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CN102612832B - 利用协调天线阵列增强基站性能的系统和方法 - Google Patents

利用协调天线阵列增强基站性能的系统和方法 Download PDF

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CN102612832B CN200980162265.9A CN200980162265A CN102612832B CN 102612832 B CN102612832 B CN 102612832B CN 200980162265 A CN200980162265 A CN 200980162265A CN 102612832 B CN102612832 B CN 102612832B
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Abstract

在无线系统中，基站(BTS)组可由集中网络管理实体管理或通过经由无线广播接口或有线接口彼此通信而自管理。一个这样的实例为毫微微蜂窝系统。当BTS以相对大的发送功率使用发送和接收的相同频率并且当它们彼此接近时，由于BTS之间以及用户之间的干扰，而使得这种系统的性能以及用户吞吐量或QoS(服务质量)劣化。可在BTS组(例如，毫微微蜂窝)之间以协调的方式使用智能天线技术，以避免或减小干扰，或管理干扰以何种方式发生，从而获得诸如各应用的更高的系统吞吐量或更好的QoS的性能增强。

Description

利用协调天线阵列增强基站性能的系统和方法
技术领域
本发明涉及无线通信，并且涉及在诸如毫微微蜂窝的基站群中以协调的方式应用智能天线技术来减小干扰或管理干扰以何种方式发生。
背景技术
天线阵列通过克服不期望的信道状态而为发送和接收信号提供一种高效的方式，从而提高容量、数据吞吐量以及链路范围。不像参数受限于带宽、方向以及幅度的单个天线，天线阵列的波束方向图(beampattern)可通过权向量(weightvector)来创建，所述权向量主要修改由天线发送或接收到的信号的幅度和相位之一或两者。尽管可以在射频(RF)域中通过硬件来应用权重，但通常在数字域中应用权重会更高效和实际。
存在不同的方式来实现天线阵列，这导致了许多不同的技术、算法、分类以及术语。为了便于讨论，我们将其分为两类：多输入多输出(MIMO)以及波束形成(beamforming)。
波束形成为在用于定向的信号发送和接收的传感器阵列中使用的一种信号处理技术。当发送时，波束形成器控制各个发送器处的信号的相位以及相对幅度，以产生期望的信号图(signalpattern)。当接收时，将来自不同传感器的信息以重新获得期望的辐射图的方式组合。通常通过所谓的天线权重在模拟域或数字域中进行调整。在数字域中，通过复数数组来表示权重。通过使用自适应或固定的接收/发送波束方向图实现空间选择性。与全向天线相比，固定的波束形成器具有突出的性能改进或增益。然而，其是无线系统中保证具有非常大的性能改进的自适应波束形成。自适应波束形成系统通常要求来自通信系统另一端处的设备的信道信息的一定反馈，或对信息的评估来确定如何调整天线权重。
MIMO在发送器和接收器处都使用多个天线来改进通信性能。在MIMO系统中，发送器通过多个发送天线发送多个流。所发送的流经过由发送器处的多个发送天线和接收器处的多个接收天线之间的多条路径组成的矩阵信道。然后，接收器通过多个接收天线得到所接收到的信号向量，并将所接收到的信号向量解码成原始信息。
SISO(单输入单输出)、SIMO(单输入多输出)以及MISO(多输入单输出)是MIMO的特殊情况。还存在开环MIMO以及闭环MIMO。开环MIMO的一个实例为在通用移动通信系统(UMTS)标准以及CDMA2000标准中使用的诸如空间时间发送分集(Space-TimeTransmitDiversity，STTD)的发送分集(transmitdiversity)。开环SIMO的实例为与MRC组合的接收器分集或切换的接收器分集。MIMO有时可被分为三大类：空间多路复用、发送分集或空间时间编码和预编码。
预编码可被视为支持MIMO系统中的单层或多层传输的通用波束形成。在不存在散射的情况下，波束形成产生限定良好的定向方向图，但是通常，蜂窝传统波束(cellularconventionalbeam)不完全是模拟的。当接收器具有多个天线时，发送波束形成不能将所有接收天线的信号水平同时最大化并且预编码被使用。
可在天线配置被预定义的MIMO系统中使用预编码方案。在该情况下，可基于期望的定向波束方向图(directionalbeampattern)推导出定义权重的密码本。该类型预编码与基于估计的自适应波束形成的重叠非常多。在详细的描述中，我们不将其与基于估计的自适应波束形成进行区分。在天线配置未被预定义的MIMO系统中也可以使用预编码。在该情况下，基于诸如在一定信道状态下将信号水平最大化的标准推导出密码本。注意，预编码需要发送器处的信道状态信息(CSI)的知识。预编码已经被用于诸如长期演进(LongTermEvolution，LTE)的4G无线标准中。
天线阵列中天线的布置是非常重要的。对于波束形成，均匀线性阵列(ULA)中的天线间隔应当约为λ/2，而对于MIMO，优选的天线间隔约为4λ～10λ。均匀圆形阵列(UCA)是布置天线的另一种方式。还存在布置天线阵列的其他方式，例如，2-D阵列等。
已经对协调天线阵列进行了研究。然而，现有技术通常解决各个BTS如何使用方法来改进与多个终端进行的通信。例如，美国专利申请20080075033记载了波束形成系统，包括：协作的无线终端阵列，其耦接至至少一个无线广域网并且可通信地耦接至被配置为提供无线终端之间的信息交换的无线局域网。协作的波束形成系统使用由无线终端组形成的天线阵列来为各个无线终端提供天线阵列处理益处(诸如，频率复用、免干扰、阵列处理增益以及天线切换分集)。网络访问操作者便于进行WWAN与协作的无线终端阵列之间的网络控制功能。该专利申请不解决均利用波束形成系统的多个基站的协调问题。
