專利名稱：一種基于零陷展寬的自適應(yīng)多用戶波束成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多輸入多輸出(MMO: Multiple Input and Multiple Output)無(wú)
線移動(dòng)通信系統(tǒng)中的智能天線波束賦形技術(shù)，更具體地，涉及一種基于波束 零陷展寬的自適應(yīng)多用戶波束成形(beamforming)方法。
背景技術(shù)：
多輸入多輸出系統(tǒng)由于可以有效提高信道容量，已成為L(zhǎng)TE的研究中一 項(xiàng)倍受人們關(guān)注的技術(shù)。
針對(duì)多用戶使用的預(yù)編碼方法的基本思想是發(fā)射端發(fā)射機(jī)已知所有用 戶的信道信息，根據(jù)所有用戶的信道信息，通過多用戶信號(hào)分離算法對(duì)于多 用戶間的信號(hào)進(jìn)行分離，消除用戶之間的干擾，達(dá)到同時(shí)同頻傳輸多用戶信 號(hào)的目的。
要使用該預(yù)編碼方法，對(duì)于下行鏈路來(lái)講，基站(如NodeB)需要知道 多個(gè)用戶各自的下行信道矩陣，這類基于信道信息進(jìn)行用戶間千擾消除的 MU-MMO方法存在的瓶頸是在FDD模式下，得到信道信息是比較困難的， 利用碼本反饋信道信息需要耗費(fèi)很大的開銷且反饋的信道矩陣準(zhǔn)確性低。
為了應(yīng)對(duì)上述困難，波束成形的方法通過用戶所在方位來(lái)區(qū)分用戶，從 而可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶復(fù)用相同的時(shí)間頻率資源。對(duì)于小天線間距)情 況下的MIMO系統(tǒng)，更加適合于應(yīng)用波束成形技術(shù)。
在多用戶MIMO模式中，可以通過設(shè)計(jì)合適的發(fā)射天線和接收天線的權(quán) 值矢量來(lái)設(shè)計(jì)賦形波束的方向，區(qū)分多用戶的信號(hào)，去除用戶間千擾。
但是，如何在不使用編碼的情況下，僅僅利用多天線技術(shù)，多用戶同時(shí) 同頻復(fù)用系統(tǒng)資源一直是尚未解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于波束零陷展寬的自適應(yīng)多用戶 波束成形方法，使得至少2個(gè)用戶可以利用相同的時(shí)、頻、碼資源，復(fù)用系 統(tǒng)資源。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于零陷展寬的自適應(yīng)多用 戶波束成形方法，包括
權(quán)值碼本的生成預(yù)先選取多組波達(dá)角即DOA角度組合，每組包含N 個(gè)預(yù)先選取的DOA角度，采用零陷展寬算法計(jì)算出各組N個(gè)用戶的發(fā)射權(quán) 值后進(jìn)行正交化，得到各用戶最終的發(fā)射權(quán)值并作為碼本保存，N為要復(fù)用 相同資源的用戶數(shù)量，N^2;
自適應(yīng)多用戶波束成形基站接收上行信號(hào)，估計(jì)出各用戶所在位置對(duì) 應(yīng)的DOA角度，將滿足分組約束條件的N個(gè)用戶分入一個(gè)用戶組，對(duì)每一 用戶組，根據(jù)其中N個(gè)用戶的DOA角度，從預(yù)先選取的DOA角度組合中匹 配到一組最接近的DOA角度組合，按所述碼本中該該匹配到的DOA角度組
進(jìn)一步地，上述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法還可具有以下特點(diǎn)
所述復(fù)用相同資源的用戶數(shù)量N等于2，自適應(yīng)多用戶波束成形時(shí)，基 站將兩個(gè)用戶分入同 一用戶組時(shí)采用的分組約束條件包括
對(duì)于任意兩個(gè)用戶Uj、 Uk，用戶Uj的DOA角度A和用戶Uk的DOA角 度《需滿足I《一《1》5xAP;其中，5的取值范圍為0.5《5《2， z^為 零陷展寬算法所使用的零陷寬度值，M<40° 。
進(jìn)一步地，上述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法還可具有以下特點(diǎn)所述3 的取it范圍為1《5<1.5。
進(jìn)一步地，上述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法還可具有以下特點(diǎn)采用 8天線時(shí)，A^的取值范圍為25°<A^《30°。
