CN1462516A - 无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

一个无线通信系统，包括一个主站(100)和至少两个次级站(110a，110b)，每个都至少包括一个天线(108，118)。主站被安排从相互排斥的天线子集(108)传送相应的通信信道至每一个次级站。无线信道由天线相应子集(108)单独区分，每一个次级站具有从接收信号中提取包括与之相应通信信道的子集的装置。

Description

无线通信系统
技术领域
本发明涉及无线通信系统，更进一步的涉及该系统中使用的主站和次级站以及该系统的操作方法。虽然本说明书特别参考通用移动通信系统(UMTS)描述了一个系统，然而应当理解公开的装置和方法可同样应用于其他移动无线系统。
背景技术
在无线通信系统中，无线信号从发射机典型地通过多条路径到达接收机，每一个都包括来自一个或多个散射体的反射。从各个路径接收到的信号在接收机端可能相互加强或削弱(由取决于位置的衰落造成)。更进一步的，不同长度的路径使得信号从发射机到接收机所需的时间不同，这有可能导致符号间干扰。
众所周知，上述由多径传播造成的问题可以通过在接收机端使用多个天线减轻(接收分集)，这可使多径中的部分或全部得以分解。为了有效分集，由单个天线接收的信号必须具有低互相关。虽然可以使用我们的国际专利申请WO01/71843(申请人索引PHGB000033)中披露的技术采用近距天线，但一般通过根据波长的实质部分分离天线来保证其低的互相关。通过保证使用实际上非相关的信号，在任意时刻多于一个的天线上发生削弱的可能性减小了。
相似改善同样可以在发射机端使用多个天线获得(发送分集)。分集技术可以推广到在发射机端和接收机端都使用多个天线，即已知的多输入多输出(MIMO)系统，相比单侧分集配置它可以更进一步提高系统增益。进一步发展，多个天线的存在允许空间多路复用，借此一个要传输的数据流可以分为几个子流，每一个都通过多个不同路径传输。美国专利6067290描述了这种系统的一个例子，另一个例子是作为公知的BLAST系统，1998年9月29日至10月2日在意大利比萨市的关于信号、系统及电子学的1998URSI国际讨论会出版的论文集中P W Wolniansky等人的论文“V-BLAST：用于在该散射的无线信道中实现高数据速率的系统”描述了该系统。
从MIMO系统中获得的性能增益可用于在给定误码率下提高整个数据速率，或给定数据速率下减小误码率，或两者的某个组合。MIMO系统也可以受控以减小在给定数据速率和误码率下的整个传输能量或功率。
MIMO技术应用的一个领域是高速下行链路分组接入方案(HSDPA)，目前该方案正在发展用于UMTS并可有助于传输高达4Mbps的分组数据到移动站。在一个HSDPA的建议实施例中，基站的各个天线发送单独的数据流，至少拥有和数据流数目相同的天线的移动站理论上可以接收、解码这些数据流。
使用MIMO系统进行分组数据传输的一个问题是不同无线链路质量对于通信系统的影响。例如，一些数据流可能具有很低质量的无线链路，如果合并所有数据，这将导致其他链路性能退化，降低整个系统容量。
发明内容
本发明的目的之一是提供具有改进的性能的无线通信系统。
根据本发明的第一方面，提供了一个无线通信系统，包括：主站，具有至少两个天线；至少两个次级站，每个都具有至少一个天线；其中，主站包括在主站和第一、第二次级站之间从主站天线分别相互排斥的子集传送相应通信信道的装置，其中的第一、第二次级站在主站天线两个子集的覆盖区中，其中的相应信道由天线的相应子集单独区分，其中的第一、第二次级站包括估计接收信号中相应通信信道的的信号子集的装置。
通过在主站中使用不同天线传输到不同次级站，在一个次级站从某些主站天线接收到的信号具有低质量的情况下仍然可以提高系统容量。与已知的射束形成或空分多址接入(SDMA)(在主站使用天线元件相控阵列以产生在特定次级站方向上的射束)技术相比，本发明在从不同主站天线接收信号的次级站间不要求角间距。
本发明允许通常作为MIMO系统运行的无线通信系统在某些情况下使用不同基站天线表征不同次级站而不是用所有天线表征一个次级站以提高其系统容量。在一个UMTS实施例中，从不同天线同时传输到不同次级站可以通过使用相同信道化码、扰频码、载波频率和时隙实现，因此提高了整个系统的频谱利用率。
