CN106330270A - 在基于毫米波通信的通信系统中实施波束追踪的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在基于毫米波通信的通信系统中实施波束追踪的方法和装置。根据本发明的一个实施例，该方法包括：遍历所有的预编码矩阵来为一个波束计算信道容量；从所述预编码矩阵中选择n个预编码矩阵，其中，使用所述n个预编码矩阵所计算的信道容量是所有所计算的信道容量中前n个最大的信道容量；确定幅度向量，所述幅度向量由与所述前n个最大的信道容量分别对应的n个信道性能指标构成；向所述基站发送与所述n个预编码矩阵分别对应的n个预编码矩阵指示以及所述幅度向量。通过本发明能够在5G MMC网络中以高数据率来支持多个移动用户。

Description

在基于毫米波通信的通信系统中实施波束追踪的方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术，尤其涉及一种在基于毫米波通信的通信系统中实施波束追踪的方法和装置。

背景技术

毫米波通信(Millimeter Wave Communication，MMC)被视为5G无线网络中的关键技术。MMC预计能够支持吉比特层级的数据传输。然而，由于严重的传输损耗，在毫米波的传输信道质量方面存在很大挑战。幸运地是由于相较于4G网络的波长较短，能够在MMC中有利地使用紧凑的天线阵列。

基于波束的传输的解决方案能够显著地改善信道质量并且实现高数据率的传输。但是这种传输具有一些局限性：

1.这种传输更适于半静态传输情形。由于波束范围较窄，对于高移动性的用户，由于用户可能移动出传输波束的覆盖范围，因此性能将下降。

2.码本的尺寸是受限的，因此很难通过单个信道质量指示(Channel Quality Indicator,CQI)反馈来实现定向波束传输(steeringbeam transmission)。

因此，需要设计一种快速的波束跟踪(beam-tracing)方案来确保在5G MMC网络中的基于波束的高数据率传输。

发明内容

为了解决上述技术问题，在本发明中将提出了一种基于多个CQI反馈的波束跟踪方案，其能够被用于实现在MMC网络中的定向波束传输。在此将其称为BT-MCQI(beam based transmission-multiple CQI)。通过本发明能够在5G MMC网络中以高数据率来支持多个移动用户。

根据本发明的第一方面，提出了一种在基于毫米波通信的通信系统中的用户设备中用于协助基站实施波束追踪的方法，所述方法包括：遍历所有的预编码矩阵来为一个波束计算信道容量；从所述预编码矩阵中选择n个预编码矩阵，其中，使用所述n个预编码矩阵所计算的信道容量是所有所计算的信道容量中前n个最大的信道容量；确定幅度向量，所述幅度向量由与前n个最大的信道容量分别对应的n个信道性能指标构成；向所述基站发送与所述n个预编码矩阵分别对应的n个预编码矩阵指示以及所述幅度向量。

优选地，通过下式来确定所述幅度向量：

a＝[1,α₁,....,α_n-1]；

其中，α_n-1为第n个最大的信道容量对应的信道性能指标与最大的信道容量对应的信道性能指标的商。

优选地，所述信道性能指标包括：信噪比、信号与干扰加噪声比或信号与噪声失真比。

优选地，n为2或3。

优选地，所述预编码矩阵的列数相应于所述通信系统中的秩的数量。

根据本发明的第二方面，提出了一种在基于毫米波通信的通信系统中的基站中用于实施波束追踪的方法，所述方法包括：a.从用户设备接收n个预编码矩阵指示以及幅度向量，其中所述幅度向量由n个信道性能指标构成，所述n个信道性能指标分别与n个信道容量对应，所述n个信道容量是所述用户设备遍历所有的预编码矩阵来为一个波束计算信道容量后得出的所有所计算的信道容量中前n个最大的信道容量；b.基于与所述n个预编码矩阵指示分别对应的n个预编码矩阵和所述幅度向量来确定第一预编码矩阵；以及c.使用所述第一预编码矩阵向所述用户设备发送数据。

优选地，所述幅度向量为：

a＝[1,α₁,....,α_n-1]；

其中，α_n-1为所述用户设备遍历所有的预编码矩阵来为一个波束计算信道容量之后所述用户设备所计算的第n个最大的信道容量对应的信道性能指标与所述用户设备所计算的最大的信道容量对应的信道性能指标的商。

