CN104283597A - 一种波束赋形方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波束赋形方法及设备，该方法包括：获取当前时隙所要服务用户的位置信息，并根据用户的位置信息确定各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合的吞吐量函数，并采用DIRECT算法估算使吞吐量函数取最大值的下倾角组合，之后根据计算得到的下倾角组合调整两个波束的下倾角。本发明提供的技术方案，能够提高***的吞吐量。

Description

一种波束赋形方法及设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及到一种波束赋形方法及设备。

背景技术

双波束下倾是指使同一个基站发送两个下倾角不同的波束为用户提供服务。现有技术中设置双波束的下倾角的方案一般包括两种：（1）为两个波束设置固定的下倾角；（2）将两个波束分别指向被服务的用户，对于第一种方案，不能根据用户的位置进行实时调整，无法保证用户达到最大的吞吐量，而第二种方案可能因为当前需要被服务的两个用户距离较近，产生较大的干扰，从而降低***整体的吞吐量。

发明内容

本发明提供了一种波束赋形方法及设备，能够提高***的吞吐量。

本发明提供了一种波束赋形方法，应用于双波束通信***中，该方法包括：

获取下一个时隙服务所要服务的各个用户的位置信息；

根据获取到的位置信息选择各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的总吞吐量函数β1和β2分别表示第1个波束和第2个波束的下倾角，R_i(β₁,β₂)为第i个用户对应的吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的函数，I为两个波束服务的用户的个数；

采用DIRECT算法计算使最大的下倾角组合（β_1M，β_2M）；

将两个波束的下倾角对应的调整为β_1M，β_2M。

优选的，所述根据获取到的位置信息选择各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的总吞吐量函数具体包括：

针对每一个用户，分别计算其对各个波束的接收功率，以及对各个波束的接收增益相对于下倾角组合（β₁，β₂）的函数；

取作为各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的总吞吐量函数其中，

$R({\mathrm{\γ}}_1,{\mathrm{\γ}}_2,M)=E_X\left[{\log }_2(1+X)\right]={\log }_2\left(e\right)\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\γ}}_1^{l+1-i}}{{\mathrm{\γ}}_2(i-l)!}\·I_1(\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_1},\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_2},i,l+1)$

其中I₁(a,b,m,n)为积分表达式，且

$I_1(a,b,m,n)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^{i-1}}{{(1-b)}^i}\·I_2(a,b,m,n-i+1)+\frac{I_2(a,1,m,1)}{{(b-1)}^n};$

$I_2(a,b,m,n)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{x^m{e}^{-\mathrm{ax}}}{{(x+b)}^i}\mathrm{dx}=e^{\mathrm{ab}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}m\\ i\end{array}\right){(-b)}^{m-i}{I}_3(a,b,i-n);$

$I_3(a,b,m)=\underset{b}{\overset{\∞}{\∫}}{x}^m{e}^{-\mathrm{ax}}\mathrm{dx}=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{ab}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{m!}{i!}\frac{b^i}{a^{m-i+1}}& m\≥0\\ E_1\left(\mathrm{ab}\right)& m=-1\\ \frac{E_1\left(\mathrm{ab}\right)}{{(-a)}^{-m-1}(-m-1)!}+\frac{e^{-\mathrm{ab}}}{b^{-m-1}}\underset{i=0}{\overset{-m-2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-\mathrm{ab})}^i(-m-i-2)!}{(-m-1)!}& m\≤-2\end{array}\right.$

其中，为第i个用户对第s个波束的接收功率，G_si(β_s)表示第i个用户对第s个波束的接收增益相对于第s个波束的下倾角β_s的函数。

优选的，所述针对每一个用户，分别计算其对各个波束的接收增益相对于下倾角组合（β₁，β₂）的函数，包括：

通过如下公式计算第i个用户对第s个波束的接收增益G_si(β_s)：

其中，和θ_i分别为第i个用户对应的方位角和俯仰角，SLL_az和SLL_el分别是水平和和垂直方向图的旁瓣电平，SLL_tot是总的旁瓣电平，为第i个用户对第s波束的接收功率，为第i个用户所在基站的天线阵列瞄准轴与x轴的夹角。

