CN101449485A

CN101449485A - 在sdma通信系统中执行流加权的方法和装置

Info

Publication number: CN101449485A
Application number: CNA2007800185523A
Authority: CN
Inventors: 蒂莫西·A·托马斯; 弗雷德里克·W·沃克
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Mobility LLC; Google Technology Holdings LLC
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2007-04-03
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2027-04-03
Also published as: KR101340664B1; US20070274197A1; EP2036217B1; EP2036217A1; KR20090010068A; TW200803263A; WO2007136933A1; US7864657B2; TWI410073B; CN101449485B

Abstract

在此提供了一种在空分多址通信系统中执行流加权的方法和装置。在操作期间，基站接收机从移动电话(也被称为用户或者节点)接收信道信息，并计算当允许用户之间存在少量串音时，使得传递到每个移动电话的功率最大化的发射天线的权重。利用适当的流加权将信息或者数据发射到节点。通过允许可容许量的串音，可以增加到所期望SDMA用户的相干增益，并且因此改进总体性能。

Description

在SDMA通信系统中执行流加权的方法和装置

技术领域

本发明一般地涉及数据流加权，并且特别的，涉及一种在空分多址通信系统中执行流加权的方法和装置。

背景技术

通过创建本质上倾向于定向(即，非均匀广播)的有效区图形，发射波束形成(有时被称为发射自适应阵列(TXAA)的发射)增加了由接收机设备看到的有效信噪比。这是通过在发射站使用多个天线并且加权每个天线而完成的，以便联合发射产生向接收机传递最大功率/能量的波束形成图形。在向多个接收机同时发射多个流(即，发射空分多址或SDMA)的情况下，选择天线的权重，以便达到用户之间最低量的串音或干扰。

然而，强制所有串音达到最低是限制性的。通过允许可容许量的串音，可以增加到期望的SDMA用户的相干增益，并且因此改进总体性能。因此选择最小化用户之间串音的天线权重会以非常高信噪比(SNR)产生通信系统的最佳理论性能；然而，具有一些串音是可接受的，因为这可以隐藏在信道噪声中。因此，强制天线权重传递最低量的串音是不必要的，因为少量的串音将隐藏在信道噪声中并且因此不会降低性能。因此，需要一种用于在允许用户之间存在一些串音的空分多址通信系统中执行流加权的方法和装置。

附图说明

图1是使用空分多址的通信系统的框图。

图2是图1的基站的框图。

图3是显示图2的基站工作的流程图。

图4是显示图2的基站工作的流程图。

具体实施方式

为了讨论上述需要，在此提供了一种在空分多址通信系统中执行流加权的方法和装置。在工作期间，基站接收机接收来自移动电话(也被称为移动单元、用户、用户站或者节点)的信道信息，并计算当允许用户之间存在少量串音时，使得到每个移动电话的功率最大化的天线权重。利用适当的流权重向节点发射信息或数据。通过允许可容许量的串音，可以增加到期望SDMA用户的相干增益，并且因此改进总体性能。

本发明包括一种在空分多址(SDMA)通信系统中执行流加权的方法。该方法包括下列步骤：为多个节点中的每一个节点接收多个数据流、为该多个数据流中的每个数据流计算流权重以及使用该流权重加权该多个数据流。当允许其它节点存在一些串音时，该流权重使得到节点的功率最大化。然后向节点发射该加权的数据流。

本发明另外包括一种方法，该方法包括下列步骤：确定来自多个移动电话的下行链路信道信息、确定串音阈值以及创建具有允许量的串音的数学信道。为该数学信道计算天线权重。该天线权重是基于串音阈值和该数学信道的。

本发明另外包括一种包括流加权电路的装置，该流加权电路为多个节点中的每个节点接收多个数据流，并为多个数据流中的每个数据流计算流权重。当允许其它节点存在一些串音时，该流权重使得到节点的功率最大化。该加权电路使用所述流权重加权该多个数据流。提供发射电路以向这些节点发射该加权的流。

现在转向附图，其中相同数字标明相同的组件，图1是通信系统100的框图。在本发明的优选实施例中，通信系统100利用基于正交频分复用(OFDM)或者基于多载波的结构。在本发明的替代实施例中，这个结构也可以包括利用一维或两维扩频的扩频技术的使用诸如多载波码分多址(MC-CDMA)、多载波直接序列CDMA(MC-DS-CDMA)、正交频分与码分复用(OFCDM)，或者可以基于较简单的时分和/或频分复用/多址技术，或者这些不同技术的结合。

