CN107251618A - 具有中继器的多用户多入多出无线通信系统中的波束成形 - Google Patents

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Abstract

本发明提出用于MU‑MIMO无线通信系统的方法，所述MU‑MIMO无线通信系统包括：BS，其具有要么靠近地定位要么分布式的多个天线；多个AFR，其部署在覆盖区域上，每个AFR具有带有面对MU‑BF器的波束图案的NBF≥1个BF天线以及带有面对UE或下游AFR的波束图案的NUF≥1个UF天线；信道估计模块，其用于估计多个UE与具有到位的AFR的BS之间之间的总信道；以及MU‑BF器，其使用总信道的估计，以执行波束成形计算，以用于使用相同频率资源发送和/或接收去往或来自多个UE的多个空间复用信号流。

Description

具有中继器的多用户多入多出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.62/104,086的权益。
技术领域
本发明总体上涉及多用户多入多出(MU-MIMO)无线通信，更具体地说，涉及具有多个放大和转发中继器的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/US 14/71752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。
虽然具有大量天线的MIMO BS可以通过波束成形扩展其DL覆盖范围，但UE的SINR可能随着BS与UE之间的距离增加快速地衰减，因为归因于大规模衰落、阴影化以及其它因素导致远离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。在BS获知UE的信道之前，其不能执行波束成形。该申请提出使用放大和转发中继器(AFR)以扩展MIMO BS的覆盖并且使用包括中继器的信道估计执行多用户波束成形的实施例。注意，AFR也可以称为容量投射器(CaP)或重发器。
在[1]中，B.Rankov和A.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[2]中，C.-B.Chae等人描述了与[1]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。
我们的实施例使用在空间上分布的很多中继器，并且中继器不在一个时隙中存储消息而且在第二时隙中进行转发。反之，我们的中继器是全双工的，同时进行接收、放大和重传。
在[3]中，W.Xu和X.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[4]中，M.Andersson和B.Goransson描述了具有带有以下限制的重发器的MIMO系统：(1)其用于SU-MIMO，而非MU-MIMO；(2)另一基本限制是，其为波束引导而非波束成形，也就是说，其受限于引导天线波瓣以朝向重发器或UE瞄准，而非在接收机处沿着多个路径的无线电波的构造性对准的真实波束成形；(3)此外，因为其受限于正受引导到一个重发器的来自BS的每个波束，所以BS中的天线并非用于执行对重发器的多用户波束成形；(4)其要求重发器天线波瓣在UE处瞄准，并且“至少一个重发器的第二天线的至少一个天线辐射波瓣是通过电方式可控制的”，以受引导朝向UE，这说明必须估计UE与重发器之间的信道并且对必须对重发器执行波束引导。这说明，BS并非经由重发器全然对多个UE进行波束成形，即，其在BS处的波束成形计算中并非将重发器看作从BS到UE的总信道的一部分。换言之，BS并非直接对UE进行波束成形。反之，波束的引导分拆为两个阶段，一个阶段是将波瓣从BS引导到重发器，第二阶段是将波瓣从重发器引导到UE。“重发器18、19、20、21的第二天线24然后以UE 12现在可以具有对所有四个信息流的存取的这样的方式重传接收到的各个信息流”。“如果小区2中存在多于一个的UE 12，则可控制的25、26、27、28波瓣可以在各UE 12之间进行切换”；(5)UE必须具有至少两个天线“至少一个重发器布置用于将MIMO通信流之一传递去往和/或来自至少一个UE(用户装备)，UE装配有至少两个实质上未校正的天线功能”；以及(6)重发器对于BS是不透明的，并且BS要求重发器布置为将BS通信流之一传递到UE。这说明，来自BS的通信流必需已知是先验的。在我们的发明中，基于包括一个或多个中继器和一个或多个UE(典型地多个中继器和多个UE)的总信道(TC)形成来自BS的通信流。
现有技术并未解决广泛地分布在覆盖区域上的具有MU-MIMO的无线网络和大量中继器的很多技术挑战，包括BS和中继器上的大量天线、全双工中继器的调节和放置、TC的高效估计、使用TC的MU-MIMO波束成形。
本发明对关于子6GHz带和关于cm波和毫米波(mm波)带使用MU-MIMO和全双工中继器的密集网络提出显著更有利的解决方案。不存在用于使用中继器作为用于无线网络的密集化的方法高效地扩展MIMO无线节点的覆盖的现有技术。
附图说明
图1示出分布式大规模MIMO(DM-MIMO)系统的结构。
图2示出具有放大和转发中继器(AFR)的集中式大规模MIMO(CM-MIMO)系统，其中的每一个具有面对一个或多个基站(BS)的一个或多个方向性天线(这些天线称为BF天线)以及面对区域中的用户装备(UE)或一个或多个其它AFR的一个或多个方向性天线(这些天线称为UF天线)。
图3示出具有AFR的DM-MIMO系统，其中的每一个具有面对一个或多个BS的一个或多个方向性天线(称为BF天线)以及面对区域中的UE或一个或多个其它AFR的一个或多个方向性天线(称为UF天线)。
图4示出具有小于10GHz的频带的系统中的BF和UF天线的波束图案。
图5示出mm波通信系统中的BF和UF天线的波束图案，其中，每个BF和UF天线可以是配置为形成波束图案的天线元件阵列。
图6示出mm波通信系统中的BF和UF天线的另一波束图案，其中，每个BF和UF天线可以是配置为形成波束图案的天线元件阵列。
图7示出mm波通信系统中的AFR的波束的组织，其中，每个BF和UF天线可以是配置为形成波束图案的天线元件阵列。
图8示出mm波通信系统中的AFR的波束的另一组织，其中，每个BF和UF天线可以是配置为形成波束图案的天线元件阵列。
图9示出估计具有非对称AFR的UE的下行链路(DL)临时信道的处理。
图10示出估计具有非对称AFR的UE的DL总信道(TC)的处理。
图11示出AFR所形成的环路的示例。
图12示出配置AFR以满足隔离度和环路增益条件的实施例。
