CN107017926A - 非均匀天线阵列及其信号处理 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及非均匀天线阵列及其信号处理。具体公开了一种发射端装置，其包括沿垂直方向布置的多个天线单元。在多个天线单元中的至少一部分天线单元中，相邻天线单元之间的间距在第一方向上逐渐增加。

Description

非均匀天线阵列及其信号处理
技术领域
本公开一般地涉及天线及其信号处理，更具体地，涉及非均匀天线阵列及其信号处理。
背景技术
大规模多输入多输出(Massive multiple-input multiple-output，MIMO)技术近年来受到学术界与工业界的广泛关注，其能显著提高频谱效率和能量效率。在传统的MIMO技术中，通常在基站端配置线性均匀天线阵列(ULA)。但是，在大规模MIMO技术中，由于天线数量大，所以难以在基站端配置大规模的线性均匀天线阵列(ULA)。
近年来，提出了3D MIMO技术，其通过在基站配置二维均匀天线阵列(URA)来解决传统大规模MIMO的空间限制问题。图1A示例性地示出了现有的3D MIMO的天线阵列。在图1A中，每个方块代表一个天线单元(antenna element)。如图1A所示，在现有的3D MIMO的天线阵列中，沿用了均匀天线阵列，即，在水平和垂直方向，天线单元都是均匀排列的。
在Y.H.Nam,B.L.Ng,K.Sayana,Y.Li,J.Zhang,Y.Kim和J.Lee的文章“Full-dimensional MIMO(FD-MIMO)for next generation cellular technology”,IEEECommun.Mag.,vol.51,no.6,pp.172-179,2013年6月中的研究表明，大规模3D MIMO系统利用简单的线性预编码和检测算法可以显著提升频谱效率和能量效率。在Y.Song,S.Nagata,H.Jiang和L.Chen的文章“CSI-RS design for 3D MIMO in future LTE-advanced”,Proc.ICC 2014，pp.5101-5106，2014年6月中，提出利用三维信道矩阵的Kronecker积结构可以有效降低天线增多时的传统信号处理算法的复杂度。基于Kronecker积结构，已有针对3D MIMO的二维波束赋形方案和二维预编码方案。
3D MIMO天线系统提供水平方向与垂直方向的自由度。额外的垂直域自由度可以用于降低用户间干扰，提高系统性能。二维波束赋形及二维预编码方案首先在垂直方向进行波束赋形和预编码，之后在水平等效信道上进行预编码。利用垂直方向的波束赋形向量或预编码向量与水平方向的预编码向量作Kronecker乘积得到针对不同用户的预编码矩阵，有效降低了用户间干扰，且算法复杂度较低，获得了较好的性能。
发明内容
然而，本公开的发明人发现，传统3D MIMO天线系统存在缺陷。一般情况，用户的水平到达角在较大范围内呈均匀分布，水平方向天线能够通过不同用户的水平到达角进行区分。但当用户位于同样接近于地面的高度时，不同用户的垂直到达角仅在较小范围内非均匀分布，用户间干扰较大，垂直方向均匀分布的天线阵列对于不同用户的区分度较差，导致URA在垂直方向上分辨率较低。所以实际研究表明，若采用同样的天线数量，在空间条件允许的情况下，将天线排布成线性天线阵列可以获得最好的性能。相反，当将天线排布成3DMIMO天线阵列时，垂直方向的天线数目的增加带来的性能增益较低，无法弥补水平方向天线减少带来的性能损失。
此外，传统的3D MIMO天线系统的垂直方向的均匀天线阵列分布与信号处理方法不适用于一般的小区环境，在一定空间约束下，需要提出更合适的天线阵列排布模式设计和更适用于3D MIMO的信号处理方法。
因此，为了解决的上述问题的中的至少一个问题，本公开提供了如下方面。
根据本公开的一个方面，提供了一种发射端装置，其特征在于包括：沿垂直方向布置的多个天线单元，其中，在所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，相邻天线单元之间的间距在第一方向上逐渐增加。
根据本公开的一个方面，提供了一种接收端装置，其特征在于包括处理电路，所述处理电路被配置为：获取来自发射端装置的参考信号；基于所述参考信号进行信道估计；以及基于信道估计的结果以及与发射端装置相关联的多个天线单元的非均匀分布的信息，确定信道状态信息以用于向发射端装置反馈，其中，在与发射端装置相关联的所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，在垂直方向上，相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加，或者在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。
根据本公开的一个方面，提供了一种发射端装置，其特征在于包括处理电路，所述处理电路被配置为：生成指示与发射端装置相关联的多个天线单元的非均匀分布状态的非均匀分布信息；获取来自接收端装置的信道状态信息；以及基于所述信道状态信息和所述非均匀分布信息确定信道状态，其中，在与发射端装置相关联的所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，在垂直方向上，相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加，或者在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于无线通信的方法，其特征在于包括：沿垂直方向布置多个天线单元，其中，在所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，相邻天线单元之间的间距在第一方向上逐渐增加。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于无线通信的方法，其特征在于包括：获取来自发射端装置的参考信号；基于所述参考信号进行信道估计；以及基于信道估计的结果以及与发射端装置相关联的多个天线单元的非均匀分布的信息，确定信道状态信息以用于向发射端装置反馈，其中，在与发射端装置相关联的所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，在垂直方向上，相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加，或者在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于无线通信的方法，其特征在于包括：生成指示与发射端装置相关联的多个天线单元的非均匀分布状态的非均匀分布信息；获取来自接收端装置的信道状态信息；以及基于所述信道状态信息和所述非均匀分布信息确定信道状态，其中，在与发射端装置相关联的所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，在垂直方向上，相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加，或者在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。
本公开通过将3D MIMO天线系统的垂直方向的天线阵列的分布设计为非均匀的，并根据新的分布模式设计了新的信号处理方法，更好地利用3D MIMO天线系统的垂直方向的自由度，本公开从而实现更好的天线性能。
附图说明
图1A是示出现有技术中3D MIMO天线阵列的均匀分布的示意图；
图1B是示出根据一个实施例的天线阵列的非均匀分布的示意图；
图1C是示出根据另一个实施例的天线阵列的非均匀分布的示意图；
图2是示出根据一个实施例的发射端装置和接收端装置之间的通信的流程图；
图3是示出根据一个实施例的发射端装置的配置的示例的框图；
图4是示出根据一个实施例的通信系统的示意图；
图5A是示出根据一个实施例的发射端装置的处理的流程图；
图5B是示出根据一个实施例的发射端装置的结构框图；
图6A是示出根据一个实施例的接收端装置的处理的流程图；
图6B是示出根据一个实施例的接收端装置的结构框图；
图7A是示出根据一个实施例的发射端装置的处理的流程图；
图7B是示出根据一个实施例的发射端装置的结构框图；
图8是示出在不同方案下平均频谱效率的累积分布函数的仿真图；
图9A是示出天线阵列规模为8*8时采用不同指数因子时的用户的平均频谱效率的仿真图；
图9B是示出天线阵列规模为32*32时采用不同指数因子时的用户的平均频谱效率的仿真图；
图10是示出在不同大小天线阵列下均匀天线阵列与非均匀天线阵列的平均频谱效率的累积分布函数的仿真图；
图11是示出eNB的示意性配置的第一示例的框图；
图12是示出eNB的示意性配置的第二示例的框图；
图13是示出智能电话的示意性配置的示例的框图；以及
图14是示出汽车导航设备的示意性配置的示例的框图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述本公开内容的优选实施例。注意，在本说明书和附图中，用相同的附图标记来表示具有基本上相同的功能和结构的结构元件，并且省略对这些结构元件的重复说明。
