CN105099534A - 基于定位信息辅助的大规模多输入多输出波束赋形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于定位信息辅助的大规模多输入多输出波束赋形方法，用于解决现有大规模多输入多输出波束赋形方法中存在的运算复杂度高的问题，包括如下步骤：(1)用户终端获取其定位信息，并将该定位信息发送给基站；(2)基站获取自己的定位信息；(3)基站根据自己和用户终端的定位信息计算波达方向角；(4)基站根据波达方向角计算波束赋形向量。本发明将Massive？MIMO波束赋形方法与定位技术相结合，具有运算简单、信息反馈量小、时延短和***容量大且通信协议简单的特点，可用于在室外环境实现Massive？MIMO***的波束赋形发送。

Description

基于定位信息辅助的大规模多输入多输出波束赋形方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种基于定位信息辅助的大规模多输入多输出(MassiveMIMO)***的波束赋形方法，可用于在室外环境实现MassiveMIMO***的波束赋形发送。
技术背景
美国的GPS、俄罗斯的GLONASS***已经建成并广泛运用，导航定位理论与技术趋于成熟。为提高导航定位的自主性、安全性和完好性，我国自主研发了北斗卫星导航定位***，目前北斗二代卫星导航定位***正在试运营阶段。另外还有无线定位、陀罗定位等定位技术，都在不断的发展。目前定位技术已经在通信、水利、交通等多个领域得到了成功的应用，而且越来越多的研究人员在尝试将这些先进的定位技术应用到无线通信技术的研究中来。
大规模多输入多输出(MassiveMIMO)技术是对传统多用户MIMO技术的拓展和延伸，其最主要的特征是在基站端配置了大规模的天线(几十以至于上千)，并同时服务于多个用户端。由于其高频谱效率、高能量效率和高鲁棒性等优势，MassiveMIMO技术成为未来5G通信三大革新技术之一。
MassiveMIMO技术的研究主要是针对多用户产生准确的定向波束，实现用户级波束赋形。MassiveMIMO***的基站端配置了大量低功耗的天线，并且可以通过AAS技术独立地控制每个天线，从而有效降低了多用户之间的干扰，提高了频谱效率和信道容量。然而目前依然存在着用户间干扰、资源开销过大和运算复杂度高等问题。基站要对用户产生准确的定向波束，并考虑用户的移动特性，就必须与用户之间交互大量的信息，这就需要占用很多额外的资源，另外波束赋形向量的获得需要进行复杂的运算。特别是当用户数量比较多时，额外的反馈资源开销和运算量都会是波束赋形算法不得不面对的困难。另外，受信道估计、信息反馈误差等各种因素的影响，基站获取的用户信息往往是不完善的，因而基站对发射信号进行预处理，不能像获得了完美信息时一样完全消除用户间干扰。
为解决上述波束赋形方法的不足，研究人员提出了一些波束优化方法，如中国专利申请，申请公布号CN104486775A，发明名称为“基于用户位置的跟踪预测的有源天线阵列波束优化方法”，公开了一种有源天线阵列波束优化方法。该发明根据用户位置的历史信息，采用滤波算法实现了用户位置的跟踪与预测，从而减少了基站与用户之间的信息交互，提高了频谱资源利用率；同时结合优化的波束功率分配方法，提高了***的容量与性能。该发明虽然减少了额外的资源开销，但是由于预测时要建立用户的运动模型和测量模型，方法仍然较为复杂。特别是当用户的运动状态较为复杂时，该方法复杂度也随之提高，且预测误差会比较大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于定位信息辅助的MassiveMIMO波束赋形方法，用于解决MassiveMIMO波束赋形方法中存在的运算复杂度高的问题。
本发明实现的基本思路是，室外环境下，由于遮挡很少，可以假设所有用户都在定位***可直视区域内，此时很容易实现准确定位。定位***可以采用北斗卫星导航定位***、GPS、无线定位***等。将基站和用户的定位信息充分利用起来，既可以获得准确的相对位置信息，也可以对下一时刻进行预测。基站有了这些定位信息，就可以利用更精准的波束赋形权值来进行处理。同时也可以结合波束赋形码本的研究，给用户间一个更精确和互相干扰最小的空间划分。
