天线设备和用于控制天线阵列的天线波束的聚焦的方法

摘要

本发明涉及天线设备(600)，包括控制器(602)，控制器(602)被配置成对天线阵列的朝向用户设备的天线波束的聚焦(605)进行控制，聚焦(605)基于与导频波束相关的反馈环路(601)，导频波束包括天线阵列的一组预定天线波束，并且聚焦(605)基于天线阵列与用户设备之间的距离(603)。

说明书

技术领域

本公开内容涉及天线设备及用于对天线阵列的天线波束的聚焦进行控制的方法，以及涉及无线电基站收发台BTS。本公开内容还涉及蜂窝网络中BTS天线波束形成。特别地，本公开内容涉及提高了的天线波束形成精度。

背景技术

移动宽带业务的普遍接受和广泛应用给可用的蜂窝网络无线电资源带来了巨大的压力。通过竞拍而获得的昂贵频谱必须得到有效利用。BTS天线波束形成是一种先进的无线电接口技术，能够使无线电频谱得到有效的利用。通过精确控制天线波束朝向移动用户设备UE的方向，能够对蜂窝网络中无线电频率进行密集的复用，从而增加容量并且降低了移动宽带业务的成本。在传统的蜂窝网络中，网络的一个小区内平均地使用所分配的频谱。与之相反，天线波束形成会将用户所使用的频谱部分朝向该特定用户聚焦。这减少了对其他小区用户的干扰，并且使频谱得到更密集的复用。传统的波束控制参数包括入射角估值和长期演进LTE闭环多输入多输出MIMO操作中的预编码矩阵指示PMI上报。蜂窝网络中一个普遍问题在于BTS与UE之间的多路径传播。来自UE的无线电波在建筑物上被反射，并且在上行情况下从不同方向到达BTS。在下行情况下，从BTS至UE即相反方向的无线电波也存在同样的问题。每一反射都具有高度的频率选择性，因此在上行和下行使用不同频率的频分双工FDD系统中，上行和下行中的反射条件不同。这就是通过估计上行入射角估值来控制下行波束会带来次最佳性能的原因。

图1示出了由不同PMI值确定的不同天线波束的原理。该图阐述了闭环PMI上报。BTS101生成指向无线电小区108内的UE103的第一波束102、第二波束104以及第三波束106。PMI可以根据3GPPTS标准来实现。在该特定的示例中，PMI根据3GPPTS36.331标准来实现。这三个波束102、104和106的不同的天线下倾角α_i对应于不同的PMI_i值。通过接收对最大PMI_i值的周期性UE报告——在此示例中为PMI2，BTS根据所述第二波束104获知最佳α_i下倾角值——此示例中为α2，来用于净负荷数据传输。UE103正经由所谓的PMI上报来上报最强天线主瓣方向104。波束选择基于UE反馈环路。

因此，用于估计天线下倾角值的基本算法运行如下：BTS周期性地发送所有可用天线下倾角值的组合，其中每个波束都由其专用PMI码(值)进行编码。这些PMI码在UE内被解码，并且将最强PMI上报给BTS。当PMI2被上报时，BTS使用与所上报的PMI对应的下倾角值例如α2。

由于波束副瓣偶尔会导致错误的PMI报告，所以会造成天线波束的不理想。UE错误地由副瓣来服务而同时主瓣却对蜂窝网络中的其他UE造成强干扰。更特别地，天线副瓣确实会辐射出可以被UE错误地检测到的非期望信号，从而导致错误的PMI报告和α选择。

图2示出了错误的PMI4上报的示例。BTS201生成指向无线电小区208内的UE203的主瓣204以及两个副瓣202和206。尽管副瓣波束206更精确地指向UE203，但仍上报与主瓣204相关的PMI值。即，错误地上报由不同天线主瓣的副瓣更佳地覆盖的天线波束角度。根据图1所示，具有PMI4和下倾角α4的天线主瓣204具有两个副瓣202、206。较弱的副瓣206辐射方向不存在具有不同PMI值的较强天线主瓣。正确的波束下倾角应当为采用PMI2编码的α2。检测PMI4会导致BTS201采用α4而非α2来发送。因此，BTS201向一个不同的方向而非朝向UE203发送。

天线波束控制的传统实现基于由BTS接收的UEPMI报告与天线波束角度α之间的一一映射。该方法的缺点在于天线副瓣所导致的所选波束角度的不准确性、信道噪声以及测量的不准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高天线阵列的天线波束的控制精度的技术。