進(jìn)一步地，上述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法還可具有以下特點(diǎn)所述分組約束條件還包括對(duì)于任意兩個(gè)用戶Uj、 Uk，用戶Uj的DOA 角度《和用戶Uk的DOA角度《需滿足I《-《—其中，使用8根發(fā) 送天線時(shí)A->10°， -使用4才艮發(fā)送天線時(shí)A^>20°。
進(jìn)一步地，上迷的自適應(yīng)多用戶波束成形方法還可具有以下特點(diǎn)使用 8根發(fā)送天線時(shí)> 20° ， 4吏用4才艮發(fā)送天線時(shí)> 40° 。
進(jìn)一步地，上述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法還可具有以下特點(diǎn)所述 分組約束條件還包括以下條件中的一種或兩種
對(duì)于任一用戶的峰均比，需滿足峰均比 > 峰均比門限值；其中，若基站 根據(jù)接收到的上行信號(hào)得到用戶Ui對(duì)應(yīng)的波束圖主瓣的增益值為P"波束圖 增益的均值為Q,,則用戶U,的峰均比為Pi/Qi;所述峰均比門限值大于2;
對(duì)于任一用戶的旁瓣主瓣增益比，需滿足旁瓣主瓣增益比<旁瓣主瓣增益 比門限值；其中，若基站根據(jù)接收信號(hào)得到用戶Ui所對(duì)應(yīng)的波束圖中除主瓣 外增益最大的方向的波束增益值為A;用戶Ui所對(duì)應(yīng)的波束圖的主瓣波束增 益值《，則所述旁瓣主瓣增益比為iVg;所述旁瓣主瓣增益比門限值小于-5dB。
進(jìn)一步地，上述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法還可具有以下特點(diǎn)在權(quán) 值碼本的生成過程中，計(jì)算用戶發(fā)射權(quán)值的方法如下
假定用戶組中包含的用戶為仏，...,Uw, Ui, Ui + 1,...,UN，各用戶對(duì)應(yīng)的 DOA角度為3,…,6U,《，S+1， ...， 對(duì)于用戶組中的用戶Ui,是用該用 戶Ui的DOA角度《作為主瓣方向，并以該組中其他用戶的DOA角度《，...， Sv S+,， ...， ^作為零陷方向，釆用零陷展寬算法生成該用戶Ui的發(fā)射權(quán) 值，Ki復(fù)
進(jìn)一步地，上述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法還可具有以下特點(diǎn)在權(quán) 值碼本的生成過程中，選取DOA角度組合的方法如下
預(yù)定義掃描角度的粒度間隔;將N個(gè)用戶的DOA角度分別從-60。 ~ 60。以A-為間隔進(jìn)行遍歷取值，N個(gè)用戶協(xié)同取值時(shí)即得到((120。/A^)+lf種 DOA角度組合，將該"120°/ °)+《種DOA角度組合作為預(yù)先選取的DOA角度組合，或者至少將該((120。/Af)+1)種DOA角度組合中滿足所迷分組約 束條件的部分DOA角度組合作為預(yù)先選取的DOA角度組合，所述預(yù)先選取 的DOA角度指從-60° ~ 60°以^為間隔進(jìn)行遍歷取值得到的DOA角度。
進(jìn)一步地，上述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法還可具有以下特點(diǎn)
自適應(yīng)多用戶波束成形過程中，進(jìn)行DOA角度組合的匹配時(shí)，對(duì)每一用 戶組，是根據(jù)其中每一用戶的DOA角度，分別從預(yù)先選取的角度值中選出與 其差值的絕對(duì)值最小的一個(gè)取值，將選出的N個(gè)取值構(gòu)成的DOA角度組合 作為所匹配到的一組最接近的DOA角度組合。
進(jìn)一步地，上述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法還可具有以下特點(diǎn)A-的 取值范圍為3°~6°。
可以看出，本發(fā)明給出了一種用于多用戶波束成形的方案，利用波束零 陷展寬技術(shù)和權(quán)值正交化技術(shù)，配合幾種分組約束條件，可以使得至少2個(gè) 用戶利用相同的時(shí)、頻、碼資源，復(fù)用系統(tǒng)資源。本發(fā)明在不使用編碼的情 況下，僅僅利用多天線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多用戶同時(shí)同頻復(fù)用系統(tǒng)資源。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例基于零陷展寬的自適應(yīng)多用戶波束成形方法的流程
