CN101507135A - 用于多站点和多波束传输的空间-时间/空间-频率编码 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在蜂窝系统中的空间－时间或空间－频率编码。相同的数据从对应于不同小区的、具有不同覆盖区域的不同天线被发送。不同的数据流应用空间－时间块码的不同部分。移动终端可以组合在不同的接收信号中的空间－时间块码的不同部分。这比起已知的用于单频网络的技术提供更好的性能。本发明也可以应用到来自同一站点的、具有不同覆盖区域的天线，和用天线阵列形成的不同波束。

Description

用于多站点和多波束传输的空间-时间/空间-频率编码
技术领域
本发明涉及在蜂窝系统中使用空间-时间(space-time)和空间-频率(space-frequency)码中的至少一个的方法、系统、发射机和接收机。在特定示例中，本发明涉及多站点(site)和多波束传输系统。而且，本发明涉及用于执行上述方法的计算机程序产品。
背景技术
未来蜂窝无线通信系统的一个目的是增强对位置接近小区边缘的移动终端(MT)的可达到的数据吞吐量。这是重要的，因为假设MT在小区区域内相当均匀地分布，则小区中相当一部分MT会接近小区的周界。当相同载频在相邻的小区中被再用(reuse)时，来自正在与MT通信的“想要的”基站(BS)的信号在小区边缘处以类似于源自相邻小区中的BS的信号的功率电平被接收。所以，小区边缘的MT除了低的信噪比(SNR)以外还受到强的干扰，这使得对于这些MT难以达到高的数据速率。
在当前的类似通用移动电信系统(UMTS)的第三代(3G)系统中，宏分集和软切换技术是已知的。这些技术允许在一个以上的BS与MT之间同时进行通信，以便改进到小区之间的边界处的MT的链路质量。在宏分集和软切换中，相同的数据从多个BS发送到MT。这是通过在相同的载频上实施所有的传输，并且根据它们的不同扰码来区分来自不同BS的传输而实现的。MT包括：接收机装置，用于同时接收多个(CDMA)信号，即，它具有多个接收信号路径(解扰和去相关)；以及组合器，用来组合解扩的码元流。
在3G系统中的宏分集技术依赖于码分多址(CDMA)技术，以便MT同时从一个以上的BS接收给定的数据流。然而，每个想要的数据流对于其它流的接收造成干扰。
对于包括第三代伙伴项目(3GPP)长期演进(LTE)和无线世界开创新无线电(Wireless World Initiative New Radio，WINNER)的未来蜂窝系统，正提出多载波(基于OFDM的)传输方案(至少用于下行链路)。而且，多址(在MT之间共享时间-频率资源)典型地被设想为是基于把不同的副载波组分配给不同的MT(正交频分多址(OFDMA))，而不是基于CDMA。来自3G的宏分集技术因此不能直接应用于这些未来系统。
用于改进这些未来的、基于OFDM的蜂窝系统中的小区边缘性能的一个有利的方法是在小区之间划分副载波，其中所有的小区可以以较低的发射功率使用所有副载波。这给出到小区的内部部分的覆盖，但不能达到小区边缘(且因此，不对相邻小区造成干扰)。对于到小区边缘的MT的通信，BS然后使用全部数目的可用副载波的子集，其中所述子集被定义为与相邻小区中利用的子集互相排斥。这防止到小区边缘的MT的较高功率传输对相邻小区中的小区边缘的MT造成高干扰。
该方法以增加频率再用因子的代价改进了对于小区边缘MT的小区间干扰状况，这比起在每个小区的所有部分中再用所有的副载波(即，频率再用因子为1)，导致更低的频谱效率。它还可能减小到小区边缘用户的峰值吞吐量，因为只有全部数目的副载波的子集是可供使用的。
