CN112822692B - 毫米波接入系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种毫米波接入系统，包括毫米波基站、毫米波小区及室内终端，所述毫米波基站通过第一毫米波信道与所述毫米波小小区通信连接，所述毫米波小小区通过第二毫米波信道与所述室内终端通信连接，其中，所述第一毫米波信道为室外无线电通信链路，所述第二毫米波信道为室内无线电通信链路。本申请能够实现5G目标数据吞吐量及连接要求，并实现室内、室外的信号可靠高速传输，充分利用5G网络中各个信道的资源，解决了5G高速网络入户难的问题，同时本申请的毫米波接入系统组网便利，可以作为未来移动网络组网的基本组成方式。
Description
技术领域
本申请涉及无线通信领域，尤其涉及一种实现毫米波室内覆盖的毫米波接入系统。
背景技术
毫米波(mmWave)通信是一种新兴的5G蜂窝技术，旨在满足不断增长的对传输速率和吞吐量的需求。超过6GHz的毫米波通信已经在5G新空口(New Radio,NR)中被采用，并被广泛研究用于未来的蜂窝技术。然而，由于毫米波信道特性和视距传输的要求，使用传统的移动接入架构将室外覆盖范围扩展到室内环境会遇到很大的困难。此外，传统的移动接入网架构，特别是回传链路，无法支持室内覆盖的5G数据速率，且不能保证非视距用户的数据速率，而光纤到户(FTTH)等高速接入网部署的成本又过高。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种毫米波接入系统以满足5G通信要求。
本申请提供一种毫米波接入系统，包括毫米波基站、毫米波小区及室内终端，所述毫米波基站通过第一毫米波信道与所述毫米波小小区通信连接，所述毫米波小小区通过第二毫米波信道与所述室内终端通信连接，其中，所述第一毫米波信道为室外无线电通信链路，所述第二毫米波信道为室内无线电通信链路。
可选地，所述毫米波基站包括预编码器、数模转换器、模拟处理器及第一天线阵列，所述预编码器用于对待发送的信号进行预编码得到预编码信号以补偿信道干扰或噪声干扰，所述数模转换器与所述预编码器连接，用于将所述预编码信号进行数模转换得到模拟信号，所述模拟处理器与所述数模转换器连接，用于将所述模拟信号转变为毫米波信号，所述第一天线阵列与所述模拟处理器连接，用于发送所述毫米波信号。
可选地，所述室内终端根据无线电-电缆-无线电信道模型从所述毫米波基站接收所述毫米波信号，其中代表从所述毫米波基站的NT个第一天线阵列到K个所述室内终端的NUE个天线的级联的无线电-电缆-无线电信道，噪声矢量对应于所述无线电-电缆-无线电信道产生的累积噪声，P为预编码矩阵，B为功率整形矩阵，S为M-QAM的符号。
可选地，所述预编码器基于无线电-无线电信道对待发送的信号进行预编码得到预编码信号，并通过预编码矩阵对角化所述无线电-无线电信道。
可选地，所述毫米波小小区包括第二天线阵列、模拟中继单元、空对电缆调度器、局域网电缆及室内射频单元，所述室内射频单元包括第三阵列天线，所述第二天线阵列与所述模拟中继单元连接，所述模拟中继单元通过所述局域网电缆与所述室内射频单元连接，所述第二天线阵列接收所述毫米波基站发送的毫米波信号，所述模拟中继单元对所述毫米波信号进行处理后将所述毫米波信号通过所述局域网电缆传输给所述室内射频单元，所述室内射频单元通过所述第三阵列天线将所述毫米波信号发送给所述室内终端，所述空对电缆调度器与所述模拟中继单元连接，用于对所述第二天线阵列接收的毫米波信号与所述局域网电缆的子载波进行固定映射以对所述局域网电缆的子载波进行功率分配。
可选地，所述毫米波小小区还包括本地天线中继单元、本地天线阵列，所述本地天线中继单元与所述第二天线阵列连接，所述本地天线中继单元获取所述第二天线阵列接收到的毫米波信号，并通过所述本地天线阵列将接收的毫米波信号发送给所述室内终端。
可选地，所述毫米波小小区还包括功率分配器，所述功率分配器包括一个输入端及两个输出端，所述功率分配器的输入端与所述第二天线阵列连接，所述功率分配器的一个输出端与所述本地天线中继单元连接，所述功率分配器的另一输出端与所述模拟中继单元连接。
可选地，所述模拟中继单元、所述局域网电缆、所述室内射频单元的数量为多个且所述模拟中继单元、所述局域网电缆、所述室内射频单元的数量相同，每一所述模拟中继单元通过一个所述局域网电缆与一个所述室内射频单元连接。
