CN1968042B - 用于多天线、正交频分多址蜂窝系统的上行宏分集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于多天线、正交频分多址蜂窝系统的上行宏分集方法，所述多天线、正交频分多址蜂窝系统包括用户端、基站和无线网络控制器，所述方法包括以下步骤：参与宏分集的多个基站中的每一个通过信道估计，获得用户端与该基站的信道增益矩阵系数；根据信道增益，计算每个基站的各个天线支路的信噪比；对计算得到的信噪比进行排序，并从参与宏分集的全部基站的全部天线中，选择与要进行通信的用户端的天线数相对应的、信噪比较高的多幅天线；针对选择出的天线支路，该天线支路所属的基站分别利用对应的载波进行快速傅立叶变换解调；以及无线网络控制器对解调后的信号进行多天线检测或译码。

Description

用于多天线、正交频分多址蜂窝系统的上行宏分集方法 

技术领域

本发明涉及无线信息传输领域，特别是采用正交频分复用(OFDM)技术的无线局域网、固定无线接入、移动通信、地面数字电视广播等信息的传输系统和相应的通信方法。更具体地，本发明涉及一种用于多天线、正交频分多址(MIMO OFDMA)蜂窝系统的上行宏分集方法。 

背景技术

随着无线网络、多媒体技术和因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信系统，将广泛采用一些新技术，如正交频分复用(OFDM)、多天线(MIMO)等。 

OFDM在频域把信道分成许多正交子信道，整个宽带频率选择性信道被分成相对平坦的子信道，同时，在每个OFDM符号间插入循环前缀(CP)作为保护间隔(GI)，大大减小了符号间干扰(ISI)。目前，在第三代移动通信标准化组织(3GPP)的长期演进计划(LTE)中，把它作为下(上)行链路的关键传输技术。 

OFDM用于蜂窝移动通信系统中，需支持多用户接入。现有的多址接入方式，如时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)都可用于OFDM系统。采用OFDMA(正交频分多址)与TDMA相结合的混合多址技术OFDMA-TDMA具有二者的优点，它可以在每个时隙内为不同用户动态分配载波，提供了精细、灵活的时频资源分配，可获得多用户分集增益。该技术已应用到基于OFDM的新型无线通信系统，如宽带无线接入IEEE 802.16标准和以Flash-OFDM为基础的IEEE 802.20标准中。在3GPP LTE的一些提案 中，也把OFDMA-TDMA作为基本的传输方式。 

在LTE提案中，上行链路OFDMA-TDMA有两种传输方法。 

一类是频率分集的OFDMA，其特点是分配给用户的子载波散布在OFDM符号的所有频域载波中，也称之为分布式FDMA(DistributedFDMA：D-FDMA)。 

另一类是频域调度的OFDMA-TDMA，其特点是采用调度算法把OFDM符号中所有载波的一部分连续载波(载波块chunk)分配给用户，也称为局部化FDMA(Localized FDMA：L-FDMA)。图1示出了局部化FDMA的示例。载波块A～D被分配给用户1，载波块E～K被分配给用户2。 

第一类OFDMA已应用于IEEE 802.16标准中，第二类OFDMA系统具有频谱效率高的优点，且通过频域OFDM子载波调度，可避免小区间干扰，支持复用因子为1的多小区系统频率复用，即网络中所有小区使用同一射频载波频率。 

MIMO系统是指在发送和接收端使用多元天线阵列的系统，能显著提高系统容量和无线传输链路质量。利用MIMO技术提高系统容量和传输质量的方式包括两类：空分复用和空间分集。空分复用的典型应用实例是贝尔实验室提出的分层空时结构(BLAST)，把整个数据流分解成若干个单独的子数据流从多幅天线并行发送；在接收天线大于或等于发送天线数时，BLAST的信道容量与发送天线数成线性关系。空间分集利用发送、接收天线间的多径传播，来提高系统鲁棒性；又包括接收分集和发送分集，如空时格码和空时分组码等。 

