专利名称：无线通信系统的多业务波束赋形装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，具体来说，涉及一种无线通信系统的多
业务波束赋形装置，尤其涉及同步的码分多址(CDMA)通信系统 中采用智能天线技术的专用信道多业务波束赋形装置。
背景技术：
智能天线利用信号传输的空间特性和数字信号处理技术，可以 实现上行链鸟y皮达角(DOA)的估计以及下行波束赋形，从而达到 降低干扰、增加容量、扩大覆盖、改善通信质量、降低发射功率和 提高无线数据传输速率的目的。
在一定的用户移动速度条件下，对于采用时分双工(TDD)方 式的同步CI)MA通信系统，其上、下信道满足对称要求，若采用 智能天线，则可以才艮据天线阵列对应的信道估计实现各个用户的上 行DOA估计，进而完成下4亍波束赋形，较好地解决抗多径干扰和 抗多址干扰等问题。
然而实际的无线信道环境十分复杂，即使用户处于静止状态， 其多径、角度扩展等影响仍可能较为严重；在随机接入过程中，通 过单次上行导频码而获取的用户方位角的信息通常存在较大误差； 对于非连续发射(DTX)、高速下行链路分组接入(HSDPA)模式， 某一用户的上、下行时隙的时间间隔可能较大；在信道环境变化或
用户切向移动速度寿交快时，上4亍估计的波达角可能难以对应下4亍贝武 形方向等。上述情况均明显地、直接地影响到下行波束赋形的性能。
针对上述的问题，现有技术中提供了一种FDD系统中天线阵 列对下行专用信道信号发射的方法及装置，在该解决方案中提出了 一种在FDD系统中天线阵列对下^f亍专用信道信号发射的方法和装 置，所述天线阵列由至少2个天线构成，该方法主要是利用从上行 信号得到的空间相关矩阵R计算出幅度加权值IR(: ， m)|，对下行专 用信道信号发射的波束4又值w =3(0)进行幅度加4又，也就是将a(e) 与IR(: ， m)l进行数次点乘并经过归一化后作为下行专用信道信号发 射的波束权值w 。这样可以使专用信道响应与公共信道响应的相关 性增大，以解决在FDD通信系统中应用智能天线固定多波束算法， 下行采用公共导频作相位参考时系统性能下降的问题。
综上所述，上述相关技术中存在以下问题波束方向过于单一， 在上下行时隙间信道发生变化时无法跟踪，造成智能天线系统的稳 健性下降；基于对上行链路波达角(DOA)的估计，在估计出现误 差的情况下性能难以保i正，而且计算过程4交为复杂，不利于工程实 现。
因此，人们需要一种无线通信系统的多业务波束赋形装置，以 解决上述相关4支术中的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种无线通信系统的多业务波束赋形装置，以 解决由波束方向过于单 一 而造成智能天线系统的稳定性下降的问 题等。
根据本发明的一个方面，提供了 一种无线通信系统的多业务波 束赋形方法，包括以下步骤取天线阵列的上行链路信道的信道估
计矩阵中功率最大的L条径，分别计算各自的径相关矩阵，其中， ^丄s『，『^L示信道估计窗长；对径相关矩阵进行最大信干比的特 4正值分解以求得特征向量作为波束赋形4又值；对波束赋形4又值进4亍 归一化操作，天线阵列使用其操作结果对下行专用信道信号发射赋
根据本发明的另 一方面，提供了 一种无线通信系统的多业务波 束赋形，包括相关矩阵计算模块，用于取天线阵列的上行链路信 道的信道估计矩阵中功率最大的L条径，分别计算各自的径相关矩 阵，其中，B丄s『，『表示信道估计窗长；波束赋形权值计算模块， 用于对径相关矩阵进行最大信干比的特征值分解以求得特征向量 作为波束赋形权值；归一化操作模块，用于对波束赋形权值进行归 一化操作，天线阵列使用其操作结果对下行专用信道信号发射赋 形。
通过上述技术方案，本发明实现了如下技术效果
