用于无线网络的大规模MIMO多用户波束成形和单信道全双工

摘要

本发明提出一种用于无线连网的方法和装置，包括一个或多个具有N

说明书

本申请要求2013年11月17日提交的美国临时专利申请No.61/905,260 的权益。

技术领域

本申请涉及用于增加给定射频(Radiofrequency，RF)带宽上的吞吐量 的无线连网的方法以及实现该方法的装置和系统，更具体地，涉及这样的方 法和有关的装置与系统：其在具有大量RF链和天线的基站中应用波束成形 (BF)，并且在下一阶(比如微微小区，picocell)中的基础设施节点上使用 单信道全双工无线电。

背景技术

大规模MIMO多用户波束成形(MM-MUBF)通过空间复用提供了将频 谱效率和吞吐量显著增加许多倍的可能性。然而，当RF链和天线的数目变 得很大时(应理解，天线与RF链(发射(Tx)或接收(Rx))相关联，因 此，下文当使用天线的数目时，应理解为意味着天线及相关的RF链的数目)， 用于获取信道状态信息(channelstateinformation，CSI)的信道估计中存在 显著开销。如果信道相干时间较短，比如在具有大量天线的基站(basestation， BS)与快速移动的用户终端(userequipment,UE)通信的情况下，则这个问 题变得更加具有挑战性，这是因为需要频繁估计大量信道，使得留下用于实 际数据通信的时间减少。这个问题因快速移动的UE的数量而进一步复杂化。 另一方面，工业界正朝向小型小区(smallcell,SC)和异构网络(heterogeneous network,HetNet)发展，作为满足快速增加的数据流量的方式。理想情况下， SC的布置应由数据流量需求确定，不应受与回程网络的有线连接的可用性 所限制。MM-MUBF是针对这种需求的良好匹配，这是因为其可以为很多 SC提供大容量的无线回程，从而它们可以放置在存在电力插座的任何地方。 由于BS和SC之间的信道是非常缓慢变化的，因此对于CSI的频率估计的 需求得到缓解。

然而，现有技术使用带外无线回程，这意味着将不同的频率范围用于 BS和SC之间的回程并用于与UE的通信。这需要宝贵的频率资源，这些频 率资源尤其在低频(几GHz或更低)时可能是不可用的，而即使频率资源 是可用的，它们也应该用来增加与UE的数据吞吐量。另外，低频无线回程 是令人期望的，这是因为其不需要视线，而且相比于高的毫米波频率提供了 更好的穿透性。因此，带内无线回程(其意味着将相同的频率用于与UE通 信，以提供BS和SC之间的无线回程)是令人期待的。这要求SC在同一频 率信道中同时进行发射和接收，称为单信道全双工(SingleChannelFull Duplex,SCFD)。

如从上下文中明显的是，术语BS和SC将用来指代小区中发射和接收 信号的无线电装置，或者指代这种无线电装置覆盖的区域。术语BS用来指 代远大于SC的小区覆盖区域。在4GLTE的术语词汇中，本申请中的BS和 SC均可以是“小型小区”，SC是低于BS的阶，例如，下文中的BS可以是 4GLTE术语词汇中的微小区，SC可以是4GLTE术语词汇中的微微小区。

本发明提供解决以上讨论的技术挑战的实施例。

附图说明

图1(a)和图1(b)分别示出TDD网络的下行链路方向和上行链路方 向上的网络流量。

图2示出BS判断UE是否应包括在MFD-SC-IS中的流程图。

图3示出FDD网络的下行链路和上行链路方向上的网络流量。

图4(a)和图4(b)分别示出FDD-TDD网络的下行链路方向和上行 链路方向上的网络流量。

具体实施方式

现在可以参照附图，在附图中，相同的附图标记在全文中指代相同的部 分。现在描述本发明的示例性的实施例。这些示例性的实施例用于说明本发 明的各方面，而不应该解释为限制本发明的范围。当参照框图或流程图描述 这些示例性的实施例时，每个框可以代表方法步骤或者用于执行该方法步骤 的装置元件。依据实现方案，可以用硬件、软件、固件或其组合配置对应的 装置元件。

