CN109905150B - 分布式无线天线和毫米波扫描中继器 - Google Patents

分布式无线天线和毫米波扫描中继器 Download PDF

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Abstract

本发明呈现了一种毫米波(mm波)分布式无线智能天线(DWSA)或能够进行扫描的中继器，其可以形成不同的无线电波束图案以扫描(多个)空间波束方向或波束对准从而与一个或多个用户设备建立一个或多个mm波无线链路，并且完成与一个或多个中心基站的直通波束成形。

Description

分布式无线天线和毫米波扫描中继器
技术领域
本发明总体上涉及一种用于无线通信的厘米或毫米波无线天线或中继器，并且更具体地，涉及一种能够进行扫描和波束对准的厘米或毫米波无线天线或中继器。
背景技术
随着无线技术和无线应用的发展，对更高的移动数据速率的需求保持快速增长。现今，无线系统中广泛采用的低于6-GHz(sub 6-GHz)频带已经很拥挤，并且它们可能不再足够满足这种挑战需求，如在研究论文“针对5G蜂窝的毫米波移动通信：其将有效！”(Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular:It Will Work！)T.S.Rappaport等人在IEEE Access,第1卷,第335至349页,2013(Rappaport等人，2013)的发表中所示。为了克服即将来临的第五代(5G)无线系统的全球频谱短缺的挑战，开发高于6-GHz(例如，28GHz、60GHz等)厘米和毫米波的更宽的可用频谱已经被认为是有前途的解决方案(Rappaport等人，2013)。为简单起见，此后所有厘米、毫米或甚至更短波长的频带都被称为毫米波(mm波)。
尽管mm波系统可以提供巨大带宽，但是其覆盖范围受其强传播方向性、大传播损耗以及对阻塞的高灵敏度限制，如在“毫米波蜂窝无线网络：潜力和挑战(Millimeter-WaveCellular Wireless Networks:Potentials and Challenges),”S.Rangan等人在IEEE会议记录(Proceedings of the IEEE),第102卷,第3期,第366至385页,2014年3月的发表中所示。对于mm波BS，通过采用提供高阵列增益的天线阵列来补偿大传播损耗，而强传播方向性可以通过采用面向不同方向的多个天线阵列来克服，其中每个天线阵列可以产生多个无线电波束图案来覆盖多个方向。然而，由于对阻塞的高灵敏度，需要多个BS来覆盖具有障碍物(如建筑物、边道或走廊)的区域。图1展示了简单例子，其中，在具有一个障碍物3的区域中，两个mm波基站(BS)1同时服务两个mm波用户设备(UE)2。在此例子中，UE1和UE2都需要被服务，但是仅UE1位于BS1的视线(LoS)覆盖区域内。如果仅部署BS1，则由于mm波系统中的大阻塞损失，该BS1无法服务被障碍物阻挡因此在其LoS覆盖区域外的UE2。因此，系统覆盖范围需要通过部署BS2以提供对来自BS1的信号被障碍物阻挡的区域的LoS覆盖来改善。应注意，每个BS需要具有光纤或电缆连接以提供到网络的数据连接，例如，回传或前传。不幸的是，到多个BS站点的光纤或电缆连接的需要增加了网络部署成本。
改善系统覆盖范围的一种替代方法是部署中继器，放大转发(AF)或解码转发(DF)。中继器使来自BS的mm波波束信号能够通过改变其方向来覆盖区域，例如，转弯以覆盖边道或边走廊，而不需要铺设到中继器的站点的光纤或电缆连接。因为中继器不需要光纤或电缆连接，所以网络部署成本可以比部署多个BS低很多。然而，在mm波系统的情况下，强信号传播方向性还限制具有固定发射和接收方向的常规中继器(C-R)的覆盖范围。图2展示了简单例子，其中，C-R 4被部署以改善对来自BS的信号被阻挡的区域的覆盖。在此例子中，类似于图1，由于mm波系统中的大阻塞损失，BS1无法服务被障碍物阻挡的UE2和UE3。代替如在图1中部署第二BS，在某一位置处部署具有固定发射和接收方向的C-R，在该位置处该C-R可以接收来自BS1的信号、放大该信号并将该信号转发至被阻挡区域的一部分。由于mm波信号的强信号传播方向性，此例子中的C-R可能仅提供两条虚线之间的延伸的LoS覆盖范围。由于UE2位于此延伸的覆盖区域内，因此其可以通过C-R被BS服务。然而，因为UE3在此延伸的LoS覆盖区域之外，所以其仍然无法被BS服务。总之，在mm波系统中，在来自BS的信号被阻挡的位置处部署C-R可能不能够提供对该区域足够的覆盖。因此，为了覆盖可以通过部署附加BS而被适当服务的同一阻挡区域，可能需要部署几十个C-R，这对部署来说是低效的并且大大让步了部署C-R的成本优势。
发明内容