采用本发明提供的方法，通过针对TD-SCDMA通信系统中下 行专用信道赋形过程，采用同时形成多个业务波束的方法，从而提 高TD-SCDMA系统下行波束赋形的增益，以解决由波束方向过于 单一而造成智能天线系统的稳定性下降的问题；同时并未明显增加 系统的计算复杂度，解决不利于工程实现的问题。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部 分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发 明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附 图中所特别指出的结构来实现和获得。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申 请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并
不构成对本发明的不当限定。在附图中
图1示出了才艮据本发明实施例的无线通信系统的多业务波束赋 形方法的流^E图2示出了根据本发明实施例的无线通信系统的多业务波束赋 形装置的方框图3示出了才艮据本发明实施例的无线通信系统的多业务波束赋 形方法具体实施流程图4a和图4b示出了分别采用传统单波束赋形方法与采用本发 明所述的多波束赋形方法的方向图。
具体实施例方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细i兌明本发明。
本发明提供了 一种用于无线通信系统的多业务波束赋形方法。
图1示出了4艮据本发明实施例的无线通信系统的多业务波束赋 形方法的流禾呈图，其包4舌以下步骤
步骤S102,取天线阵列的上行链路信道的信道估计矩阵中功率 最大的L条径，分别计算各自的径相关矩阵，其中，B￡S『，『表 示信道估计窗长；
步骤Sl()4，对径相关矩阵进行最大信干比的特征值分解以求得 特征向量作为波束赋形权值；
步骤S1()6，对波束赋形权值进行归一化操作，天线阵列使用其 操作结果对下行专用信道信号发射赋形。
可选地，对径相关矩阵进行最大信干比的特征值分解以求得波 束赋形^又值包括以下步骤由径相关矩阵加4又求和计算信号空间协 方差矩阵；由信号空间协方差矩阵与干扰相关矩阵计算基于最大信 干比准则的待分解矩阵R;选择矩阵R的最大特征值所对应的特征 向量作为波束赋形4又值。
可选地，信道估计矩阵通过从基站端取得上行链路信道估计数 据，对其进行信道后处理以滤除噪声干扰而取得。
可选地，取天线阵列的上行链路信道的信道估计矩阵中功率最 大的L条径包括以下步骤分别计算信道估计矩阵中各列的功率和， 并进行排序，然后取信道估计矩阵中功率最大的L列作为L条径。
可选地，相关矩阵包括信号空间协方差矩阵以及干扰相关矩 阵，信号空间协方差矩阵通过对信道估计矩阵采用各径功率排序、 分别计算径相关矩阵，加权求和而取得；干扰相关矩阵从噪声径中取得。
可选地，选择矩阵R的最大特;f正值所对应的特征向量包括以下 步骤对矩阵R进行特征值分解，取得特征值矩阵，以及特征向量 矩阵，其中特征值矩阵的对角线元素即为矩阵R的特征值序列，并 与特;f正向量矩阵中的特4i向量——对应，v人中选择矩阵R的最大特 征值所对应的特4i向量。
可选地，矩阵R的最大特征值所对应的特征向量，其大小为 尺axl，其中Ka为天线阵元凄史目。
可选地，针对TD-SCDMA通信系统，第k个用户经过信道后 处理的信道估计矩阵表示为<formula>formula see original document page 11</formula>
式中Ka表示基站阵列天线数，W表示信道估计窗长，选择功 率最大的L条径包括以下步骤将所述信道估计矩阵在各天线上进 行功率合并，得到序列P(",如下式所示
尸("=乞|/^如)|2 w = l，2...,『，以及选择其中功率最大的L条^圣，记 为{《>,"1,2,…,丄卜满足min(,)(/)，/")〉V尸("(w)，其中^为估计窗 长W内除L条径之外的任意值。
可选地，信号相关矩阵加权求和计算信号空间协方差矩阵包括 以下步骤
