CN111108696B - 使用相控阵列天线系统来与多个通信装置进行通信的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于使用包括天线元件阵列的相控阵列天线系统来与多个通信装置即多个UE进行通信的方法，所述方法包括：接收多个端口信号流，其中，所述多个端口信号流是通过对多个数据流进行预编码而获得的，所述多个数据流中的各数据流旨在用于相应的不同UE；以及在所述相控阵列天线系统内，处理所述多个端口信号流以(1)撤销对所述多个数据流进行的预编码、以及(2)经由所述天线元件阵列来生成多个发送波束，其中，各发送波束指向所述多个UE中的相应的不同UE、并且携载从所述多个数据流中的旨在用于所述UE的数据流专门导出的相应发送信号。

Description

使用相控阵列天线系统来与多个通信装置进行通信的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年9月15日提交的美国临时申请62/558,971的权益，其全部通过引用而并入于此。

技术领域

这里描述的实施例涉及无线通信系统，更特别地涉及使用现有的基于码本的反馈设计在有源天线系统(AAS)中实现到多个用户设备(UE)终端的数据流的空间复用/多用户-多输入多输出(MU-MIMO)。

背景技术

通信系统包括用于将信号从诸如基站(BS)等的发送点传送至用户设备(UE)的下行链路、以及用于将信号从UE传送至BS的上行链路。

在蜂窝无线通信中使用有源天线阵列或有源天线系统(AAS)的情况下，AAS可以通过调整其多个天线元件处的发送信号和接收信号的幅度和相移来对下行链路中的射频(RF)能量以及上行链路中的接收灵敏度进行成形或聚焦。在蜂窝系统中，下行链路是指AAS的发送(TX)操作，并且上行链路是指接收(RX)操作。

用于UE反馈的现有码本设计不适合利用能够产生窄带的有源天线系统的操作。另外，这种码本的设计考虑到了点到点MIMO(也称为单用户MIMO(SU-MIMO))，但对于在同一时间向多个UE进行发送(称为多用户MIMO)的可能性具有非常有限的支持。这里描述的概念的一个目的是使用现有码本设计来实现利用有源天线系统向UE进行MU-MIMO发送。

发明内容

本发明提供了用于对信号进行预编码/组合以供在高级通信系统中使用的方法和设备。根据这里描述的各种实施例，规避了宽波束无源天线系统中的基于码本的MU-MIMO性能的问题。这里描述的概念可以灵活地应用于基带单元(BBU)或有源天线系统远程无线电头(AAS RRH)，这取决于系统工程师的实现便利性。

在第一实施例中，方法包括由基站经由天线阵列同时向多个UE发送多个信号。方法还包括在发送之前对该多个信号应用预编码。预编码器是通过对信号进行适当的线性组合来设计的。方法将天线端口预编码到波束(TXRU)上，以利用有源天线系统实现基于码本的MU-MIMO操作。AAS RRH可以以软件可再配置的方式生成指向不同空间方向的正交波束，并且在这里描述的实施例中利用了这种能力。由于波束足够窄并且指向相互正交的方向，因此可以在空间上对多个用户进行复用，在各波束内使用现有的且广泛部署的基于码本的闭环发送模式(诸如LTE中的发送模式4和5等)以最小的干扰而用于一个用户。用于“端口到波束”预编码的方法保证各波束中的各UE恒定地向BBU反馈相同的PMI。另外，用于“端口到波束”预编码的方法抵消或撤销BBU作为对UE所反馈的恒定PMI的响应而选择的“层到端口”预编码器的作用，并且沿着不同波束分将旨在用于不同UE的数据层离开，各波束中存在一个层。

在第二实施例中，提供了用于灵活实现端口到波束预编码的设备。包含对来自天线端口的调制符号的线性组合的矩阵运算可被实现为RRH内部的单独数字模块，或者可以通过设置发送波束系数以反映这种线性组合而等效地在模拟域中实现。

本发明的第三实施例涉及用于将天线端口信号的任意复杂线性组合映射到有源天线阵列系统的给定空间方向的设备。

一般来说，在一方面，本发明的特征在于一种用于使用包括天线元件阵列的相控阵列天线系统来与多个通信装置(UE)进行通信的方法。方法包含：接收多个端口信号流，其中，多个端口信号流是通过对多个数据流进行预编码而获得的，多个数据流中的各数据流旨在用于多个UE中的相应的不同UE；以及在相控阵列天线系统内，处理多个端口信号流以(1)撤销对多个数据流进行的预编码、以及(2)经由天线元件阵列来生成多个发送波束，其中，各发送波束指向多个UE中的相应的不同UE、并且携载从多个数据流中的旨在用于该UE的数据流专门导出的相应发送信号。

其它实施例包括以下特征中的一个或多个特征。预编码包含对多个数据流应用预编码矩阵以产生多个端口信号流，其中所述多个端口信号流中的各端口信号流是多个数据流的线性组合。对多个端口信号流的处理实质上对多个端口信号流应用端口到波束预编码矩阵，其中，端口到波束预编码矩阵和层到端口预编码矩阵在相乘在一起时生成对角矩阵，例如单位矩阵。在数字域中对多个端口信号流应用端口到波束预编码矩阵。可选地，在模拟域中对多个端口信号流应用端口到波束预编码矩阵。处理包含对相控阵列天线系统应用波束形成权重以生成多个发送波束。处理包含：将多个端口信号流从数字转换为模拟以生成多个模拟信号流；以及在模拟域中对相控阵列天线系统应用波束形成权重以生成多个发送波束。波束形成权重还使得相控阵列天线系统撤销对多个数据流进行的预编码。波束形成权重使得相控阵列天线系统实质上对多个模拟信号流应用端口到波束预编码矩阵，其中，端口到波束预编码矩阵和层到端口预编码矩阵在相乘在一起时生成对角矩阵。端口到波束预编码矩阵由相互正交的N个预编码向量构成，以及其中，N是等于多个数据流内的数据流的数量的整数。N个预编码向量选自MU-MIMO码本。层到端口预编码矩阵是非对角矩阵，端口到波束预编码矩阵是非对角矩阵，以及层到端口预编码矩阵和端口到波束预编码矩阵的乘积是对角矩阵。

