CN1992552A - 动态空频分用户终端到基站的上行链路通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信系统和方法。该系统包括基站和多个用户终端，其中，基站针对不同的空间映射方式，利用优化方程进行优化计算，从而获得用于控制用户终端的控制信息；用户终端在接收到上述控制信息后，利用该控制信息对发射机的发射方式进行控制。该方法包括以下步骤：针对不同的空间映射方式，基站利用优化方程进行优化计算，从而获得用于控制用户终端的控制信息；在接收到上述控制信息后，用户终端利用该控制信息对发射机的发射方式进行控制。本发明通过在传输功率、带宽、以及空间信道的域内综合地平衡不同用户之间的资源分配，可以实现更高的系统容量，并且得到的频谱资源的利用率的提高。

Description

动态空频分用户终端到基站的上行链路通信系统和方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信系统和方法。

背景技术

在未来的第四代无线通信系统中，对于某些用户的高速率业务，需要提供更高的传输速率，对于需要不同低传输速率的各种移动终端，也将需要共享无线频谱资源。然而，有限的无线频谱资源与日益增长的无线通信链路需求之间的矛盾正在逐渐加剧。

以下参考文献【1】至【6】对未来的第四代无线通信系统的要求和可能适用的信号复用方式进行了分析。其中，多载波的信号方式被推荐为可能比单载波的信号方式更为适用的第四代无线通信系统的信号方式。同时，利用多天线而构成的多输入多输出的系统的设计方案也是推荐的第四代无线通信系统的特点之一。

【1】N.S.J.Chuang，“Beyond 3G：wideband wireless data access based onOFDM and dynamic packet assignment，”IEEE Commun.Mag.，pp.78-87，July2000.

【2】A.Ghosh，D.R.Wolter，J.G.Andrews，R.Chen，“Broadband wirelessaccess with wimax/802.16：current performance benchmarks and futurepotential，”IEEE Commun.Mag.，vol.43，no.2，pp.129-136，Feb.2005.

【3】G.L.Stuber，J.R.Barry，S.W.Mclaughlin，Y.Li，M.A.Ingram，T.G.Pratt，“Broadband MIMO-OFDM wireless communications，”Proceedings of theIEEE，vol.92，no.2，pp.271-294，Feb.2004.

【4】H.Sampath，S.Talwar，J.Tellado，V.Erceg，A.Paulraj，“A fourthgeneration MIMO-OFDM broadband wireless system：design，performance，andfield trial results，”IEEE Commun.Mag.，vol.40，no.9，pp.143-149，Sep.2002.

【5】L.L.Yang，L.Hanzo，“Multi-carrier DS-CDMA：A multiple-accessscheme for ubiquitous broadband wireless communications，”IEEE Commun.Mag.，pp.116-124，Oct.2003.

【6】B.G.Evans，K.Baughan，“Visions of 4G”Electronics andCommunication.

在传统的OFDMA上行链路系统中，由于采用固定的频带进行通信，并且没有考虑到不同信道和噪声干扰统计特性的情况，从而不能充分利用频谱资源。该OFDMA系统所提供的信道容量离由信息论所推理出的信道容量相去甚远。

在借助于多天线技术的情况下，不同的用户可以通过使用不同的子载波，及同子载波中的不同空间信道，或者两者的组合来共享无线信道。然而，增加一个用户的资源将减少其他用户的资源。其中典型的情况是这样的，对于使用共频率信道中不同空间信道的用户们来说，当一个用户的功率增大时，将增加对其他用户的干扰。

以下参考文献【7】-【19】对多种多天线技术和多种信号复用方式，相应的系统容量及增加系统容量的方法进行了分析讨论。这些文献中达成共识的原则总结就是，在传输功率、带宽、以及空间信道的域内，需要综合地平衡不同用户之间的资源分配，从而实现更高的系统容量。

【7】L.L.Yang，L.Hanzo，“Software-defined-radio-assisted adaptivebroadband frequency hopping multicarrier DS-CDMA，”IEEE Commun.Mag.，pp.174-183，Mar.2002.

【8】E.Telatar，“Capacity of multi-antenna Gaussian channels，”EuropeanTrans.on Telecommun.，vol.10，no.6，pp.585-595，Nov./Dec.1999.

