CN107210811A - Mu‑mimo无线通信系统中的波束成形 - Google Patents

Mu‑mimo无线通信系统中的波束成形 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于分布式大规模MIMO(DM‑MIMO)的方法，其使用一个或多个中央基带单元(BBU)、用于每个BBU执行多用户MIMO计算的一个或多个多用户波束成形器、分布在地理区域上的多个RRH。

Description

MU-MIMO无线通信系统中的波束成形
本申请要求2015年1月16日提交的美国临时申请No.62/104,088的权益。
技术领域
本发明涉及多用户多入多出(MU-MIMO)无线通信，更具体地说，涉及MU-MIMO系统中的波束成形。
背景技术
为了满足移动数据的连续快速增长需求，无线产业需要可以按合理的成本将覆盖区域中的非常高的数据率同时提供给包括在小区边沿处的多个用户的解决方案。当前，无线电信产业关注于小型小区的密集部署(所谓的超密集网络)，以增加无线谱的空间重复使用作为用于满足增长的移动数据需求的解决方案。小型小区的密集部署需要大量回程并且产生高度复杂的小区间干扰。对于干扰问题的一种解决方案是需要谨慎的射频(RF)测量和规划以及小区间协调，这样显著地增加部署成本并且减少谱效率。另一解决方案是自组织网络(SON)技术，其感测RF环境，通过干扰和Tx管理、协调的传输和切换相应地配置小型小区。SON以增加的管理开销和减少的谱效率的代价减少对于谨慎的RF测量和规划的需要。用于支持大量小型小区的回程网络对于铺设是昂贵的。
用于增加无线谱的空间重复使用的另一方法是MIMO，尤其是多用户MIMO(MU-MIMO)。在无线通信系统中，具有多个天线的无线节点、基站(BS)或用户装备(UE)可以在下行链路(DL)或上行链路(UL)中使用波束成形，以增加与其它无线节点的链路的信噪比(SNR)或信干噪比(SINR)，因此数据率。MU-MIMO可以在频率和时间块(例如资源块(RB))中同时对多个UE进行波束成形，即，使用空间复用以提供容量增长，而无需增加带宽。在大型MIMO或大规模MIMO系统中，BS可以装配有几十至几百个天线。为了BS使用多个天线对多个UE进行波束成形，BS需要充分精确地获知去往UE的DL信道(例如每个UE的DL信道状态信息(CSI))。然而，因为以下两个原因，所以通过在下行链路中发送基准导频直接获得DL CSI并不是高效的：(1)BS上的大量天线将在下行链路中产生用于基准信号的大的系统开销；(2)需要很多比特以精确地量化CSI，这样在UL中产生反馈信道的过载。幸亏可以采用例如要求2013年12月20日提交的临时专利申请61/919,032的利益的2014年12月20日提交的我们的PCT申请PCT/US14/71752中所描述的使用切换以创建信道互易性的时分双工(TDD)系统中或频分双工(FDD)系统中的空中无线信道的互易性质，以减少信道估计开销。在该系统中，UE发送导频信号(例如侦听基准信号(SRS))，其在UL中由BS上的所有天线接收。BS通过接收到的导频信号估计UL CSI，并且使用其以基于信道互易性估计DL CSI。.