本发明提供了一种波束赋形设备，作为基站应用于无线通信***中，该设备包括：

位置信息获取模块，用于获取下一个时隙服务所要服务的各个用户的位置信息；

函数调用模块，用于根据位置信息获取模块获取到的位置信息选择各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的总吞吐量函数β1和β2分别表示第1个波束和第2个波束的下倾角，R_i(β₁,β₂)为第i个用户对应的吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的函数，I为两个波束服务的用户的个数；

计算模块，用于采用DIRECT算法计算使最大的下倾角组合（β_1M，β_2M）；

赋形模块，用于将两个波束的下倾角对应的调整为β_1M，β_2M。

优选的，所述函数调用模块具体用于根据获取到的位置信息确定每一个用户接收各个波束的信号强度相对于下倾角组合（β₁，β₂）的函数，取作为各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的总吞吐量函数其中，

$R({\mathrm{\γ}}_1,{\mathrm{\γ}}_2,M)=E_X\left[{\log }_2(1+X)\right]={\log }_2\left(e\right)\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\γ}}_1^{l+1-i}}{{\mathrm{\γ}}_2(i-l)!}\·I_1(\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_1},\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_2},i,l+1)$

其中I₁(a,b,m,n)为积分表达式，且

$I_1(a,b,m,n)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^{i-1}}{{(1-b)}^i}\·I_2(a,b,m,n-i+1)+\frac{I_2(a,1,m,1)}{{(b-1)}^n};$

$I_2(a,b,m,n)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{x^m{e}^{-\mathrm{ax}}}{{(x+b)}^i}\mathrm{dx}=e^{\mathrm{ab}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}m\\ i\end{array}\right){(-b)}^{m-i}{I}_3(a,b,i-n);$

$I_3(a,b,m)=\underset{b}{\overset{\∞}{\∫}}{x}^m{e}^{-\mathrm{ax}}\mathrm{dx}=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{ab}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{m!}{i!}\frac{b^i}{a^{m-i+1}}& m\≥0\\ E_1\left(\mathrm{ab}\right)& m=-1\\ \frac{E_1\left(\mathrm{ab}\right)}{{(-a)}^{-m-1}(-m-1)!}+\frac{e^{-\mathrm{ab}}}{b^{-m-1}}\underset{i=0}{\overset{-m-2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-\mathrm{ab})}^i(-m-i-2)!}{(-m-1)!}& m\≤-2\end{array}\right.$

其中，为第i个用户对第s个波束的接收功率，G_si(β_s)表示第i个用户对第s个波束的接收增益相对于第s个波束的下倾角β_s的函数。

优选的，所述函数调用模块具体通过如下公式计算第i个用户对第s个波束的接收增益G_si(β_s)：

别是水平和和垂直方向图的旁瓣电平，SLL_tot是总的旁瓣电平，为第i个用户对第s波束的接收功率，为第i个用户所在基站的天线阵列瞄准轴与x轴的夹角。

本发明中，获取用户的位置信息，并根据用户的位置信息确定各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合的吞吐量函数，并采用DIRECT算法估算使吞吐量函数取最大值的下倾角组合，之后根据计算得到的下倾角组合调整两个波束的下倾角。本发明提供的技术方案，能够提高***的吞吐量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种波束赋形方法的流程示意图；

图2为本发明是实施例提供的波束赋形方法的一种应用场景的示意图；

图3为本发明是实施例提供的波束赋形方法的一种应用场景的示意图；

图4为本发明是实施例提供的一种波束赋形设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种波束赋形方法，应用于双波束通信***中，该通信***中的基站采用两个波束为小区内的用户服务，如图1所示，该方法包括：

步骤101，获取下一个时隙服务所要服务的各个用户的位置信息。

步骤102，根据获取到的位置信息选择各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的总吞吐量函数β1和β2分别表示第1个波束和第2个波束的下倾角，R_i(β₁,β₂)为第i个用户对应的吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的函数，I为两个波束服务的用户的个数。

步骤103，采用DIRECT算法计算使最大的下倾角组合（β_1M，β_2M）。

步骤104，将两个波束的下倾角对应的调整为β_1M，β_2M。

本发明实施例中，获取用户的位置信息，并根据用户的位置信息确定各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合的吞吐量函数，并采用DIRECT算法估算使吞吐量函数取最大值的下倾角组合，之后根据计算得到的下倾角组合调整两个波束的下倾角。本发明提供的技术方案，能够提高***的吞吐量。

