CN105009534A - 用于经由分布式输入分布式输出技术在无线蜂窝系统中利用小区间复用增益的系统和方法 - Google Patents

用于经由分布式输入分布式输出技术在无线蜂窝系统中利用小区间复用增益的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种具有多用户(MU)传输的多天线系统(MAS)(“MU-MAS”)，所述多天线系统经由空间处理利用小区间复用增益，从而增加无线通信网络中的容量。在最近三十年中，无线蜂窝市场在世界各地已经经历了数量越来越大的订户以及对从语音转移至网页浏览以及实时HD视频流的更好服务的需求。对要求更高数据速率、较低时延和更高可靠性的服务的这种越来越高的需求已经驱动无线技术飞速演进跨越了不同标准。

Description

用于经由分布式输入分布式输出技术在无线蜂窝系统中利用小区间复用增益的系统和方法
相关申请
本申请可与以下共同待决的美国专利申请/美国专利有关：
名称为“Systems and Methods for wireless backhaul in distributed-inputdistributed-output wireless systems”(用于分布式输入分布式输出无线系统中的无线回程的系统和方法)的美国申请No.13/633,702
名称为“Systems and Methods to enhance spatial diversity in distributed-input distributed-output wireless systems”(增强分布式输入分布式输出无线系统中的空间分集的系统和方法)的美国申请No.13/475,598
名称为“System and Methods for planned evolution and obsolescence ofmultiuser spectrum”(用于多用户频谱的计划演进和淘汰的系统和方法)的美国申请No.13/233,006
名称为“Systems and Methods to Exploit Areas of Coherence in WirelessSystems”(在无线系统中利用相关性区域的系统和方法)的美国申请No.13/232,996
名称为“System and Methods to Compensate for Doppler Effects inDistributed-Input Distributed Output Systems”(补偿分布式输入分布式输出系统中的多普勒效应的系统和方法)的美国申请No.13/464,648
名称为“Systems And Methods To Coordinate Transmissions In DistributedWireless Systems Via User Clustering”(经由用户聚类协调分布式无线系统中的传输的系统和方法)的美国申请No.12/917,257
名称为“Interference Management，Handoff，Power Control And LinkAdaptation In Distributed-Input Distributed-Output(DIDO)CommunicationSystems”(分布式输入分布式输出(DIDO)通信系统中的干扰管理、切换、功率控制和链路适配)的美国申请No.12/802,988
名称为“System And Method For Managing Inter-Cluster Handoff OfClients Which Traverse Multiple DIDO Clusters”(用于管理遍历多个DIDO群集的客户端的群集间切换的系统和方法)的美国申请No.12/802,974
名称为“System And Method For Managing Handoff Of A Client BetweenDifferent Distributed-Input-Distributed-Output(DIDO)Networks Based OnDetected Velocity Of The Client”(用于基于不同分布式输入分布式输出(DIDO)网络之间的客户端的检测速度来管理客户端的切换的系统和方法)的美国申请No.12/802,989
名称为“System And Method For Power Control And Antenna Grouping InA Distributed-Input-Distributed-Output(DIDO)Network”(用于分布式输入分布式输出(DIDO)网络中的功率控制和天线分组的系统和方法)的美国申请No.12/802,958
名称为“System And Method For Link adaptation In DIDO MulticarrierSystems”(用于DIDO多载波系统中的链路适配的系统和方法)的美国申请No.12/802,975
名称为“System And Method For DIDO Precoding Interpolation InMulticarrier Systems”(用于多载波系统中的DIDO预编码插值的系统和方法)的美国申请No.12/802,938
名称为“System and Method For Distributed Antenna WirelessCommunications”(用于分布式天线无线通信的系统和方法)的美国申请No.12/630,627
2012年5月1日发布的名称为“System And Method For Adjusting DIDOInterference Cancellation Based On Signal Strength Measurements”(用于基于信号强度测量调整DIDO干扰消除的系统和方法)的美国专利No.8,170,081
2012年4月17日发布的名称为“System and Method For DistributedInput-Distributed Output Wireless Communications”(用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法)的美国专利No.8,160,121；
2011年2月8日发布的名称为“System and Method For Enhancing NearVertical Incidence Skywave(“NVIS”)Communication Using Space-TimeCoding”(用于使用空时编码增强近垂直入射天波(“NVIS”)通信的系统和方法)的美国专利No.7,885,354。
2010年5月4日发布的名称为“System and Method For Spatial-Multiplexed Tropospheric Scatter Communications”(用于空间复用对流层散射通信的系统和方法)的美国专利No.7,711,030；
2009年12月22日发布的名称为“System and Method for DistributedInput Distributed Output Wireless Communication”(用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法)的美国专利No.7,636,381；
2009年12月15日发布的名称为“System and Method for DistributedInput Distributed Output Wireless Communication”(用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法)的美国专利No.7,633,994；
2009年10月6日发布的名称为“System and Method for Distributed InputDistributed Output Wireless Communication”(用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法)的美国专利No.7,599,420；
2008年8月26日发布的名称为“System and Method for Distributed InputDistributed Output Wireless Communication”(用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法)的美国专利No.7,418,053；
背景技术
在最近三十年中，无线蜂窝市场在世界各地已经经历了数量越来越大的订户以及对从语音转移至网页浏览以及实时HD视频流的更好服务的需求。对要求更高数据速率、较低时延和更高可靠性的服务的这种越来越高的需求已经驱动无线技术飞速演进跨越了不同标准。从二十世纪八十年代早期的第一代模拟AMPS和TACS(用于语音服务)开始，到二十世纪九十年代的2G和2.5G数字GSM、IS-95和GPRS(用于语音和数据服务)，到二十一世纪早期的3G与UMTS和CDMA2000(用于网页浏览)，并最终到目前在世界各地的不同国家部署的LTE(用于高速因特网连接)。
长期演进(LTE)是第三代合作伙伴计划(3GPP)针对第四代(4G)无线蜂窝系统开发的标准。通过经由多输入多输出(MIMO)技术利用无线信道的空间分量，LTE所达到的下行链路频谱效率与早先3G和HSPA+标准相比在理论上可改进高达4倍。LTE-Advanced是目前正被标准化的LTE的演进，理论上其所实现的频谱效率与3G标准系统相比将增加高达8倍。
尽管有这种技术演进，但由于智能手机和平台的越来越高的市场渗透，提供了像实时HD视频流、视频会议和游戏这样的更渴望数据的应用程序，因此在未来三年内无线载波很可能将不能满足对数据速率的越来越大的需求。据估计，由于诸如LTE的改进的技术以及可供政府使用的更多频谱，从2011年到2015年在欧洲无线网络的容量将增长5倍[25]。例如，作为国家宽带计划的一部分，FCC正在计划到2020年开通500MHz的频谱(到2015年，其中的300MHz将可用)以推动整个美国的无线因特网连接[24]。遗憾的是，预测在欧洲到2015年容量使用是2011年的23倍[25]，并且预期在美国到2014年将发生类似的频谱赤字[26-27]。因为这种数据紧缩，无线载波的收益可能下降到低于它们的CAPEX和OPEX，而这潜在地对无线市场具有破坏性的影响[28]。
因为由LTE部署和增加的频谱可用性所提供的容量增益不足，因此防止这个即将到来的频谱危机的唯一可预测解决方案是推动新无线技术[29]。LTE-Advanced(LTE标准的演进)通过更尖端的MIMO技术并且通过增加“小小区”的密度允诺优于LTE的另外增益[30]。然而，对可配合某一区域而不会招致干扰问题或增加允许小区之间的协调的回程的复杂性的小区数量存在限制。
将提供优于无线链路的频谱效率的数量级增大而无常规蜂窝系统的限制的一种有前途的技术是分布式输入分布式输出(DIDO)技术(参见以上在[0002-0020]中所引用的相关专利和申请。本发明描述在蜂窝标准的约束内或无蜂窝标准的约束情况下在蜂窝系统背景下被采用以提供优于常规无线系统的显著性能优点的DIDO技术(诸如，LTE或LTE-Advanced)。以对MIMO的综述开始并且回顾LTE和LTE-Advanced所采用的不同空间处理技术。然后，示出本发明如何提供下一代无线通信系统与现有技术方法相比的显著容量增益。
MIMO在无线链路的发射器侧和接收器侧采用多根天线并且使用空间处理来经由分集技术提高链路可靠性(即，分集增益)或经由复用方案提供更高数据速率(即，复用增益)[1-2]。分集增益是加强对信号衰落的稳健性从而针对固定数据速率产生更高信噪比(SNR)的度量。复用增益是通过针对固定误差概率利用无线信道的另外空间自由度增加数据速率来获得。MIMO系统中分集与复用之间的基本折衷在[3-4]中描述。
