用于蜂窝多输入多输出系统的方法与流程

本发明涉及一种用于蜂窝多输入多输出mimo系统的方法和实现该方法的设备。

背景技术：

数据和语音通信需求的增加需要提高数据传输性能和可靠性。满足这些要求的一种解决方案是在无线电信系统中使用所谓的多输入多输出(mimo)技术，以供在基站与用户的终端设备之间传输信息。

mimo系统可以使用多个发送和接收天线用于基站处以及终端设备处的无线通信的。该mimo技术形成编码技术的基础，所述编码技术使用时间和空间维度用于传输信息。在mimo系统中提供的增强编码允许增加无线通信的频谱和能量效率。

基站可以包括大量天线，例如，具有关联收发器电路的几十个甚或超过一百的天线。包括这种基站的系统也称作大规模mimo系统。大规模mimo基站的额外天线允许无线电能量在传输中空间聚焦以及方向敏感的接收，其改进了频谱效率和辐射能效。与波束成形(bf)相比，大规模mimo可能是有利的，因为波束成形依赖于对天线元件进行定相以便获得沿特定方向的波束。因此，该波束外的任何信号贡献都将被衰减。与此对比，在大规模mimo系统中，不仅使用全部或多个波束或来自不同辐射路径的信号，而且另外将它们相干地组合，以使可以实现更高的增益，所谓的大规模mimo增益。

为了根据当前活动的终端设备在基站的每个单独天线处自适应发送和接收信号，基站逻辑需要与终端设备和该基站的天线之间的无线无线电信道特性有关的信息。为此，使用导频信令方案(所谓的声道探测)，其允许基站设定用于发送信号的配置天线参数，以将无线电能量聚焦在终端设备处或者用于从终端设备接收无线电信号。因此，聚焦可能意味着具有不同路径长度的相位对准贡献和仅沿将到达终端设备的方向发送两者。可以将训练序列(所谓的导频信号)按专用于终端设备的资源从该终端设备发送。来自不同终端设备的导频信号需要是正交的，以便使基站为其中每一个终端设备标识多个天线的配置参数。正交性可以利用时分多址(tdma)、码分多址(cdma)或频分多址(fdma)技术或其组合来实现。

例如，lte(长期演进)支持频分双工(fdd)和时分双工(tdd)模式两者。虽然fdd将成对频谱用于由双工频率间隙分隔开的上行链路(ul)和下行链路(dl)传输，但tdd将一个频率载波分成用于从基站到终端设备的传输且反之亦然的交替时段。两种模式在lte内具有其自己的帧结构，并且这些帧结构彼此对齐，意味着可以在基站和终端设备中使用类似硬件以允许规模经济。lte传输按无线电帧中的时域构造。这些无线电帧中的每一个都是10ms长，并且由10个子帧构成，每个子帧为1ms。频域中的正交频分多址(ofdma)子载波间距为15khz。这些子载波中的在0.5ms时隙期间一起分配的12个子载波被称为资源块。每个资源块都可以包含多个资源元素。可以在下行链路或上行链路中在1个子帧(1ms)期间为lte终端设备分配最少2个资源块。

在mimo系统使用时分多址(tdma)或频分多址(fdma)的情况下，每个终端设备可以在指派时隙或频率范围内发送导频信号，其可以通过天线接收并且通过基站进行逻辑分析。该时隙和频率范围(其中，终端设备可以组合发送它们的导频信号)也被称为传输帧的导频部分。该帧的其余时隙和频率范围可以被用于下行链路(dl)和上行链路(ul)数据传输。该导频信号皆可以包括训练序列，并且基站逻辑分析在基站的多个天线处接收的导频信号。作为分析的结果，可以获得与终端设备和所述多个天线之间的无线电信道的无线电信道特性有关的信息。基站可以使用该分析结果来确定用于经由天线向相应终端设备发送信号并且用于经由天线从相应终端设备接收信号的配置参数。具体地，基于所接收的上行链路导频信号，可以获得配置参数，并且可以基于互易性来获得发送配置参数。

