虚拟多输入多输出通信方法、装置及系统与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种虚拟多输入多输出通信方法、装置及系统。

背景技术：

mimo(multiple-inputmultiple-output，多输入多输出)技术是指在发射端和接收端分别设置多个发射天线和接收天线，使得信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。mimo能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，是下一代通信的核心技术。尽管mimo技术在系统容量和频谱利用率方面有显著的优势，但对体积、功耗等都受到限制的移动终端来说，通过配置多根天线来与基站进行mimo通信是不现实的。首先，移动终端的体积太小，若设置多根天线，则会导致天线间距过小，无法满足天线阵列间隔大于信道相干距离的要求。另一方面，设置多根天线会必然带来用户终端高功耗以及高成本的问题。

为了解决用户终端限于体积和成本不宜配置多天线的问题，3gpp(3rdgenerationpartnershipproject，第三代合作伙伴计划)lte(longtermevolution，长期演进)提出一种上行虚拟mimo技术，将具有单天线的多个用户组合起来，在同一资源块中形成虚拟的mimo信道，同时向具有多天线的基站发送数据，从而达到mimo技术具有的性能。虚拟mimo技术的关键是选择配对用户的策略，它的优劣直接影响系统性能。

现有技术中有些配对算法是在基站内预设各个用户终端的不适合配对表，每一个表中记录有不适合与该用户终端进行配对的其他用户终端的标识信息，当需要进行配对时，由基站将不属于对方不适合配对表的一对未配对用户终端配成对。这种配对方式没有考虑各个用户终端的实时的情况，其配对始终基于事先设定好的不适合配对表，而在实际情况中，用户终端的情况可能时刻都在 产生变化，上一时刻因位置、角度等因素无法进行配对的用户终端，在此刻可能又会适合彼此的配对。依据固化的配对策略可能会因选择的配对用户不佳，而导致基站与配对的用户终端之间的通信效果差。

技术实现要素：

本发明要解决的主要技术问题是，提供一种虚拟多输入多输出通信方法，解决现有技术中依据固有的配对策略进行配对，没有考虑用户终端实时情况而引起的基站与配对的用户终端之间通信效果差的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种虚拟多输入多输出通信方法，包括：

获得多个与基站进行通信的用户终端当前的信道估计；

根据各所述用户终端的信道估计和预设条件从各所述用户终端中选择预定数目的用户终端，所述预定数目的用户终端为至少两个用户终端；

将选择出的各所述用户终端虚拟成一个多输入多输出用户终端，并使基站基于多输入多输出技术与所述多输入多输出用户终端进行通信。

在本发明一种实施例中，所述预设条件为：用户终端对间水平到达角的差值大于或等于第一阈值，且垂直到达角的差值小于或等于第二阈值；所述用户终端对包括任意两个与基站进行通信的所述用户终端。

在本发明一种实施例中，根据各所述用户终端的信道估计和预设条件从各所述用户终端中选择预定数目的用户终端包括：

根据各所述用户终端的信道估计计算各所述用户终端的水平到达角与垂直到达角；

计算各所述用户终端对间水平到达角的差值与垂直到达角的差值；

根据各所述用户终端对间水平到达角的差值与垂直到达角的差值筛选出符合所述预设条件的用户终端对；

从筛选出的所述用户终端对中选择预定数目的用户终端。

在本发明一种实施例中，所述根据各所述用户终端的信道估计和预设条件从各所述用户终端中选择预定数目的用户终端之前还包括：

根据基站当前解调接收信息的第一参数确定出所述预定数目，所述第一参 数包括信噪比、循环冗余校验码。

在本发明一种实施例中，所述将选择出的所述用户终端虚拟成一个多输入多输出用户终端，并使基站基于多输入多输出技术与所述多输入多输出用户终端进行通信之前还包括计算各天线阵元的权值，所述权值用于所述基站与所述多输入多输出用户终端间的后续通信。