优选的，上述步骤102具体包括：

针对每一个用户，分别计算其对各个波束的接收功率，以及对各个波束的接收增益相对于下倾角组合（β₁，β₂）的函数；

取作为各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的总吞吐量函数其中，

$R({\mathrm{\γ}}_1,{\mathrm{\γ}}_2,M)=E_X\left[{\log }_2(1+X)\right]={\log }_2\left(e\right)\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\γ}}_1^{l+1-i}}{{\mathrm{\γ}}_2(i-l)!}\·I_1(\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_1},\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_2},i,l+1)$

其中I₁(a,b,m,n)为积分表达式

$I_1(a,b,m,n)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^{i-1}}{{(1-b)}^i}\·I_2(a,b,m,n-i+1)+\frac{I_2(a,1,m,1)}{{(b-1)}^n};$

$I_2(a,b,m,n)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{x^m{e}^{-\mathrm{ax}}}{{(x+b)}^i}\mathrm{dx}=e^{\mathrm{ab}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}m\\ i\end{array}\right){(-b)}^{m-i}{I}_3(a,b,i-n);$

$I_3(a,b,m)=\underset{b}{\overset{\∞}{\∫}}{x}^m{e}^{-\mathrm{ax}}\mathrm{dx}=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{ab}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{m!}{i!}\frac{b^i}{a^{m-i+1}}& m\≥0\\ E_1\left(\mathrm{ab}\right)& m=-1\\ \frac{E_1\left(\mathrm{ab}\right)}{{(-a)}^{-m-1}(-m-1)!}+\frac{e^{-\mathrm{ab}}}{b^{-m-1}}\underset{i=0}{\overset{-m-2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-\mathrm{ab})}^i(-m-i-2)!}{(-m-1)!}& m\≤-2\end{array}\right.$

其中，为第i个用户对第s个波束的接收功率，G_si(β_s)表示第i个用户对第s个波束的接收增益相对于第s个波束的下倾角β_s的函数。通过这种方式，能够降低计算下倾角组合（β₁，β₂）的复杂度。

其中，任意一个第i个用户对第s个波束的接收增益

其中，和θ_i分别为第i个用户对应的方位角和俯仰角，SLL_az和SLL_el分别是水平和和垂直方向图的旁瓣电平，SLL_tot是总的旁瓣电平，为第i个用户对第s波束的接收功率，为第i个用户所在基站的天线阵列瞄准轴与x轴的夹角。

下面结合具体应用场景对本发明实施例提供的波束赋形方法的步骤和原理进行详细说明，实际应用中，波束下倾的方式包括两种，一种为基于用户为下倾；另一种为基于垂直域的下倾，下面分别对在两种下倾方式下的波束赋形方法的步骤和原理进行详细说明。

一、基于用户的下倾

如图2所示，为本发明是实施例提供的波束赋形方法的一种应用场景，假设基站将发射天线分为两组，每个天线组有4根发射天线，这两组天线同时发出两个波束，在每个时隙，每个波束仅为一个用户服务。

如图3所示，假设为用户与基站天线连接线在xoy平面上与x轴（天线阵列瞄准轴）的夹角，即用户的方位角；θ为用户与基站天线连接线与水平线的夹角，即用户的俯仰角。由几何计算可得用户i的俯仰角θ_i和方位角为：

θ_i＝tan^-1((h_bs-h_i)/d_i)

其中，h_bs为基站天线高度，h_i为用户天线高度，(x_i,y_i)为用户的坐标，d_i为用户到基站的距离，即

$d_i=\sqrt{x_i^2+y_i^2}.$

设第i个波束的服务用户为i。基站到用户i的天线增益为

其中，

$G_{i,V}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=-\min [12{\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\β}}_i}{{\mathrm{\θ}}_{3\mathrm{dB}}}\right)}^2,{\mathrm{SLL}}_{\mathrm{el}}];$

