CN105491580A - 调整指向用户设备的垂直波束的下倾角的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了在MIMO系统中调整指向UE的垂直波束的下倾角的方案。具体地，基站通过多个垂直天线端口发送参考信号至UE；UE接收到参考信号后，基于该参考信号，测量下行矩阵信道H＝[H⁽¹⁾，H⁽²⁾，…，H^(N)]；然后，UE根据该下行矩阵信道，基于预定准则，从垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}中选择相应的垂直预编码码字，其中W(θ_l)＝[W⁽¹⁾(θ_l)，W⁽²⁾(θ_l)，…，W^(N)(θ_l)]^T是对应于下倾角θ_l的垂直预编码码字/矩阵，随后，UE将该垂直预编码码字的索引作为垂直预编码矩阵索引反馈至基站；基站接收到垂直预编码矩阵索引后，基于该垂直预编码矩阵索引，从垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}中获取相应的垂直预编码码字作为垂直预编码矩阵，并以该垂直预编码矩阵对待发送下行数据进行预编码处理后发送至UE。

Description

调整指向用户设备的垂直波束的下倾角的方法和装置

技术领域

本发明涉及通信系统，尤其涉及在多输入多输出(MIMO)系统中调整指向用户设备的垂直波束的下倾角的方法和装置。

背景技术

LTERel-8的MIMO及随后Rel-10和Rel-11的MIMO增加被设计为支持在基站侧仅在方位角维度上具有自适应能力的天线配置。最近，通过使用具有2维天线结构(其提供在俯仰角维度和方位角维度上的自适应控制)的天线系统来改进系统性能已引起广泛关注。对于俯仰角维度的额外控制使得多种策略，例如垂直波束成形成为可能。

垂直波束成形(VBF)期望能够增加由用户设备(UE)看到的SINR统计，其通过把垂直方向天线图谱指向用户设备的方向同时减少对相邻小区的干扰，由此将俯仰角方向的传输能量转向。3GPPRAN1已经决定在LTERel-13中继续VBF的研究，其旨在确定支持多达8根发射天线端口的UE专用VBF方案。

发明内容

在LTE/LTE-A系统中，仅能够通过将天线阵列物理地向下倾斜一个小角度来实现俯仰角维度的能量转向，从而将能量更多地集中于服务小区并且减少对相邻小区的干扰。下倾角由小区中的基站的高层来半静态地调整，从而适应整个覆盖范围需求的变化，如图1中所示。

现有的小区专用下倾角的方案的显著缺陷在于波束不能以用户专用的方式在俯仰角维度动态地被转向。这意味着基站无法针对每个UE的瞬时信道状态在俯仰角维度转向能量，并且不得不在小区的所有UE中进行折中，因此，系统潜在的性能无法完全被开发。

因此，有必要提供一种UE专用的VBF方案。

根据本发明的一个方面，在一个实施例中，提供了一种在多输入多输出通信系统的基站中用于调整指向用户设备的垂直波束的下倾角的方法，所述基站配置有2维平板天线阵列，所述2维平板天线阵列包括多个垂直天线端口，所述方法包括以下步骤：

A.通过所述多个垂直天线端口发送参考信号至所述用户设备；

B.接收来自所述用户设备的垂直预编码矩阵索引；

C.基于所述垂直预编码矩阵索引，从垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}中获取相应的垂直预编码码字作为垂直预编码矩阵，其中L为所述垂直预编码码本中的预编码码字的数目，W(θ_l)＝[W⁽¹⁾(θ_l)，W⁽²⁾(θ_l)，…，W^(N)(θ_l)]^T，I_M×M为对角阵，θ_l为下倾角，N为所述基站的垂直天线单元的数目，d为所述基站的垂直天线单元的间距，λ为波长；

D.以所述垂直预编码矩阵对待发送下行数据进行预编码处理后发送至用户设备。

根据本发明的另一个方面，在一个实施例中，提供了一种在多输入多输出通信系统的用户设备中用于辅助基站调整指向所述用户设备的垂直波束的下倾角的方法，所述基站配置有2维平板天线阵列，所述2维平板天线阵列包括多个垂直天线端口，所述方法包括以下步骤：

a.接收来自基站的经由所述多个垂直天线端口发送的参考信号；

b.基于接收到的所述参考信号，测量下行矩阵信道H＝[H⁽¹⁾，H⁽²⁾，…，H^(N)]，其中 $H^{\left(n\right)}=\left[\begin{array}{ccc}{h}_{\mathrm{1,1}}& \·\·\·& h_{1,M}\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ h_{R,1}& \·\·\·& h_{R,M}\end{array}\right],n=1,...,N,$ H^(N)为从所述用户设备的天线至所述基站的第n行天线的矩阵信道；

