包括多个天线的小小区基站以及通过选择天线的子集用于使用以控制接收模式的方法

包括多个天线的小小区基站以及通过选择天线的子集用于使用以控制接收模式的方法
【专利摘要】提供了一种在包括多个天线的小小区基站中通过选择天线的子集用于使用来控制接收模式的方法。该方法包括：取决于对所接收的信号质量的测量，为天线的每个子集确定排序值；以及选择提供最高排序值的天线子集用于使用。
【专利说明】包括多个天线的小小区基站以及通过选择天线的子集用于使用以控制接收模式的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电信，特别地涉及无线电信。
【背景技术】
[0002]无线电信系统是众所周知的。许多这样的系统是蜂窝的，因为无线覆盖通过一群被称为小区的无线电覆盖区域来提供。提供无线电覆盖的基站位于每个小区中。传统基站在相对大的地理区域中提供覆盖，并且对应的小区通常称为宏小区。
[0003]在宏小区内建立更小尺寸的小区是可能的。比宏小区小的小区有时被称为小小区(small。611)、微小区(111；[(31'00611)、微微小区(。;[(300611)或毫微微小区(femtocell),但是我们互换地并且一般性地使用术语小小区和毫微微小区用于比宏小区小的小区。建立毫微微小区的一种方式是提供毫微微小区基站，该毫微微小区基站工作在宏小区覆盖范围内的相对有限的范围内。使用毫微微小区基站的一个示例是提供建筑物内的无线通信覆盖。
[0004]毫微微小区基站具有相对低的传输功率，并且因此每个毫微微小区具有与宏小区相比较小的覆盖区域。典型的覆盖范围是几十米。
[0005]毫微微小区基站具有自动配置的性质，以便于支持用户的即插即用部署，例如在该部署中，毫微微小区基站可以将它们自己整合进入已有的宏小区网络，以便于连接到宏小区网络的核心网络。
[0006]一种已知类型的毫微微小区基站将宽带互联网协议连接用作“回程”，即用于连接到核心网络。一种类型的宽带互联网协议连接是数字用户线路(DSL)。DSL将毫微微小区基站的DSL发射机-接收机(“收发机”)连接到核心网络。DSL允许支持经由毫微微小区基站所提供的语音呼叫和其他服务。毫微微小区基站还包括连接到天线的射频(RF)收发机，用于无线电通信。这样的有线宽带回程的一种替代是具有无线回程。
[0007]毫微微小区基站有时被称为毫微微基站(femto)。
[0008]小小区的小覆盖范围意味着能够比单独使用宏小区可达到的更加有效率地使用无线电频谱，并且由于小小区基站与用户终端之间的无线电链路较短，给出高数据速率的良好质量的链路是可能的。然而，需要管理毫微微基站与宏小区之间的无线电交互。具体地，在宏蜂窝网络内毫微微基站的联合部署中，无线电干扰是已知要解决的问题。
[0009]关于无线电频谱的使用，小小区和宏小区能够以基本上两种方式来部署。一种方式是使用专用信道，从而小小区使用与宏小区不同的频带，并且因此没有干扰；而另一种方式是同信道使用，其中相同的频带由小小区和宏小区两者来使用。尽管引起了干扰，同信道操作是可取的，因为它提供了对带宽的更多使用，但是干扰需要最小化。除了毫微微基站与宏小区之间的干扰外，毫微微基站未来很可能的密集部署将需要管理毫微微基站之间的干扰(所谓的“毫微微小区内的干扰”)，即使当宏小区和毫微微基站使用不同的频带时。
[0010]干扰可以从宏小区基站或毫微微小区基站的角度来考虑，以及在来自基站的下行链路方向中或者在去往基站的上行链路方向中来考虑。然而，对于连接到用户终端的毫微微基站，传输功率在上行链路方向和下行链路方向两者中都很低，特别是当毫微微基站用户对宏小区的干扰被要求低时。因此，由宏小区基站对毫微微基站所引起的干扰通常比反过来更显著。
[0011]已知的毫微微基站使用具有可调整的输出功率的静态天线系统，其中这些天线是简单的偶极天线或印刷电路板(PCB)天线。这样的天线具有低增益并且基本上提供全向的、固定的覆盖图(coverage pattern)。

【发明内容】

[0012]读者将参考所附的独立权利要求。一些优选的特征在从属权利要求中阐述。
