CN101521522A - 基站合作动态码分空分多址通信方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基站合作的动态码分空分码分址通信中动态分配服务基站、扩频码字和波束的方法及其设备。所述方法包括以下步骤：收端接收来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；收端依据接收的导频或训练序列，估计用户间的空间位置；基站合作控制器根据所述用户间的空间位置选择适当的基站为用户服务，基站为用户选择合适的扩频码字并形成指向用户的波束。由于本发明可以根据用户的空间位置和用户的多址干扰的程度，在空分码分混合多址通信中动态分配服务的基站和相关系数不同的扩频码字，从而可以降低不同用户之间的多址干扰，进而达到提高系统吞吐量、提高频谱效率。

Description

基站合作动态码分空分多址通信方法及设备

技术领域

本发明涉及一种使用智能天线的多址通信方法和设备，特别涉及一种基站之间有合作的动态码分空分多址通信中基站之间合作动态分配服务基站、基站扩频码字和基站波束的方法以及使用这种方法的设备。

背景技术

由于通信业务的不断扩展，移动频带越来越拥挤，各种干扰也越来越严重，同时人们对通信质量的要求也越来越高，因此，在无线通信环境中，频谱资源极其有限，合理并充分利用这些资源，实现通信的高效和可靠传输是现代无线通信技术研究的主要课题。

多址通信系统中，一个基站下的所有用户共享信道，不同用户共享信道的方式称为多址方式，传统的多址方式包括时分多址、频分多址和码分多址。

传统的CDMA系统能够实现同频组网，提高频率利用率，因此是一种比较好的多址方式，但CDMA用户之间存在多址干扰，这种多址干扰限制了CDMA系统无法满足现代无线通信系统对频谱利用率的要求，为了进一步提高频谱利用率，需要多种多址方式相结合，并且加入新的技术。

智能天线引入了第四维多址方式：空分多址(SDMA)方式，所谓空分多址是利用空间分割构成不同的信道，不同信道使用不同的空间波束，它们在同一时间、即使使用相同的频率进行工作，它们之间也不会形成干扰。空分多址(SDMA)是一种信道增容的方式，可以实现频率的重复使用，充分利用频率资源。空分多址还可以和其它多址方式相互兼容，从而实现组合的多址技术，例如空分-码分多址(SD-CDMA)。

传统的无线通信系统以小区为单位进行资源的分配，但无线通信系统实际上是一个网络，用户不仅仅收到服务基站发给自己的信号，同时也收到了基站发给其它用户的信号，传统的通信系统把收到的其它用户信号定义为干扰，但这种信号对通信系统来说实际上是有先验信息的，因此可以通过基站合作抑制这种干扰；同时也可以通过某种合作方式减小甚至消除这种干扰的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用阵列天线的码分空分多址通信中，通过基站合作为用户动态分配服务基站、基站的扩频码字以及基站空间波束的方法以及利用这种方法的设备。利用这些方法降低不同用户之间的多址干扰，进而达到提高系统吞吐量、提高频谱效率。

根据本发明的第一方面，这里提供了一种码分空分混合多址通信中通过基站合作动态分配用户、扩频码字和基站波束的方法，包括以下步骤：

A.收端接收来自不同用户的含有训练信息(例如导频或训练序列)的发射信号；

B.收端依据接收的信号，计算用户的空间特征矢量或进行DOA(波达方向)估计，计算接收信号强度，计算各用户空间特征矢量或DOA之间的相关系数，估计用户的空间位置；

C.收端根据所述用户的空间位置、用户空间特征矢量或DOA之间的相关系数选择为用户服务的基站以及该基站为用户服务的扩频码字和空间波束。

这里所述的收端可以是具有智能天线的基站，也可以是基站合作控制器。

根据本发明的第二方面，本发明提供了另一种在基站合作的码分空分混合多址通信中动态分配扩频码字的方法，其中至少包括第一基站的多个基站通过基站合作控制器实现协作调度，所述方法包括以下步骤：

