CN102843222A - 宽带模拟信道信息反馈方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽带模拟信道信息反馈的方法和装置，所述的方法和装置通过上行信道将下行信道信息从移动用户处反馈至基站，同时只占用很少或根本不需要无线移动网络中无线接入技术的资源；本发明还提出并描述了在基站处消除信道反馈信号的方法和装置，以减小信道反馈信号对上行数据信号的干扰。宽带模拟信道信息反馈可以灵活地适应上行信道中的反馈带宽，并可以实现频率多元化以抗衡反馈信道中的深度衰落，宽带模拟信道信息反馈还可以用于上行信道信息反馈。本发明所提出和描述的方法和装置的应用包括无线移动网络中的多点传播，更一般地，本发明的应用范围包括通讯网络中相互通讯的两通讯设备之间的信道反馈。

Description

宽带模拟信道信息反馈方法
技术领域
本发明涉及电讯系统以及无线通讯系统领域，特别涉及无线移动网络技术领域，具体是指一种宽带模拟信道信息反馈方法。
背景技术
无线移动网络的容量为干扰所限。例如，一个移动用户在靠近它的服务基站时可以接收到高质量的信号，但如果该移动用户离开基站向小区边缘移动，信号质量则随着该移动用户与其服务基站之间距离的增长而迅速下降。在小区边缘，服务基站的信号质量因相邻小区基站信号的干扰而变差。在一个小区内，小区边缘的面积远大于小区中心的面积，因此移动用户经历差的信道的概率要大于经历好的信道的概率。相应地，峰值容量仅能在小区中心达到，而小区的平均容量只是峰值容量的一小部分。
无线移动网络中的一个由相邻小区构成的集合可以被认为是一个多点传播系统。根据高斯传播信道理论，多点传播系统的容量与相应的多输入多输出（MIMO）系统的容量趋于一致。因此，多点传播具有将无线移动网络的容量提升数倍的潜力。多点传播方案最近被第三代无线移动网络长期演进技术的先进版本（long-term evolution of 3rd generation of wirelesscellular network,advanced，LTE-A）所采用，并被称为协作多点传输（CoMP，CoordinatedMulti-Point transmission）。
图1描述了一个示范性的多点传播系统。元素102、104、和106对应于基站1、基站2、以及基站3。元素152、154、和156对应于移动用户1、移动用户2、以及移动用户3。基站1、基站2、以及基站3经主干回路100连接以实现基站间的高速信息交换。在图1中，基站1、基站2、以及基站3构成了一个协作多点发送集即多点传播中的基站集。移动用户1、移动用户2、以及移动用户3构成了一个多点传播系统的接收集即多点传播中的移动用户集。基站1、基站2、以及基站3，和移动用户1、移动用户2、以及移动用户3一起构成了一个多点传播集。在图1中，基站1、基站2、以及基站3发送的是针对移动用户1、移动用户2、以及移动用户3的信号的组合。对于每个基站来说，每个移动用户的组合权重可以是不一样的。借助精准缜密的算法，每个移动用户所收到的信号中的干扰均被抵消或被最小化，而该移动用户本身的信号则得到增强。例如，当来自基站1、基站2、以及基站3的信号抵达移动用户1时，针对移动用户2和移动用户3的信号被抵消或被最小化，而针对移动用户1的信号则被最大化或被增强，从而移动用户1的信号质量得到了显著的提高。同理，移动用户2和移动用户3的信号质量在相应的移动用户处也得到了显著的提高。在各个基站处的信号组合被称为“预编码”。对应于每个移动用户和每个基站的组合权重则构成“预编码矩阵”中的元素。
多点传播的主要困难在于，合作基站需要下行信道（即从基站至移动用户的信道）的完整信息来实现预编码。在频分双工网络中，下行信道信息需要由移动用户经过上行信道反馈至基站。一般说来，完全的信道反馈需要传送大量的数据，而无线信道的迅速变化又需要高的反馈频率。这样的要求导致了极大的反馈开销，甚至会使得上行信道用于传送有用数据的容量所剩无几。在时分双工网络中，理论上讲基站可以通过信道互易原理从上行信道信息导出下行信道信息，因此时分双工网络似乎不需要信道反馈。然而，理想的信道互易只存在于基站天线和移动用户天线之间的无线信道中。一般说来，基站中的发送器和接收器不同于移动用户中的发送器和接收器。因此，下行信道和上行信道之间会存在增益上和相位上的差别，从而破坏了信道的互易性。克服发送接收链之间的差异从而恢复信道的互易性不是一件容易的事情。
如果没有有效的手段为基站提供下行信道信息，多点传播的巨大潜力则无法在无线移动网络中得以充分发挥。因此，实践中对实现下行信道信息反馈的行之有效的方法、系统、以及装置有着非常强烈的需要。同时，这些方法、系统、以及装置不应减弱频分双工网络中的上行信道容量，也不应存在因时分双工网络中的信道非互易性而带来的困难。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中的缺点，提供一种有效且可行、有效减少反馈开销、改进信道反馈的精度和可靠性的宽带模拟信道信息反馈方法。
下面的描述给出了关于本发明的若干方面的概要，以提供对这些方面的基本理解。本概要的目的是简要地介绍关于本发明若干方面的有关概念。这些介绍可以认为是后续详细描述的引子。
在此公开的发明主旨是关于通讯系统中的有效的信道反馈。常见的信道反馈是数字化的，即信道信息利用同一无线接入技术的信道资源以数据的形式进行反馈。无线接入技术的例子包括正交频分复用（OFDM）、时分复用（TDMA）、以及码分复用（CDMA）。如果无线接入技术采用的是正交频分复用，用于传输信道反馈数据的资源便为正交频分复用中的若干子载波。如果无线接入技术采用的是时分复用，用于传输信道反馈数据的资源则为时域上的若干时隙（time slot）或时隙中的一部分。在码分复用中，信道反馈所用的资源为若干码道。现有信道反馈方案的主要缺陷在于，完整及可靠的信道反馈占用了过多的信道资源。这在包括多点传播在内的多输入输出天线（MIMO）应用中更加明显，因为反馈载荷随着天线数目成正比的增长。