该目的通过独立权利要求的特征来实现。另外的实现形式从附属权利要求、说明书及附图会很明显。

本发明基于以下发现：可以通过测量传播时延及其统计来确定BTS与UE之间的距离，以实现用于提高天线阵列的天线波束的控制精度的技术。

在包括允许波束方向控制的天线阵列的蜂窝基站中，波束方向通过UEPMI上报来确定。每个所上报的PMI值与要用于下一发送的波束角度对应。为了提高波束角度的精度，BTS可以额外地测量BTS与UE之间传播时间。该时间能够被转换为BTS与UE之间的距离。可以使用简单的三角函数来比较α值即下倾角与传播时间t。BTS可以跟踪所估计的t值和α值以与静止或持续移动的UE状态保持一致。不合格的值可能被丢弃，而其他的值会成为算法处理和波束控制的输入值。

本发明包括移动网络中可获得的作为UE与BTS之间的定时差的其他参数的处理。该定时差也被称为往返时间，并且被估计为无线电信号从BTS传播至UE再从UE返回至BTS所需的时间。所述往返时间对应于BTS与UE之间的距离。由于该距离只能平稳地变化(例如没有不连续的跳跃)，因此该距离对于波束选择的引导和真实性检查而言有效。对等于往返时间的BTS参数被称为定时提前量。

为了选择和跟踪朝向UE的BTS波束角度方向，可以使用由BTS结合PMI报告而估计的定时提前量参数。由此，蜂窝网络中BTS天线波束形成的精度能够得以提高。

为了详细描述本发明，将使用以下术语、缩写和符号：

BTS：基站收发台

UE：用户设备

LTE：长期演进

PMI：预编码矩阵指示

Tx：发送

Rx：接收

根据第一方面，本发明涉及一种天线设备，包括控制器，所述控制器被配置成对天线阵列的朝向用户设备的天线波束的聚焦进行控制，所述聚焦基于与导频波束相关的反馈环路，导频波束包括所述天线阵列的一组预定天线波束，并且所述聚焦基于天线阵列与用户设备之间的距离。

当天线波束的聚焦另外地基于第二参数如天线阵列与用户设备之间的距离时，天线波束的控制精度能够提高。

在根据第一方面的天线设备的第一种实现方式中，所述控制器被配置成基于传播时间测量来确定所述距离。

传播时间测量可以通过时间戳测量来容易地实现。

在根据第一方面的第一实现方式的天线设备的第二实现方式中，传播时间测量基于天线阵列与用户设备之间的往返时延测量。

所述往返时延例如可以通过为从BTS发送至UE并且从UE返回至BTS的信号添加时间戳来容易地测量。

在根据第一方面的第一实现方式或第二实现方式的设备的第三实现方式中，传播时间测量基于用户设备内的已知处理时间。

基于用户设备内的已知处理时间的传播时间测量是精确的。

在根据第一方面的第一实现方式至第三实现方式中任一实现方式的天线设备的第四实现方式中，传播时间测量基于信令或净负荷流量中的定时提前量测量和时间戳测量之一。

从计算的复杂度来讲，可以有效地实现定时提前量和时间戳测量。信令或净负荷流量可以用于添加时基。

在根据第一方面的第二实现方式至第四实现方式中任一实现方式的天线设备的第五实现方式中，所述控制器被配置成基于用户设备的报告来确定天线波束的波束角度。

可以通过使用用户设备的报告来有效而准确地确定波束角度。还可以通过另外地使用传播时间测量来进一步提高准确度。可以通过上报波束角度和传播时间两者来有效地实现用户设备的报告。

根据第一方面的第五实现方式的天线设备的第六实现方式中，所述控制器被配置成：通过结合所上报的波束角度和所测量的传播时间、使用与所上报的波束角度相关的三角函数来控制天线波束的聚焦。

通过结合所上报的波束角度和所测量的传播时间，可以提高波束控制的准确性。与所上报的波束角度相关的三角函数使得能够得出波束角度与传播时间之间的关系，例如所述波束角度的正切与BTS高度和BTS与UE之间的距离的关系对应。

在根据第一方面的第五实现方式或第六实现方式的天线设备的第七种实现方式中，所述控制器被配置成：基于所上报的波束角度和所测量的传播时间的统计和/或变化来控制所述聚焦。

