本發(fā)明涉及一種無線接入系統(tǒng)，且更具體地，涉及一種用于支持多秩(multi-rank)的混合波束成形方法、波束估計方法和用于支持該方法的設備。

背景技術：

無線接入系統(tǒng)已被廣泛地部署以提供諸如語音或數(shù)據(jù)的各種類型的通信服務。一般地，無線接入系統(tǒng)是其中通過共享可用的系統(tǒng)資源(帶寬、傳輸功率等)來支持多個用戶的通信的多址系統(tǒng)。例如，多址系統(tǒng)包括碼分多址(cdma)系統(tǒng)、頻分多址(fdma)系統(tǒng)、時分多址(tdma)系統(tǒng)、正交頻分多址(ofdma)系統(tǒng)以及單載波頻分多址(sc-fdma)系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題

混合波束成形器基本上使用模擬波束成形和數(shù)字波束成形的組合來進行操作。此時，由于模擬波束和數(shù)字波束的發(fā)送區(qū)域被限制為特定區(qū)域，所以可能會限制多秩支持或多用戶支持。

設計以用于解決該問題的本發(fā)明的目的在于使用粗略的基于模擬波束的估計信息來有效地獲得用于多秩和多用戶支持的最終波束成形系數(shù)的方法。

設計以用于解決該問題的本發(fā)明的另一目的在于解決在用于混合波束成形的模擬/數(shù)字波束估計時的復雜性的方法。

設計以用于解決該問題的本發(fā)明的另一目的在于用于支持這些方法的設備。

通過本發(fā)明所解決的技術問題不限于上述技術問題，并且根據(jù)下面的描述，未在本文中描述的其它技術問題將對本領域技術人員而言是顯而易見的。

技術方案

本發(fā)明提供了一種用于支持多秩的混合波束成形方法、波束估計方法以及用于支持該方法的設備。

本發(fā)明的目的可以通過提供一種用于在無線接入系統(tǒng)中支持多秩的混合波束成形方法來實現(xiàn)，該方法包括以下步驟：發(fā)送端檢測具有等于或大于參考值的信道增益的兩個或更多個模擬波束候選；對所述兩個或更多個模擬波束候選的模擬波束系數(shù)進行預補償，使得所述兩個或更多個模擬波束候選中的一個模擬波束候選包括兩個或更多個數(shù)字波束；重新設置所述兩個或更多個數(shù)字波束的數(shù)字pmi系數(shù)值以應用預補償后的模擬波束系數(shù)；以及使用所述預補償后的模擬波束系數(shù)和重新設置后的數(shù)字pmi系數(shù)值來發(fā)送多秩信號。此時，所述混合波束成形可以作為模擬波束成形和數(shù)字波束成形的組合來進行操作。

在本發(fā)明的另一方面，本文提供了一種執(zhí)行用于在無線接入系統(tǒng)中支持多秩的混合波束成形的發(fā)送端，該發(fā)送端包括：發(fā)送器；接收器；以及處理器，該處理器被配置成控制所述發(fā)送器和所述接收器以執(zhí)行所述混合波束成形。此時，所述處理器控制所述接收器以檢測具有等于或大于參考值的信道增益的兩個或更多個模擬波束候選；對所述兩個或更多個模擬波束候選的模擬波束系數(shù)進行預補償，使得所述兩個或更多個模擬波束候選中的一個模擬波束候選包括兩個或更多個數(shù)字波束；重新設置所述兩個或更多個數(shù)字波束的數(shù)字pmi系數(shù)值以應用預補償后的模擬波束系數(shù)；并且控制所述發(fā)送器以使用所述預補償后的模擬波束系數(shù)和重新設置后的數(shù)字pmi系數(shù)值來發(fā)送多秩信號。所述混合波束成形可以作為模擬波束成形和數(shù)字波束成形的組合來進行操作。

所述處理器可以包括支持所述模擬波束成形的模擬波束成形器和支持所述數(shù)字波束成形的數(shù)字波束成形器。

所述數(shù)字波束成形可以是在數(shù)字級中使用基帶(bb)處理被執(zhí)行的，并且所述模擬波束成形可以是針對從經(jīng)過所述數(shù)字波束成形的數(shù)字信號中生成的模擬信號被執(zhí)行的。

要被發(fā)送的多秩信號的數(shù)量可以是根據(jù)所述兩個或更多個數(shù)字波束的數(shù)量來確定的。

用于所述模擬波束成形的多個物理天線中的一些物理天線可以被關閉，從而降低功耗。

本發(fā)明的方面僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的一部分，并且基于本發(fā)明的詳細描述，本領域普通技術人員可以設計并理解基于本發(fā)明的技術特征的各種實施方式。

有益效果

從以上描述顯而易見，本發(fā)明的實施方式具有以下效果。

混合波束成形器基本上使用模擬波束成形和數(shù)字波束成形的組合來進行操作。此時，由于模擬波束和數(shù)字波束的發(fā)送區(qū)域被限制為特定區(qū)域，所以難以支持多秩或多用戶波束成形。因此，本發(fā)明的實施方式可以通過使用粗略的基于模擬波束的估計信息獲得最終波束成形系數(shù)來有效地支持多秩或多用戶波束成形。

本領域技術人員將理解的是，能夠通過本發(fā)明的實施方式實現(xiàn)的效果不限于上述效果，并且將從本發(fā)明的實施方式的以上描述中獲得并理解未在本文中描述的其它效果。即，本領域技術人員將理解的是，可以從本發(fā)明的實施方式中獲得能夠通過實施本發(fā)明而實現(xiàn)的非預期效果。

