CN101919182B - 在基站中用于与其它基站协同发送信号的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在无线通信网络的基站中用于与其它一个或多个基站在相同的时频资源上协同发送信号至一个或多个移动站的技术方案。在本发明的方案中，基站利用其所获取的其至一个或多个移动站的长时信道信息来对待发送至一个或多个移动站的信号进行预处理，以使得各个移动站能够无干扰地接收到发送给它的信号。本发明的协同系统中由于多个基站在相同的时频资源上服务于一个或多个移动站，有效地避免了小区间干扰，增加了小区的覆盖范围，并增加了系统的吞吐量。由于各个基站采用了长时信道信息而不是短时信道信息来对发送信号进行预处理，能够很好地支持移动站的移动性，并且大大地减少了信道信息的测量次数，易于实现。

Description

在基站中用于与其它基站协同发送信号的方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信网络中的基站，尤其基站中用于与其它基站协同发送信号至一个或多个移动站的方法及装置。

背景技术

随着IEEE802.16e和3GPP LTE向IMT-advanced标准的演变的过程中，IEEE802.16m和3GPP LTE+致力于更高的扇区吞吐量、小区边缘用户吞吐量和更宽的小区的覆盖范围。在低的频率复用系统中，由于小区间干扰(Inter-cell interference，ICI)，小区吞吐量和覆盖范围都受限。在IEEE802.16e和3GPP LTE中，已有很多消除小区间干扰的方法，例如基于小区间干扰的功率控制、灵活的频率复用、宏分集、干扰随机化等。这些消除小区间干扰的方法能够有效地提高小区边缘用户的吞吐量，但是系统频谱效率不高，并且增加了接收设备的复杂度。另外，从信道容量的观点来看，尽管采取各种消除小区间干扰的方法，有小区间干扰的通信系统的系统容量仍然低于没有小区间干扰的系统。

发明内容

本发明是在同一申请人上海贝尔阿尔卡特公司于2007年所提出的一种用于同步无线通信网络的协同MIMO(Collaborative MIMO，Co-MIMO)技术基础上做出的(见CN200710045052.0)，该专利申请文件被附于此作为本申请内容的一部分。所谓协同MIMO技术为：通过多个基站之间的协调，多个基站在相同的时频资源上同时服务于一个或多个移动站，通过预编码技术或者波束成形对待发送信号进行处理以避免了小区间干扰。从而提高了小区的平均容量、用户平均吞吐量尤其是位于小区边缘的用户吞吐量。基于协同MIMO的构思，专利申请CN200710045052.0提出了一种具体的基于瞬时信道信息(Instantaneous channel state information，ICSI，或者也称为短时信道信息)的实现方案(以下简称为“基于ICSI的协同MIMO”)。基于ICSI的协同MIMO为具有低移动性的时分复用系统的优先方案，因为在低移动性的时分复用系统中，信道相对变化缓慢，基站很容易获得信道信息。但是，对于高移动性的时分复用系统，由于信道相对变化较快，基站往往不能够及时地获取即时信道信息。对于频分复用系统，由于上下行信道不对称，基站往往也不能够及时地获取即时信道信息。因此，在预编码系数或者波束成形的计算过程中使用的信道信息的估计值往往不能反应信号发送时的实际信道的影响，从而导致整个系统的性能下降，接收设备的误码率提高。

为了解决现有技术以及专利申请CN200710045052.0所公开的技术方案中存在的问题，本发明进一步提供了一种在无线通信网络的基站中用于与其它一个或多个基站在相同的时频资源上协同发送信号至一个或多个移动站(为方便起见，简称为“协同系统”)的技术方案。在本发明的方案中，基站利用其所获取的其至一个或多个移动站的长时信道信息来对待发送至一个或多个移动站的信号进行预处理，以使得各个移动站能够无干扰地接收到发送给它的信号。为清楚起见，以下对本发明中基于长时信道信息工作的协同系统的各种工作模式进行说明，该协同系统的工作模式包括但不限于以下各种情形：

-多个基站通过联合闭环空时编码方式服务于一个移动站；

-多个基站通过宏分集方式服务于一个移动站

-多个基站以协同MIMO的方式服务于多个移动站，其中每个基站以多用户MIMO的方式服务于多个移动站，其中，多用户MIMO的预编码系数的确定规则有多种，典型地包括但不限于基于信道响应矩阵的协方差矩阵的预编码规则、基于信号离开角或者到达角的波束成形规则等。

根据本发明的第一方面，提供了一种在无线通信网络的基站中用于与其它一个或多个基站在相同的时频资源上协同发送信号至一个或多个移动站的方法，其特征在于，包括以下步骤：a.获取本基站至所述一个或多个移动站的下行无线通信链路的长时信道信息；b.基于所述长时信道信息与预定规则，对本基站发送至所述一个或多个移动站的一路或多路信号进行预处理，以获得经预处理后的信号；c.在与所述其它一个或多个基站约定的时频资源上将所述经预处理后的信号发送至所述一个或多个移动站。

根据本发明的第二方面，提供了用于与其它一个或多个基站在相同的时频资源上协同发送信号至一个或多个移动站的协同发送装置，其特征在于，该协同发送装置包括获取装置、预处理装置和发送装置；其中，获取装置用于获取本基站至所述一个或多个移动站的下行无线通信链路的长时信道信息；预处理装置用于基于所述长时信道信息与预定规则，对本基站发送至所述一个或多个移动站的一路或多路信号进行预处理，以获得经预处理后的信号；发送装置用于在与所述其它一个或多个基站约定的时频资源上将所述经预处理后的信号发送至所述一个或多个移动站。

本发明的协同系统中由于多个基站在相同的时频资源上服务于一个或多个移动站，有效地避免了小区间干扰，增加了小区的覆盖范围，并增加了系统的吞吐量。由于各个基站采用了长时信道信息而不是短时信道信息来对发送信号进行预处理，能够很好地支持移动站的移动性，并且大大地减少了信道信息的测量次数，易于实现。对于多个基站以协同MIMO工作的情形，由于预编码由各基站独立完成，对于一个基站而言，其只需要获取其自身至各个移动站站之间的下行无线通信链路的长时信道信息即可，而无需不涉及其它基站至各个移动站的下行无线通信链路的长时信道信息，有效地降低了协同工作的各个基站之间的信息交互。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为一个无线通信网络的拓扑结构示意图；

