CN1732636A - 在多波束天线系统中使用波束形成和闭环发射分集 - Google Patents

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Abstract

在控制用于下行链路无线通信的多－波束天线系统中，组合波束形成和闭环发射分集信令。在发射机基于来自无线移动通信站的反馈调整每个波束信号，以便能够相干地组合在该无线移动通信站所接收的信号。

Description

在多波束天线系统中使用波束形成和闭环发射分集
发明领域
本发明通常涉及无线通信收发信机，更具体而言，涉及使用多波束天线系统的无线通信收发信机。
发明背景
在第三代和未来代蜂窝通信系统中，由于在这些通信系统中存在的不对称服务，先进的下行链路波束形成技术尤为重要。
以下所列的八篇文献在此包含引作参考，并且在下文中通过下面所示的方括号中的相应数字来引用。
[1]S.Anderson，B.Hagerman，H.Dam，U.Forssen，J.Karlsson，F.Kronestedt，S.Mazur，K.J.Molnar，用于GSM和TDMA系统的自适应天线(Adaptive antennas for GSM and TDMA systems)，IEEEPersonal Communication(个人通信)，第6卷，NO.3，第74-86页，1999年6月。
[2]Bo Goransson，Bo Hagerman，Jozsef Barta，WCDMA系统中的自适应天线-基于典型用户场景的链路层仿真结果(Adaptiveantennas in WCDMA Systems-Link Level Simulation ResultsBased on Typical User Scenarios)，IEEE VTC 2000秋天，第157-64页，第1卷。
[3]R.A.Soni，R.M.Buchrer，R.D.Benning，用于CDMA2000系统的组合分集技术的发射波束形成(Transmit Beamforming CombinedWith Diversity Techniques for CDMA 2000 Systems)，ICASSP20001。
[4]K.I.Pedersen和P.E.Mogensen，基于发射分集和传统波束形成的混合方案的简单下行链路天线阵列算法(A Simple DownlinkAntenna Array Algorithm Based on a Hybrid Scheme of TransmitDiversity and Conventional Beamforming)。
[5]M.Katz，J.Ylitalo，时空编码到波束形成WCDMA基站的扩展(Extension of Space-Time Coding to Beamforming WCDMA BaseStations)，IEEE VTC 2000春天，第1230-4m页，第2卷。
[6]A.Hottinen，O.Tirkkonen，R.Wichman，用于多单元收发信机的闭环发射分集技术(Closed-Loop Transmit DiversityTechniques for Multi-Element Transceivers)，IEEE VTC 2000秋天，第70-3页，第1卷。
[7]增强多天线Tx分集的波束形成器特性(Enhance thebeamformer feature of the multiple antenna Tx Diversity)，TSGR1#15(00)-1065。
[8]本征波束形成器原理说明(更新)和性能评价(Description ofthe eigenbeamformer concept(update)and performanceevaluation)，TSGR1#19(01)-0203。
