CN106034307A - 一种到达角波束赋形权值估计方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种到达角波束赋形权值估计方法和装置，所述方法包括：分别获取基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息；根据所述基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息，估计出信号的到达角DOA；利用估计的所述DOA，生成下行发射权值。本发明所述方法应用在FDD***中时，解决了在FDD***仅能使用闭环BF技术的现状，有效的减少了闭环反馈时的开销及实现复杂度，并且适用于高速移动场景，同时波束赋形技术能有效提升***性能。

Description

一种到达角波束赋形权值估计方法和装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种到达角波束赋形权值估计方法和装置。

背景技术

波束赋形(BF，Beamforming)是自适应阵列智能天线的一种实现方式，是一种在多个阵元组成的天线阵列上实现的数字信号处理技术。它利用有用信号和干扰信号在DOA(Direction of Arrival，到达角)等空间信道特性上的差异，通过对天线阵列设置适当的加权值，在空间上隔离有用信号和干扰信号，实现降低用户间干扰，提升***容量的目的。BF技术已经在TD-LTE、WiMAX、TD-SCDMA等无线网络中得到了广泛的应用。

波束赋形通常有两大类实现方式：DOA BF和MIMO(多输入多输出)BF。

DOA BF技术是通过估计信号的到达角DOA，利用DOA信息生成发射权值，使发射波束主瓣对准最佳路径方向的一种波束赋形方法。

DOA BF技术要求天线阵列间距小(通常小于一个载波波长)，对天线阵元的一致性要求比较高，对农村、郊区、航空信道等直视径占优的场合比较有效。DOA BF技术在非直视径(NLOS：Non Line of Sight)场合，由于DOA估计不准也会使性能下降。因此，对密集城区使用效果不是很理想。

MIMO BF技术是利用信道信息对发射数据进行加权，形成波束的一种波束赋形方法。MIMO BF技术又可分为开环和闭环两种模式。

开环BF技术利用上行信道信息，对发射信号进行加权，不需要接收端反馈信道信息给发射端，发射端通过上行信道自行估计得到。开环BF技术对覆盖和吞吐量的提升都有比较明显的效果。但是，由于需要利用上行信号估计下行发送权值，处理时延大，因此适用于低速场景。另外，开环BF技术利用了上下行信道的互易特性，故***实现时需要对各个收发通路进行校正。

闭环BF技术需要终端反馈信道信息如码本(Codebook)给发射端，利用反馈信息对发射信号进行加权。同样由于受反馈时延的影响，闭环BF技术也只在低速场景有较好的性能。另外，由于受反馈精度的影响，闭环BF技术总体上比开环的性能要略差，但***实现相对简单，不需要对天线收发通道进行校正。

根据业界情况，目前TDD(时分双工)***采用开环BF技术，而闭环BF技术则应用于FDD(频分双工)***。也就是说，FDD***受限于自己的工作模式，只能使用闭环BF技术。所以，如何提供一种解决方案使得FDD***不限于使用闭环BF技术，成为目前亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种解决上述问题的到达角波束赋形权值估计方法和装置。

依据本发明的一个方面，提供一种到达角波束赋形权值估计方法，包括：

分别获取基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息；

根据获取的基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息，估计出信号的到达角DOA；

利用估计的所述DOA，生成下行发射权值。

可选地，本发明所述方法中，所述根据基站和终端的位置信息，估计出信号的到达角DOA，包括：

根据基站和终端的GPS位置信息，建立基站和终端的空间位置模型；

基于所述基站和终端的空间位置模型，计算出基站与终端之间的视径与基站的法线间的夹角θ，即得到信号的到达角DOA。

可选地，本发明所述方法中，所述建立基站和终端的空间位置模型包括：

以终端的位置为原点、以经度为x轴、纬度为y轴、以东向为x轴的正向、北向为y轴的正向，建立起基站和终端的空间位置模型。

可选地，本发明所述方法中，所述基站与终端之间的视径与基站的法线间的夹角式中，表示顺时针为正向的y轴与基站的法线的夹角，x为终端的纬度与基站的纬度的差值、y为终端的经度与基站的经度的差值。

