CN103733527B - 在无线***中实现高平均频谱效率的技术 - Google Patents

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Abstract

公开在无线***中获得较高的平均频谱效率的技术。在一个具体实施例中，所述技术可被实现成与无线站通信的方法，包括定义将由波束形成装置产生的多个波束；定义一组波束组，其中每个波束组是所述多个波束中的波束的不同子集；通过顺序产生所述一组波束组的每个波束组，反复循环所述一组波束组；识别所述一组波束组中的产生与无线站的最佳通信链路的波束组；和调度在产生识别出的波束组的时候，通过识别出的波束组发生与无线站的通信。

Description

在无线***中实现高平均频谱效率的技术
相关申请的引用
本专利申请要求2011年4月7日提交的美国临时专利申请No.61/472,900的优先权，该申请在此整体引为参考。
技术领域
本公开一般涉及诸如蜂窝或无线局域网之类的无线***，更具体地，涉及在无线***中实现高平均频谱效率的技术。
背景技术
数字无线通信链路的频谱效率是定义为在不超过规定的误码率的情况下，单位时间(秒)、单位带宽(Hz)传送的信息的比特数的品质因数。频谱效率是以每秒每赫兹的比特数(通常写为“比特/s/Hz”)测量的。无线链路的频谱效率越高，单位时间和带宽中封装的传送信息越多。信息理论的首要结果使频谱效率与通信信道的信号质量(通常表示成信号与噪声加干扰比，或者SNIR)关联：SNIR越大，频谱效率越高。
理论上，两个站(例如，蜂窝***中的基站和移动站)之间的每个无线传输可支持从0开始(不传送信息)，一直到由传输期间通信信道的质量决定的最大值的所有频谱效率。实际上，数字无线***不支持连续的数据速率，而是支持通常由标准规定的有限数目的数据速率。每个数据速率对应于特定的频谱效率，最大数据速率给出对所考虑的***中的任何传输来说，可能的峰值或最大频谱效率。对所有传输，以峰值频谱效率运转无线***会产生可通过***中的无线连接传送的最大数量的数据。这是***的最大容量。如果所有的移动站都位于基站附近，并且始终都具有较高的信道质量，那么会产生最大容量和峰值频谱效率。如后所述，实际的***容量，即，通过无线连接传送的数据的实际数量通常远远小于最大容量。
一般来说，无线***中的无线信道质量因传输而异。这种效应在其中移动站随着时间的过去，甚至在传输期间改变其物理位置的蜂窝***中尤其显著。在这种情况下，更有意义的是计算或测量一段时间内，整个小区的平均频谱效率，而不是关注每个传输的频谱效率，作为实际网络容量的指示。由于所有的传输起源于或者终止于基站，因此小区平均频谱效率直接与基站平均无线数据流量相关。
最初，商用蜂窝***一直是在平均频谱效率低的情况下运行的。然而，传统的语音占优通信的不大比特率需求使无线运营商可以持续多年掩饰其网络的这种不足。另外，额外的RF频谱可用于在不提高平均频谱效率的情况下，支持无线流量的增长。
蜂窝***中的频谱效率的初始限制是非常简单的调制技术的使用，在每个分配的RF频谱，所述调制技术只能装入数目很少的比特。随着网络从一代发展到另一代，引入了逐渐更复杂，更高效的调制技术，从而大大提高了峰值频谱效率，但是网络平均频谱效率仍然较低。平均性能较差的原因是具有微弱信号、高噪声、干扰源的存在、多径衰落等的空中接口的本质。
追随以前的趋势，***(4G)无线***，比如WiMax和LTE(长期演进)已把传输方案推进到如此的复杂程度，以致在不付出极大的成本和功率代价的情况下，进一步的改进不太可能，尤其是对移动设备来说更是如此。例如，4G***利用称为MIMO(多入多出)方案的多RF收发器方案。这些方案对几个天线信号采用大量数字信号处理，特别把极高的峰值频谱效率作为目标。然而，即使对这些***来说，与峰值效率相比，平均频谱效率仍然较低。如前所述，这归因于空中接口的平均通信信道的较差质量。仅仅对几个天线信号进行数字信号处理并不是获得总的平均频谱效率的显著提高的可行解决办法。
能够接受和产生大量数字信息的智能电话机、无线平板电脑和其它移动设备的采用对无线网络产生了深远的影响。这与数据饥饿无线应用的大量使用相结合，把无线网络的容量需求推动到空前的水平。传统的低平均效率方法，包括现有的4G***的那些方法对有限的RF频谱的利用不再适当。以远离理论上可能的峰值频谱效率的平均频谱效率运行网络完全过于浪费。此外，扩展传统的无线网络，以适应日益提高的容量需求并不经济。
鉴于上面所述，显然存在与传统无线网络相关的重大问题和缺陷。
发明内容
本公开的实施例包括通过利用新的基站架构和功能，解决传统无线通信中的低平均频谱效率的问题的技术。所述新的基站架构包括按照可编程的空间扫描，创建多个敏捷波束图，比如，在方位和高度方面可控制的笔形波束的无线电前端RF能力。这种前端能力要求把多个天线用于电子波束形成、控制和扫描。新功能包含新的移动客户端调度能力，和适当的信道矩阵处理软件的使用。
一般地，本公开的各个实施例提供相对于利用多个天线的传统双向无线通信方案的两种根本变化：a)引入基站利用多个波束图扫描扇区，和b)引入移动客户端操作和基站扇区扫描过程之间的时间协调。另外，与传统***相比，本公开的实施例可以利用(1)明显更高的有效多天线增益和更强的空间滤波能力，(2)明显更高的辐射图变化敏捷性，和(3)形成辐射图方面的更大灵活性。
按照本公开的一个实施例，提供一种包括连接到天线阵列的信号处理单元的无线基站***。基站***产生形状方面可独立设计，并且可高度敏捷地独立控制的至少一个，不过一般众多的同时辐射图，每个辐射图可用于发射和接收独立信息。基站***用辐射图中的一些辐射图扫描空间，使其它辐射图处于静止状态，并且与相应的扫描过程同步地，通过辐射图向移动单元传送信息和从移动单元接收信息。
按照本公开的另一个实施例，提供一种包括连接到相控阵的信号处理单元的无线基站***。基站***产生形状方面可独立设计，并且可高度敏捷地独立控制的至少一个，不过一般众多的同时辐射图，每个辐射图可用于发射和接收独立信息。基站***用辐射图中的一些辐射图扫描空间，使其它辐射图处于静止状态，并且与相应的扫描过程同步地，通过辐射图向移动单元传送信息和从移动单元接收信息。
按照本公开的另一个实施例，提供一种包括连接到相控阵的信号处理单元的无线基站***。基站***产生形状方面可独立设计，并且在方位和高度方面可高度敏捷地独立控制的至少一个，不过一般众多的同时辐射图，每个辐射图可用于发射和接收独立信息。基站***用辐射图中的一些辐射图扫描空间，使其它辐射图处于静止状态，并且与相应的扫描过程同步地，通过辐射图向移动单元传送信息和从移动单元接收信息。
按照本公开的另一个实施例，提供一种包括连接到相控阵的信号处理单元的无线基站***。基站***产生形状方面可独立设计，并且可高度敏捷地独立控制的至少一个，不过一般众多的同时辐射图，每个辐射图可用于发射和接收独立信息。至少一些的辐射图是窄的笔形波束。基站***用辐射图中的一些辐射图扫描空间，使其它辐射图处于静止状态，并且与相应的扫描过程同步地，通过辐射图向移动单元传送信息和从移动单元接收信息。
