CN106063148B - 在无线通信系统中执行混合波束成形的方法及其设备 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一个实施方式的在无线通信系统的基站中执行波束成形的方法可以包括以下步骤：基于混合波束成形中的模拟波束成形的增益来确定模拟波束的有效范围；基于所述模拟波束的所述有效范围来确定用于所述混合波束成形中的数字波束成形的预编码矩阵；以及基于所述有效范围和所述预编码矩阵来执行具有结合的所述数字波束成形和所述模拟波束成形的所述混合波束成形。

Description

在无线通信系统中执行混合波束成形的方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种在无线通信系统中执行具有结合的不同的波束成形方案的混合波束成形的方法及其设备。

背景技术

在无线通信系统中使用的MIMO(多输入多输出)是使用多个发送天线和/或多个接收天线来增加信道容量并且提高收发效率的方案。MIMO可以被称作多天线。

在MIMO环境中，它对于将要在单个天线路径上发送的数据来说可能是不必要的。例如，在MIMO环境中，接收器能够通过聚合经由多个接收天线分别接收的数据片段来重新配置数据。将单个天线环境与MIMO环境彼此进行比较，在MIMO环境中，能够通过保持小区面积尺寸来提高数据率或者能够通过保持数据率来增大覆盖范围。

MIMO环境中的波束成形方案被广泛地用于基站、用户设备、中继装置等。波束成形方案可以根据权重向量/矩阵(或者预编码向量/矩阵)是否被用于基带或RF带而被分类成数字波束成形方案或者模拟波束成形方案。另外，数字波束成形方案被应用于3G/4G移动通信系统的预编码过程。例如，在当前的移动通信系统中，用户设备将预编码矩阵索引(PMI)反馈到基站以用于基于闭环的数字波束成形，并且基站基于PMI来执行波束成形。

技术任务

本发明的技术任务在于提供一种在无线通信系统中高效地执行具有结合的不同的波束成形方案的混合波束成形的方法及其设备。

可从本发明获得的技术任务不受上述技术任务的限制。另外，本发明所属技术领域中的普通技术人员能够从下面的描述清楚地理解其它未提及的技术任务。

技术解决方案

为了实现这些和其它优点，并且根据本说明书的目的，如在本文中体现并广泛描述的，根据本发明的一个实施方式的在无线通信系统的基站中执行波束成形的方法可以包括以下步骤：基于混合波束成形中的模拟波束成形的增益来确定模拟波束的有效范围；基于所述模拟波束的所述有效范围来确定用于所述混合波束成形中的数字波束成形的预编码矩阵；以及基于所述有效范围和所述预编码矩阵来执行具有结合的所述数字波束成形和所述模拟波束成形的所述混合波束成形。

为了进一步实现这些和其它优点，并且根据本说明书的目的，如在本文中体现并广泛描述的，在无线通信系统中执行波束成形中，根据本发明的一个实施方式的基站可以包括：处理器，该处理器基于混合波束成形中的模拟波束成形的增益来确定模拟波束的有效范围，所述处理器基于所述模拟波束的所述有效范围来确定用于所述混合波束成形中的数字波束成形的预编码矩阵，并且所述处理器基于所述有效范围和所述预编码矩阵来执行具有结合的所述数字波束成形和所述模拟波束成形的所述混合波束成形；以及发送器，该发送器通过所述混合波束成形向用户设备发送下行链路数据。

优选地，确定所述模拟波束的所述有效范围的基站可以设置要通过所述模拟波束必定获得的最小增益，并且可以确定通过所述模拟波束的发送的增益变得等于或大于所设置的最小增益的角度的范围。

优选地，确定所述模拟波束的所述有效范围的基站可以基于与要通过所述模拟波束必定获得的最小增益对应的参数(α)、用于执行所述模拟波束成形的每个RF(射频)链的天线元件的数目

所述天线元件之间的距离(d)以及天线波长(λ)来确定所述有效范围。例如，可以基于下式来确定所述有效范围：

优选地，确定所述预编码矩阵的基站可以从码本中选择第一PMI(预编码矩阵索引)集合，并且可以从所述第一PMI集合中选择至少一个PMI。在这种情况下，可以基于所述模拟波束的瞄准线角度和所述有效范围中的至少一个来选择所述第一PMI集合。更优选地，所述码本可以包括：第一有效范围，所述第一PMI集合被映射到该第一有效范围；第一瞄准线角度，包括所述第一有效范围在内的多个有效范围被映射到该第一瞄准线角度；以及多个瞄准线角度，所述多个瞄准线角度包括所述第一瞄准线角度。

优选地，确定所述预编码矩阵的基站可以确定与所述模拟波束的瞄准线角度对应的第一PMI(预编码矩阵索引)集合和与所述模拟波束的所述瞄准线角度邻近的规定角度对应的第二PMI集合是否彼此至少部分地交叠。如果所述第一PMI集合与所述第二PMI集合彼此至少部分地交叠，则所述基站可以通过将所交叠的部分从所述第一PMI集合中排除在外从所述第一PMI集合中选择至少一个PMI。

优选地，如果所述有效范围被改变，则所述数字波束成形的分辨率和所述模拟波束成形的分辨率中的至少一个可以被改变。

优选地，确定所述预编码矩阵的基站可以基于所确定的有效范围，从包括与第一有效范围对应的第一PMI(预编码矩阵索引)集合和与第二有效范围对应的第二PMI集合在内的码本中选择至少一个PMI。在这种情况下，所述第一PMI集合中包括的第一PMI的数目可以等于所述第二PMI集合中包括的第二PMI的数目。另外，由所述第一PMI生成的数字波束之间的距离可以与由所述第二PMI生成的数字波束之间的距离不同。

优选地，所述基站可以基于用于使所述模拟波束转向的第一单位角度和所述有效范围来确定所述模拟波束与转向了第一单位角度的转向后模拟波束之间是否存在所述模拟波束成形的阴影。如果确定存在所述模拟波束成形的阴影，则所述基站可以将所述第一单位角度改变为第二单位角度。

