CN101160746B - 灵活的多扇区多天线系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有多个扇区的无线电接入网包括：服务相应扇区用于将数据发送到移动台的两个或两个以上扇区发射器；多个天线，每个天线被分配给一个相应扇区发射器；以及天线管理处理器，该天线管理处理器控制扇区天线分配并用来动态地将与第一扇区中的扇区发射器关联的扇区天线重新分配给第二扇区中的扇区发射器。

Description

灵活的多扇区多天线系统
技术领域
本发明一般涉及多输入多输出(MIMO)系统，更具体来说涉及用于高速分组数据信道的多扇区MIMO系统。
背景技术
对无线数据服务(例如移动因特网、视频流传输和基于IP的语音)的需求促使高速分组数据信道的发展以提供此类服务所需的高数据速率。IS-200标准的修订C引入了用于高速分组数据服务的前向分组数据信道(F-PDCH)。F-PDCH通过在信道状况有利时以机会主义方式调度用户接收前向分组数据信道上的数据来利用多用户分集。依据预定义的公平准则，如果所有前向链路资源(例如沃尔什码和功率)都被分配给具有最佳信道状况的移动台，则将吞吐量最大化，并因此达到最高可支持数据速率。一般来说，移动台仅在良好无线电状况中接收数据。移动台在反向链路开销信道上传输信道质量信息。此信道质量信息在基站处被用于调度移动台并选择最有效率的调制和编码方案。
目前，将使用高速前向分组数据信道限制于具有单个发射天线的系统。采用具有多个发射和接收天线的通信链路的多输入多输出(MIMO)通信系统可以达到显著更高的数据速率和/或提高了可靠性。这些改进是利用其中在发射天线上复用数据的空间复用来实现的。
发明内容
本发明涉及从无线电接入网中的一个或多个扇区通过共享的前向链路信道向多个移动台发送分组数据，这种共享的前向链路信道是诸如IS-2000系统中的前向分组数据信道(F-PDCG)和HSDPA系统中的高速下行链路共享信道(HS-DSCH)。每个扇区具有一个扇区发射器和多个扇区天线。该扇区发射器可以例如包括空间复用发射器，该空间复用发射器将移动台的数据流分成两个或两个以上子流以便从相应的天线发送到移动台。每个扇区中的调度器基于预定的调度准则在任一时刻选择一个或多个移动台以从基站接收分组数据。在一个实施例中，调度器在任一时刻选择一个或多个移动台来服务，以便使数据吞吐量最大化。调度器还可以将公平准则、服务质量或其他因素纳入考虑。可以由服务扇区中所有扇区发射器来服务于所选的移动台，或可以由服务扇区中少于所有扇区发射器的扇区发射器来服务于所选的移动台。如果使用服务扇区中少于所有扇区发射器的扇区发射器来将数据发送到所选的移动台，则调度器确定要使用的最佳天线组合。
可以动态且临时地将扇区天线从一个扇区重新分配到另一个扇区。在例如扇区之间的边界区域中的移动台之间的信道状况有利的情况下，将扇区天线从一个扇区重新分配到另一个扇区可能是适合的。也可以在交叉扇区的负荷失衡时重新分配扇区天线。在本发明的一个实施例中，基站处的天线管理处理器处理扇区天线的重新分配。
附图说明
图1是图示示范移动通信网络的组件的框图。
图2是图示移动通信网络中的多扇区小区的示意图，其中每个扇区具有多个发射天线。
图3是图示移动通信网络的基站的相关部分的框图。
图4是图示将一个扇区中的一个天线重新分配给另一个扇区的一种情况的示意图。
图5是图示将一个扇区中的一个天线重新分配给另一个扇区的另一种情况的示意图。
图6是图示本发明的一个实施例中组合的发射分集和空间复用的示意图。
具体实施方式
图1图示向移动台40提供分组数据服务的示范无线通信网络10的逻辑实体。图1图示根据cdma2000(IS2000)标准配置的无线通信网络10。还可以采用其他标准，包括宽带CDMA(W-CDMA)。无线通信网络10是采用高速前向分组数据信道(F-PDCH)来将数据传输到移动台的分组交换网络。无线通信网络10包括分组交换核心网络20和无线电接入网(RAN)30。核心网络20包括连接到外部分组数据网络(PDN)16(例如因特网)的分组数据服务节点(PDSN)22，并且支持至移动台40和来自移动台40的PPP连接。核心网络20向RAN 30添加IP流和从RAN 30中移除IP流，并在外部分组数据网络16与RAN 30之间路由传送分组。