[0013]本发明的一个示例是，一种在包括可切换的天线的小小区基站中通过选择天线的子集用于使用来控制接收模式的方法。该方法包括:取决于对所接收的信号质量的测量，为天线的每个子集确定排序值；以及选择提供最闻排序值的天线子集。
[0014]一些优选的实施例涉及:以简单、快速以及响应于无线电环境中的改变的方式，动态地选择最优或者接近最优的天线子集，换言之，选择最优或者接近最优的天线或天线组合。一些优选的实施例提供良好的方式来选择天线，以便于减轻无线电干扰。一些优选的实施例涉及可用天线子集的系统评估，以选择具有最高排序的天线子集用于使用。一些优选的实施例涉及周期性地评估各个天线子集，以便于适应无线电环境中的改变。
[0015]一些优选的实施例涉及:智能地选择天线子集用于测试和可能的使用，减少归因于不正确的天线选择的性能损失，以及根据对天线子集的先前评估进行适应性的学习。
[0016]在一些优选的实施例中，避免了对不合适的天线子集的过度测试。
[0017]一些优选的实施例实时地工作，因此不涉及繁重的计算。此外，一些优选的实施例响应于无线电环境中的改变，诸如归因于用户终端的移动性和新语音呼叫或数据会话的发起。
[0018]相比已知的使用全向天线的方法，可以减少对来自小小区连接的用户终端的信号的上行链路干扰。来自小小区基站的较低传输功率可以产生，并提供更长的电池寿命以及“更绿色”的通信。作为可能的附加益处，来自小小区基站对其他基站的用户的下行链路干扰也可以因此被减少。
【专利附图】

【附图说明】
[0019]现在将通过示例的方式并且参考附图来描述本发明的实施例，在附图中:
[0020]图1是图示了根据本发明的第一实施例的无线通信网络的示意图，
[0021]图2是图示了在图1中所示出的一个宏小区内的示例毫微微小区基站部署的示意图，
[0022]图3是图示了具有多元件可切换天线的毫微微基站的示意图，
[0023]图4是更详细地图示了在图3中所示出的毫微微基站中的一些电路系统的示意图，
[0024]图5是图示了迭代毫微微基站操作循环的示例的示意图，迭代毫微微基站操作循环涉及使用所选择的天线子集(第一使用周期)、测试天线子集(测试间隔)以选择用于随后使用的天线子集、然后使用所选择的天线子集(第二使用周期)，以及[0025]图6是图示了针对一个天线子集的学习速率因数适应性的示意图，该学习速率因数适应性是自从对该天线子集的先前测试以来的时间的函数。
【具体实施方式】
[0026]发明人认识到实施经典的波束成形，即使用具有特定幅度和相移的多个天线元件，在毫微微基站中不可行。
[0027]发明人认识到多元件可切换天线的使用对于干扰抑制是有用的。这里提供多个天线并且使用开关来选择使用哪个天线或天线的组合。发明人认识到这个方法的计算复杂度一般较低，但由于它取决于所使用的天线的数量，通常避免一次使用多于两个天线。
[0028]发明人认识到，为了使这个方法的使用有效，必须通过解决如何动态地选择天线模式(antenna pattern),给出根据感兴趣的用户终端具有小干扰的良好信号，来管理干扰。
[0029]在描述毫微微小区基站以及它的功能之前，我们现在以对网络的描述开始来描述本发明的示例实施例。该功能基于循环，每个循环涉及将测试的天线子集的智能选择、天线子集的测试、以及用于在通信中使用的天线子集的智能选择。
[0030]网络
[0031]如图1和图2中所示出的，用于无线通信的网络10包括两种类型的基站，即宏小区基站和毫微微小区基站(后者有时称为“毫微微基站”)，用户终端34可以通过网络10漫游。为了简单，图1和图2中示出了一个宏小区基站22。每个宏小区基站具有无线电覆盖区域24，无线电覆盖区域24通常称为宏小区。宏小区24的地理范围取决于宏小区基站22的能力以及周围的地形。
[0032]在宏小区24内，每个毫微微小区基站30提供了对应的毫微微小区32内的无线通信。毫微微小区是一个无线电覆盖区域。毫微微小区32的无线电覆盖区域远小于宏小区24的无线电覆盖区域。例如，毫微微小区32在大小上对应于用户的办公室或者住宅。
