CN101568129A - 在分布式天线系统中处理信号的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种在分布式天线系统中处理信号的装置和方法。该方法包括:由基站(BS)从位于该BS覆盖区域内或位于连接到该BS的中继站(RS)的覆盖范围内的移动站(MS)接收信道状态信息(CSI);通过使用所述CSI将用于传输到MS的信号乘以波束成形向量;以及将相乘后的信号发送到所述MS。

Description

在分布式天线系统中处理信号的装置和方法
技术领域
本发明一般涉及用于在分布式天线系统中增加移动站(MS)的传输容量的技术,该分布式天线系统使用通过线缆或专用线连接到基站(BS)的多个分布式天线,尤其涉及一种通过使用最大率传输(MRT)方案来同时向多个MS发送信号的装置和方法。
背景技术
随着信息产业的成长,对于能够使各类大容量数据以高速度传输的技术具有不断增长的需求。结果,正在积极对多跳方案(multi-hop scheme)进行研究,该方案被设计为尝试通过在现有小区内部署多个分布式天线来降低阴影区并且扩展覆盖范围。
多跳方案基本上被划分为其中BS和中继站(RS)无线互联的方案以及其中BS和RS通过有线连接的方案。在无线多跳方案中,因为与仅包括一个BS的传统蜂窝系统相比,与一个BS部分共享无线资源的多个无线RS降低了传输范围,所以传输功率也降低了。同样的,由于缩短了RS和MS之间的传输距离,所以路径损失也降低了,这使得能够进行高速数据传输并且增加了蜂窝系统的传输容量。
然而,因为与单跳方案相比额外需要用于数据中继的传输,并且许多RS共享该系统的有限资源,所以经常引起服务质量的恶化。也就是说,虽然使用无线RS的多跳方案可以提高在小区边缘区域中的MS的信号干扰噪声比(SINR),但其还是很难大量扩展系统容量的,因为帧资源被部分用于中继传输,以致MS可用的有效信道资源就减少了。
对于其中通过光缆来链接BS和每个RS从而配置小区的有线多跳方案来说,其具有与使用无线RS的多跳方案类似的基本网络结构,但其区别在于BS和每个RS之间的链接是有线链接,并且使用固定RS。
与无线多跳方案相比,因为有线多跳方案必须要安装光缆,所以其的成本效率更低,并且因为RS在安装后很难移动,所以有线多跳方案更加不方便。然而,有线多跳方案比无线多跳方案的优势在于BS和每个RS之间没有信号损失,并且干扰也被降低。同样,通过在BS和每个RS之间的有线链路上传输多种类型的控制信号,其可以应用高复杂度和高效率的资源分配技术,以及RS之间的协同信号传输方案。
当前运行于有线多跳方案下的移动蜂窝系统通过使用诸如码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)的多址(MA)方案向小区内的多个MS提供服务。然而,因为MA方案划分并使用有限量的可用资源,诸如码字、时间和频率,所以随着移动通信技术的发展,它们经常不能满足向更多用户高速传输大量多媒体信息的需求。
作为这个问题的一个解决方案,正积极研究通过使用多输入多输出(MIMO)技术来同时向多个MS发送信号的方案,其中通过部署在发送端和接收端的多个天线来发送信号。使用MIMO技术的这样方案包括脏纸编码(DPC)(Dirty Paper Coding)方案和波束成形方案。
作为本质上是一种干扰信号预消除技术的DPC方案,DPC方案是在发送端预消除掉对于发送端已知的干扰信号、以使得发送端不会受到干扰信号的影响的方案。尽管DPC方案被认为是当前公知的方案中提供最佳性能的方案,但是其还是难以得到实际应用,因为随着包括在系统中的MS数量的增加,其编码和解码的复杂度也随之增加。
在作为智能天线方案的波束成形方案中,发送/接收天线的波束被限制到相应的MS。当使用该方案发送信号时,其引起的传输容量的增加比DPC方案要低,但是其执行的复杂度也相对被降低。从而,该波束成形方案通常被认为是准最佳技术。