在本发明一种实施例中，所述计算各天线阵元的权值包括：

根据以下公式计算选择出的各所述用户终端垂直到达角的均值：

v为垂直到达角的均值；a为所述预定数目；vi为选择出的各所述用户终端的垂直到达角；

根据以下公式计算获得各所述天线阵元的权值：

wm＝e^{-j(m-1)2πδsinv/λ}

wm为第m个垂直天线阵元的权值；λ为波长；δ为天线阵元间的间距。

本发明还提供一种虚拟多输入多输出通信装置，包括：

信道估计模块，用于获得多个与基站进行通信的用户终端当前的信道估计；

用户选择模块，用于根据各所述用户终端的信道估计和预设条件从各所述用户终端中选择预定数目的用户终端，所述预定数目的用户终端为至少两个用户终端；

虚拟通信模块，用于将选择出的各所述用户终端虚拟成一个多输入多输出用户终端，并使基站基于多输入多输出技术与所述多输入多输出用户终端进行通信。

在本发明一种实施例中，所述预设条件为：用户终端对间水平到达角的差值大于或等于第一阈值，且垂直到达角的差值小于或等于第二阈值；所述用户终端对由任意两个与基站进行通信的所述用户终端组成。

在本发明一种实施例中，所述用户选择模块包括：

角度计算模块，用于根据各所述用户终端的信道估计计算各所述用户终端的水平到达角与垂直到达角；

差值计算模块，用于计算各用户终端对间水平到达角的差值与垂直到达角的差值；

条件筛选模块，用于根据各所述用户终端对间水平到达角的差值与垂直到达角的差值筛选出符合所述预设条件的用户终端对；

用户选择模块，用于从筛选出的所述用户终端对中选择预定数目的用户终端。

在本发明一种实施例中，还包括：

数目获取模块，用于在根据各所述用户终端的信道估计和预设条件从各所述用户终端中选择预定数目的用户终端之前，根据基站当前解调接收信息的第一参数确定出所述预定数目，所述第一参数包括信噪比、循环冗余校验码。

在本发明一种实施例中，还包括：

权值计算模块，用于在将选择出的所述用户终端虚拟成一个多输入多输出用户终端，并使基站基于多输入多输出技术与所述多输入多输出用户终端进行通信之前，计算各天线阵元的权值，所述权值用于后续通信。

在本发明一种实施例中，还所述权值计算模块包括：

均值计算子模块，用于根据以下公式计算选择出的各所述用户终端垂直到达角的均值：

v为垂直到达角的均值；a为所述预定数目；vi为选择出的各所述用户终端的垂直到达角；

权值计算子模块，用于根据以下公式计算获得各所述天线阵元的权值：

wm＝e^{-j(m-1)2πδsinv/λ}

wm为第m个垂直天线阵元的权值；λ为波长；δ为天线阵元间的间距。

本发明还提供一种虚拟多输入多输出通信系统，包括多个用户终端和基站，所述基站中包含如上所述的虚拟多输入多输出通信装置。

本发明的有益效果是：

本发明提供的虚拟多输入多输出通信方法，通过获取各用户终端当前的信 道估计，能够实时考虑各用户终端的情况。在这种情况下，根据预设条件选出预定数目的用户终端虚拟成一个多输入多输出用户终端，并让这个多输入多输出用户终端与基站根据多输入多输出技术进行通信。这种配对选择的策略基于实时的信道估计，考虑了各用户终端当前的情况，能够提高基站与虚拟出的多输入多输出用户终端之间通信效果。