由于终端设备与基站之间的无线信道的无线无线电信道特性可能随时间变化，因此，在所谓的相干时间之后必须重复导频信令，该相干时间表示信道特性被认为不变的持续时间。同样，由于净荷数据的传输可能使用大的频率范围，因此，针对净荷数据传输的每个相干带宽，可以提供相应的导频信号，以供分析相干带宽内的信道特性。该相干带宽是在信道被认为是“平坦”的频率范围的统计测量值，或者换句话说，信号的两个频率很可能经历相当或相关的幅度衰落的近似最大带宽。

由于其用于传输信息的空间维度，因此，大规模mimo系统可以被用于大量用户位于较小区域内的情形。另一方面，大规模mimo也可以被用于范围扩展，利用大规模mimo增益以供与远距离的终端设备通信或者与具有输出功率非常有限的功率放大器的终端设备(例如，具有完全集成的功率放大器和有限输出功率的低成本低功率设备(如公用事业仪表))通信。然而，尽管大规模mimo增益可以有利地用于净荷传输，但由于导频信号不能从大规模mimo增益中受益，因此信道探测可能引发问题，并由此可能难以与噪声区分开。

技术实现要素：

鉴于上述，本领域需要增强多输入和多输出mimo系统，特别是大规模mimo系统，以在差的导频信号传输条件下实现并改进天线阵列的配置。

根据本发明，该目的通过独立权利要求书的特征来实现。从属权利要求限定了本发明的实施方式。

根据本发明，提供了一种用于蜂窝多输入多输出mimo系统的方法。所述mimo系统包括具有多个天线的第一设备(例如，所述蜂窝mimo系统的基站)和控制单元，该控制单元分析在所述多个天线处从第二设备接收的导频信号，以获得与所述第二设备和所述多个天线之间的无线信道的无线信道特性有关的信息。所述第二设备例如可以包括在所述蜂窝mimo系统中工作的终端设备。所述无线信道可以包括指派给所述蜂窝mimo系统的射频信道。根据所述方法，将多个导频信号从所述第二设备发送至所述第一设备。基于来自所述第二设备的所述多个导频信号中的预定数量的最近发送的导频信号，确定与所述第二设备和所述第一设备的所述多个天线之间的所述无线信道的所述无线信道特性有关的信息。换句话说，为了确定与所述无线信道特性有关的信息，所述基站考虑来自同一终端设备的多个导频信号。具体来说，考虑预定数量的最近发送的导频信号。因此，考虑包括最近发送的导频信号的滑动窗口的若干导频信号，以确定与所述无线信道特性有关的信息。基于与所述无线信道特性有关的信息，由所述第一设备配置所述多个天线的至少一个参数。要考虑用于确定与所述无线信道特性有关的信息的预定数量的最近接收的导频信号可以是至少两个，或者可以处于2到2000的范围内。在例如lte(长期演进)系统中，要考虑的预定数量的最近接收的导频信号例如可以是16个。通过考虑若干最近接收的导频信号，可以平均噪声并由此衰减噪声，并且可以更可靠地确定与所述无线信道特性有关的信息。

在tdma系统中，最近发送的导频信号可以在几帧甚或一个帧中一个接一个地发送。在fdma系统中，最近的导频信号可以在一个或几个帧中以不同频率同时发送。

根据实施方式，最近接收的导频信号在相干时间和/或相干带宽内发送。该相干时间是所述无线信道的所述信道特性被认为不变的持续时间。同样，相干带宽是这样的带宽或频率范围，即在该带宽或频率范围内，信号的所有频率很可能经历相当或相关的幅度衰落。相干带宽和/或相干时间内的若干导频信号提供冗余信息，但皆分别受到噪声的干扰。因此，通过考虑这几个导频信号，可以从所述导频信号中去除噪声，并且可以更可靠地确定所述无线信道特性。例如，可以将所述预定数量的最近发送的导频信号中的两个或更多个导频信号同时从所述第二设备发送给所述第一设备。关于这点，“同时”可以包括同时传输(例如，在所述导频信号在ltefdma系统中以不同频率发送的情况下)，或者在公共时间窗口内传输(例如在ltetdma系统中的相同传输帧)。因此，可以至少在所述相干时间内和/或在所述相干带宽内发送所述两个或更多个导频信号。

