能的实现方式，或第二方面的第十种可能的实现方式，或第二方面的第十一种可能的实现方式，或第二方面的第十二种可能的实现方式，或第二方面的第十三种可能的实现方式，或第二方面的第十四种可能的实现方式，或第二方面的第十五种可能的实现方式，或第二方面的第十六种可能的实现方式，在第十七种可能的实现方式中，还包括：

映射模块，用于将N×M个预编码后的数据对应的L个数据流按照先第一阵列方向后第二阵列方向的顺序映射到所述天线阵列上。

本发明第三方面提供一种基站，可包括：无线调制解调器和与无线调制解调器耦合连接的天线阵列；

其中，所述天线阵列包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；所述M和N均为正整数；

所述无线调制解调器，用于利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个数据流，并将N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流映射到天线阵列上；所述三维波束码本矩阵能够用于三维波束空间的预编码，所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L，L≤N×M且为正整数；

所述天线阵列，用于发送所述L个新数据流中的至少一个数据流。

在第一种可能的实现方式中，所述无线调制解调器具体用于：利用三维波束码本矩阵对L个信号进行预编码处理以生成N×M个数据流，并按照先第一阵列方向后第二阵列方向的顺序将N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流映射到所述天线阵列上。

由上可见，在本发明的一些可行的实施方式中，利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个预编码后的数据，所述三维波束码本矩阵能够用于三维波束空间的预编码；所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L；通过天线阵列发送由所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流，所述天线阵列包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；L≤N×M，且所述L、M和N均为正整数。

附图说明

图1为本发明实施例的无线通信***中利用三维波束码本进行通信的方法的流程示意图；

图2.1为本发明实施例的仰角和方位角方向上各2流的三维码本生成的窄波束方向图的立体图；

图2.2为本发明实施例的仰角和方位角方向上各2流的三维码本生成的窄波束投影图；

图3.1为本发明实施例的仰角在3个不同方向，方位角在全向上的波束的方向图的立体图；

图3.2为本发明实施例的仰角在3个不同方向，方位角在全向上的波束的投影图；

图3.3示出了本发明的三维波束码本矩阵实现的窄波束指向空间仰角方向上不同位置上的用户(UE)的波束示意图；

图3.4示出了本发明的三维波束码本矩阵实现的窄波束指向空间方位角方向上不同位置上的用户的波束示意图；

图3.5示出了本发明的三维波束码本矩阵实现的窄波束指向空间不同高度位置上的用户的波束示意图；

图4为本发明实施例的无线通信***中利用三维波束码本进行通信装置的结构组成示意图；

图5为本发明实施例的基站的一种结构示意图。

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，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

具体实现中，根据天线阵列的排布，本发明的天线阵列通常可包括两个方向，通常可称该两个方向为第一阵列方向和第二阵列方向，比如，当用水平和垂直两个概念来代表天线阵列的方向时，所述第一阵列方向可为水平方向或者垂直方向，所述第二阵列方向也可为水平或者垂直方向(需要注意的是，当第一阵列方向为水平方向时，所述第二阵列方向则为垂直方向，反之亦然)。再如，当用行和列两个概念来代表天线阵列的方向时，所述第一阵列方向可为行方向或者列方向，所述第二阵列方向也可为行方向或者列方向(需要注意的是，当第一阵列方向为行方向时，所述第二阵列方向则为列方向，反之亦然)。再如，当用仰角方向和方位角方向两个概念来代表天线阵列的方向时，所述第一阵列方向可为仰角方向或者方位角方向，所述第二阵列方向也可为仰角方向或者方位角方向(需要注意的是，当第一阵列方向为仰角方向时，所述第二阵列方向则为方位角方向，反之亦然)。除此之外，天线阵列的方向名称可由用户自行定义，只要能区分天线阵列的排布即可。比如，所述天线阵列可包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；L≤N×M，且所述L、M和N均为正整数。

图1为本发明实施例的无线通信***中利用三维波束码本进行通信的方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例的方法可包括：

步骤S110，利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个预编码后的数据，具体实现中，所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L。所述三维波束码本矩阵能够用于三维波束空间的预编码。

步骤S111，通过天线阵列发送由所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流。N×M个预编码后的数据可以映射到为L个部分成为L个新数据流中。其中，一个编码后的数据可以映射为一个流，也可以将多个编码后的数据映射为一个流，因此数据流的数量小于等于所述编码后的数据的个数。

在本发明实施例中，天线阵列可以发送映射后的L个新数据流，也可以选择性地发射其中的部分数据流。

在一些可行的实施方式中，L＝1，且所述L个数据流形成第k个波束，所述三维波束码本矩阵为：

式(0)

其中，γ_k为第k个波束的第一向量，为指向第二阵列方向上的空间窄波束，为第k个波束的第二向量，为指向第一阵列方向上的一个空间波束，这里为长度为M的所述第二向量中的各个元素，k为正整数。

在一些可行的实施方式中，L＝M，且所述L个数据流形成第k个波束，所述三维波束码本矩阵可为：

式(1)

其中，γ_k为第k个波束的第一向量，为指向第二阵列方向的空间窄波束，为第k个波束的第i个第二向量，为指向第一阵列方向上的第i个空间波束，其中为长度为M的所述第二向量的各个元素，i的取值范围为大于等于1且小于等于M的整数，k为正整数。

在一些可行的实施方式中，所述第k个波束服务于一个或多个终端。在一些可行的实施方式中，可通过将γ_k分别与每个相乘形成一列的列元素的方式形成式(1)所述的三维波束码本矩阵，当L和i取值为1时，就能得到式(0)。具体实现中，当需要发送的数据流数小于L时，可从式(1)中提取相应流数的列对数据流进行预编码。比如，如表1所示，一个8x4(其中，8代表天线阵列在列方向的天线阵元数，4代表天线阵列在行方向的天线阵元数)天线阵列对应的码本包括：

表1：8x4天线阵列第k个波束对应的码本

其中，k的取值范围是[0，K-1]，其中K为整数，取值范围为不大于N的正整数，其中是从码本矩阵中选出其中的j个列。此处，m的涵义是表示具体实现中，的选择可能有m种可能(即v^{1}、v^{2}...v^{M}都有m种可能)，而其中的第m个对应的三维波束码本矩阵为

需要说明的是，本发明实施例所指的数据流，是指数据在同一时频资源上占用不同空间维度的资源，其英文描述是流(stream)者层(layer)。通常说发送多流时，是指在同一时频资源上并行发送多个相互独立的数据，这些相互独立的数据个数称为流数或层数。

在一些可行的实施方式中，当阵列天线为均匀直线阵时，

式(2)