本发明的一个实施例是一种用于无线连网的方法，或者实现此方法的装 置，包括：一个或多个具有N_bs个天线的BS；两个或者更多个处于BS范围 中的SC，其中，SC具有N_sc个天线，并且可以使用N_sc1≤N_sc个天线用于发 送或用于与BS通信，并且可以使用N_sc2≤N_sc个天线用于接收或用于与一个 或多个UE通信；一个或者多个在SC范围中的UE，每个UE具有上至N_ue个 天线；同时，BS在频率信道中使用多用户发送BF将下行链路(DL)信号 发送到K个SC，其中，K＞1且N_bs＞KN_sc1，SC使用同一频率信道将DL信 号同时发送到其范围中的一个或多个UE；并且同时，BS在频率信道中使用 多用户接收BF从K个SC接收上行链路(UL)信号，其中，K＞1且 N_bs＞KN_sc1，SC使用同一频率信道同时从其范围中的一个或者多个UE接收 UL信号。注意，SC上的相同天线可以例如通过循环器同时用于DL和UL， 即存在总共N_sc＝N_sc1＝N_sc2个天线，并且每一个均同时用于Tx和Rx。图1 示出此实施例的操作在时分双工(Time-DivisionDuplexing，TDD)模式下 的网络的示例，其中具有一个BS1、K＝5个SC2和每个SC中的一个或多 个UE3。图1(a)示出包括BS-SC链路4和SC-UE链路5的下行链路方向 上的网络流量，图1(b)示出包括UE-SC链路6和SC-BS链路7的上行链 路方向上的网络流量。从图1中可以看出，在任一方向上，需要SC在同一 频率信道中同时进行发送和接收。这样的SC称为工作在单信道全双工 (SCFD)模式下。这个实施例称为MFD-SC(MUBFsinglechannelFullDuplex SmallCell，MUBF单信道全双工小型小区)。全双工小型小区需要自干扰消 除，也就是说，消除来自其发射机的Tx信号所产生的对SC的接收机的干 扰。可以通过使用RF滤波器执行这种自干扰消除，所述RF滤波器生成RF 消除信号，以在接收机的低噪放大器(low-noiseamplifier，LNA)之前从接 收到的RF信号减去自干扰，从而避免使LNA饱和。干扰可以通过在模拟基 带或IF(中频)中生成模拟消除信号而进一步消除，以避免使ADC饱和。 这种干扰的剩余部分可以用数字基带处理技术进一步消除。这些消除技术的 组合可以避免使LNA和ADC饱和，充分地改进信干噪比 (signal-interference-noiseratio,SINR)来获得期望的数据速率。

在下文的描述中，不失一般性的情况下，我们假设网络中的每一个BS、 SC和UE拥有同样数目的天线，并且N_sc＝N_sc1＝N_sc2，以简化介绍。对于BS、 SC和UE，描述可以容易地修改为不同数目的天线，且N_sc1＜N_sc或者N_sc2 ＜N_sc，而不改变描述的本质。

让我们用矩阵表示从BS到K个SC的信道，用矩 阵H_s-u表示从SC到其UE的信道，用KMN_ue×N_bs矩阵H_b-u表示从BS到UE的 信道，其中，M是同一资源块中SC同时服务的UE的数目。不失一般性地， 下文中我们假设M＝1。

在下行链路方向上，多用户发送BF可以在整个可用的带宽上为每个SC 提供功率增益，同时消除或者显著地减少来自多流的干扰。这可以通过迫零 (Zero-Forcing,ZF)方法、共轭波束成形(ConjugateBeamforming，CB)方 法或者其他用于波束成形的方法实现。对于实施例的描述，下面使用ZF。 对于ZFBF，BF矩阵是伪逆矩阵，SC接收到的信号 y_sc由下式给出：

$y_{sc}=H_{b-s}\left[H_{b-s}^H{\left(H_{b-s}{H}_{b-s}^H\right)}^{-1}\right]S_d{x}_{bs}+n_{sc}=S_d{x}_{bs}+n_{sc},---\left(1\right)$

