CN103814530A - 用于波束成形来自具有多个天线的网络元件的发射的方法及所述网络元件 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，方法包含：在网络元件(10)的多个天线(20)中的目标天线处接收(S410)来自终端(30)的导频信号；基于所述所接收导频信号而确定(S420)所述目标天线的上行链路信道估计；及获得(S430)与所述目标天线相关联的校准系数。所述校准系数基于所述目标天线与所述多个天线中的不同一者之间的信道估计。所述方法进一步包含基于所述所确定上行链路信道估计及所述所获得校准系数而使用至少所述目标天线来波束成形(S440)到所述终端的发射。

Description

用于波束成形来自具有多个天线的网络元件的发射的方法及所述网络元件

背景技术

在无线通信系统中，基站传统上配备有小数目个天线。完全不同方法涉及具有空前数目个天线(M个)的基站，所述空前数目个天线(M个)使用多用户波束成形同时服务小得多的数目个移动终端(K个，其中M＞>K)。在同时服务下以天线对终端的大比率操作可产生频谱效率及能量效率两者的大增加。随着服务天线的数目增加及功率减小，最简单信号处理、前向链路上的共轭波束成形及反向链路上的匹配滤波渐近地实现接近最优性能。一个技术挑战是快速信道状态估计。

在M个基站天线及K个终端的情况下，大天线阵列(LSAS)基站涉及2M×K个信道。对于每一终端，基站可借助来自终端的一个导频发射而得到全部M个上行链路信道。然而，对于M个下行链路信道，基站可不得不发送M个导频。另外，终端将需要将信道估计反馈到基站。因此，将需要总共(M+1)K个导频发射。因此，在此系统中，按比例调整成为问题。

发明内容

至少一个实施例涉及一种波束成形来自具有多个天线的网络元件的发射的方法。

在一个实施例中，所述方法包含：在所述网络元件的所述多个天线中的目标天线处接收来自终端的导频信号；基于所述所接收导频信号而确定所述目标天线的上行链路信道估计；及获得与所述目标天线相关联的校准系数。所述校准系数基于所述目标天线与所述多个天线中的不同一者之间的信道估计。所述方法进一步包含基于所述所确定上行链路信道估计及所述所获得校准系数而使用至少所述目标天线来波束成形到所述终端的发射。

在一个实施例中，所述获得从存储器获得所述校准系数。

在一个实施例中，所述方法进一步包含：确定从所述目标天线到所述多个天线中的所述不同一者的信道的第一信道估计；确定从所述多个天线中的所述不同一者到所述目标天线的信道的第二信道估计；基于所述第一信道估计及所述第二信道估计而确定所述校准系数；及将所述校准系数存储于所述存储器中。

在一个实施例中，所述方法进一步包含：确定与所述目标天线相关联的第一发射及接收频率响应；确定与所述多个天线中的所述不同一者相关联的第二发射及接收频率响应；基于所述第一发射及接收频率响应及所述第二发射及接收频率响应而确定所述校准系数；及将所述校准系数存储于所述存储器中。

在一个实施例中，所述获得包含确定所述目标天线与所述多个天线中的所述不同一者之间的信道估计。

在另一实施例中，所述获得包含确定与所述目标天线相关联的发射及接收频率响应。

在一个实施例中，所述方法进一步包含：确定与所述目标天线相关联的第一发射及接收频率响应；确定与所述多个天线中的所述不同一者相关联的第二发射及接收频率响应；基于所述第一发射及接收频率响应及所述第二发射及接收频率响应而确定所述校准系数；及获得所确定校准系数。

在另一实施例中，所述方法进一步包含：确定与所述目标天线相关联的第一发射及接收频率响应；确定与所述多个天线中的所述不同一者相关联的第二发射及接收频率响应；基于所述第一发射及接收频率响应及所述第二发射及接收频率响应而确定所述校准系数；及获得所述所确定校准系数。