【9】D.Tse and P.Viswanath，Fundamentals of Wireless Communication.Cambridge University Press，May 2005.

【10】M.Gharavi-Alkhansari，A.B.Gershman，“Fast antenna subsetselection in MIMO systems，”IEEE Trans.Signal Processing，vol.52，no.2，pp.339-347，Feb.2004.

【11】E.A.Jorswieck，H.Boche，“Performance analysis of capacity ofMIMO systems under multiuser interference based on worst-case noise behavior，”EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，vol.2，pp.273-285，2004.

【12】S.Serbetli，A.Yener，“Time-slotted multiuser MIMO systems：beamforming and scheduling strategies，”EURASIP Journal on WirelessCommunications and Networking，vol.2，pp.286-296，2004.

【13】R.S.Blum，J.H.Winters，N.R.Sollenberger，“On the capacity ofcellular systems with MIMO”，IEEE Commun.Lett.，vol.6，pp.242-244，June2002.

【14】H.Boche，E.A.Jorswieck，，“Sum capacity optimization of the MIMOGaussian MAC”，The 5th International Symposium on Wireless PersonalMultimedia Communications，vol.1，pp.130-134，27-30 Oct.2002.

【15】S.Serbetli，A.Yener，“Transceiver optimization for multiuser MIMOsystems，”IEEE Trans.Signal Processing，vol.52，no.1，pp.214-226，Jan.2004.

【16】E.A.Jorswieck，H.Boche，“Transmission strategies for the MIMOMAC with MMSE receiver：average MSE optimization and achievable individualMSE region，”IEEE Trans.Signal Processing，vol.51，no.11，pp.2872-2881，Nov.2003.

【17】K.N.Lau，“Analytical framework for multiuser uplink MIMOspacetime scheduling design with convex utility functions，”IEEE Trans.WirelessCommun.，vol.3，no.9，pp.1832-1843，Sep.2004.

【18】D.P.Palomar，J.M.Cioffi，M.A.Lagunas，“Joint Tx-Rx beamformingdesign for multicarrier MIMO channels：a unified framework for convexoptimization”，IEEE Trans.Signal Processing，vol.51，no.9，pp.2381-2401，Sep.2003.

【19】Wonjong Rhee，W.Yu，J.M.Cioffi，“The optimality of beamformingin uplink multiuser wireless systems，”IEEE Trans.Wireless Commun.，vol.3，no.1，pp.86-96，Jan.2004.

在此基础上，本发明提出了一种动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信系统和方法。

发明内容

本发明的目的在于通过提供一种动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信系统。

本发明的另一目的在于通过提供一种动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信方法。

本发明的动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信系统，包括基站和多个用户终端。该基站针对不同的空间映射方式，利用优化方程进行优化计算，从而获得用于控制用户终端的控制信息；用户终端在接收到上述控制信息后，利用该控制信息对发射机的发射方式进行控制。

本发明的动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信方法，包括以下步骤，

步骤一，针对不同的空间映射方式，基站利用优化方程进行优化计算，从而获得用于控制用户终端的控制信息；

步骤二，在接收到上述控制信息后，用户终端利用该控制信息对发射机的发射方式进行控制。

与现有技术相比，本发明通过在传输功率、带宽、以及空间信道的域内综合地平衡不同用户之间的资源分配，可以实现更高的系统容量，并且得到的频谱资源的利用率的提高，从而有效地解决了有限的无线频谱资源与日益增长的无线通信链路需求之间的矛盾。

附图说明

图1为本发明动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信系统中第K个用户终端发射机的示意图。

图2为本发明动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信系统中基站接收机的结构示意图。

图3及图4给出了无线通信上行链路几种不同的控制方式的系统总通信容量的仿真结果。

具体实施方式

在上述参考文献【7】-【19】中所提出的通过在传输功率、带宽、以及空间信道的域内综合地平衡不同用户之间的资源分配，实现更高的系统容量，这是本专利发明的核心思考及理论基准和出发点。本专利发明将这一理论原则体现在具有多天线收发的多用户的、采用多子载波的信号的上行链路的传输参数的计算和传输控制中。

