專利名稱：應(yīng)用于同頻組網(wǎng)的波束賦形實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)的信號波束賦形技術(shù)，特別是一種應(yīng)用于同頻組網(wǎng)的下行信號波束賦形實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
在時(shí)分同步碼分多址(TD-SCDMA)系統(tǒng)中，基站采用陣列天線進(jìn)行上行接收和下行波束賦形。目前實(shí)際中應(yīng)用的波束賦形算法大致有兩種一種為波束掃描法(GOB，Grid of Beams)，另一種為功率特征分解法(P-EBB，Power Eigenvalue Based Beamforming)。這兩種方法在準(zhǔn)則上是一致的，都是滿足上行接收信號的功率最大，而上行接收信號功率又用權(quán)向量和用戶空間相關(guān)矩陣的積來表示，即表示為公式w(k)=argmax(w(k)HRxx(k)w(k)),]]>其中w(k)表示第k個(gè)用戶的賦形權(quán)向量，Rxx(k)表示第k個(gè)用戶的空間相關(guān)矩陣。這兩種方法的區(qū)別在于求解過程不同，GOB方法是將權(quán)向量預(yù)先表達(dá)為方向向量的形式，并從預(yù)先設(shè)置的方向向量集中找出最優(yōu)的解；而P-EBB方法是通過對Rxx(k)進(jìn)行特征分解，將最大特征值對應(yīng)的特征向量當(dāng)作最優(yōu)的解。
在沒有鄰小區(qū)干擾的情況下，上述基于用戶上行接收信號的功率最大準(zhǔn)則能獲得較好的性能。然而，在有較強(qiáng)的鄰小區(qū)干擾時(shí)，因?yàn)檫@種方法不具有抑制鄰小區(qū)干擾的能力，接收端鄰小區(qū)的存在將嚴(yán)重地惡化系統(tǒng)下行鏈路的性能。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種應(yīng)用于同頻組網(wǎng)的波束賦形方法，解決現(xiàn)有同頻鄰小區(qū)之間的干擾所引起的系統(tǒng)下行鏈路性能惡化的問題。
基于上述目的本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于同頻組網(wǎng)的波束賦形方法，包括a)基站接收上行信號，根據(jù)接收的上行信號對本小區(qū)和鄰小區(qū)進(jìn)行信道估計(jì)；b)根據(jù)本小區(qū)信道估計(jì)的結(jié)果為本小區(qū)待進(jìn)行波束賦形的用戶構(gòu)造用戶的空間相關(guān)矩陣；c)根據(jù)本小區(qū)和鄰小區(qū)信道估計(jì)的結(jié)果構(gòu)造本小區(qū)的干擾噪聲空間相關(guān)矩陣；d)對步驟b得到的用戶空間相關(guān)矩陣與步驟c得到的干擾噪聲空間相關(guān)矩陣進(jìn)行廣義特征分解，將所得最大特征值對應(yīng)的特征向量作為權(quán)向量，對本小區(qū)所述待進(jìn)行波束賦形的用戶進(jìn)行下行波束賦形。
該方法步驟b所述構(gòu)造用戶空間相關(guān)矩陣過程包括根據(jù)本小區(qū)信道估計(jì)的結(jié)果為所述待波束賦形的用戶構(gòu)造該用戶的信道響應(yīng)矩陣；構(gòu)造該用戶的用戶空間相關(guān)矩陣等于所述用戶信道響應(yīng)矩陣與自身共軛之積的均值。
該方法步驟c所述構(gòu)造干擾噪聲空間相關(guān)矩陣過程包括根據(jù)鄰小區(qū)信道估計(jì)的結(jié)果構(gòu)造干擾空間相關(guān)矩陣；根據(jù)本小區(qū)信道估計(jì)的結(jié)果構(gòu)造噪聲空間相關(guān)矩陣；構(gòu)造干擾噪聲空間相關(guān)矩陣等于所述干擾空間相關(guān)矩陣與噪聲空間相關(guān)矩陣的和。
該方法所述構(gòu)造干擾空間相關(guān)矩陣過程包括根據(jù)鄰小區(qū)信道估計(jì)得到各鄰小區(qū)的聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣；構(gòu)造干擾空間相關(guān)矩陣等于各鄰小區(qū)抽頭信道響應(yīng)與自身共軛乘積的累加和。