附图说明

图1为本发明实施例一中提供的虚拟多输入多输出通信方法的一种流程图；

图2为本发明实施例一中提供的选择预定数目的用户终端的一种流程图；

图3为本发明实施例一中提供的计算各天线阵元权值的一种流程图；

图4为本发明实施例二中提供的虚拟多输入多输出通信装置的一种结构示意图；

图5为本发明实施例二中提供的虚拟多输入多输出通信装置的另一种结构示意图；

图6为图4或图5中用户选择模块的一种结构示意图；

图7为本发明实施例二中提供的虚拟多输入多输出通信装置的又一种结构示意图；

图8为图7中权值计算模块的一种结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

本实施例提供一种虚拟多输入多输出通信方法，请参考图1，该方法包括：

s101、获得多个与基站进行通信的用户终端的信道估计。

所谓信道估计，就是从接收数据中将假定的某个信道模型的模型参数估计出来的过程。获取信道估计一般通过导频进行。

s102、根据各用户终端的信道估计值和预设条件从各用户终端中选择预定 数目的用户终端。

在本实施例中，由于是基于mimo技术进行通信，因此选择出的用户终端至少为两个，也就是说预定数目大于等于2。至于如何确定究竟需要选择多少个用户终端，这需要根据基站当前解调接收信号的第一参数而定，例如基站当前解调一帧接收信号，然后得出了该帧信号的snr(signal-noiseratio，信噪比)和crc(cyclicredundancycode，循环冗余码)，则基站根据snr和crc确定预定数目究竟为多少，这时第一参数就包括snr和crc。本领域技术人员应该明白的是，第一参数还可以包括其他影响信号质量的参数进行确定。

下面对如何根据预设条件从多个与基站进行通信的用户终端中选择用户终端的细节进行说明，请结合图2，图2是从多个与基站进行通信的用户终端中选择预定数目的用户终端的流程图：

s201、根据各用户终端的信道估计计算各用户终端的水平到达角与垂直到达角。

基站通过导频可以获得每个用户终端的信道估计，然后根据每个用户终端的信道估计，使用batlett(巴特利特算法)、capon(最小方差无畸变响应波束形成算法)、music(multiplesginalclassification，多信号分类算法)或esprit(estimatingsignalparametersviarotationalinvariancetechniques，基于旋转不变技术的信号参数估计算法)等算法可以估计每个用户终端的水平到达角和垂直到达角。

s202、计算各用户终端对间水平到达角的差值与垂直到达角的差值。

一个用户终端对由任意两个与基站进行通信的用户终端组成，也就是说计算任意两个用户终端间水平到达角与垂直到达角的差值。

s203、根据各用户终端对间水平到达角的差值与垂直到达角的差值筛选出符合预设条件的用户终端对。

假设用户终端n垂直到达角为vn，水平方向到达角位hn，对应的用户终端m的垂直到达角为vm，水平方向到达角为hm，则用户终端n和m需要满足以下条件才有进行虚拟mimo配对的资格：

|hm-hn|≥x，|vm-vn|≤y

其中x为第一阈值，y为第二阈值，第一阈值和第二阈值属于临界值，当两 个用户终端间水平到达角的差值大于第一阈值时，差值越大，则配对后的通信效果越好，若水平到达角的差值小于第一阈值时，则差值越小，配对后通信效果越差。当用户终端对间垂直到达角的差值大于第二阈值时，差值越大，通信效果越差，当用户终端对间垂直到达角的差值小于第二阈值时，差值越小，通信效果越好。根据工程经验，一般将x设置为10，将y设置为3较为合适，本领域技术人员应当理解的是，上述数值只是根据实际经验确定的，并不是实现本发明的必要选择。

s204、从筛选出的用户终端对中选择预定数目的用户终端。

在进行选择之前需要事先根据基站解调接收信号的信噪比与循环冗余码等参数确定应当选择多少用户终端进行配对才能达到最佳效果。值得注意的是，这个确定预定数目的过程只要保证在s204之前完成即可，与s201、s202和s203之间并没有严格的时序限定。

