波束成形方法和系统与流程

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种波束成形方法和系统。

背景技术：

现代海洋无线通信系统主要由海上船舶通信设备和岸台控制网络组成。相对陆地通信系统，海洋空间环境因素更加复杂多变，导致海洋电磁波通信环境瞬息变化，使得海洋无线通信系统成为一个复杂的不确定时变系统。现有海洋通信系统的通信速率很低，通常只有几mbps。

为了提高海洋通信系统的通信速率，传统方式是在海洋通信系统中采用大规模天线阵列系统(massivemimo)。在大规模天线阵列系统中，基站侧配置大规模的天线阵列，利用空分多址(spacedivisionmultipleaccess，sdma)技术，在同一时频资源上服务多个通信终端，利用大规模天线阵列带来的巨大阵列增益和干扰抑制增益，以期提升小区总频谱效率和边缘通信终端的频谱效率。波束成形技术是大规模天线阵列系统中的一项重要技术，传统的大规模天线系统一般只考虑在基站天线阵列上开发竖直平面自由度来增强波束成形技术性能，都假设通信终端分布在距地面1.5米高度的水平平面上。

然而，这种波束成形方式无法适应实际的海洋通信系统，在海洋通信系统中的频谱效率较低。

技术实现要素：

基于此，有必要针对频谱效率较低的问题，提供一种波束成形方法和系统。

一种波束成形方法，包括以下步骤：

获取通信终端的三维位置信息，根据所述三维位置信息计算本基站与所述通信终端之间的相对位置，根据所述相对位置计算本基站与所述通信终端之间的三维角度信息；

根据所述相对位置和三维角度信息计算本基站的下倾角和所述通信终端对应的波束成形矢量；

根据所述下倾角和波束成形矢量对发射信号进行波束成形。

一种波束成形系统，包括：

第一计算模块，用于获取通信终端的三维位置信息，根据所述三维位置信息计算本基站与所述通信终端之间的相对位置，根据所述相对位置计算本基站与所述通信终端之间的三维角度信息；

第二计算模块，用于根据所述相对位置和三维角度信息计算本基站的下倾角和所述通信终端对应的波束成形矢量；

波束成形模块，用于根据所述下倾角和波束成形矢量对发射信号进行波束成形。

上述波束成形方法和系统，根据通信终端的三维位置信息计算基站与通信终端的三维角度信息，从而得出基站的波束成形矢量以及基站下发波束所采用的下倾角，并根据所述下倾角和波束成形矢量对发射信号进行波束成形，能够针对不同高度的通信终端自适应地调整波束方向，以满足不同通信终端的通信需求，并显著提高系统的频谱效率，提高了波束成形的效果。

附图说明

图1为一个实施例的波束成形方法流程图；

图2为一个实施例的三维波束成形应用场景示意图；

图3为一个实施例的基站与处于不同高度通信终端间的信道模型示意图；

图4为一个实施例的仿真场景示意图；

图5为一个实施例的第一层通信终端进行传输时系统总吞吐量随信噪比的变化示意图；

图6为一个实施例的第二层通信终端进行传输时系统总吞吐量随信噪比的变化示意图；

图7为一个实施例的第三层通信终端进行传输时系统总吞吐量随信噪比的变化示意图；

图8为一个实施例的波束成形系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行说明。

如图1所示，本发明提供一种波束成形方法，可包括以下步骤：

s1，获取通信终端的三维位置信息，根据所述三维位置信息计算本基站与所述通信终端之间的相对位置，根据所述相对位置计算本基站与所述通信终端之间的三维角度信息；

具体来说，通信终端可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等终端，通信终端的数量可以是多个。不同的通信终端所处的位置可以是不同的。例如，通信终端1可处于高度为h1的位置；通信终端2可处于高度为t2的位置。一个实施例的三维波束成形应用场景示意图如图2所示。图2中不同波束所指向的可以是不同的通信终端在同一时刻的位置。本发明对舰船、岛屿、低空飞行器上的具有不同高度信息的通信终端，通过自适应调节基站上的大规模天线阵列的下倾角，能够实现动态的三维波束成形。与常规的高塔天线采用固定下倾角进行二维(水平面)通信终端覆盖的方式不同，本发明针对的如图2所示的三维应用场景中，不同通信终端在垂直于地面的方向上具有明显不同的高度差，因此，本发明通过自适应调节基站的大规模天线阵列的下倾角，来实现动态的三维波束成形传输。

