CN101364832B - 空分复用和码分复用的自适应切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了用于时分同步码分多址系统的空分复用和码分复用的自适应切换方法，其中的一种方法包括：S102，节点B对上行信道进行估计，并通过估计结果实时地评估两个传输块的空间信道互相关性。S104，在空间信道互相关性大于第一阈值时切换到码分复用模式，在空间信道互相关性小于第一阈值时进行吞吐量评估。S106，节点B根据用户终端反馈的空分复用模式或码分复用模式的信道质量指示分别估计空分用户模式和码分复用模式的吞吐量，在空分复用模式的总吞吐量比码分复用模式的吞吐量高出第二阈值时切换到空分复用模式，否则切换到码分复用模式。S108，节点B通过下行控制信道通知用户终端随后下行业务信道采用的复用方式及相关信息。

Description

空分复用和码分复用的自适应切换方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及用于时分同步码分多址系统的空分复用和码分复用的自适应切换方法。

背景技术

MIMO(多输入多输出)技术是近年来移动通信领域的热门研究领域，它的特征在于无线发射机和接收机都引入了多根天线。相对于传统的单输入单输出(SISO)系统，MIMO系统通过空间分集技术或者空间复用技术来获得系统容量的极大提升。多输入单输出(MISO)和单输入多输出(SIMO)是MIMO的两种特殊形式，即只在通信链路的一端采用多天线，另一端仍然采用单天线。

现有TD-SCDMA(时分同步码分多址)系统室内覆盖的主流方案是采用多通道分布式覆盖。以8通道分布式覆盖为例(后续如不做特殊说明则默认8通道)，基站节点B(Node B)采用8个独立的分布式通道，每个通道带一组吸顶天线独立覆盖一定区域(例如办公楼一定楼层)，不同通道之间的只有很小的重叠覆盖区域以保证覆盖连续(例如楼梯间)，而用户终端(UE)普遍采用单天线，因此，从Node B与小区内一个UE之间的通信链路来看，完全是SISO方式。但是，只要在UE侧增加一根独立天线，再将Node B侧8通道两两分成一组，组内两通道交叉混合覆盖，即形成了Node B与任一UE之间的2×2 MIMO。

目前已经相当成熟的MIMO空间复用技术，利用不同天线信道的独立性建立多个空间子信道来提高容量，这也就是著名的BLAST(贝尔实验室空时分层)技术方案。理论上，空间复用方式的极限容量是随着天线数的抬升呈线性抬升，而非空间分集方式下的对数抬升关系。TD-SCDMA系统的室内覆盖中应用MIMO技术尤其是空间复用方案具备有利条件，这表现在：室内覆盖邻小区干扰很小，几乎不存在室外宏蜂窝多小区联合检测自由度的问题；室内环境由于反射散射众多且角度扩展大，因此LOS(视距)径绝对占优的概率小一些。

因此，在现有TD-SCDMA系统室内覆盖中应用MIMO技术(尤其是空间复用方式)将大大提升上下行吞吐量。而TD-SCDMA系统作为一种支持向后平滑演进的3G系统，对于数据业务吞吐量提高的追求是永远存在的。

但是，MIMO空间复用受空间信道的自由度影响，并非所有的无线环境MIMO空间复用技术都能带来预期的吞吐量提升。

发明内容

鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提出了用于时分同步码分多址系统的空分复用和码分复用的自适应切换方法，采用本发明所述的方法可以避免单纯空分复用MIMO方案在TD-SCDMA系统中应用时面临的空间信道自由度缺失问题，以系统和硬件架构(尤其在网络侧)最小改动的代价，换取显著的容量提高。

根据本发明的一种用于时分同步码分多址系统的空分复用和码分复用的自适应切换方法，其中，时分同步码分多址系统中的用户终端具有两个天线，节点B向用户终端同时传输两个传输块并通过不同的天线发射到用户终端，自适应切换方法包括以下步骤：S102，节点B对上行信道进行估计，并通过上行信道估计结果实时地评估两个传输块的空间信道互相关性。S104，在空间信道互相关性大于第一阈值的情况下，切换到码分复用模式，在空间信道互相关性小于第一阈值的情况下，进行吞吐量评估。S106，节点B根据用户终端反馈的空分复用模式或码分复用模式的信道质量指示分别估计空分用户模式和码分复用模式的吞吐量，在空分复用模式的总吞吐量比码分复用模式的吞吐量高出第二阈值的情况下，切换到空分复用模式，否则切换到码分复用模式。S108，节点B通过下行控制信道通知用户终端随后下行业务信道采用的复用方式及相关信息。