附圖說明

附圖被包括以提供對本發(fā)明的進一步理解，附圖例示了本發(fā)明的實施方式并且與本描述一起用來解釋本發(fā)明的原理。

圖1是示出包括模擬波束成形器和射頻(rf)鏈的發(fā)送器的框圖。

圖2是示出包括數(shù)字波束成形器和射頻(rf)鏈的發(fā)送器的框圖。

圖3是示出包括混合波束成形器的發(fā)送端的框圖。

圖4是示出被配置在基本發(fā)送端中的混合波束成形器的結(jié)構(gòu)的示例的示圖。

圖5是示出包括四個rf鏈的16-ula天線結(jié)構(gòu)的示圖。

圖6是示出波束束縛矢量(beamboundvector)和波束轉(zhuǎn)向矢量(beamsteeringvector)的波束圖案的示例的示圖。

圖7是示出根據(jù)模擬波束偏移的最終天線陣列響應的示圖。

圖8是示出應用數(shù)字波束成形系數(shù)設計的天線陣列響應的示圖。

圖9是例示用于在發(fā)送端支持多秩的混合波束成形方法的示圖。

圖10是例示計算模擬波束與參考波束之間的增益差的方法的示圖。

圖11是例示重新配置模擬波束以支持多秩的方法的示圖。

圖12是例示重新配置在圖10和圖11中描述的模擬波束的示例的示圖。

圖13是示出包括模擬和數(shù)字波束成形器的發(fā)送器的框圖。

圖14是示出用于調(diào)整模擬波束束縛圖案的波束寬度的天線開/關結(jié)構(gòu)的示圖。

圖15是示出應用物理天線開/關方案的模擬波束束縛圖案的示圖。

圖16是示出用于實施參照圖1至圖15描述的方法的設備的示圖。

具體實施方式

下面詳細描述的本發(fā)明的實施方式涉及用于支持多秩的混合波束成形方法、波束估計方法以及用于支持該方法的設備。

下面描述的本公開的實施方式是本公開的元件和特征以特定形式的組合。除非另有提及，否則元件或特征可以被認為是選擇性的。各個元件或特征可以在不與其它元件或特征組合的情況下進行實踐。而且，本公開的實施方式可以通過將部分元件和/或特征進行組合來構(gòu)造?？梢灾匦掳才疟竟_的實施方式中所描述的操作順序。任一實施方式的一些構(gòu)造或元件可以被包括在另一實施方式中，并且可以用另一實施方式的相應構(gòu)造或特征來替換。

在附圖的描述中，將避免對本公開的已知過程或步驟的詳細描述，以免其會使本公開的主題模糊不清。另外，也將不對本領域技術人員可以理解的過程或步驟進行描述。

遍及本說明書，除非另有說明，否則當特定部分“包含”或“包括”特定組件時，其表示不排除并且還可以包括其它組件。說明書中描述的術語“單元”、“-器/件”和“模塊”表示用于處理至少一個功能或操作的單元，該單元可以通過硬件、軟件或其組合來實現(xiàn)。另外，除非說明書中另有指出或除非上下文另有清楚地指出，否則在本發(fā)明的上下文中(更具體地，在所附權利要求書的上下文中)，術語“一”、“一個”、“該”等可以包括單數(shù)表示和復數(shù)表示。

在本公開的實施方式中，主要對基站(bs)和用戶設備(ue)之間的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收關系進行描述。bs是指網(wǎng)絡的終端節(jié)點，其直接與ue通信。被描述為由bs執(zhí)行的特定操作可以由bs的上層節(jié)點來執(zhí)行。

即，顯而易見的是，在由包括bs的多個網(wǎng)絡節(jié)點組成的網(wǎng)絡中，可以由bs或除了bs之外的網(wǎng)絡節(jié)點來執(zhí)行針對與ue的通信所執(zhí)行的各種操作。術語“bs”可以用固定站、節(jié)點b、演進節(jié)點b(enodeb或enb)、高級基站(abs)、接入點等來替換。

在本公開的實施方式中，術語終端可以用ue、移動站(ms)、訂戶站(ss)、移動訂戶站(mss)、移動終端、高級移動站(ams)等來替換。

發(fā)送器是提供數(shù)據(jù)服務或語音服務的固定和/或移動節(jié)點，以及接收器是接收數(shù)據(jù)服務或語音服務的固定和/或移動節(jié)點。因此，在上行鏈路(ul)上，ue可以用作發(fā)送器，以及bs可以用作接收器。類似地，在下行鏈路(dl)上，ue可以用作接收器，以及bs可以用作發(fā)送器。

本公開的實施方式可以由針對包括以下系統(tǒng)在內(nèi)的無線接入系統(tǒng)中的至少一種而公開的標準規(guī)范來支持：電氣與電子工程師協(xié)會(ieee)802.xx系統(tǒng)、第三代合作伙伴計劃(3gpp)系統(tǒng)、3gpp長期演進(lte)系統(tǒng)以及3gpp2系統(tǒng)。具體地，本公開的實施方式可以由標準規(guī)范3gppts36.211、3gppts36.212、3gppts36.213、3gppts36.321和3gppts36.331支持。即，在本公開的實施方式中未描述以便清楚地揭示本公開的技術構(gòu)思的步驟或部件可以由上述標準規(guī)范來解釋。本公開的實施方式中所使用的全部術語都可以由這些標準規(guī)范來說明。

現(xiàn)在將參照附圖詳細參考本公開的實施方式。下面將參照附圖給出的詳細描述旨在說明本公開的示例性實施方式，而不是示出能夠根據(jù)本發(fā)明實施的僅有的實施方式。

下面的詳細描述包括特定術語以提供對本公開的透徹理解。然而，對本領域技術人員而言，將顯而易見的是，在不脫離本公開的技術構(gòu)思和范圍的情況下，可以用其它術語來替換這些特定術語。