本发明避免了铺设许多光纤以进行高带宽回传、前传或到密集部署的非常高吞吐量的小型小区(Small Cell)的其他变体的高成本，该小型小区是具有小或热点覆盖区域以及几十到几百Gbps吞吐量的基站或接入点。其信号通常使用在具有高于3GHz到几十或几百GHz的载频的高频带内的宽带宽进行传输。为了方便起见，我们将所有这些高频带称为mm波。例如，载频可以是28GHz、70GHz到80GHz或高于100GHz，并且信号带宽可以是500MHz或高于1GHz。在本发明的情况下，常规前传或回传或其他变体被消除。本发明提供一种用于通过采用能够进行扫描的经改善智能中继器来有效改善mm波系统的覆盖范围的方法。本发明的智能中继器也被称为分布式无线智能天线(DWSA)。
附图说明
以下附图列表中使用的缩写在下一章节中定义，下一章节提供了本发明的实施方案的详细描述。
图1示出了简单例子，其中，在具有一个障碍物的区域中，两个mm波BS同时服务两个mm波UE。
图2示出了简单例子，其中，常规中继器被部署以改善对来自BS的信号被阻挡的区域的覆盖。
图3示出了具有两个上行链路AF电路路径和两个下行链路AF电路路径的能够进行扫描的mm波中继器简单例子。
图4示出了简单例子，其中，具有可以形成多个无线电波束图案的一个面向UE的天线阵列的能够进行扫描的中继器被部署以改善对来自BS的信号被阻挡的区域的覆盖。
图5示出了简单例子，其中，具有可以形成多个无线电波束图案的两个面向UE的天线阵列的能够进行扫描的中继器被部署以改善对来自BS的信号被阻挡的两个区域的同时覆盖。
图6示出了BS控制SC-R处的波束扫描的方案过程。
具体实施方式
现在参考附图，其中相同标号自始至终指代相同部分。现在，将描述本发明的示例性实施方案。示例性实施方案被提供用于展示本发明的方面并且不应被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方案时，每个框可以表示方法步骤或用于执行该方法步骤的装置元件。根据实现方式，相应装置元件可以被配置到硬件、软件、固件或其组合中。
在以下描述中，除非上下文以其他方式指示，否则天线和射频(RF)路径可互换地用于指示发射(Tx)或接收(Rx)RF电路以及与其连接的天线。例如，在混合波束成形系统中，一条RF路径可以经由波束成形电路(主要是模拟的)连接至多个天线元件。在这种系统中，连接至同一RF路径的所有天线元件可以被视作基带处理中的单个等效天线。此后，导频信号可以指出于估计发射天线与一个或多个接收天线之间的信道的目的由一个天线发射的信号。其也可以被称为参考信号、信道估计信号或测试信号。
一个实施方案使用空间分布的、数字控制的单频带到单频带或单频带到多频带智能mm波中继器，被称为分布式无线智能天线(DWSA)，其配备有用于服务DWSA的覆盖区域内的UE的波束操纵天线。在单频带到单频带CBS-DWSA链路的情况下，回传中心基站CBS之间的连接使用具有总带宽BW的mm波无线频带，例如，在针对每个DWSA的CBS之外的一个空间波束上，并且DWSA-UE链路可以支持具有小于或等于BW的带宽的一个mm波频带，例如，在DWSA之外的一个空间波束上。在单频带到多频带BS-DWSA链路的情况下，CBS之间的连接使用具有总带宽N·BW的(多个)mm波无线频带，例如，在针对每个DWSA的CBS之外的一个空间波束上，并且DWSA-UE链路可以支持N个mm波频带，例如，DWSA之外的N个空间波束，其中每个空间波束上一个频带，频带或波束中的每一个具有带宽1·BW，或者n<N个DSWA-UE频带/波束，该DSWA-UE频带/波束中的每一个使用不同频带并且所有DSWA-UE频带/波束的带宽总和小于或等于N·BW。用于CBS-DWSA链路和DWSA-UE链路的频带可以相同或不同。在使用相同频带的情况下，DWSA使用针对UE的定向天线，其中CBS-DWSA波束和DWSA-UE波束的方向充分分开，从而使得存在足够的RF隔离以减少自干扰。可以使用干扰消除电路来消除任何剩余自干扰，该干扰消除电路对发射的信号进行采样以产生要添加到接收信号的消除信号。这进一步减少自干扰。
CBS包括基带单元(BBU)和无线电单元(RU)，在这两个单元中执行对所有UE信号的无线电处理和基带处理。CBS管理和协调所有DWSA以便更好地服务所有UE。每个DWSA包括针对CBS-DWSA无线链路的天线、天线阵列或具有mm波波导或探测器的电磁波透镜(统称为天线)；针对DWSA-UE无线链路的天线，该天线可以与针对CBS-DWSA无线链路的天线相同或不同；以及RF电路，该RF电路主要由连接CBS-DWSA天线与DWSA-UE天线的放大器组成。RF电路可以进一步由滤波器和混频器或移频器组成，该移频器用于将频带从无线链路在一侧上的频带移动到无线链路在另一侧上的频带。如果同一频带用于无线链路的两侧上，则该RF电路可以进一步由自干扰消除电路组成。