RAN 30连接到核心网络20，并赋予移动台40对核心网络20的访问权。RAN 30包括分组控制功能(PCF)32、一个或多个基站控制器(BSC)34以及一个或多个无线电基站(RBS)36。PCF 32的主要功能是建立、保持和终止至PDSN 22的连接。BSC 34管理它们各自覆盖区内的无线电资源。RBS 36包括用于通过空中接口与移动台40通信的无线电设备。BSC 34可以管理多于一个RBS 36。在cdma2000网络中，BSC 34和RBS 36包括基站38。BSC 34是基站38的控制部分。RBS 36是基站38的包括无线电设备的部分，它通常与小区所在地关联。在cdma2000网络中，单个BSC 34可以包括多个基站38的控制部分。在基于其他标准的其他网络体系结构中，包括基站38的网络组件可以是不同的，但是总体功能将是相同的或相似的。
参考图2，每个RBS 36位于称为小区12的地理区域中，并对该地理区域中的移动台40提供服务。小区12被划分成扇区14以减少干扰。图2中分别由S1、S2和S3表示各个扇区14。在图2中，RBS 36位于小区12的中心附近，但是其他安排也是可能的。
图3图示RBS 36的一个扇区14中的组件。RBS 36包括具有多个扇区天线56的扇区收发器50、调度器58和天线管理处理器60。收发器向扇区14中的移动台40发射信号和从扇区14中的移动台40接收信号。每个扇区14包括多个扇区天线56。调度器58调度来自每个扇区天线56的分组数据传输。调度器58可以采用任何预定的调度准则。在一个实施例中，调度器58调度移动台以将数据吞吐量最大化。在其他实施例中，调度器58可以将诸如服务质量和公平度的其他因素纳入考虑。引入公平度准则的调度器58的示例是按比例公平调度器。天线管理电路60确定分配给扇区14且扇区收发器50可以使用的扇区天线56的数量。
在图3所示的示范实施例中，收发器50包括接收器52和空间复用发射器54。空间复用发射器54可以包括例如单位天线速率控制(PARC)发射器。空间复用发射器54将给定的移动台40的数据流拆分成多个子流，并使用用于每个子流的不同扇区天线56将每个子流发送到移动台40。
在示范实施例中使用空间复用发射器54通过高速分组数据信道(例如cdma2000系统中的前向分组数据信道(F-PDCH))将分组数据传输到移动台40。调度器58通过在信道状况有利时以机会主义方式调度移动台40接收前向分组数据信道上的数据来利用多用户分集。依据预定义的公平准则，如果所有前向链路资源(例如沃尔什码和功率)都被分配给具有最佳信道状况的移动台40，则吞吐量最大化，并因此达到最高可支持数据速率。一般来说，移动台40仅在良好无线电状况中接收数据。移动台40在反向链路开销信道上将信道质量信息传送到RBS 36。RBS 36处的调度器58使用该信道质量信息来调度移动台40并选择最有效率的调制和编码方案。
在多天线系统中，在任一时刻将所有天线分配给单个移动台40没有利用信道中的自由度。如果将调度器58约束为选择在任何时间由所有扇区天线56为单个移动台40提供服务，则即便所选的移动台40是具有最佳平均信道状况的一个移动台，仍可能所选的移动台40与扇区天线56中的一个或多个扇区天线之间的信道状况不是有利的。当用户的数量庞大时，可以通过使RBS 36能够在任一时刻使用本文中称为天线选择的技术向多于一个移动台40传输来实现吞吐量的进一步改善。利用天线选择，调度器58可以选择利用少于所有扇区天线56的扇区天线来为移动台40提供服务。调度器58选择至移动台40具有最佳信道状况的扇区天线56。最佳的一种解释是可以支持最高数据速率的扇区天线56。然后可以使用任何剩余扇区天线56来为另一个移动台40提供服务。利用M个扇区天线56，可以同时为最多M个移动台40提供服务。
