使用模擬和數(shù)字混合波束成形的通信方法和裝置制造方法
【專利摘要】提供了一種使用模擬和數(shù)字混合波束成形的通信方法和裝置。該方法包括從基站(BS)接收包括用于混合波束成形的測量和選擇條件的第一消息，測量多個BS傳輸波束的信道，基于信道測量選擇至少一個BS傳輸波束，發(fā)送關(guān)于所選的至少一個BS傳輸波束的報告信息至BS，從BS接收第二消息，根據(jù)所述測量和報告條件估計用于所選的最終BS傳輸波束的有效信道矩陣，基于有效信道矩陣確定用于BS的數(shù)字波束成形的反饋信息，發(fā)送所確定的反饋信息至BS，并且根據(jù)基于所述反饋信息調(diào)度的多輸入多輸出(MIMO)模式和/或配置接收來自BS的數(shù)據(jù)脈沖。
【專利說明】使用模擬和數(shù)字混合波束成形的通信方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于波束成形的無線移動通信系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及使用模 擬和數(shù)字混合波束成形的通信方法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是朝著更高數(shù)據(jù)速率以滿足日益增長的對于無線數(shù)據(jù) 通信量的需求。例如，正在基于諸如正交頻分多址（0FDMA)、多輸入多輸出（ΜΜ0)等等的通 信方案，朝著提高的頻譜效率開發(fā)無線通信系統(tǒng)以提高數(shù)據(jù)速率。
[0003] 隨著因?qū)χ悄苁謾C和平板個人電腦（PC)的需求及其導(dǎo)致的需要大量通信量的應(yīng) 用的快速增長，所以對通信量的需求已加速增長，很難簡單地通過提高頻譜效率來滿足猛 增的對于無線數(shù)據(jù)的需求。
[0004] 為了避免這個問題，近期的興趣集中在毫米波無線通信系統(tǒng)。當(dāng)無線通信在毫米 波頻段提供時，從毫米波頻段的頻譜特性角度來看，諸如路徑損耗和反射損耗的傳播損耗 增加，并且所導(dǎo)致的縮短的傳播距離減小服務(wù)覆蓋。因此，毫米波無線通信系統(tǒng)可以通過使 用波束成形減輕波的路徑損耗來擴展服務(wù)覆蓋，從而增加波的傳播距離。
[0005] 兩種類型的波束成形方案是數(shù)字波束成形（或發(fā)送（Tx)快速傅里葉逆變換前 (pre-IFFT)波束成形/接收（Rx)快速傅里葉變換后（post-FFT)波束成形）和模擬波束成 形（或Tx post-IFFT波束成形/Rx pre-FFT波束成形）。數(shù)字波束成形在數(shù)字域基于多 輸入多輸出（ΜΙΜΟ)和數(shù)字預(yù)編碼器或碼本使用多個射頻（RF)路徑，而模擬波束成形使用 多個模擬/RF設(shè)備（例如移相器、功率放大器（ΡΑ)和可變增益放大器（VGA))和天線配置。 數(shù)字波束成形需要昂貴的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC)或模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)并增加了實施復(fù)雜度以提 高波束成形增益，而模擬波束成形在有效率地使用頻率資源或波束成形性能最大化上有局 限性。
[0006] 由于在毫米波段中的波長縮短了，所以使用具有許多排列在小空間中的天線元件 的天線陣列（諸如均勻線性陣列（ULA)或均勻平面陣列（UPA))的模擬波束成形是恰當(dāng)?shù)摹?但是如前面所述，模擬波束成形在以下方面有局限性：有效率地使用資源方面的有效性，通 過諸如單用戶ΜΙΜΟ (SU-MIM0)、多用戶ΜΙΜΟ (MU-MIM0)的ΜΙΜΟ方案或空間復(fù)用來增加用戶 或系統(tǒng)吞吐量，通過分集或額外的數(shù)字波束成形以增加信噪比（SNR)或可靠性。
[0007] 因此，為了有效率的ΜΙΜ0/波束成形，存在對支持作為模擬波束成形和數(shù)字波束 成形的組合的混合波束成形的需要。
[0008] 以上信息被呈現(xiàn)為僅為幫助理解本公開的背景信息。至于以上任何信息是否可能 適用為關(guān)于本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)，尚未進(jìn)行確定，也沒有進(jìn)行聲明。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 技術(shù)問題
[0010] 本發(fā)明的各方面為解決至少上述的問題和/或缺點，并提供至少如下描述的優(yōu) 點。相應(yīng)地，本發(fā)明一方面是為提供一種在通信系統(tǒng)中發(fā)送和接收信號的方法和裝置。 [0011] 本發(fā)明的另一方面是提供一種在毫米波通信系統(tǒng)中通過波束成形發(fā)送和接收信 號的方法和裝置。
[0012] 本發(fā)明的另一方面是提供一種用在移動站（MS)和基站（BS)間的信號傳輸和接收 中的通過組合模擬波束成形和數(shù)字波束成形的混合波束成形結(jié)構(gòu)。
[0013] 本發(fā)明的另一方面是提供一種方法和裝置，通過在MS和BS間的上行鏈路/下行 鏈路上具有方向性的一個或多個模擬波束集合中選擇一個或多個最佳波束，并基于所選的 波束使用波束對來有效率地操作數(shù)字多輸入多輸出（ΜΙΜΟ) /波束成形，來有效率地執(zhí)行混 合波束成形。
[0014] 解決方案
