CN1700624A - 一种应用于td－scdma下行链路的码复用方案 - Google Patents

Abstract

本发明提出的方案可以运用于TD－SCDMA系统中，充分的利用了用户的空分特性，合理的分配码资源，使得不同的用户可以使用相同的码资源，进而可以成倍地增加系统的容量。本发明通过设置动态的门限来判定用户是否符合空间可分的特征。同时结合动态信道分配，将不满足空间可分的用户分配到其它的时隙内。使得TD－SCDMA系统总的干扰数最小，对于空间可分的用户则合理地分配扩频码使得系统性能最佳。

Description

一种应用于TD-SCDMA下行链路的码复用方案

本发明涉及一种应用于TD-SCDMA下行链路的码复用方案，利用智能天线进行空域滤波，滤除期望用户对其他用户的干扰，从而达到重复利用码资源的目的。本发明尤其适用于TD-SCDMA下行链路高速数据业务。

时分同步码分多址(TD-SCDMA)系统是中国提出的基于时分双工(TDD)方式的第三代移动通信系统。其中有多项关键技术运用于TD-SCDMA系统中，其中包括时分双工(TDD)，智能天线(Smart Antennas)，联合检测(JointDetection)，上行同步(Uplink synchronization)和动态信道分配(Dynamic ChannelAssigmnent)等。由于这些技术的运用，使得TD-SCDMA能够有效地消除同信道干扰(Co-channel Interference，CCI)、多址干扰(Multiple-access-Interference，MAI)、码间串扰(Intersymbol-Interference，ISI)和多径衰落等的影响，并且充分利用现有的频谱资源，根据不同的业务类型来灵活调整上、下行转换点，从而提供最佳的业务容量和频谱利用率。TD-SCDMA结合了时分、码分、空分和频分的思想。在同一时隙采用不同的扩频码对用户进行区分。

随着移动通信的迅速发展，移动通信用户对日益丰富的业务——特别是数据业务——的需求不断提高。但由于无线频谱带宽和传播环境的局限，如何充分利用有限的资源来传输更多的数据一直是移动通信领域里的研究热点和追求目标，而且这一热点随着技术的进步仍在不断升温。要解决这一问题就需要充分的利用有限的无线资源，在TD-SCDMA系统中，无线资源包括码字、频率、时隙、功率和空间角度。在本发明中，使用智能天线技术来达到码资源重用的目的。

智能天线是TD-SCDMA系统中的一项关键技术，其由一些空分的独立的天线元素组成一个天线阵列系统，这个阵列的输出与收发信机的一组多个输入相组合。这多个天线元素结合在一起提供一个综合的时空信号。它利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷点对准干扰信号到达方向，以达到充分高效地利用移动用户的有用信号并抑制或删除干扰信号的目的。应用智能天线的无线通信系统大大降低了多址干扰，提高了系统的信噪比。只有来自主瓣方向或较大副瓣方向的多径才对有用信号带来干扰；降低基站发射功率，节省系统的成本，减少信号间干扰和电磁污染。应用智能天线可以增加系统的覆盖区域，提高系统容量和频谱利用率。

智能天线一般由一组天线阵列组成，组成天线阵列的阵元为全向或者定向天线，通过对天线阵列的各个阵元输出信号进行某种方式的合并，形成特定的天线波束，实现定向发送和接收。智能天线通常包括多波束切换智能天线和自适应阵列智能天线等两种形式。

多波束切换智能天线类似于传统的扇区天线，其在基站利用多个并行波束覆盖整个用户区域，每个波束的指向和波束宽度是固定的，随着用户位置的移动，多波束切换智能天线根据用户位置的不同选择不同的波束，使得接收到的信号最强。在实际系统实现时，由于多波束的波束中央与边界很难做到增益一致，加上多波束对信号多径的方向分别敏感，而不能有效的利用多径的分集效果。所以，多波束切换智能天线对于用户方位信息的检测和利用比较粗，当用户的位置位于波束间的边缘时，其接收效果往往较差。但与自适应智能天线相比，其结构简单，成本较低。

自适应智能天线是目前在无线通信领域研究和应用较多的智能天线系统。自适应智能天线是在传统的自适应天线阵列基础上发展起来的，与自适应天线阵列的基本原理相同，都是利用自适应波束形成算法，自适应的调整天线阵列加权向量，使得期望信号的性能达到最佳，一般采用4～16天线阵元结构，天线阵元间距一般为1/2波长。天线阵元分布方式有直线型、圆型、圆环型和平面型等。自适应天线系统采用数字信号处理技术来实现天线波束赋形，根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，有效地克服干扰对系统的影响。

本发明实际上是将空分多址(Space Division Multiple Access，SDMA)的思想运用于TD-SCDMA系统中。如果用户信号是空间可分的，那么我们就能通过智能天线结合动态信道分配从空间上分离信号，使不同用户共享同一码资源。从而达到用有限长度的扩频码支持更多用户的目的。

此前已经有不少关于空分多址和码重用技术的研究。比如在S.S.Lim等在GLOBECOM98上发表的论文“Code-Reuse in Array-Type DS-CDMA Systems”中提出了运用于CDMA上行链路中的一种码重用机制，其核心思想是运用自适应检测器(Adaptive Detector)和一种完全干扰消除波束成形算法来消除使用相同码的用户之间的同信道干扰(SccID)，而C.Farsakh等在IEEE Trans.OnCommunications 1998上发表的论文“Spatial Covariance Based DownlinkBeamforming in an SDMA Mobile Radio System”中提出了一种空分多址的思路，主要是联合计算各个用户的天线阵列加权向量来使每个用户的信干噪比(SINR)达到一定的数值，从而达到空分多址的目的。

在TD-SCDMA无线通信系统上行和下行的每一个时隙中，除了传输用户数据外，还有若干长度的训练序列Midamble码(关于Midamble码的说明参见3GPPTS 25.221 V 4.0.02001-03)，用来进行信道估计用户以突发方式传输数据，由于一个突发的时间足够短，可以认为用户信道在传输一个突发数据块时是时不变的，因此每“块”数据可以进行一次信道估计。由于上下行链路具有对称性，因此上行链路所估计出的信道冲击响应和到达角(Direction of Arrival，DOA)可以直接用于下行链路。

本发明的具体流程如下：

1.基站端使用天线阵列接收下来的一个上行链路时隙数据突发信号存储到天线阵列存储单元。然后利用B.Steiner信道估计器和天线阵列对上行链路每个用户的信道冲击响应(Channel Impulsive Response，CIR)和达到角进行估计，具体方法可参见J.Blanz等在IEEE Trans.On Vehicular technology 2000上发表的论文“Smart Antennas for Combined DOA and Joint Channel Estimation inTime-Slotted CDMA Mobile Radio Systems with Joint Detection”

2.基站端对预计发送的信号进行分析，看其是否超过了TD-SCDMA可用的码资源的数目，如果没有超过则按照TD-SCDMA下行链路普通方式进行处理，如果超过则进入下一步。

3.基站端对估计出的每个用户的信道冲击响应和达到角进行分析，确定是否是空间可分离的，如果可分离则进行下一步，否则利用动态信道分配将该信号分到另一个时隙进行处理。

4.若信号是空间可分离的，则对该用户进行预波束成形的加权向量初试化。如果是自适应算法，则进入第四步，如果不是自适应算法，则进入下一步。

5.对用户的加权值进行自适应的更新，然后判断是否符合发送要求。

6.将经过加权后的信号通过发射机发射出去。

7.结束。

步骤3中的判断信号是否是在空间可分的门限值取决于4中采用的预波束成形算法，各种不同的算法有不同的门限值，这些门限值有些需要经过多次测量确定，有的则需要通过计算来获得。而在步骤4中应该选用主要以消除干扰为主的波束成形算法。在本方案中所需要消除的干扰主要是同信道干扰。对于使用不同扩频码的用户产生的干扰可以用联合检测予以消除。

本发明的目的在于提供一种码重用方案，使得TD-SCDMA系统能够充分的利用有限的码资源来传输尽可能多的数据。

本发明的特点在于充分的利用了TD-SCDMA系统的特点，由于TD-SCDMA系统中一个时隙内的用户数偏少，而且上下行链路具有对称性，这样可以直接用上行链路的信道来大致近似下行链路的信道。而不需要像FDD系统那样还要进行其他的处理，因此使得本方案在TDD中的实现相对于FDD系统来说复杂度要低，而且本方案尤其适合于下行链路高速数据业务的情况，以64kbps的数据业务来说，根据TD-SCDMA协议，在一个时隙内一个用户将占用8个扩频因子为16的码道，这样在一个时隙内只有一个高速数据业务用户。因此此时可以复用和这个用户使用相同的扩频码的其他高速数据用户到这个时隙。前提是这些用户在空间是可分的。同时在本时隙还可以有其他与这些用户使用不同扩频码的用户的存在。这些用户可以利用联合检测技术在移动台端进行区分。本发明主要涉及基站端的处理。

结合以下附图以及具体实例对发明所做的详细描述将便于理解本发明的原理、步骤、特点和优点，附图中：

图1表示本发明简化的基站端结构图；

图2表示本发明的基站端下行链路预处理结构图；

图3表示本发明的传输模型图；

图4表示本发明的移动台端结构图；

图1是本发明提出的码重用方案的简化的基站端结构图，该系统是由M根天线组成的智能天线阵列，多信道收发机，上行链路自适应处理单元，下行预波束处理单元，联合检测等单元组成的。智能天线阵列接收的信号经过多信道收发信机，变换到数字基带信号。然后进行信道估计和DOA估计，将估计的结果送入上行链路自适应处理单元和下行链路预波束处理单元，通过自适应波束处理来完成上行信号的波束赋形。用户数据信号经下行加权后通过多信道收发信机到天线阵列形成指向用户的下行波束发射出去。

图2是本发明提出的码重用方案的基站端下行链路的预处理结构图，该结构包含下列几个部分，智能天线阵列、加权网络、预波束成形算法控制单元、用户信道估计器(B.Steiner估计器)、DOA估计器、解复用器、DCA控制单元等组成。天线阵列接收到上行链路的数据后，先经过RF前端和基带变频，变为数字基带信道，然后通过解复用器，分离出上行信号的midamble码来。将这些midamble码送入信道估计器。估计出每个用户的信道冲激响应。再将这些信道冲激响应送入DOA估计器中来估计每个用户每条可分辨径的到达角。这些信道冲激响应和角度信息都将被送入到预波束成形算法控制单元作为下行链路的已知信息，同时这些信息还将被送入DCA控制单元，以判断这些用户是否是空间可分的，若是空间可分的则进入预波束成形算法单元，否则将空间上不可分的用户分配到其它时隙进行处理。这些用户信号经过天线阵列进行加权再经过上变频后，便可以得到期望的发射信号。

图3为本发明的传输模型图，我们用k＝1...K表示传送第k个码道的信号；k_u＝1...K_u表示第k_u个移动台接收信号；k_u＝1...K_u表示基站第k_u根发送天线。而h_d则代表可分辨径。α代表每条可分辨径的导引向量。用户信号经过天线阵列后被发射出去，经过无线信道，在移动台端被迭加起来。

图4为本发明的移动台端结构图，在移动台端，经过天线接收下行链路数据后，然后经过信道估计，估计出信道后输入联合检测单元。这样就可以得出期望用户的数据。

下面结合一种具体的波束成形算法-零空间约束算法来说明一下本方案的实现过程，我们使用离散的等效低通信号来描述下行链路传输模型。基站端有K_u根传输天线，并且在移动台端只有一根接收天线。假设基站欲同时发送K个码道的信号给K_u个不同的移动台。我们用k＝1...K表示传送第k个码道的信号；k_u＝1...K_u表示第k_u个移动台接收信号；k_u＝1...K_u表示基站第k_u根发送天线。则基站端的发送信号可以表示如下

${\underset{\‾}{d}}^{\left(k\right)}={({\underset{\‾}{d}}_1^{\left(k\right)},{\underset{\‾}{d}}_2^{\left(k\right)},\·\·\·,{\underset{\‾}{d}}_N^{\left(k\right)})}^T$

                     d＝( d ^(1)T， d ^(2)T，...， d ^(K)T)^T其中N为下行突发中一个数据块的传输符号数。扩频过程采用扩频因子为Q的扩频码，

${\underset{\‾}{c}}^{\left(k\right)}={({\underset{\‾}{c}}_1^{\left(k\right)},{\underset{\‾}{c}}_2^{\left(k\right)},\·\·\·,{\underset{\‾}{c}}_Q^{\left(k\right)})}^T$

扩频后码片信息如下(代表Kronecker积)

     s ^(k)＝ d ^(k) c ^(k)

$={({\underset{\‾}{s}}_1^{\left(k\right)},{\underset{\‾}{s}}_2^{\left(k\right)},\·\·\·,{\underset{\‾}{s}}_{\mathrm{NQ}}^{\left(k\right)})}^T$

然后，将其送到智能天线进行加权，加权向量为

${\underset{\‾}{w}}^{\left(k\right)}={({\underset{\‾}{w}}_1^{\left(k\right)},{\underset{\‾}{w}}_2^{\left(k\right)},\·\·\·,{\underset{\‾}{w}}_{K_a}^{\left(k\right)})}^T$

对于特定的用户k_u，假设从发送天线到该移动台接收天线所经历的无线信道的冲激响应表示如下

${\underset{\‾}{H}}_a^{\left(k_u\right)}={({\underset{\‾}{h}}_a^{(1,k_u)},{\underset{\‾}{h}}_a^{(2,k_u)},\·\·\·,{\underset{\‾}{h}}_a^{(k_a,k_u)})}^T$

${\underset{\‾}{h}}_a^{\left({k_a,k}_u\right)}={({\underset{\‾}{h}}_{a_1}^{k_a,k_u)},{\underset{\‾}{h}}_{a_2}^{k_a,k_u)},\·\·\·,{\underset{\‾}{h}}_{a_W}^{(k_a,k_u)})}^T$

其中W是信道冲激响应的窗长。

我们将第k个码道的扩频码构成如下的矩阵形式

${\underset{\‾}{C}}^{\left(k\right)}=\left({\underset{\‾}{C}}_{l,w}^{\left(k\right)}\right);l=1...Q+W-1,w=1...W;$

则第k个码道的传输信号经过扩频，智能天线波束赋形和无线信道到达第k_u个用户移动终端的组合信道冲激响应为

${\underset{\‾}{b}}^{(k,k_u)}={\underset{\‾}{C}}^{\left(k\right)}{\underset{\‾}{H}}_a^{\left(k_u\right)}{\underset{\‾}{w}}^{\left(k\right)}$

码重用的目标是尽量减少本用户对其他用户的干扰，也就是消除上面的b^(k，ku)的影响。我们采用的算法是零空间约束算法。

假定 e ₁＝[1，0，…，0]^T. A＝[ a ₀，a₁，… a _k]。其中 a代表各可分辨径的导引向量。则本算法可以将除开需要径的其他干扰径置零。令：

${\underset{\‾}{w}}^H={\underset{\‾}{e}}_1^T{\underset{\‾}{A}}^H{\left(\underset{\‾}{A}{\underset{\‾}{A}}^H\right)}^{-1}$

还有其他的波束成形思路可以用，比如并不完全将干扰置零，而是通过天线阵列将每个用户的SINR都保持在一定的数值以上，尽量的抑制来自使用相同的扩频码的用户的于扰，达到码重用的目的。

本发明提出的应用于TD-SCDMA下行链路的码复用方案具有以下优点：

1.充分利用了TD-SCDMA的信道特性，能够极大的提高系统资源的利用率，尤其适用于下行链路高速数据业务。

2.充分利用了现有的技术，实现简单。由于智能天线和动态信道分配技术都是TD-SCDMA中的关键技术，而本发明主要就是依赖这两种技术。只是在DCA控制单元中添加了判断用户是否可分的门限判决单元。其他主要单元不变，实现起来非常简单。

3.对于协议规范不敏感，兼容性好，可以灵活的应用于任何速率的TD-SCDMA系统中。

总之，本发明提出的方案充分的利用了用户的空分特性，合理的分配码资源，使得不同的用户可以使用相同的码资源，进而可以成倍地增加系统的容量。它是一套行之有效的码重用方案。

Claims (5)

1.一种用于TD-SCDMA下行链路的码复用方案，包括在相同的时隙内使用相同扩频码对不同的用户进行扩频，使用智能天线的空间滤波特性来进行空域滤波，滤除基站端发送给期望用户的信号对于其他用户的干扰，然后结合动态信道分配来对下行链路的扩频码的分配进行控制，使得系统容量能够得到成倍地增长。由于TD-SCDMA的TDD特性，当有高速数据传输的时候，同一时隙的用户数较少，因此本方案尤其适用于有高速数据传输的下行链路。

2.如权利要求1中所述的使用相同的扩频码对不同的用户进行扩频，其特征在于：对于拥有差别很大的空间特性的用户，在相同的时隙内使用同样的扩频码对他们进行扩频。

3.如权利要求2中所述的差别很大的空间特性是指用户与用户之间各径的到达角相隔很大，这个值在使用不同的波束成形算法不同。通常需要通过检测来获得。

4.如权利要求1中所述的滤除期望用户的信号对其他用户的干扰主要是指那些和期望用户使用相同的码道的用户也就是同信道干扰，当智能天线自由度够用的时候可以考虑滤除所有的干扰并对噪声进行抑制，当干扰源较多的时候，则应该主要以消除和减轻同信道干扰为主。

5.如权利要求1中所述的结合动态信道分配来对码分配进行控制是指对于空间特性差别不大甚至是基本相似的用户则通过动态信道分配将这些用户分配到不同的时隙进行复用。而将那些空间特性差别较大的用户分配到同一个时隙处理。以达到最大限度地提高系统容量的目标。

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