按照本公开的另一个实施例，提供一种包括连接到相控阵的信号处理单元的无线基站***。基站***产生形状方面可独立设计，并且可高度敏捷地独立控制的至少一个，不过一般众多的同时辐射图，每个辐射图可用于发射和接收独立信息。至少一些的辐射图是方位和高度可控制的窄的笔形波束。基站***用辐射图中的一些辐射图扫描空间，使其它辐射图处于静止状态，并且与相应的扫描过程同步地，通过辐射图向移动单元传送信息和从移动单元接收信息。
按照本公开的另一个实施例，提供一种包括连接到相控阵的信号处理单元的无线基站***。基站***产生形状方面可独立设计，并且可高度敏捷地独立控制的至少一个，不过一般众多的同时辐射图，每个辐射图可用于发射和接收独立信息。至少一些的辐射图是窄的笔形波束。基站***用窄的笔形波束扫描空间，使其它辐射图处于静止状态，并且与相应的扫描过程同步地，通过辐射图向移动单元传送信息和从移动单元接收信息。
按照本公开的另一个实施例，提供一种包括连接到相控阵的信号处理单元的无线基站***。基站***产生形状方面可独立设计，并且可高度敏捷地独立控制的至少一个，不过一般众多的同时辐射图，每个辐射图可用于发射和接收独立信息。至少一些的辐射图是窄的笔形波束。基站***用窄的笔形波束扫描空间，使其它辐射图处于静止状态，并且与相应的扫描过程同步地，通过窄的笔形波束向移动单元传送有效负载信息和从移动单元接收有效负载信息。
按照本公开的另一个实施例，提供一种包括连接到相控阵的信号处理单元的无线基站***。基站***产生形状方面可独立设计，并且可高度敏捷地独立控制的至少一个，不过一般众多的同时辐射图，每个辐射图可用于发射和接收独立信息。至少一些的辐射图是窄的笔形波束。基站***用窄的笔形波束扫描空间，使其它辐射图处于静止状态，并且与相应的扫描过程同步地，通过窄的笔形波束向移动单元传送有效负载信息和从移动单元接收有效负载信息。此外，基站***通过窄的笔形波束，与移动单元交流双向控制信息。
按照本公开的另一个实施例，提供一种包括信号处理单元和相控阵的无线基站***。基站***产生形状方面可独立设计，并且可高度敏捷地独立控制的至少一个，不过一般众多的同时辐射图，每个辐射图可用于发射和接收独立信息。至少一些的辐射图是窄的笔形波束。基站***用窄的笔形波束扫描空间，使其它辐射图处于静止状态，并且与相应的扫描过程同步地，通过窄的笔形波束向移动单元传送有效负载信息和从移动单元接收有效负载信息。此外，基站***通过静态辐射图，与移动单元交流双向控制信息。
按照本公开的另一个实施例，提供一种包括信号处理单元和相控阵的无线基站***。基站***产生形状方面可独立设计，并且可高度敏捷地独立控制的至少一个，不过一般众多的同时辐射图，每个辐射图可用于发射和接收独立信息。辐射图是数目充足，并被设计成以致当考虑所有波束时，基站***扫描的整个空间始终至少具有低水平的辐射覆盖的窄的笔形波束。换句话说，存在足够的窄的笔形波束，并且存在源于每个窄的笔形波束的足以始终覆盖整个空间的溢出辐射。基站***用窄的笔形波束扫描空间，并且与相应的扫描过程同步地，通过窄的笔形波束向移动单元传送有效负载信息和从移动单元接收有效负载信息。此外，基站***通过所有的窄笔形波束，与移动单元交流双向控制信息。
按照本公开的另一个实施例，提供一种包括信号处理单元和天线阵列或相控阵的无线基站***。基站***产生形状方面可独立设计，并且可高度敏捷地独立控制的至少一个，不过一般众多的同时辐射图，每个辐射图可用于发射和接收独立信息。基站***用辐射图中的一些辐射图扫描空间，使其它辐射图处于静止状态，并且与相应的扫描过程同步地，通过辐射图向移动单元传送信息和从移动单元接收信息。还利用信道矩阵处理算法，在基站***的信号处理单元中处理通过辐射图发射和接收的信息，所述信道矩阵处理算法消除辐射图之间的互干扰。
现在参考如附图中所示的本公开的具体实施例，更详细地说明本公开。尽管下面参考具体实施例，说明本公开，但是应明白本公开并不局限于此。可以理解这里的教导的本领域普通技术人员会认识到在这里说明的本公开的范围之内，并且就其来说，本公开相当有用的另外的实现、修改和实施例，以及其它应用领域。
附图说明
为了便于更充分地理解本公开，现在参考附图，附图中，相同的附图标记表示相同的元件。这些附图不应被理解成对本公开的限制，相反只是对本公开的举例说明。
图1是无线小区的示图；
图2是分成3个120°扇区的无线小区的示图；
图3是典型的扇区天线辐射图的示图：(a)水平“x-y”平面中的扇区覆盖，(b)垂直“Z-地面”平面中的辐射图；
图4是具有单天线的基站***的示图；
图5是传统无线小区内的信号强度分布的简化示图；
图6是具有一维天线阵列的基站***的示图；
图7是2×2MIMO操作的简化示图；
图8是传统的波束形成/波束控制***的辐射图的示图：(a)水平“x-y”平面中的扇区覆盖，(b)垂直“Z-地面”平面中的辐射图；
图9是传统的波束形成/控制***的无线小区内的信号强度分布的简化示图；
图10是按照本公开的一个实施例的具有二维天线阵列的基站***的示图；
图11是按照本公开的一个方面的具有笔形波束的***的辐射图的示图：(a)水平“x-y”平面中的扇区覆盖，(b)垂直“Z-地面”平面中的辐射图；
图12是按照本公开的一个方面的具有笔形波束的***的无线小区内的信号强度分布的简化示图；
图13是按照本公开的一个方面，沿着扇区中的穿过最大功率密度点的线条，在笔形波束中的RF信号功率密度的示图；
图14是按照本公开的一个实施例，具有二维相控阵的基站***的示图；
图15描述利用20个圆的120°扇区近似；
图16描述按照本公开的一个方面，具有4个笔形波束的5种可能的波束图：(a)第一波束图，(b)第二波束图，(c)第三波束图，(d)第四波束图，(e)第五波束图；
图17是按照本公开的一个实施例的基站子***的示图；
图18是按照本公开的一个方面，沿着扇区中的穿过由非波束区域分隔的两个笔形波束的线条的信号强度的简化示图：(a)恰当的笔形波束的情况，(b)过窄的笔形波束的情况；
图19是按照本公开的一个方面，沿着扇区中的穿过由非波束区域分隔的两个笔形波束的线条的信号强度的简化示图：(a)恰当的笔形波束的情况，(b)过宽的笔形波束的情况；
图20是按照本公开的一个方面，与空间中的有限平面相交的3个波束的示图；
图21是按照本公开的一个实施例的基站子***的示图。
这里使用的标题只是用于组织用途，并不打算用于限制说明书或权利要求书的范围。在本申请中使用的用语“可以”是在容许的意义上(即，意味有可能)，而不是在强制的意义上(即，意味必须)使用的。类似地，用语“包括”意味包含(但不限于)。
具体实施方式
传统的移动无线***
如图1中图解所示，诸如蜂窝或WiFi之类的现代移动数字无线***的基本结构单元是小区3。称为基站***的基站1提供对小区内的移动站或固定站，比如站2(共同称为无线客户端)的无线接入。无线接入的含义是基站和无线客户端之间的双向无线通信的***能力。基站可分级地连接到更大的网络(图1中未示出)，最终包括全球电话网络、因特网等，从而把无线客户端链接到这些网络。