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了使用模擬和數(shù)字混合波束成形的通信方法。該通 信方法包括：接收來自BS的包括用于混合波束成形的測量和選擇條件的第一消息，根據(jù)測 量和選擇條件測量多個BS傳輸波束的信道，根據(jù)測量和選擇條件基于信道測量選擇至少 一個BS傳輸波束，把關(guān)于所選的至少一個BS傳輸波束的報告信息發(fā)送給BS，從BS接收包 括用于由BS選擇的最終BS傳輸波束的數(shù)字波束成形的測量和報告條件的第二消息，根據(jù) 測量和報告條件估計用于所選的最終BS傳輸波束估計有效信道矩陣，基于有效信道矩陣 確定用于BS的數(shù)字波束成形的反饋信息，把所確定的反饋信息發(fā)送給BS，并根據(jù)基于反饋 信息調(diào)度的ΜΜ0模式和/或配置接收來自BS的數(shù)據(jù)脈沖。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了使用模擬和數(shù)字混合波束成形的通信方法。該通 信方法包括：把包括用于多個BS傳輸波束的混合波束成形的測量和選擇條件的第一消息 發(fā)送給MS，從MS接收關(guān)于由MS根據(jù)測量和選擇條件選擇的至少一個BS傳輸波束的報告信 息，基于報告信息選擇用于MS的最終BS傳輸波束，把包含用于最終BS傳輸波束的數(shù)字波 束成形的測量和報告條件的第二消息發(fā)送給MS，從MS接收用于BS的數(shù)字波束成形的反饋 信息，基于反饋信息執(zhí)行用于MS的混合波束成形調(diào)度，并且根據(jù)所調(diào)度的ΜΙΜΟ模式和/或 配置發(fā)送數(shù)據(jù)脈沖至MS。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了使用模擬和數(shù)字混合波束成形執(zhí)行通信的MS。該 MS包括數(shù)字波束成形器，模擬波束成形器和被配置為控制數(shù)字波束成形器和模擬波束成形 器的的控制器?？刂破鞅慌渲脼閺腂S接收包含用于混合波束成形的測量和選擇條件的第 一消息，根據(jù)測量和選擇條件來測量多個BS傳輸波束的信道，根據(jù)測量和選擇條件基于信 道測量選擇至少一個BS傳輸波束，把關(guān)于已選的至少一個BS傳輸波束的報告信息發(fā)送至 BS，從BS接收包括用于由BS選擇的最終BS傳輸波束的數(shù)字波束成形的測量和報告條件的 第二消息，根據(jù)測量和報告條件估計用于所選的最終BS傳輸波束的有效信道矩陣，基于有 效信道矩陣確定用于BS的數(shù)字波束成形的反饋信息，把所確定的反饋信息發(fā)送至BS，并且 根據(jù)基于反饋信息所調(diào)度的ΜΙΜΟ模式和/或配置接收來自BS的數(shù)據(jù)脈沖。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了使用模擬和數(shù)字混合波束成形執(zhí)行通信的BS。BS 包括數(shù)字波束成形器，模擬波束成形器和被配置為控制數(shù)字波束成形器和模擬波束成形器 的控制器?？刂破鞅慌渲脼榘l(fā)送包括用于多個BS傳輸波束的混合波束成形的測量和選擇 條件的第一消息至MS，從MS接收關(guān)于由MS根據(jù)測量和選擇條件選擇的至少一個BS傳輸波 束的報告信息，基于報告信息選擇用于MS的最終BS傳輸波束，發(fā)送包括用于最終BS傳輸 波束的數(shù)字波束成形的測量和報告條件的第二消息至MS，從MS接收用于BS的數(shù)字波束成 形的反饋信息，基于反饋信息為MS執(zhí)行混合波束成形調(diào)度，并且根據(jù)所調(diào)度的ΜΙΜΟ模式和 /或配置發(fā)送數(shù)據(jù)脈沖至MS。
[0019] 本發(fā)明的其他方面、優(yōu)點和顯著特征將從以下結(jié)合附圖而公開本發(fā)明的示例性實 施例的詳細(xì)描述中對本領(lǐng)域技術(shù)人員變得顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 本發(fā)明的某些示例性實施例的上述和其他方面、特性和優(yōu)點將從下面結(jié)合附圖的 描述中變得更加顯而易見，附圖中：
[0021] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的支持波束成形的基站（BS)發(fā)射器的物理層 的框圖；
[0022] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的支持波束成形的BS發(fā)射器的物理層的框 圖；
[0023] 圖3A和3B是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的混合傳輸（Tx)和接收（Rx)波束成形 結(jié)構(gòu)的框圖；
[0024] 圖4示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的BS和移動站（MS)間的通信；
[0025] 圖5示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的波束空間內(nèi)為了覆蓋特定小區(qū)/扇區(qū)區(qū)域 在不同方向上形成的示例性模擬波束；
[0026] 圖6示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的模擬和數(shù)字混合波束成形進(jìn)程；