以下，3gpplte/lte-a系統(tǒng)是本發(fā)明的實施方式中所使用的無線接入系統(tǒng)的一個示例。

本公開的實施方式可以應用于諸如碼分多址(cdma)、頻分多址(fdma)、時分多址(tdma)、正交頻分多址(ofdma)、單載波頻分多址(sc-fdma)等的各種無線接入系統(tǒng)。

cdma可以作為諸如通用陸地無線電接入(utra)或cdma2000的無線電技術來實現(xiàn)。tdma可以作為諸如全球移動通信系統(tǒng)(gsm)/通用分組無線電業(yè)務(gprs)/gsm演進的增強型數(shù)據(jù)速率(edge)的無線電技術來實現(xiàn)。ofdma可以作為諸如ieee802.11(wi-fi)、ieee802.16(wimax)、ieee802.20、演進utra(e-utra)等的無線電技術來實現(xiàn)。

utra是通用移動電信系統(tǒng)(umts)的一部分。3gpplte是使用e-utra的演進umts(e-umts)的一部分，3gpplte針對dl采用ofdma，并且針對ul采用sc-fdma。lte高級(lte-a)是3gpplte的演進。雖然本公開的實施方式是在3gpplte/lte-a系統(tǒng)的環(huán)境下進行描述的，以便闡明本公開的技術特征，但是本公開也可應用于ieee802.16e/m系統(tǒng)等。

1.混合波束成形

1.1模擬波束成形技術和數(shù)字波束成形技術

使用多個天線的現(xiàn)有波束成形技術可以根據(jù)應用波束成形權重矢量/預編碼矢量的位置而被大致劃分為模擬波束成形技術和數(shù)字波束成形技術。

圖1是示出包括模擬波束成形器和射頻(rf)鏈的發(fā)送器的框圖。

首先，模擬波束成形方法是應用于最初的多天線結(jié)構(gòu)的代表性波束成形方法，該方法將經(jīng)過數(shù)字信號處理的模擬信號劃分為多個路徑，并且通過各個路徑的移相器(ps)和功率放大器(pa)來執(zhí)行波束成形。如圖1所示，對于模擬波束成形，需要通過連接至各個天線的pa和ps來處理從單個數(shù)字信號中獲得的模擬信號。即，在模擬級中，由ps和pa處理復合權重。這里，射頻(rf)鏈表示用于將基帶(bb)信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的處理塊，并且其配置如圖2所示。

在模擬波束成形方法中，根據(jù)ps和pa的器件特性來確定波束成形的精度。另外，由于這些器件的控制特性而致使模擬波束成形方法適合于窄帶發(fā)送。相反，由于難以實現(xiàn)多流發(fā)送的硬件結(jié)構(gòu)，所以用于增大傳輸速率的復用增益相對較低。另外，難以基于正交資源分配來執(zhí)行按用戶的波束成形。

圖2是示出包括數(shù)字波束成形器和射頻(rf)鏈的發(fā)送器的框圖。

在數(shù)字波束成形中，不同于模擬波束成形，發(fā)送器使用bb處理而在數(shù)字級中執(zhí)行波束成形，以便在多輸入多輸出(mimo)環(huán)境中最大化分集和復用增益。例如，如圖2所示，因為針對波束成形所得到的復合權重被直接應用于所發(fā)送的數(shù)據(jù)，所以在bb處理中執(zhí)行預編碼，使得波束成形變得可能(這里，rf鏈包括pa)。

另外，在數(shù)字波束成形方法中，由于可以對每個用戶不同地執(zhí)行波束成形，所以能夠支持針對多個用戶的同時波束成形。由于對分配有正交資源的每個用戶獨立地執(zhí)行波束成形，所以調(diào)度靈活性很高，并且可以采用適合于系統(tǒng)用途的發(fā)送端。另外，如果在寬帶傳輸環(huán)境中應用了mimo正交頻分復用(ofdm)技術，則能夠形成針對每個子載波的獨立波束。因此，數(shù)字波束成形方法可以基于增大的波束增益和系統(tǒng)容量增大來優(yōu)化最大單用戶傳輸速率。因此，在當前的3g/4g系統(tǒng)中，已引入了基于數(shù)字波束成形的mimo技術。

接下來，將描述發(fā)送/接收天線的數(shù)量顯著增加的大規(guī)模mimo環(huán)境。

一般地，在蜂窩通信中，假設應用于mimo環(huán)境的發(fā)送/接收天線的最大數(shù)量為8。然而，由于大規(guī)模mimo已演進，所以天線的數(shù)量可以增加至幾十個天線或幾百個天線。如果在大規(guī)模mimo環(huán)境中應用數(shù)字波束成形技術，則由于通過bb處理而對用于發(fā)送端的數(shù)字信號處理的幾百個天線執(zhí)行信號處理，所以信號處理復雜性明顯增大。另外，由于需要數(shù)量上與天線的數(shù)量對應的rf鏈，所以硬件實現(xiàn)復雜性明顯增大。

另外，由于在頻分雙工(fdd)系統(tǒng)中需要所有天線的獨立信道估計以及需要包括所有天線的大規(guī)模mimo信道的反饋信息，所以導頻和反饋開銷顯著增大。相反，如果模擬波束成形技術被應用于大規(guī)模mimo環(huán)境中，則發(fā)送端的硬件復雜性相對較低，但由于多個天線的使用而產(chǎn)生的性能增強并不顯著，并且資源分配靈活性降低。特別地，難以在寬帶發(fā)送時控制每個頻率的波束。

因此，在大規(guī)模mimo環(huán)境中，代替僅排他地選擇模擬波束成形方法和數(shù)字波束成形方法中的一種方法，配置作為模擬波束成形結(jié)構(gòu)和數(shù)字波束成形結(jié)構(gòu)的組合的混合發(fā)送端的方法很有必要。即，如下面的表1所示，利用模擬波束成形方法和數(shù)字波束成形方法的性能增益和復雜性之間的關系，需要設計使用大規(guī)模天線陣列的能夠降低其硬件實現(xiàn)復雜性并最大化波束成形增益的混合發(fā)送端。

[表1]

1.2混合波束成形

混合波束成形的目的在于配置在降低大規(guī)模mimo環(huán)境中的硬件復雜性的同時具有模擬波束成形方法和數(shù)字波束成形方法的優(yōu)點的發(fā)送端。

