CN101394213B - 一种时分双工方式频分复用系统的多天线通信方法 - Google Patents

Abstract

一种时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，在单位帧的下行区域中设置广义波束区域，广义波束区域在频域上划分为M+N个广义波束子区域，每一个广义波束子区域中设置有由一个或多个子载波组成的导频信道；基站在第i个广义波束子区域的导频信道中发送经预编码矢量U_i预编码的导频信号；其中，预编码矢量U_i中的M个为不同的用于大角度扩展信道条件下的基于本征波束赋形的MIMO预编码矢量，N个为不同的用于小角度扩展信道条件下的基于波束方向的预编码矢量，预编码矢量索引i＝1，2，...，M+N；所述频分复用系统为基于频分复用技术的单载波或多载波通信系统。

Description

一种时分双工方式频分复用系统的多天线通信方法

技术领域

本发明涉及一种时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，尤其涉及一种时分双工方式的基于正交频分复用技术的单载波或多载波通信系统的多天线通信方法。

背景技术

人们对无线通信技术日益增长的需求是无线通信技术发展的巨大推动力。目前应用最广泛的无线通信系统是蜂窝移动通信系统，其复杂多变的信道条件和人们对移动通信系统苛刻的要求对蜂窝移动通信技术提出了极大的挑战。

当前解决这个挑战的有效方法就是多载波传输技术和多天线技术的结合。目前的B3G(Beyond 3rd Generation，超3G)系统如IEEE(电气和电子工程师协会)802.16e、3GPP LTE(3rd Generation Partnership Project LongTerm Evolution，第三代合作伙伴计划长期演进)和3GPP2 UMB(Ultra MobileBroadband，超宽带)的核心都是多载波传输技术和多天线技术的结合。可以预言，多载波传输技术和多天线技术的结合必然在未来的无线通信系统中占据主流地位。

多载波传输技术主要包括OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交频分复用)及其单载波和多载波变种如IFDMA(InterleavedFrequency Division Multiple Access，交织频分多址)等。OFDM技术在频域将整个宽带载波分成多个窄带子载波，可以将宽带载波上的频率选择性衰落转变为窄带子载波上的平坦衰落，再加上结合在时域对每个OFDM符号增加循环前缀可以有效消除多径信道造成的符号间和子载波间的干扰，并且OFDM调制和解调可以使用快速傅立叶变换技术来实现，比较适合宽带通信。目前OFDM技术已经在DVB(Digital Video Broadcasting，数字视频广播)、IEEE 802.11a/n、IEEE 802.16d/e、3GPP LTE和3GPP2 UMB等国际标准中得到广泛应用。

多天线技术通过在发射机和接收机使用多根发射/接收天线来提高无线通信系统的性能。多天线技术可以有效提高无线系统在衰落信道中的链路可靠性和信道容量，已经在IEEE 802.11n、IEEE 802.16e、WCDMA(WideCode Division Multiple Access，宽带码分多址)、CDMA2000(Code DivisionMultiple Access 2000，码分多址2000)、3GPP LTE和3GPP2 UMB等国际标准中得到广泛应用。多天线技术为了应用于不同的场景包括多种传输技术，常见的有：

1、基于DoA(Direction of Arrival，波达方向)的波束赋形(Beamforming)，即智能天线，又称为AAS(Adaptive Antenna System，自适应天线系统)，通常用于角度扩展比较小的场合。智能天线系统通过控制天线阵发送/接收波束的方向使得波束主瓣对准目标用户和/或使零陷对准干扰用户从而抑制干扰提高接收端信号干扰噪声比。当多个用户的DoA差别足够大的时候，可以使用相同的时频资源以不同方向的波束发送不同的数据到多个用户，即为SDMA(Space Division Multiple Access，空分多址)。在角度扩展比较大的时候，基于DoA的波束赋形将被本征波束赋形(Eigen-beamforming)所取代，本征波束赋形其实就是一种预编码发射分集技术；

2、MIMO(Multiple-Input Multiple-Out，多入多出)技术，通常说的MIMO技术包括空间分集(Spatial Diversity，包括发射分集TxD和接收分集RxD，主要是指发射分集)和空间复用(Spatial Multiplexing)。发射分集(Transmit Diversity，TxD)将单个数据流经过空时(或空频，空码等)编码以后在多根天线上发射来提高链路可靠性，其原理是利用不同天线上发射的数据经历的衰落不相关从而降低了接收端信号处于深衰落的概率，从而提高了链路可靠性。当无线信道的空间相关性比较小时，可以使用相同的时频资源发射多个不同的数据流到单个用户或多个用户，即为空间复用。按照多个数据流是发送给单个用户还是多个用户，空间复用可以分成SU-MIMO(Single User-MIMO，单用户多入多出)和MU-MIMO(Multiple User-MIMO，多用户多入多出)。

传统上在设计多天线系统时，系统可能选择多天线技术Beamforming、SDMA、TxD/RxD、SU-MIMO、MU-MIMO中的一种或几种，每种技术是分开设计的，各种多天线技术所使用的预编码矢量等多天线参数不能根据信道的质量信息进行统一的选择及处理，这样大大增加了系统复杂度和降低了系统灵活性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种可对各种多天线技术所使用的预编码矢量等多天线参数根据下行信道的质量进行统一的选择及处理的时分双工方式频分复用系统的多天线通信方法。

