无线通信系统中的装置和方法与制造工艺

文档序号:11158090
无线通信系统中的装置和方法与制造工艺
本公开涉及无线通信技术领域,并且更具体地,涉及一种基于大规模天线和较少的射频链路来实现混合三维波束成形的无线通信系统中的装置和方法。

背景技术:
随着未来移动通信的不断发展,三维波束成形技术得到越来越多的关注。大规模天线技术被认为是下一代移动通信(5G)的关键技术之一。图1示出了大规模天线的多用户-多输入多输出(MU-MIMO)系统的场景示例,其中,小区中设置有一个基站和多个用户设备,并且基站配备有大规模天线以为多个用户设备提供服务。由于基站采用大规模天线,因此系统的空间分辨率得到提高。当天线阵列构成一个面阵时,就有可能实现三维波束成形。现有技术已对大规模天线条件下的三维波束成形技术进行了一定的研究。在现有技术中,通常是通过设置与天线数量相同的射频链路来实现三维波束成形,然而,在大规模天线部署的条件下,射频成本将会变得很高,系统的技术复杂度也会很高。为了降低成本和复杂度,大规模天线系统中利用较少射频链路的混合三维波束成形技术得到了很大的关注,但是关于这方面的研究目前仍然较少。

技术实现要素:
在下文中给出了关于本公开的简要概述,以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。但是,应当理解,这个概述并不是关于本公开的穷举性概述。它并不是意图用来确定本公开的关键性部分或重要部分,也不是意图用来限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出关于本公开的某些概念,以此作为稍后给出的更详细描述的前序。鉴于以上问题,本公开的目的是提供一种利用大规模天线和较少的射频链路来实现混合三维波束成形的无线通信系统中的装置和方法,以在降 低成本的同时实现较优的通信性能。根据本公开的一方面,提供了一种无线通信系统中的基站侧的装置,其中,基站设置有第一数量的天线和第二数量的射频链路,并且第二数量小于第一数量,该装置包括:粗略到达角估计单元,被配置成基于选自第一数量的天线中的第二数量的天线和第二数量的射频链路,估计水平域和垂直域的粗略到达角对;候选到达角估计单元,被配置成基于所估计的粗略到达角对以及分别根据第一数量的天线和第二数量的天线确定的水平域和垂直域的波束宽度,确定水平域和垂直域的候选到达角对;以及精确到达角确定单元,被配置成根据来自用户设备的训练信号,计算关于候选到达角对的投影分量与真实分量之间的差值,并将所计算出的差值最小的候选到达角对确定为针对用户设备的水平域和垂直域的精确到达角对,其中,投影分量是通过将基站对训练信号的实际接收信号投影到根据候选到达角对定义的导向矢量上而确定的,真实分量是根据训练信号和基站与用户设备之间的信道状况参数而确定的。根据本公开的优选实施例,第一数量的天线是二维面天线阵列,并且第二数量的天线是选自该二维面天线阵列的子阵列。根据本公开的另一优选实施例,候选到达角估计单元进一步被配置成基于分别根据第一数量的天线和第二数量的天线确定的水平域和垂直域的波束宽度之间的关系而确定候选到达角对的数量,并且根据所确定的数量、以粗略到达角对为中心确定候选到达角对,以使得所确定数量的候选到达角对均匀地分布在根据第二数量的天线确定的水平域和垂直域的波束宽度的范围内。根据本公开的另一优选实施例,粗略到达角估计单元进一步被配置成通过多信号分类(MultipleSignalClassification,MUSIC)方法或信号参数的旋转不变性估计(EstimationofSignalParametersViaRotationalInvarianceTechniques,ESPRIT)方法来估计粗略到达角对。根据本公开的另一优选实施例,差值表示投影分量与真实分量之间的欧氏距离。根据本公开的另一优选实施例,信道状况参数包括信道慢变特性参数。