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4连接到中央BBU，去程连接4可以经由光纤、电缆或无线链路。在去程连接上承载数字IQ采样或模拟RF信号。在通过去程连接发送数字IQ采样的情况下，中央BBU经由去程连接将主基准时钟信号发送到所有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RHH使用相同载波频率，称为载波同步。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系统可以在重叠覆盖区域中使用附加天线，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，以减少对相邻DM-MIMO系统中的UE的干扰。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。
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星形或级联连接或组合，如图1所示。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。
使用放大和转发中继器的MU-MIMO
在一些情况下，去程、光纤、缆线或无线可能对于部署是昂贵的或困难的。本发明包括使用AFR的MU-MIMO无线网络的实施例，其缓解对大量小型小区或RRH的有线或无线回程或去程的需要。可以在传统商业无线通信系统(例如LTE/LTE-A或演进系统、具有从几百MHz到10GHz的频带的WiFi)中或具有大于10GHz或甚至超过100GHz的频带的mm波通信系统中采用AFR。一个实施例包括：使用覆盖区域上所部署的MU-BF器以及多个AFR，如图2所示。注意，MU-BF器的天线可以在充足的天线间分离度(例如大于λ/2，其中，λ是载波的波长)的情况下靠近地定位，称为集中式天线MIMO-中继器架构(CAMRA)实施例(图2)，其中，集中式BS 5借助于中继器6同时以相同资源元素覆盖很多UE 7；或天线可以分布到少数位置，如图3所示，称为分布式天线MIMO-中继器架构(DAMRA)实施例，其中，经由去程连接到多个远程无线电头(RRH)9的中央BS 8借助于多个中继器10覆盖位于非常大的区域中的UE 11。以下描述应用于CAMRA和DAMRA二者。每个AFR具有：NBF≥1个天线(称为BF天线)，其具有面对MU-BF器的方向性波束图案；NUF≥1个天线(称为UF天线)，其具有面对UE或下游AFR的方向性波束图案，优选地NUF≥NBF。实施例还包括：估计UE与具有到位的AFR的MU-BF器之间的信道，称为TC估计；使用TC的信道估计，以计算预编码矩阵或检测矩阵；以及使用预编码或检测矩阵以提供波束成形，以使用相同频率资源将数据发送到多个UE或从多个UE接收数据，而MU-BF可以使用任何已知的或未来的MU-BF方法(例如ZF、RZF、CB、MMSE、DPC等)。
mm波无线系统的一个特征是强方向性。功率高效通信要求BS、中继器和UE的波束方向是匹配的。然而，需要检测阶段以寻找方向，从而波束方向可以得以匹配。一个实施例包括：MU-BF器，其能够形成并且导向B波束；AFR集合，其中的每一个提供比BF波束更多的UF波束，并且所有AFR上的总UF波束大于MU-BF器的波束的数量，即，R>B，并且典型地R>>B；MU-BF器朝向在当前时隙中服务于K个有效UE的AFR集合形成并且导向D波束，其中，B≥D≥K。具有比AFR上的BF波束更多的UF波束不仅扩展来自MU-BF器的波束，而且还加宽它们的覆盖，并且增加mm波信道的多径富度，因此增加归因于LOS的方向性和阻挡性的限制的mm波链路的鲁棒性，并且增加MU-MIMO信道矩阵的秩，因此用于通过K个UE使用D波束执行MU-MIMO的能力。实施例可以还包括：选择并且发送或接收受导向朝向当前时隙中的有效UE的AFR上的波束；以及关闭其它波束以节省功率，或将功率汇聚到所选择的波束。选择波束以及打开或关闭DL或UL路径可以由AFR执行，或在MU-BF器处得以执行，并且通过控制信道经由命令传递到AFR。
此外，MU-BF器的天线可以是分布式的，与图3中的DM-MIMO相似，并且AFR部署在MU-BF器的天线的每个分布式位点的区域中。在一个实施例中，分布式RRH以及关联AFR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和AFR的两个或更多个子集位于具有高程度的RF分离度的区域中(即，从一个子集中的RRH和AFR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和AFR可以属于多于一个的群组。这是具有AFR的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，未校正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AFR的MU-MIMO系统中，当很多附近的UE拥挤到区域(例如体育馆、实况赛事等中的大量人群)时，一些MU-MIMO信道是高度相关的。一个实施例是一种用于用户分组以改进具有AFR的MU-MIMO系统中的波束成形的方法，包括：计算不同UE的TC的相干，其中，TC包括通过AFR的路径；将具有低信道相干的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。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。
在具有AFR的MU-MIMO系统中，具有不同UE的TC的延迟扩展的方差可以大于没有AFR的系统中的信道的延迟扩展。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TC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TC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TC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于当AFR出现时的高效MU-MIMO波束成形计算的用户分组的方法，包括：估计不同UE的TC的延迟扩展或相干带宽；将TC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。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。