本发明的若干方面涉及移动用户向基站所输送的信道反馈信号，该信道反馈信号为一反馈导频序列与下行信道冲激响应的卷积。通过该信号、反馈导频序列、以及上行信道估计，基站可以导出下行信道冲激响应。
本发明还有一些方面涉及多个下行信道。每一下行信道可以独立地选定一随机反馈导频序列。或者，每一下行信道的反馈导频序列可以从一组正交序列中选取。
取决于移动网络中所采用的无线接入技术，本发明的另一些方面给出了相关的方法，这些方法使得信道反馈信号可以成为无线接入技术的一部分，也可以使信道反馈信号独立于无线接入技术。在后一种情形，信道反馈信号叠加于无线接入技术的信号。在任何一种情形，信道反馈只需要极少的无线接入技术资源，或根本不需要无线接入技术资源。因此，绝大部分或全部的无线接入技术资源可以被用来传输有用的用户数据。
本发明的其它一些方面提供了在基站处消除信道反馈信号的方法，从而减少了信道反馈信号给上行信道信号带来的干扰。
本发明还有若干方面涉及在频域对信道反馈信号进行缩放和平移的方法。这些方法使得信道反馈适用于上行信道和下行信道具有不同带宽的情形，以及利用上行信道的部分带宽实现信道反馈的情形。
本发明的另外一些方面提供了在信道反馈中实现频率多元化（frequency diversity）的方法。信道反馈信号通过上行信道到达基站。如果上行信道的某些频率存在深度衰落，在这些频率上则很难恢复下行信道信息。频率多元化显著降低了因上行信道中的深度衰落而产生下行信道信息流失的概率。
综上所述，本发明的若干优点在于提供了有效且可行的信道反馈方法，减少了反馈开销，并改进了信道反馈的精度和可靠性。更多的优点和新颖独到的特征可以通过对下面的详细描述和附图的研究而一目了然。
附图说明
图1描述了一个包含一多点传播系统集的无线移动网络。
图2描述了一个示范性的信道反馈的基本方案。在该方案中，信道经无线移动网络中的移动用户反馈至基站。
图3描述了一个使信道反馈信号成为码分复用信号的一部分的示范系统。
图4描述了一个生成信道反馈信号的示范系统，该信道反馈信号独立于码分复用的上行数据信号。
图5描述了一个示范性的组合方案，该方案对信道反馈信号和正交频分复用网络中的上行数据信号进行合并。
图6描述了一个示范性的块传输结构。
图7描述了一个消除信道反馈信号的示范方案。
图8描述了一个迭代消除信道反馈信号的示范方案。
图9描述了一个示范性下行信道频谱的频率缩放。
图10描述了一个信道反馈信号重置的例子。
图11描述了一个在离散域重置信道反馈信号的示范性步骤。
图12描述了一个因频率平移而产生信道反馈信号的频谱环绕现象的例子。
图13描述了一个用来信道反馈的允许频率区域的例子，以及对反馈信息序列的频谱相应地进行分割的一个示范性步骤。
图14描述了一个下行信道中多点传播频率分配的例子，以及对相应的信道反馈信号进行频率屏蔽的例子。
图15描述了一个在信号带宽内包含深度衰落的无线信道的例子。
图16描述了信道反馈中的平移叠加型频率多元化的一个示范性实现。
图17描述了一个平移叠加型信道反馈信号的频谱。
图18描述了信道反馈中的缩放重复型频率多元化的一个示范性实现。
图19描述了一个示范性的反馈信息序列在缩放重复之前和之后的频谱。
图20描述了信道反馈中的缩放重复型频率多元化的一个示范性实现，该实现采用了一个共用反馈导频序列。
图21描述了一个序列过采样的例子。
图22描述了用于缩放重复型频率多元化的过采样方案的一个示范性实现。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
借助附图，下文更充分地描述了本申请中所公开的发明主旨。附图描述了本发明的一些（但不是全部）方面或具体实现。描述中所引用的数字标记对应于附图中相应的元素。本发明的种种方面可以通过许多不同的方式实现，因此不应被认为受限于本申请中所描述的范例性实现。下文中描述了若干用于解释目的的具体细节，以期达到对发明主旨的详细理解。然而在许多情况下，将发明主旨付诸实践可能并不一定需要这些具体细节。在另外一些场合，为了突出对发明主旨的描述，众所周知的方法、步骤、以及组成部分的细节则不再详述。
本发明采用了各种术语来描述相互通讯的双方，在该相互通讯的双方之间存在着信道反馈。比如无线移动网络中的“基站”与“移动用户”。在更广泛性的描述中，用于相互通讯的双方以及相应的信道的更普适的术语定义如下。对于通讯网络中相互通讯的两个通讯设备来说，其中一个设备的发送信道和接收信道相应地为另一个设备的接收信道和发送信道。当一个设备需要借助另一个设备的反馈而获取其发送信道的信息时，该设备即为“信道获取”设备，而另一个设备则为“信道反馈”设备。信道获取设备的发送信道，即从信道获取设备至信道反馈设备的信道，被称为“正向信道”。信道反馈设备的发送信道，即从信道反馈设备至信道获取设备的信道，则被称为“反向信道”。虽然，两个设备都有可能需要获取它们的发送信道，即每一设备可以同时既为信道获取设备又为信道反馈设备，每一信道可以同时既为一正向信道又为反向信道，在以下的描述中并未考虑每一设备或信道同时承担两个功能的情形，这是因为通过一对信道获取设备和信道反馈设备（即一信道获取设备和一信道反馈设备）以及一对正向信道和反向信道（即一正向信道和一反向信道）足以描述和定义发明主旨的原理和范围。在无线移动网络应用中，如果基站需要借助移动用户的反馈来获取下行信道信息，那么基站便对应于信道获取设备，移动用户对应于信道反馈设备，下行信道对应于正向信道，上行信道对应于反向信道。如果移动用户需要借助基站的反馈来获取上行信道信息，那么移动用户便对应于信道获取设备，基站对应于信道反馈设备，上行信道对应于正向信道，下行信道对应于反向信道。