附图说明
图1示出分布式大规模MIMO(DM-MIMO)系统的结构。
具体实施方式
现将参照附图，其中，相同标号通篇指代相同部分。现在可以描述本发明示例性实施例。示例性实施例得以提供以示出本发明的各方面，并且不应理解为限制本发明的范围。当参照框图或流程图描述示例性实施例时，每个块可以表示方法步骤或用于执行方法步骤的装置元件。取决于实现方式，可以在硬件、软件、固件或其组合中配置对应装置元件。下文中，导频信号可以表示一个天线为了估计发送天线与一个或多个接收天线之间的信道所发送的信号。其可以又称为基准信号、信道估计信号或测试信号。
在以下描述中，天线用于指示包括例如混合波束成形系统中的除非上下文另外指示的RF电路和天线的RF路径，一个RF路径可以经由波束成形电路(主要是模拟的)连接到多个天线元件。在该系统中，连接到同一RF路径的所有天线元件在宽带处理中可以看作单个等效天线。
本发明一个实施例是一种用于无线网络密集化以提供比部署密集小型小区更高的吞吐量以及更高谱效率的方法。实施例称为分布式大规模MIMO(DM-MIMO)，如图1所示，其包括：中央基带单元(BBU)1，其受多用户波束成形器(MU-BF器)2和集中式回程以及大量(几十至几百个)远程无线电头(RRH)3支持，RRH 3中的每一个包含天线、RF收发机以及同步电路。它们可以放置在放置或规划小型小区的地方或覆盖区域中的其它位置中。每个RRH可以具有多个天线，并且所有RRH可以关于所有RRH可以覆盖的整个区域中的真实“频率重复使用1”在相同频带中进行发送和接收。在需要改进的覆盖的情况下，可以添加RRH，而无需RF规划。每个RRH经由去程连接(其可以是经由光纤、电缆或无线链路)连接到中央BBU。在去程连接上承载数字IQ采样或模拟RF信号。此外，中央BBU也可以通过每个RRH校准时间延迟，并且相应地调整它，以确保所有RHH所发送的信号在时间上得以同步。此外，中央BBU也可以通过每个RRH校准时间延迟，并且相应地调整它，以确保所有RHH所发送的信号在时间上得以同步。在一个实施例中，只要时间同步误差处于系统循环前缀内，时间同步的精度就是松弛的，并且各RRH之间的延迟的差异在信道模型中得以捕获，而且在数字基带处理中受处理。这样减少多个RRH上的时间同步的成本和复杂度。在另一实施例中，无需多个RRH之间的载波相位的同步。反之，每个RRH的载波相位例如使用锁相环(PLL)电路锁定到其所恢复的主基准时钟，因此，各RRH之间的相位差是固定的并且包括于信道模型中。因此，这些相位差在数字基带中受处理。
MU-BF器例如使用迫零(ZF)、规则化ZF(RZF)、最小均方差(MMSE)、脏纸编码(DPC)或共轭波束成形(CB)执行多用户波束成形(MU-BF)，以用于所有RRH或RRH集群上的天线，以实现具有低波束间干扰的整个覆盖区域上的高阶空间复用。分配给BS的相同频率资源或整个谱可以同时对很多UE波束化。当RRH集群(只要集群中包含足够数量的天线，其就可以包含一个或多个RRH)中的天线用于执行MU-BF时，其称为分布式MU-BF(DMU-BF)。在DMU-BF的一个实施例中，对于(相对于发送功率和大规模衰落)足够远离开的RRH集群同时执行使用相同频率资源的信道估计或MU-BF，而无需担心不同集群的各UE导频信号或波束之间的干扰，因为它们通过部署得以空间隔离。该实施例是高度可分级的，意味着大量RRH可以添加到DM-MIMO系统，以部署在覆盖区域上，从而DM-MIMO系统可以对非常大量的UE(例如几十至几百个UE)同时对分配给BS的相同频率资源或整个谱进行波束成形。
多个BBU及其关联DM-MIMO系统可以部署得相邻，以覆盖较宽的区域。DM-MIMO系统可以通过侦听UE所发送的导频或基准信号获得对相邻DM-MIMO系统中的UE的信道的估计，并且使用信道估计以计算预编码矩阵，以使得其RRH的传输与对相邻DM-MIMO系统中的UE的信道是正交的。该实施例要求多个BBU及其关联DM-MIMO系统是同步的。该实施例要求多个BBU及其关联DM-MIMO系统是同步的。