MIMO与OFDM相结合的MIMO OFDM传输技术具有两者的优点，它既通过OFDM调制把频率选择性MIMO衰落信道分解成一组并行平坦衰落信道，又利用MIMO提高了系统容量，适用于传输高速率、高质量的多媒体业务。传统的MIMO OFDM大多用于无线局域网或固定无线接入系统，随着技术的发展和业务的需求，它将应用于蜂窝移动通信系统中。在蜂窝MIMO OFDM系统中，当用户终端传送多媒体、视频电话业务时，要求低时延和低分组(数据包)丢弃率，而位于小区边缘的用户终端易受信道阴影衰落和干扰影响，其传输业务的质量常会降低。目前3GPP LTE对上行的提案(特别是L(D)-FDMA与MIMO相结合的系统)的研究较少。

为提高质量业务传输性能，针对MIMO L(D)-FDMA系统，本发明提出通过相邻小区间的载波切换和宏分集处理，达到提高上行链路通信质量的目的。 

参考文献列表：

[1]3GPP R1-050584，Motorola，EUTRA Uplink Numerology and Design，RAN 142bis 

[2]3GPP R1-050590，NTT DoCoMo，Physical channels and multiplexing in evolved UTRA downlink，RAN 1Ad Hoc on LTE 

[3]3GPP R1-050591，NTT DoCoMo，Physical channels and multiplexing in evolved UTRA uplink，RAN 1Ad Hoc on LTE 

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于多天线、正交频分多址(MIMO OFDMA)蜂窝系统的上行宏分集方法。 

为了实现上述目的，根据本发明，提出了一种用于多天线、正交频分多址蜂窝系统的上行宏分集方法，所述多天线、正交频分多址蜂窝系统包括用户端、基站和无线网络控制器，所述方法包括以下步骤：参与宏分集的多个基站中的每一个通过信道估计，获得用户端与该基站的信道增益矩阵系数；根据信道增益，计算每个基站的各个天线支路的信噪比；对计算得到的信噪比进行排序，并从参与宏分集的全部基站的全部天线中，选择与要进行通信的用户端的天线数相对应的、信噪比较高的多幅天线；针对选择出的天线支路，包括该天线支路的基站分别利用对应的载波进行快速傅立叶变换解调；以及无线网络控制器对解调后的信号进行多天线检测或译码。 

优选地，所述用户端以不同的载波或载波组与不同的基站进行通信。 

优选地，所述用户端以相同的载波或载波组与所有基站进行通 信。 

优选地，所述多天线、正交频分多址蜂窝系统以空分复用方式进行操作。 

优选地，所述多天线、正交频分多址蜂窝系统以空时编码方式进行操作。 

优选地，所述多天线、正交频分多址蜂窝系统为多天线、局部化频分多址蜂窝系统。 

优选地，所述多天线、正交频分多址蜂窝系统为多天线、分布式频分多址蜂窝系统。 

与单天线接收相比，本发明选择了信噪比较高的接收天线，故误比特率性能较优；与一般的宏分集相比，本发明避免了每个基站端的信号处理，降低了复杂度。而且，在根据本发明的方法中，将用户端的数据符号经不同载波调制后发射到不同小区的基站端，可以降低小区间的干扰；同时，针对选择出的天线支路，利用对应的载波解调后进行空时检测、译码，可以恢复发射信号。 

随着技术的发展，未来的蜂窝移动通信系统，特别是微蜂窝网络，基站将逐步简化成一个接入点或天线，本发明所提出的方法应用于该系统更具优势，因为接入点天线端直接把信号传送到网络控制器端，在控制器端选择接收天线，并利用天线端接收到的信号，进行发射符号的恢复。 

附图说明

下面将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中： 

图1示出了局部化FDMA的示例； 

图2示出了蜂窝MIMO系统的示例； 

图3示出了多小区OFDMA系统的示例； 

图4A示出了传统的L-FDMA发射装置，以及图4B示出了用在本发明中的L-FDMA发射装置； 

图5是用于说明小区内\间干扰的示意图； 

图6A示出了传统的宏分集载波映射方法，以及图6B示出了根据 本发明的宏分集载波映射方法； 

图7A示出了传统的MIMO宏分集，以及图7B示出了本发明的MIMO宏分集； 

图8是示出了根据本发明实施例的用于蜂窝MIMO OFDMA系统的上行宏分集方法的步骤的流程图；以及 

图9是示出了传统MIMO宏分集方法的步骤的流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。所描述的各种数值并非用于限定本发明，这些数值可以根据本领域普通技术人员的需要进行任何适当的修改。 

