本發明涉及無線通信技術領域，特別是涉及一種波束成形方法和系統。

背景技術：

現代海洋無線通信系統主要由海上船舶通信設備和岸臺控制網絡組成。相對陸地通信系統，海洋空間環境因素更加復雜多變，導致海洋電磁波通信環境瞬息變化，使得海洋無線通信系統成為一個復雜的不確定時變系統。現有海洋通信系統的通信速率很低，通常只有幾mbps。

為了提高海洋通信系統的通信速率，傳統方式是在海洋通信系統中采用大規模天線陣列系統(massivemimo)。在大規模天線陣列系統中，基站側配置大規模的天線陣列，利用空分多址(spacedivisionmultipleaccess，sdma)技術，在同一時頻資源上服務多個通信終端，利用大規模天線陣列帶來的巨大陣列增益和干擾抑制增益，以期提升小區總頻譜效率和邊緣通信終端的頻譜效率。波束成形技術是大規模天線陣列系統中的一項重要技術，傳統的大規模天線系統一般只考慮在基站天線陣列上開發豎直平面自由度來增強波束成形技術性能，都假設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實際的海洋通信系統，在海洋通信系統中的頻譜效率較低。

技術實現要素：

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。

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，根據所述三維位置信息計算本基站與所述通信終端之間的相對位置，根據所述相對位置計算本基站與所述通信終端之間的三維角度信息；

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

根據所述下傾角和波束成形矢量對發射信號進行波束成形。

一種波束成形系統，包括：

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

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

波束成形模塊，用于根據所述下傾角和波束成形矢量對發射信號進行波束成形。

上述波束成形方法和系統，根據通信終端的三維位置信息計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波束所采用的下傾角，并根據所述下傾角和波束成形矢量對發射信號進行波束成形，能夠針對不同高度的通信終端自適應地調整波束方向，以滿足不同通信終端的通信需求，并顯著提高系統的頻譜效率，提高了波束成形的效果。

附圖說明

圖1為一個實施例的波束成形方法流程圖；

圖2為一個實施例的三維波束成形應用場景示意圖；

圖3為一個實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為一個實施例的仿真場景示意圖；

圖5為一個實施例的第一層通信終端進行傳輸時系統總吞吐量隨信噪比的變化示意圖；

圖6為一個實施例的第二層通信終端進行傳輸時系統總吞吐量隨信噪比的變化示意圖；

圖7為一個實施例的第三層通信終端進行傳輸時系統總吞吐量隨信噪比的變化示意圖；

圖8為一個實施例的波束成形系統的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案進行說明。

如圖1所示，本發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，根據所述三維位置信息計算本基站與所述通信終端之間的相對位置，根據所述相對位置計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、平板電腦、筆記本電腦等終端，通信終端的數量可以是多個。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。一個實施例的三維波束成形應用場景示意圖如圖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刻的位置。本發明對艦船、島嶼、低空飛行器上的具有不同高度信息的通信終端，通過自適應調節基站上的大規模天線陣列的下傾角，能夠實現動態的三維波束成形。與常規的高塔天線采用固定下傾角進行二維(水平面)通信終端覆蓋的方式不同，本發明針對的如圖2所示的三維應用場景中，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，本發明通過自適應調節基站的大規模天線陣列的下傾角，來實現動態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軸中的x軸、y軸和z軸的坐標值。假設基站坐標為(xbs,ybs,zbs)，通信終端u的坐標為(xu,yu,zu)，則相對位置和三維角度信息φu、θu和θbs可記為：

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

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

假設基站大規模天線陣列的天線數量為m，總通信終端數為u，通信終端u接收到的信號可以表示為：

其中第一項為通信終端u的目標信號，第二項為來自其他通信終端的干擾信號，第三項為白噪聲。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的單位范數波束成形矢量；nu～cn(0,1)表示零均值、單位方差的復加性高斯白噪聲；xi代表基站發送給通信終端i的數據符號，在一個實施例中，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。

在一個具體的實施例中，在計算波束成形矢量時，可以先根據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，可以根據所述信道模型計算所述通信終端對應的波束成形矢量。為了最大化通信終端期望得到的信號，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個通信終端的波束成形矢量，hu為第u個通信終端的信道模型，h表示共軛轉置操作，

在計算下傾角時，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，可以先根據相對位置和三維角度信息計算天線增益，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，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，可以根據天線增益計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，ξu表示通信終端u的對數正態陰影衰落。

然后，可以根據所述信道增益矢量和所述相對位置計算所述通信終端的信干噪比。在一個實施例中，假設通信終端之間進行平均功率分配，可根據以下公式計算信干噪比：

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表示本基站的總發射功率，u表示通信終端的數量。

基于上述信道模型，可以以“系統吞吐量”作為技術指標來分析系統的性能。根據信干噪比可計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，基站在一個下傾角范圍內，如[0,π/2]之內，對每一個通信終端遍歷所有下傾角，并計算總吞吐量，得到的使速率最大的下傾角選擇為基站傳輸的下傾角。從而，可以以rh最大為準則計算下傾角。

s3，根據所述下傾角和波束成形矢量對發射信號進行波束成形。

考慮如圖4所示的實際場景，并對本發明提出的基站自適應調節下傾角波束成形傳輸方案進行了仿真分析，作為對比，同樣做出了當基站天線下傾角固定時進行傳輸的系統速率隨信噪比的變化，以凸顯本發明帶來的系統性能優勢。具體場景見圖4及仿真參數具體見表1。