发明内容
本文中所公开的一些实施方式提供在BTS组(诸如，毫微微蜂窝)中以协调的方式应用智能天线的技术，来避免、减小干扰或管理干扰以何种方式出现，从而获得诸如各个应用的更高的系统吞吐量或更好的QoS的性能增强。
在一个方面，在具有多个无线基站的基站系统中使用协调的波束形成来增强无线基站性能的方法包括：识别相邻基站以及确定将使用的相邻基站的特性以确定用于两个以上基站的期望波束形成，其中，多个无线基站具有能够进行波束形成的天线系统。然后，基于所确定的特性配置两个以上基站的天线系统，以产生指向相邻基站的空波束，从而减小与相邻基站的干扰。在一个实施方式中，配置一个以上基站的天线系统以产生空波束进一步包括产生接收空波束。
该方法的另一方面包括：测量从相邻基站接收到的信号以确定一个以上相邻基站的方向以及距离。另外，该方法可包括协调两个以上基站的传输特性。
在另一方面，传输特性选自包括发送功率、时间、频率源、时间-频率频源的组。另外，该方法可包括通过中央授权确定系统的特性。可选地，确定系统的特性在基站之间协调。
在又一方面，在具有多个无线基站的无线网络中使用协调的波束形成来增强无线基站性能的方法包括：识别相邻基站以及配置两个以上基站的天线系统以产生波束方向图从而减小与相邻基站的干扰，其中，多个无线基站具有能够进行波束形成的天线系统。
另外，波束方向图可包括在两个以上基站的公共覆盖区域中使用分频。此外，波束方向图可包括在两个以上基站的公共覆盖区域中使用分频分时。
在一个方面，天线配置选自方向图的密码本中的配置子集，以选择在订户方向上具有更强的波束方向图而在相邻基站的方向上具有较弱的波束方向图的方向图。
另一方面包括在基站的系统中使用协调的波速形成增强性能的基站。该基站包括：广播接口收发机系统，其提供与相关订户的无线通信并且执行波束形成并包括能够进行波束形成的天线系统；第二接收器，被配置为对另一基站发送的信号进行测量；以及控制单元，与订户广播接口系统以及第二接收器通信，以向订户广播接口系统发送指令来基于一个以上相邻基站的特性而配置订户广播接口系统的天线系统，从而产生指向相邻基站的空波束，以减小与相邻基站的干扰。
以下将参照附图描述本发明的这些以及其他方面。
附图说明
图1示出了毫微微蜂窝BTS通过宽带连接而被连接至核心网络的典型毫微微蜂窝系统。各个毫微微蜂窝BTS的供应由核心网络基于每个设备来进行。
图2a示出了毫微微蜂窝BTS通过有线或无线宽带连接被连接至核心网络的毫微微蜂窝网络系统的一个实施方式。毫微微蜂窝经由有线回程线路或无线广播联网。毫微微蜂窝BTS的供应可以由核心网络基于每个设备或在核心网络完全监管、核心网络部分监管或根本不监管的情况下以协调的方式进行。
图2b是毫微微蜂窝BTS的框图。
图3示出了元件之间的距离为半波长的4元件均匀线性阵列的波束方向图。
图4示出了在相邻BTS方向上通过毫微微蜂窝BTS产生空波束的实例。
图5示出了在相邻BTS方向上由两个毫微微蜂窝BTS产生空波束将会对BTS之一造成问题的实例。其还示出了BTS周期性地扫描空波束方向图方向来检测是否存在任一订户的方案。
图6示出了对波束的发送功率调整使得BTS在控制与相邻订户的干扰的同时可服务于它们的订户s。
图7示出了相邻BTS之间的波束的分时多路复用(time-divisionmultiplex)的实例。
图8示出了相邻BTS之间的波束的分频多路复用(frequency-divisionmultiplexing)(基于子信道组)的实例。
图9示出了相邻BTS之间的波束的分时分频多路复用(time-frequencydivisionmultiplexing)(基于时间-频率源组)的实例。
图10a至图10d示出了通过BTS组基于空间/定向、时间、频率以及时频多路复用的协调波束形成的实例。
图11示出了使用定向波束形成以及来自相邻BTS的协调测量来确定相邻BTS的方向和距离的BTS的实例。
图12示出了使用在3GPPLTE标准中为下行链路定义的并应用于元件之间的距离为半波长的4元件ULA的密码本的波束方向图。
图13示出了使用在3GPPLTE标准中为下行链路定义的并应用于元件之间的距离为0.42波长的4元件UCA的密码本的波束方向图。
图14示出了通过BTS组基于空间和方向的密码本的协调波束形成的实例。
图15示出了通过BTS组基于时间、频率以及时间-频率多路复用的协调波束形成的实例。
具体实施方式
在阅读本说明书之后，对本领域普通技术人员显而易见的是，如何以各种可替换实施方式以及可替换应用来实施本发明。尽管本文中描述了本发明的各种实施方式，但应当理解的是，这些实施方式仅仅是以示例的方式示出，而并不用于限制。因此，各种可替换实施方式的这些详细描述不应被解释为用于限制本发明的范围和广度。
在无线系统中，基站组(BTS)可由集中网络管理实体(centralizednetworkmanagementidentity)管理，或可通过经由无线广播接口(wirelessair-interface)或有线接口彼此通信而进行自管理(self-organized)。术语“基站”也指接入点。一个这样的实例为毫微微蜂窝系统。图1示出了毫微微蜂窝BTS10由核心网络管理的毫微微蜂窝系统。毫微微蜂窝系统经由因特网14和无线电网络控制器(RNC)16通过宽带连接而连接至核心网络12。各个毫微微蜂窝BTS的供应由核心网络经由供应服务器15基于每个设备来进行。