图2描述了一个示范性的信道反馈的基本方案。在该方案中，信道经无线移动网络中的移动用户反馈至基站。移动用户210包含下行信道估计器212，反馈信号发生器214，以及上行信号发送器216。基站250包含下行信号发送器252，反馈导频相关器254，上行信道估计器256，以及下行信道估计器258。基站250中的下行信号发送器252发送下行信号至移动用户210。移动用户210中的下行信道估计器212通过接收的下行信号估计下行信道。下行信道由其冲激响应hdl(n)所刻划，其中n对于离散信道冲激响应而言取整数值。下行信道估计器212的输出为hdl(n)的估计。为描述简单起见，不计估计噪声，则hdl(n)与其估计相同。反馈信号发生器214对移动用户210的反馈导频序列p(n)和反馈信息序列f(n)进行卷积。在这里，下行信道信息通过反馈信息序列所传递。反馈信息序列的一个选择就是下行信道的冲激响应，即f(n)＝hdl(n)。在这个选择下，反馈信号发生器214的输出c(n)可以写成
c(n)＝f(n)*p(n)＝hdl(n)*p(n)＝(hdl*p)(n)                     （1）
c(n)被称为信道反馈信号。参照码分复用中的术语，反馈导频序列p(n)、反馈信息序列f(n)、以及信道反馈信号c(n)中的每一项被称为一个码片。p(n)的作用类似于码分复用中的扰码，用于区分信道反馈信号c(n)。
上行信号发送器216将信道反馈信号c(n)与承载正常上行数据的上行数据信号u(n)合并，生成合成上行信道信号。需要注意的是，信道反馈信号c(n)的码片率并不一定与上行数据信号u(n)的采样率一致。在这种情形下，上行信号发送器216需要进行采样率转换以使得信道反馈信号和上行数据信号在同样的时间基准上合并。采样率转换的各种算法在数字信号处理中有详尽的阐述，因此在这里不在讨论。然后，上行信号发送器216将合成上行信道信号发送至基站250。在更通用的术语中，图2中的上行数据信号与合成上行信道信号被相应地称为反向信道数据信号与合成反向信道信号。
在基站250处，反馈导频相关器254将接收到的合成上行信道信号与反馈导频序列p(n)进行相关运算，从而生成导频相关输出。导频相关输出的期望值与(hul*hdl)(n)成正比。通过接收到的合成上行信道信号中的正常上行信道信号，上行信道估计器256对上行信道hul(n)进行估计。通过(hul*hdl)(n)和hul(n)的估计，下行信道估计器258对下行信道进行估计。从(hul*hdl)(n)和hul(n)的估计来估计hdl(n)有若干种方法，包括时域上或频域上的迫零法（Zero-Forcing，ZF）和最小均方误差法（Minimum Mean-Square Error，MMSE）。
图2中的信道反馈方案被称为宽带模拟信道反馈。在传统的反馈方案中，移动用户对信道信息进行数据编码，然后将编码后的数据发送至基站。基站对接收到的编码数据进行解码并恢复下行信道信息。与之相比，宽带模拟信道反馈对信道信息进行模拟编码。在这里，信道反馈信号被称之为宽带是因为式（1）表示的反馈波形包含了在整个下行信道带宽上的全部下行信道信息。
需要指出的是，对于某些无线接入技术例如码分复用，下行信道冲激响应hdl(n)可以直接地在时域上估计出来。对于另外一些无线接入技术例如正交频分复用，可能需要先从适当分布的导频子载波来估计频谱Hdl(ω)，然后再导出hdl(n)。
可以看出，在反馈信号发生器214中，反馈导频序列p(n)和反馈信息序列f(n)的卷积运算可以等价地通过相应的频谱P(ω)和F(ω)的乘积来描述。因此，本申请中借助于时域卷积的描述不应理解为本发明只限于在时域上实现。本发明既可以在时域上实现，也可以在频域上实现，或者通过时域与频域的组合实现，而不限于在某一域上的描述。
反馈导频序列可以根据许多准则来构造。一个准则就是反馈导频序列具有良好的自相关特性，即除了在零相关长度处，自相关值的幅度在统计意义上和/或在确定意义上越低越好。伪随机噪声序列常常具有良好的自相关特性，因此可以被用来构造反馈导频序列。伪随机噪声序列可以取实数值，也可以取复数值，也可以是二值的。
在多点传播和MIMO应用中，移动用户需要通过上行信道对多个下行信道进行反馈。每一个信道反馈信号都需要通过不同的反馈导频序列而被正确地区分和辨识。因此，反馈导频序列还需要具有良好的互相关特性，即任意两个反馈导频序列的互相关值的幅度在统计意义上和/或在确定意义上越低越好。当然，如果两个基站-移动用户对的距离足够远，其中一基站-移动用户对给另一基站-移动用户对带来的干扰可以忽略不计，那么这两个基站-移动用户对可以使用相同的反馈导频序列。
反馈导频序列也可以从一组正交序列中选择。正交序列的一个例子是码分复用中的扰码/扩频码序列，每一扰码/扩频码序列代表一条码道。当互相关的累加长度与扩频因子相同时，任意两个扰码/扩频码序列的互相关值永远为零。
需要指出的是，除了下行信道冲激响应hdl(n)，反馈信息序列f(n)还可以有其它选择。作为一个例子，考虑上行信道冲激响应hul(n)为移动用户所知的情形（譬如经基站反馈）。反馈信息序列可以选择为如下形式
f(n)＝(hul-inv*hdl)(n)                                （2）
其中hul-inv(n)为上行信道hul(n)在迫零意义上或在最小均方误差意义上的逆信道。比如，对于迫零逆信道来说，hul(n)与hul-inv(n)的串联即为脉冲信道：
δ(n)＝(hul*hul-inv)(n)                               （3）
