CN1385011A - 在一个无线电通信系统中的射线成形 - Google Patents

Abstract

在无线电通信系统中使用智能天线条件下射线成形的方法将空间共变矩阵用正交系数加权。对于一个连接从被加权的共变矩阵中确定射线成形矢量。将对于一个连接的发送信号用射线成形矢量加权,输入给天线单元和从天线单元发射出去。

Description

在一个无线电通信系统中的射线成形

本发明涉及到在具有一个基站的无线电通信系统中的射线成形方法，属于基站的天线装置有很多天线单元，这样当射线成形时的空间分解是可能的。

在无线电通信系统中将消息(语言，图像信息或其他数据)经过传输信道借助于电磁波(无线电接口)进行传输。传输不仅在基站到用户站的下行方向(下行链接)，而且在用户站到基站的上行方向(上行链接)进行。

用电磁波传输的信号在传播介质中的传播遭受通过干涉的干扰。噪声干扰可以通过接收机输入级的噪声产生。由于衍射和反射使得信号成分通过不同的传播路径和在接收机中重叠和在那里导致释放效应。此外当信号源很多时这将导致这些信号的重叠。信号源可以是属于基站的无线电小区内的用户站或基站或其他例如相邻无线电小区的用户站或者基站。

在DE 198 10 285.2A中已知，将已知的方法频分多址(FDMA)，时分多址(TDMA)或码分多址(CDMA)用于区别信号源和因此用于处理信号，将这些方法还可以相互组合。当前存在的GSM-移动无线电系统是具有用户分离(时分多址)的TDMA-成分和FDMA-成分的一个无线电通信系统。将用户连接的有用信息是按照帧结构在时隙上传输的。传输是用块方式进行的。

在DE 197 12 549 A1中已知利用智能天线(智能天线)以便提高上行方向的传输容量。

在A.J.Paulraj，C.B.Papadias，“无绳通信的空间-时间处理”，IEEE信号处理杂志，1997年11月，49-83页中已知上行方向和下行方向的空间信号分离的各种方法。

对于下行方向，即从基站到用户站出现特别的困难，因为在传输信号通过无线电信道影响之前已经开始射线成形。从R.Schmalenberger，J.J.Blanz，“复式通信C/I平衡的两种不同算法的比较”，第二届欧洲私人移动通信会议文集(EPMCC)，波恩，德国，1997年9月，483-490页，中已知下行方向的射线成形算法，其中将基站和用户站之间的直接传播路径(视野内的连接)和射线成形矢量的交互计算作为先决条件。随着传输信道特性的改变必须重复整个复杂的交互计算。

在DE198 03 188 A中已知一种方法，在其中确定从基站到用户站连接的空间共变矩阵。在基站上从连接的共变矩阵中计算射线成形矢量。将连接的发送信号用射线成形矢量进行加权和输入给天线单元用于发射。例如由于使用在终端机上的联合检测不会将小区内的干涉包括在射线成形中和可以忽略由于小区内干涉被接收信号的窜改。

以下任务以本发明为基础，规定有效改善射线成形的改进的数据传输方法。

这些任务是通过按照本发明具有权利要求1特征的方法解决的。本发明的扩展结构是由从属权利要求中获悉。

将按照本发明的数据传输方法使用在具有一个基站和用户站的无线电通信系统中。例如用户站是在移动无线电网络上，或是在固定站上，则是在无绳用户连接所谓的用户入口网络上的移动站。基站有具有很多天线单元的天线装置(智能天线)。天线单元使得经过无线电接口将数据定向接收或者定向发送成为可能。

在第一个步骤中确定其他用户站的干涉信号与由基站到一个用户站的第k个连接信号的正交系数。如果在无线电小区中有多个用户站与基站处于通信关系，则由基站到用户站的第k个连接信号受到其他用户站的信号干扰。被干扰的，在下行方向传输的信号导致第k个连接的小区内的干涉。

除其他之外干扰强度与被用户站接收的有用信号和干扰信号之间的正交关系有关。为了确定干扰强度将每个与第k个连接的信号干涉的基站信号的正交系数确定。

在按照本发明方法的第二个步骤中将第k个连接或者其他的用户站的空间共变矩阵确定。在基站上将第k个连接的或者其他用户站的共变矩阵共同计算，可以最佳控制用户站的射线成形矢量。

在第三个步骤中将其他用户站的空间共变矩阵用正交系数加权。通过加权显著改善射线成形的效率。如果例如一个用户站联系上一个其他连接的信号，这个信号与用户站连接的有用信号是正交的，则正交系数等于或接近于零。例如通过干扰连接共变矩阵的加权将干扰连接的发射射束这样成形，使用户站方向的干扰没有被压缩。如果将自由度节省，因此改善了例如另外用户站的干扰压缩。