当使用所上报的波束角度和所测量的传播时间的统计和/或变化时，可以提高波束控制的准确性，尤其是在BTS的高度未知的情况下。

根据第一方面的第六实现方式或第七实现方式的天线设备的第八实现方式中，所述控制器被配置成：通过跟踪所上报的波束角度和所测量的传播时间来检测所述反馈环路的故障。

对所上报的波束角度和所测量的传播时间进行跟踪可以展露出波束角度的作为故障指示的不稳定特性。例如可以通过使用存储器容易进行跟踪。

在根据第一方面的或第一方面的任一上述实现方式的天线设备的第九实现方式中，所述控制器被配置成：通过使用预编码矩阵来对所述一组预定天线波束进行编码。

通过使用预编码矩阵来对所述一组预定天线波束进行编码使得能够容易地控制天线波束以及在UE侧应用PMI上报。

根据第一方面的或者第一方面的任一上述实现方式的天线设备的第十实现方式中，反馈环路基于如根据3GPPTS标准特别是根据3GPPTS36.331标准而定义的预编码矩阵指示PMI上报。

当使用基于PMI上报的反馈环路时，所述设备能够在根据任何标准的BTS中例如在根据3GPPTS36.331标准的BTS中被实现。

根据第二方面，本发明涉及一种无线电基站收发台，包括：能够形成垂直波束的天线阵列；一组无线电收发器，被配置成使用收发器信号来驱动天线阵列；以及基带模块，被配置成基于收发器信号来处理无线电基带信号，其中，基带模块包括根据第一方面所述的或者根据第一方面的第一实现方式至第十实现方式中任一实现方式所述的、并且被配置成对天线阵列的朝向用户设备的天线波束的聚焦进行控制的天线设备。

此外，无线电基站收发台另外地基于第二参数——例如无线电基站的天线阵列与用户设备之间的距离——来控制天线阵列的天线波束的聚焦，使得能够提高天线阵列的天线波束的控制精度。

第三方面，本发明涉及一种用于对天线阵列的朝向用户设备的天线波束的聚焦进行控制的方法，所述方法包括：控制天线波束的聚焦，所述聚焦基于与导频波束相关的反馈环路，导频波束包括天线阵列的一组预定天线波束，并且所述聚焦基于天线阵列与用户设备之间的距离。

当天线波束的聚焦另外地基于第二参数如天线阵列与用户设备之间的距离时，可以提高天线波束的控制精度。

在根据第三方面的方法的第一实现方式中，所述方法包括：基于PMI上报来确定天线波束的波束角度；基于天线阵列与用户设备之间的传播时间测量来确定所述距离；以及基于所上报的波束角度和对应于所测量的传播时间的波束角度之差来调整天线波束的聚焦。

通过基于所上报的波束角度和对应于所测量的传播时间的波束角度之差来调整天线波束的聚焦，可以提高聚焦的精度。

根据第三方面的第一实现方式的方法的第二实现方式中，所述方法包括：对所上报的波束角度和所测量的传播时间的统计和/或变化进行评估以获得所述差。

通过对所上报的波束角度和所测量的传播时间的统计和/或变化进行评估，无需知道BTS的精确尺寸就可以进行聚焦。

附图说明

将参考以下附图来描述本发明的另外的实施方式，其中：

图1示出了用于说明由不同PMI值确定的不同天线波束原理的传统基站101的示意性波束图100；

图2示出了用于说明由UE错误地检测到天线副瓣而导致的错误的PMI上报情形的传统基站201的示意性波束图200；

图3示出了根据本发明的实施方式的对天线阵列的天线波束的聚焦进行控制的BTS301的示意性波束图300；

图4示出了根据本发明的实施方式的无线电基站400的框图；

图5示出了根据本发明的实施方式的说明BTS501与UE503之间的传播时间估计的示意图500；

图6示出了根据本发明的实施方式的用于对天线阵列的天线波束的聚焦进行控制的设备600的框图；以及

图7示出了根据本发明的实施方式的用于对天线阵列的天线波束的聚焦进行控制的方法700的框图。

具体实施方式

下面将描述PMI上报。PMI上报是一种LTE闭环控制机制，其中，UE向BTS上报最佳下行传播路径。对于垂直波束形成应用，BTS反复地发送包括各自由不同PMI编码的所有可用下倾波束的混合波束的导频波束。通过使用最佳PMI的UE报告，BTS针对净负荷数据传输选择最合适的下倾波束。例如在标准3GPPTS36.211中描述了PMI上报。取决于码本索引和空间层的数量，表6.3.4.2.3.-1为空分复用规定了不同的示例性预编码参数集。通过使用这些预编码参数集，天线阵列可以产生波束控制。PMI上报可以用于上报所用参数集在UE处的效果，并且UE可以将关于PMI参数集的品质指标上报给BTS。