在实际MIMO系统中，链路适配技术可用于基于传播条件动态地在分集方案与复用方案之间进行切换[20-23]。例如，[22-23]中所描述的链路适配方案显示波束赋形或正交空时分组码(OSTBC)在低SNR模式下或以低空间选择性为特征的信道中是优选方案。相比之下，空间复用在具有高SNR和高空间选择性的信道的数据速率方面可提供显著增益。例如，图1示出小区可被划分成两个区域：i)以高SNR为特征(由于临近小区塔或基站)的复用区域101，其中可经由空间复用来利用信道的空间自由度来增加数据速率；ii)分集区域102或小区边缘，其中空间复用技术不是那么有效并且可使用分集方法来改进SNR和覆盖范围(从而仅产生数据速率的边际增长)。应注意，图1中的宏小区103的圆圈将圆圈的阴影中心标记为“复用区域”并且将圆圈的非阴影外区域标记为“分集区域”。这种同一区域标示贯穿图1、图3-5使用，其中阴影区域是“复用区域”并且非阴影区域是“分集区域”，即使它们未被标记。例如，在图1中针对小小区104使用同一标示。
LTE(版本8)和LTE-Advanced(版本10)标准定义一组十种传输模式(TM)，包括分集方案或复用方案[35、85-86]：
·模式1：单个天线端口，端口0
·模式2：传输分集
·模式3：大延迟循环延迟分集(CDD)，用于单用户MIMO(SU-MIMO)的开环空间复用的延伸
·模式4：用于SU-MIMO的闭环空间复用
·模式5：多用户MIMO(MU-MIMO)
·模式6：使用单个传输层的闭环空间复用
·模式7：单个天线端口，UE特定RS(端口5)
·模式8：利用UE特定RS的单层或双层传输(端口7和/或端口8)
·模式9：单层或多达八层闭环SU-MIMO(在版本10中添加)
·模式10：多层闭环SU-MIMO、多达八层(在版本10中添加)
此后描述蜂窝系统中常用的分集方案和复用方案以及如上概述的LTE中所采用的具体方法，并且将它们与DIDO通信所特有的技术进行比较。首先识别两种类型的传输方法：i)小区内方法(在蜂窝系统中利用微分集)，其使用多根天线来提高一个小区内的链路可靠性或数据速率；ii)小区间方法(利用宏分集)，其允许小区之间进行协作以提供另外的分集或复用增益。然后描述本发明如何提供优于现有技术的显著优点(包括频谱容量增益)。
1.小区内分集方法
小区内分集方法在一个小区内操作并且被设计用于在链路质量差的情景(例如，小区边缘处的用户遭受从中心塔或基站开始的高路径损耗)中增加SNR。MIMO通信中所采用的典型分集方案是波束赋形[5-11]和正交空时分组码(OSTBC)[12-15]。
LTE标准所支持的分集技术是传输分集、闭环秩1预编码和专用波束赋形[31-35]。传输分集方案在下行链路(DL)上支持两根或四根传输天线并且对于上行链路(UL)仅支持两根天线。在DL信道中，传输分集是经由与频率切换传输分集(FSTD)结合以利用空间及频率选择性的空频分组码(SFBC)来实施[31]。秩1预编码基于选自码本(使用有限反馈技术预设计[36-42])的量化权重产生专用于一个用户的波束，以降低从用户设备(UE)到基地收发信台(图1中的BTS 105，或使用LTE技术的eNodeB)的反馈开销。可替代地，专用波束赋形权重可基于UE特定参考信号来计算。
2.小区内复用方法
MIMO复用方案[1、19]在高SNR模式下以及在信道中具有足够空间自由度的情景(例如，具有高空间选择性的富有多路径的环境[16-18])中提供数据速率方面的增益，以在无线链路上支持多个并行数据流。
LTE标准支持用于单用户MIMO(SU-MIMO)和多用户MIMO(MU-MIMO)的不同复用技术[31]。SU-MIMO方案具有两种操作模式：i)闭环，其利用来自UE的反馈信息来选择DL预编码权重；ii)开环，其在来自UE的反馈不可用或UE对于支持闭环方案来说移动太快时使用。闭环方案使用选自码本的一组预计算的权重。取决于UE请求和BTS处的调度程序的决策，这些权重可支持两根或四根传输天线以及一至四个并行数据流(通过预编码矩阵的层数来识别)。LTE-Advanced将包括多达MIMO 8×8的新传输模式，以经由空间处理提供增加高达8倍的频谱效率[62]。
MU-MIMO方案针对UL和DL信道两者来定义[31、50]。在UL中，每个UE向BTS发送参考信号(由Zadoff-Chu序列的循环移位版本组成[33])。这些参考信号是正交的，使得BTS可估计来自所有UE的信道并且经由空间处理同时解调来自多个UE的数据流。在DL中，针对不同UE的预编码权重基于来自UE的反馈以及调度程序而选自码本(类似于闭环SU-MIMO方案)，并且针对每个UE仅秩1预编码被允许(例如，每个UE仅接收一个数据流)。
采用空间处理的小区内复用技术仅在以高SNR(或SINR)和高空间选择性为特征的传播情景(富有多路径的环境)中提供令人满意的性能。对于常规宏小区，这些条件可能更难以实现，因为BTS通常远离UE并且SINR的分布通常集中在低值处[43]。在这些情景中，MU-MIMO方案或分集技术可能是比利用空间复用的SU-MIMO更好的选择。
被LTE-Advanced预期用于实现另外的复用增益的其他技术和网络解决方案(不要求通过MIMO的空间处理)是：载波聚合(CA)和小小区。CA[30、44-47]组合RF频谱的不同部分以将信号带宽增加至高达100MHz[85]，从而产生较高数据速率。带内CA将不同带组合在频谱的同一部分内。这样，带内CA可针对多个信道使用同一RF链，并且多个数据流以软件方式重新组合。带间CA需要不同RF链以在频谱的不同部分下操作，并且需要信号处理以重新组合来自不同带的多个数据流。
小小区[30、47]的关键思想是减小常规宏小区的尺寸，从而每覆盖区域允许更高的小区密度和更大的吞吐量。小小区通常通过与用于宏小区的高且昂贵的小区塔相比具有低功率传输的便宜接入点106(如图1所示)来部署。在LTE-Advanced中定义了两种类型的小小区：i)城域小区，其用于城市地区的户外装置、支持多达32至64个同时的用户；以及ii)毫微微小区，其用于户内使用、可服务至多4个活动用户。小小区的一个优点是接近BTS的UE的密度在统计上较高，从而产生可经由空间复用被利用来增加数据速率的更好的SNR。然而，仍存在许多关于小小区的实际部署的问题，尤其是涉及回程。实际上，经由高速有线连接到达每个小小区的BTS可能具有挑战性，尤其是考虑到城域小区和毫微微小区在给定覆盖区域中的高密度。虽然与有线回程相比，使用到小小区的视线(LOS)回程常常可便宜地被实施，但是常常不存在可用于优选小小区BTS布局的实际LOS回程路径，并且不存在到小小区BTS的非视线(NLOS)无线回程的通用解决方案。此外，小小区需要BTS之间的复杂实时协调以避免如在自组织网络(SON)[30、51-52]以及用于规划小小区的最佳位置的尖端小区规划工具(归因于更高密度的小小区，比常规蜂窝系统甚至更复杂)[48、49]。最后，切换是小小区部署的限制因素，尤其是在订户群组同时切换小区的情形中，这会在回程上造成大量切换开销，从而导致高时延和不可避免的掉话。
可简单地证明，不存在使得小小区能够与宏小区共存并且实现最佳、或必要地甚至提高的吞吐量的实际通用解决方案。属于无数此类不可解决的情况之中的是当小小区被定位成使得其UE不可避免地与宏小区传输重叠并且小小区和宏小区使用相同频率来达到它们相应的UE时。在这种情况下清楚的是，宏小区传输将干扰小小区传输。虽然可能存在某种针对特定宏小区、特定小小区、所涉及的特定宏小区和小小区UE的特定情况、这些UE的吞吐量要求以及环境情况等减轻此类干扰的方法，但是任何此类方法不仅对于宏小区和小小区的静态规划而且对于特定时间间隔的动态情况而言都将是高度特定的。通常，不能实现到每个UE的信道的全吞吐量。
3.小区间分集方法
在宏小区与小小区(例如，城域小区、微微小区和毫微微小区)共存的异构网络(HetNet)[90]中，必须采用不同技术来消除小区间干扰。尽管异构网络通过小小区实现更好的覆盖，但数据速率的增益仅是边际增益，因为异构网络需要通过不同形式的频率复用模式共享频谱或使用空间处理来消除干扰，而非实现复用增益。LTE标准采用小区间干扰协调(ICIC)方案来消除干扰，尤其是消除小区边缘处的干扰。目前有两种类型的ICIC方法：小区自治与在BTS之间协调。
小区自治ICIC方案通过图2中描绘的不同频率复用模式来避免小区间干扰，其中六边形表示小区，不同的颜色指代不同的载波频率。在LTE中考虑三种类型的方案：i)全频率复用(或复用1)，其中小区利用所有可用带宽，如图2a中一样，从而在小区边缘处产生高干扰；ii)硬频率复用(HFR)，其中各个小区分配有不同的频带，如图2b(典型复用因数为3)中一样，旨在避免相邻小区之间出现干扰；iii)部分频率复用(FFR)，其中小区中心如在频率复用1中一样分配有整个可用带宽，而小区边缘以HFR模式操作，旨在减轻如图2c中的小区间干扰。
协调ICIC方法实现BTS之间的协作以提高无线网络的性能。这些技术是相关专利和申请[0002-0022]中所教导的方法中的特例，其在用于全部同时使用相同频率的多个UE的分布式天线网络的一般情况下实现无线收发器之间的协作。BTS之间针对用于单个UE的蜂窝系统的特定情况在给定时间以给定频率消除小区间干扰的协作描述于[53]中。[53]中的系统将每个宏小区划分成多个子小区，并且通过采用来自协调BTS的专用波束赋形来实现子小区之间的软切换，从而随着其沿子小区边界移动而以单个频率在单个UE处提高链路稳健性。
新近，这种类别的协作无线蜂窝网络已经在MIMO著作中定义为“网络MIMO”或“协调多点”(CoMP)系统。关于通过消除小区间干扰在网络MIMO中获得的益处的理论分析和模拟结果呈现于[54-61]中。网络MIMO和CoMP的关键优势是消除小区重叠区域中的小区间干扰，对于宏小区302来说，就是消除图3中的“干扰区域”301。
CoMP网络作为减轻下一代蜂窝网络中的小区间干扰的解决方案正有效地成为LTE-Advanced标准的一部分[62-64]。在所述标准中至今已经提出三种消除小区间干扰的CoMP解决方案：i)协调调度/波束赋形(CS/CB)，其中经由波束赋形，UE接收其来自仅一个BTS的数据流，并且经由波束赋形或调度技术实现BTS之间的协调以消除干扰；ii)动态小区选择(DCS)，其在每子帧基础上针对每个UE动态地选择小区，这个过程对UE是透明的；iii)联合传输(JT)，其中给定UE的数据联合地从多个BTS被传输以提高接收信号质量并且消除小区间干扰。CoMP-JT比CoMP-CS/CB产生更大增益，其代价为在实现BTS之间的协调的回程方面的更高开销。
4.小区间复用方法
现有技术多用户无线系统增加了复杂性并对无线网络引入了限制，这造成给定用户的体验(例如，可用吞吐量、时延、可预测性、可靠性)受区域中的其他用户利用频谱影响的情况。考虑到对由多个用户共享的无线频谱内的总吞吐量的越来越大的需求以及针对给定用户可依赖于多用户无线网络可靠性、可预测性和低时延的应用程序的日渐增多，现有技术多用户无线技术明显遭受着许多限制。实际上，在具有适用于特定类型无线通信的频谱的可用性有限的情况下(例如，在穿透建筑墙方面有效的波长下)，现有技术无线技术将不足以满足对可靠、可预测且低时延的带宽的越来越高的需求。
对于LTE，现有技术小区内分集和复用方法可仅提供比当前蜂窝网络增加多达理论4倍(通过MIMO 4×4)的吞吐量，或对于LTE-Advanced提供增加至多理论8倍(通过MIMO 8×8)的吞吐量，但较高阶MIMO在给定多路径环境中在增加吞吐量方面实现减小的改进，具体地讲是因为UE(诸如，智能手机)就天线布局而言变得更小并且更受约束。下一代蜂窝系统中的其他边际吞吐量增益可从经由载波聚合技术被利用的另外的频谱分配(例如，FCC国家宽带计划)以及经由小小区网络和SON进行的BTS的更密分布来获得[30、46]。然而，所有上述技术仍极大地依赖于频谱或时间共享技术来实现多用户传输，因为通过空间处理所获得的频谱效率增益是有限的。
虽然现有技术小区间方法(例如，网络MIMO和CoMP系统[53-64])可通过消除小区间干扰来提高蜂窝网络的可靠性，但它们的容量增益仅是边际的。实际上，这些系统将从每个BTS传输的功率约束为包含在小区边界内，并且由于小区之间的功率泄漏而仅对消除小区间干扰有效。图3示出具有三个BTS的蜂窝网络的一个实例，每个蜂窝网络均以其自己的覆盖区域或小区为特征。从每个BTS传输的功率被约束以限制小区之间的干扰量，所述干扰在图3中由小区重叠的区域描绘。因为这些系统在干扰区域处在低SINR模式下操作，所以它们在频谱效率上的增益仅是边际的，这类似于用于SU-MIMO的小区内方案。为真实地在小区间协作网络中获得显著容量增益，限制于小区边界的功率约束必须放宽，并且空间复用技术应遍及SINR高的小区来启用(不仅如现有技术方法中那样在具有差SINR性能的小区边缘处)。