图2为根据本发明的一个具体实施方式的在无线通信网络的基站中用于与其它一个或多个基站在相同的时频资源上协同发送信号至一个或多个移动站的方法流程图；

图3为图2中所示步骤S21的子步骤流程图；

图4为根据本发明的一个具体实施方式的在无线通信网络的基站中的导频分配示意图；

图5为图3所示步骤S31的子步骤流程图；

图6为图2所示的方法流程图中步骤S22的子步骤流程图；

图7为根据本发明的一个具体实施方式的图1中所示的网络拓扑结构中的信号处理的示意图；

图8为信号到达角的说明示意图；

图9为根据本发明的一个具体实施方式的在无线通信网络的基站中用于与其它一个或多个基站在相同的时频资源上协同发送信号至一个或多个移动站的协同发送装置90的结构示意框图；

图10为图9中的获取装置91的结构示意框图；

图11为图10中的信道响应获取装置911的结构示意框图；

图12为图9中的预处理装置92的结构示意框图；

其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的步骤特征或装置(模块)。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的一个具体实施方式在无线通信网络的基站中用于与其它一个或多个基站在相同的时频资源上协同发送信号至一个或多个移动站的方法流程图。本领域的普通技术人员应能理解在此所述的无线通信网络包括但不限于WiMAX网络、3G网络或下一代无线移动通信网络。

本领域技术人员应能理解，图1中所示的两个基站B1、B2分别位于相邻的小区或者扇区中。需要说明的是，在一个小区的边缘处，有时不止两个基站能够与位于小区边缘的移动站通信，例如对于广泛使用的六边形的小区覆盖模型，如图1所示，对于位于三个小区交界处的移动站，三个基站都有可能与该移动站通信。具体地，对于，某个移动站而言，选择几个基站以及选择哪几个基站与该移动站通信，在专利申请CN200710045052.0中已有详细的描述，本发明在此不再赘述。

以下以图1所示的两个基站B1和B2在相同的时频资源上服务于两个移动站M1和M2的情形为例，对基站B1中用于与基站B2在相同的时频资源上发送信号至移动站M1和M2的方法进行详细描述。

首先，在步骤S21中，基站B1获取基站B1至移动站M1、移动站M2的下行无线通信链路的长时信道信息。长时信道信息包括但不限于信道响应矩阵(或者也称之为信道传输矩阵)的多个估计值的均值矩阵，或者协方差矩阵；或者信号离开角或到达角。

对于长时信道信息为信道响应矩阵(或者也称之为信道传输矩阵)的多个估计值的均值矩阵，或者协方差矩阵的情形，步骤S21又可分为如图3所示的子步骤。

首先，在步骤S31中，基站B1获取其至移动站M1和移动站M2的信道响应矩阵的多个估计值。

优选地，可由移动站M1和移动站M2分别估计基站B1至它们的下行无线通信链路的信道链路的信道响应，并将获得估计值发送给基站B1。移动站M1和移动站M2可通过一般的下行信号来确定下行无线通信链路的信道链路的信道响应的估计值，也可以通过一些特殊的参考信号来确定下行无线通信链路的信道链路的信道响应的估计值。例如，对于OFDM系统，移动站M1和移动站M2可通过导频信号来确定信道响应的估计值。

由于基站B1需要获得其至移动站M1和移动站M2的无线通信链路的长时信道信息，因此，移动站M1和移动站M2需要估计多个信道响应值。这多个信道响应值可是不同的时间点上的信道响应的估计值，也可以是基站B1与移动站M1和M2通信的时频资源中的不同频率点上的信道响应的估计值；或者是包括部分不同时间点的信道响应的估计值和部分不同频率点上的信道响应的估计值。以OFDM系统中移动站M1根据导频来确定信道响应的估计值为例，图4中示出了基站B1与移动站M1通信时所使用时频资源块中的导频分配示意图，其中多个导频分布在不同的OFDM符号(时域)和不同的子载波(频域)上。移动站M1可根据图4中所示的多个导频来得到信道响应的多个估计值。再如，对于WiMAX无线通信系统，不同的时间点也可以是分别位于多个下行帧的中的多个时间点。

对于上下行信道对称的无线通信系统，例如时分复用系统，还可将基站B1通过上行信号估计的上行无线通信链路的信道响应的估计值近似作为下行无线通信链路的信道响应的估计值。同移动站M1估计下行无线通信链路的信道响应的方法类似，基站B1可以通过一般的上行信号，包括普通的业务信号和上行探测信号(sounding signals)来获得上行无线通信链路的信道响应的估计值。优选地，基站B1利用上行探测信号来获得上行无线通信链路的信道响应的估计值。即步骤S31又可细分为图5所示的两个子步骤S51和S52。

在步骤S51中，基站B1接收分别来自移动站M1和移动站M2的上行信号。

在步骤S52中，基站B1根据接收到的上行信号来计算其至移动站M1和移动站M2的信道响应矩阵的多个估计值。

回到图3，在步骤S32中，基站B1在得到其至移动站M1的信道响应矩阵的多个估计值后，计算其均值矩阵或者协方差矩阵。对于移动站M2，同样如此。

由于信道响应矩阵的均值矩阵或者协方差矩阵是长时信道信息，为多个瞬时信道信息的统计值，实际中，以多少个瞬时信道信息的估计值为样本来计算均值矩阵或者协方差矩阵，以及多长时间计算一次均值矩阵或者协方差矩阵，可视实际系统的各种性能参数而定。

