CN101646175A - 多址系统中抑制波束之间交叠干扰的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种多址系统中抑制波束之间交叠干扰的系统和方法，涉及移动通信技术。将空分与码分有效的结合起来，充分利用无线信道的空间信息，对接入用户实时地进行相关性检测，对强相关用户进行动态分组，波束赋形对用户分组进行动态地跟踪覆盖；对赋形波束实时地进行相关性检测，为相关波束自适应分配正交码，有效抑制波束间相互干扰。从空间和正交码特征识别赋形波束，从而实现系统容量、通信质量、频谱利用率的提升。

Description

多址系统中抑制波束之间交叠干扰的方法和系统

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体是移动通信技术中的多址技术。

背景技术

空分多址(SDMA)技术设计思想是通过多个高增益窄波束分别对应多个期望用户，动态地识别、定位和跟踪实现用户的接入。然而，在实际应用中如果采用一个波束接入一个用户，则随着用户数不断增加，波束数目也会相应地增加，这将使得系统负荷加重，同时对系统处理能力提出了更高的要求。当用户数增加到一定数量后，如果依然采用前述多址方案技术，将会导致智能天线技术在蜂窝移动通信系统的这一应用显得不实用。为了充分利用SDMA多址技术的空分理念，同时又能合理利用系统资源，可以考虑在下行链路，首先对用户按照信道和空间位置等特性进行分组，然后通过下行波束赋形对不同的用户分组，实现自适应地覆盖，从而提高系统容量和改善系统性能。

基于如上考虑，如文献(Personal，Indoor and Mobile RadioCommunications 2006 IEEE 17th International Symposium，ALow-Complexity SDMA Grouping Strategy for the Downlink of Multi-UserMIMO Systems以及Information and Communication Technology 2007International conference，Combined CDMA-SDMA Performance Analysis andCode Assignment Algorithm等)，在SDMA系统中对用户进行分组，将用户以分组形式接入系统。但是，当前针对用户分组采用的基本准则通常是以用户之间的不相关为前提的，如文献(Smart Antennas 2008 International ITGWorkshop，A performance-complexity analysis of four suboptimal SDMAalgorithms)中分析的几种用户分组方法，这种分组策略没有确定的指出对同一波束下的“相关用户”进行分区覆盖。另一方面，受赋形波束宽度的影响，当不同的用户群在空间上处于较为接近的位置时，从波束覆盖的区域来看，尤其是下行波束覆盖，则呈现出覆盖区域相互交叠和干扰。这就使得SDMA在对一个期望用户分组以最大增益覆盖时，对相邻的用户分组来讲，因无法辨识提供覆盖的波束，使得其都将经历严重的干扰，而这种相互干扰将直接影响系统性能。如图1所示为波束间出现交叠干扰的示意图。对于任意的两个SDMA用户分组Gn和Gm，在空间位置上接近，使得波束Bn和Bm在空间覆盖上出现相互交叠的区域。而当移动终端MSi和MSj靠近波束Bn和Bm的交叠覆盖区域时，将同时接收到来自波束Bn和Bm的信号，造成干扰。因此波束之间的交叠覆盖将使得SDMA用户分组之间出现相互干扰，即交叠干扰。

发明内容

本发明针对现有空分多址(SDMA)技术的上述分组覆盖缺陷和波束交叠干扰问题，设计一种使用空分和码分的多址系统和方法。该多址系统可以实现对用户分组的动态分区覆盖和跟踪，但同时不会给系统带来过大的运行负荷。另一方面，引入码分特征，当波束之间出现交叠干扰，为波束自适应分配正交码，以正交码识别波束，解决波束之间的交叠干扰问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，设计一种使用空分和码分，在多址系统中抑制波束之间交叠干扰的方法和系统，

