一种lte mimo系统的波束成形方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明适用于通信【技术领域】，提供了一种LTE MIMO系统的波束成形方法和装置，该方法包括：将源节点发送的信号承载到的右奇异向量进行调制，发送所调整的信号至中继节点；由中继节点通过匹配信道使接收到的信号，根据预设的功率要求调整包含噪声的信号，并将所调整的信号乘以的右奇异向量后，输出至目的节点；由目的节点将的左奇异向量作为合并矩阵，与中继节点发送的信号进行匹配，得到目的节点的输出信号。本发明基于均值反馈信道的信道估计进行波束成形，考虑了信道状态参数的时延，更符合实际情景，可以有效提高波束成形的性能。
【专利说明】-种LTE ΜΙΜΟ系统的波束成形方法和装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信【技术领域】，尤其涉及一种基于非理想信道信息的LTE MMO系统的 波整成形方法和装置。
【背景技术】
[0002] 多输入多输出（英文全称为Multi-input Multi-output,英文简称为ΜΙΜΟ)是一 种用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型，能利用发射端的多个天线各自独立发送 信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。由于MIMO可以在不需要增加带宽或总 发送功率耗损（transmit power expenditure)的情况下，大幅地增加系统的数据吞吐量 (throughput)及发送距离，使得MIMO技术于近几年受到人们的广泛关注，尤其是在长期演 进LTE系统中，MMO技术被用来提高信道容量，增加系统可靠性。
[0003] 为了提高LTE系统的传输距离，扩大覆盖范围，可以在所述MMO系统中增加中继 节点对信号进行放大转发。目前对于包括中继节点的波束成形计算方法中，提出了通过改 变中继加权矩阵，从而使得瞬时容量最大化的方法，由于这种方法没有考虑信道衰落的时 变性的影响，影响了 MMO系统的波束成形的性能。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种考虑了信道衰落的LTE MIMO系统的波束成形方法，以 解决现有技术的波束成形方法由于没有考虑信道衰落的时变性的影响，影响MMO系统的 波束成形的性能的问题。
[0005] 本发明是这样实现的，一种LTE MIMO系统的波束成形方法，所述方法包括：
[0006] 将源节点发送的信号承载到氧的右奇异向量进行调制，发送所调整的信号至中继 节点，其中禽为源节点与中继节点之间的基于均值反馈信道的信道估计；
[0007] 由中继节点通过匹配信道：A1S使接收到的信号，根据预设的功率要求调整包含噪 声的信号，并将所调整的信号乘以*,的右奇异向量后，输出至目的节点，其中s为作为波 束成形向量的Π 的右奇异向量，A1为中继节点与目的节点之间的基于均值反馈的信道估 计；
[0008] 由目的节点将?2的左奇异向量作为合并矩阵，与中继节点发送的信号进行匹配， 得到目的结节的输出信号。
[0009] 本发明的另一目的在于提供一种LTE MMO系统的波束成形装置，所述装置包括：
[0010] 调制单元，用于将源节点发送的信号承载到氣的右奇异向量进行调制，发送所调 整的信号至中继节点，其中禽为源节点与中继节点之间的基于均值反馈信道的信道估计；
[0011] 第一匹配单元，用于由中继节点通过匹配信道論，使接收到的信号，根据预设的 功率要求调整包含噪声的信号，并将所调整的信号乘以的右奇异向量后，输出至目的节 点，其中S为作为波束成形向量的氣的右奇异向量，A1为中继节点与目的节点之间的基于 均值反馈的信道估计；
[0012] 第二匹配单元，用于由目的节点将Ai的左奇异向量作为合并矩阵，与中继节点发 送的信号进行匹配，得到目的结节的输出信号。
