CN1474525A - 无线通信系统中基于时分双工的信号发射和接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信系统中基于时分双工的信号发射和接收方法，该方法在基站侧和移动台侧按照各个天线接收到的噪声相互独立的原则或者不同发射天线的信号到达不同接收天线的信道相互独立的原则分别设置多个天线；基站的所有天线在固定分配的时间段内发射导频信号；移动台测量自己的不同接收天线上的所有接收的导频信号，选定其中的一根或多根天线，作为上行发射天线发射信号；同时根据接收到的导频信号，选定基站的一根或多根天线作为发射天线并通知基站，基站根据移动台的通知，按照移动台选定的天线在下行发射时间段内向移动台发射信号。上述方案可以提高高速数据的传输效率，并在信号接收端获得尽可能高的信干(噪)比。

Description

无线通信系统中基于时分双工的信号发射和接收方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统中的信号发射和接收方法。

背景技术

无线通信为人们提供了随时随地相互联系以及获取信息的手段，因此在近几年中得到了迅速的普及。然而，在目前的无线环境中，由于移动的需求，无线信号的定向传输有一定的限制，这样就造成不同用户的无线通信相互之间不可避免地存在着互相干扰。为了保证各种无线通信的正常进行，无线频谱的使用一般都要受到严格的限制和管理，这样无线通信不可能象有线通信一样具有很大的带宽，因此，基于有限的可用无线频谱，如何能够增加无线通信系统信息传输能力是迫切需要解决的问题。

在无线通信中，衰落的无线信道是阻碍有效通信实现的主要因素之一。为此，研究者提出了多天线发射/接收的技术，“在衰落环境下，使用多元天线的无线通信多层空时结构(G J Foschini，＂Layered space-timearchitecture for wireless communication in fading environment when usingmulti-element antennas＂，Bell Labs Technical Journal，pp.41-59，Autumn1996.)一文中就公开了上述技术，该技术可以在独立的平坦衰落信道假设下，保证高效率的高速数据传输通信。然而，由于无线接收的多个信道不能随时保持相互独立，在每一个接收的单位时间内，互相之间仍然有较大的干扰，加上天线互相耦合等因素，多天线同时发射/接收的方法在实现上仍然存在效率被严重降低的问题。近来对多天线系统的研究已经开始考虑如何根据反馈对发射天线进行选择的问题，例如“使用空时块编码的多输入多输出系统的最优天线选择”(A Paulraj and D Gore，＂Optimal antennaselection in MIMO systems with space-time block coding＂，IEICE Trans.Commun.，2001(E84-B)：7，pp.1713-1719.)一文就公开了类似研究结果。然而，任何反馈都必然存在时延，同时时延的存在必将影响系统的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线通信系统中基于时分双工的信号发射和接收方法，使用该方法可以提高高速数据的传输效率，并在信号接收端获得尽可能高的信干(噪)比。

为达到上述目的，本发明提供的无线通信系统中基于时分双工的信号发射和接收方法，包括下述步骤：

步骤1：在基站侧和移动台侧分别设置多个天线，所述多个天线按照各个天线接收到的噪声相互独立的原则设置或者按照不同发射天线的信号到达不同接收天线的信道相互独立的原则设置；

步骤2：基站的所有天线在固定分配的时间段内发射导频信号；

步骤3：移动台测量自己的不同接收天线上的所有接收的导频信号，选定其中的一根或多根天线，作为上行发射天线，自下一个上行发射时刻，以选定的天线作为发射天线，在上行发射时间段内发射信号；

步骤4：移动台根据自己的不同接收天线上的所有接收的导频信号，选定基站的一根或多根天线作为发射天线，并通知基站在下一次下行发射时利用上述移动台选定的天线向该移动台发射信号；

步骤5：基站利用多天线接收移动台的信号，根据移动台的通知，选定其中的一根天线或多根天线作为下行发射天线，自下一个下行发射时刻，在下行发射时间段内向移动台发射信号。