图2a示出了毫微微蜂窝BTS200经由有线或无线宽带连接而连接至核心网络12的毫微微蜂窝系统。毫微微蜂窝经由有线回程线路或经由无线广播而联网。毫微微蜂窝BTS的供应由核心网络12基于每个设备或在核心网络的完全监管、核心网络的部分监管或根本不监管的情况下以协调的方式来进行。毫微微蜂窝是较小的蜂窝基站或蜂窝网络18的工作在许可的频率下，或根据需要工作在未许可频率下的接入点。通常指定用在住宅或小的商业环境中。毫微微蜂窝使用诸如DSL、线缆的可用的宽带接入或固定的无线宽带接入网络，来与用户连通并控制流过宽带的数据以及连接至蜂窝核心网络回程线路。这在图1中示出。毫微微蜂窝结合典型的基站功能，但将其扩展为允许更简单、自包含的配置；例如，包含节点B的UMTS毫微微蜂窝以及具有用于回程线路的因特网的RNC。尽管对UMTS投入了很多的关注，但是所述思想可应用于所有的标准，包括GSM、CDMA2000、TD-SCDMA以及WiMAX方案。
当BTS以相对大的发送功率正使用用于发送和接收的同一频率并且当它们接近彼此(诸如毫微微蜂窝)时，由于BTS之间与用户之间的干扰，使得诸如系统以及用户吞吐量或QoS的性能变得劣化。在BTS组(诸如毫微微蜂窝)之间可以以协调的方式使用智能天线技术，来减小干扰或管理干扰以何种方式发生，从而获得诸如各个应用的更高系统吞吐量或更好QoS的性能增强。
关于基站的波束形成、MIMO以及预编码已经进行了大量的研究工作，然而，大多数工作集中在算法本身或如何将它们应用于各个基站以提高特定基站服务区域的性能。它们没有解决如何来协调多个基站之间的天线阵列的使用。
自适应波束形成可基于一定的测量来进行，以确定波束方向图的方向和强度。一个实例是波达方向(Direction-Of-Arrival，DOA)基波束形成。在DOA基波束形成中，利用具有一定的几何量的天线阵列(例如，具有小的元件间距离(d≤λ/2)的均匀线性阵列(ULA)或均匀圆形阵列(UCA))来估计主要波达方向(directionofarrival)。该方向信息然后被用于将通过线性权重产生的发送波束控制至终端。
在典型的毫微微蜂窝系统中，毫微微蜂窝BTS通过宽带连接而连接至核心网络。各个毫微微蜂窝BTS的供应由核心网络基于每个设备来进行。当毫微微蜂窝系统具有经由有线回程线路或无线广播进行联网或协调的能力时，毫微微蜂窝BTS的管理和供应可通过核心网络基于每个设备或在核心网络完全监管(完全集中式)、核心网络部分监管(部分集中式)或完全不监管(分布式)的情况下以协调的方式来完成。
在图2b中示出了BTS200的实例，其中，省略了与该讨论不相关的BTS的元件。BTS包括毫微微蜂窝BTS设备200，毫微微蜂窝BTS设备具有用于与相关订户通信的BTS广播接口收发机系统(air-interfacetransceiversystem)210。在一个实例中，系统210是毫微微蜂窝系统。BTS广播接口收发机系统包括能够执行波束形成的天线系统(本文中将其作为实例进行描述)。收发机210执行向订户提供无线通信以及提供来自订户的无线通信的功能。例如，这种系统被熟知为提供无线服务，其中一些实施熟知的标准，例如，GSM、CDMA2000、TD-SCDMA以及WiMAX。订户指的是接收和/或发送至BTS的信号的设备。订户通常与BTS相关联。这种设备还被称作用户设备(UE)。这种设备能够发送和接收无线信号，并且包括诸如蜂窝电话的设备以及诸如配备有无线收发机的个人计算机的其他电子设备。包括第二接收器212，以使得能够进行其他BTS发送信号的测量。可选地，可以将BTS广播接口收发机修改为进行那些测量。包括控制单元214，以使得使用中央/对等通信单元(central/peercommunicationunit)216(例如，毫微微服务器以及毫微微-毫微微通信单元)，可与中央服务器和/或与其他毫微微蜂窝BTS以对等方式进行通信。控制单元向BTS收发机210产生指令，以实施本文中描述的波束形成以及BTS之间的协调。这种系统使用支持毫微微蜂窝BTS与中央服务器之间的通信以及控制单元与BTS收发机210之间的通信的协议以及相关消息。控制单元包括用于对接收到的消息进行解析的消息解析器(messageparser)以及用于存储以下描述的相邻列表的数据库。
根据一个实施方式，诸如以上所述的能够相互联网和协调的毫微微蜂窝基站200的BTS协调根据波束方向、波束方向图、发送功率、时间、频率源、时间-频率源如何分别地或共同地在各个单独BTS进行波束形成。该协调的目标在于，提高网络工作性能以及减小干扰，因此，波束形成协调中使用的标准包括但不限于，辅助或基准信号强度、误码率或包错误率、数据吞吐量、要求的数据速率、QoS要求等。这可通过集中方式或通过分布式方式来完成。这可以通过考虑不同的天线阵列配置来完成。
对于使用具有位置在x1、x2、…、xN的N个全向天线元件的均匀线性阵列的波束形成器，假设平面波沿着端射(endfire)测量、从方向θ入射、波长为λ，则第n个元件的阵列展开(arraymanifold)为：
m ( θ ) n = exp ( - j 2 π λ x n c o s θ ) ,
在应用权重wn后的输出波束方向图为：
G ( θ ) n = Σ n = 1 N w n m ( θ ) n = Σ n = 1 N w n exp ( - j 2 π λ x n c o s θ ) ,
可选择复数权重向量w＝[w1、w2、...、wn]T来获得用于发送器的期望的波束方向图。相同的等式可应用于接收器侧并且其导致了接收器波束形成。
4元件ULA的波束方向图的实例在图3中示出，其中：
W = [ w 1 w 2 w 3 w 4 ] = 1 1 1 1 1 j - 1 - j 1 - 1 1 - 1 1 - j - 1 j
通过从上述矩阵中适应地选择不同的权重，可形成接收器或发送器波束方向图来增强期望的发送信号或接收信号，或减小一定方向或区域中的干扰信号。
