CN102098770A - 用于在lte蜂窝网络中的数据通信的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于在LTE蜂窝网络中的数据通信的方法和装置。本发明提供了用于在符合长期演进(LTE)的通信系统中的上行链路数据发送的方法和装置。特别是，上行链路中的波束形成被用于增大符合LTE的无线通信终端的范围。对于时分双工(TDD)和频分双工(FDD)通信方案提供了用于在朝向基站的最佳方向上操控波束的方法。

Description

用于在LTE蜂窝网络中的数据通信的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于在符合长期演进(LTE)的通信系统中的上行链路数据发送的方法，该符合长期演进(LTE)的通信系统包括基站和至少一个无线通信终端。本发明进一步涉及在符合长期演进(LTE)的通信系统中无线通信终端和基站，尤其是使用频分双工(FDD)传输方案。

背景技术

蜂窝系统用于向其用户提供无线电话和数据服务。被称为长期演进(LTE)的、由第三代合作伙伴计划(3GPP)开发的新的蜂窝标准在承诺网络运营商的高频谱容量的同时向最终客户提供空前的数据率和空前的最短延迟。这允许网络运营商在向最终客户提供类似于有线因特网的因特网体验的同时更好地利用可用频谱。

任何无线系统的重要参数是每比特接收到的能量和对应的信噪比(SNR)。对于固定的发送功率，显然，当比特率提高时，每比特的能量降低。在蜂窝通信系统中，上行链路(从终端到基站)和下行链路(从基站到终端)发送功率通常是不对称的。基站可以使用实际上系统提供良好覆盖的所需要的任何输出功率来发送。另一方面，对于移动终端和家庭网关等，由于实现成本、功耗和管理的原因，发送功率受限。因此，蜂窝通信趋向于受上行链路的限制，即，通过上行链路而不是下行链路来确定覆盖区域。对于用于移动或固定无线接入的任何蜂窝系统，都是如此。

当前，网络运营商计划使用LTE技术来向家庭(特别是在农村地区)提供无线宽带接入。然而，对于农村地区，由于人口密度相对较低，所以提供良好的覆盖对于降低网络部署成本是关键的。

LTE系统如其前身UMTS一样，可以将调制比特率适应于信道条件。远离基站的用户需要使用比近处的用户大得多的每比特的能量来发送。当最大发送功率有限时，通过降低数据率或通过使用更节能的调制方案，例如，QPSK而不是16-QAM或两种方法的组合来实现提高发送的比特能量。其缺点是节能调制不是节省带宽的，即，位于要求节能调制方案的小区边缘处的用户比虽然更节省带宽但是不太节能的技术消耗大得多的带宽。当然，可以降低比特率，但是仅可以将比特率降低到下述程度：比特率位于用户可接受并且网络已经将其本身设置为最小的服务质量(QoS)极限的特定最小值之上。对于诸如IP语音(VoIP)的对称业务，牺牲上行链路容量会更困难。因此，良好的上行链路性能对于小区覆盖是关键的，并且同样对于上行链路容量是关键的。另一方面，更大的小区覆盖可以相当大地减少网络部署成本，因为需要部署更少的基站。

如上所述，最大发射机输出功率对于移动终端和家庭网关是有限的，并且比由管理者定义的基站的限度小得多。

就本发明而言，术语“终端”和“用户设备”(UE)是指由最终客户直接用于无线通信的任何设备，诸如手持电话、在汽车中或在膝上型计算机中的通信设备或位置固定的家庭网关等。将UE连接到基站，以向用户提供无线通信。

已知波束形成技术，用于增强蜂窝网络的下行链路性能。波束形成是其中多个天线发送具有相位偏移的相同信号的技术。如此，从不同的天线辐射的信号根据信号相对于发送角度的相位而建设性地或破坏性地相加。通过小心地控制天线的相位，可以形成波束，其中，术语“波束”通常指的是信号建设性地相加的方向。在波束的方向上，增益可以被设置为与N一样高，其中，N是天线元的数目。

例如，考虑使用具有相等的输出功率的四个相同的全向天线。总的发射输出功率将是一个天线的输出功率的四倍。如果正确地调整相位使得对于一个特定方向而言全部信号建设性地相加，则形成波束。在所述波束方向上的输出功率将比单个无方向性辐射天线元高16倍。

波束形成技术是已知的，并且已经被部署多年，例如用于雷达。这些技术经常基于天线阵列，如图1中所示。天线阵列由位于几何网格上的两个或更多天线(10-1，10-2，...，10-n)构成。通过发送或接收具有不同相位的相同信号来实现波束形成。对于窄带信号，使用移相器(12-1，12-2，...，12-n)。在来自每个天线的单独信号建设性地相加的方向上形成波束。因为信道的行为对于二者的方向而言类似，这对于RF信号的接收也成立。

所述技术首先用于军事和雷达通信中，其中，将机械的、即旋转天线替换为相控天线阵，以电子地而不是机械地控制波束。作为模拟移相器的替代，也可以在数字域中应用相移。在该情况下，产生已经被应用了相移的独立的RF信号并分别地馈送到每个发送天线。再次，通过改变相位，可以产生不同的波束图案。

图2示出具有λ/2间距和0度的相移的两个双极天线的天线方向图，其中，λ是波长。两个发送天线位于水平轴处。可以从图2看出，两个发送信号沿着垂直轴建设性地相加。事实上，可以观察到在单个双极天线上的6dB增益。如果不应用相移，则当在所述两个天线之间的间距是半个波长时，两个天线的信号沿着水平轴破坏性地相加。