根据本公开的另一优选实施例,该装置还包括:模拟波束成形向量生成单元,被配置成基于精确到达角对而生成模拟波束成形向量;物理信道 确定单元,被配置成基于模拟波束成形向量和根据来自用户设备的探测参考信号而估计的上行等效信道,确定基站与用户设备之间的物理信道;以及数字预编码向量生成单元,被配置成基于模拟波束成形向量、物理信道和预定的接收准则而生成数字预编码向量。根据本公开的另一优选实施例,该装置还包括:模拟波束成形向量生成单元,被配置成基于精确到达角对和载波频率而生成模拟波束成形向量;以及数字预编码向量生成单元,被配置成根据用户设备反馈的信道状态信息而生成数字预编码向量,其中,信道状态信息是用户设备根据基站利用精确到达角对发射的参考信号进行下行等效信道估计而得到的。根据本公开的另一优选实施例,该装置是基站,并且该基站还包括:通信单元,被配置成根据上行等效信道对用户设备进行上行数据接收,并且利用模拟波束成形向量和数字预编码向量对用户设备进行下行数据传输,其中,上行等效信道是根据来自用户设备的探测参考信号而估计的。根据本公开的另一优选实施例,通信单元还被配置成向用户设备发送用于发射训练信号或探测参考信号的指示。根据本公开的另一优选实施例,该装置还包括:距离确定单元,被配置成根据所确定的精确到达角对而确定基站到用户设备的距离。根据本公开的另一方面,还提供了一种无线通信系统中的基站侧的方法,其中,基站设置有第一数量的天线和第二数量的射频链路,并且第二数量小于第一数量,该方法包括:粗略到达角估计步骤,用于基于选自第一数量的天线中的第二数量的天线和第二数量的射频链路,估计水平域和垂直域的粗略到达角对;候选到达角估计步骤,用于基于所估计的粗略到达角对以及分别根据第一数量的天线和第二数量的天线确定的水平域和垂直域的波束宽度,确定水平域和垂直域的候选到达角对;以及精确到达角确定步骤,用于根据来自用户设备的训练信号,计算关于候选到达角对的投影分量与真实分量之间的差值,并将所计算出的差值最小的候选到达角对确定为针对用户设备的水平域和垂直域的精确到达角对,其中,投影分量是通过将基站对训练信号的实际接收信号投影到根据候选到达角对定义的导向矢量上而确定的,真实分量是根据训练信号和基站与用户设备之间的信道状况参数而确定的。根据本公开的另一方面,还提供了一种无线通信系统中的用户设备侧的装置,该装置包括:通信单元,被配置成根据来自基站的指示而向基站 发射训练信号,以用于基站利用第一数量的天线和第二数量的射频链路确定针对用户设备的水平域和垂直域的到达角对,其中,第二数量小于第一数量。根据本公开的另一方面,还提供了一种无线通信系统中的用户设备侧的方法,该方法包括:根据来自基站的指示而向基站发射训练信号,以用于基站利用第一数量的天线和第二数量的射频链路确定针对用户设备的水平域和垂直域的到达角对,其中,第二数量小于第一数量。根据本公开的另一方面,还提供了一种电子设备,该电子设备可包括收发机和一个或多个处理器,这一个或多个处理器可被配置成执行上述根据本公开的无线通信系统中的方法或相应单元的功能。根据本公开的其它方面,还提供了用于实现上述根据本公开的方法的计算机程序代码和计算机程序产品以及其上记录有该用于实现上述根据本公开的方法的计算机程序代码的计算机可读存储介质。根据本公开的实施例,通过利用大规模天线和较少的射频链路以两步方式来确定关于目标用户设备的水平域和垂直域的精确到达角对以实现混合三维波束成形,能够降低成本,减小用户设备之间的相互干扰,提高系统的可达数据速率。在下面的说明书部分中给出本公开实施例的其它方面,其中,详细说明用于充分地公开本公开实施例的优选实施例,而不对其施加限定。附图说明本公开可以通过参考下文中结合附图所给出的详细描述而得到更好的理解,其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并形成说明书的一部分,用来进一步举例说明本公开的优选实施例和解释本公开的原理和优点。