基站與波束成形方法
【專利摘要】本發明公開一種基站與波束成形方法。所述的方法包括下述步驟：基站實時獲取和/或預估的列車的當前位置信息；基站將獲得的位置信息與預存的相位激勵表匹配；從相位激勵表中得出應采用的天線陣元和應賦予該天線陣元的相位激勵。本發明針對高移動性場景中位置信息可以實時獲取且移動方向固定的特點，再利用列車頂寬裕的空間布置大規模天線陣列達到滿分集的效果，設計了適用于大規模MIMO的基于列車位置信息的STBC?UBF聯合策略，這種策略的能夠達到STBC?ABF的性能限，同時復雜度低，因此在實際應用中與理論性能的差距不會大，能夠在現有硬件計算量的情況下低成本部署。
【專利說明】
基站與波束成形方法
技術領域
[0001] 本發明涉及無線通信領域，重點針對高速移動場景下，處理大規模多天線輸入輸 出(ΜΙΜΟ)系統，設計低復雜度波束成形與空時編碼的聯合策略問題。
【背景技術】
[0002] 在5G的規劃中，高移動性(High Mobility)成為了非常重要的一部分，高鐵通信是 其中一個典型應用場景。高可靠性和高數據傳輸率是未來高移動通信系統的基本要求。由 于Μπω可大大提高地面蜂窩網絡的傳輸速率、覆蓋范圍等網絡性能，在未來高鐵通信的規 劃中，大規模ΜΙΜΟ的相關技術會得到廣泛應用，以此提高整個系統的性能。
[0003] 波束成形，最早來自自適應天線中的一個概念。其基本的思想是通過對多天線陣 元接收到的各路信號進行一定的幅度和相位加權合成，形成所需的特定信號，這種操作在 天線方向圖里形成了規定指向上的波束，所以稱其為波束成形。使用波束成形的前提是必 須采用多天線系統，而我們的高移動系統中往往會使用大規模ΜΙΜΟ系統。
[0004] 現有自適應波束成形的方案中，需要獲取CSI或是上行信道協方差矩陣（UCCM: Uplink Channel Covariance Matrix)，亦或是下行信道協方差矩陣（DCCM:Downlink Channel Covariance Matrix)，這些方案對其計算復雜度特別高，因此在實際實施的時候 性能會降低不少。
【發明內容】
[0005] 為克服上述缺陷，本發明的目的在于提供一種低復雜度的波束形成方法和基站。
[0006] 為達到上述目的，本發明的波束成形方法，包括下述步驟：
[0007] 基站實時獲取和/或預估的列車的當前位置信息；
[0008] 基站將獲得的位置信息與預存的相位激勵表匹配；
[0009] 從相位激勵表中得出應采用的天線陣元和應賦予該天線陣元的相位激勵。
[0010] 較佳的，所述的位置信息為列車通過GPS獲得，并從上行鏈路反饋給基站的。
[0011] 較佳的，所述的相位激勵表為與位置信息相關的矩陣;其中，矩陣中每一列中各個 元素代表形成某個波束時各天線陣元上所賦予的相位激勵，列數量代表需要的總波束數 量。
[0012] 較佳的，所述的位置信息預估的方法為：
[0013]確認最后一次獲得的位置信息；
[0014] 確認最后一次獲得的位置信息的時間與當前時間的時間差；
[0015] 估算列車速度；
[0016] 通過時間和速度計算當前列車行駛距離；
[0017]通過預存的列車軌道信息計算當前列車的位置。
[0018]為達到上述目的，本發明的一種基站，包括：
[0019]地址獲取單元，用于實時獲取和/或預估列車的當前位置信息；
[0020] 存儲單元，預存有基于位置信息制作的相位激勵表；
[0021] 區配單元:基于地址獲取單元實時獲取和/或預估的列車的當前位置信息和預存 的相位激勵表匹配，得出應采用的天線陣元和應賦予該天線陣元的相位激勵。
[0022] 較佳的，還包括一列車軌道信息存儲單元，用于存儲列車軌道的坐標位置。
[0023] 本發明針對高移動性場景中位置信息可以實時獲取(或者預估d(t))且移動方向 固定的特點，再利用列車頂寬裕的空間布置大規模天線陣列達到滿分集的效果，設計了適 用于大規模Μ頂0的基于列車位置信息的STBC-UBF聯合策略，這種策略的能夠達到STBC-ABF 的性能限，同時復雜度低，因此在實際應用中與理論性能的差距不會大，能夠在現有硬件計 算量的情況下低成本部署。
【附圖說明】
[0024]圖1為本申請的系統模型圖。
[0025] 圖2本申請與現有技術在不同傳輸功率下移動服務量比較
[0026] 圖3本申請與現有技術在高移動場景中切換成功率比較。
[0027] 圖4為本申請與現有技術在單基站內誤比特率比較。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。
