CN108880638A - 一种拓展于5g网络的小区组网结构 - Google Patents

Abstract

本申请提供的一种拓展于5G网络的小区组网结构，包括：核心网、5G毫米波基站、M4R基站和MIMO网络；核心网与5G毫米波基站通过毫米波或光纤连接；5G毫米波基站与M4R基站通过毫米波链路连接；M4R基站用于对5G毫米波基站发送的网络信号进行处理，使得网络信号符合MIMO传输协议，并将处理完的网络信号发送至MIMO网络。本申请在5G网络上进行拓展，通过M4R基站把5G毫米波基站和MIMO网络联系起来，使得5G网络能够通过MIMO的优点进入小区和室内，给室内用户提供高速上网体验，实现了一个能覆盖室内用户的5G无线通信小区的构建。

Description

一种拓展于5G网络的小区组网结构

技术领域

本发明涉及5G组网技术领域，尤其涉及一种拓展于5G网络的小区组网结构。

背景技术

毫米波通信时5G关键技术之一，其超宽的带宽能够提供支持高达几十GbpS的通信速率，但是也存在传输衰减大穿透能力差的缺点。因此只能用于点对点传输，如基站回传。而对于无线通信的用户来说，其主要流量都发生在室内，墙壁的遮挡使得室外的基站无法直接与用户通信，使得用户无法享受直接享受到毫米波宽频带带来的高速率。而目前的室外信号接入室内的方式主要依赖于有线连接，即通过光纤或者以太网线将室外的信号引入室内，再传递给用户。这样一来整体的部署成本和难度会大大提高。低频率的波段虽然穿墙能力强，但是频谱资源非常拥挤，单一链路的速率不足以满足5G要求。一种能在低频段提供高数据吞吐量的技术时大规模多输入多输出技术(Massive MIMO)。这项技术依赖于大规模天线阵列和波束成形，实现成本很高，同时天线体积大大增加，部署难度也随着提升。

解决上述问题的关键在于寻求一个可靠的、低成本的技术，用来构建一个能覆盖室内用户的5G无线通信小区。

发明内容

本发明提供了一种拓展于5G网络的小区组网结构，用来构建一个能覆盖室内用户的5G无线通信小区。

本申请提供的一种拓展于5G网络的小区组网结构，包括：核心网、5G毫米波基站、M4R基站和MIMO网络；

核心网与5G毫米波基站通过毫米波或光纤连接；

5G毫米波基站与M4R基站通过毫米波链路连接；

M4R基站用于对5G毫米波基站发送的网络信号进行处理，使得网络信号符合MIMO传输协议，并将处理完的网络信号发送至MIMO网络。

优选地，MIMO网络包括中继节点和室内终端；

中继节点接收M4R基站发送的网络信号并将网络信号进行频率转换得到低频波段的信号，并将低频波段的信号传递至室内终端。

优选地，M4R基站包括：调制解调器、n个毫米波收发器、信道控制器、分离组合器和m个天线，n大于等于1且m大于等于1；

调制解调器与5G毫米波基站连接，调制解调器还与n个毫米波收发器连接，n个毫米波收发器通过分离组合器与m个天线连接；

信道控制器与n个毫米波收发器连接，用于计算信道响应并将毫米波本振频率发送至n个毫米波收发器。

优选地，调制解调器用于根据MIMO链路的传播要求对5G毫米波基站发射的基带信号进行调制，得到符合MIMO传输协议的网络信号。

优选地，调制解调器还用于通过时间-空间编码将基带信号转换为n个并行的信道，一个信道对应一个毫米波收发器。

优选地，信道控制器用于为n个毫米波收发器分配对应的毫米波本振频率并将毫米波本振频率发送至n个毫米波收发器。

优选地，中继节点通过模拟电路实现，模拟电路包括：毫米波天线、毫米波双工器、第一混频器、第二混频器、频率分配控制单元、低频双工器、低频天线；

毫米波天线接收的毫米波基站的毫米波信号经毫米波双工器、第一混频器和低频双工器传输至低频天线发射至室内终端，毫米波信号在第一混频器与频率分配控制单元的第一载频进行下变频至低频载波频段；