在步骤2，基站的所有天线在固定分配的时间段内按照码分方式发射导频信号。

所述按照码分方式发射导频信号是基站的所有天线在固定分配的时间段内选择同一个码通过不同循环移位得到的码作为导频进行发射。

在步骤2，基站的所有天线在固定分配的时间段内也可以按照时分方式发射导频信号。

步骤3中所述的选定其中的一根或多根天线为所接收的所有发射信号强度或者信噪比之和最大的天线。

步骤4中所述的选定其中的一根或多根天线为发射信号在所有移动台天线上的接收信号强度或者信噪比之和最大的天线。

在步骤5中，当基站侧多根天线信号的信道强相关时，同时选择基站侧的多根天线发射同样的信号，通过对不同天线做不同的加权，实现下行信号的定向发射。

本发明提供的另一种无线通信系统中基于时分双工的信号发射和接收方法，包括下述步骤：

步骤11：在基站侧和移动台侧分别设置多个天线，所述多个天线按照不同发射天线的信号到达不同接收天线的信道相互独立的原则设置；

步骤12：基站的所有天线在固定分配的时间段内发射导频信号；

步骤13：移动台测量自己的不同接收天线上的所有接收的导频信号，选定其中的一根或多根天线，作为上行发射天线，自下一个上行发射时刻，以选定的天线作为发射天线，在上行发射时间段内发射信号；

步骤14：移动台根据自己的不同接收天线上的所有接收的导频信号，选定基站的一根或多根天线作为发射天线，并通知基站在下一次下行发射时利用上述移动台选定的天线向该移动台发射信号；

步骤15：基站利用多天线接收移动台的信号，根据移动台的通知，选定其中的一根天线或多根天线作为下行发射天线，自下一个下行发射时刻，在下行发射时间段内向移动台发射信号。

与现有的多天线发射/接收方法相比，本发明可以在多个信号信道相互独立的条件下应用，也可以在仅仅要求不同天线的噪声信号相互独立的情况下应用，因此能够实用的环境更为广泛，在分集天线和智能天线中都可以得到应用；此外，本发明利用基站的多天线公共导频信号的广播，使得移动台可以同时估计基站的多天线与本身的多天线之间的信道，据此，在时分双工系统中，移动台由此可以同时获得上行和下行的信道情况，从而根据某种原则选择最优上行发射天线，可以是一根，或者多根发射天线，在上行传输数据的同时，通知基站下次为该移动台发射数据时应该选用的发射天线，从而同时获得上行和下行多天线发射和接收的优化性能；因此，使用该方法可以提高高速数据的传输效率，并在信号接收端获得尽可能高的信干(噪)比。

附图说明

图1是应用本发明的多天线时分双工系统示例图；

图2是上、下行发射时段分配示意图。

具体实施方式

在现有的多天线系统中，其应用的前提是存在独立的瑞利衰落信道。多天线系统实现的关键在移动台一端的多天线的产品化，其困难在于设备的便携性与多天线信道保持相互独立的矛盾。由于实际环境的多样性，当移动台的接收天线相距为载波波长的一半时，信号所经历的衰落信道仍然有可能存在较大的相关性，这使得移动台的天线很难设置。然而，对于噪声而言，由于噪声信号的来波方位角分布较为广阔，噪声本身也是多个信号的合成，因此，在移动台上实现多天线的接收噪声相互独立，要比保证不同天线上信号的信道相互独立更加易于实现。

以两根接收天线为例，在其接收到的噪声相互独立时，对于单发射天线的发射信号而言，两个接收天线上的接收信号可以下列表示式表示：

其中，r₁和r₂分别是天线1和天线2上的接收信号，S单天线发射的符号，假设符号能量为ES，h₁和h₂则分别是该符号到达两根接收天线时所经历的衰落信道，n₁和n₂则是两根天线接收的噪声。

按照现有的多天线发射和接收无线信号的方法，假设h₁和h₂是已知(或者已经估计)的平坦衰落信道，并且在信号接收的短时间内是不变或者缓慢变化的(这里不要求两个信道是相互独立的)，并且假设两根天线接收的噪声n₁和n₂是高斯噪声，噪声功率为σ²。从前面的讨论可以知道，实现中容易保证这两个噪声信号相互独立。例如当两根天线相距超过载波波长的一半时，这两个噪声信号相互独立。对天线的接收信号进行最大比合并，则合并后的信号： $r=h_1^{*}{r}_1+h_2^{*}{r}_2=({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)S+(h_1^{*}{n}_1+h_2^{*}{n}_2)---\left(2\right)$

得到的信号的信噪比为： $\mathrm{SNR}=\frac{{({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)}^2{E}_S}{{\left|h_1\right|}^2{\mathrm{\σ}}^2+{\left|h_2\right|}^2{\mathrm{\σ}}^2}=({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)\frac{E_S}{{\mathrm{\σ}}^2}---\left(3\right)$