优选地，步骤b进一步包括：

b1.通过下式确定矩阵

$\stackrel{\‾}{H}={\left[\right[W_{\left(1\right)},...,W_{\left(n\right)}\left]\left(\begin{array}{cccc}1\·I& 0& ...& 0\\ 0& {\mathrm{\α}}_1\·I& ...& 0\\ ...& ...& ...& ...\\ 0& 0& 0& {\mathrm{\α}}_{n-1}\·I\end{array}\right)\right]}^H;$

其中，W_(n)为第n个预编码矩阵，I为m阶的单位矩阵；

b2.将所述矩阵奇异分解成：

$\stackrel{\‾}{H}={\mathrm{U\ΛV}}^H;$ 以及

b3.从矩阵V中提取前m个竖向量作为所述第一预编码矩阵；

其中m相应于所述通信系统中的秩的数量。

根据本发明的第三方面，提出了一种在基于毫米波通信的通信系统中的用户设备中用于协助基站实施波束追踪的装置，所述装置包括：计算单元，用于遍历所有的预编码矩阵来为一个波束计算信道容量；选择单元，用于从所述预编码矩阵中选择n个预编码矩阵，其中，使用所述n个预编码矩阵所计算的信道容量是所有所计算的信道容量中前n个最大的信道容量；确定单元，用于确定幅度向量，所述幅度向量由与所述前n个最大的信道容量分别对应的n个信道性能指标构成；发送单元，用于向所述基站发送与所述n个预编码矩阵分别对应的n个预编码矩阵指示以及所述幅度向量。

根据本发明的第四方面，提出了一种在基于毫米波通信的通信系统中的基站中用于实施波束追踪的装置，所述装置包括：接收单元，用于从用户设备接收n个预编码矩阵指示以及幅度向量，其中所述幅度向量由n个信道性能指标构成，所述n个信道性能指标分别与n个信道容量对应，所述n个信道容量是所述用户设备遍历所有的预编码矩阵来为一个波束计算信道容量后得出的所有所计算的信道容量中前n个最大的信道容量；确定单元，用于基于与所述n个预编码矩阵指示分别对应的n个预编码矩阵和所述幅度向量来确定第一预编码矩阵；以及发送单元，用于使用所述第一预编码矩阵向所述用户设备发送数据。

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示出了根据本发明的一个实施例的波束增益示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的优化的定向波束示意图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的实施波束追踪的方法流程图；

图4示出了根据本发明的一个实施例的实施波束追踪的用户设备侧的装置示意图；以及

图5示出了根据本发明的一个实施例的实施波束追踪的基站侧的装置示意图。

在图中，贯穿不同的示图，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

本发明的基本思路在于:在BT-MCQI中，用户设备在同一时隙中同时反馈多个CQI至基站。这例如包括多个PMI(Precoding MatrixIndicator，预编码矩阵指示)和幅度矢量。这些参数被用于优化发射波束，从而发射波束能够准确地对准/追踪用户设备。本发明的特点例如在于：

1.优化的波束能够更好地匹配传输信道来实现定向波束传输，并且实现更高的性能增益；

2.实现了更平滑的波束追踪，并且能够提供稳定的用户特定服务，例如为特定的用户设备提供具有稳定的高数据率的数据传输；

3.对反馈周期要求较小，并且降低了系统负担。

在下文中，将结合方法流程图3和场景图1和图2来详细描述BT-MCQI的具体实施方式。

图1示出了根据本发明的一个实施例的波束增益示意图。如图1所示，为了改善信道质量，发射波束组(transmit beam group)用于覆盖所有的蜂窝网区域。例如，在图1中，设计k个波束来覆盖整个蜂窝区域。这些k个波束都是可以动态变化的。在图1中，与第m个波束相关联有一个用户设备。该用户设备受到波束m的天线增益为a_m，波束n的天线增益为a_n。

在传统的系统中，用户设备将反馈一个PMI至基站，然后该基站将由此决定将使用的MCS等级等。然而，如果用户设备从第m个波束移动至第n个波束，则第m个波束所实现的波束增益将连续地下降，这将导致系统性能的下降。即使用户设备没有移动，由于码本尺寸受限，其也不能够获得最大的波束增益。