[0033]如图1中所示出的，网络10由无线电网络控制器RNC170来管理。无线电网络控制器RNC170例如通过经由回程通信链路160与宏小区基站22进行通信来控制操作。无线电网络控制器170维护邻区列表，邻区列表包括关于由基站所支持的小区之间的地理关系的信息。此外，无线电网络控制器170维护位置信息，该位置信息提供关于无线通信系统10内用户设备位置的信息。无线电网络控制器170可操作来经由电路交换和分组交换网络以路由业务量。对于电路交换业务量，提供了移动交换中心250，无线电网络控制器170可以与之通信。移动交换中心250与诸如公共交换电话网(PSTN)210的电路交换网络通信。对于分组交换业务量，网络控制器170与服务通用分组无线服务支持节点(SGSN) 220和网关通用分组无线支持节点(GGSN) 180通信。GGSN然后与分组交换核心190通信，分组交换核心190诸如,例如互联网。
[0034]MSC250、SGSN220、GGSN180和运营商IP网络构成所谓的核心网络253。SGSN220和GGSN180通过运营商IP网络215连接到毫微微小区控制器/网关230。
[0035]毫微微小区控制器/网关230经由互联网190连接到毫微微小区基站30。通往毫微微小区控制器/网关230的这些连接是宽带互联网协议连接(“回程”)的连接。
[0036]在图2中，为了简单，不出了二个晕微微小区基站30和对应的晕微微小区32。[0037]对于宏小区24内的移动终端34，与宏小区基站22进行通信是可能的。当移动终端34进入毫微微小区32中时，可取的是将与该移动终端的连接从宏小区切换到毫微微小区，其中该移动终端对毫微微小区32注册，用于在毫微微小区基站30内的通信。在图2中所示出的示例中，移动终端34的用户是毫微微小区32最接近的优选用户32’。
[0038]如图2中所示出的，毫微微小区基站30经由宽带互联网协议连接(“回程”)36连接到核心网络(图2中未示出)，并且因此连接到电信“世界”的其余部分(图2中未示出)。“回程”连接36允许毫微微小区基站30之间通过核心网络(未示出)的通信。宏小区基站也连接到核心网络(图2中未示出)。
[0039]臺微微小区某站
[0040]如图3中所示出的，毫微微基站包括连接到回程接口 52的处理电路系统50，回程接口 52连接到回程DSL线路36。处理电路系统连接到传输放大器58和接收放大器60，传输放大器58和接收放大器60两者均连接到双工器62。双工器62连接到开关64。开关64是具有四个输出66的一至四开关，每个输出66连接到各自的天线(有时称为天线元件)68。为了计算的简单性以及为了将阻抗失配保持在可接受的限度内，在任何一次连接不多于两个天线元件。因此，对于四个天线的系统，总共有十种可能的天线模式(换言之，十个天线子集，换言之，可能有十个不同的天线或天线组合的选择)。即，这些是个别的四个天线，加上两个天线的六种可能的组合(即，第一和第二、第一和第三、第一和第四、第二和第三、第二和第四、以及第三和第四)。
[0041]在这个示例中，天线元件每个是贴片天线，这些天线元件小并且容易在毫微微基站的外壳内连接，毫微微基站的外壳尺寸上大约是17X17X3.5厘米，并且包含单个主电路板(未具体示出)。贴片天线在形状上是扁平的，并且容易定位在基站中与主电路板平行地放置。
[0042]如图4中所示出的，毫微微基站30的电路系统50包括操作的来确定所接收的信号干扰比SIR的处理器51、操作的来将所确定的值与目标SIR值进行比较的比较器53、以及用户终端传输功率控制器55。电路系统50还包括连接到开关64的开关控制器57。
[0043]毫微微小区基站功能
