CN107211484A - 无线系统中的对称和全双工中继器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出方法，其包括：具有多个天线的BS能够通过UE上的两个或更多个天线对两个或更多个空间复用流进行波束成形；使用中继器中的一个或多个，以投射BS的容量，以覆盖一个或多个UE；在存在放大并且转发一个或多个导频的中继器的情况下，BS使用从UE天线发送的导频估计BS上的每个天线与一个或多个UE上的每个天线之间的上行链路信道状态信息(CSI)；以及，BS通过中继器的DL和UL路径的对称性使用空中信道的互易性的持续性，以使用包括中继器的影响的所估计的上行链路CSI获得下行链路CSI。

Description

无线系统中的对称和全双工中继器
本申请要求2015年1月16日提交的美国临时申请No.62/104,091的权益。
技术领域
本发明总体上涉及无线通信系统中的新颖中继器，更具体地说，涉及用于多入多出(MIMO)无线系统的中继器。
背景技术
随着无线通信应用的增长，无线产业关注用于对无线系统中的更多用户的更高数据吞吐量的更先进技术。用于增加无线谱的空间重复使用的一种方法是多入多出(MIMO)天线系统，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(无论是基站(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。BS可以装配有大量天线(例如几十至几百个)，以服务于很多用户，称为大规模MIMO系统[1]，
立刻放大并且转发带内信号的中继器(下文中简称为中继器)是用于在不良信道条件的情况下增加UE的SNR并且改进信道估计精度的高效组件。虽然具有大量天线的MIMOBS可以通过波束成形扩展其DL覆盖范围，但UE的SINR可能归因于阴影化随着距UE的距离快速地衰退。因此，在其它因素当中，归因于大规模衰落、阴影化，远离开BS的UE具有比靠近BS的UE显著更低的SINR。此外，UL范围并且因此UL信道估计精度受限于UE的发送功率。通过中继器，BS能够从甚至靠近小区边沿的UE接收具有高SNR的信号。
信道估计在多用户MIMO系统中是有挑战的并且重要的问题。为了BS使用多个天线对多个UE进行波束成形，BS需要充分地并且精确地获知去往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DL中发送基准导频直接获得DLCSI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。
本发明一个实施例是一种对称中继器，其将允许使用无线信道互易性的高效信道估计。通过系统中的中继器，BS与UE之间的总信道(TC)包括通过中继器的信道以及没有中继器的信道。为了基于信道互易性通过UL CSI高效地估计信道，通过中继器的信道也需要是互易的。仅在中继器的对称设计的情况下，UL和DL中的TC将是相同的，并且于是UL CSI可以用于估计DL TC。BS可以使用TC的信道估计以计算预编码矩阵或检测矩阵；并且使用预编码或检测矩阵以执行波束成形，以使用相同频率资源将数据发送到或接收自多个UE，而MU-BF可以使用任何已知的或未来的MU-BF方法(例如迫零(ZF)、规则化ZF(RZF)、共轭波束成形(CB)、最小均方差(MMSE)、脏纸编码(DPC)等)。
在无线系统中已经存在考虑中继器的一些现有文献。在[2]中，Boris Rankov和Armin Wittneben描述了用于单用户MIMO(SU-MIMO)的中继器辅助无线MIMO信道，其中，目的地天线在线性阵列中相等地间隔，并且中继器受限于单个天线节点。中继器使用时分双工(TDD)，即，在一个时隙中接收数据并且在另一时隙中发送它。这样减少谱效率并且需要中继器的同步。在[3]中，Chae，Chan-Byoung等人描述了与[2]中相同的具有用于也是TDD两跳通信的固定中继器网络中的多用户传输的线性处理的MIMO中继法。在[4]中，Wei Xu和Xiaodai Dong描述了用于具有波束成形的MIMO中继器辅助蜂窝网络的有限反馈设计，其中，需要每个UE将其量化的CSI反馈到中继器，并且中继器将量化的波束成形矢量发送到BS。此外，其受限于(BS的天线的数量)＝(中继器的天线的数量)＝(UE的天线的数量)的过于简化的情况。在[5]中，Mats Andersson和Bo Goransson提出了一种具有用于波束引导而非波束成形的中转器的MIMO系统，也就是说，其受限于引导中转器的天线波瓣以朝向UE瞄准，而非在BS处的真实波束成形。