通过应用天线之一相对于另一个的相对相变，可以改变方向图。图3示出相同的天线配置但是具有应用到两个天线之一的180度相移的天线方向图。现在，信号沿着水平轴建设性地相加，并且沿着垂直轴破坏性地相加。再次，可以观察到在单个双极天线上的最大增益6dB。

通常，在这样的阵列中的天线相隔λ/2。天线的较小的间距减少了来自干扰的增益，因此减少了阵列的产出。对于大于λ/2的较大间距，出现所谓的光栅波瓣，换句话说，多于一个方向是优选的，其中，这样的光栅波瓣也提供增益。通常，本领域中优选具有λ/2间距的天线阵，但是其他配置是可能的。在文献中可以广泛地找到关于使用天线阵的波束形成的细节。

波束形成技术现在也用于蜂窝技术中。第三代蜂窝电话标准UMTS和HSDPA以及新的标准LTE支持在下行链路中，即从基站到移动台的波束形成。移动电话通过向基站提供反馈信息来支持这些技术，基站然后可以因此调整波束。而且，波束形成用于将基站的天线适应于例如地理或业务条件或局部要求。

LTE是由第三代合作伙伴计划(3GPP)定义的最新蜂窝标准。它在下行链路中使用正交频分多址(OFDMA)，并且在上行链路中使用单载波频分多址(SC-FDMA)。信息块被布置在传送块中。当基站已经许可特定子帧的传输时，终端精确地发送一个子帧。具有1毫秒的持续时间的子帧由两个时隙构成，每个时隙0.5毫秒。对于上行链路传输，基站能够向终端分配两个频率块，一个用在子帧的第一时隙期间，而另一个用在子帧的第二时隙。

在LTE标准的当前修订版中，即版本8中，在下行链路中支持波束形成技术。为了减少对于其他基站的干扰，LTE利用上行链路功率控制，就像UMTS技术那样。在每一个子帧内发送功率控制信息。基站控制终端的上行链路发送功率，目的是接收仅具有信号的无错检测所需要的最小信号强度的相应用户设备信号。在信号强度太低的情况下，LTE使用混合自动重复请求(HARQ)技术来将前一个传送块的信息与重复的版本组合。另外，如果情况持续，则基站请求用户设备提高其功率。

而且，LTE标准的当前版本8假定终端可以具有多于一个发送天线，且仅具有一个功率放大器。基站可以触发终端经由下行链路控制信道信号作用转换到另一个发送天线。

为了优化小区容量的利用，基站需要从连接到基站的每个终端收集关于上行链路信道质量的一些信息。单独的信道质量可以根据频率而不同。在TDD系统中，如果相同的天线用于发送和接收，则通过利用信道相互性而得出信道质量信息。

然而，在FDD系统中，仅对于向终端分配的子带，可以得出数据发送的质量信息。因此，已经向LTE上行链路引入了另外的机制。终端被配置来周期地发送探测参考信号(SRS)。基站对于源自不同终端的SRS执行测量，并且调度终端使得服务质量和小区利用被优化。

本发明的目的是提供用于增加LTE用户设备的范围的装置和方法。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于在符合长期演进(LTE)的通信系统中的上行链路数据发送的方法，该符合长期演进(LTE)的通信系统包括基站和至少一个无线通信终端，其中，所述基站向所述至少一个终端的每个发送相应的功率控制信号，以将所述至少一个终端的上行链路发送功率控制为所述上行链路信号的无差错检测所需要的最小功率，并且其中，所述至少一个终端包括包含RF前端和基带单元的调制解调器以及至少两个天线，所述调制解调器被适配来支持在所述至少两个天线上的同时接收。本发明的所述上行链路数据发送方法特征在于，所述调制解调器被进一步适配来支持在所述至少两个天线上的同时传输，并且，所述方法包括：定义用于发送业务数据的第一上行链路发送方向；产生上行链路发送信号；通过将所述上行链路发送信号作为第一发送信号Tx1馈送到所述终端的第一天线、产生第二发送信号Tx2作为所述第一发送信号的相移版本并且向所述终端的第二天线馈送所述第二发送信号，以波束被导向所述第一上行链路发送方向的波束图案来发射所述上行链路发送信号，其中，所述第二信号的所述相移被适配为使得分别由所述第一和第二天线发送的所述第一和第二信号建设性地组合，以形成波束被导向所述第一上行链路发送方向的波束图案。

根据本发明的方法的一个实施例，产生所述第二发送信号Tx2的步骤包括：在所述终端的所述基带单元中的循环前缀增加步骤后，将所述第一信号乘以复指数。

根据本发明的方法的另一个实施例，所述产生所述第二发送信号Tx2的步骤包括：在IDFT产生步骤之前，将从在所述终端的所述基带单元中的资源映射步骤输出的信号乘以

形式的相位向量，其中，N是所述IDFT的大小。

在使用时分双工(TDD)通信方案的第一实施例中，用于发送业务数据的所述第一上行链路发送方向可以被定义为从所述基站接收到的信号的主方向。这可以在所述基站使用相同天线来进行发送和接收的假设下如此。