在一个实施方案中，CBS处的BBU和RU使用多用户MIMO(MU-MIMO)波束成形到DWSA，从而使得同一频带可以在空间上复用以服务多个DWSA。波束对准和信道估计被执行以增加该多个CBS-DWSA无线链路的吞吐量。此外，CBS使用被包括作为CBS与UE之间的RF信道的一部分的相关联DWSA与多个UE执行MU-MIMO空间复用。这被称为DWSA直通波束成形(Pass-Through Beamforming)(PTB)。PTB减少DWSA间和/或UE间干扰。CBS管理和控制DWSA与UE的波束对准并且对CBS与UE之间的总信道执行信道估计以增加该多个总CBS-UE无线链路的吞吐量。代替PTB，因为CBS可以获得所有DWSA的信息，所以CBS可以协调多个DWSA的波束方向以减少DWSA之间的干扰。在一个实施方案中，CBS集中处理和/或频谱资源并且可以在多个CBS-DWSA无线链路之间和/或DWSA-UE/CPE无线链路之间分配可用带宽以满足UE的吞吐量需求分布。此实施方案是新型前传，因为CBS与DWSA之间的多个空间上复用的波束上的信号不是如常规前传中的数字IQ信号。相反，它们是待通过CBS-DWSA-UE信道传输并直通波束成形到UE的RF信号，如果不同频带用于CBS与DWSA之间的无线链路以及DWSA与UE之间的无线链路，则在DWSA处具有一个或多个载波频移操作。由CBS通过DWSA使用PTB服务UE。在此实施方案中，我们说CBS使用针对CBS与DWSA之间的无线链路的MU-MIMO RF通过RF前传(RR-前传)。DWSA放大RF信号，在需要时移动载波频率并且还可以使用滤波器抑制带外信号。当同一频带用于RR前传和DWSA-UE无线链路时，DWSA可以使用用于RR前传的一个定向天线或者同一天线或天线阵列的(多个)波束方向以及用于DWSA-UE无线链路的不同定向天线或者同一天线或天线阵列的(多个)不同波束方向。不同定向天线或不同波束方向之间的RF隔离应当很大。在一个例子中，以dB为单位的RF隔离Ri、DWSA RF路径的增益G以及信号在RF信号的预期目的地处的期望SNR满足Ri–G≥SNR，该预期目的地可以是UL中的CBS或DL中的UE。
在第一时间段，CBS使用多个DWSA的第一子集进行波束成形，并且通过该第一子集使用PTB与一组UE进行波束成形。DWSA中的每一个或一些可以包括RF中继器，该RF中继器用于将频谱带的一部分上的RF信号中继到不在CBS的视线(LoS)内的另一个DWSA，从而使得来自CBS的RF信号的一部分可以到达不在CBS的LoS内的DWSA。然后，CBS可以通过DWSA的第一子集与位于DWSA的第一子集的覆盖区域内的UE进行直通波束成形并且通过DWSA的第一子集中的RF中继器并通过非LoS DWSA与位于非LoS DWSA的覆盖区域内的UE进行直通波束成形。在第二时间段，CBS使用多个DWSA的第二子集进行波束成形，并且通过该第一子集使用PTB与一组UE进行波束成形。这些DWSA中的每一个或一些还可以包括RF中继器，该RF中继器用于将频谱带的一部分上的RF信号中继到不在CBS的视线(LoS)内的另一个DWSA，从而使得来自CBS的RF信号的一部分可以到达不在CBS的LoS内的DWSA。然后，CBS可以通过DWSA的第二子集与位于DWSA的第二子集的覆盖区域内的UE进行直通波束成形并且通过DWSA的第二子集中的RF中继器并通过非LoS DWSA与位于非LoS DWSA的覆盖区域内的UE进行直通波束成形。CBS中的媒体访问控制器(MAC)调度UE的第一子集和第二子集以及相关联的DWSA，并且RF中继器(如果有的话)存在于第一时间段和第二时间段内并且被需要用于实现与UE的PTB。
在一个实施方案中，DWSA进一步包括UE检测电路，该UE检测电路侦听来自UE的上行链路(UL)信号，并且当检测到新UE时，DWSA向CBS发送UL信号以便向CBS报告新UE。在另一个实施方案中，DWSA的接收器控制DWSA-UE天线扫描来自UE的UL信号。在又另一个实施方案中，DWSA用广播和/或控制消息传输命令以控制DWSA-UE天线扫描覆盖角范围，并且DWSA的接收器控制DWSA-UE天线扫描来自UE的UL信号。当在一个或多个DWSA覆盖下的一个或多个UE具有待发射或接收的数据时，DWSA中的发射器处于工作模式中，操纵其DL波束波束成形到UE。当DWSA的覆盖范围内没有待传输数据的UE时，DWSA到UE的数据传输处于睡眠或空闲模式，或者断开以节省电力。
在另一个实施方案中，具有比例如在低于6Ghz频谱内的mm波更好的覆盖和传播性质的较低频带用于使CBS与其覆盖下的DWSA通信并控制该DWSA，包括控制DWSA的波束扫描和对准以建立或保持与UE的无线链路。较低频带上的命令或信号与针对CBS-DWSA无线链路的mm波频带中的信号或事件及时同步。
