CN107276653B - 一种多天线合并和波束赋形方法和装置 - Google Patents

一种多天线合并和波束赋形方法和装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种多天线合并和波束赋形方法和装置，包括：对于每个用户设备，按照预设的天线分组，对该用户设备的上行接收数据进行分组，并且对于每组所述上行接收数据，采用集中式合并的方法进行组内数据合并，得到该组的第一级合并结果和第一级合并权值；对于每个所述用户设备，采用分散式合并的方法，将该用户设备的所有组的所述第一级合并结果进行合并，得到所述用户设备的第二级合并结果和第二级合并权值；对于每个用户设备，利用该用户设备的所有组的所述第一级合并权值和其所述第二级合并权值，根据上下行信道互易性，确定出该用户设备的波束赋形权值，利用波束赋形权值对该用户设备的下行数据进行波束赋形。本发明易于实现且性能较好。

Description

一种多天线合并和波束赋形方法和装置
技术领域
本发明涉及移动通信技术，特别是涉及一种多天线合并和波束赋形方法和装置。
背景技术
波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，波束赋形通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而能够获得明显的阵列增益。因此，波束赋形技术在扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量以及干扰抑止等方面都有很大的优势。
现有的波束赋形实现方案中，需要基于波束赋形因子对下行数据进行波束赋形。在计算波束赋形因子时，是根据TDD***的上下行信道互易性，利用上行导频数据估计出信道向量而得到的。
随着无线终端数据流量需求的***式增长，在5G***中将引入大规模天线技术，以使基站在相同的时频资源上同时服务多个用户，对频谱效率等带来明显的好处。根据众多资料描述，配备了大规模天线的基站，从基站到各用户的信道表现出确定性，不同用户的信道向量间渐进表现出正交性，即使不采用联合检测技术，和传统MIMO相比仍然能够获得很好的效果。但即便这样，由于天线规模巨大，物理层的上行数据合并计算的复杂性在实现层面是一个不得不面对的问题。
目前，通用的多天线数据合并方法主要有两类，一类是集中处理的方式实现，如迫零均衡(ZF)方法和最小均方误差估计(MMSE)方法，另一类是分散处理的方式实现，如最大比例合并(MRC)方法。其中，前一类方法涉及到复杂的矩阵运算，采用集中处理的方式实现，如此可以获得较准确的解码结果，但是在天线数量较大规模时，集中式矩阵运算量大、复杂度高，对集中处理模块的运算能力要求高。后一类方法采用了分散处理接收数据的方式，仅需要选择合适的合并权值进行线性合并即可，可以降低运算的复杂性，但是，相较于集中处理的方式，其解码性能会有损失。由此可见，现有的多天线数据合并方法存在运算量大复杂度高或者解码性能低的问题，这样，就会导致基于上行天线数据合并权值结果进行波束赋形时会存在运算量大、复杂度高或波束赋形性能低的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多天线合并和波束赋形方法和装置，易于实现且性能较好。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：
一种多天线合并和波束赋形方法，包括：
对于每个用户设备，按照预设的天线分组，对该用户设备的上行接收数据进行分组，并且对于每组所述上行接收数据，采用集中式合并的方法进行组内数据合并，得到该组的第一级合并结果和第一级合并权值；
对于每个所述用户设备，采用分散式合并的方法，将该用户设备的所有组的所述第一级合并结果进行合并，得到所述用户设备的第二级合并结果和第二级合并权值；
对于每个所述用户设备，利用该用户设备的所有组的所述第一级合并权值和其所述第二级合并权值，根据上下行信道互易性，确定出该用户设备的波束赋形权值，利用所述波束赋形权值对该用户设备的下行数据进行波束赋形。
一种多天线合并和波束赋形装置，包括：
一级合并单元，用于对于每个用户设备，按照预设的天线分组，对该用户设备的上行接收数据进行分组，并且对于每组所述上行接收数据，采用集中式合并的方法进行组内数据合并，得到该组的第一级合并结果和第一级合并权值；