回到图2，在步骤S22中，基站B1基于所获得的长时信道信息以及预定规则，对其发送至移动站M1以及移动站M2的信号进行预处理，以获得经预处理后的信号。对于图1所示的网络拓扑结构，预处理即为预编码处理。本领域技术人员理解，本申请文件中提及的预编码特指利用基于长时信道信息所生成的用于在空间上区分多个用户或用于在空间上增强单个用户信号功率的预编码矩阵所作的预编码，不同于针对单个用户的MIMO预编码(例如STBC等)。

对于预编码处理，预定规则包括但不限于基于信道响应的协方差矩阵的预编码规则、基于信号离开角或者到达角的波束成形规则等。其中，基于信道响应的协方差矩阵的预编码规则包括基于奇异值分解、特征值分解等，优选地包括基于信道响应的协方差矩阵的奇异值分解的预编码规则。

对于预编码处理，步骤S22又细分为图6所述的两个子步骤S61和S62。

首先，在步骤S61中，基站B1基于长时信道信息与预定规则，确定分别发送至移动站M1和M2的两路信号在基站B1的一个或多个发送天线上的预编码系数。

然后，在步骤S62中，基站B1，根据步骤S41中确定的预编码系数，对分别发送至移动站M1和M2的两路信号进行预编码处理，即用预编码系数进行加权处理，以获得经预编码处理后的信号。

回到图2，最后，在步骤S23中，基站B1在与基站B2约定的时频资源上将经预编码处理后的信号发送至移动站M1和移动站M2。

以上对基站B1中用于与基站B2在相同的时频资源上发送信号至移动站M1和M2的方法进行了详细描述。

为了更好地理解本发明，以下以基站B1和基站B2以协同MIMO工作的方式服务于移动站M1和移动站M2、并基于协方差矩阵的奇异值分解规则来确定预编码系数的情形进行详细说明。

不失一般性地，设图1中所示的各个基站、移动站的参数如下：

-基站B1、B2别具有4根发送天线，每个基站发送两路数据流至移动站M1和M2；

-移动站M1、M2分别具有2根接收天线。

以下对下文即将提及的各个符号的含义进行说明：

s_mn(t)：从第n个基站发送至第m个移动站的数据符号；其中，第1个基站即基站B1，第2个基站即基站B2，第1个移动站即移动站M1，第2个移动站即移动站M2。

x_m(t)：第m个基站

H_mn：从第n个基站至第m个移动站的信道响应矩阵；

W_mn：第n个基站发送至第m个移动站的符号在第n个基站的各个天线上的预编码系数向量；

y_m(t)：第m个移动站中接收到的符号向量；

n_m：第m个移动站中接收到的加性高斯白噪声向量。

图7中示出了此时图1中的信号处理示意图，以上下行无线通信链路对称的时分复用系统为例，基站B1和基站B2分别通过上行的探测信号获得信道响应的多个估计值；当然也可由移动站M1和移动站M2通过其中的信道估计模块来测量它们分别与基站B1和基站B2之间的信道响应的估计值，并通过上行反馈信道反馈给基站B1和基站B2

以下对图1所示的系统的工作过程进行详细说明。其中，基站B1负责协同MIMO的调度工作。整个系统的工作过程可以分为以下几个大的步骤：

步骤一：用户分组

基站B1根据其所服务的多个移动站的上行信号的强弱以及受到的小区间干扰的大小，来将其所服务的多个移动站分为两个组。第一组中的移动站，受到的小区间干扰较小，位于小区的中心，因此仅需基站B1与它们通信，可以单用户MIMO或多用户MIMO的方式。第二组中的用户收到的小区间干扰较大，位于小区的边缘，基站B1需要通过协同的MIMO方式与它们通信，以避免或减轻小区间干扰。具体地，基站可根据移动站中的信噪比大小，或者信号强弱是否低于一个预定的阈值来判断移动站受到的小区间干扰的大小。预定阈值的选取可根据移动站中误码率的大小来设定。与此类似，基站B2中也将其服务的多个移动站分成上述两组。

步骤二：基站间协同MIMO模式的信令交互

以移动站M1和移动站M2位于基站B1和基站B2的覆盖范围的交界处附近为例，基站B1会发送请求消息至基站B2请求基站B2与之一起以协同MIMO的方式在相同的时频资源上服务于移动站M1和移动站M2。关于调度的详细情形可参考CN200710045052.0。基站B2接受基站B1的请求后，发送确认响应消息至基站B1。基站B1在接受到基站B2的确认消息后，基站B1启动其至移动站M1和移动站M2的长时信道信息的估计过程。同样基站B2也启动其至移动站M1和移动站M2的长时信道信息的估计过程。

步骤三：上行探测信号传输

以基站B1根据来自移动站M1和M2的上行探测信号估计信道响应为例，基站B1发送请求移动站M1发送上行探测信号的请求消息指移动站M1。移动站M1在接收到该请求消息后，周期性地发送上行探测信号sounding_signal11至基站B1。同样，移动站M2周期性地发送上行探测信号sounding_signal12至基站B1。同样，对于基站B2，移动站M1周期性地发送上行探测信号sounding_signal21至基站B2。同样，移动站M2周期性地发送上行探测信号sounding_signal22至基站B2。优选地，从移动站M1和移动站M2发送至基站B1的上行探测信号在时域或者在频域正交，以避免探测信号的相互干扰。同样，从移动站M1和移动站M2发送至基站B2的上行探测信号在时域或者在频域正交，以避免探测信号的相互干扰。

步骤四：信道响应矩阵的协方差矩阵的估计

a)基于接收到的上行探测信号sounding_signal11，基站B1估计其与移动站M1之间的下行无线通信链路的信道响应矩阵的多个估计值

其中，K表示上行探测信号中的训练符号的个数，从统计学的观点来看，也即信道响应矩阵的样本个数。由于基站B1具有4根发送天线，移动站M1具有2根接收天线，因此矩阵

为2行4列的矩阵。类似地，基站B1基于上行探测信号sounding_signal21估计其与移动站M2之间的下行无线通信链路的信道响应矩阵的多个估计值

b)同样，基于接收到的上行探测信号sounding_signal12和sounding_signal22，基站B2分别估计其与移动站M1和M2的下行无线通信链路的信道响应矩阵的多个估计值

