CN102571181B

CN102571181B - 一种下行波束赋形方法、装置及基站

Info

Publication number: CN102571181B
Application number: CN201010608398.9A
Authority: CN
Inventors: 刘敏; 刘广
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: CN102571181A; WO2012088971A1

Abstract

一种下行波束赋形方法、装置及基站，可节省上行带宽，提高系统吞吐量。方法包括：从第一列表中筛选出满足以下条件的第一类终端：下行CINR大于BF退出门限且终端的BF增益小于预定门限；第一列表用于记录当前启用BF的终端的标识信息；收回第一类终端的上行权值估计资源，停止第一类终端的下行BF，并将第一类终端从第一列表中删除；从第二列表中选择满足以下条件的第二类终端：不属于第一列表且终端下行CINR小于BF进入门限；第二列表用于记录具备BF能力的终端的标识信息；为第二类终端分配上行权值估计资源，启用下行BF，并将第二类终端加入到第一列表中。装置包括第一筛选模块、第二筛选模块、停止BF模块和开启BF模块。

Description

一种下行波束赋形方法、装置及基站

技术领域

本发明涉及到波束赋形(Beam-forming，简称BF)技术，具体涉及下行波束赋形的方法、装置及基站。

背景技术

随着无线通信的广泛普及，各种类型的数据业务在无线通信系统中的应用，高速传输的数据业务的需要使得无线系统频谱利用率成为最为关键的性能指标。波束赋形(Beam-Forming)是一种应用于小间距的天线阵列多天线传输技术，其主要原理是利用空间信道的强相关性及波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向，从而提高信噪比，提高系统容量或者覆盖范围。波束赋形相当于对每个用户形成一组跟踪该用户的高增益天线阵列，利用多天线阵列行程的波束，使信号在用户所在位置达到最强。如图1所示。

下面介绍一些术语的含义：

方向图：天线在一定的覆盖范围内都有一定的天线增益，在某一方向上的增益可能会大于另一方向的增益，阵列的方向图定义为当阵列输入为平面波时，阵列输出(通常只考虑输出幅度或功率)与平面入射角的关系。

波束形成：虽然阵列天线的方向图是全方向的，但阵列的输出经加权求和后，却可以使阵列接收的方向增益聚集在一个方向上，相当于形成了一个波束。这种把来自不同阵元的信号进行加权处理合并的过程就是波束形成，如图2所示。其数学模型可以描述如下：

假设有输入的数据为s₁，…s_n，权值为w₁，…w_n的系统，其输出为：

y (t) = w_{1}^{*} s_{1} + w_{2}^{*} s_{2} + . . . + w_{n}^{*} s_{n} = w^{H} s (t),

这里，为w₁的共轭，w＝[w₁，…w_n]^T，s(t)＝[s₁，…s_n]^T，T表示转置，w^H表示w的共轭转置。

天线之所以称为“智能天线”，在于天线阵列的权重向量可以控制天线阵列的方向图，使之形成不同指向的波束。权重因子根据自适应算法可以进行最优化调整，以对当前的传输环境进行匹配。

但是，波束赋形的对象，即对哪些用户进行波束赋形还没有判定方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种下行波束赋形方法、装置及基站，能够节省上行带宽，提高系统吞吐量。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种下行波束赋形(BF)方法，包括：

从第一列表中筛选出满足以下条件的第一类终端：下行载波与干扰和噪声比(CINR)大于BF退出门限且该终端的BF增益小于预定门限；所述第一列表用于记录当前启用BF的终端的标识信息；

收回所述第一类终端的上行权值估计资源，停止该第一类终端的下行BF，并将该第一类终端从第一列表中删除；

从第二列表中选择满足以下条件的第二类终端：不属于第一列表且该终端下行CINR小于BF进入门限；所述第二列表用于记录具备BF能力的终端的标识信息；

为该第二类终端分配上行权值估计资源，启用下行BF，并将该第二类终端加入到第一列表中。

进一步地，BF退出门限为某调制编码方式M1对应的下行CINR进入门限或信号强度指示(RSSI)进入门限；BF进入门限为某调制编码方式M2对应的下行CINR进入门限或RSSI进入门限；其中M1的编码率大于M2。