圖3是示出包括混合波束成形器的發(fā)送端的框圖。

如圖3所示，混合波束成形方法可以被配置成使用模擬波束成形方法執(zhí)行粗略波束成形以及使用數(shù)字波束成形方法執(zhí)行多流或多用戶發(fā)送。

因此，通過同時利用模擬波束成形方法和數(shù)字波束成形方法來獲得混合波束成形方法，以降低發(fā)送端的實現(xiàn)復雜性或硬件復雜性。根本地，現(xiàn)在將描述混合波束成形方法的技術問題。

(1)模擬/數(shù)字波束成形設計的優(yōu)化難度

同時考慮模擬波束成形和數(shù)字波束成形的優(yōu)化具有以下難度。根本地，在數(shù)字波束成形中，使用相同時間-頻率資源的波束成形方法可獨立地應用于每個用戶，但在模擬波束成形中，應使用相同的時間-頻率資源來應用共同的波束成形方法。因此，這限制了對可支持的秩的數(shù)量、波束控制靈活性和波束成形分辨率的優(yōu)化。

例如，存在諸如以下的問題：1)根據(jù)rf鏈的數(shù)量的最大秩限制，2)通過rf波束成形器進行子帶波束控制的困難，以及3)波束分辨率/粒度分割(granularitysegmentation)問題。

(2)具體實現(xiàn)共同的信號發(fā)送方法的必要性

在使用相同時間-頻率資源的用于僅在特定方向上形成波束的模擬波束成形方法中，不可能在所有ue方向上同時形成多個波束。因此，諸如上行鏈路/下行鏈路控制信道、參考信號(rs)、廣播信道、同步信號等的公共信號不能被同時發(fā)送給在小區(qū)的整個區(qū)域中分布的所有ue。另外，在上行鏈路rach信道、探測參考信號、物理上行鏈路控制信道(pucch)等的發(fā)送中可能會出現(xiàn)問題。

(3)針對用于模擬/數(shù)字波束成形的附加導頻和反饋設計的必要性

如果執(zhí)行了模擬/數(shù)字波束估計，則數(shù)字波束可以使用沒有改變的現(xiàn)有正交導頻分配方案，但模擬波束需要與波束候選的數(shù)量對應的預定持續(xù)時間。這表示當與數(shù)字波束同時地對模擬波束進行估計時，用于模擬波束估計的時間延遲較大并且復雜性顯著增加。

例如，由于用于模擬波束估計的時間延遲的增大而可能會導致系統(tǒng)損失，以及由于模擬波束和數(shù)字波束的組合的增加而可能會增加波束估計復雜性。

(4)支持基于模擬波束的sdma和fdma的困難

在數(shù)字波束成形方法中，自由執(zhí)行針對多用戶/流的波束成形。然而，在模擬波束成形方法中，由于針對整個發(fā)送頻帶執(zhí)行相同的波束成形，所以難以獨立地執(zhí)行針對每個用戶或每個流的波束成形。具體地，由于難以經(jīng)由正交頻率資源分配支持fdma，所以難以優(yōu)化頻率資源效率。

例如，由于難以同時在頻域中針對每個用戶進行獨立波束成形，致使可能難以支持用于支持多接入的正交頻分多址(ofdma)，并且由于難以以相同的頻率-時間針對每個流進行獨立波束成形，致使可能難以支持用于支持多個流的單用戶mimo(su-mimo)。另外，由于難以以相同的頻率-時間針對每個用戶進行獨立波束成形，致使可能難以支持用于支持多個用戶的多用戶mimo(mu-mimo)。

為了解決這些技術問題，本發(fā)明的實施方式提供了用于解決針對混合波束成形的模擬/數(shù)字波束估計復雜性的方法。

1.3混合波束成形系統(tǒng)模型

圖4是示出被配置在基本發(fā)送端中的混合波束成形器的結(jié)構(gòu)的示例的示圖。

如圖4所示，可以假設每個rf鏈僅包括個獨立天線的發(fā)送端結(jié)構(gòu)。因此，天線總數(shù)量與每個rf鏈的天線數(shù)量之間的關系為最后，由于通過每個rf鏈的移相器(ps)和功率放大器(pa)的信號被獨立地發(fā)送至發(fā)送天線，因此可以得到以下式1中所示的矩陣型系統(tǒng)模型。

[式1]

在式1中，yk表示在第k個子載波處接收的信號矢量nr×1，hk表示第k個子載波的nr×nt信道，f^rf表示被均等地配置在所有子載波中的nt×ntrf預編碼器，以及表示第k個子載波處的nrf×ns基帶預編碼器，其可根據(jù)子載波而改變。另外，sk表示在第k個子載波處發(fā)送的信號矢量ns×1，以及zk表示第k個子載波處的噪聲信號矢量nr×1。

此時，k表示子載波索引(k＝0,1,2,...,nfft-1)，nfft表示作為快速傅里葉變換(ttf)大小的子載波的總數(shù)量，以及nrf表示rf鏈的總數(shù)量。

另外，nt表示發(fā)送端的天線的總數(shù)量，表示每個rf鏈所包括的發(fā)送天線的數(shù)量，nr表示接收端的天線的總數(shù)量，以及ns表示所發(fā)送的數(shù)據(jù)的流的數(shù)量。

此時，可以通過關于子載波k求解式1來獲得下面的式2。

[式2]

在式2中，通過在rf鏈之后用于改變波束的相位的移相器和pa獲得的模擬波束成形等效預編碼矩陣f^rf(nt×nrf矩陣)可以如下面的式3所示來定義。

[式3]

另外，rf預編碼矩陣f^rf的每個rf鏈的預編碼權重可以如下面的式4所示來進行定義。

[式4]

1.4用于均勻線性陣列(ula)天線的混合波束成形器(bf)的波束輻射圖案

圖5是示出包括四個rf鏈的16-ula天線結(jié)構(gòu)的示圖。

ula天線的陣列響應矢量可以如下面的式5所示來進行定義。

[式5]