本发明推荐的方案是在具有最少的约束条件(无论显现或隐含的约束条件)下同时全面地对所有用户的所有发射机和基站接收机的参数进行全面的、实时的、动态的优化计算和控制。这与通常的技术中在一定的约束条件分别对不同的部分参数或全部参数分步骤进行优化计算和控制是有区别的。因为部分参数的优化计算，或者分步骤进行优化计算和控制本身意味着隐含的约束，从而不能达到全面的最优化。通常典型的方案包括例如：

1)具备发射天线分集方法的自适应正交频分复用，但是采用了各用户按顺序均匀分配频率资源和给予不同的用户均匀功率的方法；

2)采用各用户按顺序均匀分配频率资源，但给予不同的用户动态分配功率的方式。

而本发明推荐方案可以逼近全面的、动态的、最少约束条件下的参数最优化，同时又考虑到系统实现复杂度等方面。

已经发现，对于采用多天线的游牧移动链路(慢速移动链路)，接近实时动态功率分配、带宽分配以及空间子信道的分配将有利于多个用户终端到基站的上行链路无线通信资源实时地、综合地、平衡地利用，从而实现频谱效率的提升。特别是在宽带多址访问环境下，优化对如下参数的控制，如对空间和频率子信道的分配，以及对应的功率分配，来适合不同用户所动态使用的不同各子信道的信道质量和对应的干扰及噪声的统计特性参数情况，从而可以大大提高系统容量。本发明的动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信系统控制方法就是基于上述发现所提出的一种实现方案。

同时，高的系统灵活性和系统资源的良好的精细分配程度是高性能通信系统的必备重要因素，本发明正是实现这些要素的一种方案。此外，通信系统在这方面的性能对于支持和提供对于每个用户的动态速率需求不同优先级设置是至关重要的。对于装备了不同天线设备的不同终端情况来说，本方面的解决方案的寻求是一个复杂的问题。为此，本发明提供了一种控制方法，其支持优良的系统灵活性和精细的无线通信系统资源分配最小分配单位，并且适用于使用不同多天线设置多用户无线通信的信号传输。

除以上几个方面特点之外，自适应的天线选择技术是一种平衡系统复杂度和系统性能的有效方法，具体地说，其通过降低处理复杂度来使得同时在发射机或接收机使用大数目天线的可行性大大地提升。本发明的方案进一步容纳这项技术，给出了具体的自适应的发射机或接收机天线选择技术参数计算方法。

以下将结合附图具体说明本发明的动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信系统和方法。

本发明涉及动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信系统以及方法。如图1所示，为本发明动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信系统中第K个用户终端(发射机)的结构示意图。该发射机包括前向纠错单元，控制单元A、B、C，多个逆离散傅立叶变换单元，多个射频链路单元以及分别连接在每个射频链路单元上的发射天线。

具体地，来自第K个用户的用户数据通过前向纠错单元纠错后，进行串并转换，将前向纠错后的用户数据分成预定的多路数据符号。

同时，控制单元A接收基站传来的控制信息，该控制信息为基站利用本案提出的优化方程进行优化计算得出的用于控制用户终端的发射控制信息。

信号空间映射是本领域技术人员所熟知的技术。在系统中采用的方式通常有两种：A)直接映射方式的空间映射方式；B)特征向量波束成形方式的空间映射方式。

在本发明中，针对这两种不同的方式，基站利用对于本案提出的不同的优化方程进行优化计算，从而得出用于控制用户终端的发射控制信息。

A)对于采用直接映射方式的空间映射方式，优化方程如公式(1)所示：

$\{T_{[k,i]},R_{\left[i\right]},C_k,p_{[k,i]}\}=\arg \underset{\{T_{[k,i]},R_{\left[i\right]},C_k,p_{[k,i]}\}}{\max }\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_j{\mathrm{\ζ}}_j---\left(1\right)$

其中，T_[k，i]表示第K个用户终端在第i子载波上使用的发射天线的集合；

R_[i]表示基站在第i子载波上使用的接收天线的集合；

C_k表示第K个用户终端所采用的子载波集合；

p_[k，i]表示第K个用户终端在第i子载波上的发射功率。

可以看出，对于采用直接映射方式的空间映射方式，基站需要计算的控制信息中包括T_[k，i]、R_[i]、C_k、p_[k，i]以及自适应调制方式参数l(该参数l将在后面描述)。

