CN108668524A - 通过智能自组织无线分布式有源天线增强的蜂窝无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了用于智能控制和管理的容量投射器(CaP)，其收集关于信道条件、实际和/或预测的连接需求、数据吞吐量和其在将来使用信令和控制消息的第一时间段的分布的信息，分析所收集的信息以识别在第一时间段内产生期望的MU‑MIMO通信信道所需的BS和CaP的配置，以满足第一时间段的连续性和数据吞吐量需求及其分布，并且自适应地控制和配置CaP，以主动塑形所述MU‑MIMO通信信道，从而满足预测的需求及其分布，其中，控制和配置CaP包括：实施哪些CaP以切换到睡眠模式或工作模式，调整以下一个或多个：传输功率增益、天线倾斜、波束方向、和/或发射机和/或接收机的模式、接收和/或发射信号的滤波。

Description

通过智能自组织无线分布式有源天线增强的蜂窝无线通信 系统
本申请要求2016年1月27日提交的美国临时申请No.62/287,521的权益。
技术领域
本发明总体上涉及蜂窝无线通信系统，更具体地，涉及使用分布式容量投射器(Capacity Projector)的智能控制和自组织来增强多输入多输出(MIMO)蜂窝无线通信系统。
背景技术
为了满足移动数据的持续快速增长的需求，无线产业需要能够在覆盖区域中以合理的成本向包括小区边缘处的多个用户同步提供非常高的数据速率的解决方案。目前，无线电信产业专注于小型小区的紧密部署，即所谓的超密集网络，以增加无线频谱的空间重用性，作为满足日益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，并产生复杂的小区间干扰。干扰问题的一个解决方案是需要精细的射频(RF)测量和规划以及小区间协调，这显著增加了部署成本并降低了频谱效率。另一解决方案是自组织网络(SON)技术，其感测RF环境，通过干扰和发射(Tx)功率管理、协调传输和切换来相应地配置小型小区。自组织网络降低了对精细射频测量和规划的需要，代价是增加了管理开销并降低了频谱效率。布局支持大量小型小区的回程网络是昂贵。
用于增加无线频谱的空间再利用的另一方法是MIMO，特别是多用户MIMO(MU-MIMO)。在无线通信系统中，具有多个天线、基站(BS)或用户设备(UE)的无线节点可以使用下行链路(DL)或上行链路(UL)中的波束成形来增加信噪比(SNR)或信号与干扰加噪声比(SINR)，从而增加数据速率。MU-MIMO可以在频率和时间块(例如资源块(RB))中同时对多个UE波束成形，即，使用空间复用提供容量增长而不需要增加带宽。虽然具有大量天线的MIMOBS可以通过波束成形来扩展其DL覆盖范围，但是UE的SINR可以随BS与UE之间的距离增加而快速衰减，这是因为远离BS的UE由于大规模衰落、阴影和其它因素而相比于靠近BS的UE具有显著更低的SINR。此外，UL范围以及因此的UL信道估计精度受到UE的发射功率的限制。在BS获知UE的信道之前，它不能执行波束成形。由于上述缺点，大型天线系统仍然面临BS的覆盖不均匀，这降低了用户体验，不能满足下一代网络的要求。
我们于2015年1月16日提交的名称为“Beamforming in a MU-MIMO WirelessCommunication System With Relays”的临时专利申请(PPA)62/104,086提出了使用放大前向转发器(AFR)增强多用户波束成形系统的发明，其中，AFR对于UE是透明的。注意，在本申请中，具有本发明实施例的转发器称为容量投射器(CaP，Capacity Projector)。图1和图2分别示出CaP增强集中式系统和CaP增强分布式系统。PPA 62/104,086解决了广泛分布在覆盖区域的大量中继器和MU-MIMO的无线网络的许多技术挑战，包括BS和中继器上的大量天线、全双工中继器的条件和布置、总信道的有效估计以及使用总信道的MU-MIMO波束成形。此外，对于亚6GHz频带和对于厘米波与毫米波(mm波)频带两者，其向使用MU-MIMO和带内或带外中继器的密集网络提供了显著更有利的解决方案。然而，其缺乏本发明的智能控制和学习以及有源信道塑形能力。
附图说明
图1示出CaP(容量投射器)增强集中式系统。
图2示出CaP增强分布式系统。
图3示出跳跃节点识别和上行链路回路避免的实施例。
图4示出CaP功率增益对来自至少一个包括一个或多个CaP的多个RF路径的噪声和信号功率电平的适当对准的影响。
图5示出CaP控制方法的状态转换图。
图6示出BS控制方法的状态转换图。
图7示出混合控制方法的状态转换图。
图8示出使用CaP实现位置感测组织和智能有源信道的示例。
图9示出具有天线倾斜调整的一种智能UE跟踪方法。
图10示出具有天线辐射模式的调整的一种智能UE跟踪方法。
图11示出工作模式下利用CaP的负载平衡方法之一。
图12示出利用工作模式下相互相邻单元间隔开的两个单元之间的CaP的负载平衡方法之一。
图13(1)和(2)示出利用两个相邻单元之间的冗余CaP的负载平衡方法之一。
图14示出CaP置于两个或更多个BS之间并且可以关联任一个。
图15示出TDD网络中可以切换成用作任一侧BS的放大转发转发器的CaP的电路。
图16示出FDD网络中可以切换成用作任一侧BS的放大转发转发器的CaP的电路。
图17示出屋顶上的两个移动电力系统，其将高层建筑物一侧的BS的信号投射到建筑物的另一侧。
图18示出了两个相邻小区之间的干扰协调。
图19示出了两个相邻小区之间的联合处理干扰。
具体实施方式
现在可以参考附图，其中，相同的附图标记始终表示相同的部分。现在可以描述本发明的示例性实施例。示例性实施例用以说明本发明的各方面，而不应解释为限制本发明的范围。当参考框图或流程图描述示例性实施例时，每个框可以表示方法步骤或用于执行方法步骤的装置元件。取决于实现方案，相应的装置元件可以用硬件、软件、固件或其组合加以配置。然后，探测或导频信号可以指一个天线发送的用于估计发射天线和一个或多个接收天线之间的信道的信号。其也可以称为参考信号、信道估计信号或测试信号。
本申请介绍了使用可控CaP构建动态和智能适配无线通信系统以及学习与自适应组织的机制的发明。实施例包括动态容量分布、投射和负载平衡、使用传感器信息、学习、新CaP的进入、CaP路由更新、功率管理，自适应UE跟踪、智能干扰协调、分布式有源天线、增强MIMO空间复用和有源信道塑形。注意，CaP可以具有任一个接收发射路径或多个接收发射路径。前者是单输入单输出(SISO)CaP，后者是MIMO CaP。
考虑CaP增强型多用户波束成形无线通信系统，其中，CaP 2部署在集中式系统中的每个BS 1周围以改善小区边缘或弱信号区域中UE 3的覆盖，如图1所示，或者，CaP 6部署在每个远程无线电头(RRH)5周围，其经由分布式系统中的前程传输连接到中央BS，以扩展BS的覆盖范围或增强弱连接区域中的UE 7的信号质量，如图2所示。Cap对于UE是透明的，这意味着它等同于无线信道中的散射，除了它可以增强转发信号的功率和/或修改转发信号的其他属性，包括波形、波束模式和方向。BS与CaP之间的信道、CaP与另一CaP之间的信道以及CaP与UE之间的信道可以包括在UE与BS之间的总信道中。注意，CaP可以用多天线加以配置，其可以进行加权和组合以实现波束成形，可以调整天线倾斜、波束模式和天线的水平波束方向。
在系统中添加新Cap
对于CaP增强系统，可以根据系统的实际需要添加CaP，其过程描述如下。
进入网络
在部署和通电时，CaP使用与无线通信网络中的常规UE(例如像LTE/LTE-A网络中的UE)相同或类似的过程向BS注册。然后，BS定位CaP，并将CaP的位置记录到其存储器。BS向CaP分配与UE的特殊连接标识不同的特殊连接标识(CID)。
跳跃节点标识和上行链路回路避免
在获得对网络的访问并且在BS中注册后，无线电资源将分配给新添加的CaP以在上行链路中以功率电平Pn(t，i)发送探测信号，其中，下标表示其是以功率级别i在方向t上发射的新添加的Cap。在此时段期间，现有范围内的CaP将监听探测信号，其中，范围内的CaP是新添加的CaP周围的CaP，其可以基于以所选功率级别i衰退的大规模的估计而从新添加的CaP接收信号。接收其信噪比(SNR)或接收信号强度指示(RSSI)或其他等效指示大于预定义阈值的探测信号的CaP将其CID反馈给BS，其中，集合用于包含所有这些CID，上标k(r)表示第k个接收CaP的接收方向r。然后，BS将资源分配给集合中的这些Cap，以便以功率级别Pk(s，j)发送上行链路或下行链路探测信号，其中，下标表示其是在方向s上以功率级别j发射的第k个CAP。新添加的CaP计算接收信号的SNR或RSSI或其他等效指示以识别CID并将其反馈回BS，其中，集合用于包含所有这些CID。然后，属于而不属于的这些CID是处于发射功率电平i和方向d(t，q)的新增加CaP的跳跃节点以及处于发射功率电平j和方向d(r，s)的跳跃节点，其中，d(·，·)中的第一个变量是发射方向，第二个是接收方向。跳跃节点记录在BS的存储器中。由于属于和的CID将导致CaP之间的循环，因此需要避免使得以这些功率级别同步地发射它们，这也记录在BS的存储器中。图3中示出了一个实施例，CaP A8表示新添加的CaP。在接入BS9后，其首先在功率电平和方向上发送上行探测信号。检测后，所选接收方向上的CaP D 10、E 11和H 12的SNR大于预定阈值，并它们将其CID反馈给BS，这意味着BS 9将三个探测信号发射机会分别分配到D、E和H。然后，CaP D 10、E 11和H 12用上行链路发射天线以指定功率电平和方向发射探测信号。检测后，CaP A将与CaP D和E相关联的CID馈送到BS，这是因为相关联的SNR大于预定阈值，这意味着因此，在所选功率电平和方向上，CaPA的跳跃节点为CaP H，而CaPA和CaP D与E在同步工作时会导致循环。在特殊情况下，每个CaP只有一个固定的发射功率和/或固定的发射和接收方向。