因此，为了克服这些潜在问题并改善系统性能，将设计多个CQI反馈给基站以优化发射波束。

图3示出了根据本发明的一个实施例的实施波束追踪的方法流程图。

如图3中的步骤301所示，用户设备将遍历所有的预编码矩阵来为一个波束计算信道容量。在此，用户设备将使用码本中的所有预编码矩阵来计算第i个波束的信道容量。

为了示例性说明，在本方面的一个实施方式中，可以使用式1来进行信道容量C_i的计算：

$c_i=\underset{z=1}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2|I+\left(H_z{W}_i\right){\left(H_z{W}_i\right)}^H|---\left(1\right)$

其中，Z是这个波束中的子载波的数量，矩阵H_z是信道矩阵，矩阵I是单位矩阵，W_i则是预编码矩阵。

在步骤S302中，用户设备从所有的预编码矩阵中选择n个预编码矩阵，其中，使用n个预编码矩阵所计算的信道容量是所有所计算的信道容量中前n个最大的信道容量。在此，n为大于1的整数。

在本发明的一个优选的实施例中，n为2或3。

在此，使用的预编码矩阵的列数相应于通信系统中的秩的数量。例如，当秩为1，也即传输1个流的情况下，选择1列作为预编码矩阵，而在秩为2，也即传输2个流的情况下，选择2列一组作为预编码矩阵。

在该步骤中将基于最大信道容量标准，根据可实现的信道容量的降序来选择多个预编码矩阵。

在此，将针对基于两个反馈CQI(即n为2)的发射波束优化为例进行说明。因此，将选取实现最大信道容量c₍₁₎和第二大的信道容量c₍₂₎的两个预编码矩阵W₍₁₎和W₍₂₎。事实上，在该步骤中，用户设备确定了与图1中第m个波束与第n个波束分别相关的预编码矩阵W₍₁₎和W₍₂₎。信道容量c₍₁₎和c₍₂₎则是第m个波束与第n个波束的信道容量。

在步骤S303中，用户设备将确定幅度向量。该幅度向量将用于为基站提供功率指示，从而基站可以判断用户设备的方向偏离，例如朝第m个波束偏，还是朝第n个波束偏。

在该步骤中，用户设备将基于前个步骤中得出的前n个最大的信道容量来推出相对应的n个信道性能指标，并以这n个信道性能指标构成幅度向量。

在此，信道性能指标包括：信噪比、信号与干扰加噪声比或信号与噪声失真比。

优选地，通过式2来确定幅度向量：

a＝[1,α₁,....,α_n-1] (2)

其中，α_n-1为第n个最大的信道容量对应的信道性能指标与最大的信道容量对应的信道性能指标的商。

下文仍以n为2进行详细说明：

a＝[1,α₁]

α₁为第2个最大的信道容量对应的信道性能指标与最大的信道容量对应的信道性能指标的商。

在信道性能指标例如为信噪比的情况下，例如可以利用式3确定α₁：

$a=\left[\begin{array}{cc}1,& {\mathrm{\α}}_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1,& \frac{2^{c_{\left(2\right)}-1}}{2^{c_{\left(1\right)}-1}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中的c₍₁₎和c₍₂₎分别是前文确定的最大的信道容量和第二大的信道容量。

本领域的技术人员应当理解，上述方式仅仅是示例性的，在不同的标准下，也可以使用其他方式来确定幅度向量。

在步骤S304中，用户设备向基站发送与n个预编码矩阵分别对应的n个预编码矩阵指示以及幅度向量。在n为2的情况下，替代发送幅度向量，也可以仅仅发送α₁。

在步骤S305中，基站基于与n个预编码矩阵指示分别对应的n个预编码矩阵和幅度向量来确定第一预编码矩阵。也即，在此步骤中，基站将确定一个新的预编码矩阵。

这例如可以式4所示出的通用等式来确定：

W＝func(W₍₁₎....W_(n),α₁.....α_n-1) (4)

W₍₁₎至W_(n)分别对应第一个预编码矩阵至第n个预编码矩阵。

类似地，在n为2的情况下，可以用下述通用等式：

W＝func(W₍₁₎,W₍₂₎,α₁)

在下文将给出上述通用等式的一个示例，本领域的技术人员应当理解，下述方式仅仅是示例性的，而非限制性的。

首先，将通过下式5确定矩阵

$\stackrel{\‾}{H}={\left[\right[W_{\left(1\right)},...,W_{\left(n\right)}\left]\left(\begin{array}{cccc}1\·I& 0& ...& 0\\ 0& {\mathrm{\α}}_1\·I& ...& 0\\ ...& ...& ...& ...\\ 0& 0& 0& {\mathrm{\α}}_{n-1}\·I\end{array}\right)\right]}^H---\left(5\right)$