三维位置信息可以记为(x,y,z)的形式，其中，x，y和z分别表示该三维位置信息在三维坐标轴中的x轴、y轴和z轴的坐标值。假设基站坐标为(xbs,ybs,zbs)，通信终端u的坐标为(xu,yu,zu)，则相对位置和三维角度信息φu、θu和θbs可记为：

θbs表示基站自适应设置的下倾角度，本实施例中将其设置为基站天线与用户终端之间的空间几何角度，根据基站和用户之间的相对位置信息和角度信息进行确定。

s2，根据所述相对位置和三维角度信息计算本基站的下倾角和所述通信终端对应的波束成形矢量；

假设基站大规模天线阵列的天线数量为m，总通信终端数为u，通信终端u接收到的信号可以表示为：

其中第一项为通信终端u的目标信号，第二项为来自其他通信终端的干扰信号，第三项为白噪声。而且，gu∈c^m×1为基站与通信终端u之间的下行链路的信道增益矢量；wi∈c^m×1为通信终端i的单位范数波束成形矢量；nu～cn(0,1)表示零均值、单位方差的复加性高斯白噪声；xi代表基站发送给通信终端i的数据符号，在一个实施例中，xi可以是具有单位能量，也就是说，e{|xi|²}＝1；pi代表通信终端i的传输功率。

在一个具体的实施例中，在计算波束成形矢量时，可以先根据三维角度信息建立本基站与通信终端之间的信道模型，然后，可以根据所述信道模型计算所述通信终端对应的波束成形矢量。为了最大化通信终端期望得到的信号，基站可采取最大比率传输方案，即选择波束成形矢量为链路信道的方向矢量，即式中，wu为第u个通信终端的波束成形矢量，hu为第u个通信终端的信道模型，h表示共轭转置操作，

在计算下倾角时，可以采取两种方式。第一种方式是将下倾角选择为指向通信终端的方向，第二种是将下倾角选择为得到最大吞吐量的下倾角。以第二种方式为例，可以先根据相对位置和三维角度信息计算天线增益，其中，天线增益可写成如下形式：

a(δφu,δθu)＝ah(δφu)+av(δθu)；

其中，

δφu＝φu-φbs；

δθu＝θu-θbs；

式中，a(δφu,δθu)表示天线增益，sllh和sllv分别表示水平面和竖直面旁瓣等级，hpbwh和hpbwv分别表示水平面和竖直面的半功率波束宽度，φu、φbs、θu和分别θbs表示水平方向上基站与用户之间的夹角，水平方向基站天线阵列的瞄准角，竖直方向上基站天线与用户之间的夹角以及竖直方向上基站天线下倾角度，am代表水平波束的最大天线增益。

然后，可以根据天线增益计算本基站与通信终端之间的下行链路的信道增益矢量。具体地，信道增益矢量为：

其中，

ρu＝βua(δφu,δθu)；

式中，gu表示通信终端u的信道增益矢量，hu表示通信终端u与基站天线间的小尺度衰落，βu表示基站与终端之间的路径损耗和阴影损失，du表示通信终端u与本基站之间的距离，即α表示路径损失指数，ξu表示通信终端u的对数正态阴影衰落。

然后，可以根据所述信道增益矢量和所述相对位置计算所述通信终端的信干噪比。在一个实施例中，假设通信终端之间进行平均功率分配，可根据以下公式计算信干噪比：

式中，γu表示通信终端u的信干噪比，wu表示通信终端u的波束成形矢量，p表示本基站的总发射功率，u表示通信终端的数量。

基于上述信道模型，可以以“系统吞吐量”作为技术指标来分析系统的性能。根据信干噪比可计算所述通信终端的吞吐量，通信终端u的平均吞吐量可以表示为：

处于某一相同高度的所有通信终端的系统总吞吐量为：

式中，代表竖直高度均为h的所有通信终端集合。对于不同的通信终端，基站在一个下倾角范围内，如[0,π/2]之内，对每一个通信终端遍历所有下倾角，并计算总吞吐量，得到的使速率最大的下倾角选择为基站传输的下倾角。从而，可以以rh最大为准则计算下倾角。

s3，根据所述下倾角和波束成形矢量对发射信号进行波束成形。

考虑如图4所示的实际场景，并对本发明提出的基站自适应调节下倾角波束成形传输方案进行了仿真分析，作为对比，同样做出了当基站天线下倾角固定时进行传输的系统速率随信噪比的变化，以凸显本发明带来的系统性能优势。具体场景见图4及仿真参数具体见表1。