二级合并单元，用于对于每个所述用户设备，采用分散式合并的方法，将该用户设备的所有组的所述第一级合并结果进行合并，得到所述用户设备的第二级合并结果和第二级合并权值；
波束赋形单元，用于对于每个所述用户设备，利用该用户设备的所有组的所述第一级合并权值和其所述第二级合并权值，根据上下行信道互易性，确定出该用户设备的波束赋形权值，利用所述波束赋形权值对该用户设备的下行数据进行波束赋形。
综上所述，本发明提出的多天线合并和波束赋形方法和装置，采用二级合并处理的方式，先对每个用户的上行信号按天线组进行分组，在组内采用集中式合并方法进行合并，然后再将所有组的合并结果按照分散式合并的方法进行合并，如此，利用二级合并，既可以利用集中合并处理的优点提高合并结果的准确性，又可以利用分散合并处理的优点降低合并的复杂性，由于仅是在组内采用集中合并方法，因此，可以有效减少集中合并处理的数据量，降低运算复杂性，有效规避集中合并处理的瓶颈。由此可见，本发明易于实现且性能较好。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程示意图。
图2为本发明实施例的装置流程示意图。
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，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
本发明的核心思想是：对天线进行分组，先对各组内天线接收信号采用集中处理的方式合并，然后再将各组的合并数据采用分散处理的方式合并，如此，可以利用集中处理的优点提高合并结果的准确性，同时还可以利用分散处理的优点降低合并的复杂性。
图1为本发明实施例的流程示意图，如图1所示，该实施例主要包括：
步骤101、对于每个用户设备，按照预设的天线分组，对该用户设备的上行接收数据进行分组，并且对于每组所述上行接收数据，采用集中式合并的方法进行组内数据合并，得到该组的第一级合并结果和第一级合并权值。
本步骤，用于对用户设备的上行接收数据进行第一级合并，该第一级合并是以组为单位执行的，即在每组内采用集中式合并的方法进行合并，这样，在具有大规模天线的TDD-LTE***中(一种典型的场景是基站部署几十或上百根天线，同时与多个终端通信)，一方面，可以利用集中合并处理的优点提高合并结果的准确性，另一方面，将集中式合并数据规模控制在一个组的范围内，可以有效减少集中合并处理的数据量，降低运算复杂性，有效规避集中合并处理的瓶颈。
所述天线分组，是预先对基站侧的大规模天线进行分组得到的，每组具体包含的天线数，可由本领域技术人员根据用于集中处理的硬件的处理能力进行设置。
较佳地，所述集中式合并的方法可以为迫零均衡ZF方法或最小均方误差估计MMSE方法。
具体地，在组内利用上述集中式合并的方法进行合并时，得到一组的第一级合并权值后，将根据该第一级合并权值计算出该组的第一级合并结果，该进行合并的具体过程为本领域技术人员所掌握，在此不再赘述。
步骤102、对于每个所述用户设备，采用分散式合并的方法，将该用户设备的所有组的所述第一级合并结果进行合并，得到所述用户设备的第二级合并结果和第二级合并权值。
本步骤，用于采用分散式合并方法将步骤101中得到的各组的第一级合并结果进行合并处理，得到第二级合并结果和第二级合并权值。这样，就完成了对用户设备的上行数据的合并，此后，再利用第一级合并权值和第一级合并权值，根据TDD信道互易性，即可得到用户设备的波束赋形权值。
具体地，所述分散式合并的方法可以为最大比例合并MRC方法，在具体合并时，先得到第二级合并权值，然后再利用第二级合并权值，得到第二级合并结果。
较佳地，本步骤中，对于每个所述用户设备，可以按照
Figure BDA0000959655820000041
得到该用户设备的第二级合并权值，其中，k为用户设备编号，w2 k为用户设备k的第二级合并权值，所述hnk l为用户设备k与第l组天线中的第n根天线之间的信道增益,l＝1，2，...，L，L为天线分组数，K为所述用户设备的总数，所述N为每组天线中的天线数。
较佳地，对于每个所述用户设备，可以按照
Figure BDA0000959655820000042
得到该用户设备的第二级合并权值
Figure BDA0000959655820000043
其中，所述k为用户设备编号，w2 k为用户设备k的第二级合并权值，
Figure BDA0000959655820000044
Figure BDA0000959655820000045