图4示出增加从全部以相同频率同时传输的三个BTS 401传输的功率，从而允许整个小区402有更高水平的干扰的情况。在现有技术系统中，此类干扰将遍及BTS的干扰区域产生不相干干扰(扰乱UE信号接收)，但实际上在本发明中通过使用空间处理的新型小区间复用方法来利用这种干扰，以在每个UE周围产生具有相干干扰(增强UE信号接收)的区域，从而向每个UE提供同时非干扰数据流并且遍及小区增大它们的SINR。
图4中描绘的场景在[89]中针对蜂窝系统的特定情况进行了描述。[89]中的系统由若干个BTS组成，这些BTS识别被分组成群集的不同小区。仅允许在相同群集内的相邻小区的BTS之间协作。在这种情况下，结果表明，随着从BTS传输的功率的增大，能够通过小区间复用方法实现的容量(或频谱效率)有所限制。实际上，随着传输功率的增大，群集外干扰也成比例地增大，导致SINR达到饱和并且因此导致容量也达到饱和。由于这种影响，[89]中的系统的容量在理论上可实现至多3倍增益(即，至多群集内的三个小区)，并且群集中包括的任何额外小区都将由于群集外干扰的增大而降低容量(例如，每群集21个小区产生的容量比每群集3个小区的低)。我们观察到，[89]中基本容量限制的存在是因为BTS被约束到预定义的位置，如在蜂窝系统中一样，并且通过增大来自BTS的传输功率来实现复用增益。要通过小区间复用方法获得理论上无限的容量增益，必须消除对BTS布局的约束，允许BTS放置在任何便利之处。
因此将需要的是提供一种系统，其通过消除对从分布式BTS 501传输的功率以及其布局的任何约束，经由空间处理利用小区间复用增益实现频谱效率的数量级增大。图5示出一个实例，其中添加了许多另外的接入点502以刻意增加整个小区503的不相干干扰的水平，所述不相干干扰在本发明中被利用来在UE周围产生具有相干干扰的区域，从而产生理论上无限的小区间复用增益。所述另外的接入点随意放置在任何便利之处，不受到任何特定小区规划的约束，如现有技术中所描述的蜂窝系统中一样。在本发明的示例性实施例中，随机接入点是分布式输入分布式输出(DIDO)接入点，小区间复用增益通过[0014-0020]和[77-78]中描述的DIDO方法实现。在另一个实施例中，随机接入点是类似于便宜Wi-Fi接入点或小小区[30、47]的低功率收发器，从而提供与整个宏小区重叠的较小的覆盖区域，如图5中所示。
我们观察到，现有技术小区间方法[53-64]通过有意地限制来自如图3中的每个BTS的传输功率来避免不相干干扰，并且经由空间处理消除残余的小区间干扰(在小区之间的重叠区域上)，从而提供改进的SINR和小区 间分集增益。我们还观察到，[89]在增大传输功率的同时将BTS布局约束为小区规划，从而由于群集外干扰而导致可实现的容量受到限制，因此，其仍受到干扰的限制。相比之下，本发明通过以下方式利用非相干干扰在UE周围产生相干干扰：从随意放置的每个BTS传输更高功率，从而提高UE处的信号质量，这是经由空间处理遍及小区获得小区间复用增益的必要条件。这样，因为整个小区并不存在足以实现如本发明中的小区间复用方法的SINR(由于来自BTS的有限传输功率或在传输功率增大时的群集外干扰)，所以现有技术中所描述的系统不能用于经由空间处理来实现无限小区间复用增益。此外，现有技术中所描述的系统将不可操作来实现图4-5中所描绘的在本发明中所实现的复用增益，假定现有技术系统被设计用于避免图1和图3-5的阴影区域中所示的分集区域内的小区间干扰，而不是利用复用区域中的小区间干扰来获得如本发明中所实现的小区间复用增益。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中可获得对本发明的更好理解，在附图中：
图1示出了宏小区和小小区的复用区域和分集区域。
图2a示出了常规蜂窝系统中的全频率复用模式。
图2b示出了常规蜂窝系统中的硬频率复用(HFR)模式。
图2c示出了常规蜂窝系统中的部分频率复用(FFR)模式。
图3示出了相邻宏小区之间的干扰区域。
图4示出了多个BTS以较高功率传输以增大小区之间的干扰水平。
图5示出了一个例子，其中添加了许多接入点以刻意增大整个小区的不相干干扰的水平。
图6示出了LTE网络中的网络元件。
图7a示出了用于FDD操作的LTE帧结构。
图7b示出了用于TDD操作的LTE帧结构。
图8a示出了OFDM DL信道中的LTE“资源元素”和“资源块”。
图8b示出了SC-FDMA UL信道中的LTE“资源元素”和“资源块”。
图9示出了多用户(MU)多天线系统(MAS)或MU-MAS的一个实施例，其由天线群集和多个用户群集组成。
图10示出了MU-MAS的一个实施例，其中不同的小区ID与各个天线子群集相关联。
图11示出了MU-MAS的一个实施例，其中同一组小区ID被分配给具有给定重复模式的天线子群集。
图12示出了在有人口稀疏区域、也有人口密集区域的加州旧金山市区实际部署MU-MAS系统的SNR分布。
图13示出了MU-MAS的一个实施例，其由CP、分布式BTS和多个UE组成。
图14示出了MU-MAS的一个实施例，其由CP、分布式BTS、多台装置和经由网络接口连接到这些装置以及BTS的一个UE组成。
图15示出了MU-MAS的一个实施例，其中UE位于物理附接到用户装置的壳体中。
具体实施方式
克服许多上述现有技术限制的一种解决方案是分布式输入分布式输出(DIDO)技术的实施例。DIDO技术描述于以下专利和专利申请中，所有这些专利和专利申请都转让给本专利的受让人并且以引用方式并入。这些专利和申请在本文中有时共同地称为“相关专利和申请”。
名称为“Systems and Methods for wireless backhaul in distributed-inputdistributed-output wireless systems”(用于分布式输入分布式输出无线系统中的无线回程的系统和方法)的美国申请No.13/633,702
名称为“Systems and Methods to enhance spatial diversity in distributed-input distributed-output wireless systems”(增强分布式输入分布式输出无线系统中的空间分集的系统和方法)的美国申请No.13/475,598
名称为“System and Methods for planned evolution and obsolescence ofmultiuser spectrum”(用于多用户频谱的计划演进和淘汰的系统和方法)的美国申请No.13/233,006
名称为“Systems and Methods to Exploit Areas of Coherence in WirelessSystems”(在无线系统中利用相关性区域的系统和方法)的美国申请No.13/232,996
名称为“System and Methods to Compensate for Doppler Effects inDistributed-Input Distributed Output Systems”(补偿分布式输入分布式输出系统中的多普勒效应的系统和方法)的美国申请No.13/464,648
名称为“Systems And Methods To Coordinate Transmissions In DistributedWireless Systems Via User Clustering”(经由用户聚类协调分布式无线系统中的传输的系统和方法)的美国申请No.12/917,257
名称为“Interference Management，Handoff，Power Control And LinkAdaptation In Distributed-Input Distributed-Output(DIDO)CommunicationSystems”(分布式输入分布式输出(DIDO)通信系统中的干扰管理、切换、功率控制和链路适配)的美国申请No.12/802,988
名称为“System And Method For Managing Inter-Cluster Handoff OfClients Which Traverse Multiple DIDO Clusters”(用于管理遍历多个DIDO群集的客户端的群集间切换的系统和方法)的美国申请No.12/802,974
名称为“System And Method For Managing Handoff Of A Client BetweenDifferent Distributed-Input-Distributed-Output(DIDO)Networks Based OnDetected Velocity Of The Client”(用于基于不同分布式输入分布式输出(DIDO)网络之间的客户端的检测速度来管理客户端的切换的系统和方法)的美国申请No.12/802,989
名称为“System And Method For Power Control And Antenna Grouping InA Distributed-Input-Distributed-Output(DIDO)Network”(用于分布式输入分布式输出(DIDO)网络中的功率控制和天线分组的系统和方法)的美国申请No.12/802,958
名称为“System And Method For Link adaptation In DIDO MulticarrierSystems”(用于DIDO多载波系统中的链路适配的系统和方法)的美国申请No.12/802,975
名称为“System And Method For DIDO Precoding Interpolation InMulticarrier Systems”(用于多载波系统中的DIDO预编码插值的系统和方法)的美国申请No.12/802,938
名称为“System and Method For Distributed Antenna WirelessCommunications”(用于分布式天线无线通信的系统和方法)的美国申请No.12/630,627
2012年5月1日发布的名称为“System And Method For Adjusting DIDOInterference Cancellation Based On Signal Strength Measurements”(用于基于信号强度测量调整DIDO干扰消除的系统和方法)的美国专利No.8,170,081
2012年4月17日发布的名称为“System and Method For DistributedInput-Distributed Output Wireless Communications”(用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法)的美国专利No.8,160,121；
2011年2月8日发布的名称为“System and Method For Enhancing NearVertical Incidence Skywave(“NVIS”)Communication Using Space-TimeCoding”(用于使用空时编码增强近垂直入射天波(“NVIS”)通信的系统和方法)的美国专利No.7,885,354。
2010年5月4日发布的名称为“System and Method For Spatial-Multiplexed Tropospheric Scatter Communications”(用于空间复用对流层散射通信的系统和方法)的美国专利No.7,711,030；
2009年12月22日发布的名称为“System and Method for DistributedInput Distributed Output Wireless Communication”(用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法)的美国专利No.7,636,381；