图3示出了根据实施方式的对天线阵列的天线波束305的聚焦进行控制的BTS301的示意性波束图300。蜂窝BTS301包括允许波束方向控制的天线阵列。波束方向通过UEPMI上报来确定。每个所上报的PMI值与要用于下一次发送的波束角度对应。为了提高波束角度302的精度，BTS301另外地测量BTS301与UE303之间的传播时间310。该时间被转换为BTS与UE之间的距离。可以使用简单的三角函数来比较α值302和传播时间t310。BTS301跟踪所估计的t值310和α值302以与静止的或持续移动的UE状态保持一致。不合格的值被丢弃。其他的值会成为算法处理和波束控制的输入值。

可以通过对具体UE所特定的其他已知参数进行处理来避免如图2所描述的上述波束控制故障示例。这样的参数是例如UE303与BTS301之间的传播时间测量，以及BTS301与UE303之间的传播损耗。由于传播损耗的确会因墙壁和建筑物等障碍物而快速地变化，所以传播时间310测量是测量和持续观察BTS301与UE303之间的距离的最合适的方法。因为UE303在小区308内不是静止就是持续移动，所以角度α302和传播时间t310也不断地变化。在结合图1和图2来说明的上述示例中，尽管错误的序列为PMI1-4-3，但是朝向BTS301移动的UE303会遵循序列PMI1-2-3。通过跟踪t能够发现该错误序列，随着UE303朝向BTS301移动，t不断地减小。因此，通过对所估计的t进行跟踪和后处理例如求平均，增加了所使用的α值302的精度。

BTS天线波束形成是一种先进的无线电接口技术，能够使无线电频谱得到有效的利用。通过精确控制朝向移动UE303的天线波束方向，蜂窝网络中无线频率能够得到密集复用，从而增加了容量并且减少了移动宽带业务的成本。通过测量传播时延t310及其统计以确定BTS301与UE303之间的距离来提高下倾角α302的控制精度。

图3还示出了垂直天线波束形成的基本原理。该图示出了天线波束角度α302与由传播时间t310估值确定的BTS与UE之间的距离之间的关系。BTS301可以将其天线波束朝向所服务的UE303来聚焦。这由垂直下倾角α302来表示。通过采用该下倾角，BTS天线波束精确地指向UE303。可以采用第二参数来监控天线下倾角以提高其精确度。该参数可以是UE303与BTS301之间的距离，该距离与由BTS301估计的传播时间t310对应。

图4示出了根据实施方式的无线电基站400的框图。无线电基站收发台400包括：能够形成垂直波束的天线阵列401；一组无线电收发器403，被配置成使用收发器信号402来驱动天线阵列401；以及基带模块407，被配置成基于收发器信号402来处理无线电基带信号406。基带模块407包括关于图6而描述的天线设备600，天线设备600被配置成对天线阵列401的朝向用户设备的天线波束的聚焦进行控制。基带模块407向无线电收发器403提供基带信号IQ406，所述基带信号IQ406可以在加权单元405中进行加权或乘以各自的系数K_i408。图4示出了BTS中的PMI编码的原理。数字基带模块407将用户数据410编码为IQ信号406进行传输。IQ信号406会经过一个乘法矩阵X，该矩阵将这些信号406乘以系数集K_i408(包括各自的幅度、相位和时延)，生成了加权IQ信号404。每个PMI对应一组K_i系数。在相乘之后，对由此生成的加权IQ信号404进行调制以经由天线组401朝向UE进行空中接口传输。

图5示出了根据实施方式的对BTS501与UE503之间的传播时间估值进行说明的示意图500。BTS501发送一个参考时间戳BTSTx，该参考时间戳BTSTx在传播时间t510后被接收作为UERx。UE在内部处理该时间戳，并将其作为UETx重新传输。在传播时延迟t514之后，信号作为BTSRx返回。BTS501可以在已知UE处理时延512的情况下计算传播时间t510、514。BTS501可以将传播时间t510、514转换为BTS与UE之间的站点间距离。可以使用三角函数来比较α以及BTS与UE之间的距离两者。由于BTS天线高度以及BTS501与UE503之间的地形未知，实际上跟踪和比较α值和t值两者的统计和变化就足够了。

图6示出了根据实施方式的用于对天线阵列的天线波束的聚焦进行控制的天线设备600的框图。天线设备600可以在如上面关于图4所描述的BTS400的基带模块407中被实现。天线设备600可以在如上面关于图3所描述的BTS301中被实现。

天线设备600包括控制器602，控制器602被配置成对天线阵列的朝向用户设备的天线波束的聚焦605进行控制，聚焦605基于与导频波束相关的反馈环路601，所述导频波束包括所述天线阵列的一组预定天线波束，以及聚焦605基于天线阵列与用户设备之间的距离603。