c.根据所述下行矩阵信道，基于预定准则，从垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}中选择相应的垂直预编码码字，其中L为所述垂直预编码码本中的预编码码字的数目，W(θ_l)＝[W⁽¹⁾(θ_l)，W⁽²⁾(θ_l)，…，W^(N)(θ_l)]^T，I_M×M为对角阵，θ_l为下倾角，d为所述基站的垂直天线单元的间距，λ为波长，N为所述基站的垂直天线单元的数目，M为所述基站的水平天线单元的数目，R为所述用户设备的天线数目；

d.将所述垂直预编码码字的索引作为垂直预编码矩阵索引反馈至所述基站。

根据本发明的又一个方面，在一个实施例中，提供了一种在多输入多输出通信系统的基站中用于调整指向用户设备的垂直波束的下倾角的装置，所述基站配置有2维平板天线阵列，所述2维平板天线阵列包括多个垂直天线端口，所述装置包括：

第一发送单元，用于通过所述多个垂直天线端口发送参考信号至所述用户设备；

第一接收单元，用于接收来自所述用户设备的垂直预编码矩阵索引；

选择单元，用于基于所述垂直预编码矩阵索引，从垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}中获取相应的垂直预编码码字作为垂直预编码矩阵，其中L为所述垂直预编码码本中的预编码码字的数目，W(θ_l)＝[W⁽¹⁾(θ_l)，W⁽²⁾(θ_l)，…，W^(N)(θ_l)]^T，I_M×M为对角阵，θ_l为下倾角，N为所述基站的垂直天线单元的数目，d为所述基站的垂直天线单元的间距，λ为波长；

预编码处理单元，用于以所述垂直预编码矩阵对待发送下行数据进行预编码处理后发送至用户设备。

根据本发明的又一个方面，在一个实施例中，提供了一种在多输入多输出通信系统的用户设备中用于辅助基站调整指向所述用户设备的垂直波束的下倾角的装置，所述基站配置有2维平板天线阵列，所述2维平板天线阵列包括多个垂直天线端口，所述装置包括：

第二接收单元，用于接收来自基站的经由所述多个垂直天线端口发送的参考信号；

信道估计单元，用于基于接收到的所述参考信号，测量下行矩阵信道H＝[H⁽¹⁾，H⁽²⁾，…，H^(N)]，其中 $H^{\left(n\right)}=\left[\begin{array}{ccc}{h}_{\mathrm{1,1}}& \·\·\·& h_{1,M}\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ h_{R,1}& \·\·\·& h_{R,M}\end{array}\right],n=1,...,N,$ H⁽ⁿ⁾为从所述用户设备的天线至所述基站的第n行天线的矩阵信道；

第二选择单元，用于根据所述下行矩阵信道，基于预定准则，从垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}中选择相应的垂直预编码码字，其中L为所述垂直预编码码本中的预编码码字的数目，W(θ_l)＝[W⁽¹⁾(θ_l)，W⁽²⁾(θ_l)，…，W^(N)(θ_l)]^T，I_M×M为对角阵，θ_l为下倾角，d为所述基站的垂直天线单元的间距，λ为波长，N为所述基站的垂直天线单元的数目，M为所述基站的水平天线单元的数目，R为所述用户设备的天线数目；

第二发送单元，用于将所述垂直预编码码字的索引作为垂直预编码矩阵索引反馈至所述基站。

本发明的各个方面将通过下文中的具体实施例的说明而更加清晰。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更加明显：

图1示出了传统的水平波束成形方案的网络结构示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的垂直波束成形方案的网络结构示意图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的调整指向用户设备的垂直波束的下倾角的方法流程图。

在图中，相同或类似的附图标记表示相同或相对应的部件或特征。

具体实施方式

下文中将对本发明的各实施例进行详细描述。

图2的MIMO通信系统示出了基站10，用户设备21，22和23。基站10配置有2维平板天线阵列，用于区分方位角方向(也即水平方向)的信号和俯仰角方向(也即垂直方向)的信号，从而使能垂直波束成形。由此，每个用户设备21，22，23同时由水平波束(vBeam)和垂直波束(hBeam)所服务。可以理解的是，图2示出的MIMO通信系统仅是示例性的，而非限制性的。系统中还可以包括其他网络设备，并且其中用户设备的个数不限于图示的数目。