2009年12月15日发布的名称为“System and Method for DistributedInput Distributed Output Wireless Communication”(用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法)的美国专利No.7,633,994；
2009年10月6日发布的名称为“System and Method for Distributed InputDistributed Output Wireless Communication”(用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法)的美国专利No.7,599,420；
2008年8月26日发布的名称为“System and Method for Distributed InputDistributed Output Wireless Communication”(用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法)的美国专利No.7,418,053；
为减小本专利申请的尺寸和复杂性，以下未明确陈述一些相关专利和申请的公开内容。请参看相关专利和申请以获得对本公开的完整描述。
本发明描述用于采用具有多用户(MU)传输的多天线系统(MAS)(多用户多天线系统或“MU-MAS”)经由空间处理在无线通信网络中利用小区间复用增益的系统和方法，其中所述多根天线随意放置。在本发明的一个实施例中，从多根天线传输的功率被约束以使小区边界处的干扰最小化(如在常规蜂窝系统中那样)，并且空间处理方法仅被采用来消除小区间干扰。在本发明的另一个实施例中，从多根天线传输的功率未被约束于任何特定功率水平(只要它们的功率发射水平落在规制、安全或可行(例如，可用功率、发射器和/或天线规格)限制内)，从而有意地遍及小区产生更高水平的小区间干扰，所述小区间干扰被利用来实现小区间复用增益并且增加无线通信网络的容量。
在一个实施例中，无线通信网络是蜂窝网络，如在图1和图3中一样，诸如基于LTE标准的蜂窝网络，并且随意部署的多根天线是用于宏小区或小小区的收发器。在本发明的另一个实施例中，无线通信网络未约束于任何特定小区布局，并且小区边界可如图4-5中在较大区域上延伸。例如，无线通信网络可以是以多根天线作为WiFi接入点的无线局域网络(WLAN)，或网状、特用或传感器网络，或分布式天线系统，或具有非刻意布置而无任何传输功率约束的接入点的DIDO系统。但是，此类示例性网络结构不应被认为限制本发明对无线通信网络的普遍适用性。本发明适用于任何无线网络，其中通过从多根天线传输在由多个UE接收时进行干扰的信号以便产生到多个UE的同时非干扰数据流来实现复用增益。
MU-MAS由集中式处理器、网络和M个收发信台(或分布式天线)，以及以无线方式与N个客户端装置或UE通信的M个收发信台(或分布式天线)组成。集中式处理器单元接收旨在用于不同客户端装置的具有不同网络内容(例如，网页服务器或其他网络源流出的视频、网页、视频游戏、文本、语音等)的N个信息流。此后，使用术语“信息流”来指代通过网络发送的含有信息的任何数据流，所述数据流可根据某些调制/编码方案或协议被解调或解码成独立流以产生任何数据，包括但不限于音频、网页和视频内容。在一个实施例中，信息流是可被解调或解码成独立流的携载网络内容的比特序列。
集中式处理器利用预编码变换将N个信息流从网络内容组合(根据算法，诸如相关专利和申请中所描述的那些)成M个比特流。通过举例而非限制的方式，预编码变换可以是线性的(例如，迫零[65]、块对角化[66-67]、矩阵求逆等)或非线性的(例如，污纸编码[68-70]或Tomlinson-Harashima预编码[71-72]、点阵技术或网格预编码[73-74]、矢量微扰技术[75-76])。此后，使用术语“比特流”来指代不一定含有任何有用信息比特并且因此不可被解调或解码成独立流以检索网络内容的任何比特序列。在本发明的一个实施例中，比特流是由集中式处理器产生并且针对将发送至M个收发信台之一的给定比特数而被量化的复杂基带信号。
在集中式处理器处通过采用信道状态信息(CSI)来计算预编码，并且经由DL或UL信道将预编码施加到传送到或传送自多个用户的复用数据流。在本发明的一个实施例中，集中式处理器知道分布式天线与客户端装置之间的CSI，并且利用CSI对经由DL或UL信道发送的数据进行预编码。在同一实施例中，在客户端装置处估计CSI并且将其反馈到分布式天线。在另一个实施例中，在分布式天线处使用射频(RF)校准并且利用UL/DL信道互易性从UL-CSI得到DL-CSI。
在一个实施例中，MU-MAS是如相关专利和专利申请中所描述的分布式输入分布式输出(DIDO)系统。在另一个实施例中，图13中所示的MU-MAS由以下各项组成：
·用户设备(UE)1301：用于固定和/或移动客户端通过下行链路(DL)信道从回程接收数据流并且经由上行链路(UL)信道向回程传输数据的RF收发器
·基地收发信台(BTS)1302：BTS利用无线信道与回程对接。一个实施例的BTS是由将基带信号转换成RF的数模转换器(DAC)/模数转换器(ADC)和射频(RF)链组成的接入点。在一些情况下，BTS是配备有功率放大器/天线的简单RF收发器，并且RF信号经由光纤传输RF技术被携载至BTS，如相关专利和申请中所描述。
·控制器(CTR)1303：CTR是一种特定类型的BTS，其被设计用于某些专门特征，诸如传输用于BTS和/或UE的时间/频率同步的训练信号、从/向UE接收/传输控制信息、从UE接收信道状态信息(CSI)或信道质量信息。一个或多个CTR站可被包括在任何MU-MAS系统中。当多个CTR可用时，去往或来自这些站点的信息可被组合以增加多样性并提高链路质量。在一个实施例中，经由最大比值合并(MRC)技术从多个CTR接收CSI以改进CSI解调。在另一个实施例中，经由最大比值传输(MRT)来从多个CTR发送控制信息以改进接收器侧的SNR。本发明的范围不限于MRC或MRT，并且任何其他分集技术(诸如，天线选择等)可被采用来改进CTR与UE之间的无线链路。
·集中式处理器(CP)1304：CP是利用回程与因特网或其他类型的外部网络1306对接的服务器。在一个实施例中，CP计算MU-MAS基带处理并且向分布式BTS发送波形以用于DL传输
·基站网络(BSN)1305：BSN是将CP连接至分布式BTS的网络，其携载用于DL或UL信道的信息。BSN是有线或无线网络或两者的组合。例如，BSN是DSL、缆线、光纤网络，或视线(LOS)或非视线(NLOS)无线链路。此外，BSN是专有网络或局域网络或因特网。
下文描述上述MU-MAS框架如何合并至用于蜂窝系统(以及利用LTE协议的非蜂窝系统)的LTE标准中，以实现频谱效率上的另外增益。以对LTE框架以及DL和UL信道中所采用的调制技术的总体综述开始。然后提供对LTE标准下的物理层帧结构和资源分配的简述。最后，定义用于使用LTE框架的多用户情景中的下行链路(DL)和上行链路(UL)信道的MU-MAS预编码方法。对于DL方案，提出两种解决方案：开环和闭环DIDO方案。
LTE被设计成具有扁平网络构架(这与来自先前蜂窝标准的分层架构相反)以允许：减小时延、经由ARQ减少数据包丢失、减少呼叫建立时间、经由宏分集改进覆盖范围和吞吐量。图6中所描绘的LTE网络中的网络元件是按照[79]：
·GW(网关)：是将LTE网络连接至外部网络(即，因特网)的路由器。GW分成端接E-UTRAN接口608的服务网关(S-GW)601以及作为与外部网络的接口的PDN网关(P-GW)602。S-GW和P-GW是所谓的演进分组核心(EPC)609的部分；
·MME(移动性管理实体)603：管理移动性、安全参数和UE身份。MME也是LTE EPC的部分；
·eNodeB(增强型Node-B)604：是处理无线电资源管理、用户移动性和调度的基站；
·UE(用户设备)605：是移动站。
·S1接口和X2接口(606和607)：是MME与eNodeB之间(S1-MME)、S-GW与eNodeB之间(S1-U)以及多个eNodeB之间(X2)的有线回程或无线回程。
在本发明的一个实施例中，MU-MAS网络是LTE网络，其中UE是LTE UE，BTS是LTE eNodeB，CTR是LTE eNodeB或MME，CP是LTEGW，BSN是S1接口或X1接口。在下文中，术语“分布式天线”、“BTS”和“eNodeB”可互换使用，用于指代MU-MAS、DIDO或LTE系统中的任何基站。
LTE帧具有10毫秒的持续时间并且由如图7中所示的十个子帧组成[33、80]。每个子帧被划分成各自具有0.5毫秒持续时间的两个时隙。LTE标准定义两种类型的帧：i)用于如图7a)中的FDD操作的类型1，其中所有子帧被分配用于DL或UL信道；ii)用于如图7b)中的TDD操作的类型2，其中部分子帧被分配给DL并且部分被分配给UL(取决于所选择的配置)，而少数子帧被保留用于“特殊用途”。每帧至少存在一个特殊子帧并且所述子帧由三个字段组成：i)被保留用于DL传输的下行链路导频时隙(DwPTS)；ii)保护时段(GP)；iii)用于UL传输的上行链路导频时隙(UpPTS)。
LTE针对DL采用正交频分复用(OFDM)和正交频分多址(OFDMA)调制并且针对UL采用单载波频分多址(SC-FDMA)。“资源元素”(RE)是LTE中的最小调制结构，并且由一个OFDM子载波(以频率为单位)和一个OFDM符号持续时间(以时间为单位)组成，如图8a中针对DL信道所示以及图8b中针对UL信道所示。“资源块”(RB)由12个子载波(以频率为单位)和一个0.5毫秒时隙(以时间为单位)(取决于DL对比UL信道和循环前缀的类型由3至7个OFDM符号时段组成)组成。在子帧基础上分配用于每个UE的资源块。由于本发明中的MU-MAS使用空间处理将多个数据流发送到不同UE，所以在每个子帧处，可将所有资源块分配给同一UE。在一个实施例中，将全部资源块或一个子组的资源块分配给每个UE，并且经由预编码同时将非干扰性数据流发送到UE。
为了在BTS与UE之间建立链路，LTE标准定义了同步程序。BTS向UE发送两个连续信号：经由主要同步信道(PSCH)发送的主要同步信号(P-SS)；经由次要同步信道(SSCH)发送的次要同步信号(S-SS)。UE使用这两个信号来进行时间/频率同步以及检索小区ID。P-SS由长度为63的Zadoff-Chu序列组成，UE从该序列得出物理层ID(0至2)。S-SS是两个长度为31的二进制序列的交错串联，并用于得出小区ID群组号(0至167)。UE根据以上两个识别号得出物理小区ID(PCI，定义为0至503)。
在本发明描述的MU-MAS系统中没有小区边界，因为从BTS传输的功率被有意地增大以产生干扰，以便利用该干扰用来在UE周围形成相关性区域。在本发明中，不同BTS被分组成“天线群集”或“DIDO群集”，如2012年5月1日发布的名称为“System And Method For Adjusting DIDOInterference Cancellation Based On Signal Strength Measurements”(用于基于信号强度测量来调整DIDO干扰消除的系统和方法)的相关美国专利No.8,170,081中所定义的那样。例如，图9示出主天线群集901和一个相邻天线群集902。每个天线群集由多个BTS 903组成。
可在MU-MAS和DIDO系统中使用小区ID来区分天线群集。在本发明的一个实施例中，经由P-SS和S-SS从同一天线群集的所有BTS传输同一小区ID。在同一实施例中，不同的天线群集采用不同的小区ID。在本发明的另一个实施例中，同一天线群集1001内的所有BTS被分组为多个“天线子群集”1003，这些天线子群集在图10中以不同着色颜色描绘，并且不同的小区ID 1004关联到每个天线子群集。在一个实施例中，根据预定义群集规划或基于GPS定位信息来静态定义天线子群集。在另一个实施例中，基于BTS之间的相对信号强度的测量值或GPS定位信息来动态定义天线子群集。在本发明的不同实施例中，向与UE关联的每个相关性区域分配不同的小区ID(在名称为“Systems and Methods to Exploit Areas of Coherence inWireless Systems”(在无线系统中利用相关性区域的系统和方法)的相关共同待决的美国申请No.13/232,996中描述)。