为所述用户设备k的第l组上行接收数据对应的所述第一级合并结果。
步骤103、对于每个所述用户设备，利用该用户设备的所有组的所述第一级合并权值和其所述第二级合并权值，根据上下行信道互易性，确定出该用户设备的波束赋形权值，利用所述波束赋形权值对该用户设备的下行数据进行波束赋形。
本步骤，利用TDD***的上下行信道互易性，基于上述步骤得到的第一、二级合并权值，即可得到用户设备的波束赋形权值。
较佳地，对于每个所述用户设备，可以按照Wk＝w1 kw2 k H，进行所述波束赋形。
其中，w1 k＝[w1 k1 w1 k2 ... w1 kL]，w1 kl为用户设备k的第l组上行接收数据对应的所述第一级合并权值，w2 k为用户设备k的所述第二级合并权值。
图2为与上述方法相对应的一种多天线合并和波束赋形装置，如图2所示，该装置包括：
一级合并单元，用于对于每个用户设备，按照预设的天线分组，对该用户设备的上行接收数据进行分组，并且对于每组所述上行接收数据，采用集中式合并的方法进行组内数据合并，得到该组的第一级合并结果和第一级合并权值。
二级合并单元，用于对于每个所述用户设备，采用分散式合并的方法，将该用户设备的所有组的所述第一级合并结果进行合并，得到所述用户设备的第二级合并结果和第二级合并权值。
波束赋形单元，用于对于每个所述用户设备，利用该用户设备的所有组的所述第一级合并权值和其所述第二级合并权值，根据上下行信道互易性，确定出该用户设备的波束赋形权值，利用所述波束赋形权值对该用户设备的下行数据进行波束赋形。
较佳地，所述集中式合并的方法为迫零均衡ZF方法或最小均方误差估计MMSE方法，所述分散式合并的方法为最大比例合并MRC方法。
较佳地，所述二级合并单元，用于对于每个所述用户设备，按照
Figure BDA0000959655820000051
得到该用户设备的第二级合并权值，其中，k为用户设备编号，w2 k为用户设备k的第二级合并权值，所述hnk l为用户设备k与第l组天线中的第n根天线之间的信道增益,l＝1，2，...，L，L为天线分组数，K为所述用户设备的总数，所述N为每组天线中的天线数。
较佳地，所述二级合并单元，用于对于每个所述用户设备，按照
Figure BDA0000959655820000052
得到该用户设备的第二级合并权值
Figure BDA0000959655820000061
其中，所述k为用户设备编号，w2 k为用户设备k的第二级合并权值，
Figure BDA0000959655820000062
Figure BDA0000959655820000063
为所述用户设备k的第l组上行接收数据对应的所述第一级合并结果。
较佳地，所述波束赋形单元，用于对于每个所述用户设备，按照Wk＝w1 kw2 k H，进行所述波束赋形，其中，w1 k＝[w1 k1 w1 k2 ... w1 kL]，w1 kl为用户设备k的第l组上行接收数据对应的所述第一级合并权值，w2 k为用户设备k的所述第二级合并权值。
通过上述技术方案可以看出，本发明可以将大量的集中式的计算分解成可以并行处理的多组，每组由多根天线组成，组内进行相对复杂的集中式合并处理，组之间进行简单的分散式合并，可以避免大量数据的集中处理，且保证性能损失不大。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多天线合并和波束赋形方法，其特征在于，包括：
对于每个用户设备，按照预设的天线分组，对该用户设备的上行接收数据进行分组，并且对于每组所述上行接收数据，采用集中式合并的方法进行组内数据合并，得到该组的第一级合并结果和第一级合并权值；其中，每组所述天线分组包含的天线数量根据用于集中式合并处理的硬件处理能力设置；
对于每个所述用户设备，采用分散式合并的方法，将该用户设备的所有组的所述第一级合并结果进行合并，得到所述用户设备的第二级合并结果和第二级合并权值；
对于每个所述用户设备，利用该用户设备的所有组的所述第一级合并权值和其所述第二级合并权值，根据上下行信道互易性，确定出该用户设备的波束赋形权值，利用所述波束赋形权值对该用户设备的下行数据进行波束赋形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集中式合并的方法为迫零均衡ZF方法或最小均方误差估计MMSE方法，所述分散式合并的方法为最大比例合并MRC方法。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于每个所述用户设备，按照