如果相反信号不是正交的和正交系数几乎为1时，为了改善干扰压缩通过共变矩阵成功加权将基站其他用户站方向的干扰信号射束定向为一个零位。

在按照本发明方法的第四个步骤中对于连接从共变矩阵中计算出一个射线成形矢量w^(k)。

在本方法的第五个步骤中将连接的发送信号用射线成形矢量加权和输入给天线单元和从天线单元发射出去。

在一个实施结构中借助于储备的扩展编码求出正交系数。以下表示：

α_k：正交系数，

E_m：关于多个符号的期望值，

x_k(n)：在块滤波和与频率范围转换序列(解不规则性)单元方式相乘A/D变换之后被扫描的输入信号，

c(n)：每个符号具有例如256块的储备的扩展编码，

m：符号号码，

k：是第k个连接的用户站，

N：块号码，和

λ：标定化系数。

通过 ${\mathrm{\α}}_k=E_k\{\underset{l=1}{\overset{256}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k(n+256\·m)\·c\left(n\right)\}\·\mathrm{\λ}$

确定正交系数。

在本发明另外的实施结构中借助于多个储备的扩展编码或共同的检测求出正交系数。例如与表示线性关系的实施结构不同的二次方或指数的关系也是可能的。在本发明有益的实施结构中正交系数的数值范围是限制在0和1之间。标定化系数例如是由基站可以配置的，以便得到单个用户站的可比较的数值。在另外的实施结构中正交系数是与其他的特征量有关的，例如小区内的干涉或信号运行时间。

在本发明有益的实施结构中从用正交系数加权的共变矩阵按照 $R_I^{\left(k\right)}=\underset{i=1,i\≠k}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{k,i}\·R_{\mathrm{xx}}^{\left(i\right)}$ 确定得出的干涉信号的共变矩阵(R_I)。在这个实施结构中将加权是通过正交系数线性连接的。有选择的还有另外的，例如二次方的连接是可以想象的，从而可以将按照本发明解决方法最佳化。

有益的是附加至少一个系数用于确定第k个连接的小区之间的干涉和用这个系数将共变矩阵附加加权。此外在按照本发明适当的实施结构中确定小区内干涉与小区之间干涉的比例。当依赖于信号的正交性确定小区内干涉期间，由接收机测量的本底噪声确定小区之间的干涉。因此系数愈大，小区内干涉与小区之间干涉的比例愈大。将小区之间干涉的系数包括在正交系数中。

按照本发明有益的实施结构这样计算射线成形矢量，将关系式 ${\left|\frac{w^{\left(k\right)H}{R}_{\mathrm{xx}}^{\left(k\right)}{w}^{\left(k\right)}}{w^{\left(k\right)H}{R}_I^{\left(k\right)}{w}^{\left(k\right)}}\right|}_{\max }$ 最大化。其中H表示横向结合矢量。R_I表示得出的干涉信号的共变矩阵。按照R_xx ^(k)w^(k)＝RI^(k)w^(k)λ_max ^(k)将射线成形矢量用最大的本征值确定。通过这种方法将连接k所提供使用的功率与干涉功率之比最大化，其中可以放弃交互作用，因为在一个步骤中用辅助条件R_xx ^(k)w^(k)＝RI^(k)w^(k)λ_max ^(k)计算导致所希望的结果。特别是在具有很多用户事件和显著波动的信道条件下在下行方向比较经济地构成射线成形。

在本发明特别有益的实施结构中由多个天线单元发送有特征的编码。通过有特征的编码在接收方区别单个天线单元的信号。有特征的编码例如是在一个先导信道中的各种练习序列。在用户站处理有特征编码情况下确定共变矩阵。特别是对于下行方向和上行方向具有各种频带的FDD-系统的下行方向的信道评估通过只具有降低精度的基站BS是可能的。相反用本发明的这种结构形式进行下行方向的精确评估和确定用户站的空间共变矩阵。

有益的是将空间共变矩阵和正交系数由用户站传输给基站。有益的是将测量值进行压缩和用相应的信号化和相应的纪录传输给基站BS。其中传输是连续进行的或由基站BS配置的和与用户站MS的速度相匹配的。如果用户站MS相应地慢慢移动时，多个测量值的平均值也是可以想象的。