将按照以下顺序进行描述。
1.系统概述
2.发射端装置的天线阵列
3.接收端装置的处理
4.发射端装置的处理
5.仿真结果
6.应用示例
7.结论
<1.系统概述>
图2是示出根据实施例的发射端装置(诸如基站、Node B、e-Node B)和接收端装置(诸如用户设备和终端设备)之间的大致的通信处理的流程图。
在2100，发射端装置生成指示与发射端装置相关联的多个天线单元的非均匀分布状态的非均匀分布信息。
在2200，发射端装置向接收端装置发送参考信号。在2200，除了参考信号，发射端还可以发送非均匀分布信息，参考信号和非均匀分布信息通常是分别发送的，例如由不同的信道承载。具体地，在LTE通信系统的示例中，非均匀分布的信息例如被包含于高层的关于无线电资源控制信元中，例如AntennaInfo信元中：
AntennaInfoCommon::＝SEQUENCE{
antennaPortsCount ENUMERATED{an1,an2,an4,spare1}，
AntennaNon-uniformFactor ENUMERATED{α1,α2,α3,…αn，sparem，sparem-1,…,spare 1}
}
也就是说，通信协议内预先定义n个可选的α，由发射端装置指定其中之一，发射端装置也可以预留一些比特给将来可选的α，即sparem。例如，发射端装置可以通过遍历搜索来从预先定义的多个α中选取最优的α。由于α的候选值有限，这样做可以降低选取α的复杂度并加快搜索速度。另外，当配置α的值使其为静态值或准静态值时，上述n个可选的α可分别对应于各种天线阵列的尺寸下的优选α数值，发射端装置侧(例如运营商侧)可以根据当前的天线阵列尺寸选择对应的α，然后由发射端装置适时通知给接收端装置。
在另一个实例中，α不是从预定静态集合里选择的，而是发射端装置动态决定的，在此情况下，可以如此指示α：
AntennaNon-uniformFactor BIT STRING(SIZE(n))
当然，还可以在天线信息信元里加入天线单元总个数信息，如果不均匀的天线个数N不等于全部天线单元的个数，还可以另外加入N的信息，可以用BIT STRING指示。
在发射端装置动态决定α的情况下，可以使用分层量化α的取值区间的方法来确定α。以采用两层量化为例，可以先以较大步长量化α的取值区间，以便快速定位α的大致范围，这称为第一层量化。在确定α的大致范围之后，再以较小步长更精细地量化该大致范围，从而最终确定α的量化值，这称为第二层量化。采用这样的量化方式能够降低量化步骤的计算复杂度。而且，当由于系统环境缓慢变化导致需要重新确定α时，可以仅重新进行第二层量化来搜索α的量化值，因为此时α不会偏离上次确定的量化值太多，这样就极大降低了重新确定α的时间以及计算复杂度。也可以采用更多层的量化方式，其原理与两层量化类似。
另外，天线阵列也可以采用固定的非均匀分布(例如，α固定为1.8)，即，系统中只有均匀和非均匀两种状态：
AntennaInfoCommon::＝SEQUENCE{
antennaPortsCount ENUMERATED{an1,an2,an4,spare1}，
AntennaNon-uniformStatus ENUMERATED{0，1}，
}
当AntennaNon-uniformStatus取值为1时，接收端装置确定天线阵列是非均匀的，从而从与非均匀分布对应的码本中选择码字反馈给发射端装置即可。
具体地，该信元由相应的无线电资源控制(RRC)消息承载，比如在发生变化的情况下，可以由发射端装置生成包含该变化的AntennaNon-uniformFactor的RRCConnectionReconfiguration消息，以通知到各个接收端装置。可以了解，本发明不限于LTE系统，在其他的通信系统中亦可能根据本发明的启示设计其他信令承载上述非均匀分布信息，比如广播信令。相比于RRC这种专用信令，广播信令的通知效率可能更高。从另一个角度设计，对于一些应用场景，也可以由较低层的MAC层信令或者物理层信令承载，从而适应频繁的天线分布变化。
在2300，接收端装置接收参考信号，并且基于参考信号进行信道估计。
在2400，接收端装置基于信道估计的结果以及与发射端装置相关联的多个天线单元的非均匀分布的信息，确定信道状态信息。
在2500，接收端装置向发射端装置反馈信道状态信息。
在2600，发射端装置基于信道状态信息和非均匀分布信息确定信道状态。
以下，将分别从发射端装置和接收端装置的角度具体描述本公开。
<2.发射端装置的天线阵列>
图3是示出根据一个实施例的发射端装置3000的配置的示例的框图。该发射端装置3000可以是基站、Node B、e-Node B等，或者是其中的关键部件，例如其中的处理芯片而非完整产品，或者是例如如图11所示的基站设备820和天线810。
如图3所示，发射端装置3000可以包括沿垂直方向布置的多个天线单元31001…3100N。在所述多个天线单元31001…3100N中的至少一部分天线单元中，相邻天线单元之间的间距在第一方向上逐渐增加。
例如，图1B是示出根据一个实施例的天线阵列的非均匀分布的示意图。图1C是示出根据另一个实施例的天线阵列的非均匀分布的示意图。在图1B和1C中，每个方块代表一个天线单元。与图1A中的天线阵列不同，在图1B和1C中，虽然天线阵列整体占据的空间与图1A中天线阵列所占据的空间大小相同，但是，图1B和1C中的天线阵列中的天线单元在垂直方向为非均匀分布，相邻天线单元之间的间距是逐渐增大的。具体来说，在图1B中，相邻天线单元之间的间距在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。在图1C中，相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加。为了简单起见，图1B和1C中都示出，水平方向的天线单元是均匀分布的，但是，水平方向的天线单元也可以是非均匀分布的。
这里所使用的术语“水平方向”并不限于绝对的水平方向，而是指代与传统的线性天线阵列平行的方向。同样，术语“垂直方向”可以指代3D MIMO天线阵列中相比于传统的线性天线阵列增加的维度的方向。因此，在实际中，根据安装天线阵列的实际情况，“垂直方向”可以指代3D天线阵列的任何一个维度。
图4是示出根据一个实施例的通信系统的示意图。如图4所示，用户设备420、430、440、450分布在基站410周围。基站410具有如图1B所示的3D MIMO天线阵列411。在图4中示出了天线阵列411中的天线单元在垂直方向的相邻天线单元之间的间距d2-d1随着天线单元距离地面的高度的增加而增加。作为实例，相邻天线单元之间的间距可以随着与接收端装置的距离的增加而增加。例如，相邻天线单元之间的间距可以随着与接收端装置的距离的增加而增加、与多个接收端装置的平均高度的垂直距离的增加而增加、天线单元的高度或者天线单元与地面的距离的增加而增加。相邻天线单元之间的间距可以随着与地面或接收端装置的距离的增加而减小，即，在接近地面或接收端装置的方向上，相邻天线单元之间的间距逐渐增加，如图1C所示。
尽管图1B和1C分别示出了天线阵列中垂直方向的天线单元的间距逐渐增加和逐渐减小，但是，这仅是一种示例性情况。在一些实施例中，不需要天线阵列的所有部分都是非均匀分布的。例如，天线阵列中的仅部分的天线单元采用非均匀分布也是可行的。也可以存在其他更复杂的情况。例如，所述多个天线单元31001…3100N可以被分成多个组{31001…3100g1}、{3100g1…3100g2}…{3100gk…3100N}(1≤g1≤g2≤…≤gk≤N)，每个组均由相邻的天线单元组成，每个组的天线单元的数量可以是一个或多个。每个组内的天线单元是均匀分布的，但是相邻天线组之间的间距是非均匀分布的。又例如，各个天线组之间的间距是均匀分布的，但是至少一个天线组中的天线单元的间距采用非均匀分布。同样，天线组之间的间距和天线组内的天线单元之间的间距都是非均匀分布也是可行的。另外，天线阵列中的一部分天线单元可以采用第一种非均匀分布，而天线阵列中的另一部分天线单元可以采用不同于第一种非均匀分布的第二种非均匀分布。
本公开的发明人经过实验和仿真发现，与天线单元在垂直方向为均匀分布的方案相比，在垂直方向上，在一些天线阵列规模或其它工作参数下，当相邻天线单元之间的间距随着与接收端装置或地面的距离的增加而增加时，整个天线阵列能够更好地区分不同用户的到达角，从而使得能够增加天线单元在垂直方向上对不同用户的区分度，提高3D MIMO天线系统的性能增益。而在另外一些天线阵列规模或其它工作参数下，情况则相反：当相邻天线单元之间的间距随着与接收端装置或地面的距离的增加而减小时，3D MIMO天线系统的性能增益得到提高。在此过程中，天线阵列规模为影响天线单元分布方式的主要因素。因此，需要主要根据具体的天线阵列规模来选择天线单元的分布方式。