其中，β_k是第k个波束在第二阵列方向上使用的波束形成向量，其中β_k，0，到β_k，N-1为β_k向量中的各个元素，j表示一虚数单位，j*j＝-1，d为所述第k个波束在第二阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的间隔，如d＝1/2表示天线阵元之间的间隔为1/2个波长，Ω_k为所述第k个波束的主波瓣在第二阵列方向上的空间波束位置，“*”在本实施例及后续实施例均表示相乘。

具体实现中，为了保证式(2)中的γ_k产生的每个方向波束间正交或低干扰，则要求不同的β_k间产生的方向图的主波束间隔一定的距离。

在一些可行的实施方式中，当阵列天线为均匀直线阵时，

式(3)

其中，α_k是第k个波束在第一阵列方向上使用的波束形成向量，其中α_k，0，到α_k，M-1为α_k向量中的各个元素，b为所述第k个波束在第一阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的间隔，ψ_k为所述第k个波束的主波瓣在第一阵列方向上的空间波束位置。

具体实现中，为了保证vⁱ产生的每个方向波束间正交或低干扰，则要求不同的α_k间产生的方向图的主波束间隔一定的距离。

在一些可行的实施方式中，当阵列天线为非均匀直线天线阵，

式(4)

其中，β_k是第k个波束在第二阵列方向上使用的波束形成向量，其中β_k，0，到β_k，N-1为β_k向量中的各个元素，j表示一虚数单位，j*j＝-1，d_n(n＝0，...，N-1)为所述第k个波束在第二阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的位置，Ω_k为所述第k个波束的在第二阵列方向上的主波瓣空间波束位置。

为便于理解γ_k的具体生成方式，可记录

相应的，所述阵列天线为非均匀直线天线阵，所述根据天线阵列的阵元排布，生成第二向量，包括：根据式(5)

式(5)

α_k是第k个波束在第一阵列方向上使用的波束形成向量，其中α_k，0，到α_k，M-1为α_k向量中的各个元素，b_n(n＝0，...，M-1)为所述第k个波束在第一阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的位置，ψ_k为所述第k个波束的在第一阵列方向上的主波瓣空间波束位置。

为便于理解vⁱ的具体生成方式，可记录

具体实现中，式(2)或式(4)中的Ω_k可根据式Ω_k＝cos(θ)或者Ω_k＝-cos(θ)计算，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；比如，当第一阵列方向为列方向或者仰角方向时，所述θ为天线阵列的仰角。或者，所述Ω_k可根据Ω_k＝cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝sin(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-sin(φ)sin(θ)计算，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。比如，当第一阵列方向为列方向或者仰角方向，第二阵列方向为行方向或者水平方向时，对于对水平角方向x轴：Ω_k＝cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-cos(φ)sin(θ)；对水平角方向y轴：Ω_k＝sin(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的仰角，所述φ为天线阵列的方位角。或者，所述Ω_k根据Ω_k＝kΩ₀计算，其中，所述Ω₀是第一个波束成形向量β₀所对应的半波束宽度，所述Ω₀通过方向图综合法计算得到。比如，Ω₀可通过woodward方向图综合法、契比雪夫综合法或者泰勒综合法中任一种计算得到。比如，当通过woodward方向图综合法计算Ω₀时，当d＝0.5，旁瓣功率比SLR＝13dB时，

β_k＝[1，1，...，1]^T，其对应的矩阵为

则对这个波束成形向量矩阵，半波束宽度Ω₀(波束零点间隔)Ω₀＝λ/L＝1/(Nd)为在波束正交时的间隔值为。对d＝0.5时，L＝N/2，即Ω₀＝1/(Nd)＝2/N。则

式(6)

所以总共可用的向量U_k的数量为N＝8，d＝1/2时K＝8。

同样的，当通过契比雪夫综合法或者泰勒综合法计算出Ω₀后，仍然采用式(6)计算Ω_k和U_k，在此不进行赘述。

具体实现中，式(3)或式(5)中的ψ_k可根据ψ_k＝cos(θ)或者ψ_k＝-cos(θ)计算，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；比如，当第一阵列方向为列方向或者仰角方向时，所述θ为天线阵列的仰角。或者，所述ψ_k可根据ψ_k＝cos(φ)sin(θ)或者ψ_k＝-cos(φ)sin(θ)或者ψ_k＝sin(φ)sin(θ)或者ψ_k＝-sin(φ)sin(θ)计算，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。比如，当第一阵列方向为列方向或者仰角方向，第二阵列方向为行方向或者水平方向时，对于对水平角方向x轴：ψ_k＝cos(φ)sin(θ)或者ψ_k＝-cos(φ)sin(θ)；对水平角方向y轴：ψ_k＝sin(φ)sin(θ)或者ψ_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的仰角，所述φ为天线阵列的方位角。或者，所述ψ_k根据ψ_k＝kψ₀计算，其中，所述ψ₀是第一个波束成形向量α₀所对应的半波束宽度，所述ψ₀通过方向图综合法计算得到。比如，ψ₀可通过woodward方向图综合法、契比雪夫综合法或者泰勒综合法中任一种计算得到。ψ₀的计算方式与Ω₀的计算方式原理相同，在此不进行赘述。

在一些可行的实施方式中，为了使本发明实施例的码本能够应用于现有的无线通信***中(可称之为：后向兼容)，式(1)中的第一向量γ_k或者第二向量vⁱ可为长期演进***(LTE，Long Term Evolution)的第八版本(LTE R8)中的4天线发送码本。或者为长期演进***(LTE，Long Term Evolution)的第十版本(LTE R10)中的8天线发送码本。或者为其他现有技术中已经存在的码本。并且，当多天线数大于4且小于8或者大于8时，可以考虑将多列天线合并成一列天线然后使用同一列的码本。

在3GPP TS36.211的LTE Rel-8中定义了4发的码本，如下表2所示：

表2：LTE Rel-8中定义的4发码本

^■Table 6.3.4.2.3-2：Codebookfortransmission on antenna ports{0，1，2，3}and for CSI reporting based onantenna ports{0，1，2，3}or{15，16，17，18}.

