CN103138817A - 一种用于选择上行链路传输天线的方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种用于选择上行链路传输天线的方法与设备；基站设备分别接收来自用户设备的经由两个天线所发送的探询参考信号；根据所述探询参考信号，确定上行链路传输天线；根据对所述上行链路传输天线的确定，生成天线选择指示符；将所述天线选择指示符发送至所述用户设备。与现有技术相比，本发明根据每个用户设备天线的SRS质量和传输时延，为用户设备选择一个合适的天线以传输SRS，平衡了用户设备端的两个天线的下行信道的信道估计质量，改进了下行链路波束赋形、尤其是双流信道波束赋形的性能。

Description

一种用于选择上行链路传输天线的方法与设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于在波束赋形系统中选择上行链路传输天线的技术。

背景技术

在多天线通信系统中，例如在LTE TDD中，波束赋形(beamforming)是一个重要的技术。该技术能够改进系统的吞吐量，增加系统的覆盖范围。eNB基于用户设备发送的探询参考信号(Sounding Reference Signals，SRS)，生成波束赋形权值，并将这些权值应用到与用户设备的下行链路传输中。

在现代无线通信系统中，例如在LTE中，用户设备通常有两个天线。在富散射环境中，这两个天线的相关性不大。因此在上行链路中，为获得全部信道状态信息(channel state information，CSI)，需要进行天线切换，以改进系统的性能。尤其在双流信道波束赋形的情况下，全CSI将显著增加系统的性能。

由于波束赋形权值应根据CSI而调整，波束赋形的性能与信道估计的准确度高度相关。如果在传输过程中，权值与瞬时信道状态相符，系统增益将会更大，否则，系统性能更差。通常来讲，在TDD系统中，下行链路信道估计根据用户设备传输的上行链路探询参考信号获得。

有两种主要的因素，影响信道估计的准确性：

1、SRS的估计信道和真实信道间的均方误差(Mean Square Error，MSE)。通常，SRS的较低的信噪比(SINR)将导致更大的MSE。

2、用户设备发送SRS的时间和基站与该用户设备建立下行链路的传输时延(Transmission Delay，TD)。由于信道是时变的，如果SRS传输和DL传输的时间间隔太长，波束赋形权值将会过时。

由于用户设备的两个天线间衰落的低相关性，该用户设备的两个天线的信道估计质量将不同。因此，需要考虑这对波束赋形产生的影响。如果信道质量不平衡，例如，一个天线的信道质量比另一个差很多，相当于由于信道估计的不匹配，真实的信道秩接近1。这将降低双流信道波束赋形的系统吞吐量。

现有技术中，LTE采用开环和闭环天线切换方案，来为用户设备进行上行链路传输。在选择开环天线的情况下，用户设备可自由切换传输天线，而不需要来自eNB的信号。在选择闭环天线的情况下，eNB通过发送天线指示符(antenna indicator)至用户设备，决定在用户设备端采用哪个天线来进行传输。在LTE协议中，确定使用开环天线来传输SRS，而当在物理上行共享信道(PUSCH)传输时则使用闭环天线。采用上述方案的原因在于此处只考虑了上行链路传输的性能。SRS传输只作为选择上行链路天线的参考。但在下行链路波束赋形的情况下，尤其在使用了双流信道波束赋形的情况下，如果用户设备端的天线衰落严重，该天线对应的估计信道将不可信，下行链路传输的性能将降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于选择上行链路传输天线的方法与设备。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在波束赋形系统中在基站设备端选择上行链路传输天线的方法，其中，该方法包括：

a分别接收来自用户设备的经由两个天线所发送的探询参考信号；

b根据所述探询参考信号，确定上行链路传输天线；

c根据对所述上行链路传输天线的确定，生成天线选择指示符；

d将所述天线选择指示符发送至所述用户设备。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于在波束赋形系统中在用户设备端辅助选择上行链路传输天线的方法，其中，该方法包括：

