CN104365032A - 使用多天线阵列的无线固定接入的***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种用于提供从服务天线阵列到本地终端群的无线固定接入的新方法。在实施方案中，服务收发器站STS使用从由所述本地终端进行的发射获得的信道状态信息CSI来执行波束成形预编码，且所述STS使用在服务天线位置上及在跨过用于下行链路发射的至少一些载波的频率范围内为静态的慢衰减系数来执行功率分配。

Description

使用多天线阵列的无线固定接入的***及方法

相关申请案交叉参考

本申请案主张在2012年6月13日提出申请的序列号为61/659,154的临时申请案的优先权。

技术领域

本发明涉及通信***中的接入方法，且更特定来说涉及包含经由无线链路的发射的接入方法。

背景技术

在农村地区中且通常在发展中国家中，依赖于光纤或电缆来将宽带因特网服务提供到家庭及其它用户房屋是昂贵的，这是因为在农村地区中用户房屋通常广泛地分离且因为发展中国家通常遭受现有宽带通信基础设施的缺乏。

针对较低成本替代方案，已提议例如EVDO或LTE的传统无线技术来提供支持宽带服务的接入及/或回程输送。然而，这些技术可太受限于频谱效率而不能确保令人满意的服务水平。

因此，仍需要可提供支持宽带服务的接入及/或回程输送的替代无线技术。

发明内容

已开发一种提供从服务天线阵列到本地终端群的无线固定接入的新方法，所述方法包括：

使用从由所述本地终端进行的发射获得的信道状态信息(CSI)来进行波束成形预编码；及

使用在服务天线位置上及在跨过用于下行链路发射的至少一些载波的频率范围内为静态的慢衰减系数来进行功率分配。

在另一实施例中，已提供一种新方法，所述方法包括：

从由所述本地终端进行的发射获得CSI，其中所述CSI具有所述阵列与所述本地终端之间的快衰减及慢衰减分量；

分配从所述本地终端中的相应者到多天线阵列的上行链路消息的发射的功率，其中所述分配仅使用所述CSI的慢衰减分量来执行；

在所述多天线阵列上接收所述所发射上行链路消息；及

使用所述CSI将所述所接收消息解码。

在实施例中，所述本地终端是具有不超过局部房屋移动性的用户终端。

在实施例中，所述本地终端是无线基站服务的用户终端，且所述无线固定接入是针对所述基站的回程接入。

附图说明

图1是典型农村地区中的接入网络的示意图式。

图2是供在本文所描述的方法的实施方案中使用的示范性帧格式的示意图。

图3是展示可使用本文中所描述的方法实现的下行链路及上行链路吞吐量的曲线图，如从假设20MHz带宽的模拟所预测。

具体实施方式

图1图解说明典型农村地区中的接入网络。多个用户房屋10由连接到服务收发器站25的服务天线阵列20经由无线链路提供服务，所述服务收发器站包含用于调节信号以从阵列20发射且用于处理在阵列20上接收的信号的电路，且所述服务收发器站还包含用于连接到公共电话网络、因特网服务提供商的网络等等的电路。在每一用户的房屋上，链路的下游端由连接到用户终端40的天线或天线阵列30标志。

天线30可为固定的；举例来说，其可固定于附接到房子或其它建筑物的屋顶的夹具中。或者，天线30中的至少一些天线可连接到具有某种有限移动性的终端40。也就是说，终端40可为可在使用时到处移动的手机、膝上型计算机或其它便携式无线通信装置。

在本发明上下文内，此类装置可在以典型人体运动速度移动时继续标志无线链路的下游端，前提是其保持在其家庭用户房屋上或在其家庭房屋的几十米内。将此有限移动性称为“局部房屋移动性”。如将看出，局部房屋移动性的地理边界取决于数种因素，包含用户房屋的地理密度及用于更新信道系数的间隔的长度。

在也在所述图中展示的另一实施方案中，无线链路的下游端由连接到基站60的天线或天线阵列50标志。举例来说，每一基站可为服务于住宅区或商业园的微小区或纳米小区。在此实施方案中，无线链路充当支持基站的回程网络的部分。将使用术语“接入网络”来指两类实施方案：即，支持因特网的递送、双重及三重播放以及对用户的其它类似服务的网络；以及提供回程输送以支持基站的网络。