在上述公式中，γ_k是第K个用户的优先权系数。

1)当信道是满列秩的时候：

${\mathrm{\ζ}}_k\≅\underset{i\∈C_k}{\mathrm{\Σ}}\log \left(\det (I_{\left|R_{\left[i\right]}\right|}+\left(\frac{p_{[k,i]}}{\left|T_{[k,i]}\right|{\tilde{K}}_{z\left(i\right)}}{\tilde{H}}_{[k,i]}{\tilde{H}}_{[k,i]}^H\right){(I_{\left|R_{\left[i\right]}\right|}+\underset{j\∈U_i,j\≠k}{\mathrm{\Σ}}\frac{p_{[j,i]}}{\left|T_{[j,i]}\right|{\tilde{K}}_{z\left(i\right)}}{\tilde{H}}_{[j,i]}{\tilde{H}}_{[j,i]}^H)}^{-1})\right)---\left(2a\right)$

公式(2)中，I_｜R[i]｜表示单位矩阵(方阵)，大小为|R_[i]｜；

是根据信道矩阵获得的对应天线选择的子矩阵，K_z[i]是在第i子载波上噪音的协方差矩阵，

是

的共轭转置矩阵。

2)当信道不是满列秩的时候：

${\mathrm{\ζ}}_k\≅\underset{i\∈C_k}{\mathrm{\Σ}}\left(\log \frac{\det ({\tilde{K}}_{z_{\left[i\right]}}+\underset{j\∈U_i}{\mathrm{\Σ}}\left(\frac{p_{[k,i]}}{\left|T_{[k,i]}\right|{\tilde{K}}_{z\left(i\right)}}{\tilde{H}}_{[k,i]}{\tilde{H}}_{[k,i]}^H\right))}{\det ({\tilde{K}}_{z_{\left[i\right]}}+\underset{j\∈U_i,j\≠k}{\mathrm{\Σ}}\left(\frac{p_{[j,i]}}{\left|T_{[j,i]}\right|}{\tilde{H}}_{[j,i]}{\tilde{H}}_{[j,i]}^H\right))}\right)---\left(2b\right)$

采用的约束条件为：

$\underset{i\∈C_k}{\mathrm{\Σ}}{p}_{[k,i]}\≤P_k$

$\left|C_k\right|\≤F$

$\left|R_i\right|\≥\underset{k\∈U_i}{\mathrm{\Σ}}\left|T_{[k,i]}\right|---\left(3\right)$

其中，P_k表示第K个用户的各子载波的总功率；

F为子载波数的约束条件值。

B)对于采用特征向量波束成形方式作空间映射方式，优化方程如下公式所示：

$\{R_{\left[i\right]},C_k,p_{[k,i]}\}=\arg \underset{\{R_{\left[i\right]},C_k,p_{[k,i]}\}}{\max }\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_j{\mathrm{\ζ}}_j---\left(4\right)$

对于采用特征向量波束成形方式作空间映射方式时，基站需要计算的控制信息中仅包括R_[i]、C_k、p_[k，i]以及自适应调制方式参数l。

其中，R_[i]表示基站在第i子载波上使用的接收天线的集合；

C_k表示第K个用户终端所采用的子载波集合；

p_[k，i]表示第K个用户终端在第i子载波上的发射功率。

可以看出，对于采用特征向量波束成形方式作空间映射方式时，基站需要计算的控制信息中仅包括R_[i]、C_k、p_[k，i]以及自适应调制方式参数l。

在上述公式中，γ_k是第K个用户的优先权系数。

1)当信道是满列秩的时候：

${\mathrm{\ζ}}_k\≅\underset{i\∈C_k}{\mathrm{\Σ}}\log \left(\det (I_{\left|R_{\left[i\right]}\right|}+\left(H_{[k,i]}{K}_{x_{[k,i]}}{H}_{[k,i]}^H\right){(K_{z_{\left[i\right]}}+\underset{j\∈U_i,j\≠k}{\mathrm{\Σ}}{H}_{[j,i]}{K}_{x_{[j,i]}}{H}_{[j,i]}^H)}^{-1})\right)---\left(5a\right)$

公式(2)中，I_｜R[i]|表示单位矩阵(方阵)，大小为｜R_[i]｜；

H_[k，i]是第k个用户终端在第i子载波上信道矩阵，K_z[i]是在第i子载波上噪音的协方差矩阵，K_x[j，i]的第j个用户终端在第i子载波上信号的协方差矩阵，H_[j，i] ^H是H_[j，i]的共轭转置矩阵。