返回参照图3，如图3所示，发射端装置3000还可以可选地包括天线调整电路3200。天线调整电路3200可以调整多个天线单元31001…3100N之间沿垂直方向的间距。例如，利用天线调整电路3200，可以在安装多个天线单元31001…3100N时预先调整它们之间的间距。又例如，天线调整电路3200还可以在多个天线单元31001…3100N的使用过程中动态或准静态地调整它们之间的间距，从而使得多个天线单元31001…3100N之间的间距能够适应信道的动态变化或天线阵列规模的变化，进一步提高其在垂直方向上对不同用户的区分度。天线调整电路3200可以一端连接至安装天线单元的基座，另一端可操作地耦合到后端控制电路以自动地调整天线单元之间的间距，或者连接到用户接口，以被操作者利用来手动地调整天线单元之间的间距。
如前面所述，在多个天线单元31001…3100N中的至少一部分天线单元中，相邻天线单元之间的间距可以在某一方向上逐渐增加，例如在接近地面或接收端装置的方向上逐渐增加，或者在远离地面或接收端装置的方向上逐渐增加。优选地，该间距可以根据非线性函数f(n)确定。f(n)表征的是第n个天线单元相对于第1个天线单元的位置。本领域技术人员在阅读以下说明后将意识到，非线性函数f(n)可以采用各种适当的形式。例如，非线性函数f(n)可以是幂函数、指数函数、正切函数中至少之一。
以下，结合实例说明f(n)为幂函数的优选实施例。然而，本领域技术人员可以意识到，实际情况不限于此。例如，非线性函数f(n)也可以表示为指数函数正切函数中至少之一，其中，μ、υ分别是指数函数和正切函数中的参数，其数值可以被调整并通知接收端装置。实验表明，在f(n)是幂函数、指数函数、或正切函数的情况下，对于相同的3D MIMO天线阵列规模，能够获得的天线阵列的平均谱效率曲线非常接近。
在以下的描述中，假设多个天线单元31001…3100N都遵循同一种非均匀分布函数f(n)。然而，本领域技术人员可以意识到，实际情况不限于此。
假设在所述多个天线单元31001…3100N之中，第1个天线单元31001的位置为f(1)＝0，第N个天线单元3100N的位置为f(N)＝D(N-1)，其中D是常数。优选地，D是传统均匀分布(URA)下垂直方向的天线单元的间距，在这种情况下，根据本公开的非均匀分布的天线阵列所占据的总体空间将与传统均匀分布天线阵列所占据的总体空间相等。
在本实施例中，非线性函数f(n)可以表示为式(1)所示的幂函数的形式：
f(n)＝D(n-1)α/(N-1)α-1， (1)
其中n是天线单元的序号，f(n)是第n个天线单元与第1个天线单元的距离，α是可调整的指数因子并且大于0。
利用非线性函数f(n)来确定所述多个天线单元31001…3100N之间的间距的好处是能够以更加简单的方式来确定所述间距。例如，在用幂函数来确定所述多个天线单元31001…3100N之间的间距的情况下，可以通过简单地调整指数因子α来调整所述间距。在式(1)中，当α>1时，天线单元31001…3100N的间距在远离地面或接收端装置的方向上逐渐增大，如图1B所示意的，并且α越大，天线单元31001…3100N的分布的非均匀程度越高。例如当α＝2时，幂函数为二次函数，天线单元31001…3100N的分布为二次分布。当α＝1时，函数f(n)退化为线性函数，此时天线单元31001…3100N的分布也变为均匀分布。当α<1时，天线单元31001…3100N的间距在接近地面或接收端装置的方向上逐渐增大，如图1C所示意的。α无论取何值，天线阵列都占据相同的空间，但是具有不同的天线单元分布情况。
多个天线单元31001…3100N之间的间距与用户分布、建筑高度和建筑分布、以及用户的到达角分布有关。
在一种实施方式中，天线阵列的分布模式，即天线单元之间的间距，可以基于天线单元的数量而确定。稍后将参照表1描述在不同的天线单元的数量下指数因子α的取值情况。具体而言，可以在天线单元的特定数量下，针对特定优化目标，例如平均频谱效率、吞吐量、信噪比、最好频谱效率、最差频谱效率等，进行优化，选取最符合优化目标的天线阵列分布模式。在这种情况下，得到的天线阵列分布模式较为固定，在长时间内较为稳定，不随传输环境的变化而实时动态变化，而是静态或准静态的。
在另一种实施方式中，多个天线单元31001…3100N之间的间距还可以基于工作参数而动态变化。例如，发射端装置3000可以根据天线单元的数量、所述发射端装置的覆盖范围、所述发射端装置服务用户数量、信道状态以及用户分布有关的参数中至少之一调整多个天线单元31001…3100N之间的间距。
例如，多个天线单元31001…3100N之间的间距可以基于到达角而确定，到达角是从接收端装置接收的信号与天线平面的法线的角度。具体来说，发射端装置3000可以从各个接收端装置反馈的信号中获取到达角信息和信道质量信息，然后根据这些信息计算不同的天线阵列分布模式下的优化目标(例如，用户平均频率效率)，并且选择使得优化目标最优化时的天线阵列分布模式，即，天线单元之间的间距。本发明中，针对特定的到达角分布情况，不同的天线阵列分布模式所对应的信道预编码的码本是不同的，从而预编码效率不同，所以例如用户平均频谱效率、吞吐量、信噪比等指标也不同。因此，可以经过计算、仿真来选择最适当的天线阵列分布模式。在说明书的稍后部分中，还将具体描述根据到达角确定天线间距的方式。
前面已经描述过，在表示天线间距的非线性函数f(n)表示为式(1)所示的幂函数的情况下，当指数因子α＝1时，函数f(n)退化为线性函数，此时天线单元31001…3100N的分布也变为均匀分布。当α>1时，α越大，天线单元31001…3100N的分布的非均匀程度越高。然而，随着α的增大，天线单元31001…3100N中的一部分天线单元之间的间距会变得过近，使得这部分天线单元之间的干扰超过容限，造成整个天线阵列性能的下降。因此，α的取值优选地应使得天线阵列的性能增益保持为正。当α<1时，存在类似的考虑。图9A是示出在天线阵列规模为8*8的情况下采用不同指数因子α时的用户的平均频谱效率的仿真图。K为用户总数，R为小区半径。可以看到，小区半径R的增大使得性能下降(平均频谱效率降低)，这是因为会有更多的用户分布在更远离基站的位置；而用户数的增多也使得性能下降(平均频谱效率降低)，这是因为用户间干扰增强。但是可以发现，如图9A所示，对于不同的K和不同的R，当指数因子α大于2.4之后，用户的平均频谱效率均小于指数因子α＝1时的用户的平均频谱效率。也就是说，在α>2.4时，天线阵列的性能反而不如均匀分布下的天线阵列的性能。因此，在天线阵列规模为8*8的情况下，优选地，指数因子α小于2.4。
另外，还注意到，当指数因子取值为1.7左右时，对于不同的K和不同的R，平均频谱效率均接近最高值。此时，即使是静态的天线阵列，也可以达到相对比较稳定和良好的性能。因此，优选地，在天线阵列规模为8*8的情况下，指数因子α为1.6～1.9之间的数值。
图9B是示出在天线阵列规模为32*32、小区半径为250m的情况下采用不同指数因子α时的用户的平均频谱效率的仿真图。K为用户总数。可以看到，用户数的增多同样使得性能下降。但是可以发现，和图9A所示出的情况不同，对于不同的K，指数因子α的最优值出现在0.85左右。
实验表明，指数因子α的选择主要取决于天线阵列规模，其它的影响指数因子α的取值的参数包括服务用户数量、小区半径、用户分布情况等，但是在天线阵列规模固定的情况下其它因素变动造成的α的最优取值变化不大。
表1示出在不同的天线阵列规模下指数因子α的取值情况。
天线阵列规模 P(αopt＞2) σ2 αopt αs-opt
8×8 22％ 0.32 1.7
32×32 5％ 0.15 0.85
64×64 2％ 0.11 0.7
表1：αopt的分布情况
在表1中，第一列是天线阵列规模，第二列中的P(αopt＞2)代表指数因子α的最优值大于2的概率，第三列中的σ2 αopt代表指数因子α在其它参数变化时的取值之间的方差，第四列中的αs-opt代表根据其他参数变化统计平均得到的指数因子α在各种天线阵列规模下的推荐的准最优值(因为真正的最优值是动态变化的)。由此可见，在不同的天线阵列规模下，指数因子α具有不同的最优值。
优选地，发射端装置3000还可以包括处理电路，所述处理电路基于多个天线单元31001...3100N之间的间距生成预编码矩阵以用于对待发送的数据进行预编码。生成预编码矩阵的过程将在后面进行描述。
以上已经描述了具有在垂直方向非均匀分布的天线阵列的发射端装置。同样，在某些情况下，水平方向的天线阵列也可以具有类似的非均匀分布模式。然而，为了描述的简单，根据本公开的一个实施例，发射端装置3000的天线阵列沿水平方向的多个天线单元采用均匀分布的模式(如图1B、1C所示)。
图5A是示出根据一个实施例的发射端装置3000的处理的流程图。该处理主要用于在发射端装置侧部署天线阵列。
如图5A所示，流程5000开始于步骤5100。在步骤5100，在发射端装置处沿垂直方向布置多个天线单元31001…3100N。在该多个天线单元31001…3100N中的至少一部分天线单元中，相邻天线单元之间的间距可以在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加，或者在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。由于已经在前面的部分详细描述过如何选择天线单元的间距，因此在此不再重复描述如何布置天线单元31001…3100N。
如图5A所示，流程5000还可以包括可选步骤5200或5300。步骤5200和5300的顺序可以变更，或者并行执行，也可以交替执行，而不会影响本公开的实现。