該方法所述構(gòu)造干擾空間相關(guān)矩陣為所述多小區(qū)的聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣的相關(guān)矩陣；或多小區(qū)的多用戶信道響應(yīng)矩陣的相關(guān)矩陣；或多小區(qū)的多抽頭響應(yīng)的相關(guān)矩陣。
該方法參與所述多抽頭響應(yīng)相關(guān)矩陣計(jì)算的多抽頭屬于所述多小區(qū)中功率最強(qiáng)的L條抽頭，其中L為預(yù)先設(shè)置的強(qiáng)抽頭數(shù)目。
該方法所述構(gòu)造噪聲空間相關(guān)矩陣過程包括根據(jù)本小區(qū)信道估計(jì)得到本小區(qū)聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣；根據(jù)本小區(qū)原始信道響應(yīng)的弱功率抽頭計(jì)算接收端估計(jì)的噪聲功率；構(gòu)造噪聲空間相關(guān)矩陣等于所述接收端估計(jì)的噪聲功率的平方與單位矩陣的乘積。
該方法所述構(gòu)造噪聲空間相關(guān)矩陣過程包括根據(jù)本小區(qū)信道估計(jì)得到本小區(qū)聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣；根據(jù)本小區(qū)聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣構(gòu)造噪聲響應(yīng)矩陣；構(gòu)造噪聲空間相關(guān)矩陣等于噪聲響應(yīng)矩陣與自身共軛轉(zhuǎn)置矩陣的乘積。從上面所述可以看出本發(fā)明提供的應(yīng)用于同頻組網(wǎng)的波束賦形方法，基于信干比最大的原則，首先根據(jù)基站接收機(jī)得到的多小區(qū)信道估計(jì)結(jié)果，分別構(gòu)建用戶空間相關(guān)矩陣和干擾噪聲空間相關(guān)矩陣，再對所得的兩個(gè)矩陣進(jìn)行廣義特征分解，使得對用戶的下行賦形權(quán)向量構(gòu)建成為以權(quán)向量與用戶空間相關(guān)矩陣的積為分子、以權(quán)向量與干擾噪聲空間相關(guān)矩陣的積為分母的信干比形式，以所得最大特征值對應(yīng)的特征向量作為權(quán)向量，為用戶的下行信號賦形，有效抑制了下行信號賦形過程中同頻鄰小區(qū)對本小區(qū)的干擾，并充分考慮本小區(qū)噪聲的影響，從而使得系統(tǒng)獲得最優(yōu)性能。


圖1為本發(fā)明較佳實(shí)施例的波束賦形的實(shí)現(xiàn)流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明再作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
本發(fā)明基于信干比最大準(zhǔn)則，充分考慮期望用戶和鄰小區(qū)干擾，追求兩者的信號功率比值的最大?？捎霉奖磉_(dá)為w(k)=argmax(w(k)HRxx(k)w(k)w(k)HRINw(k)).]]>其中，分子的表達(dá)和GOB、P-EBB方法基本相同，分母的表達(dá)與干擾噪聲空間相關(guān)矩陣RIN有關(guān)。
參見圖1所示，下面以TD-SCDMA系統(tǒng)為例，對同頻多小區(qū)情況下信干比波束賦形方法的較佳實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行說明。
步驟101，基站接收上行信號。
所接收的上行信號中包括本小區(qū)和相鄰小區(qū)用戶終端發(fā)來的多用戶多徑上行信號。
步驟102，基站利用接收的上行信號進(jìn)行包括本小區(qū)和鄰小區(qū)在內(nèi)的多小區(qū)信道估計(jì)。
這里，所述鄰小區(qū)是指在本小區(qū)周圍所有干擾較強(qiáng)的相鄰小區(qū)。本步驟的多小區(qū)信道估計(jì)過程可以按照目前普遍采用的方法，即選出接收的功率達(dá)到一定閾值的相鄰小區(qū)上行信號，利用本小區(qū)上行信號和所選出的相鄰小區(qū)上行信號，對這些小區(qū)分別進(jìn)行信道估計(jì)，得到各小區(qū)的聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣。