[0044]在任何给定的时间，毫微微基站应当以无线电接收模式来操作，无线电接收模式向毫微微基站连接的用户终端提供高增益，并且向其他用户终端提供低增益，其他用户诸如宏小区连接的用户和连接到其他毫微微基站的用户。每个模式的适应度通过评估连接到毫微微基站的用户终端所要求的传输功率来判断，该所要求的传输功率满足毫微微基站的上行链路信号干扰比SIR的要求。因为毫微微基站使用WCDMA技术，并且用户终端的传输功率由毫微微基站以快速功率上行链路控制机制所控制，所以即使实际初始功率是未知的，毫微微基站监视其用户的相对功率。因此，毫微微基站，特别是它的处理器51，执行对所接收信号干扰比的频繁重复测量，并且每次，比较器53将结果与目标SIR要求进行比较。一旦发现所测量的SIR超出目标SIR，毫微微基站，具体是用户终端功率控制器55，就命令该用户终端降低它的传输功率。另一方面，一旦所测量的SIR变为低于目标SIR，毫微微基站就命令该用户终端增加它的传输功率。因此，以这种方式，相对于用户终端初始传输功率的用户终端传输功率对毫微微基站是已知的。
[0045]天线子集的测试[0046]开关控制器57控制开关64，从而毫微微基站尝试可能的天线子集(有效可能的天线模式)，并且选择最合适的一个天线子集用于使用，即选择要求低传输功率来满足SIR目标的一个天线子集，否则如果达到了最大上行链路传输功率而未达到SIR目标，则给出最佳SIR的天线子集被选择用于使用。
[0047]发明人认识到，一方面，对天线子集的频繁测试将导致在动态改变的无线电环境中的快速适应，但是因为一些天线子集可能表现不佳，可能发生频繁的SIR下降。发明人还认识到，假设允许重传，鉴于对可接受的分组丢失和分组延迟的限制，非常频繁的SIR测量可能不可接受。发明人认识到，如何测试天线子集是一种折衷，目的在于提供合理的快速适应但是可接受的分组丢失率和分组延迟。
[0048]在使用周期之间的每个间隔中测试一个天线子集
[0049]发明人认识到，在每个使用周期之前的测试间隔中测试所有的天线子集将是过度的。发明人还认识到，在变化的无线电环境中，完全避免对过去已经表现不佳的天线子集进行测试将是不利的，在该变化的无线电环境中天线子集可能在一段时间后表现变好。因此，发明人想到以下方法。
[0050]如图5中所示出的，在使用周期61之间的每个测试间隔59中测试单个天线子集。能够考虑到存在操作的循环，每个循环具有天线子集测试阶段59，随后是使用周期61，使用周期61使用根据下面更详细解释的排序方案到目前为止所发现的最佳天线子集。
[0051]测试单个天线子集所要求的间隔是一个UMTS时隙(等于0.66毫秒)，因为这是SIR评估可能在测量报告之间的时间进行的速率，这些测量报告依照UMTS标准被提供用于功率控制。
[0052]这个方法能够考虑为分布式测试方案，在分布式测试方案中，归因于上行链路方向中的功率波动和因其发生的SIR下降的错误，在测试期间很可能很小，因为测试间隔很短。
[0053]此外，为了对抗潜在的SIR下降在测试期间降至不可接受的水平，暂时地命令连接到毫微微基站的用户终端就在测试发生之前增加它们的传输功率。这稍后在下面更详细地描述。
[0054]如下面更详细解释的，根据测试，各个天线子集被排序。在如下面参考图6所解释的平滑操作之后，具有最佳排序的天线子集被选择并使用。当然，该排序随着时间而更新。
[0055]将天线子集排序
[0056]排序取决于无线电环境、用户终端的位置、以及无线电信道性质。排序可以被考虑为是对特定天线子集能够多好地捕获感兴趣的用户终端并且同时避免干扰用户的一种估计。这意味着对感兴趣的用户终端的高天线增益和对干扰用户的低天线增益。由于仅排序的相对值是重要的，天线子集X的(原始)排序R是针对该天线子集所观察到的SIR (以dB为单位)与用户终端的上行链路传输功率(以dBm为单位)之间的差异。这在数学上示出为:
[0057]R(X)=SINRx-Puplink
[0058]如先前所提到的，由于连接到毫微微基站的用户终端的上行链路传输功率受毫微微基站控制，毫微微基站跟踪每个用户终端的传输功率。(如所跟踪的传输功率是相对的传输功率，相对于各自的初始传输功率。)
[0059]除了测试发生的时隙(测试间隔)之外，在每个时隙，毫微微基站比较可能的天线子集的排序，并且选择具有最高排序的天线子集用于使用。
[0060]更新天线子集的排序
[0061]如先前所提到的，在每个时隙计算SIR值，用于对用户终端的功率控制。因此，针对当前(在使用中或者正在被测试)的天线子集，在每个时隙确定排序值的新估计。