可选地，所述模拟中继单元包括第一变频器及带通滤波器，所述第一变频器将接收的毫米波信号进行下变频，所述带通滤波器将下变频后的毫米波信号进行功率整形，以减少所述局域网电缆的子信道中信号路径之间的干扰。
可选地，所述室内射频单元还包括第二变频器，所述第二变频器用于对所述局域网电缆的子信道传输的信号进行上变频处理。
可选地，所述毫米波信号的载波频段为26GHz、38GHz或60GHz。
本申请能够实现5G目标数据吞吐量及连接要求，并实现室内、室外的信号可靠高速传输，充分利用5G网络中各个信道的资源，解决了5G高速网络入户难的问题，同时本申请的毫米波接入系统组网便利，可以作为未来移动网络组网的基本组成方式。
附图说明
图1为本申请一实施方式中毫米波接入系统的系统架构图。
图2为本发明一实施方式中毫米波接入系统的功能模块图。
图3为本申请一实施方式中毫米波接入系统进行下行链路传输的系统模型示意图。
图4a-4d为空对电缆调度器对局域网电缆进行功率分配或优化时局域网电缆的信噪比的仿真示意图。
图5a-5b为毫米波接入系统使用CAT-5，CAT-6和CAT-7电缆、电缆长度在60m至200m之间变化时所使用的天线数量的仿真示意图。
图6a-6b为当室内毫米波信道失真从0％到90％的量时每个室内终端的平均频谱效率。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当一个元件被称为“电连接”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“电连接”另一个元件，它可以是接触连接，例如，可以是导线连接的方式，也可以是非接触式连接，例如，可以是非接触式耦合的方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参考图1，所示为本申请一实施方式毫米波接入系统1的系统架构图。所述毫米波接入系统1包括毫米波基站11、毫米波小小区12及室内终端13。本实施例中，所述毫米波基站11位于室外，所述毫米波小小区12位于屋顶，所述室内终端13位于室内。所述毫米波基站11通过第一毫米波信道与所述毫米波小小区12通信连接。所述毫米波小小区12通过第二毫米波信道与所述室内终端13通信连接。如此，通过毫米波小小区12将毫米波基站11发送的下行信号中继到室内终端13，或将室内终端13发送的上行信号中继到毫米波基站11。本实施方式中，所述第一毫米波信道为室外无线电通信链路，所述第二毫米波信道为室内无线电通信链路。本实施方式中，所述室内终端13可以是移动手机、平板电脑、笔记本电脑、穿戴式设备等装置。
本实施方式中，毫米波基站11将宽带毫米波频谱细分成较窄带宽的子信道，该些子信道在频域上不重叠，组成一组平行的信号通路。这些子信道经由毫米波基站11的第一毫米波信道与毫米波小小区12中的中继节点进行通信。中继节点与所述毫米波基站11之间构成视距传输(Line Of Sight,LOS)信道。每一个子信道对应一个中继节点，由中继节点将毫米波子信道变频到统一的载频上，经由中继节点的放大，各个子信道的信号以多输入-多输出(Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO)的形式与室内的室内终端13通信。本实施方式中，室内终端13以MIMO的形式接收并处理信号。如此，所述毫米波接入系统1建立了从毫米波基站11到室内终端13的MIMO链路。本申请中，所述中继节点为室内射频单元(indoorradio unit，IRU)。
本实施方式中，毫米波基站11的基本任务可以包括但不限于如下几方面：
(1)提供与核心网的接口，完成物理层至网络层的上下行传输。
(2)获取终端(如室内终端13)数量及各个终端天线数量等信息，区分不用终端及其数据。
(3)获取信道信息，根据需要服务的终端数量，终端天线数量和信道估计，对要传输和接收到的信号进行处理，与室内终端13组成MIMO链路。
(4)对传输信号进行信道编码和接收信号的解码。
(5)根据整体链路上的需求，分配信道资源。包括确定子信道带宽，子信道中心频率。
(6)根据信道估计的情况，优化信道资源分配，包括子信道对应的中继节点分配，优化传输功率。