[0013] 在本发明中，通过原节点与中继节点的基于均值反馈信道的信道估计的右奇异向 量承载到源节点的发送信号进行调制，由中继节点的匹配信道接收信号后，根据预设的功 率要求调整接收的信号，由中继节点与目的节点之间的基于均值反馈的信道估计的右奇异 向量与所接收的信号相乘，将相乘后的信号发送至目的节点，目的节点将由中继节点与目 的节点之间的基于均值反馈信道的信道估计的左奇异向量作为合并矩阵与所接收的相乘 后的相号匹配，得到目的节点的输出信号。本发明基于均值反馈信道的信道估计进行波束 成形，考虑了信道状态参数的时延，更符合实际情景，可以有效提高波束成形的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本发明实施例提供的MIMO中继系统的系统框图；
[0015] 图2是本发明实施例提供的MIMO系统的波束成形方法的实现流程图；
[0016] 图3是本发明实施例提供的获取Ii,的右奇异向量的右奇异向量以及4的左奇异 向量的实现流程图；
[0017] 图4是本发明第三实施例提供的MIMO系统的波束成形装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0018] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0019] 本发明实施例主要用于包括中继节点的MMO系统，即在普通的MMO系统基础上， 增加中继节点对信号进行放大转发，由于现有的MMO系统一般没有考虑信道衰落的时延， 在没有考虑实际场景中的信道衰落时延时，会导致波束成形的性能下降。下面对本发明所 述方法详细描述：
[0020] 图1为本发明实施例所述的MMO系统的结构框图，如图1所示，本发明实施例 所述MMO系统，包括源节点、中继节点和目的节点，其中，源节点到中继节点的信道用 H1 e Cnxm表示，其中C表示表示复空间，中继节点到目的节点之间信道用H2 e Clxn表示。所 述源节点到中继节点的信道，以及中继节点到目的节点的信道均为平坦衰落。P1表示源节 点到中继节点的链路的传输功率，P 2表示中继节点到目的节点的链路的传输功率。源节点 将调制后的信号发射给中继节点，中继节将接收到的发射信号放大转发给目的节点。在信 号传输过程中，由环境加载到信号的复高斯噪声向量分别用Z 1?CN(0, I)和Z2?CN(0, I) 表示，其中Z1-CNO), I)表示源节点至中继节点链路加载的复高斯噪声向量，Z2?CN(0, I) 表示中继节点至目的节点链路加载的复高斯噪声向量。
[0021] 本发明实施例中所述的MMO系统，在传统的发射机与接收机之间增加了用于信 号放大转发的中继节点，也可以称为放大转发式协作MMO系统模型。
[0022] 请参照图2,本发明实施例所述的MIMO系统的波束成形方法的实现流程，详述如 下：
[0023] 在步骤S201中，将源节点发送的信号承载到氣的右奇异向量进行调制，发送所调 整的信号至中继节点，其中氧为源节点与中继节点之间的基于均值反馈信道的信道估计。
[0024] 具体的，中继节点将源节点与中继节点之间的基于均值反馈信道的信道估计的右 奇异向量，作为波束成形矩阵发送至源节点。所述源节点，即MIMO系统中的多天线的发射 机。
[0025] 在步骤S202中，由中继节点通过匹配信道使接收到的信号，根据预设的功率 要求调整包含噪声的信号，并将所调整的信号乘以的右奇异向量后，输出至目的节点，其 中 S是作为波束成形向量的_的右奇异向量，4为中继节点与目的节点之间的基于均值 反馈的信道估计。
[0026] 具体的，通过构建中继矩阵W ,其中σ = (1+| Ih1I 12Γ1/2，
【权利要求】