根据本发明的第二方面，提供了一个主站，具有在有至少两个次级站的无线通信系统中使用的至少两个天线，其中提供了在主站和第一、第二次级站之间从主站天线分别相互排斥的子集中传送相应通信信道的装置，其中的第一、第二次级站在主站天线两个子集的覆盖区中，其中的相应信道由天线的相应子集单独区分。
根据本发明的第三方面，提供了一个具有至少一个天线的次级站，应用于在具有至少两个天线的主站和一个次级站和另一个次级站之间具有各自通信信道的无线通信系统中，其中主站天线分别相互排斥的子集发射通信信道，其中的一个次级站和另一个次级站在主站天线两个子集的覆盖区中，其中的相应信道由天线的相应子集单独区分，并提供估计接收信号中包含次级站相应通信信道的信号子集的装置。
次级站通过将主站天线其他子集发送给其他次级站的信号作为噪声处理，可以估计与相应通信信道相对应的信号。然而，在一个优选实施例中，次级站包括用于从主站天线但不包括相应的天线子集发射的信号中分离出包含有它的相应通信信道的信号的装置。
根据本发明的第四方面，提供了一种操作一个无线通信系统的方法，该系统包括一个至少具有两个天线的主站；至少两个次级站，每个至少具有一个天线。该方法包括主站在主站和第一、第二次级站之间从主站天线分别相互排斥的子集传输相应通信信道，第一、第二次级站均在主站天线两个子集的覆盖区中，相应信道由天线的相应子集单独区分，该方法进一步包括每一个次级站估计接收信号中包括与自身相应的通信信道的信号子集。
附图说明
现在描述本发明的实施例，通过示例参考相应附图，其中
图1是一个MIMO无线系统实施例的框图；
图2是MIMO无线系统中一个基站实施例的框图，在传输前它加权子流信号；
图3表明当发射天线相关增益改变时在每个具有两个天线的站之间的信道容量变化的曲线图；
图4是根据本发明的无线系统一个实施例的框图，其中不同子流导向不同终端；和
图5示出根据本发明的无线通信系统操作的流程图。
在附图中使用相同参考数字指示相同特征。
具体实施方式
图1示出一个MIMO系统从主站100传送下行链路分组数据到次级站110的例子。主站100包括用于产生传输到次级站110的数据流的数据源102，该数据流被串/并转换器(S/P)104分割以产生提供给发射机(TX)106的众多数据子流。发射机106安排数据子流从基站(BS)100经多个天线108(在图1中标号为1、2、3和4)传输到移动站(MS)110。天线108被假定是大体全向(或设计为覆盖一个扇区单元)。
适当的编码，典型包括前向纠错(FEC)，可在串/并变换之前在基站100中应用。上述作为公知的垂直编码，具有将编码应用于整个子流的优点。然而，因为需要使用联合解码，因此在提取子流时会出现问题，分别提取每一个子流是困难的。作为选择方案，每个子流可分别编码，一个称作水平编码的已知技术可以简化接收机的操作。这些技术在论文“执行BLAST的迭代检测和译码的作用”(X Li et al in the Proceedings of the IEEE Globecom 2000 Conference，SanFrancisco，November 27 to December 1 2000)中有所讨论。
如果采用垂直编码，则所应用的FEC必须有足够纠错能力以处理包括多条路径的整个MIMO信道。将注意到，在BS100和MS110之间的一组路径一般包括直接路径和间接路径，后者由于信号被一个或多个散射体反射形成。
MS110包括多个天线118(在图1中标号为A、B、C和D)，天线118接收到的信号提供给接收机(RX)116，它从接收到的信号中提取众多传输的数据子流。数据子流被并/串转换器(P/S)114重组并提供给数据输出模块112。虽然图示中BS100和MS110具有相同数目的天线，在实际中这并不是必需的，天线的数量可根据空间和容量限制来优化。
在BS100最简单的实施中，每一个数据子流被映射到一个单独的天线108上。该实施适于空间不相关无线信道。一般情况下，图2示出了一个适当的BS100，每一个数据子流在应用复数加权202(对于每一个数据子流每个天线108有一个权值)后发送到每一个天线108。可使用此方法将每一个数据子流映射到不同天线射束。天线射束可以被瞄准于预定方向，或动态确定这些方向以便利用变化的无线信道条件。具有动态变化射束方向的MIMO系统的例子在我们共同的悬而未决的未出版的英国专利申请0102316.7(申请人索引PHGB010012)中披露。一个重要的特例是每一个数据流被映射到天线的一个子集上(也就是一些权值为0的)。