(7)对链路中的资源动态管理，在不同数据速率需求的条件下优化系统资源，如最大化信道容量，确认优先级，或者节约能源等。
(8)将经过MIMO处理后的基带信号变频到毫米波波段，将各个子信道基带信号调制到对应的毫米波中心频率上，经过功率放大后从天线发射。
(9)将接收到的毫米波信号变频解调，包含低噪声放大，下变频等操作。
(10)毫米波天线可以使用相控阵技术，利用波束成形技术提高天线增益，补偿传输衰减。
(11)可以利用多波束的方式与多组中继节点通信。也可以根据需求和标准，利用时分、频分或者波束成形的方式，与多组中继节点构成毫米波通信链路。因此，一个毫米波基站通过时分、频分或波束成形方式与多组中继节点构成毫米波通信链路。
请参考图2，所示为本发明一实施方式中毫米波接入系统1的功能模块图。所述毫米波基站11包括预编码器111、数模转换器112、模拟处理器113及第一天线阵列114。本实施方式中，所述预编码器111用于对待发送的信号进行预编码得到预编码信号以补偿信道干扰或噪声干扰。具体地，所述预编码器111基于无线电-无线电信道对待发送的信号进行预编码得到预编码信号，并通过预编码矩阵对角化所述无线电-无线电信道。所述数模转换器112与所述预编码器111连接，用于将所述预编码信号进行数模转换得到模拟信号。所述模拟处理器113与所述数模转换器112连接，用于将所述模拟信号转变为毫米波信号。所述第一天线阵列114与所述模拟处理器113连接，用于发送所述毫米波信号。本实施方式中，所述毫米波信号的载波频段为26GHz、38GHz或60GHz范围。
本实施方式中，所述毫米波小小区12包括第二天线阵列121、本地天线中继(localantenna relay，LAR)单元122、本地天线阵列(Local Antenna Array,LAA)123、功率分配器124、多个模拟中继单元(Analog Relay Unit,ARU)125、空对电缆(Non-configurable Air-to-Cable，NC-A2C)调度器126、多个局域网电缆(Local Area Network Cable)127及多个室内射频单元(indoor radio unit，IRU)128。本实施方式中，所述第二天线阵列121用于接收所述毫米波基站11发送的毫米波信号。所述功率分配器124与所述第二天线阵列121连接，用于将所述毫米波信号分成两路信号，一路信号传输给所述本地天线中继单元122，另一路信号传输给每个模拟中继单元125。具体地，所述功率分配器124包括一个输入端1241及两个输出端1242。所述功率分配器124的输入端1241与所述第二天线阵列121连接。所述功率分配器124的一个输出端1242与所述本地天线中继单元122连接，所述功率分配器124的另一输出端1242与各个模拟中继单元125连接。所述本地天线中继单元122获取第二天线阵列121接收到的毫米波信号，并通过本地天线阵列123将接收的毫米波信号发送给所述室内终端13。如此，所述本地天线中继单元122将毫米波基站11通过第一毫米波信道发送的毫米波信号中继到室内无线电环境，并将接收的毫米波信号通过第二毫米波信道发送给室内终端13，如此实现室内终端13通过无线电-无线电的传输方式与毫米波基站11的通信连接。本实施例中，所述第一毫米波信道为所述毫米波基站11的第一天线阵列114与所述毫米波小小区12的第二天线阵列121之间的信道。所述第二信道为所述毫米波小小区12的本地天线阵列123与所述室内终端13的天线之间的信道。
本实施方式中，所述模拟中继单元125通过局域网电缆127与所述室内射频单元128连接。本实施方式中，所述模拟中继单元125、局域网电缆127、室内射频单元128的数量相同，每一模拟中继单元125通过一个局域网电缆127与一个室内射频单元128连接。本实施方式中，所述模拟中继单元125将所述毫米波信号通过所述局域网电缆127传输给所述室内射频单元128。所述室内射频单元128包括第三阵列天线1281。所述室内射频单元128将所述局域网电缆127传输的毫米波信号通过第三阵列天线1281发送给室内终端13。如此，所述毫米波基站11通过无线电-电缆-无线电的传输方式与所述室内终端13通信连接。