当AFR出现时，用户分组和频率配还需要考虑其它UE TC条件，即信道质量信息(CQI)、信道估计误差(CEE)、UE速度指示信息(SII)。用于没有AFR的MU-MIMO系统中的用户分组和频率资源分配的方法描述于2014年3月21日提交的题为“requency Resource Allocationin MU-MIMO Systems”的临时专利申请61/968,647中。当AFR出现在MU-MIMO系统中时，一个实施例估计TC参数，包括但不限于不同UE的TC的相关性、延迟扩展或相干带宽、CQI、CEE和SII；基于这些UE的TC参数将它们选择到群组中，从而当AFR出现时，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TC矩阵计算预编码和/或检测矩阵；以及在AFR出现的情况下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，其中的每一个得以分配可用频率资源的一部分。
因为mm波的高方向性，所以当UE靠近地定位在一起时，现有技术在实现MU-MIMO方面具有难度。一个实施例包括：靠近地定位的UE使用设备到设备(D2D)短距离(例如，小于1米)无线链路进行通信，以协调每个UE的发送和/或接收波束的方向，从而UE调谐其发送和/或接收天线波束方向，以通过来自MU-BF器和/或一个或多个AFR的多个波束促进MU-MIMO通信。通过各靠近地定位的UE之间的D2D无线链路，UE可以均选择发送和/或接收天线波束方向，从而每个UE可以在距MU-BF器或一个或多个AFR的远距波束处瞄准，或每个UE可以具有未校正的信道，以允许使用迫零或其它方法进行波束成形。在靠近地定位的UE选择其远距发送方向之后，UE可以在其所选择的方向上使用受导向的波束，以将UL信号发送到AFR，其丰富地分布并且可以在发现接收模式下在很多方向上进行接收。AFR可以然后放大来自UE的接收到的UL信号，并且将信号转发到MU-BF器。在UE保持处于相同的所选择的天线波束方向上的同时，MU-BF器可以然后通过波束形式以采取与来自UE的UL路径相反的路径将DL信号发送到UE。
在另一实施例中，从BF天线端口到UF天线端口的DL路径和/或从UF天线端口到BF天线端口的UL路径装配有电路元件，其参数可以受调整，以改变AFR中的RF路径的DL和/或UL传递函数，并且参数选取为创建有助于MU-MIMO的信道矩阵。
AFR的另一实施例是一种无线网络，其包括：一个或多个mm波MU-BF器，以提供对小型小区的无线回程；AFR集合，其结合mm波MU-BF器进行工作；以及小型小区集合，其操作在与无线回程不同的载波频率中，而AFR用于扩展MU-BF器的覆盖，克服MU-BF器与所标定的小型小区之间的视线(LoS)的缺失，增加抵抗阻挡从MU-BF器到所标定的小型小区的LoS的鲁棒性，和/或增加MU-BF器与所标定的小型小区之间的信道的多径富度。
现有技术要求网络中的中继器与BS在时间和频率上是同步的，当网络中存在大量中继器时，这样可能变得尤其昂贵。重要的是，注意，本发明实施例可以在既不需要AFR与BS的时间同步也不需要频率同步的情况下进行工作。还重要的是，注意，在一些情况下，因为在TC的估计中捕获AFR的影响，所以在估计TC中并且在执行波束成形中，可以使得AFR的存在性对于MU-BF器和UE透明。TC是自然无源信道和运作为有源信道的AFR所引入的新信道的叠加。应在TDD帧的保护时段(GP)中预留足够的RF信号处理延迟，以避免DL和UL信号的碰撞。在一个实施例中，GP设计为传统TDD系统中的时间加上TC中的AFR所引入的总延迟。在多个中继器跳转的情况下，总延迟是所有跳转的延迟之和。一个实施例包括：设计具有延迟的AFR，从而关于AFR的延迟短于OFDM系统中的循环前缀，并且短于所允许的GP。
AFR的放置和组织
AFR关于给定的特定BS或RRH的的放置包括应用情形所确定的AFR的BF和UF天线的数量、AFR的数量、位置和波束图案(例如BS或RRH的发送天线的数量、资源块上所复用的UE的最大数量K、BS或RRH的最大发送功率、覆盖区域等)。
对于AFR的数量NAFR，在优选实施例中，其应满足条件从而因为AFR引入到信道中，所以每个MU-MIMO用户群组上的信道矩阵的秩不小于K，其中，NBF i和NUF i分别是第i AFR处的BF和UF天线的数量。
在另一实施例中，可以放置AFR以改进特定的所标定的区域的信号强度。在此情况下，所标定的区域中的相同资源块中所服务的UE的数量应满足条件其中，和分别表示用于所标定的区域中的第i AFR的BF和UF天线的数量，从而因为AFR引入到信道中，所以每个MU-MIMO用户群组上的信道矩阵的秩不减少。
对于BF和UF天线的数量，最大空间自由度(DoF)由MU-BF器天线、总UF和BF天线的数量中的最小者决定上界。为了避免DoF减少，在优选实施例中，应满足以下条件：
设覆盖半径或距离是给出BS或RRH的最大发送功率PTx的Rtx，那么AFR可以位于BS或RRH与AFR之间的距离小于Rtx的地方，即αRtx，其中，0<α<1。此外，AFR的值和放大增益由BS或RRH的实际覆盖半径和PTx确定。在一个实施例中，距离αRtx选取为足够靠近，从而在AFR接收到的信号中不存在SNR的损失或几乎不存在SNR的损失。
对于AFR的BF天线，由于它们仅与BS或RRH或具有固定位置的另一AFR进行通信，因此其应设计为：其场图案具有指向固定位置的非常窄的波束。在一个实施例中，AFR的BF天线包括若干至几十个天线元件(例如双极)，并且可以还包括一个或多个反射器，以在期望的方向上(即朝向BS或RRH指向)产生窄波束。
对于AFR的UF天线，它们的设计取决于频带。
对于具有小于10GHz的频带的系统，天线的波束宽度可能相对大，例如，3dB波束宽度是可以通过具有反射器的双极容易地实现的大约60度，从而因为小于10GHz的RF信号的传输特征并且因此MU-MIMO信道矩阵的调节数量减少，所以每个UE可以从同一天线接收多个散射信号。图4中示出一个实施例。BS 12装配有AFR 13，以将其容量投射到弱信号区域。AFR装配有信号BF天线14、单个UF天线15，其分别具有天线图案16和17。当AFR具有多个UF天线时，这些天线的波束可以指向相同方向，以避免对UE的太大的多径延迟扩展。