本领域已知模拟RF信号可以被直接调制到光波上并且通过具有低损耗的光线传输。然而，通过电线或电缆传输高频模拟RF信号效果不佳，因为高频和宽带模拟信号通过电线或电缆快速衰减。一个实施方案使用电线或电缆(例如，以太网线缆或同轴电缆)通过以下方式传输有限带宽的模拟信号(例如，带宽＝20、100或160MHz)：通过使用零或低中间载频(IF)传输RF信号以避免具有高频载波的宽带模拟RF信号快速衰减的问题。这被称为RF通过电线前传(RW-前传)。在DL中，CBS使用数模转换DAC电路将数字基带信号转换成有限带宽的模拟信号并使用零或低IF通过电线或电缆传输该有限带宽的模拟信号。分布式智能天线(在这种情况下有线的，被称为DSA-W)或远程无线电单元(RU)通过RW-前传接收有限带宽的模拟信号，例如使用本地振荡器在载频下驱动的混合器来将该信号向上转换成载频，并且用无线电传输RF信号。在UL中，DSA-W在载频下从UE接收RF信号，将RF信号向下转换成零或低IF，通过电线或电缆将所产生的有限带宽的模拟信号传输至CBS。CBS接收模拟信号，必要时将该信号向下转换成基带，并且执行ADC以获得数字基带信号进行物理层和更上层中的进一步处理。DSA-W或RU主要由以下各项组成：一个或多个接收放大器、混频器、本地振荡器、一个或多个发射放大器和滤波器(如果需要的话)。其还可以包括同步电路，该同步电路用于同步载频以及必要时相位以便与其他DSA-W或RU进行协作波束成形或分布式MIMO。此实施方案允许ADC、DAC和主无线电信号电路与CBS定位在一起，并且使空间上部署的DSA-W或RU相比于具有常规数字IQ信号前传的移动网络中的常规RU更简单，在该移动网络中ADC、DAC和所有无线电信号电路与RU一起。除了提供性能改善和效率增益之外，简化DSA-W或RU降低部署和维护成本，因为它们必须在空间上广泛分布并且安装在相当高度处。
在另一个实施方案中，在低于6GHz频率范围内有MU-MIMO能力的中心基站CBS使用MU-MIMO波束成形以提供到客户驻地设备(CPE)或小型小区(SC)的回传连接，该CPE或SC使用方向高增益(例如，≥20dBi)天线建立与CBS的无线链路。CPE或SC还可以使用双极化方向高增益天线来提供多样性或空间复用性以建立与CBS的两个独立通信流。在第一时间段，CBS与CPE或SC的第一子集进行波束成形，该CPE或SC中的每一个或一些可以包括RF中继器，该RF中继器用于将频谱带的一部分上的RF信号中继到不在CBS的视线(LoS)内的另一个CPE或SC，从而使得来自CBS的RF信号的一部分可以到达不在CBS的LoS内的CPE或SC。然后，CBS可以通过CPE或SC的第一子集中的RF中继器中的一个或多个与非LoS CPE或SC进行直通波束成形。在第二时间段，CBS与CPE或SC的第二子集进行波束成形，该CPE或SC中的每一个或一些还可以包括RF中继器，该RF中继器用于将频谱带的一部分上的RF信号中继到不在CBS的视线(LoS)内的另一个CPE或SC，从而使得来自CBS的RF信号的一部分可以到达不在CBS的LoS内的CPE或SC。然后，CBS可以通过CPE或SC的第二子集中的RF中继器中的一个或多个与非LoS CPE或SC进行直通波束成形。CBS中的媒体访问控制器(MAC)在第一时间段和第二时间段内调度CPE或SC的第一子集和第二子集以及用于PTB的RF中继器和非LoS CPE或SC。
本发明的一个实施方案是能够进行mm波扫描的增强型中继器(SC-R，也被称为DWSA)，该中继器包括：在下行链路(DL)和上行链路(UL)方向上的一个或多个AF或DF电路路径；用于与一个或多个BS通信的一个或多个面向BS的天线阵列；可以形成不同无线电波束图案以便与一个或多个UE通信的一个或多个面向UE的天线阵列；扫描模块，该扫描模块产生波束图案以扫描SC-R的覆盖区域；通信模块，该通信模块接收和解码来自一个或多个BS的命令并向一个或多个BS发送关于SC-R的信息；以及控制模块，该控制模块控制一个或多个第二天线阵列扫描针对一个或多个UE的波束方向，选择一个或多个波束方向以建立到一个或多个UE的通信链路或使(多个)波束方向与一个或多个UE对准，以及控制通信模块向一个或多个BS发送关于SC-R的信息。每个SC-R可以使用一个天线阵列与一个BS通信或者使用多个天线阵列与一个或多个BS通信。每个面向BS的天线阵列可以使用信号分路器连接至多于一个DL AF或DF电路路径并且使用信号组合器连接至多于一个UL AF或DF电路路径，而每个面向UE的天线阵列仅连接至一个DL AF或DF电路路径和一个UL AF或DF电路路径。
控制模块可以命令通信模块向一个或多个BS发送每个面向UE的天线阵列的标识(ID)号和其可达波束图案，并且向相关联BS发送每个面向BS的天线阵列的相关联BS波束图案。通过所有信息，每个相关联BS可以适当地控制SC-R扫描其覆盖区域。
控制模块还可以命令通信模块向每个相关联BS发送关于其当前扫描波束图案的信息。通过此信息，BS可以获知与SC-R的每个面向UE的天线阵列的每个波束图案相关联的UE。
控制模块还可以命令通信模块向一个或多个BS发送导频信号，使得该一个或多个BS可以估计SC-R与其之间的信道，或向一个或多个BS发送SC-R与其之间的估计信道，该估计信道是使用从该一个或多个BS发送的导频信号在SC-R处估计的。通过信道信息，BS可以执行使用多个RF链的混合波束成形以提高(boost)一个或多个SC-R的在相同时频率资源下互相干扰的一个或多个面向BS的天线阵列的DL和UL信号与干扰加噪声比(SINR)。