如图所示，通信系统100包括基站101和多个移动电话或固定节点102-103。虽然仅示出了单个基站和两个节点，但是本领域普通技术人员将意识到这种通信系统一般包括与许多节点102-103通信的多个基站101。在工作期间，通信系统100利用SDMA在基站101和节点102-103之间进行波束形成发射。如上所述，波束形成是通过在发射站使用多个天线并且加权每个天线而完成的，以便联合发射产生具有接收机所接收的最大功率的波束形成图形。如上所述，强制所有的串音达到最低可能太过于限制。通过允许可容许量的串音，可以增加到每个SDMA用户的相干增益，并且因此改进总体性能。因此，当没有信道噪音时，选择使用户间串音最低的天线权重可以产生通信系统的最佳理论性能；然而，当串音隐藏在信道噪声中时，具有一些串音是可接受的。因此不必强制天线权重最小化串音量，因为少量的串音将隐藏在信道噪声中并且因此不会降低性能。

为了讨论该问题，基站101将选择允许用户之间有一些串音的天线权重。为了为用户确定适合的天线权重(u将用作整数以表示用户的数量)，在时分双工(TDD)系统中，节点102-103在通信系统的上行链路上将来自节点的每个天线的导频信息发射到基站101(这个过程也被称为“上行链路探测”)。然后基站101为每个节点的每个天线计算上行链路信道估计。然后基站101将基于该上行链路信道估计计算从每个基站天线到每个节点天线的下行信道估计。在频分双工(FDD)系统中(该方法被称为“信道反馈”)，基站101广播来自其每个天线的由节点102-103接收的导频序列。节点102-103基于接收的导频序列执行信道估计，并且确定一个信道估计，当基站使用该信道估计计算发射权重时，该信道估计在单独的移动电话将产生最大接收功率。一旦节点确定了适当的信道估计，则该信道估计(H)就被发射到基站101。无论是在FDD或是TDD中，该信道估计(和其它信息一起)都被基站101利用，以为特定的节点确定合适的天线权重。特别的，确定串音阈值(γ)，它使得任何计算出的天线权重都能够在用户之间产生允许量的串音。具有允许量的串音的基站101创建了数学信道(也被称为虚拟或仿真信道)，并且计算该数学信道的天线权重。下面给出确定信道权重的更加详细的说明。

设基站101有M_b个发射天线，每个移动电话102-103有M_m个接收天线(每个移动电话的接收天线的数量不一定必须相同，但是为了简化说明，假设每个移动电话具有相同数量的接收天线)，N_u个移动电话(即，该发射SDMA因子为N_u)，和待发射到每个移动电话102-103的N_s个数据流(发射到每个移动电话的数据流数量不一定必须相同，但是仍然为了简化说明，假设向每个移动电话发射相同数量的数据流)。假设OFDM下行链路有K个可用子载波，在子载波k(1≤k≤K)和符号时间b上，移动电话u所接收的M_m×1信号为：

Y_u(k，b)＝H_u(k，b)V_u(k)x_u(k，b)+Z_u(k，b)+N_u(k，b) (1)

其中H_u(k，b)是移动电话u在子载波k和OFDM符号b上的M_m×M_b下行链路信道矩阵，V_u(k)是移动电话u在子载波k上的M_b×N_s发射权重向量(在优选实施例中，V_u(k)是不随时间改变的，然而扩展到时变发射权重是很容易的)，x_u(k，b)是移动电话u在子载波k以及OFDM符号b上的N_s×1符号值向量，Z_u(k，b)是M_m×1串音向量，并且N_u(k，b))是M_m×1具有协方差矩阵的附加噪声向量，其中协方差矩阵可以是其中

是该移动电话的每个接收天线的噪声功率，并且I_m是m×m单位矩阵。该移动电话u的串音项为：

Z_{u} (k, b) = H_{u} (k, b) {\underset{l = 1}{Σ}}_{l &NotEqual; u}^{N_{u}} V_{l} (k) x_{l} (k, b) - - - (2)

现有技术中产生流权重的所有技术都执行迫零准则，意味着到其它发射SDMA用户没有串音。然而，迫零准则可能过于限制性。通过允许可容许量的串音，可以增加到期望SDMA用户的相干增益，并且因此改进总体性能。在移动中允许串音也是重要的，因为由于从计算V_u(k)时到将其用于发射数据流时的信道变化导致会出现串音。因此在设计中允许一些串音并不会降低移动中的性能，反而会增强该性能，因为增加了到期望SDMA用户的相干增益。下文将呈现影响该串音折衷的一些技术。