在错误方向操纵辐射波束(所谓的波束指向错误(pointing error)问题)，或在固定的多波束天线系统中使用错误的波束发射数据到特定移动站，对系统容量产生了严重的后果。指向错误方向的波束所辐射的移动终端将会请求更高功率来满足其期望的服务质量(QoS)。由于波束的峰值指向除了预定用户以外的方向，因此落入该波束范围内的许多其他移动站都将经历干扰水平的增加。因此，这些移动站将会请求更高功率以满足它们自己的QoS，同时它们迅速地用完通信系统的稀少的功率资源。图1示例了其中将发生波束指向错误的情形。
以下讨论当前使用的或者已经建议的波束形成解决方案。
正如在[1]中所报告的，已经在GSM和TDMA系统中成功地使用了自适应天线阵列。自适应天线阵列系统的目的是为了利用两个或更多空间相邻的天线单元代替传统的扇区天线。天线阵列系统的关键思想在于将辐射能量从该阵列定向到感兴趣的特定用户，同时该天线阵列系统寻求最小化对其他用户的干扰。在GSM和TDMA系统中已经示出了这种策略以产生改进的性能，正如在[1]中所报告的增加系统容量和/或增加范围中所测量的结果。在[2]中，结果显示通过先进天线系统获得的性能增益能够基本上与传统的扇区覆盖系统可比拟。广泛而言，自适应天线系统分为两类：a)固定波束系统，其中辐射能量定向到多个固定的方向；和b)自适应系统，其中辐射能量被定向到任何期望位置。
在频分双工(FDD)模式通信中，诸如WCDMA-FDD中，在不同的频率上发射上行链路数据(从移动站到基站)和下行链路数据(从基站到移动站)。上行链路和下行链路之间的频率间隔几乎无误地确保了不同的衰落信道实现。因此，尽管信号的到达角度和出射角理论上相同，但是每个上行链路和下行链路通道上的信道衰落却是不同的。
在FDD系统中，使用上行链路测量来计算下行链路波束。这种策略将产生波束指向错误，特别是当到达角度扩展较大时(大于波束宽度)。当角展度小以及扩展的平均位于接近于固定多波束天线系统的交叉区域时，也将会发生波束指向错误。参见示例这种问题的图1。
在许多无线通信环境中时间变化的多经衰落严重地恶化了接收信号的质量。一种减轻强衰落效应和提供可靠通信的方法是在发射的信号中引入冗余(分集)。在时间或空间域中能够发生增加的冗余。时间分集使用信道编码和交织实现，而空间分集通过在空间分离的天线上发射信号或者使用不同的极化天线获得。这种策略确保在每根天线上的独立衰落。
空间发射分集能够被细分为闭环或开环发射分集模式，这取决于是否从接收机向发射机发射回反馈信息。第三代伙伴计划99版，要求所有移动用户设备必须支持使用两根发射分集天线的发射分集。一种开环模式和两种闭环模式必须被支持用于下行链路专用物理信道。
开环发射分集采用时空分组编码发射分集(STTD)。这种STTD编码应用于四个连续信道比特的块。所述移动用户设备不向发射分集天线发射回任何反馈信息。
在闭环发射分集中，扩频和加扰的信号在从两根天线发射之前经历相位(在模式1中)，或相位和幅度(在模式2中)调整。天线加权由移动用户确定，并经由反馈信息(FBI)发射给基站。在这两种模式中的发射分集能够看作是波束形成方法，其中，在基站的波束形成加权由每个以及每一个移动用户来确定。
闭环发射分集方案试图通过使用来自每个移动用户的反馈信息，调整分集天线上发射信号的相位和幅度。这种策略并没有考虑到整个的系统优化，因为发射分集信号在整个小区辐射引起了对其他用户的干扰。当发射天线分离大于半个波长时，那么将产生栅格(grating)波瓣。这些栅格波瓣能够被视为一种形式的波束指向错误。
另一方面，如在[1]中所报告的，自适应天线系统能够操纵朝向(或来自)期望用户的辐射能量，与此同时最小化了对其他用户的干扰。这种策略的主要缺点在于波束指向错误问题，当移动用户从一个固定波束移动到下一个固定波束时，这种问题通常变得更加严重。
下文描述涉及波束形成和发射分集的其他的已知方法。
单天线阵列在单个波束上采用开环极化发射分集。在[4]中研究了用于WCDMA系统的由传统波束形成器(使用单个双极化天线阵列构造)和开环发射分集构成的混合方案。由时空分组编码器产生的两个符号每一个都在不同的极化天线单元上发射。传统的Bartlett(相位旋转)波束形成器用于将能量定向到期望用户的位置。
