CN107078781B - 在无线接入系统中支持多秩的混合波束成形方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于支持多秩的混合波束成形方法、波束估计方法和用于支持该方法的装置。根据本发明的一种实施方式，用于在无线接入系统中支持多秩的混合波束成形性能方法可以包括以下步骤：由发送端检测具有大于或等于参考值的信道增益的至少两个模拟波束候选；对至少两个模拟波束候选的模拟波束系数进行预补偿，使得所述至少两个模拟波束候选当中的一个模拟波束包括至少两个数字波束；重新设置至少两个数字波束的数字PMI系数值以反映预补偿后的模拟波束系数；以及通过使用预补偿后的模拟波束系数和重新设置后的数字PMI系数值来发送多秩信号。此时，对模拟波束成形和数字波束成形进行组合，使得能够执行混合波束成形。

Description

在无线接入系统中支持多秩的混合波束成形方法及装置
技术领域
本发明涉及一种无线接入系统，且更具体地，涉及一种用于支持多秩(multi-rank)的混合波束成形方法、波束估计方法和用于支持该方法的设备。
背景技术
无线接入系统已被广泛地部署以提供诸如语音或数据的各种类型的通信服务。一般地，无线接入系统是其中通过共享可用的系统资源(带宽、传输功率等)来支持多个用户的通信的多址系统。例如，多址系统包括码分多址(CDMA)系统、频分多址(FDMA)系统、时分多址(TDMA)系统、正交频分多址(OFDMA)系统以及单载波频分多址(SC-FDMA)系统。
发明内容
技术问题
混合波束成形器基本上使用模拟波束成形和数字波束成形的组合来进行操作。此时，由于模拟波束和数字波束的发送区域被限制为特定区域，所以可能会限制多秩支持或多用户支持。
设计以用于解决该问题的本发明的目的在于使用粗略的基于模拟波束的估计信息来有效地获得用于多秩和多用户支持的最终波束成形系数的方法。
设计以用于解决该问题的本发明的另一目的在于解决在用于混合波束成形的模拟/数字波束估计时的复杂性的方法。
设计以用于解决该问题的本发明的另一目的在于用于支持这些方法的设备。
通过本发明所解决的技术问题不限于上述技术问题，并且根据下面的描述，未在本文中描述的其它技术问题将对本领域技术人员而言是显而易见的。
技术方案
本发明提供了一种用于支持多秩的混合波束成形方法、波束估计方法以及用于支持该方法的设备。
本发明的目的可以通过提供一种用于在无线接入系统中支持多秩的混合波束成形方法来实现，该方法包括以下步骤：发送端检测具有等于或大于参考值的信道增益的两个或更多个模拟波束候选；对所述两个或更多个模拟波束候选的模拟波束系数进行预补偿，使得所述两个或更多个模拟波束候选中的一个模拟波束候选包括两个或更多个数字波束；重新设置所述两个或更多个数字波束的数字PMI系数值以应用预补偿后的模拟波束系数；以及使用所述预补偿后的模拟波束系数和重新设置后的数字PMI系数值来发送多秩信号。此时，所述混合波束成形可以作为模拟波束成形和数字波束成形的组合来进行操作。
在本发明的另一方面，本文提供了一种执行用于在无线接入系统中支持多秩的混合波束成形的发送端，该发送端包括：发送器；接收器；以及处理器，该处理器被配置成控制所述发送器和所述接收器以执行所述混合波束成形。此时，所述处理器控制所述接收器以检测具有等于或大于参考值的信道增益的两个或更多个模拟波束候选；对所述两个或更多个模拟波束候选的模拟波束系数进行预补偿，使得所述两个或更多个模拟波束候选中的一个模拟波束候选包括两个或更多个数字波束；重新设置所述两个或更多个数字波束的数字PMI系数值以应用预补偿后的模拟波束系数；并且控制所述发送器以使用所述预补偿后的模拟波束系数和重新设置后的数字PMI系数值来发送多秩信号。所述混合波束成形可以作为模拟波束成形和数字波束成形的组合来进行操作。
所述处理器可以包括支持所述模拟波束成形的模拟波束成形器和支持所述数字波束成形的数字波束成形器。
所述数字波束成形可以是在数字级中使用基带(BB)处理被执行的，并且所述模拟波束成形可以是针对从经过所述数字波束成形的数字信号中生成的模拟信号被执行的。
要被发送的多秩信号的数量可以是根据所述两个或更多个数字波束的数量来确定的。
用于所述模拟波束成形的多个物理天线中的一些物理天线可以被关闭，从而降低功耗。
本发明的方面仅是本发明的优选实施方式的一部分，并且基于本发明的详细描述，本领域普通技术人员可以设计并理解基于本发明的技术特征的各种实施方式。
有益效果
从以上描述显而易见，本发明的实施方式具有以下效果。
混合波束成形器基本上使用模拟波束成形和数字波束成形的组合来进行操作。此时，由于模拟波束和数字波束的发送区域被限制为特定区域，所以难以支持多秩或多用户波束成形。因此，本发明的实施方式可以通过使用粗略的基于模拟波束的估计信息获得最终波束成形系数来有效地支持多秩或多用户波束成形。
本领域技术人员将理解的是，能够通过本发明的实施方式实现的效果不限于上述效果，并且将从本发明的实施方式的以上描述中获得并理解未在本文中描述的其它效果。即，本领域技术人员将理解的是，可以从本发明的实施方式中获得能够通过实施本发明而实现的非预期效果。
附图说明
附图被包括以提供对本发明的进一步理解，附图例示了本发明的实施方式并且与本描述一起用来解释本发明的原理。
图1是示出包括模拟波束成形器和射频(RF)链的发送器的框图。
图2是示出包括数字波束成形器和射频(RF)链的发送器的框图。
图3是示出包括混合波束成形器的发送端的框图。