为了进一步实现这些和其它优点，并且根据本说明书的目的，如在本文中体现并广泛描述的，根据本发明的一个实施方式的在无线通信系统的用户设备中通过波束成形接收信号的方法可以包括以下步骤：通过由模拟波束成形在不同的方向上形成的多个模拟波束当中的第一模拟波束来接收第一参考信号；向基站发送关于接收到所述第一参考信号所经由的所述第一模拟波束的信息；以及通过具有结合的数字波束成形和所述模拟波束成形的混合波束成形来接收下行链路数据，其中，基于所述第一模拟波束的有效范围来确定用于所述数字波束成形的预编码矩阵。

为了进一步实现这些和其它优点，并且根据本说明书的目的，如在本文中体现并广泛描述的，在无线通信系统中通过波束成形接收信号中，根据本发明的又一个实施方式的用户设备可以包括：接收器，该接收器通过由模拟波束成形在不同的方向上形成的多个模拟波束当中的第一模拟波束接收第一参考信号，所述接收器通过具有结合的数字波束成形和所述模拟波束成形的混合波束成形来接收下行链路数据；发送器，该发送器向基站发送关于接收到所述第一参考信号所经由的所述第一模拟波束的信息；以及处理器，该处理器用于控制所述接收器和所述发送器，其中，基于所述第一模拟波束的有效范围来确定用于所述数字波束成形的预编码矩阵。

有益效果

根据本发明的实施方式，能够根据期望的波束成形增益来优化数字波束和模拟波束，并且能够高效地执行具有结合的模拟波束和数字波束的混合波束成形。

可从本发明获得的效果可以不受上述效果限制。另外，本发明所属技术领域中的普通技术人员能够从下面的描述清楚地理解其它未提及的效果。

附图说明

图1是一般MIMO环境的图。

图2是大规模MIMO环境的图。

图3是模拟波束成形方案的一个示例的图。

图4是数字波束成形方案的一个示例的图。

图5是用于描述根据本发明的一个实施方式的混合波束成形的概念的图。

图6是用于执行根据本发明的一个实施方式的混合波束成形的发送级的结构的图。

图7是根据本发明的一个实施方式的配置有4个RF链的16-ULA天线结构的图。

图8是依据波束束缚向量(beam bound vector)和波束转向向量(beam steeringvector)的波束模式的图。

图9是根据本发明的一个实施方式的作为对模拟波束转变的响应的最终天线阵列响应向量的波束模式的图。

图10是根据本发明的一个实施方式的根据模拟波束成形的有效范围的数字波束的操作范围的图。

图11是根据本发明的一个实施方式的由有效范围的交叠的PMI的交叠的图。

图12是描述根据本发明的一个实施方式的数字波束的分辨率变化的图。

图13是根据本发明的一个实施方式的混合波束成形方法的图。

图14是根据本发明的一个实施方式的基站与用户设备的图。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的优选实施方式，在附图中例示了本发明的优选实施方式的示例。通过本发明的实施方式能够更容易地理解本发明的配置、功能和其它特征。

在本说明书中，基站的名称能够被用作用于RRH(远程控制头)、eNB、TP(发送点)、RP(接收点)、RN(中继装置)等的包容性术语。此外，在应用载波聚合的情况下，通过本发明描述的基站的操作可以应用到分量载波(CC)或者小区。波束成形涵盖预编码概念，用于波束成形的权重向量/矩阵涵盖预编码向量/矩阵的概念。

MIMO环境

参照图1将一般MIMO(多输入多输出)环境描述如下。

在发送级安装N_T个发送天线，同时在接收级安装N_R个接收天线。在发送级和接收级中的每一个使用多个天线的情况下，理论的信道发送容量增加超过发送级或者接收级中使用多个天线的情况的信道发送容量。信道发送容量的增加与天线的数量成比例。因此，增加了发送速率并且能够提高频率效率。假定在使用单个天线的情况下的最大发送速率被设置为R₀，则在使用多个天线的情况下的发送速率可以在理论上提高将最大发送速率R₀和速率增加率R_i相乘的结果，如在式1中所示。在这种情况下，R_i是N_T和N_R中的较小者。

[式1]

R_i＝min(N_T,N_R)

例如，在使用4个发送天线和4个接收天线的MIMO通信系统中，能够获得比单个天线系统的发送速率高四倍的发送速率。在90年代中期证实了MIMO系统的该理论容量增加之后，为实现各种技术已经进行了很多坚持不懈的努力，以显著提高数据发送速率。另外，这些技术已经被部分地采用作为3G移动通信和诸如下一代无线LAN等的各种无线通信的标准。

对于MIMO相关研究的趋势被解释如下。首先，已经在各个方面进行了很多坚持不懈的努力，以开发并研究各种信道配置和多个接入环境中的与MIMO通信容量计算等有关的信息理论的研究、对MIMO系统的无线电信道测量和模型推导研究、对传输可靠性增强和传输速率提高的空时信号处理技术研究等。

为了详细地解释MIMO系统中的通信方法，数学建模能够被表达如下。参照图1，假定存在N_T个发送天线和N_R个接收天线。首先，关于发送信号，如果存在N_T个发送天线，则存在N_T个最大可发送信息。因此，发送信息可以通过式2中示出的向量来表达。

[式2]

此外，发送功率可以分别针对发送信息

被设置为彼此不同。如果发送功率分别被设置为

则发送功率调整发送信息可以被表达为式3。

[式3]

另外，可以使用发送功率的对角矩阵P来将表达为式4。

[式4]

让我们考虑通过将权重矩阵W应用到发送功率调整信息向量

来配置实际上发送的N_T个发送信号

的情况。在这种情况下，权重矩阵用来根据发送信道状态等将各个发送信息适当地分发给各个天线。被设置为

的发送信号可以使用向量X被表达为式5。在这种情况下，w_ij表示第i个发送天线和第j条信息之间的权重。另外，W可以被称为权重矩阵或预编码矩阵。

[式5]

通常，信道矩阵的秩的物理意义可以指示在授权信道上用于承载不同信息的最大数目。由于信道矩阵的秩被限定为独立行的数目和独立列的数目中的较小数目，因此信道的秩不大于行或列的数目。例如通过式，信道H的秩(即，rank(H))被式6限制。

[式6]

rank(H)≤min(N_T，N_R)

此外，通过MIMO技术发送的各条不同信息可以被限定为“传输流”或者被简单地限定为“流”。这个“流”还可以被称作层。如果这样的话，传输流的数目不能大于作为用于发送不同信息的最大数目的信道秩。因此，信道矩阵H可以被表达为式7。