射影矩阵法

此处探讨的投影方法允许一定程度的串音。该想法是仅将射影矩阵的本征模带到在某个阈值之上的其它SDMA用户信道的正交补中。因此，较低功率的本征模产生了一些可接受量的串音。使用本方法计算移动电话u的发射权重V_u(k)的步骤如下：

1.选择允许量串音γ并且让N_x＝min(M_b，M_m(N_u-1))。例如，选择

γ = N_{u} N_{s} σ_{n}^{2} 10^{- 6}

(即，允许期望的串音量高达低于噪声功率6dB)。

2.将除了移动电话u的所有移动电话的信道堆成下列M_b×M_m(N_u-1)矩阵：

G_{u} (k, b) = [H_{1}^{H} (k, b) | . . . | H_{u - 1}^{H} (k, b) | H_{u + 1}^{H} (k, b) | . . . | H_{N_{u} - 1}^{H} (k, b)] - - - (3)

3.设q₁(k，b)到

为有序的特征值(从最强到最弱)，并且u₁(k，b)到

为

的相关特征向量。

4.归一化该特征值如下：q_l(k，b)＝q_l(k，b)/q₁(k，b)，l＝1，...N_x。

5.设N_q(k，b)为大于γ的归一化的特征值个数。

6.计算M_b×M_b射影矩阵P(k，b)如下：

P (k, b) = I_{M_{b}} - Σ_{l = 1}^{N_{q} (k, b)} \frac{u_{l} (k, b) u_{l}^{H} (k, b)}{u_{l}^{H} (k, b) u_{l} (k, b)} - - - (4)

7.计算具有可允许量串音的数学信道H_u(k，b)P(k，b)，并使用该数学信道代替H_u(k，b)来计算V_u(k)(例如，使用T.A.Thomas、F.W.Vook在2001年10月的IEEE VTC-2001/Fall中的“MIMO Strategies forEqual-Rate Data Streams”中所描述的技术)。该数学信道是由一个节点的信道矩阵乘以包含到其它节点的信道的逆矩阵得到的。

一种替代的方法是确定施加到公式(3)中的每个信道上的加权，以便到其它SDMA用户的串音处于给定的水平。由于V_u(k)确定串音，所以该技术需要迭代过程，并且因此计算V_u(k)(它的计算可以是高度非线性的)必须和权重计算一起执行。

矩阵求逆法

该方法通过建立一个数学信道来操作，该数学信道是移动电话u的信道矩阵乘以包含到其它SDMA移动电话的信道的逆矩阵而得到的。通过使用矩阵求逆，以类似于线性MMSE合并如何在接收SDMA中起作用的方式允许串音(即，线性MMSE合并折衷了干扰抑止和噪声增强，而所提议的发射SDMA折衷了串音和相干信号增益)。将要描述的第一种矩阵求逆方法衡量在矩阵逆中单位矩阵的功率，以给出期望的特定水平的串音。第二种矩阵求逆方法固定单位矩阵功率，并且衡量该逆矩阵中每个SDMA用户信道的功率，以产生期望的特定水平的串音。

对于单位矩阵缩放，移动电话u的逆矩阵R_u(k，b)为：

R_{u} (k, b) = {({αI}_{M_{b}} + {\underset{l = 1}{Σ}}_{l &NotEqual; u}^{N_{u}} H_{l}^{H} (k, b) H_{l} (k, b))}^{- 1} - - - (5)

其中选择α，以给出具体期望的串音水平。α的一种选项是使其受期望的多普勒频率f_d的约束，如下：

α = M_{m} (N_{u} N_{s} - 1) (1 - {(\frac{\sin ({2 πf}_{d} DΔ)}{{2 πf}_{d} DΔ})}^{2}) - - - (6)

其中D是从进行信道测量时到应用权重的地方的OFDM符号数量的延时，并且Δ是两个相邻OFDM符号之间的时间。选择α的想法允许移动中有更多的串音，并且也改进了移动中的相干增益。然后使用诸如T.A.Thomas、F.W.Vook在2001年10月的IEEE VTC-2001/Fall中的“MIMO Strategies for Equal-Rate Data Streams”中给出的程序利用数学信道H_u(k，b)R_u(k，b)而不是H_u(k，b)得到移动电话u的发射权重向量。