图3展示了具有两个DL AF电路路径6和两个UL AF电路路径6的mm波SC-R5的简单例子，其中每个AF电路路径包括两个带通滤波器7和功率放大器8。两个DL电路路径通过信号分路器10连接至面向BS的天线阵列9，而两个UL电路路径通过信号组合器11连接至面向BS的天线阵列9。采用两个面向UE的天线阵列12，其中每个面向UE的天线阵列连接至一个DL电路路径和一个UL电路路径。与具有固定方向的C-R相比，经改善的SC-R要求每个面向UE的天线阵列可以形成不同的波束图案，并且包括用于执行波束图案扫描的扫描模块13、用于与BS交换信息的通信模块14以及用于管理波束扫描、选择波束图案以服务UE并命令通信模块向BS发送关于SC-R的信息的控制模块15。
本发明的另一个实施方案是包括上述一个或多个BS、一个或多个UE和一个或多个mm波SC-R的mm波无线通信系统，其中每个BS具有覆盖一个或多个mm波SC-R的波束图案，并且每个SC-R在其覆盖区域内扫描针对一个或多个UE的波束方向。每个BS还可以在其自己的LoS覆盖区域内扫描UE。每个SC-R可以采用能够形成波束图案以服务UE的一个或多个面向UE的天线阵列，并且被配置成针对非重叠方向的来自所有面向UE的天线阵列的所有波束图案形成其延伸覆盖区域。当SC-R与多个BS相关联时，其面向UE的天线阵列被专门分配给不同BS以避免冲突。图4展示了简单例子，其中，具有可以形成多个无线电波束图案的一个面向UE的天线阵列的SC-R被部署以改善对来自BS的信号被阻挡的区域的覆盖。在此例子中，UE2位于底部两条虚线之间的一个波束图案的覆盖范围内，而UE3位于顶部两条虚线之间的另一个波束图案的覆盖范围内。因此，通过与BS协作来管理时频资源，SC-R可以提供对其波束图案内的区域的延伸覆盖。与图2中的例子相比，通过用SC-R来代替C-R，延伸的覆盖区域被扩大，并且使用C-R无法服务的UE3现在可以通过采用SC-R而被服务。图5示出了另一个简单例子，其中，具有可以形成多个无线电波束图案的两个面向UE的天线阵列的SC-R被部署以改善对来自BS的信号被阻挡的两个区域的同时覆盖。在此例子中，与图4中的例子相比，一个附加障碍物，即障碍物2阻挡了另一个区域，该区域在可以由图4中采用的具有一个面向UE的天线阵列的SC-R形成的可达波束图案的覆盖范围之外。在图5中，通过使用具有两个面向UE的天线阵列的SC-R，然后在附加阻挡区域中的UE(例如，UE4)可以被附加的面向UE的天线阵列覆盖。类似地，通与BS协作来管理时频资源，SC-R可以从两个面向UE的天线提供对其波束图案内的两个阻挡区域的延伸覆盖，使得此例子中的UE2、UE3和UE4均可以被SC-R服务。
在一个实施方案中，在部署之后，每个SC-R为其每个面向BS的天线阵列中选择方向以建立到具有最高方向增益的BS的通信链路。在mm波系统中，BS和UE必须使用专用时频资源来周期性地扫描其波束图案以将其波束图案配对并且选择适当的一对来建立具有最强信号强度的通信链路以便交换数据。对于SC-R，当BS进行扫描时，其使用不同BS波束图案进行侦听以获知所接收信号强度水平。然后，手动调整每个面向BS的天线阵列的方向以选择实现最强信号强度的方向。
另外，每个SC-R具有唯一的ID号，该ID号与每个面向UE的天线阵列的可达波束图案相关联。一旦每个面向BS的天线阵列的方向固定，SC-R就可以使用其通信模块来向每个相关联BS发送中继器特定信息，该中继器特定信息包括其ID号、每个面向UE的天线阵列的可达波束图案以及接收最强信号强度的每个面向BS的天线阵列的相关联BS波束图案，或者所有中继器特定信息可以手动添加到每个相关联BS的数据库。
需要适当地控制SC-R的扫描。在一个实施方案中，BS向SC-R发送控制信号以管理其扫描。通过所有中继器特定信息，中继器辅助的BS使用相关联波束图案向每个相关联SC-R发送控制信号。基于SC-R ID号和每个面向UE的天线阵列的可达波束图案，BS可以管理每个相关联SC-R的扫描。在BS的控制下，在扫描时刻，SC-R使用其扫描模块来对采用一个面向UE的天线阵列的一个波束图案进行扫描或对采用多个面向UE的天线阵列的多个波束图案进行扫描。当SC-R与多个BS相关联时，每个BS仅控制分配给其的一个或多个面向UE的天线阵列以避免冲突。
在另一个实施方案中，SC-R管理其自己的扫描。SC-R根据特定图案来进行扫描。扫描图案可以由SC-R在本地预先编程或使用来自BS的命令在线配置。在扫描时刻，SC-R使用其扫描模块来对采用一个面向UE的天线阵列的一个波束图案进行扫描或对采用多个面向UE的天线阵列的多个波束图案进行扫描。在相同时刻，SC-R还使用其通信模块向每个其相关联BS发送关于其一个或多个扫描下波束图案(under-scanning beam pattern)的信息。