表1仿真参数

图5为对第一层通信终端进行传输时系统总吞吐量随信噪比的变化，可以看出本发明提出的两种方案下系统总吞吐量都随信噪比增加而增加，方案二和方案一得到的系统总吞吐量都要高于下倾角固定时的系统总吞吐量，并且由于方案二中遍历了所有的下倾角，因此方案二得到的系统总吞吐量要高于方案一中将下倾角选择为特定用户的情况。

图6为对第二层用户进行传输时系统总吞吐量随信噪比的变化，与第一层的情况相似，本发明提出的两种方案下系统总吞吐量随信噪比增加而增加，不同的是可以看出在第二层，由于用户的竖直高度提高了，采取固定的下倾角时，仅仅增加信噪比已经不能够使系统总吞吐量随之线性增长，而本发明提出的两种方案对应的系统总吞吐量都有显著的提升。

最后，图7为对第三层用户进行传输时系统总吞吐量随信噪比的变化，基本与第二层的总吞吐量变化趋势相同。当采取固定的天线下倾角时，仅仅增加信噪比最后只能得到一个饱和总吞吐量，并且对比第二层用户可以看出，第三层的系统总吞吐量饱和趋势更为明显。而本发明提出的两种方案对应的系统总吞吐量对比固定下倾角的情况都有显著的提升。

如图8所示，本发明还提供一种波束成形系统，可包括：

第一计算模块10，用于获取通信终端的三维位置信息，根据所述三维位置信息计算本基站与所述通信终端之间的相对位置，根据所述相对位置计算本基站与所述通信终端之间的三维角度信息；

具体来说，通信终端可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等终端，通信终端的数量可以是多个。不同的通信终端所处的位置可以是不同的。例如，通信终端1可处于高度为h1的位置；通信终端2可处于高度为t2的位置。一个实施例的三维波束成形应用场景示意图如图2所示。图2中不同波束所指向的可以是不同的通信终端在同一时刻的位置。本发明对舰船、岛屿、低空飞行器上的具有不同高度信息的通信终端，通过自适应调节基站上的大规模天线阵列的下倾角，能够实现动态的三维波束成形。与常规的高塔天线采用固定下倾角进行二维(水平面)通信终端覆盖的方式不同，本发明针对的如图2所示的三维应用场景中，不同通信终端在垂直于地面的方向上具有明显不同的高度差，因此，本发明通过自适应调节基站的大规模天线阵列的下倾角，来实现动态的三维波束成形传输。

三维位置信息可以记为(x,y,z)的形式，其中，x，y和z分别表示该三维位置信息在三维坐标轴中的x轴、y轴和z轴的坐标值。假设基站坐标为(xbs,ybs,zbs)，通信终端u的坐标为(xu,yu,zu)，则相对位置和三维角度信息φu、θu和θbs可记为：

θbs表示基站自适应设置的下倾角度，本发明将其设置为基站天线与用户终端之间的空间几何角度，根据基站和用户之间的相对位置信息和角度信息进行确定。

第二计算模块20，用于根据所述相对位置和三维角度信息计算本基站的下倾角和所述通信终端对应的波束成形矢量；

假设基站大规模天线阵列的天线数量为m，总通信终端数为u，通信终端u接收到的信号可以表示为：

其中第一项为通信终端u的目标信号，第二项为来自其他通信终端的干扰信号，第三项为白噪声。而且，gu∈c^m×1为基站与通信终端u之间的下行链路的信道增益矢量；wi∈c^m×1为通信终端i的单位范数波束成形矢量；nu～cn(0,1)表示零均值、单位方差的复加性高斯白噪声；xi代表基站发送给通信终端i的数据符号，在一个实施例中，xi可以是具有单位能量，也就是说，e{|xi|²}＝1；pi代表通信终端i的传输功率。

在一个具体的实施例中，在计算波束成形矢量时，可以先根据三维角度信息建立本基站与通信终端之间的信道模型，然后，可以根据所述信道模型计算所述通信终端对应的波束成形矢量。为了最大化通信终端期望得到的信号，基站可采取最大比率传输方案，即选择波束成形矢量为链路信道的方向矢量，即式中，wu为第u个通信终端的波束成形矢量，hu为第u个通信终端的信道模型，h表示共轭转置操作，

