[发明专利]在无线系统中实现高平均频谱效率的技术

说明书

相关申请的引用

本专利申请要求2011年4月7日提交的美国临时专利申请No.61/472,900的优先权，该申请在此整体引为参考。

技术领域

本公开一般涉及诸如蜂窝或无线局域网之类的无线系统，更具体地，涉及在无线系统中实现高平均频谱效率的技术。

背景技术

数字无线通信链路的频谱效率是定义为在不超过规定的误码率的情况下，单位时间(秒)、单位带宽(Hz)传送的信息的比特数的品质因数。频谱效率是以每秒每赫兹的比特数(通常写为“比特/s/Hz”)测量的。无线链路的频谱效率越高，单位时间和带宽中封装的传送信息越多。信息理论的首要结果使频谱效率与通信信道的信号质量(通常表示成信号与噪声加干扰比，或者SNIR)关联：SNIR越大，频谱效率越高。

理论上，两个站(例如，蜂窝系统中的基站和移动站)之间的每个无线传输可支持从0开始(不传送信息)，一直到由传输期间通信信道的质量决定的最大值的所有频谱效率。实际上，数字无线系统不支持连续的数据速率，而是支持通常由标准规定的有限数目的数据速率。每个数据速率对应于特定的频谱效率，最大数据速率给出对所考虑的系统中的任何传输来说，可能的峰值或最大频谱效率。对所有传输，以峰值频谱效率运转无线系统会产生可通过系统中的无线连接传送的最大数量的数据。这是系统的最大容量。如果所有的移动站都位于基站附近，并且始终都具有较高的信道质量，那么会产生最大容量和峰值频谱效率。如后所述，实际的系统容量，即，通过无线连接传送的数据的实际数量通常远远小于最大容量。

一般来说，无线系统中的无线信道质量因传输而异。这种效应在其中移动站随着时间的过去，甚至在传输期间改变其物理位置的蜂窝系统中尤其显著。在这种情况下，更有意义的是计算或测量一段时间内，整个小区的平均频谱效率，而不是关注每个传输的频谱效率，作为实际网络容量的指示。由于所有的传输起源于或者终止于基站，因此小区平均频谱效率直接与基站平均无线数据流量相关。

最初，商用蜂窝系统一直是在平均频谱效率低的情况下运行的。然而，传统的语音占优通信的不大比特率需求使无线运营商可以持续多年掩饰其网络的这种不足。另外，额外的RF频谱可用于在不提高平均频谱效率的情况下，支持无线流量的增长。

蜂窝系统中的频谱效率的初始限制是非常简单的调制技术的使用，在每个分配的RF频谱，所述调制技术只能装入数目很少的比特。随着网络从一代发展到另一代，引入了逐渐更复杂，更高效的调制技术，从而大大提高了峰值频谱效率，但是网络平均频谱效率仍然较低。平均性能较差的原因是具有微弱信号、高噪声、干扰源的存在、多径衰落等的空中接口的本质。

追随以前的趋势，第四代(4G)无线系统，比如WiMax和LTE(长期演进)已把传输方案推进到如此的复杂程度，以致在不付出极大的成本和功率代价的情况下，进一步的改进不太可能，尤其是对移动设备来说更是如此。例如，4G系统利用称为MIMO(多入多出)方案的多RF收发器方案。这些方案对几个天线信号采用大量数字信号处理，特别把极高的峰值频谱效率作为目标。然而，即使对这些系统来说，与峰值效率相比，平均频谱效率仍然较低。如前所述，这归因于空中接口的平均通信信道的较差质量。仅仅对几个天线信号进行数字信号处理并不是获得总的平均频谱效率的显著提高的可行解决办法。

能够接受和产生大量数字信息的智能电话机、无线平板电脑和其它移动设备的采用对无线网络产生了深远的影响。这与数据饥饿无线应用的大量使用相结合，把无线网络的容量需求推动到空前的水平。传统的低平均效率方法，包括现有的4G系统的那些方法对有限的RF频谱的利用不再适当。以远离理论上可能的峰值频谱效率的平均频谱效率运行网络完全过于浪费。此外，扩展传统的无线网络，以适应日益提高的容量需求并不经济。

鉴于上面所述，显然存在与传统无线网络相关的重大问题和缺陷。

发明内容

本公开的实施例包括通过利用新的基站架构和功能，解决传统无线通信中的低平均频谱效率的问题的技术。所述新的基站架构包括按照可编程的空间扫描，创建多个敏捷波束图，比如，在方位和高度方面可控制的笔形波束的无线电前端RF能力。这种前端能力要求把多个天线用于电子波束形成、控制和扫描。新功能包含新的移动客户端调度能力，和适当的信道矩阵处理软件的使用。