在本发明的一个实施结构中这样确定上行方向的附加空间共变矩阵，将被评估的信道脉冲响应基础上的确定，也就是附加用于得到空间情况的信道测量进行处理。有益的是从用户站发送的练习序列中确定信道脉冲响应。被发送的一个或多个连接的练习序列在接收基站是已知的，这样就可以求出附加的评估值。

如果在下行方向和上行方向的数据传输是用同样频带进行的，有益的是确定下行方向连接的空间共变矩阵。将TDD(时分多址)中存在的发送频率和接收频率的一致性利用在可靠地确定空间共变矩阵上。

在本发明有益的实施结构中由用户站在搜索接收机键的基础上确定多个共变矩阵。因此例如使搜索接收机的每个键分开的射线成形成为可能，从而使精确的干涉压缩成为可能。这特别是当用户站比较低的速度时是有益的。例如求出测量结果或单个地传输给基站BS。

下面借助于一个实施例在附图基础上详细叙述本发明。

其中表示

附图1移动无线电网络框图，

附图2基站和用户站的框图，

附图3天线装置和基站的框图，

附图4射线成形网络的框图，

附图5将正交系数包括在内的射线成形的例子。

附图1表示的无线电通信系统在其结构上对应于一个已知的GSM移动无线电网络，这是由很多移动交换站MSC组成的，移动交换站是相互联网的或者建立了与固定网络PSTN的入口。此外这些移动交换站MSC是与各自一个分配无线电技术资源的装置RNC相连接的。每个分配无线电技术资源的装置RNC又可能与至少一个基站BS连接。这样的基站BS可以经过无线电接口与用户站MS建立通信关系。

例如在附图1上表示了在用户站MS1，MS2，MSk，MSn与一个基站BS之间用于传输有用信息和信号化信息的连接V1，V2，Vk。在附图1上没有表示的运行-和维护中心实现移动无线电网络或者移动无线电网络部件的检查-和维护功能。这种结构的功能是可以转移到另外的可以使用本发明的无线电通信系统中的，特别是对于具有无绳用户连接的用户入口网络。

附图2表示了由基站BS到用户站MSk、MS1至MSn下行方向在数据传输的频率信道TCH上的无线电传输。用户站MSk、MS1至MSn确定至少一个或多个具有足够大或最大的接收功率的先导信道。一般来说这是用户站MS暂时位于其附近的下一个基站BS的先导信道。因此出现基站BS从属于现实的无线电小区和用户站MSK。

基站BS包括一个发送/接收装置TX/RX，这个将被发送的发送信号进行数字/模拟转换，将基带转换为频率范围和将发送信号调制和放大。信号产生装置SA在这之前例如已经将发送信号组合成无线电数据块和分配给相应的频率信道TCH。如下面在附图3上表示的，用天线装置AE的天线单元A1至Am将有特征的编码CK1至CKm由发送/接收装置TX/RX发送。信号处理装置DSP将经过发送/接收装置TX/RX接收的接收信号进行处理和进行信道评估。

为了信号处理将接收信号转换为具有离散的数值储备的符号，例如数字化。信号处理装置DSP包括一个数字信号处理器用于检测有用信息和信号化信息。将部件的合作通过控制装置SE进行控制。借助于所属的天线装置AE将为了空间用户分离所需要的数据存储在存储装置SP中。

用户站MSK包括相应匹配的对于基站BS叙述过的部件和附加一个处理装置AU和一个操作区T。在操作区T用户可以进行输入，以及将输入用于激活用户站MS或用于与基站BS建立一个连接Vk。处理装置AU将下行方向发送的和由用户站MSK接收的信号进行处理。除了接收功率或者出现的瞬时信噪比和正交系数α1(k)至αn(k)之外将空间共变矩阵R_xx ^(k)确定。空间共变矩阵R_xx ^(k)是一个M×M矩阵和由 $R_{\mathrm{xx}}^k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}E\left\{h_n{h}_n^H\right\}$ 确定，其中N是搜索键的总数，并且h_nεC^M的内容是天线单元A1至Am的信道评估。E代表期望值和H表示复数共轭的变换。通过信号处理装置DSP至基站BS的信号化在信号化信道ACCH上将共变矩阵R_xx ^(k)和正交系数α1(k)至αn(k)传输给基站BS。

例如将按照高斯-马尔可夫-评估或最大的-似然-评估通过至少一个信道评估器在练习序列tseq1至tseqn上确定的信道脉冲响应h和被接收的数字数据符号输入给例如包括在信号处理装置DSP中的一个评估器。此外处理装置AU包括单个的天线单元A1至Am有特征的编码CK1至CKm，信号脉冲响应h和被接收的数字数据符号用于确定第k个连接的空间共变矩阵R_xx ^(k)。