以下将参照图3并结合图2对本发明的一个实施例的调整指向用户设备的垂直波束的下倾角的方法进行描述。示例性的，以基站10调整指向用户设备21的垂直波束的下倾角为例进行描述。该基站10配置有的2维平板天线阵列包括多个垂直天线端口。

在步骤301中，基站10通过多个垂直天线端口发送参考信号，例如CSI-RS至该用户设备21。

用户设备21接收到来自基站10的参考信号后，在步骤302中，其基于接收到的该参考信号，测量下行矩阵信道H＝[H⁽¹⁾，H⁽²⁾，…，H^(N)]。

其中， $H^{\left(n\right)}=\left[\begin{array}{ccc}{h}_{\mathrm{1,1}}& \·\·\·& h_{1,M}\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ h_{R,1}& \·\·\·& h_{R,M}\end{array}\right],n=1,...,N,$ H^(N)为从用户设备21的天线至基站的第n行天线的矩阵信道。

然后，在步骤303中，用户设备21根据测量到的下行矩阵信道，基于预定准则，从垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}中选择相应的垂直预编码码字。

其中，L为垂直预编码码本中的预编码码字的数目，θ_l为下倾角，W(θ_l)＝[W⁽¹⁾(θ_l)，W⁽²⁾(θ_l)，…，W^(N)(θ_l)]^T是对应于下倾角的垂直预编码码字(也即，垂直预编码矩阵)，I_M×M为对角阵，d为基站10的垂直天线单元的间距，λ为波长，N为基站10的垂直天线单元的数目，M为基站10的水平天线单元的数目，R为用户设备20的天线数目。

预定准则例如可以是最大功率准则或容量准则等。当预定准则为最大功率准则时，用户设备21可以基于下式从垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}中选择相应的垂直预编码码字。

$l=\underset{l}{\arg \max }\left(\right|\left|\mathrm{HW}\left({\mathrm{\θ}}_l\right)\right|\left|\right)$

其中，l为所选择的垂直预编码码字的索引，也即垂直预编码矩阵索引vPMI。

用户设备21侧的垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}可以通过多种方式获得。在一个实施例中，基站10和用户设备21侧可以预先存储有垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}。

在另一个实施例中，基站10可以通过RRC信令广播下倾角θ_l以及垂直天线单元的间距d，其中l＝1，2，…，L。用户设备21基于接收到的下倾角θ_l和间距d，并根据下式，即可生成垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}。

W(θ_l)＝[W⁽¹⁾(θ_l)，W⁽²⁾(θ_l)，…，W^(N)(θ_l)]^T

在又一个实施例中，基站10可以通过RRC信令广播预定秩1垂直预编码码本。用户设备21基于接收到的预定秩1垂直预编码码本，可以生成更高秩垂直预编码码本，以获取最终的垂直预编码码本。

然后，在步骤304中，用户设备21将垂直预编码矩阵索引l反馈至基站10。例如，用户设备21可以经由物理上行控制信道(PUCCH)将该垂直预编码矩阵索引反馈至基站20。垂直预编码矩阵索引vPMI的比特数b＝log₂L。

基站接收到来自用户设备21的垂直预编码矩阵索引l后，在步骤305中，从垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}中获取对应于该索引的垂直预编码码字(也即，垂直预编码矩阵)，并以该垂直预编码矩阵对待发送下行数据进行预编码处理后发送至用户设备21。

需要说明的是，本发明各实施例中基站10侧的垂直天线端口可以重用已有的水平天线端口，也可以新定义垂直天线端口。例如，当垂直天线端口的数目分别为1，2，4，8时，其可分别使用p＝23，p＝23，24，p＝23，…，26和p＝23，…，30。

可以理解的是，为了获取参考信号，对于每个用户设备，基站需要配置两组天线端口，一组用于传统的水平参考信号，另一组用于垂直参考信号。对于具有多线程信道测量能力的用户设备，例如TM10用户设备，可以通过为每个用户设备配置两个并行的参考信号线程来实现上述配置。例如，基站可以为水平参考信号测量分配多个逻辑端口，同时为垂直参考信号测量分配另外多个逻辑端口。而对于不具备多线程信道测量能力的用户设备，可以通过周期性地在水平参考信号和垂直参考信号的传输之间进行切换来实现两种测量的配置。这种切换对于用户设备而言是透明的。