A.根据用户的空间信息，实时计算用户的空间相关性；

B.通过用户的空间相关性度量进行用户的空间相关性比较，并对用户进行接入分组；

C.采用波束赋形对用户分组进行动态覆盖；

D.实时进行波束相关性检测；

E.自适应为相关波束分配正交码。

具体包括如下技术方案：

信息检测部分实时估计包括用户方位信息和移动特性的用户空间信息。根据用户与基站之间方位角、基站高度h和波束辐射的俯仰角确定用户方位信息，该信息包括用户之间的水平方位夹角和用户与基站的径向距离；根据用户所处的状态确定用户移动特性，即根据用户切线和径向两个方向单位时间内的位置变动判断用户所处的状态为高速运动、低速运动或者静止状态；

计算单元根据用户空间信息，实时计算用户的空间相关性。计算单元根据两个用户信道向量h_i和h_j，调用公式：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{\left|h_i{h}_j^H\right|}{\left|\right|h_i\left|\right|\left|\right|h_j\left|\right|}$

计算其归一化标量积，判断单元将归一化标量积与空间相关门限进行比较实时进行用户的空间相关性度量，确定用户之间的相关性；

分组单元根据系统容量以及空间相关门限值，在满足多址系统容量的前提下大于空间相关门限值的用户作为空间强相关的用户分为一组，允许接入分组；

处理单元根据各分组中用户分组空间位置的中心角度，进行下行波束赋形，对用户分组实现分区覆盖；

相关性检测单元根据波束的空间向量实时计算相邻波束的相关性，对于相关的波束，自适应为相关波束分配正交码，为波束增加码分特征，降低波束之间的相互干扰。

采用本发明提出的多址系统中抑制波束之间交叠干扰的方法，可以动态地实现对用户分组的定位、跟踪和覆盖，同时又不会给系统带来太大的处理负荷。引入码分特征，自适应为波束分配正交码，可以改善波束交叠干扰问题，在充分体现系统动态特性的同时又能提高系统容量和通信质量，从而提高系统的频谱利用率。

附图说明

图1波束交叠干扰示意图

图2多址系统工作流程示意图

图3用户分组示例图

图4分组区域动态覆盖示意图

图5波束的空间相关性示意图

图6分配正交码示意图

具体实施方式

本发明根据各接入用户下行信道所呈现出的特性，以用户空间位置和移动性的强相关性作为用户的分组度量，实时进行相关性计算，强相关用户分为一组，并通过下行波束赋形动态地对各分组用户进行跟踪和分区覆盖。同时，实时计算波束间相关性，引入码分特征，将正交的码字自适应分配给强相关波束，从空间和正交码两个特征上识别不同的波束，在空间信道上形成相对独立的波束覆盖区域，以改善SDMA多址系统中存在的波束重叠干扰问题，同时也为更好实现动态地分区覆盖提供支持。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明采用如下方法改善SDMA多址系统中存在的波束重叠干扰问题，首先，根据用户的空间信息，实时计算用户的空间相关性；根据用户的空间相关性度量进行用户的空间相关性比较，并对用户进行接入分组；采用波束赋形对用户分组进行动态覆盖；实时进行波束相关性检测；自适应为相关波束分配正交码。

图2为本发明所述的动态多址方法的工作流程示意图。

步骤101，基站信息检测单元实时估计申请接入的新用户和已接入用户的空间信息，也即是用户信号经历的信道状态信息，包含用户的方位信息和移动特性。

(1)用户的方位信息包括用户之间的水平方位夹角和用户与基站的径向距离，通过用户距离基站的相对位置确定。基站信息检测单元实时检测获取服务区域内用户与基站之间方位角，从而获取用户之间的水平方位夹角θ₀，根据基站高度h和波束辐射的俯仰角φ确定各用户与基站的径向距离；

(2)基站根据用户所处的状态确定用户移动特性：用户所处的状态包括用户作高速运动、作低速运动或者处于静止状态。由于圆周内任意方向运动可以分解为切线运动和径向方向的运动，因此可以从切线和径向两个方向考察用户移动性，状态检测单元综合切线和径向两个方向单位时间内的位置变动判断基站覆盖区域内用户所处的状态为高速运动、低速运动或者静止状态。