为了解决上述问题，本发明提供一种时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，在单位帧的下行区域中设置广义波束区域，广义波束区域在频域上划分为M+N个广义波束子区域，每一个广义波束子区域中设置有由一个或多个子载波组成的导频信道；基站在第i个广义波束子区域的导频信道中发送经预编码矢量U_i预编码的导频信号；

其中，预编码矢量U_i中的M个为不同的用于大角度扩展信道条件下的基于本征波束赋形的MIMO预编码矢量，N个为不同的用于小角度扩展信道条件下的基于波束方向的预编码矢量，预编码矢量索引i＝1，2，...，M+N；

所述频分复用系统为基于频分复用技术的单载波或多载波通信系统。

此外，所述单位帧为3GPP LTE Type2帧；所述广义波束区域位于DwPTS；除P-SCH所占用的子载波以外，各广义波束子区域分别占用剩余可用子载波中的一个或多个。

此外，所述广义波束子区域设置有由一个或多个子载波组成的以下参考信道中的一个或多个：下行频率负载指示信道、下行波束负载指示信道、上行频率负载指示信道、上行波束负载指示信道；所述基站在第i个广义波束子区域的上述参考信道分别发送经所述预编码矢量U_i预编码的以下参考指示信息：下行频率负载指示信息、下行波束负载指示信息、上行频率负载指示信息、上行波束负载指示信息；

所述下行频率负载指示信息用于描述在该广义波束子区域所在子载波上的下行业务统计或负载信息；

所述下行波束负载指示信息用于描述下行业务使用该广义波束子区域对应的预编码矢量的统计或负载信息；

所述上行频率负载指示信息用于描述在该广义波束子区域所在子载波上的上行业务统计或负载信息；

所述上行波束负载指示信息用于描述上行业务使用该广义波束子区域对应的预编码矢量的统计或负载信息。

此外，当终端接收到所述基站发送的M+N个经预编码的导频信号后，进行如下处理：

A)根据各经预编码的导频信号计算对应广义波束子区域的广义波束参数值；广义波束参数值包含SINR值；

B)根据各广义波束子区域的SINR值中的最大值所对应的预编码矢量类型在方向矢量天线模式集合、MIMO矢量天线模式集合中选取一个；

所述方向矢量天线模式集合包含以下天线模式：Beamforming和SDMA；

所述MIMO矢量天线模式集合包含以下天线模式：TxD/RxD，SU-MIMO和MU-MIMO。

此外，所述步骤B)之后还包含如下步骤：

C)根据所述终端选定的天线模式集合确定反馈信息：

若选定的天线模式集合为方向矢量天线模式集合，则反馈信息包含：各广义波束子区域的SINR值中的最大值对应的预编码矢量索引以及对应的SINR值；

D)将上述反馈信息发送到所述基站。

此外，所述步骤B)之后还包含如下步骤：

C’)根据所述终端选定的天线模式集合确定反馈信息：

若选定MIMO矢量天线模式集合，则反馈信息中包含：

前R个最大SINR值对应的波束索引及相应的SINR值；和

前m-1个最小接收功率值对应的波束索引及相应的接收功率值；

D’)将上述反馈信息发送到所述基站；

m为MU-MIMO天线模式下单个无线资源块的复用用户数；

所述广义波束参数值包含接收功率值；

所述步骤B)之前还包含如下步骤：根据各经预编码的导频信号计算广域波束区域的信道秩R。

此外，所述步骤D)之后还包含如下步骤：

E)如果存在X个终端反馈的各不相同的预编码矢量，那么在该X个终端对应的上行和/或下行业务信道使用SDMA模式；否则使用Beamforming模式；

X为SDMA模式下单个无线资源块的复用用户数。

此外，所述步骤D’)之后还包含如下步骤：

E’)按照如下方法选择下行业务信道的天线模式：

如果所述反馈信息中包含的信道秩R＝1，且所述基站按照MU-MIMO配对准则可以对多个终端进行成功配对，则对上述多个终端使用相同的MU-MIMO模式；

如果所述反馈信息中包含的信道秩R＝1，且基站按照MU-MIMO配对准则无法对多个终端成功配对，那么使用TxD模式；

如果所述反馈信息中包含的信道秩R＞1，则使用SU-MIMO模式。

此外，所述步骤D’)之后还包含如下步骤：

F’)按照如下方法选择上行业务信道的天线模式：

如果基站按照MU-MIMO配对准则可以对多个终端成功配对，则该多个终端使用MU-MIMO模式；否则使用RxD模式。

此外，所述MU-MIMO配对准则为：

从各终端发送的所述反馈信息中包含的m+R-1个预编码矢量索引中，选取与最大SINR值对应的预编码矢量索引和前m-1个最小接收功率值对应的预编码矢量索引组成预编码矢量索引集合A_i；如果存在m个终端对应的预编码矢量索引集合A_j，满足如下条件，即实现所述按照MU-MIMO配对准则成功配对：

(1)各A_j中包含相同的预编码矢量索引；且

(2)各A_j中与最大SINR值对应的预编码矢量索引各不相同；

i＝1，...，n；j＝1，...，m；n为终端的个数，n≥m。

此外，所述步骤E)之后还包含如下步骤：所述基站在所述终端对应的下行业务信道，使用该终端反馈的预编码矢量进行预编码。

此外，所述步骤E’)之后还包含如下步骤：

若在下行业务信道使用TxD天线模式，所述基站将使用所述终端反馈的所述m+R-1个预编码矢量中的SINR最大值对应的预编码矢量对数据进行预编码；

若在下行业务信道使用MU-MIMO天线模式，所述基站在所述终端反馈的m+R-1个预编码矢量中选择1个与SINR最大值对应的预编码矢量，和m-1个与前m-1个最小接收功率相对应的预编码矢量组成预编码矢量矩阵，使用该预编码矢量矩阵对数据流进行预编码；