[0029] 如圖1所示，本發明是基于高移動性場景中移動方向固定的特點，再利用列車頂寬 裕的空間布置大規模天線陣列達到滿分集的效果，設計了適用于大規模ΜΙΜΟ的基于列車 位置信息的STBC-UBF聯合策略，這種策略的能夠達到STBC-ABF的性能限，同時復雜度低，因 此在實際應用中與理論性能的差距不會大，能夠在現有硬件計算量的情況下低成本部署。
[0030] 基本的波束成形與空時編碼的聯合傳輸策略，服從如下的矩陣：
[0032]其中*表示復共輒運算。
[0033]加上權重之后，整個波束成形后的傳輸信號為：
[0040] 根據基站到鐵路段的垂直距離do與基站有效傳輸覆蓋半徑，在系統設計時選取合 適的波束成形數量N，根據以上算法預先算出波束成形權重，將其與對應的列車位置信息預 先儲存在基站端。因此，基站能夠通過列車反饋的位置信息，通過查表法快速查出配置的波 束成形權重并替代在傳輸中，因而能夠以較大概率在不增加系統線上計算復雜度的情況 下，大大提高系統整體性能。
[0041] 由于一旦基站被部署，而列車移動方向固定且位置信息可以實時獲取，因此，根據 列車在軌道上的不同位置計算出Θ:。，隨后設計和存儲能夠覆蓋列車所在位置的相位激勵i 0sti，并以矩陣形式預先存儲在基站端。
[0042] 實施例1
[0043]本發明的波束成形方法，包括：
[0044] 11、基站通過連續的反饋獲取列車的位置信息d(t)。
[0045] 12、基站將獲取的列車實時地理位置信息d( t)和相位激勵表
[0046] 9sti: )，20sti(d(t))，· · ·，N0sti(d(t))]匹配，尋找對應項i9sti(d(t))。
[0047] 13、基站根調整天線相位激勵，等待接收下一個d(t)。
[0048] 圖2為采用本方法使用現有方法在不同傳輸功率下移動服務量比較。圖3采用本方 法使用現有方法在高移動場景中切換成功率比較。圖4為采用本方法使用現有方法在單基 站內誤比特率比較。其中，STBC表示只采用空時編碼的傳輸策略，STBC-ABF表示采用自適應 波束成形和空時編碼的聯合策略，STBC-UBF為本發明所提出的方法。從圖中可以看出，不需 要準確的信道狀態信息(CSI: Channel State Information)，也無需引入巨額計算復雜度 的情況下即可達到自適應波束成形和空時編碼的聯合策略所達到的效果。
[0049] 其中，上述的位置信息為列車通過GPS獲得，并從上行鏈路反饋給基站的。
[0050] 上述的相位激勵表為與位置信息相關的矩陣，如下所示，
[0052]其中，矩陣中每一列中各個元素代表形成某個波束時各天線陣元上所賦予的相位 激勵，列數量代表需要的總波束數量。
[0053]下面以實際的例子作進一步的說明：
[0054]假設基站覆蓋范圍為700米，基站到鐵軌垂直距離為50米，天線為8陣元，一共產生 8個波束，每個波束覆蓋范圍不等，那么圖1中的矩陣列表則為8*8,矩陣中每一列中各個元 素代表形成某個波束時各天線陣元上所賦予的相位激勵，列數量代表需要的總波束數量。 譬如列車剛進入基站時，根據其地理位置信息d(t)知道此時由第一個波束覆蓋，那么基站 處拿出8*8矩陣中的第一列相位激勵賦予天線，因為就能將天線能量定向饋給列車所在位 置。當列車進入第二個波束的覆蓋范圍，同樣，基站收到反饋的列車位置信息，匹配查表本 地存儲的8*8矩陣，拿出第二列相位激勵賦予天線。如果由于列車位置信息精度問題，當列 車位于兩波束交界處時，可做出如下功率分配優化：
[0055]此時兩路傳輸信號可以表示為：
[0058] 我們定義= 1,2，此時信噪比可以表示為：
[0059] ;/ = + ?；]
[0060] 利用列車地理位置信息，我們得到如下的優化問題：
[0061] argmaxJ = E[ | αι 12+1 a〗|2]
[0062] s . t .Ε[0ια2*] =0
[0063] fi+f2 = 1
[0064] 有如下的結論：
[0065] 當CSI未知時，如果>，1)2為2，則fi = 1，f2 = 0，如果 AW < A#，貝ljfi = 0，f2 = 1〇
[0066] 實施例2
[0067] 本實施例是在實施例1基礎上的改進，基于列車的軌道線路是固定的，因此在獲取 了幾次列車位置信息后，還可以對基進下一步的位置信息進行預估。所述的位置信息預估 的方法為：
[0068] 111、確認最后一次獲得的位置信息；