在另一个实施例中内，本发明的方法可以进一步包括步骤：定义第二上行链路发送方向；从所述第一和所述第二上行链路发送方向的性能特征确定发送质量指标；以及，所述基站和/或所述终端根据由所述基站控制的所述上行链路发送功率来评估所述发送质量指标，并且，如果所述第二上行链路发送方向的所述指标比所述第一上行链路发送方向的所述指标好，则将所述第一上行链路发送方向替换为所述第二上行链路发送方向，并且开始朝所述第二上行链路发送方向发送业务数据。

所述确定发送质量指标的步骤可以包括在所述无线通信终端中根据编码率、比特率和调制方案计算指标；并且所述方法可以进一步包括：在所述终端的数据库中与由所述基站控制的所述相关联的发送功率一起存储所述指标。在这个实施例中，所述评估步骤可以包括：比较所述第一和第二上行链路发送方向的指标-发送功率比，并且，选择这种比最低的那个方向用于发送业务数据。

这种方法用于频分双工(FDD)通信方案是有利的。该方法也可以用于时分双工(TDD)通信方案，可能不如从接收的下行链路信号估计基站的方向复杂，所述接收的下行链路信号无论如何仅在所述基站使用相同的天线来进行发送和接收的情况下工作。

在一种修改中，如上所述的方法可以进一步包括步骤：从由一组波束形成相位向量定义的一组上行链路发送方向任意选择所述第一和第二上行链路发送方向，其中，已经显示质量指标-发送功率比的波束形成向量在随机选择处理中被分配较高的可能性。

在另一种修改中，如上所述的方法可以进一步包括步骤：通过一组波束形成向量来预定义一组上行链路发送方向，根据增加或减小的角度来分类所述波束形成向量，并且，从所述第一上行链路发送方向的两个最近邻居任意地或交替地选择所述第二上行链路发送方向的新的波束形成向量。

在如上所述的方法的另一种修改中，选择所述第二上行链路发送方向可以包括：通过使用角度参数的计算来迭代地确定波束形成相位向量；将所述角度从一个迭代略微修改为下一个迭代；以及，根据结果调整的发送功率，进一步提高或设置回并然后减少所述角度。

本发明进一步提供了一种无线通信终端，所述无线通信终端被适配来执行如上所述的用于上行链路数据发送的方法。具体地说，根据本发明的所述符合LTE的终端包括包含RF前端和基带单元的调制解调器以及至少两个天线，其中，所述基带单元包括下行链路接收机、上行链路发射机、至少一个控制器，并且其中，所述调制解调器被适配来支持在所述至少两个天线上的同时接收。根据本发明，所述调制解调器进一步包括：支持在所述至少两个天线上的同时发送的至少两个发送路径以及移相部件。

所述移相部件可以包括在循环前缀增加器和所述调制解调器的所述基带单元的双上行链路发射机的第二输出之间连接的乘法器。在本发明的优选实施例中，所述移相部件包括在资源映射单元和经由第二IDFT单元和第二循环前缀增加器的所述调制解调器的所述基带单元的双上行链路发射机的第二输出之间连接的乘法器。

根据本发明的所述终端的调制解调器被适配来产生要馈送到第一天线的第一上行链路发送信号；所述终端的所述控制器操作为定义用于业务数据的发送的第一上行链路发送方向，并且向所述移相部件提供相信息；所述终端的所述相移部件被适配来产生第二发送信号作为用于馈送到第二天线馈送的所述第一发送信号的相移版本；以及，所述第一和第二天线被适配来分别同时发送所述第一和第二信号，使得所述信号建设性地组合以形成具有波束被导向由所述控制器定义的所述第一上行链路发送方向的波束图案。在一个优选实施例中，以大约λ/2的间距来布置所述终端的天线，其中，λ是与所述终端的发送频率对应的波长。具体地说，与在所述终端的发送频率带宽的范围内的频率对应地设置所述间距。

根据一个实施例的所述终端进一步包括数据库，并且所述终端的所述控制器进一步操作为定义第二上行链路发送方向；根据所述第一和第二上行链路发送方向的编码率、比特率和调制方案计算发送质量指标，并且将所述指标与相关联的发送功率电平一起存储在所述数据库中；并且，将所述第一和第二上行链路发送方向指标-发送功率比作比较，并且选择这个比率最低的那个方向用于发送业务数据。

在符合LTE的TDD或FDD通信系统中的上行链路数据发送的方法的一种替代的优选实施例中，所述确定发送质量指标的步骤可以包括：由所述终端朝所述第一上行链路发送方向发送探测参考信号(SRS)，并且替代地，所述终端朝所述第二上行链路发送方向发送SRS；对于由所述终端朝所述第一上行链路发送方向发送的所述SRS和由所述终端朝所述第二上行链路发送方向发送的所述SRS二者，所述基站根据在所述基站的接收质量来计算指标。在这个实施例中，所述方法进一步包括：比较在所述基站中的所述指标，并且如果所述第二上行链路发送方向的所述指标比所述第一上行链路发送方向的指标好，则从所述基站向所述终端发送转换信号。响应于在所述终端的所述转换信号的接收，所述方法包括：将所述第一上行链路发送方向替换为所述第二上行链路发送方向，并且开始朝所述第二上行链路发送方向发送业务数据；以及，选择第三上行链路发送方向，用于与向所述第二上行链路发送方向的SRS交替地发送SRS。如果在定时器期满前所述终端未接收到转换信号，则所述方法继续朝所述第一上行链路发送方向的业务数据的发送，并且将第三方向选择作为用于与朝所述第一上行链路发送方向的SRS交替地发送SRS的新的替代方向。

