CN103814531A - 改进具有多个天线的网络元件处的发射增益的方法 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，方法包含：减小(S220)发射的波束宽度以增加开环波束成形增益；减小(S230)所述发射的信道带宽以增加信道带宽增益；及增加(S240)所述发射的序列长度以增加序列长度增益。在此实施例中，增益改进基于所述开环波束成形增益、所述信道带宽增益及所述序列长度增益的乘积。

Description

改进具有多个天线的网络元件处的发射增益的方法

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

)。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。

发明内容

通过使用大数目个天线，大天线阵列(LSAS)基站应能够将每天线的发射功率减小到几瓦特或甚至更低。因此，LSAS基站天线不再需要极高功率消耗的功率放大器或伴随的昂贵冷却设备。然而，蜂窝式网络还具有广播操作。举例来说，定时同步(还称为小区搜索)及寻呼通常需要广播操作。

由于基站在未知终端变得有用之前不知道那些终端的信道，因此基站可不使用闭环波束成形来改进增益(对于闭环波束成形，天线阵列使用到终端的信道的知识来选择性地将功率集中于前向链路上及选择性地在反向链路上收集功率)。为处理此问题，一个或一个以上实施例使用以下技术的组合：开环波束成形(例如，减小波束宽度)、减小信道带宽及增加序列长度(例如，增加用于小区搜索的同步序列长度或增加用于寻呼的重复编码的冗余)。

因此，至少一个实施例涉及一种改进具有多个天线的网络元件处的发射增益的方法。

在一个实施例中，所述方法包含：减小发射的波束宽度以增加开环波束成形增益；减小所述发射的信道带宽以增加信道带宽增益；及增加所述发射的序列长度以增加序列长度增益。在此实施例中，增益改进基于所述开环波束成形增益、所述信道带宽增益及所述序列长度增益的乘积。

在一个实施例中，所述减小波束宽度将所述波束宽度减小到所述网络元件的最小波束宽度。

在另一实施例中，所述减小波束宽度将所述波束宽度减小到低于与所述网络元件相关联的角度扩展。

在进一步实施例中，所述减小波束宽度将所述波束宽度减小固定量。

在一个实施例中，所述减小信道带宽将所述信道带宽减小到一个副载波。

在另一实施例中，所述减小信道带宽将所述信道带宽减小一个副载波。

在进一步实施例中，所述减小信道带宽将所述信道带宽减小固定量。

在一个实施例中，所述增加增加用于小区搜索的同步序列的长度。

在另一实施例中，所述增加增加用于寻呼的重复编码的冗余。

在一个实施例中，所述减小信道带宽减小所述信道带宽及所述增加增加所述序列长度，使得所述信道带宽增益乘以所述序列长度增益小于

其中N为广播信道上每秒所发送的消息的最大数目且τ为每一消息的持续时间。

在一个实施例中，所述方法进一步包含使用所述经减小波束宽度来波束成形。在一个实施例中，所述方法可进一步包含：使波束旋转；及使用所述经减小波束宽度来波束成形。举例来说，所述旋转使所述波束旋转所述经减小波束宽度的一半。

在另一实施例中，所述方法包含确定所要增益改进，且执行所述减小波束宽度、所述减小信道带宽及所述增加步骤以获得所述所要增益改进。举例来说，在一个实施例中，所述减小波束宽度将所述波束宽度减小第一固定量，所述减小信道带宽将所述信道带宽减小第二固定量，所述增加将用于小区搜索的所述同步长度或用于寻呼的重复编码的冗余增加第三固定量，且重复所述减小波束宽度、所述减小信道带宽及所述增加步骤直到获得所述所要增益改进为止。

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图解说明根据实施例的改进发射增益的方法。

图3展示波束成形期间的小区区段的实例。

图4展示旋转之后的波束成形的实例。

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做出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、函数、过程、子例程、子程序等。当过程对应于函数时，其终止可对应于将所述函数返回到调用函数或主要函数。

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、函数、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或其组合。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。如将了解，众多终端可在基站10的覆盖区域内。

通过使用大数目个天线，大天线阵列(LSAS)基站应能够将每天线的发射功率减小到几瓦特或甚至更低。因此，LSAS基站天线不再需要极高功率消耗的功率放大器或伴随的昂贵冷却设备。然而，蜂窝式网络还具有广播操作。举例来说，定时同步(还称为小区搜索)及寻呼通常需要广播操作。

由于基站在未知终端变得有用之前不知道那些终端的信道，因此基站可不使用闭环波束成形来改进增益。为处理此问题，一个或一个以上实施例使用以下技术的组合：开环波束成形、减小信道带宽及增加序列长度(例如，增加用于小区搜索的同步序列长度或增加用于寻呼的重复编码的冗余)。

操作

图2图解说明根据实施例的改进发射增益的方法。如所展示，在步骤S210中，系统设计者可确定所要增益改进。如由图2中针对此步骤的虚线框所指示，确定所要增益改进可是任选的。在步骤S210中，假设每一基站天线的最大发射功率为P1。假设传统基站以最大发射功率P0而发射。使g_tt为与传统基站相比LSAS基站的总的所要增益改进。此处，

举例来说，如果传统基站具有20瓦特的发射功率且LSAS基站天线仅需要2瓦特功率，那么g_tt=10。

接下来，在步骤S220中，系统设计者对基站10进行配置以减小波束宽度以将开环波束成形增益g_o改进为超过单个天线的开环波束成形增益。然而，波束成形增益受部署环境的角度扩展Θ_angs限制。角度扩展Θ_angs可根据任何众所周知的技术而确定。将有效波束宽度Θ_eff定义为实际波束宽度Θ_beam加上角度扩展Θ_angs。因此，波束成形增益g_o可表达为