对于由式（2）和（3）定义的反馈信息序列f(n)，基站所接收到的信道反馈信号为
(hul*f*p)(n)＝(hul*hul-inv*hdl*p)(n)＝(hdl*p)(n)      （4）
因此，基站可以通过简单的信道估计方法得到下行信道冲激响应hdl(n)，而不必通过(hul*hdl)(n)和hul(n)的估计来恢复hdl(n)。
基于本发明的若干方面，信道反馈信号hdl(n)可以作为无线移动网络中的接入技术的一部分，也可以独立于无线移动网络中的接入技术。对于码分复用网络，信道反馈信号可以是码分复用信号的一个组成部分。图3描述了一个使信道反馈信号成为码分复用信号的一部分的示范系统。在图3中，扰码/扩频码序列被分成两组。一组中的扰码/扩频码序列作为反馈导频序列使用，每一信道反馈信号对应于一个扰码/扩频码序列。另一组中的扰码/扩频码序列用来对控制数据和用户数据进行扩频，以生成上行数据信号。
图3中的反馈信号发生器214将每一用于信道反馈的扰码/扩频码序列和相应的反馈信息序列进行卷积。扩频器312通过相应的扰码/扩频码序列对用户数据进行扩频。信号合并器314将反馈信号发生器214的输出和扩频器312的输出进行合成。信号合并器314的输出，即合成上行信道信号，为其输入的加权和。加权系数可以根据每一信道反馈信号和上行数据信号的每一码道的功率分配而事先确定。需要注意的是，即使信道反馈信号和上行数据信号使用同一组扰码/扩频码序列，如果下行信道存在多径现象，这两个信号的正交性也不能得到保证。因此，上行数据信号可能会受到来自信道反馈信号的额外干扰。然而，如下文的后续部分所述，信道反馈信号所造成的干扰可以被有效地消除。
码分复用网络中的信道反馈信号也可以独立于上行数据信号。图4描述了一个生成信道反馈信号的示范系统，该信道反馈信号独立于码分复用的上行信道信号。在图4中，所有的码道，即所有的扰码/扩频码序列，都用来传送用户数据。用于生成信道反馈信号的反馈导频序列和用于用户数据的扰码/扩频码序列属于不同的正交序列组。需要注意的是，如果图4中的信道反馈信号与上行数据信号具有不同的码片率，信号合并器314需要首先进行采样率转换，以使信道反馈信号与上行数据信号可以在同一时间基准上合并。图4中的示范性系统的其余部分与图3中相应部分的运作相同。
如果无线接入技术不是码分复用，信道反馈信号一般来说可以独立于无线接入技术，即信道反馈信号不属于无线接入技术信号的一部分。图5描述了一个示范性的组合方案，该方案对信道反馈信号和正交频分复用网络中的上行数据信号进行合并。由图5可以看出，信道反馈信号的频谱和正交频分复用中的上行数据信号可以截然不同。
从上面的描述中，可以看出宽带模拟信道反馈的一个优点：它占用极少或根本不占用无线接入技术的资源。无线接入技术的资源在这里指的是分配给用户或数据流的基本单位。例如，码分复用网络的资源是对应于扰码/扩频码序列的码道，而正交频分复用网络的资源为子载波。在码分复用网络中，如果反馈导频序列来自扰码/扩频码序列，在数百个扰码/扩频码序列中，即使包括MIMO的应用，反馈导频序列只需有几个或十几个。如果信道反馈信号独立于无线接入技术，无线接入技术的资源则不受任何影响，如图5所示的正交频分复用网络。因此，虽然信道反馈还存在发送功率开销，资源开销则很小或为零。这与传统的信道反馈方案形成显著的对比。在传统的信道反馈方案中，信道反馈需要占用相当一部分甚至近乎全部的无线接入技术的资源。
信道反馈信号既可以同步于，也可以异步于无线接入技术的时序结构。例如，一些无线接入技术，如正交频分复用，采用的是时域上的块传输结构，传输块之间由保护间隔分开。图6描述了一个示范性的块传输结构。信号被以块为单位分割和传输。传输块之间的保护间隔可以是循环前缀或者是补零，以利于在多径信道下的信号接收和信道估计。信道反馈信号可以采用相同的时域上的块传输结构，并在传输块之间嵌入循环前缀保护间隔或补零保护间隔。另一种选择是连续的、没有块结构的信道反馈信号。信道反馈信号也可以采用自己的块结构，该块结构不同于和/或异步于无线接入技术信号的块结构。
基于本发明的其它一些方面，信道反馈信号可以在接收端被消去，从而使它对上行数据信号的干扰被减小或被最小化。图7描述了一个消除信道反馈信号的示范方案。基站所收到的信号包含信道反馈信号和上行数据信号。为描述简单起见，假设单一信道反馈信号，并假设反馈信息序列采用下行信道冲激响应hdl(n)来生成信道反馈信号。需要指出的是，下述消除信道反馈信号的原理同样适用于多个信道反馈信号的情形，也适用于反馈信息序列的其它的适当选择。
在图7中，反馈导频相关器254对接收信号与反馈导频序列p(n)实行相关运算。如前所述，反馈导频相关器254的输出正比于(hul*hdl)(n)。反馈信号重构装置702重构出接收到的信道反馈信号cr(n)：
cr(n)＝(hul*hdl*p)(n)                          （5）
反馈信号相消装置704从接收信号中减去式（5）中重构的信道反馈信号。上行信道估计器258从接收信号中估计上行信道。由于大部分的信道反馈信号已经在反馈信号相消装置704的输出端被消除，上行信道估计器258也可以通过反馈信号相消装置704的输出来估计上行信道。借助于上行信道估计器258给出的上行信道估计，上行信道解码器706可以从接收信号中恢复出上行信道中的控制和用户数据，这相应于没有消除信道反馈信号的情形。上行信道解码器706也可以由反馈信号相消装置704的输出来恢复上行信道中的控制和用户数据。
