CN102457321A - 无线通信***中的下行链路sinr预测方法、设备和基站 - Google Patents

Abstract

根据本发明，提出了一种在使用波束赋形的多天线无线通信***中的下行链路信号干扰噪声比SINR预测设备，包括：均方误差估计器，根据从用户设备UE传送来的探测参考信号SRS的SINR，计算SRS的估计信道相对于实际信道的信道估计的均方误差MSE，并且将所述信道估计的MSE输出到合成器；传输延迟计数器，对UE传送SRS的时刻和对该UE的下行链路进行传输的时刻之间的传输延迟进行计数，并且将所述传输延迟输出到合成器；以及合成器，根据从均方误差估计器接收到的所述信道估计的MSE、从传输延迟计数器接收到的所述传输延迟、UE反馈的下行链路信道质量指示CQI、以及发射天线的波束赋形权重来产生预测的SINR。

Description

无线通信***中的下行链路SINR预测方法、设备和基站

技术领域

本发明涉及一种在使用波束赋形的多天线无线通信***中的下行链路信号干扰噪声比(SINR)预测方法和设备以及基站，能够在考虑到均方误差(MSE)和传输延迟(TD)的影响的情况下来更好地预测针对波束赋形传输的实际SINR，并基于所预测的SINR提供更高的***性能增益。

背景技术

波束赋形是多天线通信***，例如LTE TDD(长期演进-时分双工)通信***中非常重要的技术。该技术能够提高***吞吐量和覆盖区。eNB(基站)基于从UE(用户设备)传送来的SRS(探测参考信号)来产生波束赋形权重，然后在对该UE被调度传输时，将这些权重应用于下行链路传输。

波束赋形权重需要根据信道状态信息来进行自适应调节，因此波束赋形的性能与信道估计的精度高度相关。如果这些权重与发射时的瞬时信道状态匹配，则***性能增益将较大。否则，***性能增益将比所期望的要差。

存在如下两个主要因素会影响SRS的信道估计的精度：

1)根据SRS的估计信道相对于实际信道之间的信道估计的MSE。通常，在SRS上的较低的SINR(信号干扰噪声比)将导致较大的MSE。

2)UE传送SRS的时间和该UE的DL(下行链路)传输发生的时间之间的TD(传输延迟)。因为信道是时变的，如果SRS传输和DL传输之间的时间间隔太长，则波束赋形权重将过期而失去效用。

发明内容

考虑到现有技术的上述缺陷提出了本发明。因此，本发明的目的是提出一种在使用波束赋形的多天线无线通信***中的下行链路SINR预测方法和设备以及基站，能够在考虑到MSE和TD的影响的情况下来更好地预测针对波束赋形传输的实际SINR，并基于所预测的SINR提供更高的***性能增益。

为了实现上述目的，根据本发明，提出了一种在使用波束赋形的多天线无线通信***中的下行链路信号干扰噪声比SINR预测设备，包括：均方误差估计器，根据从用户设备UE传送来的探测参考信号SRS的SINR，计算SRS的估计信道相对于实际信道的信道估计的均方误差MSE，并且将所述信道估计的MSE输出到合成器；传输延迟计数器，对UE传送SRS的时刻和对该UE的下行链路进行传输的时刻之间的传输延迟进行计数，并且将所述传输延迟输出到合成器；以及合成器，根据从均方误差估计器接收到的所述信道估计的MSE、从传输延迟计数器接收到的所述传输延迟、UE反馈的下行链路信道质量指示CQI、以及发射天线的波束赋形权重来产生预测的SINR。

优选地，所述预测的SINR用于下行链路无线控制，所述下行链路无线控制包括媒体接入控制MAC层的用户调度、资源分配、链路适配和传输策略管理。

优选地，所述UE反馈的下行链路CQI包括非波束赋形传输策略下的SINR。

优选地，所述发射天线的波束赋形权重是利用从UE传送来的探测参考信号SRS进行信道响应估计来产生的。

优选地，所述SRS的SINR是在物理层上获得的。

优选地，所述多天线无线通信***是长期演进时分双工LTE TDD通信***。

根据本发明，还提出了一种在使用波束赋形的多天线无线通信***中的基站，包括：上述的下行链路信号干扰噪声比SINR预测设备。

优选地，所述基站还包括：用户调度器、资源分配器、链路适配器和传输策略管理器，分别用于根据从下行链路SINR预测设备接收到的预测的SINR，执行媒体接入控制MAC层的用户调度、资源分配、链路适配和传输策略管理。

