CN105453452A

CN105453452A - 用于海量多天线无线通信系统中能量高效地传输信号的方法和装置

Info

Publication number: CN105453452A
Application number: CN201480035479.0A
Authority: CN
Inventors: 卞庸硕; 金泰润; 李容焕; 林锺汉
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd; SNU R&DB Foundation
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd; SNU R&DB Foundation
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2034-06-20
Also published as: CN105453452B; US9088944B2; US9444529B2; US20140376654A1; EP3011688B1; KR102202935B1; KR20140148270A; US20150280793A1; EP3011688A4; EP3011688A1; WO2014204267A1

Abstract

提供了用于在使用多用户海量多天线的无线通信系统中基于能量效率选择多输入多输出(MIMO)模式以及选择待用于通信中的天线子集的方法。该方法基于射频(RF)电路引起的功率消耗和传输功率选择能够最小化传输功率而不使用全部天线的天线子集。该方法还包括选择信号待传送至的移动站、基于全部天线的功率消耗选择多天线技术、在全部天线中选择传送信号至移动站的天线子集、以及通过使用天线子集传送信号至移动站。

Description

用于海量多天线无线通信系统中能量高效地传输信号的方法和装置

技术领域

本公开涉及用于提高无线通信系统中基站能量效率的设备和方法。更具体地，本公开涉及用于在使用多用户海量多天线的无线通信系统中选择提高基站能量效率的天线模式、以及在全部天线中选择将信号传送至移动站的天线子集的信号传输技术。

背景技术

由于无线多媒体服务和社交网络服务(SNS)随着智能电话使用的传播的激励以及无线需求(例如，机器对机器通信)的增长，无线数据通信量得到了爆发性的增长。因此，通过相关领域的数据传输方法不易处理的大数据环境即将到来。

随着大数据环境的到来，海量多输入多输出(M-MIMO)系统正被考虑用于高效率地管理无线资源。此外，M-MIMO系统作为能量有效的绿色通信技术而引起公众的关注。

对相关技术中的无线通信系统的研究已经集中于信道容量的提高，例如更多基站的安装或频带的保障。相关领域的技术例如包括试图提供高信道容量的正交频分多址(OFDMA)、多天线系统以及中继传输系统。

发明内容

技术问题

然而，提供高信道容量不可避免地需要高能量消耗。因此，用于提升信道容量的方法对于具有有限总能量的装置或集中于能量效率的网络并非是有效的。

同时，近年来，随着M-MIMO系统和分布式天线系统的出现，基于丰富的资源，移动站的传输需求更容易被满足。因此，需要最大限度能量有效的并满足移动站传输需求的无线通信系统。

在相关领域中考虑能量效率的传输技术的情况下，由于使用多个天线，所以需要考虑的是传输功率而不是功率消耗。然而，由于M-MIMO系统的出现，操作如此多的天线将消耗更多功率。

因此，存在一种信号传输方法的需求来满足用户传输要求并基于射频(RF)电路中的功率消耗和传输功率来改善功率效率。

作为背景信息给出上述信息的目的仅仅是为了帮助理解本公开的内容，而并不是确定或申明任何上述内容是否属于本公开的现有技术。

解决方案

本公开的各方面将至少解决上述问题和/或缺点并且将至少提供如下优点。因此，本公开的一方面将提供用于满足用户传输需求以及基于射频(RF)电路中的功率消耗和传输功率来改善基站的功率效率的信号传输方法。

根据本公开的一方面，提供了用于在使用海量多天线技术的无线通信中通过基站传输信号的方法。该方法包括选择信号待传送至的移动站、基于全部天线的功率消耗选择多天线技术、在全部天线中选择将信号传送至移动站的天线子集、以及通过使用天线子集将信号传送至移动站。