即，

则两个垂直域内用户的接收信号分别为：

其中：

r_i,j表示用户i从其服务波束j接收到的信号；

(□)^*表示向量的共轭转置；

x_i表示波束i到用户i的发送信号，且满足功率约束条件E[|x_i|²]＝1；

n表示用户i处的复高斯白噪声，服从n～N(0，　1)；

h_i代表用户i和基站之间的n_t×1维信道向量，设信道为瑞利衰落，则h_i,j的元素是独立同分布的随机变量，服从N(0，　1)；

f_i,i是基站波束i对其所服务用户i的预编码向量，它是归一化的，满足f_i,i ²＝1；

P_i ^r表示用户的接收功率，本发明采用的路径损耗模型为

P_i ^r＝P₀(D₀/d_i)^α

其中，P₀是用户距基站的距离为D₀时的接收功率，也称参考功率，d_i是用户和基站之间的距离，本发明中设D₀＝R，则P₀表示用户在小区边缘时的接收功率。本发明假设从基站发出的两个波束的功率相等；

式中第一项表示用户i期望的接收信号，第二项表示其他垂直区波束对用户的干扰，第三项表示表示用户i处的归一化加性高斯白噪声。

则用户的信干噪比表达式为

则用户的吞吐量为

R₁＝E[log₂(1+SINR(β₁,β₂))]

两个用户总吞吐量为

R＝R₁+R₂

本发明的目的是要找出最优的组合使得两个用户的吞吐量最大。

设f_i,i与信道矩阵h_i不相关，则有其中表示自由度为n的卡方分布。

令

$X=\frac{{\mathrm{\γ}}_{1}Z}{1+{\mathrm{\γ}}_{2}Y}$

其中随机变量且相互独立。则有

$R({\mathrm{\γ}}_1,{\mathrm{\γ}}_2,M)=E_X\left[{\log }_2(1+X)\right]={\log }_2\left(e\right)\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\γ}}_1^{l+1-i}}{{\mathrm{\γ}}_2(i-l)!}\·I_1(\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_1},\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_2},i,l+1)$

其中I₁(a,b,m,n)为积分表达式

$I_1(a,b,m,n)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^{i-1}}{{(1-b)}^i}\·I_2(a,b,m,n-i+1)+\frac{I_2(a,1,m,1)}{{(b-1)}^n}$

$I_2(a,b,m,n)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{x^m{e}^{-\mathrm{ax}}}{{(x+b)}^i}\mathrm{dx}=e^{\mathrm{ab}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}m\\ i\end{array}\right){(-b)}^{m-i}{I}_3(a,b,i-n)$

$I_3(a,b,m)=\underset{b}{\overset{\∞}{\∫}}{x}^m{e}^{-\mathrm{ax}}\mathrm{dx}=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{ab}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{m!}{i!}\frac{b^i}{a^{m-i+1}}& m\≥0\\ E_1\left(\mathrm{ab}\right)& m=-1\\ \frac{E_1\left(\mathrm{ab}\right)}{{(-a)}^{-m-1}(-m-1)!}+\frac{e^{-\mathrm{ab}}}{b^{-m-1}}\underset{i=0}{\overset{-m-2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-\mathrm{ab})}^i(-m-i-2)!}{(-m-1)!}& m\≤-2\end{array}\right.$

则***总吞吐量可表示为

R＝R₁+R₂＝R₁(P₁ ^rG₁(φ₁,θ₁),P₁ ^rG₂(φ₁,θ₁),1)+R₁(P₂ ^rG₂(φ₂,θ₂),P₂ ^rG₁(φ₂,θ₂),1)

当β₁、β₂满足约束条件0°≤β₂≤β₁≤90°时，对每一对已知位置的用户，求出最优的(β₁,β₂)组合使得两个用户的吞吐量最大。

则本发明需要解决的问题为：根据当前被服务用户的位置信息，为基站发出的每个波束选择最佳下倾角使得所有用户的和速率最大，即解决以下问题：

$\left({\mathrm{\&beta;}}^{*}\right)=\arg \underset{{\mathrm{\&beta;}}_{\min }<\mathrm{\&beta;}<{\mathrm{\&beta;}}_{\max }}{\max }\underset{s=1}{\overset{S}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_s\left({\mathrm{\&beta;}}_s\right)$