$\{{\stackrel{\‾}{H}}_{22}\left(k\right),k=1,...,K\}.$

c)基站B1根据其至移动站M1的信道响应的多个估计值，来计算信道响应的协方差矩阵

同样，基站B1根据其至移动站M2的信道响应的多个估计值，来计算信道响应的协方差矩阵

d)基站B2根据其至移动站M1的信道响应的多个估计值，来计算信道响应的协方差矩阵

同样，基站B2根据其至移动站M2的信道响应的多个估计值，来计算信道响应的协方差矩阵

步骤5：预编码系数向量的计算

基站B1对协方差矩阵R₁₁进行矩阵奇异值分解(SVD，SingularValue Decomposition)运算：R₁₁＝U∑V^H。其中，∑为一个4×4的对角矩阵，基站B1根据最大化信噪比或者信号干扰噪声比的原则，确定矩阵∑对角元素中最大的元素所在的列标号对应的矩阵V的列向量即为预编码系数向量W₁₁。W₁₁为1×4列的向量，其含义为基站B1发送至移动站M1的符号s₁₁(t)在基站B1的4根发送天线上的预编码系数。同样，基站B1对协方差矩阵R₂₁进行矩阵奇异值分解，得到基站B1发送至移动站M2的符号s₂₁(t)在基站B1的4根发送天线上的预编码系数W₂₁。

同样，基站B2对协方差矩阵R12和R22进行矩阵奇异值分解得到基站B2发送至移动站M1和的符号s₁₂(t)在基站B2的4根发送天线上的预编码系数W₁₂，以及基站B2发送至移动站M2的符号s₂₂(t)在基站B2的4根发送天线上的预编码系数W₂₂。

经过上述5个步骤，基站B1根据获得的预编码系数对待发送至移动站M1和M2的符号s₁₁(t)和s₂₁(t)进行预编码，得到各个天线上发送的信号的向量

其中，x₁(t)为1×4的向量，每个分量对应于每个天线上的发送信号。同样，基站B2对根据其获得的预编码系数对待发送至移动站M1和M2的符号s₁₂(t)和s₂₂(t)进行预编码得到各个天线上发送的信号的向量

其中，x₂(t)为1×4的向量，每个分量对应于每个天线上的发送信号。理想地，基站B1和基站B2所形成的波束是正交的，即移动站M1不会接收到发送给移动站M2的数据流，移动站M2也不会接收到发送给移动站M1的数据流。

移动站M1接收到的信号y₁(t)可以写作类似地，通过基于多用户检测器的最大似然原则或者最小均方差原则，很容易从该式中解调得到发送符号s₁₁(t)和s₁₂(t)。

同样，移动站M2接收到的信号y₂(t)可以写作

通过基于多用户检测器的最大似然原则或者最小均方差原则，很容易从该式中解调得到发送符号s₂₁(t)和s₂₂(t)。关于根据最大似然原则解调的详细内容，可参阅参考文献1，以及参考文献2。关于根据最小均方误差原则解调的详细内容，可参考文献3。本发明在此不再赘述。

以上以长时信道信息为信道响应矩阵的协方差矩阵，基于协方差矩阵的奇异值分解来确定预编码系数为例对基站B1和基站B2在相同的时频资源上向移动站M1和移动站M2发送信号的过程进行了详细说明。

下面以长时信道信息为信号离开角或者到达角为例，基站B1和基站B2根据信号离开角或者到达角并基于波束成形规则对待发送信号进行预编码的过程进行说明。

如图8所示，信号到达角(或者也称之为波达方向，Direction ofarrival)是指无线电波到达天线阵列的方向，若到达的无线电波满足远场窄带条件，可以近似认为无线电波的波前为一平面(通常，位于小区边缘的移动站与基站之间的通信满足该条件)，平面波前的阵列轴线与天线阵列法线间的夹角即为波达方向。对于基站B1而言，信号到达角是指与之通信的移动站M1的信号的到达方向，信号离开角是指基站B1发送给移动站M1的信号的发射方向。对于移动站M1而言，基站B1中的信号到达角和信号离开角是相同。关于信号到达角或者信号离开角的如何估计现有技术中已有很多文献对此进行了说明，本发明对此不再赘述，详细可参阅参考文献4。

不失一般性，以基站B1的4个天线之间的间距相同，均为d₁为例，设移动站M1的信号到达基站B1的方向角为θ₁₁，则可确定预编码系数向量

设移动站M2的信号到达基站B1的方向角为θ₂₁，则可确定预编码系数向量

如上所述，基站B1根据获得的预编码系数对待发送至移动站M1和M2的符号s₁₁(t)和s₂₁(t)进行预编码得到各个天线上发送的信号的向量 $x_1\left(t\right)=\left[\begin{array}{cc}{W}_{11}& W_{21}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{s}_{11}\left(t\right)\\ s_{21}\left(t\right)\end{array}\right].$

同样，以基站B2的4个天线之间的间距相同，均为d₂，设移动站M1的信号到达基站B2的方向角为θ₁₂为例，则可确定预编码系数向量

设移动站M2的信号到达基站B1的方向角为θ₂₂，则可确定预编码系数向量

如上所述，基站B2根据获得的预编码系数对待发送至移动站M1和M2的符号s₁₂(t)和s₂₂(t)进行预编码得到各个天线上发送的信号的向量

以上以长时信道信息为信道到达角或离开角为例，对基站B1和基站B2根据信号离开角或者到达角对待发送信号进行预编码的过程进行说明。

本领域的普通技术人员应能理解，本发明的应用不限于图1所示的拓扑结构，也可以应用至两个基站在相同的时频资源上服务于一个或三个甚至更多个移动站的情形，三个甚至更多个基站在相同的时频资源上服务于一个或多个移动站的情形；并且多个基站工作的模式也不限于上文所提及的各种模式。

