CN102077101A

CN102077101A - 用于支持蜂窝网络中多用户天线波束形成的系统和方法

Info

Publication number: CN102077101A
Application number: CN2009801240372A
Authority: CN
Inventors: L.K.蒂; J.李; A.卡拉德; J.马
Original assignee: Nortel Networks Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd; Apple Inc
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2029-06-24
Also published as: EP2307894A4; KR20110025837A; EP2307894A1; KR101410603B1; BRPI0914588A2; JP2011526106A; CN102077101B; JP5475760B2; US9020554B2; WO2009157993A1; US20110081943A1

Abstract

本发明是一种用来支持多用户移动宽带通信网络中波束形成天线系统的方法和系统，包括用于设置和调节从每个天线到用户设备的信号的幅度和相位的过程。即，本发明以与在小区站点上的发射的动态调度中出现的功率电平的快速变化保持同步的方式支持将功率信号值或功率信号电平传送给用户设备。本发明满足了在多个用户位于小区站点的情况下对于到用户设备的改进信号强度信令的这种需求。

Description

用于支持蜂窝网络中多用户天线波束形成的系统和方法

相关申请资料

本申请涉及于2008年6月24日提交的序号为61/075,215的临时专利申请，依据35 U.S.C.第119（e）的规定，要求该较早申请的优先权。该临时专利申请通过参考并入本实用新型专利申请中。

技术领域

本发明涉及针对小区分段（cell segment）中的多个用户，支持关于空间波束的信号功率变化。

背景技术

对于移动无线运营商提供语音服务和高速数据服务的需求日益增长，同时，这些运营商希望在每个基站上支持更多的用户，从而降低总的网络成本，使服务对于订户是负担得起的。因此，需要能够达到更高数据率和更高容量的无线系统。但是，无线服务的可用频谱是有限的，在固定带宽内增加业务的先前尝试已增加了系统内的干扰并且降低了信号质量。

无线通信网络通常分成小区，其中每个小区进一步被分成小区扇区。在每个小区中提供一个基站以实现与位于该小区内的移动站进行无线通信。当在基站处使用现有技术的全向天线时存在一个问题，由于每个用户的信号的发射/接收会成为位于网络上相同小区位置内的其它用户的干扰源，使整个系统的干扰是有限的。此类全向天线示于图1（a）中。

在这些传统全向天线蜂窝网络系统中，基站没有关于小区内移动单元的位置的信息并且在小区内的所有方向上辐射信号，以便提供无线电覆盖。这造成在没有要联系的移动单元时，在发射上浪费功率，还会引起对使用相同频率的相邻小区（所谓的同信道小区）的干扰。同样，在接收时，天线接收来自所有方向的信号，包括噪声和干扰。

一种提高带宽使用效率并降低此类干扰的有效方式是使用多输入多输出（MIMO）技术，该技术支持发射器和接收器处的多个天线。对于多天线广播信道，如蜂窝网络上的下行链路，已经开发了发射/接收策略以通过将小区划分为多个扇区，并使用扇形天线（sectorized antenna）同时与多个用户通信来使下行链路吞吐量最大化。这样的扇形天线技术提供了一种降低干扰电平并且提高系统容量的显著改进解决方案。

扇形天线系统以同时与通信会话中涉及的多个接收器（用户设备、蜂窝电话等）通信的集中式发射器（小区站点/塔）为特征。通过该技术，每个用户的信号仅由基站在该特定用户的方向上发射和接收。这允许系统显著降低系统中的总干扰。扇形天线系统，如图1（b）所示，包括将不同发射/接收波束引向位于小区的扇区的覆盖区域中的用户的天线阵列。

为了提高扇形小区扇区的性能，已经实施了使用正交频域多址（OFDMA）系统的方案，OFDMA系统也称为空分多址（SDMA）系统。在这些系统中，移动站可以使用这些空间波束中的一个或更多与基站通信。这种正交地引导信号的发射和接收的方法（称为波束形成）通过在基站处的先进信号处理而成为可能。