类似于BS和UE，周期性地进行mm波SC-R的扫描以便跟踪UE的移动或其天线阵列的方向变化。
在扫描SC-R之后，每个相关联BS获知可以被SC-R服务的UE以及与那些UE相关联的一个或多个面向UE的天线阵列的波束图案。基于信息，每个相关联BS必须使用其相关联SC-R波束图案来适当地调度这些UE并且发送控制信号以命令SC-R使用每个面向UE的天线阵列的相关联波束图案来配合调度。
情况1：一个UE与SC-R的一个天线阵列相关联
在这种情况下，在BS的控制下，SC-R一直采用与UE相关联的波束图案，并且BS可以根据任何可用时频资源来调度该UE。
情况2：多个UE与SC-R的一个天线阵列相关联
在这种情况下，在BS的控制下，SC-R在一个时间段内应用一个相关联波束图案来服务一个或一组UE并且在另一个时间段内应用另一个相关联波束图案来服务另一个或另一组UE。BS需要根据不同的频率资源或时间资源来调度被相同波束图案服务的UE。
情况3：多个UE与SC-R的多个天线阵列相关联
在这种情况下，在一个实施方案中，在BS的控制下，SC-R在一个时间段内采用天线阵列的一个相关联波束图案来服务相应UE并且在另一个时间段内采用相同天线阵列或另一个天线阵列的另一个相关联波束图案来服务相应UE。BS需要根据不同的频率资源或时间资源来调度被相同波束图案服务的UE。
在另一个实施方案中，在BS的控制下，在一个时刻，SC-R采用使用第一频带的第一天线阵列的一个相关联波束图案来服务相应UE，并且采用使用第二频带的第二天线阵列的一个相关联波束图案来服务相应UE。在另一个时刻，SC-R采用使用第一频带的第一天线阵列的另一个相关联波束图案来服务相应UE，并且采用使用第二频带的第二天线阵列的另一个相关联波束图案来服务相应UE。BS需要根据不同的频率资源或时间资源来调度被相同波束图案服务的UE。
BS可以与多个SC-R相关联。在一个实施方案中，SC-R被部署以服务非重叠区域，并且每个面向BS的天线阵列仅从其相关联BS天线阵列接收信号。在这种情况下，每个SC-R独立地完全起作用。
在另一个实施方案中，SC-R被部署以服务非重叠区域，但是每个面向BS的天线阵列从多个BS天线阵列接收信号。在这种情况下，BS可以与SC-R通信以估计其与该SC-R之间的信道，并且执行使用多个RF链的混合波束成形以提高在相同时频资源下互相干扰的这些面向BS的天线阵列的所接收DL和UL SINR。替代性方法是根据不同时频资源来调度SC-R的BS天线阵列与面向BS的天线阵列之间的每个通信链路。
在另一个实施方案中，SC-R被部署以服务重叠区域，但是每个面向BS的天线阵列仅从其相关联BS天线阵列接收信号。在这种情况下，BS可以使用其与SC-R之间的估计信道来执行使用多个RF链的混合波束成形以提高重叠区域中在相同时频资源下互相干扰的UE的所接收DL和UL SINR。替代性方法是根据不同时频资源来调度重叠区域中的每个UE。
在另一个实施方案中，SC-R被部署以服务重叠区域，并且每个面向BS的天线阵列从多个BS天线阵列接收信号。在这种情况下，BS可以使用其与SC-R之间的估计信道来执行使用多个RF链的混合波束成形以提高重叠区域中在相同时频资源下互相干扰的UE的所接收DL和UL SINR。替代性方法是BS与SC-R通信以估计其与该SC-R之间的信道，并且执行使用多个RF链的混合波束成形以提高在相同时频资源下互相干扰的这些面向BS的天线阵列的所接收DL和UL SINR，然后根据不同时频资源来调度重叠区域中的每个UE。
在现有技术中，具有光纤或电缆连接的常规BS必须放置在每个SC-R站点处以提供相同的覆盖范围。本发明的优点是具有光纤或电缆连接的一个BS站点可以提供对不在BS的LoS区域内的更大区域的覆盖，从而使mm波信号能够转弯或改变方向。每个SC-R与BS相比更加简单并且具有更低的成本，并且具有数模数转换器(DAC)和上变频混频器的RF Tx路径以及具有模数转换器(ADC)和下变频混频器的Rx路径可以集中在BS处，并且基带处理也可以集中在BS处或在云无线接入网络(C-RAN)的基带单元处。
本发明的另一个实施方案是BS与SC-R之间的控制信道，该控制信道主要被BS用于将控制信号传输到SC-R以控制每个面向UE的天线阵列的波束图案，可以被BS用于将定义的扫描图案发送到SC-R，可以被BS用于将导频信号发送到SC-R使得SC-R可以估计其之间的信道，可以被SC-R用于在SC-R管理其自己的扫描时向BS报告每个面向UE的天线阵列的扫描下波束图案，可以被SC-R用于向BS报告其中继器特定信息，可以被SC-R用于向BS报告其之间的估计信道并且可以被SC-R用于将导频信号发送到BS使得BS可以估计其之间的信道。在一个实施方案中，控制信道使用不同于数据传输的专用频率资源。在另一个实施方案中，在SC-R的类型为DF时，控制信道可以使用数据传输的保护间隔。