A经由两个不同的天线，分别向基站设备发送探询参考信号；

B接收自所述基站设备所发送的天线选择指示符；

C根据所述天线选择指示符所指定的上行链路传输天线，重新向所述基站设备发送所述探询参考信号。

根据本发明的又一个方面，还提供了一种用于在波束赋形系统中选择上行链路传输天线的基站设备，其中，该设备包括：

探询接收装置，用于分别接收来自用户设备的经由两个天线所发送的探询参考信号；

天线确定装置，用于根据所述探询参考信号，确定上行链路传输天线；

指示生成装置，用于根据对所述上行链路传输天线的确定，生成天线选择指示符；

指示发送装置，用于将所述天线选择指示符发送至所述用户设备。

根据本发明的再一个方面，还提供了一种用于在波束赋形系统中辅助选择上行链路传输天线的用户设备，其中，该设备包括：

第一探询发送装置，用于经由两个不同的天线，分别向基站设备发送探询参考信号；

指示接收装置，用于接收自所述基站设备所发送的天线选择指示符；

第二探询发送装置，用于根据所述天线选择指示符所指定的上行链路传输天线，重新向所述基站设备发送所述探询参考信号。

与现有技术相比，本发明根据每个用户设备天线的SRS质量和传输时延，为用户设备选择一个合适的天线以传输SRS，平衡了用户设备端的两个天线的下行信道的信道估计质量，改进了下行链路波束赋形、尤其是双流信道波束赋形的性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出根据本发明一个方面的用于选择上行链路传输天线的设备示意图；

图2示出根据本发明一个优选实施例的用于选择上行链路传输天线的示意图；

图3示出根据本发明另一个方面的用于选择上行链路传输天线的方法流程图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1示出根据本发明一个方面的用于选择上行链路传输天线的设备示意图；基站设备1包括探询接收装置11、天线确定装置12、指示生成装置13和指示发送装置14；用户设备2包括第一探询发送装置21、指示接收装置22和第二探询发送装置23。

基站设备1和用户设备2的各个装置之间互相配合，以选择上行链路传输天线。具体地，用户设备2中的第一探询发送装置21经由两个不同的天线，分别向基站设备发送探询参考信号；基站设备1中的探询接收装置11分别接收来自用户设备的经由两个天线所发送的探询参考信号；天线确定装置12根据所述探询参考信号，确定上行链路传输天线；指示生成装置13根据对所述上行链路传输天线的确定，生成天线选择指示符；指示发送装置14将所述天线选择指示符发送至所述用户设备；用户设备2中的指示接收装置22接收自所述基站设备所发送的天线选择指示符；第二探询发送装置23根据所述天线选择指示符所指定的上行链路传输天线，重新向所述基站设备发送所述探询参考信号。

在此，用户设备2一次可以选择使用天线0或天线1进行SRS传输。基站设备1据此为用户设备2选择一个合适的天线，在下行链路控制信道内，将天线选择指示符发送至该用户设备2。用户设备2一旦接收到该天线选择指示符，在下一个SRS机会中，使用该天线选择指示符中所指定的天线来传输SRS。

优选地，基站设备1中的天线确定装置12根据所述探询参考信号，并结合所述探询参考信号的估计信道和真实信道间的均方误差(Mean Square Error，MSE)，确定所述上行链路传输天线。具体地，假设

是在t时刻、第k个子带宽上的第s个传输天线的信道；

是在t时刻、第k个子带宽上的第s个传输天线的估计信道响应；

则估计误差为： $Q_k^s\left(t\right)=H_k^s\left(t\right)-{\hat{H}}_k^s\left(t\right)$

由此可导出：

其中，s＝1K S.