其中:图1是示出大规模天线多用户-多输入多输出(MU-MIMO)系统的场景示例的示意图;图2是示出根据本公开的实施例的用于混合波束成形的大规模MIMO基站的示例结构的示意图;图3是示出根据本公开的实施例的无线通信系统中的基站侧的装置 的功能配置示例的框图;图4是示出根据本公开的实施例的用于粗略到达角估计的示例配置的示意图;图5是示出根据本公开的实施例的用于候选到达角估计的示意图;图6是示出根据本公开的实施例的无线通信系统中的基站侧的装置的另一功能配置示例的框图;图7是示出根据本公开的实施例的无线通信系统中的基站侧的装置的另一功能配置示例的框图;图8是示出根据本公开的实施例的无线通信系统中的基站侧的装置的另一功能配置示例的框图;图9是示出根据本公开的实施例的无线通信系统中的用户设备侧的装置的功能配置示例的框图;图10是示出根据本公开的实施例的无线通信系统中的用户设备侧的装置的另一功能配置示例的框图;图11是示出根据本公开的实施例的无线通信系统中的信令交互过程的流程图;图12是示出根据本公开的实施例的无线通信系统中的基站侧的方法的过程示例的流程图;图13是示出根据本公开的实施例的无线通信系统中的用户设备侧的方法的过程示例的流程图;图14是示出在第一示例条件下的应用本技术的系统可达数据速率仿真的示意图;图15是示出在第二示例条件下的应用本技术的系统可达数据速率仿真的示意图;图16是示出在第三示例条件下的应用本技术的系统可达数据速率仿真的示意图;图17是作为本公开的实施例中可采用的信息处理设备的个人计算机的示例结构的框图;图18是示出可以应用本公开的技术的演进型节点(eNB)的示意性配置的第一示例的框图;图19是示出可以应用本公开的技术的eNB的示意性配置的第二示例的框图;图20是示出可以应用本公开的技术的智能电话的示意性配置的示例的框图;以及图21是示出可以应用本公开的技术的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结合附图对本公开的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见,在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而,应该了解,在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定,以便实现开发人员的具体目标,例如,符合与系统及业务相关的那些限制条件,并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外,还应该了解,虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的,但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说,这种开发工作仅仅是例行的任务。在此,还需要说明的一点是,为了避免因不必要的细节而模糊了本公开,在附图中仅仅示出了与根据本公开的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤,而省略了与本公开关系不大的其它细节。接下来,将参照图1至图21描述本公开的实施例。首先,将参照图2描述根据本公开的实施例的用于混合波束成形的大规模MIMO基站的示例结构。图2是示出根据本公开的实施例的用于混合波束成形的大规模MIMO基站的示例结构的示意图。如图2所示,假设基站配备有T根天线,在该小区中存在K个用户,并且基站与用户设备之间存在G条射频链路,其中,满足以下关系:T>>G≥K。即,在该MU-MIMO系统中,射频链路的数量远远小于基站所配备的天线数量,因此可以大大降低系统的复杂度和成本。可以理解,在三维波束成形技术中,确定用户设备的波束方向是核心所在,但是由于在该系统中射频链路的数量远远小于基站所配备的天线数量,因此对于基站与用户设备之间的信道状态信息的获取提出了新的挑战。接下来,将详细描述根据本公开的实施例的基于大规模天线和较少的射频链路,从角度域以两步方式来确定对于用户设备的波束方向的技术。