在计算下倾角时，可以采取两种方式。第一种方式是将下倾角选择为指向通信终端的方向，第二种是将下倾角选择为得到最大吞吐量的下倾角。以第二种方式为例，可以先根据相对位置和三维角度信息计算天线增益，其中，天线增益可写成如下形式：

a(δφu,δθu)＝ah(δφu)+av(δθu)；

其中，

δφu＝φu-φbs；

δθu＝θu-θbs；

式中，a(δφu,δθu)表示天线增益，sllh和sllv分别表示水平面和竖直面旁瓣等级，hpbwh和hpbwv分别表示水平面和竖直面的半功率波束宽度，φu、φbs、θu和分别θbs表示水平方向上基站与用户之间的夹角，水平方向基站天线阵列的瞄准角，竖直方向上基站天线与用户之间的夹角以及竖直方向上基站天线下倾角度，am代表水平波束的最大天线增益。

然后，可以根据天线增益计算本基站与通信终端之间的下行链路的信道增益矢量。具体地，信道增益矢量为：

其中，

ρu＝βua(δφu,δθu)；

式中，gu表示通信终端u的信道增益矢量，hu表示通信终端u与基站天线间的小尺度衰落，βu表示基站与终端之间的路径损耗和阴影损失，du表示通信终端u与本基站之间的距离，即a表示路径损失指数，ξu表示通信终端u的对数正态阴影衰落。

然后，可以根据所述信道增益矢量和所述相对位置计算所述通信终端的信干噪比。在一个实施例中，假设通信终端之间进行平均功率分配，可根据以下公式计算信干噪比：

式中，γu表示通信终端u的信干噪比，wu表示通信终端u的波束成形矢量，p表示本基站的总发射功率，u表示通信终端的数量。

基于上述信道模型，可以以“系统吞吐量”作为技术指标来分析系统的性能。根据信干噪比可计算所述通信终端的吞吐量，通信终端u的平均吞吐量可以表示为：

处于某一相同高度的所有通信终端的系统总吞吐量为：

式中，代表竖直高度均为h的所有通信终端集合。对于不同的通信终端，基站在一个下倾角范围内，如[0,π/2]之内，对每一个通信终端遍历所有下倾角，并计算总吞吐量，得到的使速率最大的下倾角选择为基站传输的下倾角。从而，可以以rh最大为准则计算下倾角。

波束成形模块30，用于根据所述下倾角和波束成形矢量对发射信号进行波束成形。

考虑如图4所示的实际场景，并对本发明提出的基站自适应调节下倾角波束成形传输方案进行了仿真分析，作为对比，同样做出了当基站天线下倾角固定时进行传输的系统速率随信噪比的变化，以凸显本发明带来的系统性能优势。具体场景见图4及仿真参数具体见表1。

表1仿真参数

图5为对第一层通信终端进行传输时系统总吞吐量随信噪比的变化，可以看出本发明提出的两种方案下系统总吞吐量都随信噪比增加而增加，方案二和方案一得到的系统总吞吐量都要高于下倾角固定时的系统总吞吐量，并且由于方案二中遍历了所有的下倾角，因此方案二得到的系统总吞吐量要高于方案一中将下倾角选择为特定用户的情况。

图6为对第二层用户进行传输时系统总吞吐量随信噪比的变化，与第一层的情况相似，本发明提出的两种方案下系统总吞吐量随信噪比增加而增加，不同的是可以看出在第二层，由于用户的竖直高度提高了，采取固定的下倾角时，仅仅增加信噪比已经不能够使系统总吞吐量随之线性增长，而本发明提出的两种方案对应的系统总吞吐量都有显著的提升。

最后，图7为对第三层用户进行传输时系统总吞吐量随信噪比的变化，基本与第二层的总吞吐量变化趋势相同。当采取固定的天线下倾角时，仅仅增加信噪比最后只能得到一个饱和总吞吐量，并且对比第二层用户可以看出，第三层的系统总吞吐量饱和趋势更为明显。而本发明提出的两种方案对应的系统总吞吐量对比固定下倾角的情况都有显著的提升。

本发明的波束成形系统与本发明的波束成形方法一一对应，在上述波束成形方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于波束成形系统的实施例中，特此声明。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。