当采用天线选择时，调度器58必须确定任一时刻要为哪个移动台40提供服务、要用于所选移动台40的每一个移动台的扇区天线56的数量、以及要使用哪些扇区天线56来向所选移动台40的每一个移动台传输。如果在调度器58处做出所有这些决策，则移动台40需要反馈RBS处的每个发射天线与移动台40处的每个接收天线之间的传播信道的信道信息。信道信息反馈可以包括该传播信道的信号干扰加噪声比(SINR)、信道质量指示符(CQI)、信道系数或速率指示符。
在一些实施例中，天线选择过程的一部分可以由移动台30来执行，以便减少所需的信道信息反馈的量。天线选择过程可以被分成两个步骤。在第一步中，为移动台40选择用于传输的扇区天线56的数量，本文中称为模式。在后续论述中，由符号模式-N指示所选的模式，其中N是指向移动台40传输而选择的扇区天线56的数量。在第二步中，选择将要使用的具体扇区天线56。
在天线选择的第一划分方法中，移动台40估算每种模式的所有可能天线组合的SINR，并选择每个可能模式的产生最大总和数据速率的天线组合。RBS 36处的调度器58选择要为哪个移动台40提供服务并基于信道信息反馈选择模式。在该方法中，移动台40需要反馈对应于每种模式中所选扇区天线56的传播信道的信道信息。该反馈可以包括信道质量指示符(CQI)或速率指示符。在M＝4个发射天线的示例中，反馈负荷对于模式-1是1个CQI，对于模式-2是2个CQI，对于模式-3是3个CQI，以及对于模式-4是4个CQI，从而产生总共10个CQI。
在天线选择的第二划分方法中，移动台40估算所有可能天线组合的SINR，并选择最佳模式的最佳天线组合。然后它反馈每个所选扇区天线56的CQI或速率指示符，即如果选择了模式-N，则反馈N个CQI。它还需要以信号通知2M-1种可能性中的天线选择，这可能需要M位。
在一个示范实施例中，可以在移动台处于软切换或更软切换时，通过将这种天线选择概念延伸到包括其他扇区14中的扇区天线56来实现系统吞吐量的进一步改善。参考图4，字母M指示的移动台40位于第一扇区S1中与第二扇区S2分界的附近。在该示例中，假定移动台M目前正由扇区S1提供服务。在该示例中还假定移动台M与位于扇区S2中由字母A指示的扇区天线56之间的信道状况非常有利。在此情况中，移动台M可以将扇区S2中的天线A与移动台M之间的有利信道状况报告给RBS 36。这可以通过反馈天线A与移动台M之间的传播信道的信道信息来实现或通过要由天线A提供服务的移动台M请求来实现。RBS 36可以因为有利的信道状况而选择将天线A从扇区S2重新分配到扇区S1，以便提高系统吞吐量，如图4中点划线所示。因此，扇区S2中的可用天线的数量从4减少到3，扇区S1中的扇区天线56的数量从4增加到5。
在本发明的一个实施例中，RBS 36包括用于所有扇区14的集中式天线管理处理器60。天线管理处理器60在扇区14之间重新分配扇区天线56。天线管理处理器60可以在一个或多个可编程处理器中实现。集中式天线管理处理器60还可以位于BSC 34处，并且可以支持多于一个RBS 36处的扇区14。将天线管理处理器设在BSC 34处以便允许在不同小区12中的扇区14之间重新分配扇区天线56。在再一些实施例中，可以采用分布式方法，其中在每个扇区14中设置一个天线管理处理器60，这些单独的天线管理处理器60通过扇区14之间的信号传送来协调它们的操作。
天线管理处理器60基于诸如当前信道状况、扇区负荷、对吞吐量的净影响等来确定扇区天线56的分配。例如，如果天线管理处理器60确定重新分配将导致整个系统容量的增加，则天线管理处理器60可以将扇区天线56从一个扇区14重新分配到另一个扇区。当天线管理处理器60决定将扇区天线56从一个扇区14重新分配给另一个扇区时，它通知受影响的扇区14中的调度器58。该实施例涉及对调度器58的最小更改。调度器58按前文描述地来工作，所例外的是要考虑的可能天线组合数量上的更改。
在本发明的其他实施例中，可以请求处于软切换或更软切换中的移动台40报告移动台40与一个或多个扇区14中的扇区天线56之间的信道状况。移动台40可以将信道状况报告给一个扇区14中的调度器58。在该实施例中，为该移动台40提供服务的调度器58可以请求临时重新分配来自另一个扇区14中的扇区天线56(如果这样做是有利的话)。例如，如果重新分配将提高扇区的吞吐量，则调度器58可以请求扇区天线56的重新分配。天线管理处理器60可以平衡目标扇区14(即获得扇区天线56的扇区)的吞吐量上的预期增加，和源扇区(即失去扇区天线56的扇区)中吞吐量中的任何降低。
