CN107919896A - 一种波束赋形方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种波束赋形方法及装置，用以通过结合用户设备的位置信息，进行波束赋形，从而保证较好的广播波束覆盖性能，避免采用保证小区内所有覆盖范围的广播波束赋形权值幅度值过小导致功率损失较大的问题。本申请提供的一种波束赋形方法，包括：确定用户设备的位置信息；根据所述用户设备的位置信息，进行波束赋形。

Description

一种波束赋形方法及装置
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种波束赋形方法及装置。
背景技术
巨大的(Massive)多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)是分时长期演进(Time Division Long Term Evolution，TD-LTE)技术演进(4.5G)中的重要特性之一，具有组网灵活、有效降低选址难度、增强覆盖、降低干扰、提升容量的特点。
Massive MIMO是通过在基站安装几百根天线(如128根甚至更多)来提升小区的平均频谱效率。如图1所示，与传统MIMO不同的是，当基站的天线数趋向于很多时，各UE的信道趋向于正交，用户设备间干扰趋于消失，巨大的阵列增益有效提升每个用户设备的信噪比，因此在相同时频资源上支持更多用户设备的数据传输，提升小区的平均频谱效率。
另一方面，3D-MIMO相比于传统天线还有一个优势是采用二维天线阵列，可同时实现水平和垂直方向上的MIMO。
传统的MIMO，每个天线阵子的垂直方向各偶极子通常采用固定的加权相位，实现固定的下倾角，而在水平的各个阵子之间实现动态的加权，从而实现水平方向的动态MIMO，通常称为2D的MIMO。若在整个天线阵的水平和垂直方向上的不同偶极子/阵子之间进行动态可控的相位和幅度加权，就可以同时实现水平和垂直方向上的MIMO(3D MIMO)，进一步提升MIMO可利用的空间维度，为无线通信***频谱效率的提升提供更多一维的空间，如图2所示。
Massive MIMO可以通过用户设备的位置动态调整广播波束赋形权值，当然这只是针对采用用户专用导频信号(UE-specific Reference Signal，URS)解 调的物理下行共享信道(Physical Downlink Shared Channel，PDSCH)，而对于采用公共参考信号(CommonReference Signal，CRS)解调的物理下行控制信道(Physical Downlink ControlChannel，PDCCH)、物理控制格式指示信道(Physical Control Format IndicatorChannel，PCFICH)、物理下行共享信道(Physical Downlink Shared Channel，PDSCH)等信道，由于CRS是小区级的参数，为了兼顾小区覆盖范围内的所有用户设备，广播波束赋形权值不能针对某个用户设备设计，广播波束的指向及覆盖需要涵盖小区内的所有的用户设备。
以64根天线为例，为了保证垂直方向和水平方向65度的覆盖范围，某天线厂家给出的天线的广播波束赋形权值为：正45度垂直方向每根天线的幅度值为[0.45，1，0.9，0.4，0.4，0.9，1，0.45]，相位为[0，90，165，-120，-190，175，90，-10]，水平方向每根天线的幅度值为[0.35，0.65，1，1，0.35，0.65，1，1]，相位为[0，-172，2，12，0，-172，2，12]。其中负45度方向的广播赋形权值和正45度方向相同。如图3所示，其中，颜色较深的天线表示正45度的极化方向的天线，颜色较浅的天线表示负45度的极化方向的天线。