[0027] 圖7A和7B是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的混合Tx和Rx波束成形結(jié)構(gòu)的框圖；
[0028] 圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于混合多輸入多輸出/波束成形 (MM0/BF)的調(diào)度過程的流程圖；以及
[0029] 圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于混合MM0/BF的測量和反饋過程的 流程圖。
[0030] 遍及附圖，相似的參考數(shù)字應(yīng)當(dāng)被理解為指的是相似的部分，組件和結(jié)構(gòu)。

【具體實施方式】
[0031] 提供下面參照附圖的描述來幫助對如權(quán)利要求及其等價物所定義的本發(fā)明的示 例性實施例的全面理解。它包括各種幫助理解的特定細(xì)節(jié)但這些應(yīng)被視為只是示例性的。 相應(yīng)地，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下可以對此處 描述的實施例做出各種改變和修改。另外，為了清楚和簡明，眾所周知的功能和結(jié)構(gòu)的描述 可以被省略。
[0032] 下面的描述和權(quán)利要求中使用的術(shù)語和詞匯不限于書面意思，而是僅被發(fā)明人用 來使對本發(fā)明的理解能夠清楚和一致。相應(yīng)地，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說應(yīng)該顯然的是，提 供本發(fā)明的示例性實施例的以下描述僅用于說明目的，而不是為了限制由所附權(quán)利要求及 其等價物所定義的本發(fā)明的目的。
[0033] 除非上下文另外明確地說明，否則應(yīng)當(dāng)理解單數(shù)形式"一"、"一個"和"所述"包括 復(fù)數(shù)指代。因此，例如提到"一個組件表面"包括提到一個或多個這樣的表面。
[0034] 術(shù)語"大體上"意思是所述特征、參數(shù)或值不需要確切地達(dá)到，而是偏差或變化 (包括例如公差，測量錯誤，測量精度限制和本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的其他因素）可能以不排 除預(yù)期提供的特征的效果的量發(fā)生。
[0035] 將提供本發(fā)明的示例性實施例來解決本發(fā)明的上述技術(shù)方面。在示例性實施中， 所定義的實體可能有相同的名稱，對此本發(fā)明沒有被限制。因此本發(fā)明的示例性實施例可 以在有相似技術(shù)背景的系統(tǒng)中以相同或準(zhǔn)備好的修改被實施。
[0036] 發(fā)送（Tx)波束成形通過多個天線把信號波集中到特定方向來增加方向性。一個 天線集叫做天線陣列，并且天線陣列中的單獨的天線叫做天線元件。天線陣列可以采用各 種形式，包括線性陣列、平面陣列等。Tx波束成形可以通過增加信號方向性來增加傳播距 離。由于信號很少在除了特定方向外的其他方向上發(fā)送，所以Tx波束成形還可以顯著地降 低與預(yù)期的用戶之外的用戶的信號干擾。
[0037] 接收器也可以使用接收（Rx)天線陣列來執(zhí)行Rx波束成形。由于Rx波束成形通 過把信號接收集中到特定方向，排除來自其它方向上的信號，而增加對來自特定方向的信 號的接收敏感度，所以Rx波束成形可以阻擋引起干擾的信號。
[0038] 毫米波無線移動通信系統(tǒng)采用波束成形來減輕毫米波頻段的高傳播路徑損耗。另 夕卜，但凡要減少數(shù)據(jù)和控制信號之間的不平衡的情況中都需要波束成形。由例如電子與 電氣工程師協(xié)會（IEEE) 802. 1 lad標(biāo)準(zhǔn)建議的波束成形過程包括兩個階段：扇區(qū)級別掃描 (Sector Level Sweep，SLS)和波束改進(jìn)協(xié)議（Beam Refinement Protocol，BRP)。
[0039] IEEE802. llad是在60-GHz毫米波段提供10到20米的半徑的非常小的服務(wù)區(qū)域 的無線局域網(wǎng)（WLAN)標(biāo)準(zhǔn)。為了克服波毫米波段遇到的波傳播問題，使用波束成形。
[0040] 在SLS階段期間，將執(zhí)行波束成形的站（STA)在不同方向上重復(fù)發(fā)送相同的扇區(qū) 幀，并且對等STA通過準(zhǔn)全向天線接收扇區(qū)幀，并關(guān)于有最高敏感度的方向發(fā)送反饋。因 此，STA可以通過從對等STA獲取關(guān)于有最高敏感度的方向的信息來執(zhí)行波束成形。
[0041] 在BRP階段期間，在SLS階段后精細(xì)地調(diào)整兩個STA之間的Tx和Rx波束方向以便 增加 Tx和Rx波束成形增益。通常，兩個STA在SLS階段期間檢測到最佳的Tx波束之后， 它們在BRP階段期間搜索匹配于最佳的Tx波束的最佳的Rx波束。另外，可以通過重復(fù)SLS 和BRP階段進(jìn)一步精細(xì)地調(diào)整TX-RX波束對。
[0042] 和毫米波無線通信系統(tǒng)相比，現(xiàn)有的第2代（2G)到第4代（4G)蜂窩通信系統(tǒng)被 設(shè)計成以同向性或全方向性的方式在子-1GHz或1到3GHz頻段上發(fā)送和接收控制信道和 數(shù)據(jù)。然而，通過數(shù)字波束成形將一些資源選擇性地分配給滿足特定信道條件的用戶。 [0043] 在現(xiàn)有的蜂窩系統(tǒng)中，已經(jīng)進(jìn)行研究通過利用具有基于多個傳輸和接收天線（諸 如多輸入多輸出（ΜΙΜΟ))的Tx/Rx分集的信道的多徑傳播特征來實現(xiàn)額外的性能增益。
