CN106105073B - 波束选择方法、基站以及用户装置 - Google Patents

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Abstract

一种波束选择方法，在包含具有多个天线元件的基站和与所述基站进行无线通信的用户装置的移动通信系统中实施，其中，在所述基站中检测所述用户装置驻留的方向，朝向所述检测到的方向使用相同的频率及时间资源通过空间复用来发送进行了预编码的多个参考信号，基于来自所述用户装置的反馈信息，决定用于所述用户装置的波束。

Description

波束选择方法、基站以及用户装置
技术领域
本发明涉及移动通信技术的领域，特别涉及3D-MIMO(Three-DimensionalMultiple Input Multiple Output：三维多输入多输出)方式的移动通信系统中的波束选择技术。
背景技术
在作为国际标准化组织的3GPP(Third Generation Partnership Project：第三代合作伙伴计划)的技术规范版本(Release)8～11中采用了如下技术：在LTE(Long TermEvolution：长期演进技术)无线接入方式的下行链路中，基站使用横向配置的多个(plural)天线端口(AP)进行水平方向的波束成形。
在版本12中，正在研讨在基站中搭载多个天线端口并且除了水平方向之外还在垂直方向上形成波束的三维MIMO(3D-MIMO)(例如参照非专利文献1和2)。通过在垂直方向(仰角方向)和水平方向(方位角方向)上形成波束，可期待系统特性的改善。
在3GPP标准化上，将发送天线端口数是8以下时的3D-MIMO称为“垂直波束成形(Elevation Beamforming)”，将发送天线端口数大于8时(16、32、64等)称为FD-MIMO(Full-dimensional MIMO：全维MIMO)。除了标准化以外，FD-MIMO也被称为大规模(Massive)MIMO，天线配置也可以未必是二维配置或三维配置。
FD-MIMO是通过使用非常多的基站天线元件来形成锐利的波束(或者定向性)来大幅地改善频率利用效率的技术。与垂直波束成形相同，通过在基站中配置多个天线端口，能够在水平方向和垂直方向上进行波束形成。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：3GPP TSG RAN#58,RP-121994,"Study on Downlink Enhancementfor Elevation Beamforming for LTE"
非专利文献2：3GPP TSG RAN#58,RP-122015,"New SID Proposal:Study on FullDimension for LTE"
发明内容
发明要解决的课题
在FD-MIMO或大规模MIMO中，通过进行预编码能够增大波束增益，但另一方面波束宽度变窄。图1A～图1C示出在一维排列的天线中应用了离散傅里叶变换(DFT)预编码的情况下的波束图案(beam pattern)。图1A是4天线(8DFT波束)时的波束图案，图1B是8天线(16DFT波束)时的波束图案，图1C是16天线(32DFT波束)时的波束图案。
在覆盖全部方向的情况下，需要大致与天线元件数量成比例(倍数程度)的波束方向。增加天线数量而波束增益变得越大，则各波束的宽度变得越窄。在使用规模比16个天线大的天线元件的情况下，需要在基站中形成更多的波束或波束候选来选择最佳的波束。在也包含其他小区或其他扇区而进行波束选择的情况下，波束数量还可能成为几倍到几十倍。
为了选择最佳的波束，考虑到使用户装置从尽量多的波束候选中选择最优的波束。但是，当增加波束候选的数量时，具有定向性的参考信号例如信道测定用的参考信号(CSI-RS：Channel State Information Reference Signal)的数量增加而参考信号的开销增大。
因此，课题在于提供一种在3D-MIMO方式的移动通信中抑制了参考信号发送及反馈的开销的高效的波束发送及选择技术。