本发明的另一个实施方案是使BS控制SC-R处的波束扫描的方案。图6中展示了方案过程。具体地，在部署SC-R 16之后，SC-R根据[0021]为其每个面向BS的天线阵列选择方向以建立到具有最高方向增益的BS的通信链路17。然后，BS根据[0022]获知SC-R的中继器特定信息18。接下来，SC-R根据[0023]或[0024]扫描其覆盖区域19。在那之后，BS获知可以被SC-R服务的UE以及与那些UE相关联的一个或多个面向UE的天线阵列的波束图案20。然后，基于该信息，BS根据[0027]-[0037]使用其相关联SC-R波束图案来适当地调度这些UE并且发送控制信号以命令SC-R使用每个面向UE的天线阵列的相关联波束图案来配合UE调度21。最后，在一定时间段内进行数据传输22，之后过程回到19并继续。
尽管本发明的优选实施方案的前述说明已经示出、描述或展示了本发明的基本新颖特征或原理，但是应理解的是，在不偏离本发明的精神的情况下，本领域技术人员可以对如所展示的方法、元件或装置以及其用途的细节形式做出各种省略、替代和改变。因此，本发明的范围不应局限于前述说明。而是，本发明的原理可以应用于广泛的方法、系统和装置以便实现本文所描述的优点并实现其他优点或还满足其他目标。

Claims (19)

1.一种无线系统，包括：
一个或多个中心基站(CBS)，每个中心基站包括到网络的连接；基带单元(BBU)和无线电单元(RU)，在其中对用户设备(UE)的信号进行无线电处理和基带处理；控制器，该控制器通过DWSA控制信道来控制多个分布式无线智能天线(DWSA)；以及一个或多个天线，该一个或多个天线生成一个或多个毫米波(mm波)空间波束以与该多个DWSA中的一个或多个建立无线链路；以及
空间地分布在该CBS的覆盖区域上的多个DWSA，其中，每个DWSA包括针对该一个或多个CBS与该DWSA之间的mm波无线链路(CBS-DWSA链路)的一个或多个面向第一BS的天线、可以形成不同的无线电波束图案以建立该DWSA与一个或多个UE之间的mm波无线链路(DWSA-UE链路)的一个或多个面向UE的天线、控制模块、针对接收来自该一个或多个CBS的命令并将关于该DWSA的信息发送至该一个或多个CBS的该DWSA控制信道的通信模块、以及控制该面向UE的天线来扫描空间波束方向或波束对准以建立一个或多个DWSA-UE链路的扫描模块，
其中，该一个或多个CBS经由该DWSA的通信模块在该DWSA控制信道上将控制信号发送至该多个DWSA中的一个或多个，该DWSA的控制模块使用该控制信号来管理其扫描模块的扫描，并且该一个或多个CBS通过该CBS-DWSA链路和该DWSA-UE链路与该一个或多个UE通信，
其中，CBS使用一个或多个第一空间波束，其中每一个使用第一频带来建立与一个或多个DWSA的CBS-DWSA链路，其中每一个使用一个或多个第二空间波束来建立该DWSA-UE链路，其中，该第二空间波束中的每一个使用第二频带，并且所有该一个或多个DWSA的该一个或多个第二空间波束的第二频带的带宽之和等于或小于该一个或多个第一空间波束的第一频带的带宽之和。
2.如权利要求1所述的无线系统，其中，该mm波无线链路使用无线电频谱中位于10GHz以上的频带。
3.一种分布式无线智能天线(DWSA)，包括：
针对一个或多个中心基站(CBS)与该DWSA之间的mm波无线链路(CBS-DWSA链路)的一个或多个面向第一BS的天线、可以形成不同的无线电波束图案以建立该DWSA与一个或多个UE之间的mm波无线链路(DWSA-UE链路)的一个或多个面向用户设备(面向UE)的天线、连接该面向BS的天线与该面向UE的天线的一个或多个下行链路(DL)电路路径和一个或多个上行链路(UL)电路路径、针对DWSA控制信道的通信模块、控制该面向UE的天线来扫描空间波束方向或波束对准以建立一个或多个DWSA-UE链路的扫描模块，以及通过该通信模块接收来自该一个或多个CBS的命令并将关于该DWSA的信息发送至该一个或多个CBS并且管理该扫描模块的控制模块，
其中，多个DWSA空间地分布在该一个或多个中心基站(CBS)的覆盖区域上，其中每个DWSA包括：到网络的连接；控制器，该控制器通过该DWSA控制信道来控制多个分布式无线智能天线(DWSA)；一个或多个天线，该一个或多个天线生成一个或多个毫米波(mm波)空间波束以与该多个DWSA中的一个或多个建立无线链路；以及基带单元(BBU)和无线电单元(RU)，该基带单元和该无线电单元通过该CBS-DWSA链路和该DWSA-UE链路与该一个或多个UE通信，
其中，CBS使用一个或多个第一空间波束，其中每一个使用第一频带来建立与一个或多个DWSA的CBS-DWSA链路，其中每一个使用一个或多个第二空间波束来建立该DWSA-UE链路，其中，该第二空间波束中的每一个使用第二频带，并且所有该一个或多个DWSA的该一个或多个第二空间波束的第二频带的带宽之和等于或小于该一个或多个第一空间波束的第一频带的带宽之和。
4.如权利要求3所述的分布式无线智能天线，其中，一个或多个天线用于该面向UE的DWSA-UE链路和该面向BS的CBS-DWSA无线链路两者。