3G宏分集思想到这些OFDM系统的直接扩展将是使用两个或更多个相邻小区的小区边缘副载波子集来向MT发送。MT然后(经由不同的副载波子集)接收来自多个BS的相同数据，并可以组合这些数据，以提高数据接收质量。这个方法的不利方面当然是：这为了一个MT的利益而消耗了两个或更多个小区中的资源(副载波)。这类似于3G宏分集，3G宏分集为了一个MT的利益而要求将在两个或更多个小区中分配的资源(扩频码)，并且要求MT接收和组合两个或更多个信号。
现有技术的相关部分是单频网络(SFN)的运行，单频网络在诸如数字音频广播(DAB)和数字视频广播(DVB)那样的广播系统中是已知的。在这些OFDM系统中，从所有的发射机广播相同的数据信号。在大约是处于两个发射机之间的中途的区域中，接收终端接收到来自两个发射机的信号的重叠(super-position)。这等价于经由通过把来自每个发射机的两个信道相加而给出的复合信道而接收来自单个源的信号。通过适当长的保护间隔，这些OFDM系统中的接收机可以成功地接收来自这两个源的组合信号，具有超过从单个发射机的接收的增强的信号强度，而没有符号间干扰(ISI)，也不需要‘知道’信号是源自两个单独的源的。
图1显示具有适于接收输入信号10和生成可以在接收机处被联合接收的两个传输信号30的空间-时间编码器20的发射机的示意性框图。
然而，虽然SFN概念意味着可以使用简单的接收机，但组合信号仍旧会经受衰落。
对于到接收机天线的、具有相应的传递函数h1和h2的两个传输路径的情形，组合的传递函数变为(h1+h2)，这样接收信号的SNR是(h1+h2)2/n2，其中n是噪声和干扰的幅度。但有时h1和h2的特定值将抵销，从而大大减小了接收的功率。所以，接收信号质量可以是高度可变的。
发明内容
本发明的目的是在蜂窝系统中提供具有改进的吞吐量和覆盖的传输方案。
这个目的是通过如在权利要求1中所述的方法、如在权利要求15中所述的计算机程序产品、如在权利要求16中所述的多波束传输系统、如在权利要求20中所述的发射机设备、以及如在权利要求21中所述的接收机设备而实现的。
因此，在相同的数据要被从一个以上的小区站点发送到一个或多个移动终端的蜂窝系统中，空间-时间和空间-频率编码中的至少一个被应用到来自一个以上的小区站点的数据。这意味着从不同天线发送的相同数据部分或数据块可以具有编码器施加的不同变换。因此，通过支持接近小区边缘的更多的活动用户，可以实现在小区边缘处的增加的用户吞吐量和增加的小区吞吐量。这也导致更好的覆盖。
基本上不同的覆盖区域可能具有非零重叠区域。在蜂窝传输系统的示例性情形下，覆盖区域可以对应于蜂窝系统的不同小区。而且，所述至少两个传输波束可以通过使用在相应的不同小区站点处的不同天线而生成。
而且，波束成形的(beamforming)导引信号(pilot signal)可用来得出对于基本上不同的覆盖区域的信道估计。可选地，如果使用非波束成形的导引信号，则波束成形系数可用信号通知给接收机，以得出对于基本上不同的覆盖区域的信道估计。
本发明可以通过使用具体的硬件单元来实施，或可选地被实施为例如包含在计算机可读介质上或可以从网络系统下载的计算机程序产品，其包括当例如在相应发射机设备上提供的计算机设备上运行时用于生成上述方法的步骤的代码装置。
假设单位码率(unity code rate)，当接收终端可以接收来自仅仅一个天线的信号时，性能应当与未编码系统的性能相同。同样地，当接收终端可以接收来自一个以上的天线的信号，但它们使用相同的代码变换部分时，性能将不会差于单频网络。然而，如果从不同的发射天线接收具有一个以上的代码变换的数据，则获得空间-时间或空间-频率编码的分集好处。
为了支持这种操作方式，接收机必须知道所接收信号的定时和它们的信道传递函数。定时知识可以通过从少到一个天线发送同步信号而得到，只要其它传输具有基本上相同的定时(如在SFN中要求的)即可。