另外,该波束成形方案可以通过将各个MS的信号乘以彼此独立的波束成形向量,并发送结果信号来同时向多个MS发送信号。然而,存在的问题是,当应用该波束成形方案时,根据实际环境中的信道特征,在接收信号的MS之间可能存在干扰,这可能导致性能恶化。因此,仍然存在在增加分布式天线系统中的小区的总传输容量的同时最小化MS信号之间的干扰的需要。
发明内容
从而,本发明被设计为解决现有技术中存在的至少上述问题,并且提供至少以下所述的优点。也就是说,本发明提供一种用于通过将位于小区中的多个MS的信号乘以彼此独立的波束成形向量来增加小区的总传输容量的装置和方法。
依照本发明的一个方面,其提供一种用于在分布式天线系统中处理信号的方法。该方法包括:由基站(BS)从位于该BS的覆盖区域内或位于连接到该BS的中继站(RS)的覆盖区域内的移动站(MS)处接收信道状态信息(CSI);通过使用该CSI将用于传输给MS的信号乘以波束成形向量;以及将乘以了波束成形向量的用于传输的信号发送到所述MS。
依照本发明的另一个方面,其提供一种用于在分布式天线系统中处理信号的装置。该装置包括:移动站(MS);基站(BS),用于将用于传输给位于该BS的小区覆盖区域中的MS的信号乘以独立的波束成形向量,并且将用于传输的相乘后的信号发送给MS;以及中继站(RS),用于将由所述BS发送的相乘后的信号发送给MS。
附图说明
本发明的上述和其它方面、特征及优点将通过以下结合附图的详细描述而更加明显。
图1原理性地图解说明了使用有线RS的蜂窝系统的结构;
图2图解说明了依照本发明的实施例的使用波束成形向量的信号传输;
图3是图解说明依照本发明的实施例的、考虑所有可能的MS组合而选择最佳MS的过程的流程图;
图4是图解说明依照本发明的实施例的、当考虑所有可能的MS组合时,根据MS的数量的带宽效率分析结果的图表;
图5是图解说明依照本发明的实施例的生成正交波束成形向量和选择最佳MS的过程的流程图;
图6是图解说明依照本发明的实施例的、通过正交向量生成方法根据MS的数量的带宽效率分析结果的图表;并且
图7是图解说明依照本发明的实施例的、在使用有线RS的蜂窝系统中根据距离的带宽效率分析结果的图表。
具体实施方式
以下将参照附图来描述本发明的实施例。应当注意的是在不同附图中的示出的类似的元件通过类似的参考标记表示。同样,在以下描述中,应当注意的是以下将仅描述理解根据本发明的操作所必需的部件,当可能造成本发明主题的不清楚时,对并入此处的公知功能和结构的详细描述将被略过。
在依照本发明的一个实施例的分布式天线系统中,集中式蜂窝系统被假设为基本模型。此处,该集中式蜂窝系统表示这样的蜂窝系统:即其中用于BS和MS之间、或RS和MS之间的通信的所有算法仅由BS来执行,并且RS仅执行发送/接收。因此BS收集所有信号的控制信息。基于该控制信息,该BS向各个MS分配无线资源。同样的,本发明假设了一种具有频率再使用因子为1的系统,其中RS使用同一频带。
图1原理性地图解说明了使用RS的蜂窝系统的结构。更具体的说,图1示出包括6个RS的有线RS系统的结构。
参见图1,1个小区包括例如1个BS和6个RS(RS1至RS6),并且每个RS覆盖相应的子小区区域。在这样的系统中,从BS直接向位于该BS附近的MS提供服务,并且优选地从最近的RS向位于小区边界并因而具有接收信号的相对较低的SINR的MS提供服务。
图1所示出的系统具有小区分裂(split)效应,其中因为多个RS所以1个小区分裂为多个小区,并且每个RS周围的每个圆形区域指示包括当每个RS独立发送信号时可发送的最小SINR水平的覆盖区域。在一个RS的覆盖范围和另一个RS的覆盖范围之间的重叠区域是具有强信号干扰的区域,并且通常指示具有相对较差信道状态的小区边界区域。当信号被发送到位于具有许多周围障碍物的区域中的MS时,也会发生强信号干扰。
依照本发明的一个实施例,其提出了一种信号传输方案,其中通过使用分布在小区中的L个RS将信号同时发送到从位于覆盖范围内的N个MS中选择出的M个MS。更具体的说,以下首先将描述通过使用波束成形向量来同时发送信号的过程,并且然后将描述最小化因同时发送的信号而导致的信号间干扰的过程。
