增强型客户驻地设备的制作方法

本发明总体上涉及一种用于无线通信的具有增强功能的厘米波或毫米波客户驻地设备。

发明背景

随着无线技术和无线应用的继续发展，对更快的移动数据速率的需求保持快速增长，特别对于室内用户。为了提供室内数据服务，针对室内客户通常部署客户驻地设备(cpe)，如路由器或调制解调器。

常规有线回传cpe被部署在室内以便向室内客户的局域网(lan)提供无线或有线数据服务，并且通过光纤或电缆连接而连接至互联网服务提供商(isp)的数据网络。不幸的是，到每个有线cpe的光纤或电缆连接的需要显著增加了isp的网络部署成本。

替代设备是无线回传cpe。代替用于有线回传cpe的光纤或电缆连接，无线cpe具有到isp的基站(bs)的无线连接，其中，bs提供到无线cpe的无线回传连接。在低于6-ghz(sub6-ghz)频带中，无线回传cpe可以部署在室内，或者无线回传cpe的一个或多个链路天线可以部署在室内以便实现与bs的较强回传链路。不幸的是，广泛用于无线系统的低于6-ghz频带如今十分拥挤，因此使用这些频带的常规装置可能不足以满足增长的数据需求，如在“针对5g蜂窝的毫米波移动通信：其将有效！(millimeterwavemobilecommunicationsfor5gcellular:itwillwork！)”ieeeaccess,第1卷,第335至349页,2013年(rappaport等人2013)中所示。

为了克服即将来临的第五代(5g)无线系统的全球频谱短缺的挑战，开发高于6-ghz(例如，28ghz、60ghz或甚至更高频带)的厘米和毫米波的更宽的可用频谱已经被认为是有前途的解决方案(rappaport等人2013)。为简单起见，此后所有厘米和毫米或甚至更短波长的频带都被称为毫米波(mm波)。

mm波系统的较大带宽可以提供非常适合于无线回传cpe的高数据速率服务。然而，mm波bs的覆盖范围受其强传播方向性、大传播损耗以及对阻塞的高灵敏度限制，如在“毫米波蜂窝无线网络：潜力和挑战(millimeter-wavecellularwirelessnetworks:potentialsandchallenges),”s.rangan等人在ieee会议记录(proceedingsoftheieee),第102卷,第3期,第366至385页,2014年3月的发表中所示。因此，即使部署在面向bs的室外提供高阵列增益的一个或多个链路天线阵列，mm波cpe(mmcpe)的工作位置仍然受bs的视线(los)覆盖范围的限制。图1展示了简单例子，其中，一个mm波bs1服务其los覆盖范围内的一个客户驻地(cp)3的一个mmcpe2，而无法服务被一个障碍物4阻挡而在其los覆盖范围之外的另一个cp的另一个mmcpe。在此例子中，cp1和cp2都需要使用mmcpe1和mmcpe2进行数据服务，但是仅cp1位于bs的los覆盖区域内，而被障碍物阻挡的cp2因此在其los覆盖区域之外。因此，bs仅可以通过mmcpe1服务cp1，但是由于mm波系统中的大阻塞损耗而无法服务cp2。为了向cp2提供服务，部署另一个bs来提供对cp2的los覆盖，或者需要针对cp2部署光纤或电缆回传链路。不幸的是，这两种方法都增加网络部署成本。

本发明提供一种通过采用增强型mmcpe(emmcpe)使mm波bs有效地服务其los覆盖区域之外的mmcpe的方法和装置。

附图简述

以下附图列表中使用的缩写在下一章节中定义，下一章节提供了本发明的实施方案的详细描述。

图1示出了简单例子，其中，一个mm波bs服务其los覆盖范围内的一个cp的一个mmcpe，而无法服务被一个障碍物阻挡而在其los覆盖范围之外的另一个cp的另一个mmcpe。