图7中的信道反馈信号消除方案可以用来作为迭代消除方案的基础。图8描述了一个迭代消除信道反馈信号的示范方案。在图8中，上行数据重构装置802从上行信道解码器706的输出来重构上行数据信号。上行数据相消装置804从接收信号中减去重构出的上行数据信号。然后，反馈导频相关器254对反馈导频序列p(n)和上行数据相消装置804的输出作相关运算。如果上行数据相消装置804成功地将上行数据信号从接收信号中消除，反馈导频相关器254的输出噪声则更小，反馈信号重构装置702所重构出的反馈信号会更加准确，进而改进上行信道解码器706的性能。反馈导频相关器254还可以和上行数据相消机制一起用来估计下行信道。上述迭代过程可以根据需要而重复若干遍。
需要指出的是，为简单起见，上述信道反馈信号消除方案通过单一移动用户进行描述。然而上述方案同样适用于多个移动用户的情形，这些移动用户发送相应的信道反馈信号至相应的基站。基站在接收包含来自多个移动用户的信道反馈信号的上行信道信号时，可以首先采用信道反馈信号消除方案来消除来自多个移动用户的信道反馈信号，然后再对上行数据信号进行解码。
基于本发明的一些进一步的方面，信道反馈信号可以在频域上被缩放、平移、分离、以及屏蔽。需要注意的是，由于需要反馈的、如式（1）所示的信道信息取自离散域，上述信道反馈方案并不要求下行信道和上行信道的带宽一致。下面给出一个例子。假设反馈信息序列为hdl(n)。hd1(n)与下行信道带宽Wdl和上行信道带宽Wul均有联系。如果hdl(n)从下行信道而估计出，那么它相应的码率大致为Wdl。（需要指出的是，一般说来，码率应为αWdl。只有当信号频段的过渡带和保护带被忽略不计时，才有α＝1。下文中为描述简单起见，对下行信道和上行信道均采用α＝1，然而本发明主旨的范围并不局限于α＝1。）当hdl(n)被发送至基站时，相应的码率为Wul。由于下行信道信息完全被hdl(n)所表达，信号带宽以及码率的变化不会改变下行信道信息。在频域上，带宽的变化对应于频谱的频率缩放。图9描述了一个示范性下行信道频谱的频率缩放。
在一些应用中，可能会需要只利用上行链带宽的一部分进行信道反馈。比如，一正交频分复用系统可能会分配一些子载波传输关键的信息。这些子载波上的干扰需要降至最低，因此，信道反馈信号最好避开这些子载波。这需要重新安置信道反馈信号，而且信道反馈信号的带宽要小于上行链的带宽。信道反馈信号的重置可以在离散域上进行。图10描述了一个信道反馈信号重置的例子。在图10中，信道反馈信号可以占用全部的上行链带宽Wul，其频谱如虚线所示。信道反馈信号也可以只具有带宽Wfb<Wul，带宽中心位于fc。
图11描述了一个在离散域重置信道反馈信号的示范性步骤。在图11中，频率缩放装置1102对下行信道冲激响应hdl(n)进行频率缩放。频率缩放将hdl(n)的带宽从Wul变至Wfb。值得注意的是，在这里涉及的只是上行信道，下行信道带宽Wdl则无关紧要。频率缩放装置1102的输出hdl-fs(n)为经过采样率转换后的hdl(n)。换句话说，如果连续的下行信道冲激响应为hdl，cont(t)，并且hdl(n)为采样间隔为T的hdl，cont(t)的离散化形式：
hdl(n)＝hdl，cont(nT)                           （6）
那么hdl-fs(n)则以采样间隔TWfb/Wul对hdl，cont(t)采样：
hdl-fs(n)＝hdl，cont(nTWfb/Wul)                 （7）
如果T满足采样定理，hdl(n)包含了hdl，cont(t)的全部信息。因此没有必要以采样间隔TWfb/Wul对hdl，cont(t)重新采样。频率缩放装置1102只须通过采样率转换算法而从hdl(n)得到hdl-fs(n)。
由上所述可以看出，如果上行信道带宽不同于下行信道带宽，频率缩放则自动被引入信道反馈信号。如果在上行信道带宽内对信道反馈信号实施频率缩放，则需要采样率转换等进一步的运算。
图11中的频率平移装置1104将hdl-fs(n)与exp(2πnfc/Wul)相乘，从而使hdl，cont(t)的中心频率移至fc。反馈信号发生器214将反馈导频序列p(n)与频率平移装置1104的输出hdl-fs(n)exp(2πnfc/Wul)进行卷积。
需要注意的是，图11中采用了下行信道冲激响应hdl(n)来生成反馈信息序列。然而上述信道反馈信号重置的示范步骤的原理同样适用于反馈信息序列的其它选择。
不难看出，对于中心频率fc的一些取值，所产生的信道反馈信号的频谱会出现环绕现象。图12描述了一个因频率平移而产生信道反馈信号的频谱环绕现象的例子，其中fc＝Wul/2。从图12可以看出，在带宽Wul内发生的频谱环绕是由于频率平移使得部分频谱由频段的一端移出，再由频段的另一端进入。
如果用于信道反馈的频率区域是不联通的，下行信道的频谱，或更一般地讲，反馈信息序列的频谱，需要在频域上相应地被分割成若干部分。图13描述了一个用于信道反馈的允许频率区域（下面简称允许频率区域）的例子，以及对反馈信息序列的频谱相应地进行分割的一个示范性步骤，使得频谱分割后的信道反馈信号落入允许频率区域。图13（a）示出了一允许频率区域的例子，该区域由两个不相交的频段组成。频率分割的示范性步骤见图13（b）至（g）。在图13（b）中，反馈信息序列的频谱经频率缩放而具有所需要的带宽。图13（c）示出了通过滤波而得到的反馈信息序列频谱的左边部分。在图13（d）中，反馈信息序列频谱的左边部分经频率平移而落入允许频率区域的一个频段。图13（e）示出了通过滤波而得到的反馈信息序列频谱的右边部分。在图13（f）中，反馈信息序列频谱的右边部分经频率平移而落入允许频率区域的另外一个频段。图13（g）反馈信息序列频谱经平移后的左边部分和右边部分被合成在一起，合成后的频谱即为允许频率区域上的反馈信息序列频谱。
值得指出的是，图13（b）至（g）中示范步骤的次序可以是不同的。例如，滤波可以在频率缩放之前进行。另外，按照上述步骤所体现的方式，反馈信息序列也可以被置入具有更多不相交频段的允许频率区域。