选择多天线技术的步骤可包括计算全部天线在每个多天线技术中的功率并选择需要较少功率的多天线技术。

选择天线子集的选择可包括基于所选的多天线技术以及各天线的信道增益或天线之间的关联来选择天线子集。

根据本公开的另一方面，提供了用于在使用海量多天线技术的无线通信中传送信号至移动站的基站。该基站包括配置为向移动站传送信号/从移动站接收信号的传送/接收单元，以及控制器，控制器配置为选择信号待传送至的移动站、基于全部天线的功率消耗选择多天线技术、在全部天线中选择传送信号至移动站的天线子集、以及通过使用天线子集控制待传送至移动站的信号。

控制器可计算全部天线在每个多天线技术中的功率并选择需要较少功率的多天线技术。

控制器可基于所选的多天线技术以及各天线的信道增益或天线之间的关联来选择天线子集。

本发明的有益效果

如上所述，本公开能够提供能量高效的用户调度方法，并具有通过选择有效率的多天线技术来获得额外增益的效果。

此外，根据本公开，可改善基站的功率效率，并同时减少额外使用的天线的数量，所以同样可降低复杂性。

对于本领域技术人员来说，通过在下面参照附图对本公开的多种实施方式的详细描述，本公开的其它方面、优点、以及显著特征将变得显而易见。

附图说明

从下列结合附图的描述中，本公开的某些实施方式的上述以及其它方面、特征、以及优点将变得更为显而易见，其中：

图1是示出了根据本公开的实施方式的、在能量高效的信号传输方法中基站和移动站之间的关系的网络配置示意图；

图2a是示出了根据本公开的实施方式的能量高效的信号传输方法的流程图；

图2b是示出了根据本公开的实施方式的能量高效的信号传输方法的流程图；

图3是示出了根据本公开的实施方式的在能量高效的信号传输方法中选择用户的过程的流程图；以及

图4是示出了根据本公开的实施方式的、在能量高效的信号传输方法中根据天线技术选择天线子集的过程的流程图。

应注意的是，在所有附图中，相同的附图标号用于描述相同或相似的元件、特征和结构。

具体实施方式

参照附图提供以下描述的目的是用于帮助全面理解如权利要求及其等同所限定的、本公开的多种实施方式。这些描述包括多个具体细节以帮助理解，但是应该将这些具体细节认为是示例性的。因此，本领域的普通技术人员应认识到，在不背离本公开的范围和精神的条件下，可对本文所述的各种实施方式进行各种改变和修改。此外，为了清楚和简洁起见，可能省略了众所周知的功能和结构的描述。

在下面的说明和权利要求中使用的用语和措辞不限于字面含义，相反，这些用语和措辞仅仅是发明人用来使得能够清楚且一致地理解本公开。因此，应对本领域的技术人员显而易见的是，本公开的多种实施方式的以下描述仅用于说明目的，并不是为了限制如所附权利要求和其等同所定义的本公开的目的。

应理解的是，除非上下文另有明确规定，否则单数形式可包括复数对象。由此，例如，参考“部件表面”包括参考一个或多个这样的表面。

在使用术语“基本上”时，意味着不需要精确地实现所叙述的特性、参数或值，而是意味着包括例如公差、测量误差、测量精度限制以及本领域的技术人员已知的其它因素的偏差或变化量在不妨碍该特征旨在提供的效果的情况下也是允许的。

图1是示出了根据本公开实施方式的、能量高效的信号传输方法中基站和移动站之间的关系的网络配置示意图。

参照图1，假设基站101使用N_T个天线102，且该基站101需向总共K个移动站传送信号。当基站101通过移动站选择器103选择将信号同时传送至的Km个移动站时，基站101通过使用信号发生器104形成待传送至Km个移动站的符号信号，以及通过波束形成器105产生待传送的信号，从基站101接收服务的移动站(k)106的接收信号可由数学公式1表示。

数学公式1

【公式1】

y_{k} = \sqrt{α_{k} P_{k}} h_{k} w_{k} s_{k} + Σ_{l = 1, l &NotEqual; k}^{K_{m}} \sqrt{α_{k} P_{k}} k_{m} w_{l} s_{l} + n_{k}