蜂窝MIMO OFDMA系统

图2示出了蜂窝MIMO系统的示例。在基站BTS端和用户UE端均安装有多幅天线，用户与基站间进行通信。图3示出了多小区OFDMA系统的示例，示出了一个采用六边形蜂窝形状的多小区MIMO OFDMA系统。每个小区周围有六个相邻小区，每个基站覆盖一个小区，无线网络控制器RNC管理所有基站。设基站下行链路(从基站到用户侧)传输采用OFDMA方式，而用户端上行链路(从用户侧到基站侧)采用局部化FDMA传输方式。 

图4A示出了传统的L-FDMA发射装置，通常为单天线L-FDMA发射装置。输入比特流经串/并模块401输入到编码调制模块402进行信道编码、符号调制，利用FFT扩频模块403对数据符号进行扩频(预编码)。然后，把扩频后的符号映射到对应的载波端，并采用IFFT模块404进行IFFT调制，加入CP模块405在IFFT模块404的输出之后插入循环前缀，形成待发射符号。最后，并/串转换模块406把并行信号转换为串行符号后通过天线发送到信道。 

本发明将上述传统的L-FDMA发射装置推广到多天线系统中。图4B示出了用在本发明中的L-FDMA发射装置。输入比特流经串/并模 块401’输入到编码调制模块402’进行信道编码、符号调制，利用FFT扩频模块403’对数据符号进行扩频(预编码)。然后，把扩频后的符号映射到对应的载波端，并采用IFFT模块404’进行IFFT调制，加入CP模块405’在IFFT模块404’的输出之后插入循环前缀，形成待发射符号。最后，由复用或空时码模块406’对待发射符号进行空分复用或空时编码处理后，通过多天线发送到信道。 

在基站端，需采用均衡等信号处理方法恢复接收信号。但当用户位于小区边缘时，接收到的信号强度较弱，同时受到本小区用户带来的小区内干扰和相邻小区带来的小区间干扰。 

图5是用于说明小区内/间干扰的示意图。如图5所示，A小区用户1位于与小区B的边缘处，它受到来自用户2的小区内干扰和基站B中用户3、基站C中用户4带来的小区间干扰。 

若设用户端天线k在t时刻的接收信号为r_k(t)，则它可表示为 

$r_k\left(t\right)=\underset{u=1}{\overset{U_{\mathrm{own}}}{\mathrm{\Σ}}}{y}_u\left(t\right)+\underset{u=1}{\overset{U_{\mathrm{other}}}{\mathrm{\Σ}}}{z}_u\left(t\right)+w\left(t\right)---\left(1\right)$

其中y_u(t)＝H_ux_u(t)为用户u接收到的本小区U_own个用户的小区内干扰信号，z_u(t)为用户u接收的其他小区U_other个用户的小区间干扰信号，w(t)为噪声。相应地，天线k接收信号(包括小区内/间)总功率为 

E{|r_k(t)|²}＝I_total＝I_own+I_other+W    (2) 

其中用户u接收信号总功率 $I_{\mathrm{own}}=E\left\{{\left|\underset{u=1}{\overset{U_{\mathrm{own}}}{\mathrm{\Σ}}}{y}_u\left(t\right)\right|}^2\right\},$ 干扰功率  $I_{\mathrm{other}}=E\left\{{\left|\underset{u=1}{\overset{U_{\mathrm{own}}}{\mathrm{\Σ}}}{z}_u\left(t\right)\right|}^2\right\},$ 则用户u接收信噪比为 

${(E_b/N_0)}_u=\frac{I_{\mathrm{own}}}{I_{\mathrm{total}}-I_{\mathrm{own}}}---\left(3\right)$

可见，干扰功率直接影响到信号质量。 

用户端载波切换

对于小区内干扰，L-FDMA系统把用户经FFT预编码后的信号映 射到不同的IFFT载波上来降低这些干扰。当用户位于小区边缘时，小区间干扰和信道阴影衰落较严重，采用宏分集来克服衰落的影响。分集技术已广泛用于移动通信系统中以抗衰落。 

