CN101350659B - 空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的方法及其设备。所述方法包括以下步骤：收端接收来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；收端依据接收的导频或训练序列，估计用户间多址干扰；收端根据所述用户间多址干扰是否超过门限，向用户动态分配扩频码字。由于本发明可以根据用户之多址干扰的程度，在空分码分混合多址通信中动态分配相关系数不同的扩频码字，从而可以降低不同用户之间的多址干扰，进而达到提高系统吞吐量、提高频谱效率。

Description

空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种使用智能天线的多址通信，特别涉及一种空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的方法。

背景技术

由于通信业务的不断扩展，移动频带越来越拥挤，各种干扰也越来越严重，同时人们对通信质量的要求也越来越高，因此，在无线通信环境中，频谱资源极其有限，合理并充分利用这些资源，实现通信的高效和可靠传输是现代无线通信技术研究的主要课题。

多址通信系统中，一个基站下的所有用户共享信道，不同用户共享信道的方式称为多址方式，传统的多址方式包括时分多址、频分多址和码分多址。随着阵列信号处理技术和天线阵列在通信中的应用，智能天线引入了第四维多址方式：空分多址(SDMA)方式，所谓空分多址是利用空间分割构成不同的信道，不同信道使用不同的空间波束，它们在同一时间、即使使用相同的频率进行工作，它们之间也不会形成干扰。空分多址(SDMA)是一种信道增容的方式，可以实现频率的重复使用，充分利用频率资源。空分多址还可以和其它多址方式相互兼容，从而实现组合的多址技术，例如空分-码分多址(SD-CDMA)。

智能天线的基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，接收模式下，来自窄波来之外的信号被抑制，发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。智能天线是利用用户空间位置的不同来区分不同用户。不同于传统的频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)或码分多址(CDMA)，智能天线引入第4种多址方式：空分多址(SDMA)。即在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的中间传播路径而区分。SDMA是一种信道增容方式，与其他多址方式合理配合可实现组合的多址方式，提高频谱效率，例如空分一码分多址(SD-CDMA)。

发明内容

本发明的目的是提供一种空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的方法，利用此方法降低不同用户之间的多址干扰，进而达到提高系统吞吐量、提高频谱效率。

根据本发明的第一方面，这里提供了一种空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的方法，包括以下步骤：

A.收端接收来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；

B.收端依据接收的导频或训练序列，估计用户间多址干扰；

C.收端根据所述用户间多址干扰是否超过门限，向用户动态分配扩频码字。

上述步骤B可以包括：

B1.依据接收的导频或训练序列，估算第i用户与第j用户的空间特征矢量；

B2.利用第i用户与第j用户的空间特征向量，算出相关系数R_ij；

B3.当算出的相关系数R_ij超过门限R_TH时，判定第i用户与第j用户间多址干扰不可接受。

上述步骤B还可以包括：

B1’.从接收的导频或训练序列，估算第i用户和第j用户的波达方向DOA；

B2’.利用估算的第i用户和第j用户的波达方向DOA，算出表征第j用户对第i用户造成多址干扰的两个方向的对数增益差F_ij；

B3’.当所述对数增益差F_ij超过门限R_TH时，判定第i用户与第j用户间多址干扰不可接受。

需要说明的是，这里所述的收端不仅是具有智能天线的基站，而且还可以是具有智能天线的移动台。

上述步骤C可以包括：

C1.当所述用户间多址干扰超过门限时，从两个不同码组中分别取一个扩频码字分配给两个用户；

C2.当所述用户间多址干扰未超过门限时，从同一码组中分别取一个扩频码字分配给两个用户。

需要说明的是，所述同一码组内两个扩频码字是完全同步时完全正交的扩频码字；所述两个不同码组内两个扩频码字是即使不完全同步时相关系数也非常小的扩频码字。

其中，两个不同码组内两个扩频码字的互相关系数远小于同一码组内两个扩频码字的互相关系数。

其中，所述收端利用系统具有的公共或私有控制信道，把码组分配及变更消息通知给用户。

根据本发明的另一方面，这里提供了一种空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的方法，包括以下步骤：