在步骤5200，调整多个天线单元之间沿垂直方向的间距。其中，在该多个天线单元的至少一部分天线单元中，相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加，或者在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。
可以通过如前所述的天线调整电路来人工或自动地调整天线单元之间的间距。在一种实施方式中，可以在部署天线阵列的时候调整天线单元之间的间距，并且投入运营后不再改变该间距。在另一种实施方式中，可以根据需要，在天线阵列投入运营后动态地改变天线单元之间的间距。
在步骤5300，基于天线单元之间的间距生成预编码矩阵，以用于对待发送的数据进行预编码。可以通过如前所述的处理电路执行步骤5300。生成预编码矩阵的过程将在后面进行具体描述。
图5B是示出根据一个实施例的发射端装置5400的结构框图。
如图5B所示，发射端装置5400可以包括用于执行步骤5100的天线布置单元5410。可选地，发射端装置5400还可以包括用于执行步骤5200的天线调整单元5420以及用于执行步骤5300的预编码矩阵生成单元5430。
以上已经结合图3-5B以及图9A-9B描述了包含具有非均匀分布模式的天线阵列的发射端装置。当发射端装置采用非均匀分布的天线阵列时，现有技术中针对均匀分布的天线阵列的码本设计、预编码处理等将不再适用。同样，接收端和发射端装置各自的处理流程以及二者之间的通信处理方式也应相应地变化，以使得非均匀分布的天线阵列能够正常工作。以下将分别描述根据本公开的实施例的接收端装置和发射端装置的处理。
<3.接收端装置的处理>
根据本公开的一个实施例，一种接收端装置包括一个或多个处理电路。该一个或多个处理电路可以被配置为：获取来自发射端装置的参考信号；基于所述参考信号进行信道估计；以及基于信道估计的结果以及与发射端装置相关联的多个天线单元的非均匀分布的信息，确定信道状态信息(CSI)以用于向发射端装置反馈。在与发射端装置相关联的所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，在垂直方向上，相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加，或者在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。
例如，在频分双工(FDD)通信系统中，接收端装置的处理电路从发射端装置获取水平方向和垂直方向各自的信道状态信息参考符号(CSI-RS)。然后，接收端装置根据水平方向和垂直方向的CSI-RS分别计算估计的下行信道的方向向量和代表信道的模值的信道质量指示(CQI)。在MIMO系统中根据CSI-RS进行信道估计可采用本领域已知的方式进行。
然后，接收端装置的处理电路可以基于估计出的下行信道的方向向量以及预先获得的发射端装置侧的天线阵列分布情况，确定所要采用的预编码的码本中的码字，并且连同CQI一起作为信道状态信息反馈给发射端装置。以下以示例的方式进行具体说明。
假设天线单元的分布为图1B所示的形式，即水平方向为均匀分布，垂直方向为非均匀分布，且每列中的天线单元服从相同的非均匀分布f(n)。
由于水平方向的天线阵列为均匀分布，因此可以采用现有技术中针对传统的均匀分布的天线阵列进行信道估计的方法，从而得到水平方向的预编码矩阵指示(PMI)和CQI并向发射端装置反馈。
关于垂直方向，在现有技术中，对于垂直方向均匀分布的天线阵列，采用DFT向量(也称为信道导向向量)形式的向量组成的码本进行预编码。对于给定的一条径p，DFT向量(即，码字)可以表示为式(2)的形式：
其中，(hp v,k)URA为第k个用户的垂直域的信道导向向量，λ为信号的波长，D为传统均匀分布(URA)下垂直方向的天线单元之间的间距，为第p条径的垂直方向的到达角，的每个量化值对应于一个码字。例如，当量化步长为30度时，被量化为βi:{β0＝0，β1＝30，β2＝60，β3＝90}。此时码本中将有4个码字，可以分别用序号i＝0,1,2,3表示。量化比特数决定了码本的大小，并影响信道估计和预编码的精度。所有码字的集合为码本。接收端装置可以选择与自己估计的下行信道的方向向量匹配的码字，并将所选择的码字或码字的序号作为PMI反馈给发射端装置，以供发射端装置进行预编码。当接收端装置与发射端装置预先都存储了码本的情况下，可以仅将序号i作为PMI反馈给发射端装置。
然而，如图1B所示，根据本公开的天线阵列在垂直方向服从非均匀分布，所以垂直方向的信道导向向量不能用如式(2)所示的DFT向量形式的码字来表示，否则会导致信道估计的严重偏离和预编码效率的严重降低。因此，本公开提出使用新的码本来代替传统使用的DFT形式的码本。在该新的码本中，每个码字为非DFT向量形式，可以用例如式(3)来表示：
其中，f(n)为天线阵列的分布函数，代表第n个天线单元与第1个天线单元之间的距离。其余参数与式(2)相同。垂直方向的信道方向可以由诸如由公式(3)表示的非DFT形式的信道导向向量指示。
由式(3)可见，式(2)所示出的DFT形式的码本中的天线间距D被替换为天线阵列的分布函数f(n)。因此，接收端装置需要知道发射端装置侧的天线阵列的分布函数f(n)，才能确定所使用的码本，从而从中选择适当的码字以反馈给发射端装置。
因此，接收端装置可以预先以各种方式获取该天线阵列的分布函数f(n)，例如，接收端装置可以接收分布函数f(n)。或者，接收端装置可以接收分布函数f(n)的至少一部分参数，并根据本地预先存储的分布函数f(n)的函数形式以及常数，结合接收到的参数，得到分布函数f(n)。并且优选地，接收端装置的处理电路可以被配置为基于从发射端装置获取的天线阵列的非均匀分布的信息，即分布函数f(n)，确定与该非均匀分布对应的码本。在确定码本时，可以根据接收到的非均匀分布信息按照例如式(3)的形式实时生成码本，也可以预先在接收端装置内部或外部的存储器中存储对应于各种分布函数的码本，并且在知晓发射端装置采用的分布函数之后，选择对应的码本来使用。
在确定了所使用的码本之后，接收端装置的处理电路可以通过以下方式来确定信道状态信息：首先，确定码本中与信道估计的结果匹配的码字，然后，根据匹配的码字确定指示信道方向的信息。
具体而言，例如，确定码本中与信道估计的结果匹配的码字时，可以将估计的下行信道的信道方向向量与码本中的每个码字进行相关运算，并且选取相关度最大的码字作为匹配的码字。
在选出了匹配的码字之后，由于码本中的每个码字对应于不同的到达角，并且如前面所描述的，到达角是发射端装置从接收端装置接收的信号与天线平面的法线的角度，代表了信道的方向，因此，可以根据所选出的匹配的码字确定信道方向。
例如，在前面所示出的例子中，当到达角被量化为βi:{β0＝0，β1＝30，β2＝60，β3＝90}时，码本中将有4个码字，可以分别用序号i＝0,1,2,3表示。此时，假设在将估计出的下行信道的信道方向向量与码本中的4个码字分别进行相关运算之后，计算出β1＝30所对应的码字与估计出的下行信道的信道方向向量的相关度最大。那么将与β1＝30所对应的码字确定为匹配的码字。此时信道方向被确定为到达角为30度的方向。
为了将信道方向通知给发射端装置，接收端装置的处理电路可以将所选择的码字或所确定的到达角发送发射端装置。优选地，接收端装置仅将码字的序号作为PMI发送给发射端装置，以减小通信量。优选地，同现有技术一样，接收端装置的处理电路也将估计的信道质量作为CQI反馈给发射端装置。
此外，当发射端装置侧的天线阵列的分布模式变化时，优选地，接收端装置的处理电路还被配置为响应于从发射端装置获取更新的非均匀分布的信息，确定更新的信道状态信息以用于向发射端装置反馈。在一种最优算法中，发射端装置侧的天线阵列的分布模式是动态变化的。例如，发射端装置可以通过接收端装置反馈的信道状态信息检查通信环境的变化，评估天线阵列的各种分布模式所能带来的性能增益，从而选择最佳分布模式来适应性地改变天线阵列的分布。发射端装置调整天线分布模式的处理将在本公开稍后的部分描述。
总之，当发射端装置侧的天线阵列的分布函数f(n)由于例如通信环境的变化而发生变化时，接收端装置在获取了更新的分布函数f(n)之后，将根据更新的分布函数f(n)，按照以上描述的方式重新进行信道估计、确定新的PMI和CQI，并从而反馈更新的信道状态信息给发射端装置。
以上描述了根据本公开的一个实施例的接收端装置。相应地，本公开提供一种无线通信方法，可用于上述接收端装置。图6A是示出根据一个实施例的接收端装置的处理6000的流程图。
如图6A所示，在步骤6100，接收端装置获取来自发射端装置的参考信号。在与发射端装置相关联的所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，在垂直方向上，相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加，或者在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。在步骤6200，接收端装置基于该参考信号进行信道估计。在步骤6300，接收端装置基于信道估计的结果以及与发射端装置相关联的多个天线单元的非均匀分布的信息，确定信道状态信息以用于向发射端装置反馈。步骤6100-6300的具体实现方式已经在上面以示例性的方式进行了描述，在此不再赘述。
