本申請(qǐng)要求2015年1月16日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)no.62/104,091的權(quán)益。

本發(fā)明總體上涉及無(wú)線通信系統(tǒng)中的新穎中繼器，更具體地說(shuō)，涉及用于多入多出(mimo)無(wú)線系統(tǒng)的中繼器。

背景技術(shù)：

隨著無(wú)線通信應(yīng)用的增長(zhǎng)，無(wú)線產(chǎn)業(yè)關(guān)注用于對(duì)無(wú)線系統(tǒng)中的更多用戶的更高數(shù)據(jù)吞吐量的更先進(jìn)技術(shù)。用于增加無(wú)線譜的空間重復(fù)使用的一種方法是多入多出(mimo)天線系統(tǒng)，尤其是多用戶mimo(mu-mimo)。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，具有多個(gè)天線的無(wú)線節(jié)點(diǎn)(無(wú)論是基站(bs)或用戶裝備(ue))可以在下行鏈路(dl)或上行鏈路(ul)中使用波束成形，以增加與其它無(wú)線節(jié)點(diǎn)的鏈路的信噪比(snr)或信干噪比(sinr)，因此數(shù)據(jù)率。mu-mimo可以在頻率和時(shí)間塊(例如資源塊(rb))中同時(shí)對(duì)多個(gè)ue進(jìn)行波束成形，即，使用空間復(fù)用以提供容量增長(zhǎng)，而無(wú)需增加帶寬。bs可以裝配有大量天線(例如幾十至幾百個(gè))，以服務(wù)于很多用戶，稱為大規(guī)模mimo系統(tǒng)[1]，

立刻放大并且轉(zhuǎn)發(fā)帶內(nèi)信號(hào)的中繼器(下文中簡(jiǎn)稱為中繼器)是用于在不良信道條件的情況下增加ue的snr并且改進(jìn)信道估計(jì)精度的高效組件。雖然具有大量天線的mimobs可以通過(guò)波束成形擴(kuò)展其dl覆蓋范圍，但ue的sinr可能歸因于陰影化隨著距ue的距離快速地衰退。因此，在其它因素當(dāng)中，歸因于大規(guī)模衰落、陰影化，遠(yuǎn)離開(kāi)bs的ue具有比靠近bs的ue顯著更低的sinr。此外，ul范圍并且因此ul信道估計(jì)精度受限于ue的發(fā)送功率。通過(guò)中繼器，bs能夠從甚至靠近小區(qū)邊沿的ue接收具有高snr的信號(hào)。

信道估計(jì)在多用戶mimo系統(tǒng)中是有挑戰(zhàn)的并且重要的問(wèn)題。為了bs使用多個(gè)天線對(duì)多個(gè)ue進(jìn)行波束成形，bs需要充分地并且精確地獲知去往ue的dl信道(例如每個(gè)ue的dl信道狀態(tài)信息(csi))。然而，因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)原因，所以通過(guò)在dl中發(fā)送基準(zhǔn)導(dǎo)頻直接獲得dlcsi并不是高效的：(1)bs上的大量天線將在下行鏈路中產(chǎn)生用于基準(zhǔn)信號(hào)的大的系統(tǒng)開(kāi)銷；(2)需要很多比特以精確地量化csi，這樣在ul中產(chǎn)生反饋信道的過(guò)載。幸虧可以采用例如要求2013年12月20日提交的臨時(shí)專利申請(qǐng)61/919,032的利益的2014年12月20日提交的我們的pct申請(qǐng)pct/us14/71752中所描述的使用切換以創(chuàng)建信道互易性的時(shí)分雙工(tdd)系統(tǒng)中或頻分雙工(fdd)系統(tǒng)中的空中無(wú)線信道的互易性質(zhì)，以減少信道估計(jì)開(kāi)銷。在該系統(tǒng)中，ue發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)(例如偵聽(tīng)基準(zhǔn)信號(hào)(srs))，其在ul中由bs上的所有天線接收。bs通過(guò)接收到的導(dǎo)頻信號(hào)估計(jì)ulcsi，并且使用其以基于信道互易性估計(jì)dlcsi。

本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例是一種對(duì)稱中繼器，其將允許使用無(wú)線信道互易性的高效信道估計(jì)。通過(guò)系統(tǒng)中的中繼器，bs與ue之間的總信道(tc)包括通過(guò)中繼器的信道以及沒(méi)有中繼器的信道。為了基于信道互易性通過(guò)ulcsi高效地估計(jì)信道，通過(guò)中繼器的信道也需要是互易的。僅在中繼器的對(duì)稱設(shè)計(jì)的情況下，ul和dl中的tc將是相同的，并且于是ulcsi可以用于估計(jì)dltc。bs可以使用tc的信道估計(jì)以計(jì)算預(yù)編碼矩陣或檢測(cè)矩陣；并且使用預(yù)編碼或檢測(cè)矩陣以執(zhí)行波束成形，以使用相同頻率資源將數(shù)據(jù)發(fā)送到或接收自多個(gè)ue，而mu-bf可以使用任何已知的或未來(lái)的mu-bf方法(例如迫零(zf)、規(guī)則化zf(rzf)、共軛波束成形(cb)、最小均方差(mmse)、臟紙編碼(dpc)等)。