收端接收来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；

如果当前的正在通信的用户数不大于码组的数量，则直接从不同码组中为每个用户分配不同的码字，不需要计算用户之间的多址干扰。

根据本发明的再一方面，这里提供了一种空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的设备，包括：

多通道收发信机阵列，用于收端接收来自来自多个用户的含有导频或训练序列的发射信号；

空间特征矢量或波达方向估计装置，用于依据接收的导频或训练序列，估算空间特征矢量或波达方向；

用户间多址干扰估计装置，用于根据已估算的空间特征矢量或波达方向，估计用户间多址干扰；

动态序列选择器，用于根据用户间多址干扰的程度，从同一码组选择码字分配给用户，或者从两个不同码组选择码字分配给用户。

由于本发明可以根据用户之多址干扰的程度，在空分码分混合多址通信中动态分配相关系数不同的扩频码字，从而可以降低不同用户之间的多址干扰，进而达到提高系统吞吐量、提高频谱效率。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

图1是本发明的动态多址分配算法流程图；

图2是计算阵列天线方向图的方法

图3是本发明的空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的设备的框图；

图4是本发明使用的包括序列集C0和C1的广义正交扩频序列的示例。

具体实施方式

实现本发明的首要条件是，需要通信的双方(基站和用户端)至少有一端支持智能天线，本发明以基站端支持智能天线为例说明，但包括用户端使用智能天线以及基站、用户端同时使用智能天线的情形。通信的双方需要有一个公共的或私有的控制信道，通过这个控制信道通信的双方可以交互必要的控制和响应信息。

具体方法如下：

1、估计用户的空间位置

用户的空间位置可以用空间特征矢量或波达方向DOA描述。

假设基站的天线单元数为N，其中N＞1，下面有K个用户，每个用户端发射的信号中有导频序列(或称为训练序列)，导频序列对通信双方都是已知的，将第k个用户发射的导频序列记为

X_k＝[x_k1 x_k2 Λ x_kM]，k＝1，2，Λ，K

基站N个接收天线接收到终端k的导频序列X_k记为

$Y_k=\left[\begin{array}{cccc}{y}_{1,k1}& y_{1,k2}& \mathrm{\Λ}& y_{1,\mathrm{kM}}\\ y_{2,k1}& y_{2,k2}& \mathrm{\Λ}& y_{2,\mathrm{kM}}\\ M& M& O& M\\ y_{N,k1}& y_{N,k2}& \mathrm{\Λ}& y_{N,\mathrm{kM}}\end{array}\right]$

基站对收到的导频信号做处理，处理方法有两种：估计用户k的空间特征矢量和估计用户k的波达方向DOA。

(1)估计用户k的空间特征矢量

用户k的空间特征矢量计算方法为

$S_k=Y_k\·X_k^H$

$=\left[\begin{array}{cccc}{y}_{1,k1}& y_{1,k2}& \mathrm{\Λ}& y_{1,\mathrm{kM}}\\ y_{2,k1}& y_{2,k2}& \mathrm{\Λ}& y_{2,\mathrm{kM}}\\ M& M& O& M\\ y_{N,k1}& y_{N,k2}& \mathrm{\Λ}& y_{N,\mathrm{kM}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{k1}^{*}\\ x_{k2}^{*}\\ M\\ x_{\mathrm{kM}}^{*}\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{1,\mathrm{ki}}\·x_{\mathrm{ki}}^{*}\\ \underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{2,\mathrm{ki}}\·x_{\mathrm{ki}}^{*}\\ M\\ \underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{N,\mathrm{ki}}\·x_{\mathrm{ki}}^{*}\end{array}\right]$

其中，X_k ^H表示向量X_k的共轭转置，x^*表示复数x的共轭。

(2)估计用户k的波达方向

波达方向估计就是确定同时处在空间某一区域之内多个感兴趣信号的空间位置，经典的DOA估计方法有MUSIC方法和ESPRIT方法，其思想是子空间方法：若天线阵元数比信源个数多，则阵列数据的信号分量一定位于一个低秩的子空间，在一定的条件下，这个子空间将惟一地确定信号的波达方向，并且可以用数值稳定的奇异值分解确定波达方向。