波束形成方案由以下定义：形成小区扇区内的多个空间波束，以将该小区扇区分成不同的覆盖区域。基站在发射和接收中的辐射图适于每个用户，从而获得该用户方向上的最高增益。通过使用扇形天线技术，并通过利用小区内移动单元的空间位置和信道特性，已经开发了用来增强性能的被称作空分多址（SDMA）的通信技术。空分多址（SDMA）技术基本上通过波束形成和/或预编码产生同时发射的多个不相关的空间管道，由此它可以提供多址无线电通信系统的优越性能。

一类波束形成方案是自适应波束方案，它动态地将波束引向移动站的位置。这种自适应波束形成方案需要移动性跟踪，其中为了产生自适应波束，要跟踪移动站的位置和空间特性。根据位置和空间特性，每个用户的信号与复加权相乘，所述复加权调节往来于每个天线的信号的幅值和相位。这使扇形天线阵列的输出在期望方向上形成发射/接收波束，并最小化了其它方向上的输出，这可在图形上从图2中看出。预编码是一种使用预定码字的波束形成的实施方法，其中每个码字是用于天线元件的权重集合。

为了支持与用户设备的通信，将向用户设备指示需要设置以发射到用户设备的功率信号值或信号电平，特别是在多个用户位于小区站点时。在现有技术中，通过3GPP TS 36.213标准的早期版本（例如, TS 36.213 v8.3.0）中所示的无线电资源控制（RRC）信令向用户设备205和210指示每资源元素的能量分配（EPRE）功率电平。但是，由于调度的动态特性，已经证明功率电平的RRC信令太慢以致不能与系统中遇到的功率电平的快速变化保持同步（keep pace with）。因为多用户-MIMO系统的用户的改变速率高于RRC信令的频率，所以该问题造成性能损失。而且，使用RRC信令来指派到用户设备的功率电平存在其它缺点，包括调度器复杂性增加，以及需要更多功率电平的RRC信令。

因为目前已知的向用户设备指示每资源元素的能量分配（EPRE）的方法速度不够快，无法与小区站点上发射的动态调度中出现的功率电平的快速变化保持同步，所以需要到达用户设备的改进信号强度或者电平信令，特别是使用相同的信道资源为发射目的而调度位于同一小区站点的多个用户的情况，EPRE是到用户设备的发射的信号强度值或电平。还需要支持多用户移动宽带通信网络中的扇形波束形成天线系统，包括解决上面指出的问题。

根据任何特定网络配置或者通信系统上使用的命名法，可以把系统上的各种组件命名为不同的名字。例如，“用户设备”包括电缆网络上的PC，以及通过无线连接而直接耦合到蜂窝网络的其它类型的设备，如可通过以下体会到的：具有各种特征和功能（如因持网接入，电子邮件，消息服务等）的各种品牌和型号的移动终端（“蜂窝电话”）。

而且，根据发射和接收通信的方向，词语“接收器”和“发射器”可以称为“接入点”（AP），“基站”和“用户”。例如，对于下行链路环境，接入点AP或基站（eNodeB或eNB）是发射器，并且用户是接收器，而对于上行链路环境，接入点AP或基站（eNodeB或eNB）是接收器，并且用户是发射器。（诸如发射器或接收器之类的）这些术语不是限制性定义的，而是可包括位于网络上的各种移动通信单元或者发射装置。

发明内容

本发明是一种支持多用户移动宽带通信网络中的波束形成天线系统的方法和系统，包括用于设置和调节从每个天线到用户设备的信号的幅度和相位的过程。即，本发明以与在小区站点上的发射的动态调度中出现的功率电平的快速变化保持同步的方式支持将功率信号值或电平传送给用户设备。本发明满足了在多个用户位于小区站点的情况下，对于到用户设备的改进信号强度信令的这种需求。

附图说明

通过下文的详细描述及结合附图解读的所附权利要求书，会很容易理解本发明的目的和特征，图中同样的附图标记表示同样的元件，在附图中：。

图1是全向天线（a）和扇形天线（b）的图解说明。

图2是引导到期望用户的加权扇形发射波束的图解说明；以及。

图3是基站和移动站的示例性组件的框图。

具体实施方式

在图1（a）中，全向天线105的总发射架构100，全向天线105在通过箭头125、115、135和140示出的各个方向上同等地径向向外发射。对于发射架构100，通过区域120示出覆盖区域的周界。通过使用图1（b）中所示的扇形天线架构141已经获得改进的效率。