[式7]

#of streams≤rank(H)≤min(N_T，N_R)

在这种情况下，“#of streams”可以指示流的数目。此外，应该注意的是，一个流可经由至少一个天线来发送。

可以存在用于使至少一个流与多个天线对应的各种方法。这些方法可以根据MIMO技术的类型被描述如下。首先，如果经由多个天线来发送一个流，则这可以被认为空间分集。如果通过多个天线来发送多个流，则这可以被认为空间复用。当然，诸如空间分集和空间复用的混合类型这样的空间分集与空间复用之间的中间类型也是可能的。

收发天线的最大数目在一般MIMO环境中被假定为8。然而，当MIMO环境被演进成大规模MIMO时，天线的数目能够增加超过几十或者几百。

图2示出了大规模MIMO环境的一个实施方式。具体地，图2图示了基站或者用户设备具有能够进行基于有效天线系统的3D波束成形的多个发送/接收天线的系统。

参照图2，如果在发送天线方面使用3D(3维)波束模式，则能够在波束的垂直方向以及波束的水平方向上执行准静态或动态波束成形。另外，也能够考虑诸如垂直方向上的扇区形成等这样的应用。此外，在接收天线方面，当使用大规模接收天线形成接收波束时，能够期望根据天线阵列增益的信号功率增加效果。因此，在上行链路的情况下，基站能够通过多个天线接收从用户设备发送的信号。这样做，优点在于：用户设备能够在考虑大规模接收天线的增益的情况下，将其发送功率设置为非常低的功率，以减小干扰影响。

模拟波束成形和数字波束成形

图3是用于模拟波束成形方案的一个示例的图。模拟波束成形方案是应用到初始多天线结构的代表性波束成形方案。按照以下方式来执行波束成形。首先，在完成数字信号处理之后，将模拟信号分散到多个路径中。其次，在发散路径中的每一个上建立相移(PS)和功率放大(功率放大器：PA)。

参照图3，按照连接到天线的功率放大器和移相器对从单个数字信号输出的模拟信号进行处理的方式来执行模拟波束成形。在模拟阶段，移相器和功率放大器将复杂权重施加到模拟信号。在图1中，RF(射频)链表示用于将信号数字信号转换为模拟信号的处理块。

然而，根据模拟波束成形方案，波束的精度根据移相器和功率放大器的器件的特性来确定。因此，在控制移相器和功率放大器的器件方面，模拟波束成形方案适合于窄带传输。根据模拟波束成形方案，由于硬件结构的复杂性在实现多流传输的情况下显著地增加，因此难以通过复用增益来提高传输率并且也难以基于正交资源分配来执行每个用户的波束成形。

图4是用于数字波束成形方案的一个示例的图。根据数字波束成形方案，在数字阶段使用基带处理来执行波束成形。因此，与模拟波束成形方案不同，数字波束成形方案适合于在MIMO环境中使分集和复用增益最大化。

参照图4，在基带处理中执行权重矩阵(或者预编码矩阵)的应用，例如，预编码。在数字波束成形的情况下，与图1中示出的模拟波束成形不同，RF链包括功率放大器。原因在于用于波束成形的复杂权重被直接施加到发送数据。

此外，根据数字波束成形方案，不能形成针对每个用户不同的波束。例如，能够同时形成用于多个用户的波束。由于能够实现针对被分配了正交资源的每个用户独立的数字波束成形，因此调度相对自由，并且利于根据系统目的的发送级的操作。此外，如果在宽带传输环境中应用MIMO-OFDM(正交频分复用)和技术，则能够形成每个子载波独立的波束。因此，根据数字波束成形方案，由于提高了系统容量和波束增益，因此能够使针对每个用户的传输速率最大化。

为了在大规模MIMO环境中应用数字波束成形技术，由于基带处理器应该对数百个天线执行预编码处理，因此数字信号处理复杂性显著增加。此外，由于需要与天线的数目一样多的RF链，因此硬件实现复杂性显著增加。具体地，在FDD(频分双工)系统的情况下，由于需要在用于整个天线的大规模MIMO信道上的反馈信息，因此缺点在于参考信号(或者导频信号)传输和用于对应传输的反馈开销显著增加。

如果在大规模MIMO环境中应用模拟波束成形技术，则发送级的硬件复杂性相对低，使用多个天线的性能增加程度不明显，并且资源分配的灵活性降低。具体地，在宽带传输的情况下，难以按频率控制波束。

表1示出了模拟波束成形方案与数字波束成形方案之间的性能增益和复杂性关系。

[表1]

混合波束成形的建模

在根据本发明的一个实施方式的大规模MIMO环境中，代替选择性地应用模拟波束成形方案和数字波束成形方案中的一个，能够应用由将模拟波束成形结构和数字波束成形结构一起组合而产生的混合波形成形。因此，为了降低发送级的硬件实现复杂性并且为了使用大规模MIMO获得最大化波束成形增益，必须设计混合类型的发送级结构。

图5是描述根据本发明的一个实施方式的混合波束成形的概念的图。根据混合波束成形，被应用了数字波束成形方案的基带的数字信号主要被转换为RF带的模拟信号，并且模拟波束成形方案次要被应用到模拟信号。因此，对于混合波束成形方案，发送级应该能够支持数字波束成形方案和模拟波束成形方案二者。

针对混合波束成形而考虑到的项或者事项被描述如下。

-难以同时优化模拟波束成形和数字波束成形。基本上，数字波束成形能够在相同的时间-频率资源下应用每个用户独立的波束成形方案。另一方面，模拟波束成形具有使得对用户共用的波束成形方案应该在相同的时间-频率资源下被应用的限制。模拟波束成形的限制导致难以优化混合波束成形中的可支持秩号码、波束控制灵活性以及波束成形分辨率。

-用于在相同的时间-频率资源下仅在特定方向上形成波束的模拟波束成形方案难以在所有用户设备方向上同时形成多个波束。因此，模拟波束成形方案导致这样的问题：UL/DL控制信道、参考信号、同步信号等没有被同时发送到小区中的所有区域中分配的所有用户设备。