以两个基站在相同的时频资源上服务于一个移动站为例，这两个基站可以以宏分集的方式发送给信号给移动站，基站可根据其至移动站之间的下行无线通信链路的长时信道信息确定发送信号的功率。两个基站也可以通过闭环空时编码，优选地，空时分组码的形式，在相同的时频资源上，联合或者各自发送信号至该一个移动站。对于，联合发送的情形，可根据两个基站至移动站的长时信道信息，例如信道响应矩阵的均值矩阵来确定闭环空时编码中各个码元的加权系数。在此，闭环的意思是指发送设备利用长时信道信息对待发送的空时码的码元进行加权处理。关于闭环空时编码的详细情形可参阅参考文献5。本发明在此不再赘述。

图9示出了根据本发明的一个具体实施方式在无线通信网络的基站中用于与其它一个或多个基站在相同的时频资源上协同发送信号至一个或多个移动站的协同发送装置90的结构框图。本领域的普通技术人员应能理解在此所述的无线通信网络包括但不限于WiMAX网络、3G网络或下一代无线移动通信网络。

本领域技术人员应能理解，图1中所示的两个基站B1、B2分别位于相邻的小区或者扇区中。需要说明的是，在一个小区的边缘处，有时不止两个基站能够与位于小区边缘的移动站通信，例如对于广泛使用的六边形的小区覆盖模型，如图1所示，对于位于三个小区交界处的移动站，三个基站都有可能与该移动站通信。具体地，对于，某个移动站而言，选择几个基站以及选择哪几个基站与该移动站通信，在文献CN200710045052.0中已有详细的描述，本发明在此不再赘述。

以下以图1所示的两个基站B1和B2在相同的时频资源上服务于两个移动站M1和M2的情形为例，对位于基站B1中的协同发送装置90用于与基站B2在相同的时频资源上发送信号至移动站M1和M2的过程进行详细描述。

首先，获取装置91获取基站B1至移动站M1、移动站M2的下行无线通信链路的长时信道信息。长时信道信息包括但不限于信道响应矩阵(或者也称之为信道传输矩阵)的多个估计值的均值矩阵，或者协方差矩阵；或者信号离开角或到达角。

对于长时信道信息为信道响应矩阵(或者也称之为信道传输矩阵)的多个估计值的均值矩阵，或者协方差矩阵的情形，获取装置91的功能又可分别由图10所示的两个子装置信道响应获取装置911和第一确定装置912来完成。

首先，信道响应获取装置911获取其至移动站M1和移动站M2的信道响应矩阵的多个估计值。

优选地，可由移动站M1和移动站M2分别估计基站B1至它们的下行无线通信链路的信道链路的信道响应，并将获得估计值发送给信道响应获取装置911。移动站M1和移动站M2可通过一般的下行信号来确定下行无线通信链路的信道链路的信道响应的估计值，也可以通过一些特殊的参考信号来确定下行无线通信链路的信道链路的信道响应的估计值。例如，对于OFDM系统，移动站M1和移动站M2可通过导频信号来确定信道响应的估计值。

由于获取装置91需要获得其至移动站M1和移动站M2的无线通信链路的长时信道信息，因此，移动站M1和移动站M2需要估计多个信道响应值。这多个信道响应值可是不同的时间点上的信道响应的估计值，也可以是基站B1与移动站M1和M2通信的时频资源中的不同频率点上的信道响应的估计值；或者是包括部分不同时间点的信道响应的估计值和部分不同频率点上的信道响应的估计值。以OFDM系统中移动站M1根据导频来确定信道响应的估计值为例，图4中示出了基站B1与移动站M1通信时所使用时频资源决中的导频分配示意图，其中多个导频分布在不同的OFDM符号(时域)和不同的子载波(频域)上。移动站M1可根据图4中所示的多个导频来得到信道响应的多个估计值。再如，对于WiMAX无线通信系统，不同的时间点也可以是分别位于多个下行帧的中的多个时间点。

对于上下行信道对称的无线通信系统，例如时分复用系统，还可将基站B1通过上行信号估计的上行无线通信链路的信道响应的估计值近似作为下行无线通信链路的信道响应的估计值。同移动站M1估计下行无线通信链路的信道响应的方法类似，信道响应获取装置911可以通过一般的上行信号，包括普通的业务信号和上行探测信号(sounding signals)来获得上行无线通信链路的信道响应的估计值。优选地，利用上行探测信号来获得上行无线通信链路的信道响应的估计值。此时，信道响应获取装置911的功能又可由图11所示的两个子装置接收装置9111和计算装置9112来完成。

首先，接收装置9111接收分别来自移动站M1和移动站M2的上行信号。

然后，计算装置9112根据接收到的上行信号来计算其至移动站M1和移动站M2的信道响应矩阵的多个估计值。

在信道响应获取装置911获取基站B1至移动站M1的信道响应矩阵的多个估计值后，第一确定装置912确定信道响应矩阵的均值矩阵或者协方差矩阵。对于移动站M2，同样如此。

由于信道响应矩阵的均值矩阵或者协方差矩阵是长时信道信息，为多个瞬时信道信息的统计值，实际中，以多少个瞬时信道信息的估计值为样本来计算均值矩阵或者协方差矩阵，以及多长时间计算一次均值矩阵或者协方差矩阵，可视实际系统的各种性能参数而定。

在获取装置91获得长时信道信息后，预处理装置92基于所获得的长时信道信息以及预定规则，对基站B1发送至移动站M1以及移动站M2的信号进行预处理，以获得经预处理后的信号。对于图1所示的网络拓扑结构，预处理即为预编码处理。本领域技术人员理解，本申请文件中提及的预编码特指利用基于长时信道信息所生成的用于在空间上区分多个用户或用于在空间上增强单个用户信号功率的预编码矩阵所作的预编码，不同于针对单个用户的MIMO预编码(例如STBC等)。

对于预编码处理，预定规则包括但不限于基于信道响应的协方差矩阵的预编码规则、基于信号离开角或者到达角的波束成形规则等。其中，基于信道响应的协方差矩阵的预编码规则包括基于奇异值分解、特征值分解等。优选地包括基于信道响应的协方差矩阵的奇异值分解的预编码规则。