其中，λ表示波長，以及d表示天線之間的距離。為了指示混合波束成形器的天線輻射圖案，方便起見，假設rf鏈的數(shù)量為4，并且每個rf鏈的模擬天線的數(shù)量為4。這種波束成形器如圖5所示。此時，發(fā)送天線的總數(shù)量為16，并且天線之間的距離為d＝λ/2。

此時，模擬終端的ps和pa可以用相等的波束成形權重來表示，并且可以如下面的式6所示來進行定義。

[式6]

此時，在數(shù)字波束成形級中所應用的任意的秩-1權重矢量可以如下面的式7所示來進行定義。

[式7]

f^bb＝v1＝[v1v2v3v4]^t

式6中的模擬波束成形和式7中的數(shù)字波束成形所應用的天線陣列響應矢量可以用下面的式8來表達。此時，假設天線之間的距離為d＝λ/2。各個天線陣列響應矢量可以用所有矢量元素的總和來表達。

[式8]

此時，模擬波束成形權重可以如下面的式9所示進行設置。這是一種通常被應用以便通過模擬波束成形設置瞄準線(boresight)的模擬波束成形權重設置方法。

[式9]

如果用式9來簡化式8，則可以獲得下面的式10。

[式10]

∑a(θ)＝(1+exp(jπ[sin(θ)-sin(φ)])+exp(jπ2[sin(θ)-sin(φ)])+exp(jπ3[sin(θ)-sin(φ)]))×

(v1+exp(jπ4[sin(θ)-sin(φ)])·v2+exp(jπ8[sin(θ)-sin(φ)])·v3+exp(jπ12[sin(θ)-sin(φ)])·v4)

下面的式11通過對式10進行泛化來獲得。

[式11]

其中，φ表示用于確定模擬波束成形的度數(shù)。例如，如果設置φ＝30°或π/6，則設置在θ＝30°或π/6處具有最大波束增益的波束成形方向。

另外，波束束縛矢量s確定整個有效范圍，并且數(shù)字波束成形范圍被限制于相應區(qū)域。圖6是示出波束束縛矢量和波束轉(zhuǎn)向矢量的波束圖案的示例的示圖。圖7是示出根據(jù)模擬波束偏移的最終天線陣列響應的示圖。

參照圖6，波束束縛矢量s用點線來表示，并且波束增益和波束轉(zhuǎn)向矢量t用實線來表示。最后，應用所有矢量v1＝[v1v2v3v4]^t以確定數(shù)字波束成形的累積的波束圖案結(jié)果如圖7所示。即，可以看出有效波束范圍被限制于波束束縛矢量s。

1.5考慮模擬波束系數(shù)的數(shù)字波束系數(shù)設置方法

如上所述，混合波束成形的波束圖案用如式11所示的rf鏈的總數(shù)量nrf和每個rf鏈的模擬天線數(shù)量nt^rf來表示。這里，數(shù)字波束成形系數(shù)的權重矢量具有1×nrf的長度。這里，最終波束方向為模擬波束權重和數(shù)字波束權重的組合?，F(xiàn)在將描述在應用數(shù)字波束成形而沒有對模擬波束成形進行預補償時可能會發(fā)生的問題。另外，以下為便于描述，將基于式10給出描述。此時，式10中的數(shù)字波束成形權重v＝[v1v2v3v4]^t可以如下面的式12所示來進行設計。

[式12]

下面的式13可以通過將式12進行泛化來獲得。

[式13]

在式12和13中，考慮數(shù)字波束成形角度ψ的最終陣列響應矢量可以如下面的式14所示來進行定義。

[式14]

∑a(θ)＝(1+exp(jπ[sin(θ)-sin(φ)])+exp(jπ2[sin(θ)-sin(φ)])+exp(jπ3[sin(θ)-sin(φ)]))×

{(1+exp(jπ4[sin(θ)-sin(φ)-sin(ψ)])+exp(jπ8[sin(θ)-sin(φ)-sin(ψ)])+exp(jπ12[sin(θ)-sin(φ)-sin(ψ)]))}

在式14中，括號之間的[sin(θ)-sin(φ)-sin(ψ)]確定最終波束成形角度。即，通過調(diào)整經(jīng)由模擬波束成形的sin(φ)并且控制經(jīng)由數(shù)字波束成形的sin(ψ)，最終調(diào)整了具有最大波束增益的sin(θ)。此時，如果瞄準線通過模擬波束成形被設置為φ＝30°并且通過數(shù)字波束成形設置ψ＝5°以用于微調(diào)，則式14最終被改變?yōu)槭?5。

[式15]

∑a(θ)＝(1+exp(jπ[sin(θ)-sin(30°)])+exp(jπ2[sin(θ)-sin(30°)])+exp(jπ3[sin(θ)-sin(30°)]))×

(1+exp(jπ4[sin(θ)-sin(30°)-sin(5°)])+exp(jπ8[sin(θ)-sin(30°)-sin(5°)])+exp(jπ12[sin(θ)-sin(30°)-sin(5°)]))

因此，具有最大波束增益的角度為滿足sin(θ)-sin(30°)-sin(5°)＝0的θ。即，在波束成形中，假設波束最終可以被偏移35°，其中通過模擬波束成形將波束偏移30°以及通過數(shù)字波束成形將波束偏移5°。然而，滿足sin(θ)-sin(30°)-sin(5°)＝0的θ不是精確的35°。即，近似滿足θ≈φ+ψ的關系。然而，在這種情況下，隨著通過模擬/數(shù)字波束成形的波束控制范圍增大，由于滿足sin(θ)＝sin(φ)+sin(ψ)的波束成形設置角度具有θ≠φ+ψ的關系，所以上述假設不再有效。

因此，本發(fā)明提供了通過在執(zhí)行數(shù)字波束成形時執(zhí)行針對模擬波束成形的預補償來精確地執(zhí)行波束控制的方法。即，數(shù)字波束成形系數(shù)可以基于下面的式16來設置。