其中，在空分复用模式下，同时传输的两个传输块被映射到同一组物理码道上，并通过不同的天线发射出去。在码分复用模式下，同时传输的两个传输块被映射到两组不同的物理码道上，并通过不同的天线发射出去。在空间复用方式和码分复用方式下，对于任一用户终端，所有时隙的物理码道资源的分配情况一致。

其中，通过以下方式分配训练序列：在上行控制信道，为用户终端的不同天线分配同一基本Midamble码(中间训练序列)的不同偏移或分配不同的基本Midamble码。在下行高速业务信道，为用于同一用户终端的同时传输的两个传输块分别分配同一基本Midamble码的不同偏移或分配不同的基本Midamble码。在下行控制信道，为节点B覆盖的两个通道分配同一基本Midamble码的不同偏移、同一基本Midamble码的同一偏移、或分配不同的基本Midamble码。

在时分同步码分多址系统中的用户终端具有M个天线，节点B向用户终端同时传输M个传输块并通过不同的天线发射到用户终端的情况下，其中，M为正整数，同时传输的M个传输块可以通过以下至少一种方式传输：空分复用方式和码分复用方式。其中，通过以下方式分配训练序列：在上行控制信道，为用户终端的不同天线分配同一基本Midamble码的不同偏移或分配不同的基本Midamble码。在下行高速业务信道，为用于同一用户终端的同时传输的两个传输块分别分配同一基本Midamble码的不同偏移或分配不同的基本Midamble码。在下行控制信道，为节点B覆盖的两个通道分配同一基本Midamble码的不同偏移、同一基本Midamble码的同一偏移、或分配不同的基本Midamble码。

其中，采用空分复用的最大传输块个数小于或等于空间信道的自由度。

通过本发明所述的方法避免了单纯空分复用MIMO方案在TD-SCDMA系统中应用时面临的空间信道自由度缺失问题，以系统和硬件架构(尤其在网络侧)最小改动的代价，换取了显著的容量提高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明的一种用于时分同步码分多址系统的空分复用和码分复用的自适应切换方法的流程图；

图2为根据本发明的TD-SCDMA室内MIMO系统空分复用模式发射机示意图；

图3为根据本发明的TD-SCDMA室内MIMO系统码分复用模式发射机示意图；以及

图4为根据本发明的空分复用与码分复用自适应切换判决流程图。

具体实施方式

下面参考附图，详细说明本发明的具体实施方式。

图1为根据本发明的一种用于时分同步码分多址系统的空分复用和码分复用的自适应切换方法的流程图。其中，系统中的用户终端具有两个天线，节点B向用户终端同时传输两个传输块并通过不同的天线发射到用户终端，如图1所示，该自适应切换方法包括以下步骤：

S102，节点B对上行信道进行估计，并通过上行信道估计结果实时地评估两个传输块的空间信道互相关性。

S104，在空间信道互相关性大于第一阈值的情况下，切换到码分复用模式，在空间信道互相关性小于第一阈值的情况下，进行吞吐量评估。

S106，节点B根据用户终端反馈的空分复用模式或码分复用模式的信道质量指示分别估计空分用户模式和码分复用模式的吞吐量，在空分复用模式的总吞吐量比码分复用模式的吞吐量高出第二阈值的情况下，切换到空分复用模式，否则切换到码分复用模式。

S108，节点B通过下行控制信道通知用户终端随后下行业务信道采用的复用方式及相关信息。其中，相关信息包括：主辅传输块大小、调制方式、时隙码道分配等必要信息。

其中，下行高速业务信道始终采用双流模式，即Node B向UE同时传输两个传输块，这两个传输块可以采用空分复用方式进行传输，也可以采用码分复用方式进行传输。

其中，在空分复用模式下，同时传输的两个传输块被映射到同一组物理码道上，并通过不同的天线发射出去。在码分复用模式下，同时传输的两个传输块被映射到两组不同的物理码道上，并通过不同的天线发射出去。在空间复用方式和码分复用方式下，对于任一用户终端，所有时隙的物理码道资源的分配情况一致。

其中，通过以下方式分配训练序列：在上行控制信道，为用户终端的不同天线分配同一基本Midamble码的不同偏移或分配不同的基本Midamble码。在下行高速业务信道，为用于同一用户终端的同时传输的两个传输块分别分配同一基本Midamble码的不同偏移或分配不同的基本Midamble码。在下行控制信道，为节点B覆盖的两个通道分配同一基本Midamble码的不同偏移、同一基本Midamble码的同一偏移、或分配不同的基本Midamble码。