圖2是在隨機(jī)輸入信號(hào)序列長(zhǎng)度為15時(shí)得到的零陷展寬波束圖； 圖3是在隨機(jī)輸入信號(hào)序列長(zhǎng)度為15時(shí)得到的另一零陷展寬波束圖； 圖4是隨機(jī)輸入信號(hào)序列長(zhǎng)度為1500時(shí)得到的零陷展寬波束圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述，以兩個(gè)用戶配對(duì)復(fù)用相 同資源的情況為例，但本發(fā)明不限于兩用戶的情況。
圖1示出了本實(shí)施例方法的流程圖，首先需完成權(quán)值碼本的生成，在自適應(yīng)多用戶波束成形時(shí)使用。權(quán)值碼本的生成即要計(jì)算并存儲(chǔ)所有可能發(fā)生
的情況下兩個(gè)用戶的發(fā)射權(quán)值，具體包括
第一步預(yù)定義掃描角度的粒度間隔A-， A^的取值范圍較佳為3°~6°;
第二步將兩個(gè)用戶的DOA (Direction of Arrival,波達(dá)角)角度分別從 -60°~60°以z^為間隔進(jìn)行遍歷取值，每個(gè)用戶需計(jì)算的情況有(12(T/A^)+l 種，兩用戶協(xié)同取值時(shí)可以得到《120。/A0。)+1)2種DOA角度組合，每種DOA 角度組合中包括兩個(gè)預(yù)先選取的DOA角度；
所謂預(yù)先選取的DOA角度是從-60° ~ 60°以A0為間隔進(jìn)行遍歷取值得到 的DOA角度，例如，在A^的取值為5°時(shí)，該預(yù)先選取的DOA角度即為-60°, -55。， -50°， ......0°， 5°， ......， 55°, 60°。因此該步得到的DOA角度組合也
可稱為預(yù)先選取的DOA角度組合。
對(duì)于一些明顯不滿足下文中的分組約束條件的DOA角度組合也可以在 計(jì)算前排除。如可以排除{-60°, -60°}或{-60°， -57°}等等00八角度組合。但 至少要將該((12(r/A^) + f種DOA角度組合中滿足所述分組約束條件的部分 DOA角度組合作為預(yù)先選取的DOA角度組合。不過這并非是必須的。
第三步對(duì)于《l2(r/Ar)+iy種DOA角度組合進(jìn)行遍歷，對(duì)每種DOA角 度組合，根據(jù)零陷展寬算法得到兩個(gè)用戶分別使用的固定的發(fā)射權(quán)值；
對(duì)于兩用戶的MMO,每組內(nèi)兩個(gè)用戶(用戶一，用戶二}，對(duì)應(yīng)的DOA 角度分別為g，《為例，每個(gè)用戶一列發(fā)射權(quán)值。根據(jù)零陷展寬算法，組內(nèi) 每個(gè)用戶生成波束權(quán)值在該用戶自己的DOA方向形成主瓣，在組內(nèi)其它用戶 DOA方向生成零陷。
當(dāng)有N個(gè)用戶被分為同一組時(shí)即同時(shí)工作時(shí)，假定用戶組中包含的用戶 為U！,..., Ui, Ui +!,...,UN，各用戶對(duì)應(yīng)的DOA角度為《，...,《—,，《，《+1 ，...，
對(duì)于用戶組中的用戶Ui，是用該用戶Ui的DOA角度S作為主瓣方向， 并以該組中其他用戶的DOA角度《，…，《—,，《+1， ...， 6^作為零陷方向， 采用零陷展寬算法生成用戶Ui的發(fā)射權(quán)值，Ki《N。
第四步對(duì)每種DOA角度組合內(nèi)的兩個(gè)用戶的發(fā)射權(quán)值進(jìn)行正交化，將本發(fā)明對(duì)具體的正交化算法并不做限定，如可以釆用Gram-Schmidt (施 密特)正交化算法對(duì)組內(nèi)用戶的發(fā)射權(quán)值進(jìn)行正交化。
假定用戶一和用戶二的發(fā)射權(quán)值分別為ul、 u2;正交化后用戶一和用戶 二的發(fā)射權(quán)值分別vl、 v2，則有
<formula>formula see original document page 10</formula>
上式中(O表示內(nèi)積，即m2"1"; l卜ll表示取^t。
下面以為用戶二生成發(fā)射權(quán)值為例說(shuō)明 一下第三步的運(yùn)算。
用戶二的主瓣方向^ =《，干擾的入射角度即零陷方向?yàn)椤叮跀?shù)據(jù)失 配的情況下，角度的最大變化量即零陷寬度為A^ (M的取值范圍可參下文 零陷展寬約束條件中的介紹)，按兩點(diǎn)分布考慮。入射角左邊擾動(dòng)為/7/^, 右邊4尤動(dòng)為《Ae， ；？為左^尤動(dòng)幅度，《為右4尤動(dòng)幅度，且p +《-l。