虽然对于将描述的***的操作不必要，但服务天线阵列20为大规模天线***(LSAS)阵列是有利的，在大规模天线***阵列中，天线的总数目M大于用户终端的数目且优选地比其大数十倍或甚至数百倍。LSAS***是有利的，这是因为其潜在地提供大阵列处理增益及大空间分集增益。

在将LSAS阵列或实际上任何天线阵列部署于其中用户终端天线为固定(或最多为局部房屋移动)的***中时，存在与完全移动无线网络相比相干间隔倾向于非常长的其它优点。

在合并这些不同优点时，单个经适合调适LSAS位点服务于具有数百千米或以上的直径的地理区域中的数千个家庭(每一家庭以下行链路中的超过10Mbps的带宽)变得可行。

通过举例方式，例如，如果将10,000个服务天线以网格图案排列成一侧100个天线(间隔开一半波长)，那么将所述天线部署于塔上将是可行的。在1.9GHz的频率下，天线的安装面板将具有约8米×8米的跨度。类似地，可将40,000个天线安装于具有约16米×16米的跨度的面板上。甚至可通过以三维而非二维网格图案布置天线而实现更大的空间经济性。

如上文所述，尤其在用户天线为固定不动的情况下，可假设非常大的信道相干间隔。举例来说，如果出于说明性目的将相干时间视为使用户终端的位置有效地移位四分之一波长所花费的时间，且如果将传播信道的波动视为等效于以5千米/小时的用户移动性，那么将相干时间(假设1.9GHz载波频率)估计为28.44ms。

用户天线可采用各种性能增强特征。举例来说，在用户房屋处使用多天线阵列可增加频谱效率。可优化用户房屋处的天线放置以使服务天线阵列的射频路径损耗最小化。

示范性***以时分双工(TDD)模式操作。在TDD操作中，假设在上行链路(UL)与下行链路(DL)信道系数之间具有互易性。因此，假设在服务天线阵列处从上行链路导频信号(从用户终端接收)所测量的信道系数在相同相干间隔内适用于上行链路及下行链路两者。

在说明性实施例中，服务收发器站使用信道系数的知识来将下行链路发射预编码。预编码是为了众所周知的波束成形实践，其将空间选择性赋予下行链路发射，使得去往给定用户的下行链路信号遭受来自去往其它用户的同步发射的下行链路信号的相对小的干扰。

说明性地，所有用户终端在上行链路上同步发射其相应导频信号，且服务收发器站将下行链路信号从服务天线阵列同步发射到所有用户终端。在其它实施例中，用户终端群可划分成被分离成不同时隙以供导频发射及/或供下行链路信号发射的用户子群。

划分成用户子群可为有利的，举例来说，在用户的数目大于相互正交导频信号的数目时，为使得避免导频污染，需要在不同时隙中重新使用导频信号。导频污染发生在于相同时隙内发射互不正交的导频信号的用户当中。标称地波束成形到此类用户中的一者的信号可由于导频污染而包含来自标称地波束成形到其它此类用户的信号的干扰。

应注意，在此方面由于相干间隔将通常为非常大的，因此将导频信号定义为对应于非常长符号序列将是可能的，且因此可建构大量相互正交导频序列。举例来说，假设使用OFDM调制。将把相互正交导频序列的最大数目估计为两个所估计因子的乘积：传播信道可在其内视为大致恒定的频率间隔内的OFDM音调的数目乘以可在相干间隔期间发射的OFDM符号的数目。

传播信道被视为逐段恒定的。信道可在其内假设为恒定的每一子带的频率宽度为如以频率术语所表达的奈奎斯特(Nyquist)取样间隔，即，与信道的延迟扩展相反。在每一子带内，可根据将由OFDM音调及OFDM符号两者加索引的上行链路导频序列估计信道。也就是说，以给定发射时间间隔发射的给定导频序列的元素是由位于有关子带内的选定OFDM音调(即，副载波)结合选定OFDM符号而识别的。

可创建最多d个相互正交导频序列。令T_u表示可用符号间隔，T_sl表示时隙持续时间(假设其等于相干间隔)，T_d表示信道延迟扩展，且T_s表示OFDM符号间隔。那么通过以下给出d：

$d=\frac{T_u}{T_d}\×\frac{T_{\mathrm{sl}}}{T_s},$

其中T_u/T_d为以音调的数目表达的奈奎斯特取样间隔，且T_sl/T_s为以所使用的OFDM符号的数目表达的导频序列的长度。

针对此处仅出于说明的目的而使用的典型值且将秒视为时间单位，得出T_s＝10^-3/14、T_u＝10^-3/15、T_d＝T_s-T_u＝10^-3/210。此产生14个音调的奈奎斯特取样间隔的估计值，使得在含有280个OFDM符号的20ms时隙中，可创建最多14×280＝3920个相互正交导频序列。

