CN104067531B - Mu‑mimo系统中的下行链路传输 - Google Patents
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Abstract
一种用于管理多用户‑多入多出MU‑MIMO系统中的下行链路传输的方法，MU‑MIMO系统包括基站(1)以及与基站连接的一组远程无线单元(2a‑2c)，该方法包括以下步骤：/1/获得与用户设备(4a‑4d)关联的上行链路传输上的大尺度衰落相关的大尺度衰落数据；/2/通过使用大尺度衰落数据生成UE‑专用信道向量；以及/3/通过使用UE‑专用信道向量调度下行链路传输。
Description
技术领域
本发明涉及用于管理多用户-多入多出(MU-MIMO)系统中的下行链路传输的装置和方法。
背景技术
在本部分中描述的方法能够被实现，但不必然是已经在之前设想或实现的方法。因此，除非本文另行指示，本部分中描述的方法不构成本申请的权利要求的现有技术并且不因为包括在本部分中而被认为是现有技术。另外，所有实施方式不必然旨在解决本部分提出的所有问题或甚至任何问题。
由于多入多出(MIMO)天线系统的空分复用的性质，第三代合作伙伴计划(3GPP)长期演进(LTE)标准化研究已经为下行链路(DL)无线传输选择了多入多出天线系统，这带来显著的频谱效率改进。
广泛认为多用户MIMO(MU-MIMO)允许多用户分集的更好的开发。MU-MIMO系统具有通过空间分离在相同的时间并且在相同的子载波上被服务的多个用户。在MU-MIMO中面临的主要挑战是并非所有接收天线都能够协作，因此发射机只得通过多种方式(包括设计用于空间用户分离的编码器以及用于多用户分集开发的调度)处理用户间的干扰。已经发现MU-MIMO系统的吞吐量增益高度依赖于系统中可用的多用户分集的开发。
MIMO系统能够建立在分布式天线系统(DAS)中，其中多个远程天线端口分布在大的区域上并通过光纤、同轴电缆或微波链路与中央处理器连接。在3GPP的讨论中，DAS被称为多点协作传输(CoMP)系统。更具体地，在3GPP-LTE中的DAS是这样的系统，其包括装备有极端强大的基带单元(BBU)的基站(BS)和通过例如高速光纤连接至BBU的多个远程无线单元(RRU)。这些系统被用于覆盖大的地理区域(例如数百米)。当通常装备有多个天线的RRU负责射频(RF)信号和数字中频(IF)信号之间的转换时，该基带处理以及无线资源和网络管理功能性包含在BBU中。多个用户设备(UE)能够成对地互相合作以进行传输。
目前，已对用于频分双工(FDD)模式下的3GPP-LTE系统中的标准化的多种版本的线性预编码进行了讨论。基本上考虑两种预编码方案：信道向量量化(CVQ)和每用户归一化与速率控制(PU2RC)。
在CVQ中，来自UE的反馈指示码本入口，其中码本包含由UE估计的信道向量的量化版本。在BS处，使用UE的反馈计算迫零预编码器。
PU2RC限定包含信道向量本身的、而非可能的预编码向量的非量化版本的码本。然后，由BS接收的反馈实际上表示来自一组预定义的预编码器中的优选的预编码器。换言之，在BS处不需要预编码器的计算。
由于调度方案应该与预编码方案协同操作，因此存在与上述预编码方案对应的两种调度方案，从而为DL传输选择UE。一种与PU2RC预编码方案对应。该方案把报告正交预编码向量的UE分组并选择提供最高总吞吐量的组。另一种更常见并更渴望的策略适合CVQ预编码方案，其包括只要增加的UE增加整体吞吐量，就一次增加一个UE。已经发现，CVQ方案通常优于PU2RC方案。因此，CVQ是在3GPP-LTE FDD MU-MIMO系统中的DL传输的主流方案。
在3GPP-LTE中讨论的CVQ中，每个UE从大小为N＝2B(B是整数)的单位范数行向量的码本中选择量化向量该码本表达为：
C＝{c1，...，cN} (1)
根据最小欧几里得距离标准确定量化向量以使得：
对于所有的UE和BS，码本C之前是已知的。其经常被定义为离散型傅立叶变换(DFT)矩阵，其中通过截短大小为N的DFT矩阵的顶行获得量化向量。每个UE估计其实际的信道并将索引n反馈至具有B比特的BS。通常地，n被认为是第k个UE的信道方向信息(CDI)。
除了CDI，也就是除了码本索引n，BS应该使UE包括估计的信道质量信息(CQI)，该信道质量信息表达为：
其中，Mt是传输天线的数量，和N0是噪声功率。明显地，用于MU-MIMO系统中的用户调度的信道信息包括两个成分：CDI和CQI。