架构140中示出了多个天线145、147和148，其中每个天线被定向为蜂窝网络的不同区域，示出为：定向发射175用于覆盖区域150，发射190用于覆盖区域157，并且定向发射180用于覆盖区域155。在此背景下，通过扇形架构可以提高系统容量。

通过改变各个发射信号的强度，对于扇形架构200如图2所示可以获得附加效率和减少的干扰。多个天线215、220、227和230引导扇形天线架构200中的发射（或者接收发射）。通过增大来自天线元件230的该信号的强度，形成定向天线波束235。图中显示期望用户205接收高信号强度覆盖区域235中的期望发射245，该覆盖区域是意在指向该用户205的较高功率的波束。图中显示了具有较低强度发射信号240的干扰用户210，这减少了与该用户210相关的在系统中遇到的干扰。

根据一些优选实施例，将“机会性的”空时多址（OSTMA）技术提供用在无线通信网络中。OSTMA技术实现在小区分段（小区或小区扇区）中形成多空间波束，其中小区分段中的多个空间波束中的至少一些与不同的功率电平相关联以在小区分段中提供不同的覆盖区域。空间波束（或者更简单地，“波束”）指的是可以在基站和移动站（一个或多个）之间执行无线通信的小区分段中地理上不同的覆盖区域。

为从基站到移动站的前向无线链路提供OSTMA方案。在可替换的实施例中，OSTMA方案还可以被用于从移动站到基站之间的反向无线链路。数据从基站流到移动站的通信连接称作前向链路（FL）。同样，数据从移动站流到基站的通信连接称作反向链路（RL）。对于FL和RL这二者，通信状态不总是相同的。例如，移动站可以与服务基站通信，所述服务基站具有高度拥塞的RL业务但相对开放的FL流。移动站可能需调节其RL连接，原因是对于FL和RL这二者保持相同的基站（如果从另一基站可获得更为开放的RL连接的话）可能不能最好地利用通信资源。

优选实施例中的示例性组件包括基站1000和移动站1002，如图3中所示。基站1000包括通过无线链路与移动站1002中的无线接口1006无线通信的无线接口1004。基站1000包括可在基站1000中的一个或多个中央处理单元（CPU）1010上运行以执行基站任务的软件1008。（一个或多个）CPU 1010与存储器1012连接。软件1008可以包括调度器或者其它软件模块。基站1000还包括基站间接口1014以与另一基站传送信息，如回程信息和/或协调信息。

类似地，移动站1002包括可在与存储器1020连接的一个或多个CPU 1018上运行的软件1016。软件1016是可运行的，以执行移动站1002的任务。可以加载此类软件（1008和1016）的指令以在CPU或者其它类型的处理器上运行。处理器可以包括微处理器、微控制器、处理器模块或者子系统（包括一个或多个微处理器或者微控制器），或者其它控制或计算装置。“处理器”可以指单个组件或者多个组件。

（软件的）数据和指令被存储在各个存储装置中，所述存储装置被实现为一个或多个计算机可读或者计算机可用的存储介质。存储介质包括不同形式的存储器，包括：半导体存储装置，如动态或静态随机存取存储器（DRAM或SRAM），可擦除可编程只读存储器（EPROM），电可擦除可编程只读存储器（ERPROM）和闪存；磁盘，如固定盘、软盘和可移动盘；其它磁介质，包括磁带；光介质，如光盘（CD）或数字视频盘（DVD）。

当在相同小区站点扇区上服务多个用户205、210时，如图2所示，必须在那些多个用户之间分配来自发射天线230的信号功率。多用户-MIMO模式下用户205或210应预期它们的EPRE功率电平可以依赖于在该小区站点扇区同时服务的多个用户的数目而取若干值之一。