优选地，所述基站还包括：SRS信道估计器，用于获得从UE传送来的探测参考信号SRS的估计信道响应以及所述SRS的SINR，以便将所述估计信道响应输出到波束赋形权重产生器，并且将所述SRS的SINR输出到所述下行链路SINR预测设备；以及波束赋形权重产生器，用于根据从SRS信道估计器传送来的SRS信号的估计信道响应来产生波束赋形权重，并将所述波束赋形权重输出到所述下行链路SINR预测设备。

此外，为了实现上述目的，根据本发明，还提出了一种在使用波束赋形的多天线无线通信***中的下行链路信号干扰噪声比SINR预测方法，包括：根据从用户设备UE传送来的探测参考信号SRS的SINR，计算SRS的估计信道相对于实际信道的信道估计的均方误差MSE；对UE传送SRS的时刻和对该UE的下行链路进行传输的时刻之间的传输延迟进行计数；以及根据所述信道估计的MSE、所述传输延迟、UE反馈的下行链路信道质量指示CQI、以及发射天线的波束赋形权重来产生预测的SINR。

附图说明

通过参考以下结合附图对所采用的优选实施例的详细描述，本发明的上述目的、优点和特征将变得显而易见，其中：

图1是示出了根据本发明实施例的下行链路SINR预测设备的结构的方框图；

图2是示出了包括根据本发明实施例的下行链路SINR预测设备的基站的结构的方框图；

图3是示出了根据本发明实施例的下行链路SINR预测方法的操作的流程图；以及

图4是示出了利用SINR预测的本发明的***吞吐量增益和未利用SINR预测的现有技术的***吞吐量增益的仿真比较图。

具体实施方式

当前，为了解决SRS的信道估计的精度的问题，已经提出了以下两种方法：

方法1)层1(物理层)向层2(MAC层，即，媒体接入控制层)报告信道估计的MSE(或者SRS的SINR)。层2将报告的信道估计的MSE的值与阈值进行比较。如果报告的MSE值高于阈值，则将相应UE的传输策略切换为TxDiv(传输分集)。

方法2)增加SRS传输密度以降低TD。例如，如果UE处于波束赋形传输模式，该UE的SRS传输周期被配置为2ms、5ms或者10ms。一旦SRS资源无法满足该要求，则将相应UE的传输策略切换为TxDiv。

对于方法1，难以设置适当的阈值，因为波束赋形的增益不仅取决于信道估计的MSE，而且还取决于瞬时信道状态信息。目前没有好的方案来将具有较大MSE的所有UE切换为TxDiv。

对于方法2，会花费较大的开销来为所有波束赋形UE配置小的SRS周期。其次，较大的SRS周期不一定会导致较大的TD。可能地，下行链路调度器选择在UE发送SRS信号之后较短时间内调度该UE也能获得较好的波束赋形增益。让所有具有较大SRS周期的UE仅使用TxDiv会显著降低***性能。

本发明的下行链路SINR预测设备的基本思想是根据MSE和TD预测针对波束赋形传输的实际SINR。因此，该预测的SINR已经很好地考虑到了信道估计误差和传输延迟的影响。该预测的SINR由两个部分构成：正确预测部分和误差部分。正确预测部分享有波束赋形增益，而误差部分无法获得任何波束赋形增益，这更能符合实际传输中的SINR情况。该预测的SINR可以用于下行链路无线控制，该下行链路无线控制包括媒体接入控制MAC层的用户调度、资源分配、链路适配和传输策略管理。该预测的SINR随着MSE和TD的增加而减小。较低的预测SINR导致较低的被调度概率、保守的MCS(调制编码方案)选择、以及较高的切换到TxDiv的概率，这正好是适合具有高信道估计MSE和较大TD的UE的无线链路控制方案。因此，不需要针对波束赋形的特别处理就应对MSE和TD这两种不利因素的影响。另外，可以使用公知的用户调度、资源分配、链路适配和传输策略管理(例如传输切换)算法来基于所预测的SINR提供更高的***性能增益。