表1仿真參數

圖5為對第一層通信終端進行傳輸時系統總吞吐量隨信噪比的變化，可以看出本發明提出的兩種方案下系統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總吞吐量都要高于下傾角固定時的系統總吞吐量，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為對第二層用戶進行傳輸時系統總吞吐量隨信噪比的變化，與第一層的情況相似，本發明提出的兩種方案下系統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，僅僅增加信噪比已經不能夠使系統總吞吐量隨之線性增長，而本發明提出的兩種方案對應的系統總吞吐量都有顯著的提升。

最后，圖7為對第三層用戶進行傳輸時系統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。當采取固定的天線下傾角時，僅僅增加信噪比最后只能得到一個飽和總吞吐量，并且對比第二層用戶可以看出，第三層的系統總吞吐量飽和趨勢更為明顯。而本發明提出的兩種方案對應的系統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，本發明還提供一種波束成形系統，可包括：

第一計算模塊10，用于獲取通信終端的三維位置信息，根據所述三維位置信息計算本基站與所述通信終端之間的相對位置，根據所述相對位置計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、平板電腦、筆記本電腦等終端，通信終端的數量可以是多個。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。一個實施例的三維波束成形應用場景示意圖如圖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刻的位置。本發明對艦船、島嶼、低空飛行器上的具有不同高度信息的通信終端，通過自適應調節基站上的大規模天線陣列的下傾角，能夠實現動態的三維波束成形。與常規的高塔天線采用固定下傾角進行二維(水平面)通信終端覆蓋的方式不同，本發明針對的如圖2所示的三維應用場景中，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，本發明通過自適應調節基站的大規模天線陣列的下傾角，來實現動態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軸中的x軸、y軸和z軸的坐標值。假設基站坐標為(xbs,ybs,zbs)，通信終端u的坐標為(xu,yu,zu)，則相對位置和三維角度信息φu、θu和θbs可記為：

θbs表示基站自適應設置的下傾角度，本發明將其設置為基站天線與用戶終端之間的空間幾何角度，根據基站和用戶之間的相對位置信息和角度信息進行確定。

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

假設基站大規模天線陣列的天線數量為m，總通信終端數為u，通信終端u接收到的信號可以表示為：

其中第一項為通信終端u的目標信號，第二項為來自其他通信終端的干擾信號，第三項為白噪聲。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的單位范數波束成形矢量；nu～cn(0,1)表示零均值、單位方差的復加性高斯白噪聲；xi代表基站發送給通信終端i的數據符號，在一個實施例中，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。

在一個具體的實施例中，在計算波束成形矢量時，可以先根據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，可以根據所述信道模型計算所述通信終端對應的波束成形矢量。為了最大化通信終端期望得到的信號，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個通信終端的波束成形矢量，hu為第u個通信終端的信道模型，h表示共軛轉置操作，

在計算下傾角時，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，可以先根據相對位置和三維角度信息計算天線增益，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，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，可以根據天線增益計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，ξu表示通信終端u的對數正態陰影衰落。

然后，可以根據所述信道增益矢量和所述相對位置計算所述通信終端的信干噪比。在一個實施例中，假設通信終端之間進行平均功率分配，可根據以下公式計算信干噪比：

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表示本基站的總發射功率，u表示通信終端的數量。

基于上述信道模型，可以以“系統吞吐量”作為技術指標來分析系統的性能。根據信干噪比可計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，基站在一個下傾角范圍內，如[0,π/2]之內，對每一個通信終端遍歷所有下傾角，并計算總吞吐量，得到的使速率最大的下傾角選擇為基站傳輸的下傾角。從而，可以以rh最大為準則計算下傾角。

波束成形模塊30，用于根據所述下傾角和波束成形矢量對發射信號進行波束成形。

考慮如圖4所示的實際場景，并對本發明提出的基站自適應調節下傾角波束成形傳輸方案進行了仿真分析，作為對比，同樣做出了當基站天線下傾角固定時進行傳輸的系統速率隨信噪比的變化，以凸顯本發明帶來的系統性能優勢。具體場景見圖4及仿真參數具體見表1。

表1仿真參數

圖5為對第一層通信終端進行傳輸時系統總吞吐量隨信噪比的變化，可以看出本發明提出的兩種方案下系統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總吞吐量都要高于下傾角固定時的系統總吞吐量，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為對第二層用戶進行傳輸時系統總吞吐量隨信噪比的變化，與第一層的情況相似，本發明提出的兩種方案下系統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，僅僅增加信噪比已經不能夠使系統總吞吐量隨之線性增長，而本發明提出的兩種方案對應的系統總吞吐量都有顯著的提升。

最后，圖7為對第三層用戶進行傳輸時系統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。當采取固定的天線下傾角時，僅僅增加信噪比最后只能得到一個飽和總吞吐量，并且對比第二層用戶可以看出，第三層的系統總吞吐量飽和趨勢更為明顯。而本發明提出的兩種方案對應的系統總吞吐量對比固定下傾角的情況都有顯著的提升。

本發明的波束成形系統與本發明的波束成形方法一一對應，在上述波束成形方法的實施例闡述的技術特征及其有益效果均適用于波束成形系統的實施例中，特此聲明。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。