而且，所述第一设备可以改变所考虑的导频信号的数量，从而尝试不同的带宽和时间窗口来求平均，因为所述导频信号是相同的。然而，可以在所述相干时间和/或相干带宽内选择如此尝试的带宽和时间窗口。

根据实施方式，通过对接收的所述多个导频信号中的所述预定数量的最近接收的导频信号求平均来确定平均导频信号，并且基于所述平均导频信号，确定与所述第二设备和所述第一设备的所述多个天线之间的所述无线信道的所述无线信道特性有关的信息。对所述导频信号求平均可以包括对所述导频信号进行滤波。例如，可以在所述相干时间内的多个帧的相应资源元素中甚或在一个帧内在发送若干导频信号。对接收的所述导频信号进行平均或滤波，使得噪声将被衰减，而所述导频信号将相对于该噪声被放大。因此，可以实现足够大的信噪比以处理所述平均导频信号。

根据另一实施方式，针对所述预定数量的最近接收的导频信号中的每个导频信号，基于相应的导频信号确定与所述无线信道特性有关的相应信息。而且，针对所述预定数量的最近接收的导频信号中的每个导频信号，基于与所述无线信道特性有关的相应信息确定用于配置所述多个天线的相应配置参数。最后，基于所述多个配置参数配置所述多个天线的所述至少一个参数，其中每个配置参数都针对所述预定数量的最近接收的导频信号中的每个导频信号加以确定。例如，可以基于对所述配置参数求平均或基于对所述配置参数进行滤波来配置所述至少一个参数。例如，可以为每个天线配置相位、增益以及幅度参数。

根据另一实施方式，确定表示所述第二设备的移动的移动信息。基于所述移动信息确定所述预定数量，其定义所考虑的最近接收的导频信号的数量。所述移动信息例如可以包括表述所述第二设备是静止还是在移动的指示，或者表示所述第二设备的当前速度的速度信息。所述第二设备(例如，用户设备或公用事业仪表)的移动可能会影响所述相干带宽以及所述相干时间。当所述第二设备在移动时，环境条件可能改变，致使所述无线无线电信道特性可能改变。所述第二设备移动得越快，预期相干时间越短。同样地，所述第二设备的移动可以经由多普勒(doppler)扩展影响所述相干带宽。

根据又一实施方式，将同一净荷数据从所述第二设备向所述第一设备发送多次。基于由所述第二设备发送多次的所述净荷数据，在所述第一设备处确定数据。换句话说，将要从所述第二设备发送至所述第一设备的一定量的净荷数据从第二设备向所述第一设备重复发送多次。例如，同一净荷数据在从所述第二设备到所述第一设备的四个连续帧中被发送四次。在所述第一设备处，通常考虑重复发送的同一净荷数据，例如通过关联帧内的相应资源，以使噪声达到平均，而在所有帧中相同的净荷数据相比噪声接着将被放大。

所述第二设备发送同一净荷数据的次数可以小于被用于确定与所述无线信道特性有关的信息的最近接收的导频信号的预定数量。在低信噪比的情形下，导频信号以及净荷数据的传输可能受到干扰。在基于所述导频信号恰当地配置所述天线参数之后，净荷数据可以受益于mimo增益。然而，导频信号本身不受益于mimo增益，致使将天线参数设定基于比重复发送的净荷数据的次数更多的导频信号可能是有利的。

同样，可以将同一净荷数据从所述第一设备向所述第二设备发送多次。基于由所述第一设备发送多次的所述净荷数据，在所述第二设备处确定数据。在所述第二设备处，通常考虑重复发送的同一净荷数据，例如通过关联帧内的相应的资源，以使噪声达到平均并由此被衰减，而在所有帧中相同的净荷数据相比噪声将被放大。

在从所述第一设备到所述第二设备的方向(下行链路(dl)方向)上的净荷数据的重复传输的次数可以不同于在从所述第二设备到所述第一设备的相反方向(上行链路(ul)方向)上的重复传输的次数。例如，所述第一设备(例如，基站)可以基于对接收的所述导频信号的分析来单独地确定针对每个方向(上行链路和下行链路)的重复次数，并且可以将重复次数传送给所述第二设备(例如，终端设备)。在fdma系统中，净荷数据的重复传输可以包括在不同频带中同时传输同一净荷数据，