这里描述的方法等效地适用于下行链路发送和上行链路接收这两者。以下对于下行链路的描述仅旨在用于说明，而不应以任何方式解释为仅限于下行链路发送。

在进行以下详细描述之前，阐述在本专利文献中使用的一些术语可以是有利的。术语“波束”和“TXRU”可互换使用，因为它们一对一地彼此映射，并且各TXRU模块或硬件链负责生成一个波束。术语“端口到波束映射器”、“端口到TXRU映射器”可互换使用，并且术语“预编码器(预编码)”和“映射器(映射)”也可互换使用。术语“空间方向”用于指代(单个波束内的)各个子波束/瓣，其中各个子波束指向特定物理方向。

附图说明

图1表示针对2T系统的秩1预编码器的码本。

图2表示针对4T系统的秩1预编码器的码本。

图3提供了描绘利用RRH中的常规无线电链在无源天线系统中进行预编码的各个阶段的框图。

图4提供了描绘利用RRH中的分离无线电链在有源天线系统中进行预编码的各个阶段的框图。

图5示出具有产生覆盖整个扇区的宽波束的无源天线的常规2T系统。

图6示出具有M个天线端口的有源天线系统，其中K个TXRU通过在TXRU到物理天线映射器内部设置权重(相位和幅度)来生成K个波束。

图7示出实现到不同UE的数据层的空间复用的实施例，其中各波束中分别存在到各UE的一个数据层。

图8示出具有2层的2T系统的实施例。

图9示出具有4层的4T系统的实施例。

图10示出AAS操作，其中发送波束系数被设计和应用为使得在空间方向(SD)上的用户设备(UE)从基带单元(BBU)的天线端口(AP)接收信号的期望线性组合。

图11是连接至天线阵列中的一个天线元件的前端模块的框图。

图12是示出图11所示的上变频模块内的更多相关组件的框图。

具体实施方式

以下讨论的图1至图10以及用于描述本发明的原理的各种实施例仅作为说明，并且不应以任何方式解释为限制本发明的范围。本领域技术人员将理解，本发明的原理可以在任何适当布置的无线系统中实现。

无线系统的下行链路包括基站(BS)，基站用于将数据发送至位于该基站的覆盖范围内的多个UE。基站力图通过诸如智能资源调度、使用多个天线的空间复用、以及对数据流进行预编码以消除流间干扰等的各种技术来提高其覆盖范围内的所有UE所经历的容量。如图3和图4所示，基站包含基带单元(BBU)1和远程无线电头(RRH)2或3。BBU负责数字处理操作，而RRH负责其它功能，诸如使信号成形为避免后续功率放大器(PA)中的非线性、以及改变采样速率以使信号与数模/模数(DAC/ADC)转换器单元的速率兼容。基带输出经由单个光纤而连接至RRH，其中该光纤使用通用公共无线电接口(CPRI)或开放式基站架构联盟(OBSAI)协议来传输信号。

RRH包括将基带输出映射到物理天线的模块。特别地，RRH包括DAC和ADC，以在下行链路中将数字样本转换为模拟波形，并在上行链路中将模拟波形转换为数字样本。对一个流进行数模转换和模数转换以及上变频和下变频操作的RF链统称为该流的收发器单元(TXRU或TXRU模块)2-2。此外，RRH还包括：(a)负责使用峰值因子降低(CFR)和数字预失真(DPD)来使信号成形以降低PAPR并避免PA非线性的组件；以及(b)调谐到感兴趣的中心频率的其它RF组件，例如PA、双工器、混合器和模拟滤波器等。这组组件统称为前端(FE)2-3。最后，RRH还包含用于形成辐射/波束模式的物理天线2-4。

图3示出无源天线系统的基站中的各个组件的框图。旨在用于UE的采用位形式的数据被编码、调制、然后由串行到层映射器1-1进行并行化，以产生I-Q符号的K个并行流(被称为层1-2)。然后，通过层到端口映射器1-3对层1-2进行预编码，以产生用于天线端口1-4的符号。注意，在多用户MIMO(MU-MIMO)的情况下，层与意在用于相应的唯一UE的信号相对应。在3GPP标准中，术语“层”可互换地用以指代可旨在用于同一UE或多个UE的数据流。但是，有时可以将多个层发送至单个UE，这称为单用户MIMO(SU-MIMO)。

无线标准通常定义BBU处的所谓的天线端口(AP)1-4，该天线端口1-4不与物理天线相对应，而是通过其参考信号来区分的逻辑实体。为了辅助信道估计，BBU在各天线端口上发送参考信号，该参考信号是所有UE已知的先导。各天线端口与其自己的小区特定参考信号(CRS)相关联。在多天线端口的情况下，为了避免天线端口的不同信号之间的干扰，当天线端口发送其参考信号时，其它天线端口在相应的时频资源中保持沉默。UE使用相应的参考信号分别针对各天线端口对信道进行估计。另外，CRS还用于对所有下行链路信号进行相干解调。然后，与天线端口相对应的预编码I-Q符号由端口到物理天线映射器2-1使用固定且预定的一组权重映射到R个物理天线2-4，从而产生一组宽波束。

图4示出有源天线系统中的基站组件的框图。在这种情况下，利用端口到TXRU映射器3-1将与M个天线端口1-4相对应的调制符号映射到N个TXRU2-2，其中这些调制符号可以以不同的方式组合。然后，使用TXRU到天线映射器3-2在模拟域中将来自TXRU 2-2的I-Q符号映射到R个物理天线2-4。在图3的无源天线系统中，可以注意到，TXRU和FE形成一条单链，而在图4的有源天线系统中，TXRU和FE由于TXRU到物理天线映射器3-2而形成分离无线电链。有源天线系统相对于无源系统的增强的灵活性可以由另外两个映射器“端口到TXRU映射器”3-1和“TXRU到物理天线映射器”3-2来体现。与天线端口1-4相对应的调制符号可以灵活地一对一地映射到收发器单元(TXRU)2-2，或者可以被线性组合并被馈送至TXRU单元。换句话说，可以使用预编码向量将来自各AP的调制符号任意地“预编码”到TXRU上。类似地，各TXRU可以潜在连接至阵列中的所有天线元件(称为全连接方法)或者仅其中一个子集(称为子阵列划分方法)。通过在TXRU到物理天线映射器3-2中选择权重，可以使连接的选择保持灵活。来自TXRU的信号可以与复权重(相移和幅度)线性组合，并被馈送至物理天线2-4；并且通过调整这些权重，TXRU可以产生窄波束，并使其转向不同的空间方向。可以在软件中对包括幅度分量和相位分量的复权重动态地进行调整和再配置。