为简化起见，下面的实施例在数据子流和天线108间使用一对一映射这种最简单的情况，但是应当意识到本发明并不局限于此种特定情形。
已经示出由MIMO配置带来的容量提高在高斯信道甚至在一个开环配置(在此发射机(BS110)不知道下行链路的信道特性)中是可以获得的。虽然每一个发射机天线108(在MS110接收分集组合之后)发射的接收信号与干扰和与噪声比率(SINRs)的差别大会减小信道容量的增加，但在开环配置的瑞利衰落信道也可以获得一些信道容量的增加。
闭环方案可能提供附加的益处。从不同BS天线108传输的幅度可被加权从而发射机功率导向在MS110端具有最佳接收SINR的天线108。当BS天线108被用于一个空-时编码的MIMO系统，其从每一天线上发送不同数据，从而每一天线上的数据速率和功率可被调整，如我们共同的悬而未决的未出版国际专利申请PCT/EP01/13690(申请人索引PHGB000168)所披露的。在下述讨论中，假定来自所有天线的全部组合传输功率受限。
在某些情况下，尤其是来自不同发送天线的信道增益差别非常大(例如一个或多个天线处于强衰落时)，最佳无线链路容量可以通过完全切断BS天线108中的一个或多个获得(例如降低功率或数据速率至0)。此种策略，即闭环天线选择分集传输还有其他优点，诸如减少MS110端所需的天线数量。
图3是一个曲线图，表示在可用容量C作为第二发送天线108的信道增益G2的函数和C作为第一发送天线的给定值信道增益G1的函数之间的基本比较。曲线表明在BS100的两个发射机天线108和MS110的两个接收机天线118使用开环空-时编码MIMO系统302和闭环发射机天线选择方案304可实现容量增加。注意到天线选择方案的信道增益是在接收分集组合在MS110完成后计算出来的。
假定在图3推导过程中，全部可用发送功率是一个恒量Ptx，因此，当G2＝G1时，在开环MIMO情况下，BS天线108的每一个传输Ptx/2，但在天线选择情况下，一个天线传输Pbx而其他天线并没有能量。注意到当G2＝G1时天线选择情形中的发射机天线108的选择是任意的，在此情况下由于MIMO增益容量C1大于C2，然而当G2＝0时，开环MIMO情况下的容量大量降低至C3，是从无用天线108传输的发射机功率的一半，但在闭环天线选择情况下容量保持恒定。
因此，可以从图3中看出，在标有”X”的区域，使用闭环天线选择而非开环MIMO方案更有益。
在已知的MIMO系统中，在单元中给一个MS110的下行链路信号通过频率(频分多址，FDMA)和/或时隙(时分多址，TDMA)和/或码(码分多址，CDMA)与给其他MSs110的区分开来，由此定义给MS110的信道。对于给定的MS，所有可用的BS发射天线108在该信道上用于此MS110。然而，在上述描述的情况中，优化传输方案是发射天线选择的因素之一，当某些天线在某些信道上传输不可用时，系统容量是次优化的。
因此，根据本发明构成的系统中，用于特定MS110的信道也可全部或部分被发送信道的BS天线108的子集定义，BS天线108的子集可能包括一个或多个天线。该方案可称为“线分多址”(ADMA)。
本发明实施例中一个简单的例子如图4所示，包括一个BS100，具有两个天线108；两个MSs110a，110b，每一个都包括两个天线118。BS100包括两个数据源102(D1和D2)，用于将给不同MS110的数据子流提供至发射机(TX)106。应用本发明的实际系统可能包括大量MS和天线。
该系统的初始操作将参考图5中的流程图进行描述。操作在步骤502开始于BS100，BS100准备发送信号给第一MS110a表明有数据要传输。然后BS100在步骤504从它的天线108中的每一个发送信号使第一移动站MS110a表征无线信道。这样的信号可以例如包含从每个BS天线108发送的已知导频信息的正交序列。MS110a在步骤506测量各个接收到的信号的SINR(在从各个天线118接收到的信号分集组合之后)。在该例中，第一MS110a由此确定从BS110的天线1接收到的信号的SINR比从天线2接收到的信号的SINR大。
在测量完成之后，MS110a在步骤508发送信令消息至BS100表明天线1给出最好的SINR，该消息可以使用很多形式，例如
