CN1852048B - 多天线系统中的公共信号发射方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多天线系统中的公共信号发射方法，该方法将公共信号的子载波按预定的划分方式分配给各个阵元，通过各阵元进行发射；移动台依据所述预定的划分方式对接收到的发射信号进行解调，以接收该公共信号。本发明还同时公开了一种基站和移动台。本发明利用OFDM/OFDMA系统的这种特点，把公共信号的不同频率即不同子载波分配给各个阵元，使得公共信号的功率被分配到各个阵元上，以达到功率均衡，进而减少设计规格的种类，降低开发成本。

Description

多天线系统中的公共信号发射方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种多天线系统中的公共信号发射方法及装置。

背景技术

自适应天线系统AAS(Adaptive Antenna System)是通过信号加权来自适应控制多天线阵列的波束形状，形成指向期望用户的空间窄波束，从而提高信噪比和抑制干扰的先进无线通信技术。在无线蜂窝系统中，通常在基站中实现自适应波束形成，当移动台与基站建立通信以后，基站可以跟踪移动台的位置并使用指向该移动台的窄波束把专用信号发送给该移动台。同时，基站还使用覆盖整个小区的宽波束发送广播消息等公共信号以使得小区内的所有移动台都能够接收到。为了获得宽波束，通常只在一根阵元上发射公共信号。如图1所示的4天线自适应天线系统基站的示意图，天线阵有4个阵元。公共信号只在阵元1上发射，以形成覆盖小区的宽波束，当然所述公共信号也可以在其他阵元上发射。发给移动台A的专用信号分成四路后与其对应的权值矢量相乘，分别在四个阵元上发射出去，在空间形成指向该移动台的窄波束。当用户在小区内的位置发生变化时，基站能够自适应更新权值矢量，使得窄波束可以跟随用户移动。由于公共信号使用宽波束发射，没有波束增益，需要使用更大的功率发射才能获得与专用信号相同的覆盖范围，这将导致各个阵元的发射功率不相等，发射公共信号的阵元的发射功率明显大于其它阵元。尤其在一些通信系统中，如码分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)和正交频分复用多址(OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access)系统，一些公共信号与专用信号在时间上是重叠的，这意味着其中一个阵元需要同时发射公共信号和专用信号，进一步加剧了阵元之间的功率不平衡现象。阵元之间的功率不平衡影响系统设计，增加一种设计规格，从而增加产品成本。在图1所示的系统中，由于公共信号也在阵元1上发射，阵元1的功率放大器PA1(Power Amplifier)的输出功率将明显大于其它几个阵元的功率放大器PA2、PA3、PA4的输出功率。

另外，通常的AAS系统都需要做通道校正，以保证各个通道的传输特性如时延、相位、幅度增益等特征一致。如果各个通道的传输特性不一致，将影响窄波束的方向精确度，有可能引起性能严重恶化甚至不能工作。典型的通道校正方法为注入参考信号的方法，如图2所示为典型的2阵元AAS的发射通道校正示意图。

基带单元分别给两个收发信机(TRX，Transceiver)注入两个参考信号序列，这两个序列经过两个发射通道，携带两个发射通道的传输特性，耦合器把信号送到校正收发信机，通过校正计算单元分别检测这两个序列的特征(要求两个序列在时域或频域正交)而得到发射通道的传输特性，并反馈到基带单元对两个通道进行校正。由于只需要知道两个发射通道的相对特性，校正收发信机本身的传输特性及其他处理延时不影响结果。为了降低对用户正常信号的影响，这些注入信号的功率都比较低，因而这些参考信号会受到正常信号的干扰，校正精度会受到一定影响。

正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术是一种把高速数据流分割成一系列的更低速率的数据流，并在一系列相互正交的子载波上并行传输的技术。利用子载波之间的正交特性而把不同的子载波分配给不同的用户则称为正交频分复用多址(OFDMA)，这个时候正交子载波分配成为了一种多址技术。图3是一种OFDMA信号结构示意图。图中垂直方向是频率轴，代表所有子载波，水平方向是时间轴，代表不同的OFDMA符号。系统可以灵活地把频率轴/时间轴上的二维资源分配给各个信道，频率轴上最小粒度为一个子载波组(一个或多个子载波)，时间轴上的最小粒度为一个OFDM符号组(一个或多个OFDM符号)。图中公共前导、帧控制信道、下行映射指示信道、上行映射指示信道都是公共信号，需要使用覆盖整个小区的宽波束发射，当前的方案中这些信号在一个阵元上发射，而下行专用信道1、下行专用信道2、下行专用信道3、下行专用信道4都是发给某个移动台的专用信号，需要使用指向该移动台的窄波束发射。在电气与电子工程师协会(IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers.)制定的802.16系列标准中，多天线情况下的公共信号仍然采用单个阵元发射。