下面将参考附图来描述本发明的优选实施例。

图1是示出了根据本发明实施例的下行链路SINR预测设备的结构的方框图。

如图1所示，根据本发明的下行链路SINR预测设备包括MSE估计器101、传输延迟计数器103和合成器105。MSE估计器101根据从用户设备UE传送来的SRS的SINR(例如从物理层获得UL(上行)SRS SINR)，计算SRS的估计信道相对于实际信道的信道估计的MSE，并且将该信道估计的MSE输出到合成器105。传输延迟计数器103对UE传送SRS的时刻和所述UE的下行链路传输发生的时刻之间的传输延迟(即，从SRS传输到当前传输间隔经过的时间)进行计数，并且将该传输延迟输出到合成器105。合成器105根据从MSE估计器101接收到的所述信道估计的MSE、从传输延迟计数器103接收到的所述传输延迟、UE反馈的下行链路信道质量指示(CQI)、以及发射天线的波束赋形权重来产生预测的SINR。

如上所述，根据本发明，合成器103能够考虑到MSE和TD这两者对波束赋形传输的影响来更好地预测针对波束赋形传输的实际SINR。基于所预测的SINR，本发明能够提供更高的***性能增益。

图2是示出了包括根据本发明实施例的下行链路SINR预测设备的基站的结构的方框图。

如图2所示，根据本发明的eNB包括SRS信道估计器201、波束赋形权重产生器203、上述的下行链路SINR预测设备205、用户调度器207、资源分配器209、链路适配器211和传输策略管理器213。

SRS信道估计器201获得从UE传送来的SRS的估计信道响应以及该SRS的SINR，以便将该估计信道响应输出到波束赋形权重产生器203，并且将该SINR输出到该下行链路SINR预测设备205。波束赋形权重产生器203根据从SRS信道估计器201传送来的SRS信号的估计信道响应来产生波束赋形权重，并将所述波束赋形权重输出到该下行链路SINR预测设备205。用户调度器207、资源分配器209、链路适配器211和传输策略管理器213分别根据从下行链路SINR预测设备205接收到的预测的SINR，执行MAC层的用户调度、资源分配、链路适配和传输策略管理。

另外，尽管图2中并未示出，该eNB还可以包括用于向该下行链路SINR预测设备205提供由UE反馈的下行链路CQI的装置，以便如上所述来产生预测的SINR。

下面将详细描述该下行链路SINR预测设备所包括的MSE估计器101、传输延迟计数器103和合成器105各自所执行的操作。

如上所述，MSE估计器101用于获得SRS的估计信道相对于实际信道的信道估计的MSE。基本上，该MSE估计器101通过UL SRS SINR(由物理层估计)来获得该MSE。

假定

是在时间t上在子带k中UE天线到基站的第s发射天线的信道；

是在时间t上在子带k中UE天线到基站的第s发射天线的估计信道响应；

则信道估计误差为：

$Q_k^s\left(t\right)=H_k^s\left(t\right)-{\hat{H}}_k^s\left(t\right)$

这里，可以认为

独立于

另外，由于用于波束赋形的天线是高度相关的，可以推导出(对于不相关的天线，可以通过在所有天线上对该误差进行平均来计算

${\mathrm{\δ}}_k^2\left(t\right)=E\left\{{\left(Q_k^s\left(t\right)\right)}^2\right\},$ 对于s＝1...S.

其中，E{}是数学期望运算。通常

取决于所采用的信道估计算法和所接收到的SRS信号的当前SINR。如果采用MMSE(最小均方误差)估计器来进行信道估计，则相应的误差可以写作：

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

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

其中

是在子带k中UE天线到基站的第s天线的UL SRSSINR。

可以通过长时测量和平均来获得，并且对于s＝1...S.，

等于

由此，MSE可以定义为：

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{{\mathrm{\δ}}_k^2}{{\mathrm{\σ}}_{H,k}^2},$

即，估计误差功率与信道功率的比值。

如上所述，传输延迟计数器103用来计算对UE传送SRS的时间和寻址到所述UE的下行链路传输发生的时间之间的传输延迟，例如，探测传输和PDSCH(物理下行链路共享信道)传输间隔之间的延迟。