在一个实施例中，所述波束成形为共轭波束成形。

在另一实施例中，所述波束成形为迫零波束成形。

在一个实施例中，所述波束成形相干地增加所述终端处的所接收信号强度。

在另一实施例中，所述波束成形包含移除在波束成形所述发射中的相位误差。举例来说，所述波束成形可基于与所述目标天线相关联的发射及接收侧的频率响应而确定校准常数，且所述波束成形基于所述校准系数而移除所述相位误差。

在所述方法的另一实施例中，所述方法包含：在多个天线处接收来自终端的导频信号；基于在所述多个天线处所接收的所述导频信号而确定与所述多个天线中的每一者相关联的上行链路信道估计；及基于所述所确定上行链路信道估计及多个校准系数而波束成形从所述多个天线到所述终端的发射。每一校准系数基于所述多个天线中的一对天线之间的信道估计。

至少一个实施例涉及一种基站。

所述基站的一个实施例包含：多个天线；及存储器，其经配置以存储与所述多个天线中的目标天线相关联的至少一个校准系数。所述校准系数基于所述目标天线与所述多个天线中的不同一者之间的信道估计。所述基站还包含处理器，所述处理器经配置以基于在所述目标天线处从终端接收的导频信号而确定所述目标天线的上行链路信道估计。所述处理器经配置以基于所述所确定上行链路信道估计及所述所存储校准系数而使用至少所述目标天线来波束成形到所述终端的发射。

附图说明

依据本文中以下给出的详细说明及附图将更全面地理解本发明，其中相似元件由相似元件符号表示，所述附图仅以图解方式给出且因此不限制本发明，且附图中：

图1图解说明根据实施例的无线通信系统的一部分。

图2以图形方式图解说明形成在确定上行链路信道估计中计及的上行链路信道的组件。

图3以图形方式图解说明形成在确定下行链路信道估计中计及的下行链路信道的组件。

图4图解说明根据实施例的用于波束成形来自具有多个天线的网络元件的发射的方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图较全面地描述各种实例实施例，在所述附图中，展示一些实例实施例。

虽然实例实施例能够有各种修改及替代形式，但所述实施例在图式中以实例方式而展示且将在本文中详细地描述。然而，应理解，并不打算将实例实施例限制于所揭示的特定形式。相反，实例实施例将涵盖属于本发明的范围内的所有修改形式、等效物及替代形式。贯穿各图的说明，相似数字是指相似元件。

尽管在本文中可使用术语第一、第二等来描述各种元件，但此些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一元件进行区分。举例来说，第一元件可称作第二元件，且类似地，第二元件可称作第一元件，此并不背离本发明的范围。如本文中所使用，术语“及／或”包含相关联所列举物项中的一者或一者以上的任何及所有组合。

当元件称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可直接连接或耦合到另一元件，或可存在介入元件。相比之下，当元件称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在介入元件。用于描述元件之间的关系的其它词应以相似方式解释(例如，“在…之间”对“直接在…之间”，“邻近”对“直接邻近”等)。

本文中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的且并不打算具有限定性。如本文中所使用，单数形式“一(a、an)”及“所述(the)”也打算包含复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，当用于本文中时，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”及／或“包含(including)”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件及／或组件的存在，但并不排除一个或一个以上其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件及／或其群组的存在或添加。

还应注意，在一些替代实施方案中，所述的功能／动作可不按图中所述的次序发生。举例来说，取决于所涉及的功能性／动作，可实际上大致同时地执行或可有时以相反次序执行接连展示的两个图。

除非另有界定，否则本文中所使用的所有术语(包含技术及科学术语)均具有与实例实施例属于的技术领域的技术人员的通常理解相同的含义。将进一步理解，术语(例如，常用字典中所定义的那些术语)应解释为具有与其在相关技术的上下文中的含义一致的含义，且将不以理想化或过分形式化意义来解释，除非本文中明确如此定义。