[式16]

阿達馬乘積

在式16中，用于對模擬波束進行預補償，以及與最終數(shù)字波束對應。

現(xiàn)在將描述設置數(shù)字波束的最終方向的方法。例如，在nrf＝4的環(huán)境下，為了通過模擬波束成形將所有的波束旋轉(zhuǎn)φ＝30°并且進一步通過數(shù)字波束成形將波束旋轉(zhuǎn)ψ＝5°以將最終波束方向設置為35°，可以如下面的式17所示來限定設計數(shù)字波束成形系數(shù)的方法。

[式17]

通過將式16中的數(shù)字系數(shù)應用于式10而獲得的最終天線陣列響應矢量可以如下面的式18所示來進行定義。

[式18]

在式18中，在φ＝30°的情況下，如果通過應用ψ＝+5°來將最終波束成形旋轉(zhuǎn)角度設置為35°，則獲得式19。

[式19]

∑a(θ)＝(1+exp(jπ[sin(θ)-sin(30°)])+exp(jπ2[sin(θ)-sin(30°)])+exp(jπ3[sin(θ)-sin(30°)]))×

(1+exp(jπ4[sin(θ)-sin(35°)])+exp(jπ8[sin(θ)-sin(35°)])+exp(jπ12[sin(θ)-sin(35°)]))

如果針對ψ＝±5°,±10°,±15°執(zhí)行數(shù)字波束成形，則獲得圖8中所示的最終天線陣列響應矢量的波束形狀。圖8是示出應用了數(shù)字波束成形系數(shù)設計的天線陣列響應的示圖。

參照圖8所示的結(jié)果，通過這種數(shù)字波束成形系數(shù)設計方法，可以進行混合波束成形器的精確波束控制。

2.用于支持多秩的混合波束成形方法

以下，將描述考慮混合波束成形的波束圖案特性的多秩支持方法。在參照圖8描述的混合波束成形的波束形狀中，可以看出應用了數(shù)字波束的最終尖銳波束被束縛在模擬波束區(qū)域中。

2.1第一實施方式

圖9是例示用于在發(fā)送端支持多秩的混合波束成形方法的示圖。

發(fā)送端搜索粗略的模擬波束，并且檢測具有等于或大于特定參考值的信道增益的多個波束候選(s910)。

發(fā)送端對模擬波束系數(shù)進行預補償，使得一個模擬波束(或模擬波束的發(fā)送區(qū)域)包括多個數(shù)字波束(或多個數(shù)字波束的發(fā)送區(qū)域)(s920)。

接下來，可以針對兩個或更多個數(shù)字波束重新設置現(xiàn)有的預編碼矩陣索引(pmi)系數(shù)值，以應用預補償?shù)哪M波束系數(shù)(s930)。

以下，發(fā)送端可以使用預補償?shù)哪M波束系數(shù)和重新設置的數(shù)字pmi系數(shù)通過混合波束成形方法來發(fā)送多秩信號。

以下，將詳細描述針對圖9所描述的步驟。

圖10是例示計算模擬波束與參考波束之間的增益差的方法的示圖。圖11是例示重新配置模擬波束以支持多秩的方法的示圖。

在圖10和圖11中，粗圓表示用于檢測模擬波束的特定參考值。即，在粗圓外部的模擬波束可以被選擇為候選波束。

如圖10所示，發(fā)送端從在步驟s910中檢測到的粗略波束當中選擇優(yōu)選的模擬和數(shù)字波束系數(shù)。此時，如果各個模擬波束的接收強度或波束增益差相似，則可以看出存在具有相似波束增益的多個秩。

如果在如圖10所示的各個粗略波束中檢測到具有大于閾值的值的路徑，則發(fā)送端將模擬波束的瞄準線改變?yōu)閳D11所示的方向。因此，這種方法預測能夠僅輻射一個粗略波束的模擬波束并將多個秩定位在相應范圍內(nèi)。另外，可以被發(fā)送的多秩信號的數(shù)量可以根據(jù)包括在一個模擬波束中的兩個或更多個數(shù)字波束的數(shù)量來確定。

此時，因為用于混合波束成形的波束成形系數(shù)是模擬波束系數(shù)和數(shù)字波束系數(shù)的組合，所以如果在先前步驟中獲得的數(shù)字波束系數(shù)或pmi與校正后的模擬波束同時被使用，則可能會改變波束方向。

因此，發(fā)送端可以使用在第1.5章節(jié)中描述的設計數(shù)字波束系數(shù)的方法來維持數(shù)字波束的現(xiàn)有pmi值，并且僅更新模擬波束系數(shù)，從而準確地輻射最終尖銳波束，而無需附加的波束估計過程。

圖12是例示重新配置在圖10和圖11中描述的模擬波束的示例的示圖。此時，圖12的(a)示出了具有φ＝60°的第一模擬波束、ψ＝-5°的第一數(shù)字波束、φ＝30°的第二模擬波束以及ψ＝10°的第二數(shù)字波束的多個波束的形狀，以及圖12的(b)示出了考慮通過控制而校正的模擬波束圖案的最終數(shù)字波束的形狀。

參照圖12的(a)，第一數(shù)字波束被包括在第一模擬波束中，以及第二數(shù)字波束被包括在第二模擬波束中。此時，可以對第一模擬波束或第二模擬波束進行預補償，使得兩個數(shù)字波束被包括在一個模擬波束中。

例如，如果通過數(shù)字pmi估計的最終尖銳波束的方向被設置為具有φ＝60°的模擬波束、具有ψ＝-5°的數(shù)字波束且φ+ψ＝55°，則尖銳波束的數(shù)字pmi#1可以如下面的式20所示來進行定義。

[式20]

另外，如果最終尖銳波束的方向被設置為具有φ＝30°的模擬波束、具有ψ＝10°的數(shù)字波束且φ+ψ＝40°，則尖銳波束的數(shù)字pmi#2可以如下面的式21所示來進行定義。