分别计算信号空间协方差矩阵各条径的径相关矩阵表示为 R;"-H,(".(H,("广，,-1,2,…，jL;其中矩阵/ ,的大小为尺flxi^，则信号空
间协方差矩阵a可由下式计算得到a-t",.i ,;其中",记为各信号
径的相关矩阵的加权系数，该加权系数选择为各自相关矩阵的迹的
倒凄史，即a, ^race(!i ,l):Xil/ ,(A:,A:)1 ;
基于最大信干比准则的待分解矩阵R利用下式计算* 其中，由噪声空间信道估计矩阵得到干扰相关矩阵、，满足
计算波束赋形权值包括以下步骤对R进行特征值分解如下式 所示[/ D，^:| = ￡/g(/0;其中/ 。、 ^分别为特征值矩阵以及特征向量
矩阵，其中i^矩阵的对角线元素即为相关R的特征值序列
;i = ^^(i D),其中第q个特征值为最大特征值，满足A,-max(;i),则
《
最大特征值.所对应的特征向量，即所求波束赋形权值为
可选地，归一化操作包括以下步骤计算酽(" 得到 的『("为第k个用户的天线阵列对下行信道信号发射的波束赋形权 值，用来进行下行波束赋形发射。
图2示出了才艮据本发明实施例的无线通信系统的多业务波束赋 形装置200的方框图，其包括
相关矩阵计算模块202，用于取天线阵列的上行链路信道的信 道估计矩阵中功率最大的L条径，分别计算各自的径相关矩阵，其 中，1《丄s『，『表示4言道估计窗长；
波束赋形权值计算模块204，用于对径相关矩阵进行最大信干 比的特征值分解以求得特征向量作为波束赋形权值；
归一化操作模块206，用于对波束赋形权值进行归一化操作， 天线阵列使用其操作结果对下行专用信道信号发射赋形。
可选地，波束赋形斥又值计算才莫块204包括信号空间协方差矩 阵计算模块，用于由径相关矩阵加权求和信号空间协方差矩阵；待
分解矩阵计算模块，用于由信号空间协方差矩阵与干扰相关矩阵计
算基于最大信干比准则的待分解矩阵R;特征向量计算模块，用于 选择矩阵R的最大特征值所对应的特征向量作为波束赋形权值。
可选地，信道估计矩阵通过从基站端取得上4于链路信道估计凄欠 据，对其进行信道后处理以滤除噪声干扰而取得。
可选地，相关矩阵计算模块202包括L条径选择模块，用于通 过分别计算信道估计矩阵中各列的功率和，并进行排序，然后取信 道估计矩阵中功率最大的L列而取得L条径。
可选地，相关矩阵包括信号空间协方差矩阵以及干扰相关矩 阵，信号空间协方差矩阵通过对信道估计矩阵采用各径功率排序、 分别计算径相关矩阵，加权求和而取得；干扰相关矩阵从噪声径中 取得。
可选地，特征向量计算才莫块用于对矩阵R进行特征值分解，取 得特征值矩阵，以及特征向量矩阵，其中特征值矩阵的对角线元素 即为矩阵R的特征值序列，并与特征向量矩阵中的特征向量——对 应，从中选"^矩阵R的最大特征值所对应的特征向量。
可选地，矩阵R的最大特征值所对应的特征向量，其大小为 /^xl，其中Ka为天线阵元凄丈目。
可选地，针对TD-SCDMA通信系统，第k个用户经过信道后 处理的信道估计矩阵表示为
<formula>formula see original document page 13</formula>
式中Ka表示基站阵列天线凌欠，W表示4言道估计窗长，相关矩 阵计算模块202包括L条径选择模块，用于将信道估计矩阵在各天 线上进行功率合并，得到序列尸("，如下式所示
,)=^'|/^12w = i，2...,『，以及选择其中功率最大的L条径，记
为{《)，/ = l,';,,,i}，满足min(尸("(/),/")〉V尸("(w)，其中w为估计窗 长W内除L条径之外的任意值。
可选地，波束赋形权值计算模块204包括信号空间协方差矩 阵计算模块，用于以下式分别计算信号空间协方差矩阵各条径的径 相关矩阵《:R"^H/".(H/"广，/d,2，…,丄；其中矩阵《的大小为
肠x&，则信号空间协方差矩阵^可由下式计算得到^-tcvi ,;
/=1
