实现协作多点传输与多用户多输入多输出的通讯方法

摘要

本发明涉及一种实现多用户多输入多输出（MU-MIMO）和协作多点传输（CoMP）的通讯方法。所述的多用户多输入多输出（MU-MIMO）和协作多点传输（CoMP）具有将小区容量提高数倍的潜力。然而，干扰和过大的信道反馈开销严重地限制了这种潜力的发挥。本发明描述了参考信号波束节点（RS-GOB）方案。参考信号波束节点方案将基站的有效天线分至覆盖小区或扇区的若干波束，因此显著地降低了协作多点传输的反馈开销，并通过协作多点传输有效地将相互干扰的信号转换为相互协作的有用信号。参考信号波束节点方案还降低了对小型异构小区的需要，从而缓解了小型异构小区对宏小区的干扰效应。

说明书

技术领域

本发明涉及电讯系统以及无线通讯系统领域，特别涉及无线通讯多点传输技术领域，具 体是指一种实现协作多点传输与多用户多输入多输出的无线通讯方法。

背景技术

小区容量是衡量无线移动网络的一项重要性能指标。作为新一代的无线网络标准的长期 演进技术先进版本，即LTE-A，采纳了包括协作多点传输（CoMP）、多用户多输入多输出 （MU-MIMO）、以及异构网络在内的网络容量提升技术。这些技术具有将小区容量提高数倍 的合成潜力。

然而，在无线移动网络中成功地实现上述容量提升技术面临着极大的挑战。在宏小区和 异构小区之间存在着很强的干扰。MU-MIMO中的波束之间也存在着很强的干扰。现有技术 在克服或减少上述挑战的同时也显著地降低了容量提升技术的效益。例如，减少干扰的一种 方法就是将相互干扰的发送天线或基站以诸如时分复用或频分复用的方式安排在不同的资源 上传输。但是，资源复用显著地减少了小区容量。协作多点传输是减少干扰的另一种方法。 然而随着小区中的MU-MIMO所使用的天线数目的增加，协作多点传输中的信道反馈开销会 挤占越来越多的上行信道容量。

据此，无线移动网络对于充分发挥容量提升技术之效益并克服其实现中存在的挑战的方 法、装置以及系统装置以及系统有着强烈的需求。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中的缺点，提供一种能够减少协作多点传输中的信道 反馈开销、使得具有高吞吐量的移动用户能够达到其最大吞吐量的实现协作多点传输与多用 户多输入多输出的无线通讯方法。

下面的描述给出了关于本发明的若干方面的概要，以提供对这些方面的基本理解。本概 要的目的是简要地介绍关于本发明若干方面的有关概念。这些介绍可以认为是后续详细描述 的提要。

在本发明的某些方面，被称为参考信号波束节点（reference signal grid of beams，RS-GOB） 的方案将基站处的等效天线分配至若干波束，从而大大减少了需要反馈的下行信道的数目， 进而大大减少了信道反馈开销。

在本发明的一些进一步的方面，移动用户可以采用简化式信道反馈来进一步减少反馈开 销。

在本发明的一些其它的方面，基站与移动用户之间可以建立无节点MIMO通讯链，从而 达到移动用户端的多天线所能支持的最大数据吞吐量。

本发明还有一些方面涉及利用参考信号波束节点方案来减小对小型异构小区（small  HetNet cells）的需要，因此减少了潜在的干扰源。

综上所述，本发明的优点在于提供了灵活的MU-MIMO波束的空间结构，减少了协作多 点传输中的信道反馈开销，同时使得具有高吞吐量的移动用户能够达到其最大吞吐量。更多 的优点和新颖独到的特征可以通过对下面关于本发明的详细描述和附图的研究而变得更加显 而易见。

附图说明

图1描述了无线移动网络中的一个示范性的协作多点传输集。

图2描述了一示范性的波束节点方案。

图3描述了一示范性的参考信号波束节点方案。

图4描述了无线网络中的一个示范性的基于参考信号波束节点方案的协作多点传输集。

图5描述了基于参考信号波束节点方案的MIMO通讯链的若干例子。

图6描述了构建通讯链的一个示范性框图。

图7描述了通讯链构建控制的一个示范性流程图。

图8（a）、8（b）描述了小型异构小区的两个例子。

图9（a）、9（b）描述了在径向上具有两个波束的波束模式的例子。

图10描述了无节点式MIMO与主波束共存的通讯链的一个例子。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