综上所述，业界现有的实现方案中的AAS系统上，公共信号只在天线阵列的一个阵元中发射，导致该阵元的功率放大器的输出功率大于其他阵元的输出功率，从而增加了设计成本。另外，进行发射通道校正时需要为每个通道注入一个额外的参考信号，而且这些参考信号需占用额外的资源并可能带来干扰，而且这些参考信号也容易受到正常信号的干扰，校正精度受到一定影响。类似，在其它多天线系统，如多输入多输出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)系统中，公共信号通常也只在其中的一个天线(等同于AAS天线阵的一个阵元，在本文中“天线”和“阵元”含义相同，都是指多天线系统中的一个天线单元)上发射，因此存同样的不足。

发明内容

本发明提供一种多天线系统中的公共信号发射方法及装置，以解决现有技术通过一个阵元发射公共信息存在成本高的问题；进一步解决现有技术利用额外的参考信息校正通道存在占用额外资源和影响校正精度的问题。

本发明提供以下技术方案：

一种多天线系统中的公共信号发射方法，包括如下步骤：

A、将公共信号的子载波按预定的划分方式分配给各个阵元，通过各阵元进行发射；

B、移动台依据所述预定的划分方式对接收到的发射信号进行解调，以接收该公共信号。

其中：

所述划分方式是按子载波全集划分，即对公共信号的所有子载波进行划分。

所述划分方式是依据频率轴进行划分，或者频率轴结合时间轴进行划分。

所述依据频率轴进行划分是指根据某一粒度进行连续划分。

所述划分方式是指将公共信号的子载波进行划分的过程中，保留一组特定的子载波来广播划分参数。

所述划分方式在基站协议中预先约定。

所述约定方式是完全约定，所述移动台接收到发射信号后，直接根据所述划分方式对接收到的信号进行解调。

约定将公共信号的子载波全集划分为阵元子载波子集的粒度。

步骤B进一步是指移动台依据约定的粒度，使用同一粒度内的辅助信号来进行信道估计并解码，以接收该公共信号。

所述约定方式是指预先约定使用一组特定的子载波来广播公共信号的划分参数，所述移动台先从该组子载波上获取所述划分参数，以确定阵元子载波子集与阵元间的对应关系，再进行信号解调。

在解调过程中，所述移动台使用专用信号所包含的辅助信号估计专用信号的信道因子。

在解调过程中，所述移动台使用公共信号中的辅助信号估计专用信号的信道因子。

基站在每一次发送专用信号给一个移动台时，仅使用一个阵元子载波子集内的部分或全部子载波，并且使用该阵元作为当前专用信号的波束权值的相位参考点；所述移动台就直接使用该子集对应的公共信号的辅助信号来估计信道因子。

基站采用广播方式将辅助参数发送给移动台，所述移动台根据该辅助参数使用公共信号中的辅助信号估计专用信号的信道因子。

所述辅助参数包括阵列的相位参考点、天线阵阵元归一化间距、辅助信号的发射阵元、以及移动台与基站天线阵面间的方位角信息。

所述的方法进一步包括利用公共信号的辅助信号校正发射通道；在对发射通道进行校正时，所述公共信号的辅助信号携带各发射通道的传输特性后进入耦合器，耦合器将辅助信号送到校正收发信机，通过校正计算单元分别检测各辅助信号序列的特征取得发射通道的传输特性，并将所述特性反馈到基带单元对各通道进行校正。

一种基站，包括：

公共信号单元，用于产生公共信号；

多个逆快速傅立叶变换IFFT单元，用于将信号从频域变换到时域；

校正计算单元，用于估计发射通道传输特性；

校正实施单元，用于根据估计值进行通道校正；

公共信号分配模块，用于将所述公共信号的子载波按预定的划分方式进行划分，并将划分后的各子载波分别分配到各IFFT单元。

所述校正计算单元使用公共信号的辅助信号估计发射通道传输特性，并传送给所述校正实施单元。

所述公共信号分配模块设置在所述公共信号单元中。

一种移动台，包括：

用于发送和接收信号的收发信机；

用于从收发信机接收的信号中提取公共信号并解调的公共信号单元；

用于从收发信机接收的信号中提取专用信号并解调的专用信号单元；

其中，所述公共信号单元包括：用于根据公共信号中的辅助信号估计公共信号的信道因子的第一信道估计模块；利用所述第一信道估计模块估计出的信道因子，并依据预定的公共信号划分方式解调公共信号的解调解码模块；所述专用信号单元包括：用于根据专用信号中的辅助信号估计专用信号的信道因子，或者根据公共信号中的辅助信号估计专用信号的信道因子的第二信道估计模块；利用所述第二信道估计模块估计出的信道因子解调专用信号的解调解码模块。