单天线阵列在两个所选的波束上采用开环发射分集。在[5]中，产生了涉及运动移动的和固定的波束天线系统的WCDMA链路仿真。基站根据上行链路测量判定用于下行链路发射的一组两个波束。然后，该基站在不同波束上并以不同时间间隔发射相同的符号。在每个波束上使用等量的能量。因此，信道条件不匹配，这意味着可以发射比必需能量更多的能量。如果移动用户的角展度处于第一下行链路波束的波束宽度范围内，那么将降低第二波束的能量，同时将会在该小区内引入对其他用户的附加干扰。
具有通过反馈信令借助或者不借助上行链路测量确定的天线加权的天线阵列：在[6]中，提供了使用单天线阵列的下行链路波束形成朝向每个移动用户形成两个波束。每个波束都使用开环发射分集信令。形成第一波束的天线加权由上行链路测量确定，而形成第二波束的天线加权由移动用户计算并发射到基站。在[6]中，推荐了一种替换的波束形成方法，其中单波束被定向到该移动用户并且波束的出射角由移动用户确定。在[7]中，在基站推荐天线阵列并且天线加权由移动用户确定并通过反馈信令发射给基站。对于每个基站的多单元阵列结构的知识是至关重要的。因此，对于每个移动用户来说必须知道在每个站点的基站天线系统设计。需要改变标准以接纳这些方法。如果移动用户规定了发射所使用的天线加权，那么能够折衷整个系统优化。
具有通过反馈信令确定的天线加权的分集天线阵列。近来，已经建议3GPP对用于四根发射天线的发射分集方法进行标准化。在[8]中已经报告了对本征波束形成器的影响，其中移动用户通过执行信道矩阵的本征分解来确定最佳天线加权。该最佳天线加权向量由主要的本征向量给出。为了减少反馈速率，在缓慢的基础上反馈对应于两个或更多最大本征值的本征向量，即在WCDMA的若干帧中完成这些向量的更新。在快速的水平上，例如一个时隙一个时隙地，选择该特定衰落模式下的最佳加权。由于建议在终端中必须遵循该方案，因此每个移动终端必须实现计算花费多的本征分解算法。由于必须标准化反馈格式，因此这种方法不适于覆盖大于或小于所建议四根天线的天线单元。
在每个分集分支具有天线阵列的分集天线系统。在[3]中，建议在用于CDMA2000标准的每个分集分支上使用正交发射分集(OTD)和空间一时间扩展(STS)。两组天线阵列被分离相隔很远以确保分集。通过在每个组中将天线单元相隔半个波长放置，在每组上使用波束形成。不需要改变任何标准。在[7]中，建议将分集天线系统用于WCDMA，这需要修改现存的标准。[3]和[7]都使用分布的天线阵列并随之增加了硬件复杂性。
所以，期望避免波束指向错误而不导致诸如上述的不利之处。
根据本发明，如果使用多于一条的下行链路波束向特定移动用户辐射数据，那么能够减轻波束指向错误的问题。还会如此调整每条波束上的信号，以便能够相干地组合在每个移动用户的接收信号，从而最小化整个发射功率，同时避免了波束指向错误。这将通过组合波束形成和闭环发射分集信令来实现。
附图说明
图1图示了已知系统中发生波束指向错误的示意情形。
图2图示了根据本发明具有多波束天线系统的无线通信收发信机设备的示意性实施例的相关部分。
图3更详细地图示了图2的示意性实施例的一部分。
图4更详细地图示了图2的示意性实施例的一部分。
图5示例了能够通过图2-4的实施例执行的示意性操作。
具体描述
图2图示了根据本发明具有多波束天线系统的无线通信收发信机设备的示意性实施例的相关部分。图2收发信机设备的实例中包括在蜂窝通信系统中使用的基站。收发信机设备能够经由通常在21所示例的无线通信链路与移动通信站进行通信。在下行链路上，图2的收发信机设备使用多条天线波束来发射信息给移动站(MS)。根据本发明有利的是，图2的收发信机组合传统自适应天线系统的下行链路波束形成原理和传统闭环发射分集系统的反馈信令，以相对于传统自适应天线系统获得改善的性能。