当同一天线群集或天线子群集内的所有BTS向UE传输LTE广播信道(例如，P-SS和S-SS)时，破坏性干扰可能会削弱由广播信道实现的时间或频率同步的性能。破坏性干扰可由从在某些UE位置处不相干地重组的空间分布式BTS产生的多路径造成。为了避免或减轻这种影响，在本发明的一个实施例中，在同一天线群集或天线子群集内的所有BTS当中，仅一个BTS向所有UE传输LTE广播信道(例如，P-SS和S-SS)。在同一实施例中，选择传输LTE广播信道的BTS，使UE处经由广播信道接收的功率最大化。在另一个实施例中，仅选择一个有限组的BTS来同时向所有UE传输LTE广播信道，这样可在UE处避免破坏性干扰。在本发明的不同实施例中，以比有效负荷高的功率发送LTE广播信道，以到达同一天线群集或天线子群集内的所有UE。
如上所述，LTE-Advanced支持载波聚合(CA)方案，以提高DL信道上的数据速率。在MU-MAS中，CA可与预编码联合使用，以增大每个用户的数据速率。在本发明的一个实施例中，将传输预编码应用于RF频谱的不同部分(带间CA)或频谱的同一部分内的不同频带(带内CA)，以增大每个用户的数据速率。当采用带间CA时，不同频带处的路径损耗可能会显著变化，因为那些频带居于不同载波频率的中心。在常规LTE蜂窝系统中，与较高载波频率相比，较低载波频率的频带可能会经受较低的路径损耗。因此，在蜂窝系统中应用带间CA可能在较低载波频率下造成不期望出现的小区间干扰。相比之下，本发明中的MU-MAS在小区边界处不受干扰限制，因为BTS是分布式的，没有小区的概念。这种较灵活的系统布局允许对MU-MAS中的带间CA应用不同方法。在本发明的一个实施例中，MU-MAS通过如下方式实现带间CA：采用一组BTS在较低载波频率下运行并且采用另一组BTS在较高载波频率下运行，使得这两组相交或其中一组是另一组的子组。在另一个实施例中，具有预编码的MU-MAS采用CA方法和跳频模式来改善抗频率选择性衰落或干扰的稳健性。
1.LTE中的下行链路闭环MU-MAS预编码方法
MU-MAS闭环方案可用于时分双工(TDD)或频分双工(FDD)系统中。在FDD系统中，DL和UL信道在不同频率下操作，并且因此必须在UE侧估计DL信道状态信息(CSI)并且经由BTS或CTR经由UL信道将其回报给CP。在TDD系统中，DL和UL信道设定在相同频率下并且系统可采用利用信道互易性的闭环技术或开环方案(如以下章节中所描述)。闭环方案的主要缺点是它们需要反馈，从而导致通过UL传输的控制信息的较大开销。
用于MU-MAS中的闭环方案的通用机制描述如下：i)BTS通过DL向UE发送信令信息；ii)UE利用所述信令信息来估计来自所有“活动BTS”的DL CSI；iii)UE量化DL CSI或使用码本选择将用于下一次传输的预编码权重；iv)UE经由UL信道向BTS或CTR发送量化的CSI或码本索引；v)BTS或CTR向计算通过DL传输数据的预编码权重的CP报告CSI信息或码本索引。“活动BTS”被定义为由给定UE达到的一组BTS。例如，在名称为“System And Method For Managing Inter-Cluster Handoff Of ClientsWhich Traverse Multiple DIDO Clusters”(用于管理遍历多个DIDO群集的客户端的群集间切换的系统和方法)的相关共同待决的美国申请No.12/802,974以及名称为“Systems And Methods To Coordinate Transmissions InDistributed Wireless Systems Via User Clustering”(经由用户聚类协调分布式无线系统中的传输的系统和方法)的相关共同待决的美国申请No.12/917,257中，将“用户群集”905定义为由给定UE达到的一组BTS，如图9所示。活动BTS的数量限制于用户群集，以便减小将要估计的从BTS到给定UE的CSI量，从而降低通过UL进行反馈的开销以及CP处的MU-MAS预编码计算的复杂性。
如段落[0083]处描述，MU-MAS预编码采用线性方法或非线性方法。采用非线性方法(例如，污纸编码[68-70]或Tomlinson-Harashima预编码[71-72]、点阵技术或网格预编码[73-74]、矢量微扰技术[75-76])时，在发射器处施加连续干扰消除，以避免出现用户间干扰。在这种情况下，考虑去往天线群集内的所有UE的CSI来计算预编码矩阵。或者，可在用户群集基础上使用线性预编码方法(例如，迫零[65]、块对角化[66-67]、矩阵求逆等)，因为每个UE的预编码权重都独立于其他UE来计算。视天线群集和用户群集内部的UE和eNodeB的数量而定，线性与非线性预编码方法提供不同的计算性能。例如，如果MU-MAS由每天线群集K个UE、每天线群集M个eNodeB和每用户群集C个eNodeB组成，则线性预编码的复杂性是O(K*C3)，而非线性预编码的复杂性为O(M*K2)。因此，需要开发出一种基于MU-MAS中的UE和eNodeB的数量在两种类型的预编码技术之间动态切换以降低CP中的计算复杂性的方法。在本发明的一个实施例中，MU-MAS采用线性预编码方法。在另一个实施例中，MU-MAS采用非线性预编码方法。在本发明的同一实施例中，MU-MAS基于天线群集和用户群集中UE和eNodeB的数量在线性预编码方法与非线性预编码方法之间动态切换，以降低CP中计算的复杂性。在不同实施例中，MU-MAS在用于信道质量良好的UE(例如，在eNodeB附近)的预编码复用方法，与用于链路质量不良的UE(例如，远离eNodeB)的波束赋形或分集方法之间切换。
1.1 LTE标准内的下行链路MU-MAS信令方法
LTE标准定义可用于闭环方案中的DL信令的两种类型的参考信号(RS)[33、50、82-83]：i)小区特定参考信号(CRS)；ii)UE特定RS，诸如信道状态信息(CSI)参考信号(CSI-RS)和解调RS(DM-RS)。小区特定RS不被预编码，而UE特定RS被预编码[50]。CRS用于采用每个小区中具有多达四根天线的基于码本的SU/MU-MIMO技术的LTE版本8中。LTE-Advanced版本10支持具有多达八根传输天线的不基于码本的SU/MU-MIMO方案以及具有分布在不同小区上的天线的CoMP方案。这样，版本10允许经由CSI-RS进行更灵活的信令方案。在本发明中，描述任一类型的信令方案可如何用于MU-MAS系统中以实现预编码。
1.1.1使用CRS的MU-MAS信令
CRS在LTE(版本8)系统中被采用来估计从BTS处的所有传输天线到UE的CSI[80、84]。CRS作为二维正交序列与二维伪随机数字(PRN)序列的乘积来获得。存在3个正交序列(即，放置在正交的多组OFDM子载波上)和168个可能的PRN序列，获得共504个不同的CRS序列。每个序列唯一地识别一个小区。三个正交CRS中的每一个各自关联到生成不同小区ID的三个物理层ID(0至2)中的一个，如先前子部分中所说明的那样。CRS在每个时隙的第一OFDM符号和倒数第三OFDM符号内并且每第六个子载波处被传输。时间和频率的正交模式针对BTS的每根传输天线、针对UE被设计，以唯一地估计来自每根传输天线的CSI。版本8为每个CRS定义多达4个正交模式，其中MIMO 4×4中所采用的四根传输天线中的每一根都有一个正交模式。产生5％开销的这种在时间和频率上的CRS高密度(即，以每0.5毫秒的时隙并且在每第六个子载波处被发送)被有意地设计用于支持随时间和频率具有快速信道变化的情景[83]。
在版本8中，由于针对多天线模式存在多达3个正交CRS，其中每个正交CRS各自具有4个正交模式(或针对单天线模式存在6个正交CRS)，所以有可能在同一覆盖区域内辨别多达12个传输天线，而不会对CRS造成干扰。在本发明的一个实施例中，天线群集1001被划分为三个天线子群集1005，如在图10中所示。不同的物理层ID(或小区ID)关联到每个天线子群集，使得每个天线子群集分配有具有四个正交模式的三个正交CRS中的一个(即，每个天线子群集可支持多达四个BTS，而不会对来自其他BTS的CRS造成干扰)。在该实施例中，每个群集可支持多达12个BTS，而不会对CRS造成干扰。
在同一群集内放置的BTS超过12个时，需要增大可用正交CRS的数量，以便支持更大数量的活动BTS(即，同时向UE传输预编码信号的BTS)。要做到这一点，其中一种方式是，为每个天线群集1101定义超过三个天线子群集1003，并且以重复模式将相同的三个物理层ID(或小区ID 1104，从0至2)分配给天线子群集1103，如图11中所示。我们观察到，天线子群集可呈现不同形状并且可被定义成每个用户群集1102都无法到达具有相同物理层ID的两个天线子群集，从而避免对CRS造成干扰。例如，要做到这一点，其中一种方式是定义比用户群集1102大的天线子群集1103的区域，并且避免相邻天线子群集使用相同物理层ID。在本发明的一个实施例中，多个天线子群集以重复模式放置在同一天线群集内，使得其各自的CRS互不干扰，从而使得超过12个BTS可以同时互不干扰地进行传输。
在实际MU-MAS系统中，这可能是每个UE在其用户群集内经历多于仅四个BTS的情况。例如，图12示出用于加州旧金山市区中的DIDO或MU-MAS系统的实际部署的SNR分布。传播模型基于3GPP路径损耗/阴影模型[81]，并且假设900MHz的载波频率。地图中的点指示DIDO-BTS的位置，而暗圈表示用户群集(其中UE位于圆圈的中心处)。在人口稀疏区域1201中，UE在其用户群集内仅看到少数BTS(例如，针对图12中的实例，少至3个BTS)，而在人口密集区域1202中，每个用户群集可包括多达26个BTS，如在图12中。
在MU-MAS中可利用CRS的高冗余度来实现来自多于四根的任何数量的传输天线的CSI估计。例如，如果信道是固定无线的或以低多普勒效应为特征，那么无需每0.5毫秒(时隙持续时间)计算来自所有四根传输天线的CSI。同样地，如果信道是频率平坦的，那么在每第六个子载波处估计CSI是冗余的。在所述情况下，由冗余CRS所占的资源元素(RE)可以针对MU-MAS中的其他传输天线或BTS重新分配。在本发明的一个实施例中，系统将冗余CRS的资源元素分配给MU-MAS系统中的额外天线或BTS。在另一个实施例中，系统估计信道的时间和频率选择性并且针对不同BTS或仅用户群集内的BTS动态地将CRS分配给不同资源元素。
每个用户群集中所包括的BTS的数量取决于在UE处测量的、来自用户群集中的所有BTS的信号功率电平相对于噪声功率电平的比值，或信噪比(SNR)。在一个实施例中，UE估计来自其附近的所有BTS的SNR，并且基于SNR信息选择属于其用户群集的BTS。在另一个实施例中，CP知道从BTS到每个UE的SNR(基于来自UE的反馈信息或从UL信道获得的信息，其中假定存在UL/DL信道互易性)，并且选择将包括在每个用户群集中的BTS组。
每个用户群集中包括的BTS的数量决定本发明中所描述的MU-MAS方法的表现。例如，如果每个用户群集的BTS的数量较少，则UE会经受较高水平的群集外干扰，从而导致高信号干扰噪声比(SINR)和低数据速率。相似地，如果为每个用户群集选择大量BTS，则在UE处测量的、来自位于用户群集边缘处的BTS的SNR较低，并且可能会被来自位于用户群集外部的相邻BTS的群集外干扰主宰。每个用户群集都有一个最佳BTS数量，此时可产生最高SINR和数据速率。在本发明的一个实施例中，CP选择每个用户群集的最佳BTS数量，使去往UE的SINR和数据速率最大化。在本发明的另一个实施例中，动态地选择每个用户群集的BTS，以适应传播环境或UE移动性的变化的情况。
为每个用户群集使用大量BTS的另一个缺点是高计算负荷。实际上，用户群集中的BTS越多，MU-MAS预编码器的计算复杂性就越高。在本发明的一个实施例中，每个用户群集的BTS被选择为实现SINR或数据速率性能与MU-MAS预编码器的计算复杂性之间的最佳折衷。在另一个实施例中，基于传播条件与MU-MAS中可用的计算资源之间的折衷来动态地选择每个用户群集的BTS。
1.1.2使用CSI-RS和DM-RS的MU-MAS信令