其中为householder变换(豪斯霍尔德变换)。也就是说，LTE中4发的用于4天线的码本矩阵共有16个，每个分别可以支持4流。即在考虑与LTE***后向兼容时，式(1)中的为取上表中对应的各列。当按上表2所述来取时，按本发明实施例的式(1)生成的码本即可以实现与LTE R8的后向兼容。

另外，如果要实现与LTE R10的8个发射天线的码本的后向兼容，同样可以使用LTER10中的8个天线发射的码本，如表3和表4所示。

表3：LTE R10中8个天线发射时的码本个数(参考3GPP TS36.213)

表4：Nx4天线阵列的单个波束对应的最大L流码本生成方法

只是一个波束对应中的m值可以取0-15中的任何一项，即，按上表4，每个波束共有16种的取法。

具体实现中，通过在天线阵列的第一阵列方向或者第二阵列方向上加式(2)-(5)中所述的向量，而在另一阵列方向上加现有技术中的天线码本，即可实现本发明实施例与现有***的完全兼容，使得现有技术中的用户设备可以直接接入到本发明实施例的波束***中，并按原有的方式进行解调和反馈，用户设备的行为不受任何影响。

具体实现中，当天线***有多个波束需要同时发送时，需要利用可对多个波束进行编码的三维波束码本矩阵。比如，L个数据流形成K个波束，且所述K个波束的功率相同，此时，假设L＝v。所需的三维波束码本矩阵为：

式(7)

其中，为总共K个波束的码本矩阵，K为正整数，为第n1个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₁列的波束码本，为第n2个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₂列的波束码本，为第K个波束的波束码本矩阵中选出的具有v_k列的波束码本，n1和n2为小于K的正整数，K为不大于N的正整数，v_i为不大于M的正整数。

相应的，在一些可行的实施方式中，L个数据流形成K个波束，且所述K个波束的功率不相同，此时，假设L＝v。所需的三维波束码本矩阵为：

式(8)

其中，为总共K个波束的码本矩阵，K为正整数，ρ_x(x＝n1，n2，......，K)为波束的功率分配因子，为第n1个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₁列的波束码本，为第n2个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₂列的波束码本，为第K个波束的波束码本矩阵中选出的具有v_k列的波束码本，n1和n2均为小于K的正整数，K为不大于N的正整数，v_i为不大于M的正整数。

作为实施例的一种特例，当要求总功率不变时，则所有的功率分配归子的总和为1，即

由上可见，在本发明实施例的一些可行的实施方式中，利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个预编码后的数据；所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L；通过天线阵列发送由所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流，所述天线阵列包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；L≤N×M，且所述L、M和N均为正整数。由此可实现在三维空间中形成能指向多个方向的波束，能实现三维空间的波束映射。并且通过本发明实施例的三维码本所形成的波束在空间的指向位置可以通过选用不同的码本来实现，这样使用本发明实施例的三维码本进行无线通信时，波束生成设备(比如，基站)能够与相同时频资源上处于不同三维角度区域的一个或者多个用户进行通信。比如，图2.1和图2.2示出了仰角和方位角方向上2流的三维码本生成的窄波束方向图的立体图和投影图的立体图。如图2.1和图2.2可知，当作为天线阵列方向的列与行的方向都使用具有较窄波束宽度的预编码向量时，采用本发明实施例的三维波束码本在水平仰角方向上也指向多个不同的方位角方向，此时，无论在仰角方向还是方位角方向上，波束生成设备的发射机都通过三维码本在三维空间的较窄区域上实现对多用户的较窄波束的通信。再如，图3.1和图3.2示出了仰角在3个不同方向，水平方位角为全向的方向图的立体图和投影图的立体图。如图3.1和图3.2可知，采用本发明实施例的三维波束码本可在不同的仰角波束指向不同的仰角方向，然后在水平方位角方向上可以产生很宽的波束，此时在水平方位角方向上可以做SU-MIMO(单用户多输入多输出)或MU-MIMO(多用户多输入多输出)。图3.3示出了本发明的三维波束码本矩阵实现的窄波束指向空间仰角方向上不同位置上的用户(UE)的波束示意图，如图3.3，采用本发明的三维波束码本预编码处理后通过天线阵列发射了3个不同的波束，分别指向处于不同仰角方向上的三个用户UE1、UE2和UE3。图3.4示出了采用本发明的三维波束码本矩阵实现的窄波束指向空间方位角方向上不同位置上的用户的波束示意图。如图3.4，采用本发明的三维波束码本预编码处理后通过天线阵列发射了3个不同的波束，分别指向处于不同方位方向上的三个用户UE1、UE2和UE3。图3.5示出了本发明的三维波束码本矩阵实现的窄波束指向空间不同高度位置上的用户的波束示意图。如图3.5，采用本发明的三维波束码本预编码处理后通过天线阵列发射了3个不同的波束，分别指向处于不同空间高度位置上的三个用户UE1、UE2和UE3。

在一些可行的实施方式中，可先生成第一向量γ_k，后生成第二向量vⁱ，由此，当通过本发明实施例的三维波束码本矩阵将数据流映射到天线上时，同样可采用先第一阵列方向后第二阵列方向的顺序通过本发明实施例的三维波束码本矩阵中的码本对所述多流数据流进行预编码操作，并将预编码后的多流数据流按所述先第一阵列方向后第二阵列方向的顺序映射到对应天线阵列的阵元上进行发送。比如，当第一向量γ_k为列方向的向量，vⁱ为行方向的向量时，在进行数据映射时，同样采用先列后行的顺序映射到天线阵列上。当第一向量γ_k为行方向的向量，vⁱ为列方向的向量时，在进行数据映射时，同样采用先行后列的顺序映射到天线阵列上。

具体实现中，本发明实施例还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，给程序执行时可包括本发明实施例提供的无线通信***中利用三维波束码本进行通信的方法的各实施例中的部分或全部步骤。

为更好实施本发明的方法实施例的各方案，本发明实施例还提供了相关装置。

图4为本发明的可用于实施本发明的方法实施例的无线通信***中利用三维波束码本进行通信的装置的一实施例的结构组成示意图。如图4所示，本发明实施例的无线通信***中利用三维波束码本进行通信的装置4可包括预编码模块41和发送模块42，其中：

预编码模块41，用于利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个预编码后的数据，具体实现中，所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L。所述三维波束码本矩阵能够用于三维波束空间的预编码。

发送模块42，用于通过天线阵列发送所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流，所述天线阵列包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；L≤N×M，且所述L、M和N均为正整数。

具体实现中，根据天线阵列的排布，一个天线阵列通常可包括两个方向，通常可称该两个方向为第一阵列方向和第二阵列方向，比如，当用水平和垂直两个概念来代表天线阵列的方向时，所述第一阵列方向可为水平方向或者垂直方向，所述第二阵列方向也可为水平或者垂直方向(需要注意的是，当第一阵列方向为水平方向时，所述第二阵列方向则为垂直方向，反之亦然)。再如，当用行和列两个概念来代表天线阵列的方向时，所述第一阵列方向可为行方向或者列方向，所述第二阵列方向也可为行方向或者列方向(需要注意的是，当第一阵列方向为行方向时，所述第二阵列方向则为列方向，反之亦然)。再如，当用仰角方向和方位角方向两个概念来代表天线阵列的方向时，所述第一阵列方向可为仰角方向或者方位角方向，所述第二阵列方向也可为仰角方向或者方位角方向(需要注意的是，当第一阵列方向为仰角方向时，所述第二阵列方向则为方位角方向，反之亦然)。除此之外，天线阵列的方向名称可由用户自行定义，只要能区分天线阵列的排布即可。比如，所述天线阵列可包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；L≤N×M，且所述L、M和N均为正整数。