为了简单起见，图1中的基站***被表示在小区覆盖范围3的中央，小区形状被表示成圆形。这是理想情形，这里仅仅用于图解说明蜂窝运行的原理和限制。在更实际的情况下，诸如小山、岩石、树木、建筑物、桥梁之类的自然或人造障碍物造成极不规则和复杂的无线传播路径。当决定基站的位置时考虑这些因素，以便实现最佳覆盖，从而最后得到的小区通常形状不规则。
此外，在多数情况下，为了使基站的覆盖范围达到最大，非常有利的是把围绕基站的360°区域分成3个120°的扇区。这示于图2中。一般，具有120°覆盖范围的独立基站天线服务每个扇区4。图3(a)中表示了在小区发射塔5的扇区天线11。
典型的扇区天线具有如图3(a)和3(b)中图解所示的辐射图。在水平平面上，辐射地面覆盖范围12在整个扇区之内。在垂直平面上，辐射点主要朝向地面，如用天线辐射截面13所示。这避免朝着不存在无线客户端的向上方向浪费能量。扇区天线的整个辐射图可被描述成在水平平面中为120°宽，而在垂直平面中窄得多的波束。重要的是强调这种辐射图既适用于发射，又适用于接收。例如，图3(b)中的辐射截面13是天线通过其以发射模式传送RF功率，以接收模式接收RF功率的区域。在辐射图之外的任何移动终端不能与基站建立联系，或者基站不能与之建立联系。
图4表示基站***，所述基站***包括扇区天线11，称为1-RF处理器的信号处理子***100，和称为1-RF全双工接口的互连网络101。扇区天线11发射或接收源于或止于1-RF处理器100的RF能量。子***100包含无线基站中必需的所有RF、模拟和数字处理功能。该子***的本质方面在于它处理往来于单天线的信号，从而名为1-RF处理器。类似地，1-RF全双工接口101沿着接收和发射方向(从而名为全双工)，往来于单天线(从而名为1-RF)传送信号。
实践中，无线运营商利用独立的扇区天线进行接收和发射，通常考虑到分集，无线运营商使用两个接收扇区天线。其它类似的结构也是可能的。然而，在常规***中，这些多个天线仍然连接到1-RF处理器，原则上，它们实现单天线的功能，如图4中一样。自然地，与每个扇区利用单个天线的1-RF处理器相比，每个扇区利用几个天线的1-RF处理器具有另外的RF电路(无线电设备等)，不过这种实际细节未包含在1-RF处理器的定义中。1-RF处理器的主要定义性质在于它发射或接收单一的RF信号，虽然在一些实际的部署中，通过几个物理扇区天线。由于这个原因，并且对本说明书来说，认为如图4中那样，1-RF处理器连接到单一的扇区天线就足够了，在以下的说明中不失一般性。
另外，对本说明书的其他部分来说，在一些情况下关于扇区，或者在其它情况下关于整个小区讨论了***概念。这样做只是为了清楚起见，而不是对相应概念的限制，所述概念在任一情况下都有效。
传统无线***中的频谱效率
如上所述，频谱效率是定义为在不超过规定的误码率的情况下，每秒每赫兹传送的信息的比特数的品质因数。在无线***中，也称为峰值频谱效率的最大频谱效率由依据标准规定的调制格式设定。
实践中，移动无线***极少以峰值频谱效率工作。事实上，与峰值效率相比，平均频谱效率一般非常低。这种主要差异的主要原因是无线传输的本质。在小区内，通信信号的SNIR变化极大。与在小区的边缘或者在建筑物等的“RF阴影”中的移动客户端相比，靠近发射塔天线和/或在直线视线上的移动客户端通常获得好得多的信号质量。此外，多径效应产生随时间变化的称为衰落的较大SNIR变化。
图5通过表示信号质量递减的3个区域：小的强信号区域40，稍大的中等信号区域41和大的弱信号区域42，简化地图解说明小区内的较大SNIR变化。在真实情况下，在整个小区内，存在信号质量变化的非均匀连续区域。然而，图5中的简化足以证明与峰值频谱效率相比，平均频谱效率较低。
典型的无线***通过支持从极低的速率(可能在低SNIR的情况下)到峰值速率(可能只有当可获得高SNIR时)的许多数据速率，应付小区中的SNIR的极大变化。就图5中的示图来说，只在小的强信号区域40中才使用峰值速度或者接近峰值速率的速度，在中等信号区域41中使用低～中等速率，而在大的弱信号区域42中，使用低～极低速率(通话掉线之前，标准允许的最小值)。显然，平均频谱效率与峰值理论效率相比很小，后者是在假定强信号区域覆盖整个小区的情况下计算的。换句话说，由于多数移动客户端在多数时间，以较低的数据速率进行通信，因而结果产生较低的平均频谱效率。重要的是注意该问题要附加上诸如调制之类的其它频谱效率参数，而不是代替诸如调制之类的其它频谱效率参数。
提高单天线***中的频谱效率
尽管存在图5中图解所示的信号质量问题，过去，无线运营商一直能够提供适当的通信服务，因为a)信息流量一直由语音占主导，从而需要较低的比特率，b)运营商具有可用的额外RF频谱，和c)通过更高效的调制技术，能够更好地利用可用的频谱。前两个例外情况仅仅是暂时的。目前并且在可预见的未来，由数据饥饿应用，比如视频传输占主导的无线流量正以空前的速率增大。另外，RF频谱已变得稀缺，从而从根本上成为有限的资源。
从一代到另一代用更高效的调制技术更新无线***(例如，1G、2G、3G、4G蜂窝***)确实致力于提高频谱效率的问题，但是它也一直是可扩展性有限的临时解决方案。原因在于频谱更高效的调制技术需要更高的SNIR。除了如前所述的整个小区内的根本性的SNIR变化问题之外，随着SNIR的增大，移动客户端成本和功率消耗快速增大。仅仅考虑到这个事实，把***SNIR需求提升到超出4G中已有的高水平是极不可能的。此外，通过SNIR的增大(更先进的调制)提高***频谱效率从根本上局限于由Shannon的信息理论施加的缓慢增长的对数定律。于是，通过调制获得更好的频谱效率的选项已达到超出4G无线***的使回报减少的程度。
正如所料，归因于在图5中图解所示的小区SNIR问题，尽管利用非常频谱高效的调制，诸如LTE(长期演进)之类的4G无线***的平均频谱效率仍然较低。例如，4G Americas论坛(前身是3G Americas)预测就常规的单天线(如关于图4定义的那样)部署来说，LTE平均频谱效率仅为1.4bits/s/Hz，尽管相应的峰值效率为4bits/s/Hz。这示于4G Americas***“MIMO Transmission Schemes for LTE and HSPAnetworks”(2009年6月，图22，第40页)中。即使就在移动客户端具有4个天线的最先进的多天线LTE部署中，频谱效率也仅为2.5bits/s/Hz(参见相同的4G Americas***)，尽管该***的理论峰值效率为16bits/s/Hz。事实上，极少的移动客户端才具有4个天线，典型的4G小区的实际平均频谱效率将低于2bit/s/Hz。
利用MIMO***提高频谱效率
解决无线通信中的低频谱效率问题的一种公知途径是利用数目较少的多个天线。一种普遍的应用是空间分集MIMO(多入多出)***，该***利用信号散射，以把RF频谱重复用于多个并行传输。LTE支持的4×4MIMO具有在基站的4个天线和在移动客户端的4个天线，在理想情况下，它在相同的RF频谱上传送4倍于常规的非MIMO***的数据(最大频谱效率增大4倍)。