在BS处，组合的预编码矩阵由下式给出：
其中，是为传输选择的UE组，代表所选择的用户的级联量化的信道向量，是在传输的信号上加以功率约束的功率标准化系数的向量。由于假设总功率P平均地分配至每个传输天线，则：
其中，fk表示的第k列。
当用户组S被选择用于传输并且传输天线的数量是Mt时，用R(S)表示可实现的总速率。然后，用于用户选择的调度方法可进行如下描述：
表1
在调度阶段，R(S)可以被计算为：
其中γk是用户k的SINR并且给定为：
除了目前由3GPP LTE-A提出的上述方法，另一种建议已经在专利申请WO2011/077260中提出以改进在基于DAS建立的MU-MIMO中的系统吞吐量。所建议的策略与传统的LTE-A定义的CVQ方案相似，除了(1)BS为调度构建UE专用信道向量和(2)UE采取新方法计算其CQI这两点。
为了创建UE专用信道向量，UE可以向BS发出称为探测参考信号(SRS)的参考信号用于上行链路测量。然后，BS通过检测来自UE的SRS可以估计它的信号是否到达UE，将信道不可见性向量定义为：
其中，Si,j表示从UE i到RRU j的SRS强度，α是UE的接收机灵敏度。尽管FDD系统中在上行链路和下行链路之间没有信道相互作用，但是由于只要BS能够探测来自UE的信号，在系统部署之前的链路预算估计就能够确保下行链路信号对UE可见，因此在实际中，使用在上行链路上的SRS估计在下行链路上的信号能够到达UE的可能性。
在取得信道反馈和Vk后，BS能够将导向UE k的信道向量构建为：
其中，n是RRU的数量，Me是每个RRU中的天线数量，Tk指传输天线的数量，该传输天线的信号能够由UE接收。通常，
Tk＝sum(Vk) (11)
Tk≤Me (12)
其中，sum(.)代表向量的元素的总和，确保的范数是1。
在调度阶段，BS开发信道向量代替量化向量以计算预编码矩阵和用于传输的用户组。
另一方面，在UE侧，用于反馈的CQI被计算为：
尽管在3GPP-LTE中的DAS有助于增加系统容量和覆盖范围，但是在当前的编码方案和调度方法(特别是CVQ方法)用在分布式天线架构中时，可能选择具有显著的用户间干扰的过多用户。
由于RRU分散地位于UE周围并可以具有与UE完全不同的传播路径，因此UE探测这些RRU的信号强度为0是可能的，也就是由于深度衰减，所接收的信号具有在UE的接收机的灵敏度以下的强度。
因此，由UE估计的实际信道向量应该具有多个为0的元素，由传输的信号经历的组合的信道矩阵H(s)是：
其中，是大于0的信道增益元素，OK×Q是值为0的元素，K是所选择的用户数量，RRU的数量是L+Q＝Mt。
应该注意的是，L+Q应该不小于数量K，以保证无干扰传输。但是，由于由UE报告的量化向量不具有为0的元素，因此BS错误地假设来自所有传输天线的信号能够由UE接收。则BS可能选择多于L+Q个用户并生成错误的预编码矩阵，这必然导致显著的用户间干扰。
另一方面，根据信道量化的观点，由于来自一些RRU的信号不能由UE检测，因此在UE的反馈中总是有显著的量化错误。因此，在实际信道向量和反馈向量之间的量化错误也一直存在。由于量化错误大大地降低了系统吞吐量，因此明显地传统的CVQ方法不足以在使用分布式天线的架构中实现高吞吐量。
在WO2011/077260中提出的方法通过依靠由空间势垒形成的DL信号分离实现性能改进。换言之，能够通过例如距离和物理势垒的空间元素减弱来自BS的天线的无线信号。
但是，当在下行链路上没有强的空间信号分离时，与3GPP LTE-A相比，BS不能实现性能改进。
本发明将改进这种情况。
发明内容
为了解决这些需要，本发明的第一方面涉及一种用于在多用户-多入多出MU-MIMO系统中管理下行链路传输的方法，MU-MIMO系统包括基站以及与基站连接的一组远程无线单元，该方法包括以下步骤：
/1/获得在与用户设备关联的上行链路传输上的大尺度衰落相关的大尺度衰落数据；
/2/通过使用大尺度衰落数据生成UE-专用信道向量；以及
/3/通过使用UE-专用信道向量调度下行链路传输。
该方法的目的在于独立于穿透损耗值来改进系统吞吐量。
可以通过在基站处进行大尺寸衰落估计获得大尺度衰落数据。在这种情况下，可以通过使用从用户设备接收到的探测参考信号SRS进行大尺寸衰落估计。
例如，步骤/1/可以包括：在基站处，将由用户设备感测的远程无线单元天线分类为两组Di和Ui，Di和Ui表达为：
其中，lij表示从用户设备i到天线j的大尺度信道增益的估计。