天线管理处理器60还可以出于非提高系统吞吐量的其他原因而决定重新分配扇区天线56。图5图示扇区14间的负荷不平衡的情况。在图5中，S1指示的扇区14负荷较重，而扇区S2和S3则负荷较轻。在此情况中，天线管理处理器60可以重新分配一个或多个扇区天线56以便实现负荷平衡。如果一个扇区14负荷较重，而另一个扇区14负荷较轻，则天线管理处理器60可以将扇区天线56从负荷轻的扇区14重新分配到负荷重的扇区。将扇区天线56重新分配给负荷重的扇区，增加了负荷重的扇区的吞吐量，从而使负荷重的扇区能够为更多用户提供服务。在图5中，示出正在重新分配两个扇区天线56，一个来自扇区S2和一个来自扇区S3。
本发明通过能够向两个或两个以上的移动台40同时传输并在调度过程中使用天线选择来提供对移动台的更好机会主义方式的调度。而且，本发明通过使一个扇区中的天线能够临时地被分配给不同的扇区来实现更高的系统吞吐量。因为重新分配的扇区天线56与不同扇区56中的移动台40之间存在有利的信道状况，所以可以执行这种重新分配。而且，可以作为一种平衡所有扇区14之间的负荷的方式来采用重新分配。
本发明还可以与发射分集方案组合来使用，如图6所示。如图6所示，移动台40与扇区A和扇区B表示的两个扇区14通信。扇区A和B可以由相同的基站提供服务(即更软切换)或不同的基站提供服务(软切换)。从扇区A选择两个扇区天线56，从扇区B选择一个扇区天线。扇区A中的两个所选扇区天线56使用空间时间码传输符号s0和s1，例如公知的Alamouti码。在第一传输期间中，扇区A中的两个扇区天线56分别传输符号s0和-s1*。扇区B中的扇区天线56传输符号s2。在第二传输期间中，扇区A中的两个扇区天线56分别传输符号s1和s0*，而扇区B的扇区天线56传输符号s3。使用扇区A中的传输分集可以增强来自扇区A的符号的可靠性，因为分集阶数增加了。这种分集增益在具有相对较低平均SNR的扇区14中是有用的。
在图6所示的实施例中，可以有扇区A和/或扇区B中的一个或多个附加扇区天线56正与移动台40通信。例如，扇区B中的第二扇区天线或扇区A中的第三扇区天线可以分别在第一和第二符号期间向移动台40传输符号s4和s5。如前文描述的，可以根据信道状况和/或扇区负荷将扇区天线56从一个扇区14重新分配到另一个扇区14。
当然在不背离本发明精神和本质特征的前提下，本发明可以采用不同于本文提出的那些方式的其他特定方式来实现。因此，这些实施例在所有方面均被视为说明性的而非限制性的，属于所附权利要求的含义和等效范围内的所有更改均应被涵盖在其中。

Claims (26)

1.一种包括多个扇区的无线电接入网，包括：
为相应扇区提供服务以便将数据发送到移动台的两个或两个以上扇区发射器；
多个天线，每个天线被分配给相应的扇区发射器；以及
天线管理处理器，所述天线管理处理器控制扇区天线分配并用来动态地将与第一扇区中的扇区发射器关联的扇区天线重新分配给第二扇区中的扇区发射器。
2.如权利要求1所述的无线电接入网，其特征在于，所述扇区发射器使用多个扇区天线通过共享的分组数据信道将分组数据传输到多个移动台。
3.如权利要求2所述的无线电接入网，其特征在于，所述扇区发射器包括复用器，所述复用器将所选移动台的数据流分成要通过不同扇区天线发送的多个子流。
4.如权利要求3所述的无线电接入网，其特征在于，从两个或两个以上天线发送所述多个子流的至少其中一个。
5.如权利要求2所述的无线电接入网，还包括与每个扇区发射器关联的调度器，所述调度器用于调度通过所述共享的分组数据信道从所分配的扇区天线向多个移动台的分组数据传输。
6.如权利要求5所述的无线电接入网，其特征在于，所述调度器共同地调度所述扇区天线。
7.如权利要求5所述的无线电接入网，其特征在于，所述调度器将所有分配的扇区天线一起作为一个单元来调度，以便在任何给定时间仅一个移动台通过分配给扇区的所有扇区天线的分组数据信道接收分组数据传输。
