波束成形的通信系统中空间分集的方案的制作方法

本发明实施例一般地涉及无线通信，以及更具体地，涉及毫米波(Millimeter Wave，mmW)波束成形的系统中空间分集方案(spatial diversity scheme)。

背景技术：

移动载波日益感受到带宽短缺，这促使了为下一代宽带蜂窝通信网络开发3G与300GHz之间未充分利用的毫米波频谱。毫米波段可用的频谱是传统蜂窝系统的200多倍。毫米波无线网络使用窄波束的定向通信(directional communication)，以及其可支持数千兆位的数据速率。未充分利用的毫米波频谱的带宽的波长范围为1mm至100mm。毫米波频谱的波长很小，使得能在小区域内设置大量的小型化天线。这样的小型化天线系统通过电性可操作的阵列生成定向发送，能产生高的波束成形增益。

在波束成形毫米波系统中稳健的信令及数据发送需要新的设计。已知的问题包括不可靠的发送/接收(TX/RX)路径、随机的无线链路失败(Radio Link Failure，RLF)及业务中断，以及因此特别是在移动性中的性能恶化。例如，由于RLF，可能出现连接失败及慢切换(handover，HO)。源网络中出现的RLF很可能是由于太晚的切换导致的。同样地，目标网络中出现的RLF很可能是由于太早的切换导致的。还可能出现切换至错误的目标网络以及不必要地切换至另一无线接入技术(Radio Access Technology，RAT)。

已有LTE的移动性是复杂的，而是基于没有波束成形的全向天线。一般地，LTE小小区的移动性可用作独立的毫米波小小区的基线(baseline)。然而，对定向发送的严重依赖以及传播环境的易损性呈现出独有的挑战，该挑战来自于毫米波小小区中的信道特性及波束成形。例如，因为间断的链路及需要补偿有限的无线覆盖，定向天线及波束成形使得信令路径及数据路径比全向系统更不可靠。需要附加(tack)、交换及对齐多个波束级别、每个级别的多个波束以及多个时分复用(Time Division Multiplexing，TDM)波束成形的控制波束，这导致在稳健性、空间覆盖、速度及链路预算中平衡的复杂的时间关键或时间要求严格(time-critical)的决定。此外，不同级别的专用波束及控制波束提供的不同的空间路径，导致不同的信道相干时间及衰落动态。因而，空间波束的多个选择提供了毫米波小小区中待开发的更多的空间分集。

需要一种在毫米波小小区中实现空间分集的解决方法，用以增强数据路径及控制路径的可靠性及性能。

技术实现要素：

提出一种在波束成形的毫米波小小区中，为关键数据传送提供空间分集的方法。提出的空间分集方案通过对相同的源小区及目的小区使用多个不同的波束，提供副本的或增加的数据/信号发送及接收。为了相同的目的，提出的空间分集方案可在时间、频率及编码等上与其它分集方案组合。此外，提出的空间分集方案将波束关联的物理层资源与相同或不同协议层的其它资源组合。通过重复空间信令来避免RLF及切换失败(Handover Failure，HOF)，可以增强移动稳健性。不依赖于重传，还可实现任务关键(mission-critical)和/或时间关键的数据传送。

在一个实施例中，基站配置多个控制波束，用以与用户设备的数据通信。基站配置多个专用数据波束，用以与所述用户设备的数据通信。所述控制波束与所述专用数据波束具有不同的波束图样。基站使用第一已选择的波束，与所述用户设备交换关键数据信息。基站使用第二已选择的波束，与所述用户设备交换关键数据信息。

在另一实施例中，UE经由第一已选择的波束，与基站建立数据通信。UE经由第二已选择的波束，与所述基站建立数据通信。所述第一已选择的波束与所述第二已选择的波束具有不同的波束图样。UE使用所述第一已选择的波束，与所述基站交换关键数据信息。UE使用所述第二已选择的波束，与所述基站交换相同的关键数据信息。

在一个优选的实施例中，所述第一已选择的波束为控制波束，以及所述第二已选择的波束为专用数据波束。所述第一已选择的波束与所述第二已选择的波束具有不同的波束图样及重叠的空间覆盖。多个控制波束的集合覆盖小区的整个服务区域，以及每个所述控制波束具有更宽的及更短的空间覆盖。多个专用数据波束的集合覆盖一个所述控制波束的服务区域，以及每个所述专用数据波束具有更窄的及更长的空间覆盖。