[0044] 同時，由于前面描述的信道特性和在像毫米波段的極高頻頻段中Tx/Rx波束成形 的使用，減輕了信道的多徑傳播。因此，可以實現(xiàn)波束成形增益，但很難支持Tx/Rx分集。相 應(yīng)地，先前的研究限于確定通過在波束成形期間最大化波束成形增益來最優(yōu)化諸如信噪比 (SNR)的性能指數(shù)的波束成形權(quán)重系數(shù)。
[0045] 基本上在一條RF路徑或RF鏈中，基于通過多個射頻（RF) /天線元件的模擬陣列 的波束成形來實施不支持ΜΜ0的無線吉比特（WiGig)。關(guān)于波束成形，發(fā)射器在多個方向 上掃描特定波束圖案的波束，并且接收器選擇信號強度最大的波束并把有關(guān)所選波束的反 饋發(fā)送至發(fā)射器。這種技術(shù)一般適用于在幾米的小范圍中有視線（LoS)信道路徑而沒有移 動性的室內(nèi)環(huán)境。在以每小時幾十公里的移動性為特征的室外無線移動通信環(huán)境中，快速 的終端切換，由障礙物招致的非LoS (NLoS)路徑特征，或由信道衰落導(dǎo)致的快速變化的信 道狀態(tài)，形成具有方向性的窄波束從而最大化特定方向上的波束增益的波束成形僅可能增 加由于歸因于用戶環(huán)境的性能退化而導(dǎo)致的敏感度。
[0046] 另一個MM0/BF技術(shù)是在第3代合作伙伴計劃（3GPP)長期演進(jìn)（LTE)和全球微 波接入互操作性（WiMAX)中使用的數(shù)字波束成形。盡管該數(shù)字波束成形方案基于數(shù)字預(yù)編 碼支持少于八個流的MIM0/BF，但因為硬件復(fù)雜性和在支持多條RF路徑中的大信號開銷， 很難把數(shù)字波束成形應(yīng)用于毫米波段。另外，由于使用單波束而不支持波束掃描和ΜΙΜ0， WiGig模擬波束成形方案性能有限，并且在多徑信道環(huán)境下遭受性能退化。
[0047] 根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的可適用于蜂窩通信系統(tǒng)的混合波束成形把在RF端 通過高增益波束成形克服路徑損耗的模擬波束成形和通過ΜΙΜΟ最大化容量的數(shù)字波束成 形組合起來。
[0048] 由于毫米波段的信道傳播特性所固有的大傳播損耗，大穿透損耗和低多徑傳播以 及源于波束成形的強方向性，基于波束成形的毫米波無線移動通信系統(tǒng)變得對信道衰落和 障礙物敏感。
[0049] 用于基站（BS)和用戶設(shè)備（UE)間的傳輸和接收的模擬和數(shù)字混合波束成形結(jié)構(gòu) 從在下行鏈路和上行鏈路上有方向性的一個或多個模擬波束集中選擇一個或多個最佳波 束，并組合使用所選的波束來有效率地執(zhí)行數(shù)字MM0/BF。因此毫米波段中的大傳播損耗被 減輕，并且通過額外使用MM0/BF方案最大化諸如信道容量或分集的性能。
[0050] 為了這個目的，本發(fā)明的示例性實施例中選擇混合波束成形模式。BS在覆蓋波束 空間的多方向波束上發(fā)送參考信號并向MS指示波束空間模擬波束選擇模式。模式選擇可 以基于處于連接模式的MS的狀態(tài)。MS通過波束空間掃描和測量選擇一個或多個模擬波束 (即，BS Tx波束），并向BS報告有關(guān)所選的一個和多個模擬波束的信息。
[0051] 在示例性實施中，BS向MS指示所選的Tx模擬波束，并且MS估計由用于所選的模 擬波束的波束成形系數(shù)組成的波束空間信道矩陣（或有效信道矩陣）。隨后，BS和/或MS 基于波束空間信道矩陣選擇ΜΙΜΟ模式和預(yù)編碼器。MS可以使用給定的碼本選擇預(yù)編碼器 或者BS可以基于由MS報告的波束空間信道矩陣確定預(yù)編碼矩陣。
[0052] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的支持波束成形的BS發(fā)射器的物理層的框圖。 舉例來說，物理層被配置成同時使用模擬波束成形和數(shù)字波束成形的混合結(jié)構(gòu)。
[0053] 參照圖1，對應(yīng)于L個層的L個數(shù)字信號通過編碼器（ENC) 110-1到110-L和調(diào)制 器（MOD) 115-1到115-L被提供給ΜΜ0編碼器120。預(yù)編碼器125把從ΜΜ0編碼器120接 收到的Mt個流轉(zhuǎn)換為與N f條RF路徑相對應(yīng)的Nf個預(yù)編碼信號。預(yù)編碼信號被提供給RF 路徑中的模擬波束成形器150，RF路徑包括快速傅里葉逆變換（IFFT) 130-1到130-Nf、并行 至丨J串行（P/S)轉(zhuǎn)換器135-1到135-Nf、循環(huán)前綴（CP)插入器140-1到140-N f和數(shù)模轉(zhuǎn)換 器（DAC)145-1 到 145-Nf。
[0054] 在DAC145-1到145-Nf后端處的模擬波束成形器150包括與各自的RF路徑相 對應(yīng)的多個頻率轉(zhuǎn)換器或混合器、多個移相器和多個功率放大器（PA)或可變增益放大器 (VGA)，并通過控制輸入到RF路徑上的多個天線元件的信號的相位和幅度形成要在特定方 向上發(fā)送的波束。波束通過組合多個天線元件來增加波束成形增益而形成的天線陣列155 發(fā)送。
