CN1882183A - 用于提供静态波束赋形的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在无线通信系统中、优选地在UMTS系统中提供静态波束赋形的方法。本方法的特征在于使用基站的天线阵列，所述天线阵列形成至少一个固定波束，因此所述天线阵列覆盖至少两个小区，每个小区由至少两个波束覆盖。覆盖一个小区的至少两个波束使用相同的扰码以及相同的相位参考，其中基站自主地决定覆盖一个小区的至少两个固定波束中哪个波束应该对信道提供服务。

Description

用于提供静态波束赋形的方法和设备
技术领域
本发明涉及无线通信系统，特别是WCDMA(宽带码分多址)系统。更为优选地，本发明涉及采用HSDPA(高速下行分组接入)技术的WCDMA系统。
背景技术
在UMTS(通用移动电信系统)系统中，基站(也称为节点B)通过UTRAN(UMTS陆地无线接入网)空中接口与用户装置(UE)进行通信。通常，每个节点B覆盖一个或几个小区，并且整个通信系统包括众多的小区。无线网络控制器对通信系统的节点B提供的服务进行协调。这种协调的一个例子如从第一小区到第二小区的切换是由无线网络控制器来组织的。
用于UMTS的一种无线接入技术是WCDMA(宽带码分多址)。WCDMA的UTRA/FDD(陆地无线接入/频分双工)模式支持多天线发射技术以提高覆盖范围、系统吞吐量和频谱利用率。通常，每个小区使用两到四个Tx天线(发射天线)，因此小区中天线数量的加倍将产生3dB的增益。使用多天线发射技术提高了信噪比，提高了信号质量，并且减小了干扰量。
第三代合作伙伴计划(3GPP)的文献3G TR 25.887的第1.0.0版(2001年12月)对可变的波束赋形和用固定波束栅格进行波束赋形进行了区分。后一种波束赋形也称为静态波束赋形(static beamforming)。
可变的波束赋形应该以与上述3GPP文献中对其进行的定义相同的方式来理解。可变的波束赋形由波束赋形天线实现，其中通过对所接收的信号和所发射的信号施加权重矢量以控制在天线单元上施加的信号间的相对相位，从而形成上行波束和下行波束。权重矢量是可变的，因此波束方向是可变的。
用固定波束栅格进行波束赋形也应该以与在上述3GPP文献中对其进行的定义相同的方式来理解。在这种情况下，使用波束赋形天线，其中以波束方向固定的方式来形成上行波束和下行波束。本发明只涉及用固定波束栅格进行波束赋形的情况。更加特别地，本发明涉及下行连接，即考虑用于从基站到UE的传输的波束赋形。
在UMTS系统中，用户装置需要相位参考以便能够建立到节点B的连接。如果要实现用固定波束栅格进行波束赋形，上述3GPP文献3GTR 25.887第1.0.0版(2001年12月)中规定了两种可能的方法。第一种可能方法是每个波束自身具有用作相位参考的辅助公共导频信道(S-CPICH)。在另一种可能方法中，将专用物理控制信道(DPCCH)用作相位参考。在两种情况下，无线网络控制器将选择小区中的哪个波束将向用户装置提供服务，并且节点B将根据无线网络控制器的这个决定向用户装置提供服务。
上述3GPP文献所提议的方案有一些缺点。一个缺点是无线网络控制器与节点B之间需要较高层的信令。例如，需要交换根据称为节点B应用部分(NBAP)的网络层信令协议的少量信号。在文献3GPP TS25.433V 5.12.0(2005年3月)-版本5中规定了这种信令。而且必须使用少量的无线资源控制(RRC)信令。这种RRC信令在其他情况下是必需的，其用于指导UE应该选择哪个波束。另一个缺点是，该方法导致在波束转换中产生约1秒的较大时延，其使得交换更加困难。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用固定波束栅格进行波束赋形的方法和相应的基站，其实现小区中更快的波束转换，同时在基站与无线网络控制器之间使用较少的信令。
本发明的另一个目的是所述解决方案遵从3GPP标准-版本5的技术规范。
本发明的再一个目的是在提供HSDPA服务的情况下增大数据率。