步骤102，计算单元根据检测单元获取的用户空间信息，即用户空间信道信息，计算用户的归一化标量积。计算单元根据两个用户信道向量h_i和h_j，计算其归一化标量积，归一化标量积ρ_ij表示用户的空间相关性，

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{\left|h_i{h}_j^H\right|}{\left|\right|h_i\left|\right|\left|\right|h_j\left|\right|},$ 其中|*|和||*||分别为复标量模值和复向量的欧氏范数，下标i，j分别表示两个不同的用户。

步骤103，判断单元根据用户间的归一化标量积ρ_ij实时进行用户的空间相关性度量，将归一化标量积与空间相关门限进行比较确定用户之间的相关性。判断申请接入用户的空间相关性以及已接入用户的相关性状态。根据系统中用户的接入数量，假设用户的空间相关门限设置为ρ₀，当ρ_ij≥ρ₀时，认为两个用户相关，则执行下一步骤104；否则，两个用户不相关，返回执行步骤102。

步骤104，根据用户的空间相关性，以用户的空间强相关为前提，对用户进行分组。各分组内用户之间强相关，独占系统资源，各分组间用户之间不相关，共享系统资源。

分组单元根据用户的空间相关性，强相关的用户分为一组，组内用户强相关，组间用户不相关。用户分组接入采用一种改进后的最佳匹配算法(BestFit Algorithm，BFA)，根据系统容量以及空间相关门限值两方面考虑，将空间强相关的用户分为一组。

(1)从多址系统容量方面考虑，根据允许接入的最大可接入用户数确定各分组区域的中心位置范围，然后根据各接入用户的二维方位估计值(波束指向)确定最佳匹配用户作为分组的初始用户。

(2)从用户分组方面考虑，以初始用户为基础，然后与其他申请接入的用户依次计算用户间的归一化标量积，并进行相关性比较，，在满足多址系统容量的前提下，大于空间相关门限值的用户作为最佳匹配的用户(强相关用户)，允许接入分组。

改进BFA分组算法步骤如下表所示：

1.初始化，确定各分组区域；

2.估计用户位置；

3.选择初始用户k’，设置分组集合ζ＝{k’}；

4.当K’＜K，设置 ${\mathrm{\ζ}}^{\′}=\mathrm{\ζ}\∪\underset{k_n\∉\mathrm{\ζ}}{\arg \max }\{{\mathrm{\ρ}}_{k^{\′},k_n}>\mathrm{\ζ}\},n=\mathrm{1,2}...,N;$

5.定义最佳分组ζ^*＝ζ’。

其中K’和K分别为已接入用户分组数和系统允许接入的最大用户分组数，而N为分组内允许接入的最大用户数。

根据用户的空间强相关性为原则进行分组接入用户后，组内用户独占系统资源，组间用户共享系统资源。

图3为用户以强相关为前提进行分组的示例。假设多址系统采用4阵元的直线阵列天线，申请接入用户总数为8个(用户编号为1-8)，随机分布在扇区内，用户终端均为单天线，用户位置分布参数如表1所示。此外，出于简化考虑，假定所有用户为低速运动，即忽略考虑用户移动对相关性的影响。以一个分组为例，说明改进BFA算法的分组过程：

表1：用户位置分布参数

位置\用户	①	②	③	④	⑤	⑥	⑦	⑧
									方位角θ(°)	0°	-45°	15°	30°	40°	-50°	-10°	55°
径向距离r(m)	300	400	200	450	150	100	250	300
									相关性	-	0.27	0.64	0.02	0.22	0.26	0.82	0.25

(1)初始化，确定用户①为用户分组初始的接入用户；

(2)将用户②～⑧逐个与用户①进行相关性比较，选出相关性最强用户接入此分组，由参数表所示的相关系数可知，接入用户为③；

(3)还有相关用户存在，且未达到分组最大用户数，则重复进行相关性比较，根据相关性值由大到小的顺序依次选取相应用户接入分组，剩下未接入的用户中，最相关用户为⑦，允许用户⑦接入此分组；