图6B是示出根据一个实施例的接收端装置6400的结构框图。
如图6B所示，接收端装置6400可以包括用于执行步骤6100的获取单元6410、用于执行步骤6200的信道估计单元6420，以及用于执行步骤6300的确定单元6430。
以上描述了根据本公开的一个实施例的接收端装置及其通信方法。以下，将描述根据本公开的能够与上述接收端装置通信并且采用非均匀分布的天线阵列的发射端装置及其通信方法。
<4.发射端装置的处理>
根据本公开的一个实施例，一种发射端装置可以包括处理电路，该处理电路被配置为：生成指示与发射端装置相关联的多个天线单元的非均匀分布状态的非均匀分布信息；获取来自接收端装置的信道状态信息；以及基于信道状态信息和非均匀分布信息确定信道状态。其中，在与发射端装置相关联的所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，在垂直方向上，相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加，或者在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。
根据上述实施例的发射端装置可以自身包含天线阵列，也可以不包含天线阵列但是可通信地与天线阵列连接。生成的非均匀分布信息可以是多种形式。例如，非均匀分布信息可以是表示多个天线单元的非均匀分布状态的函数f(n)或f(n)中的参数。例如，在f(n)是指数函数的情况下，该非均匀分布信息可以是指数函数的指数因子α。又例如，在已经在发射端和接收端装置中存储有预先确定的若干种函数f(n)的情况下，非均匀分布信息也可以仅是代表f(n)的索引。
可以在天线阵列部署完毕之后或者每次天线阵列的分布模式改变之后主动生成相应的非均匀分布信息，也可以响应于接收端装置的请求生成该非均匀分布信息。
优选地，发射端装置的处理电路还可以被配置为进行控制以向接收端装置发送如上所述生成的非均匀分布信息。非均匀分布信息的发送可以由发射端装置主动进行，也可以响应于接收端装置的请求而进行。可以在发射端装置与接收端装置建立通信的初始化阶段发送该非均匀分布信息，并且在通信过程中不再重复进行发送。另外，也可以定期地或在非均匀分布信息变化之后，向接收端装置发送更新的非均匀分布信息，以供接收端装置重新进行信道估计、预编码码本选择等处理。应注意的是，在FDD系统中，由于接收端装置进行信道估计，并需要根据信道估计的结果以及从发射端装置接收到的非均匀分布信息确定包含码本选择的信道状态信息并向发射端装置反馈，因此接收端装置需要知道发射端装置侧的天线阵列的分布模式。但是，在时分双工(TDD)系统中，由于接收端装置仅需要向发射端装置发送上行信道的CSI-RS以及信道质量指示CQI，而不需要自己估计信道方向并反馈对码字的选择，因此，发射端装置可以不告知接收端装置天线阵列的分布情况。
然后，发射端装置的处理电路被配置为获取来自接收端装置的信道状态信息。在TDD系统中，接收端装置发送的信道状态信息可以包括CQI。在FDD通信系统中，除了CQI以外，该信道状态信息还可以包括指示到达角的信息。如前所述，到达角是从接收端装置接收的信号与天线平面的法线的角度。
优选地，如前面在描述接收端装置时所描述的，因为码本是基于非均匀分布信息确定的，并且码本中的每个码字对应于不同的到达角，所以指示到达角的信息可以是接收端对码本中码字的选择信息(诸如，预编码矩阵指示(PMI))。在获取了来自接收端装置的信道状态信息之后，发射端装置的处理电路被配置为基于该信道状态信息和天线阵列的非均匀分布信息确定信道状态。
例如，在FDD系统中，由于从接收端装置获取的信道状态信息包含了例如PMI的指示到达角的信息，因此，发射端装置的处理电路此时就可以基于该指示到达角的信息(例如，PMI)和天线阵列的非均匀分布信息确定信道的方向，例如，确定信道导向向量。
例如，如前面参考接收端装置的处理所描述的，根据本公开的一个实施例的信道导向向量采用如式(3)所示的非DFT形式的向量在此情况下，发射端装置的处理电路在从接收端装置获得PMI之后，结合之前生成的天线阵列的非均匀分布函数f(n)就可以计算出对应的信道导向向量例如，仍旧以到达角被量化为βi:{β0＝0，β1＝30，β2＝60，β3＝90}为例，发射端装置的处理电路可从接收端装置获得序号i(i＝0,1,2,3)，从而确定到达角的具体量化值βi。然后按照式(3)计算出信道导向向量
在一种优选的实施方式中，发射端装置的处理电路还能够动态调整天线阵列的分布模式。
例如，发射端装置的处理电路还可以被配置为：获取来自接收端装置的更新的到达角的信息；基于该更新的到达角的信息计算更新的非均匀分布信息；以及将更新的非均匀分布信息发送给天线调整电路以调整天线阵列中多个天线单元的非均匀分布状态。例如，发射端装置的处理电路可以利用最优算法(Optimal Scheme，OS)基于短时用户最大平均频谱效率准则动态调整指数因子，从而动态调整垂直域的非均匀天线的排布。或者，发射端装置的处理电路可以利用准最优算法(Sub-optimal Scheme，OS)基于长时用户最大平均频谱效率准则选取固定的指数因子，从而准静态地确定垂直域的非均匀天线的排布。
在准最优算法中，天线单元的间距的调整频率低，从而能够节省信令资源，并且避免由对码本的计算所占用的CPU资源。在最优算法中，天线单元的间距的调整频率高，从而能够更加及时地适应信道的动态变化，增加用户在垂直方向的区分度。
优选地，基于更新的到达角的信息计算更新的非均匀分布信息的具体过程如下。首先，生成多个天线单元的多种非均匀分布。然后，根据从接收端装置接收的更新的指示到达角的信息，计算不同的非均匀分布下的优化目标的值。之后，选择最优化的非均匀分布，获取最优化的非均匀分布所对应的非均匀分布信息作为更新的非均匀分布信息。以下具体进行描述。
首先，多种天线阵列的非均匀分布被生成以作为最优分布的候选。例如，该多种非均匀分布可以是依据不同种类的分布函数(例如指数函数、正切函数等)的分布，也可以是依据具有不同参数的同一种类的分布函数(例如具有不同指数因子α的指数函数)的分布。
然后，根据从接收端装置接收的更新的指示到达角的信息，计算不同的非均匀分布下的优化目标的值。例如，首先可以根据该到达角的信息生成不同的非均匀分布下的信道矩阵。在这可以通过在不同的分布函数f(n)下，依据例如式(3)所示的产生近似的具有相同信道质量的下行信道的垂直方向的信道导向向量，并且然后，将产生的对应于不同分布函数f(n)的各个垂直方向的信道导向向量与水平方向的信道导向向量作Kronecker积得到对应于不同分布函数f(n)的各个信道矩阵来实现。计算水平方向的信道导向向量以及计算Kronecker积的方法都是本领域已知的。然后，用所得到的各个信道矩阵分别进行预编码，来计算在用不同分布函数f(n)生成的天线阵列的分布模式下的优化目标的值。例如，该优化目标可以是平均频谱效率、吞吐量、信噪比、最差频谱效率、最好频谱效率等等。以平均频谱效率为例，可以计算不同的天线阵列分布模式下的小区的用户间干扰，从而得到平均频谱效率。这些优化目标都是值越大越好，但是本领域技术人员可以意识到，存在其他的优化目标，并且不一定所有优化目标都是使得值最大化。
在计算出用不同分布函数f(n)生成的天线阵列的分布模式下的优化目标的值之后，就可以容易地选择出使得优化目标的值达到最优的非均匀分布，作为最优化的非均匀分布，并且将该最优化的非均匀分布所对应的非均匀分布信息，例如，分布函数f(n)或其参数，作为更新的非均匀分布信息发送给天线调整电路，以便调整发射端装置侧的天线阵列的分布状态。
与以上描述的FDD系统中的处理不同，在TDD系统中，由于上行信道和下行信道占用相同的频谱资源，所以根据信道的对称性，不需要接收端装置估计并反馈下行信道的信道导向向量或者说对码字的选择。而是，发射端装置可以基于上行参考信道估计出下行信道状态。
例如，在TDD系统中，发射端装置的处理电路基于信道状态信息和非均匀分布信息确定信道状态的处理可以包括：基于信道状态信息估计表示信道方向的信道导向向量。
具体而言，在TDD系统中，接收端装置可以发送上行参考信号例如SoundingReferenceSignal到发射端装置，发射端装置根据TDD上下行信道的对称性可以自行确定下行信道状态信息，而接收端无需反馈信道状态，发射端装置的处理电路需要自行进行信道估计。与前面描述的接收端装置的处理电路进行信道估计的处理相似，发射端装置的处理电路根据上行参考信号估计表示信道方向的信道导向向量，从而生成预编码矩阵并进行后续的预编码处理。
根据一个实施例，无论是在FDD系统还是在TDD系统中，发射端装置的处理电路还可以被配置为基于所确定的信道状态进行预编码。例如，发射端装置的处理电路可以利用垂直方向的基于非DFT的信道导向向量与水平方向的基于DFT的信道导向向量的Kronecker积以及天线阵列的极化相位系数生成总的预编码矩阵。预编码操作采用匹配滤波预编码或迫零预编码算法。预编码的具体方法是本领域已知的，在此不做具体描述。比起波束赋形，预编码的优点在于能够更加有效地降低用户之间的干扰，提高平均频谱效率。