CaP的智能和学习组织
在一个实施例中，BS可以向一个或多个CAP发送控制信号以控制其参数，包括下行链路中的传输功率增益、发射方向、接收方向、接收信号的滤波、发射信号的滤波、睡眠模式和唤醒模式之间的切换。基于服务需求管理的输出或使用实际和/或预测的UE分布、吞吐量需求分布、信道条件等的优化计算，BS做出关于要向一个或多个Cap发送哪些控制信号的决定。在另一实施例中，BS使用信道估计以外的来自源的信息和来自UE的信息以做出关于CaP的管理的决定。这些其他的源包括以下中的一个或多个：测量用户分布的其他传感器(例如监控摄像头、运动传感器)、事件日程表(如游行、大型表演和会议等)、天气条件以及收集的关于无线网络的历史数据。来自这些其他源的信息可以通过一个或多个BS或管理模块经由网络连接(有线或无线)来访问，或者手动进入到BS或管理模块，其使用该信息帮助预测容量需求的空间和时间分布，并且容量分布算法(CDA)使用这样的信息来确定如何配置CaP来投射BS的容量以满足预测的需求。在另一实施例中，测量BS的容量的分布与来自UE的需求的分布的匹配程度如何，并且将测量反馈给CDA，CDA使用反馈来改善自身。这种学习过程改善了CDA的性能。
另一实施例包括学习算法或模块，以学习用于管理CaP的所需决定。学习算法或模块基于用于作出决定的信息，包括信道估计、来自UE的反馈、其他信息来源(如监控摄像头、传感器、天气、事件时间表)，评估决策的影响，比较预测和实际得到的容量需求分布的差异，修改决策规则，使得未来的决策变得更好地匹配实际得到的容量需求分布。
在一个实施例中，BS存储从BS到CaP的一个或多个路径的列表，其中，而存储路径包含在什么参数上使用哪个或哪些CaP以向最终Cap的区域的覆盖范围中的UE提供覆盖范围的信息。最终CaP是从BS的路径中的最后一个CaP。当CaP工作在感测状态时，其监听其覆盖区域中的容量需求，并直接或通过一个或多个路径反馈给一个或多个BS。当第一BS接近或超过容量时，如果存在可以将覆盖范围投射到第一BS的覆盖区域中的第一CaP，并且存在具有可用容量的第二BS以及到达具有所需SNR的第一CaP的路径，第二BS激活路径并且使用第一CaP将第二BS的容量投射到第一BS的覆盖区域。
传输功率增益
蜂窝网络的最重要特点之一是UE的运动导致的UE的分布随时间变化。因此，智能Cap应该能够根据其覆盖范围内的UE分布自适应地调整其传输功率增益。在用于自适应调整传输功率增益的一个实施例中，CaP独立地调整功率增益而不涉及BS。CaP在其大于预定阈值(例如，支持最大调制和编码方案(MCS)的所需值)的情况下测量上行链路中接收到的信号的平均RSSI/SNR，然后其分别降低下行链路和上行链路中的功率增益。否则，其分别增加下行链路和上行链路的功率增益。一个实施例是在Cap的最大功率增益被量化到Npg步骤，其中，Cap每次降低功率增益一个步长。但是，CaP可以每次增加多个步长。在一个实施例中，CaP在接通电源时以最大功率增益转发接收信号，并基于其后的信道条件调整功率增益。
在另一实施例中，在BS的帮助下实现CaP的功率增益的调整。BS根据SNR/MCS/RSSI级别或由CaP覆盖的UE的信道质量的其他等效指示来调整CaP的功率增益。BS发送相应的控制消息以通知CaP增加或减少传输功率增益。功率增益降低可以是连续的，一次一个步长或者一次多于一个步长。在一个实施例中，BS基于对UE的位置的估计和记录的CaP的位置来了解每个CaP覆盖了哪些UE，例如，UE在其与CaP之间距离小于特定值(例如最大覆盖半径)的情况下被称为由CaP覆盖。如果BS获知由CaP覆盖的一个或多个UE的SNR/RSSI等级或其他等效指示低于其可以支持的最小MCS级别所需要的或者由CaP覆盖的一个或多个UE的可实现吞吐量低于上行链路和/或下行链路中所需的服务质量(QoS)，则其向CaP发送消息以增加其上行链路和/或下行链路功率增益。或者，如果BS获知由CaP覆盖的所有UE的可实现吞吐量大于上行链路或下行链路中所需的服务质量(QoS)，则其可以将控制消息传送到CaP以降低功率增益。
在具有CaP的MU-MIMO网络中，当通过空间复用使用相同的频率资源服务两个UE时，如果CaP使用大的增益来放大BS从第一UE 13接收到的信号，则BS接收到的第一UE的放大信号的噪声级别14可以变得高于BS接收到的第二UE16的信号的噪声电平15(如图4-a所示)，或甚至高于第二UE的信号17(如图4-b所示)。结果，当在MU-MIMO网络中使用多个CaP并且在整个覆盖区域不管理它们的增益时，来自一个CaP路径的噪声可掩埋来自另一CaP路径的信号。在一个实施例中，BS分析来自要在相同频率资源上服务的多个UE的信道，并且降低或增加所涉及的CaP的增益，使得来自多个空间多路复用流的噪声电平18大致相同，如图4-c所示，从而避免来自一个UE的噪声电平通过一个或多个CaP以降低另一UE的SNR，无论其信道中是否有一个或多个CaP。
自适应模式切换
除了自适应功率增益调整实施例之外，CaP还可以配备有自适应模式切换，在工作模式和睡眠模式之间切换。在工作模式下，CaP执行放大和转发。在睡眠模式下，CaP不执行放大转发以省电。然而，在两种模式下，CaP周期性地测量接收到的上行链路信号强度，并从BS接收控制信号。用于自适应状态切换的三种方法呈现如下。
方法I-CaP控制：对于工作模式下的CaP，其周期性地测量表示接收到的上行链路信号的信号强度的RSSI或其他等效指示。如果测量的RSSI在一段时间内连续低于预定阈值(例如可以访问网络的最小RSSI)，则其表示在CaP的覆盖范围内没有UE或下一跳CaP已经切换到睡眠模式。CaP将切换到睡眠模式。在睡眠模式下，CaP仍然需要至少做两件事。其定期测量上行链路信号的RRSI，注意两次连续测量之间的时间间隔可能与工作模式下的不同，例如更长的时段。同时，其接收来自BS的控制消息。在睡眠模式下，当所测量的RSSI在一时间段内连续地大于预定义的阈值(例如，可以访问网络的最小RSSI)时，其表示有进入CaP的覆盖范围的UE。然后，CaP唤醒并切换到工作模式。图5示出利用这种方法的工作模式19和睡眠模式20之间的状态转换图。应用示例是在一段时间上形成和消散的大型聚集。通过可控的Cap，可以节省大量的电力，同时可以确保无线通信的质量。其他类似的应用场景包括办公楼的会议、商场的销售活动等。
方法II-BS控制：在本实施例中，BS例如使用CaP的已知位置和每个UE的估计位置(使用如前所述的CaP ID、事件调度、UE分布的历史数据或其他方式)，获知CaP的覆盖范围内的UE的分布。当BS基于UE的测量、估计或预测分布而确定或估计出将CaP切换到睡眠模式是更有利时，其向CaP发送控制消息以命令CaP切换到睡眠模式。当CaP处于睡眠模式时，如果BS基于UE的测量、估计或预测分布而确定或估计出将CaP切换到工作模式是更有利时，BS向CaP发送控制消息将其唤醒。睡眠模式下的CaP仍然需要从BS接收控制消息，其类似于从LTE接收LTE/LTE系统中常规商用终端的BS接收寻呼消息。CaP可以扩展寻呼消息接收之间的间隔以节省电量。图6示出该方法的工作模式21和休眠模式22之间的状态转换图。
方法III-混合控制：此方法是方法I和II的组合，其中，CaP控制睡眠和工作模式之间的切换，而BS监督CaP并且可以覆盖CaP的决定。此方法可以降低CaP错误切换到模式从而影响通信质量的概率。当CaP处于工作模式时，其如方法I中描述的那样监视RSSI或其他等效指示，并且其在RSSI低于预定义的阈值时向BS发送状态切换请求消息。BS使用对其可用的UE的分布的测量、估计或预测来验证切换。如果BS拒绝该请求，则CaP从BS接收否定确认(NACK)消息，并且CaP不执行该切换。否则，CaP在未检测到NACK消息情况下或一旦从BS接收到确认消息时切换到睡眠模式。CaP在其获知平均RSSI高于预定义阈值的情况下直接从睡眠模式切换到工作模式，并发送状态切换消息以通知BS。BS还可以基于对BS可用的UE的分布的测量、估计或预测来覆盖该切换。此外，如果BS确定或预测某些UE将进入或正在进入CaP的覆盖范围，则其发送控制消息以通知CaP在其处于睡眠状态的情况下切换到工作模式。图7示出这种方法的工作模式23和睡眠模式24之间的状态转换图。
位置感知组织和智能有源信道