通过独立权利要求的特征解决了该目的和其他的目的。通过从属权利要求的特征描述了本发明的另外的实施例。应该注意，权利要求中的任何参考符号都不应该解释为限制本发明的范围。
本发明的第一方面涉及用于在无线通信系统中提供静态波束赋形的方法。因此，本方法是用于具有如3GPP文献3G TR 25.887第1.0.0版(2001年12月)中所定义的用固定波束栅格进行波束赋形的方法。本方法使用基站(特别是UMTS系统中的节点B)的天线阵列(antennaarrangement)，以形成至少两个固定波束。因此，每个波束具有空间固定的波束方向，从而实现了静态的波束赋形。天线阵列覆盖通信系统的至少一个小区，从而该小区被至少两个波束覆盖。而且，基站自主地决定：覆盖一个小区的至少两个固定波束中哪个波束应该向终端提供服务。
已经发现，在背景技术章节中所述的现有技术的缺点是因为这样一个事实，即无线网络控制器参与了：
a)波束选择，即选择小区中的哪个波束应该向位于所述小区中的终端提供服务，以及
b)在小区中的第一波束与第二波束之间进行切换。在本说明书中将这种切换称为波束切换，从而与终端从第一小区向第二小区移动时发生的切换相区别。将后一种切换称为小区切换。
因为无线网络控制器的这种参与，信令需要额外的时间，即基站与无线网络控制器之间交换信息需要额外的时间。
因而，提出一种方法，在该方法中基站自主地确定覆盖一个小区的至少两个固定波束中哪个波束应该向终端提供服务。以这种方式，基站实现上述的步骤a)和b)，而不需要无线网络控制器的参与。
为了实现根据上面情况a)的波束选择，基站适于识别向其小区内的终端提供服务的波束。为此，节点B能够执行与小区中的每个波束内的移动终端有关的专门测量。例如，如果节点B探测到某个终端在另一个波束中接收基站的质量比当前用于传输的波束更好，则节点B可以决定用该新波束来替代当前的波束进行传输。
如果终端在同一小区内从第一波束的覆盖区域移动到第二波束的覆盖区域，这种情况也由基站进行探测。在这种情况下，基站仅仅将用于下行传输的波束从第一波束改为第二波束。这涉及到沿所有信道的传输，特别涉及到沿DPCCH(专用物理控制信道)、DPDCH(专用物理数据信道)、HS-SCCH(高速共享控制信道)和HS-PDSCH(高速物理下行共享信道)信道的传输。
按如下方式实现波束切换：节点B执行对上行链路的无线链路质量的测量，并且将其结果用于波束选择。由基站自主地进行对波束切换的决定，即在没有无线网络控制器参与的情况下进行对波束切换的决定。
所提议的方法提供的好处是波束切换时延远小于现有技术的时延。根据本发明，波束切换时延在50毫秒和100毫秒之间，相比较而言现有技术中波束切换时延大约为1秒。因此，能以更快的方式实现波束切换，这在异构网络中尤为重要。而且，减少了在基站与无线网络控制器之间使用的较高层信令。
应该注意，小区切换还是由无线网络控制器以其在现有技术中的相同方式来执行。因此，由终端执行下行链路的测量，并且将其结果通过基站传送给无线网络控制器。接着，无线网络控制器对小区切换做出决定。以这种方式，本发明与上述的3GPP标准兼容。
基站的天线阵列形成文献3GPP TR25.887第5版(第1.0.0版出版于2001年12月)中定义的固定波束栅格。因此，本发明使用至少两个固定波束，即由天线阵列形成的至少两个空间固定的波束。为了该目的，可以使用校准的线性天线阵或环形天线阵。
天线阵列覆盖至少一个小区。在本文中，将术语“小区”定义为某个载波频率的一个扇区，因此每个小区具有用于下行链路传输的专用扰码。通常可以从WCDMA的UTRA/FDD模式了解该定义。
在本发明的一个优选的实施例中，覆盖一个小区的至少两个波束使用相同的扰码。其好处是不需要将扰码的改变告知UE。这样在无线链路重新配置之类的程序过程中避免了使用较高层的信令，即分别指NBAP信令和RRC信令。
在本发明的另一个优选的实施例中，覆盖一个小区的至少两个波束针对下行链路连接使用相同的相位参考。原因是这样可以避免节点B必需向UE传送相位参考的情况，而这种情况是会导致增加开销的。用于在小区中提供单一相位参考的一种可能方法是对覆盖一个小区的所有波束使用单个辅助公共导频信道(S-CPICH)。