图3是示出根据本公开的实施例的无线通信系统中的基站侧的装置的功能配置示例的框图。在该无线通信系统中,假设基站设置有第一数量(假设为T)的天线和第二数量(假设为G)的射频链路,其中第二数量小于第一数量,并且存在例如K个用户设备(1≤K≤G)。如图3所示,根据该示例的装置300可包括粗略到达角估计单元302、候选到达角估计单元304和精确到达角估计单元306。如上所述,由于射频链路的数量小于天线的数量,因此,本公开提出了以两步方式来确定对于用户设备的到达角对(包括水平域和垂直域的到达角)。粗略到达角估计单元302可被配置成基于选自第一数量的天线中的第二数量的天线和第二数量的射频链路,估计水平域和垂直域的粗略到达角对。图4是示出根据本公开的实施例的用于粗略到达角估计的示例配置的示意图。如图4所示,通过为G条射频链路中的每一条射频链路分配一根天线而从T根天线中选择G根天线。在本公开的实施例中,优选地,第一数量的(即,T根)天线为二维面天线阵列,并且所选择的G根天线为该二维面阵列中的一个子阵列(包括G根天线)。应指出,在为G条射频链路分配天线时并不限定具体的分配规则,只要满足所选择的G根天线构成T根天线的二维面天线阵列的子阵列即可。优选地,粗略到达角估计单元302可通过多信号分类(MultipleSignalClassification,MUSIC)方法或信号参数的旋转不变性估计(EstimationofSignalParametersViaRotationalInvarianceTechniques,ESPRIT)方法来估计粗略到达角对。具体的估计方法可参见现有技术中的有关描述,在此不再赘述。这里,假设粗略到达角估计单元302估计得到的水平域和垂直域的粗略到达角对为由于在估计的过程中使用了G根天线,因此,可以认为角度分辨率为1/G。候选到达角估计单元304可被配置成基于所估计的粗略到达角对以及分别根据第一数量的天线和第二数量的天线确定的水平域和垂直域的波束宽度,确定水平域和垂直域的候选到达角对。如上所述,在使用G根天线时的角度分辨率为1/G,而实际上基站配 备有T根天线,即,实际的角度分辨率应该为1/T。也就是说,需要基于以上估计的粗略到达角对而进一步精确地确定针对目标用户设备的到达角对。具体地,候选到达角估计单元304可进一步被配置成基于分别根据第一数量的天线和第二数量的天线确定的水平域和垂直域的波束宽度之间的关系而确定候选到达角对的数量,并且根据所确定的数量、以粗略到达角对为中心确定候选到达角对,以使得所确定数量的候选到达角对均匀地分布在根据第二数量的天线确定的水平域和垂直域的波束宽度的范围内。具体地,这里以半功率波束宽度作为波束宽度的示例进行描述,但是波束宽度的含义并不限于此。由于基站使用的是均匀分布的二维面天线阵列,那么,当使用T根天线时,垂直半功率波束宽度可以被定义为以下等式(1):其中,λ表示波长,θ0是垂直到达角。水平半功率波束宽度可以被定义为以下等式(2):相应地可以得到使用G根天线时的垂直半功率波束宽度和水平半功率波束宽度。由于使用G根天线时的角度分辨率小于使用T根天线时的角度分辨率,因此,显然使用G根天线时的半功率波束宽度大于使用T根天线时的半功率波束宽度。可以基于G与T之间的数值关系来确定可能的候选到达角对的数量。具体地,作为示例,定义以下变量q,例如由以下等式(3)来表示:其中,表示向下取整操作,q即可以表示基于粗略到达角对所估计的 候选水平域和垂直域到达角的数量,则候选到达角对的数量为q×q。然后,基于所确定的数量、以粗略到达角对为中心确定候选到达角对,以使得所确定数量的候选到达角对均匀地分布在根据G根天线确定的水平域和垂直域的半功率波束宽度的范围内。具体地,例如,候选到达角对可以通过以下等式(4)来确定:其中,l,j=1,...,q,分别表示垂直方向和水平方向的到达角的序号。图5是示出根据本公开的实施例的用于候选到达角估计的示意图。在图5中,符号“●”表示上述粗略到达角估计单元302所估计的粗略到达角对,符号“×”表示例如根据以上等式(4)所确定的候选到达角对。