第二种方法是用于使用下列R_u(k，b)在每个SDMA用户的信道矩阵上选择功率加权(从α₁到

)的迭代过程：

R_{u} (k, b) = {(I_{M_{b}} + {\underset{l = 1}{Σ}}_{l &NotEqual; u}^{N_{u}} α_{l} H_{l}^{H} (k, b) H_{l} (k, b))}^{- 1} - - - (7)

然后，使用诸如T.A.Thomas、F.W.Vook在2001年10月的IEEEVTC-2001/Fall中的“MIMO Strategies for Equal-Rate Data Streams”中给出的程序，利用数学信道H_u(k，b)R_u(k，b)而不是H_u(k，b)得到移动电话u的发射权重向量。下列迭代过程可以用于得到移动电话u的R_u(k，b)的功率加权：

1.为每个移动电话选择给其它用户的可接受的串音水平γ，设定e＝1，选择最大的迭代次数I_max，设定i＝1，并设定c＝1000(c是用户存储串音值的变量)。

2.以αl＝1(其中l＝1，...，N_u l≠u)开始，并且设定α_l，old＝αl(其中l＝1，...，N_u l≠u)。

3.根据公式(7)计算R_u(k，b)。

4.使用数学信道H_u(k，b)R_u(k，b)代替H_u(k，b)计算V_u(k)(例如，使用T.A.Thomas、F.W.Vook在2001年10月的IEEE VTC-2001/Fall中的“MIMO Strategies for Equal-Rate Data Streams”中给出的技术)。

5.使用下列公式计算每个其它移动电话的每个接收天线的平均串音t_l，(其中l＝1，...，Nu l≠u)(v_u，l(k)是V_u(k)的第l列)：

t_{l} = \frac{1}{M_{m}} Σ_{n = 1}^{N_{s}} v_{u, p}^{H} (k) H_{l}^{H} (k, b) H_{l} (k, b) v_{u, p} (k) - - - (8)

6.设定c_old＝c。

7.

c = \frac{1}{N_{u} - 1} {\underset{l = 1}{Σ}}_{l &NotEqual; u}^{N_{u}} t_{l}

8.如果c>c_old，则设定c＝c_old，设定α_l＝α_l，old(其中l＝1，...，N_ul≠u)，并且设定e＝e/2。

9.设定α_l，old＝α_l(其中l＝1，...，N_u l≠u)。

10.设定α_l＝α_l(t_l/γ)^e。

11.i＝i+1。

12.如果i<I_max，则转到步骤3。

13.将V_u(k)用作移动电话u的发射权重。

注意到如果第一个矩阵求逆方法使用预定值α，则计算的复杂度远低于第二种方法，因为不需要迭代。

图2是基站101的框图。基站101包括流加权电路201，快速傅立叶逆变换(IFFT)电路203以及发射电路209。在工作期间，移动电话u的N_s×1数据流(在符号时间b)x_u(k，b)，k＝1，2，...K(其中示出了N_u＝3个移动电话的数据流)进入流加权电路201(其中K是子载波的数量)。注意到，将传递(发射)到N_u个节点(移动电话)中的每个节点的N_s个数据流的每个数据流都将执行由流加权电路执行的加权运算。流加权电路201输出多个加权的数据流，并且特别的，每个天线一个加权数据。每个数据流都通过一个具体天线权重V_u(k)(其中u＝1，2，......N_u)在频域被适当的加权，并且对SDMA用户上的结果求和，以为每个发射天线(替代地的被称为“天线流”)创建加权的数据流。如上所述选择了权重以允许用户间的一些串音。注意到，在每个波束形成子载波上的权值可以不同或相同。由于{V_u(k)}_m(其中{A}_m是矩阵A的第m行)是发射天线m、移动电话u以及子载波k的权重，所以流加权电路201为发射天线m输出加权的数据/天线流：

s_{m} (k, b) = Σ_{u = 1}^{N_{u}} {V (k)}_{m} x_{u} (k, b) .