图4是示出被配置在基本发送端中的混合波束成形器的结构的示例的示图。
图5是示出包括四个RF链的16-ULA天线结构的示图。
图6是示出波束束缚矢量(beam bound vector)和波束转向矢量(beam steeringvector)的波束图案的示例的示图。
图7是示出根据模拟波束偏移的最终天线阵列响应的示图。
图8是示出应用数字波束成形系数设计的天线阵列响应的示图。
图9是例示用于在发送端支持多秩的混合波束成形方法的示图。
图10是例示计算模拟波束与参考波束之间的增益差的方法的示图。
图11是例示重新配置模拟波束以支持多秩的方法的示图。
图12是例示重新配置在图10和图11中描述的模拟波束的示例的示图。
图13是示出包括模拟和数字波束成形器的发送器的框图。
图14是示出用于调整模拟波束束缚图案的波束宽度的天线开/关结构的示图。
图15是示出应用物理天线开/关方案的模拟波束束缚图案的示图。
图16是示出用于实施参照图1至图15描述的方法的设备的示图。
具体实施方式
下面详细描述的本发明的实施方式涉及用于支持多秩的混合波束成形方法、波束估计方法以及用于支持该方法的设备。
下面描述的本公开的实施方式是本公开的元件和特征以特定形式的组合。除非另有提及，否则元件或特征可以被认为是选择性的。各个元件或特征可以在不与其它元件或特征组合的情况下进行实践。而且，本公开的实施方式可以通过将部分元件和/或特征进行组合来构造。可以重新安排本公开的实施方式中所描述的操作顺序。任一实施方式的一些构造或元件可以被包括在另一实施方式中，并且可以用另一实施方式的相应构造或特征来替换。
在附图的描述中，将避免对本公开的已知过程或步骤的详细描述，以免其会使本公开的主题模糊不清。另外，也将不对本领域技术人员可以理解的过程或步骤进行描述。
遍及本说明书，除非另有说明，否则当特定部分“包含”或“包括”特定组件时，其表示不排除并且还可以包括其它组件。说明书中描述的术语“单元”、“-器/件”和“模块”表示用于处理至少一个功能或操作的单元，该单元可以通过硬件、软件或其组合来实现。另外，除非说明书中另有指出或除非上下文另有清楚地指出，否则在本发明的上下文中(更具体地，在所附权利要求书的上下文中)，术语“一”、“一个”、“该”等可以包括单数表示和复数表示。
在本公开的实施方式中，主要对基站(BS)和用户设备(UE)之间的数据发送和接收关系进行描述。BS是指网络的终端节点，其直接与UE通信。被描述为由BS执行的特定操作可以由BS的上层节点来执行。
即，显而易见的是，在由包括BS的多个网络节点组成的网络中，可以由BS或除了BS之外的网络节点来执行针对与UE的通信所执行的各种操作。术语“BS”可以用固定站、节点B、演进节点B(eNode B或eNB)、高级基站(ABS)、接入点等来替换。
在本公开的实施方式中，术语终端可以用UE、移动站(MS)、订户站(SS)、移动订户站(MSS)、移动终端、高级移动站(AMS)等来替换。
发送器是提供数据服务或语音服务的固定和/或移动节点，以及接收器是接收数据服务或语音服务的固定和/或移动节点。因此，在上行链路(UL)上，UE可以用作发送器，以及BS可以用作接收器。类似地，在下行链路(DL)上，UE可以用作接收器，以及BS可以用作发送器。
本公开的实施方式可以由针对包括以下系统在内的无线接入系统中的至少一种而公开的标准规范来支持：电气与电子工程师协会(IEEE)802.xx系统、第三代合作伙伴计划(3GPP)系统、3GPP长期演进(LTE)系统以及3GPP2系统。具体地，本公开的实施方式可以由标准规范3GPP TS 36.211、3GPP TS 36.212、3GPP TS 36.213、3GPP TS 36.321和3GPP TS36.331支持。即，在本公开的实施方式中未描述以便清楚地揭示本公开的技术构思的步骤或部件可以由上述标准规范来解释。本公开的实施方式中所使用的全部术语都可以由这些标准规范来说明。
现在将参照附图详细参考本公开的实施方式。下面将参照附图给出的详细描述旨在说明本公开的示例性实施方式，而不是示出能够根据本发明实施的仅有的实施方式。
下面的详细描述包括特定术语以提供对本公开的透彻理解。然而，对本领域技术人员而言，将显而易见的是，在不脱离本公开的技术构思和范围的情况下，可以用其它术语来替换这些特定术语。
以下，3GPP LTE/LTE-A系统是本发明的实施方式中所使用的无线接入系统的一个示例。
本公开的实施方式可以应用于诸如码分多址(CDMA)、频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、正交频分多址(OFDMA)、单载波频分多址(SC-FDMA)等的各种无线接入系统。
CDMA可以作为诸如通用陆地无线电接入(UTRA)或CDMA2000的无线电技术来实现。TDMA可以作为诸如全球移动通信系统(GSM)/通用分组无线电业务(GPRS)/GSM演进的增强型数据速率(EDGE)的无线电技术来实现。OFDMA可以作为诸如IEEE 802.11(Wi-Fi)、IEEE802.16(WiMAX)、IEEE 802.20、演进UTRA(E-UTRA)等的无线电技术来实现。
UTRA是通用移动电信系统(UMTS)的一部分。3GPP LTE是使用E-UTRA的演进UMTS(E-UMTS)的一部分，3GPP LTE针对DL采用OFDMA，并且针对UL采用SC-FDMA。LTE高级(LTE-A)是3GPP LTE的演进。虽然本公开的实施方式是在3GPP LTE/LTE-A系统的环境下进行描述的，以便阐明本公开的技术特征，但是本公开也可应用于IEEE 802.16e/m系统等。