2)当信道不是满列秩的时候：

${\mathrm{\ζ}}_k\≅\underset{i\∈C_k}{\mathrm{\Σ}}\left(\log \frac{\det (K_{z_{\left[i\right]}}+\underset{j\∈U_i}{\mathrm{\Σ}}{H}_{[j,i]}{K}_{x_{[j,i]}}{H}_{[j,i]}^H)}{\det (K_{z_{\left[i\right]}}+\underset{j\∈U_i,j\≠k}{\mathrm{\Σ}}{H}_{[j,i]}{K}_{x_{[j,i]}}{H}_{[j,i]}^H)}\right)---\left(5b\right)$

采用的约束条件为：

$\underset{i\∈C_k}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Tr}\left(K_{x_{[k,i]}}\right)\≤P_k$

$\left|C_k\right|<F$

$\left|R_i\right|\&GreaterEqual;\underset{k\&Element;U_i}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|T_{[k,i]}\right|$ (6)

其中，Tr表示矩阵迹运算；

P_k表示第K个用户的各子载波的总功率的约束值；

F为载波数的约束条件值。

在系统采用特征向量波束成形方式作为空间映射方式时，在控制单元A中，K_x[k，i]采用如下计算公式(7)得到：

$K_{x_{[k,i]}}=v_{{\left[i\right]}_k}{v}_{{\left[i\right]}_k}^H---\left(7\right)$

其中，v_[i]k是第K个用户上的第i个子载波上的波束成形向量，v_[i]k ^H为波束成形向量v_[i]k的共轭转置。

用户终端的控制单元A可以利用信道信息，通过信道状态矩阵奇异值分解计算得到波束成形向量v_[i]k，波束成形向量v_[i]k表示在子载波i上用户k的波束成形向量，其通过计算公式(8)而得到：

$H_{\left[i\right]k}=U_{\left[i\right]k}{\mathrm{\&Lambda;}}_{\left[i\right]k}{V}_{\left[i\right]k}^H---\left(8\right)$

其中，H_[i]k是对应于用户k第i个子载波上信道矩阵、U_[i]k表示信道矩阵分解左边酉矩阵、Λ_[i]k表示奇异值对角矩阵、V_[i]k ^H表示表示信道矩阵分解右边酉矩阵。

上述为基站采用计算控制信息的优化方程，同时，基站利用收到的信号统计来计算信号噪音功率比(SINR_o ^b是输出比特信号对噪音及干扰比值)，通过系统的误码率要求，分别按照如下公式选择信号的调制方式：

a)对于4QAM：

$P_{4\mathrm{QAM}}^b=Q\left(\sqrt{\frac{{\mathrm{SINR}}_o^b}{2}}\right)---\left(9\right)$

其中，

$Q\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_x^{\&infin;}{e}^{-y^2/2}\mathrm{dy}.$

b)对于16QAM：

$P_{16\mathrm{QAM}}^b=\frac{1}{2}(Q\left(\sqrt{\frac{{\mathrm{SINR}}_o^b}{10}}\right)+Q\left(3\sqrt{\frac{{\mathrm{SINR}}_o^b}{10}}\right))---\left(10\right)$

c)对于64QAM：

$P_{64\mathrm{QAM}}^b=\frac{2}{3}\left(Q\left(\sqrt{{1.8\mathrm{SINR}}_o^b}\right)\right)---\left(11\right)$

选择上面三者中具有最大的传输速率、并且能满足系统误码率要求的调制方式作为每个子载波的信号调制，生成对应的自适应调制方式参数l，发送给用户终端的控制单元A。

以下将具体说明用户终端利用上述控制信息进行控制的具体过程。

在本发明中，控制信息的反馈可以由任何一种通常技术的控制信令的传输方式实现。通常控制信息是这样进行反馈的：控制信息经过编码和安排在特定的控制帧中，在控制帧通过信道编码和调制等处理后，上变频到下行控制链路采用的发射频率通过天线发送给用户终端。

与此相对应，用户终端在接收到来自基站的控制信息之后，对接收到的控制信息的射频信号进行下变频变换到基带，然后对基带信号进行检测、解码等处理，从而得到控制信息，并将控制信息发送给控制单元A。