若满足预设条件的用户终端有4个，而基站解调接收信号后确定应当选择两个用户终端进行配对是当前情景需要的，那么从这4个用户终端中选择两个时，可以任意选择也可根据其他既定原则进行选择。

s103、将选择出的各用户终端虚拟成一个多输入多输出用户终端，并使基站基于多输入多输出技术与该多输入多输出用户终端进行通信。

在本实施例的一种优选示例中，为了使后续的通信效果更好，在步骤s103之前还需要进一步计算各天线阵元的权值，这些天线阵元的权值用于基站与多输入多输出用户终端之间的通信。计算各天线阵元权值的过程请参考图3：

s301、计算选择出的各用户终端垂直到达角的均值。

若最终选择出了a、b、c、d四个用户终端进行虚拟mimo配对，这四个用户终端的垂直到达角分别为8、6、7、9，那么根据以下公式：

其中，v为垂直到达角的均值；a为预定数目，在这里即为4；vi为选择出的各用户终端的垂直到达角；根据计算可得：

v＝(8+6+7+9)/4＝7.5

s302、计算获得各天线阵元的权值。

计算各天线阵元权值时依据以下公式进行：

wm＝e^{-j(m-1)2πδsinv/λ}

wm为第m垂直个天线阵元的权值；λ为波长；δ为天线阵元间的间距。

下面结合一个具体的示例对本实施例提供的虚拟多输入多输出通信方法进行详细说明：

假设与基站进行通信的一共有八个用户终端，用户终端的编号分别为1-8，这八个用户终端的垂直到达角依次为-10，8，6，-5，1，-7，12，-9。水平到达角依次为20，-12，18，30，1，-33，-23，-40。

选择垂直到达角相差较小水平到达角相差较大的用户终端。若将第一阈值设置为10，第二阈值设置为3，则任意两个用户终端之间的水平到达角的差值应大于或等于10，垂直到达角的差值应小于或等于3。根据上一帧接收数据的解调后获得的信噪比、循环冗余码、噪声大小等因素确定应当选择多少用户终端进行虚拟mimo配对，确定预定数目的工作可以由mac层来完成。若确定预定数目为2，则选择编号为2和3的用户终端。

用户终端2和用户终端3的垂直到达角分别为8和6，垂直到达角的均值为7.5，根据公式

wm＝e^{-j(m-1)2πδsinv/λ}

可以计算出基站侧每一垂直天线阵元的权值，假如基站侧设置了4个垂直天线阵元，则这4个垂直天线阵元的权值为[1,e^{-2πjδsin7.5/λ},e^{-4πjδsin7.5/λ},e^{-6πjδsin7.5/λ}]。

被选择出的用户终端2和3虚拟成了一个多输入多输出用户终端，基站在与用户终端2和3的后续通信过程中，可以将这两个用户终端视作一个具备两根天线的虚拟用户终端，仅为这一个虚拟用户终端分配一份时频资源，这样的做法有利于资源配置，提高通信系统的信道容量。

当基站在与包含上述虚拟出的多输入多输出用户终端以内的用户终端进行通信，在天线阵元接收到一帧频域数据之后，基站利用计算出的各天线阵元的权值对各天线阵元接收到的频域数据进行垂直加权处理，然后将处理后的频域数据做合并，例如将64个天线阵元合并成16个天线阵元，最后在水平方向对 这些用户终端发送的频域数据进行解调。解调的方法一般包括zf(zero-forcing，迫零检测算法)、sic(successiveinterferencecancellation，串行干扰消除算法)以及mmse(minimummeansquareerror，最小均方误差算法)等。

实施例二：

本实施例提供一种虚拟多输入多输出通信装置，实施例一中的虚拟多输入多输出通信方法能够在本实施例提供的虚拟多输入多输出通信装置上运行使用，请结合图4，虚拟多输入多输出通信装置40包括信道估计模块401、用户选择模块402和虚拟通信模块403。信道估计模块401通过导频获得多个与基站进行通信的用户终端的信道估计。用户选择模块402用于根据预设条件从多个与基站进行通信的用户终端中选择预定数目的用户终端。虚拟通信模块403将选择出的用户终端虚拟成一个多输入多输出用户终端，并基于多输入多输出技术与该多输入多输出用户终端进行通信。