用户房屋的地理位置将通常在将***投入到操作中之前知晓。可在第一次启动***时及在于断电之后恢复服务时使用用户房屋中的每一者的方位及其距服务天线的距离的所存储表格来促进初始波束成形。

说明性地，通过将信道系数(如根据导频信号所估计)应用于众所周知的共轭波束成形预编码过程中而执行针对下行链路的波束成形。同样地通过将信道系数应用于众所周知的最大比合并过程中而说明性地执行上行链路上的接收。从信道系数导出或与所述信道系数有关且对(例如)此预编码及合并有用的信息此处称为信道状态信息(CSI)。

在说明性实施例中，将以跨过一或多个发射时间间隔及一或多个OFDM频率副载波的块将空中接口资源分配到下行链路发射。

如上文所述，通常根据上行链路导频信号估计信道系数。导频信号通常作为帧格式的部分而发射，举例来说，如图2中所图解说明。在所述图中，将看出，帧格式的部分100含有上行链路数据发射。其后续接着含有导频信号的部分110。在服务收发器站处，使用从如所接收的导频信号导出的信息来将上行链路信号解码且产生用于将下行链路信号预编码的系数。在帧格式的后续部分120中，发射经预编码下行链路信号。

优选地从用户终端以最大功率发射导频信号以获得最佳可能信道估计值。

现在将g_mk定义为服务天线阵列的第m个天线与第k个用户终端之间的信道系数。此处假设每用户终端仅存在一个天线。到多天线用户终端的扩充是直截了当的。信道系数g_mk通常还将取决于频率。为了易于呈现，已在论述的此部分中取消频率依赖性。

在替代方法中，在不使用导频信号的情况下或在于例如初始化和从网络故障恢复的稀有场合下使用导频信号的情况下，通过逐次逼近法过程而估计信道系数。替代方法依赖于常规地从用户终端返回到服务收发器站的所观察SINR值。在许多通信***中，将此些SINR值返回到基站以供所述基站在选择调制及编码参数等等时使用。通过使用逐次逼近法，可能减小原本会与将导频信号用于信道测量相伴的复杂性。

在示范性实施方案中，下文具体参考在标题“算法1”下规定的算法而描述替代方法的步骤。算法1是待用于估计信道系数的一对算法(算法1及算法2)中的一者。如下文所描述的算法1适用于由用户k及服务天线m组成的一对。此同样适用于下文并未详细描述的算法2。

由于网络几何结构将通常是静态或接近静态的，因此所有用户的信道向量将通常是缓慢改变的。出于所述原因，所述对算法又可适用于每一用户，且针对每一用户，其又可在周期性地返回到第一用户及第一服务天线的连续不断的循环中适用于每一服务天线。通过以此方式循环，算法将调适跟踪传播信道的物理演进的轨迹上的信道系数。

在应用算法之前，获得真信道系数g_mk的初始估计值为了确保每一算法将收敛，获得良好估计值是合意的。因此，在至少一些实施方案中，使用导频信号获得初始估计值。

在以下论述中，将取消下标m及k以简化记号。

根据初始信道估计值(对于给定m及k)因子分解成振幅及相位项，其中是真振幅α的估计值且是真相位的估计值。

算法1运算以在α的初始估计值保持固定时找到的改进估计值。算法2接着运算以在保持固定时找到α的改进估计值。

在下文所规定的各个步骤中的每一者中，服务收发器站将使用当前信道估计值以将信号预编码并发射到用户，且用户将返回SINR的对应值。将通过SINR(θ)来表示对应于信道系数的特定估计值θ的所返回SINR值(在α的估计值保持固定时)。

