专利名称：基于空间谱估计的下行特征波束传输方法
技术领域：
本发明属于无线通信信号处理领域，涉及到一种基于空间谱估计的下行特征波束 传输方法，提高了无线通信中基站与用户间下行链路的通信质量。
背景技术：
在无线通信中，由基站至用户的通信称为下行通信。在下行多天线传输中，采用发 射分集或是空间复用技术可以有效的提高信号的传输质量或传输速率。应用环境是在独立 瑞利衰落信道，即要求等效的传输信道矩阵的各元素为独立同分布的复高斯随机变量。如 果将发射分集或是空间复用技术直接应用于相关性信道中，会导致系统性能的显著下降。 为了解决这一问题，提出了基于空时特征波束编码的方法，包括基于反馈的信道状态信息 方法和基于无反馈的空间波束估计方法。例如，Shengli Zhou 等人在“Optimal Transmitter Eigen-Beamformingand Space-Time Block Coding Based on Channel Correlations.IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 42,No. 7. July 2003”中提出的利用注水原理实现发射分集与波束形成相结合 技术应用于下行信道通信的方法。该方法是将信道状态信息转化成空域协方差矩阵，通过 特征值分解得到特征向量和特征值，利用注水原理筛选最大的几个特征值对应的特征向量 作为阵列的加权向量，从而实现对信号最优的预编码处理。此方法的不足之处在于，由于注 水原理的使用仍然依赖于部分信道状态信息的准确性，当信道状态信息存在误差时，使用 这种方法时，通信性能就会受到严重影响。并且基站接收冗长的信道状态信息矩阵会产生 较大的时延，将直接导致系统的实时性差。由于信道状态信息矩阵的每个元素都会受到传 输过程中量化误差影响，极易受干扰，使得信道状态信息中含有传输误差，通信稳健性差。 另外，当用户在进行信道估计含有误差时，这种方法所产生的功率效率也会受到一定影响。 当信道状态信息不准确的时候，系统误码率比较高，总而言之该方法不能很好适应信道状 态信息不准确的通信环境。又 如，Kevin H. Lin 等 人 在"Adaptive Transmit Eigenbeamformingffith Orthogonal Space-Time Block Coding in Correlated Space—TimeChannels,2004. Proceedings. (ICAS SP' 04). IEEE InternationalConference on Volume :4，，中出的 利用无反馈技术的下行信道通信方法，该方法是通过基站信道估计获得几个主要的波达方 向，然后结合阵列导向矢量建立一个空域协方差矩阵，在特征值分解后仍然通过注水原理 获取阵列的加权向量，以实现信号的最优预编码处理。这种方法有效避免了信道状态信息 不准确和信道估计误差对发射端预处理的影响，并且提出了将波达方向信息利用到空域协 方差矩阵的构建中，使得信号发射性能得到了显著提升，从而提升了通信质量。此方法的不 足之处在于，其空域协方差矩阵的获得的前提是已知每条路径波达方向，而在实际应用中 所有路径的方向很难获得，导致无法准确获得空域协方差矩阵。由于该方法在波达方向造 成空域协方差矩阵的不准确，从而导致整个下行信道的通信质量的下降。为确定所有路径 方向导致该方法的复杂度过高，阻碍了该方法在实际工程中的应用，不易实现。
发明内容
本发明的目的针对上述已有技术的不足，提出了一种基于空间谱估计的下行特征 波束传输方法。该方法无需信道状态信息反馈，利用空间谱估计结果构建空域协方差矩阵， 可以最大程度的逼近基于信道状态信息反馈的特征波束传输方法的性能。本发明的实现步骤如下
步骤1，用户向基站发送入网请求。步骤2，基站利用Capon和MUSIC方法进行联合空间谱估计，找出信道能量在空间 集中的L个方向，以及每个方向上对应的能量大小。其中，设定MUSIC可估计的达到波方向 数为M-l，M为基站发射天线的阵元数。步骤3，基站基于联合空间谱估计结果，构建空域协方差矩阵Rscm。步骤4，基站对空域协方差矩阵Rscm进行特征值分解，选取最大的P个特征值所对 应的P个特征向量，作为阵列的加权向量，在空间形成P个独立的波束。步骤5，基站根据P的取值和用户的服务质量需求，选择输出通道数为P的空时编 码模式。空时编码模块的P路输出信号通过特征波束加权后由基站发射，经无线信道到达 用户。步骤6，用户对接收的信号经过空时解码后，恢复原始数据，下行传输过程完成。本发明与现有技术相比具有如下优点第一，本发明实时性强。本发明在构建空域协方差矩阵的过程中，采用Capon与 MUSIC的联合空间谱估计的方法，避免了基站接收冗长的信道状态信息矩阵，提升了系统的 实时性。第二，本发明的稳健性好。所构建的空域协方差矩可以最大程度的逼近真实的空 域协方差矩阵；此外，本发明中的特征波束形成不依赖于反馈的信道估计结果，因此不受信 道估计误差和反馈时延的影响，因此本发明具有较好的稳健性。第三，本发明的复杂度低。本发明MUSIC谱估计所估计的达到波方向数为M-1，通 常情况下，实际的空间路径数远大于阵列天线数M,因此，与基于估计每条路径波达方向的 估计算法相比，本发明复杂度低，易于实现。研究结果表明，本发明可以较低的复杂度逼近 基于完美信道状态信息反馈方法的性能。