在一个或多个示例性设计中，可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现本申请所述的功能。如果用软件来实现，则可以将所述功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上，或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码来传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括有助于计算机程序从一个地方传递到另一个地方的任意介质。存储介质可以是通用或专用计算机可访问的任意可用介质。这种计算机可读介质可以包括，例如但不限于，RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储设备、磁盘存储设备或其它磁存储设备，或者可用于以通用或专用计算机或者通用或专用处理器可访问的指令或数据结构的形式来携带或存储希望的程序代码模块的任意其它介质。并且，任意连接也可以被称为是计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤光缆、双绞线、数字用户线(DSL)或诸如红外线、无线电和微波之类的无线技术来从网站、服务器或其它远程源传输的，那么同轴电缆、光纤光缆、双绞线、DSL或诸如红外线、无线电和微波之类的无线技术也包括在介质的定义中。

可以用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑、分立硬件组件或用于执行本文所述的功能的任意组合来实现或执行结合本公开所描述的各种示例性的逻辑块、模块和电路。通用处理器可以是微处理器，或者，处理器也可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或者状态机。处理器也可以实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP内核的结合，或者任何其它此种结构。

本领域普通技术人员还应当理解，结合本申请的实施例描述的各种示例性的逻辑块、模块、电路和算法步骤可以实现成电子硬件、计算机软件或二者的组合。为了清楚地表示硬件和软件之间的这种可互换性，上文对各种示例性的部件、块、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般性描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和施加在整个系统上的设计约束条件。本领域技术人员可以针对每种特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本发明的保护范围。

本公开的以上描述用于使本领域的任何普通技术人员能够实现或使用本发明。对于本领域普通技术人员来说，本公开的各种修改都是显而易见的，并且本文定义的一般性原理也可以在不脱离本发明的精神和保护范围的情况下应用于其它变形。因此，本发明并不限于本文所述的实例和设计，而是与本文公开的原理和新颖性特性的最广范围相一致。

Claims (15)

1.一种在多输入多输出通信系统的基站中用于调整指向用户设备的垂直波束的下倾角的方法，所述基站配置有2维平板天线阵列，所述2维平板天线阵列包括多个垂直天线端口，所述方法包括以下步骤：

A.通过所述多个垂直天线端口发送参考信号至所述用户设备；

B.接收来自所述用户设备的垂直预编码矩阵索引；

C.基于所述垂直预编码矩阵索引，从垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}中获取相应的垂直预编码码字作为垂直预编码矩阵，其中L为所述垂直预编码码本中的预编码码字的数目，W(θ_l)＝[W⁽¹⁾(θ_l)，W⁽²⁾(θ_l)，…，W^(N)(θ_l)]^T，I_M×M为对角阵，θ_l为下倾角，N为所述基站的垂直天线单元的数目，d为所述基站的垂直天线单元的间距，λ为波长；

D.以所述垂直预编码矩阵对待发送下行数据进行预编码处理后发送至用户设备。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

-通过RRC信令发送下倾角θ_l以及所述基站的垂直天线单元的间距d至所述用户设备，其中l＝1，2，…，L。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

-通过RRC信令发送预定秩1垂直预编码码本至所述用户设备。

4.一种在多输入多输出通信系统的用户设备中用于辅助基站调整指向所述用户设备的垂直波束的下倾角的方法，所述基站配置有2维平板天线阵列，所述2维平板天线阵列包括多个垂直天线端口，所述方法包括以下步骤：

a.接收来自基站的经由所述多个垂直天线端口发送的参考信号；

b.基于接收到的所述参考信号，测量下行矩阵信道H＝[H⁽¹⁾，H⁽²⁾，…，H^(N)]，其中 $H^{\left(n\right)}=\left[\begin{array}{ccc}{h}_{\mathrm{1,1}}& \·\·\·& h_{1,M}\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ h_{R,1}& \·\·\·& h_{R,M}\end{array}\right],n=1,...,N,$ H⁽ⁿ⁾为从所述用户设备的天线至所述基站的第n行天线的矩阵信道；

c.根据所述下行矩阵信道，基于预定准则，从垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}中选择相应的垂直预编码码字，其中L为所述垂直预编码码本中的预编码码字的数目，W(θ_l)＝[W⁽¹⁾(θ_l)，W⁽²⁾(θ_l)，…，W^(N)(θ_l)]^T，I_M×M为对角阵，θ_l为下倾角，d为所述基站的垂直天线单元的间距，λ为波长，N为所述基站的垂直天线单元的数目，M为所述基站的水平天线单元的数目，R为所述用户设备的天线数目；

d.将所述垂直预编码码字的索引作为垂直预编码矩阵索引反馈至所述基站。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