本发明进一步提供一种无线通信终端和一种基站，它们被适配来支持如上所述的用于上行链路数据发送的方法的实施例。

就本发明而言，术语“波束形成”是指通过组合一组小的无方向天线的无线电信号而电子地模拟大的定向天线的任何方式。从现有技术已知的这样的波束形成的任何方法意欲被包含在本发明中。例如，除了在相位上修改发送信号之外，另外可以在振幅上修改所述信号，以产生要与所述发送信号组合的第二信号，以产生波束被导向预定义方向的波束图案。

本发明特别有益于农村地区的家庭网关，但是也能够应用于移动LTE用户设备，诸如在膝上型计算机、PDA、移动电话和汽车等内的通信设备。

附图说明

通过下面特定实施例的详细描述，本发明的另外的特征和优点将变得显而易见，所述特定实施例是仅通过示例给出的，并且其中，将参考附图，在附图中：

图1示出从现有技术已知的线性相控天线阵；

图2示出从现有技术已知的具有λ/2的间距和0度相移的两个双极天线的天线方向图；

图3示出从现有技术已知的具有λ/2的间距和180度相移的两个双极天线的天线方向图；

图4示出可以在无线终端中使用的传统LTE调制解调器体系结构；

图5示出支持根据本发明的在上行链路中的波束形成的用于无线终端的LTE调制解调器体系结构；

图6示出实现根据本发明的波束形成的简单双上行链路发射机；

图7示出传统的SC-FDMA信号产生；

图8示出根据本发明的在SC-FDMA中的频率选择性相位调整；

图9示出本发明的上行链路波束形成图案选择算法的一个实施例的流程图；以及

图10是使用SRS的、本发明的另一种上行链路波束形成图案选择算法的流程图。

具体实施方式

LTE标准提供了两种主要的LTE模式，用于频分双工的LTE(LTEFDD)和用于时分双工的LTE(LTE TDD)。在频分双工中，在频域中分为上行链路和下行链路，并且LTE调制解调器可以同时发送和接收。在时分双工中，相同的频带用于上行链路和下行链路，其中，基站分别对于上行链路和下行链路分配不同的时间间隔。

图4示出用于无线用户设备的典型LTE FDD调制解调器体系结构40，其包括RF前端41和基带单元42。基带单元42包括上行链路发射机43、下行链路接收机44、层1控制器46和层2/3控制器48。“层”在此指的是在本领域中广泛使用来划分网络体系结构的OSI 7层参考模型的相应层，其中，层1被称为物理层，并且层2和3分别被称为数据链路层和网络层。

层1控制器46负责控制上行链路发射机和下行链路接收机。它也连接到层2(具体来说是媒体访问控制(MAC))和层3(具体来说是无线电资源控制(RRC))。层1控制器46知晓由基站发送的所有功率控制比特和实际发送功率电平以及用于上行链路信号的调制。层2/3控制器48负责处理协议栈。

调制解调器40的RF前端41通常支持一个发送路径和两个接收路径。RF前端41被适配来从两个RF天线接收两个接收(Rx)信号，并且将其转换为基带频率以提供到下行链路接收机44来进一步处理。RF前端41也被适配来从上行链路发射机43同时接收基带发送(Tx)信号，将其转换为RF，将其放大，然后将其置于两个RF天线之一上用于发射。为此，RF前端41包括一个或多个收发器、功率放大器、开关、双工器和滤波器等。如上所述，传统的LTE FDD用户设备通常使用RF天线二者进行接收，并且使用RF天线对的至少一个进行发送。而且，LTE标准和一些LTE FDD用户设备支持发送天线的转换，即，前端可以被适配来响应于从基站接收到的天线转换信令而从一个RF天线转换到另一个RF天线。

传统的LTE FDD前端单元大体包括在天线侧的开关与发送路径和两个接收路径两者之间连接的FDD双工器，其中，所述发送路径进一步包括功率放大器部分和诸如噪声滤波器的滤波器。所述双工器通过以略微不同的频率操作下行链路接收机44和上行链路发射机43来使得用户设备可以同时发送和数据。

图5示出被修改以支持根据本发明的上行链路波束形成的调制解调器体系结构50。在此，基带单元52的双上行链路发射机53和RF前端单元51被适配来分别支持发送信号和同一发送信号的相移版本在一对RF天线上的同时发射，即，两个天线用于发送。将参考图6和8来详细描述双上行链路发射机53的实施例。RF前端单元51接受两个基带发送信号Tx1和Tx2，这两个信号被转换为RF、被放大然后被置于两个RF天线上。为此，前端单元51包括至少两个发送路径，每个路径包括至少一个收发器、功率放大器、双工器和开关和滤波器等，这对于前端单元51增加了一定的复杂度，主要是因为需要第二功率放大器。如上所述，传统的LTE FDD用户设备通常使用两个RF天线来用于接收，并且使用该对RF天线的仅一个来用于发送。可以类似于图4的下行链路接收机44来设计下行链路接收机54，并且因为其不是本发明的主题，因此在此不进一步详细描述它。