在LTE-Advanced(版本10)标准中，CSI-RS由每个UE用来估计来自BTS的CSI[33、83]。所述标准针对BTS处的不同发射器定义正交CSI-RS，使得UE可区分来自不同BTS的CSI。BTS处的多达八根传输天线由CSI-RS支持，如[33]中的表6.10.5.2-1，2。CSI-RS周期性地被发送，所述周期性的范围在5个与80个子帧之间(即，CSI-RS每5至80毫秒被发送)，如在[33]中的表6.10.5.3-1中。LTE-Advanced中的CSI-RS的周期性被有意地设计成大于LTE中的CRS以避免控制信息的过度开销，具体地讲是因为传统LTE终端不能利用这些额外的资源。用于CSI估计的另一种参考信号是解调RS(DM-RS)。DM-RS是旨在到达特定UE并且仅在被分配用于传输至所述UE的资源块中被传输的解调参考信号。
当多于八根天线(LTE-Advanced标准所支持的发射器的最大数量)位于用户群集内时，必须采用替代技术来实现DIDO预编码，同时维持系统对LTE-Advanced标准的符合性。在本发明的一个实施例中，每个UE使用CSI-RS或DM-RS或两者的组合来估计来自其自己的用户群集中的所有活动BTS的CSI。在同一实施例中，DIDO系统检测用户群集内的BTS数量，并且检测用户群集是否符合LTE-Advanced标准(支持至多八根天线)。如果用户群集不符合，那么DIDO系统采用替代技术来实现从BTS到当前UE的DL信令。在一个实施例中，减小来自BTS的传输功率，直至至多八个BTS可由其用户群集内的UE达到。然而，因为覆盖范围将减小，这种解决方案可导致数据速率下降。
另一种解决方案是将用户群集中的BTS划分成多个子组并且每次针对每个子组发送一组CSI-RS。例如，如果CSI-RS周期性如在[33]中的表6.10.5.3-1中是5个子帧(即，5毫秒)，那么CSI-RS每5毫秒从新的BTS子组被发送。应注意，只要CSI-RS周期性短得足以在UE的信道相干时间(其是UE的多普勒速度的函数)内覆盖所有BTS子组，这种解决方案就会起作用。例如，如果所选择的CSI-RS周期性是5毫秒并且信道相干时间是100毫秒，那么有可能在用户群集内定义多达各自具有8个BTS的20个BTS子组，合计达共160个BTS。在本发明的另一个实施例中，DIDO系统估计UE的信道相干时间，并且针对给定CSI-RS周期性决定用户群集内可支持多少BTS，以避免由于信道变化和多普勒效应造成的退化。
所提出的用于CSI-RS的解决方案至今全部符合LTE标准并且可在常规LTE系统的框架内被部署。例如，所提出的每用户群集允许多于八根天线的方法将无需修改UE LTE硬件和软件的具体实施，并且仅稍微修改在BTS和CP处使用的协议，就可在任何给定时间实现对BTS子组的选择。这些修改可容易地在基于云的软件定义的无线电(SDR)平台中实施，所述平台是一种有前途的用于DIDO和MU-MAS系统的部署范例。可替代地，如果有可能放宽LTE标准的约束并且开发出用于LTE UE的稍微修改的硬件和软件以支持类似但不符合LTE的DIDO或MU-MAS操作模式，以便使得UE能够以完全符合LTE的模式或以支持不符合LTE的DIDO或MU-MAS操作的修改的模式进行操作。例如，这将实现另一种解决方案，即增加CSI-RS的量以在系统中实现更高数量的BTS。在本发明的另一个实施例中，允许不同CSI-RS模式和周期性作为增加每用户群集所支持BTS数量的手段。此类对LTE标准的稍微修改可以足够小，以使得现有LTE UE芯片组可通过简单的软件修改来使用。或者，如果将需要对芯片组进行硬件修改，那么改变将是小的。
1.2 LTE标准内的上行链路MU-MAS CSI反馈方法
在LTE和LTE-Advanced标准中，UE通过DL信道向BTS反馈信息以传达其当前信道条件以及用于闭环传输的预编码权重。这些不同信道指示符包括在那些标准中[35]：
·秩指示符(RI)：指示多少空间流被传输至给定UE。这个数量始终等于或小于传输天线的数量。
·预编码矩阵指示符(PMI)：是用于通过DL信道进行预编码的码本的索引。
·信道质量指示符(CQI)：定义用于通过DL来针对给定信道条件维持预定义误码率性能的调制和前向纠错(FEC)编码方案
针对整个带宽仅报告一个RI，而PMI和CQI报告可以是宽带的或是每子带的，这取决于信道的频率选择性。这些指示符通过两种不同类型的物理信道在UL中被传输：i)仅用于控制信息的物理上行链路控制信道(PUCCH)；ii)用于数据和控制信息两者、在一个资源块(RB)上并且在子帧的基础上被分配的物理上行链路共享信道(PUSCH)。在PUCCH上，用于报告RI、PMI和CQI的程序是周期性的，并且指示符可以是宽带的(对于频率平坦的信道)或UE在子带基础上所选择的(对于频率选择性信道)。在PUSCH上，反馈程序是非周期性的并且可以是UE在子带基础上所选择的(对于频率选择性信道)或较高层配置的子带(例如，用于具有八个发射器的LTE-Advance中的传输模式9)。
在本发明的一个实施例中，DIDO或MU-MAS系统采用RI、PMI和CQI来向BTS和CP报告其当前信道条件以及预编码信息。在一个实施例中，UE使用PUCCH信道向CP报告这些指示符。在另一个实施例中，假使DIDO预编码需要较大量的指示符，UE采用PUSCH向CP报告另外的指示符。假使信道是频率平坦的，UE可针对DIDO系统中的较大量的天线利用额外的UL资源来报告PMI。在本发明的一个实施例中，UE或BTS或CP估计信道频率选择性，并且假使信道是频率平坦的，UE针对较大量的BTS利用额外的UL资源来报告PMI。
2.LTE中的下行链路开环MU-MAS预编码方法
开环MU-MAS预编码方案可仅用于采用RF校准且利用信道互易性的时分双工(TDD)系统中。MU-MAS中开环方案的通用机制由以下各项组成：i)UE通过UL向BTS或CTR发送信令信息；ii)BTS或CTR利用所述信令信息估计来自所有UE的UL CSI；iii)BTS或CTR采用RF校准来将UL CSI转换成DL CSI；iv)BTS或CTR经由BSN向CP发送DL CSI或码本索引；v)基于所述DL CSI，CP计算通过DL传输数据的预编码权重。类似于闭环MU-MAS预编码方案，可采用用户群集来减小要在BTS处估计的来自UE的CSI的量，从而减少BTS处的计算负担以及UL上要求的信令的量。在本发明的一个实施例中，开环预编码技术被采用来通过DL信道从BTS向UE发送同时非干扰数据流。
在LTE中，针对上行链路信道存在两种类型的参考信号[31、33、87]：i)用于调度和链路适配的探测参考信号(SRS)；ii)用于数据接收的解调参考信号(DMRS)。在本发明的一个实施例中，DMRS在开环预编码系统中被采用来估计从所有UE到所有BTS的UL信道。在时域中，DMRS在每个LTE时隙(具有0.5毫秒持续时间)的第四个OFDM符号(当使用正常循环前缀时)处被发送。在频域中，通过PUSCH被发送的DMRS针对每个UE被映射至由所述UE用于UL数据传输的同一资源块(RB)。
DMRS的长度是MRS＝mNRB，其中m是RB的数量并且NRB＝12是每RB的子载波数量。为了支持多个UE，经由基序列的12个可能循环移位通过一个扎德奥夫-朱基序列[88]或计算机产生的恒幅零自相关(CG-CAZAC)序列产生多达12个DMRS。基序列被划分成30个群组并且相邻LTE小区从不同群组选择DMRS以减小小区间干扰。例如，如果一个OFDM符号内的资源块的最大数量是110(即，假设20MHz总信号带宽)，那么有可能产生多达110×30＝3300个不同序列。我们观察到，30个基序列不保证为正交的，并且被设计为降低小区之间的干扰，而不是完全消除干扰。相比之下，同一基序列的12个循环移位为正交的，从而允许多达12个UE在UL中经由同一RB进行传输，而没有干扰。待由每个UE使用的循环移位值由BTS通过经由PDCCH发送的下行链路控制信息(DCI)消息来提供。版本8中的DCI由3个比特组成，这使得UE能够在12个可能选项的集合中使用仅最多8个循环移位值。
在本发明中，利用DMRS基序列的循环移位来实现UL信道上的MU-MIMO方案，并且当在TDD模式中利用信道互易性时利用DMRS基序列的循环移位为DL预编码估计来自多个UE的CSI。在本发明的一个实施例中，开环预编码方法被采用来通过DL信道从分布式BTS向UE发送同时非干扰数据流。在本发明的不同实施例中，开环MU-MIMO方法被采用来通过UL信道接收从UE到BTS的同时非干扰数据流。来自所有活动UE的、在UL上估计的同一CSI可用于对UL中的MU-MIMO操作计算接收器空间滤波，也可用于计算DL预编码的权重。由于版本8仅定义最多8个正交DMRS(由于DCI比特有限，如上文所述)，假设所有UE都利用全部UL带宽，则用于UL信道的MU-MIMO方案和用于DL信道的MU-MAS预编码方案可支持至多8个UE。
增大在UL中通过MU-MIMO服务或者在DL中通过MU-MAS预编码服务的同时UE的数量的其中一种方式是，在频域上复用UE的DMRS。例如，如果在TDD模式中使用10MHz带宽，则有50个RB可分配给UE。在这种情况下，其中的25个交错RB可分配给一组数量为八个的UE，剩余25个交错RB可分配给另一组UE，总共可同时服务16个UE。接着，对来自经由交错RB发送的DMRS的估计值执行内插来计算CSI。增大ULRB的交错模式的数量可支持更多的同时UE。可根据某个跳频序列静态或动态地将这些模式分配给不同UE。在本发明的一个实施例中，经由正交交错RB将DMRS分配给UE，以增大经由MU-MIMO或MU-MAS预编码支持的UE的数量。在同一实施例中，交错RB以静态方式分配。在另一个实施例中，根据某个跳频模式动态地分配交错RB。
替代方案是在时域中复用不同UE的DMRS。例如，UE被划分成不同群组，并且用于这些群组的DMRS在连续时隙(各自具有0.5毫秒持续时间)内被发送。然而，在这种情况下，有必要保证不同群组的DMRS分配的周期性低于最快移动UE的信道相干时间。实际上，这是保证信道从经由DMRS估计出CSI的时间到系统经由DIDO预编码向UE传输DL数据流的时间针对所有UE都不改变的必要条件。在本发明的一个实施例中，系统将活动UE划分成群组，并且在连续时隙内将同一组DMRS分配给每个群组。在同一实施例中，系统针对所有活动UE估计最短信道相干时间，并且基于所述信息计算UE群组的最大数量以及DMRS时间复用的周期性。
另一个解决方案是在空间上分开采用相同组DMRS的不同UE群组。例如，可对来自图11中由相同小区ID识别的不同天线子群集的所有UE使用同一组正交DMRS。在本发明的一个实施例中，采用同一组正交DMRS的UE群组在空间上分开，以免群组之间相互干扰。在同一实施例中，由相同小区ID识别的不同天线子群集采用同一组正交DMRS。MU-MAS可将UE分配给“虚拟小区”，以使UL中可使用的DMRS的数量最大化。在一个示例性实施例中，虚拟小区是UE周围的相关性区域(描述于名称为“Systems and Methods to Exploit Areas of Coherence in Wireless Systems”(在无线系统中利用相关性区域的系统和方法)的相关共同待决的美国申请No.13/232,996中)，并且DIDO系统针对不同UE生成多达3300个相关性区域。在本发明的另一个实施例中，30个基序列中的每一个被分配给不同天线群集(群集在2012年5月1日发布的名称为“System And Method ForAdjusting DIDO Interference Cancellation Based On Signal StrengthMeasurements”(用于基于信号强度测量调整DIDO干扰消除的系统和方法)的相关美国专利No.8,170,081中被定义)，以减小邻近天线群集之间的群集间干扰。
3.LTE中的上行链路MU-MAS方法
本发明在UL信道上采用开环MU-MIMO方案以接收从所有UE到BTS的同时UL数据流。UL开环MU-MIMO方案由以下步骤组成：i)UE向所有BTS发送信令信息和数据负载；ii)BTS使用信令信息计算来自所有UE的信道估计；iii)BTS向CP发送信道估计和数据负载；iv)CP使用信道估计经由空间滤波来移除所有UE数据负载中的信道间干扰并且解调来自所有UE的数据流。在一个实施例中，开环MU-MIMO系统采用单载波频分多址(SC-FDMA)来增加从UE到BTS的UL信道的数量并且在频域中对它们进行复用。