图6中表示了适合于MIMO操作的基站***的示图。该***包括具有N个天线的一维天线阵列21，称为N-RF处理器的信号处理子***200，和在天线阵列的N个天线和N-RF处理器之间来回传送信号的互连网络201(称为N-RF全双工互连)。除了如图4的1-RF处理器中一样的标准功能之外，N-RF处理器还包括N-l个另外的RF电路(无线电设备)和相应的接口，以及为MIMO操作进行必要的实时计算的复杂数字处理能力(称为“信道矩阵处理”)。实际上，信道矩阵处理利用RF信号传播的空间分集相互分离通过相同的RF频谱传送的N个单独的RF信号。MIMO的一种特殊形式是当无线客户端具有单天线的时候。在这种情况下，多个并行传输并不重复利用RF频谱，而是通过适当地组合通过多个路径传播的信号，提高单一传输的SNIR。
图7中关于N=2(在基站的2个天线和在无线客户端的2个天线)的情况，概念地图解说明了空间分集MIMO概念。基站6利用2个天线(每个信号一个天线)，通过相同的频谱发射2个独立的信号。归因于基站天线的物理位置的差异(例如，空间分集)，每个信号通过不同的路径传播，从而到达无线客户端7。无线客户端7利用它自己的物理地布置在不同位置的2个天线，接收这2个信号。于是，每个无线客户端天线接收2个基站信号的叠加，每个所述信号是通过图7中图示地表示成无线路径的唯一物理信道传播的。无线信号路径8是4个无线信号路径之一。2×2MIMO具有4个信道参数(第一基站天线-第一客户端天线，第一基站天线-第二客户端天线，第二基站天线-第一客户端天线，和第二基站天线-第二客户端天线)。在假定信号传播中的散射的某些条件的情况下，无线客户端能够通过计算分离从基站发射的两个信号。
空间分集MIMO***存在移动客户端需要在蜂窝电话机中难以实现的多个天线的根本缺陷。此外，移动客户端具有多个功耗大的RF电路(无线电设备)和关于MIMO计算的大量数字处理需求，从而缩短电池供电时间。另外，峰值速率的MIMO处理需要相对于信道噪声的较大信号。当移动客户端不过于接近基站时，可能的MIMO速率和MIMO频谱效率显著降低。前面讨论的LTE例子表明不仅天线数目的4倍增长(从1个天线到4个天线)结果产生平均频谱效率的不到2倍的增长，而且4×4MIMO的平均效率与峰值效率之比远远小于常规的非MIMO***的相应比值。
利用传统的波束形成&控制***提高频率效率
多个天线的一种不同应用是在传统的波束形成/控制***中。这种途径的一个好处在于移动客户端如在常规的无线***中使用的标准移动客户端，只有基站具有多个天线和RF电路(无线电设备)。在基站一侧，传统的波束形成/控制类似于MIMO，需要多个RF电路(无线电设备的数目等于天线的数目)，并且采用称为“波束处理”的繁重信号处理。图6中图解所示的基站***的示图也适用于传统的波束形成/控制***。然而，波束处理不同于信道矩阵处理。在波束处理中，往来于N个天线的RF信号被结合，以便增加结构上期望的信号，和消除不期望的信号(干扰源)。
图8(a)和8(b)表示利用天线阵列21的传统波束形成/控制***的有效辐射图。在水平平面上，辐射地面覆盖范围22是称为扇形波束的扇区的窄截面。在垂直平面上，辐射与常规的扇区天线中相同。图8(b)中的垂直截面23和图3(b)中的垂直截面13相同。上面的术语“有效辐射”的使用针对的是扇形波束实际上只处于发射模式，虚拟地处于接收模式的事实。这在下面说明。
在发射模式下，图8(a)的天线阵列21中的N个天线发射N个独立但是相干的RF信号，这些信号是包含待传送信息的相同基带信号的独立RF版本。通常，每种RF版本具有不同于其它RF版本的RF相位和RF幅度。当天线阵列21中的每个天线是常规扇区天线时，在整个扇区内发射N个RF信号，但是这N个RF信号彼此相干的干扰。有意地产生这种相干干扰，因为所有的RF信号源于相同的来源，从而为这种相干操作专门设计和校准传统的波束形成/控制***。最终结果是发射的N个RF信号在覆盖范围22内建设性地干涉，而在扇区的其它部分中破坏性地干涉。于是，在发射模式下，传统的波束形成/控制***产生实际的较窄扇形波束。
在接收模式下，图8(a)的天线阵列21中的N个天线接收代表扇区信号(来自移动客户端和干扰源)的N种版本的N个独立RF信号，每种版本是在不同的空间位置接收的。传统的波束形成/控制***独立地数字化每个信号，然后在数字域中相干地结合它们，从而有效地产生覆盖范围22，和在扇区中的其它地方产生零覆盖。于是，在接收模式下，传统的波束形成/控制***仅仅产生虚拟的较窄扇形波束。
横跨扇区产生较大的信号空洞(在波束外无信号)的任何波束形成***的潜在问题是移动客户端跟踪。当移动客户端移动到覆盖范围之外，无线链路会明显中断。传统的波束形成/控制***的一个重要特征是其始终监测整个扇区的能力，而不管辐射图实际上较窄的事实。这是因为接收的波束是通过计算的虚拟波束，而不是真实的波束。***始终具有关于扇区中的所有移动客户端的完整信息(该信息的N种版本)。该信息用于在无线客户端穿过小区时，跟踪无线客户端，和把波束(或者零陷（null）-参见下文)动态指向目标无线客户端。
图9表示由理想的传统波束形成/控制***24服务的小区，所述***24增强往来于在几个较窄的扇形波束，比如波束25内的移动客户端的信号，和消除往来于在这些扇区波束之外的移动客户端的信号。实际上，与图5的常规基站1相比，具有波束形成/控制的基站24提高波束范围内的SNIR。
图9中的无线覆盖方法根本上不同于图5的方法。前者包含每次只覆盖一部分的扇区的多个(这种情况下，2个)扇形波束。天线辐射的这种集中能够利用两种手段，提高波束内的RF信号的SNIR。首先，相对于噪声和干扰源水平，增大SNIR的信号部分。其次，多径衰落的可能性减小，因为RF信号只在小区的一部分中传播。波束内的提高的SNIR和波束外的零SNIR之间的这种折衷需要与无线通信过程的协调。因此，***使波束指向目标无线客户端。
如图9中的扇形波束是利用一维天线阵列自然产生的，在所述一维天线阵列中，彼此相邻地布置N个常规的扇区天线。对每个天线的RF信号适当调相足以产生具有小旁瓣的扇形波束，通过改变天线信号的幅度，能够进一步减小旁瓣。天线的数目越大，波束的角度扩展越窄。然而，波束形状总是被拉长，沿着径向方向从基站天线到扇区的端部跨越扇区。其它辐射图，比如成各个方位角地放置槽口，以减少干扰源极其有益，并且通过N个天线信号的相似的相位和幅度变化是可能的。然而，强调的是具有如上所述的一维阵列(任意数目的天线)不足以在径向方向整形波束。一维天线阵列不能产生点波束，也称为笔形波束。换句话说，利用一维天线阵列产生的辐射图在径向方向不变。
尽管具有诸如频谱效率增大之类有吸引力的理论属性，常规的波束形成/控制***仍然存在重要的实际局限性。无线蜂窝***的关键局限性是难以把***扩展到少量的天线之外(很少有不止8个天线)。另外，硬件的成本变得过大(过多的高质量无线电设备)，并且必需的基带处理的复杂性变得过高，需要昂贵的数字处理器和软件。仅仅利用少量的天线限制了任意方向的最大天线增益，和***的空间滤波效果。因此，实际上，与其利用如图9中理想地图解所示的扇形波束，通常更喜欢通过沿干扰源的方向布置零陷/槽口，消除共信道干扰源(相同RF频谱内的信号)。当每个移动信号在不同的多径上与基站通信时，真实的无线流量的处理(包括跟踪移动客户端)变得复杂。实际上，8天线波束控制***获得的频谱效率的增大不到2倍，这是普通的性能-成本比。