根据一个实施方式，假设邻近的毫微微蜂窝BTS具有彼此的相对方向和相对距离的知识(knowledge)。使用术语“邻近(neighbor)”和“邻近的(相邻的，neighboring)”来指其传输能够相互影响的BTS。该知识可来自于从中央/BTS通信单元216或从第二接收器/测量单元212发送至中央单元的信息。毫微微蜂窝BTS的UE广播接口210应用合适的权重在相邻的BTS的方向上产生关于发送或接收或两者的一个以上空波束。当相邻BTS之间的距离与所述BTS与其相关用户设备(UE)之间的距离相比相对较远时，将关于发送器的零方向图(nullpattern)指向相邻BTS可减小下行链路(DL)方向上从BTS至相邻毫微微蜂窝的UE的干扰。朝向相邻BTS应用关于接收器的零方向图可减小上行链路(UL)方向上从相邻毫微微蜂窝的UE至所述BTS的干扰。这在用于两个毫微微蜂窝基站BTS1和BTS2的图4中示出。
根据将相邻BTS布置为多远，对每个相邻BTS应用零方向图可产生问题，这是因为一些UE可位于相邻BTS的方向上。这种情形的实例在图5中示出，其中BTS1的空波束将引起UE1的性能劣化或者甚至丧失通信。
根据另一实施方式，BTS周期性地“扫描”空波束区域，例如，应用权重，以使得其将在原始空波束方向上周期性地发送和接收信号，以检测任一UE是否在“空波束”区域或移动到“空波束”区域。周期可由中央服务器根据网络管理参数、通过多个BTS的协调或通过各个BTS来确定。当检测到需要服务的UE时，BTS将对原始空波束应用合适的波束方向图，以向UE提供适当的性能要求。这在图5中示出，其中，BTS1首先产生BTS2方向上的空波束，并在其扫描到空波束区域时检测UE1。BTS1然后使用合适的波束方向图来替代空波束，以与UE1进行通信。注意，当从两个BTS在定向的空波束方向图区域(directionalnullbeampatternarea)存在UE时，上述方法仍然导致UE的性能劣化。
根据本发明的另一实施方式，BTS降低或增大它们在DL上的发送功率的同时利用一些指标(量度，metric)(诸如，来自DLARQ或杂化ARQ的BER、PER、ACK/NACK等)监控UE的DL接收质量。当来自在所有BTS覆盖区域中的UE的指标都具有满意的性能(其取决于每个UE或应用的Qos等级)时，BTS将会保持传输功率水平直至一个以上指标不满足。这在图6中示出。
在其他BTS服务区域中的来自UE的性能指标仍未被满足(主要由于来自所述BTS的干扰)之前，BTS达到预定最小传输功率水平的情况下，所述BTS将停止降低传输功率。可以使用稍后详述的其他技术来实现整个系统性能令人满意。
根据本发明的另一个实施方式，BTS在所有BTS中的一些具有被服务的UE的公共覆盖区域中以分时多路复用方式使用波束形成。这在图7中示出。通过如此，BTS基本上可管理干扰，并且因此可以提高除了仅仅调整传输功率之外的性能。注意，分时可应用于DL和UL上的波束和空波束两者。还要注意，BTS可以通过网关或核心网络处的服务器控制的完全集中式方式、部分分布式方式、或经由对等通信的完全分布式方式进行操作。
根据本发明的另一实施方式，每个BTS以分频方式使用波束形成。在OFDMA系统中，这意味着使用不同的子频组，以使得属于不同BTS在位于公共覆盖区域内的UE仅仅以特定子频组接收它们的数据。这在图8中示出，其中，BTS1的UE1和BTS2的UE1位于两个BTS相互干扰的区域中，并且这不能通过减小传输功率来解决。当两个UE需要实时应用支持时，例如，使用波束形成的分时是不适当的。当整个带宽对于任一UE应用都不是限制因素时，BTS可决定(或服务器可决定等)来“分割”子频带组的使用，并对各组应用不同的波束形成。注意，分频可应用于DL和UL上的波束以及空波束。还要注意的是，BTS可以通过网关或核心网络处的服务器控制的完全集中式方式、部分分布式方式或经由对等通信的完全分布式方式进行操作。
根据本发明的另一实施方式，各BTS以分时-分频方式使用波束形成，如图9所示。在OFDMA系统中，其意味着在分时分频面中使用不同的资源，以使得属于不同BTS但位于公共覆盖区域中的UE仅在特定时间-频率源中接收它们的数据。在图9中，例如，BTS1的UE1以及BTS2的UE1在两个BTS相互干扰的区域中，并且这通过减小传输功率是不能解决的。BTS可决定以满足一些性能要求的方式使用时间-频率源，例如，经过一定时间段具有一定数据速率的Qos要求。基于这些，BTS可以协作的方式为位于该波束方向图覆盖区域中的各个UE分配时间-频率源，并且对各个资源组应用不同的波束形成。注意，分时-分频源可应用于DL以及UL上的波束以及空波束。还要注意的是，BTS可以通过网关或核心网络处的服务器控制的完全集中式方式、部分分布式方式或经由对等通信的完全分布式方式进行操作。
尽管已经使用两个BTS示出了上述情况，但该方法可以容易地应用于两个以上的BTS。如在图10a至图10d中示出的，BTS组(BTS1、BTS2、BTS3以及BTS4)可在空间/定向、传输功率、以及时间、频率、时间-频率多路复用方面协调波束形成，并将资源分配给波束方向图中的UE。在该情况下，BTS可以完全集中式方式、部分分布式方式或完全分布式方式进行操作。可根据该原理应用不同的调度以及协调算法，并且在随后部分将描述详细的协调方法。
根据本发明的另一实施方式，BTS使用定向波束形成以及来自邻近BTS的协调测量结果来确定邻近BTS的方向以及距离。这也在图10a至图10d中示出。在该实例中，BTS1以给定的时间间隔在四个30度分离方向上应用采用某一基准信号的波束形成。该时间以及间隔对于邻近BTS是已知的。邻近BTS(在该实例中，即BTS2和BTS3)能够测量DL基准信号并且能够与BTS1进行对等通信。它们以给定时间测量信号强度，并报告给BTS1。基于时间以及信号的测量值，BTS1可确定邻近BTS的方向和相对距离。结果取决于所选的测量算法以及定时精度和所选的波束形成算法。该信息可用于确定对于上述一些实施方式是重要的邻近BTS的方向。例如，在其他应用中还可以将其用作至数据库的输入以及邻近BTS的拓扑。注意，还可以使用其他算法，诸如DOA上使用的那些算法。
根据本发明的另一实施方式，可以使用ULA之外的其他类型的天线配置，并且上述方法仍是可用的。
