CN101388752A

CN101388752A - 基于时分双工系统的上行空间传输方法、终端和基站

Info

Publication number: CN101388752A
Application number: CNA2007101216516A
Authority: CN
Inventors: 吴群英; 孙韶辉; 索士强
Original assignee: Datang Mobile Communications Equipment Co Ltd
Current assignee: China Academy of Telecommunications Technology CATT; Datang Mobile Communications Equipment Co Ltd
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: US8295213B2; KR101098881B1; CN101388752B; WO2009033365A1; KR20100054850A; US20100278059A1

Abstract

本发明公开了一种基于时分双工(TDD)系统的上行空间传输方法。在所述方法中，终端对下行空间信道状态信息进行测量，利用TDD系统的信道对称性，估计上行空间信道状态信息，利用所述上行空间信道状态信息根据一定准则选择上行空间预编码矩阵，用所选择的空间预编码矩阵进行空间预编码，并将数据流通过天线发送给基站。本发明还同时公开了一种基于所述方法的终端、基站和系统，本发明充分利用了TDD系统信道的对称性，并通过上行空间预编码矩阵的选择使得上行达到最大的信道容量，从而优化了上行空间传输。

Description

基于时分双工系统的上行空间传输方法、终端和基站

技术领域

本发明涉及多输入多输出(MIMO)系统的上行空间传输技术，尤其涉及时分双工(TDD)MIMO系统的上行空间传输方法及实现所述方法的终端和基站。

背景技术

目前，无线网络中应用MIMO的配置，主要是为下行发射多个数据流增加系统容量，因此大多数终端配置多个天线，实际是多个接收通道以完成下行MIMO，而发射通道仅有一个。随着技术的发展和需求，上行数据传输也具备多个发射通道，但是传统的传输方法采用开环的技术，如各种发射分集方法、天线选择或空间复用技术，并不进行空间信道状态信息的测量，因此不能达到最大的信道容量。

所谓空间复用，就是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个数据通道如MIMO子信道发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。现有空间复用技术的上行传输过程是:使用空间复用技术进行上行传输时，终端先将需要传送的信号经过串并转换，转换成几个平行的信号流，并且在同一频带上使用各自的天线同时传送。由于多径传播，每一副发射天线针对基站会产生一个不同的空间信号，基站利用信号不同来区分各个数据流。

上述传输过程中，虽然是采用多天线技术，但只是理论上的方法。在实际应用中，MIMO系统的上行数据传输一般由终端直接将数据流映射到单个天线上，向基站发送。无论现有技术采用多天线的上行空间传输方法还是采用单天线的上行空间传输方法，均不进行空间信道状态信息的测量，因此并不能使系统达到最大的信道容量。

为证明进行空间信道状态信息测量时，系统能够达到最大的信道容量，以下通过具体流程进一步说明:先建立MIMO系统模型，再计算出使用上述空间复用技术时系统的信道容量值，以及进行空间信道状态信息测量时系统的信道容量值，并进行系统信道容量值的比较。

所谓MIMO是将多个数据流映射到达n_t个发射天线上，接收端将到达n_r个接收天线上的数据解映射输出多个数据流，映射关系用∏和∏^-1表示。下面给出2×2MIMO系统的映射关系∏和∏^-1，系统模型为:

Y＝HS+n

其中，Y和S是2×1维的，H是2×2维的，n是2×1维接收高斯白噪声，其方差矩阵为

由此，不进行空间信道状态信息测量时，MIMO信道容量为:

C = E_{H} {\log \det (I + \frac{{HR}_{CC} H^{H}}{N_{0}})}

其中，R_CC＝E{CC}为发射信号的相关矩阵。

空间复用是开环技术，不进行系统信道状态信息的测量，此时

R_{CC} = \frac{P}{n_{t}} I,

表示每个天线上等功率发射独立的数据流。信道容量为:

C = E [\log \det (I_{N} + \frac{P_{T}}{N_{0} n_{t}} {HH}^{H})] = E_{λ} [Σ_{i = 1}^{n_{\min}} \log (1 + \frac{P_{T}}{N_{0} n_{t}} λ_{i}^{2})]