[0055] 通過包括在DAC145-1到145-Nf之前的IFFT130-1到130-N f、ΜΜ0編碼器 120和預(yù)編碼器125的RF路徑的數(shù)字波束成形使能實現(xiàn)額外的波束成形增益、多單元 MMO (MU-MM0)、頻率選擇性分布和多波束成形。當(dāng)然，應(yīng)該理解，可以通過修改和/或組合 多個框，以各種方式修改圖1中所示的混合波束成形結(jié)構(gòu)。
[0056] 根據(jù)參考信號、數(shù)據(jù)信道和/或控制信道的信道特征，MS、上行鏈路/下行鏈路或 傳輸/接收的移動性和信道特征，可以按照不同的方式使用從混合波束成形結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的 擁有不同波束寬度和波束增益的一個或多個波束。通過控制模擬或數(shù)字端的波束成形系數(shù) 來形成所選的波束，使得該波束在特定方向上有特定的波束寬度和波束增益。如果為天線 元件設(shè)定相同的輸入功率，則通過設(shè)定更寬的波束寬度，波束的指引方向上的最大波束增 益變得更小。
[0057] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的支持波束成形的BS發(fā)射器的物理層的框圖。
[0058] 參照圖2,對應(yīng)于L個層的L個數(shù)字信號通過編碼器（ENO210-1到210-L和調(diào)制 器（MOD) 215-1到215-L被提供給MM0編碼器220。預(yù)編碼器225把從MM0編碼器220 接收到的Mt個流轉(zhuǎn)換為與N f個RF路徑相對應(yīng)的Nf個預(yù)編碼信號。預(yù)編碼信號被提供給 RF路徑上的模擬波束成形器250, RF路徑包括IFFT230-1到230-Nf、P/S轉(zhuǎn)換器235-1到 235-Nf、CP 插入器 240-1 到 240-Nf 和 DAC245-1 到 245-Nf。
[0059] 模擬波束成形器250通過多個移相器和多個PA或VGA形成要在特定方向上發(fā)送 的波束。波束通過N t個天線陣列組255-1到255-Nt發(fā)送。在圖2中所示的混合波束成形 結(jié)構(gòu)中，N f個RF路徑對應(yīng)于Nt個天線陣列組。
[0060] 圖3A和3B是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的混合Tx和Rx波束成形結(jié)構(gòu)的框圖。 [0061] 參照圖3A和3B，發(fā)射器300包括數(shù)字波束成形器310和模擬波束成形器330。數(shù) 字波束成形器310通過包括IFFT320、P/S轉(zhuǎn)換器325和DAC327的多條RF路徑被連接到模 擬波束成形器330。
[0062] 數(shù)字波束成形器310包括ΜΜ0編碼器312和基帶（BB)預(yù)編碼器314。模擬波束 成形器330包括在各自的RF路徑中的頻率轉(zhuǎn)換器332、移相器/PA334和天線陣列336。模 擬波束在映射到各條RF路徑（即，RF鏈）的天線陣列336中形成。雖然沒有顯示，但是發(fā) 射器300可以進(jìn)一步包括控制器，用于控制數(shù)字波束成形器310和模擬波束成形器330,獲 取混合波束成形需要的信息，與接收器交換該信息，并且確定控制數(shù)字波束成形器310和 模擬波束成形器330需要的信息，例如波束成形系數(shù)矩陣。
[0063] 由發(fā)射器300形成的波束在發(fā)射器和接收器之間的多條信道之間的ΜΜ0信道 (H)上建立的波束空間有效信道上被發(fā)送給接收器305。類似于發(fā)射器300,接收器305包 括模擬波束成形器350和數(shù)字波束成形器370。模擬波束成形器350通過包模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)360、串行到并行（S/P)轉(zhuǎn)換器362和快速傅里葉變換（FFT)364的多條RF路徑被連 接到數(shù)字波束成形器370。模擬波束成形器350包括各條RF路徑中的天線陣列352、低噪 放大器（LNA) /移相器354和頻率轉(zhuǎn)換器356。數(shù)字波束成形器370包括BB組合器372和 Μ頂0解碼器374。
[0064] 雖然沒有顯示，但是接收器305可以進(jìn)一步包括控制器，用于控制數(shù)字波束成形 器370和模擬波束成形器350,獲取混合波束成形需要的信息，與發(fā)射器300交換信息，并確 定控制數(shù)字波束成形器370和模擬波束成形器350所需要的信息，例如波束成形系數(shù)矩陣。 控制器通過對從映射到各條RF路徑（S卩，RF鏈）的天線陣列352接收到的模擬波束執(zhí)行 信道估計來確定最佳模擬波束。
[0065] 發(fā)射器300通過模擬波束成形形成在不同的方向上有方向性的模擬波束，并在從 通過額外的數(shù)字MM0/BF處理的模擬Tx和Rx波束中選擇的模擬Tx-Rx波束對上以改善的 性能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
[0066] 圖4示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的BS和MS間的通信。
[0067] 參照圖4, BS400管理作為其服務(wù)覆蓋區(qū)域的被劃分成一個或多個扇區(qū)的小區(qū)，并 且使用前面描述的數(shù)字和模擬混合波束成形結(jié)構(gòu)形成多個Tx/Rx波束412。如參考數(shù)字410 所指示，BS400通過同時或相繼地掃描它們發(fā)送多個波束成形信號。