以上描述了根据本公开的一个实施例的发射端装置。相应地，本公开提供一种无线通信方法，可用于上述发射端装置。图7A是示出根据一个实施例的发射端装置的处理7000的流程图。
如图7A所示，在步骤7100，发射端装置生成指示与发射端装置相关联的多个天线单元的非均匀分布状态的非均匀分布信息。在与发射端装置相关联的所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，在垂直方向上，相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加，或者在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。在步骤7200，发射端装置获取来自接收端装置的信道状态信息。在步骤7300，发射端装置基于所述信道状态信息和所述非均匀分布信息确定信道状态。
图7B是示出根据一个实施例的发射端装置7400的结构框图。
如图7B所示，发射端装置7400可以包括用于执行步骤7100的生成单元7410，用于执行步骤7200的获取单元7420，以及用于执行步骤7300的确定单元7430。
<5.仿真结果>
考虑如图4所示的单小区多用户仿真环境。假设小区半径R等于250m，共享相同时频资源的用户数量K为8。每小区基站位于中心，高度为35m，而用户位置随机均匀分布。假设水平方向的角度扩展为180度，垂直方向的角度扩展为5度，天线阵列大小为8×8。
仿真中采用如下3D窄带多径信道模型，并且利用近似Kronecker积的结构：
其中，为第k个用户的第p条径的信道矩阵，P＝20为多径数量，与hv,k分别为水平方向的导向向量和垂直方向的近似导向向量。由于实际环境中，垂直方向角度扩展较小，所以该近似一般合理。为大尺度衰落系数，由下式计算：
其中，dk为基站到第k个用户的距离，β为路径损耗系数，zk为阴影衰落系数，并且服从方差为的对数正态分布。在仿真中，假设β＝3.5,σz＝8dB。
图8为在不同方案下平均频谱效率的累积分布函数的仿真图。从图中可以看出，波束赋形方案的性能比预编码方案差很多，这是因为在有限的垂直方向天线的个数情况下，波束赋形没有有效利用垂直方向的自由度。
在预编码方案下，相比传统的均匀天线阵列(URA)，采用非均匀天线阵列(非URA)能够获得更好的频谱效率性能。在采用预编码和非均匀天线阵列的组合情况下，最优算法的性能好于准最优算法的性能。例如，在采用预编码和均匀天线阵列的组合的情况下，平均频谱效率小于或等于2bps/Hz的概率约为0.84，在采用预编码、非均匀天线阵列和准最优算法的组合的情况下，平均频谱效率小于或等于2bps/Hz的概率约为0.79，在采用预编码、非均匀天线阵列和最优算法的组合的情况下，平均频谱效率小于或等于2bps/Hz的概率约为0.66。可见，在采用预编码、非均匀天线阵列和最优算法的组合的情况下，获得高平均频谱效率的概率更大。
图10是示出在不同大小天线阵列下均匀天线阵列(URA)与非均匀天线阵列(非URA)的平均频谱效率的累积分布函数的仿真图。可以看到，非均匀天线阵列在不同大小的天线阵列下性能都要优于均匀天线阵列。而且天线阵列越大，性能增益越大。例如，在4×4、8×8或32×32的天线阵列的情况下，非均匀天线阵列方案下平均频谱效率小于或等于某个值的概率均小于均匀天线阵列方案下平均频谱效率小于或等于某个值的概率。另一方面，在采用非均匀天线阵列的情况下，32×32的天线阵列方案下平均频谱效率小于或等于某个值的概率小于4×4和8×8的天线阵列方案下平均频谱效率小于或等于某个值的概率。也就是说，采用非均匀天线阵列或者更大的天线阵列的情况下，获得高平均频谱效率的概率更大。
上述结果表明，与传统的均匀天线阵列相比，在垂直方向采用非均匀天线阵列能够更好地降低用户间干扰，提升整体的频谱效率，发挥3D MIMO的优势。基于信道状态和天线阵列分布模式，在垂直方向采用最优算法选择非DFT形式的码本能够优化基站天线对于用户的区分度，也是更适合3D MIMO情况的码本形式，从而进一步提升了性能。
<6.应用示例>
本公开内容的技术能够应用于各种产品。
例如，发射端装置可以被实现为任何类型的演进型节点B(eNB)，诸如宏eNB和小eNB。小eNB可以为覆盖比宏小区小的小区的eNB，诸如微微eNB、微eNB和家庭(毫微微)eNB。代替地，发射端装置可以被实现为任何其他类型的基站，诸如NodeB和基站收发台(BTS)。发射端装置可以包括：被配置为控制无线通信的主体(也称为基站设备)；以及设置在与主体不同的地方的一个或多个远程无线头端(RRH)。另外，下面将描述的各种类型的终端均可以通过暂时地或半持久性地执行基站功能而作为发射端装置工作。
例如，接收端装置可以被实现为移动终端(诸如智能电话、平板个人计算机(PC)、笔记本式PC、便携式游戏终端、便携式/加密狗型移动路由器和数字摄像装置)或者车载终端(诸如汽车导航设备)。接收端装置还可以被实现为执行机器对机器(M2M)通信的终端(也称为机器类型通信(MTC)终端)。此外，接收端装置可以为安装在上述终端中的每个终端上的无线通信模块(诸如包括单个晶片的集成电路模块)。
[6-1.关于基站的应用示例]
(第一应用示例)
图11是示出可以应用本公开内容的技术的eNB的示意性配置的第一示例的框图。eNB 800包括一个或多个天线810、基站设备820以及天线调整电路870。基站设备820和每个天线810可以经由RF线缆彼此连接。
天线810中的每一个均包括单个或多个天线单元(诸如包括在多输入多输出(MIMO)天线中的多个天线单元)，并且用于基站设备820发送和接收无线信号。如图11所示，eNB 800可以包括多个天线810。例如，多个天线810可以与eNB 800使用的多个频带兼容。虽然图11示出其中eNB 800包括多个天线810的示例，但是eNB 800也可以包括单个天线810。
基站设备820包括控制器821、存储器822、网络接口823以及无线通信接口825。
控制器821可以为例如CPU或DSP，并且操作基站设备820的较高层的各种功能。例如，控制器821根据由无线通信接口825处理的信号中的数据来生成数据分组，并经由网络接口823来传递所生成的分组。控制器821可以对来自多个基带处理器的数据进行捆绑以生成捆绑分组，并传递所生成的捆绑分组。控制器821可以具有执行如下控制的逻辑功能：该控制诸如为无线资源控制、无线承载控制、移动性管理、接纳控制和调度。该控制可以结合附近的eNB或核心网节点来执行。存储器822包括RAM和ROM，并且存储由控制器821执行的程序和各种类型的控制数据(诸如终端列表、传输功率数据以及调度数据)。
天线调整电路870以可通信的方式连接到控制器821和天线810。控制器821可以控制天线调整电路870来调整天线810中多个天线单元之间的间距。
网络接口823为用于将基站设备820连接至核心网824的通信接口。控制器821可以经由网络接口823而与核心网节点或另外的eNB进行通信。在此情况下，eNB 800与核心网节点或其他eNB可以通过逻辑接口(诸如S1接口和X2接口)而彼此连接。网络接口823还可以为有线通信接口或用于无线回程线路的无线通信接口。如果网络接口823为无线通信接口，则与由无线通信接口825使用的频带相比，网络接口823可以使用较高频带用于无线通信。
无线通信接口825支持任何蜂窝通信方案(诸如长期演进(LTE)和LTE-先进)，并且经由天线810来提供到位于eNB 800的小区中的终端的无线连接。无线通信接口825通常可以包括例如基带(BB)处理器826和RF电路827。BB处理器826可以执行例如编码/解码、调制/解调以及复用/解复用，并且执行层(例如L1、介质访问控制(MAC)、无线链路控制(RLC)和分组数据汇聚协议(PDCP))的各种类型的信号处理。代替控制器821，BB处理器826可以具有上述逻辑功能的一部分或全部。BB处理器826可以为存储通信控制程序的存储器，或者为包括被配置为执行程序的处理器和相关电路的模块。更新程序可以使BB处理器826的功能改变。该模块可以为插入到基站设备820的槽中的卡或刀片。可替代地，该模块也可以为安装在卡或刀片上的芯片。同时，RF电路827可以包括例如混频器、滤波器和放大器，并且经由天线810来传送和接收无线信号。
如图11所示，无线通信接口825可以包括多个BB处理器826。例如，多个BB处理器826可以与eNB 800使用的多个频带兼容。如图11所示，无线通信接口825可以包括多个RF电路827。例如，多个RF电路827可以与多个天线单元兼容。虽然图11示出其中无线通信接口825包括多个BB处理器826和多个RF电路827的示例，但是无线通信接口825也可以包括单个BB处理器826或单个RF电路827。
(第二应用示例)
图12是示出可以应用本公开内容的技术的eNB的示意性配置的第二示例的框图。eNB 830包括一个或多个天线840、基站设备850、RRH 860和天线调整电路880。RRH 860和每个天线840可以经由RF线缆而彼此连接。基站设备850和RRH 860可以经由诸如光纤线缆的高速线路而彼此连接。
天线840中的每一个均包括单个或多个天线单元(诸如包括在MIMO天线中的多个天线单元)并且用于RRH 860发送和接收无线信号。如图12所示，eNB 830可以包括多个天线840。例如，多个天线840可以与eNB 830使用的多个频带兼容。虽然图12示出其中eNB 830包括多个天线840的示例，但是eNB 830也可以包括单个天线840。