可选地，本发明所述方法中，所述利用估计的所述DOA，生成下行发射权值，具体包括：

利用估计的所述DOA，计算基站天线的阵元导向矢量；

对计算得到的所述阵元导向矢量求共轭，生成下行发射权值。

依据本发明的另一个方面，提供一种到达角波束赋形权值估计装置，包括：

位置信息获取模块，用于分别获取基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息；

到达角估计模块，用于根据所述位置信息获取模块获取的基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息，估计出信号的到达角DOA；

权值计算模块，用于利用估计的所述DOA，生成下行发射权值。

可选地，本发明所述装置中，所述到达角估计模块，具体包括：

建模子模块，用于根据基站和终端的GPS位置信息，建立基站和终端的空间位置模型；

到达角计算子模块，用于基于所述基站和终端的空间位置模型，计算出信号的到达角DOA，即基站与终端之间的视径与基站的法线间的夹角θ。

可选地，本发明所述装置中，所述建模子模块，具体用于以终端的位置为原点、以经度为x轴、纬度为y轴、以东向为x轴的正向、北向为y轴的正向，建立起基站和终端的空间位置模型。

可选地，本发明所述装置中，所述到达角计算子模块计算出的基站与终端之间的视径与基站的法线间的夹角式中，表示顺时针为正向的y轴与基站的法线的夹角，x为终端的纬度与基站的纬度的差值、y为终端的经度与基站的经度的差值。

可选地，本发明所述装置中，所述权值计算模块，具体用于利用估计的所述DOA，计算基站天线的阵元导向矢量，对计算得到的所述阵元导向矢量求共轭，生成下行发射权值。

本发明有益效果如下：

本发明所述方法根据基站和终端的GPS位置信息估计信号的到达角，并利用到达角生成发射权值，该方式便于求取DOA角度，降低了权值生成的复杂度，为实现DOA BF技术提供了新思路。本发明所述方法应用在FDD***中时，解决了在FDD***仅能使用闭环BF技术的现状，有效的减少了闭环反馈时的开销及实现复杂度，并且适用于高速移动场景，同时波束赋形技术能有效提升***性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种到达角波束赋形权值估计方法的流程图；

图2为本发明实施例二提供的一种到达角波束赋形权值估计装置的结构框图；

图3为本发明实施例三提供的一种到达角波束赋形权值估计方法的流程图；

图4为本发明实施例三中基站和终端的空间位置模型图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供一种到达角波束赋形权值估计方法，该方法优选但不限于应用于FDD场景下，如图1所示，所述方法包括如下步骤：

步骤S101，分别获取基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息；

步骤S102，根据获取的基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息，估计出信号的到达角DOA；

步骤S103，利用估计的所述DOA，生成下行发射权值。

也就是说，本发明提出了一种根据基站和终端的GPS位置信息估计信号的到达角，并利用到达角生成发射权值的方案。而利用到达角生成发射权值属于开环BF技术的一种，当该方案应用在FDD***中时，扩展了FDD***使用BF技术的范围，克服了FDD***仅能使用闭环BF技术的现状，有效提升了***的性能。当该方案应用在非FDD***中时，为DOA BF技术提供了新的实现方式。

基于上述原理阐述，下面给出几个具体及优选实施方式，用以细化和优化本发明所述方法的功能，以使本发明方案的实施更方便，准确。需要说明的是，在不冲突的情况下，如下特征可以互相任意组合。具体的：

本发明实施例中，获取的基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息分别为基站和终端内部的GPS模块或者集成有GPS功能的器件获取的GPS位置信息。

进一步地，本发明实施例中，所述根据基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息，估计出信号的到达角DOA，包括：

(1)根据基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息，建立基站和终端的空间位置模型；

其中，建立的基站和终端的空间位置模型优选但不限于为：以终端的位置为原点、以经度为x轴、纬度为y轴、以东向为x轴的正向、北向为y轴的正向，建立起的基站和终端的空间位置模型。

(2)基于基站和终端的空间位置模型，计算出基站与终端之间的视径与基站的法线间的夹角θ，即得到信号的到达角DOA。其中，视径(line of sight)是指：a straight line along which an observer has a clear view，即：一根直线，沿着这根直线，观察者具有清楚的视野。基站的法线指与基站阵列天线垂直的方向。

其中，计算得到的基站与终端之间的视径与基站的法线间的夹角为：式中，表示顺时针为正向的y轴与基站的法线的夹角，x为终端的纬度与基站的纬度的差值、y为终端的经度与基站的经度的差值。