就由控制器执行的算法而呈现实例实施例的部分及对应详细说明。如术语算法在此处所使用且如术语算法通常所使用，将算法设想为能达到所要结果的自相容的步骤序列。所述步骤是需要对物理数量进行物理操纵的步骤。通常但未必，这些数量采取能够存储、转移、组合、比较及以其它方式进行操纵的光学信号、电信号或磁信号的形式。已证明，主要出于常用的原因，将这些信号称作位、值、元素、符号、字符、项、数字或类似物有时较为方便。

在以下说明中提供具体细节以提供对实例实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将理解，可在不具有这些具体细节的情况下实践所述实例实施例。举例来说，可以框图展示系统以便不使实例实施例在不必要细节中模糊。在其它例子中，可在不具有不必要细节的情况下展示众所周知的过程、结构及技术以便避免使实例实施例模糊。

在以下说明中，将参考可实施为程序模块或功能过程的操作(例如，呈流程图(floWchart)、流程图(floW diagram)、数据流程图(data flow diagram)、结构图、框图等的形式)的动作及符号表示来描述说明性实施例，所述程序模块或功能过程包含例程、程序、对象、组件、数据结构等，其执行特定任务或实施特定抽象数据类型且可在现有网络元件、现有最终用户装置及／或后处理工具(例如，移动装置、膝上型计算机、桌上型计算机等)处使用现有硬件实施。此现有硬件可包含一个或一个以上中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路、现场可编程门阵列(FPGA)计算机或类似物。

除非另有明确所述或依据论述显而易见，否则例如“处理”或“计算”或“运算”或“确定”或“显示”或类似词语的术语是指计算机系统或类似电子计算装置的动作及过程，其将在计算机系统的寄存器及存储器内表示为物理电子数量的数据操纵及变换为在计算机系统存储器或寄存器或其它此类信息存储、发射或显示装置中类似地表示为物理数量的其它数据。

尽管流程图可将操作描述为顺序过程，但可并行地、同时地或同步地执行所述操作中的许多操作。另外，可重新布置所述操作的次序。过程可在完成其操作时终止，但还可具有图中未包含的额外步骤。过程可对应于方法、功能、过程、子例程、子程序等。当过程对应于功能时，其终止可对应于将所述功能返回到调用功能或主要功能。

还注意，实例实施例的软件实施的方面通常编码于某一形式的有形(或记录)存储媒体上或经由某一类型的发射媒体而实施。如本文中所揭示，术语“存储媒体”可表示用于存储数据的一个或一个以上装置，包含只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁性RAM、磁盘存储媒体、光学存储媒体、快闪存储器装置及／或用于存储信息的其它有形机器可读媒体。术语“计算机可读媒体”可包含但不限于便携式或固定存储装置、光学存储装置及能够存储、含有或载运指令及／或数据的各种其它媒体。

此外，实例实施例可由硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或其任何组合实施。当以软件、固件、中间件或微码实施时，用以执行必要任务的程序代码或代码段可存储于机器或计算机可读媒体(例如计算机可读存储媒体)中。当以软件实施时，一处理器或多个处理器将执行必要任务。

代码段可表示过程、功能、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件封装、类别或指令、数据结构或程序语句的任何组合。代码段可通过传递及／或接收信息、数据、自变量、参数或存储器内容而耦合到另一代码段或硬件电路。信息、自变量、参数、数据等可经由任何适合手段(包含存储器共享、消息传递、令牌传递、网络发射等)而传递、转发或发射。

如本文中所使用，术语“终端”可同义于移动用户、移动台、移动终端、用户、订户、无线终端、用户设备及／或远程站且可描述无线通信网络中的无线资源的远程用户。因此，终端可为无线电话、配备无线的膝上型计算机、配备无线的电器等。

术语“基站”可理解为一个或一个以上蜂窝基站、基站、节点B、增强型节点B、接入点及／或射频通信的任何终点。尽管当前网络架构可考虑移动／用户装置与接入点／蜂窝基站之间的区别，但下文所描述的实例实施例可通常适用于其中所述区别不太清楚的架构，举例来说，例如特定及／或网格网络架构。