在用于识别UE与一个或多个CaP的关联的另一实施例中，CaP广播其CaP ID，接收CaP ID的UE将CaP ID反馈给CaP和/或直接或通过CaP间接地反馈给BS。或者，CaP将其CaPID添加到其使用指定资源元素向BS发送的信号。在一个实施例中，UE可被多于一个CaP覆盖。在另一实施例中，UE仅被一个CaP覆盖。在该实施例中，一个或多个BS使用MIMO对一个或多个CaP波束成形，对于每个CaP具有一个或多个数据流，并且每个CaP可以与其覆盖区域中的一个或多个UE进行通信。由于BS将空间流与单个CaP相关联，因此如果空间流的DL或ULSNR/RSSI等不够强，则相应CaP容易识别，并且对应方向上空间流相关联的CaP的功率增益可以增加以提高SNR/RSSI等。在每个CaP每次与DL和/或UL中的一个UE进行通信的情况下，CaP使用所有频率资源与该UE进行通信，并且如果CaP具有多个天线并且能够进行MIMO，则其使用单用户SU-MIMO与该UE进行通信。在每个CaP每次与DL和/或UL中的多于一个的UE进行通信的情况下，使用不同的频率资源来与不同的UE进行通信。在这种情况下，BS通过空间复用使用相同的频率资源与多个CaP进行通信，但是CaP下的每个UE使用不同的频率资源。此外，如果CaP具有多个天线并且能够进行MIMO，则其可以使用多用户MU-MIMO空间复用与利用相同频率资源的多个UE进行通信，从而提高频谱效率。AFR CaP可以使用模拟波束成形电路来执行MIMO波束成形。将接收到的信号下变频到基带并对接收到的信号执行FFT的CaP可以执行调谐到子载波的MIMO波束成形。
在多于一个CaP覆盖的UE将接收到的信号下变频到基带并对接收到的信号执行FFT的情况下，代之BS通过多于一个的CaP使用全部信道直接对UE波束成形(如PPA 62/104,086中所述)，一个或多个BS可以利用多于一个的CaP波束成形，并且多于一个CaP协调以与UE一起预成形MIMO。如果UE具有多于一个天线和RF链路，则多于一个的数据流可以通过UE波束成形。该实施例易于扩展到每一个均被多于一个的CaP覆盖的多个UE，其中，多于一个的CaP与Cap覆盖的多个一个UE协调以执行分布式MU-MIMO。
在位置感测实施例中，BS的广播/控制信道使用具有高发射功率的宽天线波束覆盖大面积，但是数据信道使用仅覆盖小区中心的低传输功率，并使用CaP扩展数据信道以覆盖小区边缘，扩展数据信道覆盖范围以匹配广播信道。BS记录CaP的位置。BS还可以保持每个CaP周围的位置的典型或历史信道特征。BS使用广播信道将UE注册到网络中并控制CaP。当待服务的多个UE的位置也是已知时，BS使用其对CaP的位置的知识(可选地，其对每个CaP周围的位置的典型或历史信道特征的知识)来决定要开启和/或关闭哪个CaP，和/或如何配置CaP的增益和/或其他传递函数特性以实现期望的信道矩阵和吞吐量。该实施例可以通过交织CaP的开/关(即关闭处于服务两个空间分离的UE或两个空间分离的UE组的CaP之间的Cap)，来大大减少多个空间复用波束间的干扰。通过使相邻小区协调调度UE以使得CaP的导通/关闭具有另一种交织(即，小区边缘处的交织开/关模式)，其还可以大大减少相邻小区之间的干扰。两种情况如图8所示。在图8中，在由数字25表示的BS1的覆盖区域中，将CaP划分为5组，用数字27,28,29,30和31表示。类似地，在数字31表示的BS2的覆盖区域中，CaP也被划分为5组，即数字32,33,34,35和36所示。为了避免小区内和小区间干扰冲突，在BS125下，组28和31中的CaP被关闭并且组27,29和30中的CaP被打开，同时在BS226下，组33和36中的CaP被打开并且组32,34和35中的CaP被关闭。如果UE的位置不准确，则BS确定UE在一个区域内的位置，覆盖区域与UE的区域重叠的一些或全部CaP被选择开启，考虑到交织以减少干扰。
代替使用用于控制信道的具有广泛覆盖天线的高功率发射机，低功率发射机可以与分布式放大和转发转发器结合使用以用于控制信道。这样的转发器可以与CaP分离并使用指定的频率范围，或者与用于数据信道的CaP集成在一起。在后一种情况下，控制信道和数据信道在CaP中使用分离的电路，使得当CaP没有UE服务时，可以关闭用于数据的电路。或者，控制信道和数据信道使用相同的电路，但是控制信道使用小的频率范围，因此当CaP没有UE服务时，CaP在数据信道频率范围内不输出信号功率。
在上述位置感测实施例中，BS需要知道UE的位置以确定哪些CaP打开/关闭。UE确定其位置可以使用GPS或其他地理定位系统，或者使用来自多个BS的蜂窝信号，并将其位置反馈给BS。在另一实施例中，代之知道UE的位置，BS可以代之收集关于哪些CaP向UE提供良好覆盖的信息。在一个实施例中，在特定时间和/或时隙中，每个CaP将其ID(CID)插入到DL中以广播到其覆盖区域，并且接收CID的UE在UL中将其反馈给BS。BS可以使用该信息确定哪个CaP打开/关闭，而不是使用相对于位置的UE的位置和/或基于位置的信道特性。为了能够检测到达同一UE的多个CaP的CID，不同的CaP可以使用不同的时间和/或频率资源来广播其CID。当新的CaP添加到网络中或者当网络复位或BS重新启动时，用于广播CID的时间和/或频率资源可以重新分配给CaP，并且足够分离的CaP可被分配相同的时间和/或频率资源用于广播CID。
在另一实施例中，使用定位设备的网络来使BS或CaP能够经由设备到设备(D2D)通信或机器型通信(MTC)检测UE的存在。部署在CaP上或附近的多个低能量无线定位设备(WPD)使用无线协议和不同于用于蜂窝通信的BS和CaP所用的频带的频带(例如，ISM2.4GHz范围内的蓝牙)，检测UE广播的邻近各UE的设备ID。当一个或多个WPD检测到其邻域中的UE的存在时，WPD将其报告回与其相关联的CaP，并且CaP获知UE处于该WPD的覆盖范围内，其可以使得很小以提高确定UE位置的精度。或者，每个WPD广播唯一标识符，并且UE向BS回报其接收的唯一标识符。BS使用唯一标识符的位置来确定相关联的WPD所覆盖的区域，从而确定UE的位置。BS然后可以查找可覆盖该区域的Cap。然后，BS可以使用该信息控制CaP的开/关和/或配置。CaP还可以探测UE发送回BS的WPD标识符，并在其覆盖区域中确定UE的存在。在CaP获知在其覆盖区域中存在或不存在UE的实施例中，在该覆盖区域中没有UE时关闭CaP的决定可以由CaP在本地进行，而在其覆盖区域中存在一个或多个UE时接通CaP的决定也可以由CaP在本地进行。在后一情况下，BS仍然可以基于其对期望网络组织的分析来接通/关闭CaP，以在BS的覆盖区域中实现UE的所需吞吐量。上述实施例也可以应用于小型小区，其中，小型小区获取关于在使用WPD和D2D通信检测到的其所需覆盖区域中UE的存在或不存在的信息，并且在其期望的覆盖区域中没有检测到UE的情况下关闭小型小区。
利用本申请中描述的功能，分布在一个或多个BS的覆盖区域中的CaP的使用在一个或多个发射机与一个或多个接收机之间(例如在一个或多个BS和一个或多个UE)创建智能可控的有源无线信道。这与无源、仅衰落和不可控的传统无源信道相反。本发明的实施例可以经由一个或多个CaP(即可控的智能有源转发器)改变从发射机到接收机的射频路径，通过改变沿着RF路径的一个或多个CaP的开/关、波束方向、波束模式、功率增益、相位、频率选择性或延迟扩展，可以改变多个信道特性。在MIMO设置中，分配的CaP的上述参数或状态可以配置为产生有利于高阶空间复用的更好的调节信道矩阵。
分布式有源天线和多层MIMO波束成形
在MIMO网络中，分布式CaP可以认为是这样的分布式有源天线：其可受控并配置为增强MIMO性能，如在MU-MIMO系统中改善用于高阶空间复用的信道矩阵的条件数。在RF链路中具有转发器的效果之一是由于多路径的增加而导致的延迟扩展的增加，这降低了相干带宽。均衡滤波器可用于CaP的每个放大转发路径，以减少这种影响。或者，可以关闭导致信道的大延迟扩展的CaP，或者可以降低其增益以减小其范围。在MIMO网络中，当波束成形预编码包括信道估计中的CaP的影响时，来自多个放大前向电路路径的信号将在其想要的UE处相干地相加。波束成形预编码可以在BS中央执行，或者在BS处执行波束成形的一部分，而在CaP处执行其他部分。在具有多个放大正向电路路径的单个MIMO CaP中，CaP可以获得从CaP到接收机的信道估计，并使用信道估计来控制嵌入有每个放大转发电路路径的滤波器的参数，以确保当来自CaP的多个放大转发电路路径的信号到达接收机时，它们相干地相加。
在一个实施例中，MIMO波束成形包括两层。在第一层中，通过使用模拟波束成形电路或基带数字预编码，一个或多个BS将对于分布式CaP的多个数据流波束成形。然后执行第二层预编码以对UE进行波束成形。这两层可以在BS处执行。通过使CaP和UE发送UL探测信号或通过BS发送DL导频信号并使CaP和UE返馈信道估计到BS，BS可以获得BS和CaP之间的信道估计和从BS到UE的总信道的估计。通过使Cap配备有基带处理器或数字受控RF波束成形电路，也可以由CaP执行第二层波束成形。在这种情况下，通过从UE接收UL发声信号或通过CaP发送DL导频信号并使UE将信道估计反馈给CaP，CaP可以获得UE和CaP之间的信道的估计。对CaP执行第一层波束成形的优点在于，BS可以以较高SNR接收UE在UL中发送至BS的用于信道估计导频的探测信号，从而提高了波束成形的第二级的信道估计的精度。也可以在BS上或CaP上或两者上使用高度定向天线(优选地，可导向的或可切换的)，以实现对CaP的MU波束成形的第一层。执行基带波束成形(例如使用预编码或检测矩阵)，用于经由CaP与UE通信。这是一个硬件内置的两级波束成形。