MUSIC估计的方法如下：

对任意一个方向θ来的信号，在天线阵列上的响应为a(θ)，定义MUSIC空间谱为

$P_{\mathrm{MUSIC}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{a^H\left(\mathrm{\θ}\right)\·a\left(\mathrm{\θ}\right)}{a^H\left(\mathrm{\θ}\right)\·\widehat{\mathrm{\Π}}\·a\left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中a^H(θ)为向量a^H(θ)的共轭转置。

其中为噪声子空间上的正交投影估计，则与谱峰对应的所有θ即给出波达方向的估计。

有关MUSIC或ESPRIT估计的方法可以参考阵列信号处理的相关资料。

2、估计用户之间的多址干扰

利用智能天线的空间分割作用可以实现空分多址，它依据用户信号不同的方向来区分用户，但相对于天线阵列，从某一个方向或邻近方向来的用户信号在空间上存在相关性，因此同一个方向或邻近方向用户的信号存在多址干扰，评估不同方向信号多址干扰强度的方法也有两种：信号空间特征的相关系数以及波达方向。

(1)空间特征向量的相关系数

用户1和用户2的空间特征矢量分别为S₁和S₂，则空间特征向量的相关系数定义为

$R_{12}=\frac{|S_1\·S_2^H|}{\left|S_1\right|\·\left|S_2\right|}$

S₂ ^H为向量S₂的共轭转置。

这个系数反映了用户信号空间特征向量的相似程度，相关系数越大，两个用户的空间特征矢量相似性越强；相对于天线阵列，表征从从天线阵列看过去，两个用户方向的夹角越小，用户之间的多址干扰越强，相关系数超过一定门限R_TH后认为用户1和用户2的多址干扰不可接受。

(2)波达方向DOA

波达方向DOA直接表征用户的信号方向，因此根据天线阵列的角度分辨能力就可以计算出不同方向来的用户的多址干扰强度，用户信号方向差距越大，多址干扰越小。

从任意一个方向θ₀来的用户1的信号，在天线阵列上的响应为a(θ₀)，根据阵列响应可以得到该用户信号的阵列方向图F(θ)，例如对于8个阵元组成的均匀圆阵，如图2所示，阵列的半径为r，方向θ₀来的用户的阵列方向图为

$F\left({\mathrm{\θ}}_0\right)=$

$\left[\begin{array}{ccccc}\exp (j*2\mathrm{\π}\frac{r}{\mathrm{\λ}}\cos \left({\mathrm{\θ}}_0\right))& \mathrm{\Λ}& \exp (j*2\mathrm{\π}\frac{r}{\mathrm{\λ}}\cos ({\mathrm{\θ}}_0-k\·\frac{2\mathrm{\π}}{8}))& \mathrm{\Λ}& \exp (j*2\mathrm{\π}\frac{r}{\mathrm{\λ}}\cos ({\mathrm{\θ}}_0-\frac{7\mathrm{\π}}{4}))\end{array}\right]$

其中，k＝0，1，Λ7，λ为信号波长。

方向图F(θ)在θ＝θ₀处取得最大值，这个最大值就是阵列天线对用户1的增益F(θ₀)。方向图F(θ)有一定的波束宽度，因此对其它方向来的信号也有增益，它对从θ₁方向来的用户2信号的增益为F(θ₁)，两个方向的对数增益差F₁₂＝F(θ₀)-F(θ₁)表征了用户2对用户1造成的多址干扰，反之亦然；增益差小于某一门限F_TH之后认为用户1和用户2相互之间的多址干扰不可接受。

获得用户的波达方向后，也可以通过波达方向计算用户的空间特征矢量，获得空间特征矢量后，后续的计算方法就可以按照空间特征矢量来进行。

阵列的方向图F(θ)取决于天线阵列的形式，具体计算方法可以参考阵列信号处理的资料。

3、广义正交扩频码

本发明中的多址方式是空分与码分相结合的多址方式，所用的码字为广义正交扩频序列，这种序列的特征如下：

假设M组扩频序列，每组具有K个扩频序列，其中第m组的第k个扩频序列记为c_mK+k，0≤m≤M-1，0≤k≤K-1，上述的MK个扩频序列满足以下条件：

(1)r_k1，k2(0)＝0；

其中k₁，k₂为同一组m内的两个扩频码字，即同一组内两个码字保持正交；

$\left(2\right)---L=\max \left\{T\right|r_{m_{0}K+k_0,m_{1}K+k_1}\left(\mathrm{\&tau;}\right)<<r_{m_{0}K+k_0,m_{0}K+k_2}\left(\mathrm{\&tau;}\right),0\&le;m_0\&NotEqual;m_1\&le;M-\mathrm{1,0}\&le;\mathrm{\&tau;}\&le;\left|T\right|\}$