其中，当扩展到UE独立天线数大于2的情况时，系统侧混合共同覆盖的独立通道个数也要于UE独立天线的个数一致。

以下为根据本发明一个实施例的UE侧M根独立天线并且系统侧M个同覆盖通道形成的M×M MIMO扩展架构的自适应切换方法。

其中，下行高速业务信道始终采用M流模式，同时传输的M个传输块既可以完全采用空分复用方式或者码分复用方式，也可以采用混合空分、码分复用的方式；

M＞2时一个混合空分、码分复用方式的例子：当M＝3时，传输块1和传输块2采用码分方式，各映射到一组不同的物理码道上同时在两个通道上进行发射；传输块3与前两个传输块采用空分方式，即传输块3映射到对应传输块1和传输块2的所有码道，但只在第三个通道上进行发射；

其中，训练序列的分配原则和2×2 MIMO类似。对于上行控制信道，不同发射天线分配不同的Midamble偏移；对于下行高速分组业务信道，每个传输块分配一个Midamble偏移；对于下行控制信道，M根发射通道可以分配相同的Midamble偏移，也可以分配不同的偏移；

其中，Node B根据如下准则自适应的判定能够进行空分复用的最大传输块个数N，余下的M-N个传输块与上述N个传输块采用码分复用的方式：N不超过空间信道的自由度，即N不超过空间信道自相关矩阵的有效秩(记为Rank)；采用N个传输块(N＜＝Rank)空分复用、M-N个传输块码分复用后总吞吐量最大。

图2为根据本发明的TD-SCDMA室内MIMO系统空分复用模式发射机示意图。图3为根据本发明的TD-SCDMA室内MIMO系统码分复用模式发射机示意图。

另外，本发明的思想并不仅仅局限在室内覆盖的应用范围，还可以延伸到室外分布式覆盖场景中去。

以下为根据本发明另一个实施例的以TD-SCDMA系统下行高速业务信道的2×2MIMO为实例的自适应切换方法，如图4所示，该方法包括以下步骤：

Node B通过对上行控制信道进行信道估计，获取UE侧不同发射天线的信道冲击响应，并构成如下格式的空时信道冲击响应矩阵

$H=\left[\begin{array}{cc}{\hat{h}}^{\left(\mathrm{1,1}\right)}& {\hat{h}}^{\left(\mathrm{1,2}\right)}\\ {\hat{h}}^{\left(\mathrm{2,1}\right)}& {\hat{h}}^{\left(\mathrm{2,2}\right)}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，列向量h^(i，j)中的i表示UE天线索引，j表示Node B天线索引；

计算2×2空间信道相关矩阵(S402)

$R_H=H^H\·H=\left[\begin{array}{cc}{\left|\right|h^{\left(\mathrm{1,1}\right)}\left|\right|}_2^2+{\left|\right|h^{\left(\mathrm{2,1}\right)}\left|\right|}_2^2& h^{{\left(\mathrm{1,1}\right)}^H}{h}^{\left(\mathrm{1,2}\right)}+h^{{\left(\mathrm{2,1}\right)}^H}{h}^{\left(\mathrm{2,2}\right)}\\ h^{{\left(\mathrm{1,2}\right)}^H}{h}^{\left(\mathrm{1,1}\right)}+h^{{\left(\mathrm{2,2}\right)}^H}{h}^{\left(\mathrm{2,1}\right)}& {\left|\right|h^{\left(\mathrm{1,2}\right)}\left|\right|}_2^2+{\left|\right|h^{\left(\mathrm{2,2}\right)}\left|\right|}_2^2\end{array}\right]---\left(2\right)$

计算空间信道相关系数(S404)

$\mathrm{\ρ}=\frac{\left|R_H(1,2)\right|}{\sqrt{R_H\left(\mathrm{1,1}\right)}\·\sqrt{R_H\left(\mathrm{2,2}\right)}}---\left(3\right)$

如果空间信道相关系数ρ大于某一预定门限(S406)，则确定为码分复用模式(S408)，否则进行后续基于吞吐量指标的判决；

Node B通过上行控制信道获取码分复用模式下主辅传输块对应的CQI(Channel Quality Indication信道质量指示)，转换为对应的单码道载干比

和

并进而预测空分复用模式下主辅传输块对应单码道载干比

和

或者Node B通过上行控制信道获取空分复用模式下主辅传输块各自对应的CQI，转换为对应的单码道载干比

和

并进而预测码分复用模式下主辅传输块对应单码道载干比

和

其中反馈CQI到载干比Ec/No的转换可以通过查表进行；而空分复用与码分复用方式单码道载干比之间的转算基于如下公式：

${\left(\frac{E_c}{N_o}\right)}_{S1}=\frac{K_1}{K}\·{\left(\frac{E_c}{N_o}\right)}_{C1}$