经过多个无线电数据块对应于二次方或指数的窗附加地加入数值的平均值。

在附图3上表示了具有所属的天线单元A1至Am的天线装置AE的基站BS。天线装置AE是从属于基站BS的和接收由移动无线电网络的发送用户站MS的接收信号rx或者发送给接收用户站MS发送信号tx。

天线单元A1至Am组成一个天线装置AE，这个构成为智能天线装置，也就是说这个智能天线装置AE的多个天线单元A1至Am在同样的时间点上接收接收信号rx或者发送发送信号tx。将信号可以这样相互组合，相对于具有一个接收天线的系统改善了传输质量和提高容量的空间分解是可能的。

在发送情况时由数字信号用数字/模拟转换器DA产生发送信号tx和从天线单元A1至Am发射出去。附加地将有特征的编码CK1至CKm同时或时间错位地发射出去，以便接收方只用一个天线确定一个或多个，例如每个搜索键一个，空间共变矩阵R_xx ^(k)成为可能。

为了发送射束的成形将用户站MSk，MS1至MSn求出的空间共变矩阵R_xx ^(k)，R_xx ¹至R_xx ⁿ以及正交系数α1(k)至αn(k)在信号处理装置DSP中进行处理。用处理结果将发送射束借助于控制装置SE定向和必要时缓冲存储在存储装置SP中。

在附图4上示范性地表示了具有发送信号tx1和tx2两个连接的射线成形网络。射线成形矢量w1和w2是属于连接的，将射线成形矢量与发送信号tx1和tx2相乘，其中对于每个单个发射器重叠了加权的发送信号tx1和tx2，在HF-部件HF-T上转换为高频发送信号和随后经过M单个发射器发射出去。将发送信号tx1和tx2在同样的频率信道上(同样的发送频率，必要时同样的编码和/或时隙)传输和只是空间分离。

通过使用各种连接的各种射线成形矢量w1，w2产生天线装置AE的发射特征，这保证了在用户站MS1，MSk相应位置上无干扰地接收发送信号tx1，tx2。

在附图5上表示了按照本发明的一个实施例：

在步骤1上由基站BS将有用数据和/或信号化数据，练习序列和有特征的编码CK经过天线装置AE的单个天线单元A1至Am发送给用户站MS。

在步骤2上由每个用户站MSK，MS1至MSn确定空间共变矩阵R_xx ^(k)，R_xx ¹至R_xx ⁿ。将空间共变矩阵R_xx ^(k)，R_xx ¹至R_xx ⁿ的大小和有特征的编码CK由基站BS配置。例如配置是借助于在基站BS的无线电小区中的无线电通信负荷进行的。如果例如在无线电小区中只有很少的用户站，发送射束粗的定向已经足够了。其结果是将有特征的编码CK的数目减少。

在步骤3上将共变矩阵R_xx ^(k)，R_xx ¹至R_xx ⁿ用一个信号化传输给基站BS。

在步骤4上每个用户站MSk、MS1至MSn确定正交系数，这个是与无线电小区内干涉信号的正交成比例的。附加地测量小区之间的干涉和由基站BS至用户站MS的信号运行时间和在步骤5上将正交系数，小区内的干涉，小区之间的干涉和信号运行时间用一个信号化传输给基站BS。

将步骤3和步骤5上被传输的数据，或者测量结果在传输之前进行压缩以便在基站上解压缩。将R_xx ^(k)，R_xx ¹至R_xx ⁿ附加地例如用一个Toeplitz结构逼近。

在步骤6上将被传输的数据或者测量结果进行处理。用正交系数，小区内的干涉，小区之间的干涉和信号运行时间将单个的用户站MSk，MS1至MSn的空间共变矩阵R_xx ^(k)，R_xx ¹至R_xx ⁿ加权。例如将其干扰主要是通过小区之间的干涉决定的用户站MS不包括在射线成形中。因此这是有益的，因为射线成形首先避免了小区内的干涉。

在步骤7上对于第k个连接按照公式计算射线成形矢量w^(k)： ${\left|\frac{w^{\left(k\right)}{R}_{\mathrm{xx}}^{\left(k\right)}{w}^{\left(k\right)}}{w^{\left(k\right)}{R}_I^{\left(k\right)}{w}^{\left(k\right)}}\right|}_{\max }$

其中w^(k)按照 $R_{\mathrm{xx}}^{\left(k\right)}{w^{\left(k\right)}=R}_I^{\left(k\right)}{w}^{\left(k\right)}{\mathrm{\λ}}_{\max }^{\left(k\right)}$ 代表一般化的本征矢量与最大的一般化的本征值λ_max ^(k)。这对应于一般化的本征值问题。计算是没有交互进行的。