必要的信道知识可以通过把具体的(和已知的)，且优选地正交的，导引序列与空间-时间块码(space-time block code)的每个部分相关联而获得。这允许接收机作出对应于每个天线发送空间-时间或空间-频率码的特定部分的信道的信道估计。
可以应用波束成形。然后一个或多个传输可被看作是来自虚拟的天线。可以通过把信号乘以复数加权因子(它可以是依赖于频率的)，并从真实天线阵列中的一个单元发送每个加权的信号而生成来自虚拟天线(或波束)的输出。如果波束成形的导引被发送，则这些可被用来得出适当的信道估计。如果仅仅非波束成形的导引可用，则为了得出信道估计，在接收机处必须知道波束成形系数，例如已经由某个信令单元或装置用信号通知。来自不同的虚拟天线(或波束)的不同传输可以应用空间-时间或空间-频率码的不同部分。
不一定需要识别哪些物理(或虚拟)天线正在发送块码的哪个部分。
其他的有利实施例在从属权利要求中定义。
附图说明
现在参照附图根据实施例更详细地描述本发明，其中：
图1显示具有空间-时间编码器的发射机的示意性框图；以及
图2显示按照实施例的、具有多个站点的发射机的示意性框图。
具体实施方式
现在基于诸如举例而言UMTS LTE网络环境那样的无线网络环境来更详细地描述本发明的实施例。
在无线宽带系统中，可用的时间、频率和空间分集可以通过使用空间-时间码、空间-频率码或它们的组合而进行利用。作为例子，空间-时间块码被称为一种在具有多天线的系统中获得分集的方式。码元块被变换并从一个天线发送，以及具有不同变换的相同数据从另一个天线发送。该概念可作为空间-频率块码被推广到频域，或可被扩展为覆盖时间和频率两者。对于已知的双发射天线Alamouti方案和单接收机天线，接收的SNR变为((h1)2+(h2)2)/n2，所述Alamouti方案例如是在S.M.Alamouti，“A simpletransmitter diversity scheme for wireless communications”，IEEE J，Select，Areas Commun，vol.16，no.8，pp.1451-1458，Oct，1998中所描述的。这意味着，(至少在原理上)可以恢复所有的接收的功率。
按照第一实施例，在UMTS LTE网络中提供OFDM广播下行链路。几个小区站点(对应于基站设备或以3G术语表示，增强的节点B(E-node B))的每一个支持来自一个以上的天线的传输，每个天线被布置为覆盖重叠的地理区域。
图2显示按照第一实施例的具有多个传输站点的传输安排的示意性框图。输入信号10被提供到生成传输信号的第一部分32的第一空间-时间编码器22和生成传输信号的第二部分34的第二空间-时间编码器24的每一个。
来自同一小区站点的传输被同步，并且在扩展的地理区域上，小区站点被互相同步。同步可以在OFDM码元级别和帧级别上应用。
而且，从给定小区站点的所有天线发送相同的预定同步序列(或数据图案(data pattern))。任选地，可以从每个小区站点发送不同的同步序列。这允许识别每个小区站点。同步序列被设计成具有低的互相关，使得它们可以使用相同的时间和频率资源来被发送。
在修改方案中，可以从同一小区站点的每个天线发送不同的同步序列。在另一个修改方案中，可以使用不同的频率或时间资源发送同步序列。在后一情形下，对于给定的序列，定时偏移应当是预定的，以便允许其用作定时参考。
在又一个修改方案中，可以从小区站点的每个天线发送不同的同步序列。
另外，可以从每个天线发送导引模式(pilot pattern)，其中天线之间的导引传输是正交的，并具有低的互相关。在从特定天线发送的导引模式与施加到来自该天线的数据传输的块码部分之间可以有预定关系。在Alamouti空间-时间块码(对于双发射天线)的情形下，只需要两个不同的导引模式。然而，也可以使用具有不同数目的天线的其它空间-时间块码。