低频天线接收的室内终端的低频载波频段的信号经低频双工器、第二混频器和毫米波双工器传输至毫米波天线发射至毫米波基站，低频载波频段的信号在第二混频器与频率分配控制单元的第二载频进行上变频至毫米波载波频段。

优选地，M4R基站与MIMO网络之间还通过虚拟MIMO信道进行通讯，虚拟MIMO信道包括毫米波波段和低频波段。

优选地，M4R基站与MIMO网络的上下链路采用MIMO传输方式或时分、频分的多用户接入模式。

优选地，相邻小区的MIMO网络使用不同的毫米波子信道以及不同的低频波段。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本申请提供的一种拓展于5G网络的小区组网结构，包括：核心网、5G毫米波基站、M4R基站和MIMO网络；核心网与5G毫米波基站通过毫米波或光纤连接；5G毫米波基站与M4R基站通过毫米波链路连接；M4R基站用于对5G毫米波基站发送的网络信号进行处理，使得网络信号符合MIMO传输协议，并将处理完的网络信号发送至MIMO网络。本申请在5G网络上进行拓展，通过M4R基站把5G毫米波基站和MIMO网络联系起来，使得5G网络能够通过MIMO的优点进入小区和室内，给室内用户提供高速上网体验，实现了一个能覆盖室内用户的5G无线通信小区的构建。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请提供的一种拓展于5G网络的小区组网结构的一个实施例的示意图；

图2为本申请实施例中用于说明M4R原理的示意图；

图3为本申请实施例中用于说明M4R毫米波基站拓展于5G网络的原理图；

图4为本申请实施例中M4R基站的架构图；

图5为本申请实施例中中继节点的电路图。

具体实施方式

本发明提供了一种拓展于5G网络的小区组网结构，用来构建一个能覆盖室内用户的5G无线通信小区。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本申请提供的一种拓展于5G网络的小区组网结构的一个实施例，包括：核心网、5G毫米波基站、M4R基站和MIMO网络；

核心网与5G毫米波基站通过毫米波或光纤连接；

5G毫米波基站与M4R基站通过毫米波链路连接；

M4R基站用于对5G毫米波基站发送的网络信号进行处理，使得网络信号符合MIMO传输协议，并将处理完的网络信号发送至MIMO网络。

进一步地，MIMO网络包括中继节点和室内终端；

中继节点接收M4R基站发送的网络信号并将网络信号进行频率转换得到低频波段的信号，并将低频波段的信号传递至室内终端。

本申请在5G网络上进行拓展，通过M4R基站把5G毫米波基站和MIMO网络联系起来，使得5G网络能够通过MIMO的优点进入小区和室内，给室内用户提供高速上网体验，实现了一个能覆盖室内用户的5G无线通信小区的构建。M4R***作为一种低成本、可扩展的高速无线通信解决方案，可以嵌入到5G的部署中，弥补毫米波穿墙能力差和低频波段带宽窄的缺点。在构建5G的小区时，M4R可以在已有的5G链路上进行延申，通过构建局部***增加5G的覆盖范围，可以作为5G组网末端的基本结构。

以下将对本申请的基本原理进行解释：

毫米波-微波多输入多输出中继技术(Millimeter to Microwave MIMO Relay，M4R)通过频率转换的中继的方式，将毫米波上的频率复用转换为Sub 6GHz的空间复用，以多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)方式构建高速无线通信网络。这项技术可以构建低成本的小区无线网络，以完全无线的方式让室内用户能通过高速毫米波网络接入核心网络。