该约束条件说明码组间相对延迟小于L时，码组间码字的互相关系数远小于码组内码字的互相关系数，因此码组间的码间干扰非常小。

其中条件(1)对同一个码组内的两个码的相关系数r_k1，k2(τ)作了约束，同一码组内的两个码为常规的正交码，当两个码字完全同步(对应时间延迟τ＝0)时，码字完全正交，相关系数为0；条件(2)对不同码组之间的码字的相关系数

作了约束，码组之间的码字为广义正交码，即码组之间的两个码字即使不完全同步，但只要相对延迟τ≤L，其相关系数也非常小，远小于同一码组内两个码字的相关系数

例如附录中给出的两组码字就是一种广义正交码，组间序列的线性相关为零；他们是两个互补序列集，每个码组中有8个序列，序列长度为16。

本例给出的是一个组间线性相关系数为零的特殊广义正交码，但本发明不仅限于零相关系数的广义正交码，也包括上述条件(2)定义的组间码字互相关系数远小于组内码字互相关系数的所有广义正交码序列。

4、自适应空分码分实现

根据上面计算得到所有用户之间的多址干扰，结合广义正交扩频序列，给用户分配适当的扩频码。如果用户之间的多址干扰超过门限，则从不同码组之间分别选择扩频码给用户，如果用户之间的多址干扰没有超过门限，则从同一码组之间选择扩频码给用户。

例如，若两个用户的多址干扰超过门限，可以从上面给出的C0、C1码组中分别取一个码字分配给这两个用户；如果两个用户的多址干扰没有超过门限，则可以从C0或C1中取两个码字分配给这两个用户，当然也可以分别从C0、C1中各取一个码字分配给这两个用户。

对于实际的通信系统，用户信号不可能做到完全同步，因此必然存在码间干扰，同一码组之内两个码字只有完全同步时才是正交的(即没有码间干扰)，而不同码组的码字之间如果相对延迟小于L，其多址干扰远小于同一码组内的两个码字的多址干扰，因此可以大幅度降低多址干扰，提高通信的可靠性，增加系统容量。

实际满足条件(2)的广义正交码组数量是有限的，因此如果用户之间的多址干扰都很严重，例如所有用户相对于接收天线阵都出于同一个方向的极端情况，码组资源不够用，这时只能选择多址干扰最严重的用户从有限的码组中选择扩频序列，其余用户只能从码组内选择扩频序列。

扩频码的分配和变化通过公共的或私有的控制信道发送给对方。

对于移动通信系统，用户的位置会不断变化，所以上述过程在通信过程中不断重复，随时检测用户之间的多址干扰，保证用户之间的多址干扰最小。

这个过程的流程图见附图1。

(1)开始，接收用户信号y；

(2)根据用户信号估计波达方向DOA；

(3)计算各用户的天线方向图F(θ)，根据天线方向图计算用户的多址干扰F_ij，i，j＝0，1，...k-1；

(4)确定当前正在通信的用户数，然后判断用户数是否超过码组数，如果用户数不超过码组数，则直接从不同码组中为每个用户选择不同的扩频序列，利用码组间的相关特性和天线的空分作用把多址干扰降到最小；

(5)如果用户数超过了码组数，则对多址干扰从大到小排序，以便逐一判断；

(6)判断F_ij＞F_TH？如F_ij＞F_TH，则判断码组是否还有足够的码组给多址干扰严重的用户，如果码组足够则从不同码组之间选择码字分配给用户；如果F_ij不大于F_TH，或者当F_ij＞F_TH但码组不足时，则从同一码组之间选择码字分配给用户。

需要说明的是上述过程的一个或几个可以省略或修改，例如，过程(4)可以省略，在此情况下，从过程(3)直接跳到步骤(5’)-对多址干扰从大到小排序；

再例如，上述过程(6)中的“码组是否足够”的判断过程在理想情况下可以省略，从而可以把步骤(6)修改为：(6’)判断R_ij＞R_TH？如R_ij＞R_TH，则从不同码组之间选择码字分配给用户；如果R_ij不大于R_TH，则从同一码组之间选择码字分配给用户。