可选地，可以通过在用户设备处进行大尺寸衰落估计获得大尺度衰落数据，在基站处接收来自用户设备的大尺度衰落数据。在这种情况下，可以通过使用来自基站的在用户设备处接收到的信道状态指示CSI-RS进行大尺度衰落估计。
例如，步骤/1/包括：在用户设备处，将由用户设备感测的远程无线单元天线分类为两组Di和Ui，Di和Ui表达为：
其中，lij表示从用户设备i到天线j的大尺度信道增益的估计。
步骤/2/可以包括：在基站处，按如下计算UE-专用信道向量：
其中，是由离散型傅立叶变换(DFT)码本中的用户设备反馈索引的码向量，Mt是远程无线单元天线的总数，Mi是组Ui的大小，定义Vi向量为其中：
本发明的第二方面涉及一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，在可读介质上具有包括程序指令的计算机程序，当计算机程序由数据处理单元执行时，计算机程序可以被加载至数据处理单元中并适于使数据处理单元执行根据第一方面的方法的步骤。
本发明的第三方面涉及一种多用户-多入多出MU-MIMO系统的基站，MU-MIMO系统还包括与基站连接的一组远程无线单元，基站被配置为：
/1/获得在与用户设备关联的上行链路传输上的大尺度衰落相关的大尺度衰落数据；
/2/通过使用大尺度衰落数据生成UE-专用信道向量；以及
/3/通过使用UE-专用信道向量调度下行链路传输。
本发明的第四方面涉及一种多用户-多入多出MU-MIMO系统，其包括根据第三方面的基站，以及与基站连接的一组远程无线单元。
附图说明
在附图中通过示例而并非限制的方式示出本发明，其中相同的参考符号表示相似的元件，在附图中：
图1是根据本发明一些实施方式的、基于分布式天线架构的MU-MIMO系统的示意图；
图2是示出根据本发明一些实施方式的、用于管理MU-MIMO系统中的下行链路传输的方法步骤的流程图；
图3是与图1相似的示意图，其中MU-MIMO系统包括与两个RRU连接的BS；以及
图4至图7是示出四种方案中系统吞吐量相对于UE数量的比较图。
具体实施方式
本发明的实施方式解决这样的问题，即改进基于分布式天线架构的多用户-多入多出(MU-MIMO)系统中的下行链路传输。
图1示出基于分布式天线架构的MU-MIMO系统。MU-MIMO系统包括：基站(BS)1，其装备有强大的基带单元(BBU)；以及多个远程无线单元(RRU)2a-2c，这些远程无线单元例如通过高速光纤3a-3c分别连接至BS 1。
BS 1被配置为进行基带处理，并管理无线资源和网络。每个RRU2a-2c装备有多个天线并被配置为在射频(RF)信号和数字中频(IF)信号之间进行转换。
MU-MIMO系统被配置为接收来自一组用户设备(UE)4a-4d的信号并向该组UE 4a-4d传输信号。
图2示出根据本发明的实施方式的、用于管理多用户-多入多出MU-MIMO系统中的下行链路传输的方法的步骤。
在步骤S1中，BS 1获得与上行链路传输上的大尺度衰落相关的大尺度衰落数据，该上行链路传输与UE 4i(下标i可为图1的示例中的a、b、c或d)关联。
BS 1获得大尺度衰落数据可以有两种方式。第一种是基于UE的报告，第二种是基于在BS 1处进行的大尺度衰落的估计。
根据本发明的第一实施方式，在BS 1处从UE 4i接收大尺度衰落数据。
这里，通过使用信道状态指示CSI-RS在UE 4i进行大尺度衰落估计。
然后，UE 4i进行以下操作，即，将由UE 4i感测的RRU的天线分类为两组Di和Ui，Di和Ui表达为：
其中，lij表示从UE 4i到天线j的大尺度信道增益的估计。
然后，UE 4i计算包含大尺度衰落数据的向量Vi，并将其定义为其中：
然后，UE 4i确定导向UE的码本Ci为：
其中CDFT表示在3GPP LTE-A中定义的DFT码本。
然后，UE 4i使用码本Ci例如通过遵循在3GPP LTE-A规范中定义的方式计算它的信道方向信息(CDI)和信道质量信息(CQI)。
然后，在从UE 4i到BS 1的反馈中，UE 4i报告它的CDI、CQI以及向量Vi。反馈可以周期性地进行。
例如，基于下行链路CSI-RS估计，在UE 41处确定的向量V1可以是V1＝(1,0,0)。然后，UE 41可以使用修改的码本计算它的CDI和CQI。最后，当报告至BS1的CDI仍然表现为指向在3GPP LTE-A DFT码本中的向量(h1,h2,h3)的索引(index)时，基于(h1,0,0)的向量计算CQI反馈。在BS 1侧，BS 1使用CDI和从UE 41报告的向量V1确定导向UE 41的信道向量为(h1,0,0)。