若在下行业务信道使用SU-MIMO天线模式，基站使用前R个最大SINR值对应的R个预编码矢量组成的预编码矢量矩阵对数据流进行预编码。

此外，所述基站选定上行业务信道的天线模式后使用所述终端发送的反馈信息中包含的预编码矢量索引对应的预编码矢量解调对应上行业务信道的数据。

此外，在所述步骤B)之前还包含如下步骤：所述终端接收到所述基站发送的所述M+N个经预编码的导频信号和参考指示信息后，根据所述导频信号计算对应的信道传递函数，并根据信道传递函数解码出对应参考信道中包含的参考指示信息。

此外，若所述广义波束子区域包含下行波束负载指示信道和/或上行波束负载指示信道，则在终端确定反馈信息时，避免选择下行波束负载指示信息和/或上行波束负载指示信息指示为负载重的预编码矢量索引。

此外，若所述广义波束子区域包含下行频率负载指示信道和/或上行频率负载指示信道，则当邻小区基站发送的下行频率负载指示信息和/或上行频率负载指示信息指示为负载重时，向当前小区的所述基站反馈相关信息。

此外，所述广义波束区域在频域上按照子载波相邻方式或子载波分布式划分所述M+N个广义波束子区域。

此外，若所述导频信道、下行频率负载指示信道、下行波束负载指示信道、上行频率负载指示信道、上行波束负载指示信道包含多个子载波，各信道的不同子载波发送相同的信号。

此外，所述频分复用系统为OFDM或IFDMA。

由上可知，采用本发明的时分双工方式频分复用系统的多天线通信方法，基站不需要进行DoA估计，可直接使用下行广义波束测量值进行下行波束赋形/MIMO预编码矢量选择；且基站可以对当前使用的预编码矢量进行调整；并且由于在广义波束上承载了相应的指示频率和广义波束上的负载信息，因此能比较好地降低上下行干扰。

附图说明

图1是本发明实施例包含广义波束区域的无线帧结构示意图；

图2是3GPP LTE Type2帧结构示意图；

图3是本发明实施例包含广义波束区域的3GPP LTE Type2帧结构示意图；

图4是本发明实施例广义波束子区域信道分布示意图；

图5是本发明实施例使用广义波束区域的时分双工方式频分复用系统的多天线通信方法流程图。

具体实施方式

本发明的主要思路是，在多载波传输TDD(Time Division Duplex，时分双工)方式下，采用如图1所示的无线帧结构，传输经过预编码矢量预编码的导频信号和参考指示信息(下文中将经过预编码矢量预编码的导频信号和参考指示信息称为广义波束)。接收端可以对广义波束进行测量，正确获知各预编码矢量对物理信道的实际影响。

上述广义波束在无线帧中的广义波束区域中发送。如图1所示，一个单位帧包括下行区域和上行区域。广义波束区域位于下行区域中的某一固定位置。图1中GP1为下行到上行保护间隔，GP2是上行到下行保护间隔。

广义波束区域中可以按照频率(子载波)划分为若干个广义波束子区域，每个广义波束子区域中发射一个或者多个广义波束。划分广义波束子区域可以按照子载波相邻(Localized)方式划分，也可以按照子载波分布式(Distributed)方式划分。

一个广义波束子区域中可以只承载该波束的导频信道，导频信道中传输经过预编码的导频信号。

除导频信道外，广义波束子区域中还可以承载如下四个参考指示信道中的任意一个或者多个信道：下行频率负载指示信道；下行波束负载指示信道；上行频率负载指示信道；上行波束负载指示信道。在上述四个信道中分别传输经过预编码的以下参考指示信息：下行频率负载指示信息；下行波束负载指示信息；上行频率负载指示信息；上行波束负载指示信息。

其中，下行频率负载指示信息描述在该广义波束子区域所在频率(子载波)上的下行业务统计或负载信息；例如，在该子载波上的下行业务统计量，或简单地用1标识负载重，0标识负载轻；

下行波束负载指示信息描述在该广义波束上的下行业务使用频繁情况，即下行业务使用该广义波束子区域对应的预编码矢量(与特定方向相对应)的统计或负载信息；例如，使用对应预编码矢量的下行业务统计量，或简单地用1标识负载重，0标识负载轻；

上行频率负载指示信息描述在该广义波束子区域所在频率(子载波)上的上行业务统计或负载信息；例如，在该子载波上的上行业务统计量，或简单地用1标识负载重，0标识负载轻；

上行波束负载指示信息描述在该广义波束上的上行业务使用频繁情况，即上行业务使用该广义波束子区域对应的预编码矢量(与特定方向相对应)的统计或负载信息；例如，使用对应预编码矢量的上行业务统计量，或简单地用1标识负载重，0标识负载轻。

如果存在两个或者两个以上的上述四个信道，则它们可以采用频分或者码分的形式。

也就是说，一个广义波束中包含经过该广义波束子区域对应的预编码矢量预编码的导频信号；还可以包含经过该预编码矢量预编码的下行频率负载指示信息、下行波束负载指示信息、上行频率负载指示信息、上行波束负载指示信息中的一种或多种。