在另一个优选的实施例中，将下行链路的专用物理控制信道(DPCCH)或小区特定的基本公共导频信道(P-CPICH)用作终端与基站进行通信的相位参考。在这些情况下，波束特定的S-CPICH既不用作UE的相位参考，也不会进行配置，即没有S-CPICH分配给每个波束。
如果使用了P-CPICH，则该信道可以是由固定波束栅格形成的波束的集成部分。在另一种情况下，可以由另外的小区波束来提供P-CPICH。在后一种情况下，性能更好，例如给定比特误码率下的信噪比更高。
一种优选的无线通信系统是采用WCDMA作为无线接入技术的UMTS系统，更优选的是以UTRA/FDD模式运行的WCDMA系统。在这种情况下，也将基站称为节点B，并且将终端称为用户装置(UE)。
在另一个优选的实施例中，无线通信系统使用由3GPP-版本5标准定义的高速下行链路分组接入(HSDPA)，其中天线阵列覆盖至少一个小区。在这种情况下，上述方法将减少小区内的干扰，这通常会由于提高的信噪比而提高吞吐量，并且特别会增加在HSDPA情况下的吞吐量。
在另一个优选的实施例中，对覆盖一个小区的所有波束使用单个辅助公共导频信道(S-CPICH)。在这种情况下，基站能够自主地决定哪个波束应该对用户装置提供服务，而使用不同的S-CPICH将需要无线网络控制器的参与，其中无线网络控制器将决定应该使用哪个辅助公共导频信道对用户装置提供服务。在这种情况下，对覆盖一个小区的所有波束使用单个S-CPICH导致较少的用于较高层信令的开销。
根据本发明的一个优选的实施例，将数据分组同时调度给由小区中的不同波束提供服务的终端。这限制了这些终端之间的互扰，使得有可能重用相同的信道化码(channelization code)资源。换言之，可以使用空分多址接入(SDMA)，增加下行链路的小区吞吐量。上述分组调度程序将被实现为基站中的MAC-hs(媒体接入控制子层)分组调度程序的扩展。
根据本发明的另一方面，要求保护一种基站，其包括一种计算机程序产品，可以将所述计算机程序产品直接装载进基站的内部存储器，并且所述计算机程序产品包括用于执行上述方法的软件代码部分。在这种情况下所述计算机程序产品是基站中的固件，可以对其进行更新以实现根据本发明的方法。应该注意，实现本发明不需要对用户装置或者无线网络控制器进行改动。
附图说明
图1示出了无线通信系统；
图2示出了根据本发明的波束方向图。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的UMTS系统，其使用WCDMA作为无线接入技术。该UMTS系统具有类似小区的结构(cell-like structure)，其中小区5、5′和5″中的每个小区都具有单个节点B，分别以3、3′和3″来表示。节点B3包括固件，其中所述固件能够实现如上所述的方法。
每个节点B3、B3′和B3″通过电缆10、10′、10″连接到无线网络控制器7。小区切换，即从第一小区到第二小区的切换(例如从小区5到小区5′)是由无线网络控制器7执行的。为了该目的，用户装置6持续测量无线连接质量，并且通过节点B3向无线网络控制器7发送数据。如果终端从小区5向小区5′移动，其到达这两个小区之间的边界区域，在该区域从用户装置6到节点B3的无线连接质量降级，而从用户装置6′到节点B3′的无线连接质量增强。无线网络控制器7决定什么时候应该执行小区切换并且相应地通知节点B3、3′。
图2示出了根据上述方法获得的波束方向图。
节点B3具有包括4个发射(Tx)线性天线的天线阵列2。该节点B3配置为在采用以UTRA/FDD模式操作的WCDMA的UMTS系统中运行。而且该节点适于根据3GPP-版本5提供HSDPA服务。
天线阵列总共形成4个波束4、4′、4″和4。每个波束的波束宽是30°的方位角。两个波束4和4′覆盖第一小区5，而波束4″和4覆盖第二小区5′。因此，天线阵列覆盖两个小区5、5′，其中每个小区被两个波束覆盖。
节点B配置为决定在覆盖单个小区的至少两个固定波束中哪个波束应该对终端提供服务。因此，节点B可以决定是波束4还是波束4′应该对位于小区5中的终端提供服务，以及是波束4″还是波束4应该对位于小区5′中的终端提供服务。