先根據(jù)零陷方向《和零陷寬度M計(jì)算用戶二的協(xié)方差矩陣R，具體的計(jì) 算過程如下
由于千擾功率的大小只影響零陷的深度，可〗叚設(shè)兩個(gè)千擾的功率相等。 這樣，兩個(gè)干擾形成的左擾動(dòng)導(dǎo)向矢量(即《+pA6方向?qū)?yīng)的導(dǎo)向矢量) 的+/ ^)和右擾動(dòng)導(dǎo)向矢量(即《-《Ae方向?qū)?yīng)的導(dǎo)向矢量)"的-^A。為
<formula>formula see original document page 10</formula> (式1 )
<formula>formula see original document page 10</formula> (式2 ) 在(式1 )和(式2 )中，記
<formula>formula see original document page 10</formula>; 如 果A6很小則有
<formula>formula see original document page 10</formula> (式3 )
<formula>formula see original document page 10</formula> (式4 )
把(式3),(式4)分別代入(式l)和(式2)可以看到，對(duì)于固定的 入射角，|cos《|si，考慮最大的角度擴(kuò)散，在這里取lcos《卜l，這樣設(shè)A^"A^這樣，(式l)、(式2)可以變化為
<formula>formula see original document page 11</formula>(式5)
<formula>formula see original document page 11</formula> (式6)
其中，"(50為零陷中心方向?qū)蚴噶俊?br> 記(式5 )(式6 )中的^=;z"sin《，并且令<formula>formula see original document page 11</formula> (式7 ) <formula>formula see original document page 11</formula>式8 ) 這樣，接收的信號(hào)可以表示為
<formula>formula see original document page 11</formula> (式9 )
<formula>formula see original document page 11</formula>(式10 )
其中Z+(0表示從《+ pA6入射的干擾信號(hào)，而X力)表示從^ -《^入射的
干擾信號(hào)；s(o表示輸入信號(hào)，"(/)表示噪聲信號(hào)。
分別取兩個(gè)干擾信號(hào)形成的協(xié)方差矩陣，并且由于萬(wàn)5" 二/和(X" =/, 所以有
<formula>formula see original document page 11</formula>(式11 )
<formula>formula see original document page 11</formula> (式12 )
其中，，尸為S(/)的協(xié)方差，/為單位矩陣。
由于(式ll)、(式12)是在信號(hào)分成兩部分的基礎(chǔ)上得出的協(xié)方差矩 陣，需要將兩個(gè)矩陣進(jìn)行算術(shù)平均，這樣得到的協(xié)方差矩陣為
<formula>formula see original document page 11</formula> (式13 )
得到用戶二的協(xié)方差矩陣R后，將其帶入線性約束最小方差算法(LCMV 準(zhǔn)則)公式，得到用戶二的帶有零陷的發(fā)射權(quán)值W,從而完成波束賦形算法。
線性約束最小方差算法在某個(gè)線性約束條件下，使陣列輸出的方差最小。 線性約束最小方差算法公式為w = ir、(^)[Z(^)7r^(A)]"V,其中，g為歸一化常數(shù)。
采用以上步驟可計(jì)算得到用戶二的發(fā)射權(quán)值。對(duì)于用戶一，如果取& = 《，以用戶二的主瓣方向《為零陷方向，采用上述步驟可以計(jì)算得到用戶一 的發(fā)射權(quán)值。
在另 一實(shí)施方式中，計(jì)算用戶二的協(xié)方差矩陣R時(shí)還可以采用另 一種方 式，即根據(jù)零陷方向《、零陷寬度A6、左擾動(dòng)幅度p以及NodeB估計(jì)得到的 接收信號(hào)中用戶二對(duì)應(yīng)的原始協(xié)方差矩陣》來(lái)計(jì)算，具體過程如下