用于解决课题的手段
为了实现上述课题，在包含具有多个天线元件的基站和与所述基站进行无线通信的用户装置的移动通信系统中的波束选择方法中，特征在于，
在所述基站中，检测所述用户装置驻留的方向，
朝向所述检测到的方向使用相同的频率及时间资源通过空间复用来发送进行了预编码的多个参考信号，
基于来自所述用户装置的反馈信息，决定用于所述用户装置的波束。
发明效果
在3D-MIMO方式的移动通信中，抑制参考信号的开销并且能够实现高效的波束发送和选择。
附图说明
图1A是示出与天线数量相应的定向性波束的图案的图。
图1B是示出与天线数量相应的定向性波束的图案的图。
图1C是示出与天线数量相应的定向性波束的图案的图。
图2是示出实施方式的移动通信系统的基本结构的图。
图3是示出在实施方式中执行的波束选择的阶段性途径(approach)的图。
图4是示出波束选择的第1例的图。
图5A是示出波束选择的第2例的图。
图5B是示出波束选择的第2例的图。
图6A是示出波束选择的第3例的图。
图6B是示出用于波束选择中的反馈表的例子的图。
图6C是示出用于波束选择中的反馈表的其他例子的图。
图7A是示出波束选择的第4例的图。
图7B是示出用于波束选择中的反馈表的例子的图。
图8A是示出波束选择的第5例的图。
图8B是示出用于波束选择中的反馈表的例子的图。
图9是说明波束跟踪的图。
图10是示出波束选择的变形例的图。
图11是在实施方式中使用的基站的概要结构图。
图12是在实施方式中使用的用户装置的概要结构图。
具体实施方式
图2是示出实施方式的移动通信系统1的基本结构的图。基站10从具有多个天线元件的天线11同时发送进行了预编码的即具有定向性的多个参考信号(Precoded CSI-RS：进行了预编码的CSI-RS)。
用户装置20-1、20-2从进行了预编码的多个参考信号中选择适当的波束，且向基站10反馈选择结果。在用户装置20-1、20-2中可基于SINR(Signal to Interference-plus-Noise Ratio：信号与干扰加噪声比)、RSRP(Reference Signal Received Power：参考信号接收功率)、RSRQ(Reference Signal Received Quality：参考信号接收质量)或接收功率等接收质量，来决定适当的波束。
在实现图2的系统的情况下，进行了预编码的参考信号的数量增加而开销增大。因此，在实施方式中进行阶段性的波束选择。在阶段性的波束选择中，首先确定用户装置20-1、20-2驻留的周边区域。接着，朝向所确定的区域内发送进行了预编码的多个参考信号(候选波束)，使用户装置20-1、20-2(以下适当地统称为“用户装置20”)从有限数量的候选波束中选择适当的波束。
既可以根据来自用户装置20的反馈内容来直接选择波束，也可以进行波束方向的进一步筛选之后决定用于用户装置20的波束，还可以重复进行向揭示出的区域内的参考信号的重新发送或位置检测的步骤。
在一旦决定了定向到用户装置20的最佳的波束时，为了使波束的方向即发送数据的方向追踪用户装置20，可以进行波束跟踪。
图3是示出用于降低参考信号和反馈信息的量的阶段性途径的图。基站10大概地检测用户装置20的大致位置即波束的方向(S1)。将该阶段作为“粗略检测”的阶段。
关于粗略检测，在图2的基站10例如是小型基站或远程基站的情况下，可基于未图示的宏基站的辅助来实施。或者，也可以基于邻近基站的相互关系进行粗略检测。也可以由基站10单独地基于同步信号或位置检测参考信号(PRS：Positioning Reference Signal：定位参考信号)、GPS(Global Positioning System：全球定位系统)等，进行粗略检测。以一定间隔或基于来自用户装置20的信息来重复进行粗略检测(S1)。