8.如权利要求5所述的无线电接入网，其特征在于，所述调度 器用来将少于所有分配的扇区天线的扇区天线调度到第一移动台，而将剩余的扇区天线调度到一个或多个其他移动台，以便两个或两个以上移动台可以同时通过所述分组数据信道接收分组数据。
9.如权利要求8所述的无线电接入网，其特征在于，所述调度器独立地调度所分配的扇区天线。
10.如权利要求1所述的无线电接入网，其特征在于，所述天线管理处理器基于扇区负荷确定扇区天线分配。
11.如权利要求1所述的无线电接入网，其特征在于，所述天线管理处理器基于来自所述扇区天线和至一个或多个移动台的信道状况来确定扇区天线分配。
12.如权利要求11所述的无线电接入网，其特征在于，所述天线管理处理器基于不同扇区中至移动台的信道状况的比较将分配给第一扇区中的扇区发射器的扇区天线重新分配给第二扇区中的扇区发射器。
13.如权利要求12所述的无线电接入网，其特征在于，当确定从所述扇区天线至所述第二扇区中的移动台的信道状况比至所述第一扇区中的移动台的信道状况更有利时，所述天线管理处理器将与第一扇区中的扇区发射器关联的扇区天线重新分配给第二扇区中的扇区发射器。
14.一种在无线电接入网中实现的方法，所述无线电接入网具有用于将数据发送到移动台的两个或两个以上扇区发射器，所述方法包括：
将多个扇区天线的每一个扇区天线分配给相应的扇区发射器；以及
动态地将与第一扇区中的扇区发射器关联的扇区天线重新分配给第二扇区中的扇区发射器。
15.如权利要求14所述的方法，还包括将要发送到所选移动台的数据分成两个或两个以上子流，并通过不同的扇区天线发送每个 子流。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，从两个或两个以上扇区天线发送所述子流的至少其中一个。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，通过共享的分组数据信道传输所述数据，以及还包括调度通过所述共享的分组数据信道至所述移动台的传输。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，调度通过所述共享的分组数据信道至所述移动台的传输包括：一次一个地调度移动台使用所有分配的扇区天线通过所述共享的分组数据信道接收分组数据传输。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，调度通过所述共享的分组数据信道至所述移动台的传输包括：同时调度两个或两个以上移动台通过所述分组数据信道接收分组数据传输。
20.如权利要求19所述的方法，还包括选择用于将数据发送到每个移动台的扇区天线。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，选择用于将数据发送到每个移动台的扇区天线包括独立地调度每个扇区天线。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，选择用于将数据发送到每个移动台的扇区天线包括共同地调度所述扇区天线。
23.如权利要求14所述的方法，其特征在于，动态地将与第一扇区中的扇区发射器关联的扇区天线重新分配给第二扇区中的扇区发射器包括基于扇区负荷确定扇区天线分配。
24.如权利要求14所述的方法，其特征在于，动态地重新分配扇区天线包括基于所述扇区天线与所述移动台之间的信道状况确定扇区天线分配。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，基于所述扇区天线与所述移动台之间的信道状况确定扇区天线分配包括：比较扇区天线与两个或两个以上扇区中的移动台之间的信道状况。 
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，动态地重新分配扇区天线包括：当确定从所述扇区天线至第二扇区中的移动台的信道状况比至第一扇区中的移动台的信道状况更有利时，将与所述第一扇区中的扇区发射器关联的扇区天线重新分配给所述第二扇区中的扇区发射器。 
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