本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種波束成形方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代海洋無線通信系統(tǒng)主要由海上船舶通信設(shè)備和岸臺(tái)控制網(wǎng)絡(luò)組成。相對陸地通信系統(tǒng)，海洋空間環(huán)境因素更加復(fù)雜多變，導(dǎo)致海洋電磁波通信環(huán)境瞬息變化，使得海洋無線通信系統(tǒng)成為一個(gè)復(fù)雜的不確定時(shí)變系統(tǒng)。現(xiàn)有海洋通信系統(tǒng)的通信速率很低，通常只有幾mbps。

為了提高海洋通信系統(tǒng)的通信速率，傳統(tǒng)方式是在海洋通信系統(tǒng)中采用大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)(massivemimo)。在大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中，基站側(cè)配置大規(guī)模的天線陣列，利用空分多址(spacedivisionmultipleaccess，sdma)技術(shù)，在同一時(shí)頻資源上服務(wù)多個(gè)通信終端，利用大規(guī)模天線陣列帶來的巨大陣列增益和干擾抑制增益，以期提升小區(qū)總頻譜效率和邊緣通信終端的頻譜效率。波束成形技術(shù)是大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，傳統(tǒng)的大規(guī)模天線系統(tǒng)一般只考慮在基站天線陣列上開發(fā)豎直平面自由度來增強(qiáng)波束成形技術(shù)性能，都假設(shè)通信終端分布在距地面1.5米高度的水平平面上。

然而，這種波束成形方式無法適應(yīng)實(shí)際的海洋通信系統(tǒng)，在海洋通信系統(tǒng)中的頻譜效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對頻譜效率較低的問題，提供一種波束成形方法和系統(tǒng)。

一種波束成形方法，包括以下步驟：

獲取通信終端的三維位置信息，根據(jù)所述三維位置信息計(jì)算本基站與所述通信終端之間的相對位置，根據(jù)所述相對位置計(jì)算本基站與所述通信終端之間的三維角度信息；

根據(jù)所述相對位置和三維角度信息計(jì)算本基站的下傾角和所述通信終端對應(yīng)的波束成形矢量；

根據(jù)所述下傾角和波束成形矢量對發(fā)射信號(hào)進(jìn)行波束成形。

一種波束成形系統(tǒng)，包括：

第一計(jì)算模塊，用于獲取通信終端的三維位置信息，根據(jù)所述三維位置信息計(jì)算本基站與所述通信終端之間的相對位置，根據(jù)所述相對位置計(jì)算本基站與所述通信終端之間的三維角度信息；

第二計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述相對位置和三維角度信息計(jì)算本基站的下傾角和所述通信終端對應(yīng)的波束成形矢量；

波束成形模塊，用于根據(jù)所述下傾角和波束成形矢量對發(fā)射信號(hào)進(jìn)行波束成形。

上述波束成形方法和系統(tǒng)，根據(jù)通信終端的三維位置信息計(jì)算基站與通信終端的三維角度信息，從而得出基站的波束成形矢量以及基站下發(fā)波束所采用的下傾角，并根據(jù)所述下傾角和波束成形矢量對發(fā)射信號(hào)進(jìn)行波束成形，能夠針對不同高度的通信終端自適應(yīng)地調(diào)整波束方向，以滿足不同通信終端的通信需求，并顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率，提高了波束成形的效果。

附圖說明

圖1為一個(gè)實(shí)施例的波束成形方法流程圖；

圖2為一個(gè)實(shí)施例的三維波束成形應(yīng)用場景示意圖；

圖3為一個(gè)實(shí)施例的基站與處于不同高度通信終端間的信道模型示意圖；

圖4為一個(gè)實(shí)施例的仿真場景示意圖；

圖5為一個(gè)實(shí)施例的第一層通信終端進(jìn)行傳輸時(shí)系統(tǒng)總吞吐量隨信噪比的變化示意圖；

圖6為一個(gè)實(shí)施例的第二層通信終端進(jìn)行傳輸時(shí)系統(tǒng)總吞吐量隨信噪比的變化示意圖；

圖7為一個(gè)實(shí)施例的第三層通信終端進(jìn)行傳輸時(shí)系統(tǒng)總吞吐量隨信噪比的變化示意圖；

圖8為一個(gè)實(shí)施例的波束成形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種波束成形方法，可包括以下步驟：

s1，獲取通信終端的三維位置信息，根據(jù)所述三維位置信息計(jì)算本基站與所述通信終端之間的相對位置，根據(jù)所述相對位置計(jì)算本基站與所述通信終端之間的三維角度信息；