图6示出蜂窝无线网络中的典型有源天线系统(AAS)的下行链路操作。基带单元(BBU)1针对其M个天线端口(AP)1-4(AP₀至AP_M-1)中的各天线端口生成基带处的数字信号。通常，RRH将AP处的数字信号转换为模拟，并将信号从基带上变频为射频(RF)以通过其天线元件辐射。在RRH内部，M个AP信号可以通过端口到TXRU映射网络3-1映射到K个TXRU 2-2以形成K个数字信号流：TX₀至TX_K-1，其中各数字信号流由相应的TXRU收发器处理以产生K个模拟信号流：TXU₀至TXU_K-1。在简单应用中，TX信号流可以与AP信号相同，其中K＝M,TX₀＝AP₀,...,TX_M-1＝AP_M-1。注意，RRH可以通过一个或多个中频(IF)将基带信号转换为RF，并且端口到TXRU映射和其它后述内部RRH操作可以在基带、IF或RF处进行。

在具有R个天线元件的AAS的一般实现中，各信号TXU_n可以在TXRU到物理天线映射器3-2中扇出以生成R个副本，其中对TXU_n的副本r应用复波束系数

波束系数的应用具有这样的效果，即无论操作是在基带、IF还是RF上执行，最终RF信号利用

的幅度分量来缩放(即相乘)，并以

的相位分量进行相移。例如，在图6中，对信号TXU₀应用一组波束系数3-4

至

并且对信号TXU_K-1应用一组波束系数3-4

至

对于各天线元件r，K个TXU信号进行求和，在前端(FE)2-3内部上变频为RF(如果不是已经在RF处)，最后通过物理天线r 2-4进行辐射。

多个物理天线2-4紧密地间隔在一起，通常在期望RF处相距波长的一部分。在物理天线处的信号适当地同步、并且这些信号通过波束系数受到适当的幅度和相位控制的情况下，AAS能够使RF能量成形或聚焦在期望的空间方向上。在AAS中，这种在不同方向上形成聚焦的RF能量通常被称为发送波束，或简称为波束。在图6中，多个波束3-10B₀至B_K-1被示出为服务于多个UE 4UE₀至UE_K-1。在正确形成波束的情况下，在蜂窝无线系统中，用户设备(UE)UE₀主要接收波束B₀的信号。同样，UE₁主要接收波束B₁的信号，并且UE₂主要接收波束B₂的信号。注意，图6中的“波束”仅仅是为了便于说明而表示为指向一个特定的“空间方向(SD)”，但“波束”的概念更为普遍，并且单个波束可以包括各自指向单独的空间方向的多个子波束。实际上，在具有许多散射体的物理环境中，“波束”可以以一般的方式设计(不指向一个特定方向)，以通过根据与散射环境有关的一些副信息设置发送波束系数来使针对给定UE的发送信号的强度最大化。

MU-MIMO是一种多天线发送技术，其中基站通过利用传播信道的空间分集来在同一时频资源上向多个用户发送多个流。为了充分利用MU-MIMO，旨在用于多个UE的数据流需要分离得足够好(理想情况下是正交的)。为了实现这种正交性，BBU对旨在用于多个UE的数据层进行预编码，并使用层到端口映射器1-3将数据层映射到天线端口。对于预编码操作，BBU依赖于来自UE的信道状态信息(CSI)的反馈，并且为各UE选取预编码器以将旨在用于该UE的调制符号映射到天线端口。一般来说，BBU利用来自所有UE的CSI反馈信息，并选择预编码矩阵1-3以使得旨在用于不同UE的数据流不受干扰地通过无线电发送。预编码矩阵是一组预编码向量，各输入信号流对应一个向量。预编码向量可以是但不一定总是彼此正交的。理想情况下，预编码矩阵在与信道矩阵相乘时(取决于电磁传播环境)得到对角矩阵，这在物理上意味着预编码去除了干扰，并有效地产生用于与各个UE通信的非干扰并行管道。换句话说，BBU的目标是选择用于抵消由传播信道所引起的干扰作用的预编码矩阵。这种预编码的一个示例是迫零。重要的是要注意到，在如图4中所描绘的在RRH处应用的“天线端口到TXRU”预编码之前，在BBU处应用这种“层到天线端口”预编码。

为了降低来自UE的反馈的开销，无线系统通常采用量化码本，其中码本中的预编码向量的数量有限。首先，各UE根据对与各天线端口相对应的参考信号的测量来估计信道向量。然后，从整个预编码向量码本中，UE选择与其信道估计最匹配的向量(在最小均方差的意义上)，并将其反馈作为索引、即预编码矩阵指示(PMI)。例如，在2T系统中，UE反馈表示来自图1中的包含4个秩1向量的预定义码本的最佳预编码器的预编码矩阵指示(PMI)。类似地，在4T系统中，UE反馈来自一组预定义的16个秩1向量的PMI(参见图2)。

在MU-MIMO发送中，BBU可以采用两种类型的预编码：1)基于非码本的预编码；以及2)基于码本的预编码。在基于非码本的预编码中，BBU灵活地基于来自UE的CSI反馈来选择其自己选择的任何预编码器。例如，BBU可以选择通过采用迫零技术来最佳地消除UE间干扰。另一方面，在基于码本的预编码中，BBU被迫从无线标准中所定义的量化码本中选择预编码器来限制反馈开销。基于码本的MU-MIMO操作作为传统无线标准版本(诸如LTE Rel.8等)的一部分广泛地部署在当前的无线基站中。更灵活的基于非码本地MU-MIMO操作仅在未来的无线标准版本中引入，并且尚未部署在大多数现有的实际系统中。