如果确定了用户装置20的大致位置，则基站10进行波束的筛选(S2)。在波束的筛选(S2)中，朝向粗略检测到的方向以多个流同时发送具有定向性的参考信号(PrecodedCSI-RS)(S21)，且基于来自用户装置20的反馈信息来选择最佳的波束(S23)。既可以以一定间隔或基于来自用户装置20的反馈信息来重复进行参考信号的发送(S21)或波束选择(S23)，也可以根据反馈信息的结果在S21或S23后重新进行粗略检测(S1)或波束筛选(S2)。
在选择了用于用户装置20的波束时，可以进行使波束追踪用户装置20的波束跟踪(S3)。在波束跟踪中产生了波束脱离目标(ビーム外れ)等的情况下，可以重新进行粗略检测(S1)或波束筛选(S2)。
在此，示出了阶段性地进行S1～S3的例子，但既可以通过单独应用或选择2个来进行复杂程度较低的波束选择，也可以与其他波束选择技术进行组合。
以下说明筛选步骤(S2)的具体例。
＜波束选择法1＞
图4示出波束筛选的第1例。在图4中，基站10在相同的频率·时间资源中对进行了预编码的信道测定用的参考信号(Precoded CSI-RS)应用空间复用，由此抑制开销并以多流来发送Precoded CSI-RS。
基站10以定时(timing)A来对波束(信号流)A1和A2进行空间复用而发送，以定时B来对波束(信号流)B1和B2进行空间复用而发送，以下按顺序以不同的定时来发送波束的组。
在UE(User Equipment：用户装置)1选择波束A1、UE2选择波束A2的情况下，基站10能够应用将UE1和UE2配对的多用户(MU)-MIMO(Multiple Input Multiple Output：多输入多输出)。即，利用不同的波束(信号流)同时发送进行了预编码的参考信号，由此能够与波束选择同时决定考虑了用户间干扰的用户对。
在图4中示出了对由不同的字母表示的Precoded CSI-RS在时间上进行复用的例子，但既可以是频率上的复用，也可以是码分复用。另外，同时复用的信号流的数量不限于2，也可以是3以上。
该方法因为一次发送多个Precoded CSI-RS，因此能够削减RS开销。
利用多流来发送Precoded CSI-RS，由此能够测定考虑了用户间干扰的接收质量。
另外，使从基站10发送的多流的Precoded CSI-RS的候选(例如A1与A2)正交，由此能够应用降低了UE间干扰的MU-MIMO。
在图4的方式中，在进行多流发送的情况下，基站10将针对各个流(A1、A2等)的信号序列、复用位置(时间位置或频率位置)、正交码等作为信令信息通知给UE。
＜波束选择法2＞
图5A和图5B示出波束筛选的第2例。在波束选择法2中，阶段性地进行波束的筛选本身。
图5A示出波束筛选的前段步骤2-A。在前段步骤2-A中，基站10从天线11利用较宽波束1～4发送多个Precoded CSI-RS。在此发送的参考信号也可以是例如小区专用的参考信号(CRS：Cell-specific Reference Signal)。在筛选的最初阶段使用较宽波束来抑制RS开销，并且能够进一步筛选用户装置20的方向。
用户装置20从多个较宽波束1～4中选择最佳的波束(在图5A的例子中是波束2)，并将选择结果反馈给基站10。
图5B示出波束筛选的后段步骤2-B。在后段步骤2-B中，基站10按照前段步骤2-A的反馈信息来决定向波束2的方向发送的多个Precoded CSI-RS。为了方便将该参考信号作为第2Precoded CSI-RS。可以利用比在前段步骤2-A中使用的波束细的锐利的波束来发送第2Precoded CSI-RS。
第2Precoded CSI-RS是例如用户专用的参考信号(UE-specific ReferenceSignal)。在用户专用信道、特别是物理下行链路共享信道(PDSCH：Physical DownlinkShared Channel)中包含后段的参考信号的发送，由此能够减小对以往的用户装置(传统UE)的影响。
用户装置20从多个第2Precoded CSI-RS中选择最佳的波束(波束2C)，且向基站10反馈选择结果。通过该方法，能够更精细地进行最佳波束的筛选。此外，反馈给基站10的波束的数量不限于单一波束，也可以基于接收到的参考信号的测定电平(level)或信道质量来反馈多个波束编号。