其中，λ_i是随机信道H的特征值。

当采用闭环技术进行空间信道状态信息的测量时:

假设发送天线数目为M，接收天线数目为N，如果发送符号向量x的维数为M×1，接收到的符号向量y的维数为N×1，那么发送符号向量x和接收符号向量y之间的关系可以表示为:

y＝Hx+w

其中，H为空间信道矩阵，维数为N×M，w为接收到的噪声向量，维数为N×1。

已知信道矩阵H，对进行奇异值分解，可以得到:

H＝UΛV^H

其中，U是维数为N×N的酉矩阵；V是维数为M×M的酉矩阵；Λ矩阵由矩阵H的奇异值构成，假设λ₁≥λ₂≥…≥

是矩阵H的特征值，其中n_min＝min(M，N)，那么

如果定义:

\tilde{x} : = V^{H} x

\tilde{y} : = U^{H} y

\tilde{w} : = U^{H} w

那么，y＝Hx+w将变为:

\tilde{y} = Λ \tilde{x} + \tilde{w}

即:

{\tilde{y}}_{i} = λ_{i} {\tilde{x}}_{i} + {\tilde{w}}_{i}

i＝1，2，…n_min

可见，通过奇异值分解(SVD)可以把MIMO信道转变为n_min个并行传输信道，每个子信道有不同的接收信噪比(SNR)。如果每一个并行传输的信道是高斯信道的话，那么，MIMO信道的容量为:

\begin{matrix} C = Σ_{i = 1}^{n_{\min}} E_{λ_{i}} {\log (1 + \frac{P_{i}^{*} λ_{i}^{2}}{N_{0}})} & bits / s / Hz \end{matrix}

其中，是每个子信道的功率分配值。对于独立衰落的瑞利(Rayleigh)信道，信道是足够随机的，信道满秩的概率为1，在高的SNR下各个特征值有相等的功率P^*＝P/min(n_t，n_r)，信道容量为:

C = Σ_{i = 1}^{n_{\min}} E_{λ_{i}} {\log (1 + \frac{P λ_{i}^{2}}{N_{0} \min (n_{t}, n_{r})})}

在高信噪比下，将进行空间信道状态信息测量的闭环情况与没有进行空间信道状态信息测量的开环情况比较:自由度同样为min(n_t，n_r)，相比没有进行空间信道状态信息测量时系统的功率，对空间信道状态信息进行测量时，系统有功率增益n_t/min(n_t，n_r)。因此，当发射天线n_t大于接收天线n_r时，所述功率增益为n_t/n_r。功率增益的原因是:当对空间信道状态信息进行测量时，系统功率是在

的各个方向发射的，而不对空间信道状态信息进行测量时，功率仅仅在的n_r个非零的特征值方向发射，其只是

的n_r个子空间。故此，任何不进行空间信道状态信息测量的开环技术，不能得到最大的系统信道容量，仅仅是次优的，不是最优的。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于时分双工系统的上行空间传输方法，能使上行传输达到最大信道容量，从而优化上行空间传输。

本发明的另一目的在于提供一种实现本发明所述基于时分双工系统上行空间传输方法的终端和基站，利用TDD系统信道对称性使上行传输达到最大信道容量，从而优化上行空间传输。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:

一种基于时分双工系统的上行空间传输方法，包括:

A、终端接收来自基站的公共参考符号，进行下行空间信道状态信息的测量，估计上行空间信道状态信息；

B、终端根据一定准则选择上行空间预编码矩阵，用所选择的空间预编码矩阵进行空间预编码，并将数据流通过天线发送给基站。

步骤B后进一步包括:

C、基站解调收到的数据流，根据数据流中用于上行空间信道测量的参考符号测量上行空间信道状态信息；之后，基站为每个无线承载计算信道质量指示符，根据计算的信道质量指示符进行上行资源分配。