对于预编码处理，预处理装置92的功能又可分别由图12所示的两个子装置第二确定装置921和预编码处理装置922来完成。

首先，第二确定装置921基于长时信道信息与预定规则，确定分别发送至移动站M1和M2的两路信号在基站B1的一个或多个发送天线上的预编码系数。

然后，预编码装置922根据步骤S41中确定的预编码系数，对分别发送至移动站M1和M2的两路信号进行预编码处理，即用预编码系数进行加权处理，以获得经预编码处理后的信号。

在预处理装置92获得经预处理后的信号后，发送装置93在与基站B2约定的时频资源上将经预编码处理后的信号发送至移动站M1和移动站M2。

以上对位于基站B1的协同发送装置90与基站B2在相同的时频资源上发送信号至移动站M1和M2的过程进行了详细描述。

为了更好地理解本发明中的协同发送装置90的工作过程，以下以图1中基站B1和基站B2以协同MIMO工作的方式服务于移动站M1和移动站M2、并基于协方差矩阵的奇异值分解规则来对位于基站B1和基站B2中的协同发送装置90确定预编码系数的情形进行详细说明。

不失一般性地，设图1中所示的各个基站、移动站的参数如下：

-基站B1、B2分别具有4根发送天线，每个基站发送两路数据流至移动站M1和M2；

-移动站M1、M2分别具有2根接收天线。

以下对下文即将提及的各个符号的含义进行说明：

s_mn(t)：从第n个基站发送至第m个移动站的数据符号；其中，第1个基站即基站B1，第2个基站即基站B2，第1个移动站即移动站M1，第2个移动站即移动站M2。

x_m(t)：第m个基站

H_mn：从第n个基站至第m个移动站的信道响应矩阵；

W_mn：第n个基站发送至第m个移动站的符号在第n个基站的各个天线上的预编码系数向量；

y_m(t)：第m个移动站中接收到的符号向量；

n_m：第m个移动站中接收到的加性高斯白噪声向量。

图7中示出了此时图1中的信号处理示意图，以上下行无线通信链路对称的时分复用系统为例，基站B1和基站B2中的信道响应获取装置911分别通过上行的探测信号获得信道响应的多个估计值；当然也可由移动站M1和移动站M2通过其中的信道估计模块来测量它们分别与基站B1和基站B2之间的信道响应的估计值，并通过上行反馈信道反馈给基站B1和基站B2中的信道响应获取装置911。

以下对图1所示的系统的工作过程进行详细说明。其中，基站B1负责协同MIMO的调度工作。整个系统的工作过程可以分为以下几个大的步骤：

步骤一：用户分组

基站B1根据其所服务的多个移动站的上行信号的强弱以及受到的小区间干扰的大小，来将其所服务的多个移动站分为两个组。第一组中的移动站，受到的小区间干扰较小，位于小区的中心，因此仅需基站B1与它们通信，可以单用户MIMO或多用户MIMO的方式。第二组中的用户收到的小区间干扰较大，位于小区的边缘，基站B1需要通过协同的MIMO方式与它们通信，以避免或减轻小区间干扰。具体地，基站可根据移动站中的信噪比大小，或者信号强弱是否低于一个预定的阈值来判断移动站受到的小区间干扰的大小。预定阈值的选取可根据移动站中误码率的大小来设定。与此类似，基站B2中也将其服务的多个移动站分成上述两组。

步骤二：基站间协同MIMO模式的信令交互

以移动站M1和移动站M2位于基站B1和基站B2的覆盖范围的交界处附近为例，基站B1会发送请求消息至基站B2请求基站B2与之一起以协同MIMO的方式在相同的时频资源上服务于移动站M1和移动站M2。关于调度的详细情形可参考CN200710045052.0。基站B2接受基站B1的请求后，发送确认响应消息至基站B1。基站B1在接受到基站B2的确认消息后，基站B1启动其至移动站M1和移动站M2的长时信道信息的估计过程。同样基站B2也启动其至移动站M1和移动站M2的长时信道信息的估计过程。

步骤三：上行探测信号传输

以基站B1根据来自移动站M1和M2的上行探测信号估计信道响应为例，基站B1发送请求移动站M1发送上行探测信号的请求消息指移动站M1。移动站M1在接收到该请求消息后，周期性地发送上行探测信号sounding_signall1至基站B1。同样，移动站M2周期性地发送上行探测信号sounding_signal12至基站B1。同样，对于基站B2，移动站M1周期性地发送上行探测信号sounding_signal21至基站B2。同样，移动站M2周期性地发送上行探测信号sounding_signal22至基站B2。优选地，从移动站M1和移动站M2发送至基站B1的上行探测信号在时域或者在频域正交，以避免探测信号的相互干扰。同样，从移动站M1和移动站M2发送至基站B2的上行探测信号在时域或者在频域正交，以避免探测信号的相互干扰。

步骤四：信道响应矩阵的协方差矩阵的估计

a)基于接收装置9111接收到的上行探测信号sounding_signal11，基站B1中的计算装置9112计算基站B1与移动站M1之间的下行无线通信链路的信道响应矩阵的多个估计值

其中，K表示上行探测信号中的训练符号的个数，从统计学的观点来看，也即信道响应矩阵的样本个数。由于基站B1具有4根发送天线，移动站M1具有2根接收天线，因此矩阵

为2行4列的矩阵。类似地，计算装置9112基于接收装置9111接收到的上行探测信号sounding_signal21估计其与移动站M2之间的下行无线通信链路的信道响应矩阵的多个估计值

b)同样，基于接收装置9111接收到的上行探测信号sounding_signal12和sounding_signal22，基站B2中的计算装置9112分别计算基站B2与移动站M1和M2的下行无线通信链路的信道响应矩阵的多个估计值

c)基站B1中的第一确定装置912根据基站B1至移动站M1的信道响应的多个估计值，来确定信道响应的协方差矩阵

同样，第一确定装置912根据基站B1至移动站M2的信道响应的多个估计值，来确定信道响应的协方差矩阵

d)基站B2中的第一确定装置912根据基站B2至移动站M1的信道响应的多个估计值，来确定信道响应的协方差矩阵同样，第一确定装置912根据基站B2至移动站M2的信道响应的多个估计值，来确定信道响应的协方差矩阵