在一个实施例中，UE之间的同步经由来自DL的信令来实现，并且所有BTS被假设为经由直接连线至同一时钟或共享公共时间/频率参考(在一个实施例中，通过GPSDO)而被锁定至同一时间/频率参考时钟。不同UE处的信道延迟扩展的变化可在不同UE的时间参考之间产生时基误差，这可能影响通过UL执行MU-MIMO方法。在一个实施例中，仅同一天线群集内的UE(例如，彼此紧密邻近的UE)利用MU-MIMO方法来处理以减小不同UE之间的相对传播延迟扩展。在另一个实施例中，UE之间的相对传播延迟在UE处或在BTS处被补偿，以保证BTS处同时接收来自不同UE的数据负载。
用于通过UL实现用于数据解调的信令信息的方法是用于先前章节处所描述的下行链路开环DIDO方案中的信令的相同方法。CP采用不同空间处理技术来移除UE数据负载中的信道间干扰。在本发明的一个实施例中，CP采用非线性空间处理方法，诸如最大似然(ML)、决策反馈均衡(DFE)或串行干扰消除(SIC)接收器。在另一个实施例中，CP采用线性滤波器，诸如迫零(ZF)或最小均方误差(MMSE)接收器来消除共信道干扰并且单独地解调上行链路数据流。
4.与现有LTE网络集成
在美国和世界上的其他地区，LTE网络已经投入运行或处于部署和/或致力于部署的过程中。这对于LTE运营商将是显著有益的，如果他们可以逐渐地将DIDO或MU-MAS能力部署到他们的现有或已经致力的部署中。以此方式，他们可在DIDO或MU-MAS将提供最大即时益处的区域中部署DIDO或MU-MAS，并且逐渐地推广DIDO或MU-MAS能力以覆盖他们的更多网络。适时地，一旦他们在区域中具有足够的DIDO或MU-MAS覆盖，他们就可以选择彻底地停止使用小区，并且替代地彻底切换成DIDO或MU-MAS并且以低得多的成本实现高得多的频谱密度。贯穿这种从蜂窝到DIDO或MU-MAS的整个过渡，LTE运营商的无线客户将永不经历服务损失。相反，他们将仅仅经历他们的数据吞吐量和可靠性改进，而运营商将经历其成本降低。
有若干实施例将实现DIDO或MU-MAS到现有LTE网络的逐渐集成。在所有情况下，用于DIDO或MU-MAS的BTS将称为DIDO-LTE BTS并且将利用上述LTE兼容的DIDO或MU-MAS实施例或如在将来可能开发出的其他LTE兼容的实施例中的一者。或者，DIDO-LTE BTS将利用LTE标准的稍微改变的型式，诸如上述那些，并且将更新UE(例如，如果软件更新足以将UE修改成是DIDO或MU-MAS兼容的)，或将部署DIDO或MU-MAS兼容的新一代UE。在任一情况下，在LTE标准的约束内或作为LTE标准的变体支持DIDO或MU-MAS的新BTS在下文将称为DIDO-LTEBTS。
LTE标准支持各种信道带宽(例如，1.4、3、5、10、15和20MHz)。在一个实施例中，具有现有LTE网络的运营商将为LTE-DIDOBTS分配新带宽，或将细分现有LTE频谱(例如，可将20MHz细分成两个10MHz块)以在一个频谱块中支持蜂窝配置中的常规LTE BTS并且在另一个频谱块中支持DIDO LTE BTS。有效地，这将建立两个单独的LTE网络，并且UE装置将被配置用于使用一个或另一个网络，或在所述两个网络之间进行选择。在细分频谱的情况下，可在常规LTE网络与DIDO-LTEBTS网络之间均匀地划分频谱，或不均匀地将更多频谱分配给可在给定蜂窝LTE BTS和DIDO-LTE BTS部署层次和/或UE使用模式时最佳地利用频谱的任何网络。这种细分可随时间根据需要进行改变，并且在某一时刻，当所存在的部署的DIDO-LTE BTS足以提供与蜂窝BTS相同或更好的覆盖时，可将频谱全部分配给DIDO-LTE BTS，并且可以停运蜂窝BTS。
在另一个实施例中，常规蜂窝LTE BTS可被配置用于与DIDO-LTEBTS协调，使得它们共享同一频谱但轮流使用频谱。例如，如果它们均等地共享频谱使用，那么每个BTS网络将交替地利用一个10ms帧时，例如用于蜂窝LTE BTS的一个10ms帧、之后是用于DIDO-LTE BTS的一个10ms帧。帧时也可被细分成不等的间隔。这种间隔分裂可随时间根据需要进行改变，并且在某一时刻，当所存在的部署的DIDO-LTE BTS足以提供与蜂窝BTS相同或更好的覆盖时，可将时间全部分配给DIDO-LTE BTS，并且可以停运蜂窝BTS。
在本发明的另一个实施例中，DIDO或MU-MAS被用作到LTE和LTE-Advanced网络中的小小区的LOS或NLOS无线回程。因为小小区部署在LTE网络中，DIDO或MU-MAS提供到这些小小区的高速无线回程。随着对更高数据速率的需求的增长，向网络添加更多小小区，直至无线网络达到一种限制，即其中在不引起小区间干扰的情况下，在给定区域中不可添加更多小小区。在本发明的同一实施例中，DIDO-LTE BTS用于逐渐取代小小区，从而利用小区间干扰来提供增加的网络容量。
5.MU-MAS LTE调度程序
在MU-MAS中，分布式天线或BTS向多个UE传输同时预编码数据流。如相关专利和申请中所述，BTS数量必须等于或大于UE数量，才能实现同时数据传输。在实际部署中，UE数量可能超过BTS数量。在这种情况下，可根据特定调度政策选择额外的UE，用于在不同时隙或频带进行传输。调度程序利用UE的信道质量信息来决定在给定时间和频率服务的最佳UE组。本发明中使用不同调度方法，包括正比公平调度程序、循环或贪婪算法。
如先前部分所述，LTE标准定义了两个参数，用于向调度程序告知每个UE的链路质量：CQI和SRS。CQI测量DL信道的质量，从UE反馈给BTS。SRS是从UE发送到BTS的信令信息，用于测量UL信道质量。这两个指标提供时域和频域上UL/DL信道质量的信息。在FDD系统中，DL调度程序必须使用CQI作为性能量度，因为DL和UL信道质量可能因不同的载波频率而变化。在TDD模式中，DL调度采用CSI或SRS或两者的组合来执行其调度决策。UL调度也可使用相同的性能量度。在本发明的一个实施例中，MU-MAS调度程序采用CQI和SRS作为调度算法使用的性能指标。
本发明中所述的MU-MAS实现了现有技术中未公开的一个额外的信道质量指标：空间选择性指标(SSI)，该指标在名称为“Systems and Methods toenhance spatial diversity in distributed-input distributed-output wireless systems”(增强分布式输入分布式输出无线系统中的空间分集的系统和方法)的相关美国申请No.13/475,598中有所描述。可基于经由反馈机制从所有UE获得的CSI或从UL信道(应用UL/DL信道互易性)获得的CSI来计算SSI。在本发明的一个实施例中，调度程序采用SSI作为性能量度。SSI是一种可在无线链路中使用的空间分集的量度。SSI取决于BTS以及UE的空间特性。在本发明的一个示例性实施例中，调度程序从所有UE获得SSI并且根据特定调度标准调度具有“最佳”SSI的UE。如果可用BTS的数量比活动BTS的数量多，则将上文所述的用户选择标准与名称为“Systems andMethods to enhance spatial diversitv in distributed-input distributed-outputwireless systems”(增强分布式输入分布式输出无线系统中的空间分集的系统和方法)的相关美国申请No.13/475,598中描述的天线选择方法结合起来使用。在本发明的一个实施例中，调度程序基于特定调度标准来选择BTS和UE的最佳子组。
就图9、图10和图11来说，在某些场景中，可能没有足够的正交信令序列来在同一天线群集或天线子群集内实现大量BTS。在这种情况下，如果激活额外的BTS来覆盖具有较大数量的活动UE的区域，则可能会发生某种程度的干扰。在本发明的一个实施例中，调度程序测量天线群集之间或天线子群集之间的干扰水平，并且调度UE，以使这种干扰对无线链路的影响减到最小。
本发明中采用在名称为“Systems and Methods to enhance spatial diversityin distributed-input distributed-output wireless systems”(增强分布式输入分布式输出无线系统中的空间分集的系统和方法)的相关美国申请No.13/475,598中所述的天线选择算法，来基于SSI选择最佳组的活动BTS。然而，这种天线选择算法可能需要进行高度复杂的计算，因为在基于SSI性能量度确定最佳子组之前，必须对所有可能的天线子组排列应用MU-MAS预编码处理。在具有大量协作BTS的MU-MAS中，在实际部署时，这种计算负担可能会导致成本过高，或难以承受。因此，需要开发出能够减少天线子组的数量同时还能维持天线选择方法的良好性能的替代技术。在本发明的一个实施例中，MU-MAS采用基于天线子组ID号排队的方法(下文中称为“天线混淆方法”)。在本发明的一个实施例中，天线混淆方法将包含所有可能的天线子组ID(即，给定组可用BTS中活动BTS的所有可能排列)的队列细分为不同群组，并且向这些群组分配不同的优先级。这些群组被定义为向所有待选择的子组ID分配公平机会，但仅为有限数量的子组(例如，具有最高优先级的子组)计算SSI量度，从而降低计算复杂性。在一个示例性实施例中，子组ID队列被划分为三个群组，其中每个群组被分配了不同规则：i)群组#1包含具有最高优先级的ID，这些ID仅在识别到具有更高优先级的新子组的情况下才会被从群组中拉出；ii)群组#2，在每次迭代执行方法时，此群组包括新的天线子组(选自群组#3)；iii)群组#3，此群组中根据循环政策混淆天线子组ID。每次迭代执行方法时，基于优先级对群组#1和群组#2内的所有子组ID进行排序，让群组#2的子组ID有机会升级到群组#1。仅为群组#1和群组#2内的子组计算SSI，并且仅对这些子组应用天线选择算法。
6.MU-MAS LTE用户设备
本发明包括LTE UE的不同设计。在一个实施例中，UE是与如上文所述并且如图13中所示的采用预编码的MU-MAS兼容的LTE UE。
在不同实施例中，UE 1401通过第一网络接口1404(例如，Wi-Fi、USB、以太网、蓝牙、光纤等)连接到不同装置1402和1403，并且通过第二网络接口1405连接到MU-MAS，如图14所示。图14中的UE配备有两个不同的网络接口，其中每个网络接口都包括一根或多根天线(不过，在替代实施例中，第一网络接口1404可能是没有天线的有线接口)。第一网络接口的天线用圆圈表示，第二网络接口的天线用三角形表示。在同一实施例中，第二网络接口支持MU-MAS预编码、用符合LTE的协议实施的MU-MAS，或(用或不用符合LTE的协议实施的)MU-MAS和替代网络。在同一实施例中，替代网络为蜂窝网络、LTE网络或Wi-Fi网络。在同一实施例中，UE与MU-MAS和/或替代网络合作，并且UE基于某些标准来选择MU-MAS或替代网络。在同一实施例中，这些标准为：i)是否仅一个网络可用并且仅选择了一个网络；ii)是否有一个网络具有更好的性能；iii)是否有一个网络更经济实惠；iv)是否有一个网络较不拥堵；v)是否有一个网络使用较少UE资源。
在本发明的一个实施例中，UE 1501位于物理附接到用户装置1502的壳体中，如图15所示。在同一实施例中，壳体充当用户装置的装饰附加物。在另一个实施例中，壳体用以保护用户装置，防止物理损坏。UE包括电池1503以及一个或多个网络接口1504。
在一个实施例中，UE电子器件嵌入在壳体内。在同一实施例中，UE电子器件包括电池1503。该电池包括通过物理电接触或无线接触实现的充电器耦合。示例性电力耦合为导电耦合、电感耦合、RF耦合、光耦合或热耦合，但电力耦合不限于这些途径。在同一实施例中，UE电子器件被耦合以从用户装置接收电力。这种电力耦合通过物理接触或通过电感式接触或无线接触来实现。在同一实施例中，用户装置被耦合以从MU-MAS UE接收电力。这种耦合通过物理接触或通过电感式接触或无线接触来实现。在不同实施例中，同一充电器向用户装置和MU-MAS UE两者供电。
在本发明的一个实施例中，UE被配置为与用户装置通信。在同一实施例中，UE可(例如，经由开关，或通过移除电力)重置，因此用户装置可在初始时便连接到UE，而一旦建立连接，UE便可由用户装置进行配置。此类配置包括配置私有密码和/或其他安全协议。在不同实施例中，UE包括将被配置为与用户装置通信的装置。此类配置或是经由与另一个装置连接的通信端口(其中通信端口为USB端口)来完成，或是经由UE上的控件和/或按钮来完成，或是经由显示器来完成，其中使用了按钮或触摸输入。