在本实施例中，由于是基于mimo技术进行通信，因此用户选择模块402选择出的用户终端至少为两个，也就是说预定数目大于等于2。在本是实施例提供的一种示例中，如图5所示，虚拟多输入多输出通信装置40包括信道估计模块401、用户选择模块402和虚拟通信模块403以外，还包括数目获取模块404，数目获取模块404用于确定究竟需要选择多少个用户终端，数目获取模块404确定预定数目时，根据基站当前解调接收信号的第一参数而定，例如基站当前解调一帧接收信号得出该帧信号的snr和crc，则数目获取模块404根据snr和crc确定预定数目究竟为多少，这时第一参数就包括snr和crc。本领域技术人员应该明白的是，数目获取模块404确定预定数目所依据的第一参数还可以包括其他影响信号质量的参数，如噪声值的大小。

请结合图6，图6是上述图4或图5中用户选择模块402的一种示意图，用户选择模块402包括角度计算模块4021、差值计算模块4022以及条件筛选模块4023和用户选择模块4024。

角度计算模块4021用于确定各与基站进行通信的用户终端的水平到达角与垂直到达角。在确定水平到达角和垂直到达角的方式包括多种，其中角度计算模块4021可以通过导频获得每个用户终端的信道估计，然后根据每个用户终端的信道估计，使用batlett、capon、music或esprit等算法估计出每个用户终端的水平到达角和垂直到达角。

差值计算模块4022计算各用户终端对间水平到达角的差值与垂直到达角的差值。在这里，一个用户终端对由任意两个与基站进行通信的用户终端组成，也就是说，差值计算模块4022实质上是计算任意两个用户终端间水平到达角与垂直到达角的差值。

条件筛选模块4023用于根据预先设定的条件，从差值计算模块4022计算出的结果中筛选出水平到达角的差值大于或等于第一阈值，且垂直到达角的差值小于或等于第二阈值的用户终端对。

假设用户终端n垂直到达角为vn，水平方向到达角位hn，对应的用户终端m的垂直到达角为vm，水平方向到达角为hm，则用户终端n和m之间水平到达角与垂直到达角必须需要满足以下条件才有进行虚拟mimo配对的资格：

|hm-hn|≥x，|vm-vn|≤y

其中x为第一阈值，y为第二阈值，第一阈值和第二阈值属于临界值，当两个用户终端间水平到达角的差值大于第一阈值时，差值越大，则配对后的通信效果越好，若水平到达角的差值小于第一阈值时，则差值越小，配对后通信效果越差。当用户终端对间垂直到达角的差值大于第二阈值时，差值越大，通信效果越差，当用户终端对间垂直到达角的差值小于第二阈值时，差值越小，通信效果越好。根据工程经验，一般将x设置为10，将y设置为3较为合适，本领域技术人员应当理解的是，上述数值只是根据实际经验确定的，并不是实现本发明的必要选择。

用户选择模块4024从用户终端对中选择预定数目的用户终端。用户选择模块4024在进行选择时需要依据实现确定的预定数目，确定用户数目的过程可以由图5中的数目获取模块404完成，值得注意的是，数目获取模块404确定预定数目的过程只要保证在用户选择模块4024从用户终端对中选择预定数目的用户终端之前完成即可，与角度计算模块4021、差值计算模块4022以及条件筛选模块4023执行的相应流程之间并没有严格的时序限定。

若条件筛选模块4023筛选出的满足预设条件的用户终端有4个，而数目获取模块404在基站解调接收信号后确定应当选择两个用户终端进行配对是当前情景需要的，那么用户选择模块4024从这4个用户终端中选择两个时，可以任意选择也可根据其他既定原则进行选择。

在用户选择模块4024从用户终端对中选择预定数目的用户终端后，由虚拟 通信模块403将选择出的用户终端虚拟成一个多输入多输出用户终端，并使基站基于多输入多输出技术与该多输入多输出用户终端进行通信。