在第一实施例的另一个修改方案中，假设信道估计是使用同步序列执行的，并且在从特定天线发送的同步序列与施加到来自该天线的数据传输的块码部分之间有预定关系。
在每个小区站点处的每个天线被分派一部分空间-时间块码(即，其将生成来自空间-时间块编码器的编码输出的一部分)。这可以使得在从不同天线得到的覆盖重叠的情况下，空间-时间块码的不同部分尽可能被用于那些天线。
按照空间-时间块码的分派部分编码来自每个天线和小区站点的数据流。可以在资源块中发送该数据，所述资源块在时域和频域中在一个以上的OFDM码元上扩展。
在接收机处，可以对每个时间/频率资源块执行以下步骤：
-检测多个同步序列中的一个并确定定时参考；
-为每个可能的导引模式获得一个(或多个)信道估计(应当指出，这意味着所需要的信道估计的数目不大于空间-时间块码的部分的数目，其中每个信道估计包括来自发送空间-时间块码的给定部分的所有可接收的天线的复合信道的估计)；
-基于获得的信道估计，使用空间-时间块码来译码该数据。
在另外的修改中，来自小区站点处的不同天线的传输可以应用空间-时间块码的不同部分。
按照第二实施例，在UMTS LTE网络中提供OFDM宏分集方案。
第二实施例类似于第一实施例，只是传输是打算用于特定MT的以及信号是从有限数目的小区站点(或一个小区站点处的天线)--例如分配给MT的活动集--发送的。不同的传输应用空间-时间块码的不同部分。
按照第三实施例，所建议的方案被应用到具有波束成形(例如，通过两个虚拟天线)和公共导引的UMTS宽带CDMA(WCDMA)系统。
在第三实施例中，可以应用Alamouti空间-时间块码，并且空间-时间块码的两个部分的每一个是使用不同的波束(即，不同的虚拟天线)发送的。波束成形阵列的物理天线位于同一个站点。在接收机处，所需要的信道估计是根据从不同物理天线(未波束成形的)发送的两个正交的公共导引信号的测量连同在单独的信令信道上发送的波束成形权重的知识得出的。
按照第四实施例，所建议的方案可以被应用到具有波束成形(两个虚拟天线)和波束成形的导引信号的UMTS WCDMA系统。
在第四实施例中，可以应用Alamouti空间-时间块码，并且空间-时间块码的两个部分的每一个是使用不同的波束(即，不同的虚拟天线)发送的。波束成形阵列的物理天线位于同一个站点。在接收机处，所需要的信道估计是根据均使用其中一个波束(虚拟天线)发送的两个正交导引信号得出的。正如在以前的实施例中那样，虚拟天线可以共处一处(在同一个小区站点)或不共处一处(在不同的小区站点)。
在任何实施例中，如果空间-时间(或空间-频率)码的部分被确定以使得发送的数据可以通过接收承载一部分空间-时间块码的各个信号的任一个信号而被正确地恢复，则是有利的。在这种情形下，总覆盖区域等于，或更典型地，超过由各个信号的每一个达到的覆盖区域的并集。
总之，描述了在蜂窝系统中空间-时间块码或空间-频率块码的使用。从对应于不同的小区的、具有不同覆盖区域的不同天线发送相同的数据。不同的数据流应用空间-时间块码的不同部分。MT可以组合在不同的接收信号中的所述空间-时间块码的不同部分。这比起已知的用于单频网络的技术提供更好的性能。本发明也可以应用到来自相同站点的、具有不同覆盖区域的天线，和用天线阵列形成的不同波束。
应当指出，本发明可应用到任何无线通信系统，尤其是如UMTS LTE那样的蜂窝系统。而且，任何种类的空间-时间编码、空间-频率编码、或组合的空间-时间频率编码可被用来探索希望的多站点分集效果。上述实施例因此可以在所附权利要求书的范围内变化。

Claims (21)