本实施方式中，空对电缆调度器126与每一所述模拟中继单元125连接。空对电缆调度器126用于将第二天线阵列121接收到的天线信号(毫米波信号)与每个电缆调度器126上的电缆子载波进行功率分配，以对每个电缆调度器126上的电缆子载波的容量进行取舍，并使得每个电缆调度器126上的电缆子载波有足够的容量。从而，空对电缆调度器126能够控制每个电缆调度器126上的电缆子载波的输入功率来满足5G NR的要求。本实施方式中，空对电缆调度器126能够控制电缆调度器126上的电缆子载波实现8位/秒/Hz的频谱效率电缆频谱。
本实施方式中，所述毫米波小小区12的第二天线阵列121接收到毫米波基站11发送的毫米波信号后通过预定义的功率缩放进行功率整形，然后将整形后的毫米波信号下变频到中频信号，将中频信号进行频率多路复用形成可以在局域网电缆127上传输的多个复合信号。所述复合信号被所述室内射频单元128接收后，所述室内射频单元128将所述复合信号通过中频带通滤波器组进行滤波，以便在局域网电缆127的不同子载波上解耦信号。所述室内射频单元128将解耦出的信号上变频到毫米波信号。本实施方式中，所述局域网电缆127为双绞线。
请参考图3，所示为本申请一实施方式中毫米波接入系统1进行下行链路传输的系统模型示意图。
所述毫米波基站11发送的信号向量表示要发送的毫米波频率为：
信号向量表示要发送的毫米波频率：
，其中NT表示信号数，Ni表示第i局域网电缆127上映射的天线信号数。毫米波小小区12接收信号向量表示为：
其中，是从毫米波基站11的第一天线阵列111的NT个天线到毫米波小小区12的第二天线阵列121的NT个天线的频率复用对角室外毫米波信道(即)，其对角线分量代表毫米波基站11的第一天线阵列111和毫米波小小区12的第二天线阵列112之间的信道增益。在毫米波基站11的第一天线阵列111上会产生具有平坦的功率谱密度(power spectrum density，PSD)的加性高斯白噪声(additive white Gaussian noise，AWGN) 在毫米波基站11上所有的信号被缩放，以使发射功率符合为毫米波基站11和毫米波小区12的站间距(inter-site distance)定义的国际电信联盟标准(International Telecommunication Union，ITU)。具体地，将图3中毫米波小小区12的接收的信号x定义为
x＝Ps (2)
其中，P是预编码矩阵，用于预补偿级联的室外和室内无线电信道的影响。来自毫米波小小区12的发射信号矢量受到空中信道的平均功率约束：
其中假设信号矢量与单位功率不相关(即)。
本实施例中，局域网电缆127的电缆子载波的带宽为其中所述局域网电缆127有个子载波。因此，局域网电缆127的累积带宽为BWC。令单个毫米波信道上的相干带宽和无线电子信道数分别表示为△fair和 其中BWmmWave是可用的毫米波频谱带宽。
本实施方式中，所述模拟中继单元125包括第一变频器1251、带通滤波器1252。所述模拟中继单元125的第一变频器1251以频率
调谐，同时将带通滤波器1252的中心频率设置为
其中对应第k个电缆子信道的IF频率。本实施方式中，所述空对电缆调度器126中的所有可调组件都在安装之前进行了配置，并且一旦配置，从所述毫米波小区12的第二天线阵列121接收到的信号将始终映射到给定局域网电缆127的固定电缆子信道上。
本实施方式中，所述模拟中继单元125的第一变频器1251对接收到的射频信号进行下变频，然后通过带通滤波器1252的NT×NT块对角功率整形矩阵B对其进行功率整形，以最大程度地减少多对电缆子信道中信号路径之间的干扰。所述室内射频单元128接收到的中频复合信号矢量表示为可以进一步表示为：
其中是毫米波小区12和室内射频单元128之间用于传输NT个信号(即NT＝TCNCNF)的电缆信道，是功率谱密度为的加性高斯白噪声 本实施方式中，所述局域网电缆127的数量为TC个，TC个局域网电缆127组成电缆捆扎器。每个局域网电缆127有NC个双绞线。局域网电缆127中的正交子载波可以数学建模为具有NF个对角元素的块对角矩阵为
其中Hc,k代表第k个子载波上的电缆子信道。Hc,k的对角元素表示室内射频单元128和毫米波小小区12之间的链接，Hc,k非对角项表示跨第k个子载波的电缆捆扎器对之间的FEXT系数。电缆捆扎器的容量取决于捆扎器中局域网电缆127的数量、局域网电缆127的类型(例如，CAT-5，CAT-6，CAT-7)、电缆捆扎器的长度以及每对局域网电缆127上可实现的传输带宽。