分集技术按性质可分为微分集技术和宏分集两类。微分集技术只利用接收机进行分集，它接收同一发射端(基站或移动台)发射的同一信息信号。宏分集允许一个移动终端同时连接到几个基站上，即可以同时接收几个基站端的信号或给几个基站发送信号。一般情况下，微分集用于合并两个或多个小尺度瑞利信号，它是同一基站上的接收信号分集，主要用以抗多径效应引起的瑞利衰落，而宏分集一般用于合并两个或多个大尺度对数正态信号，是基站级的分集，主要用以克服阴影效应引起的慢衰落。 

在宏分集的MIMO L-FDMA系统中，用户端与相邻的多个基站进行通信。例如，参照图5，A小区边缘的用户1分别与基站A、B、C进行通信。 

图6A示出了传统的宏分集载波映射方法，利用相同的载波f₀～f_M-1与宏分集基站进行通信，这些信号可能会叠加在同一载波上，这会造成不同基站间的信号干扰。 

图6B示出了根据本发明的宏分集载波映射方法。根据本发明，为降低这类小区间干扰，各用户采用不同载波与不同基站进行通信，即把与不同基站通信的信号映射到不同的IFFT载波端。参考图6B，在用户与基站A通信时，把FFT扩频后的发射信号映射到第f₀～f₁载波上；在用户与基站B通信时，把FFT扩频后的发射信号映射到第f_M/2-1～f_M/2载波上；在用户与基站C通信时，把FFT扩频后的发射信号映射到第f_M-2～f_M-1载波，该载波映射过程被称为载波切换。 

基站端广义选择天线

下面，将参照图7A和7B，对MIMO宏分集进行详细描述。图7A示出了传统的MIMO宏分集，以及图7B示出了本发明的MIMO宏分集。 

在一般的单天线发送单天线接收(SISO)或单天线发送多天线接 收(SIMO)宏分集系统中，把基站接收信号传送到无线网络控制器进行分集合并。而在多天线系统中，需要利用多幅接收天线进行MIMO检测、译码以恢复信号。参考图7A，如果采用传统的宏分集技术，则需要在每个基站端进行MIMO检测后再合并。这需要多次MIMO信号处理，复杂度较高。因此，本发明提出一类低复杂度的MIMO宏分集方法，该方法把参与宏分集的基站及其安装的天线看作广义的接收天线，从其中选择具有较高信噪比的天线作为接收天线，根据这些天线端的接收信号，恢复发射信号(参见图7B)。 

图8是示出了根据本发明的用于蜂窝MIMO OFDMA系统的上行宏分集方法的步骤的流程图。 

假设用户端与基站端分别安装M和N(正整数)幅天线，且以空分复用或空时编码两种方式之一工作，有K个小区基站参与宏分集。 

在步骤801，每个基站端通过信道估计获得用户端与该基站端的信道增益矩阵系数。然后，在步骤802，根据信道增益，计算每个基站端的各个天线支路(共有M×K个天线支路)的信噪比。在步骤803，对计算得到的信噪比进行排序，并从基站端的M×K幅天线中，选择信噪比较高的N幅天线。在步骤804，针对选择出的天线支路，基站端分别利用对应的载波进行FFT解调。最后，在步骤805，无线网络控制器对解调后的信号进行MIMO检测或译码。 

以下，将根据具体示例，对上述方法进行详细描述。 

设用户端与基站端分别安装M＝4和N＝4幅天线，且以空分复用或空时编码两种方式之一工作，有K＝3个小区基站参与宏分集。具体地，包括以下步骤： 

每个基站端通过信道估计获得用户端与该基站端的信道增益矩阵系数(步骤801)。然后，根据信道增益，计算每个基站端的各个天线支路(共有4×3＝12个天线支路)的信噪比(SNR)(步骤802)： 

