CN101291475A - 用于时分双工无线通信系统的移动台及其天线选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于时分双工无线通信系统的移动台及其天线选择方法，属于无线数字移动通信领域。移动台装置具有N_UE根天线及射频接收链路，N_T个射频发射链路，且N_UE≥N_T；每根天线对应有：发送接收切换单元、接收射频单元、信道估计单元；移动台装置还包括接收处理单元、信道校准单元、发送处理单元、发送射频单元，发送天线选择单元根据各个天线接收信道估计的校准结果，选择N_T根天线进行数据发送。所述的方法是，移动台通过所有的天线接收基站发送的下行信号，根据接收的导频信号通过信道估计和校准，得到上行链路信道响应矩阵，并据此在N_UE根天线中选择N_T根进行数据发射。本发明能够用较低的成本和系统开销增加上行链路的系统容量。

Description

用于时分双工无线通信系统的移动台及其天线选择方法

技术领域

本发明涉及无线数字移动通信领域，特别是涉及一种时分双工(TDD)无线通信系统中，利用上下行链路信道响应的相关性的移动台装置。本发明还涉及利用该移动台实现发送天线选择的方法。

背景技术

随着人们对无线通信中数据速率和服务质量的需求不断提高，采用多个天线进行发送和接收的方案(MIMO)被广泛采用。增加天线数目提供了更多的空间自由度，可以通过空间复用来增加数据速率，或者通过增加分集来提高服务质量。但是使用多个天线通常也意味着使用多个射频链路，导致成本大大增加，尤其是射频发送链路费用比较高。在射频发送链路基本保持不变的情况下，适当增加收发天线数目和射频接收链路，选择信道条件最好的天线进行发送，是移动台提高系统性价比的一个简单有效的途径。

在TDD移动通信系统中，上行链路和下行链路以时分双工的方式共享同一频带，因此上下行链路信号的空中传播路径相同。这种信道的互易性，使得开环天线选择成为可能，避免了信息反馈带来的复杂度和开销。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于时分双工无线通信系统的移动台装置，用较低的成本增加上行链路的系统容量；为此本发明还要提供一种利用该移动台实现发送天线选择的方法。

为解决上述技术问题，本发明的用于时分双工无线通信系统的移动台装置，具有N_UE根天线及射频接收链路，N_T个射频发射链路，且N_UE≥N_T；其中，

每根天线对应有：发送接收切换单元、接收射频单元、信道估计单元；

发送接收切换单元，进行天线发送和接收的切换；在接收时隙，将由天线接收的下行链路信号输送到接收射频单元，在发送时隙若选择了该天线，则将发送射频单元输入的上行链路信号向基站发送；

接收射频单元，对接收信号施加下变频处理，并送入信道估计单元；

信道估计单元，提取包含于接收信号中的导频信息并进行信道估计；

所述移动台装置还包括：

接收处理单元，接收各天线信道估计单元输出的接收信号和信道估计结果，进行接收检测和解调译码，得到接收数据；

信道校准单元，对于各天线信道估计单元输出的下行信道估计结果进行校准，得到上行链路信道信息；

发送处理单元，对发送数据进行编码调制；

发送射频单元，对发送处理单元编码调制后的发送数据上变频处理，作为上行链路信号输入到发送天线选择单元；

发送天线选择单元，根据各个天线接收信道估计的校准结果，选择N_T根天线进行数据发送。

利用上述的移动台装置进行发送天线选择的方法是，移动台通过所有的天线接收基站发送的下行信号，根据接收的导频信号通过信道估计，得到下行链路信道响应矩阵的估计值，再根据有效的上下行链路信道响应之间的关系得到上行链路信道响应矩阵的估计值，移动台在N_UE根天线中，根据估计的上行链路信道响应矩阵选择N_T根天线进行数据发射。

采用本发明的移动台装置和方法，当移动台的天线数超过射频发送链路数目时，利用上下行信道的相关性，无需反馈即可选择信道条件更好的天线(集)来发送数据，提高了上行链路的系统性能。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

附图是本发明的移动台结构示意图。

具体实施方式

如图所示，在本发明中移动台具有N_UE根天线及射频接收链路，N_T个射频发射链路，且N_UE≥N_T。移动台通过所有的天线接收基站发送的下行信号，根据下行信号中的导频进行信道估计，并接收检测。在上行链路中，选择信道条件最好的N_T根天线发送数据。每根天线对应有：发送接收切换单元、接收射频单元、信道估计单元，结构功能完全相同。

以天线1为例，

发送接收切换单元101，进行天线1发送和接收的切换。在接收时隙，将由天线1接收的下行链路信号输送到接收射频单元102，在发送时隙若选择了天线1，则将发送射频单元402输入的上行链路信号从天线1向基站发送。接收射频单元102，对接收信号施加下变频处理，并送入信道估计单元103。信道估计单元103，提取包含于接收信号中的导频信息并进行信道估计。