在如下文所描述的算法1中，迭代地更新各自含有相位系数的估计值的三个分箱(bin)。三个分箱分别是所表示 及

表示为的分箱含有真相位的当前估计值。因此，其以初始估计值初始化且在算法的每一迭代处更新。在算法由于收敛而退出时，分箱将含有最终估计值。

符号δ表示相位角的增量。δ的大小可任意地设置，但为确保算法的收敛，合意地将其设置得接近于但稍微大于初始估计值的预期误差。符号ε表示收敛阈值。

算法1

1.初始化其中为真振幅α的初始估计值，为真相位的初始估计值，且j²＝-1

2.获得及

3.如果那么指派

否则，指派

4.更新

5.获得及

6.如果S₀＞S₁，那么更新

否则，更新

7.如果那么返回到步骤4。否则，继续。

8.更新结束。

算法2类似于算法1且不需要详细地描述。在算法2收敛到良好估计值时，可合并估计值以形成信道系数的估计值

在不将导频信号用于估计信道系数的方法中，在一些情形中仅使用户终端的选定子组在给定时间处发射导频信号可为有利的。在一种此方法中，服务阵列从用户终端接收SINR反馈且选择已遭受SINR的最大降级的那些用户终端成为在下一机会来临时发射导频信号的那些用户终端。虽然此方法遭受增加的控制发信号的处罚，但其还可在服务阵列处的减少的处理上提供优点且其还可促进导频信号的再使用。

系数g_mk可因子分解为其中h_mk可归因于快衰减现象，且可归因于慢衰减现象，其不仅较弱地取决于时间而且较弱地取决于位置及频率。如此处所表示，项是仅针对有关用户终端k而非针对任何服务天线而指数化，这是因为假设慢衰减系数可视为在服务天线阵列的规模上是空间恒定的。

慢衰减系数可(例如)通过对在频格内及在服务天线的集合内的信道系数g_mk求平均而获得。在替代方法中，使用比不上用于测量g_mk的那些导频信号发射频繁的特殊导频信号来测量慢衰减系数。此方法将通常为非常可跟踪的，尤其是因为通常可假设慢衰减系数在M个基站天线上、在频率内及在至少数个时隙内是恒定的。

因此，举例来说，或多个OFDM符号专用于慢衰减系数估计。通常，约1400个不同音调将可用于每一OFDM符号。(此估计假设20MHz带宽及微秒的符号持续时间。)每一用户终端被指派可用音调中的不同一者，使得对于所有k，第k个终端以第q_k个音调发送导频信号。

服务阵列将在第m个天线处对第q_k个音调检测信道系数其中g_m(q_k)为在第m个基站天线与第k个终端之间的音调q_k上的信道系数。如上文所解释，慢衰减系数大致独立于q_k及m。在对于所有m及k，h_m(q_k)以单位方差随机分布的通常合理假设下，将β_k估计为

${\mathrm{\β}}_k\≅\frac{{\left|g_1\left(q_k\right)\right|}^2+{\left|g_2\left(q_k\right)\right|}^2+...+{\left|g_M\left(q_k\right)\right|}^2}{M}.$

为了改善估计，可将多个音调指派到每一用户终端且可对所述音调执行求平均。同样地，可对多个OFDM符号执行求平均。

我们的无线接入***的一个重要特征是可设计用于上行链路及用于下行链路的不依赖于快衰减系数的知识但仅依赖于慢衰减系数的功率控制算法。

关于下行链路功率控制，理论分析已展示，在共轭波束成形预编码的情况下，第k个用户终端的吞吐量具有由以下公式给出的下限：

${\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{DL},\mathrm{LSAS},\mathrm{cj},k}=B(1-\frac{{\mathrm{\τ}}_r}{T}){\log }_2(1+{\mathrm{\λ}}_{k}M\frac{{\mathrm{\β}}_k{\mathrm{\ρ}}_f}{1+{\mathrm{\β}}_k{\mathrm{\ρ}}_f}\·\frac{{\mathrm{\β}}_k{\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\ρ}}_r}{1+{\mathrm{\β}}_k{\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\ρ}}_r}),---\left(1\right)$

其中ρ_f及ρ_r分别为下行链路及上行链路的标称信噪比，τ_r为上行链路导频序列长度，为第k个用户终端的慢衰减系数，T为相干间隔中的符号的总数目，B为载波带宽，M为基站处的天线的数目且λ_k为分配到第k个订户的下行链路功率的百分比。系数λ_k经定义以使得在K个订户同时在服务中的情况下，得出

$\begin{array}{cc}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k=1,& {\mathrm{\λ}}_k>0.\end{array}$

已使用方程式(1)设计出将倾向于使所有有源用户的下行链路信号对干扰加噪声比(SINR)相等的功率控制策略。即，令

${\mathrm{\Γ}}_k=\frac{{\mathrm{\β}}_k{\mathrm{\ρ}}_f}{1+{\mathrm{\β}}_k{\mathrm{\ρ}}_f}\·\frac{{\mathrm{\β}}_k{\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\ρ}}_r}{1+{\mathrm{\β}}_k{\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\ρ}}_r}$ 及 $\mathrm{\Λ}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\mathrm{\Γ}}_k}.---\left(2\right)$