而且，根据本发明，提供了一种用于蜂窝多输入多输出mimo系统的设备。该设备基本上对应于上述第一设备。该设备例如可以包括基站。该设备包括多个天线和联接至所述多个天线的控制单元。所述控制单元被配置成，接收来自另一设备(例如，用户设备或公用事业仪表)的多个导频信号，并且基于接收的所述多个导频信号中的预定数量的最近接收的导频信号，确定与所述另一设备和所述多个天线之间的无线信道的无线信道特性有关的信息。基于与所述无线信道特性有关的所述信息，所述控制单元配置所述多个天线的至少一个参数。由于所述天线的所述参数配置基于多个最近接收的导频信号，因此，即使在所述导频信号受到噪声干扰的情况下也可以实现可靠的配置，例如，由于所述设备与所述另一设备之间的距离较大或者由于所述另一设备的低功率放大器。

所述设备可以被配置成，执行上述方法或上任一个实施方式，并因此包括上述优点。

另外，根据本发明，提供了一种用于蜂窝多输入多输出mimo系统的设备，例如，用户设备或公用事业仪表。该设备基本上对应于上述第二设备。该设备包括天线和联接至所述天线的控制单元。所述控制单元被配置成，经由所述天线向另一设备(例如，基站)发送多个导频信号，并且经由所述天线将同一净荷数据向所述另一设备发送多次。通过重复发送导频信号以及净荷数据，即使在嘈杂的环境中、在所述设备与所述另一设备之间的距离较大的情况下，或者在所述设备仅能够进行低功率传输的情况下，也可以实现所述设备与所述另一设备之间的可靠数据通信。

所述设备还可以被配置成，执行上述方法或上任一个实施方式，并因此也包括上述优点。

尽管结合本发明的具体实施方式和多个方面，对上面摘要和下面详细描述中描述的特定特征进行了描述，但应当明白，这些示例性实施方式和方面的特征可以彼此组合，除非另外具体加以指明。

附图说明

参照附图，对本发明进行更详细描述。

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的基站和终端设备。

图2示意性地示出了用于mimo系统的传输帧。

图3示意性地示出了根据本发明实施方式的用于mimo系统的传输帧。

图4示意性地示出了根据本发明另一实施方式的用于mimo系统的传输帧。

具体实施方式

下面，对本发明的示例性实施方式进行更详细描述。要明白的是，在此描述的各种示例性实施方式的特征可以彼此组合，除非另外具体加以指明。各个附图中的相同标号指相似或相同组件。图中所示组件或设备之间的任何联接可以是直接或间接联接，除非另外具体加以指明。

图1示出了根据实施方式的通信系统10。该通信系统10是蜂窝多输入多输出(mimo)系统，并且包括mimo基站20和终端设备30。该mimo通信系统10可以是大规模mimo系统(mami)。

基站20包括天线阵列22，该天线阵列包括多个天线。这些天线中的三个天线由标号23至25表示。天线23至25可以在载体上按二维或三维空间阵列设置。mimo基站20可以具有大量天线，比图1所示的天线多得多，例如，几十个甚或超过100的天线。基站20还可以包括用于天线23至25的关联收发器(未示出)。所述多个天线还可以例如在协作mimo系统中在空间上分布至各个位置。几个基站还可以在协作mimo系统中相互作用，并且所述多个天线分布在各个位置上。

在通信系统10中，可以设置多个终端设备(例如，用户设备装置或公用事业仪表)。然而，图1仅示出了一个示例性终端设备30。终端设备30可以被配置成与基站20通信。具体地，终端设备30的控制单元31被配置成经由天线32将导频信号发送至基站20。该导频信号可以包括用于在终端设备30与基站20之间探测无线无线电信道的训练序列。具体来说，该导频信号可以是mimo导频信号。