其中，α_k表示从基站101到移动站(k)106的路径损耗，P表示由基站101传送至移动站(k)106的传输功率，h_k表示从基站101到移动站(k)106的(1×N_T)信道矢量，w_k和s_k分别表示由基站101传送的(N_T×1)波束加权矢量和传输信号，以及n_k表示具有平均值0和方差的合适的白高斯(Gaussian)噪声。这时，基站的总功率消耗可由数学公式2表示。

数学公式2

【公式2】

P = Σ_{k = 1}^{K} P_{k} + P_{R F} N_{T} = P_{T} + P_{R F} N_{T}

其中，P_RF表示在基站传送信号时一个天线需要的射频(RF)电路的功率消耗。

图2a是示出了根据本公开的实施方式的能量高效的信号传输方法的流程图。

参照图2a，在操作210中，基站从上层接收需要数据传输的k个移动站的传输需求和传输信号，并计算用于各移动站的传输需求。

在操作220中，基站可基于移动站的传输需求和信道环境计算通过单个天线的数据传输需要的传输功率P_o,k。此后，基站可基于计算的传输功率选择移动站。

接下来，在操作230，基站确定用于所选择的移动站的多天线技术。例如，基站可在最大比率传输(MRT)和迫零波束成形(ZFBF)两者中选择消耗更少传输功率的多天线技术。

图2b是示出了根据本公开的实施方式的能量高效的信号传输方法的流程图。

参照图2b，类似于图2a，基站可从上层接收需要数据传输的k个移动站的传输需求和传输信号，并在操作210中可计算用于各移动站的传输需求，以及可基于移动站的传输需求和信道环境计算通过单个天线的数据传输所需的传输功率P_o,k，然后在操作220中可基于计算的传输功率选择移动站。

此后，在操作240中，基站可计算天线的数量N_T,sel，其中，通过该数量的天线，在通过所选的多天线技术进行传输时传输功率被最小化，以及可在所有N_T,个天线中选择能够最大化传输效率的天线子集。

同时，虽然在本公开中将图2a和图b2区分为分开的附图，但是本公开并不限于此。即，图2a和图2b的信号传输方法可理解为单独过程。在这种情况下，图2b中的操作240可在图2a中的操作230之后进行。

主要举例说明选择天线的两种方法。第一方法是通过比较各天线的信道增益来选择天线的方法，第二方法是基于天线之间的关联来选择天线的方法。

这样的用于选择天线的方法可根据所确定的多输入多输出(MIMO)模式的特征而变化。例如，在将MIMO模式确定为MRT时选择天线的情况下，性能随着信道增益的增加而显著提高，所以通过比较各天线的信道增益来选择具有大信道增益的天线是合适的。

作为另一示例，在将MIMO模式确定为ZFBF时选择天线的情况下，性能随着信道矩阵的秩的增加而提高，并且该秩随着天线之间关联的减小而增加，所以选择在天线之间具有最低关联的天线是合适的。

在本征波束成形(EBF)作为另一MIMO技术的情形下，性能增益随着信道关联的增加而提高，因此可选择所确定的数量的连续天线从而可获得天线之间的最高关联。

图3是示出了根据本公开的实施方式的在能量高效的信号传输方法中选择用户的过程的流程图。

参照图3，在操作301中，基站从上层接收传全部移动站的传输需求和传输信号。这里，当移动站k所需的频率效率为C_k时，可根据复用的数量和所选天线的数量来计算在对移动站k进行传输时所需的传输功率。举例来说，当基站将多天线技术确定为ZFBF时，对移动站k进行传输时所需的传输功率可由数学公式3表示。

数学公式3

【公式3】

P_{k} = \frac{N_{0} (2^{C_{k}} - 1)}{α_{k} (N_{T, s e l} - K_{m} + 1)} = \frac{P_{o, k}}{(N_{T, s e l} - K_{m} + 1)}