在使用mm波频带的实施例中，放置AFR以提供处于BS的非视线(NLoS)链路中的与UE的分段式LoS链路。通过具有BS与AFR之间以及AFR与UE之间的链路的LoS形成分段式LoS链路。当在覆盖区域中BS与UE之间不存在LoS路径时，一个或多个AFR可以放置在各位置中，并且AFR的天线的方向和/或波束图案可以配置为这样的：在BS与AFR之间存在LoS路径，并且在AFR与UE之间存在LoS路径。此外，放置AFR，并且其天线可以配置为增加多径富度，以增加鲁棒性(以防LoS路径受阻挡，并且增加多径)，并且增加用于mm波系统中的MU-MIMO波束成形的DoF。mm波频带中的AFR的天线的实施例包括：要求每个天线的波束宽度和/或波束图案，并且布置一个或多个AFR的天线的波束方向。注意，其中，每个BF和UF天线可以是配置为形成具有一个或多个高度方向性主瓣的波束图案的天线元件阵列。关于波束宽度和图案，一个实施例是每天线一个窄波束，例如，图5示出具有AFR 20以覆盖UE 21的BS 19的实施例，其中，AFR 20具有单个BF天线22和4个UF天线23，其中，天线1和3指向一个方向，而天线2和4指向另一方向。另一实施例使用单个天线(例如天线元件阵列)，以产生指向不同方向的若干窄的波束，例如，图6示出具有AFR 25以覆盖UE 26的BS 24，其中，AFR具有单个BF 26以及产生多个波束的单个UF天线27。UF天线具有指向两个不同方向的主波束。在这两个实施例中，当AFR具有多个天线时，每个天线可以具有相同波束图案，但在不同的时隙指向不同的方向。这对于mm波系统是十分重要的，从而每个UE可以从不同方向从若干AFR接收多个信号。因此，因为所有这些AFR从MU-MIMO波束成形的不同方向等同地提供对每个UE的足够的多径链路，所以甚至两个靠近地定位的UE可以是可分离的，并且在MU-MIMO群组中得以复用。此外，在多个AFR的情况下，系统针对阴影化或阻挡性是更鲁棒的。图7示出具有多个AFR(例如29、30、31)以实现容量投射的BS 28的实施例，其中，每个AFR具有：两个或更多个UF天线32、33，其中的每一个产生指向不同方向的窄波束；单个BF天线34、35。图8示出具有多个AFR(例如37、38、39)以实现容量投射的BS 36的实施例，其中，每个AFR具有：两个或更多个UF天线40、41，其中的每一个产生指向不同方向的两个或更多个窄波束；以及BF天线42、43。在这两个示例中，每个UE可以受来自若干AFR的LoS和/或多径系统覆盖。
根据具体要求，UF天线的波束图案可以是自适应的。在一个实施例中，AFR具有可引导或可切换的方向性天线，并且天线的方向基于覆盖区域中的UE的分布受引导或打开/关闭(下文中都称为受引导)。实施例可以还包括自组织处理，其基于受调度以与BBU进行通信的UE的数量和空间分布引导一个或多个AFR的天线。在一个实施例中，自组织判断，即，AFR的天线将受引导朝向哪个方向，以满足一个或多个目标，包括但不限于信道矩阵的秩、信道矩阵的调节数量、每个UE的期望吞吐量和优先级、每个UE的期望调制阶和编码或SINR。此外，使用包括但不限于UE的信道(例如TC)的估计、UE的位置的估计的信息进行判断。可以在中央处理器(例如MU-BF器或BBU)处或由每个AFR在本地进行所述自组织判断。当判断在中央处理器处得以进行时，其可以通过控制信道传递到AFR。
本发明还包括用于减少具有一个或多个MU-BF器的MU-MIMO系统中的网络功耗的实施例。在一个实施例中，因为AFR基于它们有多少贡献于UE的SINR的增加或延迟扩展的增加的估计基于UE分布打开或关闭，所以并未做出显著积极贡献的AFR关闭或部分地关闭(例如，一些DL RF路径关闭)，以节省功率和/或改进系统性能。更一般地，具有或没有中继器的MU-MIMO系统的一个功率节省实施例包括：基于UE的数量、支持期望的调制和编码方案(MCS)所需的SINR、信道估计，选择MU-BF器中的RF路径和/或天线的数量，从而仅采用(小于可用的总数量的)足够数量的RF路径和/或天线以满足要求。
有选择地打开或关闭AFR的实施例也可以扩展为将MU-BF器的容量重新分布到不同覆盖区域。一个实施例包括：有选择地打开或关闭一些位置中的AFR，以基于业务需求将MU-BF器的波束重新分布到不同覆盖区域、在第一时间段重新分布到第一区域(例如，在有体育比赛的夜晚，体育馆)，或在第二时间段重新分布到第二区域(例如，在白天期间，写字楼或购物广场)。当来自第一区域的业务需求很高时，用于覆盖第二区域的一些或所有AFR将关闭。另一实施例包括：使用移动AFR以重新分布MU-BF的容量，即，将AFR放置在移动平台(例如车辆)上，并且定位车辆，因此AFR，以增加从MU-BF器到另外具有来自MU-BF的不良覆盖的区域的波束的信号强度，例如，将移动AFR放置在体育馆或音乐会地点的附近，以当有比赛或实况事件时从一个或多个远离的BS移动容量。
在一个实施例中，能够产生多个同时UF波束以用于要么将DL发送到UE要么从UE接收UL的AFR基于UF波束的覆盖区域中的UE的存在或缺失打开或关闭UF波束。AFR使用其在UF波束上接收到的UL信号的强度检测UF波束的覆盖区域中的UE的存在性。如果在UL时隙中在UF波束上接收到足够强度的UL信号，则AFR立即或在特定数量的随后DL时隙中关闭UF波束以及关联放大路径。此外，在UL或DL中，AFR可以将其放大保持在功率保存模式下，使用接收信号功率检测器电路以检测BF或UF波束上的到来信号，当检测到足够强度的到来信号时，激活关联放大路径，并且放大而且转发信号。在短时间段(例如，充分短于OFDM信号中的循环前缀)中完成检测和激活，因此允许在功率节省的情况下的有效放大和转发。在另一实施例中，AFR中的一些或所有波束的UL放大路径在一些时隙打开，以检测来自UE的UL信令，并且AFR在这些时隙中使用接收到的信号强度，以判断是否将一些或所有其DL和/或UL放大路径置于功率节省状态下。这些时隙对于BS和UE是已知的。为此目的，AFR需要与BS同步。其可以通过检测空中广播的同步信号或基准时钟进行该操作。
在又一实施例中，AFR放置在其不减少所发送的信号的SNR的位置处。为了实现该目的，AFR放大信号，归因于AFR的噪声指数的上升的噪声等级应小于或等于所发送的信号中的噪声等级。等同地，AFR接收到的信号的噪声等级应大于AFR的噪声本底至少达AFR的噪声指数。
获取TC的估计
用于获取TC的估计的方法取决于具体应用情形。一个典型应用是，MU-BF器处的天线的数量相当于同时受服务的UE的数量。例如，在混合波束成形系统中，尤其在使用cm波或mm波频带(例如从10GHz到150GHz)的无线系统中，多个数量的天线元件连接到单个RF路径，并且连接到单个RF路径的所有天线元件看作基带中的单个天线。首先对连接到单个RF路径的天线元件执行模拟波束成形。然后，在基带中执行数字波束成形，因此需要远更小的数量的RF路径上的信道估计。无论在该系统中采用什么双工模式(例如TDD或FDD)，都可以独立地测量UL和DL TC。