其中a,记为各信号径的相关矩阵的加权系数，该加权系数选择为各 自相关矩阵的迹的倒凄t，即a,-加ce(l《l)-f;i及,OU)l;待分解矩阵R
计算才莫块，用于计算;j = 其中，由噪声空间信道估计矩阵得
到干扰相关矩阵&,满足R:R,.w-、股.w;特征向量计算模块，用
于对R进行特征值分解如下式所示[i D，^] = 其中&、 ^分
别为特征值矩阵以及特征向量矩阵，其中i 。矩阵的对角线元素即为 相关R的特征值序列；i = ^zg(i D)，其中第q个特征值为最大特征值， 满足义max-maxW，则最大特征值所对应的特征向量，即所求波束赋 形斗又值为W(" = A(:，9)。
可选地，归一化操作模块206用于计算ff("-"omj(M;(")，得到的 『("为第k个用户的天线阵列对下行信道信号发射的波束赋形权值， 用来进行下行波束赋形发射。
下面来描述本发明的具体实施例。
从以上的描述看出，本发明给出了 一种基于从上行链路信号中 得到的信道估计矩阵A,在经过累加各径分别计算得到的径相关矩
阵并进行基于最大信干比(SINR)的特征值分解过程后形成多业务 波束的方案，包括以下步骤
a) 、从基站端得到上行链路信道估计数据，对其进行信道后处 理以滤除噪声干扰，从而得到信道估计矩阵^;
b) 、分别计算矩阵5中各列(表示接收窗内的各条径)的功率 和，并进4亍排序，然后取A中功率最大的L条径(Bi^『，其中W 表示信道估计窗长)分别计算得到各自的径相关矩阵/ , ， / = 1,2,…，丄；
c) 、对步骤b)中所得到的各径的径相关矩阵^进行加权求和， 从而得到信号空间协方差矩阵A，以及由噪声径得到的干扰相关矩 阵i "，计算得到基于最大信干噪比准则的待分解矩阵R;
d) 、根据步骤c)中的基于最大信干噪比准则的待分解矩阵R, 对其进行特征值分解，得到特征值矩阵&，以及特征向量矩阵A, 其中i D矩阵的对角线元素即为相关R的特征值序列A ，并与^矩阵 中的特^正向量--对应；
e) 、选^^步骤d)计算得到的相关矩阵R的最大特征值所对应 的特4i向量，其大小为i^xl，其中Ka为天线阵元lt目；对4f到的 特征向量进行归一化操作，所得到的即为天线阵列对下行专用信道 信号发射的波束赋形权值，用来进行下行专用信道发射。
本发明所提供的多业务波束赋形方案，采用基于最大SINR准 则，利用先加权求和若干条信号径的径相关矩阵，再进行特征值分 解以求解下行专用信道波束赋形权值的实现方案，在加入分集效应
提高下行波束赋形增益的同时，并未加大算法的运算复杂度，非常 利于工程实现。
下面参考附图3，详细i兌明本发明的具体实施方式
。
在本发明所述的无线通信系统的多业务波束赋形方法中，通过 根据基站端上行链路信道估计数据进行信道处理后，对各条信号径 功率进行排序、分别求其各自的径相关矩阵、并加权相加后与干扰 相关矩阵计算基于最大信干噪比准则的待分解矩阵、对所说矩阵进 行特征值分解、取其最大特征值所对应特征向量为波束赋形权值、 归一化等模块构成。
本发明方法提供了 一种无线通信系统的多业务波束赋形方法， 图2为其具体实施过程中的流程图。以TD-SCDMA无线通信系统 为例，假设其基站端天线阵列采用Ka根天线。如图3所示包括以 下步骤
1 )步骤S310是处理上行链路信道数据步骤针对TD-SCDMA 通信系统，第k个用户经过信道后处理的信道沖激响应(CIR)估 计矩阵表示为
<formula>formula see original document page 16</formula>
式中Ka表示基站阵列天线数，W表示信道估计窗长。2 )步骤S320是在各天线上进行功率合并，选择功率最大的L 条径步骤将该用户信道估计矩阵在各天线上进行功率合并，得到 序列P("，如下式所示