1.混合波束成形
1.1模拟波束成形技术和数字波束成形技术
使用多个天线的现有波束成形技术可以根据应用波束成形权重矢量/预编码矢量的位置而被大致划分为模拟波束成形技术和数字波束成形技术。
图1是示出包括模拟波束成形器和射频(RF)链的发送器的框图。
首先，模拟波束成形方法是应用于最初的多天线结构的代表性波束成形方法，该方法将经过数字信号处理的模拟信号划分为多个路径，并且通过各个路径的移相器(PS)和功率放大器(PA)来执行波束成形。如图1所示，对于模拟波束成形，需要通过连接至各个天线的PA和PS来处理从单个数字信号中获得的模拟信号。即，在模拟级中，由PS和PA处理复合权重。这里，射频(RF)链表示用于将基带(BB)信号转换成模拟信号的处理块，并且其配置如图2所示。
在模拟波束成形方法中，根据PS和PA的器件特性来确定波束成形的精度。另外，由于这些器件的控制特性而致使模拟波束成形方法适合于窄带发送。相反，由于难以实现多流发送的硬件结构，所以用于增大传输速率的复用增益相对较低。另外，难以基于正交资源分配来执行按用户的波束成形。
图2是示出包括数字波束成形器和射频(RF)链的发送器的框图。
在数字波束成形中，不同于模拟波束成形，发送器使用BB处理而在数字级中执行波束成形，以便在多输入多输出(MIMO)环境中最大化分集和复用增益。例如，如图2所示，因为针对波束成形所得到的复合权重被直接应用于所发送的数据，所以在BB处理中执行预编码，使得波束成形变得可能(这里，RF链包括PA)。
另外，在数字波束成形方法中，由于可以对每个用户不同地执行波束成形，所以能够支持针对多个用户的同时波束成形。由于对分配有正交资源的每个用户独立地执行波束成形，所以调度灵活性很高，并且可以采用适合于系统用途的发送端。另外，如果在宽带传输环境中应用了MIMO正交频分复用(OFDM)技术，则能够形成针对每个子载波的独立波束。因此，数字波束成形方法可以基于增大的波束增益和系统容量增大来优化最大单用户传输速率。因此，在当前的3G/4G系统中，已引入了基于数字波束成形的MIMO技术。
接下来，将描述发送/接收天线的数量显著增加的大规模MIMO环境。
一般地，在蜂窝通信中，假设应用于MIMO环境的发送/接收天线的最大数量为8。然而，由于大规模MIMO已演进，所以天线的数量可以增加至几十个天线或几百个天线。如果在大规模MIMO环境中应用数字波束成形技术，则由于通过BB处理而对用于发送端的数字信号处理的几百个天线执行信号处理，所以信号处理复杂性明显增大。另外，由于需要数量上与天线的数量对应的RF链，所以硬件实现复杂性明显增大。
另外，由于在频分双工(FDD)系统中需要所有天线的独立信道估计以及需要包括所有天线的大规模MIMO信道的反馈信息，所以导频和反馈开销显著增大。相反，如果模拟波束成形技术被应用于大规模MIMO环境中，则发送端的硬件复杂性相对较低，但由于多个天线的使用而产生的性能增强并不显著，并且资源分配灵活性降低。特别地，难以在宽带发送时控制每个频率的波束。
因此，在大规模MIMO环境中，代替仅排他地选择模拟波束成形方法和数字波束成形方法中的一种方法，配置作为模拟波束成形结构和数字波束成形结构的组合的混合发送端的方法很有必要。即，如下面的表1所示，利用模拟波束成形方法和数字波束成形方法的性能增益和复杂性之间的关系，需要设计使用大规模天线阵列的能够降低其硬件实现复杂性并最大化波束成形增益的混合发送端。
[表1]
Figure GDA0001291035320000071
1.2混合波束成形
混合波束成形的目的在于配置在降低大规模MIMO环境中的硬件复杂性的同时具有模拟波束成形方法和数字波束成形方法的优点的发送端。
图3是示出包括混合波束成形器的发送端的框图。
如图3所示，混合波束成形方法可以被配置成使用模拟波束成形方法执行粗略波束成形以及使用数字波束成形方法执行多流或多用户发送。
因此，通过同时利用模拟波束成形方法和数字波束成形方法来获得混合波束成形方法，以降低发送端的实现复杂性或硬件复杂性。根本地，现在将描述混合波束成形方法的技术问题。
(1)模拟/数字波束成形设计的优化难度
同时考虑模拟波束成形和数字波束成形的优化具有以下难度。根本地，在数字波束成形中，使用相同时间-频率资源的波束成形方法可独立地应用于每个用户，但在模拟波束成形中，应使用相同的时间-频率资源来应用共同的波束成形方法。因此，这限制了对可支持的秩的数量、波束控制灵活性和波束成形分辨率的优化。
例如，存在诸如以下的问题：1)根据RF链的数量的最大秩限制，2)通过RF波束成形器进行子带波束控制的困难，以及3)波束分辨率/粒度分割(granularity segmentation)问题。
(2)具体实现共同的信号发送方法的必要性
在使用相同时间-频率资源的用于仅在特定方向上形成波束的模拟波束成形方法中，不可能在所有UE方向上同时形成多个波束。因此，诸如上行链路/下行链路控制信道、参考信号(RS)、广播信道、同步信号等的公共信号不能被同时发送给在小区的整个区域中分布的所有UE。另外，在上行链路RACH信道、探测参考信号、物理上行链路控制信道(PUCCH)等的发送中可能会出现问题。
(3)针对用于模拟/数字波束成形的附加导频和反馈设计的必要性