图2的天线结构22能够例如实现传统的固定多波束天线系统。波束图案确定器23能够使用传统的技术来确定必要的下行链路波束形成参数，例如波束数量，和其他波束形成信息诸如天线加权。例如，能够响应于传统上可用的上行链路测量信息，确定这些下行链路波束形成参数。作为一个实例，波束图案确定器23能够选择表现出最强的上行链路功率和/或质量测量的那些波束。在28向多个信号分割器24提供指示波束数量的信息，每个信号分割器都从K个用户中各自的用户接收数据信号。分割器24所接收的数据能够例如是与CDMA或WCDMA通信相关的扩展和加扰数据。分割器24根据波束图案确定器23所选择的波束数量，将每个到达的用户数据流进行分割。例如，如果在28指示两个波束，那么每个分割器24将它相关的输入数据流分割成两个相同的输出数据流，每个输出数据流进而又与输入数据流相同。
每个分割器24输出的数据流(这里也称之为波束信号)被输入到相应的相位/幅度调整器25。每个相位/幅度调整器25能够使用传统技术对它所接收的任何波束信号进行期望的相位和/或幅度调整。相位/幅度调整器25响应于从移动站接收的波束信号加权(这里也称之为波束加权)执行其相位/幅度调整操作，其中K个用户数据流旨在用于这些移动站。相位/幅度调整能够使得移动站能够相干组合从图2的收发信机所接收的信号。
每个移动站能够使用传统的技术来计算用于与其相关的波束信号的波束信号加权。例如，在传统的WCDMA系统中，移动站能够使用任何正交信道计算波束信号加权，例如S-CPICH(次说明导频信道：Secondary Comment Pilot CHannel)。所述移动站计算的波束信号加权能够使用传统技术，例如传统WCDMA系统中使用的FBI(反馈指示符)或FSM(反馈信令消息)被从移动站发射到图2的收发信机。
相位/幅度调整器25所产生的相位和/或幅度调整的波束信号输入到波束形成器/组合器26，该波束形成器/组合器26能够使用传统的波束形成和组合技术在27产生传统格式化的天线信令，其中能够使用该天线信令操作用于下行链路发射的传统多-波束天线系统(包括在天线结构22内)。响应于波束图案确定器23所产生的波束形成信息20，例如天线加权，执行波束形成器/组合器26的波束形成操作。
图3更详细图示了图2收发信机的示意实施例的相关部分。在图3中，从单个用户接收数据，并将它分割成两个波束信号。从用户的移动站接收相位/幅度调整器25(在本实例中为乘法器)使用的波束加权(在本实例中为复数波束加权w1和w2)，波束形成器1所使用的天线加权(w1，1，w1，2，w1，3和w1，4)和波束形成器2使用的天线加权(w2，1，w2，2，w2，3和w2，4)由波束图案确定器23提供。每个波束形成器将四个天线加权应用于它相关的相位/幅度调整过的波束信号，每个天线一个天线加权。分别利用其他波束形成器产生的相应信号组合(在求和模式33)每个波束形成器产生的四个相位/幅度调整过的、天线加权的波束信号。天线加权中的左右下标分别表示相关的波束和相关的天线。
图4图示了图2收发信机设备的其他示意性实施例的相关部分。图4示例了K个用户的一个实例。用户数据流每个被分割成两个波束信号，两条波束中的每一条一个。还在图4中，每个相位/幅度调整器25的输出在41切换到四个组合器43的每一个，组合器各自的输出被应用于传统的波束形成网络。从移动站接收相位/幅度调整器25使用的波束加权(w1 k和w2 k，对于k＝1...K用户)，并且波束形成网络接收图2的波束图案确定器23产生的波束形成信息20，例如天线加权。
图5示例了图2-4的实施例所能够执行的示意操作。在51从移动站接收上行链路测量信息和闭环发射分集反馈信息。之后在52，根据上行链路测量信息确定波束数量。在53，将每个用户数据流分割成数目等于所选波束数目的波束信号。在54，按照从移动站接收的闭环发射分集反馈信息所定向的，调整一个或更多的波束信号，以产生一组调整的波束信号。在55，确定天线加权。在56，响应于天线加权和该组调整的波束信号执行波束形成。