●最好和/或最坏的BS天线108的标记；
●最好和/或最坏的BS天线108的绝对SINR测量值；或
●每个BS天线108的绝对SINR测量值。
作为该信令消息的结果，BS确定指定给第一MS110a的数据只能从天线1发送。因此BS100的天线2可使用和天线1用于第一MS110a相同的频率，时隙和信道化码来传输指定给其它不同MS的数据。由此，在步骤510，使用和上述相同的协议识别第二MS110b，天线2给出最佳SINR。在步骤512，信号从天线1传送到第一MS110a，从天线2传送到第二MS110b，这些传输路径在图4中使用实线箭头标出，虚线箭头表明由于两个移动站都处于两个天线108的覆盖区域中，因此，打算发送给MS110a、MS110b的信号也可能到达其它MS。
如果每个MS110a、MS110b至少具有和BS100一样多的天线，无线信道包含足够多的散射体使得信道的传输功能在每个BS发送天线108和特定MS110的每个接收天线118之间实质上不同，从而每个MS可以解码来自与它相应的BS天线108的信号从而避免来自其他BS天线的信号造成不适当的干扰。
例如，在刚才描述的情况中，在第一MS110a两个天线108接收到的信号由下式给出： r 1 r 2 = h 11 h 21 h 12 h 22 t 1 t 2 , 其中ri是在MS第i个天线118接收到的信号，ti是BS第i个天线108发送的信号，hij是从BS第i个天线108至MS第j个天线118的复合信道传输特性。
t1相应于从BS天线1发送的信号，对于第一MS110a是所需信号，在信道提取(CX)模块414中这个信号被提取，如式： t 1 = h 22 r 1 - h 21 r 2 h 11 h 22 - h 12 h 21 .
如上文所讨论的，信道传输系数hij由已知的导频信息确定。导频信息传输所用频率以及信道传输系数的更新取决于信道的相干时间。已知的导频信息必须使用足够能量传输以便在有噪声存在情况下获得对信道传输系数的足够正确估计。已知导频信息的能量可通过发送更长的导频信息序列或提高导频信息的发送功率增加。用于估计每个信道传输系数的已知导频信息的每个序列长度必须明显少于信道的相干时间。MS110可使用其他已知技术，如联合检波和干扰消除，从接收到的来自于BS天线108的信号中提取所需信号。
实际应用中，接收信号r1和r2也将包括噪声，可以通过一些已知方法恢复发送的信号，例如最小均方误差(MMSE)或最大似然序列估计(MLSE)，如“Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems”中第16章描述的(1999John Wiley and Sons出版，S R Saunders著)。MMSE可以作为MLSE方法的一部分使用，或是自己单独使用。在后一情况中，没有关于传输比特的可能序列的先验知识可以采用。
在实际系统中，因为具有大量MS110，因此仅仅使用ADMA作为区分给不同MS的信道的装置是不可取的，因为这将需要每一个MS110至少具有和单元中的MS总数相同的天线118。典型的方案是使用ADMA作为附加手段与其他多址接入方案例如CDMA、FDMA或TDMA同时使用以优化无线资源的使用。ADMA可以用于给定的码、频率、时隙以区分n个不同MS的信道，n等于组合使用码、频率、时隙的任何MSs上的天线数目的最小值。例如，每个具有两个天线的一对MS可以使用ADMA共享由特定码和/或频率和/或时隙确定的下行链路信道。
在本发明的一些实施例中，MS110可能不需要如上建议的天线数量，上述有两个MS的例子中，如果来自一个BS天线108的信号非常弱，被认为是噪声，那么只需要一个天线118。然而，这需要特定的信道条件，因此并不总是可靠。我们共同的悬而未决的英国专利申请0115937.5(申请人索引PHGB010100)公开了一个MIMO系统，其中MS110可以具有比导向它的子流数目更少的天线。该系统使用采样技术产生充足的实质非相关的接收信号以使子流被抽取。本系统一个优选实施例使用码分技术传输信号，在MS110中使用一个Rake接收机确定接收到的信号的样本。这些技术同样可以应用于本发明，从而减轻对MS上的天线118的数量的要求。