为了估计从UE到MU-BF器的UL TC，UE发送导频信号。可以通过使得多个UE发送正交导频信号同时估计多个UE的TC。BBU使用接收到的导频信号以估计UL TC。
为了估计从MU-BF器到UE的DL TC，MU-BF器上的天线发送一个或多个导频信号。可以通过使得多个天线发送正交导频信号同时估计MU-BF器上的多个天线到UE的TC。UE发送接收到的导频信号以估计DL TC。可以然后使用从UE到BBU或专用上行链路控制信道的UL数据传输将DL TC估计反馈到BBU，例如，可以将信道矩阵量化为预定码书，并且将其对应指数反馈到BBU。用于DL TC估计的该方法的一个优点是，其不取决于DL和UL空中(OTA)信道的互易性，也不取决于AFR的DL和UL传递函数的对称性。
如图1所示的MU-MIMO无线系统通信方法的一个实施例包括：一个或多个BS，其均具有大量天线，而BS的天线可以布置在具有从半波长到若干波长的天线分离度的单个阵列中、或多个子阵列中，而子阵列分布在区域上；多个AFR，其分布在一个或多个BS的覆盖区域上，优选地放置在来自BS的信号很弱的位置中；使得BS上的每个天线将导频信号发送到多个UE，以用于UE估计包括AFR的DL TC，其中，BS上的多个天线可以同时发送正交导频信号，以减少信道估计所需的时间；UE使用UL传输将BS到UE DL TC的估计反馈到BS；BS计算TC波束成形矩阵；以及BS通过应用TC波束成形矩阵使用MU-MIMO波束成形在每个资源块上将UE特定数据同时发送到多个UE。
然而，对于MU-BF器处的天线的数量远大于同时受服务的UE的天线的数量的系统，因为上述段落中的方法的昂贵的导频并且将开销反馈到系统，所以其不再是期望的。归因于该原因，在接下来的两个部分中提供两种可能的解决方案，以获取大天线系统中的TC。
用于互易DL信道估计的对称AFR
已知在TDD网络中，来自UE的UL导频信号可以用于基于OTA信道的信道互易性获得DL信道的估计。使用UL导频信号以估计DL信道具有与UE的数量(称为K)或给定的资源块中受服务的UE上的总天线成比例的复杂度。这与随着ME-BF器上的天线的总数量(其可以显著大于K)成比例的复杂度相反。
可以使用各种方法(例如相对校准过程(例如[5]))校准信道的非对称部分(例如UE和MU-BF器的发送(Tx)和接收(Rx)路径)。这种互易性性质也可以用于在FDD网络中从UL导频信令估计DL信道，如2014年12月20日提交的我们的PCT申请PCT/US 14/71752中所描述的那样。
因为存在AFR，所以OTA信道的互易性受AFR的DL和UL传递函数影响。一个实施例是一种对称AFR(SAFR)的装置或方法，包括：从BF天线(或天线端口)到UF天线(或天线端口)的DL路径；从UF天线(或天线端口)到BF天线(或天线端口)的UL路径；通过紧密匹配的或相同的组件构建二者，并且调整一个或两个路径的参数，从而一个路径的传递函数紧密匹配另一路径的传递函数，其中，传递函数定义为归因于施加在第二天线上或进入第二天线的端口的信号的第一天线所发射的或传递到第一天线的端口的信号的傅立叶变换除以施加在第二天线上或进入第二天线的端口的信号的傅立叶变换，即，对称性条件是：
其中，hDL(ω)和hUL(ω)分别是AFR的DL路径和UL路径的传递函数，sDLin(ω)和sULin(ω)分别是AFR接收到的DL和UL信号的傅立叶变换，sDLout(ω)和sULout(ω)分别是AFR所发射的DL和UL信号的傅立叶变换。注意，在实现方式中，仅在一些频率处估计信道矩阵和传递函数。因此，所有公式中的(ω)理解为ω∈{ωi，i＝0，1，2，...，P.，其中，ωi是频率轴(例如子载波)上的采样点。
一个实施例包括：使用对称AFR；通过使得一个或多个UE发送UL导频信号估计具有到位的对称AFR的DL TC；MU-BF器使用接收到的导频信号以估计从UE到MU-BF器的OTA TC；以及使用该估计作为从MU-BF器到UE的OTA信道的估计。此外，在估计BS到UE DL信道之后，BS可以使用TC矩阵以计算预编码矩阵，以对UE进行波束成形，具有波束成形中所包括的AFR的效果。因此，如图1所示的MU-MIMO无线系统或通信方法的一个实施例包括：一个或多个BS，其均具有大量天线，而BS的天线可以布置在具有从半波长到若干波长的天线分离度的单个阵列中、或多个子阵列中，而子阵列分布在区域上；多个AFR，其分布在一个或多个BS的覆盖区域上，优选地放置在来自BS的信号很弱的位置中；使得每个UE将导频信号发送到BS，以用于BS估计UL信道；BS使用UL信道的估计以计算从BS到UE的DL TC的估计；BS计算TC波束成形矩阵；以及BS通过应用TC波束成形矩阵使用MU-MIMO波束成形在每个资源块上同时与多个UE进行通信。
归因于制造工艺变化、电路板制造精度公差等，实际AFR可能没有完美对称的DL和UL路径。可以通过谨慎地设计电路加上一些基准信号传输补偿该缺陷。替代地，AFR可以设计为固有地对称的，这是我们将在另外专利申请中提出的。
在非对称AFR情况下的DL信道估计
尤其当带宽非常宽(例如一个或多个GHz)时，使得所有AFR在整个兴趣带宽上对称可能是困难的。一个实施例是一种用于在不使用DL导频和反馈并且无需AFR执行信道估计的情况下当AFR为非对称的时估计DL信道的高效方法。以下描述使用一次跳转中继器的实施例。每个AFR执行校准，以发现定义为离开UF天线端口的信号对于进入BF天线端口的信号的傅立叶变换的比率的其DL路径传递函数hDLi(ω)以及定义为离开BF天线端口的信号对于进入UF天线端口的信号的傅立叶变换的比率的UL路径传递函数hULi(ω)，其中，下标指示第i对DL路径和UL路径。所有AFR将hDLi(ω)和hULi(ω)发送到MU-BF器，其形成中继器DL和UL传递函数矩阵HRDL(ω)和HRUL(ω)。这些传递函数矩阵比AFR与UE之间的OTA信道远更慢变化。
接下来，AFR中的每一个将正交导频信号发送到BS，其中，正交性可以处于频率、时间、码或组合中。BS使用接收到的导频信号，以例如使用相对校准方法估计UL中继器到BS OTA信道矩阵HRtB(ω)。因为OTA信道的互易性，所以DL BS到中继器矩阵现在是已知的，HBtR(ω)＝HRtB(ω)。由于AFR在固定配置的情况下处于固定位置中，或比UE相对更固定，因此信道矩阵HRtB(ω)因此HBtR(ω)的相干时间比从UE到中继器的信道矩阵HUtR(ω)更长。
接下来，在中继器正进行操作的同时，一个或多个UE将导频信号发送到BS。多于一个的UE可以使用正交导频同时将导频信号发送到BS，其中，正交性可以处于频率、时间、码或组合中。BS中的MU-BF器使用接收到的导频信号，以估计UL UE到BS OTA信道矩阵。