基站20被配置成分析在该基站20的所述多个天线23至25处接收的导频信号，以确定在基站20的所述多个天线23至25与终端设备30之间的无线电信号传输的信道特性。基站20的控制单元21可以被配置成基于通过所述多个天线23至25从终端设备30接收的导频信号来确定覆盖区(footprint)矩阵。当向终端设备30发送无线电信号时，控制单元21可以使用该覆盖区矩阵来控制所述多个天线23至25。控制单元21可以计算该覆盖区矩阵的厄密共轭，以确定通过每个天线23至25发送的无线电信号的时间延迟和幅度，以将无线电能量聚焦在终端设备30所位于的扇区中。当基站20从终端设备30接收无线电信号时，在每个天线23至25处接收的信号被滤波、组合和/或延迟，使得可以以大幅度和大信噪比接收来自终端设备30的无线电信号。

mimo系统10可以使用时分多址方法(tdma)和/或频分多址方法(fdma)来传输导频信号以及上行链路和下行链路数据。用于传输导频信号的资源指派可以由基站20控制。

图2更详细地示意性地示出了两个mimo帧210和220。每个帧都包括用于传输导频信号和数据的字段。这些字段的特征在于它们相对于帧传输开始的时间位置以及它们的频率或频率范围。mimo帧可以包括附加字段，为了清楚起见，这些字段未在图2中示出。详细地，帧210包括导频信号段211、上行链路数据段212以及下行链路数据段213。同样，mimo帧220包括导频信号段221、上行链路数据段222以及下行链路数据段223。在图2所示实施例中，导频信号段211和221皆包括表示用于发送导频信号的资源的54个字段，占用4个时隙和18个频带。

假设相干带宽wc覆盖例如指派给导频信号资源的频率范围的六倍，这意味着例如图2中所示的导频信号段211和221的前六个频率范围。假设相干时间tc覆盖例如两帧，这例如意味着如图2所示的帧210和220。因此，在典型的mimo系统中，基站20可以分配导频信号资源，以供在相干带宽和相干时间内发送相应的导频信号，如图2中阴影区域所示。

然而，可能发生这样的情形，即来自终端设备30的导频信号没有以足够的质量在基站20处被接收。例如，终端设备30(例如，公用事业仪表)可能设置得远离基站20，或者终端设备30的功率放大器可能具有非常低的最大输出功率。在这些情况下，可以利用如图3所示的导频信令方案。终端设备30在相干带宽wc和相干时间tc内发送多个导频信号。所述多个导频信号在图3中用阴影区域表示。具体来说，与图2相比，不是在相干时间和相干带宽内仅发送一个导频信号，而是发送12个导频信号，在帧210的导频信号段221内有六个，在帧220的导频信号段221内有六个。

在基站20处，考虑所述多个导频信号中的预定数量的最近接收的导频信号，用于确定与终端设备30和基站20的天线之间的无线电信道的无线电信道特性有关的信息。基站20例如通过对接收的导频信号求平均来组合所述预定数量的最近接收的导频信号。因此，噪声可以达到平均，而导频信号相对于噪声被放大。使导频信号的数量加倍可以理想地对应于功率增加3db。通过考虑所述预定数量的最近接收的导频信号，在接收的导频信号上移动滑动窗口，使得可以更可靠地自适应基站20的天线23至25的天线参数。对大量导频信号求平均允许扩展覆盖范围或支持低功率电平。

根据信道特性，可能需要重复或者重复还对数据有益，即使该数据可能受益于大规模mimo增益。在这种情况下，重复次数可以少于针对导频信号的数量。有利地，由于使用较少的重复，因此终端设备中需要较少的能量。然而，具有低功率输出的同一发送器可以被用于发送导频信号以及上行链路数据。图4示出了用于导频信号平均和数据重复的具有不同尺寸的示例性帧流。每个帧都包括导频信号段401和数据段402。例如，上行链路数据可以被重复四次，并且基于平均16个导频信号来估计信道。可以标准化不同的速率并在终端设备30与基站20之间进行通信以进行链路自适应。可以预定默认速率。而且，可以另外建立用于下行链路数据的单独重复率。例如，基站20可以基于接收的导频信号的信号强度测量值来确定覆盖水平，并因此可以确定用于平均导频信号的所需重复次数或窗口大小。基站20利用下行链路控制信道向终端设备30通知例如表示导频资源的位置和重复次数的导频信令信息。