垂直方向和水平方向的广播波束赋形因子进行克罗内克(kronecker)积可得垂直方向第一列8根天线的幅度值为[0.1575，0.35，0.315，0.14，0.315，0.35，0.1575]，第二列8根天线的幅度值为[0.2925，0.65，0.585，0.26，0.26，0.585，0.65，0.2925]，第三列8根天线的幅度值为[0.45，1，0.9，0.4，0.4，0.9，1，0.45]，第四列8根天线的幅度值为[0.45，1，0.9，0.4，0.4，0.9，1，0.45]。从这些天线权值的幅度值来看，很多值都要远小于1，那么功率损失是很严重的，将会使采用CRS解调的信道性能严重下降。
综上所述，现有技术只是单纯地用预先配置好的广播波束赋形权值来覆盖整个小区覆盖范围，这样一来，广播波束为了能覆盖小区覆盖范围内的所有位置，势必损失能量，且随着天线数的增加，这个损失是很大的。
发明内容
本申请实施例提供了一种波束赋形方法及装置，用以通过结合用户设备的位置信息，进行波束赋形，从而保证较好的广播波束覆盖性能，避免采用保证小区内所有覆盖范围的广播波束赋形权值幅度值过小导致功率损失较大的问题。
本申请实施例提供的一种波束赋形方法，包括：
确定用户设备的位置信息；
根据所述用户设备的位置信息，进行波束赋形。
通过该方法，确定用户设备的位置信息，并根据所述用户设备的位置信息，进行波束赋形，从而可以保证较好的广播波束覆盖性能，避免采用保证小区内所有覆盖范围的广播波束赋形权值幅度值过小导致功率损失较大的问题。
可选地，在所述确定用户设备的位置信息之前，该方法还包括：
选择初始广播波束，使得用户设备通过所述初始广播波束接入网络。
可选地，所述确定用户设备的位置信息，具体包括：
根据探测用参考信号SRS统计所述用户设备的水平方向的到达角AOA和垂直方向的到达角EOA。
可选地，根据所述用户设备的位置信息，进行波束赋形，具体包括：
根据所述用户设备的AOA，确定广播波束的水平方向的赋形因子；
根据所述用户设备的EOA，确定广播波束的垂直方向的赋形因子；
根据所述水平方向的赋形因子以及所述垂直方向的赋形因子，确定广播波束赋形权值。
可选地，该方法还包括：
对多个用户设备进行分簇；
对同一簇中的用户设备，采用相同的广播波束赋形权值进行调度。
可选地，对不同簇中的用户设备，按照预设周期，采用相同的广播波束赋形权值进行分时调度。
本申请实施例提供的一种波束赋形装置，包括：
第一单元，用于确定用户设备的位置信息；
第二单元，用于根据所述用户设备的位置信息，进行波束赋形。
可选地，所述第一单元还用于：在所述确定用户设备的位置信息之前，选择初始广播波束，使得用户设备通过所述初始广播波束接入网络。
可选地，所述第一单元具体用于：
根据探测用参考信号SRS统计所述用户设备的水平方向的到达角AOA和垂直方向的到达角EOA。
可选地，所述第二单元具体用于：
根据所述用户设备的AOA，确定广播波束的水平方向的赋形因子；
根据所述用户设备的EOA，确定广播波束的垂直方向的赋形因子；
根据所述水平方向的赋形因子以及所述垂直方向的赋形因子，确定广播波束赋形权值。
可选地，所述第二单元还用于：
对多个用户设备进行分簇；
对同一簇中的用户设备，采用相同的广播波束赋形权值进行调度。
可选地，所述第二单元对不同簇中的用户设备，按照预设周期，采用相同的广播波束赋形权值进行分时调度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的Massive MIMO和传统MIMO在复用用户设备数方面的性能对比示意图；
图2为现有技术中的Massive MIMO和传统MIMO的覆盖对比示意图；
图3为现有技术中的64天线分布示意图；
图4为本申请实施例提供的一种波束赋形方法的流程示意图；
图5为本申请实施例提供的不同簇用户设备的调度方式示意图；
图6为本申请实施例提供的一种波束赋形装置的结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种波束赋形方法及装置，用以通过结合用户设备的位置信息，进行波束赋形，从而保证较好的广播波束覆盖性能，避免采用保证小区内所有覆盖范围的广播波束赋形权值幅度值过小导致功率损失较大的问题。