A.所述基站接收来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；

B.所述基站依据接收的导频或训练序列，估计用户的空间位置；

C.所述基站合作控制器接收所述基站所估计的目标用户的空间位置，为目标用户动态分配将提供服务的服务基站以及该基站的扩频码字和天线波束。

在步骤C中，对于位于两个甚至更多基站交叉覆盖区域的目标用户，而且该目标用户在天线阵列的一个波束之内，则基站合作控制器动态分配服务基站的步骤包括：

1)当根据所述空间位置信息判断没有指向目标用户的波束时，选择负荷最轻的一个基站或收到该目标用户信号最强的一个基站为所述服务基站。

其中步骤C所述的基站合作控制器动态分配服务基站的步骤还包括：

2)当根据所述空间位置信息判断所述第一基站有指向目标用户的波束，并且该波束内还有空闲的码字时，选择该第一基站为服务基站，同时关闭其它基站指向该目标用户的波束；

其中步骤C所述的基站合作控制器动态分配服务基站的步骤还包括：

3)当所述第一基站有指向目标用户的波束，但没有为目标用户提供服务的合适码字时，通过基站合作控制器选择负荷最轻基站生成指向目标用户的波束，并且接管所述第一基站指向目标用户的波束，由所述负荷最轻基站向目标用户提供服务，同时第一基站释放指向目标用户的波束。

其中，当所述负载最轻基站资源不足时，通过基站合作控制器平衡各个基站的负荷，同时释放所述负载最轻基站的资源。

其中，当所有基站负荷都比较大时，停止对目标用户提供服务。

所述步骤B包括：

B1.依据接收的导频或训练序列，估算第i用户与第j用户的空间特征矢量和接收信号强度；

B2.利用所述用户的空间特征向量和信号强度，估计目标用户的空间位置；或者

B1’.多个基站从接收的导频或训练序列，估算目标用户的波达方向DOA；

B2’.利用估算的目标用户的波达方向DOA，估算出目标用户的空间位置；

其中，对于同一个基站覆盖范围内的目标用户，根据目标用户空间特征矢量或DOA的相关系数为目标用户选择合适的基站波束和扩频码字。

其中，所述多个基站利用系统的公共或私有控制信道，把码组分配及变更消息通知给目标用户。

根据本发明的第三方面，本发明提供了一种空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的设备，包括：

多个基站，每个基站包括：

多通道收发信机阵列，用于接收来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；

空间特征矢量或波达方向估计装置，用于依据接收的导频或训练序列，估算空间特征矢量或波达方向；

用户间多址干扰估计装置，用于根据已估算的空间特征矢量或波达方向，估计用户间多址干扰；和

动态序列选择器，用于根据用户间多址干扰的程度，从同一码组选择扩频码字分配给用户，或者从两个不同码组选择扩频码字分配给用户；以及

基站合作控制器，从基站接收用户的位置信息，为用户分配适当的服务基站和扩频码字。

由于本发明可以根据用户的空间位置以及用户之间多址干扰的程度，在空分码分混合多址通信中动态分配服务基站、相关系数不同的扩频码字和天线波束，从而可以降低不同用户之间的多址干扰，进而达到提高系统吞吐量、提高频谱效率。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

图1是基站合作的动态码分空分多址通信方法示意图；

图2是估计用户空间位置的方法；

图3是本发明的基站合作动态码分空分多址通信系统的网络结构框图；

图4是本发明的基站合作码分空分多址通信中基站设备的框图；

图5是本发明中基站合作控制器的软件流程框图；

图6是本发明中基站的软件流程框图。

具体实施方式

实现本发明的首要条件是，需要通信的双方(基站和用户端)至少有一端支持智能天线，本发明以基站端支持智能天线为例说明，但包括用户端使用智能天线以及基站、用户端同时使用智能天线的情形。通信的双方需要有一个公共的或私有的控制信道，通过这个控制信道通信的双方可以交互必要的控制和响应信息。基站之上有基站合作控制设备，基站可以与该控制设备交换信息，该控制设备可以控制基站为哪些用户提供服务，为用户选择合适的资源。

本发明的码分空分混合多址通信中通过基站合作动态分配用户、扩频码字和基站波束的方法包括以下步骤：

A.收端接收来自不同用户的含有训练信息(例如导频或训练序列)的发射信号；

B.收端依据接收的信号，计算用户的空间特征矢量或进行DOA(波达方向)估计，计算接收信号强度，计算各用户空间特征矢量或DOA之间的相关系数，估计用户的空间位置；

C.收端根据所述用户的空间位置、用户空间特征矢量或DOA之间的相关系数选择为用户服务的基站以及该基站为用户服务的扩频码字和空间波束。

上述步骤B具体过程如下：

B1.利用发射信号中包含的训练信息，估算每个用户的信号强度，计算用户的空间特征矢量或DOA；

B2.利用用户的信号强度、空间特征向量或DOA，估算用户的空间位置信息，计算用户之间空间特征向量或DOA的相关系数R_ij(i，j＝1，2，......，K，K为用户数)；