如果执行了模拟/数字波束估计，则数字波束可以使用没有改变的现有正交导频分配方案，但模拟波束需要与波束候选的数量对应的预定持续时间。这表示当与数字波束同时地对模拟波束进行估计时，用于模拟波束估计的时间延迟较大并且复杂性显著增加。
例如，由于用于模拟波束估计的时间延迟的增大而可能会导致系统损失，以及由于模拟波束和数字波束的组合的增加而可能会增加波束估计复杂性。
(4)支持基于模拟波束的SDMA和FDMA的困难
在数字波束成形方法中，自由执行针对多用户/流的波束成形。然而，在模拟波束成形方法中，由于针对整个发送频带执行相同的波束成形，所以难以独立地执行针对每个用户或每个流的波束成形。具体地，由于难以经由正交频率资源分配支持FDMA，所以难以优化频率资源效率。
例如，由于难以同时在频域中针对每个用户进行独立波束成形，致使可能难以支持用于支持多接入的正交频分多址(OFDMA)，并且由于难以以相同的频率-时间针对每个流进行独立波束成形，致使可能难以支持用于支持多个流的单用户MIMO(SU-MIMO)。另外，由于难以以相同的频率-时间针对每个用户进行独立波束成形，致使可能难以支持用于支持多个用户的多用户MIMO(MU-MIMO)。
为了解决这些技术问题，本发明的实施方式提供了用于解决针对混合波束成形的模拟/数字波束估计复杂性的方法。
1.3混合波束成形系统模型
图4是示出被配置在基本发送端中的混合波束成形器的结构的示例的示图。
如图4所示，可以假设每个RF链仅包括
Figure GDA0001291035320000091
个独立天线的发送端结构。因此，天线总数量与每个RF链的天线数量之间的关系为
Figure GDA0001291035320000092
最后，由于通过每个RF链的移相器(PS)和功率放大器(PA)的信号被独立地发送至发送天线，因此可以得到以下式1中所示的矩阵型系统模型。
[式1]
Figure GDA0001291035320000093
在式1中，yk表示在第k个子载波处接收的信号矢量Nr×1，Hk表示第k个子载波的Nr×Nt信道，FRF表示被均等地配置在所有子载波中的Nt×NtRF预编码器，以及
Figure GDA0001291035320000094
表示第k个子载波处的NRF×NS基带预编码器，其可根据子载波而改变。另外，sk表示在第k个子载波处发送的信号矢量NS×1，以及zk表示第k个子载波处的噪声信号矢量Nr×1。
此时，k表示子载波索引(k＝0,1,2,...,NFFT-1)，NFFT表示作为快速傅里叶变换(TTF)大小的子载波的总数量，以及NRF表示RF链的总数量。
另外，Nt表示发送端的天线的总数量，
Figure GDA0001291035320000095
表示每个RF链所包括的发送天线的数量，Nr表示接收端的天线的总数量，以及Ns表示所发送的数据的流的数量。
此时，可以通过关于子载波k求解式1来获得下面的式2。
[式2]
Figure GDA0001291035320000101
在式2中，通过在RF链之后用于改变波束的相位的移相器和PA获得的模拟波束成形等效预编码矩阵FRF(Nt×NRF矩阵)可以如下面的式3所示来定义。
[式3]
Figure GDA0001291035320000102
另外，RF预编码矩阵FRF的每个RF链的预编码权重可以如下面的式4所示来进行定义。
[式4]
Figure GDA0001291035320000103
1.4用于均匀线性阵列(ULA)天线的混合波束成形器(BF)的波束辐射图案
图5是示出包括四个RF链的16-ULA天线结构的示图。
ULA天线的阵列响应矢量可以如下面的式5所示来进行定义。
[式5]
Figure GDA0001291035320000104
其中，λ表示波长，以及d表示天线之间的距离。为了指示混合波束成形器的天线辐射图案，方便起见，假设RF链的数量为4，并且每个RF链的模拟天线的数量为4。这种波束成形器如图5所示。此时，发送天线的总数量为16，并且天线之间的距离为d＝λ/2。
此时，模拟终端的PS和PA可以用相等的波束成形权重来表示，并且可以如下面的式6所示来进行定义。
[式6]
Figure GDA0001291035320000111
此时，在数字波束成形级中所应用的任意的秩-1权重矢量可以如下面的式7所示来进行定义。
[式7]
FBB＝v1＝[v1 v2 v3 v4]T
式6中的模拟波束成形和式7中的数字波束成形所应用的天线阵列响应矢量可以用下面的式8来表达。此时，假设天线之间的距离为d＝λ/2。各个天线阵列响应矢量可以用所有矢量元素的总和来表达。
[式8]
Figure GDA0001291035320000112
此时，模拟波束成形权重可以如下面的式9所示进行设置。这是一种通常被应用以便通过模拟波束成形设置瞄准线(boresight)的模拟波束成形权重设置方法。
[式9]
Figure GDA0001291035320000113
Figure GDA0001291035320000114
Figure GDA0001291035320000115
Figure GDA0001291035320000121
如果用式9来简化式8，则可以获得下面的式10。
[式10]
∑a(θ)＝(1+exp(jπ[sin(θ)-sin(φ)])+exp(jπ2[sin(θ)-sin(φ)])+exp(jπ3[sin(θ)-sin(φ)]))×