图2示出了1型emmcpe的例子，该1型emmcpe包括本地mmcpe、小型小区、控制器、面向bs的天线阵列、mmcpe服务天线和小型小区服务天线阵列。

图3示出了2型emmcpe的例子，该2型emmcpe包括本地mmcpe、解码转发中继器、控制器、面向bs的天线阵列、两个mmcpe服务天线和中继器服务天线阵列。

图4示出了3型emmcpe的例子，该3型emmcpe包括本地mmcpe、放大转发中继器、控制器、两个面向bs的天线阵列、一个mmcpe服务天线和两个中继器服务天线阵列。

图5示出了简单例子，其中，一个mm波bs服务其los覆盖范围内的一个cp的第一emmcpe，同时通过第一emmcpe服务被一个障碍物阻挡而在其los覆盖范围之外的另一个cp的第二emmcpe。

发明详述

现在参考附图，其中相同标号自始至终指代相同部分。现在，将描述本发明的示例性实施方案。示例性实施方案被提供用于展示本发明的方面并且不应被解释为限制本发明的范围。当参考框图或流程图描述示例性实施方案时，每个框可以表示方法步骤或用于执行该方法步骤的装置元件。根据实现方式，相应装置元件可以被配置到硬件、软件、固件或其组合中。

在以下描述中，除非上下文以其他方式指示，否则天线和射频(rf)路径可互换地用于指示发射(tx)或接收(rx)rf电路以及与其连接的天线。例如，在混合波束成形系统中，一条rf路径可以经由波束成形电路(主要是模拟的)连接至多个天线元件。在这种系统中，连接至同一rf路径的所有天线元件可以被视作基带处理中的单个等效天线。此后，导频信号可以指出于估计发射天线与一个或多个接收天线之间的信道的目的由一个天线发射的信号。其也可以被称为参考信号、信道估计信号或测试信号。

一个实施方案使用空间分布的、数字控制的单频带到单频带或单频带到多频带智能mm波中继器，被称为分布式无线智能天线(dwsa)，其配备有用于服务dwsa的覆盖区域内的ue的波束操纵天线。在单频带到单频带cbs-dwsa链路的情况下，回传中心基站cbs之间的连接使用具有总带宽bw的mm波无线频带，例如，在针对每个dwsa的cbs之外的一个空间波束上，并且dwsa-ue链路可以支持具有小于或等于bw的带宽的一个mm波频带，例如，在dwsa之外的一个空间波束上。在单频带到多频带bs-dwsa链路的情况下，cbs之间的连接使用具有总带宽n·bw的(多个)mm波无线频带，例如，在针对每个dwsa的cbs之外的一个空间波束上，并且dwsa-ue链路可以支持n个mm波频带，例如，dwsa之外的n个空间波束，其中每个空间波束上一个频带，频带或波束中的每一个具有带宽1·bw，或者n<n个dswa-ue频带/波束，该dswa-ue频带/波束中的每一个使用不同频带并且所有dswa-ue频带/波束的带宽总和小于或等于n·bw。用于cbs-dwsa链路和dwsa-ue链路的频带可以相同或不同。在使用相同频带的情况下，dwsa使用针对ue的定向天线，其中cbs-dwsa波束和dwsa-ue波束的方向充分分开，从而使得存在足够的rf隔离以减少自干扰。可以使用干扰消除电路来消除任何剩余自干扰，该干扰消除电路对发射的信号进行采样以产生要添加到接收信号的消除信号。这进一步减少自干扰。

cbs包括基带单元(bbu)和无线电单元(ru)，在这两个单元中执行对所有ue信号的无线电处理和基带处理。cbs管理和协调所有dwsa以便更好地服务所有ue。每个dwsa包括针对cbs-dwsa无线链路的天线、天线阵列或具有mm波波导或探测器的电磁波透镜(统称为天线)；针对dwsa-ue无线链路的天线，该天线可以与针对cbs-dwsa无线链路的天线相同或不同；以及rf电路，该rf电路主要由连接cbs-dwsa天线与dwsa-ue天线的放大器组成。rf电路可以进一步由滤波器和混频器或移频器组成，该移频器用于将频带从无线链路在一侧上的频带移动到无线链路在另一侧上的频带。如果同一频带用于无线链路的两侧上，则该rf电路可以进一步由自干扰消除电路组成。