在一些可行的实施方式中，L＝1，且所述L个数据流形成第k个波束，所述预编码模块41中所使用的三维波束码本矩阵可为：

式(0)

其中，γ_k为第k个波束的第一向量，为指向第二阵列方向上的空间窄波束，为第k个波束的第二向量，为指向第一阵列方向上的一个空间波束，这里为长度为M的所述第二向量中的各个元素，k为正整数。

在一些可行的实施方式中，L＝M，且所述L个数据流形成第k个波束，所述预编码模块41中所使用的三维波束码本矩阵可为：

式(1)

其中，γ_k为第k个波束的第一向量，为指向第二阵列方向的空间窄波束，为第k个波束的第i个第二向量，为指向第一阵列方向上的第i个空间波束，其中为长度为M的所述第二向量的各个元素，i的取值范围为大于等于1且小于等于M的整数，k为正整数。

在一些可行的实施方式中，可通过将γ_k分别与每个相乘形成一列的列元素的方式形成式(1)所述的三维波束码本矩阵。当L和i取值为1时，就能得到式(0)。具体实现中，当需要发送的数据流数小于L时，可从式(1)中提取相应流数的列对数据流进行预编码。比如，如表1所示，一个8x4(其中，8代表天线阵列在列方向的天线阵元数，4代表天线阵列在行方向的天线阵元数)天线阵列对应的码本包括：

表1：8x4天线阵列第k个波束对应的码本

其中，k的取值范围是[0，K-1]，其中K为整数，取值范围为不大于N的正整数，其中是从码本矩阵中选出其中的j个列。此处，m的涵义是表示具体实现中，的选择可能有m种可能(即v^{1}、v^{2}...v^{M}都有m种可能)，而其中的第m个对应的三维波束码本矩阵为

需要说明的是，本发明实施例所指的数据流，是指数据在同一时频资源上占用不同空间维度的资源，其英文描述是流(stream)者层(layer)。通常说发送多流时，是指在同一时频资源上并行发送多个相互独立的数据，这些相互独立的数据个数称为流数或层数。

在一些可行的实施方式中，当阵列天线为均匀直线阵时，

式(2)

其中，β_k是第k个波束在第二阵列方向上使用的波束形成向量，其中β_k，0，到β_k，N-1为β_k向量中的各个元素，j表示一虚数单位，j*j＝-1，d为所述第k个波束在第二阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的间隔，如d＝1/2表示天线阵元之间的间隔为1/2个波长，Ω_k为所述第k个波束的主波瓣在第二阵列方向上的空间波束位置。

具体实现中，为了保证式(2)中的γ_k产生的每个方向波束间正交或低干扰，则要求不同的β_k间产生的方向图的主波束间隔一定的距离。

在一些可行的实施方式中，当阵列天线为均匀直线阵时，

式(3)

其中，α_k是第k个波束在第一阵列方向上使用的波束形成向量，其中α_k，0，到α_k，M-1为α_k向量中的各个元素，b为所述第k个波束在第一阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的间隔，ψ_k为所述第k个波束的主波瓣在第一阵列方向上的空间波束位置。

具体实现中，为了保证vⁱ产生的每个方向波束间正交或低干扰，则要求不同的α_k间产生的方向图的主波束间隔一定的距离。

在一些可行的实施方式中，当阵列天线为非均匀直线天线阵，

式(4)

其中，β_k是第k个波束在第二阵列方向上使用的波束形成向量，其中β_k，0，到β_k，N-1为β_k向量中的各个元素，j表示一虚数单位，j*j＝-1，d_n(n＝0，...，N-1)为所述第k个波束在第二阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的位置，Ω_k为所述第k个波束的在第二阵列方向上的主波瓣空间波束位置。

为便于理解γ_k的具体生成方式，可记录

相应的，所述阵列天线为非均匀直线天线阵，所述根据天线阵列的阵元排布，生成第二向量，包括：根据式(5)

式(5)

α_k是第k个波束在第一阵列方向上使用的波束形成向量，其中α_k，0，到α_k，M-1为α_k向量中的各个元素，b_n(n＝0，...，M-1)为所述第k个波束在第一阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的位置，ψ_k为所述第k个波束的在第一阵列方向上的主波瓣空间波束位置。

为便于理解vⁱ的具体生成方式，可记录

具体实现中，式(2)或式(4)中的Ω_k可根据式Ω_k＝cos(θ)或者Ω_k＝-cos(θ)计算，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；比如，当第一阵列方向为列方向或者仰角方向时，所述θ为天线阵列的仰角。或者，所述Ω_k可根据Ω_k＝cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝sin(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-sin(φ)sin(θ)计算，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。比如，当第一阵列方向为列方向或者仰角方向，第二阵列方向为行方向或者水平方向时，对于对水平角方向x轴：Ω_k＝cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-cos(φ)sin(θ)；对水平角方向y轴：Ω_k＝sin(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的仰角，所述φ为天线阵列的方位角。或者，所述Ω_k根据Ω_k＝kΩ₀计算，其中，所述Ω₀是第一个波束成形向量β₀所对应的半波束宽度，所述Ω₀通过方向图综合法计算得到。比如，Ω₀可通过woodward方向图综合法、契比雪夫综合法或者泰勒综合法中任一种计算得到。比如，当通过woodward方向图综合法计算Ω₀时，当d＝0.5，旁瓣功率比SLR＝13dB时，β_k＝[1，1，...，1]^T，其对应的矩阵为

则对这个波束成形向量矩阵，半波束宽度Ω₀(波束零点间隔)Ω₀＝λ/L＝1/(Nd)为在波束正交时的间隔值为。对d＝0.5时，L＝N/2，即Ω₀＝1/(Nd)＝2/N。则

式(6)

所以总共可用的向量U_k的数量为N＝8，d＝1/2时K＝8。

同样的，当通过契比雪夫综合法或者泰勒综合法计算出Ω₀后，仍然采用式(6)计算Ω_k和U_k，在此不进行赘述。

具体实现中，式(3)或式(5)中的ψ_k可根据ψ_k＝cos(θ)或者ψ_k＝-cos(θ)计算，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；比如，当第一阵列方向为列方向或者仰角方向时，所述θ为天线阵列的仰角。或者，所述ψ_k可根据ψ_k＝cos(φ)sin(θ)或者ψ_k＝-cos(φ)sin(θ)或者ψ_k＝sin(φ)sin(θ)或者ψ_k＝-sin(φ)sin(θ)计算，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。比如，当第一阵列方向为列方向或者仰角方向，第二阵列方向为行方向或者水平方向时，对于对水平角方向x轴：ψ_k＝cos(φ)sin(θ)或者ψ_k＝-cos(φ)sin(θ)；对水平角方向y轴：ψ_k＝sin(φ)sin(θ)或者ψ_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的仰角，所述φ为天线阵列的方位角。或者，所述ψ_k根据ψ_k＝kψ₀计算，其中，所述ψ₀是第一个波束成形向量α₀所对应的半波束宽度，所述ψ₀通过方向图综合法计算得到。比如，ψ₀可通过woodward方向图综合法、契比雪夫综合法或者泰勒综合法中任一种计算得到。ψ₀的计算方式与Ω₀的计算方式原理相同，在此不进行赘述。