图2图解说明了根据本发明的一个实施例的使用波束成形向量的信号传输。更具体的说,图2以示例的方式示出了通过使用两个RS同时向两个MS发送信号。应当注意的是,RS的数量和MS的数量可根据覆盖范围内包括的MS的位置和数量而变化。
为了同时向M个MS发送信号,BS将用于传输给各个MS的信号乘以不同的波束成形向量以获得要被同时发送的传输信号,如公式(1)所示。
s=KNWx
Figure A20091014198200091
在公式(1)中,s表示将通过各个RS同时发送的传输信号,例如sl表示将由第l个RS发送的信号。W表示波束成形矩阵,其每行对应于将由每个RS发送的信号的加权向量,其每列对应于将由每个MS发送的符号的加权向量。此后,矩阵W的第m列向量将被定义为wm=[w1m,w2m,…,wLm]T。同样的,x表示将被发送给MS的符号向量,并且被表示为xm=[x1,x2,…,xM]T。也就是说,xm表示将被发送给第m个MS的符号。
KN表示用于通过L来归一化RS的传输功率之和的变量,其由公式(2)来定义。
K N = L | | W | | . . . . ( 2 )
使用公式(2)所定义的KN,可如公式(3)所示来定义由BS接收的信号。
r=KNHWx
Figure A20091014198200093
在公式(3)中,H指示表示在BS或RS和MS之间的信道响应的矩阵。也就是说,hml指示BS或第l个RS和第m个MS之间的信道响应,并且矩阵H的第m行向量由hm=[hm1,hm2,…,hmL]来定义。
当使用上述公式来同时发送信号时,为了获得要发送到BS的信号的总传输容量,使用公式(4)来获得接收SINR。
Γ m = | h m w m | 2 Σ m ′ = 1 m ′ ≠ m M | h m ′ w m ′ | 2 + K N 2 σ 2 . . . . ( 4 )
在公示(4)中,m表示第m个MS,σ2表示外部干扰信号的平均功率和噪声的平均功率之和。使用各个MS的接收SINR,可根据公式(5)获得将从L个RS发送到M个MS的信号的总传输容量。
C = Σ m = 1 M log ( 1 + Γ m ) . . . . ( 5 )
如上所述,可使用公式(4)和(5)来获得位于覆盖区域内的MS的总传输容量。
由公式(5)所获得的总传输容量包括由同时传输M个信号所引起的信号间干扰,这可能导致传输容量的损失。为了通过最小化在同时发送信号时引起的信号间干扰来增加传输容量,本发明的一个实施例提出了一种用于选择最佳MS的方法。基本上,选择最佳MS的方法可分为两种类型:(1)一种生成波束成形向量并考虑所有可能的MS组合来选择最佳MS的方法;和(2)一种生成正交波束成形向量,并通过使用所生成的正交波束成形向量来发送信号的方法。
依照本发明的一个实施例,使用多用户分集来最小化信号间干扰。该多用户分集最小化了在使用波束成形方案来发送信号时因信道特征而导致的干扰问题。根据多用户分集,检测关于由每个MS所经历的信道特征的信息,并且将信号发送给具有最佳信道特征的MS。
当使用多用户分集时,可选择具有彼此正交的信道特征的MS,结果是当使用波束成形向量来向多个MS发送信号时最大化了增益。以下首先将参照一种生成波束成形向量并且考虑到所有可能的MS组合来选择最佳MS的方法。
I.生成波束成形向量,并且考虑到所有可能的MS组合来选择最佳MS的方法。
在该方法中,考虑所有可能的Q=NCM=N!/(N-M)!M!)个MS组合以向M个MS同时发送信号,可从小区中的N个MS同时向M个MS发送信号。假设可由公式(5)获得的最大化传输容量的MS组合为Amax,则可使用公式(6)来获得Amax
A max = arg max A q { Σ m ∈ A q log 2 ( 1 + Γ m ) } . . . . ( 6 )
在公式(6)中,假设{A1,A2,...,AQ}是必须考虑的一组MS组合。Aq被定义为包括M个MS索引的第q个MS组合。因此,使用组成Amax的MS的信道信息,可根据公式(7)生成波束成形向量wm