HUtB(ω)＝HRtB(ω)HRUL(ω)HUtR(ω)
已经具有AFR所发送的HRDL(ω)和HRUL(ω)以及BS与AFR之间的OTA信道HBtR(ω)＝HRtB(ω)的信息，MU-BF器可以于是通过执行以下计算获得DL BS到UE OTA TC的比例化估计HBtU(ω)：
其中，HBtU(ω)由第k对角元素是仅取决于第k UE的比例因子的对角矩阵βU比例化。由于HRDL(ω)、HRUL(ω)、HBtR(ω)相对于HRtU(ω)是慢变化的，因此该实施例允许使用与受服务的UE的数量成比例的UL导频信令通过HRtU(ω)的更频繁估计更新DL而无需DL导频信令和UL反馈，并且无需AFR执行信道估计。取决于信道的相干时间或传递函数，可以较不频繁地执行HRDL(ω)、HRUL(ω)、HBtR(ω)的估计。图9中示出该处理。当每个AFR将其UL和DL路径函数发送到BS时(45)，其开始(44)。然后，每个AFR将正交导频发送到BS(46)。在接收到导频信号之后，BS估计自身与每个AFR之间的DL信道(47)。然后，每个UE将正交导频发送到BS(48)。在接收到导频信号之后，BS估计自身与每个UE之间的DL信道(49)。最后，BS通过可用的信息计算每个UE的临时DL信道(50)，并且来到结束(51)。
当直连BS到UE信道(即从BS天线直接到UE天线的信号)比AFR到UE信道充分更弱时，其可以看作噪声，以上方法使用UL导频信令提供DL信道的良好估计。当需要包括直连BS到UE信道以用于精确的波束成形时，BS到UE是直连BS到UE信道和AFR到UE信道之和。
并且对应地，
以上实施例扩展为包括以下。AFR首先从发送关闭，并且UE将第一UL正交导频信号发送到BS。BS使用接收到的第一导频信号，以获得的比例化估计，此后，从信道互易性获得的比例化估计。然后，AFR的传输打开，并且UE将第二UL正交导频信号发送到BS。BS使用接收到的第二导频信号，以获得的比例化估计。注意，当两个估计被估计得在时间上充分靠近在一起时，用于这两个估计的比例因子是相同的，二者是对角矩阵βU，其第k对角元素是仅取决于第k UE的比例因子。因此，BS可以于是通过下式从信道互易性获得总BS到UE DL信道的比例化估计
可以通过使得BS将命令通过控制信道发送到AFR完成AFR的传输的打开/关闭。这样避免需要AFR在时间上与BS和UE同步。图10中示出该处理。当所有AFR关闭时(53)，其开始(52)。然后，UE将第一UL正交导频信号发送到BS(54)。在接收到导频信号之后，BS使用接收到的第一导频信号，以获得的比例化估计(55)，并且从信道互易性获得的比例化估计(56)。然后，AFR打开(57)，并且UE将第二UL正交导频信号发送到BS(58)。在接收到导频信号之后，BS使用接收到的第二导频信号以获得的比例化估计(59)，并且来到结束(60)。
用于一次跳转AFR系统的以上方法可以直接扩展到多次跳转情况，其中，可以相似地移除或包括每次跳转的UL和DL路径传递函数。
使用以上TC估计实施例中的任一，在估计BS到UE DL信道之后，BS可以使用TC矩阵以计算预编码矩阵，以对UE进行波束成形，具有波束成形中所包括的AFR的效果。因此，如图1所示的MU-MIMO无线系统或通信方法的一个实施例包括：一个或多个BS，其均具有大量天线，而BS的天线可以布置在具有从半波长到若干波长的天线分离度的单个阵列中、或多个子阵列中，而子阵列分布在区域上；多个AFR，其分布在一个或多个BS的覆盖区域上，优选地放置在来自BS的信号很弱的位置中；每个AFR执行自校准以估计其DL和UL传递函数，并且将估计发送到BS；使得每个AFR将导频信号发送到BS，以用于BS估计BS与AFR之间的信道；使得每个UE将导频信号发送到BS，以用于BS估计UL信道；BS使用BS与AFR之间的信道以及来自UE的UL信道的估计，以计算从BS到UE的DL TC的估计；BS计算TC波束成形矩阵；以及BS通过应用TC波束成形矩阵使用MU-MIMO波束成形在每个资源块上同时与多个UE进行通信。
非环路条件和延迟
以上实施例中的AFR可以是带内或带外。带外AFR使用第一频带与BS进行通信，并且使用第二频带与UE进行通信。因此，如果来自发射机的对接收机的带外干扰在两个方向性天线之间的隔离度之后仍是疑虑，则可以通过带通滤波器进一步使得其衰减。另一方面，带内AFR在频带中同时进行发送和接收。因此，AFR的Tx天线与Rx天线之间的隔离度的要求对于带内AFR更高，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，所以该隔离度必须远高于中继器的增益，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并非足够高时，有源信号消除可以用于增加Tx与Rx之间的隔离度。该实施例提交于与该申请同日提交的题为“Symmetric and Full Duplex Relays in Wireless Systems”的我们的临时专利申请中。
使用AFR将附加延迟引入到TC中。给定具有或没有有源消除的带内AFR的Tx天线与Rx天线之间的隔离度，如果仍存在来自Tx信号的残留自干扰，则残留自干扰将再次通过AFR，并且从Tx天线发射作为进一步受延迟的信号。该处理将继续，直到自干扰落入AFR的接收噪声本底之下。用于选择AFR的增益的一个实施例包括：确定可以允许的通过AFR循环的残留自干扰所引入的最大延迟扩展S；选择AFR的增益G，从而G+A<L<0，其中，G是AFR的增益，A<0是Rx天线处所看见的Tx信号的衰减，并且L<0是Rx天线处所看见的环路增益，全都以dB为单位；以及nD≤S，其中，D是AFR的延迟，并且即对下一更大整数的向上取整，其中，X是以dBm为单位的到达AFR的来自BS或UE的远程信号的功率(例如-50dBm)，N<0是AFR的接收噪声本底(例如-100dBm)。例如，如果X＝-50dBm，N＝-100dBm，D＝100ns，S＝300ns，A＝-70dB，则n≤3，并且G可以选取为50dB。
AFR的BF天线和UF天线是方向性天线，并且AFR的布置应满足非环路条件，即，加和环路增益G∑loop小于阈值，其为负数(例如-35dB)，其中，加和环路增益是大于出自发源AFR的发送天线的信号sTout的功率的来自AFR的所有环路的信号之和的功率，环路定义为从信号sTout开始通过一个或多个其它AFR在空中回到同一发源AFR并且然后经由放大器路径以到达发源AFR的同一发送天线的路径，如图11所示，即其中，是第i环路的信道。对于AFR的每个发送天线，可以存在多次跳转。非环路条件给出为其中，P{·}指示括号内部的信号的功率。在图11中，AFR61所转发的信号由若干AFR(例如AFR 62)中继，然后由AFR 63再次转发回到AFR 61。