IFFT电路203对每个加权的数据流s_m(k，b)执行快速傅立叶逆变换，从而将频域数据流转换成时域数据流。在将IFFT电路203所产生的输出发送到发射电路209之前，可以经由在IFFT电路203的输出上的循环扩展电路(未示出)执行可选的循环扩展操作。特别地，通过循环扩展电路可以增加循环前缀或者保护间隔。循环前缀通常比期望的信道最大延迟扩展更长。如本领域普通技术人员将意识到的，该循环扩展可以包括前缀、后缀或者前缀和后缀的组合。循环扩展是OFDM通信系统的固有部分。当信道的脉冲响应范围是0到L_CP(其中L_CP是循环扩展的长度)时，插入的循环前缀使得发射信号和多径信道的普通卷积表现为循环卷积。最后，适当加权的数据流被OFDM调制，并且IFFT电路的输出(或可选的循环扩展电路的输出)由发射机209从天线211发射出去。

很明显，基站101另外包括接收机213，用于接收由节点发射的信道信息和/或导频序列。该接收机将使用该信道信息或这些导频序列计算信道估计，并且该信道估计将被传送到流加权电路201，以便确定适当的天线/流加权以备与特定节点通信时使用。

图3是显示当信道反馈用于获得下行链路信道估计时图2中基站工作的流程图。该逻辑流程开始于步骤301，其中导频数据被发射到至少第一和第二节点。发射该导频数据仅包括发射来自多个天线211的每一个的已知序列。每个天线的所述已知序列可以不同，和/或可以从每个天线的不同信道资源上发射该序列。作为响应，在步骤303，接收机213接收来自节点的信道信息(即，信道估计)。如上所述，所述信道信息包括将计算的天线权重的信息，该天线权重使得到该移动电话的功率最大化并且允许用户之间存在一定量的串音。

在步骤305，流加权电路201接收多个数据流，并且为每个数据流计算流权重。如上所述，第一个流权重将使得到第一个节点的功率最大化，同时允许其它节点存在一些串音。在步骤307，加权所述流，并且在步骤309，向节点发射加权的信息或者数据流。

图4是显示当计算流权重时流加权电路201的工作流程图。该逻辑流程开始于步骤401，其中为每个移动电话获取下行链路信道信息(H)(例如利用信道反馈或者上行链路探测)。在步骤403，选择在用户间会产生允许量串音的串音阈值(γ)。创建具有允许量串音的数学信道(步骤405)，并且根据该数学信道的函数计算天线权重(步骤407)。如上所述，可以使用射影矩阵法或矩阵求逆法计算该天线权重。

尽管已经参照特定实施例特别显示和描述了本发明，但是例如，本报告中所描述的技术可以很容易的扩展到每个移动电话具有不同数量的数据流和/或接收天线的情况。本领域技术人员理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种形式上和细节上的变化。这样的变化意在落入下列权利要求的范围内。

Claims

1.一种用于在空分多址(SDMA)通信系统中执行流加权的方法，所述方法包括下列步骤：

为多个节点中的每个节点接收多个数据流；

为多个数据流中的每个数据流计算流权重，其中所述流权重使得到节点的功率最大化，同时允许在其它节点存在一些串音；

使用所述流权重加权所述多个数据流；以及

向节点发射加权的数据流。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述的计算流权重的步骤包括下列步骤：

选择允许的串音量；

创建具有所述允许的串音量的数学信道；以及

基于所述数学信道计算流权重。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述的计算数学信道的步骤包括创建作为一节点u的信道矩阵乘以包含到其它节点的信道的逆矩阵的数学信道的步骤。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述的计算数学信道的步骤包括创建作为一节点u的信道矩阵乘以设计用于给出期望的串音水平的射影矩阵的数学信道的步骤。

5.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：

确定来自节点的下行链路信道信息；以及

其中所述的计算流权重的步骤基于来自节点的所述下行链路信道信息。

6.一种装置，包括：

流加权电路，用于为多个节点中的每个节点接收多个数据流，为所述多个数据流中的每个数据流计算流权重，其中所述流权重使得到节点的功率最大化同时允许其它节点存在一些串音，并且用于使用所述流权重加权所述多个数据流；以及

发射电路，用于向节点发射加权的流。

7.如权利要求6所述的装置，其中，通过选择允许的串音量并且创建具有所述允许的串音量的数学信道来计算所述流权重。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述数学信道是一节点的信道矩阵乘以包含到其它节点的信道的逆矩阵。

9.如权利要求7所述的装置，其中所述数学信道是一节点的信道矩阵乘以设计用于给出期望的串音水平的射影矩阵。

10.如权利要求6所述的装置，还包括：

接收机，用于接收来自节点的下行链路信道信息；以及

其中所述流权重基于来自节点的所述下行链路信道信息。