其中x_bs是BS发送到K个SC的信号，n_sc是SC处的噪声向量，s_d是典型地 为对角矩阵的功率缩放矩阵。

在上行链路方向上，多用户接收BF可以通过BF矩阵 使用ZF得以实现，BS接收到的信号ybs由下式给出：

$y_{bs}=\left[{\left(H_{b-s}^{*}{H}_{b-s}^T\right)}^{-1}{H}_{b-s}^{*}\right]H_{b-s}^T{S}_u{x}_{sc}+\left[{\left(H_{b-s}^{*}{H}_{b-s}^T\right)}^{-1}{H}_{b-s}^{*}\right]n_{bs}=S_u{x}_{sc}+B_u{n}_{bs}---\left(2\right)$

其中，x_sc是K个SC发送到BS的信号，n_bs是BS处的噪声向量，s_u是典型 为对角矩阵的功率缩放矩阵。

在SCFD中，同一频段用于UL和DL。因此，在校准Tx和Rx链的传 递函数之后，DL和UL信道可认为是互易的。这种信道互易性可以用来减 少BF所需要的信道估计的开销。BS可以通过使得SC发射导频信号以估计 H_b-s。

在下行链路方向上，当在SC对UE进行发送的同时BS对SC进行发送 时，BS→SC传输产生对UE的干扰。一个实施例通过添加零空间预编码矩阵 以抑制这种干扰而添加对MFD-SC的干扰抑制，被称作MFD-SC-IS(具有 干扰抑制的MFD-SC)。这在N_bs远远大于BS范围中的所有UE上全部天线 的数目时是可行的。假设所有UE上天线的总数是KN_ue，并且则 求解满足H_b-uG＝0的N_bs×(N_bs-KN_ue)矩阵G，其中，0是KN_ue×(N_bs-KN_ue)的 全零矩阵。然后，在下行链路方向上，使用BF矩阵

B_di＝G(H_b-sG)⁺，(3)

其中，(H_b-sG)⁺是H_b-sG的伪逆矩阵并且至少N_bs＞＞K(N_sc+N_ue)，SC接收到的 信号由下式给出：

但是UE由于BS→SC传输接收到的干扰y_uei由下式给出：

y_uei＝H_b-uB_diS_dx_bs＝0(5)

这是因为H_b-uG＝0。

由于信干噪比(SINR)对于UE而言更高，因此MFD-SC-IS相比于 MFD-SC实现了更高的总吞吐量。然而，此吞吐量增益伴随着成本：干扰抑 制预编码矩阵可能影响传输功率，并且对于估计BS-UE信道的CSI，存在额 外的开销，即，BS需要估计H_b-u。当BS和UE两者均可以使用同一频率信 道进行发送和接收时，信道互易性可以用来降低这种开销。换句话说，BS 可以通过使UE发射导频信号来估计H_b-u。不同于通常静止的SC，UE可能 是快速移动的，因此信道估计由于BS-UE信道相干时间较短而需要经常重 复。因此，在图2所示的一个实施例中，估计来自BS到UE的MUBF传输 的干扰，即，估计BS的MUBF传输下的UE处的干扰功率P_i8。然后，估 计出的P_i与阈值α进行比较9。如果干扰小于所需要的值α，则BS关于此 UE使用MFD-SC，即，BS不把此UE包括在MFD-SC-IS预编码矩阵中10； 另一方面，如果干扰大于所需要的值α，则BS关于此UE使用MFD-SC-IS， 即，BS将此UE包括在MFD-SC-IS预编码矩阵中11。