(v1+exp(jπ4[sin(θ)-sin(φ)])·v2+exp(jπ8[sin(θ)-sin(φ)])·v3+exp(jπ12[sin(θ)-sin(φ)])·v4)
下面的式11通过对式10进行泛化来获得。
[式11]
Figure GDA0001291035320000122
其中，φ表示用于确定模拟波束成形的度数。例如，如果设置φ＝30°或π/6，则设置在θ＝30°或π/6处具有最大波束增益的波束成形方向。
另外，波束束缚矢量s确定整个有效范围，并且数字波束成形范围被限制于相应区域。图6是示出波束束缚矢量和波束转向矢量的波束图案的示例的示图。图7是示出根据模拟波束偏移的最终天线阵列响应的示图。
参照图6，波束束缚矢量s用点线来表示，并且波束增益和波束转向矢量t用实线来表示。最后，应用所有矢量v1＝[v1 v2 v3 v4]T以确定数字波束成形的累积的波束图案结果如图7所示。即，可以看出有效波束范围被限制于波束束缚矢量s。
1.5考虑模拟波束系数的数字波束系数设置方法
如上所述，混合波束成形的波束图案用如式11所示的RF链的总数量NRF和每个RF链的模拟天线数量Nt RF来表示。这里，数字波束成形系数的权重矢量具有1×NRF的长度。这里，最终波束方向为模拟波束权重和数字波束权重的组合。现在将描述在应用数字波束成形而没有对模拟波束成形进行预补偿时可能会发生的问题。另外，以下为便于描述，将基于式10
Figure GDA0001291035320000123
给出描述。此时，式10中的数字波束成形权重v＝[v1 v2 v3 v4]T可以如下面的式12所示来进行设计。
[式12]
Figure GDA0001291035320000131
下面的式13可以通过将式12进行泛化来获得。
[式13]
Figure GDA0001291035320000132
在式12和13中，考虑数字波束成形角度ψ的最终阵列响应矢量可以如下面的式14所示来进行定义。
[式14]
∑a(θ)＝(1+exp(jπ[sin(θ)-sin(φ)])+exp(jπ2[sin(θ)-sin(φ)])+exp(jπ3[sin(θ)-sin(φ)]))×
{(1+exp(jπ4[sin(θ)-sin(φ)-sin(ψ)])+exp(jπ8[sin(θ)-sin(φ)-sin(ψ)])+exp(jπ12[sin(θ)-sin(φ)-sin(ψ)]))}
在式14中，括号之间的[sin(θ)-sin(φ)-sin(ψ)]确定最终波束成形角度。即，通过调整经由模拟波束成形的sin(φ)并且控制经由数字波束成形的sin(ψ)，最终调整了具有最大波束增益的sin(θ)。此时，如果瞄准线通过模拟波束成形被设置为φ＝30°并且通过数字波束成形设置ψ＝5°以用于微调，则式14最终被改变为式15。
[式15]
∑a(θ)＝(1+exp(jπ[sin(θ)-sin(30°)])+exp(jπ2[sin(θ)-sin(30°)])+exp(jπ3[sin(θ)-sin(30°)]))×
(1+exp(jπ4[sin(θ)-sin(30°)-sin(5°)])+exp(jπ8[sin(θ)-sin(30°)-sin(5°)])+exp(jπ12[sin(θ)-sin(30°)-sin(5°)]))
因此，具有最大波束增益的角度为满足sin(θ)-sin(30°)-sin(5°)＝0的θ。即，在波束成形中，假设波束最终可以被偏移35°，其中通过模拟波束成形将波束偏移30°以及通过数字波束成形将波束偏移5°。然而，满足sin(θ)-sin(30°)-sin(5°)＝0的θ不是精确的35°。即，近似满足θ≈φ+ψ的关系。然而，在这种情况下，随着通过模拟/数字波束成形的波束控制范围增大，由于满足sin(θ)＝sin(φ)+sin(ψ)的波束成形设置角度具有θ≠φ+ψ的关系，所以上述假设不再有效。
因此，本发明提供了通过在执行数字波束成形时执行针对模拟波束成形的预补偿来精确地执行波束控制的方法。即，数字波束成形系数可以基于下面的式16来设置。
[式16]
Figure GDA0001291035320000141
Figure GDA0001291035320000146
阿达马乘积
在式16中，
Figure GDA0001291035320000142
用于对模拟波束进行预补偿，以及
Figure GDA0001291035320000143
与最终数字波束对应。
现在将描述设置数字波束的最终方向的方法。例如，在
Figure GDA0001291035320000144
NRF＝4的环境下，为了通过模拟波束成形将所有的波束旋转φ＝30°并且进一步通过数字波束成形将波束旋转ψ＝5°以将最终波束方向设置为35°，可以如下面的式17所示来限定设计数字波束成形系数的方法。
[式17]
Figure GDA0001291035320000145
通过将式16中的数字系数应用于式10而获得的最终天线阵列响应矢量可以如下面的式18所示来进行定义。
[式18]
Figure GDA0001291035320000151
在式18中，在φ＝30°的情况下，如果通过应用ψ＝+5°来将最终波束成形旋转角度设置为35°，则获得式19。
[式19]
∑a(θ)＝(1+exp(jπ[sin(θ)-sin(30°)])+exp(jπ2[sin(θ)-sin(30°)])+exp(jπ3[sin(θ)-sin(30°)]))×