Massive MIMO可以实现灵活的垂直覆盖，但广播波束的设计与覆盖场景密切相关。很难精确选择合适的垂直波束宽度和下倾角。本申请实施例主要解决Massive MIMO场景下为了保证覆盖范围内的所有位置点由于广播波束赋形因子损失过大而导致控制信道性能下降的问题，本申请实施例提出了如何根据用户设备位置分布来选择合适的波束赋形权值，从而保证较好的覆盖性能。
Massive MIMO具备灵活跳帧广播波束的能力，本申请实施例可以统计用户设备的位置分布，根据用户设备位置分布的特点来选择合适的广播波束赋形因子，具有相同位置分布的用户设备可以选择采用相同的广播波束赋形权值，具有不同位置分布的用户设备可以采用时分的方式来区分。
参见图4，本申请实施例提供的一种波束赋形方法，包括：
S101、确定用户设备的位置信息；
S102、根据所述用户设备的位置信息，进行波束赋形。
通过该方法，确定用户设备的位置信息，并根据所述用户设备的位置信息，进行波束赋形，从而可以保证较好的广播波束覆盖性能，避免采用保证小区内所有覆盖范围的广播波束赋形权值幅度值过小导致功率损失较大的问题。
可选地，在所述确定用户设备的位置信息之前，该方法还包括：
选择初始广播波束，使得用户设备通过所述初始广播波束接入网络。
可选地，所述确定用户设备的位置信息，具体包括：
根据探测用参考信号SRS统计所述用户设备的水平方向的到达角AOA(Angle ofArrival)和垂直方向的到达角EOA(Elevation of Arrival)。
可选地，根据所述用户设备的位置信息，进行波束赋形，具体包括：
根据所述用户设备的AOA，确定广播波束的水平方向的赋形因子；
根据所述用户设备的EOA，确定广播波束的垂直方向的赋形因子；
根据所述水平方向的赋形因子以及所述垂直方向的赋形因子，确定广播波束赋形权值。
可选地，该方法还包括：
对多个用户设备进行分簇；
对同一簇中的用户设备，采用相同的广播波束赋形权值进行调度。
可选地，对不同簇中的用户设备，按照预设周期，采用相同的广播波束赋形权值进行分时调度。
具体流程，例如包括：
步骤一：选择初始广播波束。
基站可以选择一个初始的广播波束，该波束的水平宽度和垂直宽度都比较宽，例如水平65度，垂直30度，能够保证较大的覆盖方向，以保证用户设备的初始接入。
步骤二：确定用户设备的水平方向的到达角AOA分布和垂直方向的到达角EOA分布。
具体地，当用户设备接入后，在业务保持过程中，根据探测用参考信号(SoundingReference Signal，SRS)，统计接入用户设备在水平方向的AOA分布和垂直方向的EOA分布。例如：用户设备在水平方向的AOA分布在0～30度之间；用户设备在垂直方向的EOA分布在30度～60度之间。
步骤三：根据用户设备的AOA分布和EOA分布，动态计算广播天线赋形 权值。
例如：
用户设备在水平方向的AOA分布在0～30度之间，则可以选择该用户设备的AOA为20度；
用户设备在垂直方向的EOA分布在30度～60度之间，则可以选择该用户设备的EOA为50度。
确定了AOA和EOA之后，具体地，采用如下步骤计算水平方向的赋形向量：
步骤a：利用水平方向天线上的探测用参考信号(Sounding Reference Signal，SRS)信息H，计算R＝H’*H，R为相关矩阵，通过对R进行奇异值分解(Singular ValueDecomposition，SVD)得到最大特征值向量；
步骤b：计算AOA的特征向量为exp{1i·2π·sin(AOA)·(d0-d)}；其中，d为预设的相邻天线的间距，d0为预设的任一天线到所有天线的中心的距离，d和d0都为预设的常数；式中的1i表示复数即sqrt(-1)，式中AOA例如为20度。
步骤c：用AOA的特征向量和所述最大特征值向量相关，找到最大的AOA值索引；具体地，两个向量相关值最大，每个AOA索引都有一个特征向量，两个向量共轭相乘，乘积最大的值为AOA索引。
步骤d：利用该索引得到水平方向的赋形向量，其中每个AOA值都会对应一个特征向量，即前面的AOA特征向量公式。
同理，利用EOA可以得到垂直方向的赋形向量。
将上述水平方向的赋形向量和垂直方向的赋形向量进行kronecker积，就可以得到广播天线赋形权值。
