用于無線網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模mimo多用戶波束成形和單信道全雙工的制作方法
【專利說明】用于無線網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模MI MO多用戶波束成形和單信道全雙工
[0001 ] 本申請(qǐng)要求2013年11月17日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61 /905，260的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本申請(qǐng)涉及用于增加給定射頻(Radio frequency，RF)帶寬上的吞吐量的無線連 網(wǎng)的方法以及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置和系統(tǒng)，更具體地，涉及這樣的方法和有關(guān)的裝置與系統(tǒng)： 其在具有大量RF鏈和天線的基站中應(yīng)用波束成形(BF)，并且在下一階（比如微微小區(qū)，pico cell)中的基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)上使用單信道全雙工無線電。
【背景技術(shù)】
[0003] 大規(guī)模M頂0多用戶波束成形(MM-MUBF)通過空間復(fù)用提供了將頻譜效率和吞吐量 顯著增加許多倍的可能性。然而，當(dāng)RF鏈和天線的數(shù)目變得很大時(shí)(應(yīng)理解，天線與RF鏈(發(fā) 射(Tx)或接收(Rx))相關(guān)聯(lián)，因此，下文當(dāng)使用天線的數(shù)目時(shí)，應(yīng)理解為意味著天線及相關(guān) 的RF鏈的數(shù)目），用于獲取信道狀態(tài)信息(channel state information，CSI)的信道估計(jì)中 存在顯著開銷。如果信道相干時(shí)間較短，比如在具有大量天線的基站(base station，BS)與 快速移動(dòng)的用戶終端(user equipment，UE)通信的情況下，則這個(gè)問題變得更加具有挑戰(zhàn) 性，這是因?yàn)樾枰l繁估計(jì)大量信道，使得留下用于實(shí)際數(shù)據(jù)通信的時(shí)間減少。這個(gè)問題因 快速移動(dòng)的UE的數(shù)量而進(jìn)一步復(fù)雜化。另一方面，工業(yè)界正朝向小型小區(qū)（small cell，SC) 和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(heterogeneous network，HetNet)發(fā)展，作為滿足快速增加的數(shù)據(jù)流量的方 式。理想情況下，SC的布置應(yīng)由數(shù)據(jù)流量需求確定，不應(yīng)受與回程網(wǎng)絡(luò)的有線連接的可用性 所限制。MM-MUBF是針對(duì)這種需求的良好匹配，這是因?yàn)槠淇梢詾楹芏郤C提供大容量的無線 回程，從而它們可以放置在存在電力插座的任何地方。由于BS和SC之間的信道是非常緩慢 變化的，因此對(duì)于CSI的頻率估計(jì)的需求得到緩解。
[0004] 然而，現(xiàn)有技術(shù)使用帶外無線回程，這意味著將不同的頻率范圍用于BS和SC之間 的回程并用于與UE的通信。這需要寶貴的頻率資源，這些頻率資源尤其在低頻(幾 GHz或更 低）時(shí)可能是不可用的，而即使頻率資源是可用的，它們也應(yīng)該用來增加與UE的數(shù)據(jù)吞吐 量。另外，低頻無線回程是令人期望的，這是因?yàn)槠洳恍枰暰€，而且相比于高的毫米波頻 率提供了更好的穿透性。因此，帶內(nèi)無線回程(其意味著將相同的頻率用于與UE通信，以提 供BS和SC之間的無線回程)是令人期待的。這要求SC在同一頻率信道中同時(shí)進(jìn)行發(fā)射和接 收，稱為單信道全雙工（Single Channel Full Duplex，SCFD)〇
[0005] 如從上下文中明顯的是，術(shù)語BS和SC將用來指代小區(qū)中發(fā)射和接收信號(hào)的無線電 裝置，或者指代這種無線電裝置覆蓋的區(qū)域。術(shù)語BS用來指代遠(yuǎn)大于SC的小區(qū)覆蓋區(qū)域。在 4G LTE的術(shù)語詞匯中，本申請(qǐng)中的BS和SC均可以是"小型小區(qū)"，SC是低于BS的階，例如，下 文中的BS可以是4G LTE術(shù)語詞匯中的微小區(qū)，SC可以是4G LTE術(shù)語詞匯中的微微小區(qū)。
[0006] 本發(fā)明提供解決以上討論的技術(shù)挑戰(zhàn)的實(shí)施例。
【附圖說明】
[0007] 圖1(a)和圖1(b)分別示出TDD網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路方向和上行鏈路方向上的網(wǎng)絡(luò)流 量。
[0008] 圖2示出BS判斷UE是否應(yīng)包括在MFD-SC-IS中的流程圖。
[0009] 圖3示出roD網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路和上行鏈路方向上的網(wǎng)絡(luò)流量。