其它实施例和有益效果在以下具体说明中进行描述。该发明内容不旨在限定本发明。本发明由权利要求限定。

附图说明

附图示出了本发明实施例，其中相同的数字表示相同的元件。

图1是根据一个新颖方面，在波束成形的移动通信网中实现空间分集的多级波束的示意图。

图2是实现本发明一些实施例的基站及用户设备的简化方块图。

图3是用于移动性的空间分集及多级波束的示意图。

图4是支持关键数据传送的空间分集的信令流程图。

图5是每个独立的毫米波小小区中多级别波束的例子的示意图。

图6是波束成形的毫米波小小区移动性中，关键数据传送的例子的示意图。

图7是波束成形的毫米波小小区移动性中，关键数据传送的空间分集的一个实施例的示意图。

图8是根据一个新颖方面的在波束成形的毫米波小小区中，从基站方面的，提供关键数据传送的空间分集的方法的流程图。

图9是根据一个新颖方面的在波束成形的毫米波小小区中，从UE方面的，提供关键数据传送的空间分集的方法的流程图。

具体实施方式

现对本发明的一些实施例做详细介绍，结合附图描述这些例子。

图1是根据一个新颖方面的，在波束成形的移动通信网100中实现空间分集的多级波束的示意图。波束成形的毫米波移动通信网100包含基站eNB 101及用户设备UE 102。在长期演进(Long Term Evolution，LTE)系统中，有许多切换场景及方案，包括宏小区内切换、小小区内切换以及异构网络(Heterogeneous Network，HetNet)及跨系统切换。一般地，LTE小小区的移动性可用作独立的毫米波小小区的基线。然而，对定向发送的严重依赖以及传播环境的易损性呈现出独有的挑战，该挑战来自于毫米波小小区中的信道特性及波束成形。

根据一个新颖方面，提出一种空间分集方案，用于增强毫米波小小区中数据路径及控制路径的可靠性及性能。在图1的例子中，eNB 101被定向地配置有多个小区，以及每个小区由一组粗略的(coarse)TX/RX控制波束覆盖。例如，小区110由一组四个控制波束CB1、CB2、CB3及CB4覆盖。控制波束集合CB1-CB4覆盖小区110的整个服务区域，以及如图所示，每个控制波束具有更宽的及更短的空间覆盖。每个控制波束轮流被一组专用数据波束覆盖。例如，CB2被一组四个专用数据波束DB1、DB2、DB3及DB4覆盖。专用数据波束集合覆盖一个控制波束的服务区域，以及如图所示，每个专用数据波束具有更窄的及更长的空间覆盖。

该组控制波束(CB，也称为级别1波束或L1波束)为更低级别的控制波束，其提供低速率的控制信令，以利于在更高级别的专用数据波束上的高速率数据通信。每个控制波束广播最小量的特定小区及特定波束的信息，特定小区及特定波束的信息与LTE系统中的主信息块(Master Information Block，MIB)或系统信息块(System Information Block，SIB)相似。控制波束及专用数据波束的架构提供了一种稳健的信令控制方案，以利于毫米波蜂窝网系统中的波束成形操作。此外，不同级别的控制波束及专用数据波束提供的不同空间路径，导致不同的信道相干时间及衰落动态。因而，空间波束的多个选择提供了毫米波小小区中待开发的更多的空间分集。

通过对相同的源小区及目的小区使用多个不同但可行的(feasible)波束，提出的空间分集方案可提供副本(duplicate)或增加的(incremental)数据/信号发送及接收。为了相同的目的，提出的空间分集方案可在时间、频率及编码等上与其它分集方案组合(combine)。此外，提出的空间分集方案将波束关联的物理层资源与相同或不同协议层的其它资源(上链(uplink，UL)/下链(downlink，DL)授权、编码或无线资源控制(Radio Resource Control，RRC))组合。通过重复空间信令来避免RLF及HOF，可以增强移动稳健性。不依赖于重传，还可实现任务关键和/或时间关键的数据传送。