本发明的移动台还包括：

接收处理单元301，接收各天线信道估计单元输出的接收信号和信道估计结果，进行接收检测和解调译码，得到接收数据。

信道校准单元302，对于各天线信道估计单元输出的下行信道估计结果进行校准，得到上行链路信道信息。

发送处理单元401，对发送数据进行编码调制。

发送射频单元402，对发送处理单元401编码调制后的发送数据上变频处理，作为上行链路信号输入到发送天线选择单元403。

发送天线选择单元403，根据各个天线接收信道估计的校准结果，根据一定准则选择N_T根天线进行发送。

下面着重介绍一下信道校准单元302以及发送天线选择单元403的工作原理。

由于在TDD系统中，上行链路和下行链路以时分双工的方式共享同一频带。在这种情况下，上下行链路的信道响应之间存在高度相关，利用该相关性可以更方便地进行上行链路的天线选择。

如果用N_UE×N_AP矩阵H_down(k)表示子带k从基站天线阵(N_AP根天线)到移动台天线阵(N_UE根天线)的无线链路的信道响应矩阵，则通常可以认为子带k从移动台天线阵到基站天线阵的信道响应可以由H_down(k)的转置给出，即 $H_{\mathrm{up}}\left(k\right)=H_{\mathrm{down}}^T\left(k\right).$ 对于基带信号而言，有效的下行和上行链路信道响应矩阵H_down(k)和H_up(k)还包括收发射频设备的响应，可以表示为：

H_down(k)＝R_down(k)H_down(k)T_down(k)

H_up(k)＝R_up(k)H_up(k)T_up(k)公式(1)

其中T_down(k)和R_up(k)是N_AP×N_AP的对角阵，其项是对于子带k，基站N_AP根天线发送和接收的射频链路响应；T_up(k)和R_down(k)是N_UE×N_UE的对角阵，其项是对于子带k，移动台N_UE根天线发送和接收的射频链路响应。

根据公式(1)，有效的上下行链路信道响应之间的关系为：

H_up(k)A_UE(k)＝(H_down(k)A_AP(k))^T    公式(2)

其中A_AP(k)为N_AP×N_AP的对角阵，是基站接收射频与发送射频链路响应之比，即A_AP(k)＝(T_down(k))^-1R_up(k)；类似地，N_UE×N_UE的对角阵A_UE(k)＝(T_up(k))^-1R_down(k)，是移动台接收射频与发送射频链路响应之比。

用校准矩阵A_AP(k)和A_UE(k)可以弥补射频链路响应带来的上下行链路之差，这样一条链路就可以用另一条链路的信道响应来表示。

校准矩阵可以通过各种方案来获取，例如让基站和移动台在很短的时间间隔内互相向对方发送导频信号，同时分别根据己方接收到信号做信道估计，并把信道估计值反馈给对方。移动台收到基站反馈的上行信道矩阵后，根据其与己方估计的下行信道矩阵之间的关系，采用最小均方误差(MMSE)算法得到校准矩阵。

移动台根据接收的导频信号通过信道估计，得到下行链路信道响应矩阵H_down(k)的估计值

根据公式(2)得到上行链路信道响应矩阵H_up(k)的估计值

移动台在N_UE根天线中，根据估计的上行链路信道响应矩阵

选择N_T根天线进行发射。

具体选择时可以根据容量最大化、信噪比最大化、分集最大化、干扰最小化等各种准则进行。

以容量最大化准则为例，H_i表示第i种天线选择方案的上行信道矩阵，则对应的信道容量为

$C_i={\log }_2\det (I+\frac{\mathrm{\ρ}}{N_T}{H}_i{R}_{\mathrm{ss}}{H}_i^H)$ 公式(3)

其中ρ是信噪比，R_ss是各天线上信号的相关矩阵，跟发送方案有关。从全部 $\left(\begin{array}{c}{N}_{\mathrm{UE}}\\ N_T\end{array}\right)$ 个天线选择方案中，找到信道容量最大的一个作为最终信道容量选择的结果。

在宽带系统中，由于各子带信道有变化，可以根据工作频带中各子带的平均容量来进行天线选择。由于相邻子带的信道之间具有很大的相关性，因此也可以按一定间隔抽取一些子带计算相应的参数，以减少运算量。

实施例一，从2根天线中选择1根发送信号。

由于移动台的设计要考虑性能、体积、成本、功耗等各种因素，因此较为可能采用的一种结构是：具有2根天线及射频接收链路，但只具有1个射频发射链路。由于基站的设计对体积、成本等要求不高，因此可以采用4根天线，各自具有对应的射频收发链路。