前面的讨论表明仅仅通过利用较少数目的天线和数字信号处理，提高频谱效率的现有方法效果有限。例如，LTE标准允许16bits/s/Hz的峰值频谱效率，然而即使可以进行最复杂的处理，平均效率也预期小于2bits/s/Hz。
按照本公开的一个方面，超越这些性能限制的一种方式是在基站***的RF前端引入新的硬件能力，以在数字化之前提高信号SNIR。这允许处理算法的其它可能性，以优化平均频谱效率。当然，增强的***也应是经济的。
利用大型天线阵列提高频谱效率
如上所述，归因于这种***的高成本，在商用无线***中一直不能使用大型天线阵列。然而，理论上，上面讨论的波束形成/控制的概念极大地受益于天线数目的增大。图10中图解说明了是图6中的***的泛化的潜在相应基站***。天线阵列31是N×M大小的二维阵列。这些N×M个天线发射和接收N×M个独立的RF信号。作为图6的***的另一种泛化，可以按任何特定方式结合N×M个RF信号，从而产生K个RF信号，所述K个RF信号是通过称为K-RF全双工接口的全双工互连网络301传送的。称为K-RF处理器的RF/模拟/数字信号处理器300处理K个RF信号，从而在扇区/小区内获得改善的平均频谱效率。下面更详细地说明这种K-RF处理器功能的细节。
天线阵列中的第二维的增加产生新的基本能力，从而可能在径向方向以及在方位方向整形全部的辐射。结果，这种***能够产生笔形波束。图11(a)和11(b)表示利用二维天线阵列31的这种***的辐射图。在水平平面上，辐射地面覆盖范围32是由零信号区域围绕的圆形信号区。在垂直平面上，辐射较窄，如用图11(b)中的截面33所示。图11(a)中图解说明了整个笔形波束34。
图12表示按照本公开的一个方面，由利用2维天线阵列和笔形波束的基站35服务的无线扇区。基站35增强往来于在被3个笔形波束，比如笔形波束34覆盖的3个强信号区域内的移动客户端的信号，消除往来于在这些强信号区域外的移动客户端的信号。实际上，不仅与图5的基站1相比，而且与图9的基站24相比，具有笔形波束的基站35都提高了波束区域内的SNIR。重要的是指出在理论上，通过改变N×M个RF信号的相位和幅度，可电子地把诸如笔形波束34之类的笔形波束放置和移动到扇区中的任何位置。
图11和12表示清晰地限定的波束(例如，越过波束边缘线，RF信号幅度从有限值急剧变为0)。这只是图13中图解所示的真实情况的简单图示。实际上，波束内的RF功率密度50持续而不间断地变化。自然地，在扇区中存在RF功率密度最大的点52。当直线地沿任何方向移离该点时，RF功率密度降低，直到在点53变成最大值的一半，表示从峰值起的3dB变化。按照本公开，点53是可以任意地限定波束边缘的地方。在该区域之外，按照使用的空间滤波设计，波束功率密度在点51衰减为0。天线阵列越大，可以实现的空间滤波器的过渡区越陡。
于是，依据惯例而不失一般性，如这里所述的波束覆盖区域(例如，强信号区40)被认为在-3dB功率密度边缘线之内。另外，波束宽度被定义为从波束起源点(即，天线阵列的中心)的视角。例如，“15°波束”可以是峰值功率密度点周围的相对于该点功率密度降低不到3dB的区域，该区域具有从天线阵列的中心起的15°视角。
由于笔形波束在方位方向和径向方向都较窄，因此它们自然可以重复利用RF频谱，提高无线网络的频谱效率的一种关键能力。换句话说，在扇区中彼此足够远地布置的笔形波束能够安全地利用相同的RF频谱(几乎没有或没有波束间干扰)在独立的并行流中传送信息。理论上，波束越窄，越多的波束可用于通过相同RF频谱的并行传输，从而获得越大的频谱效率。然而，独立信号的并行传输的数目局限于K(图10的K-RF全双工接口301的大小)。通常，通过该互连网络传播的信号是波束信号的线性组合。一种重要的特殊情况是当存在K个波束，并且K-RF全双工接口中的每个信道传送单一波束的信号时的情形。
参数K的大小和图10的***的硬件方法在***的成本方面起着重要的作用。这将在下面更详细地说明。
利用相控阵
图10的基站***的RF/模拟部分是关键的子***，它包括N×M阵列31，K-RF全双工接口301和K-RF处理器300中的无线电电路。实践中，该RF/模拟部分可以用相控阵实现。存在多种这样的装置：模拟阵列、数字阵列、各种混合解决方案、和处于研发阶段中的新颖阵列。
作为第一个例子，如果K=l(单一无线电***)，那么图10中的***的RF/模拟部分是常规的模拟相控阵，其中利用共同馈送，所有的天线信号被组合成单一的RF信号(例如，参见R.Mailloux的“Phased ArrayAntenna Handbook”第二版，Artech House,2005)。目前，就在诸如蜂窝之类的商用无线***中的应用来说，这些常规的模拟相控阵非常昂贵。
作为第二个例子，如果K=NxM(NxM无线电***)，那么图10中的***的RF/模拟部分是现代的数字相控阵，其中在数字域中单独地产生或处理每个天线信号。类似于模拟相控阵，对商用无线***来说，通常用在军用雷达中的这些通用***也非常昂贵。利用部分模拟，部分数字的相控阵的经典混合解决方案同样昂贵。
在美国专利申请No.13/173,300中公开了具有笔形波束能力的基站的RF/模拟部分的成本相当低的相控阵解决方案，该专利申请在此整体引为参考。该相控阵利用较小的K参数(例如，K=2-8)和中频(IF)接口。图14中说明了利用这种相控阵解决方案的允许笔形波束的***。相控阵36是N×M的二维阵列，可以是保形的（conformal）(即，非平面的)。通过称为K-IF全双工接口的全双工互连网络401，往来于称为K-IF处理器的IF/模拟/数字信号处理器400传送K个IF信号。该相控阵解决方案中的成本突破来自于借助如在美国专利申请No.13/173,300中所述的RF同步方法而允许的硅集成电路和低成本装配的使用。由于使用的硬件方法，该相控阵在波束形成和控制能力方面也极其敏捷(即，它能够非常快速地从一种波束组态切换到另一种波束组态)。实际上，相对于如用传送的数据速率表示的信息流的速度，这种波束切换速率可被视为瞬间的。当然，可以采用波束控制的其它更常规的途径，不过通常代价是复杂性和成本增大，并且敏捷性可能降低。
敏捷波束技术
图10和图14的基站***具有产生如上所述，理论上有可能增大频谱效率的多个笔形波束的基本能力。然而，实际实现需要考虑另外的事项。这些考虑的主要目的是公开***运行技术，以便实现最佳的扇区覆盖和最佳的无线客户端连通性。这里介绍称为敏捷波束技术的一种新的操作技术。敏捷波束技术同样地适用于发射和接收。于是，不需要单独地讨论每种情况，下面的所有考虑适用于任一情况。
图10或图14的基站***能够支持与移动客户端的不超过K个并行的独立数据传送。在假定K的值较小(这与上面提及的低成本相控阵解决方案一致)，和K个较窄的笔形波束的使用的情况下，显然扇区的大部分仍然在波束之外。敏捷波束技术减轻了这种不足。