借助附图，下文更充分地描述了本发明中所公开的发明主旨。附图描述了本发明的一些 （但不是全部）方面或一些具体实现。描述中所引用的数字标记对应于附图中相应的元素。 本发明的种种方面可以通过许多不同的方式实现，因此不应被认为受限于本发明中所描述的 范例性实现。下文中描述了若干用于解释目的的具体细节，以期达到对发明主旨的详尽理解。 然而在许多情况下，将发明主旨付诸实践可能并不一定需要这些具体细节。在另外一些场合， 为了突出对发明主旨的描述，众所周知的方法、步骤、以及组成部分的细节则不再详述。

在下文中，基站处的“天线”这一术语指的是移动用户所观测到的“等效”天线。因此，在 下文中，一个基站天线并不一定对应于一个物理天线。一个基站天线可能是若干物理天线的 加权组合。据此，基站处的有效天线的数目不一定等同于该基站处的物理天线的数目。比如， 一个基站可能拥有128个物理天线，然而其等效天线的数目可以是1，2，4，8，或者为其它 数值。在下文中，基站处的“天线数目”指的是该基站处的等效天线的数目。

图1描述了无线移动网络中的一个示范性的协作多点传输集。协作多点传输集包含基站 112、114、以及116，和移动用户122、124、以及126。每一基站覆盖一个宏小区，该宏小区 可以包含一个扇区，也可以被分为若干个扇区。在图1中，每一个宏小区包含三个扇区。在 非协作多点传输模式下，服务于移动用户122、124、以及126的基站分别为基站112、114、 以及116。也就是说，移动用户122与基站112相互通讯，移动用户124与基站114相互通讯， 移动用户126与基站116相互通讯。由于移动用户122、124、以及126均位于或靠近小区边 缘，任一移动用户所希望接收的信号都受到来自相邻基站的强烈干扰。比如，由基站112至 移动用户122的信号可以受到由基站114至移动用户124的信号和由基站116至移动用户126 的信号的强烈干扰。

在协作多点传输模式下，基站112、114、以及116发送的是针对移动用户122、124、以 及126信号的组合。对于每个基站来说，每个移动用户信号的组合权重可以是不一样的。借 助精准缜密的算法，各个基站发送的组合信号可以实现如下的效果：当来自基站112，114、 116的信号抵达移动用户122时，针对移动用户124和126的信号被抵消或最小化，而针对 移动用户122的信号则被最大化或增强，从而移动用户122的信号质量得到了有效的提高。 同理，移动用户124和126的信号在相应的移动用户处也得到了有效的提高。在各个基站上 的移动用户信号组合通常被称为“预编码”。对应于每个移动用户和每个基站的组合权重则构 成“预编码矩阵”中的元素。

为了实现预编码，基站需要准确的下行信道信息。下行信道信息可以通过移动用户经上 行信道反馈。对于每一个基站天线和移动用户天线之间的下行信道来说，信道反馈可以通过 诸如时域参数提取等具有极低的信道反馈开销的方案来有效地实现。然而，随着每一小区所 配置的天线逐渐增加，需要反馈的下行信道的数目迅速增长。虽然每一下行信道所需的反馈 开销可以很低，众多的下行信道仍会可能导致过高的总信道反馈开销。

例如，如果图1中的每一基站有8个天线，每一移动用户有两个天线，那么每一移动用 户需要反馈8×2×3＝48个下行信道，三个移动用户的累积反馈开销为48×3＝144个下行信道。 显然，需要反馈的下行信道的数目足以使得反馈开销过大因此使得信道反馈不可行。并且， 预编码矩阵的维数为24×6，从而导致复杂和高成本的计算量。

进一步地，对于包含三个具有8个天线的基站的协作多点传输集来说，协作多点传输的 最大容量只有在协作多点传输集包含共有24个天线的移动用户的条件下才能达到。也就是 说，在协作多点传输集达到最大容量时，发送天线的数目和接收天线的数目应该相等。然而 在这样的条件下，累积的反馈开销增至576个下行信道，预编码矩阵的维数增至24×24，从 而给克服反馈开销和计算复杂性的挑战带来更多的困难。另外，确定共有24个天线的移动用 户也并非易事，因此协作多点传输集的容量会常常得不到充分利用。

波束节点（Grid of beams，GOB）方案使得MU-MIMO具有一定的空间结构。图2描述 了一示范性的波束节点方案。图2中的基站使用天线阵列而形成8个波束。8个波束依固定 的空间格局或空间节点排列，这就是名称“波束节点”的由来。8个波束一起覆盖一个整个的扇 区。基站处的天线依波束分组，使得每一波束有一个或更多的天线。比如，如果图2中的基 站有8个物理天线，每一波束可以有一个由8个物理天线经波束成形所构造的等效天线。波 束与天线也可以构成其它的组合。比如，一个扇区可以被分为4个具有两个天线的波束。