在如图3所示的具有无源天线的常规系统中，使用端口到物理天线映射器2-1将在BBU处应用层到端口预编码1-3之后与天线端口1-4相对应的调制符号一对一地映射到物理天线2-4，从而产生覆盖整个扇区的宽波束。在图3所示的实施例中，二维天线阵列中存在K个层、M个天线端口和R个天线元件。M等于2D天线阵列中的列数。假设2D天线阵列具有12行4列的天线元件，则R＝48，而M＝4。天线阵列所产生的宽波束以固定仰角辐射并且具有宽的方位覆盖范围，这是因为仅包括单列元件的各物理天线2-4不能利用阵列的整个孔径并且不具有方位分辨率。宽波束以预定方式辐射，因此不能根据需要再配置为沿不同方向辐射的窄波束。因此，旨在用于单独的UE的数据流彼此之间有很大的干扰。此外，由于UE的CSI反馈是量化且不准确的，因此BBU很难消除干扰。此外，在基于码本的MU-MIMO操作中，由于标准化码本的分辨率有限，因此BBU在选择预编码时受到严重限制，从而进一步降低了BBU消除UE间干扰的能力。预编码的目标是减弱信道的作用，并以最小流间干扰向UE发送独立的数据层。然而，由于波束较宽并且码本的分辨率有限，因此很难消除这种干扰，从而导致常规无源天线系统中的MU-MIMO性能较差。

常规系统

图5描绘了具有能够仅生成宽波束的两个发送(2T)基站的常规无线系统的下行链路。换句话说，基带单元(BBU)具有两个发送天线端口AP₀和AP₁，并且能够对2个层/数据流进行复用。在BBU在MU-MIMO发送模式(通常可用于蜂窝和WiFi系统，例如，LTE和802.11ac)下工作的情况下，两个并行数据流在同一时频资源上被同步地发送至两个UE 4(UE₀和UE₁)。BBU利用两个向量对UE₀的数据层L₀和UE₁的数据层L₁进行预编码，该两个向量分别选自图1中给出的4个向量的无线标准预定义码本S₁。在基于码本的预编码中，针对给定UE的预编码向量被选择为该UE所反馈的PMI。因此，BBU局限于从码本中可用的有限数量的PMI向量中选择预编码器。此外，在容量性能方面BBU最好遵循UE的建议，并选择该PMI作为针对UE的数据层的预编码器。

在采用无源天线的常规2T系统中，如图5所示，AP₀和AP₁一对一地映射到两个宽波束。两个UE(UE₀和UE₁)根据正交的参考信号CRS₀(小区特定参考信号)和CRS₁来测量信道，并报告从图1中的码本S₁选择的相应秩1PMI。PMI的选择取决于UE对其来自天线端口AP₀和AP₁的传播信道的测量。BBU接收来自UE₀的PMI反馈P₀以及来自UE₁的P₁，并且通过使用相同的向量P₀对UE₀的数据层进行预编码、以及使用向量P₁对UE₁的数据层进行预编码来形成层到端口预编码映射器。

然而，由于码本S₁的有限分辨率和波束2-8的宽性质，BBU所采用的基于码本的预编码不足以消除UE₀和UE₁的数据层之间的干扰，从而导致MU-MIMO容量性能较差。

端口到波束预编码器的一般描述

本节提供了示例性实施例的一般描述，并在后面的小节中讨论了具体示例应用。这只是为了说明基本原理，并且不应以任何方式解释为限制本发明的范围。

图7描绘了具有具备M个天线端口(称为“M”T系统)的BBU和具备K个RF链(TXRU)的RRH的有源天线系统，其中各TXRU产生一个窄波束。因此，总共有K个波束。在各波束的覆盖范围内，有一个UE要在该波束上被提供数据。因此，通过在各波束中对一个UE进行空间复用，在相同时频资源中同步地为总共K个UE提供数据。BBU具有M个天线端口AP₀、AP₁、…、AP_M-1，并且能够对K个数据层进行复用。通常，在实际系统中，为MU-MIMO调度的UE的数量K小于或等于天线端口的数量M，即K≤M。

这里的目标是在多个波束3-10(即，B₀、B₁、…、B_K-1)中以流之间的干扰最小的方式分别服务多个UE 4(即，UE₀、UE₁、…、UE_K-1)。波束由AAS RRH(在共极化天线元件或交叉极化天线元件上)以彼此正交的方式生成。因此，如果将AP₀～AP_M-1直接映射到波束B₀～B_K-1，则UE₀预期报告的理想PMI反馈是

这表明UE₀通过AP₀上的参考信号只在其自己的波束B₀上测量到能量，并且在与B₀正交的其它波束上所发送的参考信号上看到可忽略不计的能量。然而，由于无线标准中的诸如S₁和S2等的码本的分辨率有限，这种PMI可能在码本中不可用，并且UE报告了与其根据参考信号先导的测量最接近(在最小均方差的意义上)的PMI。如果BBU遵循该建议在层到端口预编码模块1-3处选择预编码矩阵，则反馈报告的不准确性可能导致容量的降低。因此，在一个实施例中，引入了端口到TXRU映射模块3-1，其中在各波束上发送来自天线端口1-4的调制符号流的线性组合，并且抵消模块1-3的作用。

在图7中，对于所有波束k＝0至K-1(3-10)，RRH 3使用端口到TXRU映射矩阵3-1在波束B_k上发送天线端口符号AP₀至AP_M-1的线性组合

这里，P_k(i)是M×1预编码向量P_k的第i个元素，即P_i＝[P_i(0),P_i(1),…,P_i(M-1)]^T。此外，预编码向量P₀,P₁,...,P_K-1是从无线标准所规定的码本S₁和S₂中选取的，并且被选择为相互正交。

端口到TXRU映射3-1可以容易地在RRH内部以数字方式实现。关于这种预编码，应注意以下重要特征：

1.在实际系统中，UE获得定时/频率偏移并附接至基站所需的主同步信号和辅同步信号(PSS/SSS)仅在AP₀上发送。由于AP₀因3-1处的线性组合运算而在所有波束3-10B₀至B_K-1上发送，因此所有UE(UE₀～UE_K-1)可以对这些波束进行解码并附接至基站。

2.尽管发生端口到波束预编码，但是与天线端口AP₀～AP_M-1相对应的参考信号CRS₀～CRS_M-1仍保持正交，这是因为如前所述，M个参考信号CRS₀～CRS_M-1占用分别的OFDM时频资源元素。在给定时频资源元素的情况下，如果CRS₀在该元素上是有效的，则其它参考信号在该元素上是无效的。因此，尽管是天线端口的线性组合，UE仍然可以分别测量各参考信号，以反馈信道参数PMI、秩索引(RI)和信道质量指示(CQI)。