根据上述基本思路，实现本发明目的采取的技术方案为：
一种基于定位信息辅助的MassiveMIMO波束赋形方法,包括如下步骤：
(1)用户终端d获取定位信息(xd,yd,zd,td,vd,ad)，并将该定位信息(xd,yd,zd,td,vd,ad)发送给基站s；其中xd,yd和zd分别是用户终端d在空间中的三维坐标值，td是用户终端d获取定位信息的时间，vd是用户终端d的速度，ad是用户终端d的加速度；
(2)基站s获取定位信息(xs,ys,zs,ts,vs,zs)；其中xs,ys和zs分别是基站s在空间中的三维坐标值，ts是基站s获取定位信息的时间，vs是基站s的速度，as是基站s的加速度；
(3)基站s根据自己和用户终端d的定位信息计算波达方向角θds；
θds＝arg(ρd-ρs)(1)
其中，ρd是用户终端d的位置坐标，ρs是基站s的位置坐标，令，
ρd＝(xd,yd,zd)(2)
ρs＝(xs,ys,zs)(3)
(4)基站s根据波达方向角θds计算波束赋形向量Wd；
Wd＝[w1,w2,...,wL](4)
其中，L为基站s对用户终端d做波束赋形处理的天线数，w1,w2,...,wL分别表示第1根，第2根，……，第L根天线的权值，令
wl＝Alexp(-jτl)，l＝1,2,...,L(5)
其中，wl是第l根天线的权值，Al为波束赋形运算的响应幅度，τl是各天线对应的相位，令
τl＝(2π/λ)(l-1)(λ/2)cosθds(6)
其中，λ表示发送信号的波长，
将公式(1)带入公式(6)，进而根据公式(5)和(4)，就计算出了基站s对用户终端d的波束赋形向量。
上述基于定位信息辅助的MassiveMIMO波束赋形方法，实现该方法所依据的通信协议，包括如下流程：
步骤一，用户终端d主动与基站s建立连接；
步骤二，用户终端d将自己的定位信息发送给基站s；
步骤三，基站s进行波束对准，实现数据传输；
步骤四，用户终端d与基站s释放连接。
上述基于定位信息辅助的MassiveMIMO波束赋形方法，步骤(1)所述的用户终端d为在室外环境下，定位***可直视区域内的任一用户终端。
上述基于定位信息辅助的MassiveMIMO波束赋形方法，步骤(2)所述的基站s获取的定位信息(xs,ys,zs,ts,vs,zs)中，基站s的速度vs和加速度as均为0。
上述基于定位信息辅助的MassiveMIMO波束赋形方法，步骤(4)所述的基站s根据波达方向角θds计算波束赋形向量Wd时，基站s的天线阵列是均匀分布的，且相邻天线的间隔为λ/2，λ表示发送信号的波长。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明由于波束赋形向量是通过利用基站s和用户终端d的定位信息进行简单计算而得到的，与现有技术通过用户位置的跟踪与预测，建立用户的运动模型和测量模型而得到相比，减少了额外资源开销的同时，降低了运算的复杂度，并且有效地降低了信息处理的时延。
2.本发明由于用户终端d获取的定位信息是唯一的，多用户反馈给基站s的定位信息之间不会产生干扰，与现有方法中基站得到的多用户的反馈信息之间存在干扰相比，降低了用户之间的干扰，提高了***的容量。
3.本发明由于有了定位技术的辅助，所依据的通信协议过程简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明的通信***示意图；
图2是本发明的方法流程图；
图3是本发明的通信协议流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步详细描述。