在一个实施方案中，cbs处的bbu和ru使用多用户mimo(mu-mimo)波束成形到dwsa，从而使得同一频带可以在空间上复用以服务多个dwsa。波束对准和信道估计被执行以增加该多个cbs-dwsa无线链路的吞吐量。此外，cbs使用被包括作为cbs与ue之间的rf信道的一部分的相关联dwsa与多个ue执行mu-mimo空间复用。这被称为dwsa直通波束成形(pass-throughbeamforming)(ptb)。ptb减少dwsa间和/或ue间干扰。cbs管理和控制dwsa与ue的波束对准并且对cbs与ue之间的总信道执行信道估计以增加该多个总cbs-ue无线链路的吞吐量。代替ptb，因为cbs可以获得所有dwsa的信息，所以cbs可以协调多个dwsa的波束方向以减少dwsa之间的干扰。在一个实施方案中，cbs集中处理和/或频谱资源并且可以在多个cbs-dwsa无线链路之间和/或dwsa-ue/cpe无线链路之间分配可用带宽以满足ue的吞吐量需求分布。此实施方案是新型前传，因为cbs与dwsa之间的多个空间上复用的波束上的信号不是如常规前传中的数字iq信号。相反，它们是待通过cbs-dwsa-ue信道传输并直通波束成形到ue的rf信号，如果不同频带用于cbs与dwsa之间的无线链路以及dwsa与ue之间的无线链路，则在dwsa处具有一个或多个载波频移操作。由cbs通过dwsa使用ptb服务ue。在此实施方案中，我们说cbs使用针对cbs与dwsa之间的无线链路的mu-mimorf通过rf前传(rr-前传)。dwsa放大rf信号，在需要时移动载波频率并且还可以使用滤波器抑制带外信号。当同一频带用于rr前传和dwsa-ue无线链路时，dwsa可以使用用于rr前传的一个定向天线或者同一天线或天线阵列的(多个)波束方向以及用于dwsa-ue无线链路的不同定向天线或者同一天线或天线阵列的(多个)不同波束方向。不同定向天线或不同波束方向之间的rf隔离应当很大。在一个例子中，以db为单位的rf隔离ri、dwsarf路径的增益g以及信号在rf信号的预期目的地处的期望snr满足ri–g≥snr，该预期目的地可以是ul中的cbs或dl中的ue。

在第一时间段，cbs使用多个dwsa的第一子集进行波束成形，并且通过该第一子集使用ptb与一组ue进行波束成形。dwsa中的每一个或一些可以包括rf中继器，该rf中继器用于将频谱带的一部分上的rf信号中继到不在cbs的视线(los)内的另一个dwsa，从而使得来自cbs的rf信号的一部分可以到达不在cbs的los内的dwsa。然后，cbs可以通过dwsa的第一子集与位于dwsa的第一子集的覆盖区域内的ue进行直通波束成形并且通过dwsa的第一子集中的rf中继器并通过非losdwsa与位于非losdwsa的覆盖区域内的ue进行直通波束成形。在第二时间段，cbs使用多个dwsa的第三子集进行波束成形，并且通过该第一子集使用ptb与一组ue进行波束成形。这些dwsa中的每一个或一些还可以包括rf中继器，该rf中继器用于将频谱带的一部分上的rf信号中继到不在cbs的视线(los)内的另一个dwsa，从而使得来自cbs的rf信号的一部分可以到达不在cbs的los内的dwsa。然后，cbs可以通过dwsa的第二子集与位于dwsa的第二子集的覆盖区域内的ue进行直通波束成形并且通过dwsa的第二子集中的rf中继器并通过非losdwsa与位于非losdwsa的覆盖区域内的ue进行直通波束成形。cbs中的媒体访问控制器(mac)调度ue的第一子集和第二子集以及相关联的dwsa，并且rf中继器(如果有的话)存在于第一时间段和第二时间段内并且被需要用于实现与ue的ptb。