进一步地，所述下行CINR为基站统计的一段时间内的平均下行CINR。

进一步地，所述第一列表中终端的个数由上行权值估计资源决定。

进一步地，所述方法还包括：当具备BF能力的终端接入网络时，判断所述第一列表中是否有空闲位，如果有，则为该终端分配权值估计资源，并针对该终端启动BF。

进一步地，所述方法由具有四根及四根以上的天线的基站实现。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种进行下行波束赋形(BF)的装置，包括第一筛选模块、第二筛选模块、停止BF模块和开启BF模块，其中：

所述第一筛选模块，用于从第一列表中筛选出满足以下条件的第一类终端：下行载波与干扰和噪声比(CINR)大于BF退出门限且该终端的BF增益小于预定门限；所述第一列表用于记录当前启用BF的终端的标识信息；

所述停止BF模块，用于收回所述第一类终端的上行权值估计资源，停止该第一类终端的下行BF，并将该第一类终端从第一列表中删除；

所述第二筛选模块，用于从第二列表中选择满足以下条件的第二类终端：不属于第一列表且该终端下行CINR小于BF进入门限；所述第二列表用于记录具备BF能力的终端的标识信息；

所述开启BF模块，用于为该第二类终端分配上行权值估计资源，启用下行BF，并将该第二类终端加入到第一列表中。

进一步地，所述BF退出门限为某高阶调制编码方式对应的下行CINR进入门限或信号强度指示(RSSI)进入门限；所述BF进入门限为某低阶调制编码方式对应的下行CINR进入门限或RSSI进入门限；其中M1的编码率大于M2。

进一步地，所述开启BF模块，还用于当具备BF能力的终端接入网络时，判断所述第一列表中是否有空闲位，如果有，则为该终端分配权值估计资源，并针对该终端启动BF。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种包含上述装置的基站。

本发明实施例利用终端信道条件、下行流量及BF对此终端的增益，来选择合适的终端来启用BF，保证在系统资源一定情况下，使得BF增益最大，提高系统吞吐量。

附图说明

图1为现有波束赋形基带处理流程图；

图2为均匀线性线阵元产生波束图；

图3为终端初始接入时进行BF用户判决的流程图；

图4为终端处于运行状态时进行BF用户判决的流程图。

具体实施方式

本发明描述的波束赋形技术是通过上行信道估计来进行下行波束赋形的多天线技术，因此需要依赖上行的资源和信道条件才能进行波束赋形。而上行权值估计的资源有限，如果让所有用户都使用下行波速赋形，会占用大部分的上行带宽，为了节省上行带宽，因此需要选择进行波束赋形的用户。

载波与干扰和噪声比(Carrier to Interference plus Noise Ratio，简称CINR)是信号效力的测量标准，用分贝(dBs)来表达。载波是有效信号，干扰可以是噪声或同频干扰或两者都有。为了使信号接收者可以解码信号，信号必须属于一个可接收的CINR范围，其与使用的技术(例如：CDMA、GSM或Wimax等)有关。通常使用CINR来决定当前下行调制编码方式(DIUC)，CINR越高，可使用的DIUC阶数越高，即编码率越高，换句话说就是频谱利用率越高。但当CINR接近范围上限时，再对其作BF的话，不会有任何有效增益效果，所以需要将上行权值估计资源给最需要波束赋形的用户来使用，以使系统达到最大增益。

为实现下行波束赋形，需要预设以下几个表，当然表格只是数据存储的形式，不排除采用其他形式存储：

BF启用列表(以下简称第一列表)：用于记录当前启用BF的终端的标识信息，BF启用列表中终端的总数取决于进行上行权值估计的资源，该资源足够M个终端进行上行权值估计，则BF启用列表中终端的总数即为M；