移动台根据接收的导频信号进行信道估计，可以得到下行链路信道相应的估计值

根据TDD系统上下行信道的相关性，利用校准矩阵，可以得到上行链路信道相应的估计值

${\hat{H}}_{\mathrm{up}}\left(k\right)=\left[\begin{array}{cc}{\hat{H}}_{\mathrm{up},11}\left(k\right)& {\hat{H}}_{\mathrm{up},12}\left(k\right)\\ {\hat{H}}_{\mathrm{up},21}\left(k\right)& {\hat{H}}_{\mathrm{up},22}\left(k\right)\\ {\hat{H}}_{\mathrm{up},31}\left(k\right)& {\hat{H}}_{\mathrm{up},32}\left(k\right)\\ {\hat{H}}_{\mathrm{up},41}\left(k\right)& {\hat{H}}_{\mathrm{up},42}\left(k\right)\end{array}\right]$

是4×2的矩阵。

在噪声功率谱密度不变时，采用容量最大化准则进行天线选择，就是要从移动台的2根天线中选出信道增益最大的1根进行上行链路信号的发送。

两根发射天线的增益可以分别表示为：

$G_l=\underset{k\∈K}{\mathrm{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\hat{H}}_{\mathrm{up},\mathrm{il}}\left(k\right)\right|}^2$

其中，l＝1、2，K是频域全部子带，或者是按一定间隔比例抽取的子带，也可以是时域全部多径；

是各子带(径)的信道响应，

表示矩阵

的第i行第1列元素。如果G₁≥G₂，就选择天线1发送上行链路信号，否则就选择天线2发送上行链路信号。

实施例二，从3根天线中选择2根，利用Alamouti编码方案发送信号。

移动台也可能具有3根天线及射频接收链路，但只具有2个射频发射链路，采用Alamouti空时编码方案发送。基站可以采用4根天线，各自具有对应的射频收发链路。

移动台根据接收的导频信号进行信道估计，可以得到下行链路信道相应的估计值

根据TDD系统上下行信道的相关性，利用校准矩阵，可以得到上行链路信道相应的估计值

是4×3的矩阵。若选取其中2根天线用Alamouti空时编码方案发送，采用信噪比最大化准则进行天线选择，可以认为是从移动台的3根天线中选出信道增益最大的2根进行上行链路信号的发送。

每根天线对应的增益可以分别表示为：

$G_l=\underset{k\∈K}{\mathrm{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\hat{H}}_{\mathrm{up},\mathrm{il}}\left(k\right)\right|}^2$

其中，l＝1，2，3，K是频域全部子带，或者是按一定间隔比例抽取的子带，也可以是时域全部多径，

是各子带(径)的信道响应，

表示矩阵的第i行第1列元素。找到G最大的2个值，选择对应的天线发送上行链路信号；G最小值对应的天线不发送信号。

包括上面两个实例在内的很多情况，选择天线时只需要估计上行链路信道响应的幅度，因此在进行校准时，只需要知道校准矩阵的幅度，可以不对相位进行校准。

Claims (3)

1、一种用于时分双工无线通信系统的移动台装置，具有N_UE根天线及射频接收链路，N_T个射频发射链路，且N_UE≥N_T，其特征在于：

每根天线对应有：发送接收切换单元、接收射频单元、信道估计单元；

发送接收切换单元，进行天线发送和接收的切换；在接收时隙，将由天线接收的下行链路信号输送到接收射频单元，在发送时隙若选择了该天线，则将发送射频单元输入的上行链路信号向基站发送；

接收射频单元，对接收信号施加下变频处理，并送入信道估计单元；

信道估计单元，提取包含于接收信号中的导频信息并进行信道估计；

所述移动台装置还包括：

接收处理单元，接收各天线信道估计单元输出的接收信号和信道估计结果，进行接收检测和解调译码，得到接收数据；

发送处理单元，对发送数据进行编码调制；

发送射频单元，对发送处理单元编码调制后的发送数据上变频处理，作为上行链路信号输入到发送天线选择单元；

其特征在于：还包括：

信道校准单元，对于各天线信道估计单元输出的下行信道估计结果进行校准，得到上行链路信道信息；

发送天线选择单元，根据各个天线接收信道估计的校准结果，选择N_T根天线进行数据发送。

2、一种利用根据权利要求1所述的移动台装置进行发送天线选择的方法，其特征在于：移动台通过所有的天线接收基站发送的下行信号，根据接收的导频信号通过信道估计，得到下行链路信道响应矩阵的估计值，再根据上下行链路信道响应之间的关系得到上行链路信道响应矩阵的估计值，移动台在N_UE根天线中，根据估计的上行链路信道响应矩阵选择N_T根天线进行数据发射。

3、如权利要求2所述的发送天线选择的方法，其特征在于：N_T根天线的具体选择方法包括容量最大化、信噪比最大化、分集最大化、或干扰最小化准则。

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