在本实施例的一种优选示例中，为了使基站与虚拟出的多输入多输出用户终端之间后续的通信效果更好，如图7所示，虚拟多输入多输出通信装置40还包括权值计算模块405，权值计算模块405用于进一步计算各天线阵元的权值。对于用户选择模块402、虚拟通信模块403以及数目获取模块404的设置方式，请参考上述示例以及图4-6所示，这里不再赘述，下面结合图8对本实例中的权值计算模块405的优点和细节做详细阐述。

权值计算模块405包括均值计算子模块4051，均值计算子模块4051用于计算选择出的各用户终端垂直到达角的均值，此外，还包括用于计算获得各天线阵元的权值的权值计算子模块4052。

若用户选择模块402最终选择出了a、b、c、d四个用户终端进行虚拟mimo配对，这四个用户终端的垂直到达角分别为8、6、7、9，那么均值计算子模块4051根据以下公式可以计算出各用户终端的垂直到达角：

其中，v为垂直到达角的均值；a为预定数目，在这里即为4；vi为选择出的。

计算可得：

v＝(8+6+7+9)/4＝7.5

权值计算子模块4052计算各天线阵元的权值时，依据以下公式进行：

wm＝e^{-j(m-1)2πδsinv/λ}

wm为第m个垂直天线阵元的权值；λ为波长；δ为天线阵元间的间距。

下面结合一个具体示例对图7中的虚拟多输入多输出通信装置40做进一步说明。

假设与基站进行通信的一共有八个用户终端，用户终端的编号分别为1-8，这八个用户终端的垂直到达角依次为-10，8，6，-5，1，-7，12，-9。水平到达角依次为20，-12，18，30，1，-33，-23，-40。

用户选择模块402选择垂直到达角相差较小水平到达角相差较大的用户终端。若将第一阈值设置为10，第二阈值设置为3，则任意两个用户终端之间的水平到达角的差值应大于或等于10，垂直到达角的差值应小于或等于3。数目获取模块404根据上一帧接收数据的解调后获得的信噪比、循环冗余码、噪声大小等因素确定应当选择多少用户终端进行虚拟mimo配对，确定预定数目的工作也可以由mac层来完成。若数目获取模块404确定预定数目为2，则用户选择模块402选择编号为2和3的用户终端。

用户终端2和用户终端3的垂直到达角分别为8和6，权值计算模块405中的均值计算子模块计算出用户终端2和3之间，垂直到达角的均值为7.5，权值计算子模块根据公式：

wm＝e^{-j(m-1)2πδsinv/λ}

可以计算出基站侧每一垂直天线阵元的权值，假如基站侧设置了4个垂直天线阵元，则这4个垂直天线阵元的权值为[1,e^{-2πjδsin7.5/λ},e^{-4πjδsin7.5/λ},e^{-6πjδsin7.5/λ}]。

虚拟通信模块403可以将被选择出的用户终端2和3虚拟成一个多输入多输出用户终端，使基站在与用户终端2和3的后续通信过程中，可以将这两个用户终端视作一个具备两根天线的虚拟用户终端，仅为这一个虚拟用户终端分配一份时频资源，这样的做法有利于资源配置，提高通信系统的信道容量。

当基站在与包含上述虚拟出的多输入多输出用户终端以内的用户终端进行通信，在天线阵元接收到一帧频域数据之后，基站利用计算出的各天线阵元的权值对各天线阵元接收到的频域数据进行垂直加权处理，然后将处理后的频域数据做合并，例如将64个天线阵元合并成16个天线阵元，最后在水平方向对这些用户终端发送的频域数据进行解调。解调的方法一般包括zf、sic以及mmse等。

实施例三：

本实施例提供一种虚拟多输入多输出通信系统，该系统包括多个用户终端和基站，在基站中设置实施例二中提供的任意一种类型的虚拟多输入多输出通信装置。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用 通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储介质(rom/ram、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。