其中，步骤B中所述一定准则为:最大信道容量准则、或最大信号干扰噪声比准则。

所述数据流包括:空间预编码后的数据符号和用于解调数据符号的参考符号，以及用于上行信道测量的未进行空间预编码的参考符号。

本发明同时提供了一种实现上行空间传输的终端，包括信号接收模块、信道管理模块、空间预编码模块和信号发送模块，其中，

信号接收模块，用于接收由基站发送的公共参考符号，并将所述公共参考符号发送给信道管理模块；

信道管理模块，用于使用信号接收模块所接收到的公共参考符号测量下行空间信道状态信息，并估计上行空间信道状态信息，之后将所述上行空间信道状态信息传送给空间预编码模块；

空间预编码模块，用于根据信道管理模块所估计的上行空间信道状态信息选择上行空间预编码矩阵，进行空间预编码，并将数据流发送至信号发送模块；

信号发送模块，用于将空间预编码模块发送来的数据流经过天线发送给基站。

其中，所述数据流包括:空间预编码后的数据符号和用于解调数据符号的参考符号，以及用于上行信道测量的未进行空间预编码的参考符号。

本发明同时提供了一种实现上行空间传输的基站，包括信号接收模块、信道管理模块和数据流解调模块，其中，

信号接收模块，用于接收由终端发送的数据流，并将所述数据流分别发送给信道管理模块和数据流解调模块；

信道管理模块，用于根据信号接收模块所接收的数据流中用于上行信道测量的参考符号进行上行空间信道状态信息的测量，为每个无线承载计算信道质量指示符；

数据流解调模块，用于对信号接受模块接收到的数据流中空间预编码后的数据符号进行相干解调以恢复原始的数据流。

该基站进一步包括:

资源分配模块，用于根据信道管理模块所计算出的信道质量指示符进行上行资源的分配。

本发明还提供了一种实现上行空间传输的系统，该系统包括终端和基站，终端侧包括信号接收模块、信道管理模块、空间预编码模块和信号发送模块，基站侧包括信号接收模块、信道管理模块和数据流解调模块，其中，

终端侧信号接收模块，用于接收由基站发送的公共参考符号，并将所述公共参考符号发送给信道管理模块；

终端侧信道管理模块，用于使用信号接收模块所接收到的公共参考符号测量下行空间信道状态信息，并估计上行空间信道状态信息，之后将所述上行空间信道状态信息传送给空间预编码模块；

终端侧空间预编码模块，用于根据信道管理模块所估计的上行空间信道状态信息选择上行空间预编码矩阵，进行空间预编码，并将数据流发送至信号发送模块；

终端侧信号发送模块，用于将空间预编码模块发送来的数据流通过天线发送给基站；

基站侧信号接收模块，用于接收由终端发送的数据流，并将所述数据流分别发送给信道管理模块和数据流解调模块；

基站侧信道管理模块，用于根据信号接收模块所接收的数据流中用于上行信道测量的参考符号进行上行空间信道状态信息的测量，为每个无线承载计算信道质量指示符；

基站侧数据流解调模块，用于对信号接受模块接收到的数据流中空间预编码后的数据符号进行相干解调以恢复原始的数据流。

所述基站侧进一步包括:

本发明所提供的基于时分双工系统的上行空间传输方法以及终端和基站，终端根据接收到的来自基站的公共参考符号测量下行空间信道状态信息，根据TDD系统信道对称性的特征，估计上行空间信道状态信息，之后终端根据一定的准则，如最大信道容量或最大信号干扰噪声比(SINR)准则，选择上行空间预编码矩阵，通过上行空间预编码矩阵的选择，使得MIMO信道的信道容量最大，从而优化了上行空间传输。

附图说明

图1为本发明上行空间传输方法的流程示意图；

图2为基于本发明上行空间传输方法的终端结构示意图；

图3为基于本发明上行空间传输方法的基站结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想是:终端对下行空间信道状态信息进行估计，利用TDD系统信道对称性，得到上行空间信道状态信息；之后终端根据一定准则选择上行空间预编码矩阵，利用所选择的上行空间预编码矩阵进行空间预编码；基站对接收到的数据流进行相干解调，并通过接收到的用于信道测量的参考符号进行上行空间信道的估计。