根据本发明的第二实施方式，通过在BS 1处进行大尺度衰落估计获得大尺度衰落数据。可以通过使用从UE 4i接收的探测参考信号SRS执行该估计。
这里，UE 4i估计下行链路上的CSI-RS的大尺度衰落以计算它的向量Vi。然后，UE4i使用向量Vi计算CDI和CQI以向BS 1报告。向量Vi没有报告至BS 1。
例如，基于下行链路CSI-RS估计，在UE 41处确定的向量V1可以是V1＝(1,0,0)。然后，UE 41可以使用修改的码本计算它的CDI和CQI。最后，当报告至BS1的CDI仍然表现为指向在3GPP LTE-A DFT码本中的向量(h1,h2,h3)的索引时，基于(h1,0,0)的向量计算CQI反馈。
步骤S1还包括在BS 1处将由UE 4i感测的RRU的天线分类为上文定义过的两组Di和Ui的操作。
例如，组Di和Ui的生成可进行如下描述：
表2
然后，定义包含大尺度衰落数据的向量Vi为其中：
在示例中，在BS 1侧，通过估计上行链路上的SRS，BBU能够获得也表达为(1,0,0)的向量V1。在从UE 41接收CDI报告之后，BS 1能够从DFT码本中提取出(h1,h2,h3)的信道向量。然后，BS 1可推断出导向UE 41的信道向量为(h1,0,0)。
为UE 4a-4d中的每个重复步骤S1。
在本发明的一些实施方式中，UE 4a-4d中的一部分可以报告它们各自的向量Vi，而UE 4a-4d中的其他部分不报告它们的向量Vi。
因此，步骤S1可以包括：在BS 1处，检测给定的UE 4i是否已经报告向量Vi。然后，如果UE 4i仅仅报告它的CDI和CQI，则BS 1只得使用上述公开的第二实施方式以确定UE-专用信道向量。如果UE 4i除了报告CDI和CQI外还报告了向量Vi，则BS 1能够使用上述公开的第一实施方式以生成UE-专用信道向量。
需要注意的是，即使以相同的方式计算，在UE 4i确定的向量Vi可以与在BS 1确定的向量Vi不同。事实上，在UE 4i确定的向量Vi是基于下行链路上的CSI-RS的估计计算的，而在BS 1确定的向量Vi是基于上行链路上的SRS的估计计算的。但是，如果BS 1能够从UE的报告取得向量Vi，则其不需要由自身计算向量Vi。
在步骤S2中，BS1通过使用在步骤S1中获得的大尺度衰落数据生成UE-专用信道向量。
对于UE 4i，BS 1按如下计算UE-专用信道向量：
其中，是由离散型傅立叶变换(DFT)码本中的UE反馈索引的码向量，Mt是RRU天线的总数，Mi是组Ui的大小。
为UE 4a-4d中的每个重复步骤S2。
在步骤S3中，BS 1通过使用在步骤S2中计算的UE-专用信道向量调度下行链路传输。
图3示出其中连接两个RRU 2a-2b的BBU 1的MU-MIMO系统，两个RRU 2a-2b覆盖分别以A、B、C命名的三个区域。该系统被用于通过模拟不同方案中的系统吞吐量来评价性能。
为了简化该模拟，假设在相同区域中的UE到给定的RRU 2a-2b的距离相同。例如，区域A中的所有UE和RRU 2b之间的距离被认为是恒定的。相似地，区域A中的UE具有到RRU2a的恒定距离。此外，假设在区域A的覆盖范围内RRU 2a-2b和UE之间没有穿透损耗和阴影衰落。例如，假设区域A中的UE没有至RRU 2a的穿透损耗和阴影衰落，但是在RRU 2a和区域C中的UE之间有穿透损耗和阴影衰落。
为了评价性能，考虑四种方案：
I：UE位于区域A中；
II：UE平均地位于区域A和区域C中；
III：UE平均地位于区域A、区域B和区域C中；以及
IV：UE平均地位于区域A和区域B中。
在表3中列出其他模拟参数。
表3
图4至图7是示出方案I(图4)、方案II(图5)、方案III(图6)、方案IV(图7)中系统吞吐量相对于UE数量的比较的图。
在图中，CVQ曲线表示使用3GPP LTE-A方法实现的吞吐量，基于灵敏度的曲线表示WO2011/077260中公开的系统的性能，而被称为大尺度衰落的曲线示出使用根据本发明的方法的模拟结果。
明显地，在10dB穿透损耗和100dB穿透损耗的情况下，3GPP LTE-A方法总具有不理想的系统吞吐量。对于在WO2011/077260中公开的系统，在穿透损耗是100dB的情况下其性能改善明显，但是在穿透损耗是10dB的情况下其性能显著地降低。