在下面讨论的例子中，考虑每次使用4个15°的波束(K=4)，不过只是作为例子，而不失一般性。显然，这里公开的技术适用于许多其它数目的波束或波束宽度。一般而言，即使波束不是笔形波束，这些技术也有效。
图15用几何学表明120°的蜂窝扇区可用两个邻近的等边三角形近似，这两个等边三角形围绕20个相等的圆形区域，为了简单起见，所述圆形区域被称为“圆”。圆形区域60是20个圆之一。诸如圆61之类的***圆具有从小区发射塔位置起的约15°视角(等边三角形的60°角除以每个三角形的4个***圆为15°)。依据惯例并且为了简单起见，这20个圆中的任意一个可被视为与源于小区发射塔的15°波束的地平面的交点。这忽略了发射塔附近的波束变宽影响，发射塔高度影响和波束倾斜影响。然而，这些细节并不是限制性的。原则上，图10或14中的***可产生大小可变的笔形波束，以覆盖正如所示的图15中的20个圆任意之一。另外，图15假定所有波束的直线(LOS)传播。最后，我们将除去这种理想条件，而不会对***可行性和性能产生任何根本影响。
利用4个15°的笔形波束近似覆盖扇区范围的1/5(20个圆中的4个)。为了把覆盖范围延伸到整个扇区，需要多个波束集。图16中的示图证明这种覆盖是可能的，同时几乎没有波束间干扰。近似如图15中所示的扇区的圆有5组，分别示于图16(a)-(e)中。每组圆对应于覆盖具有强信号的4个相应区域的4个笔形波束的不同组态。例如，在图16(a)中，由天线阵列62产生的第一个波束向区域63提供强信号，第三个波束向区域65提供强信号。类似地，图16(b)表示第二个和第四个波束分别向区域64和66提供强信号。覆盖具有强信号的4个相应区域的4个波束的每种组态被称为波束组。
图16(a)-(e)中的具有强信号的每组4个圆被称为波束图。5个波束图的集合覆盖整个扇区，每个波束图包含由波束组中的4个15°笔形波束覆盖的4个强信号区域。于是，在图16(a)-(e)中，存在由5个对应的波束组产生的5个波束图：组1、组2、组3、组4、组5。每个波束组中的波束位于彼此足够远的位置，以便不相互干扰。具有相同性质的笔形波束图(由相应的波束组产生)的其它类似集合也是可能的。还可产生波束不是笔形波束，而是拉长的波束、星形波束等的波束图的这种集合。
以图16中的5种波束图为例，覆盖整个扇区的一个方式是开关波束图，以致每次只有一个波束图开启，在一些时间，所有波束图开启。获得最大频谱效率要求不存在没有波束图开启的任何时间。换句话说，为了获得最大的频谱效率，信息应始终在基站和无线客户端之间流动。
为了获得可行的无线通信***，必须使基站和无线客户端之间的信息的传送与波束图切换的过程协调。波束图切换和协调的信息传送的组合被称为敏捷波束技术。用语“敏捷”指的是与信息传送速率相比，波束图切换很快，以避免波束切换期间的任何信息损失的隐含要求。
敏捷波束技术的协调调度策略根本上不同于常规的波束控制技术中的处理策略。如上所述，在常规的波束控制情况下，***始终完全了解整个扇区，并产生在某些方向具有最大值(移动客户端被服务)，而在其它方向为0(干扰抵消)的“波束”结构。这种策略可被描述成“基站跟随移动站”。在敏捷波束技术中，不存在利用波束跟随移动客户端，而是移动客户端被调度/编程成按照基站产生的敏捷波束对扇区的覆盖过程，与基站通信。于是，这种策略可被描述成“移动站跟随基站”。
敏捷波束***的例子
在最一般的情况下，可以在不规则并且动态地切换波束图的情况下，以及在改变波束图(在波束的数目和波束的大小方面)的情况下使用敏捷波束技术。例如，如果扇区的某个区域持续一段时间没有无线客户端，那么覆盖该区域的相应波束可被停止，有利于开启其它的波束图。同样地，对某个区域中的极大的无线流量来说，可以使相应的波束始终开启。在敏捷波束技术的一种不太普通但更简单的应用中，可以无限地重复图16中的5个波束图，或者等同物，每个波束组产生被开启1/5时间的波束图。实际上，该简单过程等同于用4个波束不连续地分步扫描扇区。
波束图切换和信息传送之间的适当协调是敏捷波束技术的关键。图17表示在多波束扫描的简单情况下，提供这种功能的可能的基站子***的示图。该子***可包含在图10或图14的基站***中。图17中的N×M相控阵37产生发射或接收通过信号70，移动自/移动到物理层处理71的K个RF信号的K个敏捷波束。通过由MAC(媒体存取控制)软件控制的模块73(称为K-波束形成和扫描模块)编程相控阵波束。该模块把高级MAC命令转换成相控阵用于产生请求的波束图的相位和幅度数，和转换成波束切换/扫描程序。控制信号74把波束形成信息传给相控阵。
波束切换/扫描与信息传送之间的协调发生在MAC层中。在波束提供对相应客户端所在的区域的覆盖的时间内，调度器72(MAC的向无线客户端分配时间/频率通信资源的部分)为无线客户端调度接收和发射时间。物理层处理部件71提供把RF信号从数字数据转换成调制的模拟格式或把RF信号从调制的模拟格式转换成数字数据的标准操作。
应明白图17中公开并且上面讨论的功能一般可以用固件实现，或者用包括一个或多个处理器，保存用于各种功能的适当程序代码的存储器(例如，ROM、磁盘存储器、永久存储器等)，和在程序代码的执行期间使用的RAM和/或主动式存储器的处理***实现，或者用这两者的组合实现。
如上述例子中的具有4个波束图的敏捷波束技术很适合LTE标准。因为对于MIMO，LTE标准允许多达4个基站天线，它支持通过物理层和接口的数据传输的4个独立流。另外，LTE MAC层调度在时隙和频隙分配方面极其灵活，使协调调度成为可能。此外，敏捷波束技术自然地结合到LTE中的数据帧结构中，从而产生较高的平均频谱效率。
在一个实施例中，可以每5ms地无限重复参考图16说明的扫描方案，每次每个4波束图被激活1ms。这对应于每个LTE子帧(1ms)地改变天线波束图(或波束组)，从而每个子帧把天线集中到扇区的不同的20%部分。在10ms的LTE帧内，扇区中的每个点将被覆盖2次，总共2ms，对应于具有短循环前缀的28个分组(每个子帧14个分组)，或者具有长循环前缀的24个分组(每个子帧12个分组)。
对以250Km/h的速度(每个LTE帧，位置变化0.7m)移动的移动客户端来说，在7m的位置变化中，将至少有280个LTE分组(10LTE帧，每个子帧14个分组，对于每个波束区域，每帧服务2个子帧)。与每个波束覆盖的范围的半径相比，这种位置变化相对小。例如，对500m半径的小扇区来说，每个波束覆盖半径64.5m的圆环范围。对5Km半径的扇区来说，每个波束覆盖半径645m的圆环范围。对于每个预定的波束位置，缓慢移动的移动客户端获得更好的覆盖，而静止的移动客户端从波束位置获得连续覆盖。这些简单的计算表明用多个敏捷笔形波束覆盖扇区的优点：在扇区覆盖范围中，存在事实上的连续性，决不存在其中基站不与移动客户端联系的较长时期。
上面给出了其中***顺序并且规则地反复循环各个波束组(即，持续相同时间量产生每个波束组地连续重复组1、组2、组3、组4和组5的序列)的例子。然而，取决于情形的需求，反复循环各个波束组也可不规则或者非周期性地发生。例如，不同的波束组可以开启不同的时间量，和/或可以无序地开启波束组，和/或在运行周期内，可以不止一次地产生一些波束组。下面讨论关于该问题的更微妙的要点。