层1控制器56和层2/3控制器58被设计为提供分别与图4的层1控制器46和层2/3控制器48相同的功能。另外，层1控制器56和/或层2/3控制器58被设计以操作为执行选择根据本发明的波束形成模式的方法，将结合图9和10进行详细描述。可选地，图5的调制解调器可以包括数据库55，数据库55与层1控制器56进行通信，如图中所图示的，并且/或者与层2/3控制器58进行通信。数据库55可以用于存储波束图案信息，诸如波束形成相位向量、与其相关联的发送功率电平、质量指标、概率图等，如下详细所述。

在其最简单的形式中，如图6中所示，双上行链路发射机60包括上行链路发射机63，可以类似于图4的传统上行链路发射机43来设计上行链路发射机63，并且以如下述参考图7所述的类似的方式来产生发送信号Tx1。

图7示出诸如图4的上行链路发射机43的传统上行链路发射机70的最后信号处理阶段。通过下述方式来产生SC-FDMA信号：对于被分配到发送终端的子载波首先执行离散傅立叶变换(DFT)72。然后，资源映射器74将DFT输出映射为逆离散傅立叶变换(IDFT)76的输入向量的输入元素的数目，其中，未使用的元素用0填充。为了完成上行链路信号产生，增加循环前缀(78)。

返回图6，除了产生发送信号Tx1之外，双上行链路发射机60通过下述方式来产生第二发送信号Tx2：将相位加到第一发送信号，以获得第一发送信号Tx1的相移版本。这在数字域中通过将复数IQ发送信号与复指数相乘来进行，如在65所示。

然而，这种波束形成的简单方法不考虑实际上可以包括多达1200个子载波的LTE频带的带宽，其中，非零子载波，即被使用的子载波的数目取决于传送速率。因为LTE信号可以跨越若干个MHz，并且最佳天线方向由于传播信道的频率选择特性可以是频率相关的，所以精确地将发送信号控制到定义的方向上将要求在预定方向上对齐多个单独占用的子载波的每个。在本发明的实施例中，这通过在执行逆离散傅立叶变换(IDFT)之前将相位向量乘以占用的子载波来在上行链路发射机来进行。

在图8中示出这一点，图8示出图7的传统上行链路发射机的修改。根据本发明的图8的双上行链路发射机80包括参考图7说明的类似的操作单元，所述操作单元被指定类似的附图标记。另外，双上行链路发射机80包括：第二信号产生分支，其包括IDFT单元86-2和循环前缀增加单元88-2；以及，乘法器85，其连接在资源映射单元84和这个第二信号产生分支之间。

为了控制第二发送信号Tx2的相位，在86-2产生IDFT之前，在85将

形式的相位向量乘以从资源映射单元84输出的信号，其中，N是IDFT的大小。以这种方式，图8的双上行链路发射机80允许设置与每个IDFT输入相关联的每个载波的最佳相位。相位向量必须是连续的，换句话说，它可以具有直线的、曲线的锯齿状和其他形状，但是必须没有任何的跳越不连续。

在特定方面，本发明涉及在将由一对天线形成的波束控制在最佳方向上的方式，其中，在终端侧的挑战是找出在哪个方向上控制波束以获得最佳的上行链路性能，而不用从基站获得任何直接的反馈信息。

在一个优选实施例中，本发明提出了一种用于波束控制的算法，该算法不要求在基站侧为了使得终端将波束控制在最佳方向上而进行的任何修改。在此，本发明利用由LTE标准提供的功率控制。如上所述，在LTE中的上行链路功率控制由基站进行，并且旨在接收具有无差错检测所需要的最小信号强度的相应终端的信号。

假定基站在接近灵敏度极限的接收电平上工作，对于准静态条件，发送功率电平应当与每比特所需要的能量成正比。根据本发明的一个实施例，图5的层2/3控制器58向层1控制器56通知关于所发送的比特的数目和编码率，并且静态终端可以使用这个信息来将由发送天线形成的波束控制到基站的最佳可能方向上，而没有来自基站的另外的信令，如下：对于所发送的每个传送块，层1控制器56根据在传送块中的信息比特的数目、编码率和调制格式来估计每比特所需要的能量。调制解调器将所估计的每比特所需要的能量值与每一个子帧的信号功率和控制信息一起记录。

在多个角度上进行所述记录，然后，例如在图5的数据库55中选择提供最低的每比特能量-发送功率比的角度。

在图9中示出由调制解调器50的层1控制器控制的波束控制算法的一般形式。可以使用FDD和TDD通信方案二者来执行这种方法。在块90中，设置初始波束形成向量。在块91中，通过应用这个向量来执行规则的LTE发送。对于发送的每个帧，根据编码率、比特率和调制方案计算指标(metric)。例如，这种指标可以是对于在平坦衰落信道中的准无差错检测而言每比特所需要的能量。在任何情况下，将所述指标与该帧的发送功率一起存储在诸如图5的数据库55的数据库中。当基站调整终端的发送功率时，发送功率将适应于链路质量。

在几个帧后，终端选择不同的波束形成向量，如在块92中描述。在块93中，在应用这个新的向量的情况下，继续规则的LTE发送。再次，计算指标并存储在数据库55中。在几个帧后，评估该数据库，并且将具有最低的指标-发送功率比的波束形成向量选定作为新的初始向量，如块94中所示。然后，算法返回到块91。

考虑这种算法的几种修改。在第一种修改中，从在图5的数据库55中存储的一组波束形成向量任意地选择波束形成向量。在任意选择处理中，已经示出质量指标-发送功率比的波束形成向量被分配较高的可能性。