步骤5：预编码系数向量的计算

基站B1中的第二确定装置921对协方差矩阵R₁₁进行矩阵奇异值分解(SVD，Singular Value Decomposition)运算：R₁₁＝U∑V^H。其中，∑为一个4×4的对角矩阵，第二确定装置921根据最大化信噪比或者信号干扰噪声比的原则，确定矩阵∑对角元素中最大的元素所在的列标号对应的矩阵V的列向量即为预编码系数向量W₁₁。W₁₁为1×4列的向量，其含义为基站B1发送至移动站M1的符号s₁₁(t)在基站B1的4根发送天线上的预编码系数。同样，第二确定装置921对协方差矩阵R₂₁进行矩阵奇异值分解，得到基站B1发送至移动站M2的符号s₂₁(t)在基站B1的4根发送天线上的预编码系数W₂₁。

同样，基站B2中的第二确定装置921对协方差矩阵R12和R22进行矩阵奇异值分解得到基站B2发送至移动站M1和的符号s₁₂(t)在基站B2的4根发送天线上的预编码系数W₁₂，以及基站B2发送至移动站M2的符号s₂₂(t)在基站B2的4根发送天线上的预编码系数W₂₂。

经过上述5个步骤，基站B1中的预编码处理装置922根据获得的预编码系数对待发送至移动站M1和M2的符号s₁₁(t)和s₂₁(t)进行预编码，得到各个天线上发送的信号的向量

其中，x₁(t)为1×4的向量，每个分量对应于每个天线上的发送信号。同样，基站B2对根据其获得的预编码系数对待发送至移动站M1和M2的符号s₁₂(t)和s₂₂(t)进行预编码得到各个天线上发送的信号的向量

其中，x₂(t)为1×4的向量，每个分量对应于每个天线上的发送信号。理想地，基站B1和基站B2所形成的波束是正交的，即移动站M1不会接收到发送给移动站M2的数据流，移动站M2也不会接收到发送给移动站M1的数据流。

移动站M1接收到的信号y₁(t)可以写作

类似地，通过基于多用户检测器的最大似然原则或者最小均方差原则，很容易从该式中解调得到发送符号s₁₁(t)和s₁₂(t)。

同样，移动站M2接收到的信号y₂(t)可以写作

通过基于多用户检测器的最大似然原则或者最小均方差原则，很容易从该式中解调得到发送符号s₂₁(t)和s₂₂(t)。关于根据最大似然原则解调的详细内容，可参阅参考文献1以及参考文献2。关于根据最小均方误差原则解调的详细内容，可参阅参考文献3。

以上对协同发送装置90以长时信道信息为信道响应矩阵的协方差矩阵，基于协方差矩阵的奇异值分解来确定预编码系数为例对基站B1和基站B2在相同的时频资源上向移动站M1和移动站M2发送信号的过程进行了详细说明。

下面以长时信道信息为信号离开角或者到达角为例，基站B 1和基站B2中的协同发送装置90根据信号离开角或者到达角并基于波束成形规则对待发送信号进行预编码的过程进行说明。

如图8所示，信号到达角(或者也称之为波达方向，Direction ofarrival)是指无线电波到达天线阵列的方向，若到达的无线电波满足远场窄带条件，可以近似认为无线电波的波前为一平面(通常，位于小区边缘的移动站与基站之间的通信满足该条件)，平面波前的阵列轴线与天线阵列法线间的夹角即为波达方向。对于基站B1而言，信号到达角是指与之通信的移动站M1的信号的到达方向，信号离开角是指基站B1发送给移动站M1的信号的发射方向。对于移动站M1而言，基站B1中的信号到达角和信号离开角是相同。关于信号到达角或者信号离开角的如何估计现有技术中已有很多文献对此进行了说明，本发明对此不再赘述，详细可参阅参考文献4。

以基站B1的4个天线之间的间距相同，均为d₁为例，设移动站M1的信号到达基站B1的方向角为θ₁₁，则基站B1中的第二确定装置921可确定预编码系数向量

设移动站M2的信号到达基站B1的方向角为θ₂₁，则第二确定装置921可确定预编码系数向量

如上所述，基站B1中的预编码处理装置922根据获得的预编码系数对待发送至移动站M1和M2的符号s₁₁(t)和s₂₁(t)进行预编码得到各个天线上发送的信号的向量

同样，以基站B2的4个天线之间的间距相同，均为d₂为例，设移动站M1的信号到达基站B2的方向角为θ₁₂，则基站B21中的第二确定装置921可确定预编码系数向量

设移动站M2的信号到达基站B1的方向角为θ₂₂，则第二确定装置921可确定预编码系数向量如上所述，基站B2中的预编码处理装置922根据获得的预编码系数对待发送至移动站M1和M2的符号s₁₂(t)和s₂₂(t)进行预编码得到各个天线上发送的信号的向量 $x_2\left(t\right)=\left[\begin{array}{cc}{W}_{12}& W_{22}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{s}_{12}\left(t\right)\\ s_{22}\left(t\right)\end{array}\right].$

以上以长时信道信息为信道到达角或离开角为例，对基站B1和基站B2根据信号离开角或者到达角对待发送信号进行预编码的过程进行说明。

本领域的普通技术人员应能理解，本发明中的协同发送装置90的应用不限于图1所示的拓扑结构，也可以应用至两个基站在相同的时频资源上服务于一个或三个甚至更多个移动站的情形，三个甚至更多个基站在相同的时频资源上服务于一个或多个移动站的情形；并且多个基站工作的模式也不限于上文所提及的各种模式。