在另一波束成形实施例中，代替使用包括CaP的影响的总信道估计通过CaP的分布式天线使BS直接对UE波束成形，BS明确地对CaP和UE两者波束成形，将CaP和UE都视为波束成形的目标，即视为数据的最终接收者或数据的原始源发射器。换言之，MU-MIMO预编码或检测计算将把活动的每个CaP视为仿佛其为UE。这是MU-MIMO的创新扩展，这是因为要发送到或从CaP接收的数据是发送到或来自UE的数据和信道矩阵的函数。结果，波束成形计算需要两步过程，以首先估计要应用于向或从UE发送或接收的数据的预编码或检测矩阵，以获得要向或从Cap发送或接收的数据。然后，使用到或来自CaP的估计数据，通过将CaP和UE两者视为数据的最终接收者或数据的原始源发送器来获得MU-MIMO预编码或检测矩阵。
在一个实施例中，存在足够数量的CaP，并且它们的一部分是冗余的，这意味着预期覆盖区域中的一些或全部子区域被多个CaP覆盖，并且所有CaP上的天线数量之和远远超过到UE的空间复用流数。一个或多个BS选择使用哪些CaP来创建用于MU-MIMO的有利信道条件或信道矩阵。BS具有CaP位置的知识，并且可以获得BS与每个CaP之间以及多跳RF链路中CaP之间的大规模衰落信道的知识。BS还可以通过建模或通过来自CaP的反馈以获得CaP间大规模衰落的估计，这是因为通过在一个CaP发送用于信道估计的导频信号时使所有其他CaP接收，CaP可以获得CaP间大规模衰落的估计。BS使用这样的信道信息来选择和配置CaP和相关联的分布式天线，并且将波束调度到具有低的波束间干扰(可选地，低的小区间干扰)的其覆盖范围下的CaP和UE。配置所选择的CaP可以包括但不限于设置CaP的增益、传递函数、均衡滤波器、天线方向和波束模式，目的在于创建优化在给定时隙中经过所选择的多个CaP的调度UE的组的总吞吐量的信道。
具有多个接收-发射天线对的MIMO CaP的问题在于，由于天线的紧密接近或由于希望保持CaP的尺寸很小并且在紧凑的壳中包围服务天线或服务天线和链路天线两者所引起的它们的信道的相关性。服务天线是向UE提供服务的天线，并且链路天线是向BS提供无线链路的天线。当两个更接近位置的服务天线具有高度相似的方向和辐射模式时，相关性特别高。克服这种情况的一个实施例使用具有不同特征的服务天线来减少多个服务天线的信道的相关性，包括但不限于不同的极化(线性或圆形极化的不同方向)、不同的轨道角动量和不同的波束方向。在2×2MIMO CaP的一个示例中，一个服务天线是定向的，另一天线是全向的。在4×4MIMO CaP的另一例子中，两个天线以一个轨道角动量交叉极化，另外两个天线以另一轨道角动量交叉极化。此外，可以使用多个放大前向电路路径中的不同滤波来减少信道的相关性以支持空间复用。CaP或BS获得信道的估计及其相关性，计算期望的滤波器参数以减少相关性，并且发送命令以将嵌入有一些或所有放大前向电路路径的滤波器的参数改变为期望值。
整体网络优化
本发明的移动网络可以包括多个宏BS、多个小型小区和足够大量的CaP。网络可以应用本申请中描述的多个智能学习自组织实施例以包括宏BS、小型小区和CaP的控制和配置，从而优化整个网络的吞吐量的信道条件。控制和配置包括在宏BS和小型小区上改变功率、资源分布、调度和UE分组、MU-MIMO配置等，小型小区和CaP的开/关、Cap的增益、传递函数、均衡滤波器、天线方向和光束模式。注意，使用CaP提高网络性能的实施例同样适用于宏BS和小型小区BS两者。
另一实施例是这样的节点：其可以在不同时间在相同频带中用作小型小区或CaP，或者使用一个频带或一组子载波用作小型小区，并且使用另一频带或一组子载波用作CaP。当这种节点用作小型小区时，其使用带内或带外的无线链路作为小型小区使用的用于与UE进行通信的频率，以提供回程。当用作CaP一个或多个这种节点促使延迟扩展太大或相干带宽太窄时，或者当网络性能通过使其用作小型小区得到改善时，它们被切换成用作小型小区。当用作小型小区的一个或多个这种节点在小型小区之间导致太多小区间干扰或者导致难以协调管理小区间干扰时，或者当网络性能通过使它们用作CaP得到提高时，它们切换成用作CaP。一个或多个BS分析要使用哪个配置优化吞吐量，包括哪个节点用作CaP或小型小区、什么增益、用于每个节点的发送和接收参数。在HetNet实施例中，由较大的BS使用第一频带提供广泛的覆盖，并且小型小区使用第二频带提供热点覆盖。节点可以配置为小型小区以服务于带内或带外的无线回程(其可以是第一频带和较大BS的容量或特殊无线回程带)支持的第二频段中的UE，或配置为CaP以使用第一频带中较大BS的容量向UE提供覆盖。
Cap上的智能天线
对于具有多个天线元件的CaP，如果UE均匀地或广泛地分布在CaP的覆盖区域中，则天线的辐射图应该是宽的以覆盖整个覆盖区域以确保可以实现覆盖区域和Cap的多天线增益。然而，在实践中，UE的分布不时地改变，例如，UE仅位于覆盖区域的一部分中，这在CaP的天线辐射模式保持一致的情况下将降低多天线CaP的天线增益并且发射功率被浪费。下面描述用于改变CaP的天线辐射图以匹配UE的分布的两个实施例。
方法I-调整天线倾斜度：用于下行链路的CaP的天线倾斜
传输被量化为和/或离散值，其中，每个值表示从中心的覆盖区域，即从CaP到CaP的最大覆盖范围内的边界，其中，最大值从CaP覆盖范围的中心到边缘，并且每个值表示来自中心的两个边界内的环。BS监视、估计或预测在CaP覆盖范围内的UE的分布，并且传输倾斜和/或环的索引以集中辐射能量以通过调整天线的倾斜和/或光束模式来匹配UE的分布。在这种情况下，每个天线元件可具有相同的倾斜和/或光束模式。图9示出倾斜调整的实施例，其中，N和2比特消息用于通知Cap 36调节倾斜。倾斜0，1，2和3分别对应于从中心到边界0，1，2和3的覆盖区域。
方法II-用于跟踪UE的自适应水平天线辐射模式设计：
当大量的UE在CaP附近移动时，仅调整倾斜和/或波束模式在它们移出当前辐射模式处Cap的覆盖范围时不能覆盖UE。因此，需要水平平面中的自适应天线模式来跟踪UE的移动。在该方法中，BS监视、估计或预测UE的分布，并且BS确定CaP的辐射模式以匹配UE的分布。在一个实施例中，BS确定所需的CaP天线模式的摇摄，并且经由下行链路控制信道向CaP发送控制消息以改变其摇摄以及上述方法I中的倾斜和/或波束模式。另一实施例使用在线模式设计，其中，BS根据UE的分布来计算天线的每个元件的射频(RF)权重系数，使得天线辐射图可以最大程度地覆盖UE。这被称为连续辐射图设计。每个元件的输出权重系数经由下行链路控制信道传输到CaP。又一实施例使用预定义的量化辐射模式，其中，BS选择一个预定义模式以最大程度地覆盖UE，并且通过下行链路中的控制信道将相关联的索引传递到CaP。图10示出了改变CaP 37的波束模式的实施例，其中，波束模式随着UE38移动从模式0改变到模式1和模式2。
负载平衡和重组
由于改变通信量模式或UE分布而导致的小区负载变化可能导致一些小区拥塞，而其他小区被遗留有备用容量。如图11所示，Cell-1的BS-139具有少量的UE 40要服务，而Cell-2的相邻BS-241具有大量的UE 42要服务。结果，有限的无线电资源对于BS2不足以服务其覆盖范围中的所有UE，并且BS1具有备用的无线电资源。由于相邻小区的边界由本发明的CaP增强系统中分别属于两个小区的附近定位的CaP(例如43和44)的覆盖范围加以确定，因此它们可以通过调整相关CaP的传输功率增益和倾斜而适配。
方法I：在一个实施例中，重负载的BS与其相邻小区协商以请求负载平衡，其可以通过经由诸如3GPP中的X2接口的BS之间的接口交换消息来实现，或者负载平衡可以由监督相关的BS的上级管理层协调，例如WCDMA系统中的无线网络控制器(RNC)。当确定需要负载平衡时，重负载的BS向其关联的CaP发送控制消息，该关联的CaP接近于重负载和轻负载的BS之间的当前小区边界，以进入睡眠模式或通过增加天线倾斜、减小波束模式和/或降低传输功率增益来减少其覆盖区域。相反，轻负载的BS向其相关联的CaP发送控制消息，该关联的CaP接近重负载和轻负载的BS之间的当前边界，以通过减小天线倾斜、增加波束模式和/或增加传输功率增益来增加其覆盖区域。该实施例可以扩展到包括两个以上的相邻BS。可以通过评估负载平衡中涉及的相邻BS的负载能力和UE吞吐量来迭代地解决相关CaP的最优倾斜、波束模式和/或传输功率增益。一种可行的实现方法是将倾斜、波束模式和/或功率增益量化为预定义的离散值，并且所涉及的BS每次改变倾斜、波束模式和/或功率增益一步，这意味着可以在少量迭代后获得期望的配置。图11示出两个小区BS-1和BS-2之间的负载平衡的示例，其中，图11a示出了当BS-2被重载而BS-1轻载时没有负载平衡，图11b示出负载与CaP B 43平衡，使得减少其天线倾斜并增加传输功率增益，并且CaP D 44切换到睡眠模式。