在现有技术中，通过3GPP TS 36.213标准的早期版本（例如，TS 36.213 v8.3.0）所示的无线电资源控制（RRC）信令向用户设备205、210指示EPRE功率电平。但是，由于动态调度特性，已证明功率电平的RRC信令太慢以致不能与系统上遇到的功率电平的快速变化保持同步。因为多用户-MIMO系统上的用户的改变速率会高于RRC信令的频率，所以该问题造成性能损失。而且，使用RRC信令为用户设备指派功率电平还存在其它缺点，包括调度器复杂性增加，以及需要更多功率电平的RRC信令。

本发明通过在多用户-MIMO模式下，借助于在用户的调度消息中指派的位来将功率电平信息提供给用户设备205或210，从而解决与功率电平的RRC信令相关联的问题。相对于RRC信令，使用调度消息传送功率电平信息的优点包括完全的调度器灵活性，改进的性能和降低了对用于缩放因子（scaling factor）更新的RRC信令的需求。而且，因为多用户-MIMO用户的信噪比趋于相当高，所以在授权消息中包括功率电平信息（作为可获得吞吐量的一部分）的增加的控制信道开销将会相当小。

本发明使用从基站1000发射到用户205和210（或移动站1002）的调度消息中的若干位。可以将调度授权消息描述为它与多用户-MIMO发射的信令格式中标识的物理下行链路共享信道（PDSCH）发射模式相关。由于闭环预编码发射模式是多用户-MIMO模式的子集，所以本发明将多用户-MIMO和闭环级-1预编码发射模式合并成具有发射天线指派位的单个指派模式。即，本发明通过调度消息中的指派位，允许在多用户-MIMO和闭环级-1和级-2预编码发射之间的动态切换，而无需现有技术中从一种发射模式变到另一发射模式时将会需要的较高层的RRC信令。通过使用发射给用户的调度消息中的指派位，本发明将两个单独的发射模式指派合并为单个发射模式指派，这减少了控制消息的开销并且简化了系统中的发射模式指派。

在本发明中，当eNodeB向多个用户设备，如图2中的205和210发射时，eNodeB必须在不同的用户设备之间分配功率。功率分配量取决于必须在小区分段上使用相同信道资源所服务的用户设备的数目。例如，如果服务两个用户设备，则给用户设备205的功率分配将由预编码表[1 1 1 1]/sqrt(2)指派，并且给用户设备210的功率分配将由预编码表[1 -1 1 -1]/sqrt(2)指派，其中1/sqrt(2)用作两个预编码器的缩放因子，其减小了发射给各个用户设备的功率信号。如果eNodeB支持4发射器天线系统，则预编码器可以使用预编码表[1 1 1 1]/sqrt(N)来缩放去往用户设备205的功率电平，而去往其它用户设备的其它信号可按照为那些其它用户设备分配的预定预编码表所指派的比例因子来减小，这是对于针对相同信道资源而调度的N个用户而言。

在本发明中，在发送给用户设备的消息中使用附加指派位来将缩放因子用信号通知给用户设备。在一个实施例中，可将附加位添加到新格式消息（例如格式1B），或者所述指派位可以根据现有的消息格式（例如在多用户-MIMO授权消息中用于用户的格式2）中的指派位来重新解释。如果由于在小区分段上存在1至2个用户而只需要两个发射器，则在格式消息中将只需要一个附加指派位。如果由于在小区分段上存在多达4个用户而需要4个发射器，则在格式消息中将需要两个附加指派位。

当用户设备205接收到格式消息中的位指派时，它基于发射器天线的数目和由指派位指派的用户来计算要施加于用于该用户设备的功率电平的缩放因子。用户可以该方式确定功率缩放因子P_A和P_B，并且接收器可以使用该功率缩放因子来解调所接收的信号。系统通过使用指派位，非常快地动态调节发射信号的功率，并且用户使用缩放因子来解调接收器处的信号。用户设备可以使用预定缩放因子来计算缩放因子P_A和P_B，所述预定缩放因子诸如-10log₁₀N, N=1, 2，对于使用1位的2发射器天线位指派；或者诸如-10log₁₀N，N=1, 2, 3, 4，对于使用2位的4发射器天线位指派；或者来自预编码表的值。该实施例可以与新的格式消息（例如格式1B）一起使用，或者指派位可以根据现有消息格式中的指派位来重新解释（例如用于在多用户-MIMO授权消息中的用户的格式2）。可替代地，可以使用指派位来从预编码查找表或者系统上的其它表资源中查找缩放因子。