图1为本发明提出的一种基于TDD的上行空间传输方法，本发明中，终端和基站均使用多天线收发。如图1所示，该方法的具体流程包括以下步骤:

步骤101:基站在多根天线上周期发送彼此正交的未预编码的下行公共参考符号。

步骤102:终端测量下行空间信道状态信息，并根据测量到的下行空间信道状态信息估计上行空间信道状态信息。

这里，终端根据收到的公共参考符号，通过最小均方(LS)估计算法等方法进行下行空间信道状态信息H^DL的测量。当上行链路和下行链路的时间间隔ΔT很短，其移动台移动速度不是很高，即满足时间间隔ΔT小于信道的相干时间。由于TDD系统上行、下行信道是对称的，所以，可得到上行空间信道状态信息的估计值为:

H^{UL} \approx {\hat{H}}^{UL} = H^{DL}

步骤103:终端利用估计的上行空间信道状态信息H^UL，根据一定准则进行空间预编码矩阵的选择，使得系统的信道容量最大。

这里，所述一定准则一般为最大信道容量准则或最大信号干扰噪声比准则，这两种准则可任意选用。

通常，上行接收机接收信号的表达式为:

X＝H^ULFS+n

其中，n为噪声。由步骤102终端已知上行空间信道状态信息H^UL，根据一定准则可以选择空间预编码矩阵F，如根据最大信道容量或最大信号干扰噪声比(SINR)准则，使得MIMO信道的信道容量最大，即发射功率一定，输入输出之间的互信息I最大:

C = \max_{p (s)} I (X, S)

Tr(E[SS^*])＝p₀

其中，p₀为总的发射功率。

互信息I最大时空间预编码矩阵F的解为:

F＝V_b

V_b为信道H^UL的特征矢量矩阵V的b(b≤B)个最大特征矢量构成的矩阵。

步骤104:终端利用所选择的空间预编码矩阵F进行空间预编码，并将经过空间预编码的数据符号通过天线发送到基站，同时，还经过天线发送未进行空间预编码的用于上行信道测量的参考符号。

这里，所述空间预编码是指:将多个并行的数据流S映射到n_t个发射天线上(b≤n_t)。在进行空间预编码时，数据流S中的每个数据符号以及解调所述数据符号所需的参考符号都要进行空间预编码。因此，从天线上发送的数据流包括:所述空间预编码后的数据符号和用于解调数据符号的参考符号，以及用于上行信道测量的未进行所述空间预编码的参考符号。

步骤105:基站接收到终端天线发射来的经过空间预编码的、解调数据流S所需的参考符号后，通过所述参考符号估计出等效信道状态信息H_eff，进行相干解调以恢复b个原始的数据流。

这里，所述解调可以采用各种已有的算法，如最小均方误差(LMSE)或数据流串行干扰消除(SIC)等。

步骤106:基站根据接收到的未进行空间预编码的用于上行信道测量的参考符号，进行上行空间信道状态信息H^UL的测量。

这里，如何进行测量属于已有技术，在此不再赘述。

步骤107:基站根据H^UL为每个无线承载(RB)计算上行空间预编码矩阵F。

假设:发送端的空间传输矩阵采用信道矩阵H^UL的奇异值分解(SVD)，为每个RB计算上行空间预编码矩阵F。

步骤108:基站根据等效信道状态信息H_eff＝H^ULF，计算每个RB的CQI，然后根据每个RB的CQI进行上行资源的分配。

以上步骤中，步骤101～105用于完成数据从终端到基站的上行空间传输；步骤106～108中，基站通过上行空间信道状态信息的测量及一系列的计算，得到每个RB的CQI，并根据每个RB的CQI更好的进行上行资源的分配，所分配的上行资源用于下一次上行空间传输；步骤101～108结合起来共同构成完整的上行空间传输过程。