Figure FDA0002772220020000011
得到该用户设备的第二级合并权值，其中，k为用户设备编号，w2 k为用户设备k的第二级合并权值，所述hnk l为用户设备k与第l组天线中的第n根天线之间的信道增益,l＝1，2，...，L，L为天线分组数，K为所述用户设备的总数，所述N为每组天线中的天线数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于每个所述用户设备，按照
Figure FDA0002772220020000012
得到该用户设备的第二级合并权值
Figure FDA0002772220020000013
其中，所述k为用户设备编号，w2 k为用户设备k的第二级合并权值，
Figure FDA0002772220020000021
Figure FDA0002772220020000022
为所述用户设备k的第l组上行接收数据对应的所述第一级合并结果。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于每个所述用户设备，按照
Figure FDA0002772220020000023
进行所述波束赋形，其中，w1 k＝[w1 k1 w1 k2...w1 kL]，w1 kl为用户设备k的第l组上行接收数据对应的所述第一级合并权值，w2 k为用户设备k的所述第二级合并权值。
6.一种多天线合并和波束赋形装置，其特征在于，包括：
一级合并单元，用于对于每个用户设备，按照预设的天线分组，对该用户设备的上行接收数据进行分组，并且对于每组所述上行接收数据，采用集中式合并的方法进行组内数据合并，得到该组的第一级合并结果和第一级合并权值；其中，每组所述天线分组包含的天线数量根据用于集中式合并处理的硬件处理能力设置；
二级合并单元，用于对于每个所述用户设备，采用分散式合并的方法，将该用户设备的所有组的所述第一级合并结果进行合并，得到所述用户设备的第二级合并结果和第二级合并权值；
波束赋形单元，用于对于每个所述用户设备，利用该用户设备的所有组的所述第一级合并权值和其所述第二级合并权值，根据上下行信道互易性，确定出该用户设备的波束赋形权值，利用所述波束赋形权值对该用户设备的下行数据进行波束赋形。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述集中式合并的方法为迫零均衡ZF方法或最小均方误差估计MMSE方法，所述分散式合并的方法为最大比例合并MRC方法。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述二级合并单元，用于对于每个所述用户设备，按照
Figure FDA0002772220020000024
得到该用户设备的第二级合并权值，其中，k为用户设备编号，w2 k为用户设备k的第二级合并权值，所述hnk l为用户设备k与第l组天线中的第n根天线之间的信道增益,l＝1，2，...，L，L为天线分组数，K为所述用户设备的总数，所述N为每组天线中的天线数。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述二级合并单元，用于对于每个所述用户设备，按照
Figure FDA0002772220020000031
得到该用户设备的第二级合并权值
Figure FDA0002772220020000032
其中，所述k为用户设备编号，w2 k为用户设备k的第二级合并权值，
Figure FDA0002772220020000033
Figure FDA0002772220020000034
为所述用户设备k的第l组上行接收数据对应的所述第一级合并结果。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述波束赋形单元，用于对于每个所述用户设备，按照
Figure FDA0002772220020000035
进行所述波束赋形，其中，w1 k＝[w1 k1 w1 k2...w1 kL]，w1 kl为用户设备k的第l组上行接收数据对应的所述第一级合并权值，w2 k为用户设备k的所述第二级合并权值。
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