[0068] 位于BS400的小區(qū)內(nèi)的MS420可以被配置為全方向性地接收信號而不支持Rx波 束成形、支持通過每次使用一種波束成形圖案的Rx波束成形的同時接收信號、或支持通過 同時在不同方向上使用多個波束成形圖案的Rx波束成形的同時接收信號。
[0069] 如果MS420不支持Rx波束成形，則MS420測量每個傳輸波束中的參考信號的信道 質(zhì)量并報告所述測量至BS400。BS400從多個Tx波束里選擇用于MS420的最佳波束。如 果MS420被配置為支持Rx波束成形，則MS420為每個接收波束圖案測量從BS400接收到的 多個Tx波束422的信道質(zhì)量，并報告全部Tx-Rx波束對中的全部或一些排名高的測量至 BS400。BS400可以分配合適的Tx波束給MS420。如果MS420能從BS400接收多個Tx波束 或者支持多個BSTx-MSRx波束對，則BS400可以考慮通過重復(fù)的傳輸或同時的傳輸?shù)姆旨?傳輸來選擇波束。
[0070] 圖5示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的波束空間中為了覆蓋特定小區(qū)/扇區(qū)區(qū)域 而在不同方向上形成的示例性模擬波束。在圖的5所示情況中，通過使用單個天線陣列形 成波束圖案。
[0071] 參照圖5,相對于參考方向（位于0度的方位角或仰角）上的波束500,多個有預(yù) 定帶寬和預(yù)定波束增益的波束可以被形成。
[0072] 圖6示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的模擬和數(shù)字混合波束成形過程。雖然被劃 分為同步/廣播信道區(qū)的時分雙工（TDD)幀、下行鏈路（DL)子幀和上行鏈路（UL)子幀在 圖6中作為例子顯示，但是應(yīng)當(dāng)理解混合波束成形過程可以以相同的方式或類似的方式適 用于頻分雙工（FDD)幀或其他幀結(jié)構(gòu)。
[0073] 參照圖6, BS600在步驟612中在小區(qū)/扇區(qū)內(nèi)的不同方向上的每個RF鏈或天線 陣列形成一個或多個模擬波束，并在每個模擬波束中發(fā)送諸如訓(xùn)練序列或信道狀態(tài)信息參 考信號（CSI-RS)的參考信號，以便MS可以測量在每個方向中指引的模擬波束的信道質(zhì)量 (例如，載波干擾噪聲比（CINR)、接收信號強度指示符（RSSI)等）。參考信號可以在DL子 幀中的預(yù)定時間區(qū)域的N Tx個子時間區(qū)域中發(fā)送。
[0074] NTx是通過每個RF鏈或天線陣列從BS發(fā)送的模擬波束的數(shù)量。更具體地說，BS將 要在一個模擬Tx波束中發(fā)送的不同RF鏈的參考信號分配到一個子時間區(qū)域（例如，符號 持續(xù)時間）中的不同頻率資源。因此，對于每個RF鏈，參考信號在跨越N Tx個子時間區(qū)域的 不同方向上形成的模擬Tx波束中發(fā)送。
[0075] 在步驟614中，MS605為每個BS RF鏈從參考信號測量各個模擬波束的信道，并基 于從所述測量中獲得的信道質(zhì)量（如CINR，RSSI等）選擇滿足特定閾值或適合于BS和MS 間的數(shù)據(jù)傳輸和接收的條件的一個或多個BSRF鏈或天線陣列，或每個BS RF鏈或天線陣列 上的一個或多個模擬波束。例如，根據(jù)給定的Μ值，MS605可以選擇最多Μ個BS模擬波束 或每個BS RF鏈或天線陣列最多Μ個模擬波束。
[0076] 如果MS605也支持混合波束成形，則MS605可以在掃描一個或多個MS Rx波束的 同時測量BS Tx-MS Rx模擬波束對的信道質(zhì)量，并基于所述測量選擇一個或多個BS Tx模 擬波束或一個或多個BS Tx-MS Rx模擬波束對。選擇Tx/Rx模擬波束所基于的標(biāo)準(zhǔn)或條件 可以基于由MS605設(shè)定的閾值或特定的波束選擇度量和/或由BS600向小區(qū)內(nèi)全部MS或 每個單獨的MS指示的閾值來確定。
[0077] 波束選擇度量可以以各種形式表示。例如，波束選擇度量可以包括用于通過一 個或多個RF鏈攜載的一個或多個模擬波束的有效信道，和通過測量以有效信道作為項 (entry)的信道矩陣計算出的各個ΜΜ0流的平均、最高或最低SNR。在另一個例子中，波束 選擇度量可以是通過信道容量公式計算出的信道容量。
[0078] 在步驟616中，MS605向BS報告指示基于所有可能的BS Tx-MS Rx模擬波束對的 信道質(zhì)量的測量已經(jīng)選擇的一個或多個BS RF鏈或天線陣列的信息，和指示一個或多個模 擬Tx波束或每個RF鏈或天線陣列上的一個或多個BS Tx-MS Rx模擬波束對的模擬波束索 引信息。例如，所報告的信息可以在UL子幀的預(yù)定報告區(qū)域中發(fā)送。在步驟618中，考慮 到調(diào)度，BS600可以基于模擬波束索引信息向下選擇（downselect)最終的BS Tx模擬波束。 BS600通過DL子幀中的DL控制消息向MS605發(fā)送有關(guān)所選的最終的BSRF鏈或天線陣列的 信息和有關(guān)每個RF鏈或天線陣列上所選的最終的模擬Tx波束的信息。
[0079] 在步驟620中，MS605估計有關(guān)所選的最終的BS Tx模擬波束和映射到BS Tx模 擬波束的最佳MS Rx模擬波束的波束空間的有效信道矩陣。有效信道矩陣可以通過在天線 空間中對BS600的Tx天線與MS605的Rx天線間的信道矩陣施加 BS Tx模擬波束成形和MS Rx模擬波束成形而獲得。例如，有效信道矩陣可以被表示為公式（1)。