[0062]排序值的改变被平滑化，使得已更新的(经平滑的)排序值RU)是旧值(R(X)tjld) +旧值与所估计的新(原始)值(R(X)m)之间的加权差异。这能够被考虑为根据以下公式的时间差异平均方法:
[0063]R (X) <==R (X) old+ α.[R (χ) new-R (χ) old]
[0064]其中α是0与I之间的学习速率。较高的学习速率比较低的学习速率更快速地抑制归因于较旧测量的贡献，并且学习速率取决于自从天线子集上次被测试以来的时间而适应性地改变。
[0065]如图6中所示出的，具体使用上升的二阶凸函数，即:
[0066]α = (N (χ) /k) ' 2+c
[0067]其中N(X)是自从上次测试或使用天线子集χ以来的时间，该时间以时隙为单位，并且K和c是常数。具体地，c是最小学习速率，并且K是定义曲线斜率的缩放因数。
[0068]效果是，如果测量在时间上接近在一起，则取平均是有用的并且低学习速率是所预期的。另一方面，如果测量之间的时间很长，则较旧的测量过时的机会增加，因此对稍后的测量的更迅速的适应变得可取，并且因此使用更高的学习速率。
[0069]发明人认识到，这种平滑化是合适的，因为在一方面，用新值完全替代旧值的备选方案将是不可取的，因为如果仅仅基于受高频率噪声影响的单个时隙中的测量，排序将非常容易受错误的影响，但是在另一方面，由于无线电环境随着时间改变，对排序相当快速的适应是可取的。
[0070]作为一种实践的情况，如果先前的测量旧于5秒(7500个UMTS时隙)，则先前的排序全部完全被覆盖写入(换言之，α=1)。
[0071]诜择哪个天线子集来测试
[0072]对使用周期的持续时间的选择，换言之，对测试间隔之间的时间间距的选择，是毫微微基站对它的无线电环境的适应速率与SIR下降的风险之间的一种折衷，SIR下降的风险归因于对表现不佳的天线子集的测试。在这个示例中，大约50个UMTS与150个UMTS时隙之间的使用周期，换言之，0.03到0.1毫秒的使用周期是合适的。例如，一个测试间隔(I个UMTS时隙)发生在大约100个UMTS时隙的使用周期之后。
[0073]在每个测试间隔中，对不同于当前在使用中的天线子集的天线子集进行测试。在决定测试哪个天线子集中，除了排序值，还考虑自从该天线子集上次被测量以来的时间，换言之，自从上次被测试或者上次被使用以来的时间。这一点的理由是天线子集的性能非常依赖于时间变化的因素，诸如用户终端的位置、本地环境和使用的无线电信道，因此表现不佳的天线子集在一段时间之后可能好转。
[0074]在这个示例中，使用了两种度量的简单且线性的组合(虽然在其他实施例中，这两种度量以不同的方式组合。)具体地，对测试哪个天线子集的选定天线子集是如下的天线子集:该天线子集给出了其排序与适当缩放的、自从上次被测试以来的时间的最高总和。这是:[0075]Explore (χ) =R(x) + ε.N(x)
[0076]其中ExploreOO是用于测试的天线子集“χ”的适合度的测量，并且Ν(χ)是天线子集“X”自先前测试或者使用的时隙数量，并且ε是缩放因数。
[0077]针对除了当前在使用中的天线子集之外的所有天线子集来确定Explore的值,并且给出最高Explore值的天线子集被选择用于测试。
[0078]在测试之前的功率增加
[0079]在测试期间总是存在归因于SIR下降的一定程度的风险，即使对将测试的天线子集的智能选择降低了这个风险。因此，为了最小化SIR下降的影响，对于该测试间隔，将连接到毫微微基站的用户终端的传输功率增加。这通过从毫微微基站向用户终端发送功率控制命令来实现。
[0080]最大传输功率(PMax ExplOT)被设置以便于避免对其他用户终端的过度干扰，然而最大的增加通常是不必要的。将命令的传输功率增加基于天线排序，或者基于统计相似度，或者基于天线排序和统计相似度两者来计算。现在依次描述这三种选择。
[0081]基于天线排序来计算功率增加