從(式13)可以看出，由于矩陣B和C沒有入射角信息，最終得到的協(xié) 方差矩陣為接收信號(hào)協(xié)方差矩陣的算術(shù)運(yùn)算，擾動(dòng)的均值m為
m = (2/ -， (式14)
均值的不同代表擾動(dòng)中心位置的不同，顯然p=0.5時(shí)擾動(dòng)中心在入射角 的方向；纟尤動(dòng)的方差S2為
2:2=4厶62; (卜/7) (式15)
作為擾動(dòng)和中心角偏差的一種度量，方差越大，則表示對(duì)擾動(dòng)的影響越 大，當(dāng)； =0.5時(shí)^達(dá)到最大。由于擾動(dòng)，^表示對(duì)擾動(dòng)抑制，從而影響接收 信號(hào)的信干噪比。
此外，觀察(公式7 )和(公式8 )可知，當(dāng)/ = 0.5時(shí)有S=C，由于5 和C均為以指數(shù)函數(shù)為特征值的對(duì)角矩陣，設(shè)》中的元素^， l"j《M， M 為々的行數(shù)；那么對(duì)于其中的元素^經(jīng)過萬(wàn)紐"的運(yùn)算以后為
^ exp((/ -力Ap / 2) (式16 )
而經(jīng)過(^》(:運(yùn)算以后的元素為
^exp(C/-z)一2) (式17)
其中，exp(x)表示Z。
經(jīng)過(式13 )的運(yùn)算可以把矩陣對(duì)應(yīng)元素做平均得到矩陣R,矩陣R中 的對(duì)應(yīng)元素為
rv = ^ cos((,'-力A伊/ 2) (式18 )從(式18)可以看到，經(jīng)過(式13 )的運(yùn)算以后得到的矩陣為接收信號(hào) 協(xié)方差矩陣對(duì)應(yīng)元素的運(yùn)算，定義矩陣T，其中的元素為
<formula>formula see original document page 13</formula> (式19)
對(duì)矩陣》做如下運(yùn)算
<formula>formula see original document page 13</formula>(式20)
其中，"。"表示Hadamard (哈達(dá)瑪特)積。經(jīng)過上述運(yùn)算得到的矩陣 (以式20或式18表示)和式13得到的矩陣一樣，但可以減少運(yùn)算量。
在實(shí)際運(yùn)行時(shí)按以下步驟完成自適應(yīng)多用戶波束成形
步驟A:基站接收各用戶的上行信號(hào)，利用MUSIC、 C叩on等DOA估 計(jì)算法分別估計(jì)出各用戶所在的位置對(duì)應(yīng)的DOA角度；
步驟B:根據(jù)預(yù)設(shè)的分組約束條件，對(duì)各用戶進(jìn)行配對(duì)得到一個(gè)或多個(gè) 用戶組，每一用戶組中包含兩個(gè)用戶；
本實(shí)施例分組約束條件包括與用戶的DOA角度有關(guān)的零陷展寬的約束 條件和權(quán)值正交化的約束條件，還可以增加波束圖峰均比的約束條件和波束 圖旁瓣主瓣增益比的約束條件。
步驟C:對(duì)每一用戶組，根據(jù)該用戶組中每一用戶的DOA角度，分別從 -60°~60。以A^為粒度間隔的預(yù)先選取的DOA角度取值中選出與其差值的絕 對(duì)值最小的一個(gè)取值，調(diào)用由選出的兩個(gè)取值構(gòu)成的DOA角度組合對(duì)應(yīng)的發(fā) 射權(quán)值碼本，作為該兩個(gè)用戶下行信號(hào)發(fā)射所使用的最終的發(fā)射權(quán)值。
以上是兩用戶的情況，對(duì)于更多用戶的情況也可以通過遍歷得到這些用 戶的每種DOA角度組合，并通過零陷展寬算法得到每種DOA角度組合對(duì)應(yīng) 的一組發(fā)射權(quán)值，正交化后保存為發(fā)射權(quán)值的碼本。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，也可以 按上述步驟對(duì)用戶分組，并匹配到相應(yīng)的碼本，進(jìn)而得到各用戶的發(fā)射權(quán)值， 完成自適應(yīng)多用戶波束成形。
下面逐一介紹一下步驟B中的幾種約束條件，應(yīng)說(shuō)明的是，以下條件僅作為示例，本發(fā)明不限于下文介紹的這些示例。
分組約束條件包括零陷展寬約束條件，權(quán)值正交化約束條件，峰均比 約束條件，旁瓣主瓣增益比約束條件；下面分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。