为了中继来自局域网电缆127的复合接收信号，室内射频单元128包括第三阵列天线1281及第二变频器1282，第三阵列天线1281包括个天线，可以为K个室内终端13提供服务，每个室内终端13有N个天线，其中KN≤NT。对室内射频单元128的第二变频器128的混频器进行调谐，以对从 到fRF接收到的复合信号的频率进行升频转换。本实施方式中，图3中的室内终端13接收到的总信号y[y1y2…yK]T定义为
其中，是从室内射频单元128的NT个天线到K个室内终端13的室内视距毫米波信道(第二毫米波信道)，室内终端13的天线的累积数量NUE＝KN。的对角线分量表示IRU天线阵列和室内终端13之间的信道增益，而非对角线分量则是由相同射频频带fRF中所有用户信号的传输引起的干扰。假设在所有室内终端13的天线处具有平坦的功率谱密度的加性高斯白噪声为了简化符号，后续部分省略了信道矩阵的上标(d)，上标(d)表示的是下行传输。
本实施方式中，公式(1)中的表示毫米波基站11与毫米波小区12之间的室外视距毫米波无线链路(第一毫米波信道)。公式(6)中Ha表示为毫米波小区12的室内射频单元128与室内终端13之间的室内视距毫米波无线链路(第二毫米波信道)。
本实施方式中，稀疏几何信道模型可以用于室内视距毫米波无线电信道和室外视距毫米波无线电信道。稀疏几何信道模型是一种广泛使用的毫米波信道模型，根据发射器(如毫米波小小区12)和接收器(如室内终端13)之间的物理射线来描述无线电信道。发射机和接收机的天线u之间的一般信道矢量为
其中βu,p是对室内终端13的天线的天线单元u的第p条路径的复数增益， 是归一化因子，M为从发射机到接收机的天线单元u的路径总数。第p条路径在第u个天线的到达角(Angle of Arrival，AoA)为θup，假定服从均匀分布 接收到导向向量a(θu,p)，公式(7)中传播常数βu,p基于几何路径损耗模型确定，βu,p[dB]＝α(fc)+γ10log10(d3D)+ξ，其中α(fc)是频率相关的路径损耗常数，γ是路径损耗指数，d3D是发送器和接收器之间的3D欧几里德距离，ξ是对数正态阴影衰落系数。
本实施方式中，将28GHz频段用于毫米波基站11与毫米波小小区12之间的第一毫米波信道。28GHz附近有大量没有得到充分利用的授权毫米波频段，可以支持500m的站间距；与60GHz等较高频段相比，28GHz频段仍然存在多路径环境。本实施方式中，所述第一毫米波信道的路径损耗系数α(fc)可以表示为：
αmmBS→mmSC(fc)＝32.46+20log10(fc) (8)
其中γmmBS→mmSC＝3.4，σξ＝9.6。本实施方式中，第二毫米波信道的室内视距的路径损耗和非视距信道的路径损耗表示为
对于视距和非视距散射，γIRU→UEs分别等于1.73和3.83，σξ分别等于3.02dB和8.03dB。公式(1)中毫米波基站11与毫米波小区12之间的第一毫米波信道和与(6)中毫米波小区12的室内射频单元128与室内终端13之间的室内视距毫米波无线链路(第二毫米波信道)变为：
假设室外信号被频率复用，则变成对角线信道，每个发射器和接收器的天线对之间的信道增益位于主对角线上。
本实施方式中，空对电缆调度器126对第二天线阵列121接收的毫米波信号与局域网电缆127的子载波进行固定映射以对所述局域网电缆127的子载波进行功率分配，并且通过预设模拟操作来确定毫米波信号路径。本实施方式中，所述预设模拟操作包括频率转换及功率整形。本实施方式中，根据目标公式
对所述局域网电缆127的子载波进行功率分配。xn,k是指定变量，如果局域网电缆127的子载波k∈{1,…,NF}可以达到8位/秒/赫兹的频谱效率则为1，否则为0。Pn,k用于将功率分配给第n个级联的局域网电缆127的第k个子载波。In,k用于计算在第n个级联的局域网电缆127的第k个子载波上的干扰。空对电缆调度器126的目标公式约束条件为：