在無(wú)線系統(tǒng)中已經(jīng)存在考慮中繼器的一些現(xiàn)有文獻(xiàn)。在[2]中，borisrankov和arminwittneben描述了用于單用戶mimo(su-mimo)的中繼器輔助無(wú)線mimo信道，其中，目的地天線在線性陣列中相等地間隔，并且中繼器受限于單個(gè)天線節(jié)點(diǎn)。中繼器使用時(shí)分雙工(tdd)，即，在一個(gè)時(shí)隙中接收數(shù)據(jù)并且在另一時(shí)隙中發(fā)送它。這樣減少譜效率并且需要中繼器的同步。在[3]中，chae，chan-byoung等人描述了與[2]中相同的具有用于也是tdd兩跳通信的固定中繼器網(wǎng)絡(luò)中的多用戶傳輸?shù)木€性處理的mimo中繼法。在[4]中，weixu和xiaodaidong描述了用于具有波束成形的mimo中繼器輔助蜂窩網(wǎng)絡(luò)的有限反饋設(shè)計(jì)，其中，需要每個(gè)ue將其量化的csi反饋到中繼器，并且中繼器將量化的波束成形矢量發(fā)送到bs。此外，其受限于(bs的天線的數(shù)量)＝(中繼器的天線的數(shù)量)＝(ue的天線的數(shù)量)的過(guò)于簡(jiǎn)化的情況。在[5]中，matsandersson和bogoransson提出了一種具有用于波束引導(dǎo)而非波束成形的中轉(zhuǎn)器的mimo系統(tǒng)，也就是說(shuō)，其受限于引導(dǎo)中轉(zhuǎn)器的天線波瓣以朝向ue瞄準(zhǔn)，而非在bs處的真實(shí)波束成形。

現(xiàn)有技術(shù)都不包含對(duì)稱中繼器。本發(fā)明描述了新穎對(duì)稱中繼器設(shè)計(jì)，其實(shí)現(xiàn)ul/dl信道中的信道互易性，并且因此使得能夠使用ul導(dǎo)頻在bs處進(jìn)行高效信道估計(jì)，以用于對(duì)多用戶的dl波束成形。

中繼器的另一重要參數(shù)是發(fā)送天線與接收天線之間的高隔離度。在一些應(yīng)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轉(zhuǎn)發(fā)中繼器的現(xiàn)有技術(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1示出具有分離的dl/ul路徑的對(duì)稱中繼器設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。

圖2示出具有有源自干擾消除塊的全雙工中繼器。

圖3示出用于控制中繼器中的衰減器和相移器的結(jié)構(gòu)。

圖4示出使用一個(gè)放大器的對(duì)稱中繼器的結(jié)構(gòu)。

圖5示出控制信號(hào)處理塊的結(jié)構(gòu)。

圖6示出用于控制圖4所示的對(duì)稱中繼器中的ul/dl切換的包絡(luò)檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)。

注意，在附圖中僅示出關(guān)鍵組件，忽略其它組件(例如濾波器、端接器)，但本領(lǐng)域技術(shù)人員理解這些組件的使用。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)將參照附圖，其中，相同標(biāo)號(hào)通篇指代相同部分?，F(xiàn)在可以描述本發(fā)明示例性實(shí)施例。示例性實(shí)施例得以提供以示出本發(fā)明的各方面，并且不應(yīng)理解為限制本發(fā)明的范圍。當(dāng)參照框圖或流程圖描述示例性實(shí)施例時(shí)，每個(gè)塊可以表示方法步驟或用于執(zhí)行方法步驟的裝置元件。取決于實(shí)現(xiàn)方式，可以在硬件、軟件、固件或其組合中配置對(duì)應(yīng)裝置元件。下文中，導(dǎo)頻信號(hào)可以表示一個(gè)天線為了估計(jì)發(fā)送天線與一個(gè)或多個(gè)接收天線之間的信道所發(fā)送的信號(hào)。其可以又稱為基準(zhǔn)信號(hào)、信道估計(jì)信號(hào)或測(cè)試信號(hào)。

使用兩個(gè)放大器的放大和轉(zhuǎn)發(fā)中繼器設(shè)計(jì)