[0080]

【權(quán)利要求】
1. 一種使用模擬和數(shù)字混合波束成形的通信方法，該方法包括： 從基站（BS)接收包括用于混合波束成形的測量和選擇條件的第一消息； 根據(jù)所述測量和選擇條件測量多個BS傳輸波束的信道； 根據(jù)所述測量和選擇條件基于信道測量來選擇至少一個BS傳輸波束； 發(fā)送有關(guān)所選的至少一個BS傳輸波束的報告信息至BS ; 從BS接收包括用于由BS選擇的最終BS傳輸波束的數(shù)字波束成形的測量和報告條件 的第二消息； 根據(jù)所述測量和報告條件估計用于所選的最終BS傳輸波束的有效信道矩陣； 基于有效信道矩陣確定用于BS的數(shù)字波束成形的反饋信息并發(fā)送所確定的反饋信息 至BS ;以及 根據(jù)基于反饋信息所調(diào)度的多輸入多輸出（MMO)模式和/或配置從BS接收數(shù)據(jù)脈 沖。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所選的最終BS傳輸波束由從BS的多個射頻（RF)鏈 或天線陣列中選擇的至少一個RF鏈或天線陣列形成。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述報告信息包括指示至少一個所選BS傳輸RF鏈 或天線陣列的第一信息和指示被選擇用于所述至少一個所選BS傳輸RF鏈或天線陣列的每 個的至少一個BS傳輸波束的第二信息。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中用于數(shù)字波束成形的反饋信息包括有關(guān)一個或多個 BS傳輸RF鏈、一個或多個BS傳輸天線陣列、MOMO模式、最優(yōu)MMO秩、MMO流的數(shù)量、最優(yōu) MMO預(yù)編碼器、最優(yōu)MMO碼本、估計的信道質(zhì)量信息和估計的調(diào)制和編碼方案（MCS)級別 中的至少一個的信息。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中數(shù)字波束成形的反饋信息包括有關(guān)有效信道矩陣、 規(guī)范化有效信道矩陣、分解的有效信道矩陣、有效信道陣列的協(xié)方差矩陣、有效信道矩陣的 元素中至少一個的信息，和重配置有效信道矩陣所需的信息。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測量和選擇條件包括要報告的BS傳輸RF鏈的 數(shù)量、要報告的BS傳輸天線陣列的數(shù)量、要報告的每個BS傳輸RF鏈或傳輸天線陣列的BS 傳輸波束的數(shù)量、要報告的BS傳輸波束的數(shù)量、要報告的波束對的數(shù)量、要報告的每個移 動站（MS)接收波束的BS傳輸波束的數(shù)量、要報告的MS接收波束的數(shù)量、ΜΙΜΟ流的數(shù)量、 用來選擇BS傳輸波束或BS傳輸波束-MS接收波束對的信道質(zhì)量條件、要反饋的特定ΜΜ0 模式、所支持的MM0秩和所支持的MM0流的數(shù)量中至少一個。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中用在選擇BS傳輸波束中的信道質(zhì)量條件包括信號干 擾噪聲比（SINR)或信號強度閾值、相對閾值、標(biāo)準(zhǔn)差閾值和相關(guān)性閾值中至少一個。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包含確定所選的至少一個BS傳輸波束和與所選的 至少一個BS傳輸波束對應(yīng)的至少一個MS接收波束的至少一對。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中選擇所述至少一個BS傳輸波束的步驟包含以下至少 一個： 從所述多個BS發(fā)送波束中選擇信號干擾噪聲比（SINR)或信號強度等于或大于由BS 設(shè)定的閾值的BS傳輸波束； 從所述多個BS傳輸波束中選擇SINR或信號強度與預(yù)定參考值差由BS設(shè)定的相對閾 值或以上的BS傳輸波束； 從所述多個BS傳輸波束中選擇SINR標(biāo)準(zhǔn)差或信號強度標(biāo)準(zhǔn)差等于或大于由BS設(shè)定 的閾值的BS傳輸波束；以及 從所述多個BS傳輸波束中選擇相關(guān)性等于或大于由BS設(shè)定的閾值的BS傳輸波束對。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中確定用于數(shù)字波束成形的反饋信息的步驟包括： 基于所選的BS傳輸RF鏈或天線陣列和所選的BS傳輸RF鏈或天線陣列的BS傳輸波 束確定有效信道矩陣； 選擇最大化相對于所支持的ΜΙΜΟ秩或所支持的ΜΙΜΟ流的數(shù)量來估計的信道容量或每 個ΜΜ0流的信噪比（SNR)的預(yù)編碼器或碼本； 根據(jù)所選的預(yù)編碼器或碼本估計有效載波干擾噪聲比（CINR);以及 使用有關(guān)所選的預(yù)編碼器或碼本中至少一個和有效CINR的信息來產(chǎn)生所述反饋信 息。