支持BF能力的用户列表(以下简称第二列表)，用于记录具备BF能力的终端的标识信息。

本发明实施例实现下行波束赋形的方法包括：

从第一列表中筛选出满足以下条件的第一类终端：下行CINR大于BF退出门限且该终端的波束赋形增益小于预定门限，

收回该第一类终端的上行权值估计资源，停止该第一类终端的下行波束赋形，并将该第一类终端从第一列表中删除；

从第二列表中选择满足以下条件的第二类终端：不属于第一列表且该终端下行CINR小于BF进入门限；

为该第二类终端分配上行权值估计资源，并启用下行波束赋形，并将该第二类终端加入到第一列表中。

上述BF退出门限例如是某调制编码方式M1对应的下行CINR进入门限或RSSI(信号强度指示)进入门限；该BF进入门限例如是某调制编码方式M2对应的下行CINR进入门限或RSSI进入门限，其中M1的编码率大于M2。

上述调试编码方式的进入门限是指满足某阶调制编码方式解调的CINR阀值，是基站侧对终端解调性能估计的一个阀值，当下行CINR高于N阶进入门限，基站侧将终端数据按照N阶进行调制编码，终端可以对N阶调制编码的数据进行解调。

上述下行CINR优选为基站统计的一段时间内的平均下行CINR。

上述基站优选为至少有四根天线，这样可以获得较好的增益，但也不排除仅使用两根天线的基站使用上述方法的情形。

优选地，具备BF能力的新终端接入后，如果第一列表有空闲位置，则为该终端分配上行权值估计资源，启用下行BF，并将该终端记入第一列表。

对于接入后的终端，该终端定期上报CINR，基站统计一段时间内每个终端的平均CINR；第一列表有空闲位置时，基站周期遍历第二列表，选择没有启用BF的低调制编码方式(低阶)的终端进入BF，将该终端加入第一列表；第一列表没有空闲位置时，遍历BF第一列表，选择一个高阶的且BF增益较小的终端，将其剔除出BF队列，停止该终端的权值估计和波束赋形，将权值估计资源空出来给更需要使用BF的终端使用。

选择低阶用户进入BF有两个原因：

i.由于低阶终端频谱利用率低，因此低阶终端启用BF后，更能提高系统吞吐量；

ii基站下行四天线发射时，进行下行BF产生的增益可以让终端升阶，因此选择低阶用户才有升阶的空间，能让BF的增益最大限度被系统利用。

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。在以下实施例中，如无特别说明，默认终端具备BF能力。

终端初始接入时，如图3所示，处理步骤如下：

步骤101，MS1(移动台1)接入网络；

步骤102，基站判断终端MS1是否具备BF能力，如果具备，则将该MS1加入第二列表，执行步骤103，如果不具备，按正常流程继续处理；

步骤103，基站判断第一列表是否有空闲位，如果有，则为该MS1分配权值估计资源，并使该MS1启用BF，否则，不启用BF。

终端处于运行状态时，终端周期上报下行CINR，基站侧保存和更新终端上报的下行CINR，基站定期进行BF用户判断，如图4所示，处理步骤如下：

步骤201，基站遍历第二列表，判断第二列表是否为空，如果为空，则本次流程结束，如果不为空，则执行步骤202；

步骤202，从第二列表中选择一个不属于第一列表的终端(MS2)；

可以随机筛选，或者按照优先级选择。

步骤203，统计MS2的下行CINR，判断该MS2的下行CINR是否小于BF进入门限，如果是，执行步骤204，否则，本次流程结束；

BF进入门限可以指定为某低阶调制编码方式对应的下行CINR进入门限N1，或者是RSSI(信号强度指示)进入门限。

步骤204，判断第一列表中是否有空闲位，如果有，执行步骤205，否则，执行206；

步骤205，将该MS2放入第一列表，为该MS2分配上行权值估计资源进行权值估计，对该MS2启用BF开始赋形；

步骤206，判断第一列表中是否有终端的下行CINR大于BF退出门限，如果有，执行步骤207，否则，本次流程结束；

BF退出门限可以指定为某高阶调制编码方式对应的下行CINR进入门限值N2，或者是RSSI(信号强度指示)进入门限N2。说明：N2＞＝N1。

步骤207，从CINR大于N2的终端中选择出BF增益最小的终端，收回其先前分配给该终端的权值估计资源，停止其的波束赋形，并将其退出第一列表。

除了筛选出BF增益最小的终端外，还可以筛选出BF增益次小的一个或多个终端，可设定一门限值进行筛选。

上述流程仅为一种实现方式，其可以有多种变型，例如：

步骤301，判断第一列表中是否有CINR大于BF退出门限值N2的终端，如果有，执行步骤302，否则，本次流程结束；

步骤302，从CINR大于N2的终端中选择出BF增益最小的h个终端(h为正整数且h≥1)，收回其先前分配给该终端的权值估计资源，停止其的波束赋形，并将其从第一列表中删除；