图2是实现本发明一些实施例的基站及用户设备的简化方块图。UE 230具有天线235，天线235用于发送及接收无线信号。射频(Radio Frequency，RF)收发器模块233耦接至天线235，用于从天线235接收RF信号，将RF信号转换为基带信号，以及将基带信号发送至处理器232。RF收发器模块233还转换从处理器232接收到的基带信号，将基带信号转换为RF信号，以及将RF信号发送至天线235。处理器232处理接收到的基带信号，以及调用不同的功能模块执行UE 230中的功能。存储器231存储程序指令及数据234，用以控制UE 230的操作。UE 230还包括多个功能模块，用于执行根据本发明实施例的不同任务。配置及控制模块241获取波束及测量配置信息，以及经由已选择的控制波束(例如，波束选择模块242选择的控制波束)，与基站建立数据通信，测量模块243基于波束及测量配置信息，执行扫描以及上报测量报告，切换模块244执行从源小区到目标小区的切换，以及关键数据处理模块245通过利用空间分集增益，来处理任务关键及时间关键的数据发送及接收。

相似地，eNB 250具有天线255，天线255用于发送及接收无线信号。RF收发器模块253耦接至天线255，用于从天线255接收RF信号，将RF信号转换为基带信号，以及将基带信号发送至处理器252。RF收发器模块153还转换从处理器252接收到的基带信号，将基带信号转换为RF信号，以及将RF信号发送至天线255。处理器252处理接收到的基带信号，以及调用不同的功能模块执行eNB 250中的功能。存储器251存储程序指令及数据254，用以控制eNB 250的操作。eNB 250还包括用于执行根据本发明实施例的不同任务的功能模块。配置及控制模块261配置不同级别的控制波束及数据波束，用于测量，以及控制和数据传输，资源分配模块262分配不同波束及UL/DL数据通信相关的资源，切换模块263基于测量报告执行切换，以及关键数据处理模块245通过利用空间分集增益，来处理任务关键及时间关键的数据发送及接收。

图3是波束成形的毫米波移动通信网300中，用于移动性的空间分集及多级波束的示意图。波束成形的毫米波移动通信网300包含多个基站(eNB)，多个基站包括服务多个小小区的源基站SeNB1，目标基站TeNB2及邻eNB eNB3，。初始地，UE 301由小小区310中的源基站SeNB1服务。随后，UE 301可基于UE测量报告，切换至目标基站TeNB2。为了增强移动稳健性，可通过使用多个不同波束的空间重复信令来应用空间分集方案。在一个例子中，空间重复信令是用于任务关键的数据传送，包括移动性相关的信令及数据消息。多个不同的波束可以为具有不同波束图样的多个控制波束，多个专用数据波束具有不同的波束图样，和/或具有不同波束图样的专用数据波束与不同级别的控制波束的组合。除了增强移动性，空间重复信令还可用于时间关键的数据传送，包括语音及视频相关的高优先级应用。关键数据信息的另一例子是参考信号、声音信号或导频信号。

图4是在切换操作中支持关键数据传送的空间分集的信令流程图。在步骤411中，UE接收UL分配，该UL分配用于从源基站发送重复的测量报告。在步骤412中，UE使用第一波束向(例如，级别1控制波束)基站发送测量报告。在步骤413中，UE使用第二波束(例如，专用数据波束)向基站发送相同的测量报告。在步骤421中，UE及基站继续交换UE数据。在步骤431中，基站(例如，级别1控制波束)确定切换UE至另一个基站，以及使用第一波束发送切换命令给该UE。在步骤432中，基站使用第二波束(例如，专用数据波束)向UE发送相同的切换命令。测量报告及切换命令都是与移动性管理有关的任务关键的数据。通过使用多个波束提供空间信令重复，可避免不必要的RLF及HOF，而不用执行重传，或不用等待来自对端设备的确认应答(Acknowledgement，ACK)/否定应答(Negative Acknowledgement，NACK)以执行重传。

图5是每个独立的毫米波小小区中多级别波束的例子的示意图。在每个独立的毫米波小小区中，有多个级别的波束，每个级别具有多个波束图样。基站定向地配置有多个小区，以及每个小区由一组粗略的TX/RX控制波束覆盖。在一个实施例中，服务小区由8个控制波束CB0至CB7覆盖。每个控制波束包含一组DL资源块、一组UL资源块及一组具有中等(moderate)波束成形增益的相关波束成形权重。在图5的例子中，不同的周期性配置的控制波束在时域中是时分复用(Time Division Multiplexed，TDM)的。DL子帧521具有8个DL控制波束，总共占用0.38毫秒。UL子帧522具有8个UL控制波束，总共占用0.38毫秒。DL子帧与UL子帧之间的间隔为2.5毫秒。该组控制波束为更低级别的控制波束(还称为级别1波束或L1波束)，其提供低速率的控制信令，以利于更高级别的专用数据波束上的高速率数据通信。