可替代地，格式消息中的位指派可以向用户设备提供实际缩放值，P_A和P_B，这将使用比现有的指派方法更多的位，但用户设备不必计算P_A和P_B缩放值，因此将允许更快的协议处理。P_A和P_B缩放值的实际值可以在指派位中指定，或者表示由表所定义的预定因子，或者以其它方式在系统中得知。例如，指派P_A的3位可以定义要施加于信号强度上的功率的dB值（例如，dB=3, 2, 1, 0, -1, -2, -3, -6），指派位可定义指定的缩放表中的表条目（例如，3位指派缩放或预编码表中的条目），或系统已知的缩放因子是通过以下方式指定：P_A=-10log₁₀N，N=1, 2，对于2发射器天线位指派；或者P_A=-10log₁₀N，N=1, 2, 3, 4，对于4发射器天线位指派。用户可通过该方式确定功率缩放因子P_A和P_B，并且接收器可以使用所述功率缩放因子来解调所接收的信号。系统通过使用指派位而非常快地动态调节发射信号的功率，并且用户使用缩放因子来解调接收器处的信号。该实施例可以与新的格式消息（例如格式1B）一起使用，或者指派位可以根据现有消息格式中的指派位来重新解释（例如用于在多用户-MIMO授权消息中的用户的格式2）。

在前述描述中，列出了许多细节以便理解本发明。然而，本领域技术人员应理解没有这些细节也可以实施本发明。尽管相对于有限数目的实施例公开了本发明，但本领域技术人员会认识到由此产生的许多变化和变型。意图是所附权利要求会覆盖落入本发明的真实精神和范围内的这些变化和变型。

Claims

1.一种用来为通信系统上从接入节点到接收器的发射波束指定功率缩放因子的方法，所述通信系统具有提供小区扇区中的覆盖的至少两个空间波束，所述方法包括：

在接入节点处确定功率缩放因子，所述功率缩放因子将被用于施加于到接收器之一的发射信号，所述功率缩放因子是基于网络上的资源分配和将通过相同资源被传送到的接收器的数目来确定的，

基于由所述接入节点确定的功率缩放因子，在接入节点处准备指派位格式消息，

通过一个或多个空间波束发射，周期性地从接入节点发射所述指派位格式消息，接收器使用所述指派位信号来为到所述接收器的所述发射波束计算功率缩放因子；以及

基于功率缩放因子动态调节到接收器的发射信号的功率，在接收器处使用从指派位格式消息计算的功率缩放因子来解调所述发射信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中如果由于在小区分段上存在1至2个用户而需要2个发射器，则指派位格式消息将需要在格式消息中的一个附加指派位。

3.根据权利要求1所述的方法，其中如果由于在小区分段上存在多达4个用户而需要4个发射器，则指派位格式消息将需要在格式消息中的两个附加指派位。

4.根据权利要求1所述的方法，其中对于使用格式消息中的1位的2发射器天线位指派，使用公式-10log₁₀N，N=1, 2来计算功率缩放因子。

5.根据权利要求1所述的方法，其中对于使用格式消息中的2位的4发射器天线位指派，使用公式-10log₁₀N，N=1, 2, 3, 4来计算功率缩放因子。

6.根据权利要求1所述的方法，其中使用来自系统中预定值的表的值指派来计算功率缩放因子。

7.一种用来为通信系统上从接入节点到接收器的发射波束指定功率缩放因子的方法，所述通信系统具有提供小区扇区中的覆盖的至少两个空间波束，所述方法包括：

在接入节点处确定功率缩放因子，所述功率缩放因子将被用于施加于到接收器之一的发射信号，所述功率缩放因子是基于网络上的资源分配和将通过相同资源被传送到的接收器的数目的对发射波束的值调节，