如果经由去程发送数字IQ采样，则DM-MIMO需要高速去程。这些去程上的数据率典型地将显著高于用于小型小区的回程的数据率。替代地，去程可以使用光纤上的RF(RFoF)发送模拟信号。RRH与BBU之间的数字去程可以使用如图1所示的星形或级联连接或组合，其包括多用户成形器(MU–BF器)2以及集中式回程所支持的中央基带单元(BBU)1以及大量(几十至几百个)远程无线电头(RRH)3。此外，每个RRH经由去程连接4连接到中央BBU。在室内环境中，铺设去程的成本可能与铺设对密集地部署的小型小区的回程的成本相似，并且可能在一些应用中是可接受的。然而，存在铺设去程的成本太昂贵或不实际的室外或一些室内环境。本发明一个实施例使用高速无线链路，以提供对小型小区的去程，因此避免使用大量有线连接(例如对密集部署的小型小区的有线去程或对大量的分布式RRH的光纤去程)。实施例还使用以无线方式广播主基准时钟信号，并且RRH中的每一个从无线广播恢复主基准时钟信号，而且使用它以生成本地时钟和载波信号以确保所有RHH使用相同载波频率、以及相对于主基准时钟信号校准的延迟和相位。
实施例可以还包括：部署具有去程的分布式RRH以形成DM-MIMO网络，对于每个RRH或每个RRH集群执行第一等级波束成形，然后将该RRH或RRH集群中的每一个上的所有天线看作单个天线，并且在多个这些RRH或RRH集群之间执行第二等级波束成形。
在另一实施例中，采用在中心位置处具有大量的天线的MU-MIMO BS，以提供对分布式RRH的空间复用的多流无线回程，其形成DM-MIMO网络。中央MU-BF器可以通过在空间复用的多流无线回程上发送信道信息和基带采样完成DM-MIMO网络的波束成形。
在又一实施例中，分布式RRH的子集用于执行MU-MIMO波束成形，即，仅包括RRH、AFR和所选择的UE的子集的信道的信道矩阵用在MU-BF器计算预编码或检测矩阵中，以对所选择UE进行波束成形。独立于其它RRH正在进行的操作完成该处理。当RRH的两个或更多个子集位于具有高程度的RF隔离度的区域中(即，从一个子集中的RRH因此UE到另一子集的RF信号的路径损耗很大(例如-20dB)(称为RF不相交子集))时，两个或更多个子集使用相同频率资源独立地或同时地执行MU-MIMO波束成形。此外，RF不相交子集的群组在时隙1使用相同频率资源独立地或同时地执行MU-MIMO波束成形，并且RF不相交子集的另一群组在时隙2使用相同频率资源独立地或同时地执行MU-MIMO波束成形。两个群组可以重叠，意味着一些RRH可以属于多于一个的群组。这是DM-MIMO的空分和时分，缓解信道估计中的导频污染的问题，并且通过减少信道矩阵的维度减少用于波束成形的计算负担。
在MU-MIMO波束成形中，不相关的信道是强烈地优选的，因为它们带来低调节数量的信道矩阵以及更高的容量。然而，在具有很多附近UE的区域(例如体育馆中的大人群、实况赛事等)中，一些MU-MIMO信道是高度相关的。一个实施例是一种用户分组以改进MU-MIMO波束成形的方法，其包括：计算不同UE的信道的相关；将具有低信道相关的UE选择到群组中；将频率资源分配给UE的群组；在所分配的频率资源上使用群组中的UE的信道矩阵计算预编码和/或检测矩阵；以及在所分配的频率资源上执行与群组中的UE的MU-MIMO波束成形。此外，待在相同时隙受服务的UE可以划分为两个或更多个这些群组，其中的每一个得以分配可用频率资源的一部分。
在MU-MIMO系统中，与不同UE的信道的延迟扩展可以显著不同。较大的延迟扩展对应于短的相干带宽，因此需要在更大量的频率资源块或子载波上计算预编码和/或检测矩阵。如果具有较短延迟扩展以及具有较大延迟扩展的信道在MU-MIMO波束成形中混合在一起，则必须在具有较大延迟扩展的TC所需的频率资源块或子载波的更精细的分辨率上计算预编码和/或检测矩阵。这样因对用于具有较大相干带宽的信道的较小频率资源块或子载波群组执行不必要的计算而浪费计算资源，和/或归因于可以在硬件所允许的时间中处理的矩阵的大小减少可以在相同频率资源上同时受服务的UE的数量。具有较大相干带宽的信道仅需要在小数量的频率资源块上计算预编码和/或检测矩阵。一个实施例是一种用户分组以用于高效MU-MIMO波束成形计算的方法，其包括：估计不同UE的信道的延迟扩展或相干带宽；将具有相似延迟扩展或相干带宽的UE选择到群组中；将频率资源分配给UE的群组；在所分配的频率资源上使用群组中的UE的信道矩阵计算预编码和/或检测矩阵；以及在所分配的频率资源上执行与群组中的UE的MU-MIMO波束成形。此外，待在相同时隙受服务的UE可以划分为两个或更多个这些群组，其中的每一个得以分配可用频率资源的一部分。