用户终端的控制单元A一方面将参数C_k和自适应调制方式参数l作为控制信息发给控制单元B；另一方面将参数p_[k，i]作为控制信息发给控制单元C。

值得注意的是，在系统采用直接映射方式作为空间映射方式时，将参数T_[k，i]作为控制信息发给控制单元C。

在系统采用波束成形的方式作为空间映射方式时，控制单元A将同时利用信道信息计算波束成形特征向量v_[i]k，并将v_[i]k作为控制信息分别发给控制单元C。而在系统采用直接映射方式作为空间映射方式时，控制单元A将不作波束成形特征向量v_[i]k的计算。

接下来，控制单元B将接收到的自适应调制方式参数l作为控制信息对信号进行调制，调制方式为上述从QPSk、16-QAM和64-QAM中选定的一种调制方式。本发明中采用的调制方式是本领域技术人员所熟知的，在此不再详述。

同时，控制单元B按照参数C_k将前向纠错单元输出的多路数据符号分配到不同的子载波上。

控制单元C包括分别与控制单元B输出的多个信号流(每个信号流位于一个子载波上)中的每个信号流对应的功率分配单元，以及空间映射单元，该空间映射单元为特征向量波束成形的空间映射单元、或者为直接空间映射单元。

其中，各个功率分配单元分别按照参数p_[k，i]对对应的子载波上的信号流进行信号功率调节处理，并将功率调节处理后的信号流输入到空间映射单元中。功率分配比例关系遵照参数p_[k，i]。

空间映射单元接收来自各个功率调节单元的信号流，并按照不同的空间映射方式进行空间映射处理，将不同子载波上的信号流分别映射到对应的天线上。

具体地说，空间映射单元分别根据直接映射方式、或者特征向量波束成形的映射方式对不同子载波上的信号流进行映射处理。

i)如果采用直接映射方式的空间映射方式，控制单元C接收T_[k，i]，利用T_[k，i]对不同的子载波上的信号流分别以直接映射方式映射到天线上。此时，信号流的数目和选择使用的发射天线数目相同，信号流的数目将根据参数T_[k，i]确定。

ii)在采用特征向量波束成形方式作为空间映射方式时，控制单元C将利用v_[i]k参数对不同的子载波上的信号流分别进行特征向量空间波束成形的信号处理。此时，信号流的空间映射处理将根据参数v_[i]k确定。

然后，对应于每根天线的逆离散傅立叶变换单元对将从与其对应的天线发射的、从控制单元C输入的信号流进行正交多子载波调制信号的合成，并在合成后的信号中插入循环前缀。

然后，多个射频链路中的每个射频链路分别接收对应的、插入了循环前缀的基带信号，将接收到的基带信号进行上变频转换，形成对应的射频信号，从与其连接的发射天线发送。

图2为本发明动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信系统基站接收机的结构示意图。

首先，基站的射频链路(RF)对天线传来的接收信号进行下变频获得对应的基带信号。

然后，去除循环前缀与快速傅立叶变换(FFT)单元对各路信号(分别对应于一个子载波)进行去除循环前缀和快速傅立叶变换。

在如图2所示基站处理单元A中，根据R_[i](基站在第i子载波上使用的接收天线的集合)对去除循环前缀和快速傅立叶变换后的各路信号进行映射处理，并将映射结果分别输入到处理单元B中对应的波束成形接收单元。在如图2所示处理单元C中，分别对各波束成形接收单元的输出的各个子载波进行空间复用的多用户信号检测。

接下来，在并串转换单元中分别对不同子载波的多用户检测结果，进行并串转换。然后，在FEC解码单元中分别对不同用户的信号进行纠错解码从而完成对不同用户的信号接收。其中，每个用户的、不同空频子信道的调制方式参数l和对于不同子载波的接收天线选择子集合R_[i]是基站接收机信号处理采用的控制变量。

图3和图4给出了无线通信上行链路在不同控制方式下的系统总通信容量的仿真结果。其给出了利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法计算出的在本文中描述的蜂窝无线通信上行链路控制方式下的仿真的系统总通信容量，以及和其它控制方式下的系统总通信容量的对比情况。