>零陷展寬約束條件
對(duì)于任意兩個(gè)用戶用戶i和用戶j,當(dāng)其所在位置對(duì)應(yīng)的DOA角度分 別為《和《時(shí)，零陷展寬約束條件為 I《■-《■ 一xA/9;
其中，3為常數(shù)，取值范圍為0.5《3《2;優(yōu)選地1<<5《1.5。
上述A《為零陷寬度，是零陷展寬算法中的一個(gè)重要參數(shù)，這個(gè)參數(shù)表示 零陷展寬算法所設(shè)置的零陷應(yīng)該達(dá)到的寬度。根據(jù)仿真驗(yàn)證，當(dāng)M小于40 度時(shí)，零陷范圍內(nèi)波束能量幾乎為零，性能較好；當(dāng)M大于40度時(shí)，零陷 范圍內(nèi)會(huì)有波束凸起，不利于使用。
因此，在后續(xù)步驟采用零陷展寬算法計(jì)算發(fā)射權(quán)值時(shí)，A^取值不應(yīng)大于 40度；但是A6取值過小也達(dá)不到零陷展寬的目的，采用8天線時(shí)，AP優(yōu)選 的取值范圍為25~30度。
>權(quán)值正交化約束條件
對(duì)于任意兩個(gè)用戶用戶i和用戶j,當(dāng)其所在位置對(duì)應(yīng)的DOA角度分 別為《和《時(shí)，權(quán)值正交化約束條件為I《-《12A0。
使用8根發(fā)送天線時(shí)> 10° ，優(yōu)選地，A- > 20° 。
使用4根發(fā)送天線時(shí)△》> 20°,優(yōu)選地，> 40° 。
由于兩組權(quán)值之間的正交是兩數(shù)據(jù)流間無(wú)干擾的必要條件，正交化后有 可能實(shí)現(xiàn)兩數(shù)據(jù)流間無(wú)干擾；若ul、 u2為正交化前的權(quán)值，vl， v2為正交化 后的權(quán)值，對(duì)u2做正交化后，得到的權(quán)值v2對(duì)應(yīng)的波束在ul主方向形成零 陷，即正交化不影響形成零陷的性能。
通過大量仿真驗(yàn)證，得到以下結(jié)論
當(dāng)使用8根發(fā)送天線時(shí)，當(dāng)兩權(quán)值向量對(duì)應(yīng)的波束中心角間隔大于20度 時(shí)，可以認(rèn)為正交化對(duì)波束性能沒有影響；當(dāng)使用4根發(fā)送天線時(shí)，當(dāng)兩權(quán)值向量對(duì)應(yīng)的波束中心角間隔大于40度 時(shí)，可以認(rèn)為正交化對(duì)波束性能沒有影響；
但是，當(dāng)兩權(quán)值向量對(duì)應(yīng)的波束中心角間隔過于接近時(shí)(例如，使用8 根發(fā)送天線時(shí)間隔小于20度，使用4根發(fā)送天線時(shí)間隔小于40度)波束發(fā) 生形變，原因在于權(quán)值v2所產(chǎn)生的波束既要在u2方向形成主瓣，又要在ul 方向形成零陷，由于波束寬度的原因，這一點(diǎn)是無(wú)法做到的，所以波束就會(huì) 發(fā)生非所要求的形變。
也就是說(shuō)，如果用戶i和用戶j不滿足上述權(quán)值正交化約束條件，則不適 于采用零陷展寬算法生成權(quán)值，即不能將用戶i和用戶j分在一組進(jìn)行后續(xù)的 采用零陷展寬算法生成權(quán)值的操作。
>峰均比約束條件
這個(gè)約束條件是限制NodeB的接收信號(hào)中用戶所對(duì)應(yīng)的波束圖主瓣的增 益與該用戶所對(duì)應(yīng)的波束圖增益均值的比需要大于一門限值(稱為峰均比門 限值)，這樣保證了當(dāng)主瓣的增益不是足夠大時(shí)，將不能通過約束條件，從 而不能進(jìn)行后續(xù)的多用戶波束賦形算法，即不能將該用戶與其它用戶分為一 組。
峰均比約束條件為峰均比 > 峰均比門限值。
其中，若NodeB根據(jù)接收信號(hào)得到用戶i對(duì)應(yīng)的波束圖主瓣的增益值為 Pi，用戶i對(duì)應(yīng)的波束圖增益的均值為Qi,則用戶i的峰均比為Pi/Qi。
上述峰均比門限值可通過仿真確定，峰均比門限值可以大于2。
>旁瓣主瓣增益比約束條件
這個(gè)約束條件是限制NodeB的接收信號(hào)中用戶所對(duì)應(yīng)的波束圖最大旁瓣 的增益與主瓣增益的比必須小于一門限值(稱為旁瓣主瓣增益比門限值)， 這樣保證了若旁瓣的增益過大時(shí)不能通過約束條件，從而不能進(jìn)行后續(xù)的多 用戶波束賦形算法，即不能將該用戶與其它用戶分為 一組。