从以上描述中应该明白的是，本发明具有在某个方向辐射能量(波束形成)的优点，这确保了对处于其他方向的用户较少的干扰。相反，标准发射分集方法例如在整个小区发射能量。由于是通过执行下行链路发射的收发信机，而不是通过接收该发射的个别移动站来设计并选择下行链路波束形成加权的事实，可以获得以下优点：提高了系统容量，即系统能够最终容纳的用户数量；提高了系统吞吐量，即通信系统能够处理的数据总量；由于在移动站能够相干组合来自多条波束的信号，因此改进了功耗，即需要最少量的输出功率来满足所请求的QoS；提高了小区覆盖，即满足远离下行链路收发信机的用户的需求的能力；提高了链路质量，即确保移动用户接收可接受的QoS的能力。
本发明还提供了示意性的优点，即闭环发射分集信令和闭环功率控制一起被用来监视物理层信号的质量和调整链路的质量。而且，通过组合两条下行链路波束获得的附加增益没有不利地增加对其他用户的干扰水平。实际上，在某些实施例中，实际上减少了对其他用户的平均干扰，这取决于其他用户的位置。
尽管上面已经详细描述了本发明的示意性实施例，但是这不能限制本发明的范围，本发明能够在各种实施例中实施。

Claims (30)

1、一种用于支持经由多-波束天线系统到无线移动通信站的下行链路无线通信的设备，包括：
一个输入，用于接收与无线移动通信站相关的数据流；
耦合至所述输入的分割器，用于从所述数据流产生一组波束信号；
耦合至所述分割器的调整器，用于接收所述波束信号，所述调整器包括输入，该输入用于接收所述无线移动通信站经由无线通信链路已提供的反馈信息，所述调整器可操作用于根据所述反馈信息调整至少一个所述波束信号，以产生一组调整过的波束信号；
耦合至所述调整器的波束形成单元，用于从调整器接收所述一组调整过的波束信号，所述波束形成单元具有用于接收波束形成控制信息的输入，所述波束形成单元响应于所述一组调整过的波束信号和所述波束形成控制信息，产生用于多-波束天线系统的天线信息；和
耦合至所述波束形成单元的输出，用于向所述多-波束天线系统提供所述天线信息。
2、根据权利要求1所述的设备，其中，所述调整器用于相位调整所述至少一个波束信号。
3、根据权利要求2所述的设备，其中，所述调整器还用于幅度调整所述至少一个波束信号。
4、根据权利要求1所述的设备，其中，所述调整器用于幅度调整所述至少一个波束信号。
5、根据权利要求1所述的设备，包括波束图案确定器，用于确定多-波束天线系统将要实现的波束图案中的波束数量，所述波束图案确定器耦合至所述分割器，用于向其提供指示所述波束数量的波束数量信息，所述分割器响应于所述波束数量信息，提供所述波束信号数量等于波束数量的所述一组波束信号。
6、根据权利要求5所述的设备，其中，所述波束图案确定器还耦合至所述波束形成单元输入，用于向其提供所述波束形成控制信息。
7、根据权利要求6所述的设备，其中，所述波束图案确定器包括一个输入，用于接收从无线通信链路获得的测量信息，所述波束图案确定器响应于所述测量信息，确定波束的所述数量，并提供所述波束形成控制信息。
8、根据权利要求1所述的设备，其中，所述波束形成控制信息包括天线加权。
9、根据权利要求1所述的设备，被提供在WCDMA基站中，并且所述无线移动通信站使用FBI和FSM其中之一提供所述反馈信息。
10、根据权利要求1所述的设备，其中，所述波束形成单元包括多个波束形成器，用于分别接收所述一组调整过的波束信号中的波束信号，每个所述波束形成器可操作用于响应于相关的波束信号和所述波束形成控制信息，产生多个波束形成器输出信号，所述波束形成单元还包括耦合至所述波束形成器的组合器，用于组合所述多个波束形成器输出信号以产生所述天线信息。
11、根据权利要求1所述的设备，其中，所述波束形成单元包括多个组合器，每个所述组合器用于接收所述一组调整过的波束信号中的每个所述波束信号，每个所述组合器响应于接收的波束信号产生相应的组合器输出信号，所述波束形成单元包括耦合至所述组合器的波束形成网络，并响应于所述组合器输出信号产生所述天线信息。
12、根据权利要求1所述的设备，其中，所述调整器包括乘法器以及所述反馈信息包括复数波束加权。
13、根据权利要求1所述的设备，包括多个所述输入、多个所述分割器，和多个所述调整器，每个所述分割器耦合至所述输入中相应的一个，每个所述调整器耦合至所述分割器中相应的一个，并且所述波束形成单元耦合至每个所述调整器。