根据本发明的一个系统通过最优化使用所有可用BS天线108比常规系统提供增加的下行链路容量。在实际系统中，有时有可能对于每一个MS的最好的BS天线108是相同的，这种情况下，可能在通过MS的空间采用MMSE方法分配天线108给MS110以使系统整体达到最优。
本发明的实施例可能使用具有双极化性能的单个天线结构，其功能与两个天线相当。别的结构，例如印刷电路板金属化，可被使用以提供和一个天线相当的功能。
用于传输至单个的MS110的MIMO技术可同样用于根据本发明的系统中，因为有可能分配BS天线108中的多个，即BS天线总数中的一个子集，至特定MS110。更进一步，至每个MS110的至少一个数据信道使用ADMA并不排除使用其它例如码分或频分多址技术，同时传输一个或多个其它数据信道至一个或多个相同MSs110。
在上述描述中，术语“基站”或“主站”和一个实体有关，该实体实际中可能分布在固定基础设施若干部分之间。在UMTS系统中，例如BS100的功能在节点B实现，该节点是直接和MS110接口的固定基础设施的一部分，在无线网络控制器(RNC)中的更高一层。在BS100至众多MS110传输数据使用所描述的技术同样可以用于相反方向(例如在UMTS软切换期间)。此种情况下，上述说明中的BS100和MS110的作用互换，BS100为次级站而MS110为主站。
通过现在公开的内容，对本领域技术人员来说显然有其他改进，这些改进可能涉及到在设计、生产以及使用无线通信系统和组成部分中公知的其他特征，和替换或与在此描述的特征一起使用的特征。

Claims (11)

1一个无线通信系统，包括：具有至少两个天线的主站，和至少两个次级站，每个次级站都具有至少一个天线；其中，主站包括在主站和第一、第二次级站之间从主站天线分别相互排斥的子集传送相应通信信道的装置，其中的第一、第二次级站在主站天线两个子集的覆盖区中，其中的相应信道由天线的相应子集单独区分，其中的第一、第二次级站包括估计接收信号中相应通信信道的信号子集的装置。
2如权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，主站天线子集之一包括至少两个天线，且从该子集至相应次级站的传输中使用多输入多输出技术。
3如权利要求1或2所述的无线通信系统，其特征在于，该系统在主战和次级站之一之间包括另一个通信信道，该信道不单独由传输它的天线子集区分。
4一个主站，有在具有至少两个次级站的无线通信系统中使用的至少两个天线，其中提供在主站和第一、第二次级站之间从主站天线分别相互排斥的天线子集传送相应通信信道的装置，其中的第一、第二次级站在主站天线两个子集的覆盖区中，其中的相应信道由天线的相应子集单独区分。
5如权利要求4所述的主站，其特征在于，具有从子集包括的每个天线传送已知信号的装置，从而使次级站表征在主站天线和次级站天线之间的无线信道。
6如权利要求4或5所述的主站，其特征在于，具有从次级站接收提供接收信号质量的信息的信号，并使用该信息确定每个子集的天线分配的装置。
7一个次级站，其在具有至少两个天线的主站和一个次级站和另一个次级站之间具有各自通信信道的无线通信系统中具有至少一个天线，其中主站天线分别相互排斥的子集发射通信信道，其中的一个次级站和另一个次级站在主站天线两个子集的覆盖区中，其中的相应信道由天线的相应子集单独区分，并提供估计接收信号中包含次级站相应通信信道的的信号子集的装置。
8如权利要求7所述的次级站，其特征在于，估计装置包括用于从主站天线但不包括相应的天线子集发射的信号中分离包含有相应的通信信道的信号的装置。
9如权利要求7或8所述的次级站，其特征在于，次级站包括至少与包括在相互排斥的子集中的主站天线总数一样多的天线，这些天线发送具有除了各自的天线子集之外没有其它区别特征的信道。
10如权利要求7至9中任一所述的次级站，其特征在于，提供了使用主站发送的信号表征至少一个无线信道并将表征结果发送信令给主站的装置。
11操作包括至少具有两个天线的主站和各自具有至少一个天线的两个次级站的无线通信系统的方法，该方法包括：主站从主站相互排斥的天线子集中在主站和第一、第二次级站之间发送相应通信信道，第一、第二次级站均在主站天线两个子集的覆盖区域之中，相应信道通过相应天线子集单独区分，该方法进一步包括：每一个次级站估计接收信号中包括与之相应的通信信道的信号子集。
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