上述步骤C可以包括：

C1.如图1，如果估计出的用户位于两个甚至更多基站交叉覆盖区域(例如图中用户1和用户2)，而且用户在天线阵列的一个波束之内(相关系数超过门限)，则通过基站协作调度，选择合适的基站为交叉覆盖区域的用户服务；如果用户不在交叉覆盖区域，则选择覆盖该用户的基站为该用户服务(例如图中用户3)；

C2.对于同一个基站覆盖范围内的用户，根据用户空间特征矢量或DOA的相关系数为用户选择合适的基站波束和扩频码字。

需要说明的是，这里所述的收端可以是具有智能天线的基站、基站合作控制器，也可以是具有智能天线的移动台。

所述收端利用系统具有的公共或私有控制信道，把码组分配及变更消息通知给用户。

1、空间特征矢量或DOA估计

用户的空间位置可以用空间特征矢量或波达方向DOA描述。

假设基站的天线单元数为N，其中N>1，下面有K个用户，每个用户端发射的信号中有导频序列(或称为训练序列)，导频序列对通信双方都是已知的，将第k个用户发射的导频序列记为

X_k＝[x_k1  x_k2  Λ  x_kM]，k＝1，2，Λ，K

基站N个接收天线接收到终端k的导频序列X_k记为

$Y_k=\left[\begin{array}{cccc}{y}_{1,k1}& y_{1,k2}& \mathrm{\Λ}& y_{1,\mathrm{kM}}\\ y_{2,k1}& y_{2,k2}& \mathrm{\Λ}& y_{2,\mathrm{kM}}\\ M& M& O& M\\ y_{N,k1}& y_{N,k2}& \mathrm{\Λ}& y_{N,\mathrm{kM}}\end{array}\right]$

基站对收到的导频信号做处理，处理方法有两种：估计用户k的空间特征矢量和估计用户k的波达方向DOA。

(1)估计用户k的空间特征矢量

用户k的空间特征矢量计算方法为

$S_k=Y_k\·X_k^H$

$=\left[\begin{array}{cccc}{y}_{1,k1}& y_{1,k2}& \mathrm{\Λ}& y_{1,\mathrm{kM}}\\ y_{2,k1}& y_{2,k2}& \mathrm{\Λ}& y_{2,\mathrm{kM}}\\ M& M& O& M\\ y_{N,k1}& y_{N,k2}& \mathrm{\Λ}& y_{N,\mathrm{kM}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{k1}^{*}\\ x_{k2}^{*}\\ M\\ x_{\mathrm{kM}}^{*}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{1,\mathrm{ki}}\·x_{\mathrm{ki}}^{*}\\ \underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{2,\mathrm{ki}}\·x_{\mathrm{ki}}^{*}\\ M\\ \underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{N,\mathrm{ki}}\·x_{\mathrm{ki}}^{*}\end{array}\right]$

其中，X_k ^H表示向量X_k的共轭转置，x^*表示复数x的共轭。

(2)估计用户k的波达方向

波达方向估计就是确定同时处在空间某一区域之内多个感兴趣信号的空间位置，经典的DOA估计方法有MUSIC方法和ESPRIT方法，其思想是子空间方法：若天线阵元数比信源个数多，则阵列数据的信号分量一定位于一个低秩的子空间，在一定的条件下，这个子空间将惟一地确定信号的波达方向，并且可以用数值稳定的奇异值分解确定波达方向。

MUSIC估计的方法如下：

对任意一个方向θ来的信号，在天线阵列上的响应为a(θ)，定义MUSIC空间谱为

$P_{\mathrm{MUSIC}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{a^H\left(\mathrm{\θ}\right)\·a\left(\mathrm{\θ}\right)}{a^H\left(\mathrm{\θ}\right)\·\widehat{\mathrm{\Π}}\·a\left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中a^H(θ)为向量a^H(θ)的共轭转置。