举例来说，如果角度扩展为60°且将波束宽度设定为30°，那么g_o=360/(30+60)=4。在一个实施例中，将实际波束宽度减小到低于角度扩展。在另一实施例中，例如在此实例中，将实际波束宽度设定为角度扩展的一半。此外，使实际波束宽度维持高于系统的最小设计约束。在操作中，基站将波束成形到m=360/Θ_beam方向。

接下来，在步骤S230中，减小信道带宽以增加信道带宽增益g_b。如将了解，存在有限数目个调制方案。对于每一调制方案，存在关于所接收SNR的阈值，低于所述阈值，解码是不可能的。在固定总功率下，较小带宽意味着较大所接收信噪比SNR。在建立信道带宽资源的使用中，举例来说，在基于正交频分多路复用OFDM的系统中，基站10指派一个或一个以上副载波。因此，在一个实施例中，最小带宽为一个副载波，且在步骤S230中，系统设计者可将信道带宽减小到一个副载波。

接下来，在步骤S240中，增加序列长度以增加序列长度增益g_s。举例来说，在步骤S240中，可增加用于小区搜索的同步序列长度，及/或可增加用于寻呼的重复编码的冗余。假设初始或约定同步序列长度为L0且新的较长序列长度为L1，那么gs=L1/L0。此增益g_s可应用于用于小区搜索的同步信道及在其上发送每订户信息的寻呼信道。对于到寻呼信道的应用，可使用重复编码。

在N为广播信道上每秒所发送的消息(平均长度)的最大数目且τ为传统基站的每一消息的持续时间的情况下，如果系统将容量强加于广播信道，那么g_s及g_b的极限展示于以下表达式(2)中：

$g_s\&times;g_b<\frac{1}{\mathrm{\&tau;N}}---\left(2\right)$

接下来，在步骤S250中，在操作期间，基站10波束成形到m=360/Θ_beam。

作为进一步选项，为改进波束的边界之间的增益，基站10再次通过使波束旋转Θ_beam/2而波束成形，如步骤S260中所指示。举例来说，假设小区为120度区段，如图3中所展示。假设Θ_beam=60度。基站10首先以波束宽度Θ_beam按三个方向发出波束。为改进波束的边界之间的波束成形增益，基站10接着使波束旋转30度且波束成形到两个方向(每一波束宽度为60度)，如图4中所展示。代替形成最大角度扩展的波束，所述波束可定制到每一方向的角度扩展。

作为对图4的实施例的一个实例替代方案，步骤S220、S230及S240可各自基于固定增量而操作，且重复所述步骤直到达到所要增益改进为止。举例来说，步骤S220可将传统或初始波束宽度减小10度，步骤S230可将传统或初始带宽减小一个副载波，且步骤S240可将传统或初始序列延长初始序列长度的50%(或100%)。接着，可将总增益改进TGI=g_o×g_b×g_s与所要增益g_tt进行比较。如果TGI小于g_tt，那么重复步骤S220、S230及S240。如果否，那么处理继续进行到步骤S250。另外，TGI与g_tt的比较可在步骤S220、S230及S240中的每一者之后执行，其中如果TGI小于g_tt，那么处理继续进行到步骤S220、S230及S240中的下一者，且如果TGI不小于g_tt，那么处理继续进行到步骤S250。

仍进一步，如上文所描述，确定所要增益改进是任选的，且可在不具有目标增益改进的情况下执行所述方法以实现增益改进。另外，目标或所要增益改进可作为设计参数或基于实证研究而设定。

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)

1.一种改进具有多个天线(20)的网络元件(10)处的发射增益的方法，其包括：

减小(S220)发射的波束宽度以增加开环波束成形增益；

减小(S230)所述发射的信道带宽以增加信道带宽增益；及

增加(S240)所述发射的序列长度以增加序列长度增益；其中

增益改进基于所述开环波束成形增益、所述信道带宽增益及所述序列长度增益的乘积。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述减小波束宽度将所述波束宽度减小到所述网络元件的最小波束宽度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述减小波束宽度将所述波束宽度减小到低于与所述网络元件相关联的角度扩展。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述减小波束宽度将所述波束宽度减小固定量。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述减小信道带宽将所述信道带宽减小到一个副载波。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述减小信道带宽将所述信道带宽减小一个副载波。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述减小信道带宽将所述信道带宽减小固定量。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述增加是增加用于小区搜索的同步序列的长度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述增加是增加用于寻呼的重复编码的冗余。

10.根据权利要求1所述的方法，其中执行所述增加及所述减小信道带宽，使得所述信道带宽增益乘以所述序列长度增益小于其中N为广播信道上每秒所发送的消息的最大数目且τ为每一消息的持续时间。

11.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

使用所述经减小波束宽度来波束成形(S250)。

12.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

使波束(S260)旋转；及

使用所述经减小波束宽度来波束成形(S260)。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述旋转使所述波束旋转所述经减小波束宽度的一半。

14.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

确定(S210)所要增益改进；且其中

执行所述减小波束宽度、所述减小信道带宽及所述增加步骤以获得所述所要增益改进。

15.根据权利要求14所述的方法，其中

所述减小波束宽度将所述波束宽度减小第一固定量；

所述减小信道带宽将所述信道带宽减小第二固定量；

所述增加将所述序列长度增加第三固定量；且其中

重复所述减小波束宽度、所述减小信道带宽及所述增加步骤直到获得所述所要增益改进为止。

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