原来两根接收天线的信噪比分别为 $|h_1{|}^2\frac{E_S}{{\mathrm{\σ}}^2},$ ${\left|h_2\right|}^2\frac{E_S}{{\mathrm{\σ}}^2},$ 则由公式(3)可知，接收信号的信噪比得到了增强。由于信噪比的增强不需要信号信道独立的条件，而只需要噪声相互独立的条件；这一条件，在无线环境中容易得到满足，例如，在设置多天线时，只要不同天线相距超过载波波长的一半即可基本得到满足，无论是在基站侧，还是在移动终端侧。

由于在时分双工系统中，上行和下行采用同一个载波，因此通过单侧信道测量，可以同时得到两侧的信道的估计。这使得多天线系统在时分双工系统中应用时，可以简化对信道测量的反馈，有利于提高多天线发射/接收方法的性能。

与基站广播导频信号不同，在一个无线通信的小区中，移动用户不可能随时向基站发送导频信号，供基站测量该用户的信道条件。这一点，在实现多天线发射/接收时尤为突出。假设一个小区中有3个用户，每个用户的移动设备有两个发射天线。为了让基站得到这些用户设备的所有天线的发射信道条件的有效估计，需要为这些用户分配3×2＝6个资源，在码分多址系统中意味着需要分配6个码，在时分多址系统中则意味着需要分配6个足够长的时隙，而且需要分配资源的数目随着用户数的增加呈线性增加。因此，在一般的时分双工无线通信系统中，只能采用基站广播导频信号，即公共导频信号的方法，使得移动台通过测量，获得上行和下行的信道估计。

在对发射天线做选择的多天线发射/接收系统中，应用上述单向公共导频信号发射的方法，将使得某一个方向的信号发射因为不具备所有天线的信道的估计而缺乏判断的依据，从而部分丧失方法的性能，所以，在多天线发射/接收系统中必须避免上述缺陷。

下面对本发明的实施作进一步详细的描述。

在基于时分双工无线通信系统中，首先在基站侧和移动台侧分别设置多个天线，上述多个天线按照各个天线接收到的噪声相互独立的原则设置，具体可以采用下述方法设置：基站侧的天线相互距离，可以依据服务的扇区角度α大小而定，使得相邻两天线的距离不小于载波半波长×360度/α，即相邻天线间距离大于或等于

也可以简单设置为载波波长的一半；移动台一侧的相邻天线的距离则不应小于载波波长一半，即相邻天线之间的距离大于或等于 对于上述天线的设置，也可以做进一步的要求，使得不同天线上接收到的各个信号所经历的信道都是相互独立的，即，上述多个天线按照不同发射天线的信号到达不同接收天线的信道相互独立的原则设置。

在时分双工系统中，在下行发射的时间段中安排单独的时间片，供基站的所有发射天线发射公共导频。不同天线的导频信号的发射方式可以是码分，也可以是时分。如果采用码分方式，则基站的所有天线在固定分配的时间段内也可以选择同一个码通过不同循环移位得到的码作为导频进行发射。例如，假设存在一个码序列[m₁ m₂…m₁₂₈]，则可以为基站天线1分配导频序列[m₁…m₁₂₈ m₁…m₈]，基站天线2分配导频序列[m₉…m₁₂₈ m₁…m₁₆]，以此类推。这种通过一个码循环移位得到的所有码具有较好的性质，就是信道估计极为简单，只要用同一个序列多次循环相乘，就可以得到所有的信道估计。在多天线公共导频发射时，采用这种码，对于简化移动台的信道估计的实现很有帮助。移动台根据基站广播的公共导频信号自行测量各自的多天线上的信道，获得各自的移动台天线与基站天线之间的所有信道估计。移动台在这一信道估计的基础上，根据某种准则确定上行发射的天线。可以是一根发射天线，也可以是多根发射天线。利用所确定的上行发射天线，自下一个上行发射时刻，在上行发射时间段内，移动台上行发射数据。这里所述的选定其中的一根或多根天线为选择所接收的所有发射信号强度或者信噪比之和最大的天线。同时，移动台还根据自己的不同接收天线上的所有接收的导频信号，选定基站的一根或多根天线作为发射天线，并通知基站在下一次下行发射时利用上述移动台选定的天线向该移动台发射信号。这里所述的选定其中的一根或多根天线为选择发射信号在所有移动台天线上的接收信号强度或者信噪比之和最大的天线.基站在接收到移动台的通知后，自下一个下行发射时刻，选用移动台所选定的天线在下行发射时间段内为该移动台发射数据，并在固定分配的时间片中继续广播公共导频信号，提供移动台做下一时刻的信道估计。