本例中给出的是利用DOA估计用户空间多址干扰的方法，也可以用空间特征矢量相关性的方法来估计用户空间多址干扰。

综上所述，本发明提供了以下两种在空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的方法：

第一种方法包括以下步骤：

A.收端接收来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；

B.收端依据接收的导频或训练序列，估计用户间多址干扰；

C.收端根据所述用户间多址干扰是否超过门限，向用户动态分配扩频码字。

第二种方法包括以下步骤：

收端接收来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；

收端根据用户数量及可用码组的数量；

从不同码组选择扩频码字分配给所有用户。

实现上述方法的设备构架图如图3所示，包括：

多通道收发信机阵列，用于收端接来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；

空间特征矢量或波达方向估计装置，用于依据接收的导频或训练序列，估算空间特征矢量或波达方向；

用户间多址干扰估计装置，用于根据已估算的空间特征矢量或波达方向，估计用户间多址干扰；

动态序列选择器，用于根据用户间多址干扰的程度，从同一码组选择码字分配给用户，或者从两个不同码组选择码字分配给用户。

该设备包括支持智能天线的多通道收发信机以及后续的信号处理模块，本例中只给出了与发明相关的接收通道部分，发射通道与接收通道结构类似，处理过程及信号流向与接收机相反。

Claims (6)

1.一种空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的方法，包括以下步骤：

A.收端接收来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；

B.收端依据接收的导频或训练序列，估计用户间多址干扰；

C.收端根据所述用户间多址干扰是否超过门限，向用户动态分配扩频码字；

其中，所述步骤C包括：

C1.当所述用户间多址干扰超过门限时，从两个不同码组中分别取一个属于广义正交码的扩频码字分配给两个用户；

C2.当所述用户间多址干扰未超过门限时，从同一码组中分别取一个属于常规正交码的扩频码字分配给两个用户；

其中，同一码组内两个扩频码字是完全同步时完全正交的扩频码字；

其中，两个不同码组内两个扩频码字是即使不完全同步时相关系数也非常小的扩频码字；

其中，两个不同码组内两个扩频码字的互相关系数远小于同一码组内两个扩频码字的互相关系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤B包括：

B1.依据接收的导频或训练序列，估算第i用户与第j用户的空间特征矢量；

B2.利用第i用户与第j用户的空间特征向量，算出相关系数R_ij；

B3.当算出的相关系数R_ij超过门限R_TH时，判定第i用户与第j用户间多址干扰不可接受。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤B包括：

B1’.从接收的导频或训练序列，估算第i用户和第j用户的波达方向DOA；

B2’.利用估算的第i用户和第j用户的波达方向DOA，算出表征第j用户对第i用户造成多址干扰的两个方向的对数增益差F_ij；

B3’.当所述对数增益差F_ij超过门限F_TH时，判定第i用户与第j用户间多址干扰不可接受。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述的收端是基站或移动台。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述收端利用系统的公共或私有控制信道，把码组分配及变更消息通知给用户。

6.一种空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的设备，包括：

多通道收发信机阵列，用于收端接收来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；

空间特征矢量或波达方向估计装置，用于依据接收的导频或训练序列，估算空间特征矢量或波达方向；

用户间多址干扰估计装置，用于根据已估算的空间特征矢量或波达方向，估计用户间多址干扰；

动态序列选择器，用于根据用户间多址干扰的程度，从同一码组选择扩频码字分配给用户，或者从两个不同码组选择扩频码字分配给用户；

其中，当所述用户间多址干扰超过门限时，从两个不同码组中分别取一个属于广义正交码的扩频码字分配给两个用户；当所述用户间多址干扰未超过门限时，从同一码组中分别取一个属于常规正交码的扩频码字分配给两个用户；

其中，同一码组内两个扩频码字是完全同步时完全正交的扩频码字；

其中，两个不同码组内两个扩频码字是即使不完全同步时相关系数也非常小的扩频码字；

其中，两个不同码组内两个扩频码字的互相关系数远小于同一码组内两个扩频码字的互相关系数。

Images