其中，仿真计算对比了包括本发明在内的四种通信系统机制。图中，图标DSFDMA表示本发明所推荐通信方式，其是采用本方案推荐波束成形计算方法的动态空频分多用户复用通信。图标DSFDMA with optimal BF表示本发明在采用最佳波束成形计算方式时的情况，也就是采用最佳波束成形计算方法的动态空频分多用户复用。

图标Adaptive OFDMA with BF(具备波束成形方法的自适应正交频分复用)表示多子载波复用采用波束成形的情况，和本发明的方案的区别是该方案中采用了各用户按顺序均匀分配频率资源但给予不同的用户动态分配功率的方式，而本发明采用的是动态分配频率，空间信道资源和功率的方式，并同时兼顾了不同子载波的自适应天线选择方法。

图标Conventional OFDMA with Tx Diversity(具备发射天线分集方法的自适应正交频分复用)表示采用各用户按顺序均匀分配频率资源和给予不同的用户均匀功率的方式。

在图3中，仿真的系统总通信容量是在如下条件下计算得出的：总用户数为10、总子载波数为10、用户优先级设置为(1，1，1，1，1，1，1，1，1，1)(即，相同用户优先级)、各用户发射天线数为3、基站接收天线数为4。

在图4中仿真的系统总通信容量是在如下条件下计算得出的：总用户数为12，总子载波数为8，用户优先级设置为(1，1，1，1，1，1，1，1，1，1)、各用户发射天线数为3、基站接收天线数为4。

从图3和图4可以看出，本发明动态空频分多个用户终端到基站的上行链路推荐的、具有简化的波束成形计算方法通信方式极为接近采用最佳波束成形计算方式时的情况。简化的波束成形计算方法有利于系统的可行性和对信道和噪音及干扰变化的快速反应，同时系统的总通信容量值并无实质的下降。本发明的这个特点在用户数和子载波数可以类比时或用户数大于子载波数时更加显现。在发射机天线数目和接收机天线数目相同以及同样的设置的情况下，本发明的控制方式带来的系统总通信容量明显高出以下两种方式所带来的系统总统信容量：1)各用户按顺序均匀分配频率资源但给予不同的用户动态分配功率资源的方式；和2)各用户按顺序均匀分配频率资源和给予不同的用户均匀功率的方式。

本发明综合地考虑和利用了上行链路多用户服务的时空信道以及不同用户信号及干扰噪声的特点。信号发射控制方式自适应地对不同的空间信道的情况而动态调整，从而，充分利用了多用户多子载波和多天线带来的信道的自由度。本发明方案统计上提高了系统的总通信容量，使得蜂窝无线通信上行链路能够同时支持更多的用户。

同时，本发明提供了不同的用户优先级的设置功能，从而提高了系统的灵活性，为物理层上面的控制层提供了灵活的优先级控制机制。

进一步，本发明提出的无线通信上行链路信号发射方式的自适应能力非常适合与在无牌照管理的频谱中工作的或需灵活频段设置的系统。

Claims (14)

1.一种动态空频分用户终端到基站的上行链路通信系统，包括基站和多个用户终端，其特征在于，

基站针对不同的空间映射方式，利用优化方程进行优化计算，从而获得用于控制用户终端的控制信息；

所述用户终端在接收到上述控制信息后，利用该控制信息对发射机的发射方式进行控制。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

当上述空间映射方式为直接映射方式的空间映射方式时，利用以下优化方程进行优化计算，

$\{T_{[k.i]},R_{\left[i\right]},C_k,p_{[k,i]}\}=\arg \underset{\{T_{[k,i]},R_{\left[i\right]},C_k,p_{[k,i]}\}}{\max }\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&gamma;}}_j{\mathrm{\&zeta;}}_j$

T_[k，i]表示第K个用户终端在第i子载波上使用的发射天线的集合；

R_[i]表示基站在第i子载波上使用的接收天线的集合；

C_k表示第K个用户终端所采用的子载波集合；

p_[k，i]表示第K个用户终端在第i子载波上的发射功率，

γ_k是第K个用户的优先权系数，

当信道是满列秩的时候：

${\mathrm{\&zeta;}}_k\&cong;\underset{i\&Element;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\log \left(\det (I_{\left|R_{\left[i\right]}\right|}+\left(\frac{P_{[k,i]}}{\left|T_{[k,i]}\right|{\tilde{K}}_{z\left(i\right)}}{\tilde{H}}_{[k,i]}{\tilde{H}}_{[k.i]}^H\right){(I_{\left|R_{\left[i\right]}\right|}+\underset{j\&Element;U_i,j\&NotEqual;k}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{P_{[j,i]}}{\left|T_{[j,i]}\right|{\tilde{K}}_{z\left(i\right)}}{\tilde{H}}_{[j,i]}{\tilde{H}}_{[j,i]}^H)}^{-1})\right)$