5.如权利要求3所述的分布式无线智能天线，其中，CBS-DWSA链路和DWSA-UE共享公共的频带。
6.如权利要求3所述的分布式无线智能天线，进一步包括干扰消除电路，该干扰消除电路对传输的信号进行采样以生成待加到接收信号上的消除信号从而当相同的频带用于该CBS-DWSA链路和该DWSA-UE链路时减少自干扰。
7.如权利要求3所述的分布式无线智能天线，其中，该DWSA的该通信模块使用针对该DWSA控制信道的较低频带来与CBS通信，其中，该较低频带比用于该CBS-DWSA链路和/或该DWSA-UE链路的该mm波频带提供更好的覆盖和传播性质。
8.如权利要求7所述的分布式无线智能天线，其中，该较低频带位于该无线电频谱中的6GHz以下。
9.如权利要求3所述的分布式无线智能天线，该分布式无线智能天线在不同的频带用于该CBS-DWSA链路和该DWSA-UE链路时进一步包括一个或多个载波频移电路。
10.如权利要求3所述的分布式无线智能天线，进一步包括UE检测电路，该UE检测电路检测其覆盖区域中UE的存在、将对UE的检测报告给CBS、以及基于该DWSA的覆盖区域中UE的存在或不存在而使该DWSA进入工作模式或省电模式。
11.如权利要求3所述的分布式无线智能天线，其中，该控制模块命令该通信模块向一个或多个CBS发送信号，包括每个面向UE的天线的标识(ID)号及其可实现的波束图案、与该CBS相关联的面向BS的天线的波束图案、其当前的面向UE的天线扫描波束图案、和/或供该CBS估计信道的导频信号。
12.如权利要求3所述的分布式无线智能天线，其中，该扫描空间波束方向或波束对准以建立一个或多个DWSA-UE链路是周期性地执行的以便追踪该一个或多个UE的移动或该相关联天线的方向变化。
13.如权利要求3所述的分布式无线智能天线，进一步包括RF中继器，该RF中继器将频谱带的一部分上的RF信号中继到不在CBS的视线(LoS)内的另一个DWSA，从而使得来自CBS的RF信号的一部分可以到达不在该CBS的LoS内的所述DWSA。
14.如权利要求3所述的分布式无线智能天线，进一步包括客户驻地设备模块(CPE)或小型小区模块(SC)，其中，该DWSA使用频谱带的一部分来服务该CPE或SC以及使用频谱带的一部分来服务该DWSA-UE链路或与一个或多个其他DWSA的无线链路。
15.一种中心基站(CBS)，包括：
到网络的连接；一个或多个天线，该一个或多个天线生成多个毫米波(mm波)空间波束以建立与多个分布式无线智能天线(DWSA)的无线链路(CBS-DWSA链路)；DWSA控制器，该DWSA控制器通过DWSA控制信道与多个DWSA通信并控制该多个DWSA，包括管理该多个DWSA中的一个或多个处的扫描模块使用其面向UE的天线来选择波束图案和/或来扫描空间波束方向或波束对准以建立与一个或多个UE的一个或多个mm波无线链路(DWSA-UE链路)；以及基带单元(BBU)和无线电单元(RU)，该基带单元和该无线电单元通过该CBS-DWSA链路和该DWSA-UE链路与该一个或多个UE通信，
其中，该多个DWSA空间地分布在该CBS的覆盖区域上，并且每个DWSA包括针对该CBS-DWSA链路的一个或多个面向第一BS的天线、可以形成不同的无线电波束图案以建立该DWSA-UE链路的一个或多个面向UE的天线、控制模块、针对接收来自一个或多个CBS的命令并将关于该DWSA的信息发送至该一个或多个CBS的该DWSA控制信道的通信模块、以及控制该面向UE的天线来扫描空间波束方向或波束对准以建立一个或多个DWSA-UE链路的扫描模块，
其中，CBS使用一个或多个第一空间波束，其中每一个使用第一频带来建立与一个或多个DWSA的CBS-DWSA链路，其中每一个使用一个或多个第二空间波束来建立该DWSA-UE链路，其中，该第二空间波束中的每一个使用第二频带，并且所有该一个或多个DWSA的该一个或多个第二空间波束的第二频带的带宽之和等于或小于该一个或多个第一空间波束的第一频带的带宽之和。
16.如权利要求15所述的中心基站，其中，该DWSA控制信道使用无线电频谱中位于6GHz以下的频带或者比用于该CBS-DWSA链路和/或该DWSA-UE链路的mm波频带提供更好覆盖和传播性质的较低频带。
17.如权利要求15所述的中心基站，其中，该CBS协调多个DWSA的波束方向从而减少该多个DWSA的该DWSA-UE链路中的自干扰。
18.如权利要求15所述的中心基站，其中，该CBS使用多用户MIMO(MU-MIMO)波束成形到DWSA，从而使得同一频带在空间上复用以服务该多个DWSA。
19.如权利要求18所述的中心基站，其中，该CBS进一步对该CBS与多个UE之间的总信道执行信道估计，其中，该多个DWSA被包括作为该CBS与该UE之间的总信道的一部分(CBS-DWSA-UE信道)，并且通过该总信道执行与该多个UE的MU-MIMO空间复用直通波束成形(PTB)。
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