基于由接入节点确定的功率缩放因子，在接入节点处准备指派位格式消息，

通过一个或多个空间波束发射，从接入节点周期性发射所述指派位格式消息，所述指派位信号向接收器指定到所述接收器的所述发射波束的功率缩放因子的实际值；以及

8.根据权利要求7所述的方法，其中指派位格式消息将指定要施加于发射信号的dB等级。

9.根据权利要求7所述的方法，其中指派位格式将通过系统中的预定值的表来指定实际值。

10.根据权利要求7所述的方法，其中对于使用格式消息中的1位的2发射器天线位指派，指派位格式使用公式-10log₁₀N，N=1, 2来指定实际功率缩放值。

11.根据权利要求7所述的方法，其中对于使用格式消息中的2位的4发射器天线位指派，使用公式-10log₁₀N，N=1, 2, 3, 4来计算功率缩放因子。

12.一种发射系统，其为通信系统上从接入节点到接收器的发射波束指定功率缩放因子，所述通信系统具有提供小区扇区中的覆盖的至少两个空间波束，所述系统包括：

接入节点，其具有处理器和发射器，处理器基于网络上的资源分配和将通过相同资源被发送到的接收器的数目确定将施加于到所述接收器的发射波束的功率缩放因子并基于该功率缩放因子准备指派位格式消息，发射器通过一个或多个空间波束发射周期性发射指派位格式消息，接收器使用所述指派位格式消息为到接收器的所述发射波束计算功率缩放因子；

所述接入节点基于功率缩放因子动态调节到接收器的发射信号的功率，而不会与网络上的其它发射产生干扰，在接收器处使用从接入节点接收的功率缩放因子解调所述发射信号。

13.根据权利要求12所述的系统，其中如果由于在小区分段上存在1至2个用户而需要2个发射器，则指派位格式消息将需要在格式消息中的一个附加指派位。

14.根据权利要求12所述的系统，其中如果由于在小区分段上存在多达4个用户而需要4个发射器，则指派位格式消息将需要在格式消息中的两个附加指派位。

15.根据权利要求12所述的系统，其中对于使用格式消息中的1位的2发射器天线位指派，使用公式-10log₁₀N，N=1, 2来计算功率缩放因子。

16.根据权利要求12所述的系统，其中对于使用格式消息中的2位的4发射器天线位指派，使用公式-10log₁₀N，N=1, 2, 3, 4来计算功率缩放因子。

17.根据权利要求12所述的系统，其中使用来自系统中的预定值的表的值指派来计算功率缩放因子。

18.一种发射系统，其为通信系统上从接入节点到接收器的发射波束指定功率缩放因子，所述通信系统具有提供小区扇区中的覆盖的至少两个空间波束，所述系统包括：

接入节点，其具有处理器和发射器，处理器基于网络上的资源分配和将通过相同资源被传送到的接收器的数目确定作为施加于到所述接收器的发射波束的实际值调节的功率缩放因子并基于该功率缩放因子准备指派位格式消息，发射器通过一个或多个空间波束发射，周期性发射指派位格式消息，所述指派位格式消息为到接收器的所述发射波束指定到接收器的功率缩放因子的实际值；

所述接入节点基于功率缩放因子动态调节到接收器的发射信号的功率，而不会与网络上的其它发射产生干扰，在接收器处使用从接入节点接收的功率缩放因子来解调所述发射信号。

19.根据权利要求16所述的系统，其中指派位格式消息将指定要施加于发射信号的dB等级。

20.根据权利要求16所述的系统，其中指派位格式将根据系统中的预定值的表来指定实际值。

21.根据权利要求16所述的系统，其中对于使用格式消息中的1位的2发射器天线位指派，指派位格式使用公式-10log₁₀N，N=1, 2来指定实际的功率缩放值。

22.根据权利要求16所述的系统，其中对于使用格式消息中的2位的4发射器天线位指派，使用公式-10log₁₀N，N=1, 2, 3, 4来计算功率缩放因子。