进一步地，本实施例中，利用估计的所述DOA，生成下行发射权值，具体包括：

(1)利用估计的所述DOA，计算基站天线的阵元导向矢量；

其中，计算得到的基站天线的阵元导向矢量为：

a(θ)＝[1,e^{-j2πdsinθ/λ},…,e^{-j(M-1)2πdsinθ/λ}]^T

式中，M为基站接收阵元数目，λ为下行载波波长，d为实际阵元间距，θ为DOA角度。

(2)对计算得到的所述阵元导向矢量求共轭，生成下行发射权值；即：

下行发射权值w＝(a(θ))^*＝[1,e^{j2πdsinθ/λ},…,e^{j(M-1)2πdsinθ/λ}]^T，其中，()^*表示对向量求共轭。

综上所述，可知本发明所提供的BF权值估计方法，根据基站和终端的GPS位置信息估计信号的到达角，利用DOA角度、下行载频信息，天线间距以及基站天线的固有的相位差信息生成下行发射权值，本发明解决了在FDD***仅能使用闭环BF技术的现状。相比现有技术，可以有效提升***性能。

实施例二

本发明实施例提供一种到达角波束赋形权值估计装置，如图2所示，包括：

位置信息获取模块210，用于分别获取基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息；

到达角估计模块220，用于根据位置信息获取模块210获取的基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息，估计出信号的到达角DOA；

权值计算模块230，用于利用估计的所述DOA，生成下行发射权值。

基于上述结构框架及实施原理，下面给出在上述结构下的几个具体及优选实施方式，用以细化和优化本发明所述装置的功能，以使本发明方案的实施更方便，准确。需要说明的是，在不冲突的情况下，如下特征可以互相任意组合。具体的：

本发明实施例中，位置信息获取模块210获取的基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息分别为基站和终端内部的GPS模块或者集成有GPS功能的器件获取的GPS位置信息。

进一步地，本发明实施例中，到达角估计模块220，具体包括：

建模子模块，用于根据基站和终端的GPS位置信息，建立基站和终端的空间位置模型；

到达角计算子模块，用于基于所述基站和终端的空间位置模型，计算出基站与终端之间的视径与基站的法线间的夹角θ，即信号的到达角DOA。

其中，建模子模块建立的基站和终端的空间位置模型优选为以终端的位置为原点、以经度为x轴、纬度为y轴、以东向为x轴的正向、北向为y轴的正向，建立起的基站和终端的空间位置模型。

按照上述建模方式，计算出的基站与终端之间的视径与基站的法线间的夹角式中，表示顺时针为正向的y轴与基站的法线的夹角，x为终端的纬度与基站的纬度的差值、y为终端的经度与基站的经度的差值。

进一步地，本发明实施例中，权值计算模块230，具体用于利用估计的所述DOA，计算基站天线的阵元导向矢量，对计算得到的所述阵元导向矢量求共轭，生成下行发射权值。

综上所述，本发明实施例提出了一种根据基站和终端的GPS位置信息估计信号的到达角，并利用到达角生成发射权值的方案。而利用到达角生成发射权值属于开环BF技术的一种，当该方案应用在FDD***中时，扩展了FDD***使用BF技术的范围，克服了FDD***仅能使用闭环BF技术的现状，有效提升了***的性能。当该方案应用在非FDD***中时，为DOA BF技术提供了新的实现方式。

实施例三

本发明实施例提供一种到达角波束赋形权值估计方法，其给出一个具体的应用示例，通过公开更多的技术细节，对本发明的实施过程进行详细说明，以更好的支持实施例一、二所述的方案。需要说明的是，本实施例公开的技术细节用以解释本发明，并不用于唯一限定本发明。

本实施例中，以基站端采用8根双极化天线、终端为飞机为例进行阐述。如图3所示，本实施例提供的方法包括如下步骤：

步骤S301，获取基站(BS)的GPS位置信息和终端(UE)的GPS位置信息。

其中，基站的GPS位置信息，通过基站的CC板(控制与时钟板)获取；

终端的GPS位置信息，由同机的CDMA ATG***获知并通知LTE ATG基站。

步骤S302，通过基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息，进行基站和终端空间位置建模，并计算波束到达角(DOA)，记为θ。