现有技术都不包含对称中继器。本发明描述了新颖对称中继器设计，其实现UL/DL信道中的信道互易性，并且因此使得能够使用UL导频在BS处进行高效信道估计，以用于对多用户的DL波束成形。
中继器的另一重要参数是发送天线与接收天线之间的高隔离度。在一些应用中可能需要有源消除。不存在用于使用有源消除的高效放大和转发中继器的现有技术。
附图说明
图1示出具有分离的DL/UL路径的对称中继器设计的结构。
图2示出具有有源自干扰消除块的全双工中继器。
图3示出用于控制中继器中的衰减器和相移器的结构。
图4示出使用一个放大器的对称中继器的结构。
图5示出控制信号处理块的结构。
图6示出用于控制图4所示的对称中继器中的UL/DL切换的包络检测器的结构。
注意，在附图中仅示出关键组件，忽略其它组件(例如滤波器、端接器)，但本领域技术人员理解这些组件的使用。
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。
使用两个放大器的放大和转发中继器设计
图1示出本发明一个实施例，其中，中继器通过调整衰减器3和相移器4实现UL和DL路径的对称性。存在UL电路，其从一个或多个UE 7接收信号，放大(9)信号，并且将信号转发(10)到BS 1。对于DL电路，中继器从BS 1接收信号2，并且将所放大的信号发送到一个或多个UE。即使UL路径中的组件(例如放大器9)和DL中的组件是相同型号，它们也可能没有精确相同的传递函数。因此，为了保持UL/DL链路的互易性/对称性，实施例使用可调整的衰减器和相移器，以校准中继器的UL和DL路径。衰减器和相移器可以处于一条路径上(要么UL要么DL)(图1中的中继器(a))或处于UL/DL路径二者上(图1中的中继器(b))。在优选实施例中，可调整的相移器和/或衰减器放置在对放大器的输入之前的路径上，从而较低功率可调整的相移器和/或衰减器可以得以使用。
需要中继器的Tx天线与Rx天线之间的高隔离度，其中，隔离度定义为接收放大器所看见的Tx信号的衰减。因为中继器在相同频率和相同时间进行发送和接收，所以该隔离度必须高于中继器的增益，以避免正反馈环路。可以通过使用优选地具有足够的角度分离度的面对不同方向的方向性或窄波束Tx和Rx天线或通过增加Tx与Rx天线之间的距离增加隔离度。当需要高增益并且隔离度不够高时，本发明的一个重要实施例使用有源信号消除以增加Tx与Rx之间的隔离度，如图2所示。即使Tx 23和Rx 24装配有良好的方向性天线，来自Tx 23的信号也将由Rx 24通过“空中信道”25接收。设Hair是通过“空中信道”的信道，为了有效地消除Hair，一部分所发送的信号使用合路器或分路器26受偏转，通过有源消除块27，然后使用组合器28或合路器与Rx天线接收到的信号组合。有源消除块控制包括图2中的衰减器29和相移器30的自适应滤波器，以创建另一信道Hcancel≈-Hair。在接收机处，通过空中的路径以及通过有源消除块的路径相加，从而Hair+Hcancel≈0，从而Tx-Rx之间的良好隔离度得以实现。图2仅示出衰减器和相移器的单条路径。其它实施例可以使用多于一条的路径，以构造可以受调谐以生成消除信道Hcancel以近似Hair的自适应RF滤波器。每条路径可以仅包含衰减器或包含衰减器和相移器二者。消除电路可以切换到校准模式或有源消除模式。
在校准模式下，已知的校准信号从Tx天线得以发送，并且由Rx天线接收。有源消除块下转换(31)Rx处接收到的信号并且对其进行采样(32)。基于所采样的基带信号，有源消除块获得空中信道Hair的估计。基于Hair的信息，有源消除执行从-Hair到自适应滤波器的设置(例如图2中的衰减器和相移器的设置)的映射(33)。然后，相应地设置衰减器和相移器。可以通过查找Hair与滤波器设置之间的预先校准的表完成映射。