-在执行对模拟/数字波束的信道估计的情况下，数字波束成形方案能够按原样使用现有的正交导频指派。然而，在模拟波束成形方案中，需要总计波束候选的数目的时间持续。针对模拟波束的信道估计所花费的时间延迟相对长。在同时估计数字波束和模拟波束的情况下，复杂性显著增加。

-根据数字波束成形方案，用于多个用户/流的波束成形是自由的。然而，根据模拟波束成形方案，由于通过相同的权重向量/矩阵的波束成形在全部传输频带上被执行，因此难以执行每个用户或者流独立的波束成形。具体地，由于通过正交频率资源分配支持FDMA(例如，OFDMA)是困难的，因此难以优化频率资源。

在下面的描述中，考虑到在前面描述中提到的特征或属性，来解释用于混合波束成形的反馈方法。首先，在使用模拟波束成形方案和数字波束成形方案中的一个的现有移动通信系统中，利于执行基于闭环的波束成形(或者预编码)。例如，用户设备接收由基站发送的参考信号，然后确定预编码矩阵索引(PMI)、秩指示符(RI)和信道质量指示符(CQI)。用户设备将包含PMI、CQI和/或RI的信道状态信息(CSI)反馈给基站。随后，基站使用由用户设备发送的PMI来执行波束成形。另选地，在不被用户设备发送的PMI限制的情况下，基站可以使用不同的PMI来执行波束成形。

因此，在现有方法被完整地应用到混合波束成形的情况下，用户设备应该分别测量并报告用于模拟波束成形的PMI和用于数字波束成形的PMI。因此，用于测量和报告的开销增加两倍。此外，如果用于模拟波束成形的PMI和用于数字波束成形的波束成形彼此不同，则会导致另一问题。例如，假定用于模拟波束成形的最佳PMI和用于数字波束成形的最佳PMI分别指示0度方向和30度方向，由于模拟波束的方向与数字波束的方向彼此不同，因此混合波束成形的增益可以被表达为显著低。

根据本发明的一个实施方式，能够基于模拟波束的测量来确定用于数字波束成形的PMI。例如，用户设备仅将模拟波束的测量结果反馈给基站，并且可以不反馈用于数字波束成形的PMI。对于另一示例，用户设备使用模拟波束的测量结果来确定用于数字波束成形的PMI。模拟波束的测量结果和用于数字波束成形的PMI可以被反馈给基站。

图6是根据本发明的一个实施方式的用于执行混合波束成形的发送级的结构的图。根据本实施方式，假定每个RF链包括

个独立天线，本实施方式不限于该数目。例如，提供给每个RF链的数目可以被不同地配置。

根据本实施方式，在总天线数N_t、RF链数目N_RF和每个RF链的天线数目之间存在

的关系。由于经过每个RF链的移相器和功率放大器的信号被发送到发送天线，因此信号模型能够被限定为式8。

[式8]

在式8中，k表示子载波索引。子载波索引k具有0至(N_FFT–1)的范围内的值。N_FFT表示由系统支持的最大FFT(快速傅里叶变换)大小。另外，总子载波数目可以被限制到所述FFT大小的范围内。

y_k意指在子载波k中接收的具有大小“N_r×1”的信号向量。H_k意指在子载波k中具有“N_r×N_t”的大小的信道矩阵。F^RF意指在整个子载波中具有“N_r×N_t”的大小的RF预编码器(即，用于模拟波束成形的权重矩阵)。另外，RF预编码器(模拟波束成形)可以被同样应用于整个子载波。

意指在子载波k中具有“N_RF×N_S”的大小的基带预编码器(即，用于数字波束成形的权重矩阵)。另外，基带预编码器(数字波束成形)可以针对每个子载波单独配置。s_k表示在子载波k中发送的具有“N_S×1”的大小的信号向量，并且z_k表示在子载波k中具有“N_r×1”的大小的噪声信号向量。

N_RF表示RF链的总数目，N_t意指发送级天线的总数目，并且

意指提供给每个RF链的发送天线的数目。N_r表示接收级天线的总数目，并且N_s表示发送的数据流的数目。

式8中的每个项被详细地表示为式9。

[式9]

在RF链之后由移相器和功率放大器执行的模拟波束成形的“N_t×N_RF”预编码矩阵F^RF可以被表达为下面的式10。

[式10]

此外，指示预编码矩阵F^RF中的属于RF链I的t个天线中的每一个的权重的向量可以被限定为下面的式11。

[式11]

混合波束成形的波束辐射模式

本发明的混合波束成形方案能够基于包括1D阵列、2D阵列、环形阵列等在内的各种类型的天线中的一个被执行。为了以下描述的清楚，基于ULA(均匀线性阵列)天线来描述混合波束成形的波束辐射模式。ULA天线被示例性地例示，所附的权利要求及其等同物的范围不限于此。在ULA天线中，多个天线元件按照彼此间隔开等间距d的方式被线性排列。

ULA天线的阵列响应向量被表示为下面的式12。

[式12]

在式12中，λ表示波长，并且d表示天线间距离。为了清楚起见，为了表示混合波束成形器的天线辐射模式，RF链数目N_RF被假定为4并且每个RF链模拟天线数目

被假定为4。

图7是根据本发明的一个实施方式的配置有4个RF链的16-ULA天线结构的图。具体地，在图7中，总发送天线数目N_t是16并且d＝λ/2。根据图7中示出的示例，用于模拟波束成形的预编码矩阵被限定为式13。

[式13]

为了形成朝向瞄准线(即，从天线辐射的无线电波的主瓣的中心的方向)的波束，波束的转向角度被设置为0°。因此，模拟预编码矩阵的权重向量的每个元件的值变为1。在这种情况下，将被施加到数字波束成形阶段的秩1的随机权重向量被限定为下面的式14。为了清楚起见，秩1被假定，本发明不限于此。

[式14]

F^BB＝v₁＝[v₁ v₂ v₃ v₄]^T

在瞄准线(θ＝0°)处被应用式14的数字波束成形的天线阵列响应向量能够被表示为式15。在这种情况下，天线间距离d被假定为λ/2。

[式15]

式15能够被概括成式16。

[式16]

式16中的s被表达为式17，并且将被命名为波束束缚向量。另外，式16中的t被表达为式18，并且将被命名为波束增益和转向向量或者波束转向向量。

[式17]