其中β_min和β_max分别为最小和最大下倾角组合。本发明采用Dividing RECTangle（DIRECT）算法来求解此问题，该算法被认为是求解带有简单约束条件的连续性最优化问题的有效方法。DIRECT算法不需要知道目标函数的先验信息，非常适合求解类似本发明情况下的复杂目标函数。该算法将函数变量域视作超矩形，对其进行空间分割得到更小的超矩形。用每个超矩形的中心代表该超矩形，目标函数将仅在这些中心点上被计算，计算复杂度被降低。此外，DIRECT在每次迭代中仅选择潜在最优的超矩形进行下一步迭代，加快了收敛速度。该算法通过将将函数变量域不断分割，最终使目标函数即小区吞吐量在某确定点的值最大。

二、基于垂直域的下倾

基于垂直域天线下倾与基于用户天线下倾的不同之处在于后者的下倾角是不断变化的，在每个时隙随着所服务用户的不同而不断改变下倾角，而前者的下倾角在一段时间内是基本不变的，各自为其区域内的多个用户服务。基于垂直域的天线下倾研究基于以下假设：基站将发射天线分为两组，每个天线组有4根发射天线，这两组天线同时发出两个波束，为扇区内多个用户服务。根据用户位置，选择每个波束的最佳下倾角。两组天线的下倾角确定后，我们将一组天线服务的用户区域称作一个垂直域。

采用3GPP天线模型和小区配置，本发明所用参数配置可如如下表1所示：

表1

设扇区被分为2个垂直域，用户在扇区内均匀分布。如表1所示，设蜂窝小区半径为500m，基站采用三扇区模型，扇区被分为两个环形有效垂直域（Vertical Region）VS1、VS2。

天线下倾角过大，水平方向的传播特性图将变成扁平，尤其当天线下倾角超过20°，会出现豁口及副瓣，增加对同频小区的干扰。根据文献所知，天线的最大下倾角不能超过24°。

在扇区内均匀撒100个用户，根据用户到两个波束的接收信号的SINR来决定用户由哪个波束服务。以某一用户为例，由前面所述可知，当分别采用波束1、2作为用户的服务波束时，用户收到的信号可分别表示为：

比较其大小，本发明选择SINR大的波束作为用户的服务波束。由于f_i,i与信道矩阵h_i不相关，因此有即服从自由度为2的卡方分布。

垂直域的吞吐量为

$R_s=\underset{i=1}{\overset{i=K_s}{\mathrm{\&Sigma;}}}E\left[{\log }_2(1+S{\mathrm{INR}}_{i,s}\left(\mathrm{\&beta;}\right))\right]$

扇区总吞吐量为

$R=\underset{s=1}{\overset{S}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_s=\underset{s=1}{\overset{S}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{k=K_s}{\mathrm{\&Sigma;}}}E\left[{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{i,s}\left(\mathrm{\&beta;}\right))\right]$

求解此问题的方法同基于用户的下倾问题的求解方法。解出最佳β后，按照两个波束的服务用户及用户位置，可自然地将扇区分为两个垂直域。

基于同样的构思，本发明实施例还提供了一种波束赋形设备，作为基站应用于无线通信***中，如图4所示，该设备包括：

位置信息获取模块401，用于获取下一个时隙服务所要服务的各个用户的位置信息；

函数调用模块402，用于根据位置信息获取模块401获取到的位置信息选择各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的总吞吐量函数β1和β2分别表示第1个波束和第2个波束的下倾角，R_i(β₁,β₂)为第i个用户对应的吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的函数，I为两个波束服务的用户的个数。

计算模块403，用于采用DIRECT算法计算使最大的下倾角组合（β_1M，β_2M）。

赋形模块404，用于将两个波束的下倾角对应的调整为β_1M，β_2M。

优选的，函数调用模块402具体用于根据获取到的位置信息确定每一个用户接收各个波束的信号强度相对于下倾角组合（β₁，β₂）的函数，并取作为各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的总吞吐量函数其中，

$R({\mathrm{\&gamma;}}_1,{\mathrm{\&gamma;}}_2,M)=E_X\left[{\log }_2(1+X)\right]={\log }_2\left(e\right)\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{l=0}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_1^{l+1-i}}{{\mathrm{\&gamma;}}_2(i-l)!}\&CenterDot;I_1(\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_1},\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_1}{{\mathrm{\&gamma;}}_2},i,l+1)$