从基站到终端的通信通常称作下行链路或前向链路通信。从终端到基站的通信通常称作上行链路或反向链路通信。

架构

图1图解说明根据实施例的无线通信系统的一部分。如所展示，基站10具有M个天线的大天线阵列20。举例来说，M可为100个天线，但不限于此数目。基站10还包含处理器12(例如，数字信号处理器)及存储器单元14。存储器单元14可为任何众所周知的存储媒体。处理器12控制基站10的操作及功能，且将数据等存储于存储器单元14中。下文将较详细地描述基站10的操作。

图1还图解说明基站10的覆盖区域中的终端30。在此说明中，为易于说明起见，已假设每一终端具有一个天线。然而，实施例不限于具有单个天线的终端且所述实施例可易于应用于具有一个以上天线的终端。如将了解，众多终端可在基站10的覆盖区域内。如图1中进一步所展示，g_mk是终端30(在此论述中视为第k个终端)与基站天线m(其中m=1、…、M)之间的空中上行链路信道；且h_mk是从天线m到终端k的空中下行链路信道。上行链路信道g_mk在任何给定时间均与下行链路信道h_mk相同。如先前所提及，在具有来自终端k的一个导频发射的情况下，基站10可估计从终端k到M个天线的M个上行链路信道：

注意，

包含基站10及终端k处的发射tx及接收rx链的效应，此接下来将论述。

为利用信道互易性，基站10计及发射链及接收链中的硬件差异。图2展示计及终端a’_k的发射tx链及基站天线m的接收rx链b_m(其中a’_k及b_m为相应频率响应)的上行链路信道

。符号中已使用上撇号来表明与终端30相关联的变量，并将其与与基站10相关联的变量进行区分。

图3展示计及第m个基站天线a_m的发射tx链及终端的接收rx链b’_k(其中a_m及b’_k为相应频率响应)的下行链路信道

。

理论

接下来，将描述基站10的操作背后的理论，且此将接着为基站10的操作的说明。

假设通过用终端到每一相应基站天线的上行链路信道的共轭乘以发射的信号^Sκ而应用共轭波束成形。共轭波束成形假设上行链路信道估计与下行链路信道估计相同，且因此，下行链路信道效应可通过用终端到每一相应基站天线的上行链路信道的共轭乘以发射的信号^sk而移除。根据此理论，具有以下式子：

$y_{\mathrm{\κ}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{{\hat{g}}^{*}}_{\mathrm{m\κ}}{\hat{h}}_{\mathrm{m\κ}}{s}_{\mathrm{\κ}}+n_{\mathrm{\κ}}---\left(1\right)$

其中y_k是在下行链路上于终端处所接收的信号且n_k为噪声。由于

针对不同天线而不同，因此在终端处将不能得到相干增益。实例实施例在基站的天线之间采用校准以获得相干增益，如下文将描述。此外，将了解，以上方程式用于共轭波束成形，且相干增益的缺少针对其它波束成形技术(例如迫零波束成形等)而存在。

操作

接下来，将关于图4详细地描述基站10的操作。图4图解说明根据实施例的用于波束成形来自具有多个天线的网络元件的发射的方法的流程图。如所提到，将相对于图1的架构而描述所述方法，但将了解，所述方法不限于此架构。

如所展示，在步骤S410中，基站10在M个天线阵列20处接收来自第k个终端30的导频信号。基于在阵列中的任何天线m处所接收的导频信号，在步骤S420中，基站20且更明确地说处理器12确定上行链路信道估计

。即，基站20可确定M个上行链路信道估计，其各自介于第k个终端与天线阵列20中的M个天线中的一者之间。然而，为简化说明起见，将相对于基站的M个天线中的称为第m个天线或目标天线的一者而描述所述方法。可使用用于确定信道估计的任何众所周知的方法。所确定上行链路信道估计可存储于存储器单元10中。