根据本发明的方法无论在其穿透损耗是10dB还是100dB的情况下，总是实现最多达到600％的、显著的吞吐量改进。
尽管已经示出并描述了目前认为是本发明的优选实施方式，应该理解可以由所属技术领域的技术人员在不背离本发明的真正范围内可以进行各种其他修改并进行等同替换。此外，在不背离本文描述的主要发明理念下可以进行许多修改以将具体情况适用本发明的教导。另外，本发明的实施方式可以不包括上述所有特征。因此，本发明旨在不限于公开的具体实施方式，但是本发明包括落入如上文广泛限定的发明范围之内的所有实施方式。
当解释说明书及其相关的权利要求时，例如“包括(comprise)”、“包括(include)”、“包含(incorporate)”、“包含(contain)”、“是”以及“具有”的表达以非排他方式解释，即被解释为也允许出现未明确限定的其他项目或成分。引用单数也被解释为引用复数，反之亦然。
所属技术领域的技术人员将容易领会，可以修改说明书中公开的各种参数并结合公开的各种实施方式而不背离本发明的范围。
Claims (8)
1.一种用于管理多用户-多入多出MU-MIMO系统中的下行链路传输的方法，所述MU-MIMO系统包括基站(1)以及与所述基站连接的一组远程无线单元(2a-2c)，所述方法包括以下步骤：
/1/获得与用户设备(4a-4d)关联的上行链路传输上的大尺度衰落相关的大尺度衰落数据，包括将由所述用户设备(4a-4d)感测的远程无线单元天线分类为两组Di和Ui，所述Di和Ui表达为：
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</mrow>
其中，lij表示从用户设备i到天线j的大尺度信道增益的估计；
/2/通过使用所述大尺度衰落数据生成UE-专用信道向量；以及
/3/通过使用所述UE-专用信道向量调度下行链路传输。
2.如权利要求1所述的方法，其中，通过在所述基站(1)处进行大尺寸衰落估计获得所述大尺度衰落数据。
3.如权利要求2所述的方法，其中，通过使用从用户设备(4a-4d)接收到的探测参考信号SRS进行所述大尺寸衰落估计。
4.如权利要求1所述的方法，其中，通过在用户设备(4a-4d)处进行大尺寸衰落估计获得所述大尺度衰落数据，在所述基站(1)处接收来自所述用户设备的所述大尺度衰落数据。
5.如权利要求4所述的方法，其中，通过使用在所述用户设备处接收到的来自所述基站的信道状态指示CSI-RS进行所述大尺度衰落估计。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤/2/包括：在所述基站(1)处，按如下计算UE-专用信道向量：
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其中，是由离散型傅立叶变换码本中的用户设备反馈索引的码向量，Mt是远程无线单元天线的总数，Mi是组Ui的大小，定义Vi向量为其中：
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</mrow>
7.一种多用户-多入多出MU-MIMO系统的基站，所述MU-MIMO系统还包括与所述基站(1)连接的一组远程无线单元(2a-2c)，所述基站被配置为：
/1/获得与用户设备(4a-4d)关联的上行链路传输上的大尺度衰落相关的大尺度衰落数据，其中所述大尺度衰落数据是通过将由所述用户设备(4a-4d)感测的远程无线单元天线分类为两组Di和Ui来获得的，所述Di和Ui表达为：
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1
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<mi>D</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>}</mo>
</mrow>
其中，lij表示从用户设备i到天线j的大尺度信道增益的估计；
/2/通过使用所述大尺度衰落数据生成UE-专用信道向量；以及
/3/通过使用所述UE-专用信道向量调度下行链路传输。
8.一种多用户-多入多出MU-MIMO系统，包括根据权利要求7所述的基站(1)以及与所述基站(1)连接的一组远程无线单元(2a-2c)。
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