TD-LTE系统中基于时频域预处理的特征波束形成方法

摘要

本发明公开了一种TD-LTE系统中基于时频域预处理的特征波束形成方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)运用上行导频信息估计上行信道，该估计的上行信道信息可用于对下行波束形成权矢量的计算；(2)利用时频块滤波的方法对估计出来的上行信道信息进行滤波；(3)对经过滤波后的信道信息任一时频块空间特征矢量s

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于TD-LTE(长期演进计划协议的时分双工模式)系统中基站端配置多天线、用户端配置单天线(多发单收)的下行波束形成方法，特别涉及一种特征波束形成方法。

背景技术

信道矩阵的每行就为对应的接收天线的空间特征，而归一化的空间特征，即把空间特征矢量再进行归一化。当接收天线间距比较小且移动台的移动速度较慢时，空间特征矢量的各元素之间的相关性比较强，空间特征矢量各元素之间的变化规律比较一致，这种情况下，各时刻的归一化空间特征与第一时刻的归一化空间特征的相关性在第一时刻之后的较长时间内变化都是十分缓慢的，各子载波的归一化空间特征与第一个子载波的归一化空间特征的相关性在与第一个子载波接近的较长频率内都是变化十分缓慢的，这也就是说在这较长的时间和频率的范围内归一化空间特征是十分相似的，归一化空间特征的变化比较缓慢。当加大接收天线的间距或移动台的移动速度时，空间特征矢量的各元素之间的相关性减弱，归一化空间特征的变化将变快，其中加大天线间距主要影响空间特征矢量的各元素在频域内的相关性，而加大移动台速度主要影响其在时间内的相关性，但是与第一时刻接近的一小段时间内或与第一个子载波接近的一小段频率内的相关系数的变化还是比较小的，所以在这一小段时间或频率内的归一化空间特征还是比较相似的。总的来说，归一化空间特征的变化与单个信道矩阵元素的变化相比都是相对比较缓慢的。从图1和图2中可以看出，尽管信道空间特征矢量的单个元素(对应与图中的每条曲线)随时间、频率是快速变化的，但是此时各元素自身的变化规律是十分相似的，所以此时信道的归一化空间特征随时间频率的变化都是比较缓慢的。

特征波束形成(EBF)方法须与迫零(Zero-forcing，ZF)波束形成方法、最小方差无失真(Minimum Variance Distortionless Response，MVDR)波束形成方法、最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)之一结合使用。

特征波束形成(EBF)方法是在TD-LTE系统中对上行估计得到的信道信息进行进一步加工处理，具体的说是对一定时频范围内估计得到的信道信息进行综合处理，得到新的等效信道作为该时频范围中共同的信道信息用于波束形成。

EBF方法的基本原理是利用空间信道特征随时间的慢变性，提取一定的时间范围内的信道空间特征，作为该时间范围内标准的信道信息用于波束形成。在OFDMA系统中空间信道特征在相邻的子载波间也存在一定的缓变的特性，因此可以将EBF方法的使用由时域扩展到时频域。

现有的EBF方法是针对时域一定范围的信道系数h进行累加求平均，得到空间相关矩阵R，如下式所示

$R=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{h}_k^H{h}_k---\left(1\right)$

其中向量h的维数为发射天线数，N为时间长度。

然后对矩阵R进行特征值分解，对应于最大特征值的特征向量即空间特征矢量s，代替原始信道信息用于波束形成。

现有EBF方法的优点在于它利用空间特征的慢变性，利用信道的特征向量代替以往的利用估计得到的信道来计算波束形成的加权系数，而特征向量是根据信道矩阵得到的经过平均、优化的信道。因此在空间特征缓慢变化的情况下，相对一般的波束形成方法，EBF方法可以取得一定的增益。

现有EBF方法做特征分解的对象是信道的自相关矩阵。它能够通过特征分解的方式得到信道的特征向量，从而对波束形成改进。现有EBF方法针对不同的时频块得到的信道的特征向量在块内可以认为是不变的，但是在块之间却存在着不稳定的跳变信息，与实际信道的慢变性矛盾。

此外，在TD-LTE系统中，可以假设下行链路信道响应和上行链路信道响应相同，即上下行信道具有互易性。只要发射间隔时间小于信道的相干时间，下行就可以根据上行的导频信号估计出来的信道信息生成下行波束形成的权值，进行下行波束形成。