M4R技术同时具有较好的兼容性，可以应用于无线通信网络的多个层级上，本专利提出利将M4R***嵌入到5G网络中，作为网络末端部分的子网络构建小区。

M4R的基本原理是通过频率转换的中继，连接毫米波信道和Sub 6GHz MIMO信道。一个M4R组网单元包括三个主要部分：毫米波基站、中继节点、室内终端。首先，毫米波基站将宽带毫米波频谱细分成较窄带宽的子信道。每个子信道的频率带宽与***使用到的Sub6GHz波段的频率带宽一致，在频域上不重叠，构成一组平行的信号通路。这些子信道经由基站的毫米波信道与分布式的中继节点进行通信。中继节点被安置在室外，与毫米波基站之间构成LOS(Line of Sight)信道。每一个子信道对应一个中继节点，由中继节点将毫米波子信道变频到Sub 6GHz波段统一的载频上。经由中继节点的放大，各个子信道的信号则以MIMO的形式，与给室内的终端通信。而室内终端则以MIMO的形式接收并处理信号。***整体等效于建立了从毫米波基站到室内终端的MIMO链路。其基本原理如图2所示。

M4R***作为一种低成本、可扩展的高速无线通信解决方案，可以嵌入到5G的部署中，弥补毫米波穿墙能力差和低频波段带宽窄的缺点。在构建5G的小区时，M4R可以在已有的5G链路上进行延申，通过构建局部***增加5G的覆盖范围，可以作为5G组网末端的基本结构。

由上述原理可知，本申请实际上是将M4R***搭建在任意的已提出或已搭建的5G网络上。

请参阅图1，M4R***用于构建小区子网络。这里通过下行链路的信号传递顺序来解释M4R***的应用。首先，核心网与5G毫米波基站通过毫米波或者光纤等方式相连。接着毫米波基站与M4R的子***的毫米波接入点通过毫米波链路连接。这时信号已经进入M4R网络。毫米波接入点对网络信号进行处理，提供从网络层到物理层的接口，并根据M4R原理，对即将传输的信号进行编码、调制等操作，满足MIMO传输协议。根据M4R原理，毫米波接入点传输与小区内的中继节点通信，而中继节点通过频率转换中继将信号在低频波段传递给室内的用户。

在上行链路中，信号传递方向相反。室内用户的信号先经过约中继节点组成的MIMO信道，各个中继节点按照对应的子信道频率将信号变频到毫米波波段，然后回传给M4R毫米波基站。然后毫米波信号被解调，恢复成基带信号，再回传给5G主干网络。

以下将对M4R毫米波基站(简称M4R基站)进行详细的描述。

请参阅图3，M4R***中的毫米波基站，简称M4R基站，其基本功能是提供小区网络与主干网络的入口。在5G的方案中，毫米波技术被应用与基站回传，而M4R基站则是在此基础上进行组网拓展。M4R基站与5G毫米波基站之间通信，构成毫米波回传链路。在接收到毫米波基站的数据后，M4R基站将其转换成M4R网络中传输的信号，并在其子网络进行传输。实际中M4R基站担当了协议转换接口的作用。

需要注意的是在实际的网络部署中，毫米波基站也可以直接提供M4R子网络的接口作用。而考虑到网络的拓展性，可以在已经部署后的5G毫米波***上，通过假设M4R小区实现毫米波带宽入户的功能。M4R基站主要功能如下：

(a)与5G毫米波基站进行通信，同时作为协议转换的接口，将数据传输方式在5G毫米波和M4R***间进行切换。

(b)提供网络层至物理层的接口。

(c)在于毫米波基站通信中，M4R信号需要对基带信号进行解析；对下行链路来说，其整理不同用户数据，进行打包成帧，确认传输优先级。根据MIMO链路的传播要求对信号进行预编码等操作。对于上行链路来说，M4R基站将MIMO链路中的数据进行解调，重新生成满足5G毫米波传输协议的信号。

(d)在于室内用户的通信中，需要协同终端完成MIMO的信道估计，动态优化信号传输方式，如合理分配子信道对应的中继节点，分配子信道载波频率和带宽。根据室内终端的情况分配并行数据流数，优化速率或者提高信噪比等。