无线客户端控制
在敏捷波束技术的上述说明中，存在基站能够向无线客户端传送包括时间调度信息在内的控制信息的隐含假设。这通常是通过特殊的控制信道实现的，与高速数据信道相比，所述特殊的控制信道一般需要相当低的SNIR。建立和维持控制信道的一种简单方式可以是通过覆盖整个扇区的独立的静态120°波束。然而，这种途径会浪费一个波束，可能需要修改当前的无线标准。下面讨论一种备选途径。
可以如下选择波束的数目和波束大小：a)波束应足够窄，以致在波束之间的中点，天线的空间滤波达到阻带；和b)波束宽度不应窄到以致使扇区的大部分未被微弱的天线辐射覆盖。通过选择合适的波束宽度和波束数，这是可能的，假定***具有产生窄波束的能力(例如，足够大的相控阵)。图18和19图解说明了这一点。图18(a)和19(a)中表示了适当的设计。这里，在离波束中心1.5波束宽度的半径之外，第一个波束54的强度变得可以忽略，从而不对第二个波束55产生任何显著的干扰。然而，波束之间的区域仍然被覆盖，虽然能量较低。由于在任何方向，至少两个波束覆盖该区域，因此基站保持在较低的SNIR下，与移动客户端交流控制信息的可能性。通常，波束间区域是安静的，即，这些区域内的移动客户端不被允许发送或接收有效负载数据，但是考虑到网络管理，基站仍然能够维持与移动客户端的低速率控制信令。这产生完全像不利用敏捷波束技术的典型部署中一样高效地控制移动客户端的可能性。
如图18(b)中的比最佳波束窄的波束的使用会妨碍移动控制的能力，因为波束间区域仍然未被第一个波束56或第二个波束57覆盖。如图19(b)中的比最佳波束宽的波束的使用可能产生波束间干扰，因为第一个波束58和第二个波束59把它们的功率分布延伸到彼此之中。
非直线对传(NLOS)情况
在前面的讨论中，为了简单起见，假定了LOS(直线对传)无线连接。实际上，完全在LOS条件下发生蜂窝无线通信的情况很少(即使有的话)。典型的情形是只有几个移动客户端在LOS中，多数移动客户端通过在建筑物或者其它人造结构上的信号反射，以及在诸如树林、巨石之类自然障碍物上的信号反射，与基站通信。另外，相同信号的许多反射通常在不同的时间到达，从而引起多径干扰和衰落。
尽管对整个通信***来说，LOS和NLOS传播是重要的考虑事项，不过从基站天线的角度来看，唯一紧要的事情是其发源或吸收RF能量的空间能力，而不是输入或输出的辐射如何传播通过扇区。于是通常，对于完全LOS情况，或者对于完全NLOS情况，或者对于它们的任意组合来说，例如由图14的相控阵产生的图16的波束图实际上在相控阵的最前部。换句话说，如果认为平面与置于其之前的相控阵平行，那么通过该平面的4个波束的RF发源或吸收图会如图16中所示。这假定该平面足够远，以避免近场效应，并且在相控阵和该平面之间没有物理障碍物。图20中对于3个波束，表示了这种理论考虑的例示。有限平面81被置于天线阵列80之前，类似于图16的波束图，3个波束82、83、84在3个对应的区域85、86和87，与有限平面81相交。
在如前设想的完全LOS情况下，在有限平面上的波束图通过简单几何投影(锥形)，直接映射到对应的扇区区域，从而保持拓扑性质，即，连续区域映射成连续区域，等等。在NLOS情况下，该映射可能复杂得多，通常不保持拓扑性质。即，在天线前面的有限平面上的连续圆形区域可能映射成几个分离的区域(例如，物理上不是太近的移动客户端仍可在相同波束上与基站很好地通信)。自然地，相控阵波束越窄，越可能具有天线辐射的较简单扇区映射。下面，对于敏捷波束技术，识别两种NLOS情况：简单情况和一般情况。
简单NLOS情况是“一个移动客户端对一个波束”情况。与天线辐射的扇区映射的复杂性无关，如果对特定调度来说，每个移动客户端只通过3个波束之一与基站通信，那么对敏捷波束技术来说，这种NLOS情况实质上与LOS情况相同。换句话说，例如如果调度器72知道哪个波束始终覆盖每个移动客户端，那么移动客户端的实际物理位置无关紧要。当然，在这种情况下，与在LOS情况下相比，高速移动的移动客户端快得多地穿过较小的NLOS覆盖地点。然而，对于具有相同发射塔部署的任何其它无线***来说，很可能这种情形不会好得多。这种情形的适当减轻是借助适当的网络规划和天线布置(确保覆盖下的整个区域被适度“照射”)。
在诸如市区之类的高度散射环境中，并不总是能够调度移动客户端，以便具有简单NLOS情况。这是一般NLOS情况。在这种情况下，波束图中的至少两个波束覆盖移动客户端中的一些移动客户端。然而，这和客户端具有单一天线的常规空间分集MIMO没有不同，可以利用相同的处理解决方案解决。图21表示与图17的子***类似，但是用标准MIMO处理75增强的子***。与常规的MIMO***相比，敏捷波束技术具有相控阵在RF前端中产生显著并且可设计的空间滤波效果，从而增大RF信号的SNIR的附加好处。
波束分配算法
在上面的讨论中，假定例如调度器72始终知道哪个波束适合于每个移动站。在这种情况下，存在调度器72获得并保持该知识的几种可能方式。下面讨论基于简单搜索的技术。
首先，我们假定在开启按照敏捷波束技术工作的***之后的某个时间，所有的移动客户端被分配给正确的波束，并且与扇区扫描协调地和基站通信，如图16中所示。当移动客户端在扇区内来回移动时，它们中的一些将从它们的分配的覆盖区域朝着在不同的时间，由不同的波束覆盖的不同区域移动。然而，由于归因于快速扫描，***非常频繁地与每个移动客户端通信，因此，与一个波束的“脱离”会用信道质量的单调降低示出。这可触发调度器72请求移动客户端开始在对应于其它波束图的时隙中发送控制数据。回想起基站具有始终与整个扇区保持联系的能力(归因于适当设计的多个波束和扫描)。对已考虑的LTE例子来说，在仅仅5ms内，调度器72就应知道移动客户端是否“出现”在另一个波束中，并且所述另一个波束是哪个波束。另外，调度器72可监测移动信道质量，并且在适当的时间(新波束中的信道质量好于旧波束中的信道质量)，它将把移动站切换到新波束。
基于“盲”搜索的上述简单算法是可行的，因为***敏捷，并且存在在移动客户端和基站之间交换信息的许多可能性。即使在一般NLOS情况下，这些搜索将朝着移动客户端到波束的最佳分配快速收敛。这种算法的高级解释在于使具有高信道质量的移动客户端与扇区扫描过程同步，而使信道质量不断恶化的移动客户端进入利用扫描模式的确定性异步操作中(主要是控制数据)，直到找到新的最佳分配为止。
***的启动可被设计成一个一个地逐渐引入移动客户端，并在引入另外的移动客户端之前，使各个移动客户端进入对应的最佳波束。更复杂的移动客户端分配原理也是可能的，比如基于移动客户端的GPS坐标报告，和保存在基站中并动态更新的GPS地图的移动客户端分配原理。波束分配算法的另一种可能原理是利用相邻信道质量的移动客户端报告。
总之，本公开说明实现接近峰值频谱效率的平均频谱效率的技术。这可用低成本的网络升级，提供无线***容量的高达10倍的增长。