[式18]

波束束缚向量s表示混合波束成形中的模拟波束的模式。波束转向向量t表示混合波束成形中的混合波束的增益和数字波束的模式。

波束束缚向量s通过混合波束成形方案来确定用于有效地形成混合波束的范围和边界。因此，数字波束成形的范围被限制在波束束缚向量以及模拟波束成形的范围内。例如，由于模拟波束不能有效地形成在波束束缚向量的范围内，因此不能在波束束缚向量的范围内执行混合波束成形。最终，由于数字波束成形应该在波束束缚向量的范围内被执行，因此能够执行混合波束成形。

图8示出了在规定的2维平面中依据波束束缚向量和波束转向向量的模拟波束和数字波束的模式。虽然能够以3D模式例示模拟波束和数字波束，但是为了以下描述的清楚，它们被例示在水平横截面中对于本领域技术人员是显而易见的。在图8中，假定N_t＝16,

N_RF＝4。波束束缚向量的波束模式由粗线指示，而波束转向向量的波束模式由细线指示。波束束缚向量的主瓣的瞄准线为0度(或者180度)。

每个波束的模式在波束转向角度(即，主瓣的瞄准线)处具有最大增益。当模式偏离波束转向角度时，波束增益减小。波束增益被表示为与图8中示出的自圆心开始的距离。波束的转向角度被表示为参照零度逆时针增加。

波束转向向量能够形成0度、30度、90度、150度、180度、210度、270度或者330度的波束。能够在波束束缚向量的波束模式和波束转向向量的波束模式彼此交叉的区域中执行混合波束成形。例如，当转向角度为0(或者180)时，因为波束束缚向量的增益和波束转向向量的增益分别变为最大值，因此适合于在转向角度为0度(或者180度)的点处执行混合波束成形。另一方面，当转向角度为30度时，由于波束束缚向量的增益是0，因此不能够在转向角度“30度”上执行混合波束成形。

图9示出了当模拟波束的转向角度在0度、30度或者60度处偏移时的天线阵列响应。在图8中，假定N_t＝16,

N_RF＝4。另外，在图9中示出了应用数字v₁＝[v₁ v₂ v₃ v₄]^T的结果。如在参照图8和图9的前述描述中提到的，有效波束的范围由向量s限制。

模拟波束的有效范围和数字波束的操作范围

如在前面的描述中提到的，由模拟波束成形形成的模拟波束的范围由波束束缚向量s限制。在式17中，假定在单个RF链中存在4个模拟天线。在N_t ^RF个天线连接到单个RF链的情况下，波束束缚向量被表示为式19。

[式19]

参照式19，波束束缚向量根据连接到单个RF链的天线的数目来确定。例如，如果存在4个RF链并且4个模拟天线连接到所述4个RF链中的每一个，则所有天线配置图7中示出的ULA结构。

通过对波束束缚向量进行分析，能够粗略地确定以固定的模拟波束的瞄准线为中心形成的整个混合波束的边界。例如，如果使用所有天线，则能够获得图9中示出的最终波束束缚向量的形状。如果给定用于确定模拟波束的瞄准线(或者方向)的模拟波束成形的权重F^RF，则能够预测用于有效地执行模拟波束成形的有效范围。在这种情况下，有效范围意指用于获取旨在要通过模拟波束成形获得的增益的范围。例如，如果在错误的方向上执行模拟波束成形，则模拟波束成形的增益将变得非常低。在这种情况下，执行模拟波束成形可能没有意义。旨在将通过模拟波束成形获得的最小增益可以根据被表达为参数α的系统设计而改变。有效范围与参数α之间的关系能够被限定为式20。

[式20]

在式20中，由于天线波长(λ)和天线间距离(d)以及每个RF链天线数目已知，因此能够通过调整设计参数α来获得有效范围。

此外，由于最终形成的混合波束是将数字波束成形和模拟波束成形组合得到的结果，因此数字波束成形应该在模拟波束成形的有效范围内被执行。基于模拟波束成形的有效范围，能够确定数字波束成形的操作范围和PMI。

具体地，在尝试从混合波束成形中的模拟波束成形获取等于或者大于3dB带宽的增益(例如，瞄准线处的增益的1/2)的情况下，参数α被设置为0.886(即，α＝0.886)。有效范围能够被表达为式21。

[式21]

假定

并且每个RF链天线数目4，3dB波束宽度Δθ_3dB被计算为“0.866x(2/3)x(180/π)≒33.8°”。

基于此，数字波束成形的操作范围能够被表示为式22。

[式22]

考虑式22中的φ来确定PMI。如在前述描述中提到的，φ意指数字波束成形的转向角度。通过这一点，能够确定波束转向向量t的PMI v。即，确定了式23中示出的配置。

[式23]

图10示出了如果在0°或者±60°处执行模拟波束成形，则考虑到3dB波束宽度的数字波束的操作范围。表2示出了参数α与波束束缚向量的有效范围之间的关系。

[表2]

基站能够改变参数α以与通信环境对应。例如，在用户集中的环境中，通过将参数α设置为低值，能够选择使用户设备中的波束增益最大化的PMI。另一方面，在用户设备更广泛地分布的环境中，通过提高参数α，尽管波束增益减小，然而OMI的选择范围增加以覆盖宽的范围。

此外，根据在前述描述中提到的实施方式，每个RF链中包括的模拟天线的数目

被假定为例如相等，本发明不限于此。例如，第一RF链中可以包括n个天线，而第二RF链中可以包括k个天线(其中，n≠k)。因此，如果按照RF链每个RF链中包括的天线的数目彼此不同，则通过式20计算出的模拟波束的有效范围Δθ针对每个RF链不同。例如，如果参数α是0.866，则针对第一RF链基于