如果两个移动用户位于两个不同波束的中心，那么针对这两个移动用户的信号可以使用 时域和/或频域上的相同资源同时地发送。因此，小区的吞吐量翻了一倍。图2中的8个波束 的波束节点在理论上可以将小区容量增至8倍，与8个天线的MU-MIMO的改进幅度相同。

然而，波束节点中波束间的相互干扰严重地削弱了波束节点方案的效益。如果移动用户 位于波束边缘，该用户所能达到的数据流量和单一天线覆盖整个扇区的情形相比要差很多。 因此，平均小区吞吐量即平均小区容量仅为波束节点方案在理想状况下能够达到的容量的很 小一部分。

另外，虽然波束节点方案所能达到的最大小区容量与具有同样发送天线数目的 MU-MIMO相同，波束节点方案的最大小区容量乃是由波束节点中的波束所分享，因此每一 波束的吞吐量只是最大小区容量的一部分。如果某个移动用户装备了大数目的天线，波束节 点中的波束并不一定能够提供该多天线移动用户所需要的数据流量。

图3描述了一示范性的参考信号波束节点方案（Reference signal GOB，RS-GOB）。参考 信号是传输信号的一部分，对于接收器来说为已知，并用于信道估计和数据解调。在图3中， 基站112如图2一样，通过天线阵列形成了8个波束。每一波束都被赋予了一个参考信号， 该参考信号被称为波束专用参考信号（beam-specfic RS，BS-RS）。换句话说，扇区中的每一 波束都可以通过其波束专用参考信号而辨识。传输信号中不属于波束专用参考信号的部分则 被称为“数据信号”。数据信号包括用户数据和控制数据，并在某些情况下包括用户专用参考 信号。在波束专用参考信号方案中，数据信号可以通过与波束专用参考信号相同或者不同的 波束分布方式来传输。

值得指出的是，如果一个波束中包含一个以上的天线，波束专用参考信号则指的是该信 号波束中所有天线的参考信号的全体。

图4描述了无线网络中的一个示范性的基于参考信号波束节点方案的协作多点传输集。 移动用户通过测量波束专用参考信号的功率来估计波束的功率。如果移动用户接收到的信号 功率只被一个波束所支配，则可以认为该移动用户位于该波束的中心部分，该波束则被称为 “主波束”，该主波束则被用来作为移动用户和移动网络之间的通讯链。在主波束链中，数据 信号通过与波束专用参考信号相同的波束形状来传输。

如果接收信号中的支配波束多于一个，那么移动用户可能位于波束边缘或小区边缘，因 此可以作为协作多点传输集的候选移动用户。在本文中，如果某些波束的功率总和超过接收 信号总功率的较大的百分比，比如80%或90%，那么这些波束则被称为“支配波束”。作为协 作多点传输初始化过程的一部分，移动用户可以将“波束功率分布信息”发送至网络。波束功 率分布信息可以包括但不局限于如下信息：支配波束的数目、辨识信息、以及功率。网络根 据波束功率分布信息和其它信息来确定协作多点传输集，并且在协作多点传输集中的基站和 移动用户之间建立协作多点传输链。协作多点传输集依赖于波束功率分布信息和/或候选移动 用户所反馈的下行信道信息。在关于协作多点传输的讨论中，一个波束可以被认为等价于一 个基站，因此一个协作多点传输集包含了来自一个或更多的基站的若干波束，以及若干移动 用户。

参考信号波束节点方案所带来的信道反馈开销的减少可以通过下面的例子说明。设图4 中的波束为单一天线波束。考虑一个位于两波束间的波束边缘的移动用户，该移动用户具有 两个天线。该移动用户与其观测到的两个最强的波束构成一协作多点传输集。该移动用户移 动用户只需反馈4个下行信道。由于协作多点传输集中只有一个移动用户，累积的反馈开销 也只有4个下行信道。

在图4中的小区边缘，一协作多点传输集可以包含来自3个扇区的3至6个波束。一个 具有双天线的移动用户则需要反馈6至12个下行信道。在协作多点传输集达到最大容量时， 累积的反馈开销介于9至36个下行信道，预编码矩阵维数最多6×6。