仅包括同一AFR的一对发送天线和接收天线的环路的环路增益称为BF天线与UF天线之间的隔离度。期望该隔离度非常高，以促进在相同频带中同时由一个天线进行发送并且由另一天线进行接收。可以通过使得BF天线和UF天线有方向性、彼此远离地面对并且在两个天线之间放置分离材料实现该目的。该环路仅包括从同一AFR的发送天线到接收天线的信号的衰减(称为(又称为两个天线之间的隔离度))乘以从接收天线到发送天线的增益、从BF天线到UF天线的路径的或从UF天线到BF天线的路径的GUF→BF。在优选实施例中，隔离度显著高于增益GBF→UF或GUF→BF，也就是说，并且或并且该条件将允许AFR的操作，而无需进一步消除从发送天线到接收天线的自干扰。
一个实施例是一种用于测试并且配置覆盖区域中的AFR从而它们满足非环路条件的方法，如图12所示。其开始(64)，包括：AFR从发送天线发送测试信号(65)，并且从接收天线接收测试信号(66)。然后，BS计算隔离度或加和环路增益(67)。如果不满足隔离度或加和环路增益条件(68)，则当AFR上的天线是方向和/或波束宽度或图案可以通过调整每个元件的相位或衰减得以改变的智能天线或相控阵列时，要么以机械方式要么优选地以电方式改变一个或多个AFR的增益和/或天线方向或波束宽度或图案，从而满足隔离度或加和环路增益条件(69)。否则，其来到结束(70)。因为满足所选择的一个或多个AFR上的加和环路增益条件将暗示满足所有AFR处的加和环路条件，所以该方法可以在覆盖区域中对于每个AFR或在一些条件下仅对于一个或多个所选择的AFR重复。该实施例可以还包括自组织处理，其包括：自动地执行以上处理，并且通过引导覆盖区域中的AFR的BF和UF天线的方向将AFR配置为满足非环路条件。
MU-MIMO系统中出现多个AFR可以增加延迟扩展，因此减少总信道的相干带宽。一个实施例是一种用于控制延迟扩展的方法，包括：测量TC的延迟扩展或相干带宽；如果延迟扩展超过期望的值，则改变AFR的配置，包括但不限于：改变波束图案、AFR的放置的数量、每个AFR上的天线的数量、各相邻AFR之间的距离，以减少延迟扩展，因此增加相干带宽。一旦部署AFR，以上实施例就减少，以改变波束图案和天线方向，允许AFR自组织，以实现期望的延迟扩展。
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 (39)

1.一种MU-MIMO无线通信系统，包括：
BS，其具有靠近定位或分布的多个天线；
多个AFR，其部署在覆盖区域上，每个AFR具有带有面对MU-BF器的波束图案的NBF≥1个BF天线以及带有面对UE或下游AFR的波束图案的NUF≥1个UF天线；
信道估计模块，其用于估计多个UE与具有到位的AFR的BS之间之间的总信道；以及
MU-BF器，其使用总信道的估计，以执行波束成形计算，以用于使用相同频率资源发送和/或接收去往或来自多个UE的多个空间复用信号流。
2.如权利要求1所述的系统，其中，波束成形计算包括：计算预编码矩阵和/或检测矩阵；以及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多个UE或从多个UE接收数据。
3.如权利要求1所述的系统，还包括：MU-BF器能够形成并且导向B波束；AFR集合，其中的每一个提供比BF波束更多的UF波束，并且所有AFR上的UF波束的总数大于MU-BF器的波束的数量，R>B，并且典型地R>>B；MU-BF器朝向在当前时隙中服务于K个有效UE的AFR集合形成并且导向D波束，其中，B≥D≥K。
4.如权利要求1所述的系统，还包括：AFR或MU-BF器选择当前时隙中朝向有效UE受导向的AFR上的DL或UL波束，并且关闭其它波束以节省功率或将功率汇聚到所选择的波束，其中，当MU-BF器执行选择时，判断通过控制信道经由命令传递到AFR。
5.如权利要求1所述的系统，还包括：MU-BF器使用BS的一些或所有天线，并且AFR的子集独立于并非处于子集中的AFR的操作通过所选择的UE的群组执行MU-MIMO波束成形，其中，仅包括所涉及的BS、AFR的子集和所选择的UE的天线的信道的信道矩阵用在通过MU-BF器计算预编码或检测矩阵中，以对所选择的UE进行波束成形。
6.如权利要求1所述的系统，还包括：基于传统TDD系统中的时间加上总信道中的AFR所引入的总延迟之和选取TDD系统中的保护时段。
7.如权利要求1所述的系统，其中，AFR的数量NAFR和AFR上的天线的数量满足条件其中，和分别是第i AFR处的BF和UF天线的数量。
8.如权利要求1所述的系统，还包括：放置AFR，以改进特定的所标定的区域的信号强度，并且所标定的区域中的相同资源块中所服务的UE的数量满足条件其中，和表示分别所标定的区域中的第i AFR的BF和UF天线的数量。
9.如权利要求1所述的系统，其中，BF和UF天线的数量满足
10.如权利要求1所述的系统，其中，距离αRtx选取为充分靠近，从而在AFR接收到的信号中的SNR不存在损失或几乎不存在损失，其中，Rtx是给定BS或RRH的最大发送功率PTx的覆盖距离，并且放置在αRtx处，0<α<1。
11.如权利要求1所述的系统，还包括：放置多个AFR和/或配置其天线方向，以提供与处于BS的NLoS中的UE的分段式LoS链路，其中，BS与AFR之间、两个AFR之间以及AFR与UE之间的每个链路是LoS。
12.如权利要求1所述的系统，还包括：放置一个或多个AFR和/或调整其配置，以使用依赖于LoS的载波关于通信系统中的MU-MIMO波束成形增加多径富度和/或增加DoF。
13.如权利要求1所述的系统，还包括：实现基于受调度以与BS进行通信的UE的数量和空间分布引导天线和/或调整一个或多个AFR的配置的自组织处理的模块。
14.如权利要求13所述的系统，还包括：在出现AFR的情况下使用UE的总信道的估计执行自组织处理，以满足一个或多个目标，包括但不限于信道矩阵的秩、信道矩阵的调节数量、每个UE的期望吞吐量和优先级、每个UE的期望调制阶和编码或SINR。
15.如权利要求13所述的系统，其中，自组织处理中的判断在中央处理器处得以进行，并且通过控制信道传递到AFR，和/或在本地AFR处。
16.如权利要求13所述的系统，还包括：估计有多少一个或多个AFR贡献于UE的SINR的增加或增加延迟扩展，并且关闭或部分地关闭并未作出可观的积极贡献的AFR，以节省功率和/或改进系统性能。
17.如权利要求13所述的系统，还包括：在一些位置中有选择地打开或关闭AFR，以基于业务需求将MU-BF器的波束重新分布到不同覆盖区域，在第一时间段分布到第一区域，或在第二时间段分布到第二区域。