步骤303，基站遍历第二列表，判断第二列表是否为空，如果为空，则本次流程结束，如果不为空，则执行步骤304；

步骤304，从第二列表筛选出不属于第一列表，且下行CINR小于BF进入门限的k个终端(k为正整数且k≥1)；

筛选出的终端可以是一个也可以是多个。

步骤305，判断k是否小于等于h，如果是，则执行步骤307，否则，执行步骤306；

步骤306，从k个终端中选出h个终端，执行步骤307；

可以随机选择，也可以按照优先级选择。

步骤307，为该选择出的终端分配上行权值估计资源，启用BF开始赋形，并将该一个或多个终端写入第一列表，本次流程结束。

在其他实施例中，可以根据从第一列表中剔除的终端的个数从第二列表中选择加入的终端的个数。

通过周期性执行上述BF用户判断流程，以保证处于进行BF的终端都能获得较高的增益，从而提高系统的吞吐量。

实现上述下行波束赋形方法的装置包括第一筛选模块、第二筛选模块、停止BF模块和开启BF模块，其中：

优选地，所述BF退出门限为某高阶调制编码方式对应的下行CINR进入门限或信号强度指示(RSSI)进入门限；所述BF进入门限为某低阶调制编码方式对应的下行CINR进入门限或RSSI进入门限；其中M1的编码率大于M2。

优选地，所述下行CINR为基站统计的一段时间内的平均下行CINR。

优选地，所述开启BF模块，还用于当具备BF能力的终端接入网络时，判断所述第一列表中是否有空闲位，如果有，则为该终端分配权值估计资源，并针对该终端启动BF。

上述装置可应用于基站中。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种下行波束赋形BF方法，包括：

从第一列表中筛选出满足以下条件的第一类终端：下行载波与干扰和噪声比CINR大于BF退出门限且该终端的BF增益小于预定门限；所述第一列表用于记录当前启用BF的终端的标识信息；

为该第二类终端分配上行权值估计资源，启用下行BF，并将该第二类终端加入到第一列表中；

所述BF退出门限为某调制编码方式M1对应的下行CINR进入门限或信号强度指示RSSI进入门限；BF进入门限为某调制编码方式M2对应的下行CINR进入门限或RSSI进入门限；其中M1的编码率大于M2。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述下行CINR为基站统计的一段时间内的平均下行CINR。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述第一列表中终端的个数由上行权值估计资源决定。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述方法还包括：当具备BF能力的终端接入网络时，判断所述第一列表中是否有空闲位，如果有，则为该终端分配权值估计资源，并针对该终端启动BF。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述方法由具有四根及四根以上的天线的基站实现。

6.一种进行下行波束赋形BF的装置，包括第一筛选模块、第二筛选模块、停止BF模块和开启BF模块，其中：

所述第一筛选模块，用于从第一列表中筛选出满足以下条件的第一类终端：下行载波与干扰和噪声比CINR大于BF退出门限且该终端的BF增益小于预定门限；所述第一列表用于记录当前启用BF的终端的标识信息；

所述开启BF模块，用于为该第二类终端分配上行权值估计资源，启用下行BF，并将该第二类终端加入到第一列表中；

所述BF退出门限为某高阶调制编码方式M1对应的下行CINR进入门限或信号强度指示RSSI进入门限；所述BF进入门限为某低阶调制编码方式M2对应的下行CINR进入门限或RSSI进入门限；其中M1的编码率大于M2。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述下行CINR为基站统计的一段时间内的平均下行CINR。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述开启BF模块，还用于当具备BF能力的终端接入网络时，判断所述第一列表中是否有空闲位，如果有，则为该终端分配权值估计资源，并针对该终端启动BF。

9.一种进行下行波束赋形BF的基站，其包含如权利要求6-8任一项所述的装置。