根据方程式(2)易于确定，根据功率分数选择得出结论λ₁Γ₁＝…＝λ_KΓ_K。在将此结果代入到方程式(1)中时，将看出(由于相等SINR意味着相等吞吐量)，所得吞吐量对所有用户相等。

将理解，在实施方案中，以上功率控制策略是确定性的，但在更新慢衰减系数时视需要或周期性地进行调适。

可导出类似DL功率控制策略以根据所订阅的服务级别将功率分配到订户。

关于上行链路功率控制，用户终端从STS接收其用以(举例来说)对所有有源用户终端使上行链路SINR相等的慢衰减系数值的反馈。

现在将描述使所有有源用户当中的吞吐量相等的上行链路功率控制策略。

假设存在K个有源用户终端。估计K个相应用户终端与服务阵列之间的射频路径损耗为在不损失一般性的情况下，现在假设k＝1个用户终端具有来自服务阵列的最高路径损耗；即，那么将使所有有源用户当中的上行链路吞吐量相等的上行链路功率控制策略为

终端1:最大可用功率P_r,

终端 $\begin{array}{cc}k:\frac{(1+{\mathrm{\τ}}_r{P}_r{\mathrm{\β}}_k){\mathrm{\β}}_1^2}{(1+{\mathrm{\τ}}_r{P}_r{\mathrm{\β}}_1){\mathrm{\β}}_k^2}{P}_r& k=2,...,K\end{array}---\left(3\right)$

从LSAS***中的上行链路容量的理论下限导出以上策略，在2012年5月H.Q.恩戈(H.Q.Ngo)、E.G.拉尔森(E.G.Larsson)及T.L.玛丽埃塔(T.L.Marzetta)递交到电气 与电子工程师协会通信学报(IEEE Trans.on Comm)的“非常大的多用户MIMO***的能量及频谱效率(Energy and Spectral Efficiency of Very Large Multiuser MIMO Systems)”中描述了所述策略。

实例

在图3中标绘如从假设20 MHz带宽的模拟所预测的可实现下行链路及上行链路吞吐量的实例。

Claims (10)

1.一种用于提供服务天线阵列与本地终端群之间的无线固定接入的方法，其包括：

从由所述本地终端进行的发射获得信道状态信息CSI，其中所述CSI具有所述阵列与所述本地终端之间的快衰减及慢衰减分量；

使用所述CSI对去往所述本地终端中的至少一些本地终端的消息进行波束成形预编码；

分配从多天线阵列到所述本地终端中的相应者的发射的功率，其中所述分配仅使用所述CSI的慢衰减分量来执行；以及

以所分配功率电平将所述经预编码消息发射到所述本地终端。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述本地终端是具有不超过局部房屋移动性的用户终端。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述本地终端是无线基站服务的用户终端，且所述无线固定接入是针对所述基站的回程接入。

4.根据权利要求1所述的方法，其中从由所述本地终端发射的导频信号获得所述CSI中的至少一些CSI。

5.根据权利要求1所述的方法，其中通过使用从所述本地终端反馈的信号对噪声加干扰比SINR的指示的逐次逼近法而获得所述CSI中的至少一些CSI。

6.一种用于提供服务天线阵列与本地终端群之间的无线固定接入的方法，其包括：

从由所述本地终端进行的发射获得信道状态信息CSI，其中所述CSI具有所述阵列与所述本地终端之间的快衰减及慢衰减分量；

分配从所述本地终端中的相应者到多天线阵列的上行链路消息的发射的功率，其中所述分配仅使用所述CSI的慢衰减分量来执行；

在所述多天线阵列上接收所述所发射上行链路消息；以及

使用所述CSI来将所述所接收消息解码。

7.根据权利要求6所述的方法，其中至少部分地通过最大比合并而执行所述解码。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述本地终端是具有不超过局部房屋移动性的用户终端。

9.根据权利要求6所述的方法，其中所述本地终端是无线基站服务的用户终端，且所述无线固定接入是针对所述基站的回程接入。

10.根据权利要求6所述的方法，其中通过使用从所述本地终端反馈的信号对噪声加干扰比SINR的指示的逐次逼近法而获得所述CSI中的至少一些CSI。