在第二种修改中，预先计算一组波束形成向量，并且根据增加或减少的角度来分类波束形成向量。从两个最近邻居任意地或交替地选择被试验的每个新的波束形成向量。这种方法将波束控制到链路质量最佳的方向。

在另一个实施例中，通过使用角度作为参数的计算来迭代地确定波束形成向量。然后，从一个迭代到下一个迭代略修改该角度。根据结果产生的调整的发送功率，然后该角度被进一步增大，或被设置回原始值并然后被减少。

对于LTE-TDD，当上行链路和下行链路共享同一频带时，终端可以直接地从接收到的信号计算最佳波束方向。即，符合LTE的终端在与接收到的信号的主要方向相同的方向上设置上行链路波束形成。然而，这仅在基站使用相同的天线来进行发送和接收的情况下是可能的。而且，这种方向估计方法可能暗示比如上所述的迭代波束控制的方法更复杂。

图10示出可以用于FDD和TDD通信方案的、用于将发送波束控制在最佳方向的算法的不同实施例的流程图。这种选择算法利用由LTE标准定义的信道探测技术。根据这种信道探测技术，终端周期地发送在频率范围的全部或一部分中的探测参考信号(SRS)，该信号对于基站是已知的。基站评估由终端接收到的SRS，以分配用于由这个终端的上行链路发送的最佳子载波。本发明的一个优选实施例使用这些SRS来探测波束形成图案，并且找到要将波束控制到的最佳方向。

特别地，利用经由SRS的上行链路信道探测和用于天线转换的LTE过程来执行闭环波束形成控制，如参考图10详细所述。与图9的上行链路波束形成方法相反，图10的方法要求在基站中进行提供，以支持如下详述的算法。

在块110中初始设置公共波束形成向量。“公共”波束形成向量在此是在图8的85应用以在用于发送上行链路业务数据的特定方向上形成波束图案的向量。在块120中选择替代的波束形成向量。在块130中，终端开始发送。使用在块110中设置的公共波束形成向量来执行业务数据的规则的LTE发送(132)。除了业务数据之外，终端周期地发送探测参考信号(SRS)134，其中，终端在两个波束形成向量、公共波束形成向量和获得波束的不同角度的替代波束形成向量之间切换。在此，基站必须知晓在时间上的映射模式。

在块210中，基站接收分别使用公共和替代波束形成向量调制的规则业务信号和SRS二者。在块220中，基站根据用于接收到的SRS二者的信道质量测量计算质量指标。在判定块230中，基站将分别对公共和替代波束形成向量计算的指标作比较，并且判定使用公共波束形成向量进行还是使用替代波束形成向量进行。

如果使用替代向量调制的SRS的质量指标比使用公共向量调制的SRS质量指标好，换句话说，如果替代向量获得较好的性能，则基站触发使用这个向量来用于随后的发送。这通过使用由LTE标准提供的天线转换信令来进行。因此，在块240中，基站向终端发送天线转换请求。然后，控制返回到块210。如果公共波束形成向量提供较好的指标，即在判定块230中的答案是“否”，则不以信号通知天线转换，并且控制返回到块210。

在终端侧，在块140，终端监控来自基站的用于天线转换请求的信令。如果接收到天线转换请求，即在判定块140中的回答为“是”，则在块160中，终端将至此用于业务发送的公共向量替换为替代向量。然后，控制返回到定义新的替代向量的块120，并且在块130中，使用诸如在块160中定义的新的公共向量来继续规则的LTE发送，并且，交替地使用新的公共向量和新的替代向量来继续SRS发送。

然而，如果在判定块140中的回答为“否”，即终端未从基站接收到天线转换请求，则在判定块150中，终端确定定时器是否已经期满，该定时器定义了特定时间，在该特定时间后，替代向量期满。如果定时器还没有期满，则终端继续监控来自基站的用于天线转换请求的信令。当在块150中定时器期满时，处理以块120继续，其中，定义新的替代向量，并且在块130中，使用旧的公共向量来继续规则的LTE发送，并且交替地使用旧的公共向量和新的替代向量来继续SRS发送。

图10的算法特别有益，因为：

(1)控制回路仅依赖于在标准LTE基站中可获得的测量；

(2)信号作用使用标准的LTE特征；

(3)该回路保持在基站的直接控制下；

(4)在规则的LTE上行链路发送中，相变仅发生在基站已知的时间。这使能任意步长的波束改变，而不降级规则的发送的性能变差。

还考虑在图9和10中图示的算法的组合的数目。根据本发明的一个实施例，无线通信终端被设计为支持结合图9和10描述的两种优选波束控制算法。因此，终端可以执行图10的波束控制算法，并且在没有来自基站的响应的情况下，可以假定基站不支持这种波束控制算法，并且跳到图9的波束控制算法，图9的波束控制算法在除了由LTE标准强制限定之外无需基站的任何支持下起作用。

在另一种修改中，根据本发明的终端可以同时执行图9和10的两种波束控制算法。在该情况下，在图9中图示的自主算法的增量步长较小，和/或，在从基站接收到图10算法的转换命令后，将中断图9的算法。