(1+exp(jπ4[sin(θ)-sin(35°)])+exp(jπ8[sin(θ)-sin(35°)])+exp(jπ12[sin(θ)-sin(35°)]))
如果针对ψ＝±5°,±10°,±15°执行数字波束成形，则获得图8中所示的最终天线阵列响应矢量的波束形状。图8是示出应用了数字波束成形系数设计的天线阵列响应的示图。
参照图8所示的结果，通过这种数字波束成形系数设计方法，可以进行混合波束成形器的精确波束控制。
2.用于支持多秩的混合波束成形方法
以下，将描述考虑混合波束成形的波束图案特性的多秩支持方法。在参照图8描述的混合波束成形的波束形状中，可以看出应用了数字波束的最终尖锐波束被束缚在模拟波束区域中。
2.1第一实施方式
图9是例示用于在发送端支持多秩的混合波束成形方法的示图。
发送端搜索粗略的模拟波束，并且检测具有等于或大于特定参考值的信道增益的多个波束候选(S910)。
发送端对模拟波束系数进行预补偿，使得一个模拟波束(或模拟波束的发送区域)包括多个数字波束(或多个数字波束的发送区域)(S920)。
接下来，可以针对两个或更多个数字波束重新设置现有的预编码矩阵索引(PMI)系数值，以应用预补偿的模拟波束系数(S930)。
以下，发送端可以使用预补偿的模拟波束系数和重新设置的数字PMI系数通过混合波束成形方法来发送多秩信号。
以下，将详细描述针对图9所描述的步骤。
图10是例示计算模拟波束与参考波束之间的增益差的方法的示图。图11是例示重新配置模拟波束以支持多秩的方法的示图。
在图10和图11中，粗圆表示用于检测模拟波束的特定参考值。即，在粗圆外部的模拟波束可以被选择为候选波束。
如图10所示，发送端从在步骤S910中检测到的粗略波束当中选择优选的模拟和数字波束系数。此时，如果各个模拟波束的接收强度或波束增益差相似，则可以看出存在具有相似波束增益的多个秩。
如果在如图10所示的各个粗略波束中检测到具有大于阈值的值的路径，则发送端将模拟波束的瞄准线改变为图11所示的方向。因此，这种方法预测能够仅辐射一个粗略波束的模拟波束并将多个秩定位在相应范围内。另外，可以被发送的多秩信号的数量可以根据包括在一个模拟波束中的两个或更多个数字波束的数量来确定。
此时，因为用于混合波束成形的波束成形系数是模拟波束系数和数字波束系数的组合，所以如果在先前步骤中获得的数字波束系数或PMI与校正后的模拟波束同时被使用，则可能会改变波束方向。
因此，发送端可以使用在第1.5章节中描述的设计数字波束系数的方法来维持数字波束的现有PMI值，并且仅更新模拟波束系数，从而准确地辐射最终尖锐波束，而无需附加的波束估计过程。
图12是例示重新配置在图10和图11中描述的模拟波束的示例的示图。此时，图12的(a)示出了具有φ＝60°的第一模拟波束、ψ＝-5°的第一数字波束、φ＝30°的第二模拟波束以及ψ＝10°的第二数字波束的多个波束的形状，以及图12的(b)示出了考虑通过控制而校正的模拟波束图案的最终数字波束的形状。
参照图12的(a)，第一数字波束被包括在第一模拟波束中，以及第二数字波束被包括在第二模拟波束中。此时，可以对第一模拟波束或第二模拟波束进行预补偿，使得两个数字波束被包括在一个模拟波束中。
例如，如果通过数字PMI估计的最终尖锐波束的方向被设置为具有φ＝60°的模拟波束、具有ψ＝-5°的数字波束且φ+ψ＝55°，则尖锐波束的数字PMI#1可以如下面的式20所示来进行定义。
[式20]
Figure GDA0001291035320000171
另外，如果最终尖锐波束的方向被设置为具有φ＝30°的模拟波束、具有ψ＝10°的数字波束且φ+ψ＝40°，则尖锐波束的数字PMI#2可以如下面的式21所示来进行定义。
[式21]
Figure GDA0001291035320000172
此时，如果粗略模拟波束的角度被重新设置为φ＝45°，则可以通过使用式17再次设计数字波束系数来获得下面的式22。
[式22]
Figure GDA0001291035320000173
对于考虑通过式22重新校正的模拟波束图案的最终数字波束的形状，参照图12。
即，可以看出，在单个模拟波束内合适的多秩支持是可行的。另外，可以使用粗略模拟波束扫描处理，而无需改变，并且代替如示例所示的波束增益差，可以使用一般的波束CQI信息或波束接收功率差信息，从而获得相同的效果。
2.2第二实施方式
以下，将描述在发送多个波束时考虑了多个波束的角度而在发送端直接改变预定的模拟波束瞄准线的方法。
在本发明的实施方式中，如在第2.1章节中所述，在粗略模拟波束的边界处形成多个路径。此时，可以考虑形成多个路径的多个波束与模拟波束束缚图案的波束宽度之间的角度差来选择目标。
例如，如果连接了用于发送端的四个RF链并且针对每个RF链连接了四个模拟天线，则发送端的天线具有图5中所示的ULA结构。此时，每个RF链的阵列响应矢量可以如式23中所示来进行定义。
[式23]
Figure GDA0001291035320000181
因此，如果对模拟波束束缚图案进行分析，则发送端可以基于固定的模拟波束瞄准线来近似获得波束边界。如果给出了用于确定模拟波束的瞄准线的模拟波束系数FRF，则能够预测模拟波束束缚图案的有效范围。模拟波束束缚图案的有效范围可以如下面的式24所示来进行限定。即，由于UE知道天线波长λ，天线之间的距离d以及每个RF链的天线的数量
Figure GDA0001291035320000182
因此能够调整设计参数α以确定数字PMI的操作范围。
[式24]
Figure GDA0001291035320000183