请参阅图4，M4R基站包括：调制解调器、n个毫米波收发器、信道控制器、分离组合器和m个天线，n大于等于1且m大于等于1；

调制解调器与5G毫米波基站连接，调制解调器还与n个毫米波收发器连接，n个毫米波收发器通过分离组合器与m个天线连接；

信道控制器与n个毫米波收发器连接，用于计算信道响应并将毫米波本振频率发送至n个毫米波收发器。

分离组合器将n个毫米波收发器发送的毫米波组合并重新分配至天线进行发射，当天线数量较多的时候，可以多条天线发送同一个毫米波以增强信号。

调制解调器用于根据MIMO链路的传播要求对5G毫米波基站发射的基带信号进行调制，得到符合MIMO传输协议的网络信号。

调制解调器还用于通过时间-空间编码将基带信号转换为n个并行的信道，一个信道对应一个毫米波收发器。

因此，对于下行链路来说，调制解调器实际上根据MIMO链路的传播要求对5G毫米波基站发射的基带信号进行调制同时将基带信号进行预编码转换为n个并行的信道分别发送至n个毫米波收发器。

对于上行链路来说，M4R基站将MIMO链路中的数据进行解调和组合，重新生成满足5G毫米波传输协议的信号。

信道控制器用于为n个毫米波收发器分配对应的毫米波本振频率并将毫米波本振频率发送至n个毫米波收发器。由于一般来说，一个信道对应一个毫米波收发器，一个信道对应一个毫米波本振频率，因此一个毫米波本振频率对应一个毫米波收发器，根据信道分配情况的不同，信道控制器可以根据信道分配情况为每个毫米波收发器分配对应的毫米波本振频率，实现信道的划分，为之后的MIMO传输做出准备。

请参阅图5，中继节点通过模拟电路实现，模拟电路包括：毫米波天线、毫米波双工器、第一混频器、第二混频器、频率分配控制单元、低频双工器、低频天线；

毫米波天线接收的毫米波基站的毫米波信号经毫米波双工器、第一混频器和低频双工器传输至低频天线发射至室内终端，毫米波信号在第一混频器与频率分配控制单元的第一载频进行下变频至低频载波频段；

低频天线接收的室内终端的低频载波频段的信号经低频双工器、第二混频器和毫米波双工器传输至毫米波天线发射至毫米波基站，低频载波频段的信号在第二混频器与频率分配控制单元的第二载频进行上变频至毫米波载波频段。

中继节点在M4R***非常重要，其承担了将毫米波频谱资源与MIMO的空间资源连接的作用。在***中，每一个中继节点被分配对应一个毫米波子信道。对下行链路来说，中继节点在接收到对应子信道信号时进行放大、下变频等处理。对上行链路来说，中继节点则需要将信号调制到毫米波频段。

非常需要注意的时中继节点对信号的操作全部以模拟电路的方式进行，过程中不进行调制或解调的操作。这样一来，中继节点的结构变得十分简单，***处理的延时大大减小。这种中继方式实际上建立了一条有源的MIMO信道。传输的信号对于中继节点是不透明的。

在信号链路以外，中继节点包含控制电路，负责与M4R基站通信，管理子信道分配，放大增益，和与***进行同步。

一般来说，在不超过毫米波信道能提供的最大数据速率的前提下，中继节点越多，能提供的数据吞吐量就越大。而M4R的中继节点因为结构简单，可以低成本实现，能够进行大规模的部署，最大化通信容量。

中继节点的分布应该尽量分散，这有利于增加空间复杂度，提高MIMO容量。而这可能需要M4R基站提供较宽波束。而毫米波天线通常被设计成较高增益、较窄波束。因此在部署节点时，需要折中考虑。或是对于中继节点分散的情况，利用多波束毫米波天线和波束成形的方式进行通信。

