站 共配置64根有源天线，每个用户各配置单根有源天线；基站端发送CSI参考信号给每个用 户，每个用户在收到参考信号时进行信道估计，并将估计的信道状态信息CSI反馈给基站 端，基站端根据收到的信道状态信息CSI对待发送的数据进行预处理，完成波束赋形处理 后将数据发送出去。
[0052] 图2所示为ZF波束赋形算法的系统模型。ZF波束赋形算法即为迫零波束赋形算 法。基站端根据各用户反馈的信道状态信息CSI计算波束赋形矢量，在应用ZF波束赋形方 案的同时使传输给某个用户的信号对其他用户构成零缺陷，即使目标用户的发送信号处理 其他用户信道矩阵的零空间内。因此，ZF波束赋形算法可以消除用户间的干扰，从而将多 用户MIMO转换为并行的多个单用户MIMO。
[0053] 图3所示为计算正交向量时改进前对溢出的处理流程，此模块对两个定点数据的 相乘结果根据精度和小数位宽进行处理，处理步骤如下：1)将两个定点数据的相乘结果放 到一个32位寄存器中，这样32位寄存器足以存放两个16位定点数据相乘的实际结果；2) 判断上步结果的第14位是否为1，若为1，数据在第15位加1，即上进一位，否则数据保持 不变。这就是所谓的四舍五入。位数是从低位到高位从0开始计数；3)对上步四舍五入后 的数据进行移位，为了舍弃低15位数据，将上步数据向右进行15位移位；4)取结果的低16 位数据；5)将上步数据左移一位。根据以上步骤，所取的16位数据中只有高15位为两个 16位定点数据相乘结果的有效数字，最后一位数据保持为0,不是两个16位定点数据相乘 结果的有效数字，第五步左移一位的原因是设定两个16位定点数据相乘结果的小数位宽 为14,而第四步的结果小数位宽为13,因此需要将小数点左移一位使小数位宽变为14。但 是左移后，最后一位数据却不是原数据的有效数字，引入了较大的误差。
[0054] 图4所示为计算正交向量时改进后对溢出的处理流程，解决了由于最后一位不是 原数据的有效数据引入的误差，对两个定点数据的相乘结果根据精度和小数位宽进行处 理，处理步骤如下：1)将两个定点数据的相乘结果放到一个32位寄存器中，这样32位寄存 器足以存放两个16位定点数据相乘的实际结果；2)判断上步结果的第13位是否为1，若为 1，数据在第14位加1，即上进一位，否则数据保持不变，位数是从低位到高位从0开始计数； 3)对上步四舍五入后的数据进行移位，为了舍弃低14位数据，将上一步骤的结果向右进行 14位移位；4)取结果的低16位数据。根据以上步骤，所取的16位数据皆为两个16位定点 数据相乘结果的有效数字，因此，此模块可以减小两个定点数据相乘时引入的误差。
[0055] 图5为对数据流波束赋形处理时改进前对溢出的处理，由于数据流s中每个元素 的小数位宽为10,而波束赋形矩阵W中每个元素的小数位宽为14,为了保持一致，首先将数 据流s的小数位宽变为14,即将数据流s中每个元素值左移4位。此模块对两个定点数据 的相乘处理过程为：1)将数据流s中每个元素左移4位；2)将两个定点数据的相乘结果放 到一个32位寄存器中，这样32位寄存器足以存放两个16位定点数据相乘的实际结果；3) 判断上步结果的第14位是否为1，若为1，数据在第15位加1，即上进一位，否则数据保持不 变。这就是所谓的四舍五入。位数是从低位到高位从0开始计数；4)对上步四舍五入后的 数据进行移位，为了舍弃低15位数据，将上步数据向右进行15位移位；5)取结果的低16位 数据；6)将上步数据左移4位。但是，将数据流s的小数位宽变为14的过程中引入了误差。 例如，浮点数〇. 1202,用小数位宽为10的定点数据表示为123,用小数位宽为14的定点数 据表示为1969。但是在实际中，直接由小数位宽为10的定点数据进行左移，值为1968,与 理论值1969之间存在误差，因此需要对本模块重新设计，以减小计算过程中引入的误差。