11. 一種使用模擬和數(shù)字混合波束成形的通信方法，該方法包含： 向移動站（MS)發(fā)送包括用于多個基站（BS)傳輸波束的混合波束成形的測量和選擇條 件的第一消息； 從MS接收有關(guān)由MS根據(jù)所述測量和選擇條件選擇的至少一個BS傳輸波束的報告信 息； 基于所述報告信息為MS選擇最終BS傳輸波束，并向MS發(fā)送包括用于最終BS傳輸波 束的數(shù)字波束成形的測量和選擇條件的第二消息； 從MS接收用于BS的數(shù)字波束成形的反饋信息；以及 基于所述反饋信息執(zhí)行用于MS的混合波束成形調(diào)度，并根據(jù)所調(diào)度的多輸入多輸出 (MM0)模式和/或配置向MS發(fā)送數(shù)據(jù)脈沖。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述多個BS傳輸波束由BS的多個射頻（RF)鏈或 天線陣列形成。
13. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述報告信息包括指示至少一個所選的BS傳輸 RF鏈或天線陣列的第一信息和指示被選擇用于所述至少一個所選的BS傳輸RF鏈或天線陣 列的每個的至少一個BS傳輸波束的第二信息。
14. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中用于數(shù)字波束成形的反饋信息包括有關(guān)一個或多 個BS傳輸RF鏈、一個或多個BS傳輸天線陣列、MM0模式、最優(yōu)MM0秩、MM0流的數(shù)量、最 優(yōu)MM0預(yù)編碼器、最優(yōu)MM0碼本、估計的信道質(zhì)量信息和估計的調(diào)制和編碼方案（MCS)級 別中的至少一個的信息。
15. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中用于數(shù)字波束成形的反饋信息包括有關(guān)由MS為最 終BS傳輸波束估計的有效信道矩陣、規(guī)范化有效信道矩陣、分解的有效信道矩陣、有效信 道矩陣的協(xié)方差矩陣、有效信道矩陣的元素中至少一個的信息和重配置有效信道矩陣所需 的信息。
16. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述測量和選擇條件包括要報告的BS傳輸RF鏈 的數(shù)量、要報告的BS傳輸天線陣列的數(shù)量、要報告的每個BS傳輸RF鏈或傳輸天線陣列的 BS傳輸波束的數(shù)量、要報告的BS傳輸波束的數(shù)量、要報告的波束對的數(shù)量、要報告的每個 移動站（MS)接收波束的BS傳輸波束的數(shù)量、要報告的MS接收波束的數(shù)量、ΜΙΜΟ流的數(shù)量、 用來選擇BS傳輸波束或BS傳輸波束-MS接收波束對的信道質(zhì)量條件、要反饋的特定MMO 模式、所支持的MMO秩和所支持的MMO流的數(shù)量中至少一個。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中用在選擇BS傳輸波束中的信道質(zhì)量條件包括信號 干擾噪聲比（s INR)或信號強度閾值、相對閾值、標(biāo)準(zhǔn)差閾值和相關(guān)性閾值中的至少一個。
18. 如權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包含確定所選的至少一個BS傳輸波束和與所選 的至少一個BS傳輸波束對應(yīng)的至少一個MS接收波束的至少一對。
19. 一種使用模擬和數(shù)字混合波束成形來執(zhí)行通信的移動站（MS)，該MS包括： 數(shù)字波束成形器； 模擬波束成形器；和 被配置為控制數(shù)字波束成形器和模擬波束成形器的控制器， 其中控制器被配置為從基站（BS)接收包括用于混合波束成形的測量和選擇條件的第 一消息，根據(jù)所述測量和選擇條件來測量多個BS傳輸波束的信道，根據(jù)所述測量和選擇條 件基于信道測量來選擇至少一個BS傳輸波束，發(fā)送有關(guān)所選的至少一個BS傳輸波束的報 告信息至BS，從BS接收包括用于由BS選擇的最終BS傳輸波束的數(shù)字波束成形的測量和報 告條件的第二消息，根據(jù)所述測量和報告條件估計用于所選的最終BS傳輸波束的有效信 道矩陣，基于有效信道矩陣確定用于BS的數(shù)字波束成形的反饋信息，發(fā)送所確定的反饋信 息至BS，并且根據(jù)基于所述反饋信息所調(diào)度的多輸入多輸出（MM0)模式和/或配置從BS 接收數(shù)據(jù)脈沖。
20. -種使用模擬和數(shù)字混合波束成形來執(zhí)行通信的基站（BS)，該BS包括： 數(shù)字波束成形器； 模擬波束成形器；和 被配置為控制數(shù)字波束成形器和模擬波束成形器的控制器， 其中控制器被配置為向移動站（MS)發(fā)送包括用于多個BS傳輸波束的混合波束成形的 測量和選擇條件的第一消息，從MS接收有關(guān)由MS基于所述測量和選擇條件選擇的至少一 個BS傳輸波束的報告信息，基于所述報告信息為MS選擇最終BS傳輸波束，向MS發(fā)送包括 用于最終BS傳輸波束的數(shù)字波束成形的測量和報告條件的第二消息，從MS接收用于BS的 數(shù)字波束成形的反饋信息，基于所述反饋信息執(zhí)行用于MS的混合波束成形調(diào)度，并且根據(jù) 所調(diào)度的多輸入多輸出（MM0)模式和/或配置向MS發(fā)送數(shù)據(jù)脈沖。
【文檔編號】H04L1/06GK104303477SQ201380024473
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年5月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月10日
【發(fā)明者】薛志允, 金泰瑩, 樸廷鎬, 趙在源 申請人:三星電子株式會社