作为实例，在使用具有N个全向天线元件的均匀圆形阵列(UCA)的波束形成器中，阵列展开的第n个元件为：
m ( θ ) n = exp ( - j 2 π λ r n c o s ( 2 π ( n - 1 ) N - θ ) ) ,
其中，rn是从阵列中心至元件的距离，而是在极坐标中从第n个阵列元件的x轴逆时针方向计算的角度位置。
在应用权重后输出波束为：
G ( θ ) n = Σ n = 1 N w n m ( θ ) n = Σ n = 1 N w n exp ( - j 2 π λ r n c o s ( 2 π ( n - 1 ) N - θ ) ) ,
复数权重向量w＝[w1,w2,...wN]T可被选择，以在发送器处获得期望的波束方向图。相同的等式可应用于接收器侧，并且将导致接收器波束形成。
如在ULA情况下的所有实施方式中，BTS可以空间/定向、发送功率以及时间、频率、时间-频率多路复用的方式协调波束形成，如在图10a至图10d中所示。BTS可以以完全集中式方式、部分分布式方式或完全分布式方式执行操作。可根据原理使用不同的方案和协调算法，并且在稍后的部分中将详细描述协调方法。
应当注意，尽管在上述实施方式中，将全向天线阵列元件用作实例，但是结果也可容易地扩展到定向天线阵列。
对于一般形式的波束形成，在一些4G标准(例如，LTE)中使用具有预定密码本的预编码。预编码方案可用于天线配置被预定义的MIMO系统中。在该情况下，可基于期望的定向波束方向图推导出用于定义权重的密码本。其还可以用于天线配置没有被预定的MIMO系统中。在该情况下，基于诸如在一定信道状态下最大化信号水平的标准来推导密码本。
作为实例，表1示出了4元件天线阵列的密码本，其中，表示根据表达式Wn＝I-2unun H/un Hun由集合{S}给出的列限定的矩阵，其中I是4×4单位矩阵而向量un由表给出。在图12中示出了利用元件空间间隔为λ/2时的一个传输层的波束方向图，而在图13中示出了利用元件空间间隔为0.42λ时的一个传输层的波束方向图。
表1使用在LTE标准中定义的4天线端口的DL传输的密码本
根据本发明的一个实施方式，可基于较强的波束方向图的方向或定向区域将密码本分为两个以上子集。毫微微蜂窝BTS选择密码本中在UE方向上具有更强波束方向图的子集，而避免使用在邻近BTS方向上具有较强波束方向图的子集。
在图12中，作为用于上述和以下实施方式的实例示出了用于具有一层的DL传输的LTE密码本。一种可能的方式是将0至180度的平面以30度的间隔分为6个定向区域，并将它们在每个定向区域中以强波束方向图分组。对于0-30度，权重子集包括指数3、6、7、10、12、13、14、15、16；对于30-60度，权重子集包括指数2、6、11、14、15；对于60-90度，权重子集包括指数1、5、9、13、16；对于90-120度，权重子集包括指数1、4、8、9、13、16；对于120-150度，权重子集包括指数4、7、11、14、15；对于150-180度，权重子集包括指数3、7、10、12、13、14、15、16。相同的分割方法可应用于不同的定向区域。当使用全向天线或与180度实例不同的定向天线时，可以类似的方式进行分割，但会导致不同的子集。对于不同的天线阵列配置(诸如，图13中示出的UCA)，可应用类似的分割方法。
根据本发明的另一实施方式，可基于空波束方向图将密码本分为两个以上子集。毫微微蜂窝BTS选择密码本中在邻近BTS的方向上具有空波束的子集。
再次作为实例使用在图12中示出的用于具有一层的DK传输的LTE密码本，一种可能的方式是将0至90度的平面以30度的间隔分为4个方向，并在每个方向上将它们以空波束方向图分组。例如，对于0度空波束子集，指数包括1、2、4、5、8、9、11；对于30度空波束子集，指数包括1、2、4、5、7、8、9、11、12、13、16；对于60度空波束子集，指数包括1、3、4、5、6、7、8、10、12、13、14、15、16；对于90度空波束子集，指数包括2、3、4、5、6、7、8、9、11。相同的分割方法可应用于不同的方向。当使用全向天线或与90度不同的定向天线时，可以类似的方式进行分割，但会导致不同的子集。对于不同的天线阵列配置(诸如，图13中示出的UCA)，可应用类似的分割方法。
根据本发明的另一实施方式，可基于更强波束方向图的方向与空波束方向图的方向的组合将密码本分为两个以上子集。毫微微蜂窝BTS选择密码本中在UE的方向上具有更强的波束方向图而在邻近BTS的方向上具有空波束方向图的子集。
再次作为实例使用在图12中示出的用于具有一层的DK传输的LTE密码本，一种可能的方式是将0至90度的平面以30度的间隔分为4个方向，并将它们在某一定向区域以更强的波束分组而同时在期望的方向上具有空波束。例如，对于覆盖0-30度而同时在90度方向具有空波束的波束，指数包括3、6、7；对于覆盖60-90度而同时在30度方向上具有空波束的波束，指数包括1、5、9、13、16。相同的分割方法可应用于定向区域和定向零值的不同组合。当使用全向天线或与90度不同的定向天线时，可以类似的方式进行分割，但会导致不同的子集。对于不同的天线阵列配置(诸如，图13中示出的UCA)，可应用类似的分割方法。
在图14中示出了基于密码本分割的协调波束形成，其中，BTS1和BTS2使用密码本的相同分割但使用不同的子集，以减小期望方向上的干扰。
根据本发明的另一实施方式，密码本的子集可以以BTS中的分时、分频或分时-分频的方式应用于DL上的BTS或UL上的UE。基于密码本分割的这种时间、频率、时间-频率基协调在图15中示出。在该情况下，BTS可以以完全集中式方式、部分分布式方式、或完全分布式方式执行操作。可根据该原理使用不同的方案和协调算法，并且将在稍后的部分中详细描述协调的方法。
根据本发明的另一实施方式，对于不同的天线配置，可以不同的方式将密码本分为子集，不同的天线配置例如但不限于不同的元件间隔、不同的天线几何(例如，圆形、线性、矩形等)。