在图5A和图5B的例子中，使用前段步骤2-A的反馈信息来进行后段步骤2-B的波束选择，但也可以在前段步骤2-A和后段步骤2-B中使用独立的反馈。例如，也可以在前段步骤2-A中选择仰角方向的波束，在后段步骤2-B中选择水平方向的波束。
＜波束选择法3＞
图6A～图6C示出波束筛选的第3例。在上述的波束选择法2中，存在也可以未必实施图5B所示的后段的步骤2-B的情况。例如即使是在用户装置20的移动速度较快、想要进一步在后段实施精细的筛选，用户装置20的位置也会从实施前段步骤2-A时的位置发生变化的情况等。在该情况下，重新进行前段步骤2-A或最初的步骤S1就能够更高效地筛选波束。
因此，在波束选择法3中，提出了能够返回前段步骤2-A的反馈方法。
图6A示出从基站10的天线11发送的波束的概要图，图6B示出基站10和用户装置20共同具有的反馈表21。图6B是在前段步骤2-A中获得的最新的信息是“波束2”时的反馈表21的状态。
在使用3比特的反馈信息的情况下，在选择且反馈了前段“波束2”的时点，在维持前段的较宽波束1～4的识别信息(“000”、“001”、“010”、“011”)的状态下，设定朝向波束2的方向的较细的锐利的波束2A～2D的识别信息(“100”、“101”、“110”、“111”)。
当反馈表21处于图6B的状态时，用户装置20能够监视8种波束。在一个反馈表21中包含在前段步骤2-A中使用的较宽波束和在后段步骤2-B中使用的较窄波束的2种波束，由此基站10能够在用户装置20的主导下切换波束的种类。
例如，当如图6A那样用户装置20选择波束2后作为后段步骤选择了波束2C的情况下，反馈“110”，基站10设定为了用户装置20而形成波束2C的预编码矢量。
另一方面，用户装置20利用反馈信息通知“000”、“001”、“010”、“011”，由此基站10能够实现不应用较窄波束的预编码。这作为针对移动速度较高的用户装置20等的波束筛选是有效的。
当对较宽波束与较窄波束进行比较时，也可以加上偏移(offset)。例如，用户装置20测定“000”、“001”、“010”、“011”的波束即较宽波束时可以对接收功率加上一定的偏移值(例如3dB)。通过加上偏移量，能够公平地比较波束质量。
图6C示出在基站10与用户装置20中共同保持的反馈表22的例子。反馈表22示出在前段步骤2-A中选择了波束2时的最新状态。反馈表22除了将细分波束2的方向而得到的波束2A～2D(“100”、“101”、“110”、“111”)之外，还具有“000”的值。“000”可以用于通知波束脱离目标。当用户装置反馈了“000”时，基站10可以返回到前段步骤2-A或步骤S1的粗略检测。
该方法也能够在用户装置20主体中切换波束筛选的阶段性处理。
＜波束选择法4＞
图7A和图7B示出波束筛选的第4例。在上述的波束选择法3中，使用以不同的波束宽度发送的参考信号来能够进行阶段性处理的切换，在波束选择法4中仅使用锐利的波束来获得与图6A～图6C的方法同样的效果。
如图7A和图7B所示，基站10和用户装置20具有共同的反馈表23。反馈表23示出刚刚在前段步骤2-A中选择波束2之后的最新状态。
反馈表23除了细分波束2的方向而得到的波束2A～2D(“100”、“101”、“110”、“111”)之外还具有表示波束1A～1D的“000”、表示波束3A～3D的“010”、表示波束4A～4D的“011”的值。“001”可以是保留区域。
在来自用户装置20的反馈信息取“000”、“010”、“011”等值的情况下，基站10返回到前段步骤2-A。该方法也能够仅使用3比特在用户装置20的主导下切换阶段性的筛选处理。
＜波束选择法5＞
图8A和图8B示出波束筛选的第5例。在上述的波束选择法3和波束选择法4中，在用户装置20主体中进行了前段步骤2-A与后段步骤2-B的切换控制，但也可以在基站10中进行控制。
图8B是在基站10与用户装置20中共同具有的反馈表24。反馈表24具有2个区域24A、24B，分别以2比特表示较宽波束1～4和细分而得到的波束A～D。如图8A所示，基站10能够使用户装置20分别反馈较宽波束的索引和较窄波束的索引。