接下来，在步骤S430中，处理器12获得目标天线的校准系数。校准系数基于目标天线与阵列20中的M个天线中的另一者之间的上行链路信道及下行链路信道的信道估计。

在一个实施例中，基站10确定校准系数或多个校准系数，且接着将所述校准系数存储于存储器单元14中以供在图4的方法期间使用。在另一实施例中，可作为获得步骤S430的一部分而确定校准系数。

基站10可通过在阵列20中建立一个或一个以上参考天线而确定校准系数。举例来说，假设基站天线1建立为参考天线，那么针对每一天线m>1，前向信道及反向信道分别表示为G_ml及H_ml。可使用信道估计的任何方法。举例来说，G_ml及H_ml可通过发送用于RF链校准的导频而获得。接着，校准系数C_ml根据以下表达式(3)而确定：

其中

或者，C_m及C₁可根据任何众所周知的方式而个别地估计，且接着相乘以确定C_ml。作为进一步替代，a₁、b₁、a_m及b_m可根据任何众所周知的方式而单独地估计，且接着用于根据方程式(3)来确定C_ml。即，代替信道估计的基于RF的方法，可使用基于硬件或其它替代方法。

如上文所提到，代替使用天线1或仅天线1作为参考天线，可使用不同参考天线或一个以上参考天线。举例来说，可确定校准系数的集合，其中每一集合具有不同参考天线。每一集合还可具有针对其而确定校准系数的M个天线的不同子集合。

在步骤S440中，基站10执行基于目标天线的所确定上行链路信道估计及目标天线的校准系数而使用目标天线m来波束成形到终端30的下行链路上的发射。如将了解，波束成形通常涉及若干个天线，所述天线中的一者将为目标天线。返回到共轭波束成形的实例，代替乘以用于共轭波束成形的

，将发射的信号^sk乘以

或

并进行发射。如果使用前者，那么方程式(1)变成(假设天线阵列20的天线1为参考天线)：

$y_{\mathrm{\κ}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ml}}{{\hat{g}}^{*}}_{\mathrm{m\κ}}{\hat{h}}_{\mathrm{m\κ}}{s}_{\mathrm{\κ}}+n_{\mathrm{\κ}}---\left(4\right)$

从方程式(4)看到全部M个信号将相干地添加。

虽然相对于共轭波束成形而阐释基于校准系数的波束成形，但校准系数的使用同样适用于任何类型的波束成形，例如迫零等。

此外，虽然以上说明是相对于天线阵列20中的目标天线，但将了解，图4的方法可同时应用于天线阵列20中的一个以上天线。

相位误差

如由方程式(4)所展示，可存在恒定相位旋转项

。存在至少两种处理此的方式。

根据一个实施例，可添加用于每一数据发射的相位校正导频以校正任何相位误差。然而，实际上，此通常是不需要的。举例来说，在802.11或LTE无线标准中，数据发射中通常存在相位校正导频。这些导频影响此残余相位误差的校正。

如果在所发射数据符号中不存在相位校正导频，那么可使用进一步校准方法来移除方程式(4)中的相位误差。在此方法中，校准基站的参考天线(例如，天线1)与终端k之间的信道。此处，基站10确定校准常数为

.。如上文所论述，a₁、b₁、a'_k及b'_k可根据任何众所周知的方法而个别地确定，且接着依据其而确定D_1k。代替乘以用于共轭波束成形的，将发射的信号^sk乘以

。注意，

D_mk=D_lκC_ml(6)

方程式(6)表示间接信道校准。换句话说，一旦已相对于参考基站天线而校准基站天线且校准参考基站天线与终端之间的信道，那么基站10可使用方程式(6)来校准任何基站天线与终端之间的信道。

使用间接校准，共轭波束成形变为：

$y_{\mathrm{\κ}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{l\κ}}{C}_{\mathrm{ml}}{{\hat{g}}^{*}}_{\mathrm{m\κ}}{\hat{h}}_{\mathrm{m\κ}}{s}_{\mathrm{\κ}}+n_{\mathrm{\κ}}---\left(7\right)$