其中，如前所述，W_(n)为第n个预编码矩阵，并且式5中的n个预编码矩阵形成了一个新的矩阵，I为m阶的单位矩阵。

例如，在秩为1的情况下，α_n-1·I将是一个值，在秩为2的情况下，α_n-1·I将是一个2乘2的矩阵。

然后，将矩阵奇异分解成：

$\stackrel{\‾}{H}={\mathrm{U\ΛV}}^H---\left(6\right)$

接着，从矩阵V中提取前m个竖向量作为第一预编码矩阵，其中m相应于通信系统中的秩的数量。例如，当秩为1，也即传输1个流的情况下，选在第1个竖向量作为第一预编码矩阵，而在秩为2，也即传输2个流的情况下，选择前2个竖向量作为第一预编码矩阵。

下文仍将以n为2并且秩为1进行示例性说明。在该情况下，式5转换为

$\stackrel{\‾}{H}={[W_{\left(1\right)},W_{\left(2\right)}]\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& {\mathrm{\α}}_1\end{array}\right)]}^H$

然后，仍依据式6来进行信道奇异值分解来提取主向量。类似地，从矩阵V中获取第一组向量。由于列数量取决于通信系统中的秩的数量，因此将提取第1列向量。

在该步骤中实现了发射波束优化，这例如如图2所示。使用该新的预编码矩阵将产生的新的波束，如斜线区域所示。

在n＝2的情况下，这也意味着根据波束m和波束n来导出了新的波束。

在步骤S306中，基站将使用第一预编码矩阵向用户设备发送数据。参照图1和图2，可以清楚地看见优化的波束能够被更好地导向至用户设备，并且改善信道质量和系统性能。

图4示出了根据本发明的一个实施例的实施波束追踪的用户设备侧的装置示意图。

如图4所示，该装置40包括计算单元401、选择单元402、确定单元403和发送单元404。

计算单元401用于遍历所有的预编码矩阵来为一个波束计算信道容量。

选择单元402用于从预编码矩阵中选择n个预编码矩阵，其中，使用n个预编码矩阵所计算的信道容量是所有所计算的信道容量中前n个最大的信道容量。

确定单元403用于确定幅度向量，幅度向量由与前n个最大的信道容量分别对应的n个信道性能指标构成。

发送单元404用于向基站发送与n个预编码矩阵分别对应的n个预编码矩阵指示以及幅度向量。

图5示出了根据本发明的一个实施例的实施波束追踪的基站侧的装置示意图。

如图5所示，该装置50包括接收单元501、确定单元502和发送单元503。

接收单元501用于从用户设备接收n个预编码矩阵指示以及幅度向量，其中幅度向量由n个信道性能指标构成，n个信道性能指标分别与n个信道容量对应，n个信道容量是用户设备遍历所有的预编码矩阵来为一个波束计算信道容量后得出的所有所计算的信道容量中前n个最大的信道容量。

确定单元502用于基于与n个预编码矩阵指示分别对应的n个预编码矩阵和幅度向量来确定第一预编码矩阵。

发送单元503用于使用第一预编码矩阵向用户设备发送数据。

通过上述分析，替代于现有技术中的基于码本的离散波束追踪，本发明可以实现平滑的波束追踪。由此能够为数据传输实施更准确的导向波束。

1.由于优化波束能够尽可能地对准用户，这确保了用户位于波束覆盖区域的中央区域并且需要更多的时间(T₀)来移动出波束覆盖区域。给定一个速度，T₀越高，则能够接受更长时间的CQI反馈。这就意味着能够显著地减少系统负担。

2.这种平滑的波束追踪表明能够实现稳定的波束增益，并且确保更稳定的数据率，以及增加了用户体验。

此外，本发明的方案还能够用于基于预编码的CSR-RS的信道测量。并且，预编码矩阵指示和幅度向量被反馈给基站来用于波束优化。

需要说明的是，上述实施例仅是示范性的，而非对本发明的限制。任何不背离本发明精神的技术方案均应落入本发明的保护范围之内，这包括使用在不同实施例中出现的不同技术特征，装置方法可以进行组合，以取得有益效果。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其他权利要求或说明书中未列出的装置或步骤。