参照附图1，本发明的通信***包括定位***、用户终端和基站终端三部分。定位***可以采用GPS、北斗导航定位***、无线定位***等，具体根据通信***在实时性和准确度等方面的要求或根据用户终端客观条件的限制，可以选择不同的定位***。假设***所有终端采用的都是北斗卫星导航定位***，基站终端和用户终端同时集成北斗导航定位装置，且在本发明强调的室外开阔环境下，所有终端都可以通过直射路径直接与导航卫星通信，从而获取定位信息。基站终端根据每个用户终端的准确位置实现波束对准，是实现MassiveMIMO波束赋形的核心。基站终端配置有大型阵列天线，可以将天线分块灵活地分配给不同的用户终端，这样可以进一步提供***容量。MassiveMIMO波束赋形技术可以提高***的覆盖范围，同时服务于更多用户终端。用户终端可以是手机、平板电脑等装有少量天线的装置，也可以是装有阵列天线的其它装置。另外为了保证准确度，在通信过程中其定位信息必须进行实时交互。
参照附图2，本发明包括如下步骤：
步骤1，用户终端d获取定位信息(xd,yd,zd,td,vd,ad)，并将该定位信息(xd,yd,zd,td,vd,ad)发送给基站s；
其中xd,yd和zd分别是用户终端d在空间中的三维坐标值，td是用户终端d获取定位信息的时间，vd是用户终端d的速度，ad是用户终端d的加速度；
本发明应用于室外环境的多用户MassiveMIMO***，用户终端d为在室外环境下，定位***可直视区域内的任一用户终端。
考虑使用定位信息是基于其具有简洁、高精度和唯一性的优点，是对传统方法反馈信道信息的改革，不存在导频污染的问题。在目前以及未来定位技术的基础上，利用定位信息不需要多高的成本，且实时获取定位信息比现有波束优化技术中通过预测来得到位置信息更加准确与可靠。定位信息包含六要素，其中速度和加速度都是矢量，有方向性，可以反映终端此刻的运动状态。
步骤2，基站s获取定位信息(xs,ys,zs,ts,vs,zs)；
其中xs,ys和zs分别是基站s在空间中的三维坐标值，ts是基站s获取定位信息的时间，vs是基站s的速度，as是基站s的加速度；
一般而言基站的位置坐标是确定的，不随时间改变，所以可以存储其定位信息，不用不断地与定位***交互来获取其定位信息，且其速度vs和加速度as都是0。ts与td相近。
步骤3，基站s根据自己和用户终端d的定位信息计算波达方向角θds；
θds＝arg(ρd-ρs)(1)
其中，ρd是用户终端d的位置坐标，ρs是基站s的位置坐标，令，
ρd＝(xd,yd,zd)(2)
ρs＝(xs,ys,zs)(3)
要注意的是，由于是实时定位的，这里只利用了位置坐标ρd＝(xd,yd,zd)和ρs＝(xs,ys,zs)来计算波达方向角。当用户终端d的速度vd较高时，在极短的时间内基站s与用户终端d的相对位置都会发生比较明显的变化，从而使得定向发送误差较大，不能满足服务质量的要求。此时就需要利用基站s和用户终端d的时间、速度和加速度信息，来预测出基站发送数据时刻的相对位置，然后再计算波达方向角θds。具体什么情况下需要通过预测来计算相对位置，与用户终端d的速度和通信质量的要求有关。
本发明所说的预测与上述专利“基于用户位置的跟踪预测的有源天线阵列波束优化方法”中的预测不同，该专利是通过建立模型，根据历史的位置信息来预测下一刻的位置，这就要求下一刻与之前的运动规律相近，而本发明是根据用户d实际的位置坐标与速度和加速度矢量信息来预测新的位置坐标，显然本发明的预测结果更为可靠。
步骤4，基站s根据波达方向角θds计算波束赋形向量Wd；
Wd＝[w1,w2,...,wL](4)
其中，L为基站s对用户终端d做波束赋形处理的天线数，w1,w2,...,wL分别表示第一根，第二根，……，第L根天线的权值，令
wl＝Alexp(-jτl)，l＝1,2,...,L(5)
其中，wl是第l根天线的权值，Al为波束赋形运算的响应幅度，τl是各天线对应的相位，令
τl＝(2π/λ)(l-1)(λ/2)cosθds(6)
其中，λ表示发送信号的波长，
将公式(1)带入公式(6)，进而根据公式(5)和(4)，就计算出了基站s对用户终端d的波束赋形向量。
这里假设基站s的阵列天线是均匀分布的，且相邻天线的间隔为λ/2，λ表示发送信号的波长。若天线分布不同，则基站s根据波达方向角θds计算波束赋形向量Wd时，则需要按照相应的方法来计算。