<formula>formula see original document page 17</formula>选择其中功率最大的L条径，记为<formula>formula see original document page 17</formula>,满足 <formula>formula see original document page 17</formula>其中w为估计窗长W内除L条径之外的任意值。
3)步骤S330是信号相关矩阵加权求和步骤分别计算信号空 间协方差矩阵各条径的径相关矩阵《表示为
<formula>formula see original document page 17</formula> 其中矩阵/ ,的大小为尺flx & 。
则信号空间协方差矩阵&可由下式计算得到<formula>formula see original document page 17</formula>其中a,记为各信号径的相关矩阵的加权系数。本例中该加权系 数选择为各自相关矩阵的迹(trace)的倒数，即
<formula>formula see original document page 17</formula>4)步骤S340是计算相关矩阵步骤采用步骤3)中的方法可 由噪声空间信道估计矩阵得到干扰相关矩阵l。则满足最大SINR 准则的权矢量及对应的特征值满足R::.R, w = . w ，即与最大特征 值A对应的特征矢量w为满足SINR准则的权矢量。因此基于最大 信干噪比准则的待分解矩阵为
基于最大信噪比(SNR)准则的待分解矩阵时/ = &。
5 )步骤S350是计算波束权值步骤对R进行特征值分解如下 式所示
其中i D、 ^分别为特征值矩阵以及特征向量矩阵，其中/^矩阵 的对角线元素即为相关R的特征值序列；u^g(i 。)，其中第q个特 征值为最大特征值，满足
= max(;i),则最大特征值所对应的特^正向量，即所求波束赋
形权值为
6)步骤S360是归一化步骤对步骤5)计算得到的波束赋形 权值进行归一化操作，保证发射功率不变
『W-"W7W(W(")得到的『("即为第k个用户的天线阵列对下行信 道信号发射的波束赋形权值，可用来进行下行波束赋形发射。
图4a和图4b示出了分别采用传统单波束赋形方法与采用本发 明所述的多波束赋形方法的方向图。可看出采用本分明的无线通信 系纟充的多业S卜;皮束赋形方法和装置，可形成多个;皮形。
由以上描述可以看出，本发明实现了以下有益效果，
采用本发明提供的无线通信系统的多业务波束赋形方法，所述 的方法独特、新颖，和传统的波束赋形方法相比具有如下特点
1. 采用多波束赋形，可为下行业务信道赋形提供分集增益；
2. 在计算产生多波束赋形权值时，利用已有的单波束赋形方 法，并未明显增加系统的计算复杂度；
3. 对于UE高速移动，上下行信道对称性难以保证的情况下， 可有效克服上述此时智能天线系统在性能方面的损失。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对 于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。
权利要求
1.一种无线通信系统的多业务波束赋形装置，其特征在于，包括相关矩阵计算模块，用于取天线阵列的上行链路信道的信道估计矩阵中功率最大的L条径，分别计算各自的径相关矩阵，其中，1≤L≤W，W表示信道估计窗长；波束赋形权值计算模块，用于对所述径相关矩阵进行最大信干比的特征值分解以求得特征向量作为波束赋形权值；归一化操作模块，用于对所述波束赋形权值进行归一化操作，所述天线阵列使用其操作结果对下行专用信道信号发射赋形。
2. 根据权利要求1所述的多业务波束赋形装置，其特征在于，所 述波束赋形权值计算模块包括信号空间协方差矩阵计算模块，用于由所述径相关矩阵 加权求和信号空间协方差矩阵；待分解矩阵计算模块，用于由所述信号空间协方差矩阵 与干扰相关矩阵计算基于最大信干比准则的待分解矩阵R;特征向量计算模块，用于选择所述矩阵R的最大特征值 所对应的所述特4正向量作为所述波束赋形4又值。