因此，在基站通过N_T,sel个天线传送信号时，总功率消耗可由数学公式4表示。

数学公式4

【公式4】

\begin{matrix} P = Σ_{k = 1}^{K_{m}} \frac{σ_{n, k}^{2} (2^{C_{k}} - 1)}{α_{k} (N_{T, s e l} - K_{m} + 1)} + P_{R F} N_{T, s e l} + P_{i d l e} (N_{T} - N_{T, s e l}) \\ = \frac{1}{(N_{T, s e l} - K_{m} + 1)} Σ_{k = 1}^{K_{m}} P_{o, k} + P_{R F} N_{T, s e l} + P_{i d l e} (N_{T} - N_{T, s e l}) \end{matrix}

因为K_m≤N_T,sel，所以数学公式4是根据复用的数量K_m而增加的函数。

因此，可知功率消耗随着复用数量的减少而减少，并且可确定的是，应基于在基站通过使用单个天线向移动站k传送信号时所需的传输功率P_o,k来选择移动站。

因此，在操作302中，基站应通过一个资源块传送的复用的数量被确定。举例来说，当基站具有N_RB个资源块时，用于最小化所有资源块中的复用数量的复用数量可由数学公式5表示。

数学公式5

【公式5】

在操作303中，基站通过使用单个天线向移动站k传送信号时所需的传输功率P_o,k被计算并可由数学公式6表示。

数学公式6

【公式6】

P_{o, k} = \frac{σ_{n, k}^{2} (2^{C_{k}} - 1)}{α_{k}}

在操作304中，选择移动站以使得对于每个资源块来说，用于K_m个移动站的P_o,k的总和均相同，其中，通过一个资源块对该K_m个移动站同时进行传送。

图4是示出了根据本公开的实施方式的在能量高效的信号传输方法中根据天线技术选择天线子集的过程的流程图。

参照图4，示出了在应用了本公开提出的能量高效的终端选择和天线选择技术的无线通信系统中，确定多天线技术(MRT、ZFBF)和选择天线的过程，并可容易地描述对另一多天线技术的扩展。在操作401和402中，各多天线技术所需的天线的数量被计算，并且在通过MRT进行传输时所需的天线的数量可由数学公式7表示。

数学公式7

【公式7】

其中，P_i,k表示多波束之间的干扰所需的额外传输功率，并可由数学公式8表示。

数学公式8

【公式8】

P_{i, k} = (2^{C_{k}} - 1) Σ_{l = 1, l &NotEqual; k}^{K_{m}} P_{l}

在通过ZFBF进行传输时需要的天线的数量可由数学公式9表示。

数学公式9

【公式9】

在操作403中，计算通过MRT传输信号时基站所需的总功率消耗，以及在操作404中，计算通过ZFBF传输信号时基站所需的总功率消耗。在通过MRT传输的情况下，总功率消耗可由数学公式10表示。

数学公式10

【公式10】

\begin{matrix} P^{(M R T)} = Σ_{k = 1}^{K_{m}} \frac{(Σ_{l = 1, l &NotEqual; k}^{K_{m}} α_{k} P_{l} + σ_{n, k}^{2}) (2^{C_{k}} - 1)}{α_{k} N_{T, s e l}^{(M R T)}} + P_{R F} N_{T, s e l}^{(M R T)} + P_{i d l e} (N_{T} - N_{T, s e l}^{(M R T)}) \\ = \frac{1}{N_{T, s e l}^{(M R T)}} Σ_{k = 1}^{K_{m}} (P_{i, k} + P_{o, k}) + P_{R F} N_{T, s e l}^{(M R T)} + P_{i d l e} (N_{T} - N_{T, s e l}^{(M R T)}) \end{matrix}

在通过ZFBF传输的情况下，总功率消耗可由数学公式11表示。

数学公式11

【公式11】

P^{(Z F B F)} = \frac{1}{(N_{T, s e l}^{(Z F B F)} - K_{m} + 1)} Σ_{k = 1}^{K_{m}} P_{o, k} + P_{R F} N_{T, s e l}^{(Z F B F)} + P_{i d l e} (N_{T} - N_{T, s e l}^{(Z F B F)})