以两个基站在相同的时频资源上服务于一个移动站为例，这两个基站中的协同发送装置90可以宏分集的方式发送给信号给移动站，基站中的预处理装置92可根据其至移动站之间的下行无线通信链路的长时信道信息确定发送信号的功率。两个基站中的协同发送装置90也可以通过闭环空时编码，优选地，空时分组码的形式，在相同的时频资源上，联合或者各自发送信号至该一个移动站。对于，联合发送的情形，预处理装置92可根据两个基站至移动站的长时信道信息，例如信道响应矩阵的均值矩阵来确定闭环空时编码中各个码元的加权系数。在此，闭环的意思是指发送设备利用长时信道信息对待发送的空时码的码元进行加权处理。关于闭环空时编码的详细情形可参阅参考文献5。本发明在此不再赘述。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (20)

1.一种在无线通信网络的基站中用于与其它一个或多个基站在相同的时频资源上协同发送信号至一个或多个移动站的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.获取本基站至所述一个或多个移动站的下行无线通信链路的长时信道信息；

b.基于所述长时信道信息与预定规则，对本基站发送至所述一个或多个移动站的一路或多路信号进行预编码处理或者闭环空时编码处理，以获得经预处理后的信号；

c.在与所述其它一个或多个基站约定的时频资源上将所述经预处理后的信号发送至所述一个或多个移动站。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a包括以下步骤：

a1.获取本基站至所述一个或多个移动站的信道响应矩阵的多个估计值；

a2.根据所述信道响应矩阵的多个估计值，确定所述长时信道信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤a1还包括以下步骤：

-接收由所述各个移动站分别发送的本基站至各个移动站的各条无线通信链路的信道响应的多个估计值。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤a1还包括以下步骤：

a11.接收来自所述各个移动站分别发送的上行信号；

a12.根据所述上行信号来分别计算本基站至所述各个移动站的信道响应矩阵的多个估计值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述上行信号包括上行探测信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述预处理是预编码处理的情况下，所述步骤b包括以下步骤：

b1.基于所述长时信道信息与预定规则，确定发送至所述一个或多个移动站的一路或多路信号在本基站的一个或多个发送天线上的预编码系数；

b2.根据所述预编码系数，对所述发送至所述一个或多个移动站的一路或多路信号进行预编码处理，以获得所述经预编码处理后的信号；

所述步骤c还包括以下步骤：

-在与所述其它一个或多个基站约定的时频资源上将所述经预编码处理后的信号在一个或多个天线上发送至所述一个或多个移动站。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述长时信道信息包括本基站至所述一个或多个移动站的信道响应矩阵的多个估计值的协方差矩阵，所述预定规则包括基于协方差矩阵的预编码规则。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于协方差矩阵的预编码规则包括基于所述协方差矩阵的奇异值分解的预编码规则。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信道响应矩阵的多个估计值包括在多个时间点和/或多个频率点上所获得的信道响应矩阵的估计值。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述长时信道信息包括基于信号离开角或到达角，所述预定规则包括基于信号离开角或到达角的波束成形规则。

11.一种在无线通信网络的基站中用于与其它一个或多个基站在相同的时频资源上协同发送信号至一个或多个移动站的协同发送装置，其特征在于，包括：

获取装置，用于获取本基站至所述一个或多个移动站的下行无线通信链路的长时信道信息；

预处理装置，用于基于所述长时信道信息与预定规则，对本基站发送至所述一个或多个移动站的一路或多路信号进行预编码处理或者闭环空时编码处理，以获得经预处理后的信号；

发送装置，用于在与所述其它一个或多个基站约定的时频资源上将所述经预处理后的信号发送至所述一个或多个移动站。

12.根据权利要求11所述的协同发送装置，其特征在于，所述获取装置包括：

信道响应获取装置，用于获取本基站至所述一个或多个移动站的信道响应矩阵的多个估计值；

第一确定装置，用于根据所述信道响应矩阵的多个估计值，确定所述长时信道信息。

13.根据权利要求12所述的协同发送装置，其特征在于，所述信道响应获取装置还用于：

-接收由所述各个移动站分别发送的本基站至各个移动站的各条无线通信链路的信道响应的多个估计值。

14.根据权利要求12所述的协同发送装置，其特征在于，所述信道响应获取装置还包括：

接收装置，用于接收来自所述各个移动站分别发送的上行信号；

计算装置，用于根据所述上行信号来分别计算本基站至所述各个移动站的信道响应矩阵的多个估计值。

15.根据权利要求14所述的协同发送装置，其特征在于，所述上行信号包括上行探测信号。

16.根据权利要求11所述的协同发送装置，其特征在于，在所述预处理为预编码处理的情况下，所述预处理装置包括：

第二确定装置，用于基于所述长时信道信息与预定规则，确定发送至所述一个或多个移动站的一路或多路信号在本基站的一个或多个发送天线上的预编码系数；

预编码处理装置，用于根据所述预编码系数，对所述发送至所述一个或多个移动站的一路或多路信号进行预编码处理，以获得所述经预编码处理后的信号；

所述发送装置还用于：

-在与所述其它一个或多个基站约定的时频资源上将所述经预编码处理后的信号在一个或多个天线上发送至所述一个或多个移动站。

17.根据权利要求16所述的协同发送装置，其特征在于，所述长时信道信息包括本基站至所述一个或多个移动站的信道响应矩阵的多个估计值的协方差矩阵，所述预定规则包括基于协方差矩阵的预编码规则。

18.根据权利要求17所述的协同发送装置，其特征在于，所述基于协方差矩阵的预编码规则包括基于所述协方差矩阵的奇异值分解的预编码规则。

19.根据权利要求12所述的协同发送装置，其特征在于，所述信道响应矩阵的多个估计值包括在多个时间点和/或多个频率点上所获得的信道响应矩阵的估计值。

20.根据权利要求11所述的协同发送装置，其特征在于，所述长时信道信息包括基于信号离开角或到达角，所述预定规则包括基于信号离开角或到达角的波束成形规则。

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