例如，根据用户设备的AOA和EOA分布，按照一定的原则确定广播波束的指向及宽度(AOA和EOA的大小和范围值)，涵盖90％的用户设备的广播波束的垂直角度分布在10度～20度的角度范围，则可以使广播波束的主瓣方向指向该角度范围的中心角度，即15度，广播波束的垂直波束宽度选择10度， 根据这个需求生成相应的垂直方向的权值，按照AOA的公式exp{1i·2π·sin(AOA)·(d0-d)}同样可以得到水平方向的权值，先按照AOA的公式分别生成垂直方向的向量和水平方向的向量，然后克罗内克(kronecker)积得到广播赋形权值。
需要说明的是，上述步骤二中确定用户设备的水平方向的到达角AOA分布和垂直方向的到达角EOA分布，实际上就是计算AOA值和EOA值，都是用SRS信号来计算，具体确定方法都是用特征向量和AOA向量相关找到相关值最大的角度索引。
另外，由于3维(3D)的存在，导致对于一个用户设备来说存在水平方向的AOA和垂直方向的EOA，因此分别对水平方向的AOA和垂直方向的EOA的分布进行分析，判断用户设备是否具有聚集性，即是否都集中在某一范围。判断用户设备是否具有聚集性，就是判断用户的AOA分布是否都集中在某个角度范围，比如都聚集在0～30度的范围，若用户具有聚集性，才将其划分到一个簇内，否则不能划分到一个簇内。
因此，可选地，可以根据用户设备的AOA分布和EOA分布，按照一定的原则对用户设备进行分簇(或称为组)，例如，AOA分布在0～30度之间的用户设备作为一个簇，AOA分布在30～60度的用户设备作为一个簇。
处在同一个簇中的用户设备具有相同的角度(AOA和EOA)分布，AOA和EOA的分布都相同，则按照各个簇的角度范围中心和角度宽度，生成相应的广播波束赋形权值(即上述方法中提到的通过克罗内克(kronecker)积得到广播赋形权值)。
位于不同簇的用户设备，由于广播波束赋形权值不同，可以通过时分调度的方式将其调度在不同的子帧，不同广播波束赋形权值调度在不同的子帧，考虑到用户设备可能会利用前后下行子帧来进行信道估计，因此，例如这个时分调度周期设置为5ms。
举例来说，Massive MIMO覆盖高楼大厦，不同的楼层具有不同的角度分 布，处于不同的簇，不同时刻调度不同簇的用户设备，这样可以类似垂直虚拟小区***。参见图5，图中的D表示下行子帧，S表示特殊子帧，U表示上行子帧，前面两个U之间的四个下行连续子帧调度簇1的用户设备，另外两个U之间的四个下行连续子帧调度簇2的用户设备。
与上述方法相对的，参见图6，本申请实施例提供的一种波束赋形装置，包括：
第一单元11，用于确定用户设备的位置信息；
第二单元12，用于根据所述用户设备的位置信息，进行波束赋形。
可选地，所述第一单元还用于：在所述确定用户设备的位置信息之前，选择初始广播波束，使得用户设备通过所述初始广播波束接入网络。
可选地，所述第一单元具体用于：
根据探测用参考信号SRS统计所述用户设备的水平方向的到达角AOA和垂直方向的到达角EOA。
可选地，所述第二单元具体用于：
根据所述用户设备的AOA，确定广播波束的水平方向的赋形因子；
根据所述用户设备的EOA，确定广播波束的垂直方向的赋形因子；
根据所述水平方向的赋形因子以及所述垂直方向的赋形因子，确定广播波束赋形权值。
可选地，所述第二单元还用于：
对多个用户设备进行分簇；
对同一簇中的用户设备，采用相同的广播波束赋形权值进行调度。
可选地，所述第二单元对不同簇中的用户设备，按照预设周期，采用相同的广播波束赋形权值进行分时调度。
以上任一所述单元，均可以是由处理器来实现的。
所述的波束赋形装置，例如可以是网络侧的基站。