設(shè)某小區(qū)的聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣用Hn，n＝0，1，2，...來表示，其中n＝0時(shí)代表本小區(qū)信道響應(yīng)矩陣，n＝1，2，...時(shí)分別代表鄰小區(qū)1、鄰小區(qū)2、...的信道響應(yīng)矩陣。Hn的具體結(jié)構(gòu)用公式(1)表示Hn=hn(1)hn(2)···hn(km)···hn(Km)hn(Km+1)Kaα×P---(1)]]>其中，Ka表示天線的總數(shù)，Km表示信道估計(jì)窗的總數(shù)；hn(km)表示第n個(gè)小區(qū)的第km個(gè)信道估計(jì)窗對應(yīng)的信道響應(yīng)，其具體用抽頭表示見式(2)
hn(km)=hn,1(1,km)hn,2(1,km)hn,w(1,km)hn,W(1,km)hn,1(2,km)hn,2(2,km)hn,w(2,km)hn,W(2,km)hn,1(ka,km)hn,2(ka,km)hn,w(ka,km)hn,W(ka,km)hn,1(Ka,km)hn,2(Ka,km)hn,w(Ka,km)hn,W(Ka,km)---(2)]]>n＝0，1，2，...；km＝1，2，...，Km其中，W表示窗長；hn，w(ka，km)表示第n個(gè)小區(qū)的第km個(gè)信道估計(jì)窗的第w個(gè)抽頭對應(yīng)于第ka根天線的信道響應(yīng)。窗長 P＝128。在P＝KmW時(shí)，式(1)中的hn(Km+1)項(xiàng)為空，即hn(Km+1)=[].]]>步驟103，利用從步驟102中得到的本小區(qū)信道估計(jì)結(jié)果構(gòu)造用戶的空間相關(guān)矩陣。
假設(shè)需要為本小區(qū)第k個(gè)用戶的下行波束賦形，該第k個(gè)用戶占用第km個(gè)信道估計(jì)窗，則該第k個(gè)用戶的空間相關(guān)矩陣Rxx(k)可表示為該用戶占有的信道估計(jì)窗對應(yīng)的信道響應(yīng)與其共軛的積對時(shí)間取均值，具體的表達(dá)如式(3)所示Rxx(k)=E{h0(km)·h0(km)H}---(3)]]>步驟104，構(gòu)造干擾噪聲空間相關(guān)矩陣。
本發(fā)明中的干擾噪聲空間相關(guān)矩陣RIN由干擾空間相關(guān)矩陣RI和噪聲空間相關(guān)矩陣Rn的和來表示，即RIN＝RI+Rn。
對于干擾空間相關(guān)矩陣RI，本發(fā)明中用各鄰小區(qū)的聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣來表達(dá)，具體可由如下公式(4)表示RI=Σn≠0ΣkmΣw(hn,w(km)·hn,w(km)H)---(4)]]>該式中，RI表達(dá)為鄰小區(qū)抽頭信道響應(yīng)與其共軛乘積針對于抽頭w信道估計(jì)窗km和鄰小區(qū)的小區(qū)數(shù)的累加和，這里提到的鄰小區(qū)與步驟102所述的一致。
hn，w(km)表示第n個(gè)小區(qū)的第km個(gè)信道估計(jì)窗的第w個(gè)抽頭對應(yīng)的信道響應(yīng)，其表達(dá)見式(5)所示hn,w(km)=hn,w(1,km)hn,w(2,km)hn,w(ka,km)hn,w(Ka,km)T---(5)]]>可以看出，對于本小區(qū)內(nèi)的所有用戶其干擾空間相關(guān)矩陣RI都是相同的。
在公式(4)中，RI表達(dá)為多小區(qū)的多抽頭響應(yīng)的相關(guān)矩陣，參與計(jì)算的抽頭數(shù)可以是所述的所有鄰小區(qū)所有用戶所有抽頭中的一個(gè)或多個(gè)，乃至全部，可根據(jù)實(shí)際的需求確定具體的原則來選取參與計(jì)算的抽頭。
如果參與計(jì)算的抽頭只是所有鄰小區(qū)所有用戶所有抽頭中的一部分，則可用公式(4)進(jìn)行計(jì)算。
如果將所述的所有鄰小區(qū)用戶的所有抽頭都進(jìn)行采樣，則公式(4)可簡化為如公式(6)所述的形式RI=Σn≠0Σkm(hn(km)·hn(km)H)---(6)]]>該式中，RI表達(dá)為多小區(qū)的多用戶信道響應(yīng)矩陣的相關(guān)矩陣，參與計(jì)算的用戶數(shù)可以是所有鄰小區(qū)所有用戶中的1個(gè)或多個(gè)。
當(dāng)然，如果將所述的所有鄰小區(qū)的所有用戶都進(jìn)行采樣，則可進(jìn)一步簡化為如公式(7)所示的形式RI=Σn≠0(Hn·HnH)---(7)]]>這里，RI直接表達(dá)為多小區(qū)的聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣的相關(guān)矩陣。其中，參與計(jì)算的小區(qū)數(shù)可以是所有鄰小區(qū)中的1個(gè)或多個(gè)。