假定

是在子带k上传送目标UE的最新SRS的时刻；

是在子带k上假定发生针对该UE的下行链路传输的时刻。

可以将该传输延迟TD估计为：

${\mathrm{\τ}}_k=t_k^{\mathrm{DL}\_\mathrm{TX}}-t_k^{\mathrm{SRS}}$

在LTE(长期演进)通信***中，T_k可以按照子帧的数量来测量。

如上所述，合成器105根据从MSE估计器101接收到的所述信道估计的MSE、从传输延迟计数器103接收到的所述传输延迟、由UE所反馈的下行链路CQI、以及发射天线的波束赋形权重来产生预测的SINR。

具体地，在t+τ_k时的信道响应可以被建模为：

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

其中，η^s(t+τ)是分布为

的复数高斯随机变量，并且对于瑞利衰落信道，ρ_k可以被计算为ρ＝J₀(2πf_Dτ_k)(f_D是多普勒频移)。其可以进一步被写作：

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

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

假定

是子带k中对应天线s的波束赋形权重，其根据时间间隔t中的SRS传输来产生。于是，相应PDSCH的SINR被预测为：

${\mathrm{\ϵ}}_k=E\left\{\frac{1}{S}{\left|\underset{s=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k^s\left(t\right)({\mathrm{\ρ}}_k{\hat{H}}_k^s\left(t\right)+{\mathrm{\ρ}}_k{Q}_k^s\left(t\right)+{\mathrm{\η}}^s(t+{\mathrm{\τ}}_k))\right|}^2\right\}\frac{P_k}{I_k+N_0}---\left(1\right)$

$={\mathrm{\ρ}}_k^2(1-{\mathrm{\γ}}_k)G_k^{\mathrm{BF}}{\mathrm{SINR}}_k+({\mathrm{\ρ}}_k^2{\mathrm{\γ}}_k+(1-{\mathrm{\ρ}}_k^2)){\mathrm{SINR}}_k$

P_k是子带k中的总发射功率，I_k是子带k上的干扰功率，并且N₀是子带内的噪声功率。可以从UE通过CQI(信道质量指示)报告来获得干扰信息和噪声功率信息。

是估计的波束赋形增益，并且SINR_k是非波束赋形传输策略下的SINR(即，由UE所反馈的下行链路CQI)，其可以从来自UE的CQI报告来获得。

如以上公式(1)所示，通过波束赋形仅能够增强信道功率的一部分，并且该比率是该部分随着MSE或TD的增加而减小，而另外的比率

可以看作非波束赋形部分。

通常，对于各种不同的条件，例如其他的信道估计器类型、UE速率和时域中的信道变化特性，本发明仅需要改变ρ_k和γ_k的值。

图3是示出了根据本发明实施例的下行链路SINR预测方法的操作的流程图。

如图3所示，根据本发明的下行链路SINR预测方法，在步骤301，根据从用户设备UE传送来的SRS的SINR，计算SRS的估计信道相对于实际信道的信道估计的MSE。然后，在步骤303，对UE传送SRS的时刻和所述UE的下行链路传输发生的时刻之间的传输延迟进行计数。最后，在步骤305，根据所述信道估计的MSE、所述传输延迟、UE所反馈的下行链路CQI、以及发射天线的波束赋形权重来产生预测的SINR。

由此，本发明可以预测利用波束赋形的下行链路传输的实际SINR。该实际SINR可以用于资源分配、用户调度、链路适配和传输策略管理。由此，能够在较好地考虑到信道估计误差和传输延迟对波束赋形传输的影响的情况下，提供更高的***性能增益。

图4是示出了利用SINR预测的本发明的***吞吐量增益和未利用SINR预测的现有技术的***吞吐量增益的仿真比较图。

在图4中，给出了在LTE TDD***中利用SINR预测和不利用SINR预测的***吞吐量增益的比较的仿真结果。该带宽是10MHz，并且eNB和UE中的天线数量分别是8个和2个。eNB使用MMSE算法来估计信道响应。在一个TTI(传输时间间隔)中存在100个活动的用户等待被调度，其速率为30km/h。调度延迟范围从4ms到10ms。根据该仿真结果，可以观察到，利用SINR预测的本发明的***吞吐量增益与不利用SINR预测的情况相比大约提高了8％到12％。