${\left(\frac{E_c}{N_o}\right)}_{S2}=\frac{K_2}{K}\·{\left(\frac{E_c}{N_o}\right)}_{C2}$

其中K为空分复用方式下的总物理码道数，K₁与K₂分别为码分复用方式下主辅传输块占用的物理码道数，满足K＝K₁+K₂；

根据上述空分复用和码分复用模式下的单码道载干比并结合时隙码道资源分配信息分别预测两者的吞吐量，如果空分复用模式的吞吐量比码分复用模式高出一定程度，则当前时刻采用空分复用模式(S410～S414)；否则采用码分复用模式(S408)；

对于空间复用方式，同时传输的两个传输块被映射到同一组物理码道上，然后分别从不同的天线发射出去；对于码分复用方式，同时传输的两个传输块各自被映射到一组不同的物理码道上，然后分别从不同的天线发射出去；

注意，如果上行控制信道反馈的最新CQI信息距离实际调度判决时刻有很长的延时(例如物理时序上已经相隔数个子帧)，则可以对上述空间相关矩阵R_H以及载干比参数进行平滑，以获取更平稳的空间信道相关特性及吞吐量信息。

通过本发明所述的方法避免了单纯空分复用MIMO方案在TD-SCDMA系统中应用时面临的空间信道自由度缺失问题，以系统和硬件架构(尤其在网络侧)最小改动的代价，换取了显著的容量提高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于时分同步码分多址系统的空分复用和码分复用的自适应切换方法，其特征在于，所述系统中的用户终端具有两个天线，节点B向用户终端同时传输两个传输块并通过不同的天线发射到所述用户终端，所述自适应切换方法包括以下步骤：

S102，所述节点B对上行信道进行估计，并通过上行信道估计结果实时地评估所述两个传输块的空间信道互相关性；

S104，在所述空间信道互相关性大于第一阈值的情况下，切换到码分复用模式，在所述空间信道互相关性小于第一阈值的情况下，进行吞吐量评估；

S106，所述节点B根据所述用户终端反馈的空分复用模式或码分复用模式的信道质量指示分别估计所述空分复用模式和所述码分复用模式的吞吐量，在所述空分复用模式的总吞吐量比所述码分复用模式的吞吐量高出第二阈值的情况下，切换到空分复用模式，否则切换到码分复用模式；以及

S108，所述节点B通过下行控制信道通知所述用户终端随后下行业务信道采用的复用方式及相关信息。

2.根据权利要求1所述的自适应切换方法，其特征在于，在所述空分复用模式下，同时传输的两个传输块被映射到同一组物理码道上，并通过不同的天线发射出去。

3.根据权利要求1所述的自适应切换方法，其特征在于，在所述码分复用模式下，同时传输的两个传输块被映射到两组不同的物理码道上，并通过不同的天线发射出去。

4.根据权利要求2或3所述的自适应切换方法，其特征在于，在所述空间复用方式和所述码分复用方式下，对于任一用户终端，所有时隙的物理码道资源的分配情况一致。

5.根据权利要求4所述的自适应切换方法，其特征在于，通过以下方式分配训练序列：

在上行控制信道，为所述用户终端的不同天线分配同一基本中间训练序列的不同偏移或分配不同的基本中间训练序列；

在下行高速业务信道，为用于同一用户终端的同时传输的两个传输块分别分配同一基本中间训练序列的不同偏移或分配不同的基本中间训练序列；以及

在下行控制信道，为所述节点B覆盖的两个通道分配同一基本中间训练序列的不同偏移、同一基本中间训练序列的同一偏移、或分配不同的基本中间训练序列。

6.根据权利要求1所述的自适应切换方法，其特征在于，在所述系统中的用户终端具有M个天线，节点B向用户终端同时传输M个传输块并通过不同的天线发射到所述用户终端的情况下，其中，M为正整数，且M＞2，同时传输的所述M个传输块通过以下至少一种方式传输：空分复用方式和码分复用方式。

7.根据权利要求6所述的自适应切换方法，其特征在于，通过以下方式分配训练序列：

在上行控制信道，为所述用户终端的不同天线分配同一基本中间训练序列的不同偏移或分配不同的基本中间训练序列；

在下行高速业务信道，为用于同一用户终端的同时传输的M个传输块分别分配同一基本中间训练序列的不同偏移或分配不同的基本中间训练序列；以及

在下行控制信道，为所述节点B覆盖的两个通道分配同一基本中间训练序列的不同偏移、同一基本中间训练序列的同一偏移、或分配不同的基本中间训练序列。

8.根据权利要求7所述的自适应切换方法，其特征在于，采用空分复用的最大传输块个数小于或等于空间信道的自由度。

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