根据实施方式，控制器602可以被配置成基于传播时间测量来确定距离603。根据实施方式，所述传播时间测量可以基于天线阵列与用户设备之间的往返时延测量。根据实施方式，传播时间测量可以基于用户设备内的已知处理时间。根据实施方式，传播时间测量可以基于信令或净负荷流量中的定时提前量测量和时间戳测量之一。根据实施方式，控制器602可以被配置成基于用户设备的报告来确定天线波束的波束角度。根据实施方式，控制器602可以被配置成：通过结合所上报的波束角度和所测量的传播时间、使用与所上报的波束角度相关的三角函数来控制天线波束的聚焦605。根据实施方式，控制器602可以被配置成基于所上报的波束角度和所测量的传播时间的统计和/或变化来控制聚焦605。根据实施方式，控制器602可以被配置成通过跟踪所上报的波束角度和所测量的传播时间来检测反馈环路601的故障。根据实施方式，控制器602可以被配置成通过使用预编码矩阵来对所述一组预定天线波束进行编码。根据实施方式，反馈环路601可以基于如根据3GPPTS标准而定义的特别是根据3GPPTS36.331标准而定义的预编码矩阵指示上报。

图7示出了根据实施方式的用于对天线阵列的天线波束的聚焦进行控制的方法700的框图。方法700包括：控制702天线波束的聚焦705，聚焦705基于与导频波束相关的反馈环路701，所述导频波束包括所述天线阵列的一组预定天线波束，并且聚焦705基于天线阵列与用户设备之间的距离703。

根据实施方式，方法700包括：基于PMI上报来确定天线波束的波束角度；基于天线阵列与用户设备之间的传播时间测量来确定距离703；以及基于所上报的波束角度和对应于所测量的传播时间的波束角度之差，来调整天线波束的聚焦705。根据实施方式，方法700包括：对所上报的波束角度和所测量的传播时间的统计和/或变化进行估计以获得所述差。

方法700可在上面关于图6所描述的天线设备600中进行。方法700可在上面关于图4所描述的无线电基站收发台400中被执行。方法700可以在上面关于图3所描述的BTS301中被执行。

本发明包括如上面图4所示的无线电基站收发台，包括：能够形成垂直波束的天线阵列；驱动天线阵列的一组无线电收发器；以及处理无线电基带信号的基带模块。基带模块可以在根据3GPPTS36.331标准的下行链路和上行链路中实现PMI算法。在上面关于图4的示例中对此进行了说明。一组PMI值可以在所谓的导频波束中周期性地被发送。UE可以确定最佳PMI值并且将该最佳PMI值上报回BTS。如上面图5所示，BTS可以执行BTS与UE之间的传播时间t测量。所测量的时间可以可选地被后处理以提高测量时间值的精确度。该处理可以使用例如求平均、加权或对由于噪音或数值采样不准确性而导致的错误进行抑制的其他函数。BTS可以将所上报的PMI值与自己计算出的传播时间t组合。简单的三角函数或者值统计可以用于比较PMI上报的下倾角值α和传播时间t所表示的BTS与UE之间的距离。可选地，BTS可以跟踪所计算的t值和α值。由于UE在BTS区域内不是静止就是持续移动，所以所跟踪的t和α的历史值以及每个新值应当对应于静止的UE或者不断移动的UE。不符合该准则的每个新采样被丢弃或者减小其加权因子。BTS的传播时间测量可以作为被实现在LTE系统中的定时提前量测量来实现。还可以有其他实现如信令或净负荷流量中的专用时间戳。

根据前述内容，本领域技术人员会很清楚：提供了多种方法、系统、记录介质上的计算机程序等。

本公开内容还可以支持计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可执行代码或计算机可执行指令，所述计算机可执行代码或计算机可执行指令当被执行时使至少一个计算机执行本文所描述的执行步骤和计算步骤。

本申请中所述的方法及设备可以作为软件来在数字信号处理器DSP，微控制器或任何其他端处理器中被实现，或者作为硬件电路来在专用集成电路ASIC内被实现。

本发明可以在数字电子电路或者计算机硬件、固件和软件或其组合中实现，例如，在传统移动设备的可用硬件或者专门用于处理本文所述的方法的新硬件中实现。

鉴于上面的教示，许多替代、修改和变型对于本领域技术人员而言会很明显。当然，本领域技术人员容易意识到，本发明除了本文所述的应用以外还有许多其它应用。虽然参考一种或更多种具体实施方式描述了本发明，本领域技术人员应当意识到，在不偏离本发明的范围的情况下可对本发明做出许多改变。因此应理解，只要是在所附权利要求书及其等同物的范围内，就可以按照不同于本文特别地描述的方式的其他方式来实现本发明。