w m = h m H , 其中m∈Amax                  ....(7)
根据将结合图3来描述的算法来执行通过使用由公式(6)所获得的Amax和由公式(7)所生成的波束成形向量来选择最佳MS的过程。
图3图解说明了根据本发明的一个实施例考虑到所有可能的MS组合来选择最佳MS的过程。
参见图3,在步骤301中,BS从每个MS处接收各个信道状态信息(CSI)。每个CSI包括:表示外部干扰信号的平均功率和噪声的平均功率之和的σ2;和波束成形矩阵H的列向量。
在步骤303中,BS通过使用位于覆盖范围内的所有MS的CSI来生成可能的MS组合。根据MS的数量,这些MS组合可以是单个MS组合或多个MS组合。
在步骤305中,BS使用公式(6)以从所生成的MS组合中获得能最大化传输容量的MS组合。
接着,在步骤307中,BS通过使用最大化传输容量的MS组合的CSI来生成波束成形向量wm
图4图解说明了根据本发明的一个实施例的、当考虑到所有可能的MS组合时的带宽效率分析结果。更具体的说,在图4中,X轴表示位于系统内的MS的总数,Y轴表示最大化容量的MS组合的传输容量。
参见图4,在瑞利衰落信道(Rayleigh fading channel)的环境下,在图上描绘了根据位于小区中的MS的总数N的增加而变化的信道容量,其中在每个RS和每个MS之间的信道响应的值为1。MRT复用所标明的线表示关于在考虑了所有可能的MS组合而最佳的MS组合的传输容量,并且由MS1和MS2标明的每条线表示每个MS的传输容量。由单个天线传输(SAT)标明的线表示关于如在现有蜂窝系统中使用单个天线发送信号的方案的传输容量。对于使用用于信号传输的两个天线的MRT方案的公平的比较来说,在所使用的资源量方面,是SAT方案的传输容量的两倍。
从图4中的结果可见,MRT复用方案相比于在现有蜂窝系统中所使用的SAT方案,其展现出改进的传输容量,并且该MRT方案协同使用两个天线用于信号传输。
II.正交向量生成方法
在执行复用方案期间,一种生成正交波束成形向量并使用所生成的波束成形向量来发送信号的方法是另一种最小化因信号间干扰而导致的传输容量损失的途径。假设B={b1,b2,...,bM}是一组接收信号的MS的索引,以及W={w1,w2,...,wM}是一组传输符号的波束成形向量。更具体的说,B和W是通过以下三个步骤来确定的:
步骤1.BS首先从位于小区中的N个MS中选择在信道功率之和方面最好的MS。可根据公式(8)来获得所选择的MS的波束成形向量,其中i指示所选择的MS的索引,其被初始化为1。
b i = arg max n ∈ { 1,2 , · · · , N } { | | h n | | 2 } . . . . ( 8 )
w i = h b i H
在公式(8)中,上标H表示厄密(Hermitian)共轭(复数共轭和转置)算子,下标n表示存在于小区中的N个MS的索引。
步骤2.i增加1,然后可以使用公式(9)并通过格莱姆-施密特(Gram-Schmidt)处理来获得正交波束成形向量(可以获得全部N-i+1个正交波束成形向量)。
g n = h n - &Sigma; j = 1 i - 1 < h n , w j > | | w j | | 2 w j , n &Element; { 1,2 , &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; , N } n &NotEqual; b 1 , b 2 , &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; , b i - 1 . . . . ( 9 )
在公式(9)中,j被定义为正交向量生成方法中所需要的索引。
步骤3.使用由公式(9)获得的波束成形向量并使用公式(10)来选择bi和wi