其中为噪声子空间上的正交投影估计，则与谱峰对应的所有θ即给出波达方向的估计。

有关MUSIC或ESPRIT估计的方法可以参考阵列信号处理的相关资料。

2、估计用户信号强度

用户信号强度可以直接计算接受到的用户信号的功率。

计算方法有很多种，下面举两种计算方法：

方法1：直接计算原始信号功率，利用上述收端N个接收天线接收到终端k的导频序列Yk，按照如下公式计算

$P_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|Y_{n,\mathrm{km}}\right|}^2$

方法2：计算经过阵列信号处理后的信号功率，方法是

$P_k=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|Z_{k,m}\right|}^2,$

其中 $Z_k=S_k^H\·Y_k,$ S_k ^H为向量S_k的共轭转置。

估计用户信号强度的方法包括但不限于上述方法。

3、估计用户的空间位置

估计用户空间的方法也有多种，举两种方法：

方法1：信号强度与DOA、空间特征矢量结合的方法

用户的DOA和空间特征矢量确定了用户相对于基站的方向，而信号强度决定了用户与基站的距离，因此这种方法是以基站为中心用极坐标的方法估算用户的空间位置，其中极坐标的角度由DOA或空间特征矢量确定，矢量长度由信号强度决定。如图2为例，距离基站不同距离的终端发射的信号，基站收到的功率会有差异，而不同方向来的用户信号，其DOA或空间特征矢量不同，通过图示的方法即可估算出终端的位置。

具体是，首先用DOA或空间特征矢量确定用户的方向，然后基站有一个经验数据库，保存了基站不同距离和位置的信号强度，基站根据收到的用户的信号强度查找用户的距离，利用用户的方向和距离即可确定用户的空间位置。

方法2：多基站交叉定位的方法

多基站交叉定位的方法的前提是多个基站同时接收用户的信息，每个基站分别计算用户的DOA或空间特征矢量，利用DOA或空间特征矢量估计用户相对于自己的方向，各个基站方向的交叉区域就是用户的空间位置。

例如图2中，三个基站各自确定用户的DOA或空间特征矢量，根据DOA或空间特征矢量即可找到一个交叉区域，这个交叉区域就是用户的空间位置。

4、为用户分配服务基站

在这里首先需要说明动态码分空分多址系统的资源，动态码分空分多址通信系统是有码分和空分的混合多址通信系统，其扩频码按照码的性能分为若干组，组内码字之间的相关系数远小于组间码字的自相关系数，而空分系统可以获得空分增益，因此为不同的波束分配不同的码组，同一个码组分配给同一个波束，因为码组内码字干扰很小，这样即使没有空分增益，码字的扩频增益也可以保证系统正常通信，而码组之间的码字虽然干扰比较大，但因为有波束增益，所以同样可以保证正常的通信。

在确定用户(下面称这个用户为用户1)的位置后，判断该用户是否是处于基站的覆盖边缘，基站覆盖边缘通常是多个基站的交叉区域，除非这个边缘也是整个网络覆盖的边缘。对于处于交叉覆盖区域的用户就需要多基站合作为其服务，具体过程是：

(1)基站通过基站合作控制装置交换用户的位置信息和资源占用信息，这里的资源包括功率、扩频码字和天线波束；

(2)判断是否有指向用户1的波束，如果都没有指向用户1的波束，则选择负荷最轻的基站或收到用户1信号最强的基站为用户1服务；

(3)如果某基站A有指向用户1的波束，而且基站A指向用户1的波束内还有空闲的码字资源，则由基站A为用户1服务，而其它基站关闭指向用户1的波束；

(4)如果基站A有指向用户1的波束，但基站A没有合适的码字资源为用户1提供服务，那么通过基站合作控制器选择负荷最轻的基站(基站B)生成指向用户1的波束，并且接管基站A指向用户1的波束，由基站B向这些用户提供服务，基站A释放指向用户1的波束；

(5)在(4)的过程中，如果基站B的资源不足，则通过基站合作控制器平衡各个基站的负荷，释放基站B的资源；

(6)如果所有基站负荷都比较大，则停止对用户1的服务。

5、为用户分配扩频码字和空间波束

为用户分配扩频码字和空间波束的方法可以参考本申请人的另一专利申请《空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的方法》。