1.一种在多波束传输系统中发送信息的方法，所述方法包括：
a.通过使用空间-时间和空间-频率编码中的至少一个来编码所述信息；以及
b.使用具有基本上不同的覆盖区域的至少两个传输波束来发送编码信息。
2.按照权利要求1的方法，其中所述基本上不同的覆盖区域具有非零重叠区域。
3.按照权利要求1或2的方法，其中所述覆盖区域对应于蜂窝传输系统的不同小区。
4.按照权利要求3的方法，还包括通过使用在相应的不同小区站点处的不同天线生成所述至少两个传输波束。
5.按照前述权利要求的任一项的方法，还包括经由所述至少两个传输波束中的至少一个发送至少一个同步信号。
6.按照权利要求5的方法，还包括发送被分配给所述编码信息的预定部分的预定导引信号。
7.按照权利要求6的方法，其中所述导引信号是正交信号。
8.按照前述权利要求的任一项的方法，还包括应用波束成形，以实现所述基本上不同的覆盖区域。
9.按照权利要求8的方法，其中所述波束成形包括从天线阵列的相应单元发送加权的信号。
10.按照权利要求8或9的方法，还包括使用波束成形的导引信号得出对于所述基本上不同的覆盖区域的信道估计。
11.按照权利要求8或9的方法，还包括使用非波束成形的导引信号并把波束成形系数用信号通知接收机，以得出对于所述基本上不同的覆盖区域的信道估计。
12.按照前述权利要求的任一项的方法，其中所述传输是蜂窝广播传输，来自相同小区站点的传输被同步，以及在预定地理区域上小区站点被互相同步。
13.按照权利要求12的方法，还包括把所述空间-时间或空间-频率码中的所述至少一个的相应的预定部分分派给在每个小区站点的每个天线。
14.按照前述权利要求的任一项的方法，其中所述传输是从有限数目的小区站点定向到预定终端设备的。
15.一种计算机程序产品，包括用于当在计算机设备上运行时生成方法权利要求1的步骤的代码装置。
16.一种多波束传输系统，其中经由多个波束同时发送信息，所述系统包括：
a.用于通过使用空间-时间和空间-频率编码中的至少一个来编码所述信息的编码设备；
b.用于通过使用具有基本上不同的覆盖区域的至少两个传输波束来发送编码信息的发射机设备；以及
c.用于接收所述发送的信息和用于基于信道估计并按照所述空间-时间和空间-频率编码中的所述至少一个来译码所述发送的信息的至少一个接收机设备。
17.按照权利要求16的系统，其中所述发射机设备被配置成把所述空间-时间或空间-频率码中的所述至少一个的相应预定部分分派给每个波束。
18.按照权利要求17的系统，其中所述发射机设备被配置成通过使用所述至少两个传输波束中的至少一个且包括导引模式来发送导引信号，其中每个导引模式对应于被分派给所述至少一个使用的传输波束的相应传输波束的所述空间-时间和空间-频率编码中的所述至少一个的预定部分。
19.按照权利要求16到18的任一项的系统，其中所述发射机设备被配置成使用波束成形权重组，每个组对应于被分派给相应传输波束的所述空间-时间和空间-频率编码中的所述至少一个的预定部分。
20.一种用于经由多个波束同时发送信息的发射机设备，所述发射机包括：
a.用于通过使用空间-时间和空间-频率编码中的至少一个来编码所述信息的编码单元；以及
b.用于通过使用具有基本上不同的覆盖区域的至少两个传输波束来发送编码信息的发送单元。
21.一种用于经由具有基本上不同的覆盖区域的多个波束接收信息的接收机设备，所述接收机包括：
a.用于检测至少一个同步信号并确定定时参考的检测单元；
b.用于基于至少一个接收的导引模式来获得至少一个信道估计的估计单元；以及
c.用于通过使用空间-时间和空间-频率编码中的至少一个并基于所述至少一个信道估计来译码所述信息的译码单元。
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