在一个实施方案中，dwsa进一步包括ue检测电路，该ue检测电路侦听来自ue的上行链路(ul)信号，并且当检测到新ue时，dwsa向cbs发送ul信号以便向cbs报告新ue。在另一个实施方案中，dwsa的接收器控制dwsa-ue天线扫描来自ue的ul信号。在又另一个实施方案中，dwsa用广播和/或控制消息传输命令以控制dwsa-ue天线扫描覆盖角范围，并且dwsa的接收器控制dwsa-ue天线扫描来自ue的ul信号。当在一个或多个dwsa覆盖下的一个或多个ue具有待发射或接收的数据时，dwsa中的发射器处于工作模式中，操纵其dl波束波束成形到ue。当dwsa的覆盖范围内没有待传输数据的ue时，dwsa到ue的数据传输处于睡眠或空闲模式，或者断开以节省电力。

在另一个实施方案中，具有比例如在低于6ghz频谱内的mm波更好的覆盖和传播性质的较低频带用于使cbs与其覆盖下的dwsa通信并控制该dwsa，包括控制dwsa的波束扫描和对准以建立或保持与ue的无线链路。较低频带上的命令或信号与针对cbs-dwsa无线链路的mm波频带中的信号或事件及时同步。

本领域已知模拟rf信号可以被直接调制到光波上并且通过具有低损耗的光线传输。然而，通过电线或电缆传输高频模拟rf信号效果不佳，因为高频和宽带模拟信号通过电线或电缆快速衰减。一个实施方案使用电线或电缆(例如，以太网线缆或同轴电缆)通过以下方式传输有限带宽的模拟信号(例如，带宽＝20、100或160mhz)：通过使用零或低中间载频(if)传输rf信号以避免具有高频载波的宽带模拟rf信号快速衰减的问题。这被称为rf通过电线前传(rw-前传)。在dl中，cbs使用数模转换dac电路将数字基带信号转换成有限带宽的模拟信号并使用零或低if通过电线或电缆传输该有限带宽的模拟信号。分布式智能天线(在这种情况下有线的，被称为dsa-w)或远程无线电单元(ru)通过rw-前传接收有限带宽的模拟信号，例如使用本地振荡器在载频下驱动的混合来将该信号向上转换成载频，并且用无线电传输rf信号。在ul中，dsa-w在载频下从ue接收rf信号，将rf信号向下转换成零或低if，通过电线或电缆将所产生的有限带宽的模拟信号传输至cbs。cbs接收模拟信号，必要时将该信号向下转换成基带，并且执行adc以获得数字基带信号进行物理层和更上层中的进一步处理。dsa-w或ru主要由以下各项组成：一个或多个接收放大器、混频器、本地振荡器、一个或多个发射放大器和滤波器(如果需要的话)。其还可以包括同步电路，该同步电路用于同步载频以及必要时相位以便与其他dsa-w或ru进行协作波束成形或分布式mimo。此实施方案允许adc、dac和主无线电信号电路与cbs定位在一起，并且使空间上部署的dsa-w或ru相比于具有常规数字iq信号前传的移动网络中的常规ru更简单，在该移动网络中adc、dac和所有无线电信号电路与ru一起。除了提供性能改善和效率增益之外，简化dsa-w或ru降低部署和维护成本，因为它们必须在空间上广泛分布并且安装在相当高度处。