3.在波束B_k上发送的

以及B_k足够窄的情况下，所有参考信号CRS₀～CRS_M-1预期经历相同的无线传播环境(信道)。UE_k处对CRS₀～CRS_M-1的测量的差异仅由P_k在线性组合

中引入的相移引起。这迫使UE_k总是反馈P_k的PMI。在该参考信号发送阶段期间，对于端口到波束映射器中所使用的P_k，只要它们彼此正交，就可以从码本中选取任意一组P_k。这迫使UE将这些P_k反馈给BBU。

4.尽管AP_k被映射到多个波束，但波束B_k中的UE_k预期经历来自其它波束的参考信号CRS_k的最小干扰(通过旁瓣或环境中的散射)，从而产生如上所述的PMI反馈。这是因为波束被设计为使得它们将电磁辐射窄地聚焦成朝向期望的UE，并且其辐射模式在沿着不旨在该波束上服务的其它UE的方向上为空。

5.基于来自UE 4的PMI反馈，BBU在基于码本的MU-MIMO发送模式下工作时将遵循所有UE的建议，并在矩阵乘法模块1-3中为UE_k的数据层/流选择预编码器P_k。再次注意，这些预编码器选自无线标准中可用的秩1码本S₁和S₂(分别参见图1的2T码本和图2的4T码本)。

6.如根据图7可以注意到，在UE数据流/层L₀～L_K-1在BBU处被M×K预编码矩阵1-3预编码后，它们在RRH中经过K×M端口到波束映射矩阵3-1的另一预编码块。由于预编码向量P₀,P₁,...,P_K-1被选择为相互正交，因此，端口到波束映射3-1实际上抵消或撤销BBU预编码器1-3的作用，从而导致K个UE数据流L₀～L_K-1沿着K个波束分别被复用到K个UE，即对于所有k＝1至K-1，以最小干扰的方式，UE_k的数据流在波束B_k上专门地发送至UE_k。换句话说，实际上，UE₀的数据层L₀通过向量

预编码，UE₁的数据层L₁通过向量

预编码，并且类似地，其它UE通过其它单元向量预编码，如以下通过数学等式所述：

以上等式是由预编码向量P₀,P₁,...,P_K-1被选择为相互正交的事实所得出的，即：

其中

表示预编码向量P_i的转置。

端口到TXRU映射的设计原理

总之，端口到波束预编码3-1具有两个关键特性，这两个关键特性其成为实现空间复用的简单而强大的工具：

1.端口到波束预编码器3-1对来自天线端口的参考信号进行操作，以使得UE被处理为恒定地反馈固定PMI。这使得RRH能够预测BBU所选择的预编码器。

2.此外，端口到波束预编码器3-1抵消或撤消BBU处的固定层到端口预编码器1-3的作用，并将数据层L₀～L_K-1无干扰地复用到相应的UE。换句话说，数据层L₀～L_K-1被映射到相应的发送波束上(即，指向相应数据层旨在用于的UE的波束)，就像在BBU处从没有进行过层到端口预编码一样。

实际上，码本中满足以上两个特性的任意K个正交PMI向量都可被选择以形成端口到波束预编码器3-1。

根据端口到波束预编码矩阵3-1的以上特性，可以总结为，这样的预编码使得能够以符合基于码本的反馈以及当前无线标准中所部署的预编码技术的方式来对多个UE进行空间复用/MU-MIMO。

示例

根据各种实施例，现在提供具体示例来说明概念。这些示例立即适用于当前无线系统，诸如部署了具有2T和4T天线端口的BBU的LTE。这不应以任何方式被解释为限制本发明的范围。

1.在具有AAS–2层的2T系统中实现基于码本的MU-MIMO

图8示出包含2T系统的实施例。在该系统中，存在要分别复用到两个UE UE₀和UE₁的两个层L₀和L₁。BBU相应地具有两个天线端口AP₀和AP₁，并且RRH具有两个TXRU。假设波束由AAS RRH(以相同的极化或相反的极化)以波束彼此正交的方式生成。因此，如果AP₀和AP₁分别直接映射到波束B₀和波束B₁，则UE应当报告的理想PMI反馈是

然而，由于LTE码本S₁的分辨率有限，因此该PMI不可用，并且UE报告在MMSE的意义上接近的PMI。如果BBU遵循这项建议并相应地选择1-3，则PMI反馈的不准确性可能会使容量降低。为了迫使UE恒定地反馈相同的PMI，根据上述方法的端口到波束预编码方法在各波束上发送天线端口的线性组合。

RRH在波束B₀上发送

并且在波束B₁上发送

注意，引入

因子以使发送功率正则化。这种线性组合运算以如下方式实现空间复用：

1.由于两个波束上都存在AP₀，因此在这两个波束上都发送主同步信号(PSS)和辅同步信号(SSS)，使得UE₀和UE₁这两者能够对波束进行解码并附接至基站。

2.尽管进行预编码，但是与AP₀和AP₁相对应的参考信号CRS₀和CRS₁仍保持正交。这是因为CRS₀和CRS₁占用单独的OFDM时频资源元素。在给定OFDM资源元素的情况下，如果CRS₀在该元素上是有效的，则CRS₁在同一元素上是无效的。因此，即使在适当地进行端口到波束预编码的情况下，UE也可以像在常规系统那样分别测量CRS₀和CRS₁，以反馈信道参数PMI、秩索引(RI)和信道质量指示(CQI)。

3.在波束B₀上发送

以及B₀足够窄并且不干扰波束B₁的情况下，CRS₀和CRS₁预期经历相同的无线传播环境，从而迫使UE₀总是反馈相同的向量

作为PMI。

4.在波束B₁上发送

以及B₁足够窄的情况下，CRS₀和CRS₁预期经历相同的传播环境。CRS₀和CRS₁之间由于线性组合引入的180°相移迫使UE₁总是反馈相同的向量

作为PMI。

5.尽管AP₀(和AP₁)被映射到这两个波束，但UE预期经历从另一波束对参考信号CRS₀(和CRS₁)的最小干扰(通过旁瓣或环境中的散射)，从而产生如上所述的PMI反馈。这是因为波束B₀和B₁窄聚焦成朝向不同方向上的UE，并且相互正交。