当多个相邻BS全部重负载时，可以使用相邻BS之间的若干连续的负载平衡将远程轻负载的BS的额外容量移动到非相邻的重负载小区中。在图12中，BS-145和BS-346分别是轻负载和重负载的，由相互相邻的正常负载的BS-247分开。为了平衡BS-1和BS-3的负载，属于BS-145的CaP B 48减少其倾斜并增加传输功率增益以扩大其覆盖范围，而属于BS-247的CaP D关闭，使得BS-2 47中负载的一部分转移到BS-1以释放BS-2 47中的容量，以便将其投射到BS-3 46中。同时，属于BS-2 47的CaP F 51减少其倾斜并增加传输功率增益以扩大其覆盖范围，而属于BS3的CaP G关闭，使得BS346中负载的一部分传送到BS2 47。在两个连续负载平衡之后，BS-1 45中的备用容量有效地投射到BS-3中，使BS-145，BS-2和BS-346中的UE能够实现所需的吞吐量。更一般地，如果轻负载和重负载BS被多于一个BS分开，则两个BS的负载可以通过相邻BS之间的若干连续负载平衡加以平衡，如上述三个BS的示例。
方法II：在该方法中，在靠近两个相邻小区(例如图13所示的CaP D 51和E 52)之间边界的每个小区中部署一些冗余的CaP。这些CaP的大部分覆盖范围与相邻小区的覆盖范围重叠，例如，天线的全部或大部分主要波瓣投射到相邻小区中。CaP在相邻小区处于正常负载状态时处于睡眠模式。如图13的示例所示，BS-153轻载，而BS-254重载，并在这两个BS之间启动负载平衡。首先，BS-1发送控制消息以通知CaP D 51将其从睡眠模式唤醒。然后，两个BS调整如上面方法I中所述的CaP D51和CaP F55的倾斜、波束模式和功率增益以实现负载平衡。负载平衡状态如图13-(2)所示，其中，CaP F 55的功率增益为0并切换到睡眠模式。类似地，如果BS-1重负载且BS-2轻载，则CaP E 52可以被唤醒。当涉及两个以上的小区平衡负载，可以使用如方法I所述的相邻小区之间的连续平衡。
在一个实施例中，CaP放置在两个或更多个BS之间，并且可以与任何一个相关联，例如图14所示，其中，CaP A 55放置在BS-1 56和BS-257的小区边缘。在一种情况下，当BS-156过载并且BS-257轻载时，BS-1 56在包括CaP A55的第一扇区中减少其功率，BS-257增加其功率并使用CaP A55作为转发器来覆盖以前被BS-1 56第一扇区覆盖的UE。这有效地将BS-2 57容量投射到BS-1以前的覆盖区域。相反，当BS-2 57超载时，BS-1可以使用CaP A将BS-1的容量投射到BS-2 57之前覆盖区域。为了实现这一点，对于TDD和FDD网络，以不同方式设计CaP。在TDD网络中的CaP的一个实施例中，CaP具有与TDD网络下行链路(DL)和上行链路(UL)时序同步的交换电路。当CaP用作BS-156的转发器时，在DL中，交换电路将天线A158连接到接收端口并将天线A2 59连接到发送端口(如图15-a所示)，在UL中，交换电路将天线A260连接到接收端口并将天线A161连接到发送端口(如图15-b所示)。天线可以是全方位的或者相互远离的方向。相反，当CaP用作BS-2的转发器时，在DL中如图15-b那样配置交换电路，在UL中如Y-a那样配置交换电路。注意，图中的PA是功率放大器，可以使用附加增益块和滤波器，图中未示出配置、增益控制和智能控制模块。在TDD网络中的CaP的另一实施例中，TDD转发器具有两个RF路径，每个方向一个。当CaP用作BS-1的转发器时，切换电路如用于DL的图15-c和用于UL的图15-d中所示那样配置信号转发方向。当CaP用作BS-2的转发器时，配置相反。注意，图15-a和图15-b中的转发器可以设计为使得DL和UL无线电路径是对称的，以保持空中信道的信道互易性以获得MIMO的益处。
在FDD网络中的CaP的实施例中，具有单独DL和UL路径的FDD转发器切换为用作BS-166的转发器，如图6-a所示，其中，A1 68和A2 69在DL中分别是接收天线和发射天线，A3 68和A4 69在UL中分别是发射和接收天线，并且切换为用作BS-273的转发器，如图16-b所示，其中，A1 74和A2 75在DL中分别是接收和发射天线，并且A3 76和A4 77在UL中分别是发射和接收天线。图16的实施例使用两对天线。对于仅使用一对天线和双工器的转发器，可以容易地修改开关电路，使得可以根据需要将相同转发器配置为用作BS-1或BS-2的转发器。
在一个实施例中，CaP使用一个或多个定向天线并且引导波束模式最大化或增加来自或去往期望BS或要用作相邻跳点的期望Cap的信号的功率电平。这允许重新组织CaP与BS的关联，并且RF路径中使用的CaP将BS的容量投射到所期望区域。结果，它将CaP在一个BS到CaP或BS到UE的RF路径中的成员资格改变到另一RF链路，例如从用作第一BS的转发器到用作第二BS的转发器。使用其信号相位和可选地功率电平通过使用数字和/或模拟电路得到控制的天线元件阵列，通过波束引导或切换可以电子地实现这种CaP的波束模式的引导。也可以使用在控制器下旋转的电动旋转底座上安装的定向天线来实现这种CaP的波束模式的引导，该控制器搜索使来自或到达期望BS或期望Cap的信号的功率电平最大化或增加的方向，一个期望的CaP。
另一实施例使用一个或多个自发移动CaP，其可以在BS或无线电接入控制器的命令下，在陆地、水上或空中自发地行进以移动到指定的位置和方向，以实现小区之间期望的负载平衡，如上所述。这样的移动CaP包括定位模块，例如GPS模块，并将其位置报告给BS。在BS确定在一位置需要CaP以将一个BS的容量投射到相邻小区的覆盖区域之后，其选择移动CaP，向所选择的移动CaP发送命令，并且移动CaP使用其车载GPS和自发移动功能，以导航到BS指定的位置。这种移动Cap在移动范围较短的情况下可以具有电源线缆，或者包含电池以提供其电源。在使用电池电源的情况下，充电端口设置在移动CaP可以返回到的一个或多个位置以进行自动对接和充电。可以在BS希望移动CaP频繁驻留的位置之一处提供充电端口。一个例子是在屋顶上的两个移动Cap，其在BS的命令下移动到不同角落或位置，以将高层建筑一侧的BS的信号投射到建筑另一侧的城市街道，如图17所示。在图17-a中，两个移动CaP80和81将建筑物A侧的BS-1 78的容量投射到B侧下面的街道，并且在图17-b中，两个移动Cap 84和85将C侧的BS-2 82的容量投射到A侧下方的街道中。另一实施例用图17-a或b中的固定CaP替代两个移动CaP，并且两个CaP配置为将A侧的BS-1的容量或C侧的BS-2容量投射到B侧的街道，或者将B侧的BS-3的容量投射到A侧或C侧的街道。
相邻小区之间的干扰抑制
地形变化、网络配置变化和季节性变化(特别是树叶随着季节变化的外观和减少)可能改变小区间干扰，并且可能导致一些小区向其他小区相比原始计划注入更多的干扰。另一方面，即使具有小的小区间干扰，信号与干扰加噪声比(SINR)可能相对较低，以满足位于小区边缘的UE的要求。在现有技术中，LTE使用协调多点(CoMP)和联合处理(JP)来管理干扰，然而，现有技术仅考虑BS，并且不考虑网络中可控CaP的存在，也不考虑使用智能和来自传感器和互联网的数据。当包括CaP时，过程变得明显更复杂。本发明提出这样的实施例：其控制和配置CaP以增强小区间多点协调和联合处理，减少相邻BS/小区之间的干扰，并提高小区边缘的吞吐量。
方法I-干扰协调：在一个实施例中，靠近小区边缘的CaP调整其天线向下倾斜、波束模式和/或传输功率增益，以实现其自身覆盖区域中的期望吞吐量并且减少对其它小区造成的干扰。如图18所示，如果从来自小区边缘的UE的反馈获知的干扰水平大于阈值，则BS-1 86或BS-2 89或两者可以发起与相邻小区的协商以协调干扰。或者，无线电接入控制器可以基于干扰的测量、估计或预测来发起干扰协调。所涉及的BS将控制消息发送到其相关联的CaP，以基于预定义的优化准则(例如最小化干扰、最大化目标UE的SINR等)来调整天线倾斜、波束模式和/或传输功率增益。如图18所示，优化后，CaP B 87的天线倾斜从B1变为B2，CaP D88的天线倾斜从D1变为D2，CaP B和CaP D的功率增益分别从pB1和pD1变为pB2和pD2。注意，倾斜和传输功率增益的优化可以以分布式模式(例如，所涉及的BS-1和BS-2根据来自彼此的交换消息独立地计算它们)或以集中式模式(例如，管理BS的上层)实现。该实施例可以推广到两个以上的相邻小区。