3. 根据权利要求2所述的多业务波束赋形装置，其特征在于，所 述信道估计矩阵通过从基站端取得所述上行链路信道估计数 据，对其进行信道后处理以滤除噪声干扰而取得。
4. 根据权利要求2所述的多业务波束赋形装置，其特征在于，所 述相关矩阵计算4莫块包括L条径选择才莫块，用于通过分别计 算所述信道估计矩阵中各列的功率和，并进行排序，然后取所 述信道估计矩阵中功率最大的L列而取得所述L条径。
5. 根据权利要求2所述的多业务波束赋形装置，其特征在于，所 述相关矩阵包括信号空间协方差矩阵以及干扰相关矩阵，所述 信号空间协方差矩阵通过对信道估计矩阵采用各径功率排序、 分别计算径相关矩阵，加纟又求和而取得；所述干扰相关矩阵从 噪声径中取得。
6. 根据权利要求2所述的多业务波束赋形装置，其特征在于，所 述特征向量计算模块用于对所述矩阵R进行特征值分解，取 得特征值矩阵，以及特征向量矩阵，其中所述特征值矩阵的对 角线元素即为所述矩阵R的特4正值序列，并与所述特征向量 矩阵中的特征向量——对应，从中选择所述矩阵R的最大特 4iHi所;冲应的特4正向量。
7. 根据权利要求2所述的多业务波束赋形装置，其特征在于，所 述矩阵R的最大特征值所对应的特征向量，其大小为/^xl， 其中Ka为天线阵元数目。
8. 根据权利要求2所述的多业务波束赋形装置，其特征在于，针 对TD-SCDMA通信系统，第k个用户经过信道后处理的信道 估计矩阵表示为<formula>complex formula see original document page 3</formula> 式中Ka表示基站阵列天线数，W表示信道估计窗长，所 述相关矩阵计算模块包括L条径选择模块，用于将所述信道 估计矩阵在各天线上进行功率合并，得到序列P(",如下式所示Pw = ￡|/eto)|w = l，2...,『，以及选择其中功率最大的L 条径，记为{《)，"1,2,…,小满足min(尸("(/)，/")〉V严(w)， 其中w为估计窗长W内除L条径之外的任意值。
9. 根据权利要求8所述的多业务波束赋形装置，其特征在于，所 述波束赋形权值计算模块包括信号空间协方差矩阵计算模块，用于以下式分别计算信 号空间协方差矩阵各条径的径相关矩阵《R"、H,(".(H,("f, / = 1，2广.，丄；其中矩阵《的大小为肋xA:",则 信号空间协方差矩阵&可由下式计算得到A=t",.《；其中/=1",记为各信号径的相关矩阵的加权系数，该加权系数选择为各 自相关矩阵的迹的倒数，即c^加c孝,卜艺li ,0t，"l;待分解矩阵r计算模块，用于计算/ = / -其中，由噪 声空间信道估计矩阵得到干扰相关矩阵，满足特征向量计算模块，用于对r进行特征值分解如下式所示[i DA] = ￡/g(i );其中&、 ^分别为特征值矩阵以及特征向 量矩阵，其中^矩阵的对角线元素即为相关r的特征值序列 ;i = cfeg(i D)，其中第q个特4正4直为最大特4正4直，满足义_ = max(;i),则最大特征值所对应的特征向量，即所求波束赋形^又值为
10. 根据权利要求9所述的多业务波束赋形装置，其特征在于，所 述归一化操作模块用于计算『("^om(w(")，得到的『("为第k 个用户的天线阵列对下行信道信号发射的波束赋形4又值，用来 进行下行波束赋形发射。
全文摘要
本发明提供了一种无线通信系统的多业务波束赋形装置，包括相关矩阵计算模块，用于取天线阵列的上行链路信道的信道估计矩阵中功率最大的L条径，分别计算各自的径相关矩阵，其中，1≤L≤W，W表示信道估计窗长；波束赋形权值计算模块，用于对径相关矩阵进行最大信干比的特征值分解以求得特征向量作为波束赋形权值；归一化操作模块，用于对波束赋形权值进行归一化操作，天线阵列使用其操作结果对下行专用信道信号发射赋形。
文档编号H04B7/06GK101192868SQ200610145239
公开日2008年6月4日 申请日期2006年11月24日 优先权日2006年11月24日
发明者斌 李, 强 王, 秦洪峰 申请人:中兴通讯股份有限公司