与单个波束用于一个小区的情况相比，由节点B及其天线阵列2实现的静态波束赋形产生3dB的增益。这样减少了系统中用户装置之间的互扰。而且，如所期望的，本方法减少了较高层的信令。
第一小区5中的波束4和4′对位于其覆盖区域中的用户装置使用相同的扰码。相应地，小区5′具有用于波束4″和4的单个小区特定的扰码。图2的小区5、5′中的每个小区使用分别由另外的小区波束8和8′提供的小区特定的P-CPICH。
应该注意，单个S-CPICH被用于覆盖一个小区的所有波束。因此，波束4和4′使用相同的第一S-CPICH。而且，波束4″和4使用相同的S-CPICH。
如果用户装置在小区5中从波束4的覆盖区域向波束4′的覆盖区域移动，节点B3自主地安排波束切换。该操作同样适用于用户装置从波束4″的覆盖区域向波束4的覆盖区域移动的情况。波束转换时延在50和100毫秒之间，并且因此远小于有无线网络控制器参与情况下的时延。然而，如果用户装置从小区5向小区5′移动，则由无线网络控制器(未示出)对从小区5到小区5′的小区切换做出决定。在所有情况下，切换都涉及到沿DPCCH、DPDCH、HS-SCCH和HS-PDSCH信道的传输。
将HSDPA模式下的数据分组同时调度给由小区内的不同波束服务的终端。这意味着两个波束4和4′使用单个分组调度程序9，而波束4″和4使用单个分组调度程序9′。这限制了在小区5和小区5′中的用户装置之间的互扰，使得有可能重用相同的信道化码资源。换言之，可以实现需要对MAC-hs分组调度程序进行扩展的SDMA，以实现对用户的空间划分以及可能的码重用。

Claims (11)

1.一种用于在无线通信系统(1)中提供静态波束赋形的方法，
其中基站(3)的天线阵列(2)形成至少两个固定波束(4，4′，4″，4)；
其中所述天线阵列覆盖至少一个小区(5，5′)，所述小区由至少两个波束覆盖；
并且其中所述基站自主地决定覆盖一个小区的所述至少两个固定波束中哪个波束应该对终端(6)提供服务。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于
覆盖一个小区的所述至少两个波束使用相同的扰码。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于
在覆盖一个小区的所述至少两个波束中针对用户装置使用相同的相位参考。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于
所述无线通信系统是WCDMA系统，优选的是以UTRA/FDD模式运行的WCDMA系统。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于
所述无线通信系统适于提供HSDPA服务。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于
将专用物理控制信道(DPCCH)或小区特定的基本公共导频信道(P-CPICH)用作终端与所述基站进行通信的相位参考。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于
所述小区特定的基本公共导频信道(P-CPICH)是由另外的小区波束提供的。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于
将单个辅助公共导频信道(S-CPICH)用于覆盖一个小区的所有波束。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于
将数据分组同时调度给由小区内的不同波束提供服务的终端。
10.一种基站，包括计算机程序产品，所述计算机程序产品可以直接装载到所述基站的内部存储器中，并且所述计算机程序产品包括软件代码部分，所述软件代码部分用于执行根据所述权利要求1-9中任意一项所述的方法。
11.根据权利要求10所述的基站，其特征在于
其适于运行于WCDMA的UTRA/FDD模式。
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