在一些可行的实施方式中，为了使本发明实施例的码本能够应用于现有的无线通信***中(可称之为：后向兼容)，式(1)中的第一向量γ_k或者第二向量vⁱ可为长期演进***(LTE，Long Term Evolution)的第八版本(LTE R8)中的4天线发送码本。或者为长期演进***(LTE，Long Term Evolution)的第十版本(LTE R10)中的8天线发送码本。或者为其他现有技术中已经存在的码本。并且，当多天线数大于4且小于8或者大于8时，可以考虑将多列天线合并成一列天线然后使用同一列的码本。

在3GPP TS36.211的LTE Rel-8中定义了4发的码本，如下表2所示：

表2：LTE Rel-8中定义的4发码本

^■Table 6.3.4.2.3-2：Codebookfortransmission on antenna ports{0，1，2，3}and for CSI reporting based onantenna ports{0，1，2，3}or{15，16，17，18}.

其中为householder变换(豪斯霍尔德变换)。也就是说，LTE中4发的用于4天线的码本矩阵共有16个，每个分别可以支持4流。即在考虑与LTE***后向兼容时，式(1)中的为取上表中对应的各列。当按上表2所述来取时，按本发明实施例的式(1)生成的码本即可以实现与LTE R8的后向兼容。

另外，如果要实现与LTE R10的8个发射天线的码本的后向兼容，同样可以使用LTER10中的8个天线发射的码本，如表3和表4所示。

表3：LTE R10中8个天线发射时的码本个数(参考3GPP TS36.213)

表4：Nx4天线阵列的单个波束对应的最大L流码本生成方法

只是一个波束对应中的m值可以取0-15中的任何一项，即，按上表4，每个波束共有16种的取法。

具体实现中，通过在天线阵列的第一阵列方向或者第二阵列方向上加式(2)-(5)中所述的向量，而在另一阵列方向上加现有技术中的天线码本，即可实现本发明实施例与现有***的完全兼容，使得现有技术中的用户设备可以直接接入到本发明实施例的波束***中，并按原有的方式进行解调和反馈，用户设备的行为不受任何影响。

具体实现中，当天线***有多个波束需要同时发送时，需要利用可对多个波束进行编码的三维波束码本矩阵。比如，L个数据流形成K个波束，且所述K个波束的功率相同，此时，假设L＝v。所需的三维波束码本矩阵为：

式(7)

其中，为总共K个波束的码本矩阵，K为正整数，为第n1个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₁列的波束码本，为第n2个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₂列的波束码本，为第K个波束的波束码本矩阵中选出的具有v_k列的波束码本，n1和n2为小于K的正整数，K为不大于N的正整数，v_i为不大于M的正整数。

相应的，在一些可行的实施方式中，L个数据流形成K个波束，且所述K个波束的功率不相同，此时，假设L＝v。所需的三维波束码本矩阵为：

式(8)

其中，为总共K个波束的码本矩阵，K为正整数，ρ_x(x＝n1，n2，......，K)为波束的功率分配因子，为第n1个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₁列的波束码本，为第n2个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₂列的波束码本，为第K个波束的波束码本矩阵中选出的具有v_k列的波束码本，n1和n2均为小于K的正整数，K为不大于N的正整数，v_i为不大于M的正整数。

作为实施例的一种特例，当要求总功率不变时，则所有的功率分配归子的总和为1，即

由上可见，在本发明实施例的一些可行的实施方式中，利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个预编码后的数据；所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L；通过天线阵列发送由所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流，所述天线阵列包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；L≤N×M，且所述L、M和N均为正整数。由此可实现在三维空间中形成能指向多个方向的波束，能实现三维空间的波束映射。并且通过本发明实施例的三维码本所形成的波束在空间的指向位置可以通过选用不同的码本来实现，这样使用本发明实施例的三维码本进行无线通信时，波束生成设备(比如，基站)能够与相同时频资源上处于不同三维角度区域的一个或者多个用户进行通信。比如，图2.1和图2.2示出了仰角和方位角方向上2流的三维码本生成的窄波束方向图的立体图和投影图的立体图。如图2.1和图2.2可知，当作为天线阵列方向的列与行的方向都使用具有较窄波束宽度的预编码向量时，采用本发明实施例的三维波束码本在水平仰角方向上也指向多个不同的方位角方向，此时，无论在仰角方向还是方位角方向上，波束生成设备的发射机都通过三维码本在三维空间的较窄区域上实现对多用户的较窄波束的通信。再如，图3.1和图3.2示出了仰角在3个不同方向，水平方位角为全向的方向图的立体图和投影图的立体图。如图3.1和图3.2可知，采用本发明实施例的三维波束码本可在不同的仰角波束指向不同的仰角方向，然后在水平方位角方向上可以产生很宽的波束，此时在水平方位角方向上可以做SU-MIMO(单用户多输入多输出)或MU-MIMO(多用户多输入多输出)。图3.3示出了采用本发明的三维波束码本矩阵实现的窄波束指向空间仰角方向上不同位置上的用户(UE)的波束示意图，如图3.3，采用本发明的三维波束码本预编码处理后通过天线阵列发射了3个不同的波束，分别指向处于不同仰角方向上的三个用户UE1、UE2和UE3。图3.4示出了采用本发明的三维波束码本矩阵实现的窄波束指向空间方位角方向上不同位置上的用户的波束示意图。如图3.4，采用本发明的三维波束码本预编码处理后通过天线阵列发射了3个不同的波束，分别指向处于不同方位方向上的三个用户UE1、UE2和UE3。图3.5示出了采用本发明的三维波束码本矩阵实现的窄波束指向空间不同高度位置上的用户的波束示意图。如图3.5，采用本发明的三维波束码本预编码处理后通过天线阵列发射了3个不同的波束，分别指向处于不同空间高度位置上的三个用户UE1、UE2和UE3。