[0056]参考图6,由于数据流s中每个元素的小数位宽为10,而波束赋形矩阵W中每个元 素的小数位宽为14。因此本模块对两个定点数据的相乘处理过程为：1)将两个定点数据 的相乘结果放到一个32位寄存器中，这样32位寄存器足以存放两个16位定点数据相乘的 实际结果；2)判断上步结果的第9位是否为1，若为1，数据在第10位加1，即上进一位，否 则数据保持不变，位数是从低位到高位从〇开始计数；，3)对上步四舍五入后的数据进行移 位，为了舍弃低14位数据，将上步数据向右进行14位移位；4)取结果的低16位数据；5)将 上步数据右移1位，解决了改进前由于定点数据小数位宽的变化而引入的误差。
[0057] 由图7可知，改进后方案的绝对误差明显减小，平均误差由改进前的1.8949X10_4 减小至1. 2209X10'由图8可知，改进后方案结果的相对误差更加接近于0,则结果更加 准确。
[0058] 图9为改进前后波束赋形模块引入的SNR性能分析图，图10为改进前后MMO系 统的SNR性能分析图。由图9可知，本模块内引入的噪声明显较低，引入的平均信噪比由 42. 8dB增加至46. ldB，增加了 3.3个dB。而在MMO系统中，系统的平均信噪比也明显提 升，平均信噪比由28. OdB增加至28. 4dB。由此可知，对波束赋形改进后的处理算法增加了 MMO系统的SNR性能。
【主权项】
1. 一种垂直波束赋形处理方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 基站端同时服务两个用户，基站端从所服务用户反馈的信道状态信息CSI中提取所 服务用户的信道矩阵，其中，第一个用户的信道矩阵为Hi，第二个用户的信道矩阵为H2; 2) 分别对第一个用户的信道矩阵氏及第二个用户的信道矩阵H2进行归一化，得：其中7^为第一个用户的信道矩阵的归一化结果；77；为第二个用户的信道矩阵的归 一化结果； 3) 根据式（1)计算第二个用户的信道矩阵H2的正交向量^^及第一个用户的信道矩阵 氏的正交向量W2，得4) 通过32位寄存器对第二个用户的信道矩阵H2的正交向量冗及第一个用户的信道 矩阵氏的正交向量^进行归一化，得第一个用户的波束赋形矢量A和第二个用户的波束 赋形矢量W2,其中，5) 根据波束赋形矢量W及基站端内的数据流s通过32位寄存器对数据流s波束赋形 得基站端处理后的数据S，其中， S=ff*s= [ffi*ff2*]s (6)2. 根据权利要求1所述的垂直波束赋形处理方法，其特征在于，步骤1)中，用户端反馈 信道状态信息CSI至基站端，基站端接收到信道状态信息CSI，然后根据发射天线数目和接 收天线数据从信道状态信息CSI中提取第一个用户的信道矩阵氏及第二个用户的信道矩 阵H2，其中，第一个用户的信道矩阵氏及第二个用户的信道矩阵H2均为维度为1X64的矩 阵，基站端接收到的信道状态信息CSI包括水平信道的信道状态信息及垂直信道的信道状 态f目息。3. 根据权利要求2所述的垂直波束赋形处理方法，其特征在于，第一个用户的信道矩 阵氏及第二个用户的信道矩阵H2中的每个元素均为复数，第一个用户的信道矩阵Hi及第 二个用户的信道矩阵H2中的每个元素的实部和虚部均由16位定长数据表示，ii；和ii；中 的每个元素均为浮点数，将//,和//2中的每个元素转换为小数位宽为14的定点数。
【专利摘要】本发明公开了一种垂直波束赋形处理方法，包括以下步骤：1)设基站端同时服务两个用户，基站端从所服务用户反馈的信道状态信息CSI中提取所服务用户的信道矩阵；2)分别对第一个用户的信道矩阵H1及第二个用户的信道矩阵H2进行归一化；3)通过利用32位寄存器计算第二个用户的信道矩阵H2的正交向量及第一个用户的信道矩阵H1的正交向量4)对第二个用户的信道矩阵H2的正交向量及第一个用户的信道矩阵H1的正交向量进行归一化；5)根据波束赋形矢量W及基站端内的数据流s得基站端通过32位寄存器对数据流s波束赋形处理后的数据S。本发明可以减少定点运算中引入的误差，增加MIMO系统的性能。
【IPC分类】H04B7/06, H04B7/08
【公开号】CN104993854
【申请号】CN201510240069
【发明人】杜清河, 孙晓丽, 王君, 孙黎, 任品毅
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年5月12日