一种频分双工系统中的联合空域与极化域波束形成方法
【专利摘要】本发明给出了一种频分双工系统中的联合空域与极化域波束形成方法。无线传播中的多径效应、极化旋转和极化色散效应会引起无线信号极化特征的变化，从而导致信号在接收端的极化失配，引起接收信噪比恶化。传统数字波束形成技术无法单独通过空域信号处理来弥补极化失配所造成的性能损失。为了弥补该损失，本发明将终端反馈给基站的预编码与交叉天线平均接收功率比互易相结合，形成了一种联合空域和极化域的发射波束形成方法。该方法不仅能够在空域实现信号的增强，还能够弥补收发端极化不匹配造成的信噪比损失。本发明为频分双工系统中联合空域与极化域发射数字波束形成技术的实际应用提供了有益的参考方案。
【专利说明】一种频分双工系统中的联合空域与极化域波束形成方法
【技术领域】
[0001]本发明属于阵列信号处理【技术领域】，涉及一种频分双工系统中的联合空域与极化域波束形成方法，能够广泛地应用到多天线无线移动通信系统中。
【背景技术】
[0002]波束形成又叫空域滤波，是一种使用多天线阵列定向发送和接收信号的信号处理技术。波束形成技术通过调整相位阵列的基本单元的参数，使得某些角度的信号获得相长干涉，而另一些角度的信号获得相消干涉。波束形成既可以用于信号发射端，又可以用于信号接收端。波束形成技术在发射端时，波束形成器控制每一个发射装置的相位和信号幅度，从而在发射出的信号波阵中获得需要相长和相消干涉模式。在接收端，不同接收器接收到的信号以一种恰当的方式组合起来，从而获得期望的信号辐射模式。
[0003]与此同时，在空间传播中由于无线电波和电离层中电子的相互作用(法拉第效应)会造成无线电波极化方向的旋转。另外，空中水气凝结物会造成无线电波的去极化效果，从而改变电波的极化状态，以至于功率从预期极化状态转变到一种非预期的正交极化状态。在这种情况下，由于收发端极化的不匹配，会导致接收信噪比的损失(最差情况是收端天线极化方向和经过空间传播后的发端电波极化完全正交，导致接收功率为O)。
[0004]在TDD (Time Division Duplexing,时分双工)系统下，由于上下行信道具备完全的互易性，因此利用上行信道估计结果可以获得下行波束赋形权值，从而实现下行最大比发射(MRT, Maximum Ratio Transmit),进而实现最佳的波束指向和极化匹配,达到最佳接收性能。但对于FDD (Frequency Division Duplexing频分双工)系统，由于上下行传输频点不同，导致上行瞬时信道和下行瞬时信道有很大差异，无法直接通过上行信道来获取满足最佳波束角度和最佳极化匹配的最优的下行波束权值。
[0005]对于FDD系统，目前协议中通常采用闭环预编码方法，但其由于只对发天线进行相位加权，提高收发端极化匹配程度的效果有限，仍存在较大的极化不匹配造成的功率损失，其接收机性能受限。
[0006]在3GPP LTE Release936.211标准协议中，对于FDD系统，目前协议中主要采用下行预编码最优选择方法:UE (User Equipment)接收信号后，进行信道动态估计得到信道矩阵H，通过“最优码本选择算法(如基于接收信噪比最大化准则的码本选择算法)”来获得最佳预编码矩阵对应的序号PMI (Precoding Matrix Index)。UE将PMI通过上行反馈信道反馈给激战。基站获得PMI信息之后，从码本矩阵中选择PMI对应的码本，作为下行发射的权值向量，基站的多天线同时发射信号s时，以此加权向量信息进行相位加权，实现波束赋形。但由于预编码矩阵数目有限，通过UE反馈的PMI来选择的权值向量进行发射波束形成时会存在量化误差。该方法在应用于双极化天线发射波束形成波时，实际就是对正交极化天线的发射信号进行了相位加权，再加上相位量化误差的存在，无法精确调整主极化角度，从而抑制极化不匹配造成的功率损失效果有限。
[0007]Y.C.Liang，Hochwald等人在2001年就提出了利用FDD系统上下行信道二阶统计特征的相似性来设计发射DBF权值。M.Jordan用FDD系统上下行信道空时相关矩阵所满足的互易特征，基站侧基于上行信道估计所得的空时相关矩阵来获取下行空时相关矩阵，然后即可进一步得到下行波束形成权值。类似地，摩托罗拉、爱立信、华为等公司在3GPP标准提案和专利中也分别提出了利用FDD系统上下行角度功率谱互易和二阶统计特性的互易来设计下行发射DBF权值。但是，这些公开资料同样没有解决收发端极化不匹配所造成的信噪比损失的问题。
【发明内容】
[0008]本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种频分双工系统中的联合空域与极化域波束形成方法，利用上下行信道在空域和极化域特征的互易性，设计了发射波束形成权值，提高了整个系统发射波束形成的接收信噪比。
[0009]本发明的技术方案是:一种频分双工系统中的联合空域与极化域波束形成方法，步骤如下:
[0010]1)用户端UE根据下行信道估计结果，在预编码集合中根据用户端接收信噪比最大准则选择最优的预编码向量，并将最优预编码向量对应的序号PMI通过上行控制信道反馈给基站；所述的基站配备N/2个双极化天线阵子单元，每个阵子单元包含两个正交极化天线贞子，共配备有N个天线阵子，N为大于I的正整数；
[0011]2)基站根据上行控制信道获取UE反馈的最优预编码向量的序号PMI，在预编码集合中选出对应的最优预编码向量
【权利要求】
1.一种频分双工系统中的联合空域与极化域波束形成方法，其特征在于步骤如下: 1)用户端UE根据下行信道估计结果，在预编码集合中根据用户端接收信噪比最大准则选择最优的预编码向量，并将最优预编码向量对应的序号PMI通过上行控制信道反馈给基站；所述的基站配备N/2个双极化天线阵子单元，每个阵子单元包含两个正交极化天线贞子，共配备有N个天线阵子，N为大于I的正整数； 2)基站根据上行控制信道获取UE反馈的最优预编码向量的序号PMI，在预编码集合中选出对应的最优预编码向量
【文档编号】H04B7/06GK103916174SQ201410123047
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月27日 优先权日:2014年3月27日
【发明者】种稚萌, 楼大年, 张映南 申请人:西安空间无线电技术研究所