在一些可行的实施方式中，可先生成第一向量γ_k，后生成第二向量v ⁱ，由此，当通过本发明实施例的三维波束码本矩阵将数据流映射到天线上时，同样可采用先第一阵列方向后第二阵列方向的顺序通过本发明实施例的三维波束码本矩阵中的码本对所述多流数据流进行预编码操作，并将预编码后的多流数据流按所述先第一阵列方向后第二阵列方向的顺序映射到对应天线阵列的阵元上进行发送。比如，当第一向量γ_k为列方向的向量，vⁱ为行方向的向量时，在进行数据映射时，同样采用先列后行的顺序映射到天线阵列上。当第一向量γ_k为行方向的向量，vⁱ为列方向的向量时，在进行数据映射时，同样采用先行后列的顺序映射到天线阵列上。则本发明的装置4还可包括：映射模块(未图示)，用于将N×M个预编码后的数据对应的L个数据流按照先第一阵列方向后第二阵列方向的顺序映射到所述天线阵列上。

相应的，如图5所示，本发明实施例还提供了一种基站，包括无线调制解调器51与无线调制解调器耦合连接的天线阵列52；

其中，所述天线阵列52包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；所述M和N均为正整数；

所述无线调制解调器51，用于利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个数据流，并将N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流映射到天线阵列上；所述三维波束码本矩阵能够用于三维波束空间的预编码，所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L，L≤N×M且为正整数；

所述天线阵列52，用于发送所述L个新数据流中的至少一个数据流。

在一些可行的实施方式中，所述无线调制解调器51具体用于：利用三维波束码本矩阵对L个信号进行预编码处理以生成N×M个数据流，并按照先第一阵列方向后第二阵列方向的顺序将N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流映射到所述天线阵列上。

以上所列举的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (50)

1.一种无线通信***中利用三维波束码本进行通信的方法，其特征在于，包括：

利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个预编码后的数据，所述三维波束码本矩阵能够用于三维波束空间的预编码；所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L；

通过天线阵列发送由所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流，所述天线阵列包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；L≤N×M，且所述L、M和N均为正整数；

其中，当L＝1，且所述L个数据流形成第k个波束，所述三维波束码本矩阵为：

$w_k^{\left(1\right)}=\left[\begin{array}{c}{v}_0^{\left\{1\right\}}\·{\mathrm{\γ}}_k\\ v_1^{\left\{1\right\}}\·{\mathrm{\γ}}_k\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ v_{M-1}^{\left\{1\right\}}\·{\mathrm{\γ}}_k\end{array}\right]$

其中，γ_k为第k个波束的第一向量，为指向第二阵列方向上的空间窄波束，为第k个波束的第二向量，为指向第一阵列方向上的一个空间波束，这里为长度为M的所述第二向量中的各个元素，k为正整数；

或者，

当L＝M，且所述L个数据流形成第k个波束，所述三维波束码本矩阵为：

其中，γ_k为第k个波束的第一向量，为指向第二阵列方向的空间窄波束，为第k个波束的第i个第二向量，为指向第一阵列方向上的第i个空间波束，其中为长度为M的所述第二向量的各个元素，i的取值范围为大于等于1且小于等于M的整数，k为正整数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第k个波束服务于一个或多个终端。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

其中，β_k是第k个波束在第二阵列方向上使用的波束成形向量，其中β_k,0,到β_k,N-1为β_k向量中的各个元素，j表示一虚数单位，j*j＝-1，d为所述第k个波束在第二阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的间隔，Ω_k为所述第k个波束的主波瓣在第二阵列方向上的空间波束位置。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，

其中，α_k是第k个波束在第一阵列方向上使用的波束形成向量，其中α_k，0,到α_k,M-1为α_k向量中的各个元素，b为所述第k个波束在第一阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的间隔，Ψ_k为所述第k个波束的主波瓣在第一阵列方向上的空间波束位置。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

其中，β_k是第k个波束在第二阵列方向上使用的波束形成向量，其中β_k,0,到β_k,N-1为β_k向量中的各个元素，j表示一虚数单位，j*j＝-1，d_n(n＝0,…,N-1)为所述第k个波束在第二阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的位置，Ω_k为所述第k个波束的在第二阵列方向上的主波瓣空间波束位置。

6.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，

其中，α_k是第k个波束在第一阵列方向上使用的波束形成向量，其中α_k，0,到α_k,M-1为α_k向量中的各个元素，b_n(n＝0,…,M-1)为所述第k个波束在第一阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的位置，Ψ_k为所述第k个波束的在第一阵列方向上的主波瓣空间波束位置。

7.如权利要求3或5所述的方法，其特征在于，

Ω_k＝cos(θ)或者Ω_k＝-cos(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；

或者，Ω_k＝cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝sin(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，

Ψ_k＝cos(θ)或者Ψ_k＝-cos(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；

或者，Ψ_k＝cos(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝-cos(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝sin(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，

Ψ_k＝cos(θ)或者Ψ_k＝-cos(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；

或者，Ψ_k＝cos(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝-cos(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝sin(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。

10.如权利要求3或5中任一项所述的方法，其特征在于，Ω_k＝kΩ₀，其中，所述Ω₀是第一个波束成形向量β₀所对应的半波束宽度。

11.如权利要求4所述的方法，其特征在于，Ψ_k＝kΨ₀，其中，所述Ψ₀是第一个波束成形向量α₀所对应的半波束宽度。

12.如权利要求6所述的方法，其特征在于，Ψ_k＝kΨ₀，其中，所述Ψ₀是第一个波束成形向量α₀所对应的半波束宽度。

13.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，Ψ_k＝kΨ₀，其中，所述Ψ₀是第一个波束成形向量α₀所对应的半波束宽度。

14.如权利要求1至3、5、8和9中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一向量与第二向量中的至少一项为：长期演进***LTE的第八版本中的4天线发送码本、或LTE的第十版本中的8天线发送码本。

15.如权利要求1至3、5、8和9中任一项所述的方法，其特征在于，在所述通过所述天线阵列发送由所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流的步骤之前，还包括：

将所述由N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流按照先第一阵列方向后第二阵列方向的顺序映射到所述天线阵列上。

16.一种无线通信***中利用三维波束码本进行通信的方法，其特征在于，包括：

利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个预编码后的数据，所述三维波束码本矩阵能够用于三维波束空间的预编码；所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L；

通过天线阵列发送由所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流，所述天线阵列包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；L≤N×M，且所述L、M和N均为正整数；

其中，当L＝v，所述L个数据流形成K个波束，所述三维波束码本矩阵为：

$W_K^{\left(v\right)}=\frac{1}{\sqrt{K}}\[W_{n1}^{\left(v_1\right)},W_{n2}^{\left(v_2\right)},...,W_K^{\left(v_K\right)}\]$

其中，K为正整数，为第n1个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₁列的波束码本，为第n2个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₂列的波束码本，为第K个波束的波束码本矩阵中选出的具有v_k列的波束码本，n1和n2均为小于K的正整数,K为不大于N的正整数，v_i为不大于M的正整数；