$=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|b_m\right|}^2{\left|g_{\mathrm{m\κ}}\right|}^2{\left|a_{\mathrm{\κ}}\right|}^2{s}_{\mathrm{\κ}}+n_{\mathrm{\κ}}---\left(8\right)$

如将了解，根据实例实施例的波束成形是完全可伸缩的且不需要来自终端的反馈。

如此描述实例实施例，将显而易见，所述实例实施例可以许多方式变化。此些变化并不视为背离所述实例实施例的精神及范围，且如所属领域的技术人员将显而易见，所有此些修改均打算包含于权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种波束成形来自具有多个天线(20)的网络元件(10)的发射的方法，其包括：

在所述网络元件的所述多个天线中的目标天线处接收(S410)来自终端(30)的导频信号；

基于所述所接收导频信号而确定(S420)所述目标天线的上行链路信道估计；

获得(S430)与所述目标天线相关联的校准系数，所述校准系数基于所述目标天线与所述多个天线中的不同一者之间的信道估计；及

基于所述所确定上行链路信道估计及所述所获得校准系数而使用至少所述目标天线来波束成形(S440)到所述终端的发射。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述获得是从存储器获得所述校准系数。

3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括：

确定从所述目标天线到所述多个天线中的所述不同一者的信道的第一信道估计；

确定从所述多个天线中的所述不同一者到所述目标天线的信道的第二信道估计；

基于第一系数及第二系数而确定所述校准系数；及

将所述校准系数存储于所述存储器中。

4.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括：

确定与所述目标天线相关联的第一发射及接收频率响应；

确定与所述多个天线中的所述不同一者相关联的第二发射及接收频率响应；

基于所述第一发射及接收频率响应及所述第二发射及接收频率响应而确定所述校准系数；及

将所述校准系数存储于所述存储器中。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述获得包含确定所述目标天线与所述多个天线中的所述不同一者之间的信道估计。

6.根据权利要求2所述的方法，其中所述获得包含确定与所述目标天线相关联的发射及接收频率响应。

7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

确定与所述目标天线相关联的第一发射及接收频率响应；

确定与所述多个天线中的所述不同一者相关联的第二发射及接收频率响应；

基于所述第一发射及接收频率响应及所述第二发射及接收频率响应而确定所述校准系数；及

获得所述所确定校准系数。

8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

确定与所述目标天线相关联的第一发射及接收频率响应；

确定与所述多个天线中的所述不同一者相关联的第二发射及接收频率响应；

基于所述第一发射及接收频率响应及所述第二发射及接收频率响应而确定所述校准系数；及

获得所述所确定校准系数。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述波束成形为共轭波束成形。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述波束成形为迫零波束成形。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述波束成形相干地增加所述终端处的所接收信号强度。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述波束成形包含移除在波束成形所述发射中的相位误差。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述波束成形基于与所述目标天线相关联的发射及接收侧的频率响应而确定校准常数，且所述波束成形基于所述校准系数而移除所述相位误差。

14.一种波束成形来自具有多个天线(20)的网络元件(10)的发射的方法，其包括：

在多个天线处接收(S410)来自终端(30)的导频信号；

基于在所述多个天线处所接收的所述导频信号而确定(S420)与所述多个天线中的每一者相关联的上行链路信道估计；

基于所述所确定上行链路信道估计及多个校准系数而波束成形(S440)从所述多个天线到所述终端的发射，每一校准系数基于所述多个天线中的一对天线之间的信道估计。

15.一种基站，其包括：

多个天线(20)；

存储器(14)，其经配置以存储与所述多个天线中的目标天线相关联的至少一个校准系数，所述校准系数基于所述目标天线与所述多个天线中的不同一者之间的信道估计；

处理器(12)，其经配置以基于在所述目标天线处从终端接收的导频信号而确定所述目标天线的上行链路信道估计，且经配置以基于所述所确定上行链路信道估计及所述所存储校准系数而使用至少所述目标天线来波束成形到所述终端的发射。

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