在操作405中，通过比较已经在操作403和404中被计算的各多天线技术的所需功率来确定需要更少功率的多天线技术。在操作406中，基于确定的多天线技术和天线的数量来选择天线。举例来说，当在多天线技术中选择MRT时，以信道增益的递减次序选择天线，从而可最大化MRT的波束成形增益，以及作为另一示例，当在多天线技术中选择ZFBF时，选择天线以使得多个基站信道的秩最大化。

此后，基站可基于确定的MIMO模式和根据MIMO模式的天线的数量来在由基站保留的天线中选择天线。

可主要举例说明选择天线的两种方法。第一方法是用于通过比较各天线的信道增益来选择天线的方法，以及第二方法是基于天线之间的关联来选择天线的方法。

用于选择天线的这样的方法可根据所确定的MIMO模式的特征而变化。例如，在将MIMO模式确定为MRT时选择天线的情况下，性能随电路增益的增加而显著提高，并且因此通过比较各天线的信道增益来选择具有大信道增益的天线是合适的。

作为另一示例，在将MIMO模式确定为ZFBF时选择天线的情况下，性能随信道矩阵的秩的增加而提高，并且该秩随着天线之间关联的减少而增加，所以选择在天线之间具有最小关联的天线是合适的。

在EBF作为另一MIMO技术的情况下，性能增益随着信道关联的增加而提高，并且因此，可选择确定的数量的连续天线从而可获得天线之间的最大关联。

虽然本公开已经参照其多种实施方式进行了示出和描述，但是本领域技术人员应理解的是，在不背离如所附权利要求及它们的等同所限定的本公开的精神和精神条件下，可对本公开进行形式和细节上的多种修改。

Claims

1.用于在使用海量多天线技术的无线通信中通过基站传送信号的方法，所述方法包括：

选择所述信号待传送至的移动站；

在全部天线中选择用于将所述信号传送至所述移动站的天线子集；以及

通过使用所述天线子集将所述信号传送至所述移动站。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述天线子集包括：

基于选择的多天线技术以及用于各个所述天线的信道增益或所述天线之间的关联来选择所述天线子集。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，选择所述天线子集还包括：

当将最大比率传输(MRT)确定为所述多天线技术时选择具有大信道增益的天线作为所述天线子集。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，选择所述天线子集还包括：

当将迫零波束成形(ZFBF)确定为所述多天线技术时选择在所述天线之间具有最低关联的天线作为所述天线子集。

5.用于在使用海量多天线技术的无线通信中通过基站传送信号的方法，所述方法包括：

选择所述信号待传送至的移动站；

基于全部天线的功率消耗选择多天线技术；以及

通过使用天线子集将所述信号传送至所述移动站。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，选择所述多天线技术包括：

计算全部天线在每个所述多天线技术中的功率；以及

选择需要较少功率的多天线技术。

7.用于在使用海量多天线技术的无线通信中将信号传送至移动站的基站，所述基站包括：

传送/接收单元，配置为向所述移动站传送所述信号/从所述移动站接收所述信号；以及

控制器，配置为：

选择信号待传送至的移动站；

在全部天线中选择将所述信号传送至所述移动站的天线子集；以及

通过使用所述天线子集控制待传送至所述移动站的所述信号。

8.根据权利要求7所述的基站，其中，所述控制器还配置为，基于所选多天线技术以及各个所述天线的信道增益或所述天线之间的关联来选择所述天线子集。

9.根据权利要求8所述的基站，其中，所述控制器还配置为当将最大比率传输(MRT)确定为所述多天线技术时选择具有大信道增益的天线作为所述天线子集。

10.根据权利要求8所述的基站，其中，所述基站还配置为，当将迫零波束成形(ZFBF)确定为所述多天线技术时选择在所述天线之间具有最低关联的天线作为所述天线子集。

11.用于在使用海量多天线技术的无线通信中将信号传送至移动站的基站，所述基站包括：

控制器，配置为

选择信号待传送至的移动站；

基于全部天线的功率消耗选择多天线技术；以及

通过使用天线子集控制待传送至所述移动站的所述信号。

12.根据权利要求11所述的基站，其中，所述控制器还配置为计算全部天线在每个所述多天线技术中的功率；以及

选择需要较少功率的多天线技术。