例如，如果设置α＝0.886，则模拟波束束缚图案具有3dB的波束宽度。在式24中，N表示天线的数量，以及d表示天线之间的距离。
[式25]
Figure GDA0001291035320000191
Figure GDA0001291035320000192
Figure GDA0001291035320000193
这里，由于每个RF链的天线的数量为4，所以3-dB波束宽度Δθ3dB可以由下面的式26来确定。
[式26]
Figure GDA0001291035320000194
例如，如果形成多秩的波束之间的相位角度差在Δθ3dB＝33.8°内，则可以在一个模拟波束的范围内形成多个尖锐模拟波束。因此，模拟波束的瞄准线被设置为波束的中间区域，从而通过混合波束成形来支持一个模拟波束中的多秩。
在现有技术中，发送端在模拟波束改变时应再次执行数字波束搜索。然而，在本发明的实施方式中，因为对模拟波束进行了预补偿并且不改变地使用数字波束系数，所以发送端不需要在模拟波束改变时再次执行数字波束搜索。此时，UE可以使用预补偿后的部分将瞄准线调整至路径的角度的中间值。
2.3第三实施方式
发送端可以在发送多个波束时考虑多个波束的角度范围来改变模拟波束宽度。
在本发明的实施方式中，形成波束，使得多秩的估计方向在模拟波束的边界之外。在混合波束成形中，由于应在单个模拟波束中形成多个数字波束，因此可以增大波束宽度以支持多秩。
在ULA结构中，随着连接至单个RF链的物理天线的数量增大，模拟波束束缚图案的波束宽度降低。此时，开启/关闭连接至RF链的物理天线，或者直接应用用于产生宽波束的模拟波束系数，使得发送端增大模拟波束的束缚宽度。
2.3.1减少用于实际发送的有效物理天线的数量以改变模拟波束的边界的方法
在本发明的实施方式中，可以关闭模拟波束的物理天线以调整模拟波束束缚图案的波束宽度。
图13是示出包括模拟和数字波束成形器的发送器的框图。图14是示出用于调整模拟波束束缚图案的波束宽度的天线开/关结构的示图。
在图13中的具有ULA结构的混合波束成形器的情况下，RF链的总数量为4以及每个RF链的物理天线的数量为4。此时，为了增大模拟波束束缚图案的波束宽度，发送端关闭每个RF链的两个物理天线。此时，由于可以改变所有功率放大器，以免导致发送功率损失，因此功率放大器可以被包括在如图14所示的RF链中。即，不管RF链的物理天线的开/关，图14中的结构都可以维持相同的发送功率。
图15是示出应用了物理天线开/关方案的模拟波束束缚图案的示图。
图15示出了当在实际的16-ULA物理天线(4个RF链和每个RF链4个物理天线)中仅使用每个RF链的两个物理天线发送信号时的波束图案(波束图案模拟结果)。因此，可以看出每个RF链使用两个物理天线的情况的模拟波束束缚图案(宽波束区域)宽于每个RF链使用四个物理天线的情况的模拟波束束缚图案(窄波束区域)。然而，如果每个RF链使用两个天线，则可能会严重地产生尖锐波束的旁瓣，从而导致干扰，由此恶化性能。
2.3.2直接应用用于形成宽波束的模拟波束系数以改变模拟波束边界的方法
在本发明的实施方式中，代替通过线性波束偏移/波束控制的波束成形，执行新的无规则模拟波束成形。例如，发送端通过调整模拟波束系数而不产生椭圆波束，但可以设置模拟波束系数以具有特定波束，使得所有波束在两个方向或三个方向上被进行辐射。
另选地，可以改变发送端的天线结构以实现相同的目的。
如果使用物理天线，则模拟波束束缚图案可以变宽。然而，如果每个RF链使用两个天线，则可能会严重产生尖锐波束的旁瓣，因此导致干扰，从而恶化性能。
在混合波束成形结构方面描述了本发明的实施方式。然而，本发明的实施方式可应用于用数字波束成形级替换图5中所示的模拟波束成形级的情况。即，本发明的实施方式可应用于通过天线子分组而具有分级结构的数字波束成形结构。
另外，尽管在eNB作为发送端向UE发送信号的下行链路场景下描述了本发明的实施方式，但本发明的实施方式可应用于UE作为发送端向eNB发送信号的上行链路场景。
本发明的实施方式可应用于发送端和接收器的任意组合。例如，本发明的实施方式可应用于上行链路发送场景、UE到UE信号发送(D2D、V2V等)场景或eNB到eNB信号发送(中继、无线回程等)场景。
3.设备
图16中所例示的设备是能够实现之前参照图1至图15描述的方法的装置。
UE可以用作UL上的发送端和DL上的接收端。eNB可以用作UL上的接收端和DL上的发送端。
即，UE和eNB中的每一个可以包括用于控制信息、数据和/或消息的发送和接收的发送器1640或1650和接收器1660或1670以及用于发送和接收信息、数据和/或消息的天线1600或1610。
UE和eNB中的每一个还可以包括用于实施本公开的前述实施方式的处理器1620或1630以及用于暂时或永久地存储处理器1620或1630的操作的存储器1680或1690。
可以使用UE和eNB的组件和功能来实现本发明的实施方式。另外，UE和eNB中的各个处理器可以包括支持模拟波束成形的模拟波束成形器和支持数字波束成形的数字波束成形器。因此，UE或eNB的处理器可以将在第1章节至第2章节中描述的方法进行组合以应用用于支持多秩的混合波束成形方法。对于其详细描述，参照第1章节和第2章节。
UE和eNB的发送器和接收器可以执行用于数据传输的分组调制/解调功能、高速分组信道编码功能、OFDMA分组调度、TDD分组调度和/或信道化。图16的UE和eNB中的每一个还可以包括低功率射频(RF)/中频(IF)模块。