例如，通过改变较宽波束与较窄波束的索引的反馈周期，能够进行独立的反馈。特别是，通过以更高频度来进行较窄波束的选择，能够实现高效的反馈。
另外，较窄波束的索引可以依照较宽波束的反馈信息。例如，在前段步骤2-A中选择了波束2的情况下，后段步骤2-B中的筛选从波束2A～2D中选择。
在上述的例子中，说明了使用较宽波束与较窄波束的情况，但也可以应用于如波束选择法4那样仅使用了较窄波束的阶段性筛选。在该情况下，例如能够以波束1A～1D作为一个波束组利用2比特的识别信息来表示。
而且，也可以在没有来自基站10的设定或来自用户装置20的通知的情况下切换步骤。例如，在信道质量信息(CQI：Channel Quality Indicator)是范围外的情况下(通信质量极差的状态)，也可以返回到S1的粗略检测或筛选的前段步骤2-A。
另外，也可以在用户装置20发送了随机接入信道(RACH)的情况下(小区连接断开的情况下等)，返回粗略检测(S1)或筛选的前段步骤2-A。
＜波束跟踪＞
图9是说明波束跟踪(S3)的图。图9示出从基站10的天线11观察的波束的方向，纸面的横向是水平方向或方位角方向，纵向是垂直向或仰俯角方向。
基站10对用户装置20除了通过筛选(S2)选择的当前形成的波束(当前波束)#0之外利用波束#1～#6发送跟踪用的参考信号。波束#1～#6是在当前波束#0不能追踪用户装置20的情况下使用的候选波束。结合数据发送用的波束#0与候选波束#1～#6，形成用于波束跟踪的波束流51。
用户装置20接收到波束流51时，测定各波束的接收强度等，且向基站10反馈接收状态良好的波束编号。被反馈的波束编号既可以是最佳的波束编号，也可以是上位X个波束编号。或者，既可以针对波束#0～#6的全部反馈测定结果，也可以按照接收质量良好的顺序或测定结果不好的顺序进行反馈。
由用户装置20将最佳的波束设定为当前波束#0，由此基站10基于波束跟踪的反馈信息使数据发送的方向追踪用户装置20。
在用户装置20的移动速度较快的情况等波束跟踪脱离目标的情况下，如上所述地返回到粗略检测(S1)或波束筛选(S2)。
＜变形例＞
图10是示出实施例的变形例的图。在移动通信系统中，一般使用表示发送流数的秩指示符(RI：Rank Indicator)进行流数的切换。
在通过上述的实施方式的方法进行波束选择的情况下，能够根据所选择的波束的数量来掌握秩数。即，不需要秩指示符的反馈。
在上述的实施方式中，在用户装置20使用RI区域发送波束索引的情况下，也可以不仅发送波束索引，还发送CQI、PMI(Precoding Matrix Indicator：预编码矩阵指示符)等其他信道状态信息(CSI)。
另外，也可以按照每个波束索引进行秩自适应控制(Rank adaptation)。例如，也可以按照波束索引发送RI。例如，在用户装置20接收到作为来自基站10的直接波的波束B1和被建筑物反射的波束B2的情况下，能够按照每个波束发送RI。另外，公知一般在正交极化波间信道的相关性较低。因而，考虑到按照天线结构在正交极化波天线的情况下固定设为2流、在单一极化波天线的情况下固定设为1流的情况。在该情况下，可认为不是动态而是半静态地发送每个波束索引的秩数是有效的。
特别是，考虑到使用极化波以单一波束索引来最多复用2流的情况。在图10中，在波束B1包含相互正交的2个极化波的流的情况下，用户装置20关于波束B2发送RI的值“1”，关于波束B1发送RI的值“2”。
也可以在1与2间自适应地切换流数。在该情况下，能够用1比特进行控制。例如，也可以为，在“0”时表示流数1，在“1”时表示流数2。
＜装置结构＞
图11是在实施方式中使用的基站10的概要结构图。基站10具有多个天线110-1～110-N、发送部106、接收部107以及对发送接收进行切换的双工器108。基站10由用户位置检测部101检测用户装置20的大致位置。预编码控制部102决定针对多个参考信号各自的预编码矢量的权重(相位旋转量和/或振幅量)，以朝向检测到的用户装置20的位置周边的多个方向发送参考信号。参考信号生成部104对各参考信号乘以由预编码控制部102所决定的预编码矢量，来生成具有定向性的多个参考信号。对参考信号乘以预编码矢量的乘法运算也可以在向子载波的映射的前段进行。