这里，应注意如上所述，按照本公开在无线***中实现高平均频谱效率的技术在某种程度上涉及输入数据的处理和输出数据的产生。所述输入数据处理和输出数据产生可以用硬件或软件实现。例如，在基站或者类似或相关的电路中，可以采用特定的电子组件，以便实现与如上所述，按照本公开在无线***中实现高平均频谱效率相关的功能。另一方面，按照指令工作的一个或多个处理器可以实现与如上所述，按照本公开在无线***中实现高平均频谱效率相关的功能。如果情况是这样，那么在本公开的范围内，这样的指令可被保存在一个或多个非临时性处理器可读存储介质(例如，磁盘或者其它存储介质)上，或者可通过包含在一个或多个载波中的一个或多个信号，传送给一个或多个处理器。
本公开在范围方面不受这里说明的具体实施例限制。事实上，除了这里说明的实施例之外，根据上面的说明和附图，对本领域的普通技术人员来说，本公开的其它各个实施例和变形例将是显而易见的。从而，这样的其它实施例和变形例在本公开的范围内。此外，尽管这里在对于至少一种特殊用途的至少一种特殊环境中的至少一种特殊实现的语境中，说明了本公开，不过，本领域的普通技术人员会认识到其实用性并不局限于此，可对于许多用途，在许多环境中有益地实现本公开。因而，应考虑到如这里所述的本公开的整个范围和精神，解释下面记载的权利要求。

Claims (27)

1.一种与无线站通信的方法，所述方法包括：
定义将由波束形成装置产生的多个独立点波束，所述多个独立点波束中的每个点波束指向不同方向并且与空间中的有限平面范围的不同区域相交，其中所述多个独立点波束的方向在方位和高度方面都变化，并且其中所述多个独立点波束相交的空间的有限平面范围的区域是相交区域的二维阵列；
定义多个波束组的集合，每个波束组是所述多个独立点波束中的点波束的一个不同子集，所述多个波束组的集合中的每个波束组包括所述多个独立点波束中的不止一个点波束，并且所述多个独立点波束中的每个点波束是所述多个波束组的集合中的一个波束组中的成员；
反复循环通过所述波束组的集合，其中循环通过所述波束组的集合包括接连地激活所述波束组的集合中的每个波束组，并且其中激活波束组包括同时生成该波束组的多个点波束；
识别所述多个独立点波束中的产生与无线站的最佳通信链路的点波束；以及
调度在激活其中识别出的点波束是一个成员的波束组的时候发生的与无线站的通信。
2.按照权利要求1所述的方法，还包括在激活其中识别出的点波束是一个成员的波束组的时间内，通过识别出的点波束与无线站通信。
3.按照权利要求1所述的方法，其中所述多个独立点波束中没有一个点波束是所述波束组的集合中的多于一个波束组的成员。
4.按照权利要求1所述的方法，其中调度通信涉及把调度信息传送给无线站，其中所述调度信息指示识别出的点波束何时可供无线站使用。
5.按照权利要求1所述的方法，其中执行所述反复循环通过所述波束组的集合的步骤，以致在循环期间不存在不激活所述波束组的集合中的任何一个波束组的时候。
6.按照权利要求1所述的方法，其中所述波束形成装置包括天线元件的二维阵列。
7.按照权利要求1所述的方法，其中所述波束形成装置是相控阵。
8.按照权利要求1所述的方法，其中所述波束组的集合中的每个波束组由选自所述多个独立点波束中的4个点波束构成。
9.按照权利要求1所述的方法，其中所述波束组的集合由5个波束组组成。
10.按照权利要求1所述的方法，其中对于所述波束组的集合中的每个波束组，与该波束组的点波束相交的有限平面范围的不同区域由与所述波束组的集合中的另一个波束组的点波束相交的至少一个区域相互隔开。
11.按照权利要求1所述的方法，其中每个波束组的点波束与有限平面范围的和由其它波束组的点波束相交的区域不同的区域相交。
12.按照权利要求1所述的方法，还包括在除激活其中识别出的点波束是一个成员的波束组的时间以外的时间，与无线站交换控制信息。
13.按照权利要求1所述的方法，还包括：
产生在反复循环通过所述波束组的集合的时候保持开启的静态波束，所述静态波束同时覆盖所述多个独立点波束相交的所有区域；和
在所述多个独立点波束相交的所有区域中，利用静态波束将控制信息传送给包括所述无线站在内的无线客户端。
14.按照权利要求1所述的方法，其中激活波束组包括同时生成该波束组的所有点波束。
15.按照权利要求1所述的方法，其中在任意给定时间激活所述波束组的集合之中的仅一个波束组。
16.按照权利要求13所述的方法，其中所述控制信息包括时间调度信息。
17.一种用于与无线站通信的设备，所述设备包括：
要连接到天线阵列的多收发器无线电***，所述多收发器无线电***被配置成利用所述天线阵列产生多个独立点波束，所述多个独立点波束中的每个点波束与空间中的有限平面范围的不同区域相交，其中所述多个独立点波束的方向在方位和高度方面都变化，并且其中所述多个独立点波束相交的空间的有限平面范围的区域是相交区域的二维阵列，其中所述多个独立点波束被分组以形成多个波束组的集合，所述多个波束组的集合中的每个波束组是所述多个独立点波束中的点波束的对应不同子集，所述多个波束组的集合中的每个波束组包括所述多个独立点波束中的不止一个点波束，并且所述多个独立点波束中的每个点波束是所述多个波束组的集合中的一个波束组中的成员；以及
控制所述多收发器无线电***的调度***，所述调度***被配置成：(1)通过使所述多收发器无线电***反复循环通过所述多个波束组的集合，来反复循环通过所述多个波束组的集合，其中循环通过所述多个波束组的集合包括接连地激活所述多个波束组的集合中的每个波束组，并且其中激活波束组包括同时生成该波束组的多个点波束；(2)识别所述多个独立点波束中的产生与无线站的最佳通信链路的点波束；以及(3)调度在激活其中识别出的点波束是一个成员的波束组的时候发生的与无线站的通信。
18.按照权利要求17所述的设备，其中所述多个独立点波束中没有一个点波束是所述波束组的集合中的多于一个波束组的成员。
19.按照权利要求17所述的设备，还包括所述天线阵列。
20.按照权利要求17所述的设备，还包括用于在激活其中识别出的点波束是一个成员的波束组时与无线站通信的通信***。
21.按照权利要求19所述的设备，其中所述天线阵列是天线元件的二维阵列。
22.按照权利要求19所述的设备，其中所述多收发器无线电***和所述天线阵列构成相控阵。
23.按照权利要求17所述的设备，其中所述多个波束组的集合中的每个波束组由选自所述多个独立点波束的4个点波束构成。
24.按照权利要求17所述的设备，其中激活波束组包括同时生成该波束组的所有点波束。
25.按照权利要求17所述的设备，其中在任意给定时间激活所述波束组的集合之中的仅一个波束组。
26.按照权利要求17所述的设备，其中所述多收发器无线电***被配置成产生在反复循环通过所述波束组的集合的时候保持开启的静态波束，所述静态波束同时覆盖所述多个独立点波束相交的所有区域，并且其中所述多收发器无线电***被配置成在所述多个独立点波束相交的所有区域中，利用静态波束将控制信息传送给包括所述无线站在内的无线客户端。
27.按照权利要求26所述的设备，其中所述控制信息包括时间调度信息。
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