按照协议规定的上行导频图案，导频在每个子帧的中间一个符号的所有子载波上发送，所以所有子载波上的信道都可以通过导频信息估计得到。一个子帧内其他符号上的信道增益可以通过导频处的信道增益的内插得到。这样估计出来的信道在相邻子载波之间存在幅度和相位上的跳变性，与实际信道的慢变性矛盾，用估计的信道来计算加权矩阵，以进行波束形成时精确程度低。

发明内容

针对现有技术所存在的问题，为了与归一化空间特征的缓慢性吻合，本发明的目的是提供一种时频域预处理的方法。通过信道的等效估计提高波束形成的精确程度从而改善系统性能。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

TD-LTE系统中基于时频域预处理的特征波束形成方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)运用上行导频信息估计上行信道，该估计的上行信道信息可用于对下行波束形成权矢量的计算；

(2)利用时频块滤波的方法对估计出来的上行信道信息进行滤波，其滤波公式为：

$\mathrm{HH}(x,y)=\underset{m=-\frac{M-1}{2}}{\overset{\frac{M-1}{2}}{\Sigma }}\underset{n=-\frac{N-1}{2}}{\overset{\frac{N-1}{2}}{\Sigma }}w(m,n)H(x+m,y+n)---\left(5\right)$

其中，HH(x，y)为经过时频块滤波之后的信道信息，w(m，n)为滤波模板的系数；

(3)对经过滤波后的信道信息任一时频块空间特征矢量s_i进行修正：先计算出时间上两相邻时频块之间的相位差，然后得到修正系数k：

$k=\frac{{s_i}^{\prime }*s_{i-1}}{\left|\right|{s_i}^{\prime }*s_{i-1}\left|\right|}---\left(6\right)$

再将修正系数k与s_i相乘，就得到修正后的空间特征矢量

${\tilde{s}}_i=k*s_i$

(4)用修正后的代替s_i，得到一个等效的信道信息进行特征波束形成加权矩阵计算，最终实现特征波束形成。

上述方案中，所述的滤波模板选用大小为3×3的滤波模板。

与现有的方法和技术相比，本发明的有益效果在于：

现有方法假设TD-LTE系统上下行是互易的，直接采用上行估计信道进行下行波束形成加权矩阵的计算，没有考虑到协议规定的上行导频方案频域连续导致相邻子载波间存在幅度、相位跳变的不足，从而与实际信道空间特征的慢变性相违背。本发明通过对估计出来的信道进行时频块滤波的方法，校正了这种跳变性，使估计出来的信道具有慢变性，从而更好地逼近了真实的信道，提高了信道估计的精确性，进一步改善波束形成权矢量的精确性，最终改善了整个系统的误码率性能。

现有的EBF方法存在着与生俱来的缺陷，那就是它利用每个时频块范围内估得的多个信道的特征向量求取加权系数进行该时频块内波束形成的加权，但不考虑时频块之间信道的关联性，得到的连续两个时频块的信道特征向量之间存在跳变的信息，从而与实际信道空间特征的慢变性相违背。本发明通过修正空间特征矢量的方法将前后两时频块的信道特征向量在相位上的突变基本抵消，更好地与实际信道空间特征的慢变性相吻合，提高了波束形成权矢量的精确性，最终改善了整个系统的误码率性能。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为TD-LTE系统一帧内空间特征矢量的各元素随时间的变化。其中：图1a为幅度，图1b为相位，横轴表示时间单位为OFDM符号。

图2为TD-LTE系统一帧内空间特征矢量的各元素随频率的变化。其中：图2a为幅度，图2b为相位，横轴表示时间单位为OFDM符号。

图3为本发明方法中所涉及的滤波模板。

图4为滤波前(图4a)、后(图4b)的信道模值对比(以一个时隙中间一个符号为例)。

图5为滤波前(图5a)、后(图5b)的信道相位对比(以一个时隙中间一个符号为例)。

图6为本发明改进的信道预处理方法与原始特征波束形成方法的对比。其中图6a为市区微小区、用户移动速度为3km/h、天线间距为0.5λ、每个小区有2个用户、每个用户配置1根天线、基站端配置4根天线的仿真效果图；图6b为市区微小区、用户移动速度为30km/h、天线间距为0.5λ、每个小区有2个用户、每个用户配置1根天线、基站端配置4根天线的仿真效果图；图6c为郊区宏小区、用户移动速度为120km/h、天线间距为0.5λ、每个小区有2个用户、每个用户配置1根天线、基站端配置4根天线的仿真效果图