在另一个实施方案中，在低于6ghz频率范围内有mu-mimo能力的中心基站cbs使用mu-mimo波束成形以提供到客户驻地设备(cpe)或小型小区(sc)的回传连接，该cpe或sc使用方向高增益(例如，≥20dbi)天线建立与cbs的无线链路。cpe或sc还可以使用双极化方向高增益天线来提供多样性或空间复用性以建立与cbs的两个独立通信流。在第一时间段，cbs与cpe或sc的第一子集进行波束成形，该cpe或sc中的每一个或一些可以包括rf中继器，该rf中继器用于将频谱带的一部分上的rf信号中继到不在cbs的视线(los)内的另一个cpe或sc，从而使得来自cbs的rf信号的一部分可以到达不在cbs的los内的cpe或sc。然后，cbs可以通过cpe或sc的第一子集中的rf中继器中的一个或多个与非loscep或sc进行直通波束成形。在第二时间段，cbs与cpe或sc的第二子集进行波束成形，该cpe或sc中的每一个或一些还可以包括rf中继器，该rf中继器用于将频谱带的一部分上的rf信号中继到不在cbs的视线(los)内的另一个cpe或sc，从而使得来自cbs的rf信号的一部分可以到达不在cbs的los内的cpe或sc。然后，cbs可以通过cpe或sc的第二子集中的rf中继器中的一个或多个与非loscep或sc进行直通波束成形。cbs中的媒体访问控制器(mac)在第一时间段和第二时间段内调度cpe或sc的第一子集和第二子集以及用于ptb的rf中继器和非loscpe或sc。

本发明的一个实施方案是一种emmcpe，包括：本地mmcpe，该本地mmcpe向本地cp内的ue提供服务；转发处理设备(fpe)，该fpe向其覆盖下的其他装置、ue、mmcpe或emmcpe提供服务；以及控制器，该控制器将数据的一部分路由到本地mmcpe或从本地mmcpe路由数据的一部分并且将数据的另一部分路由到bs控制下的fpe或从该fpe路由数据的另一部分。

在一个实施方案中，1型emmcpe使用小型小区(sc)作为其fpe，其中，本地mmcpe和sc共享一个或多个面向bs的天线阵列以便在mm波频带内与bs通信；本地mmcpe采用一个或多个天线或天线阵列在相同或不同频带内向本地cp提供服务；sc采用一个或多个天线阵列在相同或不同mm波频带内服务其覆盖下的其他装置、ue、mmcpe或emmcpe；bs向本地mmcpe提供mm波回传链路并且还向使用不同时隙、不同频率资源或不同对天线阵列的sc提供mm波回传链路；并且sc确定波束的操纵或切换以服务其覆盖下的其他装置、ue、mmcpe或emmcpe。图2示出了1型emmcpe5的例子，该1型emmcpe包括本地mmcpe4、sc6、控制器7、面向bs的天线阵列8、mmcpe服务天线9和sc服务天线阵列10。在此例子中，本地mmcpe和sc共享面向bs的天线以便在mm波频带内与bs通信，sc使用其服务天线阵列在相同或不同mm波频带内服务其覆盖下的其他装置、ue、mmcpe或emmcpe，并且本地mmcpe使用其服务天线在低于6ghz频带内服务本地cp。

在另一个实施方案中，2型emmcpe使用解码转发中继器(dfr)作为其fpe，其中，本地mmcpe和dfr共享一个或多个面向bs的天线阵列以便在mm波频带内与bs通信；本地mmcpe采用一个或多个天线或天线阵列在相同或不同频带内向本地cp提供服务；dfr采用一个或多个天线阵列在相同mm波频带内服务其覆盖下的其他装置、ue、mmcpe或emmcpe；bs向本地mmcpe提供mm波回传链路并且还向使用不同时隙、不同频率资源或不同对天线阵列的dfr提供mm波施体(donor)链路；并且dfr将一个或多个波束操纵或切换到由bs选择的一个或多个方向以便服务其覆盖下的其他装置、ue、mmcpe或emmcpe。图3示出了2型emmcpe11的例子，该2型emmcpe包括本地mmcpe4、dfr12、控制器7、面向bs的天线阵列8、两个mmcpe服务天线9和dfr服务天线阵列13。在此例子中，本地mmcpe和dfr共享面向bs的天线以便在mm波频带内与bs通信，dfr使用其服务天线阵列在相同mm波频带内服务其覆盖下的其他装置、ue、mmcpe或emmcpe，并且本地mmcpe使用两个服务天线在低于6ghz频带内服务本地cp。