基站1每幅天线的接收信噪比(k＝1)：SNR₁₁，SNR₁₂，SNR₁₃，SNR₁₄； 

基站2每幅天线的接收信噪比(k＝2)：SNR₂₁，SNR₂₂，SNR₂₃，SNR₂₄；以及 

基站3每幅天线的接收信噪比(k＝3)：SNR₃₁，SNR₃₂，SNR₃₃，SNR₃₄。 

之后，对所计算出的全部SNR进行排序，并选择信噪比较高的N＝4幅天线(步骤803)。例如，SNR₁₂、SNR₃₄、SNR₂₁、SNR₁₄分别为最高的前4个信噪比，则所选出的4幅天线为基站1的第二幅天线，基站3的第四幅天线，基站2的第一幅天线，基站1的第四幅天线。在这种情况下，各个基站天线均用作接收天线。 

然后，针对选择出的天线支路，基站端分别利用对应的载波进行FFT解调(步骤804)。最后，无线网络控制器端对解调后的信号进行MIMO检测或译码(步骤805)。 

当蜂窝用户位于小区边缘时，同时受到本小区用户带来的小区内干扰和相邻小区带来的小区间干扰，降低了接收信号强度。本发明采用低复杂度宏分集来克服小区间干扰和信道阴影衰落的影响。其方法是：把参与宏分集的基站及安装在所述基站上的天线看作广义的接收天线，从其中选择有较高信噪比的天线作为接收天线，根据这些天线端的接收信号恢复发射信号。而且，对于小区内干扰，L-FDMA用户采用不同载波与这些基站通信来降低这些干扰，即把与不同基站通信的信号映射到不同的IFFT载波端。 

效果

如图9所示，一般的宏分集是在每个参与宏分集的基站端先进行多天线信号处理(步骤901)；然后，对输出信号进行合并(步骤902)；最后，进行解调和译码(步骤903)。因此，与单天线接收相比，本发明选择了信噪比较高的接收天线，故误比特率性能较优；而且只需一次MIMO信号处理，避免了每个基站端的信号处理，降低了复杂度。 

而且，在本发明的方法中，用户端将数据符号经不同载波调制后，发射到不同小区的基站端，可以降低小区间的干扰；同时，对选择出的天线支路利用对应的载波解调后进行空时检测、译码，可以恢复发射信号。 

尽管已经针对典型实施例示出和描述了本发明，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明不应该被理解为被局限于上述特定实例，而应当由所附权利要求所限定。 

Claims (11)

1.一种用于多天线、正交频分多址蜂窝系统的上行宏分集方法，所述多天线、正交频分多址蜂窝系统包括用户端、基站和无线网络控制器，所述方法包括以下步骤：

参与宏分集的多个基站中的每一个通过信道估计，获得用户端与该基站的信道增益矩阵系数；

根据信道增益，计算每个基站的各个天线支路的信噪比；

对计算得到的信噪比进行排序，并从参与宏分集的全部基站的全部天线中，选择与要进行通信的用户端的天线数相对应的、信噪比较高的多幅天线；

针对选择出的天线支路，包括该天线支路的基站分别利用对应的载波进行快速傅立叶变换解调；以及

无线网络控制器对解调后的信号进行多天线检测或译码。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述用户端以不同的载波或载波组与不同的基站进行通信。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述用户端以相同的载波或载波组与所有基站进行通信。

4.根据权利要求1到3之一所述的方法，其中所述多天线、正交频分多址蜂窝系统以空分复用方式进行操作。

5.根据权利要求1到3之一所述的方法，其中所述多天线、正交频分多址蜂窝系统以空时编码方式进行操作。

6.根据权利要求1到3之一所述的方法，其中所述多天线、正交频分多址蜂窝系统为多天线、局部化频分多址蜂窝系统。

7.根据权利要求4所述的方法，其中所述多天线、正交频分多址蜂窝系统为多天线、局部化频分多址蜂窝系统。

8.根据权利要求5所述的方法，其中所述多天线、正交频分多址蜂窝系统为多天线、局部化频分多址蜂窝系统。

9.根据权利要求1到3之一所述的方法，其中所述多天线、正交频分多址蜂窝系统为多天线、分布式频分多址蜂窝系统。

10.根据权利要求4所述的方法，其中所述多天线、正交频分多址蜂窝系统为多天线、分布式频分多址蜂窝系统。

11.根据权利要求5所述的方法，其中所述多天线、正交频分多址蜂窝系统为多天线、分布式频分多址蜂窝系统。

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