预编码矢量包括两类：基于波束方向的预编码矢量，基于本征波束赋形的MIMO预编码矢量。

其中，基于波束方向的预编码矢量能形成具有明显物理方向的波束，用于小角度扩展信道条件下的预编码；基于本征波束赋形的MIMO预编码矢量不能形成具有明显物理方向的波束，用于大角度扩展信道条件下的预编码。

下行天线工作模式可以包括：Beamforming、SDMA、TxD、SU-MIMO和MU-MIMO五种；上行天线工作模式可以包括Beamforming、SDMA、RxD(Receive Diversity，接收分集)和MU-MIMO四种。

其中，还可以根据所使用的预编码矢量的不同将Beamforming、SDMA、TxD/RxD、SU-MIMO和MU-MIMO分为两个天线模式集合：方向矢量天线模式集合，MIMO矢量天线模式集合。

方向矢量天线模式集合包含：Beamforming和SDMA；该集合中的天线模式使用的是基于波束方向的预编码矢量。

MIMO矢量天线模式集合包含：TxD/RxD，SU-MIMO和MU-MIMO；该集合中的天线模式使用的是基于本征波束赋形的MIMO预编码矢量。

下面将结合附图，并以3GPP LTE Type2(第三代合作伙伴计划长期演进类型2)帧结构为例对本发明进行详细描述。

图2是3GPP LTE Type2帧结构示意图。3GPP LTE Type2为TDD双工方式，其10ms的无线帧(Radio Frame)分成两个5ms的半帧(Half-frame)，每个半帧分成7个0.675ms长度的时隙(Slot，图中称为Subframe)和三个特殊时间段，7个0.675ms长度的时隙用于传输业务数据和控制信令，三个特殊时间段分别为下行同步时隙(DwPTS)、主保护间隔(GP)和上行同步时隙(UpPTS)，其中GP作为下行到上行切换点。第一个时隙是固定的下行时隙#0，后面的6个时隙#1～#6分成连续的上行时隙和连续的下行时隙，上行到下行切换点可以位于这6个时隙中的任何两个时隙的分界点上，在切换点上必须从相邻时隙上分配一个上行到下行保护间隔。

3GPP LTE Type2帧结构中，P-SCH(Primary-Synchronization Channel，主同步信道)放在DwPTS上，并且只占用中间的1.25MHz的带宽。

图3是本发明实施例包含广义波束区域的3GPP LTE Type2帧结构示意图。如图3所示，本实施例中，广义波束区域位于DwPTS，占用了除P-SCH以外的剩余带宽。

本实施例使用的基于波束方向的预编码矢量的码本为：{U₀ U₁…U₉}；基于本征波束赋形的MIMO预编码矢量的码本为：{U₁₀ U₁₁…U₁₇}。

基于波束方向的预编码矢量的码本包括10个码字(即包括10个预编码矢量)，每个码字为8×1大小的列向量，表示如下(其中j为虚数单位)：

$U_0=\frac{1}{\sqrt{8}}{[e^{j\mathrm{\π}*0*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*0+1}{20})e^{\mathrm{j\π}*1*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*0+1}{20})...e^{\mathrm{j\π}*7*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*0+1}{20})]}^T$

$U_1=\frac{1}{\sqrt{8}}{[e^{j\mathrm{\π}*0*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*1+1}{20})e^{\mathrm{j\π}*1*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*1+1}{20})...e^{\mathrm{j\π}*7*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*1+1}{20})]}^T$

$U_2=\frac{1}{\sqrt{8}}{[e^{j\mathrm{\π}*0*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*2+1}{20})e^{\mathrm{j\π}*1*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*2+1}{20})...e^{\mathrm{j\π}*7*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*2+1}{20})]}^T$

$U_3=\frac{1}{\sqrt{8}}{[e^{j\mathrm{\π}*0*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*3+1}{20})e^{\mathrm{j\π}*1*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*3+1}{20})...e^{\mathrm{j\π}*7*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*3+1}{20})]}^T$

$U_4=\frac{1}{\sqrt{8}}{[e^{j\mathrm{\π}*0*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*4+1}{20})e^{\mathrm{j\π}*1*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*4+1}{20})...e^{\mathrm{j\π}*7*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*4+1}{20})]}^T$

$U_5=\frac{1}{\sqrt{8}}{[e^{j\mathrm{\π}*0*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*5+1}{20})e^{\mathrm{j\π}*1*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*5+1}{20})...e^{\mathrm{j\π}*7*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*5+1}{20})]}^T,$

$U_6=\frac{1}{\sqrt{8}}{[e^{j\mathrm{\π}*0*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*6+1}{20})e^{\mathrm{j\π}*1*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*6+1}{20})...e^{\mathrm{j\π}*7*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*6+1}{20})]}^T$

$U_7=\frac{1}{\sqrt{8}}{[e^{j\mathrm{\π}*0*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*7+1}{20})e^{\mathrm{j\π}*1*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*7+1}{20})...e^{\mathrm{j\π}*7*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*7+1}{20})]}^T$

$U_8=\frac{1}{\sqrt{8}}{[e^{j\mathrm{\π}*0*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*8+1}{20})e^{\mathrm{j\π}*1*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*8+1}{20})...e^{\mathrm{j\π}*7*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*8+1}{20})]}^T$