基站设备850包括控制器851、存储器852、网络接口853、无线通信接口855以及连接接口857。控制器851、存储器852和网络接口853与参照图11描述的控制器821、存储器822和网络接口823相同。
无线通信接口855支持任何蜂窝通信方案(诸如LTE和LTE-先进)，并且经由RRH860和天线840来提供到位于与RRH 860对应的扇区中的终端的无线通信。无线通信接口855通常可以包括例如BB处理器856。除了BB处理器856经由连接接口857连接到RRH 860的RF电路864之外，BB处理器856与参照图11描述的BB处理器826相同。如图12所示，无线通信接口855可以包括多个BB处理器856。例如，多个BB处理器856可以与eNB 830使用的多个频带兼容。虽然图12示出其中无线通信接口855包括多个BB处理器856的示例，但是无线通信接口855也可以包括单个BB处理器856。
连接接口857为用于将基站设备850(无线通信接口855)连接至RRH 860的接口。连接接口857还可以为用于将基站设备850(无线通信接口855)连接至RRH 860的上述高速线路中的通信的通信模块。
RRH 860包括连接接口861和无线通信接口863。
连接接口861为用于将RRH 860(无线通信接口863)连接至基站设备850的接口。连接接口861还可以为用于上述高速线路中的通信的通信模块。
无线通信接口863经由天线840来传送和接收无线信号。无线通信接口863通常可以包括例如RF电路864。RF电路864可以包括例如混频器、滤波器和放大器，并且经由天线840来传送和接收无线信号。如图12所示，无线通信接口863可以包括多个RF电路864。例如，多个RF电路864可以支持多个天线单元。虽然图12示出其中无线通信接口863包括多个RF电路864的示例，但是无线通信接口863也可以包括单个RF电路864。
天线调整电路880以可通信的方式连接到控制器851和天线840。控制器851可以控制天线调整电路880来调整天线840中多个天线单元之间的间距。
[6-2.关于终端设备的应用示例]
(第一应用示例)
图13是示出可以应用本公开内容的技术的智能电话900的示意性配置的示例的框图。智能电话900包括处理器901、存储器902、存储装置903、外部连接接口904、摄像装置906、传感器907、麦克风908、输入装置909、显示装置910、扬声器911、无线通信接口912、一个或多个天线开关915、一个或多个天线916、总线917、电池918以及辅助控制器919。
处理器901可以为例如CPU或片上系统(SoC)，并且控制智能电话900的应用层和另外层的功能。存储器902包括RAM和ROM，并且存储数据和由处理器901执行的程序。存储装置903可以包括存储介质，诸如半导体存储器和硬盘。外部连接接口904为用于将外部装置(诸如存储卡和通用串行总线(USB)装置)连接至智能电话900的接口。
摄像装置906包括图像传感器(诸如电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS))，并且生成捕获图像。传感器907可以包括一组传感器，诸如测量传感器、陀螺仪传感器、地磁传感器和加速度传感器。麦克风908将输入到智能电话900的声音转换为音频信号。输入装置909包括例如被配置为检测显示装置910的屏幕上的触摸的触摸传感器、小键盘、键盘、按钮或开关，并且接收从用户输入的操作或信息。显示装置910包括屏幕(诸如液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)显示器)，并且显示智能电话900的输出图像。扬声器911将从智能电话900输出的音频信号转换为声音。
无线通信接口912支持任何蜂窝通信方案(诸如LTE和LTE-先进)，并且执行无线通信。无线通信接口912通常可以包括例如BB处理器913和RF电路914。BB处理器913可以执行例如编码/解码、调制/解调以及复用/解复用，并且执行用于无线通信的各种类型的信号处理。同时，RF电路914可以包括例如混频器、滤波器和放大器，并且经由天线916来传送和接收无线信号。无线通信接口912可以为其上集成有BB处理器913和RF电路914的一个芯片模块。如图13所示，无线通信接口912可以包括多个BB处理器913和多个RF电路914。虽然图13示出其中无线通信接口912包括多个BB处理器913和多个RF电路914的示例，但是无线通信接口912也可以包括单个BB处理器913或单个RF电路914。
此外，除了蜂窝通信方案之外，无线通信接口912可以支持另外类型的无线通信方案，诸如短距离无线通信方案、近场通信方案和无线局域网(LAN)方案。在此情况下，无线通信接口912可以包括针对每种无线通信方案的BB处理器913和RF电路914。
天线开关915中的每一个在包括在无线通信接口912中的多个电路(例如用于不同的无线通信方案的电路)之间切换天线916的连接目的地。
天线916中的每一个均包括单个或多个天线单元(诸如包括在MIMO天线中的多个天线单元)，并且用于无线通信接口912传送和接收无线信号。如图13所示，智能电话900可以包括多个天线916。虽然图13示出其中智能电话900包括多个天线916的示例，但是智能电话900也可以包括单个天线916。
此外，智能电话900可以包括针对每种无线通信方案的天线916。在此情况下，天线开关915可以从智能电话900的配置中省略。
总线917将处理器901、存储器902、存储装置903、外部连接接口904、摄像装置906、传感器907、麦克风908、输入装置909、显示装置910、扬声器911、无线通信接口912以及辅助控制器919彼此连接。电池918经由馈线向图13所示的智能电话900的各个块提供电力，馈线在图中被部分地示为虚线。辅助控制器919例如在睡眠模式下操作智能电话900的最小必需功能。
(第二应用示例)
图14是示出可以应用本公开内容的技术的汽车导航设备920的示意性配置的示例的框图。汽车导航设备920包括处理器921、存储器922、全球定位系统(GPS)模块924、传感器925、数据接口926、内容播放器927、存储介质接口928、输入装置929、显示装置930、扬声器931、无线通信接口933、一个或多个天线开关936、一个或多个天线937以及电池938。
处理器921可以为例如CPU或SoC，并且控制汽车导航设备920的导航功能和另外的功能。存储器922包括RAM和ROM，并且存储数据和由处理器921执行的程序。
GPS模块924使用从GPS卫星接收的GPS信号来测量汽车导航设备920的位置(诸如纬度、经度和高度)。传感器925可以包括一组传感器，诸如陀螺仪传感器、地磁传感器和空气压力传感器。数据接口926经由未示出的终端而连接到例如车载网络941，并且获取由车辆生成的数据(诸如车速数据)。
内容播放器927再现存储在存储介质(诸如CD和DVD)中的内容，该存储介质被插入到存储介质接口928中。输入装置929包括例如被配置为检测显示装置930的屏幕上的触摸的触摸传感器、按钮或开关，并且接收从用户输入的操作或信息。显示装置930包括诸如LCD或OLED显示器的屏幕，并且显示导航功能的图像或再现的内容。扬声器931输出导航功能的声音或再现的内容。
无线通信接口933支持任何蜂窝通信方案(诸如LTE和LTE-先进)，并且执行无线通信。无线通信接口933通常可以包括例如BB处理器934和RF电路935。BB处理器934可以执行例如编码/解码、调制/解调以及复用/解复用，并且执行用于无线通信的各种类型的信号处理。同时，RF电路935可以包括例如混频器、滤波器和放大器，并且经由天线937来传送和接收无线信号。无线通信接口933还可以为其上集成有BB处理器934和RF电路935的一个芯片模块。如图14所示，无线通信接口933可以包括多个BB处理器934和多个RF电路935。虽然图14示出其中无线通信接口933包括多个BB处理器934和多个RF电路935的示例，但是无线通信接口933也可以包括单个BB处理器934或单个RF电路935。
此外，除了蜂窝通信方案之外，无线通信接口933可以支持另外类型的无线通信方案，诸如短距离无线通信方案、近场通信方案和无线LAN方案。在此情况下，针对每种无线通信方案，无线通信接口933可以包括BB处理器934和RF电路935。
天线开关936中的每一个在包括在无线通信接口933中的多个电路(诸如用于不同的无线通信方案的电路)之间切换天线937的连接目的地。
天线937中的每一个均包括单个或多个天线单元(诸如包括在MIMO天线中的多个天线单元)，并且用于无线通信接口933传送和接收无线信号。如图14所示，汽车导航设备920可以包括多个天线937。虽然图14示出其中汽车导航设备920包括多个天线937的示例，但是汽车导航设备920也可以包括单个天线937。
此外，汽车导航设备920可以包括针对每种无线通信方案的天线937。在此情况下，天线开关936可以从汽车导航设备920的配置中省略。
电池938经由馈线向图14所示的汽车导航设备920的各个块提供电力，馈线在图中被部分地示为虚线。电池938累积从车辆提供的电力。