每个控制波束轮流被一组专用数据波束覆盖。例如，CB4由一组四个数据波束DB1、DB2、DB3覆盖，以及每个数据波束具有不同的波束图样。应注意的是，对于每个CB，它具有与对应的多个专用数据波束重叠的空间覆盖。不管名称，不同级别的波束不限于数据或控制波束。不同级别的控制波束及专用数据波束提供的不同的空间路径，导致不同的信道相干时间及衰落动态。因而，空间波束的多个选择提供了毫米波小小区中待开发的更多的空间分集。

在一个例子中，空间分集可通过空间重复信令实现，空间重复信令应用于使用多个级别波束的关键数据传送。先经由L1控制波束发送或接收关键数据，以及接着在L1控制波束内经由专用数据波束发送或接收相同的关键数据。控制波束及数据波束具有重叠的空间覆盖但不同的波束图样。在另一例子中，空间分集可以通过空间重复信令实现，空间重复信令应用于使用相同级别的具有不同波束图样的波束的数据传送。如果UE位于两个控制波束之上，那么两个不同的控制波束可用于关键数据传送，以利用空间分集及提升稳健性。

图6是波束成形的毫米波小小区移动性中，关键数据传送的例子的示意图。在图6的例子中，UE由源基站服务，以及随后UE切换至目标基站。在步骤611中，UE及源基站执行激活链路波束管理。激活链路波束管理包含在每个小区配置多个级别的波束用以UE测量、追踪及利用空间分集。在步骤612中，UE在目标基站的服务小区及邻小区的已配置的多个级别的波束上执行无线信号测量。在步骤621中，UE向源基站发送测量报告。在步骤622中，源基站基于测量报告做出HO决定，以及执行与目标基站的HO准备。在步骤623中，源基站向UE发送HO命令。最后，在步骤631中，在接收到HO命令及切换至目标基站之后，UE执行与目标基站的同步。

由于毫米波波束成形的信道在移动中的易损性，可能有更多的链路中断、更多的频率RLF及更多的HO失败。首先，由于波长差异，期望毫米波信道的相干时间及稳定的空间路径的生命期(lifetime)，在一个比传统蜂窝波段更短的数量级。其次，一个波束的有效发送路径的数量将会很有限，因而对于UE的移动及环境的改变更易损。在正常的操作中，不管是否移动，由于波束追踪及对齐的不确定性，特定波束级别上时间关键的数据丢失可能不会通过HARO ACK/NACK/Re-TX充分发送，或甚至不会通过单个级别的波束充分发送。

无线干扰中切换失败的原因可能是，由信道劣化引起的测量报告失败(在步骤621中)及HO命令发送失败(在步骤623中)。因此，触发RLF以重建连接。此外，在HO转变(transition)阶段中地理位置及波束级别选择的不确定性，导致链路损坏及数据丢失。控制波束对于小区边缘用户来说，更可靠但是覆盖更差。专用数据波束提供更好的链路预算，但是对方向(移动)变化更敏感。为了提升数据传送成功率，尤其是任务关键或时间关键的数据，提出一种空间发送分集与多个资源维度的组合，以利用多个应用场景的多个协议层的分集。

图7是波束成形的毫米波小小区移动性中，关键数据传送的空间分集的一个实施例的示意图。在图7的例子中，UE由源基站服务，以及源基站执行激活链路波束管理。激活链路波束管理包含在每个小区配置多个级别的波束用以UE测量、追踪及利用空间分集。在步骤712中，UE接收不同小区中的不同波束测量的测量配置。在步骤713中，UE基于测量配置在目标基站的服务小区及邻小区的已配置的多个级别的波束上，执行无线信号测量。

在步骤721中，UE从源基站接收用于发送重复的测量报告的多个UL授权。可将多个UL授权打包，使得UE知道该授权是用于相同的UL数据。在步骤722中，UE使用第一波束向(例如，级别1的L1控制波束)源基站发送测量报告。在步骤723中，UE使用第二波束(例如，专用数据波束)向源基站发送相同的测量报告。在步骤731中，源基站基于测量报告，确定将UE切换至目标基站。在步骤732中，源基站及目标基站执行切换准备。在步骤733中，UE与源基站继续交换UE的数据。在步骤741中，源基站使用第一波束(例如，级别1的L1控制波束)向UE发送切换命令。在步骤742中，源基站使用第二波束(例如，专用数据波束)向UE发送相同的切换命令。在步骤743中，源基站向目标基站发送UE的数据。最后，在步骤751中，UE执行与目标基站的时间及频率同步，以及切换至目标基站。