[式21]

此時，如果粗略模擬波束的角度被重新設置為φ＝45°，則可以通過使用式17再次設計數(shù)字波束系數(shù)來獲得下面的式22。

[式22]

對于考慮通過式22重新校正的模擬波束圖案的最終數(shù)字波束的形狀，參照圖12。

即，可以看出，在單個模擬波束內(nèi)合適的多秩支持是可行的。另外，可以使用粗略模擬波束掃描處理，而無需改變，并且代替如示例所示的波束增益差，可以使用一般的波束cqi信息或波束接收功率差信息，從而獲得相同的效果。

2.2第二實施方式

以下，將描述在發(fā)送多個波束時考慮了多個波束的角度而在發(fā)送端直接改變預定的模擬波束瞄準線的方法。

在本發(fā)明的實施方式中，如在第2.1章節(jié)中所述，在粗略模擬波束的邊界處形成多個路徑。此時，可以考慮形成多個路徑的多個波束與模擬波束束縛圖案的波束寬度之間的角度差來選擇目標。

例如，如果連接了用于發(fā)送端的四個rf鏈并且針對每個rf鏈連接了四個模擬天線，則發(fā)送端的天線具有圖5中所示的ula結(jié)構(gòu)。此時，每個rf鏈的陣列響應矢量可以如式23中所示來進行定義。

[式23]

因此，如果對模擬波束束縛圖案進行分析，則發(fā)送端可以基于固定的模擬波束瞄準線來近似獲得波束邊界。如果給出了用于確定模擬波束的瞄準線的模擬波束系數(shù)f^rf，則能夠預測模擬波束束縛圖案的有效范圍。模擬波束束縛圖案的有效范圍可以如下面的式24所示來進行限定。即，由于ue知道天線波長λ，天線之間的距離d以及每個rf鏈的天線的數(shù)量因此能夠調(diào)整設計參數(shù)α以確定數(shù)字pmi的操作范圍。

[式24]

例如，如果設置α＝0.886，則模擬波束束縛圖案具有3db的波束寬度。在式24中，n表示天線的數(shù)量，以及d表示天線之間的距離。

[式25]

這里，由于每個rf鏈的天線的數(shù)量為4，所以3-db波束寬度δθ3db可以由下面的式26來確定。

[式26]

例如，如果形成多秩的波束之間的相位角度差在δθ3db＝33.8°內(nèi)，則可以在一個模擬波束的范圍內(nèi)形成多個尖銳模擬波束。因此，模擬波束的瞄準線被設置為波束的中間區(qū)域，從而通過混合波束成形來支持一個模擬波束中的多秩。

在現(xiàn)有技術中，發(fā)送端在模擬波束改變時應再次執(zhí)行數(shù)字波束搜索。然而，在本發(fā)明的實施方式中，因為對模擬波束進行了預補償并且不改變地使用數(shù)字波束系數(shù)，所以發(fā)送端不需要在模擬波束改變時再次執(zhí)行數(shù)字波束搜索。此時，ue可以使用預補償后的部分將瞄準線調(diào)整至路徑的角度的中間值。

2.3第三實施方式

發(fā)送端可以在發(fā)送多個波束時考慮多個波束的角度范圍來改變模擬波束寬度。

在本發(fā)明的實施方式中，形成波束，使得多秩的估計方向在模擬波束的邊界之外。在混合波束成形中，由于應在單個模擬波束中形成多個數(shù)字波束，因此可以增大波束寬度以支持多秩。

在ula結(jié)構(gòu)中，隨著連接至單個rf鏈的物理天線的數(shù)量增大，模擬波束束縛圖案的波束寬度降低。此時，開啟/關閉連接至rf鏈的物理天線，或者直接應用用于產(chǎn)生寬波束的模擬波束系數(shù)，使得發(fā)送端增大模擬波束的束縛寬度。

2.3.1減少用于實際發(fā)送的有效物理天線的數(shù)量以改變模擬波束的邊界的方法

在本發(fā)明的實施方式中，可以關閉模擬波束的物理天線以調(diào)整模擬波束束縛圖案的波束寬度。

圖13是示出包括模擬和數(shù)字波束成形器的發(fā)送器的框圖。圖14是示出用于調(diào)整模擬波束束縛圖案的波束寬度的天線開/關結(jié)構(gòu)的示圖。

在圖13中的具有ula結(jié)構(gòu)的混合波束成形器的情況下，rf鏈的總數(shù)量為4以及每個rf鏈的物理天線的數(shù)量為4。此時，為了增大模擬波束束縛圖案的波束寬度，發(fā)送端關閉每個rf鏈的兩個物理天線。此時，由于可以改變所有功率放大器，以免導致發(fā)送功率損失，因此功率放大器可以被包括在如圖14所示的rf鏈中。即，不管rf鏈的物理天線的開/關，圖14中的結(jié)構(gòu)都可以維持相同的發(fā)送功率。

圖15是示出應用了物理天線開/關方案的模擬波束束縛圖案的示圖。

圖15示出了當在實際的16-ula物理天線(4個rf鏈和每個rf鏈4個物理天線)中僅使用每個rf鏈的兩個物理天線發(fā)送信號時的波束圖案(波束圖案模擬結(jié)果)。因此，可以看出每個rf鏈使用兩個物理天線的情況的模擬波束束縛圖案(寬波束區(qū)域)寬于每個rf鏈使用四個物理天線的情況的模擬波束束縛圖案(窄波束區(qū)域)。然而，如果每個rf鏈使用兩個天線，則可能會嚴重地產(chǎn)生尖銳波束的旁瓣，從而導致干擾，由此惡化性能。