本发明既可以根据定位信息直接计算出波束赋形向量，灵活地分配天线实现多用户的定向传输，也可以考虑将反馈定位信息与波束赋形码本的研究相结合，进一步从空间角度优化波束，给用户间一个更精确和互相干扰最小的空间划分。码本的设计需要匹配信道特性，往往是预先设计好的，并且可能随着环境的变化不断调整更新。这时只需要根据相对位置找出最接近的码本向量，然后整体优化，实现对整个***而言最优的赋形方案。
参照附图3，本发明所依据的通信协议具体流程如下：
步骤一，用户终端d主动与建立连接；
用户终端d通过三次握手与基站s建立连接。
步骤二，用户终端d将自己的定位信息发送给基站s；
用户终端d首先通过定位***获取其实时、准确的定位信息，然后发送给基站s，此时用户终端d给基站s的反馈信息简洁明了，不会与其他用户混淆。
步骤三，基站s进行波束对准，实现数据传输；
基站s接收到用户终端d的定位信息以后，也通过定位***获取自己的定位信息，然后利用相对位置计算出波达方向角，进而计算出波束赋形向量，就可以定向地向用户终端d传输数据；传输数据过程中，当基站s与用户终端d的相对位置或者信道环境发生明显变化导致不能有效通信时，就需要返回步骤2重新进行定位。
步骤四，用户终端d与基站s释放连接。
在完成本次通信业务之后，用户终端d向基站s断开连接，即用户终端d暂时退出该通信网络。

Claims (5)

1.一种基于定位信息辅助的大规模多输入多输出波束赋形方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)用户终端d获取定位信息(xd,yd,zd,td,vd,ad)，并将该定位信息(xd,yd,zd,td,vd,ad)发送给基站s；其中xd,yd和zd分别是用户终端d在空间中的三维坐标值，td是用户终端d获取定位信息的时间，vd是用户终端d的速度，ad是用户终端d的加速度；
(2)基站s获取定位信息(xs,ys,zs,ts,vs,zs)；其中xs,ys和zs分别是基站s在空间中的三维坐标值，ts是基站s获取定位信息的时间，vs是基站s的速度，as是基站s的加速度；
(3)基站s根据自己和用户终端d的定位信息计算波达方向角θds；
θds＝arg(ρd-ρs)(1)
其中，ρd是用户终端d的位置坐标，ρs是基站s的位置坐标，令，
ρd＝(xd,yd,zd)(2)
ρs＝(xs,ys,zs)(3)
(4)基站s根据波达方向角θds计算波束赋形向量Wd；
Wd＝[w1,w2,...,wL](4)
其中，L为基站s对用户终端d做波束赋形处理的天线数，w1,w2,...,wL分别表示第一根，第二根，……，第L根天线的权值，令
wl＝Alexp(-jτl)，l＝1,2,...,L(5)
其中，wl是第l根天线的权值，Al为波束赋形运算的响应幅度，τl是各天线对应的相位，令
τl＝(2π/λ)(l-1)(λ/2)cosθds(6)
其中，λ表示发送信号的波长，
将公式(1)带入公式(6)，进而根据公式(5)和(4)，就计算出了基站s对用户终端d的波束赋形向量。
2.根据权利要求1所述的基于定位信息辅助的大规模多输入多输出波束赋形方法，其特征在于，实现该方法所依据的通信协议，包括如下流程：
步骤一，用户终端d主动与基站s建立连接；
步骤二，用户终端d将自己的定位信息发送给基站s；
步骤三，基站s进行波束对准，实现数据传输；
步骤四，用户终端d与基站s释放连接。
3.根据权利要求1所述的基于定位信息辅助的大规模多输入多输出波束赋形方法，其特征在于，步骤(1)所述的用户终端d为在室外环境下，定位***可直视区域内的任一用户终端。
4.根据权利要求1所述的基于定位信息辅助的大规模多输入多输出波束赋形方法，其特征在于，步骤(2)所述的基站s获取的定位信息(xs,ys,zs,ts,vs,zs)中，基站s的速度vs和加速度as均为0。
5.根据权利要求1所述的基于定位信息辅助的大规模多输入多输出波束赋形方法，其特征在于，步骤(4)所述的基站s根据波达方向角θds计算波束赋形向量Wd时，基站s的天线阵列是均匀分布的，且相邻天线的间隔为λ/2，λ表示发送信号的波长。
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