在另一种替代方式中，可以提供第二定时器，其定义在没有来自基站的响应的情况下从图10的算法跳到图9的算法的时间。

在另一个实施例中，以不要求基站支持多个UE发送天线的方式来组合图9和10的算法。UE或终端自主地探测不同的发送方向，而在基站中无需任何修改，如图9的算法的情况，但是UE或终端使用SRS探测来试验不同的波束形成向量，如图10的算法的情况。具体地说，终端初始朝第一方向发送规则的业务数据和探测参考信号(SRS)两者，即使用相同的波束形成向量。在例如具有1秒的数量级的预定间隔后，终端改变用于发送SRS的波束形成向量。以这种方式，终端在继续朝第一方向发送业务数据的同时试验用于SRS的不同发送方向。基站监控从终端接收到的SRS，并且在它看到在与当前分配给那个终端的频率范围不同的频率范围内的SRS的较好接收质量的情况下，它将那另一个频率范围分配到终端以用于终端的上行链路发送。响应于从基站接收到的频率转换请求，终端将不仅改变到由基站分配的频率范围，而且根据本发明将另外改变到用于发送最近的SRS的不同的波束形成向量，并且将开始朝那个新的方向发送业务数据。然后，终端通过改变到用于发送SRS的新的波束形成向量来继续探测不同的发送方向。如图9的算法那样，终端根据相应的波束形成向量和频率范围来监控每个发送的质量指标，终端将结果存储在数据库中，使得数据库包含在与由基站分配的相应频率范围相关联的全部探测的波束角度上的质量指标。事实上，对于这个实施例，终端选择用于SRS的波束图案来探测新的假设，并且基站在它看到在不同的频率范围内的更好上行链路性能的情况下间接地并且不知不觉地选择这个新的假设。通过使用来自数据库的性能结果来选择新的方向，可以将发送波束迭代地控制到最佳的发送方向。

本发明的波束控制算法假定准静态信道，准静态信道即在几秒或几十秒的数量级的时间段内没有相当大地改变的信道。这尤其是对于向在农村地区中的通信网络提供无线接入的家庭网关，但是这也在当在准静态条件下使用的移动LTE用户设备中有益，该移动LTE用户设备诸如是在膝上型计算机、PDA、移动电话、汽车等中的通信设备。

Claims (16)

1.一种用于在符合长期演进(LTE)的通信系统中的上行链路数据发送的方法，所述符合长期演进(LTE)的通信系统包括基站和至少一个无线通信终端，其中，所述基站向所述至少一个终端的每个发送各自的功率控制信号，使得把所述至少一个终端的上行链路发送功率控制为上行链路信号的无差错检测所需要的最小功率，并且其中，所述至少一个终端包括包含有RF前端和基带单元的调制解调器以及至少两个天线，所述调制解调器被适配来支持在所述至少两个天线上的同时接收，

其特征在于，

所述调制解调器被进一步适配来支持在所述至少两个天线上的同时发送，并且，所述方法包括：

定义(90，110)用于发送业务数据的第一上行链路发送方向；

产生上行链路发送信号；

通过下述步骤以波束被导向所述第一上行链路发送方向的波束图案来发射所述上行链路发送信号：

把所述上行链路发送信号作为第一发送信号Tx1馈送到所述终端的第一天线，

产生第二发送信号Tx2作为所述第一发送信号的相移版本并且把所述第二发送信号馈送到所述终端的第二天线，

其中，所述第二信号的所述相移被适配，使得分别由所述第一和第二天线发送的所述第一和第二信号被建设性地组合，以形成所述波束被导向所述第一上行链路发送方向的波束图案。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的产生所述第二发送信号Tx2的步骤包括：在所述终端的所述基带单元中的循环前缀增加步骤后，将所述第一信号乘以(65)复指数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述产生所述第二发送信号Tx2的步骤包括：在IDFT产生步骤之前，把从在所述终端的所述基带单元中的资源映射步骤输出的信号乘以(85)形式的相位向量，其中，N是所述IDFT的大小。

4.根据权利要求1至3的任何一项所述的方法，所述方法用于时分双工(TDD)通信方案，其中，用于发送业务数据的所述第一上行链路发送方向被定义为从所述基站接收的信号的主方向。

5.根据权利要求1至3的任何一项所述的方法，进一步包括步骤：

定义(92；120)第二上行链路发送方向；

根据所述第一和所述第二上行链路发送方向的性能特征确定发送质量指标(91，93；220)；以及，

所述基站和/或所述终端根据由所述基站规定的所述上行链路发送功率来评估(94；230)所述发送质量指标，并且，

如果所述第二上行链路发送方向的所述指标比所述第一上行链路发送方向的所述指标好，则把所述第一上行链路发送方向替换为所述第二上行链路发送方向，并且开始朝所述第二上行链路发送方向发送业务数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述确定发送质量指标的步骤包括在所述无线通信终端中根据编码率、比特率和调制方案计算指标；

所述方法进一步包括：

在所述终端的数据库(55)中存储所述指标连同所述基站规定的相关联的发送功率，并且其中，所述评估步骤包括：

比较所述第一和第二上行链路发送方向的指标-发送功率比(94)，并且，选择这种比最低的那个方向用作发送业务数据。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述确定发送质量指标的步骤包括：

由所述终端朝所述第一上行链路发送方向发送(134)探测参考信号(SRS)，并且替代地，由所述终端朝所述第二上行链路发送方向发送SRS；

对于由所述终端朝所述第一上行链路发送方向发送的所述SRS和由所述终端朝所述第二上行链路发送方向发送的所述SRS这二者，所述基站根据在所述基站处的接收质量来计算(220)指标；