[0010] 圖4 (a)和圖4 (b)分別示出roD-TDD網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路方向和上行鏈路方向上的網(wǎng)絡(luò) 流量。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 現(xiàn)在可以參照附圖，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記在全文中指代相同的部分?，F(xiàn)在描 述本發(fā)明的示例性的實(shí)施例。這些示例性的實(shí)施例用于說明本發(fā)明的各方面，而不應(yīng)該解 釋為限制本發(fā)明的范圍。當(dāng)參照框圖或流程圖描述這些示例性的實(shí)施例時(shí)，每個(gè)框可以代 表方法步驟或者用于執(zhí)行該方法步驟的裝置元件。依據(jù)實(shí)現(xiàn)方案，可以用硬件、軟件、固件 或其組合配置對(duì)應(yīng)的裝置元件。
[0012] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是一種用于無線連網(wǎng)的方法，或者實(shí)現(xiàn)此方法的裝置，包括： 一個(gè)或多個(gè)具有Nbs個(gè)天線的BS;兩個(gè)或者更多個(gè)處于BS范圍中的SC，其中，SC具有N sc個(gè)天 線，并且可以使用Nscldc個(gè)天線用于發(fā)送或用于與BS通信，并且可以使用N sc2dc個(gè)天線 用于接收或用于與一個(gè)或多個(gè)UE通信;一個(gè)或者多個(gè)在SC范圍中的UE，每個(gè)UE具有上至N ue 個(gè)天線；同時(shí)，BS在頻率信道中使用多用戶發(fā)送BF將下行鏈路(DL)信號(hào)發(fā)送至IjK個(gè)SC，其中， K> 1且Nbs>KNscl，SC使用同一頻率信道將DL信號(hào)同時(shí)發(fā)送到其范圍中的一個(gè)或多個(gè)UE;并 且同時(shí)，BS在頻率信道中使用多用戶接收BF從K個(gè)SC接收上行鏈路(UL)信號(hào)，其中，K>1且 Nbs>KNscl，SC使用同一頻率信道同時(shí)從其范圍中的一個(gè)或者多個(gè)UE接收UL信號(hào)。注意，SC上 的相同天線可以例如通過循環(huán)器同時(shí)用于DL和UL，即存在總共N sc = Nscl = Nsc2個(gè)天線，并且 每一個(gè)均同時(shí)用于Tx和Rx。圖1示出此實(shí)施例的操作在時(shí)分雙工（Time-Division Duplexing，TDD)模式下的網(wǎng)絡(luò)的示例，其中具有一個(gè)BS 1、K = 5個(gè)SC 2和每個(gè)SC中的一個(gè) 或多個(gè)UE 3。圖1 (a)示出包括BS-SC鏈路4和SC-UE鏈路5的下行鏈路方向上的網(wǎng)絡(luò)流量，圖1 (b)示出包括UE-SC鏈路6和SC-BS鏈路7的上行鏈路方向上的網(wǎng)絡(luò)流量。從圖1中可以看出， 在任一方向上，需要SC在同一頻率信道中同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收。這樣的SC稱為工作在單信 道全雙工（SCFD)模式下。這個(gè)實(shí)施例稱為MFD_SC(MUBF single channel Full Duplex Smal 1 Cell，MUBF單信道全雙工小型小區(qū)）。全雙工小型小區(qū)需要自干擾消除，也就是說，消 除來自其發(fā)射機(jī)的Tx信號(hào)所產(chǎn)生的對(duì)SC的接收機(jī)的干擾?？梢酝ㄟ^使用RF濾波器執(zhí)行這種 自干擾消除，所述RF濾波器生成RF消除信號(hào)，以在接收機(jī)的低噪放大器（low-noise ampl if ier，LNA)之前從接收到的RF信號(hào)減去自干擾，從而避免使LNA飽和。干擾可以通過在 模擬基帶或IF(中頻）中生成模擬消除信號(hào)而進(jìn)一步消除，以避免使ADC飽和。這種干擾的剩 余部分可以用數(shù)字基帶處理技術(shù)進(jìn)一步消除。這些消除技術(shù)的組合可以避免使LNA和ADC飽 和，充分地改進(jìn)信干噪比（signal-interference-noise ratio，SINR)來獲得期望的數(shù)據(jù)速 率。
[0013]在下文的描述中，不失一般性的情況下，我們假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)BS、SC和UE擁有 同樣數(shù)目的天線，并且Nsc = Nscl = Nsc2,以簡化介紹。對(duì)于BS、SC和UE，描述可以容易地修改為 不同數(shù)目的天線，且Nsci<N sc或者NSC2<NSC，而不改變描述的本質(zhì)。
[0014] 讓我們用ICH 矩陣表示從BS到K個(gè)SC的信道，用矩陣Hs-U表 示從SC到其UE的信道，用KMN ueXNbs矩陣Hb-u表示從BS到UE的信道，其中，M是同一資源塊中 SC同時(shí)服務(wù)的UE的數(shù)目。不失一般性地，下文中我們假設(shè)M=l。
[0015] 在下行鏈路方向上，多用戶發(fā)送BF可以在整個(gè)可用的帶寬上為每個(gè)SC提供功率增 益，同時(shí)消除或者顯著地減少來自多流的干擾。這可以通過迫零(Zero-Foreing，ZF)方法、 共輒波束成形(Conjugate Beamforming，CB)方法或者其他用于波束成形的方法實(shí)現(xiàn)。對(duì)于 實(shí)施例的描述，下面使用ZF。對(duì)于ZF BF，BF矩陣是偽逆矩陣，SC 接收到的信號(hào)ys。由下式給出：
[0017]其中Xb^BS發(fā)送到K個(gè)SC的信號(hào)，nsc是SC處的噪聲向量，sd是典型地為對(duì)角矩陣的 功率縮放矩陣。
[0018]在上行鏈路方向上，多用戶接收BF可以通過BF矩陣^ 使 用ZF得以實(shí)現(xiàn)，BS接收到的信號(hào)ybs由下式給出：
[0020] 其中，xs。是K個(gè)SC發(fā)送到BS的信號(hào)，nbs是BS處的噪聲向