具體來說，通信終端可以是手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等終端，通信終端的數(shù)量可以是多個(gè)。不同的通信終端所處的位置可以是不同的。例如，通信終端1可處于高度為h1的位置；通信終端2可處于高度為t2的位置。一個(gè)實(shí)施例的三維波束成形應(yīng)用場景示意圖如圖2所示。圖2中不同波束所指向的可以是不同的通信終端在同一時(shí)刻的位置。本發(fā)明對艦船、島嶼、低空飛行器上的具有不同高度信息的通信終端，通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)基站上的大規(guī)模天線陣列的下傾角，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)的三維波束成形。與常規(guī)的高塔天線采用固定下傾角進(jìn)行二維(水平面)通信終端覆蓋的方式不同，本發(fā)明針對的如圖2所示的三維應(yīng)用場景中，不同通信終端在垂直于地面的方向上具有明顯不同的高度差，因此，本發(fā)明通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)基站的大規(guī)模天線陣列的下傾角，來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的三維波束成形傳輸。

三維位置信息可以記為(x,y,z)的形式，其中，x，y和z分別表示該三維位置信息在三維坐標(biāo)軸中的x軸、y軸和z軸的坐標(biāo)值。假設(shè)基站坐標(biāo)為(xbs,ybs,zbs)，通信終端u的坐標(biāo)為(xu,yu,zu)，則相對位置和三維角度信息φu、θu和θbs可記為：

θbs表示基站自適應(yīng)設(shè)置的下傾角度，本實(shí)施例中將其設(shè)置為基站天線與用戶終端之間的空間幾何角度，根據(jù)基站和用戶之間的相對位置信息和角度信息進(jìn)行確定。

s2，根據(jù)所述相對位置和三維角度信息計(jì)算本基站的下傾角和所述通信終端對應(yīng)的波束成形矢量；

假設(shè)基站大規(guī)模天線陣列的天線數(shù)量為m，總通信終端數(shù)為u，通信終端u接收到的信號(hào)可以表示為：

其中第一項(xiàng)為通信終端u的目標(biāo)信號(hào)，第二項(xiàng)為來自其他通信終端的干擾信號(hào)，第三項(xiàng)為白噪聲。而且，gu∈c^m×1為基站與通信終端u之間的下行鏈路的信道增益矢量；wi∈c^m×1為通信終端i的單位范數(shù)波束成形矢量；nu～cn(0,1)表示零均值、單位方差的復(fù)加性高斯白噪聲；xi代表基站發(fā)送給通信終端i的數(shù)據(jù)符號(hào)，在一個(gè)實(shí)施例中，xi可以是具有單位能量，也就是說，e{|xi|²}＝1；pi代表通信終端i的傳輸功率。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，在計(jì)算波束成形矢量時(shí)，可以先根據(jù)三維角度信息建立本基站與通信終端之間的信道模型，然后，可以根據(jù)所述信道模型計(jì)算所述通信終端對應(yīng)的波束成形矢量。為了最大化通信終端期望得到的信號(hào)，基站可采取最大比率傳輸方案，即選擇波束成形矢量為鏈路信道的方向矢量，即式中，wu為第u個(gè)通信終端的波束成形矢量，hu為第u個(gè)通信終端的信道模型，h表示共軛轉(zhuǎn)置操作，

在計(jì)算下傾角時(shí)，可以采取兩種方式。第一種方式是將下傾角選擇為指向通信終端的方向，第二種是將下傾角選擇為得到最大吞吐量的下傾角。以第二種方式為例，可以先根據(jù)相對位置和三維角度信息計(jì)算天線增益，其中，天線增益可寫成如下形式：

a(δφu,δθu)＝ah(δφu)+av(δθu)；

其中，

δφu＝φu-φbs；

δθu＝θu-θbs；

式中，a(δφu,δθu)表示天線增益，sllh和sllv分別表示水平面和豎直面旁瓣等級(jí)，hpbwh和hpbwv分別表示水平面和豎直面的半功率波束寬度，φu、φbs、θu和分別θbs表示水平方向上基站與用戶之間的夾角，水平方向基站天線陣列的瞄準(zhǔn)角，豎直方向上基站天線與用戶之間的夾角以及豎直方向上基站天線下傾角度，am代表水平波束的最大天線增益。