来计算第一有效范围，而针对第二RF链基于来计算第二有效范围。

在这种情况下，由于第一有效范围和第二有效范围在值方面彼此不同，因此基站能够确定将被共同应用到所有RF链的最终模拟波束的有效范围。例如，如果针对相应的RF链计算出的有效范围彼此不同，则基站能够将所计算出的有效范围当中的最小有效范围确定为最终有效范围。根据另一实施方式，基站能够将所计算出的有效范围当中的最大有效范围确定为最终有效范围。根据另一实施方式，基站能够通过对所计算出的有效范围求平均来确定最终有效范围。根据另一实施方式，基站能够通过将规定的权重应用到所计算出的有效范围的精简函数来确定最终有效范围。根据又一实施方式，在RF链被预先设置作为参考之后，基站能够将针对参考RF链设置的有效范围确定为最终有效范围。另外，对于本领域技术人员而言显而易见的是，各种有效范围确定方法以及上述实施方式或者示例都是可获得的。

根据模拟波束的有效范围的数字波束的PMI

如在前述描述中提到的，在根据参数α调整有效范围的情况下，应该一起调整用于数字波束成形的PMI。码本被设计为使得数字波束能够位于有效范围内，并且应该从对应码本选择PMI。表3示出了根据本发明的一个实施方式的码本的一个示例。

[表3]

此外，用于执行模拟波束成形的转向角度是限制的。另外，转向角度的精细程度被表示为模拟波束成形的分辨率。例如，能够像实例1:{0,30,60…}一样以30°为单位进行波束成形的情况具有比能够像实例2:{0,5,10…}一样以5°为单位进行波束成形的情况低的分辨率。模拟波束成形的最大分辨率通过模拟装置的机械性能来确定。具体地，由于被配置为执行模拟波束生成的移相器的分辨率限度是限制的，因此模拟波束成形难以像数字波束成形一样通过精细单元执行波束成形。因此，当设计天线时，预先确定可支持模拟波束成形的最大分辨率。

假定模拟波束成形的分辨率没有发生改变，有效范围可以根据参数α而彼此交叠。例如，具有设置为0度的转向角度的第一模拟波束的有效范围被假定为大约在-16.5度与+16.5度之间的范围，并且具有设置为30度的转向角度的第二模拟波束的有效范围被假定为大约在13.5度与+46.5度之间的范围。在这种情况下，在13.5度与16.6度之间的范围属于第一模拟波束和第二模拟波束中的每一个的有效范围。

因此，当有效范围彼此交叠时，与第一模拟波束对应的第一数字波束的PMI可以等于与第二模拟波束对应的第二数字波束的PMI。例如，码本中的一些PMI可以彼此交叠。

图11示出了PMI彼此交叠的情况。在图1中示出的有效范围彼此交叠的情况下，优选的是通过参数α来调整有效范围。例如，原因在于位于交叠区域中的用户设备可能经历由用于另一用户设备的波束成形导致的干扰。

当有效范围从L1改变成L2时，如果每个波束束缚向量的单个PMI与表3中示出的码本中的另一波束束缚向量的PMI交叠，则表3中示出的码本被重新调整成表4。例如，当有效范围为L2时，码本按照P_L没有在“瞄准线＝0”和“瞄准线＝30”处被双重地使用的方式进行改变。

[表4]

根据模拟波束的有效范围的数字波束的分辨率

根据本发明的一个实施方式，能够根据模拟波束的有效范围来确定数字波束的分辨率。例如，如果有效范围增加，则可选择的数字波束之间的间隔可以增加。如果有效范围减小，则可选择的数字波束之间的间隔可以减小。虽然有效范围被改变，但是可选择PMI的数目能够保持恒定。

具体地，如果第一模拟波束(例如，瞄准线＝0)的第一有效范围中可形成的数字波束的数目是N_i，则虽然有效范围被改变，但是N_i能够保持不变。例如，参照图12，虽然有效范围减小，但是有效范围中可形成的数字波束的数目(＝3)保持不变。然而，数字波束之间的间隔改变。这与数字波束的分辨率改变对应。

因此，当数字波束间隔改变时，数字波束的转向角度(即，瞄准线)改变。因此，用于间隔改变的数字波束的PMI应该被重新限定。

在基站中，可以预先设置分辨率彼此不同的PMI集合(例如，码本)。基于有效范围或者参数α，基站能够确定是否使用PMI集合。

根据另一实施方式，基站可以重新使用单个码本。例如，能够根据有效范围或者参数α来修改码本的PMI。

参照表5，限定了单个波束束缚向量中的每个有效范围的分辨率彼此不同的多个PMI集合。虽然可用于有效范围L1的PMI的数目(L)等于可用于有效范围L2的PMI的数目(L)，但是

换句话说，基于

形成的数字波束可以位于与基于

形成的数字波束的方向不同的方向上。

[表5]

根据模拟波束的有效范围的模拟波束的分辨率

基站能够根据有效范围通过波束束缚向量来调整模拟波束的分辨率。模拟波束成形的最大分辨率通过移相器的性能来确定。

例如，如果α被设置为α₁(α＝a₁)，则有效范围被设置为30°。如果α被设置为α₂(α＝a₂)，则有效范围被设置为20°。如果有效范围从30°改变为20°，则应该重新调整模拟波束的波束成形分辨率。当有效范围为20°时，如果模拟波束成形器(F^RF)的转向角度被设置为0°、±30°或者±60°，则从每个波束单元产生10°的空白。例如，当第一模拟波束与第二模拟波束之间的瞄准线差为30°时，如果第一模拟波束与第二模拟波束中的每一个的有效范围为20°，则从位于第一模拟波束与第二模拟波束之间的10°间隔产生不属于第一模拟波束和第二模拟波束中的每一个的阴影(shade)。因此，优选的是，模拟波束成形器(F^RF)的转向角度分别从0°、±30°、±60°被重新调整为F^RF＝0°、±20°、±40°、±60°。

因此，考虑到能够有效地发送模拟波束的范围，设计了波束成形预编码器。混合波束成形器被配置为按照模拟波束成形和数字波束成形基本上结合在一起的方式进行操作。在这种情况下，能够通过模拟波束与RF链之间的关系来确定并设计数字PMI的可应用范围。根据连接到每个RF链的模拟链的数目来估计模拟波束，因此设计数字波束成形PMI。据此，能够高效地执行混合波束成形并且能够降低波束控制的复杂性。

此外，前述描述中提到的实施方式的可应用范围不受混合波束成形的限制。例如，实施方式可应用于模拟波束成形状态被数字波束成形状态替换的情况。数字波束成形能够通过天线子分组在每个天线子分组上被顺序且连续地执行。因此，本实施方式可应用于具有分层结构的数字波束成形方案。