$U_9=\frac{1}{\sqrt{8}}{[e^{j\mathrm{\π}*0*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*9+1}{20})e^{\mathrm{j\π}*1*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*9+1}{20})...e^{\mathrm{j\π}*7*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2*9+1}{20})]}^T$

该码本为传统波束赋形码本，对应天线间距为λ/2(λ为发射电磁波波长)的8单元等距离直线阵。每个码字可以用公式表示为 $\left\{e^{\mathrm{j\π}*m*\sin }(\frac{2\mathrm{\π}}{3}*\frac{2k+1}{20})\right\},$ m＝0，1，…7代表每个码字内部的天线索引；k＝0，1，…9代表不同的波束中心方向。一个波束中心方向对应一个码字，本码本按照覆盖120°扇区设计。天线间距为λ/2的8单元等距离直线阵，波束的半功率宽度约为13°，用10个波束可以完全覆盖120°扇区。

基于本征波束赋形的MIMO预编码矢量的码本包括8个码字(即包括8个预编码矢量)，每个码字为8×1大小的列向量，表示如下：

$U_{10}=\frac{1}{\sqrt{8}}{\left[\begin{array}{cccccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1\end{array}\right]}^T$

$U_{11}=\frac{1}{\sqrt{8}}{\left[\begin{array}{cccccccc}1& -j& 1& -j& 1& -j& 1& -j\end{array}\right]}^T$

$U_{12}=\frac{1}{\sqrt{8}}{\left[\begin{array}{cccccccc}1& 1& -1& -1& 1& 1& -1& -1\end{array}\right]}^T$

$U_{13}=\frac{1}{\sqrt{8}}{\left[\begin{array}{cccccccc}1& -j& -1& j& 1& -j& -1& j\end{array}\right]}^T$

$U_{14}=\frac{1}{\sqrt{8}}{\left[\begin{array}{cccccccc}1& 1& 1& 1& -1& -1& -1& -1\end{array}\right]}^T$

$U_{15}=\frac{1}{\sqrt{8}}{\left[\begin{array}{cccccccc}1& -j& 1& -j& -1& j& -1& j\end{array}\right]}^T$

$U_{16}=\frac{1}{\sqrt{8}}{\left[\begin{array}{cccccccc}1& 1& -1& -1& -1& -1& 1& 1\end{array}\right]}^T$

$U_{17}=\frac{1}{\sqrt{8}}{\left[\begin{array}{cccccccc}1& -j& -1& j& -1& j& 1& -j\end{array}\right]}^T$

在以下描述中，将上述码字包含在码字集合U＝{U₀，U₁，...，U₉，U₁₀，U₁₁，...，U₁₇}中，使用码字U_i的下标i引用各码字(即各预编码矢量)，i＝0，1，...，17。

本实施例中，系统带宽为10MHz，可用载波数为600(不包含直流载波)个，采用子载波相邻方式划分子载波。在DwPTS中，除去P-SCH占用的中间72个子载波，剩下528个子载波可以承载22个广义波束子区域，而每个广义波束子区域占用连续24个子载波。

本实施例中使用22个广义波束子区域中的18个(第1个到第18个)，图3中N、M分别等于10和8。每个广义波束子区域上发送一个广义波束，其中，前10个广义波束子区域发射的广义波束采用基于波束方向的预编码矢量预编码的导频信号和参考指示信息，其中的每个广义波束对应了一个基于波束方向的预编码矢量：U_i，i＝0，1，...，9；后8个广义波束子区域发射的广义波束采用基于本征波束赋形的MIMO预编码矢量预编码的导频信号和参考指示信息，其中的每个广义波束对应了一个基于本征波束赋形的MIMO预编码矢量：U_j，j＝10，11，...，17。为了便于描述，我们使用上述预编码矢量的索引作为对应的广义波束子区域的索引，即广义波束的索引。

在每个广义波束子区域内，24个子载波用于发射导频信号和以下参考指示信息：下行频率负载指示信息；下行波束负载指示信息；上行频率负载指示信息；上行波束负载指示信息。其中下行频率负载指示信息、下行波束负载指示信息、上行频率负载指示信息和上行波束负载指示信息中的每一个都占用5个子载波，导频占用4个子载波。也就是说，每个参考指示信道占用5个子载波，导频信道占用4个子载波，其具体结构如图4所示。导频信号和上述4个参考指示信息在发送前都要使用相应广义波束子区域对应的预编码矢量进行预编码。

图5是本发明实施例使用广义波束区域的多天线系统天线模式和预编码矢量选择方法流程图。如图5所示，该方法包含如下步骤：

110：基站根据各预编码矢量生成各广义波束，并在广义波束区域的各广义波束子区域发送广义波束；

每一个广义波束包含经过对应的预编码矢量预编码的：导频信号、下行频率负载指示信息、下行波束负载指示信息、上行频率负载指示信息和上行波束负载指示信息。

每一个广义波束子区域对应不同的预编码矢量。例如：第1个广义波束子区域对应下标为1的预编码矢量U₁，......，第10个广义波束子区域对应下标为10的预编码矢量U₁₀，......。

基站在生成广义波束时，需要先将导频信号和下行频率负载指示信息、下行波束负载指示信息、上行频率负载指示信息和上行波束负载指示信息进行BPSK(Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控)调制；调制后再使用该广义波束子区域对应的预编码矢量进行预编码，预编码后在对应的广义波束子区域包含的子载波发送。