通常，

取决于信道估计算法及接收到的SRS信号的当前的信噪比(SINR)。

若采用最小化均方误差算法，则相关误差为：

$d_{s,k}^2=\frac{E\left\{{\left(H_k^s\left(t\right)\right)}^2\right\}}{E\left\{{\left(H_k^s\left(t\right)\right)}^2\right\}{\mathrm{SINR}}_k^s+1}$

$=\frac{s_{H,k}^2}{s_{H,k}^2{\mathrm{SINR}}_k^s+1}$

其中，

是在子带宽k上的第s个传输天线的上行链路SRS的信噪比。

可根据测量报告获得，

等于

其中，s＝1K S.均方误差可以被定义为：

其是误差功率与信道功率的比值。天线确定装置12根据探询接收装置11所接收到的探询参考信号，并结合由上述方式获知的均方误差，确定上行链路传输天线。

优选地，基站设备1中的天线确定装置12根据所述探询参考信号，并结合所述用户设备发送所述探询参考信号的时间和与所述用户设备建立下行链路的传输时延(Transmission Delay，TD)，确定所述上行链路传输天线。具体地，假设

为目标用户设备的天线s的最后一个SRS在子带宽k上传输的时间；

是在子带宽k上的建立于用户设备间的下行链路传输的时间；则传输时延为：

在LTE系统中，

可以根据子帧的数量来测算。天线确定装置12根据探询接收装置11所接收到的探询参考信号，并结合由上述方式获知的传输时延，确定上行链路传输天线。

更优选地，基站设备1中的天线确定装置12根据所述探询参考信号，并结合所述探询参考信号的估计信道和真实信道间的均方误差，及所述用户设备发送所述探询参考信号的时间和与所述用户设备建立下行链路的传输时延，确定所述上行链路传输天线。具体地，在t+t_k时刻的信道响应可由下式计算得出：

$H_k^s(t+t_k^s)=r_k^s{H}_k^s\left(t\right)+h^s(t+t_k^s)$

其中，

是高斯噪声随机变量。对瑞利衰落信道，

可以被计算为

(f_D是多普勒频移)。可以进一步推导出：

$H_k^s(t_k+{\mathrm{\τ}}_k^s)={\mathrm{\ρ}}_k^s{H}_k^s\left(t_k\right)+{\mathrm{\η}}^s(t_k+{\mathrm{\τ}}_k^s)$

$={\mathrm{\ρ}}_k^s{\hat{H}}_k^s\left(t_k\right)+{\mathrm{\ρ}}_k^s{Q}_k^s\left(t_k\right)+{\mathrm{\η}}^s(t_k+{\mathrm{\τ}}_k^s)$

通常，对任何不同条件，例如其他信道估计类型、UE速率、在时域里的信道变化等，只需要改变

和的值。

可知，随着传输时延和均方误差的增加，信道估计错误也随着增加。因此，基于r_k和利用下式来计算参数：

$M\left(s\right)=f\left(\right\{r_k^s\},\{g_k^s\left\}\right)$

注意这里有用的部分是

这部分的功率是

因此，定义该参数的一个例子是：

$M\left(s\right)=\underset{k=1}{\mathrm{\Σ}}{\left({\mathrm{\ρ}}_k^s\right)}^2(1-{\mathrm{\γ}}_k^s)$

由此，天线确定装置12选择具有最小化M(s)的天线，以作为上行链路传输天线。

选择上行链路传输天线的基本思想是保证每个用户设备天线的信道估计质量。在此，信道估计质量由均方误差和传输时延确定。基站设备1可以不断为用户设备选择一个天线，以改进与该天线对应的信道估计的准确性，但这将延长与其他天线对应的估计信道的传输时延。因此，假设用户设备的速率很低，可以增加衰落严重的用户设备天线的上行链路传输的机会，而保持其他天线的信道评估的质量。eNB可以合并几个接收到的SRS来改进信道评估质量。

图2给出了一个仿真结果，用来比较在LTE TDD系统中，采用天线选择和不采用天线选择的吞吐量。假设带宽是10MHz，eNB中的天线数量为8、用户设备中的天线数量为2。eNB使用最大化均方误差来估计信道响应。在下行链路中，采用双流信道波束赋形，用户设备的速率为30km/h。在上行链路中，接收到的SRS的平均信噪比相对下行链路多10dB。传输时延从4ms至10ms。由图可知，在SINR的中间范围内可以得到1dB的增益。