具体实施方式

TD-LTE系统中基于时频域预处理的特征波束形成方法，包括下述步骤：

(1)运用上行导频信息估计上行信道

在TD-LTE系统中，可以假设下行链路信道响应和上行链路信道响应相同，即上下行信道具有互易性。只要发射间隔时间小于信道的相干时间，下行就可以根据上行的导频信号估计出来的信道信息生成下行波束形成的权值，进行下行波束形成。通常选用信道模型为：

Y＝HX+N    (3)

式中H为信道的频率响应，Y、X、N分别为接收数据、发送数据、噪声的傅里叶变换。运用导频在频域进行信道估计，导频增益可以这样计算：

$H=\frac{Y}{X}---\left(4\right)$

一个子帧内其他符号上的信道增益可以通过导频处的信道增益的内插得到。

(2)利用时频块滤波的方法校正估计的信道的跳变性

具体时频块滤波的方法是：

基于TD-LTE特有的导频结构估计出来的信道在相邻子载波之间存在着幅度和相位上的跳变性，所以需要在频域上对估计出来的信道进行滤波；同时，第t个符号、第f个子载波(t、f分别为时间、频率的索引)处的信道增益与相邻符号、相邻子载波处的信道增益是相关的，因此为了与归一化空间特征的缓慢性吻合，也需要在时域上对估计出来的信道进行滤波。因此，可以采用时频块滤波的方法来校正估计的信道的跳变性。

选用大小为M×N(M、N为大于1的奇数)的滤波模板，例如，可选用图3所示3×3的滤波模板，在第t个符号、第f个子载波处估计出来的信道响应系数为H(x，y)可以通过下式计算：

$\mathrm{HH}(x,y)=\underset{m=-\frac{M-1}{2}}{\overset{\frac{M-1}{2}}{\Sigma }}\underset{n=-\frac{N-1}{2}}{\overset{\frac{N-1}{2}}{\Sigma }}w(m,n)H(x+m,y+n)---\left(5\right)$

其中，HH(x，y)为经过时频块滤波之后的信道信息，w(m，n)为滤波模板的系数。

如图4、图5所示，经过时频块滤波之后的信道与滤波前相比达到了很好的滤波效果。

(3)对滤波后得到的信道信息进行修正，得到等效的信道信息

具体方法为：

对经过滤波后的信道信息任一时频块空间特征矢量s_i进行修正：先计算出两者之间的相位差，然后得到修正系数k：

$k=\frac{{s_i}^{\prime }*s_{i-1}}{\left|\right|{s_i}^{\prime }*s_{i-1}\left|\right|}---\left(6\right)$

再将修正系数同s_i相乘，就得到了最终的

${\tilde{s}}_i=k*s_i---\left(7\right)$

式中，s_i为修正之前的空间特征矢量，为修正之后的空间特征矢量。

在信道特征向量s_i基础上乘以上述修正系数k即可将前后两块的信道特征向量在相位上的突变基本抵消。经过修正的得到的只是信道特征向量乘以一个模为1的复常数，因此仍然是信道特征向量，只是去除了一个相位上的跳变因子而已。信道中的每一个时频块都经过相同的修正之后得到就可以校正时频块之间的跳变性，得到等效的信道信息。

(4)用步骤(3)得到的等效的信道信息进行特征波束形成加权矩阵计算，最终实现特征波束形成。

具体方法为：

本发明针对ZF方法做的改进是利用步骤2得到的等效信道信息向量作为整个时频块的等效信道，并将这个信道用来计算波束形成的加权矩阵，从而进行波束形成。

对迫零波束形成(ZF)方法的改进主要在市区微小区(移动台速度3km/h)、市区宏小区(移动台速度30km/h)、郊区宏小区(移动台速度120km/h)三种场景下作了仿真，仿真参数参见表1。仿真中有19个小区，中心小区为目标小区，其余18个小区为干扰小区，每个小区有2个用户。ZF加入改进的信道预处理方法前后误码率对比性能的仿真结果如图6所示。从图6可看出在各种场景下改进效果都非常明显。

表1仿真参数

  系统带宽  5MHz  采样频率  7.68MHz  FFT点数  512  占有子载波数  300  CP长度  (4.69)_×6，(5.21)×1^*(常规)  天线间距  0.5λ  信道模型  SCME  调制方式  QPSK  基站端天线数  4  移动台端天线数  1

^*注：常规CP时，为了满足每时隙包含整数个OFDM符号，第一符号的CP长为5.12μs，而其他符号长度为4.69μs