b i = &Sigma; n &Element; { 1,2 , &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; , N } n &NotEqual; b 1 , b 2 , &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; , b i - 1 { | | g n | | 2 } . . . . ( 10 )
w i = g b i H
在执行了这三个步骤之后,重复执行第二步骤和第三步骤,直到指示所选择的MS的索引i增加到所选择的MS的数量为止。
图5图解说明了根据本发明的一个实施例生成正交波束成形向量并且选择最佳MS的过程。更具体的说,在图5中,图解说明了上述正交向量生成方法。
参见图5,在步骤501中,BS通过反馈信道从每个MS处接收包括波束成形矩阵H的列向量的CSI。在步骤503中,该BS选择在信道功率之和方面最好的MS,并且获得所选择的MS的波束成形向量。这里,指示所选择的MS的数量的索引i被初始化为1。在步骤505中,该BS将i增加1,并且生成与在步骤503获得的波束成形向量正交的波束成形向量,在步骤507中,该BS通过使用正交波束成形向量来导出用于接收信号的一组MS的索引以及一组传输符号的波束成形向量。在步骤509中,BS重复执行步骤505和步骤507,直到指示所选择的MS的数量的索引i等于M。
图6图解说明了根据本发明的一个实施例通过正交向量生成方法来根据MS的数量所进行的带宽效率分析结果。更具体的说,在图6中,X轴表示位于系统中的MS的总数,Y轴表示最大化容量的MS组合的传输容量。
参见图6,在瑞利衰落信道环境下,描绘了根据存在于小区中的MS的总数N的增加而变化的信道容量,其中两个RS选择两个MS,并且每个RS和每个MS之间的信道响应值为1。与图4类似,图6示出MRT复用方案相比于在现有蜂窝系统中所使用的SAT方案展现出改进的传输容量,并且MRT方案协同使用两个天线用于信号传输。
通过比较图4和图6,虽然在图4中的情况中MS1和MS2展现出类似的传输容量,但是在图6中,具有最好信道状态的MS1展现出与MS2的传输容量显著不同的传输容量。因此,图4所表示的方法的优点在于其通过计算所有可能的MS组合的情况的数量来找到最佳组合,但其缺点在于其计算量增加了。可选的是,图6所表示的方法的优点在于其使用相对较少的计算来找到MS组合,因为该方法通过获得在信道功率之和方面最好的MS的波束成形向量及与其正交的波束成形向量来找到要组合的MS,但该方法的缺点在于其无法总是找到最佳组合。因此,图6相比图4展现出更好的性能,因为具有格外优秀性能的MS提高了整体性能,并且这样的结果可根据要向其发送信号的用户数量和根据信道环境来变化。
图7图解说明了依照本发明的一个实施例的在使用有线RS的蜂窝系统中根据距离的带宽效率分析结果。更具体的说,图7中的结果是通过一系列的测试获得的,其中在X轴上标记的位置(0.1,0.2,...,1)上生成100个MS,同时MS从RS1(归一化距离=0)移动到RS1和RS2之间的中点(归一化距离=1)。
参见图7,SAT所标明的线对应于在现有蜂窝系统中没有协同传输而被发送到一个MS的信号,并且MRT所标明的线对应于在两个RS之间的协同传输。如从图7的结果所可以看出的,因为多用户分集增益和由复用传输获得的增益,在大于0.4或0.5的归一化距离范围内,相比于SAT方案,使用MRT复用方案产生性能增益,并且相比于MRT方案也在多数位置产生性能增益。
根据如上描述的本发明的各种实施例,当在分布式天线系统中发送信号时,检测每个MS的信道信息,从位于小区内的多个MS中选择最小化其间干扰的MS,并且然后发送信号到所选择的MS,从而可以通过复用获得性能增益,并且可以使用RS之间的协同传输来增加传输容量。
虽然已参照了某些实施例示出和描述了本发明,但是本领域技术人员应当明白,在不脱离于由所附权利要求及其等价物所限定的本发明的精神和范围的情况下,可对本发明做出各种形式上和细节上的改变。

Claims (13)

1、一种在分布式天线系统中处理信号的方法,所述方法包括:
由基站(BS)从位于该BS的覆盖区域内或位于连接到该BS的中继站(RS)的覆盖区域内的移动站(MS)处接收信道状态信息(CSI);