例如，下行频率负载指示信息使用1个比特标识；1表示重负载，0表示轻负载；调制后将5个相同的比特值经过对应的预编码矢量预编码(即与预编码矢量相乘)后分别映射在下行频率负载指示信道所占用的5个子载波上发送；对于下行波束负载指示信息；上行频率负载指示信息；上行波束负载指示信息进行同样的操作。导频信道从0索引开始将1、0、1、0四个1比特数经过BPSK调制并预编码后映射到相应的4个子载波上发送。

在多个子载波上传送相同的信号可以提高信号传输的可靠性。

120：终端接收广义波束区域中的各广义波束子区域中发送的各广义波束，根据各广义波束中的经过预编码的导频信号计算对应的信道传递函数，根据信道传递函数解码出各广义波束中包含的参考指示信息；计算各广义波束子区域的广义波束参数和广域波束区域的信道秩R。

广义波束参数包含：SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，信号干扰噪声比)值，接收功率值。

上述SINR值和接收功率值都可以通过对导频信道进行测量获得。

由于各广义波束使用了不同的预编码矢量进行预编码，因此终端对使用不同的预编码矢量编码过的导频信号进行测量获得的各广义波束子区域的导频信道的SINR值和接收功率值可准确反应不同的预编码矢量对物理信道(各广义波束子区域)的真实影响。

130：终端根据各广义波束子区域的导频信道的SINR值确定天线模式集合，即在方向矢量天线模式集合与MIMO矢量天线模式集合中选取一个。

例如，最大的SINR值对应的广义波束子区域的预编码矢量为基于波束方向的预编码矢量，则选定方向矢量天线模式集合，即选取Beamforming和SDMA中的一个作为参考天线模式；否则选定MIMO矢量天线模式集合，即选取TxD/RxD，SU-MIMO和MU-MIMO中的一个作为参考天线模式。

当然，天线模式的确定还需要参照终端的类型，并与基站进行协商后由基站最终确定，但终端根据上述SINR进行的选取是非常重要的参考依据。

140：终端根据选定的天线模式集合及参考指示信息确定反馈信息，并将反馈信息发送至基站。

终端可以使用上行区域中的反馈区域将反馈信息发送至基站。

若选定方向矢量天线模式集合，即选定了基于波束方向的预编码矢量，则终端的反馈信息为：下行广义波束中SINR值最大的波束的波束索引(即广义波束子区域和预编码矢量的索引)以及对应的SINR值。

若选定MIMO矢量天线模式集合，则终端的反馈信息为：广义波束区域的信道秩，和以下两类信息：

1)前R个最大SINR值对应的波束索引及相应的SINR值；

2)前m-1个最小接收功率值对应的波束索引及相应的接收功率值。

其中，R为广义波束区域的信道秩，m为MU-MIMO天线模式下单个无线资源块的复用用户数，m通常取2。

终端还可以参考广义波束中包含的下行频率负载指示信息，下行波束负载指示信息，上行频率负载指示信息，上行波束负载指示信息，以降低干扰。具体地说，包括以下两方面：

一、选择广义波束索引时，避免选择上行/下行波束负载指示信息指示为负载重的广义波束，以避免干扰。

例如，在选择SINR最大的广义波束的时候，如果SINR最大的广义波束的上行/下行波束负载比较重，终端可以选择SINR次大的广义波束以降低系统干扰。

二、根据当前小区和邻小区基站发送的上行/下行频率负载指示信息，避免使用在相邻的小区负载都较重的频率。

例如，若终端发现当前小区和邻小区某个下行波束子区域所携带上行/下行频率负载都比较重，说明该下行波束子区域所对应的频带存在比较强的同频干扰，终端应该向基站反馈该信息，避免基站将这段频带分配给该终端以免受到比较强的干扰。

150：基站根据终端发送的反馈信息进一步确定多天线系统的天线模式；

多天线系统的天线模式的确定分为以下两种情况：

一、若反馈信息中包含的波束索引对应的预编码矢量类型为基于波束方向的预编码矢量，即终端选取方向矢量天线模式集合，则对于上行和下行业务信道：如果X个选取方向矢量天线模式集合的终端反馈的预编码矢量之间的DoA差别足够大，即X个终端选择了各不相同的预编码矢量，那么这X个终端之间可以使用SDMA模式；否则使用Beamforming模式。X为SDMA模式下单个无线资源块的复用用户数。

二、若反馈信息中包含的波束索引对应的预编码矢量类型为基于本征波束赋形的MIMO预编码矢量，即终端选取MIMO矢量天线模式集合，则：

1)对于下行业务信道：

如果反馈信息中包含的信道秩R＝1，且基站按照MU-MIMO配对准则可以对多个终端进行成功配对，则这些终端将使用相同的MU-MIMO模式；

如果反馈信息中包含的信道秩R＝1，且基站按照MU-MIMO配对准则无法对多个终端成功配对，那么使用TxD模式；

如果反馈信息中包含的信道秩R＞1，则使用SU-MIMO模式。

2)对于上行业务信道：

如果基站按照MU-MIMO配对准则可以对多个终端成功配对，则使用MU-MIMO模式；否则使用RxD模式。

上述MU-MIMO配对准则是：

对于各终端发送的反馈信息中包含的m+R-1个预编码矢量索引，选取其中与最大SINR值对应的预编码矢量索引和前m-1个最小接收功率值对应的预编码矢量索引组成预编码矢量索引集合A_i，i＝1，...，N，N为终端的个数，N≥m；如果存在m个终端对应的预编码矢量索引集合A_j，j＝1，...，m，满足如下条件，则完成MU-MIMO配对：