1. 一种LTE ΜΙΜΟ系统的波束成形方法，其特征在于，所述方法包括： 将源节点发送的信号承载到氧的右奇异向量进行调制，发送所调整的信号至中继节 点，其中H1为源节点与中继节点之间的基于均值反馈信道的信道估计； 由中继节点通过匹配信道ft,S使接收到的信号，根据预设的功率要求调整包含噪声的 信号，并将所调整的信号乘以*=的右奇异向量后，输出至目的节点，其中s为作为波束成形 向量的氣的右奇异向量，?2为中继节点与目的节点之间的基于均值反馈的信道估计； 由目的节点将鳥的左奇异向量作为合并矩阵，与中继节点发送的信号进行匹配，得到 目的结节的输出信号。
2. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述预设的功率要求为：源节点输出信号的 平均功率以及中继节点的输出信号的平均功率均为1，所述方法还包括： 根据所预设的功率要求，获取在目的节点的信号的信噪比SNR最大时所对应的:&t的右 奇异向量、的右奇异向量以及η的左奇异向量。
3. 根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述根据所预设的功率要求，获取在目的节 点的信号的信噪比SNR最大时所对应的氧的右奇异向量、Il 1的右奇异向量以及_的左奇 异向量步骤包括： 源节点将调制信号经波束成形向量s进行调制后发送至中继节点，与中继节点的中继 加权矩阵W相乘得到中继节点的传输信号：
，其中，xMlay为中继节点的 输出信号，P1为源节点至中继节点的传输功率，H1为源节点到中继节点的信道，Xin为源节 点输入的信号，Z1?CN(0, I)复高斯噪声向量，I为单位矩阵； 目的节点接收到来自中继节点信号通过合并矩阵r匹配，得到目的节点的输出信号：
，其中，X()Ut为目的节点的输出信号，P 2为中继节点至目 的节点的传输功率，H2为中继节点到目的节点的信道，Z2?CN(0, I)为复高斯噪声向量，rH 为r的共轭转置矩阵； 基于均值反馈信道的信道估计得到信道_ 以及氧=罵+1\并分别将中 继节点的输出信号中的H1用氣替换，目的节点的输出信号中的H2用42替换，其中，
，P = Jtl(2 JifdT )，^为信道反馈能力参数，Jtl(·)是第 一类零阶贝塞尔函数，τ为信道状态信息CSI的反馈时延，fd为信道多普勒频移，Nt为发射 天线数目，队为接收天线数目； 根据源节点以及中继节点预设的功率要求e{|xin|2} = 1，11s| I =1、+!wt=i 计算目的节点的输出信号的信噪比 ' · ，
最大时所对应的中继加权矩阵W、波束成形向量s以 及合并矩阵r，其中，|w :表示W的2-范数。
4. 根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述根据源节点以及中继节点预设的功率 要求E{|xin|2} = 1，I Isl I = 州-^计算目的节点的输出信号的信 、 J 9 噪比
最大时所对应的中继加权矩阵W的步骤具体为： 根据包括预设的功率要求的信噪比最大的表达式：
计算得到中继加权矩阵的最优结构为： 其中 W = cri,if，
,σ = (1+1 I Ii11 12Γ1/2, X = [X1, x2,…，xn]T，Y = [y" y2,…，yn] τ，Σ = diag{〇 " σ2，…，ση}，σ " …，ση 为 W 的奇异值。
5. 根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述根据源节点以及中继节点预设的功率 要求E{|xin|2} = 1，I |s| I = 1
计算目的节点的输出信号的信 噪比r-/?|τ+·+ΗΛνιι.*| /φ?4舊最大时所对应波束成形向量s以及合并矩阵r步骤具体为： 根据中继加权矩阵的最优结构W=滅--所对应的信噪比Y = I Ih1I I2I Ih2I I2/ (1+1 Ih1I |2+| Ih2I |2)，得到当波束成形向量S为的右奇异向量，合并矩 阵r为^的左奇异向量时，所对应的最优信噪比为/ = + ，其中
Φι> 分别表示在 , , Vx I |s| I = 1和I |r| I = 1条件下||A,s|和|ftfs|的最大值。