6.基于来自UE的PMI反馈，在基于码本的MU-MIMO模式下工作的BBU将通过为UE₀的数据层/流选择预编码器

并且为UE₁的数据层/流选择预编码器

来设置矩阵乘法算子1-3。

7.在图8中，UE数据流在由BBU预编码器1-3预编码之后，在RRH处经过端口到波束预编码3-1的另一预编码块。端口到波束预编码实际上抵消了BBU预编码器的作用，从而导致UE数据流跨两个波束分别复用到两个UE，即以最小干扰的方式，UE₀的数据流L₀在波束B₀上专门发送至UE₀，并且UE₁的数据流L₁在波束B₁上专门发送至UE₁。换句话说，实际上，UE₀的数据通过向量

预编码，并且UE₁的数据通过向量

预编码，如以下在数学等式中所述：

2.在具有AAS–4层的4T系统中实现基于码本的MU-MIMO

图9示出包含具有4层的4T系统的实施例的框图。BBU具有4个天线端口AP₀、AP₁、AP₂、AP₃，并且能够对4个数据层进行复用，针对各UE复用一个数据。在这种情况下，端口到波束预编码被设计为如下：(详细描述了一个示例设计，并且在本节的末尾提供了其它可能的设计)

在图9中，RRH在波束B₀上发送

在波束B₁上发送

在波束B2上发送

并且在波束B₃上发送

与前一示例类似，关于这种预编码应当注意到以下效果：

1.在波束B₀上发送

以及B₀足够窄的情况下，参考信号CRS₀～CRS₃经历了相同的无线传播信道，从而迫使UE₀总是从UE₀反馈相同的向量[1/2 1/2 1/2 1/2]^T作为PMI(a^T表示列向量a的转置)。

2.类似地，在波束B₁上发送

以及B₁足够窄的情况下，所有参考信号预期经历相同的传播信道。跨参考信号的线性组合所引入的相移迫使UE₁总是反馈相同的向量[1/2 1/2 -1/2 -1/2]^T作为PMI。

3.在波束B₂上发送

以及B₂足够窄的情况下，所有参考信号预期经历相同的信道。跨参考信号的线性组合所引入的相移导致来自UE₂的恒定的PMI反馈[1/2-1/2 -1/2 1/2]^T。

4.在波束B₃上发送

以及B₃足够窄的情况下，所有参考信号预期经历相同的信道。跨参考信号的线性组合所引入的相移导致来自UE₃的恒定的PMI反馈[1/2-1/2 1/2 -1/2]^T。

5.基于来自UE的PMI反馈，在基于码本的MU-MIMO发送模式下工作的BBU将通过为UE₀的数据层/流选择预编码器[1/2 1/2 1/2 1/2]^T、为UE₁的数据流选择预编码器[1/2 1/2-1/2 -1/2]^T、为UE₂的数据流选择预编码器[1/2 -1/2 -1/2 1/2]^T、并且为UE₃的数据流选择预编码器[1/2 -1/2 1/2 -1/2]^T，来设置矩阵乘法运算1-3。再次注意，这些预编码器在4T无线系统的秩1码本S2中是可用的。

6.在图9中，UE数据流在被BBU层到端口预编码器1-3预编码之后，这些UE数据流由于RRH处的端口到波束预编码3-1而经过另一预编码块。这种端口到波束预编码抵消了BBU预编码器的作用，从而导致UE数据流L₀～L₃沿着波束B₀～B₃分别被复用到四个UE，即以最小干扰的方式，UE₀的数据流L₀在波束B₀上专门发送至UE₀，UE₁的数据层L₁在波束B₁上专门发送至UE₁，UE₂的数据在波束B₂上专门发送至UE₂，并且UE₃的数据在波束B₃上专门发送至UE₃。换句话说，UE₀的数据通过向量

进行预编码，UE₁的数据通过向量

进行预编码，UE₂的数据通过向量

进行预编码，UE₃的数据通过向量

进行预编码，如以下通过数学等式所示：

最后，可以从图2中的4T码本中选择满足本申请中的端口到波束预编码的两个关键特性的任意四个正交向量。以下给出另一个这样的示例：

对于以上预编码，容易验证特性1。

特性2成立，这是因为可以快速地验证出以上矩阵的列向量是相互正交的。

实现的灵活性

提供了一种用于灵活实现端口到波束矩阵运算的设备。端口到波束映射可以灵活地实现为RRH中的单独模块3-1，或者可以通过将发送波束系数3-4设置为模拟3-1中的相同矩阵运算而在模拟域中等效地实现。也就是说，端口到波束映射在模拟域中进行用于对从BBU接收到的对信号进行的预编码进行撤销的运算。这些运算还迫使UE反馈先前章节中关于端口到波束预编码模块3-1所讨论的特定PMI。原理说明如下。

在图7中，波束B₀被设计为接收天线端口信号的以下线性组合：P₀(0)AP₀+P₀(1)AP₁+…+P₀(M-1)AP_M-1。同时，波束B_k(k＝0至K-1)中通过UE_k进行索引的其它UE被设计为接收AP信号的以下线性组合：P_k(0)AP₀+P_k(1)AP₁+…+P_k(M-1)AP_M-1。各线性组合系数P_k(i)通常是M×1预编码向量P_k中的复数；P_k(i)的幅度分量表示AP信号的缩放(乘法)，而P_k(i)的相位分量表示AP信号的相移。具体数字取决于预编码向量的选择。对于图8中所选择的示例，数字是实数，尽管也可以将实数看成相位是180度/“pi”弧度的倍数复数的复数。迄今为止，在本文献中，假设这些线性组合已在模块3-1中实现为矩阵乘法。然而，由于一些实际原因，通过适当地设置波束系数来在模拟域中实现相同的矩阵运算可以是有利的。

以下描述了设置发送波束系数以实现这种效果的方法。

模块3-1被设置为单位映射：K＝M,TX₀＝AP₀,...,TX_M-1＝AP_M-1，而矩阵运算现在在图6所示的TXRU到物理天线映射器3-2中实现。设d^(k)表示与形成波束B_k的一组系数相对应的波束系数的向量，其中向量记法被定义如下：