圖1示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，其中，中繼器通過(guò)調(diào)整衰減器3和相移器4實(shí)現(xiàn)ul和dl路徑的對(duì)稱性。存在ul電路，其從一個(gè)或多個(gè)ue7接收信號(hào)，放大(9)信號(hào)，并且將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)(10)到bs1。對(duì)于dl電路，中繼器從bs1接收信號(hào)2，并且將所放大的信號(hào)發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)ue。即使ul路徑中的組件(例如放大器9)和dl中的組件是相同型號(hào)，它們也可能沒(méi)有精確相同的傳遞函數(shù)。因此，為了保持ul/dl鏈路的互易性/對(duì)稱性，實(shí)施例使用可調(diào)整的衰減器和相移器，以校準(zhǔn)中繼器的ul和dl路徑。衰減器和相移器可以處于一條路徑上(要么ul要么dl)(圖1中的中繼器(a))或處于ul/dl路徑二者上(圖1中的中繼器(b))。在優(yōu)選實(shí)施例中，可調(diào)整的相移器和/或衰減器放置在對(duì)放大器的輸入之前的路徑上，從而較低功率可調(diào)整的相移器和/或衰減器可以得以使用。

需要中繼器的tx天線與rx天線之間的高隔離度，其中，隔離度定義為接收放大器所看見(jiàn)的tx信號(hào)的衰減。因?yàn)橹欣^器在相同頻率和相同時(shí)間進(jìn)行發(fā)送和接收，所以該隔離度必須高于中繼器的增益，以避免正反饋環(huán)路?？梢酝ㄟ^(guò)使用優(yōu)選地具有足夠的角度分離度的面對(duì)不同方向的方向性或窄波束tx和rx天線或通過(guò)增加tx與rx天線之間的距離增加隔離度。當(dāng)需要高增益并且隔離度不夠高時(shí)，本發(fā)明的一個(gè)重要實(shí)施例使用有源信號(hào)消除以增加tx與rx之間的隔離度，如圖2所示。即使tx23和rx24裝配有良好的方向性天線，來(lái)自tx23的信號(hào)也將由rx24通過(guò)“空中信道”25接收。設(shè)hair是通過(guò)“空中信道”的信道，為了有效地消除hair，一部分所發(fā)送的信號(hào)使用合路器或分路器26受偏轉(zhuǎn)，通過(guò)有源消除塊27，然后使用組合器28或合路器與rx天線接收到的信號(hào)組合。有源消除塊控制包括圖2中的衰減器29和相移器30的自適應(yīng)濾波器，以創(chuàng)建另一信道hcancel≈-hair。在接收機(jī)處，通過(guò)空中的路徑以及通過(guò)有源消除塊的路徑相加，從而hair+hcancel≈0，從而tx-rx之間的良好隔離度得以實(shí)現(xiàn)。圖2僅示出衰減器和相移器的單條路徑。其它實(shí)施例可以使用多于一條的路徑，以構(gòu)造可以受調(diào)諧以生成消除信道hcancel以近似hair的自適應(yīng)rf濾波器。每條路徑可以僅包含衰減器或包含衰減器和相移器二者。消除電路可以切換到校準(zhǔn)模式或有源消除模式。

在校準(zhǔn)模式下，已知的校準(zhǔn)信號(hào)從tx天線得以發(fā)送，并且由rx天線接收。有源消除塊下轉(zhuǎn)換(31)rx處接收到的信號(hào)并且對(duì)其進(jìn)行采樣(32)?；谒蓸拥幕鶐盘?hào)，有源消除塊獲得空中信道hair的估計(jì)?；趆air的信息，有源消除執(zhí)行從-hair到自適應(yīng)濾波器的設(shè)置(例如圖2中的衰減器和相移器的設(shè)置)的映射(33)。然后，相應(yīng)地設(shè)置衰減器和相移器。可以通過(guò)查找hair與濾波器設(shè)置之間的預(yù)先校準(zhǔn)的表完成映射。

為了實(shí)現(xiàn)中繼器的ul和dl路徑的對(duì)稱性，需要調(diào)諧衰減器和相移器的設(shè)置。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)注入已知的校準(zhǔn)信號(hào)以計(jì)算每條路徑的傳遞函數(shù)并且調(diào)整設(shè)置以接近地匹配兩條路徑的傳遞函數(shù)離線調(diào)諧設(shè)置。本發(fā)明另一實(shí)施例是一種用于調(diào)諧衰減器和相移器的參數(shù)以在中繼器內(nèi)部匹配ul和dl路徑的電路，如圖3所示。來(lái)自“信號(hào)發(fā)生器”34塊的信號(hào)通過(guò)中繼器的ul和dl路徑(35-40)，并且來(lái)自這兩條路徑的信號(hào)由“控制器”塊41接收。所生成的信號(hào)可以是單頻調(diào)信號(hào)或給定帶寬的信號(hào)。在單頻調(diào)信號(hào)的情況下，信號(hào)發(fā)生器可以掃描通過(guò)頻率的范圍，“控制器”塊比較通過(guò)ul和dl路徑的信號(hào)的幅度和相位，并且生成調(diào)整衰減器和相移器的參數(shù)的信號(hào)，以使得ul和dl滿足互易性/對(duì)稱性要求。在頻率掃描的情況下，控制器調(diào)整衰減器和相移器的參數(shù)，以使得ul和dl在期望的帶寬上最佳地滿足互易性/對(duì)稱性要求。