在另一个实施方案中，3型emmcpe使用放大转发中继器(afr)作为其fpe，其中，本地mmcpe和afr共享一个或多个面向bs的天线阵列以便在mm波频带内与bs通信；本地mmcpe采用一个或多个天线或天线阵列在相同或不同频带内向本地cp提供服务；afr采用一个或多个天线阵列在相同mm波频带内服务其覆盖下的其他装置、ue、mmcpe或emmcpe；bs向本地mmcpe提供mm波回传链路并且还向使用不同时隙、不同频率资源或不同对天线阵列的afr提供mm波施体链路；并且afr将一个或多个波束操纵或切换到由bs选择的一个或多个方向以便服务其覆盖下的其他装置、ue、mmcpe或emmcpe。图4展示了3型emmcpe14的例子，该3型emmcpe包括本地mmcpe4、afr15、控制器7、两个面向bs的天线阵列8、一个mmcpe服务天线16和两个afr服务天线阵列17。在此例子中，本地mmcpe和afr共享两个面向bs的天线以便在mm波频带内与bs通信，afr使用两个服务天线阵列在相同mm波频带内服务其覆盖下的其他装置、ue、mmcpe或emmcpe，并且本地mmcpe使用其天线阵列在相同或不同mm波频带内服务本地cp。

本发明的另一个实施方案是一种mm波无线通信系统，其中，bs向多个mmcpe提供mm波回传链路，其中，在bs的los覆盖范围内的装置、ue或mmcpe或emmcpe直接被一组时间-频率-空间资源内的bs服务，而在bs的los覆盖范围之外的装置、ue或mmcpe或emmcpe被另一组时间-频率-空间资源内的bs的los覆盖范围内或之外的另一个emmcpe服务。对于emmcpe，分配给本地mmcpe以服务本地cp以及分配给fpe以服务一个或多个其他装置、ue、mmcpe或emmcpe的时间-频率-空间资源可以被预定义或通过bs向emmcpe发送控制消息来被bs自适应地控制。图5展示了简单例子，其中，一个mm波bs服务其los覆盖范围内的一个cp的一个第一emmcpe18，同时通过第一emmcpe服务被一个障碍物阻挡而在其los覆盖范围之外的另一个cp的另一个第二emmcpe。在此例子中，bs通过使用一组时间-频率-空间资源的emmcpe1服务位于其los覆盖区域内的cp1，同时通过emmcpe1和emmcpe2服务其los覆盖区域之外的cp2，其中emmcpe2位于使用另一组时间-频率-空间资源的emmcpe1的覆盖区域内。与图1中的例子相比，通过用emmcpe来代替mmcpe，bs的覆盖区域被扩大，并且无法使用mmcpe服务的cp2现在可以通过采用emmcpe而被服务。另外，在bs的los覆盖区域之外但在emmcpe1的覆盖区域内的多个cp可以通过emmcpe1被bs服务，并且在bs的los覆盖区域之外但在emmcpe2的覆盖区域内的多个cp可以通过emmcpe1和emmcpe2被bs服务。

在一个实施方案中，来自本地mmcpe的包括在不同时间-频率-空间资源中操作的sc的1型emmcpe用于服务在其覆盖区域下的一个或多个其他装置、ue、mmcpe或emmcpe。

在另一个实施方案中，来自本地mmcpe的包括在不同时间-频率-空间资源中操作的dfr的2型emmcpe用于服务一个或多个其他装置、ue、mmcpe或emmcpe。

在另一个实施方案中，来自本地mmcpe的包括在不同时间-频率-空间资源中操作的afr的3型emmcpe用于服务一个或多个其他装置、ue、mmcpe或emmcpe，其中，afr处的接收信号应当足够高以防止放大噪声电平。

尽管本发明的优选实施方案的前述说明已经示出、描述或展示了本发明的基本新颖特征或原理，但是应理解的是，在不偏离本发明的精神的情况下，本领域技术人员可以对如所展示的方法、元件或装置以及其用途的细节形式做出各种省略、替代和改变。因此，本发明的范围不应局限于前述说明。而是，本发明的原理可以应用于广泛的方法、系统和装置以便实现本文所描述的优点并实现其他优点或还满足其他目标。