在一些应用中，多点传播只占用下行信道的一部分。例如，在正交频分复用网络中，子载波的一个子集可以指定给一个多点传播过程。在这种情况下，基站只需要关于多点传播所使用的子载波的下行信道信息，移动用户没有必要发送整个带宽上全体子载波的下行信道信息。如果信道反馈信号只包含关于多点传播子载波的下行信道信息，而屏蔽非多点传播子载波的下行信道信息，信道反馈信号对上行数据信道的干扰就会减少，移动用户的发送功率也相应地减小。
图14描述了一个下行信道中多点传播频率分配的例子，以及对相应的信道反馈信号进行频率屏蔽的例子。图14（a）示出了下行信道带宽内的多点传播区域。图14（b）示出了经频率屏蔽后的信道反馈信号的频谱。实现频率屏蔽的一种方式是对屏蔽前的信道反馈信号滤波，从而过滤掉非多点传播区域上的信号分量。值得提出的是，前面提到的频域上各种处理方法，包括频率缩放、平移、以及分割，还可以与频率屏蔽一起对信道反馈信号进行处理，使之处于允许频率区域之内。
基于本发明一些更多的方面，下行信道反馈可以采用频率多元化来补偿上行信道中的深度衰落和提高反馈质量。上行信道中的深度衰落给信道反馈质量带来的不利影响可以描述如下。假设下行信道冲激响应hdl(n)被用作反馈信息序列来产生信道反馈信号。基站可以从信道反馈信号中检测出(hul*hdl)(n),以及从上行数据信号中检测出hul(n)。因此hdl(n)需要通过(hul*hdl)(n)和hul(n)而导出，这相当与从Hul(ω)Hdl(ω)和Hul(ω)中导出Hdl(ω)。可以清楚地看出，Hul(ω)直接影响Hdl(ω)的检测质量：如果在某些频率上Hul(ω)的幅值很小，Hul(ω)Hdl(ω)的幅值相对估计噪声而言也会很小，从而Hdl(ω)在这些频率上的检测质量会很差。
宽带无线信道常常在随机的频率上呈现深度衰落。图15描述了一个在信号带宽内包含深度衰落的无线信道的例子。频率多元化可以通过同时发送信道反馈信号的若干不同版本来实现。实现频率多元化的一个示范性方案示于图16，该方案称为平移叠加型频率多元化。在图16中，反馈信息序列经M个频率值f1，…，fM而生成M个频率平移后的版本。在图16中还有M个反馈导频序列p1(n)，…，pM(n)。反馈信号发生器214将反馈导频序列pm(n)与经频率fm所平移的反馈信息序列实行卷积，其中m＝1，…，M。多元化合并器1602将全部M个反馈信号发生器214的输出合并，形成平移叠加型信道反馈信号。如果所有M个反馈导频序列是统计独立的，并且f(n)＝hdl(n)，那么基站可以检测出M个频谱：Hul(ω)Hdl(ω-2πf1)，…，Hul(ω)Hdl(ω-2πfM)，这M个频谱可以等价地写成Hul(ω+2πf1)Hdl(ω)，…，Hul(ω+2πfM)Hdl(ω)。因此，在一个频率上的下行信道信息由M个上行信道在M个不同频率上的值与下行信道信息本身的乘积所表达。由于深度衰落所处的频率是随机的，上面M个乘积中的M个上行信道值都具有很小幅值的概率非常小。因此，Hdl(ω)可以有良好的检测精度。
图17描述了一个平移叠加型信道反馈信号的频谱，其中M＝2，f1＝0，f2＝Wul/2。
实现频率多元化的另一种方案称为缩放重复型频率多元化。图18描述了信道反馈中的缩放重复型频率多元化的一个示范性实现。缩放与重复装置1802以带宽为W的反馈信息序列f(n)作为输入，生成M个经过频率缩放的反馈信息序列的版本，并将该M个反馈信息序列通过频率平移，重新安置在原始反馈信息序列的带宽内。反馈信号发生器214将反馈导频序列pm(n)和第m个频率缩放后的反馈信息序列进行卷积，其中m＝1，…，M。多元化合并器1602将全部M个反馈信号发生器214的输出合并，形成缩放重复型信道反馈信号。缩放重复操作的作用可以从图19看出。图19描述了一个示范性反馈信息序列在缩放重复之前和之后的频谱。图19（a）示出了该示范性反馈信息序列在缩放复制之前的频谱。图19（b）示出了该示范性反馈信息序列在缩放复制之后的频谱。从图19可以看出，通过将反馈信息序列频谱的每一个值重复M遍并将该M个重复值分布于M个不同频率处，频率多元化得以实现。
值得指出的是，由于M个缩放重复后的反馈信息序列的频谱没有重叠，没有必要通过M个不同的反馈导频序列来区分缩放重复后的反馈信息序列。换句话说，在缩放重复方案中可以使用一共同的反馈导频序列。如果反馈导频序列是共同的，多元化合并可以在生成信道反馈信号之前进行。这种实现方式的一个例子示于图20。
如果所有M个反馈信息序列的缩放因子都相同，并且M个经缩放重复的反馈信息序列频谱均匀地占据了原始反馈信息序列的带宽，缩放重复型频率多元化可以通过一个简单的过采样方案来实现。假设一个序列的带宽为W，在这个序列每两项之间加入M-1个零而产生一过采样序列。该过采样序列的频谱为M个原始序列的频谱的拷贝组成。这些M个拷贝互不重叠，但在频域上被收缩成原始序列频谱的1/M，其中一个收缩后的频谱的中心频率为零。图21描述了一个序列过采样的例子，其中M＝2。图21（a）示出了原始序列及其频谱。图21（b）示出了2倍过采样的序列及其频谱。由图21可以看出，对反馈信息序列进行过采样生成了所需要的缩放重复频率多元化的频谱。图22描述了用于缩放重复型频率多元化的过采样方案的一个示范性实现。在图22中，反馈导频序列p(n)通过抽样被分成M个子序列：
pm(n)＝p(nM+m-1)，m＝1，…，M                                    （8）
反馈信号发生器214将反馈信息序列f(n)与p(n)的每一个子序列进行卷积。反馈信号发生器214的M个输出被依次地选择作为缩放重复信道反馈信号的输出。当时间为nM+m-1时，缩放重复信道反馈信号为(f*pm)(n)。如果有必要的话，缩放重复信道反馈信号也可以被频率平移。比如，如果希望信道反馈信号对上行数据的干扰在中心频率处最小，可以通过频率平移使缩放重复信道反馈信号的频谱零点与中心频率重合。