MFD-SC和MFD-SC-IS实施例使得可以实现具有无线回程SC的新蜂窝 架构。由于BS使用大规模MIMOMUBF，因此每个BS可以通过空间复用 同时向全带宽无线链路提供许多SC，并且使得BS-SC链路相比于BS-UE链 路具有更高的SINR。同时，由于大规模MIMO的功率增益，因此BS上的 每一无线电可以是低功率。MUBF减少了对于其他节点的干扰。由于SC接 近其范围内的UE，因此SC-UE的SINR改进。结果，分析和数据显示， MFD-SC和MFD-SC-IS实施例在BS-SC和SC-UE通信在时间上是分开的简 单的基于TDD的无线回程上在DL和UL方向两者上提供显著的吞吐量增 益，即，当BS将DL数据发送至SC时，SC不进行发送，而当SC将数据 发送至UE时，BS不进行发送，反之亦然，当SC将UL数据发送至BS时， UE不进行发送，而当UE将数据发送至SC时，SC不进行发送。

分析和数据还显示，当N_bs比KN_sc显著更大时，关于MFD-SC-IS或 MFD-SC中的SC的回程吞吐量可以匹配SC的吞吐量，从而在SC无需有线 回程连接的情况下实现了有线回程的相同效果。

在MFD-SC和MFD-SC-IS中，还存在现有技术TDD无线回程SC网络 中并未出现的额外干扰，即，另一SC对BS的传输所产生的SC从UE接收 信号时的干扰、另一SC对UE的发送所产生的SC从BS接收信号时的干扰、 以及UE对SC的传输所产生的BS从SC接收信号时的干扰。这三个中的最 后一个可以通过BS处的大规模MIMO接收BF加以应对。在某些情况下， 当UE的信号在BS处比SC在BS处的信号远更弱时，这种UE对BS的干 扰可以忽略，这典型地是使用SC服务UE的原因。可以通过以下方式来减 少前两个干扰(称为SC-SC干扰)：(a)使得SC充分地远离开，或者在时隙 中选择充分地远离开的SC以参与MFD-SC；(b)对干扰BS-SC-UE链路使用 不同的频率分段或者子载波；(c)SC使用MIMOBF。第二种情况(b)是这样 的实施例：其还包括将不同频率分段或者子载波集合分配给对彼此产生显著 SC-SC干扰的每个BS-SC-UE路径。BS仍使用SC用于和其UE进行通信的 相同频率与SC进行通信，从而每条路径仍是以上所描述的同一MFD-SC实 施例，但是邻区BS-SC-UE路径不再产生SC-SC干扰，这是因为它们使用不 同的频率。后一情况(c)是还包括在其BF到接收节点(BS或UE)的传输中 使用多天线的一个或多个SC的实施例，其增加目的接收机处的SINR并减 少SC-SC干扰。

为了SCFD起作用，SCFD-SC处的自干扰必须得到良好的消除，即， SCFD-SC的Tx信号在其接收机上产生的干扰必须理想上完全地得到消除。 但是在实践中，自干扰未予以完全地消除。将自干扰的不完全消除对于 MFD-SC和MFD-SC-IS实施例的影响进行分析，结果表明，即使在自干扰 不完全消除的情况下，MFD-SC和MFD-SC-IS实施例在简单TDD上在DL 和UL方向两者上仍然提供了显著的吞吐量增益，但低于完全自干扰消除的 情况。

MFD-SC和MFD-SC-IS实施例可以进一步包括：在无线网络中选择使 用有线回程SC和无线回程SC两者；在BS-UE链路过弱而难以支撑高的数 据速率的区域中，评估BS-UE和BS-SC无线链路并判断是要使用有线回程 SC还是无线回程小型小区。而且，在可以使用无线回程SC的区域中，基于 对布置和路径损耗估计的分析，评估BS-UE干扰和SC-SC干扰，以判断对 于BS-SC和SC-UE通信是使用SCFD-SC还是使用不同的频率资源模块 (frequencyresourceblock,FRB)或者在不同的FRB中的几乎空白的子帧 (almostblanksubframes，ABS)。