若NodeB根據(jù)接收信號(hào)找到用戶所對(duì)應(yīng)的波束圖中除主瓣外增益最大的 方向(即主瓣邊零陷以外的方向)后，估計(jì)得到此方向的波束增益值為g; 該用戶所對(duì)應(yīng)的波束圖的主瓣波束增益值《，則旁瓣主瓣增益比約束條件為尸2/《 <旁瓣主瓣增益比門限值。
旁瓣主瓣增益比門限值可以通過仿真確定，例如，旁瓣主瓣增益比門限
值的取值范圍可以是小于或等于0dB,優(yōu)選地，旁瓣主瓣增益比門限值可以 等于-5dB。
在上述4個(gè)分組約束條件中，零陷展寬約束條件為必須滿足的條件，即 同一用戶組中的任意兩個(gè)用戶的DOA角度必須滿足零陷展寬約束條件。而其 余3個(gè)約束條件為可選的條件。如可以只采用零陷展寬約束條件和4又值正交 化約束條件進(jìn)行用戶配對(duì)。
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明根據(jù)零陷展寬算法生成的發(fā)射權(quán)值對(duì)應(yīng)的波束 圖進(jìn)行描述，以驗(yàn)證采用零陷展寬算法生成的發(fā)射權(quán)值的有效性。
仿真驗(yàn)證中要求在45°和-30°兩個(gè)方向形成零陷，而在10°方向形成主瓣。 如附圖所示，圖2和圖3為按本發(fā)明方法，隨機(jī)輸入信號(hào)x的序列長(zhǎng)度為15 時(shí)所形成的波束圖，圖4為按本發(fā)明方法，隨機(jī)輸入信號(hào)x的序列長(zhǎng)度為1500 時(shí)所形成的波束圖。從附圖中可以看出無(wú)論輸入信號(hào)序列長(zhǎng)短，所生成的波 束都可以滿足展寬的零陷和主瓣的方向。只是序列較短時(shí)，由于輸入信號(hào)的 隨機(jī)性，所生成的波束圖不穩(wěn)定，旁瓣有時(shí)會(huì)比較大。隨著輸入信號(hào)序列長(zhǎng) 度的增加，算法所生成的波束圖趨于穩(wěn)定，且旁瓣增益不斷減小。
權(quán)利要求
1、一種基于零陷展寬的自適應(yīng)多用戶波束成形方法，包括權(quán)值碼本的生成預(yù)先選取多組波達(dá)角即DOA角度組合，每組包含N個(gè)預(yù)先選取的DOA角度，采用零陷展寬算法計(jì)算出各組N個(gè)用戶的發(fā)射權(quán)值后進(jìn)行正交化，得到各用戶最終的發(fā)射權(quán)值并作為碼本保存，N為要復(fù)用相同資源的用戶數(shù)量，N≥2；自適應(yīng)多用戶波束成形基站接收上行信號(hào)，估計(jì)出各用戶所在位置對(duì)應(yīng)的DOA角度，將滿足分組約束條件的N個(gè)用戶分入一個(gè)用戶組，對(duì)每一用戶組，根據(jù)其中N個(gè)用戶的DOA角度，從預(yù)先選取的DOA角度組合中匹配到一組最接近的DOA角度組合，按所述碼本中該匹配到的DOA角度組合對(duì)應(yīng)的N個(gè)用戶的發(fā)射權(quán)值發(fā)射該用戶組中各用戶的下行信號(hào)。
2、 如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法，其特征在于所述復(fù)用相同資源的用戶數(shù)量N等于2,自適應(yīng)多用戶波束成形時(shí)，基 站將兩個(gè)用戶分入同 一用戶組時(shí)采用的分組約束條件包括對(duì)于任意兩個(gè)用戶Uj、 Uk，用戶Uj的DOA角度《和用戶Uk的DOA角 度《需滿足1《-^ >^<A6>;其中，s的取值范圍為0.5《S《2， AP為 零陷展寬算法所使用的零陷寬度值，A<9<40° 。
3、 如權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法，其特征在于，所述 3的取值范圍為1《5《1.5。
4、 如權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法，其特征在于，釆用 8天線時(shí)，M的取值范圍為25°<A0<3O°。
5、 如權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法，其特征在于，所述分組約束條件還包括對(duì)于任意兩個(gè)用戶Uj、 Uk,用戶Uj的DOA 角度《和用戶Uk的DOA角度《需滿足I A-《^A^;其中，使用8根發(fā) 送天線時(shí)A^>10°, 4吏用4才艮發(fā)送天線時(shí)A^>20°。
6、 如權(quán)利要求5所述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法，其特征在于，使用8根發(fā)送天線時(shí)A->2(T,使用4根發(fā)送天線時(shí)A0>4(T。