方法II-联合处理：相邻小区的BS对小区边缘的UE造成干扰。另一个实施例将CaP的功率增益转换为来自或去往两个或更多个干扰BS的放大预编码信号，并且在两个或更多个干扰BS处进行放大的预编码信号的联合处理，以有效地使用CaP增强小区边缘处的SINR，以实现改进的分布式MIMO。换句话说，可控CaP被用于控制投射到相邻小区中的信号的功率电平，并且来自相邻小区的信号被联合处理以增加小区边缘处的UE的SINR。图19示出了CaPB 92和CaP D 93位于靠近Cell-1和Cell-2之间边界的示例。在图19-(a)中，BS-1 90和BS-291处于正常状态，即边界附近的UE独立地由BS-1或BS-2服务，其中，CaP B和CaP D的天线倾斜和传输功率增益分别为B1，gB1，D1和gD1。当确定边界附近的UE的SINR级别低于预定阈值时，无线电接入控制器或BS-1，BS-2或两者都可以发起联合处理。然后，两个所涉及的BS减少天线倾斜并增加其相关联的CaP的传输功率增益，以扩大覆盖区域，即将覆盖范围进一步投射到相邻小区中，如图19-(b)所示，其中CaP B 94和CaP D95的天线倾斜和传输功率分别变为B2，gB2，D2和gD2。可以基于指定的优化标准来优化B2，gB2，D2和gD2的值，例如使小区边缘所选择的一个或多个UE的SINR级别最大化。在这些调整之后，可以通过联合处理更有效地服务重叠覆盖区域中的UE。换句话说，它们由使用分布式MU-MIMO的BS-1 92和BS-2 93服务。BS根据CaP的位置和其覆盖范围中的UE确定哪一个或多个CaP需要调整倾斜、波束模式和/或传输功率增益。实施例可以容易地扩展到多于两个BS的情况。当不处于小区边缘的UE被服务时，相关联的CaP被重新配置以减少覆盖区域，例如增加天线倾斜角度并减小CaP的功率增益，从而减少去往和/或来自相邻小区的干扰。
在另一实施例中，CaP还包括干扰感测模块，该干扰感测模块检测CaP附近的带内干扰，例如，通过估计接收到的信号的SINR或通过在其中UE或BS都不发送的安静时段中监听。基于干扰检测的结果，CaP被配置为调整其增益或开/关以防止局部干扰源的传播。
虽然本发明的优选实施例的前述描述已经显示，描述或示出了本发明的基本新颖特征或原理，但是应当理解，各种省略，替代和变化形式的细节所示的方法，元件或装置及其用途可以由本领域技术人员在不脱离本发明的精神的情况下进行。因此，本发明的范围不应该限于前述的描述。相反，本发明的原理可以应用于广泛的方法，系统和装置，以实现本文所述的优点并且实现其它优点或者满足其他目的。

Claims (76)

1.一种智能无线通信系统，包括：一个或多个多用户多输入多输出(MU-MIMO)基站(BS)；多个可控容量投射器(CaP)，其具有一个或多个接收路径和天线以及一个或多个发射路径和天线；用于智能控制和管理的一个或多个模块，其实现在一个或多个处理器中，收集关于信道条件、实际和/或预测的连接需求、数据吞吐量和其在将来使用信今和控制消息的第一时间段的分布的信息，分析所收集的信息以识别在第一时间段内产生具有多个UE的期望MU-MIMO通信信道所需的BS和CaP的配置，以满足第一时间段的连接性和数据吞吐量需求及其分布，生成并发送相应的控制消息给CaP，并且基于控制消息自适应地控制和配置CaP，以主动塑形具有多个UE的MU-MIMO通信信道，以改善一个或多个BS与多个UE之间的空间复用波束成形的性能，从而满足预测的需求及其分布，其中，控制和配置CaP包括：实施哪些CaP以切换到睡眠模式或工作模式，调整以下一个或多个：传输功率增益、天线倾斜、波束方向、和/或发射机和/或接收机的模式、接收和/或发射信号的滤波。
2.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，用于智能控制和管理的一个或多个模块还包括一个或多个学习模块，评估用于智能控制和管理的模块进行的过去控制和配置决策的有效性以及相关联的条件，并应用学习处理来改进用于智能控制和管理的模块的性能。
3.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，用于智能控制和管理的一个或多个模块进一步使用来自数据库的包含关于无线系统所收集的知识或历史数据的信息，以改进对吞吐量需求的空间和时间分布的预测、或智能控制和管理决策的有效性。
4.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，用于智能控制和管理的所述一个或多个模块进一步从所述无线系统外部的源收集附加信息，包括：天气条件、无线系统的覆盖区域中的事件调度、测量人员的空间分布的传感器、测量人员的时间分布的传感器，以改善吞吐量需求的空间和时间分布的预测或智能控制和管理决策的有效性。
5.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，用于智能控制和管理的所述一个或多个模块进一步确定UE的位置，记录多个CaP的位置和每个CaP的覆盖区域，并且使用UE的位置的信息和CaP的位置和覆盖区域的信息，包括将其覆盖区域中没有UE的CaP置于睡眠模式。
6.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，控制和配置所述CaP还包括：配置所述CaP中的一个或多个以改善用于MU-MIMO的高阶空间复用的信道矩阵的条件数。
7.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，控制和配置所述CaP还包括：配置所述CaP以减少由于使用所述CaP而引起的信道的延迟扩展的增加。
8.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，用于智能控制和管理的一个或多个模块进一步从要在相同频率资源上服务的多个UE分析信道，并且降低或增加所涉及的CaP的增益从而来自多个空间多路复用流的噪声级别，以避免来自一个UE的噪声级别经过一个或多个CaP，从而降低另一UE的SNR，无论其信道中有或没有一个或多个CaP。
9.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，控制和配置所述CaP还包括：配置具有重叠覆盖区域的一个或多个所述CaP以共同对多个UE波束成形，以增强一个或多个BS和多个UE之间的MU-MIMO波束成形。
10.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，具有多个发射路径的CaP使用具有不同极化、波束模式、波束方向或轨道角动量特性的多个服务天线，以减少多个服务天线的信道的相关性。
11.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，具有多个发射路径的CaP在所述多个发射路径中使用不同的滤波来减少所述信道的相关性以支持空间复用。
12.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，具有多个接收路径和/或多个发射路径的CaP在每条路径上变换所述信号以增强所述CaP与一个或多个UE之间的波束成形。
13.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，具有多个发射路径的CaP获得所述CaP与一个或多个UE之间的信道估计，并且使用所述信道估计来控制嵌入有每个发射路径的滤波器的参数，以确保当来自CaP的多个发射路径的信号到达一个或多个UE时，它们相干地相加。
14.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，一个或多个BS执行第一层预编码以将对于一个或多个分布式CaP的多个数据流进行波束成形，并且所述一个或多个BS和/或CaP执行第二层预编码以对多个UE波束成形，并且两个预编码组合以实现所述一个或多个BS与多个UE之间的MU-MIMO波束成形。
15.根据权利要求14所述的智能无线通信系统，其中，所述CaP支持用于BS的信今，以获得BS与一个或多个CaP之间的信道以及所述BS与多个UE之间的总信道的估计。
16.根据权利要求14所述的智能无线通信系统，其中，所述CaP配备有基带处理器或数字控制的模拟波束成形电路。
17.根据权利要求14所述的智能无线通信系统，其中，在已经执行将来自一个或多个分布式Cap的UL信号进行波束成形的第一层预编码后，BS使用UE发送的上行链路(UL)参考信号来获得BS和多个UE之间总信道的估计，以增强BS接收到的来自UE的UL参考信号的信噪比(SNR)。
18.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，一个或多个BS使用波束成形计算的两步处理明确地对所述CaP和UE两者波束成形，所述两步过程首先估计预编码或检测矩阵，其要应用于待发送到UE或从UE接收的数据以获得待发送到Cap或从CaP接收的数据，随后是通过将CaP和UE两者视为数据的最终接收者或数据的最初源发射机而获得的MU-MIMO预编码或检测矩阵。
19.根据权利要求14所述的智能无线通信系统，其中，CaP使用第一频带来接收信号，并且使用第二频率来发送从所接收的信号得到的信号。
20.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，部署冗余的CaP，并且一个或多个BS通过使用CaP的位置和BS与每个Cap之间以及各Cap之间的大规模衰落信道的知识，选择使用哪个CaP来创建用于MU-MIMO的有利信道条件或信道矩阵。
21.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，还包括多个小型小区，其中，用于智能控制和管理的一个或多个模块自适应地控制和配置所述多个小型小区和多个CaP，以主动塑形所述一个或多个BS的MU-MIMO通信信道和具有多个UE的小型小区的通信信道，以改善整个系统的性能。