6. -种LTE MMO系统的波束成形装置，其特征在于，所述装置包括： 调制单元，用于将源节点发送的信号承载到氧的右奇异向量进行调制，发送所调整的 信号至中继节点，其中II1为源节点与中继节点之间的基于均值反馈信道的信道估计； 第一匹配单元，用于由中继节点通过匹配信道?,?使接收到的信号，根据预设的功率 要求调整包含噪声的信号，并将所调整的信号乘以Ii2的右奇异向量后，输出至目的节点，其 中S为作为波束成形向量的_的右奇异向量，^为中继节点与目的节点之间的基于均值 反馈的信道估计； 第二匹配单元，用于由目的节点将亀的左奇异向量作为合并矩阵，与中继节点发送的 信号进行匹配，得到目的结节的输出信号。
7. 根据权利要求6所述装置，其特征在于，所述预设的功率要求为：源节点输出信号的 平均功率以及中继节点的输出信号的平均功率均为1，所述装置还包括： 获取单元，用于根据所预设的功率要求，获取在目的节点的信号的信噪比SNR最大时 所对应的氧的右奇异向量、愈2的右奇异向量以及A2的左奇异向量。
8. 根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述获取单元包括： 中继节点传输信号获取单元，用于由源节点将调制信号经波束成形向量s进行调 制后发送至中继节点，与中继节点的中继加权矩阵W相乘得到中继节点的传输信号： + .，其中，Xreiay为中继节点的输出信号，Ρι为源节点至中继节点的传输功 率，H1为源节点到中继节点的信道，Xin为源节点输入的信号，Z1?CN(0, I)复高斯噪声向 量，I为单位矩阵； 目的节点输出信号获取单元，用于由目的节点接收到来自中继节点信号通过合并矩阵 r匹配，得到目的节点的输出信号：I, = ^JpfriH2WHlSX,,, +^fKrtlU2Wil +rffz2 ，其中，x?t为 目的节点的输出信号，P2为中继节点至目的节点的传输功率，H2为中继节点到目的节点的 信道，Z2?CN(0, I)为复高斯噪声向量，rH为r的共轭转置矩阵； 输出信号替换单元，用于基于均值反馈信道的信道估计得到信道氣=fli + r以及 ft: = Γ?:: +r f并分别将中继节点的输出信号中的H1用_替换，目的节点的输出信号中的H2 用Ii1替换，其中P =JciQjIfdThcr:为信道反馈能力 参数，J〇(·)是第一类零阶贝塞尔函数，T为信道状态信息CSI的反馈时延,fd为信道多普 勒频移，Nt为发射天线数目，队为接收天线数目； 计算单元，用于根据源节点以及中继节点预设的功率要求E{|xin|2}= 1，I |s| I = 1、fl =州IwiMMPf=1，计算目的节点的输出信号的信噪比
最大时所对应的中继加权矩阵w、波束成形向 量S以及合并矩阵r，其中，IWt表示w的2-范数。
9. 根据权利要求8所述装置，其特征在于，所述计算单元具体用于： 根据包括预设的功率要求的信噪比最大的表达式：
计算得到中继加权矩阵的最优结构为： 其中 W σ?φξ ^ h,=具愈,s ， h: ，σ = (1+| Ihi I |2)_1/2，x = [Xi，X2，…，XJT，Y = [y" y2，…，yJT， Σ = diag { σ " σ 2，…，σ J，σ i，…，σ η 为 W 的奇异值。
10. 根据权利要求8所述装置，其特征在于，所述计算单元具体用于： 根据中继加权矩阵的最优结构Wii,Sf所对应的信噪比Y = IIh1II2IIh2II2/ α+Ι Ih1I |2+| Ih2I I2)，得到当波束成形向量S为i,的右奇异向量，合并矩阵r为象的左奇异 向量时,所对应的最优信噪比为/ =心:/1十+ f其4
$
Φ P Λ分别表示在||s|| =1和||r|| =1条件下氧s f 和||?(\|的最大值。
【文档编号】H04B7/08GK104393903SQ201410606621
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月30日 优先权日:2014年10月30日
【发明者】刘斌, 茆胜, 商松泉 申请人:深圳市国创新能源研究院