本发明中利用OFDM/OFDMA系统的这种特点，把公共信号的不同频率即不同子载波分配给各个阵元，使得公共信号的功率被分配到各个阵元上，达到功率均衡，进而减少设计规格的种类，降低开发成本。

同时在本发明的方法中，每个阵元子载波自己中包含有用于辅助移动台解调公共信号的辅助信号，这些辅助信号可以直接用于发射通道的校正，而不需要另外注如参考信号，避免了与系统正常信号之间的相互干扰，使通道校正的精度可以大大提高，又不会影响正常通信的性能。

附图说明

图1为现有技术中四天线ASS基站示意图；

图2为现有技术中的发射通道校正方案示意图；

图3为OFDMA符号结构示意图；

图4为本发明实施例中将公共信道按子载波均匀分配在不同阵元上的示意图；

图5为本发明实施例中通道校正系统结构示意图。

图6为本发明实施例中基站的结构示意图；

图7为本发明实施例中移动台的结构示意图。

具体实施方式

正交频分复用OFDM系统是一种把高速数据流分割成一系列的更低速率的数据流，并在一系列的子载波上并行传输的技术。由于每个子载波的数据速率更低，并加上其它技术如循环前缀CP(Cyclic Prefix)的使用，使得OFDM系统具有很好的抗多径能力。基于OFDM子载波之间的正交特性，OFDM也可以用作一种多用户的多址方式，称为正交频分复用多址OFDMA，实际系统中通常采用频分与时分结合的多址方式。

在OFDM/OFDMA系统中，很容易即把信号的不同频率即不同子载波分配给不同的用户，本发明中利用OFDM/OFDMA系统的这种特点，把公共信号的不同频率即不同子载波分配给各个阵元(在本发明中“天线”和“阵元”含义相同，都是指多天线系统中的一个天线单元)，使得公共信号的功率被分配到各个阵元上，达到功率均衡的目的。

如图3所示的OFDMA信号结构示意图。图中垂直方向是频率轴，代表所有子载波，水平方向是时间轴，代表不同的OFDMA符号。系统可以灵活地把频率轴/时间轴上的二维资源分配给各个信道，频率轴上最小粒度为一个子载波组(一个或多个子载波)，时间轴上的最小粒度为一个OFDM符号组(一个或多个OFDM符号)。图中公共前导、帧控制信道、下行映射指示信道、上行映射指示信道都是公共信号，需要使用覆盖整个小区的宽波束发射，而下行专用信道1、下行专用信道2、下行专用信道3、下行专用信道4都是发给某个移动台的专用信号，需要使用指向该移动台的窄波束发射。

利用OFDM/OFDMA系统的频率复用的特点，把公共信号的不同子载波分配到多个阵元上的方式比较多，可以依据频率轴进行划分，也可以依据时间轴进行划分。划分方式可以是连续分块的方式，也可是打散的分布式方式，或者二者结合的方式。可以预先约定(如通过协议规定)公共信号的划分参数，也可以只预先约定保留一组特定的子载波用来把公共信号的划分参数广播给移动台。

图4示意了连续方式和分布式方式两种划分方式。为了便于描述，这里把OFDM/OFDMA符号的所有子载波称为“子载波全集”，分配到N个阵元上(N为阵元个数)的子载波称为公共信号的N个“阵元子载波子集”。由于只有公共信号需要做这种子载波的划分，下面直接称为“阵元子载波子集”，所述公共信号的4个阵元子载波子集分别通过阵元1、2、3、4发射，以形成覆盖小区的宽波束。所述移动台相应于阵元子载波子集的划分方式对接收到的信号进行解调，以接收该公共信号。

在移动台处，不同阵元子载波子集之间的相位是不连续的，移动台需预先知道基站的阵元子载波子集的划分方式才能解调。可以在通信协议中预先约定基站的子载波对各阵元全集划分成阵元子载波子集的方式，可以完全约定，也可以部分约定。

如果是完全约定，收发双方按照约定的方式就可以完成通信，比如：基站将子载波全集划分为阵元子载波子集的粒度是已知的，移动台只要按照相同的粒度接收，即使用同一粒度内的辅助信号，如前导、导频等来进行信道估计并解码，就可以接收到基站信号。