[0082]在这个第一方法中，为了这个目的而假设精确的排序，并且基于两个排序值之间的差异来简单地确定将被应用的功率增加。具体地，该功率增加是以下两项中的较小值:测试间隔之前的最大允许功率增加(PMax—ExplOT)，以及，上次所使用的天线子集(其使用是在上一使用周期)的排序值与受测试的天线子集的排序值之间的差异。这凭借如下假设:上次所使用的天线子集的排序高于受测试的天线子集的排序，这个假设是合适的，因为具有最高排序的天线子集在使用中/被选择用于使用。
[0083]上述内容可以在数学上写为:
【权利要求】
1.一种在包括多个天线的小小区基站中通过选择所述天线的子集用于使用来控制接收模式的方法； 所述方法包括:取决于对所接收的信号质量的测量，为所述天线的每个子集确定排序值；以及选择提供最高排序值的所述天线的子集用于使用。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量具有从用户终端所接收的信号的所接收的信号干扰比与所述用户终端的传输功率之间的差异。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述小小区基站知道所述用户终端的所述传输功率，因为所述小小区基站控制所述传输功率。
4.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中在每个测试间隔中，测试所述天线的单个子集，并且将它的排序与天线的所述子集中最后被使用并且当时是最高排序的一个子集的排序进行比较，以便于确定提供最高排序的所述天线的子集。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述测试间隔在使用周期之间，所述测试间隔是单个时隙，并且每个使用周期大约在25个到75个时隙。
6.根据权利要求5所述的方法，其中每个时隙具有0.66毫秒。
7.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中对天线子集的所述测量被用来对先前为所述子集所确定的排序值进行适配，以提供所述排序值，给予所述测量的加权取决于自从对所述子集的上次测量以来的时间。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述上次测量相对旧的情况下，给予所述测量更大的权重。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其中直到自从上次测量以来的预定时间，所述权重是依赖于自从上次测量以来的所述时间的二阶函数，所述权重在正的最小值与最大值I之间。
10.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中根据排序值和自从上次测量以来的时间，来确定对测试哪个天线子集的选择。
11.根据权利要求10所述的方法，其中被选择用于测试的所述子集对于它的排序值与它的自从上次测量以来的经缩放的时间之和具有最高值。
12.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述小小区基站针对连接到所述小小区基站的用户终端发送指令，以暂时地增加它们的传输功率用于所述测量。
13.根据权利要求12所述的方法，其中取决于上次所使用的天线子集的上次所确定的排序值与正在被测量的子集的上次所确定的排序值之间的差异，来确定功率增加的水平。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中取决于或者还取决于天线的所述两个子集的各自无线电接收模式之间的相似度指数，来确定所述功率增加的水平。
15.一种小小区基站，包括多个天线， 控制器，被配置为通过选择所述天线的子集用于使用来控制接收模式， 处理器，被配置为取决于对所接收的信号质量的测量，为所述天线的每个子集确定排序值，以及 选择器，被配置为选择提供最高排序值的所述天线的子集用于使用。
【文档编号】H04W16/28GK103518394SQ201280022953
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年3月2日 优先权日:2011年3月29日
【发明者】R·拉扎维, H·克劳森 申请人:阿尔卡特朗讯