本发明所述方法不排除基站智能天线的使用。基站在下行发射中，如果多根天线存在完全相关或者强相关的情况，也可以用这多根天线实现定向发射。由于在定向发射中，多根天线发射的信号完全相同，所经历的信道也基本相同，差别仅仅在于加权值的不同，从而形成空间上的定向发射，因此其效果仍然等同于单根天线发射。

图1是应用本发明的多天线时分双工系统示例图，按照图中示意，基站为4根天线，移动台则有6根天线。图2是上行和下行的发射时段分配示意图。参考图2，如果采用时分双工方式，在一个发射周期内，可以分上行发射时段和下行发射时段.基站在下行发射时段的某个固定时间内，发射公共导频.在这一时间段内，基站不发射其他数据信号，不同发射天线可以采用码分方式，发射不同码扩频的导频，便于移动台测量不同的信道。

按照图1的设置，基站的4根天线，在下行发射时段的公共导频时间片内，发射不同码的导频信号。移动台的6根接收天线则依据这些导频信号，估计出不同的信道，在这里一共有24个信道，以矩阵的形式表示为： $H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& h_{13}& h_{14}\\ h_{21}& h_{22}& h_{23}& h_{24}\\ h_{31}& h_{32}& h_{34}& h_{34}\\ h_{41}& h_{42}& h_{43}& h_{44}\\ h_{51}& h_{52}& h_{53}& h_{54}\\ h_{61}& h_{62}& h_{63}& h_{64}\end{array}\right]---\left(4\right);$

其中，h_ij代表第j根基站天线的发射信号到达第i根移动台天线所经历的信道。由于采用时分双工方式，在下一个发射周期内的上行发射时段内，第i根移动台天线的发射信号到达第j根基站天线时所经历的信道也大致为h_ij。基于这一现象，移动台在下一个发射周期的上行发射时段内，可以依据(4)中的信道估计结果，选择上行发射所用的天线。根据信道条件的情况以及要传输的数据的多少，选择一根发射天线，或者多根发射天线。假设移动台需要选择两根发射天线，则移动台选择天线的原则可以是所有发射天线信号在该天线上接收能量之和最大的原则，在(4)所表达的信道中，则计算矩阵每一行元素的幅值平方和，∑_j|h_ij|²，1≤i≤6，选择使得这一平方和最大的i所对应的天线作为发射天线。假设移动台选择了第一和第三根天线向基站发射信号，即上面的平方和计算公式中，i＝1，3，则移动台可以将数据分别送至这两根天线上进行发射。此外，移动台也根据(4)中的信道，选择基站下次发射应该采用的发射天线，选择的原则可以是该发射天线在移动台的所有接收天线上的接收信号能量之和最大的原则，即移动台计算(4)的矩阵中每一列的各元素幅值平方和，∑_i|h_ij|²，1≤j≤4，假设该公式当j＝1时得到最大值，即

          |h₁₁|²+|h₂₁|²+|h₃₁|²+|h₄₁|²+|h₅₁|²+|h₆₁|²最大，则移动台可以通知基站在下行发射时段内采用天线1进行发射。基站同时利用4根天线接收信号，同时从移动台获得在该发射周期的下行发射时段内，应该采用哪一根或哪几根天线为该移动台发射信号。通过上述过程的循环执行，最终实现基站与移动台之间的高速数据通信。

在上述通信过程中，假设移动台测量得知，基站的第一根天线和第二根天线存在强相关，可以实现智能天线的定向发射，则当基站从移动台获知，在下行发射时段内需要采用这两根天线之一进行信号发射时，也可以同时选择两根天线发射同样信号，通过不同的加权，实现下行的定向发射。

Claims (14)

1、一种无线通信系统中基于时分双工的信号发射和接收方法，包括下述步骤：

步骤1：在基站侧和移动台侧分别设置多个天线，所述多个天线按照各个天线接收到的噪声相互独立的原则设置；

步骤2：基站的所有天线在固定分配的时间段内发射导频信号；

步骤3：移动台测量自己的不同接收天线上的所有接收的导频信号，选定其中的一根或多根天线，作为上行发射天线，自下一个上行发射时刻，以选定的天线作为发射天线，在上行发射时间段内发射信号；