如果是部分约定，可以用一组参数来规定这种划分关系，可以预先约定使用一组特定的子载波来广播这组划分参数。这一组子载波只能集中在一个阵元上发射。移动台(SS)需要从这组子载波上获取这些广播参数以得到阵元子载波子集与阵元间的对应关系。

上述的把子载波全集划分成N个阵元子载波子集的处理方法只针对那些需要覆盖整个小区的公共信号，而发给某个移动台的专用信号不受影响。每个阵元子载波子集中包含有用于移动台作信道估计的辅助信号，如前导，导频等，移动台使用这些辅助信号来估计公共信号的信道因子。移动台解调专用信号时不使用这些辅助信号，而是使用专用信号中子集包含的辅助信号来估计专用信号的信道因子。

另外，移动台也可以使用公共信号中的辅助信号来估计专用信号的信道因子。基站在每一次发送专用信号给某一个移动台时，只使用某一个阵元子载波子集内的部分或全部子载波，并且使用该阵元作为当前专用信号的波束权值的相位参考点，移动台就可以直接使用该子集对应的公共信号的辅助信号来估计信道因子；或者，基站采用广播方式把阵列的相位参考点、天线阵阵元归一化间距(阵元间距/波长)、辅助信号的发射阵元、以及移动台与基站天线阵面间的方位角信息等辅助参数发送给移动台，移动台根据这些辅助参数使用公共信号中的辅助信号。

在本发明的方法中，每个阵元子载波本身包含有用于辅助移动台解调公共信号的辅助信号，这些辅助信号可以直接用于发射通道的校正，而不需要另外注入参考信号。如图5所示，在公共信号模块内按前述子载波划分方法把公共信号划分为两部分分别在两个阵元上发射。所述公共信号中的辅助信号经过两个发射通道，携带两个发射通道的传输特性，耦合器把辅助信号送到校正收发信机，通过校正计算单元分别检测这两个辅助信号序列的特征而得到发射通道的传输特性，并反馈到基带单元对两个通道进行校正。因此，在发射的信号中不再需要注入参考信号，直接利用辅助信号代替参考信号进行发射通道的校正。这样，可进一步可以避免传统参考信号校正方法对系统正常信号造成干扰，而且也由于正常信号没有干扰这些辅助信号，通道校正的精度可以大大提高。

相应的，一种基站的信号发射结构如图6所示，图中以4阵元的多天线系统为例，阵元数目不同时结构原理相同。该基站包括多阵元天线阵、耦合器、功放(PA)、收发信机(TRX)、校正TRX、校正计算单元、校正实施单元、逆快速傅立叶变换单元(IFFT)、控制单元、公共信号单元和若干专用信号单元。其中：

所述IFFT用于把信号从频域变换到时域。

所述公共信号单元内除了编码调制模块外还包含一个公共信号分配模块，用于将公共信号的子载波按某种预定的方式划分后分配到IFFT单元。公共信号分配模块设置在公共信号单元内仅是一种较佳方式，并不局限于此。

所述专用信号单元接收来自媒体接入控制层(MAC，Medium Access Control)的数据包，对其进行编码调制。专用信号单元内还包含波束形成模块，用于形成专用信号的窄波束。

所述校正计算单元使用公共信号的辅助信号进行发射通道传输特性的计算并把计算结果传递给校正实施单元进行通道校正。

由于通道校正实施和波束形成既可以在时域实现也可以在频域实现，所以校正实施单元、IFFT和波束形成模块的位置可以变换，图6仅是给出了了一种实例。另外，IFFT也可以放入到公共信号单元和专用信号单元内部，公共信号和专用信号分别完成IFFT之后再合并。

相应的，一种移动台的信号接收结构如图7所示，包括：用于发送和接收信号的收发信机(TRX)、快速傅立叶变换(FFT)、公共信号单元和专用信号单元。

所述公共信号单元用于从所述收发信机接收的信号中提取公共信号并解调；所述专用信号单元用于从所述收发信机接收的信号中提取专用信号并解调。

进一步的，公共信号单元包括：用于根据公共信号中的辅助信号估计公共信号的信道因子的信道估计模块，以及利用信道因子解调公共信号的解调解码模块。解调后的数据包发送给MAC处理部分。

进一步的，专用信号单元包括：用于根据专用信号中的辅助信号估计专用信号的信道因子，或者根据公共信号中的辅助信号估计专用信号的信道因子的信道估计模块，以及利用该信道因子解调专用信号的解调解码模块。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种多天线系统中的公共信号发射方法，其特征在于，包括如下步骤：