关于针对用户装置20的多个参考信号，既可以在复用部109中在时间上或在频率上进行复用，也可以进行码分复用。具有定向性的多个参考信号经由发送部106和双工器108从多个天线110-1～110-N朝向用户装置20的方向发送。在使用极化波天线的情况下，也可以利用相互正交的2个极化波(2流)来发送由一个波束编号确定的波束。
反馈信息处理部103经由天线110-1～110-N、双工器108以及接收部107获取并处理来自用户装置20的反馈信息。反馈信息处理部103参照反馈表105来确定反馈信息所包含的波束编号。反馈表105也可以是图6～8所示的任意的表。
将所确定的波束编号与关联的信息(CQI、PMI、RI等)一起通知给预编码控制部102。预编码控制部102进行控制，以使得从通知的信息中选择最佳的波束且利用与所选择的波束对应的预编码矢量来加权针对用户装置20的数据信号。
预编码控制部102在反馈信息中包含特定的值的情况下，既可以指示参考信号生成部104再次生成具有定向性的多个参考信号，也可以指示用户位置检测部101重新检测用户装置20的位置。
另外，预编码控制部102能够决定与针对多个用户装置(UE1、UE2)的参考信号的每一个相乘的预编码矢量。在该情况下，天线110-1～天线110-N将针对第1用户装置的参考信号和针对第2用户装置的参考信号进行空间复用而发送。优选为，以第1用户装置为目的地的参考信号和以第2用户装置为目的地的参考信号相互正交。预编码控制部102从第1用户装置和第2用户装置分别接收到良好的波束编号的反馈时，能够决定干扰较少的用户对。
预编码控制部102也可以基于来自用户装置20的反馈信息，决定进一步筛选了用户装置20的方向的多个预编码矢量。在该情况下，也可以指示参考信号生成部104生成具有比最初发送的多个参考信号更窄的具有锐利的定向性的参考信号。所生成的多个参考信号经由发送部106、双工器108、天线110-1～110-N发送。
图12是在实施方式中使用的用户装置20的概要结构图。用户装置20具有多个天线210-1～210-M、发送部206、接收部207以及对发送接收进行切换的双工器208。用户装置20接收到来自基站10的参考信号时，由信道质量测定部201对接收到的各参考信号的质量进行测定。
参考信号处理控制部202基于接收到的多个参考信号的测定结果，参照反馈表205来选择1个或多个适当的波束编号。反馈信息生成部203生成包含所选择的波束编号的反馈信息。参考信号处理控制部202在接收到的参考信号中不存在超过规定电平的参考信号的情况下，也可以选择反馈表205中的特定的值例如“000”等值。
另外，参考信号处理控制部202也可以基于信道质量测定结果决定秩数，且进行在反馈信息中包含秩数的控制。也可以按照每个波束进行秩数的决定。或者，也可以为，代替通知秩数而选择2个以上的良好的参考信号来反馈各波束编号，由此代替秩数的通知。
所生成的反馈信息经由发送部206、双工器208以及天线210-1～210-M发送。
通过上述的基站10和用户装置20的结构，能够抑制参考信号的开销，并且能够高效地进行波束选择。
本申请基于2014年3月20日向日本特许厅申请的专利申请第2014-059181号，包含其全部内容。

Claims (1)

1.一种用户装置，其用于移动通信系统，其特征在于，
所述用户装置具有：
多个天线端口，它们从基站接收第1种参考信号，该第1种参考信号包含与多个参考信号用资源相关联的多个参考信号，
所述用户装置从所述天线端口发送包含由所述用户装置选择出的资源编号的第1反馈信息，
所述用户装置接收与参考信号用资源相关联的第2种参考信号，与所述第1种参考信号相比，该第2种参考信号所关联的参考信号用资源少，
所述用户装置报告针对所述第2种参考信号的、且包含预编码选择结果的第2反馈信息。
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