其中I₁(a,b,m,n)为积分表达式，且

$I_1(a,b,m,n)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(-1)}^{i-1}}{{(1-b)}^i}\&CenterDot;I_2(a,b,m,n-i+1)+\frac{I_2(a,1,m,1)}{{(b-1)}^n};$

$I_2(a,b,m,n)=\underset{0}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\frac{x^m{e}^{-\mathrm{ax}}}{{(x+b)}^i}\mathrm{dx}=e^{\mathrm{ab}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\begin{array}{c}m\\ i\end{array}\right){(-b)}^{m-i}{I}_3(a,b,i-n);$

$I_3(a,b,m)=\underset{b}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}{x}^m{e}^{-\mathrm{ax}}\mathrm{dx}=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{ab}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{m!}{i!}\frac{b^i}{a^{m-i+1}}& m\&GreaterEqual;0\\ E_1\left(\mathrm{ab}\right)& m=-1\\ \frac{E_1\left(\mathrm{ab}\right)}{{(-a)}^{-m-1}(-m-1)!}+\frac{e^{-\mathrm{ab}}}{b^{-m-1}}\underset{i=0}{\overset{-m-2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(-\mathrm{ab})}^i(-m-i-2)!}{(-m-1)!}& m\&le;-2\end{array}\right.$

其中，为第i个用户对第s个波束的接收功率，G_si(β_s)表示第i个用户对第s个波束的接收增益相对于第s个波束的下倾角β_s的函数。

优选的，所述函数调用模块具体通过如下公式计算第i个用户对第s个波束的接收增益G_si(β_s)：

其中，和θ_i分别为第i个用户对应的方位角和俯仰角，SLL_az和SLL_el分别是水平和和垂直方向图的旁瓣电平，SLL_tot是总的旁瓣电平，为第i个用户对第s波束的接收功率，为第i个用户所在基站的天线阵列瞄准轴与x轴的夹角。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种波束赋形方法，其特征在于，应用于双波束通信***中，该方法包括：

获取当前时隙所要服务的各个用户的位置信息；

根据获取到的位置信息选择各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的总吞吐量函数β1和β2分别表示第1个波束和第2个波束的下倾角，R_i(β₁,β₂)为第i个用户对应的吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的函数，I为两个波束服务的用户的个数；

采用DIRECT算法计算使最大的下倾角组合（β_1M，β_2M）；

将两个波束的下倾角对应的调整为β_1M，β_2M。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据获取到的位置信息选择各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的总吞吐量函数具体包括：

针对每一个用户，分别计算其对各个波束的接收功率，以及对各个波束的接收增益相对于下倾角组合（β₁，β₂）的函数；

取作为各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的总吞吐量函数其中，

$R({\mathrm{\&gamma;}}_1,{\mathrm{\&gamma;}}_2,M)=E_X\left[{\log }_2(1+X)\right]={\log }_2\left(e\right)\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{l=0}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_1^{l+1-i}}{{\mathrm{\&gamma;}}_2(i-l)!}\&CenterDot;I_1(\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_1},\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_1}{{\mathrm{\&gamma;}}_2},i,l+1)$

其中I₁(a,b,m,n)为积分表达式，且

$I_1(a,b,m,n)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(-1)}^{i-1}}{{(1-b)}^i}\&CenterDot;I_2(a,b,m,n-i+1)+\frac{I_2(a,1,m,1)}{{(b-1)}^n};$

$I_2(a,b,m,n)=\underset{0}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\frac{x^m{e}^{-\mathrm{ax}}}{{(x+b)}^i}\mathrm{dx}=e^{\mathrm{ab}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\begin{array}{c}m\\ i\end{array}\right){(-b)}^{m-i}{I}_3(a,b,i-n);$

$I_3(a,b,m)=\underset{b}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}{x}^m{e}^{-\mathrm{ax}}\mathrm{dx}=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{ab}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{m!}{i!}\frac{b^i}{a^{m-i+1}}& m\&GreaterEqual;0\\ E_1\left(\mathrm{ab}\right)& m=-1\\ \frac{E_1\left(\mathrm{ab}\right)}{{(-a)}^{-m-1}(-m-1)!}+\frac{e^{-\mathrm{ab}}}{b^{-m-1}}\underset{i=0}{\overset{-m-2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(-\mathrm{ab})}^i(-m-i-2)!}{(-m-1)!}& m\&le;-2\end{array}\right.$