步骤4：移动台根据自己的不同接收天线上的所有接收的导频信号，选定基站的一根或多根天线作为发射天线，并通知基站在下一次下行发射时利用上述移动台选定的天线向该移动台发射信号；

步骤5：基站利用多天线接收移动台的信号，根据移动台的通知，选定其中的一根天线或多根天线作为下行发射天线，自下一个下行发射时刻，在下行发射时间段内向移动台发射信号。

2、根据权利要求1中所述的基于时分双工的信号发射和接收方法，其特征在于：在步骤2，基站的所有天线在固定分配的时间段内按照码分方式发射导频信号。

3、根据权利要求2中所述的基于时分双工的信号发射和接收方法，其特征在于：所述按照码分方式发射导频信号是基站的所有天线在固定分配的时间段内选择同一个码通过不同循环移位得到的码作为导频进行发射。

4、根据权利要求1中所述的基于时分双工的信号发射和接收方法，其特征在于：在步骤2，基站的所有天线在固定分配的时间段内按照时分方式发射导频信号。

5、根据权利要求1、2、3或4所述的基于时分双工的信号发射和接收方法，其特征在于：步骤3中所述的选定其中的一根或多根天线为所接收的所有发射信号强度或者信噪比之和最大的天线。

6、根据权利要求5中所述的基于时分双工的信号发射和接收方法，其特征在于：步骤4中所述的选定其中的一根或多根天线为发射信号在所有移动台天线上的接收信号强度或者信噪比之和最大的天线。

7、根据权利要求6中所述的基于时分双工的信号发射和接收方法，其特征在于：在步骤5中，当基站侧多根天线信号的信道强相关时，同时选择基站侧的多根天线发射同样的信号，通过对不同天线做不同的加权，实现下行信号的定向发射。

8、一种无线通信系统中基于时分双工的信号发射和接收方法，包括下述步骤：

步骤11：在基站侧和移动台侧分别设置多个天线，所述多个天线按照不同发射天线的信号到达不同接收天线的信道相互独立的原则设置；

步骤12：基站的所有天线在固定分配的时间段内发射导频信号；

步骤13：移动台测量自己的不同接收天线上的所有接收的导频信号，选定其中的一根或多根天线，作为上行发射天线，自下一个上行发射时刻，以选定的天线作为发射天线，在上行发射时间段内发射信号；

步骤14：移动台根据自己的不同接收天线上的所有接收的导频信号，选定基站的一根或多根天线作为发射天线，并通知基站在下一次下行发射时利用上述移动台选定的天线向该移动台发射信号；

步骤15：基站利用多天线接收移动台的信号，根据移动台的通知，选定其中的一根天线或多根天线作为下行发射天线，自下一个下行发射时刻，在下行发射时间段内向移动台发射信号。

9、根据权利要求8中所述的基于时分双工的信号发射和接收方法，其特征在于：在步骤12，基站的所有天线在固定分配的时间段内按照码分方式发射导频信号。

10、根据权利要求9中所述的基于时分双工的信号发射和接收方法，其特征在于：所述按照码分方式发射导频信号是基站的所有天线在固定分配的时间段内选择同一个码通过不同循环移位得到的码作为导频进行发射。

11、根据权利要求8中所述的基于时分双工的信号发射和接收方法，其特征在于：在步骤12，基站的所有天线在固定分配的时间段内按照时分方式发射导频信号。

12、根据权利要求8、9、10或11所述的基于时分双工的信号发射和接收方法，其特征在于：步骤13中所述的选定其中的一根或多根天线为所接收的所有发射信号强度或者信噪比之和最大的天线。

13、根据权利要求12中所述的基于时分双工的信号发射和接收方法，其特征在于：步骤14中所述的选定其中的一根或多根天线为发射信号在所有移动台天线上的接收信号强度或者信噪比之和最大的天线。

14、根据权利要求13中所述的基于时分双工的信号发射和接收方法，其特征在于：在步骤15中，当基站侧多根天线信号的信道强相关时，同时选择基站侧的多根天线发射同样的信号，通过对不同天线做不同的加权，实现下行信号的定向发射。

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