从图5可以看出,候选到达角对以粗略到达角对为中心,基于例如以上所确定的数量q而均匀地分布在根据G根天线确定的水平域和垂直域的半功率波束宽度的范围内。应指出,以上给出的分别用于确定候选到达角对的数量和确定候选到达角对的分布的等式(3)和等式(4)仅为优选示例,并且本领域技术人员可以根据本公开的原理而对上述等式(3)和等式(4)进行修改,并且这样的变型均应认为落入本公开的范围内。作为一种示例方式,候选到达角估计单元304也可根据所估计的粗略到达角对和根据G根天线所确定的水平域和垂直域的波束宽度,以所估计的粗略到达角对为中心,在其附近以预定角度间隔(例如,各个候选到达角之间相差1°)确定预定数量的候选到达角对。精确到达角确定单元306可被配置成根据来自用户设备的训练信号,计算关于候选到达角对的投影分量与真实分量之间的差值,并将所计算出的差值最小的候选到达角对确定为针对用户设备的水平域和垂直域的精确到达角对,其中,投影分量是通过将基站对训练信号的实际接收信号投影到根据候选到达角对定义的导向矢量上而确定的,真实分量是根据训练信号和基站与用户设备之间的信道状况参数而确定的。优选地,上述差值可以表示投影分量与真实分量之间的欧氏距离,并且上述信道状况参数可以包括信道慢变特性参数,例如包括大尺度衰落系数和瑞利衰落的K因子。具体地,作为示例,在这里以莱斯信道模型为例来描述精确到达角对的确定过程。精确到达角确定单元306可根据所确定的候选到达角对,针对该基站所覆盖的小区内存在的各个用户设备定义一组导向矢量,该导向矢量例如可由以下表达式(5)和(6)来表示:其中,K表示该基站所覆盖的小区内存在的用户设备的数量,并且q表示根据例如上述方式所确定的候选水平域和垂直域到达角的数量。然后,精确到达角确定单元306将基站对来自用户设备的训练信号的实际接收信号(这里以矢量y来表示)映射到空间坐标上,并且定义例如以下投影分量:接下来,对于K个用户设备当中的第k个用户设备,假设基站已知对于第k个用户设备的信道状况参数(即,包括上述大尺度衰落系数和瑞利衰落的K因子),则精确到达角确定单元306可通过例如搜索过程来确定对于第k个用户设备的精确到达角对,在该搜索过程中,通过计算以上得到的投影分量与真实分量之间的差值而在所估计的候选到达角对中确定对于第k个用户设备的精确到达角对。作为示例,该搜索过程例如可通过以下等式(8)来表示:其中,xk是用户设备根据来自基站的指示而发出的、用于基站确定精确到达角对的训练信号并且是基站已知的,g(k)表示从第k个用户设备到基站 的大尺度衰落系数,κ(k)表示第k个用户设备的莱斯信道的瑞利衰落的K因子,表示例如上述真实分量,其是根据训练信号xk和基站与用户设备之间的信道状况参数而确定的。这样,通过计算投影分量与真实分量之间的欧氏距离,根据最小距离准则可以确定针对每个用户设备的精确到达角对,从而可以确定针对该用户设备的波束方向。因此,第k个用户的波束权重可以表示为例如以下等式(9):应理解,上述用于确定精确到达角对的表达式(5)至(9)仅为优选示例,并且本领域技术人员可根据本公开的原理而对上述计算表达式进行变型,只要这样的变型能够表示真实接收信号与根据候选到达角对训练信号的接收信号之间的差值即可。根据以上描述可以看出,根据本公开的实施例,在采用大规模天线和较少数量的射频链路的情况下,可以通过两步方式来确定针对各个用户设备的准确波束方向(即,先确定粗略到达角对,然后再确定精确到达角对),这样,能够在降低成本的同时优化系统性能。然后,基站可以根据所确定的精确到达角对(即,波束方向)而对用户设备进行上行数据接收和下行数据传输。在时分双工模式下,由于上行信道和下行信道具有互易性,因此基站可以采用与上行接收过程中相同的模拟波束成形向量和数字预编码向量进行下行数据传输,而在频分双工模式下,上行信道和下行信道不具有互易性,因此为...
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