2.3.2直接應用用于形成寬波束的模擬波束系數(shù)以改變模擬波束邊界的方法

在本發(fā)明的實施方式中，代替通過線性波束偏移/波束控制的波束成形，執(zhí)行新的無規(guī)則模擬波束成形。例如，發(fā)送端通過調(diào)整模擬波束系數(shù)而不產(chǎn)生橢圓波束，但可以設置模擬波束系數(shù)以具有特定波束，使得所有波束在兩個方向或三個方向上被進行輻射。

另選地，可以改變發(fā)送端的天線結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)相同的目的。

如果使用物理天線，則模擬波束束縛圖案可以變寬。然而，如果每個rf鏈使用兩個天線，則可能會嚴重產(chǎn)生尖銳波束的旁瓣，因此導致干擾，從而惡化性能。

在混合波束成形結(jié)構(gòu)方面描述了本發(fā)明的實施方式。然而，本發(fā)明的實施方式可應用于用數(shù)字波束成形級替換圖5中所示的模擬波束成形級的情況。即，本發(fā)明的實施方式可應用于通過天線子分組而具有分級結(jié)構(gòu)的數(shù)字波束成形結(jié)構(gòu)。

另外，盡管在enb作為發(fā)送端向ue發(fā)送信號的下行鏈路場景下描述了本發(fā)明的實施方式，但本發(fā)明的實施方式可應用于ue作為發(fā)送端向enb發(fā)送信號的上行鏈路場景。

本發(fā)明的實施方式可應用于發(fā)送端和接收器的任意組合。例如，本發(fā)明的實施方式可應用于上行鏈路發(fā)送場景、ue到ue信號發(fā)送(d2d、v2v等)場景或enb到enb信號發(fā)送(中繼、無線回程等)場景。

3.設備

圖16中所例示的設備是能夠?qū)崿F(xiàn)之前參照圖1至圖15描述的方法的裝置。

ue可以用作ul上的發(fā)送端和dl上的接收端。enb可以用作ul上的接收端和dl上的發(fā)送端。

即，ue和enb中的每一個可以包括用于控制信息、數(shù)據(jù)和/或消息的發(fā)送和接收的發(fā)送器1640或1650和接收器1660或1670以及用于發(fā)送和接收信息、數(shù)據(jù)和/或消息的天線1600或1610。

ue和enb中的每一個還可以包括用于實施本公開的前述實施方式的處理器1620或1630以及用于暫時或永久地存儲處理器1620或1630的操作的存儲器1680或1690。

可以使用ue和enb的組件和功能來實現(xiàn)本發(fā)明的實施方式。另外，ue和enb中的各個處理器可以包括支持模擬波束成形的模擬波束成形器和支持數(shù)字波束成形的數(shù)字波束成形器。因此，ue或enb的處理器可以將在第1章節(jié)至第2章節(jié)中描述的方法進行組合以應用用于支持多秩的混合波束成形方法。對于其詳細描述，參照第1章節(jié)和第2章節(jié)。

ue和enb的發(fā)送器和接收器可以執(zhí)行用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆纸M調(diào)制/解調(diào)功能、高速分組信道編碼功能、ofdma分組調(diào)度、tdd分組調(diào)度和/或信道化。圖16的ue和enb中的每一個還可以包括低功率射頻(rf)/中頻(if)模塊。

另外，ue可以是個人數(shù)字助理(pda)、蜂窩電話、個人通信服務(pcs)電話、全球移動系統(tǒng)(gsm)電話、寬帶碼分多址(wcdma)電話、移動寬帶系統(tǒng)(mbs)電話、手持pc、膝上型pc、智能電話、多模式-多頻帶(mm-mb)終端等中的任一個。

智能電話是具有移動電話和pda二者的優(yōu)點的終端。其將pda的功能(即，諸如傳真發(fā)送和接收以及互聯(lián)網(wǎng)連接的調(diào)度和數(shù)據(jù)通信)合并到移動電話中。mb-mm終端是指具有構(gòu)建在其中的多調(diào)制解調(diào)器芯片以及能夠在移動互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和其它移動通信系統(tǒng)(例如，cdma2000、wcdma等)中的任一個中進行操作的終端。

本公開的實施方式可以通過各種手段(例如，硬件、固件、軟件或其組合)來實現(xiàn)。

在硬件配置中，根據(jù)本公開的示例性實施方式的方法可以通過一個或更多個專用集成電路(asic)、數(shù)字信號處理器(dsp)、數(shù)字信號處理器件(dspd)、可編程邏輯器件(pld)、現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)、處理器、控制器、微控制器、微處理器等來實現(xiàn)。

在固件或軟件配置中，根據(jù)本公開的實施方式的方法可以以執(zhí)行上述功能或操作的模塊、過程、功能等的形式來實現(xiàn)。軟件代碼可以被存儲在存儲器1680或1690中，并且由處理器1620或1630執(zhí)行。存儲器位于處理器的內(nèi)部或外部，并且可以經(jīng)由各種已知手段向處理器發(fā)送數(shù)據(jù)和從處理器接收數(shù)據(jù)。

本領域技術人員將理解的是，在不脫離本公開的精神和基本特性的情況下，本公開可以按本文所闡述的方式以外的其它特定方式來實施。因此，上述實施方式應在所有方面都被解釋為是例示性的，而非限制性的。本發(fā)明的范圍應由所附權利要求書及它們的法律等同物而非以上描述來確定，并且在所附權利要求書的含義和等同范圍內(nèi)的所有改變旨在被包含在內(nèi)。對于本領域技術人員而言，顯而易見的是，所附權利要求書中彼此沒有明確引用關系的權利要求可以以組合為本公開的實施方式的形式來提出，或者可以在提交申請之后通過后續(xù)修改作為新的權利要求而被包括。

工業(yè)實用性

本公開可應用于包括3gpp系統(tǒng)、3gpp2系統(tǒng)和/或ieee802.xx系統(tǒng)的各種無線接入系統(tǒng)。除了這些無線接入系統(tǒng)之外，本公開的實施方式還可應用于無線接入系統(tǒng)找到其應用的所有技術領域。