用户分组和频率分配还需要考虑其它UE信道条件(即信道质量信息(CQI)、信道估计误差(CEE)以及UE速度指示信息(SII))，如2014年3月21日提交的题为“FrequencyResource Allocation in MU-MIMO Systems”的临时专利申请61/968,647中所描述的那样。一个实施例估计信道参数，包括但不限于不同UE的信道的相关性、延迟扩展或相干带宽、CQI、CEE和SII；基于这些UE的信道参数将它们选择到群组中，从而其改进系统性能，包括但不限于改进的MU-MIMO波束成形、增加的系统吞吐量、减少的计算负担、减少的功耗；将频率资源分配给UE的群组；在所分配的频率资源上使用群组中的UE的信道矩阵计算预编码和/或检测矩阵；以及在所分配的频率资源上通过群组中的UE执行MU-MIMO波束成形。此外，待在相同时隙受服务的UE可以划分为两个或更多个这些群组，其中的每一个被分配可用频率资源的一部分。
虽然本发明优选实施例的前面描述已经示出、描述或说明本发明的基本新颖特征或原理，但应理解，在不脱离本发明的精神的情况下，本领域技术人员可以进行所示的方法、要素或装置的细节的形式及其使用方面的各种省略、替换和改变。因此，本发明的范围不应限于前面描述。此外，本发明的原理可以应用于广泛范围的方法、系统和装置，以实现在此所描述的优点并且实现其它优点或同样满足其它目的。

Claims (17)

1.一种用于分布式大规模MIMO(DM-MIMO)的方法，其包括：
使用通过回程连接到核心网络的一个或多个中央基带单元(BBU)，以提供基带信号处理；
用于每个基带单元的一个或多个多用户波束成形器执行用于连接至其的所有远程无线电头(RRH)上的天线或用于连接至其的一个或多个RRH集群上的天线的多用户MIMO计算，以在具有低波束间干扰的整个覆盖区域上实现高阶空间复用；
分布在地理区域上的多个RRH进行发送并且接收，其中，每个RRH包含多个天线、RF收发机和同步电路，并且经由光纤、缆线或无线链路去程连接而连接到多用户波束成形器；以及，
多用户波束成形器中的UE选择和调度模块选择并且调度RRH以及它们所覆盖的UE的两个或更多个RF不相交子集，并且多用户波束成形器使用相同频率资源独立地并且同时地执行用于两个或更多个RF不相交子集的MIMO波束成形计算，其中，用于每个子集的波束成形计算使用仅包括子集中的RRH和UE的信道的信道矩阵。
2.如权利要求1所述的方法，其中，多用户波束成形器通过从两个或更多个RF不相交子集中的UE接收相同导频信号或相同频率资源上的导频信号独立地并且同时地获得用于RRH的两个或更多个RF不相交子集所覆盖的UE的信道估计，其中，来自一个子集中的UE的导频信号在另一子集上产生的干扰是可容忍的。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：第一群组的RRH和UE的RF不相交子集使用第一频率资源独立地并且同时地执行MU-MIMO波束成形；以及第二群组的RRH和UE的RF不相交子集使用第二频率资源独立地并且同时地执行MU-MIMO波束成形，其中，两个群组是空间上不相交的。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：DM-MIMO模式的空分和时分，其中，第一群组RRH和UE的RF不相交子集在第一时隙使用第一频率资源独立地并且同时地执行MU-MIMO波束成形，并且第二群组RRH和UE的RF不相交子集在第二时隙使用相同第一频率资源独立地并且同时地执行MU-MIMO波束成形。
5.如权利要求1所述的方法，其中，RRH和/或UE属于多于一个的RF不相交子集。
6.一种用于分布式大规模MIMO(DM-MIMO)的方法，其包括：
使用通过回程连接到核心网络的一个或多个中央基带单元(BBU)，以提供基带信号处理；
用于每个基带单元的一个或多个多用户波束成形器执行用于连接至其的所有远程无线电头(RRH)上的天线或用于连接至其的一个或多个RRH集群上的天线的多用户MIMO计算，以在具有低波束间干扰的整个覆盖区域上实现高阶空间复用；
分布在地理区域上的多个RRH进行发送并且接收，其中，每个RRH包含多个天线、RF收发机和同步电路，并且经由承载数字和/或模拟信号的光纤、缆线或无线链路去程连接而连接到多用户波束成形器；以及，
中央BBU经由有线去程连接或通过无线方式将主基准时钟信号广播到所有RRH，其中的每一个恢复主基准时钟信号并且使用它以生成本地时钟和载波信号，以确保所有RRH使用相同载波频率。