为了实现中继器的UL和DL路径的对称性，需要调谐衰减器和相移器的设置。在一个实施例中，通过注入已知的校准信号以计算每条路径的传递函数并且调整设置以接近地匹配两条路径的传递函数离线调谐设置。本发明另一实施例是一种用于调谐衰减器和相移器的参数以在中继器内部匹配UL和DL路径的电路，如图3所示。来自“信号发生器”34块的信号通过中继器的UL和DL路径(35-40)，并且来自这两条路径的信号由“控制器”块41接收。所生成的信号可以是单频调信号或给定带宽的信号。在单频调信号的情况下，信号发生器可以扫描通过频率的范围，“控制器”块比较通过UL和DL路径的信号的幅度和相位，并且生成调整衰减器和相移器的参数的信号，以使得UL和DL满足互易性/对称性要求。在频率扫描的情况下，控制器调整衰减器和相移器的参数，以使得UL和DL在期望的带宽上最佳地满足互易性/对称性要求。
使用相同放大器的放大和转发中继器设计
本发明另一实施例是一种用于TDD系统的中继器，其在UL和DL路径二者中使用相同放大器，从而放大路径自动地是对称的。如图4所示，在中继器中存在两个切换器，以控制放大器的输入信号。在材料和几何形状方面对称的迹线以及对称的切换器用于确保其它部分中的对称性。如下示出用于控制用于UL/DL的切换器的机制。如图4.a所示，在DL情况下，两个切换器(42、43)设置为从BS 45接收并且放大(44)信号，并且将其转发到一个或多个UE46。在UL情况下，两个切换器设置为从一个或多个UE接收并且放大信号，并且将其转发到BS。由于UL和DL中的信号经过相同放大器，并且使得其余电路具有高度对称性，因此可以使得中继器的UL和DL路径具有高级互易性。
本发明另一实施例是“控制信号处理”块，以基于块从BS接收到的控制信号控制切换器的位置。如图5所示，输入信号首先受下转换(52)，通过带通滤波器53，并且模数转换器(ADC)54对其进行采样。对所采样的信号进行解码，以判断输入信号是针对UL还是DL(55)，并且然后控制中继器中的切换器。在TDD系统中，中继器知道协议，并且使用其协议的知识和接收到的控制信号以获知下一时隙中的即将到来的信号是针对UL还是DL。根据该信息，中继器设置切换器，以使得中继器准备UL或DL模式。以此方式，UL和DL信号将经历通过中继器的相同信道。
“控制信号处理”块也可以是如图6所示的信号功率检测，从而无需将信号下转换到基带。在图6中，天线156是面对BS的方向性或波束天线，天线257是面对一个或多个UE或其它中继器的方向性或波束天线。如果功率检测器158检测到具有足够功率的到来信号，则其判断系统处于DL模式下(60)，并且生成控制信号以将中继器切换到DL模式(61)。反之，如果功率检测器159检测到具有足够功率的到来信号，则其判断系统处于UL模式下(60)，并且生成控制信号以将中继器切换到UL模式(62)。功率检测和切换控制在短时间段中(例如比OFDM信号中的循环前缀充分更短)得以完成，因此，允许DL或UL信号使用单条放大路径得以成功地放大并且转发。
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 (20)

1.一种用于MIMO无线通信系统的方法，其包括：
具有多个天线的BS能够通过UE上的两个或更多个天线对两个或更多个空间复用流进行波束成形，其中，每个UE具有足够数量的天线，以接收和/或发送一个多个空间复用流；
使用天线的总数量足以支持两个或更多个空间复用流并且DL和UL路径是对称的一个或多个中继器，以投射BS的容量，以覆盖一个或多个UE；
在存在放大并且转发一个或多个导频的中继器的情况下，BS使用从UE天线发送的导频估计BS上的每个天线与一个或多个UE上的每个天线之间的上行链路信道状态信息(CSI)；以及，
BS通过中继器的DL和UL路径的对称性使用空中信道的互易性的持续性，以使用包括中继器的影响的所估计的上行链路CSI获得下行链路CSI。
2.如权利要求1所述的方法，其中，中继器具有用于在下行链路中从BS或其它中继器接收信号并且在上行链路中发送信号的NBF≥2个天线，并且具有用于在下行链路中发送信号并且在上行链路中从UE和/或其它中继器接收信号的NUF≥2个天线。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：中继器在DL和UL路径中使用例如衰减器和/或相移器的可调整组件，以使得DL路径的电路响应和UL路径的电路响应相同或近似相同，以实现DL和UL路径的对称性。