为实现本发明所述方法，本发明提出一种实现基于TDD系统上行空间传输方法的终端，图2为基于本发明上行空间传输方法的终端结构示意图，如图2所示，该终端包括:信号接收模块210、信道管理模块220、空间预编码模块230和信号发送模块240，其中，

信号接收模块210，用于接收由基站发送的公共参考符号，并将所接收到的公共参考符号送到信道管理模块220。

信道管理模块220，用于根据信道接收模块210所接收的公共参考符号测量下行空间信道状态信息，并估计上行空间信道状态信息；信道管理模块220将估计的上行空间信道状态信息发送到空间预编码模块230。

空间预编码模块230，用于根据信道管理模块220所估计的上行空间信道状态信息选择上行空间预编码矩阵，进行空间预编码，并将数据流发送至信号发送模块240。

信号发送模块240，用于将空间预编码模块230发送来的数据流经过天线发送给基站。

本发明还同时提出了一种实现基于TDD系统上行空间传输方法的基站，图3为基于本发明上行空间传输方法的基站结构示意图，如图3所示，该基站包括:信号接收模块310、信道管理模块320、数据流解调模块330和资源分配模块340，其中，

信号接收模块310，用于接收由终端发送的数据流，并将所述数据流发送给信道管理模块320和数据流解调模块330。

信道管理模块320，用于通过所述数据流中的用于上行信道测量的未进行空间预编码的参考符号进行上行空间信道状态信息的测量，为每个无线承载计算上行空间预编码矩阵、上行的等效信道状态信息以及信道质量指示符，并将所计算出的信道质量指示符发送给资源分配模块340。

数据流解调模块330，用于对信号接收模块310所接收到的数据流中空间预编码后的数据符号进行相干解调以恢复原始的数据流。

资源分配模块340，用于根据信道管理模块320所计算的信道质量指示符进行上行资源的分配。

本发明中，图2所示的实现基于TDD系统上行空间传输方法的终端、以及图3所示的基站共同构成实现基于TDD系统上行空间传输方法的系统。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims

1、一种基于时分双工系统的上行空间传输方法，其特征在于，该方法包括：

2、根据权利要求1所述的基于时分双工系统的上行空间传输方法，其特征在于，步骤B后进一步包括：

3、根据权利要求1或2所述的基于时分双工系统的上行空间传输方法，其特征在于，步骤B中所述一定准则为：最大信道容量准则、或最大信号干扰噪声比准则。

4、根据权利要求1所述的基于时分双工系统的上行空间传输方法，其特征在于，所述数据流包括：空间预编码后的数据符号和用于解调数据符号的参考符号，以及用于上行信道测量的未进行空间预编码的参考符号。

5、一种实现上行空间传输的终端，其特征在于，该终端包括信号接收模块、信道管理模块、空间预编码模块和信号发送模块，其中，

6、根据权利要求5所述的实现上行空间传输的终端，其特征在于，所述数据流包括：空间预编码后的数据符号和用于解调数据符号的参考符号，以及用于上行信道测量的未进行空间预编码的参考符号。

7、一种实现上行空间传输的基站，其特征在于，该基站包括信号接收模块、信道管理模块和数据流解调模块，其中，

8、根据权利要求7所述的实现上行空间传输的基站，其特征在于，该基站进一步包括：

9、根据权利要求7或8所述的实现上行空间传输的基站，其特征在于，所述数据流包括：空间预编码后的数据符号和用于解调数据符号的参考符号，以及用于上行信道测量的未进行空间预编码的参考符号。

10、一种实现上行空间传输的系统，其特征在于，该系统包括终端和基站，终端侧包括信号接收模块、信道管理模块、空间预编码模块和信号发送模块，基站侧包括信号接收模块、信道管理模块和数据流解调模块，其中，

11、根据权利要求10所述的实现上行空间传输的系统，其特征在于，所述基站侧进一步包括：

12、根据权利要求10或11所述的实现上行空间传输的系统，其特征在于，所述数据流包括：空间预编码后的数据符号和用于解调数据符号的参考符号，以及用于上行信道测量的未进行空间预编码的参考符号。