或者，当L＝v，所述L个数据流形成K个波束，所述三维波束码本矩阵为：

$W_K^{\left(v\right)}=\[\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_{n1}}{W}_{n1}^{\left(v_1\right)},\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_{n2}}{W}_{n2}^{\left(v_2\right)},...,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_K}{W}_K^{\left(v_K\right)}\]$

其中，K为正整数，ρ_x(x＝n1，n2，……，K)为波束的功率分配因子，为第n1个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₁列的波束码本，为第n2个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₂列的波束码本，为第K个波束的波束码本矩阵中选出的具有v_k列的波束码本，n1和n2均为小于K的正整数，K为不大于N的正整数，v_i为不大于M的正整数。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述K个波束分别服务于多个终端。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述K个波束有相同或不同的功率。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述K个波束有相同或不同的功率。

20.如权利要求16-19中任一项所述的方法，其特征在于，在所述通过所述天线阵列发送由所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流的步骤之前，还包括：

将所述由N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流按照先第一阵列方向后第二阵列方向的顺序映射到所述天线阵列上。

21.一种无线通信***中利用三维波束码本进行通信的装置，其特征在于，包括：

预编码模块，用于利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个预编码后的数据，所述三维波束码本矩阵能够用于三维波束空间的预编码；所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L；

发送模块，与所述预编码模块连接，用于通过天线阵列发送由所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流，所述天线阵列包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；L≤N×M，且所述L、M和N均为正整数；

其中，当L＝1，且所述L个数据流形成第k个波束，所述三维波束码本矩阵为：

$w_k^{\left(1\right)}=\left[\begin{array}{c}{v}_0^{\left\{1\right\}}\·{\mathrm{\γ}}_k\\ v_1^{\left\{1\right\}}\·{\mathrm{\γ}}_k\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ v_{M-1}^{\left\{1\right\}}\·{\mathrm{\γ}}_k\end{array}\right]$

其中，γ_k为第k个波束的第一向量，为指向第二阵列方向上的空间窄波束，为第k个波束的第二向量，为指向第一阵列方向上的一个空间波束，这里为长度为M的所述第二向量中的各个元素，k为正整数；

或者，当L＝M，且所述L个数据流形成第k个波束，所述三维波束码本矩阵为：

其中，γ_k为第k个波束的第一向量，为指向第二阵列方向的空间窄波束，为第k个波束的第i个第二向量，为指向第一阵列方向上的第i个空间波束，其中为长度为M的所述第二向量的各个元素，i的取值范围为大于等于1且小于等于M的整数，k为正整数。

22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述第k个波束服务于一个或多个终端。

23.如权利要求21所述的装置，其特征在于，

其中，β_k是第k个波束在第二阵列方向上使用的波束形成向量，其中β_k,0,到β_k,N-1为β_k向量中的各个元素，j表示一虚数单位，j*j＝-1，d为所述第k个波束在第二阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的间隔，Ω_k为所述第k个波束的主波瓣在第二阵列方向上的空间波束位置。

24.如权利要求21-22中任一项所述的装置，其特征在于，

其中，，α_k是第k个波束在第一阵列方向上使用的波束形成向量，其中α_k，0,到α_k,M-1为α_k向量中的各个元素，b为所述第k个波束在第一阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的间隔，Ψ_k为所述第k个波束的主波瓣在第一阵列方向上的空间波束位置。

25.如权利要求21或22所述的装置，其特征在于，

其中，β_k是第k个波束在第二阵列方向上使用的波束形成向量，其中β_k,0,到β_k,N-1为β_k向量中的各个元素，j表示一虚数单位，j*j＝-1，d_n(n＝0,…,N-1)为所述第k个波束在第二阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的位置，Ω_k为所述第k个波束的在第二阵列方向上的主波瓣空间波束位置。

26.如权利要求21或22所述的装置，其特征在于，

其中，α_k是第k个波束在第一阵列方向上使用的波束形成向量，其中α_k，0,到α_k,M-1为α_k向量中的各个元素，b_n(n＝0,…,M-1)为所述第k个波束在第一阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的位置，Ψ_k为所述第k个波束的在第一阵列方向上的主波瓣空间波束位置。

27.如权利要求25所述的装置，其特征在于，

其中，α_k是第k个波束在第一阵列方向上使用的波束形成向量，其中α_k，0,到α_k,M-1为α_k向量中的各个元素，b_n(n＝0,…,M-1)为所述第k个波束在第一阵列方向上的方向矢量所在方向上的对发送信号波长归一化的天线阵元间的位置，Ψ_k为所述第k个波束的在第一阵列方向上的主波瓣空间波束位置。

28.如权利要求23所述的装置，其特征在于，

Ω_k＝cos(θ)或者Ω_k＝-cos(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；

或者，Ω_k＝cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝sin(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。

29.如权利要求25所述的装置，其特征在于，

Ω_k＝cos(θ)或者Ω_k＝-cos(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；

或者，Ω_k＝cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-cos(φ)sin(θ)或者Ω_k＝sin(φ)sin(θ)或者Ω_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。

30.如权利要求24所述的装置，其特征在于，

Ψ_k＝cos(θ)或者Ψ_k＝-cos(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；

或者，Ψ_k＝cos(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝-cos(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝sin(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。

31.如权利要求26所述的装置，其特征在于，

Ψ_k＝cos(θ)或者Ψ_k＝-cos(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；

或者，Ψ_k＝cos(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝-cos(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝sin(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。

32.如权利要求27所述的装置，其特征在于，

Ψ_k＝cos(θ)或者Ψ_k＝-cos(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角；

或者，Ψ_k＝cos(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝-cos(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝sin(φ)sin(θ)或者Ψ_k＝-sin(φ)sin(θ)，其中，所述θ为天线阵列的第一阵列方向的波束角，所述φ为天线阵列的第二阵列方向的波束角。

33.如权利要求23所述的装置，其特征在于，Ω_k＝kΩ₀，其中，所述Ω₀是第一个波束成形向量β₀所对应的半波束宽度。

34.如权利要求25所述的装置，其特征在于，Ω_k＝kΩ₀，其中，所述Ω₀是第一个波束成形向量β₀所对应的半波束宽度。

35.如权利要求28所述的装置，其特征在于，Ω_k＝kΩ₀，其中，所述Ω₀是第一个波束成形向量β₀所对应的半波束宽度。

36.如权利要求29所述的装置，其特征在于，Ω_k＝kΩ₀，其中，所述Ω₀是第一个波束成形向量β₀所对应的半波束宽度。

37.如权利要求24中任一项所述的装置，其特征在于，Ψ_k＝kΨ₀，其中，所述Ψ₀是第一个波束成形向量α₀所对应的半波束宽度。

38.如权利要求26所述的装置，其特征在于，Ψ_k＝kΨ₀，其中，所述Ψ₀是第一个波束成形向量α₀所对应的半波束宽度。

39.如权利要求30所述的装置，其特征在于，Ψ_k＝kΨ₀，其中，所述Ψ₀是第一个波束成形向量α₀所对应的半波束宽度。

40.如权利要求31所述的装置，其特征在于，Ψ_k＝kΨ₀，其中，所述Ψ₀是第一个波束成形向量α₀所对应的半波束宽度。

41.如权利要求33所述的装置，其特征在于，Ψ_k＝kΨ₀，其中，所述Ψ₀是第一个波束成形向量α₀所对应的半波束宽度。

42.如权利要求21至22中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一向量与第二向量中的至少一项为：长期演进***LTE的第八版本中的4天线发送码本、或LTE的第十版本中的8天线发送码本。