在另一个实施例中，MU-MAS通信以及替代网络使用同一RF链。在另一个实施例中，MU-MAS通信和替代网络使用不同的RF链。
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Claims (64)

1.一种具有多用户(MU)传输的多天线系统(MAS)(“MU-MAS”)，所述多天线系统经由空间处理利用小区间复用增益，从而增加无线通信网络中的容量。
2.根据权利要求1所述的系统，包括多根分布式天线，所述多根分布式天线经由基站网络(BSN)互连到集中式处理器(CP)，并且所述系统采用预编码与多个客户端装置通信。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述无线通信网络是蜂窝网络，如LTE网络，所述客户端装置是LTE用户设备(UE)，所述分布式天线是LTE增强型NodeB(eNodeB)或移动性管理实体(MME)，所述CP是LTE网关(GW)，所述BSN是S1接口或X1接口。
4.根据权利要求3所述的系统，其中将eNodeB分组成“天线群集”，使得不同小区ID关联到每个天线群集并且来自同一天线群集的所有eNodeB经由主要同步信号(P-SS)和次要同步信号(S-SS)传输相同小区ID。
5.根据权利要求3所述的系统，其中将全部DL资源块或一个子组的DL资源块(RB)分配给每个UE并且经由预编码将同时非干扰性数据流从BTS发送到UE。
6.根据权利要求5所述的系统，其中预编码与载波聚合(CA)联合使用并且应用于射频(RF)频谱的不同部分(带间CA)或所述频谱的同一部分内的不同带(带内CA)以增大每个用户的数据速率。
7.根据权利要求2所述的系统，其中MU--MAS技术逐步集成到现有LTE网络中。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述eNodeB和UE是LTE兼容的。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述eNodeB和UE利用LTE标准的变型。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述LTE UE被更新为MU--MAS兼容的。
11.根据权利要求7所述的系统，其中部署MU-MAS兼容的新一代UE。
12.根据权利要求7所述的系统，其中细分LET频谱以在一个频谱块中支持蜂窝配置中的常规LTE eNodeB并且在另一个频谱块中支持MU-MAS LTE eNodeB。
13.根据权利要求7所述的系统，其中所述常规蜂窝LTE eNodeB被配置为与所述MU-MAS LTE eNodeB协调，使得它们共享同一频谱但根据时分多址(TDMA)方案运行。
14.根据权利要求7所述的系统，其中MU--MAS被用作到LTE小小区的LOS或NLOS无线回程。
15.根据权利要求7所述的系统，其中LTE小小区逐步由eNodeB替代。
16.根据权利要求3所述的系统，其中所述CP采用循环或正比公平调度程序或贪婪技术调度所述UE以供经由DL或UL信道传输。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述调度程序采用CQI、探测参考信号(SRS)、空间选择性指标(SSI)或那些的组合作为所述调度方法的性能量度。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述调度程序基于SSI性能量度选择最佳子组的eNodeB和UE来调度以供经由无线链路传输。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述调度程序选择所述UE来经由无线链路服务以便使天线群集或天线子群集之间的干扰最小化。
20.根据权利要求3所述的系统，其中在所有eNodeB上应用传输天线选择方法以针对所述DL信道上的当前传输选择最佳eNodeB。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述天线选择方法包括具有相应优先级编号的天线子组ID的队列，使得仅在有限数量的天线子组上应用天线选择，从而降低计算复杂性。
22.根据权利要求21所述的系统，其中采用循环政策和排序方法将所述队列细分为两个或多个群组以选择有限数量的天线子组来由所述天线选择算法采用。
23.根据权利要求6所述的系统，其中通过以下方式来实现带间CA：采用一组eNodeB在较低载波频率下运行并且采用另一组eNodeB在较高载波频率下运行，使得所述两组相交或其中一组是另一组的子组。
24.根据权利要求6所述的系统，其中具有预编码的所述MU-MAS采用CA方法和跳频模式来改善抗频率选择性衰落或干扰的稳健性。
25.根据权利要求3所述的系统，其中所述MU-MAS采用线性预编码方法(例如，迫零、块对角化、矩阵求逆等)。
26.根据权利要求3所述的系统，其中所述MU-MAS采用非线性预编码方法(例如，污纸编码或Tomlinson-Harashima预编码、点阵技术或网格预编码、矢量微扰技术)。
27.根据权利要求3所述的系统，其中所述MU-MAS基于天线群集和用户群集中的UE和eNodeB的数量在线性预编码方法与非线性预编码方法之间动态切换，以降低所述CP处的计算复杂性。
28.根据权利要求3所述的系统，其中所述MU-MAS在用于体验良好信道质量的UE(例如，在eNodeB附近)的预编码复用方法与用于具有不良链路质量的UE(例如，远离所述eNodeB)的波束赋形或分集方法之间切换。
29.根据权利要求4所述的系统，其中在同一天线群集或天线子群集内的所有eNodeB当中仅一个eNodeB向所有UE传输LTE广播信道(例如，P-SS和S-SS)。
30.根据权利要求29所述的系统，其中选择传输所述LTE广播信道的所述eNodeB以使在所述UE处经由所述广播信道接收的功率最大化。
31.根据权利要求29所述的系统，其中仅选择一个有限组的BTS来同时向所有UE传输所述LTE广播信道，使得在所述UE处避免破坏性干扰。
32.根据权利要求4所述的系统，其中以比有效负荷高的功率发送所述LTE广播信道，以到达同一天线群集或天线子群集内的所有UE。
33.一种在具有多用户(MU)传输的多天线系统(MAS)(“MU-MAS”)内实施的方法，所述多天线系统经由空间处理利用小区间复用增益，从而增加无线通信网络中的容量。
34.根据权利要求33所述的方法，包括多根分布式天线，所述多根分布式天线经由基站网络(BSN)互连到集中式处理器(CP)，并且所述系统采用预编码与多个客户端装置通信。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述无线通信网络是蜂窝网络，如LTE网络，所述客户端装置是LTE用户设备(UE)，所述分布式天线是LTE增强型NodeB(eNodeB)或移动性管理实体(MME)，所述CP是LTE网关(GW)，所述BSN是S1接口或X1接口。
36.根据权利要求35所述的方法，其中将eNodeB分组成“天线群集”，使得不同小区ID关联到每个天线群集并且来自相同天线群集的所有eNodeB经由主要同步信号(P-SS)和次要同步信号(S-SS)传输相同小区ID。
37.根据权利要求35所述的方法，其中将全部DL资源块或一个子组的DL资源块(RB)分配给每个UE并且经由预编码将同时非干扰性数据流从BTS发送到UE。
38.根据权利要求37所述的方法，其中预编码与载波聚合(CA)联合使用并且应用于射频(RF)频谱的不同部分(带间CA)或所述频谱的同一部分内的不同带(带内CA)以增大每个用户的数据速率。
39.根据权利要求34所述的方法，其中MU-MAS技术逐步集成到现有LTE网络中。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述eNodeB和UE是LTE兼容的。
41.根据权利要求39所述的方法，其中所述eNodeB和UE利用LTE标准的变型。
42.根据权利要求39所述的方法，其中所述LTE UE被更新为MU-MAS兼容的。
43.根据权利要求39所述的方法，其中部署MU-MAS兼容的新一代UE。
44.根据权利要求39所述的方法，其中细分LET频谱以在一个频谱块中支持蜂窝配置中的常规LTE eNodeB并且在另一个频谱块中支持MU-MAS LTE eNodeB。
45.根据权利要求39所述的方法，其中所述常规蜂窝LTE eNodeB被配置为与所述MU-MAS LTE eNodeB协调，使得它们共享同一频谱但根据时分多址(TDMA)方案运行。
46.根据权利要求39所述的方法，其中MU-MAS被用作到LTE小小区的LOS或NLOS无线回程。
47.根据权利要求39所述的方法，其中LTE小小区逐步由eNodeB替代。
48.根据权利要求35所述的方法，其中所述CP采用循环或正比公平调度程序或贪婪技术调度所述UE以供经由DL或UL信道传输。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述调度程序采用CQI、探测参考信号(SRS)、空间选择性指标(SSI)或那些的组合作为所述调度方法的性能量度。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述调度程序基于SSI性能量度选择最佳子组的eNodeB和UE来调度以供经由无线链路传输。
51.根据权利要求48所述的方法，其中所述调度程序选择所述UE来经由无线链路服务以便使天线群集或天线子群集之间的干扰最小化。
52.根据权利要求35所述的方法，其中在所有eNodeB上应用传输天线选择方法以针对所述DL信道上的当前传输选择最佳eNodeB。
53.根据权利要求52所述的方法，其中所述天线选择方法包括具有相应优先级编号的天线子组ID的队列，使得仅在有限数量的天线子组上应用天线选择，从而降低计算复杂性。
54.根据权利要求53所述的方法，其中采用循环政策和排序方法将所述队列细分为两个或多个群组以选择有限数量的天线子组来由所述天线选择算法采用。
55.根据权利要求38所述的方法，其中通过以下方式来实现带间CA：采用一组eNodeB在较低载波频率下运行并且采用另一组eNodeB在较高载波频率下运行，使得所述两组相交或其中一组是另一组的子组。
56.根据权利要求38所述的方法，其中具有预编码的所述MU-MAS采用CA方法和跳频模式来改善抗频率选择性衰落或干扰的稳健性。
57.根据权利要求35所述的方法，其中所述MU-MAS采用线性预编码方法(例如，迫零、块对角化、矩阵求逆等)。
58.根据权利要求35所述的方法，其中所述MU-MAS采用非线性预编码方法(例如，污纸编码或Tomlinson-Harashima预编码、点阵技术或网格预编码、矢量微扰技术)。
59.根据权利要求35所述的方法，其中所述MU-MAS基于天线群集和用户群集中的UE和eNodeB的数量在线性预编码方法与非线性预编码方法之间动态切换，以降低所述CP处的计算复杂性。
60.根据权利要求35所述的方法，其中所述MU-MAS在用于体验良好信道质量的UE(例如，在eNodeB附近)的预编码复用方法与用于具有不良链路质量的UE(例如，远离所述eNodeB)的波束赋形或分集方法之间切换。
61.根据权利要求36所述的方法，其中在同一天线群集或天线子群集内的所有eNodeB当中仅一个eNodeB向所有UE传输LTE广播信道(例如，P-SS和S-SS)。
62.根据权利要求61所述的方法，其中选择传输所述LTE广播信道的所述eNodeB以使在所述UE处经由所述广播信道接收的功率最大化。
63.根据权利要求61所述的方法，其中仅选择一个有限组的BTS来同时向所有UE传输所述LTE广播信道，使得在所述UE处避免破坏性干扰。
64.根据权利要求36所述的方法，其中以比有效负荷高的功率发送所述LTE广播信道，以到达同一天线群集或天线子群集内的所有UE。
CN201480015073.6A 2013-03-12 2014-03-12 一种无线蜂窝系统中利用小区间复用增益的系统和方法 Active CN105009534B (zh)

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