将公共信号的子载波按在基站协议中预定的划分方式分配给各个阵元，通过各阵元进行发射，其中，所述划分方式是依据频率轴进行划分，或者频率轴结合时间轴进行划分；

移动台依据所述预定的划分方式对接收到的发射信号进行解调，以接收该公共信号；

其中，当采用完全约定方式预定所述划分方式时，移动台依据所述预定的划分方式对接收到的发射信号进行解调具体为：移动台接收到发射信号后直接依据所述划分方式对接收到的信号进行解调；或

当预先约定使用一组特定的子载波来广播公共信号的划分参数时，移动台依据所述预定的划分方式对接收到的发射信号进行解调具体为：移动台先从该组子载波上获取所述划分参数，以确定阵元子载波子集与阵元间的对应关系，再进行信号解调。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述划分方式是按子载波全集划分，即对公共信号的所有子载波进行划分。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据频率轴进行划分是指根据预定的粒度进行连续划分。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述划分方式是指将公共信号的子载波进行划分的过程中，保留一组特定的子载波来广播划分参数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步约定将公共信号的子载波全集划分为阵元子载波子集的粒度；所述移动台依据约定的粒度，使用同一粒度内的辅助信号来进行信道估计并解码。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在解调过程中，所述移动台使用专用信号所包含的辅助信号估计专用信号的信道因子。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在解调过程中，所述移动台使用公共信号中的辅助信号估计专用信号的信道因子。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，基站在每一次发送专用信号给一个移动台时，仅使用一个阵元子载波子集内的部分或全部子载波，并且使用该阵元作为当前专用信号的波束权值的相位参考点；所述移动台就直接使用该子集对应的公共信号的辅助信号来估计信道因子。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，基站采用广播方式将辅助参数发送给移动台，所述移动台根据该辅助参数使用公共信号中的辅助信号估计专用信号的信道因子。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述辅助参数包括阵列的相位参考点、天线阵阵元归一化间距、辅助信号的发射阵元、以及移动台与基站天线阵面间的方位角信息。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括利用公共信号的辅助信号校正发射通道。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在对发射通道进行校正时，所述公共信号的辅助信号携带各发射通道的传输特性后进入耦合器，耦合器将辅助信号送到校正收发信机，通过校正计算单元分别检测各辅助信号序列的特征取得发射通道的传输特性，并将所述特性反馈到基带单元对各通道进行校正。

13.一种基站，包括：

公共信号单元，用于产生公共信号；

多个逆快速傅立叶变换IFFT单元，用于将信号从频域变换到时域；

校正计算单元，用于估计发射通道传输特性；

校正实施单元，用于根据估计值进行通道校正；

其特征在于，还包括：

公共信号分配模块，用于将所述公共信号的子载波按在基站协议中预定的划分方式进行划分，并将划分后的各子载波分别分配到各IFFT单元，其中，所述划分方式是依据频率轴进行划分，或者频率轴结合时间轴进行划分。

14.如权利要求13所述的基站，其特征在于，所述校正计算单元使用公共信号的辅助信号估计发射通道传输特性，并传送给所述校正实施单元。

15.如权利要求13或14所述的基站，其特征在于，所述公共信号分配模块设置在所述公共信号单元中。

16.一种移动台，包括：

用于发送和接收信号的收发信机；

用于从收发信机接收的信号中提取公共信号并解调的公共信号单元；

用于从收发信机接收的信号中提取专用信号并解调的专用信号单元；

其特征在于，所述公共信号单元包括：

用于根据公共信号中的辅助信号估计公共信号的信道因子的第一信道估计模块；

利用所述第一信道估计模块估计出的信道因子，并依据在基站协议中预定的公共信号划分方式解调公共信号的解调解码模块，所述划分方式是依据频率轴进行划分，或者频率轴结合时间轴进行划分；

其中，当采用完全约定方式预定所述划分方式时，解调解码模块依据所述预定的划分方式对公共信号进行解调具体为：解调解码模块接收到发射信号后直接依据所述划分方式对接收到的信号进行解调；或

当预先约定使用一组特定的子载波来广播公共信号的划分参数时，解调解码模块依据所述预定的划分方式对公共信号进行解调具体为：解调解码模块先从该组子载波上获取所述划分参数，以确定阵元子载波子集与阵元间的对应关系，再进行信号解调；

所述专用信号单元包括：

用于根据专用信号中的辅助信号估计专用信号的信道因子，或者根据公共信号中的辅助信号估计专用信号的信道因子的第二信道估计模块；

利用所述第二信道估计模块估计出的信道因子解调专用信号的解调解码模块。

Images