(1)各A_j中包含相同的预编码矢量索引；且

(2)各A_j中与最大SINR值对应的预编码矢量索引都不相同。

如果满足以上条件，即表明基站按照MU-MIMO配对准则可以对m个终端进行成功配对，这m个终端可以配对成MU-MIMO天线模式占用相同的无线资源块。

除了根据终端反馈的预编码矢量选择天线模式外，基站还可以直接使用终端反馈的预编码矢量：

a)在对下行业务信道使用SDMA或Beamforming天线模式时，在目标终端对应的下行业务信道，基站使用该目标终端反馈的预编码矢量进行预编码；

b)在对下行业务信道使用TxD天线模式时，基站将使用终端反馈的上述m+R-1个预编码矢量索引中的SINR最大值对应的预编码矢量对数据进行预编码；

c)在对下行业务信道使用MU-MIMO天线模式时，基站将使用其中的m个预编码矢量组成预编码矢量矩阵对m个数据流进行预编码。对于使用MU-MIMO模式的终端来说，这m个预编码矢量中有1个与最大SINR值相对应，另m-1个与前m-1个最小接收功率相对应。

d)在对下行业务信道使用SU-MIMO天线模式时，基站将使用前R个最大SINR值对应的R个预编码矢量组成的预编码矢量矩阵对多个数据流进行预编码，预编码后在多个发射天线上发射，所有数据流都是发到同一个终端。

e)在对上行业务信道使用SDMA、Beamforming、MU-MIMO和RxD天线模式时，基站侧可以使用目标终端反馈的预编码矢量对目标终端的上行业务信道进行检测，即解调出上行业务信道数据；

在Beamforming和RxD模式下，基站给每个终端分配唯一的上行无线资源块(占用无线信道一定时间宽度和频率宽度的二维子块)，每个上行无线资源块上面只承载一个终端的单个数据流；在SDMA和MU-MIMO模式下，基站将相同的上行无线资源块分配给多个终端，在这个上行无线资源块将承载多个数据流，通常每个终端对应一个数据流，基站接收机负责分离多个数据流。

由上可知，本发明的时分双工方式频分复用系统的多天线通信方法具有以下优点：

1、基站不需要进行DoA估计，避免了当用户数比较多时，DoA估计比较困难或者不准确；

2、直接使用下行广义波束测量值进行下行波束赋形/MIMO预编码矢量选择，避免了使用上下行信道的互易性；

3、基站使用的预编码矢量可以调整，并不需要通知终端，终端只需选择预编码矢量索引；

4、由于在广义波束上承载了相应的指示频率和广义波束上的负载信息，因此能比较好地降低上下行干扰。

Claims (19)

1.一种时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，在单位帧的下行区域中设置广义波束区域，广义波束区域在频域上划分为M+N个广义波束子区域，每一个广义波束子区域中设置有由一个或多个子载波组成的导频信道；基站在第i个广义波束子区域的导频信道中发送经预编码矢量_Ui预编码的导频信号；

其中，预编码矢量U_i中的M个为不同的用于大角度扩展信道条件下的基于本征波束赋形的多入多出(MIMO)预编码矢量，N个为不同的用于小角度扩展信道条件下的基于波束方向的预编码矢量，预编码矢量索引i＝1，2，...，M+N；

所述频分复用系统为基于频分复用技术的单载波或多载波通信系统；

当终端接收到所述基站发送的M+N个经预编码的导频信号后，进行如下处理：

A)根据各经预编码的导频信号计算对应广义波束子区域的广义波束参数值；

B)根据各广义波束子区域的广义波束参数值中的最大值所对应的预编码矢量类型在方向矢量天线模式集合、MIMO矢量天线模式集合中选取一个；

所述方向矢量天线模式集合包含以下天线模式：波束赋形和空分多址(SDMA)；

所述MIMO矢量天线模式集合包含以下天线模式：发射分集/接收分集(TxD/RxD)，单用户多入多出(SU-MIMO)和多用户多入多出(MU-MIMO)。

2.如权利要求1所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，所述单位帧为第三代合作伙伴计划长期演进类型2帧；所述广义波束区域位于下行同步时隙(DwPTS)；除主同步信道(P-SCH)所占用的子载波以外，各广义波束子区域分别占用剩余可用子载波中的一个或多个。

3.如权利要求1所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，所述广义波束子区域设置有由一个或多个子载波组成的以下参考信道中的一个或多个：下行频率负载指示信道、下行波束负载指示信道、上行频率负载指示信道、上行波束负载指示信道；所述基站在第i个广义波束子区域的上述参考信道分别发送经所述预编码矢量U_i预编码的以下参考指示信息：下行频率负载指示信息、下行波束负载指示信息、上行频率负载指示信息、上行波束负载指示信息；