43.如权利要求21至22中任一项所述的装置，其特征在于，还包括：

映射模块，用于将N×M个预编码后的数据对应的L个数据流按照先第一阵列方向后第二阵列方向的顺序映射到所述天线阵列上。

44.一种无线通信***中利用三维波束码本进行通信的装置，其特征在于，包括：

预编码模块，用于利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个预编码后的数据，所述三维波束码本矩阵能够用于三维波束空间的预编码；所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L；

发送模块，与所述预编码模块连接，用于通过天线阵列发送由所述N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流中至少一个数据流，所述天线阵列包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；L≤N×M，且所述L、M和N均为正整数；

其中，当L＝v，所述L个数据流形成K个波束，所述三维波束码本矩阵为：

$W_K^{\left(v\right)}=\frac{1}{\sqrt{K}}\[W_{n1}^{\left(v_1\right)},W_{n2}^{\left(v_2\right)},...,W_K^{\left(v_K\right)}\]$

其中，K为正整数，为第n1个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₁列的波束码本，为第n2个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₂列的波束码本，为第K个波束的波束码本矩阵中选出的具有v_k列的波束码本，n1和n2均为小于K的正整数，K为不大于N的正整数，v_i为不大于M的正整数；

或者，当L＝v，所述L个数据流形成K个波束，所述三维波束码本矩阵为：

$W_K^{\left(v\right)}=\[\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_{n1}}{W}_{n1}^{\left(v_1\right)},\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_{n2}}{W}_{n2}^{\left(v_2\right)},...,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_K}{W}_K^{\left(v_K\right)}\]$

其中，K为正整数，ρ_x(x＝n1，n2，……，K)为波束的功率分配因子，为第n1个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₁列的波束码本，为第n2个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₂列的波束码本，为第K个波束的波束码本矩阵中选出的具有v_k列的波束码本，n1和n2均为小于K的正整数,K为不大于N的正整数，v_i为不大于M的正整数。

45.如权利要求44所述的装置，其特征在于，所述K个波束分别服务于多个终端。

46.如权利要求44所述的装置，其特征在于，所述K个波束有相同或不同的功率。

47.如权利要求45所述的装置，其特征在于，所述K个波束有相同或不同的功率。

48.如权利要求44-37中任一项所述的装置，其特征在于，还包括：

映射模块，用于将N×M个预编码后的数据对应的L个数据流按照先第一阵列方向后第二阵列方向的顺序映射到所述天线阵列上。

49.一种基站，其特征在于，包括：无线调制解调器和与无线调制解调器耦合连接的天线阵列；

其中，所述天线阵列包括N×M个天线，在第一阵列方向上的天线端口数量为M，在第二阵列方向上的天线端口数量为N；所述M和N均为正整数；

所述无线调制解调器，用于利用三维波束码本矩阵对L个数据流进行预编码处理以生成N×M个数据流，并将N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流映射到天线阵列上；所述三维波束码本矩阵能够用于三维波束空间的预编码，所述三维波束码本矩阵的行数为N×M，所述三维波束码本矩阵的列数为L，L≤N×M且为正整数；

所述天线阵列，用于发送所述L个新数据流中的至少一个数据流；

其中，当L＝1，且所述L个数据流形成第k个波束，所述三维波束码本矩阵为：

$w_k^{\left(1\right)}=\left[\begin{array}{c}{v}_0^{\left\{1\right\}}\·{\mathrm{\γ}}_k\\ v_1^{\left\{1\right\}}\·{\mathrm{\γ}}_k\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ v_{M-1}^{\left\{1\right\}}\·{\mathrm{\γ}}_k\end{array}\right]$

其中，γ_k为第k个波束的第一向量，为指向第二阵列方向上的空间窄波束，为第k个波束的第二向量，为指向第一阵列方向上的一个空间波束，这里为长度为M的所述第二向量中的各个元素，k为正整数；

或者，

当L＝M，且所述L个数据流形成第k个波束，所述三维波束码本矩阵为：

其中，γ_k为第k个波束的第一向量，为指向第二阵列方向的空间窄波束，为第k个波束的第i个第二向量，为指向第一阵列方向上的第i个空间波束，其中为长度为M的所述第二向量的各个元素，i的取值范围为大于等于1且小于等于M的整数，k为正整数；

或者

当L＝v，所述L个数据流形成K个波束，所述三维波束码本矩阵为：

$W_K^{\left(v\right)}=\frac{1}{\sqrt{K}}\[W_{n1}^{\left(v_1\right)},W_{n2}^{\left(v_2\right)},...,W_K^{\left(v_K\right)}\]$

其中，K为正整数，为第n1个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₁列的波束码本，为第n2个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₂列的波束码本，为第K个波束的波束码本矩阵中选出的具有v_k列的波束码本，n1和n2均为小于K的正整数，K为不大于N的正整数，v_i为不大于M的正整数；

或者，当L＝v，所述L个数据流形成K个波束，所述三维波束码本矩阵为：

$W_K^{\left(v\right)}=\[\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_{n1}}{W}_{n1}^{\left(v_1\right)},\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_{n2}}{W}_{n2}^{\left(v_2\right)},...,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_K}{W}_K^{\left(v_K\right)}\]$

其中，K为正整数，ρ_x(x＝n1，n2，……，K)为波束的功率分配因子，为第n1个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₁列的波束码本，为第n2个波束的波束码本矩阵中选出的具有v₂列的波束码本，为第K个波束的波束码本矩阵中选出的具有v_k列的波束码本，n1和n2均为小于K的正整数,K为不大于N的正整数，v_i为不大于M的正整数。

50.如权利要求49所述的基站，其特征在于，所述无线调制解调器具体用于：利用三维波束码本矩阵对L个信号进行预编码处理以生成N×M个数据流，并按照先第一阵列方向后第二阵列方向的顺序将N×M个预编码后的数据形成的L个新数据流映射到所述天线阵列上。