7.如权利要求6所述的方法，还包括：相对于主基准时钟信号校准延迟和相位。
8.如权利要求6所述的方法，还包括：中央BBU通过每个RRH校准时间延迟，并且相应地调整它，以确保所有RHH所发送的信号在时间上得以同步。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：松弛时间同步的精度，捕获信道模型中的RRH之间的延迟的差，并且考虑它们在数字基带处理中的影响。
10.如权利要求6所述的方法，还包括：将每个RRH的载波相位锁定到其所恢复的主基准时钟，在信道模型中包括RRH之间的相位差，并且在数字基带中考虑这些相位差。
11.一种用于分布式大规模MIMO(DM-MIMO)的方法，其包括：
使用通过回程连接到核心网络的一个或多个中央基带单元(BBU)，以提供基带信号处理；
用于每个基带单元的一个或多个多用户波束成形器执行用于连接至其的所有远程无线电头(RRH)上的天线或用于连接至其的一个或多个RRH集群上的天线的多用户MIMO计算，以在具有低波束间干扰的整个覆盖区域上实现高阶空间复用；
分布在地理区域上的多个RRH进行发送并且接收，其中，每个RRH包含多个天线、RF收发机和同步电路，并且经由光纤、缆线或无线链路去程连接而连接到多用户波束成形器；以及，
BBU侦听相邻小区所覆盖的一个或多个UE所发送的导频信号，使用接收到的导频信号以通过所述UE估计信道，计算预编码矩阵以在相邻小区中进行与对所述UE的信道正交的BBU的RRH传输。
12.一种用于分布式大规模MIMO(DM-MIMO)的方法，其包括：
使用通过回程连接到核心网络的一个或多个中央基带单元(BBU)，以提供基带信号处理；
用于每个基带单元的一个或多个多用户波束成形器执行用于连接至其的所有远程无线电头(RRH)上的天线或用于连接至其的一个或多个RRH集群上的天线的多用户MIMO计算，以在具有低波束间干扰的整个覆盖区域上实现高阶空间复用；
分布在地理区域上的多个RRH进行发送并且接收，其中，每个RRH包含多个天线、RF收发机和同步电路，并且经由光纤、缆线或无线链路去程连接而连接到多用户波束成形器；以及，
对于每个RRH或每个RRH集群执行第一等级波束成形，然后将该RRH或RRH集群中的每一个上的所有天线看作单个天线，并且在多个这些RRH或RRH集群中之间执行第二等级波束成形。
13.一种用于分布式大规模MIMO(DM-MIMO)的方法，其包括：
使用通过回程连接到核心网络的一个或多个中央基带单元(BBU)，以提供基带信号处理；
用于每个基带单元的一个或多个多用户波束成形器执行用于连接至其的所有远程无线电头(RRH)上的天线或用于连接至其的一个或多个RRH集群上的天线的多用户MIMO计算，以在具有低波束间干扰的整个覆盖区域上实现高阶空间复用；以及，
分布在地理区域上的多个RRH进行发送并且接收，其中，每个RRH包含多个天线、RF收发机和同步电路，并且在中心位置处经由具有大量的天线的MU-MIMO BS所提供的无线链路去程连接而连接到多用户波束成形器，其通过将一个或多个空间复用的流波束成形到每个RRH将信道信息和数据以无线方式发送到分布式RRH。
14.一种用户分组以改进MU-MIMO波束成形的方法，其包括：计算不同UE的信道的相关；将具有低信道相关的UE选择到群组中；将频率资源分配给UE的群组；在所分配的频率资源上使用群组中的UE的信道矩阵计算预编码和/或检测矩阵；以及在所分配的频率资源上通过群组中的UE执行MU-MIMO波束成形。
15.如权利要求14所述的方法，还包括：将在相同时隙中待受服务的UE划分为两个或更多个这样的群组，其中的每一个被分配可用频率资源的一部分。
16.一种用户分组以用于高效MU-MIMO波束成形计算的方法，其包括：估计不同UE的信道的延迟扩展或相干带宽；将具有相似延迟扩展或相干带宽的UE选择到群组中；将频率资源分配给UE的群组；在所分配的频率资源上使用群组中的UE的信道矩阵计算预编码和/或检测矩阵；以及在所分配的频率资源上通过群组中的UE执行MU-MIMO波束成形。
17.如权利要求16所述的方法，还包括：将在相同时隙中待受服务的UE划分为两个或更多个这样的群组，其中的每一个被分配可用频率资源的一部分。
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