接下来对室内终端进行描述：

M4R***具有较高的兼容性，可以应用于多种能支持MIMO的室内终端，如目前的WI-FI***。

室内终端需要与毫米波基站协同完成信道估计，优化传输速率。而对于一些情况，室内终端无法反馈信道信息给基站时，可以启用另外协议，在本地解调MIMO信号。

室内终端可以由多种形式，能影响***信道容量的在于整体天线数量。一个终端可以有一个或者多个天线及其收发单元。一般来说多天线的终端能允许更高的信道容量。

进一步地，M4R基站与MIMO网络之间还通过虚拟MIMO信道进行通讯，虚拟MIMO信道包括毫米波波段和低频波段。

M4R***建立一个虚拟MIMO(Virtual MIMO，简称V-MIMO)信道，包括毫米波和低频波段。而由于中继的存在，该信道具有有源特性，其链路增益可以调整。同时,上下行信道具有非互易性，因此要分别进行信道估计。

对一个MIMO***而言，发射端的信道信息对优化***信道容量十分重要，这需要接收端进行一定的反馈。在M4R的下行链路中，这样的反馈存在于室内终端在接收到信道估计指令后，将接收到的训练信号进行分析，得到信道估计的参数，并反馈给M4R基站。而对于不同的室内终端，有不同的信道估计方法。

当室内终端是具有多天线的单一设备时，信道估计可以比较有效的进行，接收机各个通道容易同步。当出现多个室内终端时，每个终端可以顺序响应发射端的指令，基站则根据每个终端的反馈情况进行MIMO的算法。而当多个室内终端无法协同且无法有效反馈信息给基站时，则不进行信道反馈。

特别需要注意的是，M4R***相较于传统的MIMO而言，增加了毫米波子信道的载波频率这一变量。对于毫米波信道而言，一般可以认为具有较强LOS的信道。根据目前对于毫米波信道的研究，其具有较为平坦的衰减特性。每一个子信道的频率响应是平坦的，同时中继节点位置相对固定，因此M4R中的毫米波链路可以认为是静态或者准静态的。但是对于不同的中继节点，同一个子信道的衰减特性可能不同。因此，在***运行过程中，可以周期性的测量每一个中继节点对每一个子信道的衰减特性，根据室内终端的反馈情况统一进行规划，最大化信道容量。

除此之外，在部署M4R时可以对中继节点位置和频率进行优化，从而固定其对应的子信道载波，而在***运行时则不做调整。这样做可以简化信道估计算法，并简化中继节点的电路设计，可以用于快速部署。

这个***也需要动态优化信道容量，在***繁忙时增加数据吞吐率或者在***闲时减少功率消耗。这可以通过开关部分中继节点来实现。

进一步地，M4R基站与MIMO网络的上下链路采用MIMO传输方式或时分频分的多用户接入模式。

一般在通信***中，下行链路对数据速率的要求远高于上行链路。在M4R中，上下行链路均可以支持MIMO方式的传输。而对于下行链路而言，最大化峰值速率比较关键，因此可以保持运行在MIMO空间复用模式。而对于上行链路而言，其对速率的要求较小，因此在一定情况下可以采用较低速率的传输方式，如利用时分或者频分的多用户接入模式，这样可以简化算法并节约能源。对于同样需求高传输速率的上行链路，则M4R支持上下行全MIMO传输方式。

MIMO网络中，一般来说，一个M4R基站对应一组或者几组中继节点，这样保证低延时并易于同步。中继节点可以被分组，对应服务于一个或者多个建筑物。在部署中继节点时，可以将其嵌入到建筑物内或者悬挂在外墙、屋顶等位置。