使用相同放大器的放大和轉(zhuǎn)發(fā)中繼器設(shè)計(jì)

本發(fā)明另一實(shí)施例是一種用于tdd系統(tǒng)的中繼器，其在ul和dl路徑二者中使用相同放大器，從而放大路徑自動(dòng)地是對(duì)稱的。如圖4所示，在中繼器中存在兩個(gè)切換器，以控制放大器的輸入信號(hào)。在材料和幾何形狀方面對(duì)稱的跡線以及對(duì)稱的切換器用于確保其它部分中的對(duì)稱性。如下示出用于控制用于ul/dl的切換器的機(jī)制。如圖4.a所示，在dl情況下，兩個(gè)切換器(42、43)設(shè)置為從bs45接收并且放大(44)信號(hào)，并且將其轉(zhuǎn)發(fā)到一個(gè)或多個(gè)ue46。在ul情況下，兩個(gè)切換器設(shè)置為從一個(gè)或多個(gè)ue接收并且放大信號(hào)，并且將其轉(zhuǎn)發(fā)到bs。由于ul和dl中的信號(hào)經(jīng)過(guò)相同放大器，并且使得其余電路具有高度對(duì)稱性，因此可以使得中繼器的ul和dl路徑具有高級(jí)互易性。

本發(fā)明另一實(shí)施例是“控制信號(hào)處理”塊，以基于塊從bs接收到的控制信號(hào)控制切換器的位置。如圖5所示，輸入信號(hào)首先受下轉(zhuǎn)換(52)，通過(guò)帶通濾波器53，并且模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)54對(duì)其進(jìn)行采樣。對(duì)所采樣的信號(hào)進(jìn)行解碼，以判斷輸入信號(hào)是針對(duì)ul還是dl(55)，并且然后控制中繼器中的切換器。在tdd系統(tǒng)中，中繼器知道協(xié)議，并且使用其協(xié)議的知識(shí)和接收到的控制信號(hào)以獲知下一時(shí)隙中的即將到來(lái)的信號(hào)是針對(duì)ul還是dl。根據(jù)該信息，中繼器設(shè)置切換器，以使得中繼器準(zhǔn)備ul或dl模式。以此方式，ul和dl信號(hào)將經(jīng)歷通過(guò)中繼器的相同信道。

“控制信號(hào)處理”塊也可以是如圖6所示的信號(hào)功率檢測(cè)，從而無(wú)需將信號(hào)下轉(zhuǎn)換到基帶。在圖6中，天線156是面對(duì)bs的方向性或波束天線，天線257是面對(duì)一個(gè)或多個(gè)ue或其它中繼器的方向性或波束天線。如果功率檢測(cè)器158檢測(cè)到具有足夠功率的到來(lái)信號(hào)，則其判斷系統(tǒng)處于dl模式下(60)，并且生成控制信號(hào)以將中繼器切換到dl模式(61)。反之，如果功率檢測(cè)器159檢測(cè)到具有足夠功率的到來(lái)信號(hào)，則其判斷系統(tǒng)處于ul模式下(60)，并且生成控制信號(hào)以將中繼器切換到ul模式(62)。功率檢測(cè)和切換控制在短時(shí)間段中(例如比ofdm信號(hào)中的循環(huán)前綴充分更短)得以完成，因此，允許dl或ul信號(hào)使用單條放大路徑得以成功地放大并且轉(zhuǎn)發(fā)。

雖然本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的前面描述已經(jīng)示出、描述或說(shuō)明本發(fā)明的基本新穎特征或原理，但應(yīng)理解，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行所示的方法、要素或裝置的細(xì)節(jié)的形式及其使用方面的各種省略、替換和改變。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)限于前面描述。此外，本發(fā)明的原理可以應(yīng)用于廣泛范圍的方法、系統(tǒng)和裝置，以實(shí)現(xiàn)在此所描述的優(yōu)點(diǎn)并且實(shí)現(xiàn)其它優(yōu)點(diǎn)或同樣滿足其它目的。