(4)实时进行用户相关性比较，直到允许接入分组的用户数达到最大可接入用户数，形成分组用户标号为1、3、7的用户为一组。

步骤105，处理单元根据各分组中用户分组空间位置的中心角度，进行下行波束赋形，对用户分组实现分区覆盖。根据各分组中用户信号的二维DOA(Direction of Angle，波达角度)估计用户分组空间位置，确定用户分组的中心角度(θ，φ)，包括用户分组的中心方位角和俯仰角，进行下行波束赋形，然后通过下行波束赋形对用户分组进行定位、跟踪和覆盖。

图4为系统波束的分区覆盖示意图。空分和码分多址系统首先根据各分组内用户信号的二维DOA估计确定分组中心角度，包括方位角θ和俯仰角φ，然后进行下行波束赋形，实现对用户分组的分区覆盖。如图2所示，对于用户分组Gn和Gm，其中心角度分别为(θ_n，φ_m)和(θ_n，φ_m)，系统根据中心角度对用户分组进行定位，下行波束赋形，实现分区覆盖，并随着用户分组的移动性，实时自适应跟踪，实现波束覆盖的动态特性。

用户分组以用户空间的强相关为前提，包含了用户的所处空间位置和移动特性，由于已将用户移动特性考虑其中，随着用户分组的群移动，波束能够随着用户分组中心角度的改变自适应对用户分组定位、跟踪，实现对用户分组的动态覆盖。用户以分组形式接入系统，系统以用户分组为一体进行处理，在提升系统容量的同时不会给系统带来过大的处理负荷。

步骤106，相关性计算单元根据波束的空间向量实时计算相邻波束的相关性，干扰程度检测单元以波束之间表现出的相关特性来检测波束之间的交叠干扰程度。

最优波束赋形权值矢量W_opt确定为波束的空间向量，根据波束的空间向量计算相邻波束的空间相关性，任意两个波束的空间特征向量分别为W_optn和w_optm，其空间相关性可定义为：

$\mathrm{\ρ}=R\left\{w_{\mathrm{optn}}^H{w}_{\mathrm{optm}}\right\},n,m=\mathrm{1,2},\·\·\·,K$

其中，W_opt为赋形波束的最优权值矢量。如果系统中用户分组数为K，而n和m为小于K的整数，H为信道矢量；

赋形波束的最优权值矢量W_opt由最大信噪比SNR_max算法得出：

${\mathrm{SNR}}_{\max }=\frac{w_{\mathrm{opt}}^H{R}_D{w}_{\mathrm{opt}}}{{\mathrm{\σ}}_n^2}$

获得的最优波束赋形权值矢量W_opt即为波束的空间向量。其中R_D为下行信道相关矩阵，σ_n ²为噪声功率。

图5为波束的空间相关性示意图。波束间的相关性主要是受两个分组中心角度的夹角影响，也即是受赋形波束辐射角度和波束主瓣宽度的影响，其中夹角包括方位夹角θ₀和俯仰夹角φ₀。如图5所示，对于任意两个波束Bn和Bm，分别以最优赋形权值W_optn和W_optm对用户分组Gn和Gm进行覆盖，从两个波束辐射的夹角方面比较波束相关性。当辐射夹角小于某个门限夹角(与相关门限δ对应)时，波束之间相关，将出现交叠干扰，需要系统为其分配正交码。

步骤107，设置相关性门限为δ，比较单元将δ与计算所得相邻波束的空间相关性ρ进行比较，检测波束之间的交叠干扰程度。

步骤108，当ρ≥δ，则确定波束之间相关，处理单元自适应为相关波束分配正交码，为波束增加码分特征，降低波束之间的相互干扰。否则，波束之间不相关，不存在波束交叠干扰，返回执行步骤106。

为相关波束分配的正交码可采用具有如下相关特性的正交码序列集：①每个码序列的自相关函数应该是一个冲激函数，即除零时延外，其值应处处为0；②每对码序列的互相关函数值应该处处为0。