22.根据权利要求21所述的智能无线通信系统，还包括一节点，其能够在不同时间在相同频带中用作小型小区或CaP，并且所述节点做出在小型小区和CaP之间切换的决定，以改善网络性能。
23.根据权利要求21所述的智能无线通信系统，还包括一节点，其能够使用一个频带或一组子载波用作小型小区，并且使用另一频带或一组子载波用作CaP。
24.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，BS存储从BS到CaP的一个或多个路径的列表，其包含在哪些参数上使用哪个或哪些CaP的信息，以将覆盖范围提供给听取其覆盖区域中的容量需求并反馈到一个或多个BS的Cap的覆盖区域中的UE，并且当第一BS接近或超过容量时，如果存在能够将覆盖范围投射到第一BS的覆盖区域中的第一CaP，并且存在具有可用容量的第二BS和具有所需SNR的到达第一CaP的路径，则用于智能控制和管理的一个或多个模块激活所述路径并且配置第一CaP以将第二BS的容量投射到第一BS的覆盖区域。
25.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，多个CaP置于两个相邻BS的小区的边界，在变得重负载时，BS向靠近当前单元边界的其一个或多个相关联的CaP发送控制消息，其中其相邻BS进入睡眠模式，或者通过增加天线倾斜、减小波束模式和/或降低传输功率增益来减小其覆盖区域，并且轻负载相邻BS向靠近当前单元边界的其一个或多个相关联Cap发送控制消息，以通过减小天线倾斜、增加波束模式和/或增加传输功率增益来扩大其覆盖区域。
26.根据权利要求25所述的智能无线通信系统，其中，多于两个BS控制其相关联的CaP以将不是重负载小区的直接邻居的轻负载小区的容量重新分配给重负载小区。
27.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，通常处于睡眠模式的多个CaP放置得靠近于两个或更多个相邻BS的正常小区边界，并且当BS变得重负载时，其轻负载的相邻BS将控制消息发送到靠近正常小区边界的一个或多个CaP以进入工作模式，并且配置CaP以将轻负载BS的容量投射到重负载BS的覆盖区域。
28.根据权利要求27所述的智能无线通信系统，其特征在于，多于两个BS控制和配置它们相关联的CaP以将不是重负载小区的直接邻居的轻负载小区的容量重新分配给重负载小区。
29.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，一个或多个CaP还包括定位模块和移动模块，其能够在BS或用于智能控制和管理的模块的命令下行进，并且控制和配置CaP还包括将移动CaP移到指定的位置和方位。
30.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，控制和配置所述CaP还包括配置一个或多个CaP以增强小区间协作多点协调和联合处理协议的有效性。
31.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，一个或多个CaP还包括干扰感测模块，并且控制和配置所述CaP还包括检测CaP附近的带内干扰并配置所述CaP以防止本地干扰源的传播。
32.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，一个或多个BS使用具有高发射功率的宽天线波束来发送广播或控制信道以覆盖大的小区区域，并且为数据信道使用低发射功率以覆盖小区中心，CaP置于将数据信道的覆盖范围扩展到小区边缘以匹配广播或控制信道覆盖范围。
33.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，BS使用相同的频率资源通过空间复用与多个CaP通信，并且CaP覆盖的每个UE使用不同的频率资源。
34.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，用于智能控制和管理的所述一个或多个模块还获得并记录一个或多个UE的位置，所述一个或多个CaP的覆盖区域的位置、查找哪个CaP可以覆盖特定UE所在的区域；并相应地控制和配置CaP。
35.根据权利要求34所述的智能无线通信系统，其中，UE使用GPS或其他地理定位系统或者使用来自多个BS的蜂窝信号来确定其位置，并将其位置反馈回到用于智能控制和管理的所述一个或多个模块。
36.根据权利要求34所述的智能无线通信系统，还包括无线定位设备(WPD)的网络，用于使得一个或多个BS和/或一个或多个CaP能够经由设备到设备(D2D)通信或机器类型通信(MTC)信道来检测、定位和识别覆盖区域中UE的存在，并且用于智能控制和管理的一个或多个模块相应地控制和配置CaP。
37.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，CaP广播下行链路中的标识符(CaPID)，并且接收所述CaP ID的UE将CaP ID反馈给所述CaP和/或通过一个或多个CaP直接或间接地反馈到一个或多个BS用于识别UE与一个或多个Cap的关联，并且用于智能控制和管理的所述一个或多个模块使用该信息来分析哪些CaP向一个或多个UE提供良好覆盖，并且用于智能控制和管理的一个或多个模块相应地控制和配置CaP。
38.一种支持智能无线通信系统的可控容量投射器(CaP)，所述智能无线通信系统包括一个或多个接收路径和天线；一个或多个发射路径和天线；工作模式，睡眠模式；以及控制模块，其控制睡眠模式和工作模式之间的切换，并且调整以下一个或多个：传输功率增益、天线倾斜、波束方向和/或发射机和/或接收机的模式、接收和/或发射信号的过滤，并且提供功能以支持在一个或多个处理器中实现的用于智能控制和管理的一个或多个模块，所述一个或多个处理器收集关于信道条件、实际和/或预测的连接需求、数据吞吐量及其对于将来使用信今和控制消息的第一时间段中的其分布的信息，分析所收集的信息以识别在第一时间段中产生具有多个UE的期望MU-MIMO通信信道所需的BS和CaP的配置，以满足连接性数据吞吐量需求及第一时间段中的其分布；生成并发送相应的控制消息到CaP，并且基于控制消息自适应地控制和配置CaP以主动地塑形具有多个UE的MIMO-MIMO通信信道，以改善一个或多个BS与多个UE之间的空间复用波束成形的性能，以满足预测需求及其分布，其中，控制和配置CaP包括实现哪个CaP切换到睡眠模式或工作模式，并且调整以下一个或多个：传输功率增益、天线倾斜、波束方向、和/或发射机和/或接收机的模式、接收和/或发射信号的滤波。
39.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，新引入到智能无线通信系统中的CaP的控制模块执行向BS注册该CaP的处理，向该BS报告该CaP位置或其覆盖区域的索引以便将其记录到BS的存储器中，并且接收并记录由BS向其发送的特殊连接标识(CID)，其中，用于CaP的CID不同于UE的CID。
40.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，在向BS注册之后，Cap在一个或多个功率电平和上行链路中的方向上发射探测信号，而预先存在于所述智能无线通信系统中并以充分信噪比(SNR)或信号强度接收新注册的Cap的探测信号的Cap将它们的CID反馈给BS，所述预先存在的CaP进一步使用由BS分配的资源在一个或多个方向和功率电平上发送上行链路或下行链路探测信号，并且新注册的CaP计算预先存在的CaP接收到的探测信号的SNR或信号强度，识别以充分SNR或信号强度接收其探测信号的所述预先存在的CaP的CID，并将其反馈回BS以便BS识别、记录或更新多跳跃路径以及避免循环条件的相关联跳跃节点。
41.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述Cap在处于睡眠模式时定期地测量接收到的上行链路信号的信号强度，并且在测量处于指定范围时切换到工作模式，而在测量处于指定范围以外时切换到睡眠模式。
42.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述Cap在处于睡眠模式时定期地测量接收到的上行链路信号的信号强度，并且在测量处于指定范围时向一个或多个BS发送请求以切换到工作模式，并且在从BS接收到同意请求的控制消息后做出切换。
43.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述CaP基于其从BS接收到的下行链路控制信号切换到工作模式或睡眠模式，其中，所述BS使用所述CaP和由所述Cap覆盖的UE的位置的信息、CaP的ID、用于智能控制和管理的所述一个或多个模块收集的信息做出切换判定。
44.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述Cap在处于睡眠模式时持续接收广播和/或控制消息，并且能够延长接收广播和/或控制消息的间隔以节省功率。