其中，为第i个用户对第s个波束的接收功率，G_si(β_s)表示第i个用户对第s个波束的接收增益相对于第s个波束的下倾角β_s的函数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述针对每一个用户，分别计算其对各个波束的接收增益相对于下倾角组合（β₁，β₂）的函数，包括：

通过如下公式计算第i个用户对第s个波束的接收增益G_si(β_s)：

其中，和θ_i分别为第i个用户对应的方位角和俯仰角，SLLaz和SLLel分别是水平和和垂直方向图的旁瓣电平，SLL_tot是总的旁瓣电平，为第i个用户对第s波束的接收功率，为第i个用户所在基站的天线阵列瞄准轴与x轴的夹角。

4.一种波束赋形设备，其特征在于，作为基站应用于无线通信***中，该设备包括：

位置信息获取模块，用于获取下一个时隙服务所要服务的各个用户的位置信息；

函数调用模块，用于根据位置信息获取模块获取到的位置信息选择各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的总吞吐量函数β1和β2分别表示第1个波束和第2个波束的下倾角，R_i(β₁,β₂)为第i个用户对应的吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的函数，I为两个波束服务的用户的个数；

计算模块，用于采用DIRECT算法计算使最大的下倾角组合（β_1M，β_2M）；

赋形模块，用于将两个波束的下倾角对应的调整为β_1M，β_2M。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述函数调用模块具体用于根据获取到的位置信息确定每一个用户接收各个波束的信号强度相对于下倾角组合（β₁，β₂）的函数，取作为各个用户的总吞吐量相对于下倾角组合（β₁，β₂）的总吞吐量函数 $\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_i({\mathrm{\&beta;}}_1,{\mathrm{\&beta;}}_2);$ 其中，

$R({\mathrm{\&gamma;}}_1,{\mathrm{\&gamma;}}_2,M)=E_X\left[{\log }_2(1+X)\right]={\log }_2\left(e\right)\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{l=0}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_1^{l+1-i}}{{\mathrm{\&gamma;}}_2(i-l)!}\&CenterDot;I_1(\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_1},\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_1}{{\mathrm{\&gamma;}}_2},i,l+1)$

其中I₁(a,b,m,n)为积分表达式，且

$I_1(a,b,m,n)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(-1)}^{i-1}}{{(1-b)}^i}\&CenterDot;I_2(a,b,m,n-i+1)+\frac{I_2(a,1,m,1)}{{(b-1)}^n};$

$I_2(a,b,m,n)=\underset{0}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\frac{x^m{e}^{-\mathrm{ax}}}{{(x+b)}^i}\mathrm{dx}=e^{\mathrm{ab}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\begin{array}{c}m\\ i\end{array}\right){(-b)}^{m-i}{I}_3(a,b,i-n);$

$I_3(a,b,m)=\underset{b}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}{x}^m{e}^{-\mathrm{ax}}\mathrm{dx}=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{ab}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{m!}{i!}\frac{b^i}{a^{m-i+1}}& m\&GreaterEqual;0\\ E_1\left(\mathrm{ab}\right)& m=-1\\ \frac{E_1\left(\mathrm{ab}\right)}{{(-a)}^{-m-1}(-m-1)!}+\frac{e^{-\mathrm{ab}}}{b^{-m-1}}\underset{i=0}{\overset{-m-2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(-\mathrm{ab})}^i(-m-i-2)!}{(-m-1)!}& m\&le;-2\end{array}\right.$

其中，为第i个用户对第s个波束的接收功率，G_si(β_s)表示第i个用户对第s个波束的接收增益相对于第s个波束的下倾角β_s的函数。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述函数调用模块具体通过如下公式计算第i个用户对第s个波束的接收增益G_si(β_s)：

其中，和θ_i分别为第i个用户对应的方位角和俯仰角，SLL_az和SLL_el分别是水平和和垂直方向图的旁瓣电平，SLL_tot是总的旁瓣电平，为第i个用户对第s波束的接收功率，为第i个用户所在基站的天线阵列瞄准轴与x轴的夹角。