从上例可以看出，与不采用参考信号波束节点方案的协作多点传输相比，基于参考信号 波束节点方案的协作多点传输消除了绝大部分的反馈开销。尽管协作多点传输集的体积减小 了许多，在波束边缘或小区边缘处不同的空间位置上，多个协作多点传输过程可以同时进行， 因此可以将最大小区容量保持在同样的水平。另外，反馈开销可以通过下面描述的方式进一 步地减小。

如果在某一移动用户处存在两个单一天线支配波束，而该移动用户具有两个天线，那么 该移动用户能够通过这两个天线接收来自主波束的信号并同时消除来自另一波束的干扰，因 此协作多点传输不再必要。换句话说，在两个单一天线支配波束的情形下，只有单一天线移 动用户才需要协作多点传输。随着越来越多的移动用户具有双天线的配置，可以预期反馈开 销将得到相当程度的进一步减小，尤其是在波束边缘。一般来说，如果某移动用户的天线数 目不少于支配波束中的天线数目之和，那么该移动用户不需要协作多点传输。

多天线移动用户也可以选择反馈较少的下行信道。例如，如果一移动用户具有双天线， 且在该移动用户处存在着4个支配波束，该移动用户则需要反馈如下8个下行信道：

h₁₁,h₁₂,h₁₃,h₁₄   （1）

h₂₁,h₂₂,h₂₃,h₂₄

然而，该移动用户可以选择反馈如下4个下行信道：

h₁₁,h₁₂,h₁₃,h₁₄   （2）

或者选择反馈如下4个下行信道：

ah₁₁+bh₂₁,ah₁₂+bh₂₂,ah₁₃+bh₂₃,ah₁₄+bh₂₄   （3）

在式（3）中，系数a和b可以选择使得接收信号的信噪比最大化。基于式（2）或式（3） 的信道反馈被称为“基于线性组合的简化式信道反馈”，或简称为“简化式信道反馈”。在简化 式信道反馈下，网络认为移动用户处的天线数目等同于对应于支配波束中每一天线的、所反 馈的下行信道数目。例如，在式（2）或式（3）式代表的简化式信道反馈中，对于任一支配 波束中的天线，移动用户所反馈的下行信道数目为一，因此对于网络而言，该移动用户的天 线数目为一，尽管该移动用户实际具有两个天线。

值得指出的是，简化式信道反馈减少的是每一移动用户的反馈开销，而不是协作多点传 输集中所有移动用户的累积的反馈开销。首先需要注意的是，如果协作多点传输集中的移动 用户数目保持不变，简化式信道反馈减少了协作多点传输的容量。然而，通过增加协作多点 传输集中移动用户的数目，协作多点传输集容量可以保持不变。这说明了在保持协作多点传 输集容量不变的条件下，简化式信道反馈并未减少累积的反馈开销。

还需要指出的是，对于每一个下行信道，基于时域参数提取的反馈方法既具有相当高的 信道反馈精度，又具有极低的反馈开销。因此，每一信道的极低反馈开销和非常小的协作多 点传输集的体积一起促成了极低的总信道反馈开销。

本发明的某些方面涉及多天线移动用户和基站间的无节点式MIMO（gridless MIMO， G-MIMO）通讯链。如果某一移动用户配置了大量数目的天线，且单一波束不足以支持该移 动用户的最大数据流量，无节点式MIMO的优点就显得更加突出。图5描述了基于参考信号 波束节点方案的MIMO通讯链的若干例子。在图5中，基站112发送8个基于参考信号波束 节点的波束，该8个波束一起覆盖了一个扇区。移动用户502具有8个天线。基站112可以 通过在整个扇区发送8个天线的数据信号的方式建立移动用户502与基站间的无节点式 MIMO链。基站112也可以通过如下的方式建立移动用户502和基站之间的无节点式MIMO 链：首先获取移动用户502的位置信息，然后定向地向移动用户502发送一个具有8个天线 的数据信号波束（data-signal beam，DS-beam）512。

移动用户的位置信息可以通过由移动用户发送至网络的波束功率分布信息来估计。波束 功率分布中的支配波束提供了一个移动用户位置的估计。网络也可以通过测量移动用户信号 的抵达角度（angle of arrival，AoA）和/或抵达时间（time of arrival，ToA）来估计移动用户 的位置。网络还可以使用诸如全球定位系统（GPS）等定位服务来确定移动用户的位置。