然后，可以根據(jù)天線增益計(jì)算本基站與通信終端之間的下行鏈路的信道增益矢量。具體地，信道增益矢量為：

其中，

ρu＝βua(δφu,δθu)；

式中，gu表示通信終端u的信道增益矢量，hu表示通信終端u與基站天線間的小尺度衰落，βu表示基站與終端之間的路徑損耗和陰影損失，du表示通信終端u與本基站之間的距離，即α表示路徑損失指數(shù)，ξu表示通信終端u的對數(shù)正態(tài)陰影衰落。

然后，可以根據(jù)所述信道增益矢量和所述相對位置計(jì)算所述通信終端的信干噪比。在一個(gè)實(shí)施例中，假設(shè)通信終端之間進(jìn)行平均功率分配，可根據(jù)以下公式計(jì)算信干噪比：

式中，γu表示通信終端u的信干噪比，wu表示通信終端u的波束成形矢量，p表示本基站的總發(fā)射功率，u表示通信終端的數(shù)量。

基于上述信道模型，可以以“系統(tǒng)吞吐量”作為技術(shù)指標(biāo)來分析系統(tǒng)的性能。根據(jù)信干噪比可計(jì)算所述通信終端的吞吐量，通信終端u的平均吞吐量可以表示為：

處于某一相同高度的所有通信終端的系統(tǒng)總吞吐量為：

式中，代表豎直高度均為h的所有通信終端集合。對于不同的通信終端，基站在一個(gè)下傾角范圍內(nèi)，如[0,π/2]之內(nèi)，對每一個(gè)通信終端遍歷所有下傾角，并計(jì)算總吞吐量，得到的使速率最大的下傾角選擇為基站傳輸?shù)南聝A角。從而，可以以rh最大為準(zhǔn)則計(jì)算下傾角。

s3，根據(jù)所述下傾角和波束成形矢量對發(fā)射信號(hào)進(jìn)行波束成形。

考慮如圖4所示的實(shí)際場景，并對本發(fā)明提出的基站自適應(yīng)調(diào)節(jié)下傾角波束成形傳輸方案進(jìn)行了仿真分析，作為對比，同樣做出了當(dāng)基站天線下傾角固定時(shí)進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng)速率隨信噪比的變化，以凸顯本發(fā)明帶來的系統(tǒng)性能優(yōu)勢。具體場景見圖4及仿真參數(shù)具體見表1。

表1仿真參數(shù)

圖5為對第一層通信終端進(jìn)行傳輸時(shí)系統(tǒng)總吞吐量隨信噪比的變化，可以看出本發(fā)明提出的兩種方案下系統(tǒng)總吞吐量都隨信噪比增加而增加，方案二和方案一得到的系統(tǒng)總吞吐量都要高于下傾角固定時(shí)的系統(tǒng)總吞吐量，并且由于方案二中遍歷了所有的下傾角，因此方案二得到的系統(tǒng)總吞吐量要高于方案一中將下傾角選擇為特定用戶的情況。

圖6為對第二層用戶進(jìn)行傳輸時(shí)系統(tǒng)總吞吐量隨信噪比的變化，與第一層的情況相似，本發(fā)明提出的兩種方案下系統(tǒng)總吞吐量隨信噪比增加而增加，不同的是可以看出在第二層，由于用戶的豎直高度提高了，采取固定的下傾角時(shí)，僅僅增加信噪比已經(jīng)不能夠使系統(tǒng)總吞吐量隨之線性增長，而本發(fā)明提出的兩種方案對應(yīng)的系統(tǒng)總吞吐量都有顯著的提升。

最后，圖7為對第三層用戶進(jìn)行傳輸時(shí)系統(tǒng)總吞吐量隨信噪比的變化，基本與第二層的總吞吐量變化趨勢相同。當(dāng)采取固定的天線下傾角時(shí)，僅僅增加信噪比最后只能得到一個(gè)飽和總吞吐量，并且對比第二層用戶可以看出，第三層的系統(tǒng)總吞吐量飽和趨勢更為明顯。而本發(fā)明提出的兩種方案對應(yīng)的系統(tǒng)總吞吐量對比固定下傾角的情況都有顯著的提升。

如圖8所示，本發(fā)明還提供一種波束成形系統(tǒng)，可包括：

第一計(jì)算模塊10，用于獲取通信終端的三維位置信息，根據(jù)所述三維位置信息計(jì)算本基站與所述通信終端之間的相對位置，根據(jù)所述相對位置計(jì)算本基站與所述通信終端之間的三維角度信息；