18.如权利要求13所述的系统，还包括：移动AFR移动到位置，以增加从MU-BF器到另外具有来自MU-BF的弱信号的区域的波束的信号强度，以将容量从一个或多个远离的BS投射到区域中。
19.如权利要求13所述的系统，还包括：TDD系统中的对称AFR，以使得能够通过使得一个或多个UE发送UL导频信号估计具有到位的对称AFR的DL总信道，MU-BF器使用接收到的导频信号以估计从UE到MU-BF器的空中总信道，并且使用该估计作为从MU-BF器到UE的OTA信道的估计。
20.如权利要求13所述的系统，还包括具有不对称DL路径和UL路径的AFR，其中，使用校准处理，包括：每个AFR寻找其DL路径传递函数hDLi(ω)和UL路径传递函数hULi(ω)；所有AFR将其hDLi(ω)和hULi(ω)发送到MU-BF器，其形成中继器DL和UL传递函数矩阵HRDL(ω)和HRUL(ω)，每个AFR将正交导频信号发送到BS；BS使用接收到的导频信号以估计UL中继器到BS空中信道矩阵HRtB(ω)；基于空中信道信道的互易性，获得DL BS到中继器矩阵HBtR(ω)＝HRtB(ω)；在中继器正进行操作的同时，一个或多个UE将导频信号发送到BS；BS中的MU-BF器使用接收到的导频信号以估计UL UE到BS OTA信道矩阵HUtB(ω)＝HRtB(ω)HRUL(ω)HUtR(ω)；MU-BF器通过执行以下计算获得通过DL BS到UE空中总信道的比例化估计HBtU(ω)：
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其中，HBtU(ω)由第k对角元素是仅取决于第k UE的比例因子的对角矩阵βU比例化。
21.如权利要求13所述的系统，还包括：获得总信道估计中的直连BS到UE信道的估计。
22.如权利要求13所述的系统，其中，AFR的布置满足非环路条件。
23.如权利要求13所述的系统，其中，测试AFR的放置和配置，以确保它们满足非环路条件，并且如果不满足，则改变AFR设置，以满足非环路条件。
24.如权利要求13所述的系统，其中，测量归因于AFR的放置和配置导致的总信道的延迟扩展或相干带宽，并且如果延迟扩展超过期望值，则调整AFR的配置，以减少延迟扩展。
25.一种用于MU-MIMO无线通信系统的MIMO AFR，包括：
NBF≥2个BF天线，其具有面对MU-BF器的波束图案，以及NUF≥2个UF天线，其具有面对UE或下游AFR的波束图案；
第一RF路径，用于每一对BF和UF天线，其放大多个空间复用RF信号并且将其从BS转发到一个多个UE；
第二RF路径，用于每一对BF和UF，其放大多个空间复用RF信号并且将其从一个或多个UE转发到BS；以及
第二RF路径放大导频信号并且将其从一个或多个UE转发到BS，以用于估计多个UE与具有到位的AFR的BS之间的总信道；以及
控制模块，其与BS进行通信，以配置AFR，以避免与网络中的其它AFR成环路，以改变增益和其它性质，以增强BS与多个UE之间的MU-MIMO通信。
26.如权利要求25所述的AFR，其中，第一RF路径和第二RF路径是用于TDD网络中使用的相同路径。
27.如权利要求25所述的AFR，还包括：通过参数可以受调整以改变AFR中的RF路径的DL和/或UL传递函数的电路元件装配从BF天线端口到UF天线端口的DL路径和/或从UF天线端口到BF天线端口的UL路径，并且改变参数以创建有助于MU-MIMO的信道矩阵。
28.如权利要求25所述的AFR，还包括：AFR的BF天线，其具有指向固定位置的窄波束。
29.如权利要求25所述的AFR，其中，NUF≥NBF。
30.如权利要求25所述的AFR，其中，每个UF天线产生多个波束。
31.如权利要求25所述的AFR，还包括：天线，其具有可引导或可切换的方向性波束，并且天线波束的方向基于覆盖区域中的UE的分布受引导或打开/关闭。
32.如权利要求25所述的AFR，其中，AFR能够产生多个同时UF波束，以用于要么将DL发送到UE，要么从UE接收UL，基于检测UF波束的覆盖区域中的UE的存在或缺失打开或关闭UF波束。
33.如权利要求25所述的AFR，还包括：使用第一频带与BS进行通信，并且使用第二频带与UE进行通信。
34.如权利要求25所述的AFR，还包括：选择AFR的增益，包括：确定可以允许的通过AFR循环的残留自干扰所引入的最大延迟扩展S；选择AFR的增益G，从而G+A<L<0，其中，G是AFR的增益，A<0是在Rx天线处看见的Tx信号的衰减，L<0是在Rx天线处看见的环路增益，全都以dB为单位；以及nD≤S，其中，D是AFR的延迟，并且其中，X是以dBm为单位的到达AFR的来自BS或UE的远程信号的功率。
35.一种用于具有AFR的MIMO网络中的用户分组和频率资源的方法，包括：估计总信道参数，包括但不限于不同UE的总信道的相关性、延迟扩展或相干带宽、CQI、CEE和SII；基于这些UE的总信道参数将这些UE选择到群组中，从而当AFR出现时，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的总信道矩阵计算预编码和/或检测矩阵；以及在AFR出现的情况下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。
36.如权利要求35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。
37.一种用于具有使用具有高度方向性波束的依赖于LoS的频率的通信系统中的靠近地定位的UE的MU-MIMO的方法，包括：靠近地定位的UE，其使用设备到设备短距离无线链路进行通信，以协调每个UE的发送和/或接收波束的方向，从而UE调谐其发送和/或接收天线波束方向，以通过来自MU-BF器和/或一个或多个AFR的多个波束协助MU-MIMO通信。
38.一种MU-MIMO通信系统，具有包括：一个或多个MU-BF器，其使用高度依赖于LoS的方向性波束，以将无线回程提供给小型小区；AFR集合，其结合MU-BF器工作，以扩展MU-BF器的覆盖，克服LoS依赖性，和/或增加MU-BF器与所标定的小型小区之间的信道的多径富度；以及小型小区集合，其操作在与无线回程不同的频率中。
39.一种MU-MIMO通信的方法，包括：基于UE的数量、支持期望的调制和编码方案所需的SINR以及信道的估计来估计MU-MIMO系统中所需的RF路径和/或天线的数量；以及打开充足数量的RF路径和/或天线，以执行MU-MIMO通信。
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