使用上述HO信令为例，将附加的波束空间域用作关键数据传送的空间分集。基站将不同的波束成形权重用于副本信令及数据发送。不同的波束成形权重可经历不同的发送路径，因而不同的信道条件为UE提供待开发的分集。基站RX或RX与TX的混合，或者UE的RX/TX可使用相同的方法。

在一个实施例中，在波束空间及时域中实现信令分集。在BS侧，先使用已选择的波束(例如，步骤741中的HO命令)在时间＝t1发送期望的信令。在BS侧，使用另一已选择的波束(例如，步骤742中的HO命令)在时间＝t2发送副本信令。优选地，这两个已选择的波束是不同的，以及发送频率资源可以是相同的。应注意的是，时间＝t1上的发送被接收方确认应答时，时间＝t2上的发送不是必要的，这与混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ)的要求相反。

在另一实施例中，在波束空间及频域实现信令分集。在BS侧，在频率资源f1上，使用已选择的波束发送期望的信令。在BS侧，在频率资源f2上，使用另一已选择的波束发送副本信令。优选地，这两个已选择的波束是不同的，以及两个信令的发送时序可以是相同的。应注意的是，可相似地执行其它方向的发送及接收，以实现空间分集。

在再一实施例中，通过增强HARQ操作，可在波束空间、时域及频域的组合中利用信令分集。例如，在高层(upper layer)一次可发送单个的RRC信令消息，而在物理层隐式地尝试不同的分集组合。副本信令可以为HARQ操作中相同分组的不同冗余版本。例如，控制波束可用于待传送的一些消息的元数据(meta-data)的低阶调制(low-modulation)，而专用波束用于相同消息的精细数据的高阶调制(high-modulation)传送，与增量冗余或增量视频编码相似。控制及专用波束上数据的接收方，利用能量增益与编码增益。

还可应用副本的跨层处理以实现分集。例如，可在不同的时序显式地发送副本的内容的多个MAC/RRC层消息，而不用等待来自接收方的ACK/NACK，即使用媒体接入控制(Media Access Control，MAC)层显式地副本资源分配。使用MAC/RRC层指令，物理层在发送每个副本时尝试不同分集。应注意的是，副本发送的物理(physical，PHY)层后期处理(post-processing)可需要发送方与接收方之间的显式信令。可替换地，在接收方，PHY层可向高层发送接收到的副本用以后期处理，而不需要MAC/RRC及PHY层之间的跨层指令。

图8是根据一个新颖方面的在波束成形的毫米波小小区中，从基站方面的提供关键数据传送的空间分集的方法的流程图。在步骤801中，基站配置多个控制波束，用以与UE的数据通信。在步骤802中，基站配置多个专用数据波束，用以与UE的数据通信。在步骤803中，基站使用第一已选择的波束，与UE交换关键数据信息。在步骤804中，基站使用第二已选择的波束，与UE交换关键数据信息。

图9是根据一个新颖方面的在波束成形的毫米波小小区中，从UE方面的提供关键数据传送的空间分集的方法的流程图。在步骤901中，UE经由第一已选择的波束，与基站建立数据通信。在步骤902中，UE经由第二已选择的波束，与基站建立数据通信。第一已选择的波束与第二已选择的波束具有不用的波束图样。在步骤903中，UE使用第一已选择的波束与基站交换关键数据信息。在步骤904中，UE使用第二已选择的波束与基站交换相同的关键数据信息。

对于DL发送，有多种方法用以在波束空间利用提出的空间分集。例如，基站使用相同的方法发送无线链路控制(Radio Link Control，RLC)协议数据单元(Protocol Data Unit，PDU)，即不同的波束级别。UE将该发送作为独立的发送来接收。在RLC层，放弃副本的接收。相似地，对于UL发送，对于相同的UE负载，基站可给出多个UL授权。须将该多个UL授权打包，使得UE知道该授权是用于前述方法。UE知道这种方法将应用于什么类型的负载。UE在多个UL授权上发送该负载类型的相同数据流。基站接收具有不同波束级别的发送，以及做相干组合。

尽管为了实施目的已经针对一些具体的实施例描述了本发明，本发明并不限于此。从而，不背离本发明权利要求阐述的范围，可以实现对描述的实施例的各个特征的各种修改、改编和组合。