4.如权利要求3所述的方法，还包括：根据中继器在特殊保留的时隙中所发送并且接收的测量信号调整可调整组件的参数。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：有源干扰消除块，以增强一对接收和发送天线之间的隔离度。
6.如权利要求5所述的方法，其中，有源干扰消除块包括用于估计一对发送和接收天线之间的空中信道并且使用所估计的信道和所发送的信号的采样以生成消除信号的电路。
7.如权利要求6所述的方法，其中，有源干扰消除块的电路包括衰减器、相移器、模数转换器(ADC)、下转换、信号发生器中的一个或多个。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：在特殊保留的时隙中根据中继器发送并且接收的测量信号调整衰减器和相移器的参数，以用于调谐有源干扰消除块的电路。
9.如权利要求1所述的方法，其中，DL路径和UL路径共享相同放大和转发路径、用于改变信号传输方向的切换器、控制信号处理块。
10.如权利要求9所述的方法，其中，控制信号处理块生成控制信号，以改变切换器的连接。
11.如权利要求10所述的方法，其中，控制信号处理块检测并且解码关于DL和UL传输指示的消息，并且生成对应控制信号，以改变切换器的连接。
12.如权利要求10所述的方法，其中，控制信号处理块检测信号功率强度，以判断DL和UL传输模式，并且生成对应控制信号，以改变切换器的连接。
13.如权利要求12所述的方法，其中，在不影响接收机处的信号检测的短时间段中完成功率检测和切换控制。
14.如权利要求13所述的方法，其中，短时间段处于OFDM码元中的循环前缀(CP)的一部分内。
15.一种用于增强MIMO无线通信系统的中继器，其包括：
一对或多对DL路径和UL路径，以在具有多个天线的BS与UE上的两个或更多个天线之间放大并且转发两个或更多个空间复用流，其中，每个UE具有足够数量的天线，以接收和/或发送意图针对它的空间复用流，并且每条路径包含一个或多个可调整的电路组件；
测量信号发生器和接收机，其测量DL和UL路径的电路响应；以及，
控制电路，其生成所需的调整，并且改变一个或多个可调整的电路组件的设置，以使得DL和UL路径的电路响应相同或近似相同。
16.如权利要求15所述的中继器，还包括：具有用于在下行链路中从BS或其它中继器接收信号并且在上行链路中发送信号的NBF≥2个天线，并且具有用于在下行链路中发送信号并且在上行链路中从UE和/或其它中继器接收信号的NUF≥2个天线。
17.如权利要求15所述的中继器，还包括：有源干扰消除块，以增强一对接收和发送天线之间的隔离度。
18.一种用于增强TDD MIMO无线通信系统的中继器，其包括：
一条或多条放大和转发路径，以在具有多个天线的BS与UE上的两个或更多个天线之间放大并且转发两个或更多个空间复用流，其中，每个UE具有足够数量的天线，以接收和/或发送意图针对它的空间复用流；
对称迹线和切换器，以将一条或多条放大和转发路径当BS正发送DL信号时切换到DL方向并且当BS正接收UL信号时切换到UL方向，从而两个所切换的方向上的电路响应相同或近似相同；以及，
控制电路，其使用其接收到的RF信号检测无线信号方向，并且将一条或多条放大和转发路径切换为匹配TDD MIMO无线通信系统中的无线信号的方向的方向。
19.如权利要求18的中继器，其中，控制电路检测并且解码关于DL和UL传输指示的消息，并且生成对应控制信号，以改变一条或多条放大和转发路径，以匹配TDD MIMO无线通信系统中的无线信号的方向的方向。
20.如权利要求18所述的方法，其中，控制电路检测信号功率强度以判断DL和UL传输模式，生成对应控制信号以改变一条或多条放大和转发路径以匹配TDD MIMO无线通信系统中的无线信号的方向的方向，并且在不影响接收机处的信号检测的短时间段中完成改变。
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