其中，所述方法进一步包括：

在所述基站中比较(230)所述指标，并且如果所述第二上行链路发送方向的指标比所述第一上行链路发送方向的指标好，则从所述基站向所述终端发送(240)转换信号；

响应于在所述终端处的所述转换信号的接收，把所述第一上行链路发送方向替换(160)为所述第二上行链路发送方向，并且开始朝所述第二上行链路发送方向发送业务数据(132)；以及，

选择第三上行链路发送方向，用于与朝所述第二上行链路发送方向的SRS交替地发送SRS；以及

如果所述终端在定时器期满前未接收到转换信号(150)，则继续朝所述第一上行链路发送方向发送业务数据，并且把第三方向选择(120)为用于与朝所述第一上行链路发送方向的SRS交替地发送SRS的新的替代方向。

8.根据权利要求1至3的方法，在所述终端内进一步包括步骤：

定义第二方向；

朝所述第二方向发送探测参考信号(SRS)；

收听来自所述基站的频率转换信号；

响应于从所述基站接收到的频率转换信号，转换到由所述基站分配的所述频率，并且把所述第一上行链路发送方向替换为所述第二方向，以开始朝所述第二方向发送业务数据；以及

如果在定时器期满前未接收到转换信号，则继续朝所述第一上行链路发送方向发送业务数据，并且定义用于发送SRS的第三方向。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

根据所述上行链路发送方向的每个的编码率、比特率和调制方案确定发送质量指标，并且，把所述指标与相应的上行链路发送方向相关联地、并与由所述基站分配的相关联的频率范围一起存储在所述终端的数据库(55)中；以及

使用所述数据库来定义用于发送SRS的下一个方向。

10.一种在符合长期演进(LTE)的通信系统中的无线通信终端，所述符合长期演进(LTE)的通信系统包括基站和多个终端，其中，所述基站向所述终端的每个发送各自的功率控制信号，使得把所述终端的上行链路发送功率控制为上行链路信号的无差错检测所需要的最小功率，所述终端包括包含有RF前端(51)和基带单元(52)的调制解调器(50)以及至少两个天线，所述基带单元包括下行链路接收机(54)、上行链路发射机(53)、至少一个控制器(56，58)，并且所述调制解调器被适配来支持在所述至少两个天线上的同时接收，

其特征在于：

所述调制解调器(50)进一步包括：至少两个发送路径，用于支持在所述至少两个天线上的同时发送；以及移相部件(65；85)；以及

所述调制解调器被适配来产生用于馈送到第一天线的第一上行链路发送信号；

所述控制器用来定义用于业务数据的发送的第一上行链路发送方向，并且向所述移相部件提供移相信息；

所述相移部件被适配来产生第二发送信号，作为用于馈送到第二天线的所述第一发送信号的相移版本；以及，

所述第一和第二天线被适配来分别同时发送所述第一和第二信号，使得所述信号建设性地组合以形成所述波束被导向由所述控制器定义的所述第一上行链路发送方向的波束图案。

11.根据权利要求10所述的终端，其中，所述终端的天线以大约λ/2为间距，其中λ是对应于所述终端的发送频率的波长。

12.根据权利要求10或11所述的终端，其中，所述移相部件包括连接在循环前缀增加器和所述调制解调器的所述基带单元的双上行链路发射机的第二输出之间的乘法器(65)。

13.根据权利要求10或11所述的终端，其中，所述移相部件包括连接在资源映射单元和经由第二IDFT单元和第二循环前缀增加器的、所述调制解调器的所述基带单元的双上行链路发射机的第二输出之间的乘法器(85)。

14.根据权利要求10至13的任何一项所述的终端，进一步包括数据库(55)，其中，所述控制器进一步用于：

定义(92)第二上行链路发送方向；

根据所述第一和第二上行链路发送方向的编码率、比特率和调制方案计算(91，93)计算发送质量指标，并且在所述数据库中与相关联的发送功率电平一起存储(91，93)所述指标；

比较所述第一和第二上行链路发送方向的指标-发送功率比(94)，并且选择这种比最低的那个方向用于发送业务数据。

15.根据权利要求10至13的任何一项所述的终端，所述控制器进一步用于：

朝所述第一上行链路发送方向发送(134)探测参考信号(SRS)，并且替代地，向所述第二上行链路发送方向发送SRS；

收听来自所述基站的转换信号；

响应于从所述基站接收到(140)的转换信号，把所述第一上行链路发送方向替换(160)为所述第二上行链路发送方向，以开始朝所述第二上行链路发送方向发送业务数据；以及

如果在定时器期满前未接收到转换信号(150)，则继续朝所述第一上行链路发送方向发送业务数据(132)，并且选择(120)第三方向作为用于与朝所述第一上行链路发送方向的SRS交替地发送SRS的新的替代方向。

16.一种在符合长期演进(LTE)的通信系统中的基站，所述符合长期演进(LTE)的通信系统包括所述基站和根据权利要求15所述的多个无线通信终端，所述基站包括基站控制器，所述基站控制器用于：

与来自第一终端的第二SRS交替地接收(210)第一探测参考信号(SRS)：

根据所述第一和第二探测参考信号二者的接收质量来计算(220)发送质量指标；

比较(230)所述质量指标；以及

如果所述第二上行链路发送方向的所述质量指标比所述第一上行链路发送方向的所述质量指标好，则向所述第一终端发送(240)转换信号。

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