具體來說，通信終端可以是手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等終端，通信終端的數(shù)量可以是多個(gè)。不同的通信終端所處的位置可以是不同的。例如，通信終端1可處于高度為h1的位置；通信終端2可處于高度為t2的位置。一個(gè)實(shí)施例的三維波束成形應(yīng)用場景示意圖如圖2所示。圖2中不同波束所指向的可以是不同的通信終端在同一時(shí)刻的位置。本發(fā)明對艦船、島嶼、低空飛行器上的具有不同高度信息的通信終端，通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)基站上的大規(guī)模天線陣列的下傾角，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)的三維波束成形。與常規(guī)的高塔天線采用固定下傾角進(jìn)行二維(水平面)通信終端覆蓋的方式不同，本發(fā)明針對的如圖2所示的三維應(yīng)用場景中，不同通信終端在垂直于地面的方向上具有明顯不同的高度差，因此，本發(fā)明通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)基站的大規(guī)模天線陣列的下傾角，來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的三維波束成形傳輸。

三維位置信息可以記為(x,y,z)的形式，其中，x，y和z分別表示該三維位置信息在三維坐標(biāo)軸中的x軸、y軸和z軸的坐標(biāo)值。假設(shè)基站坐標(biāo)為(xbs,ybs,zbs)，通信終端u的坐標(biāo)為(xu,yu,zu)，則相對位置和三維角度信息φu、θu和θbs可記為：

θbs表示基站自適應(yīng)設(shè)置的下傾角度，本發(fā)明將其設(shè)置為基站天線與用戶終端之間的空間幾何角度，根據(jù)基站和用戶之間的相對位置信息和角度信息進(jìn)行確定。

第二計(jì)算模塊20，用于根據(jù)所述相對位置和三維角度信息計(jì)算本基站的下傾角和所述通信終端對應(yīng)的波束成形矢量；

假設(shè)基站大規(guī)模天線陣列的天線數(shù)量為m，總通信終端數(shù)為u，通信終端u接收到的信號(hào)可以表示為：

其中第一項(xiàng)為通信終端u的目標(biāo)信號(hào)，第二項(xiàng)為來自其他通信終端的干擾信號(hào)，第三項(xiàng)為白噪聲。而且，gu∈c^m×1為基站與通信終端u之間的下行鏈路的信道增益矢量；wi∈c^m×1為通信終端i的單位范數(shù)波束成形矢量；nu～cn(0,1)表示零均值、單位方差的復(fù)加性高斯白噪聲；xi代表基站發(fā)送給通信終端i的數(shù)據(jù)符號(hào)，在一個(gè)實(shí)施例中，xi可以是具有單位能量，也就是說，e{|xi|²}＝1；pi代表通信終端i的傳輸功率。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，在計(jì)算波束成形矢量時(shí)，可以先根據(jù)三維角度信息建立本基站與通信終端之間的信道模型，然后，可以根據(jù)所述信道模型計(jì)算所述通信終端對應(yīng)的波束成形矢量。為了最大化通信終端期望得到的信號(hào)，基站可采取最大比率傳輸方案，即選擇波束成形矢量為鏈路信道的方向矢量，即式中，wu為第u個(gè)通信終端的波束成形矢量，hu為第u個(gè)通信終端的信道模型，h表示共軛轉(zhuǎn)置操作，

在計(jì)算下傾角時(shí)，可以采取兩種方式。第一種方式是將下傾角選擇為指向通信終端的方向，第二種是將下傾角選擇為得到最大吞吐量的下傾角。以第二種方式為例，可以先根據(jù)相對位置和三維角度信息計(jì)算天線增益，其中，天線增益可寫成如下形式：

a(δφu,δθu)＝ah(δφu)+av(δθu)；

其中，

δφu＝φu-φbs；

δθu＝θu-θbs；

式中，a(δφu,δθu)表示天線增益，sllh和sllv分別表示水平面和豎直面旁瓣等級(jí)，hpbwh和hpbwv分別表示水平面和豎直面的半功率波束寬度，φu、φbs、θu和分別θbs表示水平方向上基站與用戶之間的夾角，水平方向基站天線陣列的瞄準(zhǔn)角，豎直方向上基站天線與用戶之間的夾角以及豎直方向上基站天線下傾角度，am代表水平波束的最大天線增益。