图6为相关波束分配正交码的示意图。如图6所示，对于任意两个用户分组G_i和G_j，实时计算其覆盖波束B_i和B_j的空间相关性，当ρ_B≥δ，即波束B_i和B_j是空间相关的，从而存在相互干扰，因此分别为其分配正交码，例如正交的PN码。正交的PN码有PN_i⊥PN_j，那么对于分组G_i和G_j中的用户就能通过波束的码分特征识别波束B_i和B_j，从而在空间信道上形成相互独立的波束覆盖区域。

由上述实施例可见，本发明的使用空分和码分的多址系统和方法，从对用户分组的空间分区覆盖和为波束分配正交码两个方面充分体现了该多址系统的动态特性。适当控制了系统的运行处理负荷，降低了波束间的相互干扰，提高系统容量和改善系统性能。

Claims (10)

1.多址系统中抑制波束之间交叠干扰的方法，其特征在于，包括如下步骤：计算单元根据用户的空间信息，实时计算用户的空间相关性；分组单元根据系统容量以及预设的空间相关门限值确定空间强相关用户并进行分组；处理单元根据各分组中用户组空间位置的中心角度，进行下行波束赋形，对用户组实现分区覆盖；相关性检测单元根据波束的空间特征向量实时确定相邻波束的相关性，对于相关的波束，处理单元自适应为相关的波束分配正交码。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用户的空间信息包括用户方位信息和移动特性，根据用户与基站之间方位角、基站高度和波束辐射的俯仰角确定用户方位信息，根据用户切线和径向两个方向单位时间内的位置变动判断用户的移动特性为高速运动、低速运动或者静止状态。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，实时确定用户的空间相关性的步骤包括，计算单元根据两个用户信道向量计算其归一化标量积ρ_ij，判断单元将归一化标量积ρ_ij与空间相关门限ρ₀进行比较，当ρ_ij≥ρ₀时，两个用户相关，当ρ_ij＜ρ₀时，则两个用户不相关。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定空间强相关用户的步骤包括，根据系统允许接入的用户数确定各分组区域的中心位置范围，根据各接入用户的二维方位估计值确定最佳匹配用户作为分组的初始用户，以初始用户为基础，在满足多址系统容量的前提下，与初始用户之间的归一化标量积大于空间相关门限的用户作为空间强相关用户，允许接入分组。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算相邻波束的相关性的步骤进一步包括，根据赋形波束的空间特征向量计算相邻波束的空间相关性ρ，并与波束相关性门限值δ比较，当ρ≥δ，则波束之间是空间相关的，存在交叠干扰。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据任意两个波束的空间特征向量w_optn和w_optm，计算单元根据公式

n，m＝1，2，…，K计算相邻波束的空间相关性ρ，其中，K为系统中用户分组数。

7.多址系统中抑制波束之间交叠干扰的系统，其特征在于，计算单元根据用户的空间信息，实时计算用户的空间相关性；分组单元根据系统容量以及预设的空间相关门限值确定空间强相关用户并进行分组；处理单元根据各分组中用户组空间位置的中心角度，进行下行波束赋形，对用户组实现分区覆盖；相关性检测单元根据波束的空间特征向量实时确定相邻波束的相关性，对于相关的波束，处理单元自适应为相关的波束分配正交码。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，用户的空间信息包括用户方位信息和移动特性，计算单元根据用户与基站之间方位角、基站高度和波束辐射的俯仰角确定用户方位信息，根据用户切线和径向两个方向单位时间内的位置变动确定用户的移动特性。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，计算单元根据两个用户信道向量计算其归一化标量积ρ_ij，判断单元将归一化标量积ρ_ij与空间相关门限ρ₀进行比较，当ρ_ij≥ρ₀时，两个用户相关，当ρ_ij＜ρ₀时，则两个用户不相关。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，计算单元根据任意两个波束的空间特征向量w_optn和w_optm调用公式

n，m＝1，2，…，K计算相邻波束的空间相关性ρ，当ρ≥δ，则波束之间是空间相关的，存在交叠干扰。其中，K为系统中用户分组数，δ为波束相关性门限值。

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