根据本发明的另一实施方式，对于不同的BTS，可以不同的方式将密码本分为子集。
根据本发明的另一实施方式，对于不同的用户/UE，密码本可基于它们的位置、信道状态以及诸如QoS的服务要求而以不同的方式分为子集。
根据本发明的另一实施方式，密码本可以不同地分为不同QoS要求的子集。例如，对于更高QoS要求，扩展子集以刚刚达到所要求QoS水平，即使其在某一方向上具有某些不期望波束方向图，所述波束方向图会对邻近毫微微蜂窝BTS造成一定程度的干扰。
对于任意天线阵列几何以及元件间隔，基于波束形成的密码本不仅可以在波束方向图意义上使用还可以从总的信道信息意义上使用。在该情况下，UE需要反馈信道信息相关参数，例如，信道质量指示符或信道矩阵秩或密码本的索引。
根据本发明的一个实施方式，基于来自邻近BTS的反馈将密码本分为两个以上子集，并且所述BTS基于性能要求使用一个或多个子集。所述BTS将在DL上发送基准信号。具有如前所述的测量其他BTS的DL的能力的邻近BTS将根据需要测量基准信号并计算反馈参数，并且然后将反馈发送至所述BTS。所述毫微微蜂窝的UE也测量所述BTS以及邻近BTS的基准信号，并且提供反馈，所述反馈通常是广播接口标准所要求的。基于来自其UE以及邻近BTS的反馈，所述BTS将密码本分为子集。例如，其可将密码本分为对所有或一些UE提供更好性能的那些子集，以及对邻近BTS具有更少干扰的那些子集。所述BTS可以选择使用对UE提供更好性能的而对邻近BTS具有更小干扰的子集。
更好的性能和更少的干扰权重不相互排斥是可能的。在该情况下，根据本发明的另一实施方式，邻近BTS可以分时、分频或分时-分频多路复用方式使用相同的子集或重叠的子集。这样的时间、频率、时间-频率基协调与图15中示出的那些类似。在该情况下，BTS可以完全集中式方式、部分分布式方式或完全分布式方式执行操作。可根据该原理使用不同的方案以及协调算法，并且在稍后的部分中将描述详细的协调方法。
尽管在上述实施方式中使用了4个天线元件，但可以容易地将其扩展到更多或更少的天线元件。
根据本发明的另一实施方式，BTS之间的协调可以是完全集中式方式、部分分布式方式或完全分布式方式。
根据本发明的另一实施方式，为了使得协调更高效且更有意义，将基于所选的标准(例如，各BTS的邻近BTS的测量)来形成邻近列表。当诸如辅助的信号强度或干扰水平、RF信号强度意义上的距离、方向的测量在预定阈值(或动态算出的阈值)之上，可选地，基于测量的BTS的相对位置(诸如DOA)是已知的时，可形成邻近列表或拓扑。如果需要，邻近列表还可以基于不同的标准或不同的阈值而进一步地分为多个水平。邻近列表基于实时测量值动态地变化。网络上的服务器保持所有BTS的邻近列表，并且各BTS保持并拷贝其自己的邻近列表。
根据本发明的另一实施方式，当协调是完全集中式时，BTS将资源分配所需的测量以及信息经由带内信令或带外信令或两者的组合发送至网络。测量以及信息包括例如干扰的BTS的干扰水平以及方向、其当前应用所要求的带宽或数据速率、子频组的信道信息或来自干扰区域中的UE的密码本索引、BTS的平均吞吐量等。网络使用该信息来通过利用一定的资源管理算法将之前实施方式中定义的资源分配，以协调波束形成。该相应的分配和协调信息被发送回至各BTS。在BTS资源管理应当首先将由中央资源管理器指定的那些资源分配给与由中央控制指定的波束形成操作相关联的UE并且基于其调度算法为其UE分配剩余资源的意义下，各BTS中的调度器比中央网络资源管理器具有低的优先级。可对各BTS应用不同的方案以及资源管理标准和算法。
根据本发明的另一实施方式，当协调是部分集中式的时，BTS将资源分配所需的测量以及信息经由带内信令或带外信令或两者的组合发送至网络。测量以及信息包括，例如，干扰的BTS的干扰水平以及方向、其当前应用所要求的带宽或数据速率、子频组的信道信息或来自干扰区域中的UE的密码本索引、BTS的平均吞吐量等。网络使用该信息来通过利用一定的资源管理算法将之前实施方式中定义的资源分配，以协调波束形成。该相应的分配和协调信息被发送回至各BTS。BTS以它们与其他资源和UE具有相同优先级的方式，使用由中央网络资源管理器发送回的信息作为至其调度器的输入。不同的方案以及资源管理算法可应用于此。
根据本发明的另一实施方式，当协调是完全分布式的时，则BTS将资源分配所需的测量以及信息经由带外信令发送至由其邻近列表确定的其邻近BTS。发送至特定邻近BTS的信息仅仅包括与BTS相关的那些。例如，特定BTS的干扰水平以及方向、其当前应用所要求的带宽或数据速率、子频组的信道信息或来自由该BTS干扰的UE的密码本索引、其对时间的要求、频率组或时间-频率源、BTS的平均吞吐量等。每个BTS仅向邻近列表上的那些邻近BTS发送相关信息。
根据本发明的一个实施方式，接收邻近BTS将接受请求、否定请求或将基于预定算法发回请求的修改版本。请求的修改版本的一个实例可被赋予比所要求的更少的资源，或赋予资源但是具有更短的时间段或时间延迟。
根据本发明的另一实施方式，接收来自其他邻近BTS的信息和请求的邻近BTS将信息用作对其调度器的限制，或用作至其调度器的整个输入的一部分。例如，如果第一BTS发送信道信息、数据速率请求以及来自处于第二BTS的干扰区域中的UE的其他必要信息，则该信道信息与来自第二BTS中的UE的信息可用作至第二BTS的调度器的输入。根据调度结果的输出，第二BTS决定是接受、否定还是提出新的资源分配。
根据本发明的另一实施方式，第一和第二BTS将根据来自第一BTS的请求被接受、被否定或被修改而使用以下程序。
当所述请求被否定时，第一BTS可再协商(例如，发送具有较少资源要求的修改请求)或接受结果，并且在没有任何限制的情形下运行方案以及资源分配算法。第二BTS同样也是如此。
当所述请求被许可时，第一BTS将所述许可的资源和来自其他邻近BTS的资源一起处理为至其调度器的输入，而第二BTS应该将已许可给第一BTS的资源考虑为对其调度器的限制。