图3示出根据本发明另一个方面的用于选择上行链路传输天线的方法流程图。

基站设备1和用户设备2的各个步骤之间互相配合，以选择上行链路传输天线。具体地，在步骤S1中，用户设备2经由两个不同的天线，分别向基站设备发送探询参考信号；基站设备1分别接收来自用户设备的经由两个天线所发送的探询参考信号；在步骤S2中，基站设备1根据所述探询参考信号，确定上行链路传输天线；在步骤S3中，基站设备1根据对所述上行链路传输天线的确定，生成天线选择指示符；在步骤S4中，基站设备1将所述天线选择指示符发送至所述用户设备；用户设备2接收自所述基站设备所发送的天线选择指示符；在步骤S5中，用户设备2根据所述天线选择指示符所指定的上行链路传输天线，重新向所述基站设备发送所述探询参考信号。

在此，用户设备2一次可以选择使用天线0或天线1进行SRS传输。基站设备1据此为用户设备2选择一个合适的天线，在下行链路控制信道内，将天线选择指示符发送至该用户设备2。用户设备2一旦接收到该天线选择指示符，在下一个SRS机会中，使用该天线选择指示符中所指定的天线来传输SRS。

优选地，在步骤S2中，基站设备1根据所述探询参考信号，并结合所述探询参考信号的估计信道和真实信道间的均方误差(MeanSquare Error，MSE)，确定所述上行链路传输天线。具体地，假设

是在t时刻、第k个子带宽上的第s个传输天线的信道；是在t时刻、第k个子带宽上的第s个传输天线的估计信道响应；

则估计误差为： $Q_k^s\left(t\right)=H_k^s\left(t\right)-{\hat{H}}_k^s\left(t\right)$

由此可导出：其中，s＝1K S.

通常，

取决于信道估计算法及接收到的SRS信号的当前的信噪比(SINR)。

若采用最小化均方误差算法，则相关误差为：

$d_{s,k}^2=\frac{E\left\{{\left(H_k^s\left(t\right)\right)}^2\right\}}{E\left\{{\left(H_k^s\left(t\right)\right)}^2\right\}{\mathrm{SINR}}_k^s+1}$

$=\frac{s_{H,k}^2}{s_{H,k}^2{\mathrm{SINR}}_k^s+1}$

其中，

是在子带宽k上的第s个传输天线的上行链路SRS的信噪比。

可根据测量报告获得，等于

其中，s＝1K S.均方误差可以被定义为：

其是误差功率与信道功率的比值。在步骤S2中，基站设备1根据在步骤S1中所接收到的探询参考信号，并结合由上述方式获知的均方误差，确定上行链路传输天线。

优选地，在步骤S2中，基站设备1根据所述探询参考信号，并结合所述用户设备发送所述探询参考信号的时间和与所述用户设备建立下行链路的传输时延(Transmission Delay，TD)，确定所述上行链路传输天线。具体地，假设

为目标用户设备的天线s的最后一个SRS在子带宽k上传输的时间；是在子带宽k上的建立于用户设备间的下行链路传输的时间；则传输时延为：

在LTE系统中，

可以根据子帧的数量来测算。在步骤S2中，基站设备1根据在步骤S1中所接收到的探询参考信号，并结合由上述方式获知的传输时延，确定上行链路传输天线。

更优选地，在步骤S2中，基站设备1根据所述探询参考信号，并结合所述探询参考信号的估计信道和真实信道间的均方误差，及所述用户设备发送所述探询参考信号的时间和与所述用户设备建立下行链路的传输时延，确定所述上行链路传输天线。具体地，在t+t_k时刻的信道响应可由下式计算得出：

$H_k^s(t+t_k^s)=r_k^s{H}_k^s\left(t\right)+h^s(t+t_k^s)$

其中，

是高斯噪声随机变量。对瑞利衰落信道，

可以被计算为

(f_D是多普勒频移)。可以进一步推导出：

$H_k^s(t_k+{\mathrm{\τ}}_k^s)={\mathrm{\ρ}}_k^s{H}_k^s\left(t_k\right)+{\mathrm{\η}}^s(t_k+{\mathrm{\τ}}_k^s)$