实现上述方法的网络架构如图3所示，系统包括负责基站合作的基站合作控制器以及与基站合作控制器的若干基站。该基站合作控制器执行图5所示的作业。

其中基站设备构架图如图4所示，包括：

多通道收发信机阵列，用于接收来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；

空间特征矢量或波达方向估计装置，用于依据接收的导频或训练序列，估算空间特征矢量或波达方向；

用户间多址干扰估计装置，用于根据已估算的空间特征矢量或波达方向，估计用户间多址干扰；

动态序列选择器，用于根据用户间多址干扰的程度，从同一码组选择码字分配给用户，或者从两个不同码组选择码字分配给用户；

基站合作控制接口，用于与基站合作控制器的接口，向基站合作控制器发送基站资源及基站下面用户的信息，并且接受基站合作控制器的资源分配消息。

该设备包括支持智能天线的多通道收发信机以及后续的信号处理模块，本例中只给出了与发明相关的接收通道部分，发射通道与接收通道结构类似，处理过程及信号流向与接收机相反。

Claims (11)

1.一种在基站合作的码分空分混合多址通信中动态分配扩频码字的方法，包括以下步骤：

A.收端接收来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；

B.收端依据接收的导频或训练序列，估计用户的空间位置；

C.收端根据所述用户的空间位置，动态分配向用户提供服务的基站以及基站的扩频码字和天线波束。

2.一种在基站合作的码分空分混合多址通信中动态分配扩频码字的方法，其中至少包括第一基站的多个基站通过基站合作控制器实现协作调度，所述方法包括以下步骤：

A.所述基站接收来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；

B.所述基站依据接收的导频或训练序列，估计目标用户的空间位置；

C.所述基站合作控制器接收所述基站所估计的目标用户的空间位置，为目标用户动态分配将提供服务的服务基站以及该基站的扩频码字和天线波束。

3、根据权利要求2所述的方法，其中在步骤C中，对于位于两个甚至更多基站交叉覆盖区域的目标用户，而且该目标用户在天线阵列的一个波束之内，则基站合作控制器动态分配服务基站的步骤包括：

1)当根据所述空间位置信息判断没有指向目标用户的波束时，选择负荷最轻的一个基站或收到该用户信号最强的一个基站为所述服务基站。

4、根据权利要求3所述的方法，其中步骤C所述的基站合作控制器动态分配服务基站的步骤还包括：

2)当根据所述空间位置信息判断所述第一基站有指向目标用户的波束，并且该波束内还有空闲的码字时，选择该第一基站为服务基站，同时关闭其它基站指向该目标用户的波束。

5、根据权利要求4所述的方法，其中步骤C所述的基站合作控制器动态分配服务基站的步骤还包括：

3)当所述第一基站有指向用户的波束，但没有为目标用户提供服务的合适码字时，通过基站合作控制器选择负荷最轻基站生成指向目标用户的波束，并且接管所述第一基站指向目标用户的波束，由所述负荷最轻基站向目标用户提供服务，同时第一基站释放指向目标用户的波束。

6、根据权利要求5所述的方法，其中，当所述负载最轻基站资源不足时，通过基站合作控制器平衡各个基站的负荷，同时释放所述负载最轻基站的资源。

7、根据权利要求6所述的方法，其中，当所有基站负荷都比较大时，停止对目标用户提供服务。

8、根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤B包括：

B1.依据接收的导频或训练序列，估算第i用户与第j用户的空间特征矢量和接收信号强度；

B2.利用用户的空间特征向量和信号强度，估计目标用户的空间位置；或者

B1’.多个基站从接收的导频或训练序列，估算目标用户的波达方向DOA；

B2’.利用估算的目标用户的波达方向DOA，估算出目标用户的空间位置。

9.根据权利要求1所述的方法，其中对于同一个基站覆盖范围内的用户，根据用户空间特征矢量或DOA的相关系数为目标用户选择合适的基站波束和扩频码字。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个基站利用系统的公共或私有控制信道，把码组分配及变更消息通知给目标用户。

11.一种空分码分混合多址通信中动态分配扩频码字的设备，包括：

多个基站，每个基站包括：

多通道收发信机阵列，用于接收来自不同用户的含有导频或训练序列的发射信号；

空间特征矢量或波达方向估计装置，用于依据接收的导频或训练序列，估算空间特征矢量或波达方向；

用户间多址干扰估计装置，用于根据已估算的空间特征矢量或波达方向，估计用户间多址干扰；和

动态序列选择器，用于根据用户间多址干扰的程度，从同一码组选择扩频码字分配给用户，或者从两个不同码组选择扩频码字分配给用户；以及

基站合作控制器，从基站接收用户的位置信息，为用户分配适当的服务基站和扩频码字。

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