14、一种用于经由多-波束天线系统实现到无线移动通信站的下行链路无线通信的方法，包括：
接收与所述无线移动通信站相关的数据流；
从所述数据流产生一组波束信号；
根据经由无线通信链路从所述无线移动通信站接收的反馈信息，调整至少一个所述波束信号以产生一组调整过的波束信号；
使用该组调整过的波束信号执行波束形成操作，包括组合该组调整过的波束信号和波束形成控制信息；以及
响应于所述波束形成操作，操作所述多-波束天线系统用于到无线移动通信站的下行链路无线通信。
15、根据权利要求14所述的方法，其中，所述调整步骤包括相位调整和幅度调整所述至少一个波束信号其中之一。
16、根据权利要求14所述的方法，其中，所述调整步骤包括相位调整和幅度调整所述至少一个波束信号。
17、根据权利要求14所述的方法，包括确定多-波束天线系统将要实现的波束图案中的波束数量，所述产生步骤包括提供所述波束信号数量等于波束数量的所述一组波束信号。
18、根据权利要求17所述的方法，其中，所述确定步骤包括响应于从无线通信链路获得的测量信息确定波束的所述数量，以及包括响应于所述测量信息提供所述波束形成控制信息。
19、根据权利要求18所述的方法，其中，所述测量信息包括上行链路功率测量信息和下行链路质量测量信息其中之一。
20、根据权利要求14所述的方法，包括所述无线移动通信站使用FBI和FSM其中之一经由WCDMA无线通信链路发射所述反馈信息。
21、根据权利要求14所述的方法，其中，所述调整步骤包括将所述至少一个波束信号乘以复数波束加权。
22、一种用于执行到无线移动通信站的下行链路无线通信的设备，包括：
一个输入，用于接收与无线移动通信站相关的数据流；
耦合至所述输入的分割器，用于从所述数据流产生一组波束信号；
耦合至所述分割器的调整器，用于接收所述波束信号，所述调整器包括输入，该输入用于接收所述无线移动通信站经由无线通信链路已提供的反馈信息，所述调整器可操作用于根据所述反馈信息调整至少一个所述波束信号，以产生一组调整过的波束信号；
耦合至所述调整器的波束形成单元，用于从调整器接收所述一组调整过的波束信号，所述波束形成单元具有用于接收波束形成控制信息的输入，并且所述波束形成单元响应于所述一组调整过的波束信号和所述波束形成控制信息，产生天线信息；和
耦合至所述波束形成单元的多-波束天线系统，响应于所述天线信息用于向所述无线移动通信站进行下行链路发射。
23、根据权利要求22所述的设备，该设备被提供作为WCDMA基站。
24、根据权利要求23所述的设备，其中，所述无线移动通信站使用FBI和FSM其中之一提供所述反馈信息。
25、根据权利要求22所述的设备，其中，所述调整器用于相位调整和幅度调整所述至少一个波束信号其中之一。
26、根据权利要求22所述的设备，其中，所述调整器用于相位调整和幅度调整所述至少一个波束信号。
27、根据权利要求22所述的设备，其中，所述波束形成单元包括多个波束形成器，该波束形成器用于分别接收所述一组调整过的波束信号中的波束信号，每个所述波束形成器可操作用于响应于相关的波束信号和所述波束形成控制信息，产生多个波束形成器输出信号，所述波束形成单元还包括耦合至所述波束形成器的组合器，用于组合所述多个波束形成器输出信号以产生所述天线信息。
28、根据权利要求22所述的设备，其中，所述波束形成单元包括多个组合器，每个所述组合器用于接收所述一组调整过的波束信号中的每个所述波束信号，每个所述组合器响应于接收的波束信号产生相应的组合器输出信号，所述波束形成单元包括耦合至所述组合器的波束形成网络，响应于所述组合器输出信号产生所述天线信息。
29、根据权利要求22所述的设备，其中，所述调整器包括乘法器以及所述反馈信息包括复数波束加权。
30、根据权利要求22所述的设备，包括多个所述输入、多个所述分割器，和多个所述调整器，每个所述分割器耦合至所述输入中相应的一个，每个所述调整器耦合至所述分割器中相应的一个，并且所述波束形成单元耦合至每个所述调整器。
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