结论，派生结果与范围
通过上面对本发明的详细描述可以看出，宽带模拟信道反馈提供了一种有效可行的信道反馈方法。该方法需要极少或根本不需要无线接入技术的资源，因此与传统的信道反馈方法形成了显著的对比。传统的信道反馈方法需要占用相当一部分甚至近乎全部的无线接入技术的资源，从而相当程度上地缩小了网络容量。
在宽带模拟信道反馈中，信道反馈信号可以在基站处被消除，使其对上行数据信号的干扰减至最小，使网络容量进一步地提高。
宽带模拟信道反馈具有适应信道带宽的灵活性。即使上行信道具有与下行信道不同的带宽，下行信道信息仍可以经上行信道反馈至基站。宽带模拟信道反馈的灵活性还在于信道反馈可以只包括下行信道的一部分，从而进一步减小了信道反馈产生的干扰。
宽带模拟信道反馈还提供了使信道反馈信号频率多元化的方法，使得信道反馈在深度衰落-在无线网络中占支配地位的信号削弱因素-的影响下更加可靠。
需要指出的是，虽然许多具体细节为经上行信道的下行信道反馈的例子所描述，权利要求中的发明主旨同样适用于经下行信道的上行信道反馈。另外，本发明既适用于频分双工系统，也适用于时分双工系统。还需要强调的是，权利要求中的发明主旨的适用范围并不局限于无线移动网络，它的适用范围包括下面具有更广泛性的定义的信道反馈：在一含有信道获取设备和信道反馈设备的通讯网络中，信道反馈为信道反馈设备经反向信道将正向信道信息发送至信道获取设备。
许多具体的例子被用来描述本发明中的方法、装置、方案、以及操作。需要强调和理解的是，某个具体例子被选择在时域上或频域上描述只是用于说明的目的，而不代表在实现上的偏好。
上文对本发明的各个方面和/或体现给出了解说性的描述。需要强调的是，对于熟悉相关背景的专业人士来说，本发明中的权利要求定义了本发明的各个方面和/或体现的范围。在不偏离该范围的条件下，存在着许许多多的可能的变动和修改。另外，除特别说明外，本发明的任一方面和/或体现的全部或一部分可以与本发明的其它任一方面和/或体现的全部或一部分进行组合。因此，所有这样的修改、变动、以及组合，只要它们落入所公开的发明主旨的精神实质和范围，均为本发明中的权利要求所包括。

Claims (30)

1.一种在通讯网络中的信道信息反馈方法，该通讯网络具有至少一个信道获取设备和至少一个信道反馈设备，其特征在于，该方法包括：
（a）从所述的信道获取设备经一正向信道发送一正向信道信号，
（b）在所述的信道反馈设备端，从所述的正向信道信号生成一第一正向信道估计，
（c）在所述的信道反馈设备端，生成一反馈信息序列，该反馈信息序列为所述的第一正向信道估计的函数，
（d）在所述的信道反馈设备端，通过所述的反馈信息序列与一反馈导频序列的卷积，生成一信道反馈信号，
（e）在所述的信道反馈设备端，将所述的信道反馈信号与一反向信道数据信号合并，生成一合成反向信道信号，
（f）通过一反向信道发送所述的合成反向信道信号至所述的信道获取设备，
（g）在所述的信道获取设备端，将接收到的所述的合成反向信道信号与所述的反馈导频序列进行相关运算，生成一导频相关输出，
（h）在所述的信道获取设备端，从接收到的所述的合成反向信道信号生成一反向信道估计，以及
（i）在所述的信道获取设备端，从所述的导频相关输出和所述的反向信道估计生成一第二正向信道估计，
据此，所述的信道获取设备通过生成所述的第二正向信道估计而获取所述的正向信道。
2.根据权利要求1所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，在所述的信道获取设备和所述的信道反馈设备之间，存在多条正向信道和/或多条反向信道，所述的信道信息反馈中的信息来自多条正向信道。
3.根据权利要求1所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的反馈导频序列为伪随机噪声序列。
4.根据权利要求1所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的反馈导频序列来自一组正交序列。
5.根据权利要求1所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的反馈信息序列为所述的第一正向信道估计，所述的第一正向信道估计为正向信道冲激响应序列的估计。
6.根据权利要求1所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的通讯网络为采用任一种无线接入技术的无线通讯网络。
7.根据权利要求6所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的无线接入技术为码分复用，所述的反馈导频序列为码分复用中的扰码/扩频码序列。
8.根据权利要求6所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的信道反馈信号被设计成独立于所述的无线接入技术，据此，所述的信道反馈信号不需要占用所述的无线接入技术的资源。
9.根据权利要求6所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的信道反馈信号被设计成同步于所述的无线接入技术的时序结构。
10.根据权利要求9所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的信道反馈信号与所述的无线接入技术采用相同的块传输和保护间隔的时序。
11.根据权利要求6所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的信道反馈信号被设计成异步于所述的无线接入技术的时序结构。