为了清楚起见，参照下行链路进行了前述描述，本发明不限于此。实施方式可应用于发送器和接收器的各种组合。例如，本实施方式可应用于针对用户设备到基站传输的上行链路传输情景、用户设备间(例如，D2D、V2V等)信号传输情景、基站间(例如，中继、无线回程等)信号传输情景等。

图13是根据本发明的一个实施方式的混合波束成形方法的图。将从以下描述中省略具有前述描述的详细冗余。

参照图13，基站向用户设备发送第一参考信号的配置信息[S1305]。在这种情况下，第一参考信号的配置信息通过RRC信令发送或者可以通过系统信息广播。第一参考信号的配置信息可以包括关于用于发送第一参考信号的周期或者频率的信息、关于将映射有第一参考信号的资源元素的信息等，信号配置信息可以不限于此。

基站通过模拟波束成形发送第一参考信号[S1310]。基站能够形成针对各个方向的模拟波束。例如，基站能够以30°为单位形成用于12个方向的12个模拟波束。能够按照时间顺序地形成多个模拟波束。

用户设备通过第一模拟波束接收第一参考信号。虽然第一信号通过多个模拟波束来发送，但是用户设备不能通过所有的模拟波束来接收第一参考信号。用户设备通过在用户设备自身所处的方向上形成的至少一个模拟波束来接收第一参考信号。

用户设备发送关于第一模拟波束的信息[S1320]。例如，用户设备能够向基站发送关于用于接收第一参考信号的定时或者子帧的信息、关于第一模拟波束的索引的信息、关于第一模拟波束的方向的信息、以及关于第一模拟波束的增益的信息中的至少一个，所述信息不限于此。第一参考信号可以通过第二模拟波束以及通过第一模拟波束来接收。在这种情况下，优选的是，用户设备将关于具有最高增益的规定波束的信息发送到基站。

随后进行描述的混合波束成形的方向能够通过关于第一模拟波束的信息来确定。例如，如果第一模拟波束的瞄准线是30度，则优选的是混合波束成形中的模拟波束成形在30度的方向上被执行。此外，混合波束成形中的数字波束成形在±30度(有效范围/2)处被执行。

基站确定第一模拟波束的有效范围[S1325]。基站对应该通过第一模拟波束获得的最小增益(G_min)进行设置。基站确定通过第一模拟波束的发送的增益等于或者大于以上设置的最小增益的角度的范围。例如，有效范围能够基于式20来确定。

基站根据有效范围来改变模拟波束的分辨率。例如，基于用于使第一模拟波束转向的第一单位角度和所确定的有效范围，基站确定在第一模拟波束和转向了第一单位角度的第二模拟波束之间是否存在模拟波束成形的阴影。如果基站确定存在模拟波束成形的阴影，则基站将第一单位角度改变为第二单位角度。

基于第一模拟波束的有效范围，基站确定数字波束成形的PMI[S1325]。

基站从码本中选择第一PMI(预编码矩阵索引)集合。基站从第一PMI集合中选择至少一个PMI。可以基于第一模拟波束的瞄准线角度与第一有效范围中的至少一个来选择第一PMI集合。例如，如在参照表5的前述描述中提到的，码本可以包括：第一有效范围，所述第一PMI集合被映射到该第一有效范围；第一瞄准线角度，包括所述第一有效范围在内的多个有效范围被映射到该第一瞄准线角度；以及多个瞄准线角度，所述多个瞄准线角度包括所述第一瞄准线角度。

基站能够确定与第一模拟波束的瞄准线对应的第一PMI(预编码矩阵索引)集合是否与第一模拟波束的瞄准线角度邻近的规定角度对应的第二PMI集合中的至少一部分交叠。如果第一PMI集合和第二PMI集合彼此至少部分地交叠，则基站能够从表4中示出的除了交叠的至少一部分以外的第一PMI集合中选择至少一个PMI。

当有效范围被改变时，数字波束成形的分辨率可以被改变。例如，基于有效范围，基站从表5中示出的包括与第一有效范围对应的第一PMI(预编码矩阵索引)集合和与第二有效范围对应的第二PMI集合在内的码本中选择至少一个PMI。在这种情况下，第一PMI集合中包括的第一PMI的数目可以等于第二PMI集合中包括的第二PMI的数目。此外，由第一PMI生成的数字波束之间的间隔可以与由第二PMI产生的数字波束之间的间隔不同。

基站通过混合波束成形发送下行链路数据[S1330]。例如，基于有效范围和PMI，基站执行数字波束成形和模拟波束成形分层地结合在一起的混合波束成形。

图14是根据本发明的一个实施方式的基站和用户设备的配置的图。图14中示出的基站10和用户设备20能够执行前述描述中提到的方法，并且将从以下描述中省略冗余的细节。

参照图14，基站10可以包括接收器11、发送器12、处理器13、存储器14以及多个天线15。在这种情况下，多个天线15可以意指支持MIMO发送和接收的基站。接收器11可以在上行链路中从用户设备接收各种信号、数据和信息。发送器12可以在下行链路中向用户设备发送各种信号、数据和信息。另外，处理器13可以控制基站10的整体操作。

另外，基站10的处理器13可以执行对由基站10接收的信息、要在外部发送的信息等进行操作和处理的功能。存储器14能够在规定时间内存储操作和处理的信息等，并且可以用诸如缓冲器这样的组件(附图中未示出)等来替换。

根据本发明的一个实施方式，处理器13基于混合波束成形中的模拟波束成形的增益来确定模拟波束的有效范围。基于模拟波束的有效范围，处理器13确定用于混合波束成形中的数字波束成形的预编码矩阵。基于有效范围和预编码矩阵，处理器13执行数字波束成形和模拟波束成形结合在一起的混合波束成形。发送器12通过混合波束成形来将下行链路数据发送给用户设备。

用户设备20包括接收器21、发送器22、处理器23、存储器24以及多个天线25。在这种情况下，多个天线25可以意指支持MIMO发送和接收的用户设备。接收器21可以在下行链路中从基站接收各种信号、数据和信息。发送器22可以在上行链路中向基站发送各种信号、数据和信息。另外，处理器23可以控制用户设备20的整体操作。