-接收来自所述基站的所述下倾角θ_l以及所述基站的垂直天线单元的间距d；

-基于所述下倾角θ_l和所述间距d，生成所述垂直预编码码本，其中l＝1，2，…，L。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

-接收来自所述基站的预定秩1垂直预编码码本；

-基于所述预定秩1垂直预编码码本，生成更高秩垂直预编码码本，以获取所述垂直预编码码本。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤d包括：

-经由物理上行控制信道将所述垂直预编码矩阵索引反馈至所述基站。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预定准则包括以下任一项：

-最大功率准则；

-容量准则。

9.一种在多输入多输出通信系统的基站中用于调整指向用户设备的垂直波束的下倾角的装置，所述基站配置有2维平板天线阵列，所述2维平板天线阵列包括多个垂直天线端口，所述装置包括：

第一发送单元，用于通过所述多个垂直天线端口发送参考信号至所述用户设备；

第一接收单元，用于接收来自所述用户设备的垂直预编码矩阵索引；

选择单元，用于基于所述垂直预编码矩阵索引，从垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，1＝1，2，…，L}中获取相应的垂直预编码码字作为垂直预编码矩阵，其中L为所述垂直预编码码本中的预编码码字的数目，W(θ_l)＝[W⁽¹⁾(θ_l)，W⁽²⁾(θ_l)，…，W^(N)(θ_l)]^T，I_M×M为对角阵，θ_l为下倾角，N为所述基站的垂直天线单元的数目，d为所述基站的垂直天线单元的间距，λ为波长；

预编码处理单元，用于以所述垂直预编码矩阵对待发送下行数据进行预编码处理后发送至用户设备。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一发送单元还用于：通过RRC信令发送下倾角θ_l以及所述基站的垂直天线单元的间距d至所述用户设备，其中l＝1，2，…，L。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一发送单元还用于：通过RRC信令发送预定秩1垂直预编码码本至所述用户设备。

12.一种在多输入多输出通信系统的用户设备中用于辅助基站调整指向所述用户设备的垂直波束的下倾角的装置，所述基站配置有2维平板天线阵列，所述2维平板天线阵列包括多个垂直天线端口，所述装置包括：

第二接收单元，用于接收来自基站的经由所述多个垂直天线端口发送的参考信号；

信道估计单元，用于基于接收到的所述参考信号，测量下行矩阵信道H＝[H⁽¹⁾，H⁽²⁾，…，H^(N)]，其中 $H^{\left(n\right)}=\left[\begin{array}{ccc}{h}_{\mathrm{1,1}}& \·\·\·& h_{1,M}\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ h_{R,1}& \·\·\·& h_{R,M}\end{array}\right],n=1,...,N,$ H⁽ⁿ⁾为从所述用户设备的天线至所述基站的第n行天线的矩阵信道；

第二选择单元，用于根据所述下行矩阵信道，基于预定准则，从垂直预编码码本Z＝{W(θ_l)，l＝1，2，…，L}中选择相应的垂直预编码码字，其中L为所述垂直预编码码本中的预编码码字的数目，W(θ_l)＝[W⁽¹⁾(θ_l)，W⁽²⁾(θ_l)，…，W^(N)(θ_l)]^T，I_M×M为对角阵，θ_l为下倾角，d为所述基站的垂直天线单元的间距，λ为波长，N为所述基站的垂直天线单元的数目，M为所述基站的水平天线单元的数目，R为所述用户设备的天线数目；

第二发送单元，用于将所述垂直预编码码字的索引作为垂直预编码矩阵索引反馈至所述基站。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第二接收单元还用于：接收来自所述基站的所述下倾角θ_l以及所述基站的垂直天线单元的间距d；

所述装置还包括码本生成单元，用于基于所述下倾角θ_l和所述间距d，生成所述垂直预编码码本，其中l＝1，2，…，L。

14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第二接收单元还用于：接收来自所述基站的预定秩1垂直预编码码本；

所述装置还包括码本生成单元，用于基于所述预定秩1垂直预编码码本，生成更高秩垂直预编码码本，以获取所述垂直预编码码本。

15.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述预定准则包括以下任一项：

-最大功率准则；

-容量准则。