通过使用接收到的CSI,将用于传输给MS的信号乘以波束成形向量;和
由BS和RS将用于传输的相乘后的信号发送到MS。
2、如权利要求1所述的方法,进一步包括:
通过反馈信道重复向所述BS发送所述CSI;和
由所述BS更新接收到的CSI。
3、如权利要求1所述的方法,其中,将信号乘以波束成形向量包括:
从位于所述BS和RS的覆盖区域内的MS中确定包括能够同时向其发送信号的MS的所有可能MS组合;
从所确定的MS组合中检测最大化总传输容量的MS组合;
通过使用包括在最大化总传输容量的所述MS组合中的MS的CSI来生成波束成形向量;
将要被发送到包括在最大化总传输容量的所述MS组合中的MS的信号乘以所述波束成形向量;和
将相乘后的信号发送到所述MS。
4、如权利要求3所述的方法,其中,使用如下公式来获得所述总传输容量:
C = &Sigma; m = 1 M log ( 1 + &Gamma; m ) ,
其中,M表示包括在所述MS组合中的MS的数量,Γm表示MS的信号干扰噪声比(SINR)。
5、如权利要求3所述的方法,其中,使用如下公式来获得最大化总传输容量的MS组合:
A max = arg max A q { &Sigma; m &Element; A q log 2 ( 1 + &Gamma; m ) } ,
其中Amax表示最大化总传输容量的所述MS组合,M表示包括在所述MS组合中的MS的数量,并且Γm表示所述MS的信号干扰噪声比(SINR)。
6、如权利要求1所述的方法,其中,将信号乘以波束成形向量包括:
选择具有最大信道功率之和的MS;
通过使用具有最大信道功率之和的MS的CSI来生成其波束成形向量;
生成与所生成的具有最大信道功率之和的MS的波束成形向量正交的波束成形向量;
使用所述正交波束成形向量来检测用于同时信号传输的MS;
将要被发送到具有最大信道功率之和的MS的信号乘以所述波束成形向量;
将要被发送到用于同时信号传输的MS的信号乘以所述正交波束成形向量;和
将相乘后的信号发送到所述MS。
7、如权利要求6所述的方法,其中,使用如下公式来获得具有最大信道功率之和的MS的波束成形向量:
b i = arg max n &Element; { 1,2 , . . . , N } { | | h n | | 2 } ,
w i = h b i H
其中,上标H表示厄密共轭(复数共轭和转置)算子,下标n表示位于小区中的N个MS的索引。
8、如权利要求6所述的方法,其中,通过如下公式所表示的格莱姆-施密特处理来获得所述正交波束成形向量:
g n = h n - &Sigma; j = 1 i - 1 < h n , w j > | | w j | | 2 w j , n &Element; { 1,2 , . . . , N } n &NotEqual; b 1 , b 2 , . . . , b i - 1 ,
其中,i是所选择的MS的索引,j是在正交向量生成方法中所需要的索引,并且n是所选择的MS的数量。
9、如权利要求6所述的方法,其中,依照分布在相应覆盖范围内的MS的数量来生成至少一个正交波束成形向量。
10、一种在分布式天线系统中处理信号的装置,该装置包括:
移动站(MS);
基站(BS),用于将传输给位于小区覆盖区域内的MS的信号乘以独立的波束成形向量,并且发送相乘后的信号;
中继站(RS),用于中继至少一个从所述BS发送的相乘后的信号,
其中,所述MS从所述BS或RS接收相乘后的信号。
11、如权利要求10所述的装置,其中,所述BS和至少一个RS向至少两个MS协同发送相乘后的信号。
12、如权利要求11所述的装置,其中,至少两个RS向至少两个MS协同发送相乘后的信号。
13、如权利要求11所述的装置,其中,所述BS接收位于所述小区覆盖区域内的MS的信道状态信息(CSI),并且基于接收到的CSI向各个MS发送信号。
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