$={\mathrm{\ρ}}_k^s{\hat{H}}_k^s\left(t_k\right)+{\mathrm{\ρ}}_k^s{Q}_k^s\left(t_k\right)+{\mathrm{\η}}^s(t_k+{\mathrm{\τ}}_k^s)$

通常，对任何不同条件，例如其他信道估计类型、UE速率、在时域里的信道变化等，只需要改变

和的值。

可知，随着传输时延和均方误差的增加，信道估计错误也随着增加。因此，基于r_k和

利用下式来计算参数：

$M\left(s\right)=f\left(\right\{r_k^s\},\{g_k^s\left\}\right)$

注意这里有用的部分是

这部分的功率是

因此，定义该参数的一个例子是：

$M\left(s\right)=\underset{k=1}{\mathrm{\Σ}}{\left({\mathrm{\ρ}}_k^s\right)}^2(1-{\mathrm{\γ}}_k^s)$

由此，在步骤S2中，基站设备1选择具有最小化M(s)的天线，以作为上行链路传输天线。

选择上行链路传输天线的基本思想是保证每个用户设备天线的信道估计质量。在此，信道估计质量由均方误差和传输时延确定。基站设备1可以不断为用户设备选择一个天线，以改进与该天线对应的信道估计的准确性，但这将延长与其他天线对应的估计信道的传输时延。因此，假设用户设备的速率很低，可以增加衰落严重的用户设备天线的上行链路传输的机会，而保持其他天线的信道评估的质量。eNB可以结合几个接收到的SRS来改进信道评估质量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (8)

1.一种用于在波束赋形系统中在基站设备端选择上行链路传输天线的方法，其中，该方法包括：

a分别接收来自用户设备的经由两个天线所发送的探询参考信号；

b根据所述探询参考信号，确定上行链路传输天线；

c根据对所述上行链路传输天线的确定，生成天线选择指示符；

d将所述天线选择指示符发送至所述用户设备。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤b包括：

-根据所述探询参考信号，并结合所述探询参考信号的估计信道和真实信道间的均方误差，确定所述上行链路传输天线。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述步骤b包括：

-根据所述探询参考信号，并结合所述用户设备发送所述探询参考信号的时间和与所述用户设备建立下行链路的传输时延，确定所述上行链路传输天线。

4.一种用于在波束赋形系统中在用户设备端辅助选择上行链路传输天线的方法，其中，该方法包括：

A经由两个不同的天线，分别向基站设备发送探询参考信号；

B接收自所述基站设备所发送的天线选择指示符；

C根据所述天线选择指示符所指定的上行链路传输天线，重新向所述基站设备发送所述探询参考信号。

5.一种用于在波束赋形系统中选择上行链路传输天线的基站设备，其中，该设备包括：

探询接收装置，用于分别接收来自用户设备的经由两个天线所发送的探询参考信号；

天线确定装置，用于根据所述探询参考信号，确定上行链路传输天线；

指示生成装置，用于根据对所述上行链路传输天线的确定，生成天线选择指示符；

指示发送装置，用于将所述天线选择指示符发送至所述用户设备。

6.根据权利要求5所述的基站设备，其中，所述天线确定装置用于：

-根据所述探询参考信号，并结合所述探询参考信号的估计信道和真实信道间的均方误差，确定所述上行链路传输天线。

7.根据权利要求5或6所述的基站设备，其中，所述天线确定装置用于：

-根据所述探询参考信号，并结合所述用户设备发送所述探询参考信号的时间和与所述用户设备建立下行链路的传输时延，确定所述上行链路传输天线。

8.一种用于在波束赋形系统中辅助选择上行链路传输天线的用户设备，其中，该设备包括：

第一探询发送装置，用于经由两个不同的天线，分别向基站设备发送探询参考信号；

指示接收装置，用于接收自所述基站设备所发送的天线选择指示符；

第二探询发送装置，用于根据所述天线选择指示符所指定的上行链路传输天线，重新向所述基站设备发送所述探询参考信号。

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