综上所述，本申请实施例根据用户设备的实际分布特点动态选择波束权值， 使广播波束的主瓣指向用户设备的覆盖中心范围，波束宽度能覆盖大部分的用户设备，当用户设备的分布不是集中在一个簇时，可以采用时分调度的方式在不同时刻调度不同的用户设备簇，类似实现垂直虚拟小区***。并且，为了兼容用户设备采用前后子帧信道估计插值的方式，可以以5ms为调度周期，中间间隔一个上行子帧。本申请实施例根据用户设备位置分布来选择合适的垂直波束和下倾角(AOA、EOA)，广播波束的赋形权值基本无损失，保证较好的覆盖性能。避免采用保证小区内所有覆盖范围的广播波束的权值过小导致功率损失较大，从而使采用CRS解调的信道，例如PDCCH、PCFICH、PHICH、PDSCH由于功率损失过大导致性能降低，影响用户设备感知。与现有技术中不考虑用户的位置分布，统一按照垂直30度，水平65度来选择广播波束赋形向量的方案相比，本申请实施例统计用户设备的位置分布，比如0～30度之间的用户采用一个广播波束，30～60度的用户选择另一个广播波束，这样波束比较窄，能量比较集中，从而保证较好的广播波束覆盖性能，避免采用保证小区内所有覆盖范围的广播波束赋形权值幅度值过小导致功率损失较大的问题。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种波束赋形方法，其特征在于，该方法包括：
确定用户设备的位置信息；
根据所述用户设备的位置信息，进行波束赋形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述确定用户设备的位置信息之前，该方法还包括：
选择初始广播波束，使得用户设备通过所述初始广播波束接入网络。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定用户设备的位置信息，具体包括：
根据探测用参考信号SRS统计所述用户设备的水平方向的到达角AOA和垂直方向的到达角EOA。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述用户设备的位置信息，进行波束赋形，具体包括：
根据所述用户设备的AOA，确定广播波束的水平方向的赋形因子；
根据所述用户设备的EOA，确定广播波束的垂直方向的赋形因子；
根据所述水平方向的赋形因子以及所述垂直方向的赋形因子，确定广播波束赋形权值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
对多个用户设备进行分簇；
对同一簇中的用户设备，采用相同的广播波束赋形权值进行调度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对不同簇中的用户设备，按照预设周期，采用相同的广播波束赋形权值进行分时调度。
7.一种波束赋形装置，其特征在于，包括：
第一单元，用于确定用户设备的位置信息；
第二单元，用于根据所述用户设备的位置信息，进行波束赋形。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一单元还用于：在所述确定用户设备的位置信息之前，选择初始广播波束，使得用户设备通过所述初始广播波束接入网络。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一单元具体用于：
根据探测用参考信号SRS统计所述用户设备的水平方向的到达角AOA和垂直方向的到达角EOA。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二单元具体用于：
根据所述用户设备的AOA，确定广播波束的水平方向的赋形因子；
根据所述用户设备的EOA，确定广播波束的垂直方向的赋形因子；
根据所述水平方向的赋形因子以及所述垂直方向的赋形因子，确定广播波束赋形权值。
11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二单元还用于：
对多个用户设备进行分簇；
对同一簇中的用户设备，采用相同的广播波束赋形权值进行调度。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第二单元对不同簇中的用户设备，按照预设周期，采用相同的广播波束赋形权值进行分时调度。
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