另外，UE可以是个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、个人通信服务(PCS)电话、全球移动系统(GSM)电话、宽带码分多址(WCDMA)电话、移动宽带系统(MBS)电话、手持PC、膝上型PC、智能电话、多模式-多频带(MM-MB)终端等中的任一个。
智能电话是具有移动电话和PDA二者的优点的终端。其将PDA的功能(即，诸如传真发送和接收以及互联网连接的调度和数据通信)合并到移动电话中。MB-MM终端是指具有构建在其中的多调制解调器芯片以及能够在移动互联网系统和其它移动通信系统(例如，CDMA 2000、WCDMA等)中的任一个中进行操作的终端。
本公开的实施方式可以通过各种手段(例如，硬件、固件、软件或其组合)来实现。
在硬件配置中，根据本公开的示例性实施方式的方法可以通过一个或更多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器等来实现。
在固件或软件配置中，根据本公开的实施方式的方法可以以执行上述功能或操作的模块、过程、功能等的形式来实现。软件代码可以被存储在存储器1680或1690中，并且由处理器1620或1630执行。存储器位于处理器的内部或外部，并且可以经由各种已知手段向处理器发送数据和从处理器接收数据。
本领域技术人员将理解的是，在不脱离本公开的精神和基本特性的情况下，本公开可以按本文所阐述的方式以外的其它特定方式来实施。因此，上述实施方式应在所有方面都被解释为是例示性的，而非限制性的。本发明的范围应由所附权利要求书及它们的法律等同物而非以上描述来确定，并且在所附权利要求书的含义和等同范围内的所有改变旨在被包含在内。对于本领域技术人员而言，显而易见的是，所附权利要求书中彼此没有明确引用关系的权利要求可以以组合为本公开的实施方式的形式来提出，或者可以在提交申请之后通过后续修改作为新的权利要求而被包括。
工业实用性
本公开可应用于包括3GPP系统、3GPP2系统和/或IEEE 802.xx系统的各种无线接入系统。除了这些无线接入系统之外，本公开的实施方式还可应用于无线接入系统找到其应用的所有技术领域。

Claims (9)

1.一种用于在无线接入系统中支持多秩的混合波束成形方法，该方法包括以下步骤：
由发送端检测具有等于或大于参考值的信道增益的两个或更多个模拟波束候选；
从所述两个或更多个模拟波束候选中选择优选的模拟波束系数和数字波束系数，其中，两个或更多个最终数字波束被配置为所述模拟波束系数和所述数字波束系数的组合；
对所述模拟波束系数进行预补偿，使得预补偿后的模拟波束的发送区域包括所述两个或更多个最终数字波束；
重新设置所述数字波束系数，使得当应用所述预补偿后的模拟波束系数时，所述两个或更多个最终数字波束得到维持；以及
使用所述预补偿后的模拟波束系数和所述重新设置后的数字波束系数来发送多秩信号，
其中，所述混合波束成形使用模拟波束成形和数字波束成形的组合来进行操作。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述数字波束成形是在数字级中使用基带BB处理被执行的，并且
其中，所述模拟波束成形是针对从经过所述数字波束成形的数字信号中生成的模拟信号被执行的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，要被发送的多秩信号的数量是根据所述两个或更多个最终数字波束的数量来确定的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，用于所述模拟波束成形的多个物理天线中的一些物理天线被关闭。
5.一种执行用于在无线接入系统中支持多秩的混合波束成形的发送端，该发送端包括：
发送器；
接收器；以及
处理器，该处理器被配置成控制所述发送器和所述接收器以执行所述混合波束成形，
其中，所述处理器：
控制所述发送器和所述接收器以检测具有等于或大于参考值的信道增益的两个或更多个模拟波束候选；
从所述两个或更多个模拟波束候选中选择优选的模拟波束系数和数字波束系数，其中，两个或更多个最终数字波束被配置为所述模拟波束系数和所述数字波束系数的组合；
对所述模拟波束系数进行预补偿，使得预补偿后的模拟波束的发送区域包括所述两个或更多个最终数字波束；
重新设置所述数字波束系数，使得当应用所述预补偿后的模拟波束系数时，所述两个或更多个最终数字波束得到维持；并且
控制所述发送器以使用所述预补偿后的模拟波束系数和所述重新设置后的数字波束系数来发送多秩信号，
其中，所述混合波束成形使用模拟波束成形和数字波束成形的组合来进行操作。
6.根据权利要求5所述的发送端，其中，所述处理器包括支持所述模拟波束成形的模拟波束成形器和支持所述数字波束成形的数字波束成形器。
7.根据权利要求5所述的发送端，
其中，所述数字波束成形是在数字级中使用基带BB处理被执行的，并且
其中，所述模拟波束成形是针对从经过所述数字波束成形的数字信号中生成的模拟信号被执行的。
8.根据权利要求5所述的发送端，其中，要被发送的多秩信号的数量是根据所述两个或更多个最终数字波束的数量来确定的。
9.根据权利要求5所述的发送端，其中，所述处理器将用于所述模拟波束成形的多个物理天线中的一些物理天线关闭。
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