一个或者多个建筑物设置在一个小区内，可以作为一个小区组网。如图1所示的实施例的组网中，一共有三个小区，分别用椭圆圈起来。

进一步地，相邻小区的MIMO网络使用不同的毫米波子信道以及不同的低频波段。

在单一建筑上可能存在多个中继节点，这些节点可能接收到多个M4R基站的信号。在实际中相邻基站则需要协同工作，减少小区间的串扰。

(1)基站通过波束成形，避免信号泄露到临近小区；

(2)相邻小区可以使用不同的毫米波子信道以及不同的低频波段构建本地MIMO网络。

(3)根据整体网络需求，基站可以选择开关部分中继节点，避免其接收来自相邻小区基站更强的信号，同时节约能源。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种拓展于5G网络的小区组网结构，其特征在于，包括：核心网、5G毫米波基站、M4R基站和MIMO网络；

所述核心网与所述5G毫米波基站通过毫米波或光纤连接；

所述5G毫米波基站与所述M4R基站通过毫米波链路连接；

所述M4R基站用于对所述5G毫米波基站发送的网络信号进行处理，使得所述网络信号符合MIMO传输协议，并将处理完的网络信号发送至MIMO网络。

2.根据权利要求1所述的一种拓展于5G网络的小区组网结构，其特征在于，所述MIMO网络包括中继节点和室内终端；

所述中继节点接收所述M4R基站发送的网络信号并将网络信号进行频率转换得到低频波段的信号，并将低频波段的信号传递至室内终端。

3.根据权利要求1所述的一种拓展于5G网络的小区组网结构，其特征在于，所述M4R基站包括：调制解调器、n个毫米波收发器、信道控制器、分离组合器和m个天线，n大于等于1且m大于等于1；

所述调制解调器与所述5G毫米波基站连接，所述调制解调器还与所述n个毫米波收发器连接，所述n个毫米波收发器通过所述分离组合器与所述m个天线连接；

所述信道控制器与所述n个毫米波收发器连接，用于计算信道响应并将毫米波本振频率发送至所述n个毫米波收发器。

4.根据权利要求3所述的一种拓展于5G网络的小区组网结构，其特征在于，所述调制解调器用于根据MIMO链路的传播要求对所述5G毫米波基站发射的基带信号进行调制，得到符合MIMO传输协议的网络信号。

5.根据权利要求3所述的一种拓展于5G网络的小区组网结构，其特征在于，所述调制解调器还用于通过时间-空间编码将基带信号转换为n个并行的信道，一个信道对应一个毫米波收发器。

6.根据权利要求3所述的一种拓展于5G网络的小区组网结构，其特征在于，所述信道控制器用于为所述n个毫米波收发器分配对应的毫米波本振频率并将毫米波本振频率发送至所述n个毫米波收发器。

7.根据权利要求2所述的一种拓展于5G网络的小区组网结构，其特征在于，所述中继节点通过模拟电路实现，所述模拟电路包括：毫米波天线、毫米波双工器、第一混频器、第二混频器、频率分配控制单元、低频双工器、低频天线；

所述毫米波天线接收的所述毫米波基站的毫米波信号经所述毫米波双工器、所述第一混频器和所述低频双工器传输至所述低频天线发射至所述室内终端，毫米波信号在所述第一混频器与所述频率分配控制单元的第一载频进行下变频至低频载波频段；

所述低频天线接收的所述室内终端的低频载波频段的信号经所述低频双工器、所述第二混频器和所述毫米波双工器传输至所述毫米波天线发射至所述毫米波基站，低频载波频段的信号在所述第二混频器与所述频率分配控制单元的第二载频进行上变频至毫米波载波频段。

8.根据权利要求1所述的一种拓展于5G网络的小区组网结构，其特征在于，所述M4R基站与所述MIMO网络之间还通过虚拟MIMO信道进行通讯，所述虚拟MIMO信道包括毫米波波段和低频波段。

9.根据权利要求1所述的一种拓展于5G网络的小区组网结构，其特征在于，所述M4R基站与所述MIMO网络的上下链路采用MIMO传输方式或时分频分的多用户接入模式。

10.根据权利要求2所述的一种拓展于5G网络的小区组网结构，其特征在于，相邻小区的所述MIMO网络使用不同的毫米波子信道以及不同的低频波段。