Claims (12)

1.一种在基于毫米波通信的通信系统中的用户设备中用于协助基站实施波束追踪的方法，所述方法包括：

遍历所有的预编码矩阵来为一个波束计算信道容量；

从所述预编码矩阵中选择n个预编码矩阵，其中，使用所述n个预编码矩阵所计算的信道容量是所有所计算的信道容量中前n个最大的信道容量；

确定幅度向量，所述幅度向量由与所述前n个最大的信道容量分别对应的n个信道性能指标构成；以及

向所述基站发送与所述n个预编码矩阵分别对应的n个预编码矩阵指示以及所述幅度向量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式来确定所述幅度向量：

a＝[1,α₁,....,α_n-1]；

其中，α_n-1为第n个最大的信道容量对应的信道性能指标与最大的信道容量对应的信道性能指标的商。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述信道性能指标包括：信噪比、信号与干扰加噪声比或信号与噪声失真比。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，n为2或3。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预编码矩阵的列数相应于所述通信系统中的秩的数量。

6.一种在基于毫米波通信的通信系统中的基站中用于实施波束追踪的方法，所述方法包括：

a.从用户设备接收n个预编码矩阵指示以及幅度向量，其中所述幅度向量由n个信道性能指标构成，所述n个信道性能指标分别与n个信道容量对应，所述n个信道容量是所述用户设备遍历所有的预编码矩阵来为一个波束计算信道容量后得出的所有所计算的信道容量中前n个最大的信道容量；

b.基于与所述n个预编码矩阵指示分别对应的n个预编码矩阵和所述幅度向量来确定第一预编码矩阵；以及

c.使用所述第一预编码矩阵向所述用户设备发送数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述幅度向量为：

a＝[1,α₁,....,α_n-1]；

其中，α_n-1为所述用户设备遍历所有的预编码矩阵来为一个波束计算信道容量之后所述用户设备所计算的第n个最大的信道容量对应的信道性能指标与所述用户设备所计算的最大的信道容量对应的信道性能指标的商。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤b进一步包括：

b1.通过下式确定矩阵

$\stackrel{\‾}{H}={\left[\right[W_{\left(1\right)},...,W_{\left(n\right)}\left]\left(\begin{array}{cccc}1\·I& 0& \·\·\·& 0\\ 0& {\mathrm{\α}}_1\·I& \·\·\·& 0\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ 0& 0& 0& {\mathrm{\α}}_{n-1}\·I\end{array}\right)\right]}^H;$

其中，W_(n)为第n个预编码矩阵，I为m阶的单位矩阵；

b2.将所述矩阵奇异分解成：

$\stackrel{\‾}{H}={\mathrm{U\ΛV}}^H;$ 以及

b3.从矩阵V中提取前m个竖向量作为所述第一预编码矩阵；

其中m相应于所述通信系统中的秩的数量。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述信道性能指标包括：信噪比、信号与干扰加噪声比或信号与噪声失真比。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，n为2或3。

11.一种在基于毫米波通信的通信系统中的用户设备中用于协助基站实施波束追踪的装置，所述装置包括：

计算单元，用于遍历所有的预编码矩阵来为一个波束计算信道容量；

选择单元，用于从所述预编码矩阵中选择n个预编码矩阵，其中，使用所述n个预编码矩阵所计算的信道容量是所有所计算的信道容量中前n个最大的信道容量；

确定单元，用于确定幅度向量，所述幅度向量由与所述前n个最大的信道容量分别对应的n个信道性能指标构成；以及

发送单元，用于向所述基站发送与所述n个预编码矩阵分别对应的n个预编码矩阵指示以及所述幅度向量。

12.一种在基于毫米波通信的通信系统中的基站中用于实施波束追踪的装置，所述装置包括：

接收单元，用于从用户设备接收n个预编码矩阵指示以及幅度向量，其中所述幅度向量由n个信道性能指标构成，所述n个信道性能指标分别与n个信道容量对应，所述n个信道容量是所述用户设备遍历所有的预编码矩阵来为一个波束计算信道容量后得出的所有所计算的信道容量中前n个最大的信道容量；

确定单元，用于基于与所述n个预编码矩阵指示分别对应的n个预编码矩阵和所述幅度向量来确定第一预编码矩阵；以及

发送单元，用于使用所述第一预编码矩阵向所述用户设备发送数据。