在现有技术eICIC(enhancedinter-cellinterferencecontrol，增强的小区 间干扰控制)技术中，当SC使用FRB(例如子载波集合)与其范围中的 UE进行通信时，BS使用ABS与其他UE进行通信，以避免同时在同一FRB 干扰SC-UE通信。本发明的一个实施例通过对于BS-SC通信和SC-UE通信 分配不同的FRB或子载波更改上述的MFD-SC实施例，而非SC使用正好 相同的频率同时进行发送和接收。总吞吐量相比于MFD-SC将减低，但是其 无需抑制BS对UE干扰和SC-SC干扰。这仍然可认为是带内无线回程，这 是因为针对BS-SC和SC-SC通信分配的FRB对于现有技术TDD网络可以 都处于相同的频带中。由于SC可以使用恰与SC进行接收的第二FRB集合 邻接的第一FRB集合进行发送，因此该实施例中的SC仍需要执行自干扰消 除，这两个集合之间没有频率间隙或者具有非常小的频率间隙，以避免浪费 频率资源。结果，SC的接收机必须消除来自第一FRB集合中的SC的发送 信号的的强干扰，以在第二FRB集合中从BS或者UE接收较弱信号。可以 使用RF滤波器生成减去第一FRB集合中的干扰信号的RF消除信号执行这 种干扰消除。可以进一步通过在模拟基带或者IF(中频)中生成模拟信号消 除该干扰，以避免使ADC饱和。在数字基带中，由于接收到的信号处于不 重叠的第二FRB集合中，因此可以简单地忽略第一FRB集合中的子载波。

在另一实施例中，具有大量天线(例如N_bs＝128)的BS使用具有用于发 送至SC的第一ABS的大规模MIMOMUBF以消除对SC中UE的干扰， BS使用大规模MIMOMUBF从SC进行接收，同时邻区SC使用第二ABS 以避免由于来自邻区SC的发送对一个SC从其UE接收信号的SC-SC干扰。 第一ABS通过SC所使用的FRB对其UE进行发送。第二ABS在邻区SC 中通过UE所使用的的FRB对其SC进行发送。

缓解SC-SC干扰的实施例可以进一步包括：取决于BS、SC和UE的属 性、信道的状况、数据流量要求(如延迟和抖动)和/或频率资源的可用性， 使用频率或者时间资源块在SC之间在彼此的干扰范围中进行调度和协调。 当需要小的延迟或小的抖动时，使用一个FRB保持BS-SC之间的连续数据 传输并且使用另一FRB保持SC-UE之间的连续数据传输是更有利的。

当频分双工(frequencydivisionduplex,FDD)用于BS、SC和UE时， MFD-SC实施例可以更改，从而当BS通过MUBF使用第一频带F1从SC 接收UL时12，SC使用同一频带F1从其UE接收UL，反之，同时，BS通 过MUBF使用第二频带F2将DL发送到其UE13，而SC使用同一频带F2 将DL发送到其UE，如图3所示。该实施例中的SC具有两个SCFD无线电 或者两个SCFD无线电集合，一个在F1处执行自干扰消除，另一个在F2处 执行自干扰消除。该实施例中的BS、SC和UE均为FDD装置，并且效果是 在同一时刻将图1(a)和图1(b)中的两个时刻叠加在一起。

在另一FDD实施例中，F1和F2的方向在SC-UE链路中相反，网络流 量使用时分方式得以分开，如图4(a)和图4(b)所示。该实施例中的BS、 SC和UE均为FDD装置，其中，BS和UE使用F1进行接收，并且使用F2 进行发送，但是SC使用F1进行发送，并且使用F2进行接收。该实施例具 有的优势在于，其消除了BS-UE和SC-SC干扰，并且其不需要SCFD。吞 吐量得到减小，但复杂度也降低。本领域技术人员可以明白，可以通过关于 吞吐量和复杂度的不同折衷获得FDD和TDD的其他组合。注意，当SC对 多个UE进行发送或者从多个UE进行接收时，带中的不同频率或子载波可 以用于每个UE。

尽管本发明的优选实施例的以上描述已经示出、描述或阐述了本发明的 基础创新特征或原理，但要理解，在不脱离本发明的精神的情况下，本领域 技术人员可以进行所阐述的方法、要素或装置、以及其使用的细节形式上的 各种省略、替代和变化。因而，本发明的范围不应当限于以上描述。而是， 本发明的原理可以应用于广阔范围的方法、系统和装置，以实现这里描述的 优点，以及同样实现其他优点或满足其他目标。