另外，用户设备20的处理器23可以执行对由用户设备20接收的信息、要在外部发送的信息等进行操作和处理的功能。存储器24能够在规定时间内存储操作和处理的信息等，并且可以用诸如缓冲器这样的组件(附图中未示出)等来替换。

根据本发明的一个实施方式，接收器21通过由模拟波束成形在不同的方向上形成的多个模拟波束当中的第一模拟波束来接收第一参考信号。接收器21通过具有结合的模拟波束成形和数字波束成形的混合波束成形来接收下行链路数据。发送器22向基站发送关于用来接收第一参考信号的第一模拟波束的信息。用于数字波束成形的预编码矩阵可以基于第一模拟波束的有效范围来确定。

本发明的实施方式可以利用各种方式来实现。例如，本发明的实施方式可以使用硬件、固件、软件和/或其任意组合来实现。

在通过硬件实现的情况下，能够通过从由ASIC(专用集成电路)、DSP(数字信号处理器)、DSPD(数字信号处理器件)、PLD(可编程逻辑器件)、FPGA(现场可编程门阵列)、处理器、控制器、微控制器、微处理器等组成的组中选择的至少一个来实现根据本发明的实施方式中的每一个的方法。

在通过固件或者软件实现的情况下，能够通过用于执行上述功能或者操作的模块、过程和/或功能来实现根据本发明的实施方式中的每一个的方法。软件代码可以存储在存储单元中，然后可由处理器驱动。存储单元被设置在处理器内部或者外部，以通过各种已知手段与处理器交换数据。

如前述描述中提到的，针对本发明的优选实施方式的详细描述被提供以将由本领域技术人员来实现。虽然已经在本文中参照本发明的优选实施方式描述和例示了本发明，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，能够在不脱离本发明的精神和范围的情况下在本文中做出各种修改和变型。因此，本发明旨在涵盖本发明的落入所附的权利要求及其等同物的范围内的修改和变型。因此，本发明不受本文中公开的实施方式的限制，并且旨在给出与本文中公开的原理和新特性匹配的最广泛的范围。

虽然已经在本文中参照本发明的优选实施方式描述和例示了本发明，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，能够在不脱离本发明的精神和范围的情况下在本文中做出各种修改和变型。因此，本发明旨在涵盖该发明的落入所附的权利要求及其等同物的范围内的修改和变型。另外，显然可理解的是，实施方式通过将所附的权利要求中的不具有明确引用关系的权利要求组合在一起来配置，或者能够在提交申请之后通过修改作为新的权利要求被包括。

工业实用性

如前述描述中提到的，本发明的实施方式可应用于各种移动通信系统。

Claims (8)

1.一种在无线通信系统中由基站执行波束成形的方法，该方法包括以下步骤：

设置要通过模拟波束获得的最小增益α；

确定与所述模拟波束在混合波束成形中的模拟波束成形的增益变得等于或大于所述最小增益α时的角度对应的有效范围Δθ；

基于所述模拟波束的所述有效范围来确定用于所述混合波束成形中的数字波束成形的预编码矩阵；以及

基于所述有效范围和所述预编码矩阵来执行所述数字波束成形与所述模拟波束成形结合的所述混合波束成形，

其中，基于公式来确定所述有效范围Δθ，其中，

表示执行所述模拟波束成形的每个射频链的天线元件的数目，d表示所述天线元件之间的距离，并且λ表示天线波长。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述预编码矩阵的步骤包括以下步骤：

从码本中选择第一预编码矩阵索引PMI集合；以及

从所述第一PMI集合中选择至少一个PMI，

其中，基于所述模拟波束的瞄准线角度和所述有效范围中的至少一个来设计所述码本。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述码本包括：

第一有效范围，所述第一PMI集合被映射到该第一有效范围；

第一瞄准线角度，包括所述第一有效范围在内的多个有效范围被映射到该第一瞄准线角度；以及

多个瞄准线角度，所述多个瞄准线角度包括所述第一瞄准线角度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述预编码矩阵的步骤包括以下步骤：

确定与所述模拟波束的瞄准线角度对应的第一预编码矩阵索引PMI集合和与所述模拟波束的所述瞄准线角度邻近的规定角度对应的第二PMI集合是否彼此至少部分地交叠；以及

如果所述第一PMI集合和所述第二PMI集合彼此至少部分地交叠，则通过将所交叠的部分从所述第一PMI集合中排除在外从所述第一PMI集合中选择至少一个PMI。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，如果所述有效范围被改变，则所述数字波束成形的分辨率和所述模拟波束成形的分辨率中的至少一个被改变。

6.根据权利要求1所述的方法，确定所述预编码矩阵的步骤包括以下步骤：基于所确定的有效范围，从包括与第一有效范围对应的第一预编码矩阵索引PMI集合和与第二有效范围对应的第二PMI集合在内的码本中选择至少一个PMI，

其中，所述第一PMI集合中包括的第一PMI的数目等于所述第二PMI集合中包括的第二PMI的数目，并且

其中，由所述第一PMI生成的数字波束之间的距离与由所述第二PMI生成的数字波束之间的距离不同。

7.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：

基于用于使所述模拟波束转向的第一单位角度和所述有效范围来确定所述模拟波束与转向了所述第一单位角度的转向后模拟波束之间是否存在所述模拟波束成形的阴影；以及

如果存在所述模拟波束成形的阴影，则将所述第一单位角度改变为第二单位角度。

8.一种在无线通信系统中执行波束成形的基站，该基站包括：

处理器，该处理器用于：设置要通过模拟波束获得的最小增益α；确定与所述模拟波束在混合波束成形中的模拟波束成形的增益变得等于或大于所述最小增益α时的角度对应的有效范围Δθ；用于基于所述模拟波束的所述有效范围来确定用于所述混合波束成形中的数字波束成形的预编码矩阵，并且用于基于所述有效范围和所述预编码矩阵来执行所述数字波束成形与所述模拟波束成形结合的所述混合波束成形；以及

发送器，该发送器用于通过所述混合波束成形向用户设备发送下行链路数据，

其中，基于公式

来确定所述有效范围Δθ，其中，

表示执行所述模拟波束成形的每个射频链的天线元件的数目，d表示所述天线元件之间的距离，并且λ表示天线波长。

Images