然后，可以根據(jù)天線增益計(jì)算本基站與通信終端之間的下行鏈路的信道增益矢量。具體地，信道增益矢量為：

其中，

ρu＝βua(δφu,δθu)；

式中，gu表示通信終端u的信道增益矢量，hu表示通信終端u與基站天線間的小尺度衰落，βu表示基站與終端之間的路徑損耗和陰影損失，du表示通信終端u與本基站之間的距離，即a表示路徑損失指數(shù)，ξu表示通信終端u的對數(shù)正態(tài)陰影衰落。

然后，可以根據(jù)所述信道增益矢量和所述相對位置計(jì)算所述通信終端的信干噪比。在一個(gè)實(shí)施例中，假設(shè)通信終端之間進(jìn)行平均功率分配，可根據(jù)以下公式計(jì)算信干噪比：

式中，γu表示通信終端u的信干噪比，wu表示通信終端u的波束成形矢量，p表示本基站的總發(fā)射功率，u表示通信終端的數(shù)量。

基于上述信道模型，可以以“系統(tǒng)吞吐量”作為技術(shù)指標(biāo)來分析系統(tǒng)的性能。根據(jù)信干噪比可計(jì)算所述通信終端的吞吐量，通信終端u的平均吞吐量可以表示為：

處于某一相同高度的所有通信終端的系統(tǒng)總吞吐量為：

式中，代表豎直高度均為h的所有通信終端集合。對于不同的通信終端，基站在一個(gè)下傾角范圍內(nèi)，如[0,π/2]之內(nèi)，對每一個(gè)通信終端遍歷所有下傾角，并計(jì)算總吞吐量，得到的使速率最大的下傾角選擇為基站傳輸?shù)南聝A角。從而，可以以rh最大為準(zhǔn)則計(jì)算下傾角。

波束成形模塊30，用于根據(jù)所述下傾角和波束成形矢量對發(fā)射信號(hào)進(jìn)行波束成形。

考慮如圖4所示的實(shí)際場景，并對本發(fā)明提出的基站自適應(yīng)調(diào)節(jié)下傾角波束成形傳輸方案進(jìn)行了仿真分析，作為對比，同樣做出了當(dāng)基站天線下傾角固定時(shí)進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng)速率隨信噪比的變化，以凸顯本發(fā)明帶來的系統(tǒng)性能優(yōu)勢。具體場景見圖4及仿真參數(shù)具體見表1。

表1仿真參數(shù)

圖5為對第一層通信終端進(jìn)行傳輸時(shí)系統(tǒng)總吞吐量隨信噪比的變化，可以看出本發(fā)明提出的兩種方案下系統(tǒng)總吞吐量都隨信噪比增加而增加，方案二和方案一得到的系統(tǒng)總吞吐量都要高于下傾角固定時(shí)的系統(tǒng)總吞吐量，并且由于方案二中遍歷了所有的下傾角，因此方案二得到的系統(tǒng)總吞吐量要高于方案一中將下傾角選擇為特定用戶的情況。

圖6為對第二層用戶進(jìn)行傳輸時(shí)系統(tǒng)總吞吐量隨信噪比的變化，與第一層的情況相似，本發(fā)明提出的兩種方案下系統(tǒng)總吞吐量隨信噪比增加而增加，不同的是可以看出在第二層，由于用戶的豎直高度提高了，采取固定的下傾角時(shí)，僅僅增加信噪比已經(jīng)不能夠使系統(tǒng)總吞吐量隨之線性增長，而本發(fā)明提出的兩種方案對應(yīng)的系統(tǒng)總吞吐量都有顯著的提升。

最后，圖7為對第三層用戶進(jìn)行傳輸時(shí)系統(tǒng)總吞吐量隨信噪比的變化，基本與第二層的總吞吐量變化趨勢相同。當(dāng)采取固定的天線下傾角時(shí)，僅僅增加信噪比最后只能得到一個(gè)飽和總吞吐量，并且對比第二層用戶可以看出，第三層的系統(tǒng)總吞吐量飽和趨勢更為明顯。而本發(fā)明提出的兩種方案對應(yīng)的系統(tǒng)總吞吐量對比固定下傾角的情況都有顯著的提升。

本發(fā)明的波束成形系統(tǒng)與本發(fā)明的波束成形方法一一對應(yīng)，在上述波束成形方法的實(shí)施例闡述的技術(shù)特征及其有益效果均適用于波束成形系統(tǒng)的實(shí)施例中，特此聲明。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。