[0069] 112、確認最后一次獲得的位置信息的時間與當前時間的時間差；
[0070] 113、估算列車速度；
[0071] 114、通過時間和速度計算當前列車行駛距離；
[0072] 115、通過預存的列車軌道信息計算當前列車的位置。
[0073] 通過上述方法，通過幾次對列車位置獲取即可實現對列車位置的預估。
[0074] 實施例3
[0075]本發明的一種基站，包括：
[0076] 地址獲取單元，用于實時獲取和/或預估列車的當前位置信息；
[0077] 存儲單元，預存有基于位置信息制作的相位激勵表；
[0078] 區配單元:基于地址獲取單元實時獲取和/或預估的列車的當前位置信息和預存 的相位激勵表匹配，得出應采用的天線陣元和應賦予該天線陣元的相位激勵。
[0079] 還包括一列車軌道信息存儲單元，用于存儲列車軌道的坐標位置。
[0080] 以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于相關領域的 技術人員來說，本發明的實施及技術細節可以有各種更改和變化。凡在本發明的所提方法 思想及核心原理范圍內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護范圍 內。
[0081 ]本領域普通技術人員將會理解，本發明的各個方面、或各個方面的可能實現方式 可以被具體實施為系統、方法或者計算機程序產品。因此，本發明的各方面、或各個方面的 可能實現方式可以采用完全硬件實施例、完全軟件實施例(包括固件、駐留軟件等等），或者 組合軟件和硬件方面的實施例的形式，在這里都統稱為"電路"、"模塊"或者"系統"。此外， 本發明的各方面、或各個方面的可能實現方式可以采用計算機程序產品的形式，計算機程 序產品是指存儲在計算機可讀介質中的計算機可讀程序代碼。
[0082] 計算機可讀程序代碼可以完全在用戶的計算機上執行、部分在用戶的計算機上執 行、作為單獨的軟件包、部分在用戶的計算機上并且部分在遠程計算機上，或者完全在遠程 計算機或者服務器上執行。也應該注意，在某些替代實施方案中，在流程圖中各步驟、或框 圖中各塊所注明的功能可能不按圖中注明的順序發生。例如，依賴于所涉及的功能，接連示 出的兩個步驟、或兩個塊實際上可能被大致同時執行，或者這些塊有時候可能被以相反順 序執行。
[0083] 顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精 神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍 之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【主權項】
1. 一種波束成形方法，其特征在于，所述的方法包括下述步驟： 基站實時獲取和/或預估的列車的當前位置信息； 基站將獲得的位置信息與預存的相位激勵表匹配； 從相位激勵表中得出應采用的天線陣元和應賦予該天線陣元的相位激勵。2. 如權利要求1任意權利要求所述的波束成形方法，其特征在于，所述的位置信息為列 車通過GPS獲得，并從上行鏈路反饋給基站的。3. 如權利要求1任意權利要求所述的波束成形方法，其特征在于，所述的相位激勵表為 與位置信息相關的矩陣;其中，矩陣中每一列中各個元素代表形成某個波束時各天線陣元 上所賦予的相位激勵，列數量代表需要的總波束數量。4. 如權利要求1任意權利要求所述的波束成形方法，其特征在于，所述的位置信息預估 的方法為： 確認最后一次獲得的位置信息； 確認最后一次獲得的位置信息的時間與當前時間的時間差； 估算列車速度； 通過時間和速度計算當前列車行駛距離； 通過預存的列車軌道信息計算當前列車的位置。5. -種基站，其特征在于，包括： 地址獲取單元，用于實時獲取和/或預估列車的當前位置信息； 存儲單元，預存有基于位置信息制作的相位激勵表； 區配單元:基于地址獲取單元實時獲取和/或預估的列車的當前位置信息和預存的相 位激勵表匹配，得出應采用的天線陣元和應賦予該天線陣元的相位激勵。6. 如權利要求5所述的基站，其特征在于，還包括一列車軌道信息存儲單元，用于存儲 列車軌道的坐標位置。
【文檔編號】H04B7/06GK106027131SQ201610590835
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月25日
【發明人】陳徐洪, 劉善赟, 樊平毅
【申請人】清華大學