其中n∈{1,…,TCNC}，k∈{1,…,NF}，M是一个正整数，为一个非常大的数字。ζ是用于实现8位/秒/Hz频谱效率的信号与干扰加噪声比(Signal to Interference plus NoiseRatio,SINR)阈值，Γ是信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)余量。局域网电缆127的电缆信道的第k个子载波上累积的噪声功率为(其中是第k个电缆子信道矩阵Hc,k的第n个行向量)，包括室外无线电和电缆信道上的噪声功率。每个局域网电缆127的所有子载波的功率之和受到总发射功率(即PT)的限制，从而导致局域网电缆127上的发射信号的最大功率也受限于最大功率谱密度(即Pn,k≤Pmax)。
约束条件(13b)确保频谱效率随着频率的增加而单调下降。约束条件(13c)和(13d)确保每个局域网电缆127的子载波上的发射功率不高于指定值。约束(13e)和(13f)分别用于计算适当的功率和干扰。需要注意的是，如果xn,k＝0，则不等式(13e)对于Pn,k和In,k的所有值都是正确的。如果xn,k＝1，则不等式为期望的 第k个子载波的发射功率根据公式(13)确定为
pk＝(Dk-ΛkAk)-1Λkσk (14)
其中
本实施方式中，B为放大器增益矩阵，表示为并且可以在确定信号x的最佳发射功率PNC-A2C之前进行计算。第k个子载波的功率整形矩阵为
本实施方式中，毫米波基站11与室内终端13之间的无线电-无线电信道的模型表示为
y＝GPs+n (20)
其中表示从毫米波基站11的NT个第一天线阵列111到K个室内终端13的NUE个天线的级联毫米波信道。噪声矢量对应于由于复合级联的毫米波信道而导致的累积噪声。
NUE×NT级联的毫米波信道矩阵G的对角元素表示从毫米波基站11到室内终端13的直接路径，非对角项为干扰。本实施方式中，用模运算符Γ[.]消除G-1对毫米波基站11的干扰。本实施方式中，汤姆林森原岛预编码(THP)基于QR分解GH＝QR，其中Q和R分别是酉上三角矩阵。可以通过反馈滤波器实现对于NT×1M-QAM符号S和取模运算符的所有NUE个室内终端13的无干扰传输
Fb＝diag(R)-1RH (21)
以在序列化后退后得到输出符号
Γk为复值模运算符，表示为
定义多进制正交幅度调制(M-QAM)星座的边界区域，以确保预编码符号z位于星座边界内。发送的符号x表示为
或者，选择前馈滤波器
Ff＝Q (25)
保证ZF预编码并节省能量
E[*]是期望运算符，因为在第j个UE处接收的信号是无干扰的，并且M-QAM符号检测通过以下方式完成：
非线性模运算符Γj[z]保留每个符号的能量。通过采用线性化模型可以简化预编码器的分析，通过有效数据符号v＝z-d来描述模运算符的作用，其中d是一个整数，选择该整数以使输出符号v处于以下范围内：M-QAM星座，由室内终端13处的模运算符依次移除公式(27)。当通过减去NT×1向量d使模运算符线性化时，THP预编码链在分析上等效于逆反馈(Fb)和前馈(Ff)变换的级联
而预编码矩阵为
其中是在预编码滤波器之后满足公式(3)中发射信号功率约束的归一化因子，因此公式(34)变为
由毫米波基站11与室内终端13之间的无线电-无线电信道引起的噪声协方差为
其中和分别是室内无线链路和室外无线链路上的噪声功率谱密度。本实施方式中，第k个室内终端13的噪声方差表示为
第k个室内终端13的速率通过如下公式(33)计算得到。
本实施方式中，毫米波基站11与室内终端13之间的无线电-电缆-无线电信道的模型表示为
其中代表从毫米波基站11的NT个第一天线阵列111到K个室内终端113的NUE个天线的级联的无线电-电缆-无线电信道。噪声矢量 对应于无线电-电缆-无线电信道产生的累积噪声。无线电-电缆-无线电信道导致的噪声协方差为
其中 和分别是室内无线链路(第一毫米波信道)、局域网电缆127的电缆信道和室外无线链路(第二毫米波信道)上的噪声功率谱密度。局域网电缆127的有线信道的协方差矩阵为本实施方式中，KN＝NUE， 对于i＝1,2,…,NUE，室内无线信道协方差矩阵Ra与信道方差在主对角线上对角线。本实施方式中，是从室内射频单元128到第i个室内终端13的行向量信道。第k个室内终端13的噪声方差变为
第k个室内终端13的速率计算为
其中