当所述请求没有被邻近BTS接受或否定时，第二BTS将基于由其调度器或资源管理实体确定的可用资源的所提议的资源许可计划发送回至第一BTS。第一BTS可决定接受新的提议或进行再商议，即，发送具有较少资源要求的修改的请求。在第一BTS接受新的提议的情况下，第一BTS将对第二BTS进行确认。然后，第一BTS将许可的资源和来自其他邻近BTS的资源一起处理为至其调度器的输入，而第二BTS将已经许可给第一BTS的资源考虑为对其调度器的限制。
在所有情况下，可向第一以及第二BTS应用不同的方案以及资源管理算法。
在该应用中，所描述的技术可应用于通过处理器和软件进行的数字域处理、或使用RF的处理、模拟或数字硬件。不管是否明确指出，以上描述总是适用的。
上述实施方式描述了在BTS组(例如，毫微微蜂窝)中以协调的方式应用智能天线以减小干扰或管理干扰以何种方式发生从而实现对各个应用的性能增强(例如，更高的系统吞吐量或更好的QoS)的方法。
本领域技术人员应理解的是，结合本文中所公开的实施方式描述的各种示例性逻辑块、模块以及算法步骤通常可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地给出硬件和软件的这种可互换性，上述主要根据它们的功能描述各种示例性组件、块、模块以及步骤。这样的功能是实施为硬件还是软件取决于特定系统以及施加至整个系统的设计限制。对于各个特定系统，本领域普通技术人员可以变化的方式实施所描述的功能，但这种实施决定不应解释为背离本发明的范围。此外，模块、块或步骤内的功能的分组是为了便于进行描述。在不背离本发明的前提下，特定功能或步骤可从一个模块或块移除。
结合本文中所公开的实施方式描述的各种示例性逻辑块以及模块可通过通用处理器、数字信号处理器(DSP)、文本消息特定用途集成电路(ASIC)、场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑设备、离散门(discretegate)或晶体管逻辑、离散硬件组件或被设计为执行本文所述功能的其的任意组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，但可选地，处理器可以是任意处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以实施为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核结合的一个或多个微处理器或任何其他的这种构造。
结合本文中所公开的实施方式所描述的方法或算法的步骤可直接以硬件、以通过处理器执行的软件模块或以两者的组合来实施。软件模块可存在于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移除盘、CD-ROM或任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质可耦接至处理器，使得处理器可从存储介质读取信息以及将信息写入存储介质中。可选地，存储介质可与处理器集成。处理器和存储介质可存在于ASIC中。
各种实施方式也可以主要以使用例如诸如特定用途集成电路(“ASIC”)或场可编程门阵列(“FPGA”)的组件的硬件方式来实施各个实施方式。能够执行本文中所述的功能的硬件状态机的实施对于相关领域普通技术人员来说也是显而易见的。还可以使用硬件和软件两者的组合来实施各种实施方式。
提供所公开实施方式的上述描述以使本领域普通技术人员能够作出或使用本发明。这些实施方式的各种变形对于本领域普通技术人员是显而易见的，并且在不背离本发明的精神和范围的前提下，本文中所描述的通用原理可应用于其他实施方式。因此，应当理解的是，本文中所给出的描述以及附图表示本发明的当前优选实施方式，并且因此代表通过本发明广泛设想的主题。进一步理解的是，本发明的范围将充分覆盖对本领域普通技术人员显而易见的其他实施方式。

Claims (28)

1.一种在具有多个无线基站的基站系统中利用协调的波束形成来增强无线基站性能的方法，所述无线基站具有能够进行波束形成的天线系统，所述方法包括：
利用所述多个无线基站中的至少一个的接收器识别邻近基站；
确定将被使用的所述邻近基站的特性，以用于优化两个以上所述基站中的容量和覆盖；以及
基于确定的特性对两个以上所述基站的所述天线系统进行配置，以产生朝向邻近基站的空波束，以减小与该邻近基站的干扰，以基于预定的标准通过协调两个以上所述基站中的空间资源、协调两个以上所述基站中的功率资源来优化两个以上所述基站中的容量和覆盖，其中，所述预定标准包括辅助或基准信号强度、误码率或包错误率、数据吞吐量、要求的数据速率以及服务质量要求。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，配置一个以上所述基站的所述天线系统来产生空波束进一步包括产生接收空波束。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，识别邻近基站进一步包括测量从所述邻近基站接收到的信号，以确定一个以上所述邻近基站的方向以及距离。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步，其中，两个以上所述基站的传输特性进一步选自于由时间、频率源、时间-频率源组成的组。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，对特性的确定由中央授权来协调。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，对特性的确定在所述基站之间协调。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，两个以上基站中的每一个周期性地配置其天线系统以去除所述空波束。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述两个以上基站的所述空波束包括公共覆盖区域，并且所述两个以上基站以分时多路复用方式使用所述空波束。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：使用定向波束形成以及来自所述邻近基站的协调测量来确定所述邻近基站的方向以及距离。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，对特性的确定由中央授权以及所述基站来协调。