如图4所示，为基站和终端的空间位置模型。该模型将UE放在直角坐标系的原点O，点A表示UE和BS经纬度的差值，记为A(c-a,d-b)＝A(x,y)，其中，(a，b)为基站的纬度和经度，(c，d)为终端的纬度和经度。

假设已知BS的法线与Y轴(北向)夹角，(顺时针为正，与导向矢量相关)；

BS和UE之间视径与X轴夹角∠BOA＝α(坐标系中逆时针为正)；

BS和UE之间视径与Y轴夹角∠YOA＝β＝90+α(逆时针方向)，∠YOA＝360-β(顺时针方向)；

BS和UE之间视径与BS法线之间夹角∠COA＝θ(以法线为中心相对值)，即为所求BS和UE之间到达角DOA，可以用于波束赋形时的权值计算。

BS和UE之间视径与X轴夹角：

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{AB}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{OB}}}\right)=\arctan \left(\frac{y}{x}\right)$

BS和UE之间视径与北向夹角(逆时针)：

$\mathrm{\β}=90+\mathrm{\α}=90+\arctan \left(\frac{y}{x}\right)$

BS和UE之间视径与北向夹角(顺时针)：

$\mathrm{\γ}=360-\mathrm{\β}=360-(90+\arctan \left(\frac{y}{x}\right))=270-\arctan \left(\frac{y}{x}\right)$

可得视径和法线之间夹角θ，即DOA如下：

步骤S303，计算阵元导向矢量；

a(θ)＝[1,e^{-j2πdsinθ/λ},…,e^{-j(M-1)2πdsinθ/λ}]^T

其中，M为基站接收阵元数目，λ为下行载波波长，d为实际阵元间距，θ为DOA角度。

步骤S304，生成下行发射权值；

w＝(a(θ))^*＝[1,e^{j2πdsinθ/λ},…,e^j(M _- ^{1)2πdsinθ/λ}]^T，其中，()^*表示对向量求共轭。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种到达角波束赋形权值估计方法，其特征在于，包括：

分别获取基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息；

根据获取的基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息，估计出信号的到达角DOA；

利用估计的所述DOA，生成下行发射权值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据基站和终端的位置信息，估计出信号的到达角DOA，包括：

根据基站和终端的GPS位置信息，建立基站和终端的空间位置模型；

基于所述基站和终端的空间位置模型，计算出基站与终端之间的视径与基站的法线间的夹角θ，得到信号的到达角DOA。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立基站和终端的空间位置模型包括：

以终端的位置为原点、以经度为x轴、纬度为y轴、以东向为x轴的正向、北向为y轴的正向，建立起基站和终端的空间位置模型。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基站与终端之间的视径与基站的法线间的夹角式中，表示顺时针为正向的y轴与基站的法线的夹角，x为终端的纬度与基站的纬度的差值、y为终端的经度与基站的经度的差值。

5.如权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，所述利用估计的所述DOA，生成下行发射权值，具体包括：

利用估计的所述DOA，计算基站天线的阵元导向矢量；

对计算得到的所述阵元导向矢量求共轭，生成下行发射权值。

6.一种到达角波束赋形权值估计装置，其特征在于，包括：

位置信息获取模块，用于分别获取基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息；

到达角估计模块，用于根据所述位置信息获取模块获取的基站的GPS位置信息和终端的GPS位置信息，估计出信号的到达角DOA；

权值计算模块，用于利用估计的所述DOA，生成下行发射权值。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述到达角估计模块，具体包括：

建模子模块，用于根据基站和终端的GPS位置信息，建立基站和终端的空间位置模型；

到达角计算子模块，用于基于所述基站和终端的空间位置模型，计算出基站与终端之间的视径与基站的法线间的夹角θ，得到信号的到达角DOA。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述建模子模块，具体用于以终端的位置为原点、以经度为x轴、纬度为y轴、以东向为x轴的正向、北向为y轴的正向，建立起基站和终端的空间位置模型。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述到达角计算子模块计算出的基站与终端之间的视径与基站的法线间的夹角式中，表示顺时针为正向的y轴与基站的法线的夹角，x为终端的纬度与基站的纬度的差值、y为终端的经度与基站的经度的差值。

10.如权利要求6至9任意一项所述的装置，其特征在于，所述权值计算模块，具体用于利用估计的所述DOA，计算基站天线的阵元导向矢量，对计算得到的所述阵元导向矢量求共轭，生成下行发射权值。