其中a^T表示向量a的转置。然后，发送波束系数3-4(参见图6)被设置如下：

w⁽⁰⁾＝P₀(0)d⁽⁰⁾+P₁(0)d⁽¹⁾+…+P_M-1(0)d^(M-1) (等式1)

w⁽¹⁾＝P₀(1)d⁽⁰⁾+P₁(1)d⁽¹⁾+…+P_M-1(1)d^(M-1) (等式2)

w^(M-1)＝P₀(M-1)d⁽⁰⁾+P₁(M-1)d⁽¹⁾+…+P_M-1(M-1)d^(M-1) (等式3)

注意，波束B_k中的UE_k接收通过波束系数向量d^(k)成形的信号，该波束系数向量d^(k)根据需要被评价为：P_k(1)AP₁+…+P_k(M-1)AP_M-1。在以上的等式1至等式3中，注意在AAS实现中，所得到的波束系数可以量化到有限精度，或者它们可以适当地缩放(即，所有波束系数乘以公共因子)以实现期望的动态范围。

由这些等式可以明显看出，由模块所应用的通过W_i ^(k)识别的权重如下：

这个总和是预先计算出的，并且通常产生复数。使用可调增益和相位调整器将该复数与传入信号相乘，作为波束形成权重。

在以上描述中，目标波束的数量是一般性的(等于K＝M)。等式1至等式3的具体示例应用将是图8中的2T系统。模块3-1的矩阵乘法运算可以在模块3-2中替代和等效地实现，如以下给出：

3-1中的端口到波束映射被设置为2×2单位矩阵，这意味着AP₀被直接映射到TX₀，并且AP₁被直接映射到TX₁。天线端口上的矩阵运算

通过将发送波束系数3-4设置为如下来等效地实现：

其中，d⁽⁰⁾、d⁽¹⁾是根据UE₀和UE₁所处的方向以及它们各自的传播信道条件为波束B₀和B₁选择的目标波束系数向量。

端口到空间方向映射

迄今为止，假设数据层数＝UE数＝K，其小于或等于天线端口数(M)。另外，假设TXRU的数量N等于层数K，并且各TXRU负责产生一个波束，一个波束服务于一个UE。然而，各波束能够具有指向多个空间方向(SD)的许多不同子波束，其数量远远多于TXRU的数量。设S表示这种空间方向的数量。该数量S可以远大于M和N，并且仅受阵列孔径的限制，而不受天线端口或TXRU的数量的限制。在这种情况下，K<＝M情况下的端口到波束操作可以一般化到端口到空间方向映射，其中天线端口信号现在直接映射到子波束的各个空间方向(SD)。这种映射在可作为目标的线性组合和SD的数量方面是一般的。实际上，可作为目标的不同SD上的线性组合的数量仅受AAS中的天线阵列的几何结构的限制，但它与天线端口的数量M和TXRU的数量N无关。具有较大孔径的天线阵列可以产生窄的子波束，因此可以以子波束重叠最小的的方式以针对不同SD的较大线性组合数为目标。注意，图10中的子波束/空间方向3-11与本专利文献的所有前面的图和章节中的波束3-10不同。单个TXRU负责生成波束B_k，但这种波束可以通过将波束系数设置为与子波束的SD相对应的系数的线性组合来包括多个子波束。因此，子波束/空间方向的数量S远大于图10中TXRU的数量N。以下描述了用于将天线端口映射到不同空间方向的方法，该方法扩展了前面章节中所讨论的端口到波束映射器。

图10示出具有M个天线端口、N个TXRU和S个空间方向3-11的系统的下行链路(发送)。UE的数量K现在等于空间方向的数量S。空间方向SD_k(k＝0至K-1,K＝S>M)上通过UE_k进行索引的UE被设计为接收以下的AP信号的线性组合：P_k(0)AP₀+P_k(1)AP₁+…+P_k(M-1)AP_M-1。模块3-1设置为单位映射：N＝M,TXRU₀＝AP₀,...,TXRU_M-1＝AP_M-1。设s^(k)表示与空间方向SD_k相对应的波束系数的向量。然后，TXRU到天线元件映射3-2中的发送波束系数3-4被设置如下：

w⁽⁰⁾＝P₀(0)s⁽⁰⁾+P₁(0)s⁽¹⁾+…+P_M-1(0)s^(K-1) (等式4)

w⁽¹⁾＝P₀(1)s⁽⁰⁾+P₁(1)s⁽¹⁾+…+P_M-1(1)s^(K-1) (等式5)

w^(M-1)＝P₀(M-1)s⁽⁰⁾+P₁(M-1)s⁽¹⁾+…+P_M-1(M-1)s^(K-1) (等式6)

等式4至等式6的具体示例应用将是具有4个空间方向SD(K＝4)的2T(M＝2)。3-1中的端口到TXRU映射被设置为2×2单位矩阵，这意味着AP₀被直接映射到TXRU₀,并且AP₁被直接映射到TXRU₁。考虑到2T码本S₁中的四种可能线性组合，BBU可以通过将权重/系数3-4设置如下来使用所有四种线性组合：

以上映射仅使用两个天线端口而以四个不同SD上的四个UE的四种线性组合为目标，即，UE₀接收线性组合

UE₁接收

UE₂接收

并且UE₃接收

注意，尽管S个子波束中的S个UE可以利用端口到空间方向映射来反馈M维PMI，但是由于S>M，这S个PMI绝不可能相互正交(只可能具有多达“M”个相互正交的M维向量)。因此，这种映射不符合本申请的设计原理之一，即在模拟模块3-2中实现的端口到空间方向映射将不会抵消BBU预编码器1-3的作用，从而导致数据层之间的干扰，因此不能实现到“S”个UE的空间复用。换句话说，空间复用增益(可被调度用于同步MU-MIMO发送的UE的数量)的瓶颈在于以下项中的最小者：1)天线端口的数量、2)TXRU的数量、以及3)正交空间方向的数量，即，

空间复用增益(K)＝min{M,N,S}。

例如，在M＝2和S＝4的以上示例中，空间复用增益/可同步调度用于MU-MIMO操作的UE的数量是K＝min{2,2,4}，这意味着BBU将必须在一个时频时隙在SD₀、SD₁中调度一个用户对以进行MU-MIMO发送，并且在另一时频时隙中在SD₂、SD₃中调度另一用户对以进行MU-MIMO发送。