11.一种在具有多个无线基站的无线网络中利用协调的波束形成来增强无线基站性能的方法，所述无线基站具有能够进行波束形成的天线系统，所述方法包括：
利用所述多个无线基站中的至少一个的接收器识别邻近基站；
确定将被使用的所述邻近基站的特性，以用于优化两个以上基站中的容量和覆盖；以及
基于确定的特性对两个以上所述基站的所述天线系统进行配置，以产生波束方向图，以基于预定的标准通过协调两个以上所述基站中的传输特性来优化两个以上基站中的容量和覆盖，其中，所述传输特性选自于由传输功率、时间、频率源、时间-频率源组成的组。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述波束方向图包括在所述两个以上基站的公共覆盖区域中使用分频。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述波束方向图包括在所述两个以上基站的公共覆盖区域中使用分时-分频。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述天线配置选自方向图的密码本中的配置子集，以选择在与基站相关联的订户方向上具有更强的波束方向图而在邻近基站的方向上具有较弱的波束方向图的方向图。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方向图的密码本用于基站接收或发送。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述波束方向图包括在所述两个以上基站的公共覆盖区域中使用分时-分频。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述天线配置选自方向图的密码本中的配置子集，以基于在邻近基站方向上的空波束方向图的方向选择方向图。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述方向图的密码本用于基站接收或发送。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述天线配置选自基于较强的波束方向图的方向与空波束方向图的组合的方向图子集的密码本中的配置子集，使得在订户方向上具有较强的波束方向图而在邻近基站的方向上具有空波束方向图的密码本的子集被选择。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述方向图的密码本用于基站接收或发送。
21.根据权利要求11所述的方法，其中，所述波束方向图包括在用于两个以上基站的公共覆盖区域中使用传输功率的调整。
22.根据权利要求11所述的方法，其中，所述波束方向图包括在用于两个以上基站的公共覆盖区域中使用分时。
23.一种在基站系统中利用协调的波束形成增强性能的基站，所述基站包括：
基站广播接口收发机系统，其提供与相关订户的无线通信并执行波束形成，并且包括能够进行波束形成的天线系统；
第二接收器，被配置为对其他基站发送的信号进行测量；
控制单元，与所述基站广播接口收发机系统以及所述第二接收器进行通信，以向所述基站广播接口收发机系统发送指令来基于一个以上邻近基站的特性而配置所述基站广播接口收发机系统的天线系统，从而产生指向邻近基站的空波束，以减小与该邻近基站的干扰，以基于预定的标准通过协调两个以上所述基站中的传输特性来优化两个以上所述基站中的容量和覆盖，其中，所述传输特性选自于由传输功率、时间、频率源、时间-频率源组成的组。
24.根据权利要求23所述的基站，其中，所述天线配置选自方向图的密码本中的配置子集。
25.一种在具有多个无线基站的无线网络中利用协调的波束形成来增强无线基站性能的方法，所述无线基站具有能够进行波束形成的天线系统，所述方法包括：
利用所述多个无线基站中的至少一个的接收器识别邻近基站；
确定将被使用的所述邻近基站的特性，以用于优化两个以上基站中的容量和覆盖；以及
基于确定的特性将两个以上所述基站的所述天线系统配置给天线配置，所述天线配置产生对一个或多个邻近基站具有减小的干扰的波束方向图，所述波束方向图选自方向图的密码本中的方向图子集，其中，基于预定的标准通过协调两个以上所述基站中的传输特性来优化两个以上基站中的容量和覆盖，其中，所述传输特性选自于由传输功率、时间、频率源、时间-频率源组成的组。
26.根据权利要求25所述的方法，进一步包括基于较强波束方向图的定向区域将所述密码本分为两个以上子集，并且为在基站的相关订户的方向上具有较强波束方向图的基站选择所述密码本的子集，并且避免使用在邻近基站的方向上具有较强波束方向图的子集。
27.根据权利要求25所述的方法，进一步包括基于所选的定向区域将所述密码本分为两个以上子集，并且对在各定向区域中具有强的波束方向图的那些方向图进行分组。
28.根据权利要求25所述的方法，进一步包括基于较强的波束方向图的方向以及空波束方向图的方向的组合，将所述密码本分为两个以上子集，并且为在相关订户的方向上具有较强波束方向图而在邻近基站的方向上具有空波束方向图的基站选择所述密码本的子集。
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