本实施方式中，在验证所述毫米波接入系统1的系统时使用28GHz毫米波频带作为所述毫米波基站11与所述毫米波小小区12之间的室外无线链路的毫米波频谱，使用73GHz毫米波频带作为所述毫米波小小区12与所述室内终端13之间的室内无线链路的毫米波频谱。本实施方式中，使用公式(7)、(公式8)和公式(12)对室外无线链路的信道增益进行建模，使用公式(7)、公式(9)、公式(10)和公式(11)对室内无线链路的信道增益进行建模。表1显示了本次验证中使用的5G NR物理层和传输参数。本次验证中采用的双工方案为时分双工，采用BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM中的至少一个调制方案。毫米波覆盖范围的5GNR参数集的数量为3(μ＝3)，局域网电缆127的子载波间隔ΔfSCS等于120kHz(ΔfSCS＝2μ.15kHz)。一个PRB在频域中包含12个子载波，因此，一个物理资源块(physical resourceblock，PRB)的信道带宽为1.44MHz。本实施方式中，对于5G NR，每个子帧中包含8个时隙，每个时隙包含带有普通循环前缀的14个正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM)符号，持续时间为1毫秒(即Tsubframe＝1ms)，每个子帧的OFDM符号为112。
本实施方式中表1为局域网电缆127的空间频率资源分配的5GNR物理层参数。
表1
本实施方式中，局域网电缆127使用的铜线束的物理层参数参考表2。本实施方式中，通过将局域网电缆127的子载波的传输功率和每条线的总功率分别限制为-70dBm/Hz和8dBm，可以获得局域网电缆127上的最大可用信道频谱。
表2
请参考图4a-4d，所示为空对电缆调度器对局域网电缆进行功率分配或优化时局域网电缆的信噪比的仿真示意图。图4a为空对电缆调度器126对50m的局域网电缆127进行功率分配或优化后局域网电缆127的电缆子信道上可达到的信噪比。图4b为空对电缆调度器126对100m的局域网电缆127进行功率分配或优化后局域网电缆127的电缆子信道上可达到的信噪比。图4c为空对电缆调度器126对150m的局域网电缆127进行功率分配或优化后局域网电缆127的电缆子信道上可达到的信噪比。图4d为空对电缆调度器126对200m的局域网电缆127进行功率分配或优化后局域网电缆127的电缆子信道上可达到的信噪比。通过图4a-4d的仿真图可以看出，随着局域网电缆127的电缆长度的增加，具有8bps/Hz频谱效率的子载波的数量会减少。每个4x4块代表单个50MHz子载波。通过仿真验证可以看出，40、28、16和8个子载波可分别用于在50m，100m，150m和200m CAT-5电缆信道上传输。
图5a-5b为毫米波接入系统1使用CAT-5，CAT-6和CAT-7电缆、电缆长度在60m至200m之间变化时所使用的天线数量的仿真示意图。本实施方式中，每个室内终端13的天线数量为4或1。可以看出，随着局域网电缆127的距离的增加，局域网电缆127的容量和天线数量都大大减少。与使用CAT5局域网电缆127相比，使用CAT7局域网电缆127可将性能提高20％以上。
本实施方式中，验证毫米波基站11与毫米波小小区12之间的室外毫米波信道位于视距范围且相距500m的传输信道的平均频谱效率，毫米波小小区12与室内终端13之间的室内毫米波信道的距离从10m到200m的频谱效率仿真示意图。
图6a-6b为当室内毫米波信道失真从0％到90％的量时每个室内终端的平均频谱效率的仿真示意图。本文提出的应用在无线电-电缆-无线电传输的情况，而传统的集成接入回传(IAB)方法应用在无线电-无线电的情况。对于线电-电缆-无线电，使用空对电缆调度器126对局域网电缆127上的子载波进行功率分配时，局域网电缆127的长度范围为60m至200m。MP调度器控制下的室内信道失值的平均频谱效率及电缆调度器126控制下的室内信道失值的平均频谱效率随着毫米波基站11与室内终端13的长度增加在减小。另一方面，对于无线信道失真超过20％的所有覆盖区域，在无线电-电缆-无线电的传输的情况下，毫米波接入系统1可以很好地保持频谱效率。
