一种波束成形装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种波束成形装置和方法。
【背景技术】
[0002] 波束成形是一种将无线信号进行方向性传输的数字处理技术，其基本思想是将多 用户信号进行线性预编码，以使得每一个用户的信号尽量只向该用户的方向传送而且避免 干扰其他用户。
[0003] MU-MIMO(Multi_User Multiple-Input Multiple-Output，多用户多入多出技术） 通信需要基站知道下行信道的CSI (channel state information,信道状态信息）以对多用 户信号进行波束成形。通常，CSI的获取都是通过一个通信节点（基站或者用户）发射导 频信道，另一个通信节点进行信道估计而得到，此时，CSI受到噪声误差和时延误差的影响， 导致CSI不准确。然而，波束成形的性能受到CSI准确性的限制，如果CSI不准确，那么基 站可能错误地把一用户的有用信号传输到偏离该用户的方向，这样既造成了该用户有用信 号功率下降，而且增加了其他用户受到的多用户干扰，最终导致了系统容量的下降。
【发明内容】
[0004] 本发明实施例提供了一种波束成形装置和方法，可获取更为准确的CSI，以优化波 束成形。
[0005] 本发明实施例的第一方面提供一种波束成形装置，所述波束成形装置预先建立有 基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵、 所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵以及所述用户的下 行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，其中，所述第一时隙为所述第二时隙前的某一 时隙；所述波束成形装置包括：
[0006] 第一获取单元，用于对基站与某一用户之间的下行信道进行信道估计，获取所述 用户的下行信道在当前时隙前的某一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩 阵；
[0007] 第二获取单元，用于获取所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差 的协方差矩阵；
[0008] 确定单元，用于根据获取的所述信道估计值、所述信道估计误差的协方差矩阵以 及所述信道时延变化误差的协方差矩阵以及建立的所述对应关系，确定所述用户的下行信 道在当前时隙的CSI ;
[0009] 处理单元，用于根据所述CSI进行波束成形。
[0010] 结合本发明实施例的第一方面，在本发明实施例的第一方面的第一种实现方式 中，所述波束成形装置还包括用于建立所述对应关系的建立单元；
[0011] 所述建立单元，具体用于基于公式
建立所述对应关系；
[0012] 其中，
Ak t的协方差矩阵 Θ k,t= ρ 2(τ) Ak t τ + Γ\ τ;
[0013] Hk,t为用户k的下行信道在时隙t的CSI ; P (.)为所述下行信道的信道时间相关 函数；fch为用户k的下行信道在时隙t_ τ的信道估计值；τ为用户k的下行信道在 时隙t-τ的信道估计误差的协方差矩阵；Γ\τ为用户k的下行信道在任意时延τ内的信 道时延变化误差的协方差矩阵。
[0014] 结合本发明实施例的第一方面，在本发明实施例的第一方面的第二种实现方式 中，所述第二获取单元包括：
[0015] 获取模块，用于获取所述用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差 的协方差矩阵；
[0016] 定义模块，用于定义一个大于0的时延插值函数f(.)，且所述时延插值函数f(.) 满足 f(o) = 0 ;
[0017] 计算模块，用于根据所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵和所述时 延插值函数，计算所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
[0018] 结合本发明实施例的第一方面的第二种实现方式，在本发明实施例的第一方面的 第三种实现方式中，
[0019] 所述计算模块，具体用于基于以下公式计算所述用户的下行信道在任意时延内的 信道时延变化误差的协方差矩阵：
[0020] rk T= f(x) Γ kiS/f(5)
[0021] 其中，Γ\τ为用户k的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩 阵；f(.)为所述时延插值函数；Γ\ δ为用户k的下行信道在所述时延δ内的信道时延变 化误差的协方差矩阵。
[0022] 结合本发明实施例的第一方面的第二种实现方式，在本发明实施例的第一方面的 第四种实现方式中，
[0023] 所述获取模块，具体用于在基站所在小区进行测量，得到离线统计的所述时延δ 内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
[0024] 结合本发明实施例的第一方面的第二种实现方式，在本发明实施例的第一方面的 第五种实现方式中，
[0025] 所述获取模块，具体用于通过估计信道估计的时延变化量获取所述用户的下行信 道在某一时延S内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
[0026] 结合本发明实施例的第一方面的第五种实现方式，在本发明实施例的第一方面的 第六种实现方式中，所述获取模块包括：
[0027] 获取子模块，用于根据用户每隔δ个时隙发送的上行导频信号对所述用户的下 行信道进行信道估计，获取所述用户的下行信道在时隙η δ信道估计误差的协方差矩阵， 其中，η=1，2，……，T+1，T为大于1的正整数；以及获取对应的T个在时延δ内的信道 估计值的时延变化的协方差矩阵；
[0028] 计算子模块，用于基于以下公式计算所述时延δ内的信道时延变化误差的协方 差矩阵：
[0029]
[0030] 其中，Γ\ s为所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；p (.)为所述下 行信道的信道时间相关函数为所述T个在时延δ内的信道估计值的时延变化的协方 差矩阵的平均值；Atns为用户k的下行信道在时隙η δ内的信道估计误差的协方差矩阵。
[0031] 结合本发明实施例的第一方面、本发明实施例的第一方面的第一种至第六种实 现方式中的任意一种，在本发明实施例的第一方面的第七种实现方式中，所述处理单元包 括：
[0032] 确定模块，用于当所述用户为线性接收机时，利用以下最优化问题确定目标波束 成形矩阵；
[0035] 其中，所述数学模型的目标函数R表示系统容量，且
所述 表示用户k的数据流4的优先级，所述矣,,4表示用户k的数据流dk的数据速率，且
为根据所述CSI获取的所述用户的数据流的信号与干扰 加噪声比的表达式；所述数学模型的约束条件
表示系统总发射功率不大于 PT;vM表示波束成形矩阵；
[0036] 处理模块，用于根据所述目标波束成形矩阵进行波束成形。
[0037] 结合本发明实施例的第一方面的第七种实现方式，在本发明实施例的第一方面的 第八种实现方式中，所述确定模块包括：
[0038] 创建子模块，用于创建所述最优化问题；
[0039] 转换模块，用于引入并优化中间变量，以便消除所述最优化问题中目标函数的对 数及矩阵求逆操作，得到转换后的最优化问题；
[0040] 确定子模块，用于利用转换后的最优化问题确定目标波束成形矩阵。
[0041 ] 结合本发明实施例的第一方面的第八种实现方式，在本发明实施例的第一方面的 第九种实现方式中，
[0042] 所述确定子模块，具体用于初始化波束成形矩阵，对波束成形矩阵和中间变量进 行交替迭代更新，当满足迭代次数达到预设值或者所述转换后的最优化问题的目标值增加 小于某个阈值时，确定目标波束成形矩阵。
[0043] 本发明实施例第二方面提供了一种波束成形方法，包括：
[0044] 预先建立有基站与用户之间的下行信道在第一时隙的信道估计值及对应信道估 计误差的协方差矩阵、所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩 阵以及所述用户的下行信道在第二时隙的CSI之间的对应关系，其中，所述第一时隙为所 述第二时隙前的某一时隙；
[0045] 对基站与某一用户之间的下行信道进行信道估计，获取所述用户的下行信道在当 前时隙前的某一时隙的信道估计值及对应信道估计误差的协方差矩阵；
[0046] 获取所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
[0047] 根据获取的所述信道估计值、所述信道估计误差的协方差矩阵以及所述信道时延 变化误差的协方差矩阵以及建立的所述对应关系，确定所述用户的下行信道在当前时隙的 CSI ；
[0048] 根据所述CSI进行波束成形。
[0049] 结合本发明实施例的第二方面，在本发明实施例的第二方面的第一种实现方式 中，所述方法还包括建立所述对应关系；
[0050] 所述建立所述对应关系包括：
[0051] 基于公式
建立所述对应关系；
[0052] 其中，
Akt的协方差矩阵
[0053] Hkit为用户k的下行信道在时隙t的CSI ; P (.)为所述下行信道的信道时间相关 函数；为用户k的下行信道在时隙t_ τ的信道估计值；Att τ为用户k的下行信道 在时隙t-τ的信道估计误差的协方差矩阵；Γ\τ为用户k的下行信道在任意时延τ内的 信道时延变化误差的协方差矩阵。
[0054] 结合本发明实施例的第二方面，在本发明实施例的第二方面的第二种实现方式 中，所述获取所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵包括：
[0055] 获取所述用户的下行信道在某一时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵；
[0056] 定义一个大于0的时延插值函数f (.)，且所述时延插值函数f (.)满足f (0) = 0 ;
[0057] 根据所述时延δ内的信道时延变化误差的协方差矩阵和所述时延插值函数，计 算所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵。
[0058] 结合本发明实施例的第二方面的第二种实现方式，本发明实施例的第二方面的 第三种实现方式中，所述根据所述时延S内的信道时延变化误差的协方差矩阵和所述时 延插值函数，计算所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协方差矩阵包 括：
[0059] 基于以下公式计算所述用户的下行信道在任意时延内的信道时延变化误差的协 方差矩阵：
[0060] rk T= f(x) Γ kiS/f(5)
[0061] 其中，Γ\ τ为用户k的下行信道在任意时延τ内的信道时延变化误差的协方差 矩阵；f(.)为所述时延插值函数；Γ\ δ为用户k的下行信道在所述时延δ内的信道时延 变化误差的协方差矩阵。
[0062] 结合本发明实施例的第二方面的第二种实现方式，本发明实施例的第二方面的第 四种实现方式中，所述获取所述用户的下行信道在某一时延S内的信道时延变化误差的 协方差矩阵包括：
[0063] 在基站所在小区