例如，如果準(zhǔn)備抑制所有鄰小區(qū)的L條最強(qiáng)的多徑，則本小區(qū)的干擾空間相關(guān)矩陣RI直接利用這L條強(qiáng)徑來表達(dá)，其表達(dá)形式由式(4)而來，即RI=Σn≠0;km;w(hn,w(km)·hn,w(km)H),]]>使得 其中，所述強(qiáng)徑是指在所述的各鄰小區(qū)中檢測到的功率最高的徑。
對于噪聲空間相關(guān)矩陣Rn，它利用本小區(qū)的聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣來計(jì)算，其計(jì)算方法大致有兩種(1)首先根據(jù)本小區(qū)信道估計(jì)得到本小區(qū)聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣；再利用本小區(qū)原始信道響應(yīng)的弱功率抽頭計(jì)算接收端估計(jì)的噪聲功率；最后構(gòu)造噪聲空間相關(guān)矩陣Rn=σn2I,]]>其中I為單位矩陣，σn2表示接收端估計(jì)的噪聲功率，它利用本小區(qū)原始信道響應(yīng)的弱功率抽頭來進(jìn)行計(jì)算。該方案具體可參見本申請人在先申請的專利號為03149766.7的中國發(fā)明專利申請《時(shí)隙CDMA系統(tǒng)干擾功率測量方法》；(2)首先根據(jù)本小區(qū)信道估計(jì)得到本小區(qū)聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣；再根據(jù)本小區(qū)聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣構(gòu)造噪聲響應(yīng)矩陣；最后構(gòu)造噪聲空間相關(guān)矩陣Rn表示為噪聲響應(yīng)矩陣與其共軛轉(zhuǎn)置矩陣的乘積。該方案具體參見本申請人在先申請的專利號為03114763.1的中國發(fā)明專利申請《時(shí)隙CDMA系統(tǒng)噪聲空間相關(guān)特性估計(jì)方法》。
步驟105，對得到的矩陣Rxx(k)和RIN進(jìn)行廣義特征分解。廣義特征分解用公式表達(dá)為λ=w(k)HRxx(k)w(k)w(k)HRINw(k)⇒Rxx(k)w(k)=λRINw(k)⇒RIN-1Rxx(k)w(k)=λw(k)---(9)]]>即廣義特征分解實(shí)際上就類似于對矩陣R=RIN-1·Rxx(k)]]>進(jìn)行特征分解，λ表示特征值。
步驟106，將式(9)的最大特征值λmax對應(yīng)的特征向量當(dāng)作是權(quán)向量w(k)。
步驟107，利用權(quán)向量w(k)去對各天線進(jìn)行加權(quán)，即進(jìn)行本小區(qū)第k個(gè)用戶的下行波束賦形。
本發(fā)明適用于所有采用同頻組網(wǎng)的數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于同頻組網(wǎng)的波束賦形方法，其特征在于，包括a)基站接收上行信號，根據(jù)接收的上行信號對本小區(qū)和鄰小區(qū)進(jìn)行信道估計(jì)；b)根據(jù)本小區(qū)信道估計(jì)的結(jié)果為本小區(qū)待進(jìn)行波束賦形的用戶構(gòu)造用戶的空間相關(guān)矩陣；c)根據(jù)本小區(qū)和鄰小區(qū)信道估計(jì)的結(jié)果構(gòu)造本小區(qū)的干擾噪聲空間相關(guān)矩陣；d)對步驟b得到的用戶空間相關(guān)矩陣與步驟c得到的干擾噪聲空間相關(guān)矩陣進(jìn)行廣義特征分解，將所得最大特征值對應(yīng)的特征向量作為權(quán)向量，對本小區(qū)所述待進(jìn)行波束賦形的用戶進(jìn)行下行波束賦形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟b所述構(gòu)造用戶空間相關(guān)矩陣過程包括根據(jù)本小區(qū)信道估計(jì)的結(jié)果為所述待波束賦形的用戶構(gòu)造該用戶的信道響應(yīng)矩陣；構(gòu)造該用戶的用戶空間相關(guān)矩陣等于所述用戶信道響應(yīng)矩陣與自身共軛之積的均值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟c所述構(gòu)造干擾噪聲空間相關(guān)矩陣過程包括根據(jù)鄰小區(qū)信道估計(jì)的結(jié)果構(gòu)造干擾空間相關(guān)矩陣；根據(jù)本小區(qū)信道估計(jì)的結(jié)果構(gòu)造噪聲空間相關(guān)矩陣；構(gòu)造干擾噪聲空間相關(guān)矩陣等于所述干擾空間相關(guān)矩陣與噪聲空間相關(guān)矩陣的和。