45.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，具有多个发射或接收路径和天线的所述C aP使用模拟波束成形电路来执行MIMO波束成形。
46.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，具有多个发送或接收路径和天线的所述CaP将接收到的信号下变频到基带，对所接收的信号执行快速傅里叶变换(FFT)，并且执行调谐到子载波的MIMO波束成形。
47.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述CaP使用第一频带接收信号，并使用第二频带发送从接收到的信号得到的信号。
48.根据权利要求38所述的可控容量投射器，还包括用于广播和/或控制信道的第一电路路径和用于数据信道的第二电路路径。
49.根据权利要求48所述的可控容量投射器，其中，当CaP没有UE在其覆盖区域中服务时，用于数据信道的第二电路路径被关闭或进入睡眠模式，而用于广播和/或控制信道的第一电路保持接通。
50.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述CaP使用指定资源元素将CaPID插入到其向BS发送的信号。
51.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述CaP在下行链路中广播标识符(CaP ID)，并且接收来自UE的关于其接收的CaP ID的反馈并且可选地将此信息转发到用于智能控制和管理的一个或多个模块以识别UE与一个或多个Cap的关联，并且相应地控制和配置CaP。
52.根据权利要求51所述的可控容量投射器，其中，所述Cap使用来自其邻近的其他CaP的不同时间和/或频率资源来广播其CaP ID，以使得能够检测到达同一UE的多个CaP的CaPID。
53.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述CaP与一个或多个无线定位设备(WPD)通信，以经由设备到设备(D2D)通信或机器类型通信(MTC)信道来检测、定位和识别覆盖区域中UE的存在，并将信息提供给其控制模块和/或用于智能控制和管理的一个或多个模块以控制和配置CaP。
54.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述CaP探查UE发送回BS的WPD标识符并确定其覆盖区域中UE的存在，并将信息提供给其控制模块和/或用于智能控制和管理的一个或多个模块以控制和配置CaP。
55.根据权利要求38所述的可控容量投射器，还包括小型小区模式，并且所述控制模块基于其从用于智能控制和管理的所述一个或多个模块接收到的消息来切换所述CaP以用作CaP或小型小区。
56.根据权利要求38所述的可控容量投射器，还包括小型小区模式，并且所述Cap使用一个频带或一组子载波用作小型小区，并且同时使用另一频带或一组子载波用作CaP。
57.根据权利要求38所述的可控容量投射器，还包括两个或更多个下行链路和上行链路路径，并且用作同步用于两个相邻BS的Cap，所述两个相邻BS具有服务于第一BS的下行链路和上行链路路径的子集，以及服务于第二BS的下行链路和上行链路路径的另一子集。
58.根据权利要求38所述的可控容量投射器，还包括与时分双工(TDD)网络的下行链路和上行链路时序同步的切换电路，并且在切换电路的一种模式下，CaP用作第一BS的CaP，而在切换电路的另一模式下，CaP用作第二BS的CaP。
59.根据权利要求38所述的可控容量投射器，还包括切换电路、频分双工(FDD)网络的一个频带中的一个或多个下行链路路径和配对频带中的一个或多个上行链路路径，并且切换电路的一种模式下，CaP用作第一BS的CaP，而在切换电路的另一模式下，CaP用作第二BS的Cap。
60.根据权利要求1所述的智能无线通信系统，其中，用于智能控制和管理的一个或多个模块进一步确定UE的位置，记录多个CaP的位置和每个CaP的覆盖区域，并且使用UE的位置的信息和CaP的位置和覆盖区域的信息来控制和配置Cap，包括将其覆盖区域中没有UE的CaP放入睡眠模式。
61.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述控制模块响应于来自用于智能控制和管理的所述一个或多个模块的控制消息来与一个或多个其他CaP同时配置CaP，以改善用于MU-MIMO的高阶空间复用的信道矩阵的条件数。
62.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述控制模块响应于来自用于智能控制和管理的所述一个或多个模块的控制消息来与一个或多个其他CaP同时配置CaP，以减少由于CaP的使用所引起的信道的延迟扩展的增加。
63.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述控制模块与一个或多个其他CaP同时降低或增加CaP的增益，使得来自一个UE的经过一个或多个CaP的噪声级别不会降低另一UE的SNR，无论其信道中有或没有一个或多个CaP。
64.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述控制模块与覆盖区域和CaP重叠的一个或多个其他CaP同时控制和配置所述CaP，以共同对多个UE波束成形，以增强一个或多个BS与所述多个UE之间的MU-MIMO波束成形。
65.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，具有多个发射路径的所述CaP还包括具有不同极化、波束模式、波束方向或轨道角动量特性的多个服务天线，以减少多个服务天线的信道的相关性。
66.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，具有多个发射路径的所述CaP在所述多个发射路径中还包括不同的滤波器，以减少所述信道的相关性以支持空间复用。
67.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，具有多个接收路径和/或多个发射路径的CaP还包括在每个路径上变换信号的滤波器，以增强CaP与一个或多个UE之间的波束成形。
68.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，具有多个发射路径的CaP获得CaP与一个或多个UE之间的信道估计，并且使用信道估计来控制嵌入每个发射路径的滤波器的参数，以确保当来自CaP的多个发射路径的信号到达一个或多个UE时，它们相干地相加。
69.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，在一个或多个BS执行第一层预编码以将对于一个或多个分布式Cap的多个数据流进行波束成形之后，CaP与其他CaP同时执行第二层预编码以对多个UE波束成形，而两个预编码组合以实现一个或多个BS与多个UE之间的MU-MIMO波束成形。
70.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述CaP支持用于BS的信今，以获得所述BS与一个或多个CaP之间的信道以及所述BS与多个UE之间的总信道的估计。
71.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其特征在于，还包括定位模块和移动模块，其能够在BS或用于智能控制和管理的模块的命令下行进，其中，所述移动模块响应于来自用于智能控制和管理的一个或多个模块的控制消息将所述CaP移动到指定的位置和方位。
72.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述控制模块与其他CaP同时配置CaP，以增强小区间协作多点协调和联合处理协议的有效性。
73.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述控制模块与两个邻近BS的正常小区边缘附近的其他附近CaP同时配置CaP，以将轻负载的BS的容量投射到重负载的紧邻BS的覆盖区域。
74.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述控制模块与邻近BS的正常小区边缘附近的其他CaP同时配置CaP，以将轻负载的BS的容量投射到第二负载的BS的覆盖区域，并且将第二BS的容量投射到重负载的紧邻BS的覆盖区域。
75.根据权利要求38所述的可控容量投射器，其中，所述控制模块调整所述天线向下倾斜、波束模式和/或所述CaP的传输功率增益，以降低所述CaP引起的对于一个或多个相邻BS的干扰。
76.根据权利要求38所述的可控容量投射器，还包括干扰感测模块，并且所述CaP配置为响应于所述干扰感测模块对于所述CaP附近的带内干扰的检测以防止本地干扰源的传播。
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