7、 如權(quán)利要求2或5中任一權(quán)利要求所迷的自適應(yīng)多用戶波束成形方 法，其特征在于，所述分組約束條件還包括以下條件中的一種或兩種對(duì)于任一用戶的峰均比，需滿足峰均比〉峰均比門限值；其中，若基站 根據(jù)接收到的上行信號(hào)得到用戶1^對(duì)應(yīng)的波束圖主瓣的增益值為Pi，波束圖 增益的均值為Qi，則用戶Ui的峰均比為Pi/Qi;所述峰均比門限值大于2;對(duì)于任一用戶的旁瓣主瓣增益比，需滿足旁瓣主瓣增益比<旁瓣主瓣增益 比門限值；其中，若基站根據(jù)接收信號(hào)得到用戶Ui所對(duì)應(yīng)的波束圖中除主瓣 外增益最大的方向的波束增益值為A;用戶Ui所對(duì)應(yīng)的波束圖的主瓣波束增 益值S,則所述旁瓣主瓣增益比為iV《；所述旁瓣主瓣增益比門限值小于-5犯
8、 如權(quán)利要求1 、 2或5所述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法，其特征在 于，在權(quán)值碼本的生成過程中，計(jì)算用戶發(fā)射權(quán)值的方法如下#_定用戶組中包含的用戶為Uh…,Uw, Ui, Ui+1,...,UN，各用戶對(duì)應(yīng)的 DOA角度為3,.《，《+,， ...， 對(duì)于用戶組中的用戶Ui，是用該用 戶Ui的DOA角度S作為主瓣方向，并以該組中其他用戶的DOA角度《，...， ^U,《+1， ...， ^作為零陷方向，采用零陷展寬算法生成該用戶U的發(fā)射權(quán) 值，1《i《N。
9、 如權(quán)利要求8所述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法，其特征在于，在權(quán) 值碼本的生成過程中，選取DOA角度組合的方法如下預(yù)定義掃描角度的粒度間隔M;將N個(gè)用戶的DOA角度分別從-60。~ 60。以A^為間隔進(jìn)行遍歷取值，N個(gè)用戶協(xié)同取值時(shí)即得到((120。/Af )+lf種 DOA角度組合，將該((120。/A(^+《種DOA角度組合作為預(yù)先選取的DOA 角度組合，或者至少將該((120。/A^)+1)^種DOA角度組合中滿足所述分組約 束條件的部分DOA角度組合作為預(yù)先選取的DOA角度組合，所述預(yù)先選取 的DOA角度指從-60° ~ 60°以^為間隔進(jìn)行遍歷取值得到的DOA角度。
10、 如權(quán)利要求1或9所述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法，其特征在于自適應(yīng)多用戶波束成形過程中，進(jìn)行DOA角度組合的匹配時(shí)，對(duì)每一用 戶組，是根椐其中每一用戶的DOA角度，分別從預(yù)先選取的DOA角度中選 出與其差值的絕對(duì)值最小的一個(gè)取值，將選出的N個(gè)取值構(gòu)成的DOA角度 組合作為所匹配到的一組最接近的DOA角度組合。
11、如權(quán)利要求9所述的自適應(yīng)多用戶波束成形方法，其特征在于 的取值范圍為3°~6°。
全文摘要
一種基于零陷展寬的自適應(yīng)多用戶波束成形方法，預(yù)先選取多組波達(dá)角即DOA角度組合，每組包含N個(gè)用戶的DOA角度，采用零陷展寬算法計(jì)算出各組N個(gè)用戶的發(fā)射權(quán)值后進(jìn)行正交化，得到各用戶最終的發(fā)射權(quán)值并作為碼本保存，N為要復(fù)用相同資源的用戶數(shù)量，N≥2；波束成形時(shí)，基站接收上行信號(hào)，估計(jì)出各用戶所在位置對(duì)應(yīng)的DOA角度，將滿足分組約束條件的N個(gè)用戶分入一個(gè)用戶組，對(duì)每一用戶組，根據(jù)其中N個(gè)用戶的DOA角度，從預(yù)先選取的DOA角度組合中匹配到一組最接近的DOA角度組合，使用所述碼本中該DOA角度組合對(duì)應(yīng)的N個(gè)用戶的發(fā)射權(quán)值。本發(fā)明使得至少2個(gè)用戶可以利用相同的時(shí)、頻、碼資源，復(fù)用系統(tǒng)資源。
文檔編號(hào)H04B7/04GK101425832SQ20081017701
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月10日
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