所述下行频率负载指示信息用于描述在该广义波束子区域所在子载波上的下行业务统计或负载信息；

所述下行波束负载指示信息用于描述下行业务使用该广义波束子区域对应的预编码矢量的统计或负载信息；

所述上行频率负载指示信息用于描述在该广义波束子区域所在子载波上的上行业务统计或负载信息；

所述上行波束负载指示信息用于描述上行业务使用该广义波束子区域对应的预编码矢量的统计或负载信息。

4.如权利要求3所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，广义波束参数值包含SINR值。

5.如权利要求4所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，所述步骤B)之后还包含如下步骤：

C)根据所述终端选定的天线模式集合确定反馈信息：

若选定的天线模式集合为方向矢量天线模式集合，则反馈信息包含：各广义波束子区域的SINR值中的最大值对应的预编码矢量索引以及对应的SINR值；

D)将上述反馈信息发送到所述基站。

6.如权利要求4所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，所述步骤B)之后还包含如下步骤：

C’)根据所述终端选定的天线模式集合确定反馈信息：

若选定MIMO矢量天线模式集合，则反馈信息中包含：

前R个最大SINR值对应的波束索引及相应的SINR值；和

前m-1个最小接收功率值对应的波束索引及相应的接收功率值；

D’)将上述反馈信息发送到所述基站；

m为MU-MIMO天线模式下单个无线资源块的复用用户数；

所述广义波束参数值包含接收功率值；

所述步骤B)之前还包含如下步骤：根据各经预编码的导频信号计算广义波束区域的信道秩R。

7.如权利要求5所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，所述步骤D)之后还包含如下步骤：

E)如果存在X个终端反馈的各不相同的预编码矢量，那么在该X个终端对应的上行和/或下行业务信道使用SDMA模式；否则使用波束赋形模式；

X为SDMA模式下单个无线资源块的复用用户数。

8.如权利要求6所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，所述步骤D’)之后还包含如下步骤：

E’)按照如下方法选择下行业务信道的天线模式：

如果所述反馈信息中包含的信道秩R＝1，且所述基站按照MU-MIMO配对准则可以对多个终端进行成功配对，则对上述多个终端使用相同的MU-MIMO模式；

如果所述反馈信息中包含的信道秩R＝1，且基站按照MU-MIMO配对准则无法对多个终端成功配对，那么使用TxD模式；

如果所述反馈信息中包含的信道秩R＞1，则使用SU-MIMO模式。

9.如权利要求6所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，所述步骤D’)之后还包含如下步骤：

F’)按照如下方法选择上行业务信道的天线模式：

如果基站按照MU-MIMO配对准则可以对多个终端成功配对，则该多个终端使用MU-MIMO模式；否则使用RxD模式。

10.如权利要求8或9所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，所述MU-MIMO配对准则为：

从各终端发送的所述反馈信息中包含的m+R-1个预编码矢量索引中，选取与最大SINR值对应的预编码矢量索引和前m-1个最小接收功率值对应的预编码矢量索引组成预编码矢量索引集合A_i；如果存在m个终端对应的预编码矢量索引集合A_j，满足如下条件，即实现所述按照MU-MIMO配对准则成功配对：

(1)各A_j中包含相同的预编码矢量索引；且

(2)各A_j中与最大SINR值对应的预编码矢量索引各不相同；

i＝1，...，n；j＝1，...，m；n为终端的个数，n≥m。

11.如权利要求7所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，所述步骤E)之后还包含如下步骤：所述基站在所述终端对应的下行业务信道，使用该终端反馈的预编码矢量进行预编码。

12.如权利要求8所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，所述步骤E’)之后还包含如下步骤：

若在下行业务信道使用TxD天线模式，所述基站将使用所述终端反馈的所述m+R-1个预编码矢量中的SINR最大值对应的预编码矢量对数据进行预编码；

若在下行业务信道使用MU-MIMO天线模式，所述基站在所述终端反馈的m+R-1个预编码矢量中选择1个与SINR最大值对应的预编码矢量，和m-1个与前m-1个最小接收功率相对应的预编码矢量组成预编码矢量矩阵，使用该预编码矢量矩阵对数据流进行预编码；

若在下行业务信道使用SU-MIMO天线模式，基站使用前R个最大SINR值对应的R个预编码矢量组成的预编码矢量矩阵对数据流进行预编码。

13.如权利要求7或9所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，所述基站选定上行业务信道的天线模式后使用所述终端发送的反馈信息中包含的预编码矢量索引对应的预编码矢量解调对应上行业务信道的数据。

14.如权利要求5或6所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，在所述步骤B)之前还包含如下步骤：所述终端接收到所述基站发送的所述M+N个经预编码的导频信号和参考指示信息后，根据所述导频信号计算对应的信道传递函数，并根据信道传递函数解码出对应参考信道中包含的参考指示信息。

15.如权利要求14所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，若所述广义波束子区域包含下行波束负载指示信道和/或上行波束负载指示信道，则在终端确定反馈信息时，避免选择下行波束负载指示信息和/或上行波束负载指示信息指示为负载重的预编码矢量索引。

16.如权利要求14所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，若所述广义波束子区域包含下行频率负载指示信道和/或上行频率负载指示信道，则当邻小区基站发送的下行频率负载指示信息和/或上行频率负载指示信息指示为负载重时，向当前小区的所述基站反馈相关信息。

17.如权利要求1所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，所述广义波束区域在频域上按照子载波相邻方式或子载波分布式划分所述M+N个广义波束子区域。

18.如权利要求3所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，若所述导频信道、下行频率负载指示信道、下行波束负载指示信道、上行频率负载指示信道、上行波束负载指示信道包含多个子载波，多个子载波上传送相同的信号。

19.如权利要求1所述的时分双工方式的频分复用系统的多天线通信方法，其特征在于，所述频分复用系统为正交频分复用(OFDM)或交织频分多址(IFDMA)。

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