本实施方式中，通过图6a-6b可以看出，在MP调度器控制局域网电缆127的子载波分配功率的情况下，使用180m CAT-5电缆作为局域网电缆127时，在在无线电-电缆-无线电传输的情况下，MP调度器能够达到约7.3bps/Hz的平均频谱效率，而使用200m CAT-5电缆，空对电缆调度器126能够达到7.5bps/Hz。原因是NC-A2C仅允许在整个可达到的传输频带上具有不低于8bit/sec/Hz频谱效率的子载波，而MP-A2C的目标是在从2bps/Hz到8bps/Hz的频谱效率范围内最大化电缆传输频带。
本申请能够实现5G目标数据吞吐量及连接要求，并实现室内、室外的信号可靠高速传输，充分利用5G网络中各个信道的资源，解决了5G高速网络入户难的问题，同时本申请的毫米波接入系统组网便利，可以作为未来移动网络组网的基本组成方式。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种毫米波接入系统，包括毫米波基站、毫米波小小区及室内终端，其特征在于，所述毫米波基站通过第一毫米波信道与所述毫米波小小区通信连接，所述毫米波小小区通过第二毫米波信道与所述室内终端通信连接，其中，所述第一毫米波信道为室外无线电通信链路，所述第二毫米波信道为室内无线电通信链路；
所述毫米波基站包括预编码器、数模转换器、模拟处理器及第一天线阵列，所述预编码器用于对待发送的信号进行预编码得到预编码信号以补偿信道干扰或噪声干扰，所述数模转换器与所述预编码器连接，用于将所述预编码信号进行数模转换得到模拟信号，所述模拟处理器与所述数模转换器连接，用于将所述模拟信号转变为毫米波信号，所述第一天线阵列与所述模拟处理器连接，用于发送所述毫米波信号，其中，所述预编码器基于无线电-无线电信道对待发送的信号进行预编码得到预编码信号，并通过预编码矩阵对角化所述无线电-无线电信道；
所述毫米波小小区还包括第二天线阵列、本地天线中继单元、功率分配器及模拟中继单元，所述功率分配器包括一个输入端及两个输出端，所述功率分配器的输入端与所述第二天线阵列连接，所述功率分配器的一个输出端与所述本地天线中继单元连接，所述功率分配器的另一输出端与所述模拟中继单元连接；
所述室内终端根据无线电-电缆-无线电信道模型从所述毫米波基站接收所述毫米波信号，其中代表从所述毫米波基站的NT个第一天线阵列到K个所述室内终端的NUE个天线的级联的无线电-电缆-无线电信道，噪声矢量对应于所述无线电-电缆-无线电信道产生的累积噪声，P为预编码矩阵，B为功率整形矩阵，S为M-QAM的符号。
2.如权利要求1所述的毫米波接入系统，其特征在于，所述毫米波小小区包括空对电缆调度器、局域网电缆及室内射频单元，所述室内射频单元包括第三阵列天线，所述第二天线阵列与所述模拟中继单元连接，所述模拟中继单元通过所述局域网电缆与所述室内射频单元连接，所述第二天线阵列接收所述毫米波基站发送的毫米波信号，所述模拟中继单元对所述毫米波信号进行处理后将所述毫米波信号通过所述局域网电缆传输给所述室内射频单元，所述室内射频单元通过所述第三阵列天线将所述毫米波信号发送给所述室内终端，所述空对电缆调度器与所述模拟中继单元连接，用于对所述第二天线阵列接收的毫米波信号与所述局域网电缆的子载波进行固定映射以对所述局域网电缆的子载波进行功率分配。
3.如权利要求1所述的毫米波接入系统，其特征在于，所述毫米波小小区还包括本地天线阵列，所述本地天线中继单元与所述第二天线阵列连接，所述本地天线中继单元获取所述第二天线阵列接收到的毫米波信号，并通过所述本地天线阵列将接收的毫米波信号发送给所述室内终端。
4.如权利要求2所述的毫米波接入系统，其特征在于，所述模拟中继单元、所述局域网电缆、所述室内射频单元的数量为多个且所述模拟中继单元、所述局域网电缆、所述室内射频单元的数量相同，每一所述模拟中继单元通过一个所述局域网电缆与一个所述室内射频单元连接。
5.如权利要求2所述的毫米波接入系统，其特征在于，所述模拟中继单元包括第一变频器及带通滤波器，所述第一变频器将接收的毫米波信号进行下变频，所述带通滤波器将下变频后的毫米波信号进行功率整形，以减少所述局域网电缆的子信道中信号路径之间的干扰。
6.如权利要求5所述的毫米波接入系统，其特征在于，所述室内射频单元还包括第二变频器，所述第二变频器用于对所述局域网电缆的子信道传输的信号进行上变频处理。
7.如权利要求1所述的毫米波接入系统，其特征在于，所述毫米波信号的载波频段为26GHz、38GHz或60GHz。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |