CN1819573A - 用于使用ofdm的无线分组数据通信系统的分布式多天线调度 - Google Patents

Abstract

无线通信系统(20)包括使用多个天线(30，32)用于到多个移动台(24，26)的同时传输。分布式多天线调度(DMAS)技术包括选择多个移动台，用于至少接收在具有正交频分复用(OFDM)的载波带宽内的至少一个所选择的子载波上的同时传输。在公开的例子中，多个移动台被选择用于载波带宽内的每个子载波。公开的例子包括把子载波一起分组成子集，以减小用于确定对于同时传输要选择哪些移动台的计算复杂性。

Description

用于使用OFDM的无线分组数据 通信系统的分布式多天线调度

技术领域

本发明一般涉及电信。更具体地，本发明涉及无线通信系统。

背景技术

无线通信系统是熟知的，并得到广泛使用。无线通信网以改变的方式越来越多地被使用。不断地需要增加无线通信网的总的容量。网络的总的容量涉及到可得到服务的订户的数目以及每个订户在任何特定的时间可输送的信息量。无线通信服务提供商不断地争取提供增加的容量。

传统上，增加的容量是通过提供更多的通信信道和试图增加在任何给定的时间在每个信道上的信息量而达到的。增加信息吞吐量的一个方法是增加发送信号的功率。另一个方法是扩展借以建立通信的带宽。这些方法的一个困难是功率和带宽典型地受到政府组织和标准组织的限制。另外，发送时所使用的功率量对于无线设备来说要受电池的限制，或用于移动台的其它功率源的限制。

随着无线通信网的越来越多的使用和消费者想要的增加的容量，提出了用于增加网络容量的其它方法。一个方法包括增加被使用来发送和接收通信信号的天线的数目。在一个例子中，天线被排列成天线阵列，并且使用多输入多输出技术来传送多个不同的信号。一个示例性系统是贝尔实验室分层的空间时间(BLAST)系统。通过这样的装置，阵列中所有的天线被用来在特定的时刻在天线与移动台之间传送信息。

虽然多输入多输出配置有助于增加特定的通信信道的信息吞吐量，但它不一定会帮助解决增加可以充分使用通信网的订户的数目的需要。例如，整个天线阵列在任何一个特定的时间只由一个订户使用，这不会增加在该时间可以使用该系统的订户的数目。另外，阵列中的某些天线可能不是最适合于在某些时间传送信息到某些订户的天线。正如已知的那样，信道条件随时间变化，以及各种各样的条件有害地影响在移动台与基站之间的通信。所以，即使多个天线打算传送信息，但某些天线可能不能成功地传送信息，这实际上降低了天线阵列的效率。这样的有效性的一个测量值是实际上传送的信息量与天线阵列被设计传送的信息量的比值。

另一个建议是使用发送分集方案，该方案是依赖于创建到达移动台的多个独立的路径的原理的。空间-时间编码(STC)给移动台提供了具有平均信道的信号，而选择发送分集(STD)选择多个发送天线中的较好的天线。在文献中已经指出，STC方案与用于调度的分组数据传输的单天线传输相比具有有限的优点。STD方案被证明比STC性能更好。

当沿着到移动台的下行链路发送数据时，常常使用全部功率。所以，通过适当的调度算法，可以在移动台得到高的信号对干扰噪声比值。自适应调制通过在具有良好的信号对干扰噪声比的情况下使用较高的调制用于用户而利用这种现象。然而，由于实际的原因，星座图常常受到限制。另外，对于时变的无线信道，很难支持大于64的调制尺寸。在某些情况下，对于已知的系统中可得到的频谱效率有所限制。例如，虽然具有非限制的星座图尺寸的QAM可以达到在AWGN容量的约5dB内的频谱效率，但在真实系统中频谱效率受星座图形状和尺寸限制。

已经提出通过使用分布式多天线调度(DMAS)的多天线技术来调度多个用户。这个概念(DMAS)原先是为CDMA分组数据系统而开发的，该系统通过联合调度多个用户来利用多用户分集以达到对于每个用户对的最大吞吐量。

本领域技术人员总是力争作出改进。例如，有其它的配置方案可以通过使用一种或多种多天线发送技术而获得益处。还未开发的一个领域是正交频分复用(OFDM)型通信系统，这将在下面给出的本发明的示例性实施方案的说明中阐述。本发明利用这样的系统中的频率选择性以及采用多用户分集来提高系统吞吐量性能。

发明内容

一种示例性公开的通信方法包括选择多个移动台，用于至少接收在给定的载波带宽内的多个子载波中的至少一个所选择的子载波上来自相应的多个天线的同时传输。

在一个例子中，两个发送天线被用来在相同的子载波上或在一组子载波上向两个移动台中的每个移动台进行发送。

在一个例子中，通过确定与向至少两个移动台中的每个移动台进行发送有关的功率电平来选择移动台。然后移动台被选择以使得它们在使用选择的子载波时具有最大的组合的传输数据速率。

在一个例子中，在载波频带内的多个子载波被分组成子集，以及针对子集中的至少一个子载波来选择移动台而作出的决定被用来控制对子集内其它的子载波的使用。这个例子利用了子载波的特性，包括识别信道条件在一小部分给定的带宽上基本上是保持相同的。这简化了用于针对给定的载波带宽内相对较多个子载波中的每个子载波来选择多个移动台的决定。

通过以下的详细说明，对于本领域技术人员来说，本发明的各种特性和优点将是明显的。与详细说明一起的附图可被概略地描述如下。

附图说明

图1示意地显示了利用按照本发明的实施例设计的多天线传输技术的无线通信网的所选择的部分；

图2示意地显示了在本发明的一个示例性实施方案中由移动台支持必需的测量所需要的示例性导引信号(pilot)结构。

具体实施方式

图1示意地显示了通信网20的所选择的部分。多个移动台24和26使用用于发送和接收信号的无线通信。移动台24和26可以是能够进行无线话音、数据、视频或组合的通信的多种已知设备中的任一设备。为了讨论起见，移动台24有时被称为用户i，以及基站26有时被称为用户i。

如图1示意地所示，每个移动台接收从基站34的多个天线30和32的每个天线发送的通信。调度器36调度来自天线30和32的传输，以使得来自每个天线的同时传输被提供到每个移动台。虽然在图1中显示了两个天线和两个移动台，但本发明不限于二天线或二用户安排。

如图1示意地所示，频域信道系数(CSI)被显示为对于天线m的、分别用于用户i和j的H_im(k)和H_jm(k)。标号k可被用来表示用于传输的给定的载波带宽内的子载波或子载波组。

在本说明书中使用的术语“子载波”和“音调”用来指在正交频分复用(OFDM)通信系统中的载波带宽内的不同的子载波或音调。载波带宽被划分成这样的子载波或音调的方式是已知的。所公开的例子利用载波带宽的这个安排，以及它通过根据每个子载波或子载波组来实现多天线传输技术而提供无线通信系统的改进的容量。令在移动台24和26处的符号Y_i(k)和Y_j(k)分别表示在每个移动台处的接收的信号。接收的信号可被描述为：

Y_i(k)＝P_i(k)H_i1(k)+P_j(k)H_i2(k)+Z_i(k)                 (1)

Y_j(k)＝P_i(k)H_j1(k)+P_j(k)H_j2(k)+Z_j(k)

P_i(k)和P_j(k)表示发送功率，以及Z_i(k)和Z_j(k)表示针对子载波k对于用户i和j的加性噪声。

对于载波带宽内的每个子载波k，一组移动台(i，j)被选择用于接收来自多个天线30和32中的每个天线的同时传输。在一个例子中，选择用于这种传输的移动台包括确定使得两个移动台(即，用户i和用户j)的总速率最大化的功率P_i(k)和P_j(k)。这可被表示为：

$\stackrel{\max }{i,j,P_i\left(k\right)P_j\left(k\right)}[{\log }_2(1+\frac{P_i\left(k\right){\left|H_{i1}\left(k\right)\right|}^2}{P_j\left(k\right){\left|H_{i2}\left(k\right)\right|}^2+{\left|Z_i\left(k\right)\right|}^2})+{\log }_2(1+\frac{P_j\left(k\right){\left|H_{j1}\left(k\right)\right|}^2}{P_i\left(k\right){\left|H_{j1}\left(k\right)\right|}^2+{\left|Z_j\left(k\right)\right|}^2})]---\left(2\right)$

发送功率受可得到的总功率P_total支配，它可被描述为：

$\underset{k}{\mathrm{\Σ}}[P_i\left(k\right)+P_j\left(k\right)]=P_{\mathrm{Total}}---\left(3\right)$

在一个例子中，对于每个子载波作出关于哪些移动台从每个天线进行发送的决定。通过把这样的传输技术应用到每个子载波，与以前的OFDM传输方案相比较，使用给定载波带宽的系统的总的吞吐量和容量将得到增加。使用这样的、根据每个子载波的天线调度技术的一个优点在于，它利用了各个子载波的、随载波带宽内的子载波的频谱而变化的特性。例如，与在载波带宽的相对端处的子载波相比较，在频谱的一端处的子载波典型地具有非常不同的信道条件。利用每个子载波的唯一的信道条件用于选择尽可能多的移动台来接收在子载波上的同时传输，这在采用OFDM的情况下给网络容量提供很大的增加。

在一个例子中，多个移动台被选择用来至少接收在每个子载波上的同时传输。在子载波的数目很大的场合下，选择移动台的任务可通过这样的方式而变得复杂，即，复杂性引起的计算成本会超过增加网络容量的好处。一个示例性实施例通过在假设对每个选择的移动台进行相等的功率分配的情况下简化关于选择哪些移动台的决定来解决这个问题。因此，P_i(k)＝P_j(k)＝P(k)/2。优化决定然后变为：

$\stackrel{\max }{i,P\left(k\right)}\left[{\log }_2(1+\frac{P\left(k\right){\left|H_{i1}\left(k\right)\right|}^2}{P\left(k\right){\left|H_{i2}\left(k\right)\right|}^2+2{\left|Z_i\left(k\right)\right|}^2})\right]\stackrel{\max }{j,P\left(k\right)}\left[{\log }_2(1+\frac{P\left(k\right){\left|H_{j2}\left(k\right)\right|}^2}{P\left(k\right){\left|H_{j1}\left(k\right)\right|}^2+2{\left|Z_j\left(k\right)\right|}^2})\right]i\≠j---\left(4\right)$

因此，联合的优化决定变为两个一维优化问题。当利用对所有说明的移动台进行的等功率分配时，以下的结果是正确的：

P(k)＝P_Total/2K                                 (5)

由此，可以从以下公式得出优化准则：

$\stackrel{\max }{i}\left[{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{Total}}{\left|H_{i1}\left(k\right)\right|}^2}{P_{\mathrm{Total}}{\left|H_{i2}\left(k\right)\right|}^2+2K{\left|Z_i\left(k\right)\right|}^2})\right]+\stackrel{\max }{j}\left[{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{Total}}{\left|H_{j2}\left(k\right)\right|}^2}{P_{\mathrm{Total}}{\left|H_{j1}\left(k\right)\right|}^2+2K{\left|Z_j\left(k\right)\right|}^2})\right]i\≠j---\left(6\right)$

在一个例子中，已知的搜索算法被用来选择多个移动台，其使得来自基站34所服务的小区内的所有的潜在用户的选择度量(metric)最大化。

一个例子还通过把子载波一起分组成子集而简化用于确定在每个子载波上要被服务的最佳移动台的计算复杂性。在子载波于相干带宽内被聚集在一起的情况下，可以对每个子集内的一个子载波进行选择度量的评估。在一个例子中，在一个子集上的衰落被假设为平坦的。

以上的例子很适合于其中多个用户共享单个带宽的OFDMA系统。在其中整个载波带宽专用于单个用户的OFDM系统中也有可能使用本发明的技术。在这样的例子中，移动台的选择包括确定用于使得在整个带宽上至少两个用户的总的权利(right)最大化的功率，它可被表示为：

$\stackrel{\max }{i,j,P_i(1:K),P_j(1:K)}\stackrel{\mathrm{\Σ}}{k}\left[{\log }_2(1+\frac{P_i\left(k\right){\left|H_{i1}\left(k\right)\right|}^2}{P_j\left(k\right){\left|H_{i2}\left(k\right)\right|}^2+{\left|Z_i\left(k\right)\right|}^2}){\log }_2(1+\frac{P_j\left(k\right){\left|H_{j2}\left(k\right)\right|}^2}{P_i\left(k\right){\left|H_{j1}\left(k\right)\right|}^2+{\left|Z_j\left(k\right)\right|}^2})\right]---\left(7\right)$

假设对于在两个天线之间的相等功率，以下公式是正确的：

$P_i\left(k\right)=P_j\left(k\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}P\left(k\right)/2---\left(8\right)$

度量准则决定可被表示为：

$\stackrel{\max }{i,j,P_i,P_j}\stackrel{\mathrm{\Σ}}{k}[{\log }_2(1+\frac{P\left(k\right){\left|H_{\mathrm{il}}\left(k\right)\right|}^2}{P\left(k\right){\left|H_{i2}\left(k\right)\right|}^2+2{\left|Z_i\left(k\right)\right|}^2})+{\log }_2(1+\frac{P\left(k\right){\left|H_{j2}\left(k\right)\right|}^2}{P\left(k\right){\left|H_{j1}\left(k\right)\right|}^2+2{\left|Z_j\left(k\right)\right|}^2})]---\left(9\right)$

图2示意地显示了包括给定载波带宽40内的多个子载波或音调的导引信号结构。

在一个例子中，被用于把子载波分组成子集的相干带宽包括多个相邻的子载波，诸如子载波42，44，46和48。在这样的例子中，下一个子集从子载波50开始。

用于把子载波分组成子集的另一个示例性技术包括使用基于多个发送天线的导引信号结构。在图2上，使用四个导引信号和四个发送天线。在这个例子中，每隔四个要被放置在子集中的子载波来进行选择，以使得每个子集与互相正交的导引信号中的一个导引信号相关。例如，子载波42，50，52和54处在第一子集内。子载波44，56，58和60处在下一个子集内。每隔四个子载波来进行选择(即，因为有四个发送天线)提供了用于把子载波分组成子集以便最终简化对于为每个订户选择移动台所作出的决定的次数的另一个示例性技术。

作为移动台选择过程的一部分，使用导引信号结构是有用的，因为导引信号可被用来按已知的方式提供信道反馈。例如，导引信号在基站34处周期地发送，以及具有M个发送天线的天线系统典型地从每个天线发送M个正交的导引信号。另一个例子是当多卜勒频率不高时使用时间复用的导引信号结构。在每个移动台处，导引信号强度在每个移动台(i，j)被测量，并被反馈回到基站34。

再次参照图2，对于用户i、天线m和子载波k的导引信号干扰比(SIR)可被表示为：

${\mathrm{SIR}}_{\mathrm{im}}^{\mathrm{Pilot}}\left(k\right)=\frac{P^{\mathrm{Pilot}}{\left|H_{\mathrm{im}}\left(k\right)\right|}^2}{{\left|Z_i\left(k\right)\right|}^2}---\left(10\right)$

其中P^Pilot表示导引信号发送功率，H_im(k)是对于音调k的信道系数，以及|Z_i(k)|²表示干扰功率，它包括载波内干扰(ICI)和热噪声。

每个子载波的信号干扰比被反馈回到基站34，以使得调度器36可以选择适当的移动台，并相应地调度天线。当信道在子载波的子集内是平坦的时，在以上的公式(2)中的度量可以根据以下关系式从导引信号干扰比中进行确定：

${\log }_2(1+\frac{{P_i\left(k\right)\left|H_{\mathrm{il}}\left(k\right)\right|}^2}{P_j\left(k\right){\left|H_{i2}\left(k\right)\right|}^2+{\left|Z_i\left(k\right)\right|}^2})={\log }_2\frac{(P_i\left(k\right){\left|H_{i1}\left(k\right)\right|}^2/{\left|Z_i\left(k\right)\right|}^2)}{P_h\left(k\right){\left|H_{i2}\left(k\right)\right|}^2/{\left|Z_i\left(k\right)\right|}^2+1}$

$={\log }_2(1+\frac{P_i\left(k\right){\mathrm{SIR}}_{i1}^{P1\mathrm{lot}}\left(k\right)/P^{\mathrm{Pilot}}}{P_j\left(k\right){\mathrm{SIR}}_{i2}^{\mathrm{Piiot}}\left(k\right)/P^{\mathrm{Pilot}}+1})---\left(11\right)$

当使用相等的功率分配时，天线选择可以在移动台处完成。所有天线的信号干扰比被测量，并且在移动台处计算天线选择度量。当P_i(k)＝P_j(k)时，对于用户i和天线m的度量M_im被计算为：

$M_{\mathrm{im}}={\log }_0(1+\frac{P_i\left(k\right){\left|H_{i1}\left(k\right)\right|}^2}{P_j\left(k\right){\left|H_{i2}\left(k\right)\right|}^2+{\left|Z_i\left(k\right)\right|}^2})={\log }_2(1+\frac{{\mathrm{SIR}}_{i1}^{\mathrm{Pilot}}\left(k\right)}{{\mathrm{SIR}}_{i2}^{\mathrm{Pilot}}\left(k\right)+1})---\left(12\right)$

以及对于音调k的用户i的CQI被计算为：

CQI_i(k)＝max_mM_im(k)

本例中的最大度量或CQI是最佳测量的度量，所以，它提供了关于对于一个子载波或子载波组要选择哪些移动台来与每个天线相关联的指示。

在一个示例性操作模式中，功率分配是相等的，调度器36选择使得公式(2)或(7)最大化的移动台的用户。在本例中：

CQI_i(k)＝MAX_m[M_im(k)]

a_i(k)＝argmax_m[SIR_im(k)]

在另一个示例性操作模式中，功率分配是灵活的，以及调度器36选择使得以上公式(6)或(9)最大化的移动台，其中CQI_im(k)＝SIR_im(k)。

还有其它的用于决定针对子载波对于每个天线要选择哪些移动台的度量和技术，以及从本说明书获益的本领域技术人员将会认识到，对于其特定的情形，什么度量和技术工作得最好。例如，IEEE802.16-REVd和IEEE 802.16-REVe系统具有支持波束形成技术的前同步信号(preamble)和消息。所述前同步信号可被用作按照以上提供的说明的、用于分布式多天线调度的准则。对于IEEE 802.16-REVe型系统利用本发明的实施例，将显著地增加各种移动环境的前向链路中的扇区吞吐量。

在一个例子中，从基站周期地发送自适应天线子系统(AAS)前同步信号。移动台选择前同步信号，并按已知方式执行天线选择。另外，所选择的天线的CQI被反馈回到基站。然后在基站处作出天线选择和调度决定。基站可以使用灵活的或优选的功率分配算法，以改进吞吐量性能。

在IEEE 802.16-REVd中，帧的一部分被专用于支持AAS操作的业务。在这个部分期间，AAS前同步信号在下行链路中被发送，用于波束选择和下行链路信道估值。虽然AAS前同步信号打算用于波束形成，但相同的前同步信号在本例中被用于分布式多天线调度(DMAS)。在本例中，前同步信号从每个天线被发送，而在AAS模式中，前同步信号从每个波束被发送。用于DMAS的前同步信号的时域结构具有两个相同的OFDM码元。前同步信号从多达M个天线被发送。例子是针对M＝4个天线显示的，但本发明并不限于M＝4，而是可被一般化。对于天线m、子载波k的前同步信号由下式给出：

对于m＝0，

$P_{\mathrm{AAS}}^m\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& k\mathrm{mod}4\≠0\\ \mathrm{conj}\left\{P\left(k\right)\right\}& k\mathrm{mod}4=0\end{array}\right.$

以及对于m＝1，2，3，

$P_{\mathrm{AAS}}^m\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& k\mathrm{mod}4\≠m\\ \mathrm{conj}\left\{P(k+2-m)\right\}& 4\mathrm{mod}4=m\end{array}\right.$

其中P(k)表示对于音调k的全带宽前同步信号序列。

移动台检测从每个天线发送的前同步信号。移动台选择用于下行链路传输的最佳天线，并把优选的天线告知基站34。已知类型的消息可被用来表示选择的天线标号。在一个例子中，两个消息被用来反馈对于特定天线的CQI。具有特定的天线掩码(mask)的适当的消息可被用来请求用于特定天线的CQI。移动台通过发送具有用于和每个天线相对应的频率组的信道测量值的消息而进行应答。

在给出本说明书和IEEE 802.16-REVd和IEEE 802.16-REVe标准的知识后，本领域技术人员将能够开发出适当的发送机和接收机配置来实现这样的分布式多天线调度，所述分布式多天线调度使用前同步信号作为用于针对子载波来选择移动台的手段，如刚描述的那样。

前面的说明实际上是示例性的，而不是限制性的。对所公开的例子的改变和修改对于本领域技术人员是明显的，所述改变和修改未必背离本发明的实质。给予本发明合法保护的范围可以仅通过研究以下的权利要求而被确定。

Claims (10)

1.一种通信的方法，包括：

选择多个移动台，用于至少接收在给定的载波带宽内的多个子载波中的至少一个所选择的子载波上的来自相应的多个天线的同时传输。

2.权利要求1的方法，包括：使用多个天线中的第一天线用于发送第一通信到所选择的移动台，和使用多个天线中的第二天线用于发送第二通信到所选择的移动台。

3.权利要求2的方法，包括：使用分布式多天线调度，用于控制来自多个天线的传输，以使得移动台中的第一移动台有效地接收第一通信，以及移动台中的第二移动台有效地接收第二通信。

4.权利要求1的方法，包括：

确定与在至少所选择的子载波上向至少两个移动台中的每个移动台进行发送有关的功率电平；以及

选择对于接收传输具有最大的组合的传输数据速率的移动台。

5.权利要求1的方法，包括：把多个子载波安排成多个子集，每个子集具有子载波中的至少两个子载波。

6.权利要求5的方法，包括：根据与至少一个子集内的至少一个子载波有关的至少一个所选择的准则来确定对于在该子集内的每个子载波要选择哪些移动台。

7.权利要求5的方法，其中有M个用于发送同时传输的天线，以及该方法包括：通过在所述带宽内每隔M个子载波来取子载波用于子集中的每个子集而安排子集。

8.权利要求5的方法，包括：把多个相邻的子载波安排在每个子集中。

9.权利要求1的方法，其中每个移动台使用整个带宽。

10.权利要求1的方法，包括：选择移动台，用于使得在整个带宽上于所选择的时间间隔期间对传输进行接收的总速率最大化。

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