本公开内容的技术也可以被实现为包括汽车导航设备920、车载网络941以及车辆模块942中的一个或多个块的车载系统(或车辆)940。车辆模块942生成车辆数据(诸如车速、发动机速度和故障信息)，并且将所生成的数据输出至车载网络941。
<7.结论>
已参照附图描述了根据本公开的实施例的发射端装置和接收端装置及其执行的通信处理。
虽然参照附图详细描述了本公开的优选实施例，但本公开的技术范围不限于此。本领域技术人员应该理解，在不脱离所附权利要求或其等同物的范围的情况下，可根据设计的需要和其它因素做出各种变型、组合、子组合和替换。
在前面的实施例中，已描述通信系统是符合LTE或LTE-A的系统的例子，但本公开的实施例不限于此。例如，通信系统可以是符合另一通信标准的系统。
此外，本说明书中的通信处理中的处理步骤并不严格地局限于按照符合在流程图中描述的顺序的时间顺序执行。例如，通信处理中的处理步骤可按照与这里作为流程图描述的顺序不同的顺序执行，并且此外可并行地执行。

Claims (33)

1.一种发射端装置，其特征在于包括：
沿垂直方向布置的多个天线单元，
其中，在所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，相邻天线单元之间的间距在第一方向上逐渐增加。
2.如权利要求1所述的发射端装置，还包括天线调整电路，用于调整所述多个天线单元之间沿垂直方向的间距。
3.如权利要求1所述的发射端装置，其中，所述间距是根据非线性函数确定的。
4.如权利要求3所述的发射端装置，其中，所述非线性函数是幂函数f(n)＝D(n-1)α/(N-1)α-1，其中n是天线单元的序号，f(n)是所述至少一部分天线单元中的第n个天线单元与第1个天线单元的距离，D是常数，N是所述至少一部分天线单元的总数，α是指数因子并且大于0。
5.如权利要求1所述的发射端装置，其中，所述间距基于天线单元的数量而确定。
6.如权利要求1所述的发射端装置，其中，所述间距基于工作参数而动态变化，所述工作参数包括天线单元的数量、所述发射端装置的覆盖范围、所述发射端装置服务用户数量、信道状态以及用户分布有关的参数中至少之一。
7.如权利要求1所述的发射端装置，其中，所述间距是基于到达角而确定的，所述到达角是从接收端装置接收的信号与天线平面的法线的角度。
8.如权利要求4所述的发射端装置，其中，所述指数因子小于2.4。
9.如权利要求1所述的发射端装置，其中，所述相邻天线单元之间的间距在第一方向上逐渐增加包括以下情况至少之一：
所述相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加；以及
所述相邻天线单元之间的间距在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。
10.如权利要求1所述的发射端装置，还包括处理电路，所述处理电路基于所述间距生成预编码矩阵以用于对待发送的数据进行预编码。
11.如权利要求1所述的发射端装置，还包括沿水平方向均匀分布的多个天线单元。
12.如权利要求3所述的发射端装置，其中，所述非线性函数是指数函数、正切函数中至少之一。
13.一种接收端装置，其特征在于包括：
处理电路，被配置为：
获取来自发射端装置的参考信号；
基于所述参考信号进行信道估计；以及
基于信道估计的结果以及与发射端装置相关联的多个天线单元的非均匀分布的信息，确定信道状态信息以用于向发射端装置反馈，
其中，在与发射端装置相关联的所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，在垂直方向上，相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加，或者在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。
14.如权利要求13所述的接收端装置，其中，所述处理电路还被配置为：基于从发射端装置获取的所述非均匀分布的信息，确定与所述非均匀分布对应的码本。
15.如权利要求13所述的接收端装置，其中，所述处理电路还被配置为：响应于从发射端装置获取更新的非均匀分布的信息，确定更新的信道状态信息以用于向发射端装置反馈。
16.如权利要求14所述的接收端装置，其中，所述确定信道状态信息包括：
确定所述码本中与所述信道估计的结果匹配的码字；以及
根据所述匹配的码字确定指示信道方向的信息。
17.如权利要求16所述的接收端装置，其中，所述确定所述码本中与所述信道估计的结果匹配的码字包括：
将表示所述信道估计的结果的信道导向向量与码本中的每个码字进行相关运算；以及
选择相关度最大的码字作为匹配的码字。
18.如权利要求14所述的接收端装置，其中，所述码本中的每个码字对应于不同的到达角，所述到达角是发射端装置从所述接收端装置接收的信号与天线平面的法线的角度。
19.如权利要求18所述的接收端装置，其中，所述码字为非DFT形式的向量。
20.一种发射端装置，其特征在于包括：
处理电路，被配置为：
生成指示与发射端装置相关联的多个天线单元的非均匀分布状态的非均匀分布信息；
获取来自接收端装置的信道状态信息；以及
基于所述信道状态信息和所述非均匀分布信息确定信道状态，
其中，在与发射端装置相关联的所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，在垂直方向上，相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加，或者在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。
21.如权利要求20所述的发射端装置，其中，所述处理电路还被配置为：控制向接收端装置发送所述非均匀分布信息。
22.如权利要求20所述的发射端装置，其中，所述信道状态信息包括指示到达角的信息，所述到达角是从接收端装置接收的信号与天线平面的法线的角度。
23.如权利要求22所述的发射端装置，其中，所述指示到达角的信息是接收端对码本中码字的选择信息，并且其中，所述码本是基于非均匀分布信息确定的，所述码本中的每个码字对应于不同的到达角。
24.如权利要求22所述的发射端装置，其中，所述基于所述信道状态信息和所述非均匀分布信息确定信道状态包括：基于所述指示到达角的信息和所述非均匀分布信息确定信道的方向。
25.如权利要求24所述的发射端装置，其中，所述信道的方向由非DFT形式的信道导向向量指示。
26.如权利要求22所述的发射端装置，其中，所述处理电路还被配置为：
获取来自接收端装置的更新的到达角的信息；
基于所述更新的到达角的信息计算更新的非均匀分布信息；以及
将更新的非均匀分布信息发送给天线调整电路以调整所述多个天线单元的非均匀分布状态。
27.如权利要求26所述的发射端装置，其中，所述计算更新的非均匀分布信息包括：
生成所述多个天线单元的多种非均匀分布；
根据更新的指示到达角的信息，计算不同的非均匀分布下的优化目标的值；
选择最优化的非均匀分布；以及
获取所述最优化的非均匀分布所对应的非均匀分布信息作为更新的非均匀分布信息。
28.如权利要求27所述的发射端装置，其中，所述最优化的非均匀分布是使得以下各项中的至少一项最大化的非均匀分布：平均频谱效率、吞吐量、信噪比、最差频谱效率、最好频谱效率。
29.如权利要求20所述的发射端装置，其中，所述基于所述信道状态信息和所述非均匀分布信息确定信道状态包括：
基于所述信道状态信息估计表示信道方向的信道导向向量。
30.如权利要求20所述的发射端装置，其中，所述处理电路还被配置为：基于所确定的信道状态进行预编码。
31.一种用于无线通信的方法，其特征在于包括：
沿垂直方向布置多个天线单元，
其中，在所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，相邻天线单元之间的间距在第一方向上逐渐增加。
32.一种用于无线通信的方法，其特征在于包括：
获取来自发射端装置的参考信号；
基于所述参考信号进行信道估计；以及
基于信道估计的结果以及与发射端装置相关联的多个天线单元的非均匀分布的信息，确定信道状态信息以用于向发射端装置反馈，
其中，在与发射端装置相关联的所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，在垂直方向上，相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加，或者在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。
33.一种用于无线通信的方法，其特征在于包括：
生成指示与发射端装置相关联的多个天线单元的非均匀分布状态的非均匀分布信息；
获取来自接收端装置的信道状态信息；以及
基于所述信道状态信息和所述非均匀分布信息确定信道状态，
其中，在与发射端装置相关联的所述多个天线单元中的至少一部分天线单元中，在垂直方向上，相邻天线单元之间的间距在接近接收端装置或地面的方向上逐渐增加，或者在远离接收端装置或地面的方向上逐渐增加。
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