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述構(gòu)造干擾空間相關(guān)矩陣過程包括根據(jù)鄰小區(qū)信道估計(jì)得到各鄰小區(qū)的聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣；構(gòu)造干擾空間相關(guān)矩陣等于各鄰小區(qū)抽頭信道響應(yīng)與自身共軛乘積的累加和。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述構(gòu)造干擾空間相關(guān)矩陣為所述多小區(qū)的聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣的相關(guān)矩陣；或多小區(qū)的多用戶信道響應(yīng)矩陣的相關(guān)矩陣；或多小區(qū)的多抽頭響應(yīng)的相關(guān)矩陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，參與所述多抽頭響應(yīng)相關(guān)矩陣計(jì)算的多抽頭屬于所述多小區(qū)中功率最強(qiáng)的L條抽頭，其中L為預(yù)先設(shè)置的強(qiáng)抽頭數(shù)目。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述構(gòu)造噪聲空間相關(guān)矩陣過程包括根據(jù)本小區(qū)信道估計(jì)得到本小區(qū)聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣；根據(jù)本小區(qū)原始信道響應(yīng)的弱功率抽頭計(jì)算接收端估計(jì)的噪聲功率；構(gòu)造噪聲空間相關(guān)矩陣等于所述接收端估計(jì)的噪聲功率的平方與單位矩陣的乘積。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述構(gòu)造噪聲空間相關(guān)矩陣過程包括根據(jù)本小區(qū)信道估計(jì)得到本小區(qū)聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣；根據(jù)本小區(qū)聯(lián)合信道響應(yīng)矩陣構(gòu)造噪聲響應(yīng)矩陣；構(gòu)造噪聲空間相關(guān)矩陣等于噪聲響應(yīng)矩陣與自身共軛轉(zhuǎn)置矩陣的乘積。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于同頻組網(wǎng)的波束賦形方法，包括a)基站接收上行信號，根據(jù)接收的上行信號對本小區(qū)和鄰小區(qū)進(jìn)行信道估計(jì)；b)根據(jù)本小區(qū)信道估計(jì)的結(jié)果為本小區(qū)待進(jìn)行波束賦形的用戶構(gòu)造用戶的空間相關(guān)矩陣；c)根據(jù)本小區(qū)和鄰小區(qū)信道估計(jì)的結(jié)果構(gòu)造本小區(qū)的干擾噪聲空間相關(guān)矩陣；d)對步驟b得到的用戶空間相關(guān)矩陣與步驟c得到的干擾噪聲空間相關(guān)矩陣進(jìn)行廣義特征分解，將所得最大特征值對應(yīng)的特征向量作為權(quán)向量，對本小區(qū)所述待進(jìn)行波束賦形的用戶進(jìn)行下行波束賦形。通過本發(fā)明能夠有效抑制同頻鄰小區(qū)對本小區(qū)的干擾，并充分考慮本小區(qū)噪聲的影響，從而使得系統(tǒng)獲得最優(yōu)性能。
文檔編號H04B1/707GK1867154SQ20051007081
公開日2006年11月22日 申請日期2005年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月17日
發(fā)明者李峰, 徐鐵鑄, 楊貴亮, 康紹莉 申請人:上海原動(dòng)力通信科技有限公司