注意，图6从概念上示出用于将波束形成权重实现为位于TXRU 2-2和FE2-3之间的模块的波束形成电路。实际上，包括可调相位元件和可调增益元件的波束形成电路可以位于沿着在信号被转换为模拟的位置和天线之间的信号路径的任何位置处。例如，它可以在IF或RF处实现。它可以是单独的模块，或者波束形成元件可以在其它电路模块的内部并且是其一部分，诸如在FE 2-3内。图11和图12示出这种电路的一个实施例的具体示例。

图11示出连接至多元件天线阵列中的单个天线元件110的电路的框图。在具有R个天线元件的天线阵列系统中，对于各天线元件复制这种电路。对于各天线元件110，存在连接至天线元件110的前端模块100。前端模块具有发送器侧和接收器侧。发送器侧包括N个上变频模块102、组合器电路104和功率放大器(PA)106。接收器侧包括低噪声放大器(LNA)112、分离器114和N个下变频模块116。前端模块100还包括双工器电路108，其中该双工器电路108将来自发送器侧的PA 106的驱动信号连接到天线元件110、并将来自天线元件110的接收信号连接到接收器侧的LNA 112。各上变频模块102的输入用于从TXRU(未示出)接收不同的波束发送信号流Bt₁…Bt_n。并且各下变频模块116的输出用于输出不同的波束接收信号流Br₁…Br_n。如上所述，各波束发送信号流被映射到由有源天线阵列系统生成的不同波束，并且各接收信号流与由有源天线阵列形成的不同接收波束接收到的信号相对应。

图12更详细地示出图11的上变频模块102。在该图(仅示出连接至相应天线元件的单个上变频模块)中，省略了组合器和双工器。各上变频模块102包括混合器103以及分别由A和P标识的各种幅度设置电路和相位设置电路。LO(本地振荡器)信号和分布式IF发送信号流这两者都被提供给混合器103，该混合器103将IF发送信号流上变频为被提供给功率放大器106的RF发送信号流。幅度设置电路A和相位设置电路P是应用波束形成权重的电路；它们用于改变各天线信号的相对相位或幅度，从而确定天线阵列所生成的发送波束模式和接收波束模式的大小、方向和强度，并且如上所述，它们还可以用于同步地对信号流进行矩阵运算，以生成这些信号流的线性组合。

以上示例说明了在发送和接收时使用LTE预编码向量作为AP信号的线性组合，并且具有正交预编码向量的用户由BBU同步地调度。在一般情况下，线性组合系数可以是任意参数，目标空间方向可能不正交，并且BBU可以例如基于吞吐量、用户需求、路径损耗、网络干扰、调度公平性以及任何其它参数来调度用户的任何组合。

应当理解，以上描述仅仅说明了基本原理。各种变形、改进和修改将会发生，并且旨在这里提出且在以下权利要求的精神和范围内。然而，这里描述的原理可以以许多不同形式体现，并且不应被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本发明将是详尽且完整的，并且将会使基本原理的范围完全传达给本领域技术人员。应当理解，各种实施例尽管是不同的，但并不是互斥的。虽然以两个天线端口以及两个、三个或四个空间方向为目标描述了天线端口到空间方向方法和设备的实施例，但是本领域技术人员将认识到，本发明可以用于使用所述相同原理以任意多个天线端口和不同空间方向的线性组合为目标(如果需要的话)。此外，可以利用计算机程序来对计算机可读介质进行编码，使得一个或多个处理器对该程序的执行进行了幅度和相位调整的一种或多种方法。根据这些原理，本领域技术人员可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下想出许多修改。“计算机”可以包括单个机器或处理器，或者可以包括多个交互机器或处理器(位于单个位置或者位于彼此远离的多个位置)。

Claims (13)

1.一种用于使用包括天线元件阵列的相控阵列天线系统来与多个通信装置进行通信的方法，所述方法包括：

接收多个端口信号流，其中，所述多个端口信号流是通过对多个数据流进行预编码而获得的，所述多个数据流中的各数据流旨在用于所述多个通信装置中的相应的不同通信装置；以及

在所述相控阵列天线系统内，处理所述多个端口信号流以：(1)撤销对所述多个数据流所进行的预编码、以及(2)经由所述天线元件阵列来生成多个发送波束，其中，各发送波束指向所述多个通信装置中的相应的不同通信装置、并且携载从所述多个数据流中的旨在用于该通信装置的数据流专门导出的相应发送信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，预编码包含对所述多个数据流应用层到端口预编码矩阵以产生所述多个端口信号流，其中各端口信号流是所述多个数据流的线性组合。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，处理所述多个端口信号流实质上对所述多个端口信号流应用端口到波束预编码矩阵，其中，所述端口到波束预编码矩阵和所述层到端口预编码矩阵在相乘在一起时生成对角矩阵。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述对角矩阵是单位矩阵。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，在数字域中对所述多个端口信号流应用所述端口到波束预编码矩阵。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，在模拟域中对所述多个端口信号流应用所述端口到波束预编码矩阵。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述处理包含对所述相控阵列天线系统应用波束形成权重以生成所述多个发送波束。

8.根据权利要求2所述的方法，其中，所述处理包含：将所述多个端口信号流从数字转换为模拟以生成多个模拟信号流；以及在模拟域中对所述相控阵列天线系统应用波束形成权重以生成所述多个发送波束。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述波束形成权重使得所述相控阵列天线系统撤销对所述多个数据流所进行的预编码。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述波束形成权重使得所述相控阵列天线系统实质上对所述多个模拟信号流应用端口到波束预编码矩阵，其中，所述端口到波束预编码矩阵和所述层到端口预编码矩阵在相乘在一起时生成对角矩阵。

11.根据权利要求3所述的方法，其中，所述端口到波束预编码矩阵由相互正交的N个预编码向量构成，以及其中，N是等于所述多个数据流内的数据流的数量的整数。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述N个预编码向量选自多用户-多输入多输出码本即MU-MIMO码本。

13.根据权利要求3所述的方法，其中，所述层到端口预编码矩阵是非对角矩阵，所述端口到波束预编码矩阵是非对角矩阵，以及所述层到端口预编码矩阵和所述端口到波束预编码矩阵的乘积是对角矩阵。

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