12.根据权利要求6所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的信道获取设备为基站，所述的信道反馈设备为移动用户，所述的正向信道为下行信道，以及所述的反向信道为上行信道。
13.根据权利要求6所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的信道获取设备为移动用户，所述的信道反馈设备为基站，所述的正向信道为上行信道，以及所述的反向信道为下行信道。
14.根据权利要求1所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，迫零法ZF被用来从所述的导频相关输出和反向信道估计中生成所述的第二正向信道估计。
15.根据权利要求1所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，最小均方误差法MMSE被用来从所述的导频相关输出和反向信道估计中生成所述的第二正向信道估计。
16.根据权利要求1所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的信道获取设备将信道反馈信号相消用于反向信道数据解码，进一步包括：
（a）通过所述的导频相关输出和所述的反馈导频序列而生成重构的信道反馈信号，以及
（b）在所述的信道获取设备端，从接收到的所述的合成反向信道信号减去所述的重构的信道反馈信号，从而生成更新的反向信道数据信号，
据此，所述的信道获取设备对所述的更新的反向信道数据信号进行解码。
17.根据权利要求16所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的信道获取设备多次应用所述的信道反馈信号相消以消除多个信道反馈信号。
18.根据权利要求16所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的信道获取设备应用信道反馈信号相消来消除由其它信道反馈设备至其它信道获取设备的信道反馈信号。
19.根据权利要求16所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的信道获取设备以迭代的方式应用信道反馈信号相消，进一步包括：
（a）对所述的反向信道数据解码
（b）生成重构的反向信道数据信号，以及
（c）在所述的信道获取设备端，从接收到的所述的合成反向信道信号减去所述的重构的反向信道数据信号，从而生成更新的信道反馈信号，
据此，所述的信道获取设备通过所述的更新的信道反馈信号来生成所述的重构的信道反馈信号和所述的第二正向信道估计。
20.根据权利要求1所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，合并所述的信道反馈信号与所述的反向信道数据信号进一步包括使用采样率转换以使得所述的信道反馈信号与所述的反向信道数据信号能够在同一时间基准上合并。
21.根据权利要求1所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，如果所述的反向信道的带宽不同于所述的正向信道的带宽，生成所述的信道反馈信号进一步包括对信道反馈信号实施频率缩放，以使其适合于所述的反向信道的带宽。
22.根据权利要求1所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，生成所述的信道反馈信号进一步包括对所述的信道反馈信号进行处理，以使其适配于在所述的反向信道带宽内的信道反馈的允许频率区域。
23.根据权利要求22所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，对所述的信道反馈信号进行处理包括下列操作中的至少一项：
（a）频率缩放，
（b）频率平移，
（c）频率分割，
以及所述的操作的任何组合。
24.根据权利要求1所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，生成所述的信道反馈信号进一步包括对所述的信道反馈信号进行频率屏蔽，以使得在指定的屏蔽频率上，所述的信道反馈信号不被发送至所述的信道获取设备。
25.根据权利要求24所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的通讯网络为无线移动正交频分复用网络，所述的信道获取设备为基站，以及所述的指定的屏蔽频率对应于在多点传播中未被利用的子载波。
26.根据权利要求1所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，生成所述的信道反馈信号进一步包括使所述的信道反馈信号频率多元化。
27.根据权利要求26所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的频率多元化为平移叠加型。
28.根据权利要求26所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的频率多元化为缩放重复型。
29.根据权利要求28所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的缩放重复型频率多元化通过对所述的反馈信息序列进行过采样而实现。
30.根据权利要求28所述的通讯网络中的信道信息反馈方法，其特征在于，所述的缩放重复型频率多元化进一步包括频率平移。
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