将连接k的发送信号tx的发送功率由射线成形矢量w^(k)按照关系式P_k＝w^(k)Hw^(k)确定，其中H代表联合矢量。

在附图5的步骤7上附加检查是否在移动站MSk上出现足够的信号/干扰-距离。如果不是这种情况，则将发送功率P_k在无线电站上附加提高到预先规定的最小的信号/干扰-距离。

此外将连接的发送信号用射线成形矢量w^(k)加权和输入给天线单元用于发射。

在附图6上示范性地表示了将正交系数包括进去的射线成形。

在这个事件中与用户站MS1，MS2和MSk存在一个通信关系，用按照本发明方法现在应该将一个发送射束对于用户站MSk定向。在发送射束定向之前将对于用户站MSk的信号也被用户站MS1和MS2接收。用户站MS1例如是在基站BS视野内的，则将用户站MSk的信号到用户站MS1的信号被用户站MS1正交接收。因此不需要将信号空间分离和用户站MS1也可以被用户站MSk信号的发送射束求出。

相反用户站MS2不是在基站BS视野内的和这样假设，到用户站MSk和到用户站MS2的信号不是正交的和没有空间用户分离导致用户站MS2的强烈干扰，因此将用户站MSk的信号的发送射束这样定向，发送射束的零位置指向用户站MS2的方向和因此干扰变得最小化。

Claims (7)

1.在具有用户站(MSk，MS1至MSn)和一个基站(BS)，基站的一个天线装置(AE)具有多个天线单元(A1至Am)，的无线电通信系统中射线成形的方法，

在其中，

确定其他用户站的干涉信号(sig1至sign)与由基站(BS)到一个用户站(MSK)的第k个连接(Vk)的信号(sigk)的正交系数(α1(k)至αn(k))，

确定对于第k个连接(Vk)或者对于其他用户站(MS1至MSn)的空间共变矩阵(R_xx ^(k)，R_xx ¹至R_xx ⁿ)，

将其他用户站(MS1至MSn)的空间共变矩阵(R_xx ¹至R_xx ⁿ)用正交系数(α1(k)至αn(k))加权，

对于连接(Vk)从共变矩阵(R_xx ^(k)，R_xx ¹至R_xx ⁿ)中确定射线成形矢量(w^(k))，和将对于连接(Vk)的发送信号(tx^(k))用射线成形矢量(w^(k))加权和输入给天线单元(A1至Am)。

2.按照权利要求1的方法，

在其中

从用正交系数(α1(k)至αn(k))加权的共变矩阵(R₁至R_n)中得出的干涉信号(sig1至sign)的共变矩阵(R_I)按照 $R_I^{\left(k\right)}=\underset{i=1,i\≠k}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{k,i}\·R_{\mathrm{xx}}^{\left(i\right)}$

确定。

3.按照上述权利要求之一的方法，

在其中

附加地将至少一个系数(β)对于小区之间的干涉(II)对于第k个连接(Vk)确定，

和

用系数(β)将共变矩阵(R_xx ¹至R_xx ⁿ)附加加权。

4.按照上述权利要求之一的方法，

在其中

将射线成形矢量(w^(k))依据条件 ${\left|\frac{w^{\left(k\right)H}{R}_{\mathrm{xx}}^{\left(k\right)}{w}^{\left(k\right)}}{w^{\left(k\right)H}{R}_I^{\left(k\right)}{w}^{\left(k\right)}}\right|}_{\max }$

用最大的本征值(λ_max ^(k))按照 $R_{\mathrm{xx}}^{\left(k\right)}{w}^{\left(k\right)}=R_I^{\left(k\right)}{w}^{\left(k\right)}{\mathrm{\λ}}_{\max }^{\left(k\right)}$

确定。

5.按照上述权利要求之一的方法，

在其中

由多个天线单元(A1至Am)发送有特征的编码(CK)，和

由用户站(MSk，MS1至MSn)在处理有特征的编码(CK)情况下确定共变矩阵(R_xx ^(k)，R_xx ¹至R_xx ⁿ)。

6.按照权利要求5的方法，

在其中

将空间共变矩阵(R_xx ^(k)，R_xx ¹至R_xx ⁿ)和正交系数(α1(k)至αn(k))由用户站(MSk，MS1至MSn)传输给基站(BS)。

7.按照权利要求6的方法，

在其中

由用户站(MSk，MS1至MSn)在搜索接收机键的基础上确定多个共变矩阵(R_xx ^(k)，R_xx ¹至R_xx ⁿ)。

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