图1是本发明的流程图。图2是本发明在2簇多径情况下的空间谱估计图。图3是本发明在5簇多径情况下的空间谱估计图。图4是本发明与同类方法在完美信道状态信息时的性能比较图。图5是本发明与同类方法在路径数不同时的性能比较图。图6是本发明与同类方法在空间5簇多径时的性能比较图。
具体实施例方式参图1，本发明实施的具体方式包括如下步骤
步骤1，某用户向基站发送入网请求。步骤2，基站通过Capon和MUSIC得到的空间谱联合判断空间信道中的角度信息。 基站以接收状态进行空间谱估计，假设基站采用等距线阵，阵元数为M。2a)设定MUSIC可估计的达到波方向数为M_1，M为基站发射天线的阵元数。通过 MUSIC算法估计出M-I个可分辨的到达波方向。2b)结合Capon空间功率谱结果，筛选出L(L ( M_l)个可分辨的到达波方向以及 对应的功率信息。在Capon谱估计图中，确定功率最高的谱峰峰值E。确定MUSIC所得到的 M-I个峰在Capon谱中对应的功率值，如存在某角度对应的功率值小于0. 5E则认为其不构 成实际谱峰并舍去。2c)统计有效谱峰对应的角度θ i与功率值σ ρ步骤3，基站利用空间谱估计结果，构建下行信道的空域协方差矩阵模型3a)基站根据空间谱估计值获得的L个路径的中心角度，求出相对于基站阵列的 导向矢量
2π
权利要求
一种基于空间谱估计的下行特征波束传输方法，包括以下步骤步骤1，用户向基站发送入网请求；步骤2，基站利用Capon和MUSIC方法进行联合空间谱估计，找出信道能量在空间集中的L个方向，以及每个方向上对应的能量大小，其中，设定MUSIC可估计的达到波方向数为M 1，M为基站发射天线的阵元数；步骤3，基站基于联合空间谱估计结果，构建空域协方差矩阵RSCM；步骤4，基站对空域协方差矩阵RSCM进行特征值分解，选取最大的P个特征值所对应的P个特征向量，作为阵列的加权向量，在空间形成P个独立的波束；步骤5，基站根据P的取值和用户的服务质量需求，选择输出通道数为P的空时编码模式，空时编码模块的P路输出信号通过特征波束加权后由基站发射，经无线信道到达用户；步骤6，用户对接收的信号经过空时解码后，恢复原始数据，下行传输过程完成。
2.根据权利要求1所述的基于空间谱估计的下行特征波束传输方法，其中步骤2所述 的基站利用Capon和MUSIC方法进行联合空间谱估计，找出信道能量的在空间集中的L个 方向，以及每个方向上对应的能量大小，按如下步骤进行2a)设定MUSIC可估计的达到波方向数为M-1，M为基站发射天线的阵元数，通过MUSIC 算法估计出M-I个可分辨的到达波方向；2b)结合Capon空间功率谱结果，筛选出L(LSM-I)个可分辨的到达波方向以及对应 的功率信息，在Capon谱估计图中，确定功率最高的谱峰峰值E，确定MUSIC所得到的M-I个 峰在Capon谱中对应的功率值，如存在某角度对应的功率值小于0. 5E则认为其不构成实际 谱峰并舍去；2c)统计有效谱峰对应的角度θ i与功率值σ ” 根据权利要求1所述的基于空间谱估计的下行特征波束传输方法，其中步骤3所述 的基站利用空间谱估计结果，构建下行信道的空域协方差矩阵模型Rsai，按如下步骤进行3a)基站根据空间谱估计值获得的L个路径的中心角度，求出相对于基站阵列的导向矢量2π=1彡i彡L，1彡η彡M其中d为阵元间距，λ为信号波长，θ i为来波信号角度；3b)基站根据空间谱估计的L个角度的功率信息，构建空域协方差矩阵
全文摘要
本发明公开一种基于空间谱估计的下行特征波束传输方法，包括如下步骤(1)用户向基站发送入网请求；(2)基站利用Capon和MUSIC方法进行联合空间谱估计，找出信道能量的在空间集中的L个方向，以及每个方向上对应的能量大小；(3)基站基于联合空间谱估计结果构建空域协方差矩阵；(4)基站对空域协方差矩阵进行特征值分解，选取最大的P个特征值所对应的P个特征向量，作为阵列的加权向量，在空间形成P个独立的波束；(5)基站选择输出通道数P的空时编码模式，通过特征波束加权后由基站发射，经无线信道到达用户；(6)该用户对接收的信号经过空时解码后，恢复原始数据，下行传输过程完成。本发明实时性好，复杂度低，稳健性好且易于实现。
文档编号H04W24/00GK101938762SQ201010285428
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月24日 优先权日2010年9月24日
发明者党博, 张军政, 张德侃, 张海林, 李勇朝 申请人:西安电子科技大学