本发明的一些进一步的方面涉及多个无节点式MIMO链。如果基站具有足够数目的物理 天线，该基站和处于空间不同位置的移动用户可以同时建立多个无节点式MIMO链。图5描 述了一多个无节点式MIMO链的例子。在图5中，移动用户504也具有8个天线，并处于和 移动用户502不同的空间位置。如果基站112具有16个或更多的物理天线，那么它可以与波 束512同时向移动用户504发送一具有8个天线的数据信号波束514。

图6描述了构建通讯链的一个示范性框图。波束功率测量装置602借助波束专用参考信 号来测量波束功率。波束功率分布信息装置604根据波束功率测量装置602的输出来生成波 束功率分布信息。通讯链控制器606借助波束功率分布信息和其它相关信息来建立基站与移 动用户之间的通讯链。

图7描述了通讯链构建控制的一个示范性流程图，该流程图可被图6中的通讯链控制器 606所采用。步骤702接收包括波束功率分布信息在内的输入信息并判断是否存在对无节点 式MIMO链的请求。如果存在对无节点式MIMO链的请求，则采用步骤704以建立基站与 移动用户之间的无节点式MIMO链。如果不存在对无节点式MIMO链的请求，则采用步骤 706以判断是否只存在一个支配波束。如果只存在一个支配波束，则采用步骤708以建立基 站与移动用户之间的主波束通讯链，并将该支配波束作为主波束。如果支配波束多于一个， 则采用步骤710以确定协作多点传输集。步骤712用来建立协作多点传输集中基站与移动用 户之间的协作多点传输链。

本发明的一些其它方面涉及利用参考信号波束节点方案来减少对小型异构小区的需求。 图8描述了小型异构小区的两个例子。在图8（a）中，小型异构小区802和804被置于基站 112所服务的扇区中的两个“无线热点”处。无线热点为小区或扇区中移动用户高度集中的区 域。在图8（b）中，基站112通过波束专用参考信号方案产生了波束的分布形状，使得每一 无线热点位于某一波束的中心部分，因此该无线热点处的移动用户可以使用该波束作为主波 束。这使得小型异构小区802和804不再必要。相应地，小型异构小区所产生的干扰和对主 干回路的需求也得以避免。

需要强调的是，波束专用参考信号的波束形状并不限于图5和图8中的径向模式。如果 矩阵处的物理天线可以同时在水平方向和垂直方向排列，那么波束模式在径向可以有多个波 束。图9描述了在径向上具有两个波束的波束模式的例子。图9（a）描述了在给定径向上具 有两个波束的一个示范性例子。图9（b）描述了一波束专用参考信号的波束模式，该模式在 扇区中的任一径向具有两个波束。

值得指出和强调的是，主波束链、协作多点传输链、以及无节点式MIMO链，在空间上 相隔的条件下，可以同时共存。图10描述了无节点式MIMO与主波束共存的通讯链的一个 例子。在图10中，波束512构成了基站112与移动用户502之间的无节点式MIMO链。由 于移动用户1002和移动用户502处于空间的不同位置，采用波束BS-RS4作为主波束的移动 用户1002可以和移动用户502同时接收信号。

还需要指出和强调的是，主波束链、协作多点传输链、以及无节点式MIMO链，如果每 一通讯链使用不同的资源，即使在同一位置上也可以同时共存。例如，在LTE网络中，如果 主波束链、协作多点传输链、以及无节点式MIMO链被分配在不同的子载波上，那么它们可 以在同时同地共存而不互相干扰。

结论，派生结果与范围

通过上面对本发明的详细描述可以看出，参考信号波束节点方案显著地减少了协作多点 传输中的反馈开销，使得配置不同天线数目的移动用户都可以达到其最大数据量，降低了对 小型异构小区的需求，并充分实现了MU-MIMO的效益。

需要指出和注意的是，本发明主旨的原理既适用于LTE无线移动网络，也适用于其它无 线网络和系统，如无线局部网（WLAN）。在无线局部网中，无线接入点（access point，AP） 起着与无线移动网络中的基站相同的作用。无线局部网中的非接入点设备对应于无线移动网 络中的移动用户。

上文对本发明的各个方面和/或体现给出了解说性的描述。需要强调的是，对于熟悉相关 背景的专业人士来说，本发明的各个方面和/或体现的范围为本发明中的权利要求所定义，在 不偏离该范围的条件下，存在着许许多多的可能的变动和修改。另外，除特别说明外，本发 明的任一方面和/或体现的全部或一部分可以与本发明的其它任一方面和/或体现的全部或一 部分进行组合。因此，所有这样的修改、变动、以及组合，只要它们落入所公开的发明主旨 的精神实质和范围，均为本发明中的权利要求所包括。