本发明的方法易于实现，因为不需要针对波束赋形的特殊处理来应对这两个不利因素(TD和MSE)对波束赋形传输的影响。另外，本发明可以使用现有的调度、链路适配和传输切换算法来管理这些不利因素的影响，并提供更高的***性能增益。

另外，本发明的方法比现有技术的方法具有更好的性能。现有技术的方法独立地处理MSE和TD，并且使用固定的阈值以切换到TxDiv。而本发明的方法可以考虑MSE和TD的合成影响，并且无需指定阈值，对任何MSE和TD值进行统一的处理。

尽管以上已经结合本发明的优选实施例示出了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此，本发明不应由上述实施例来限定，而应由所附权利要求及其等价物来限定。

Claims (12)

1.一种在使用波束赋形的多天线无线通信***中的下行链路信号干扰噪声比SINR预测设备，包括：

均方误差估计器，根据从用户设备UE传送来的探测参考信号SRS的SINR，计算SRS的估计信道相对于实际信道的信道估计的均方误差MSE，并且将所述信道估计的MSE输出到合成器；

传输延迟计数器，对UE传送SRS的时刻和对该UE的下行链路进行传输的时刻之间的传输延迟进行计数，并且将所述传输延迟输出到合成器；以及

合成器，根据从均方误差估计器接收到的所述信道估计的MSE、从传输延迟计数器接收到的所述传输延迟、UE反馈的下行链路信道质量指示CQI、以及发射天线的波束赋形权重来产生预测的SINR。

2.根据权利要求1所述的下行链路SINR预测设备，其中，所述预测的SINR用于下行链路无线控制，所述下行链路无线控制包括媒体接入控制MAC层的用户调度、资源分配、链路适配和传输策略管理。

3.根据权利要求1所述的下行链路SINR预测设备，其中，所述UE反馈的下行链路CQI包括非波束赋形传输策略下的SINR。

4.根据权利要求1所述的下行链路SINR预测设备，其中，所述发射天线的波束赋形权重是利用从UE传送来的探测参考信号SRS进行信道响应估计来产生的。

5.根据权利要求1所述的下行链路SINR预测设备，其中，所述SRS的SINR是在物理层上获得的。

6.根据权利要求1所述的下行链路SINR预测设备，其中，所述多天线无线通信***是长期演进时分双工LTE TDD通信***。

7.一种在使用波束赋形的多天线无线通信***中的基站，包括：根据权利要求1所述的下行链路信号干扰噪声比SINR预测设备。

8.根据权利要求7所述的基站，还包括：用户调度器、资源分配器、链路适配器和传输策略管理器，分别用于根据从下行链路SINR预测设备接收到的预测的SINR，执行媒体接入控制MAC层的用户调度、资源分配、链路适配和传输策略管理。

9.根据权利要求7所述的基站，还包括：SRS信道估计器，用于获得从UE传送来的探测参考信号SRS的估计信道响应以及所述SRS的SINR，以便将所述估计信道响应输出到波束赋形权重产生器，并且将所述SRS的SINR输出到所述下行链路SINR预测设备；以及

波束赋形权重产生器，用于根据从SRS信道估计器传送来的SRS信号的估计信道响应来产生波束赋形权重，并将所述波束赋形权重输出到所述下行链路SINR预测设备。

10.根据权利要求7所述的基站，其中，所述多天线无线通信***是长期演进时分双工LTE TDD通信***。

11.一种在使用波束赋形的多天线无线通信***中的下行链路信号干扰噪声比SINR预测方法，包括：

根据从用户设备UE传送来的探测参考信号SRS的SINR，计算SRS的估计信道相对于实际信道的信道估计的均方误差MSE；

对UE传送SRS的时刻和对该UE的下行链路进行传输的时刻之间的传输延迟进行计数；以及

根据所述信道估计的MSE、所述传输延迟、UE反馈的下行链路信道质量指示CQI、以及发射天线的波束赋形权重来产生预测的SINR。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述多天线无线通信***是长期演进时分双工LTE TDD通信***。

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