I_|R[i]|表示单位矩阵，大小为|R_[i]|；

是根据信道矩阵获得的对应天线选择的子矩阵，K_z[i]是在第i子载波上噪音的协方差矩阵，

是 的共轭转置矩阵，

当信道不是满列秩的时候：

${\mathrm{\&zeta;}`}_k\&cong;\underset{i\&Element;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\left(\log \frac{\det ({\tilde{K}}_{z\left[i\right]}+\underset{j\&Element;U_i}{\mathrm{\&Sigma;}}\left(\frac{p_{[k,i]}}{\left|T_{[k,i]}\right|{\tilde{K}}_{z\left(i\right)}}{\tilde{H}}_{[k,i]}{\tilde{H}}_{[k,i]}^H\right))}{\det ({\tilde{K}}_{z\left[i\right]}+\underset{j\&Element;U_i,j\&NotEqual;k}{\mathrm{\&Sigma;}}\left(\frac{p_{[j,i]}}{\left|T_{[j,i]}\right]}{\tilde{H}}_{[j,i]}{\tilde{H}}_{[j,i]}^H\right))}\right)$

采用的约束条件为：

$\underset{i\&Element;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{p}_{[k,i]}\&le;P_k$

|C_k|≤F

$\left|R_i\right|\&GreaterEqual;\underset{k\&Element;U_i}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|T_{[k,i]}\right|$

其中，P_k表示第K个用户的各子载波的总功率；

F为子载波数的约束条件值。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，

该控制信息包括：每个用户终端在每个子载波上使用的发射天线的集合、基站在每个子载波上使用的接收天线的集合、每个用户终端所采用的子载波的集合、每个用户终端在每个子载波上的发射功率、以及每个用户终端每个子载波上采用的调制方式。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

当上述空间映射方式为特征向量波束成形方式的空间映射方式时，优化方程如下公式所示：

$\{R_{\left[i\right]},C_k,p_{[k,i]}\}=\arg \underset{\{R_{\left[i\right]},C_k,p_{[k,i]}\}}{\max }\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&gamma;}}_j{\mathrm{\&zeta;}}_j$

其中，R_[i]表示基站在第i子载波上使用的接收天线的集合；

C_k表示第K个用户终端所采用的子载波集合；

p_[k，i]表示第K个用户终端在第i子载波上的发射功率；

γ_k是第K个用户的优先权系数，

当信道是满列秩的时候：

${\mathrm{\&zeta;}}_k\&cong;\underset{i\&Element;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\log \left(\det (I_{\left|R_{\left[i\right]}\right|}+\left(H_{[k,i]}{K}_{x[k,i]}{H}_{[k.i]}^H\right){(K_{z\left[i\right]}+\underset{j\&Element;U_i,j\&NotEqual;k}{\mathrm{\&Sigma;}}{H}_{[j,i]}{K}_{x[j,i]}{H}_{[j,i]}^H)}^{-1})\right)$

I_|R[i]|表示单位矩阵(方阵)，大小为|R_[i]|；

H_[k，i]是第k个用户终端在第i子载波上信道矩阵，K_z[i]是在第i子载波上噪音的协方差矩阵，K_x[j，i]的第j个用户终端在第i子载波上信号的协方差矩阵，H_[j，i] ^H是H_[j，i]的共轭转置矩阵，当信道不是满列秩的时候：

${\mathrm{\&zeta;}`}_k\&cong;\underset{i\&Element;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\left(\log \frac{\det (K_{z\left[i\right]}+\underset{j\&Element;U_i}{\mathrm{\&Sigma;}}{H}_{[j,i]}{K}_{x[j,i]}{H}_{[j,i]}^H)}{\det (K_{z\left[i\right]}+\underset{j\&Element;U_i,j\&NotEqual;k}{\mathrm{\&Sigma;}}{H}_{[j,i]}{K}_{x[j,i]}{H}_{[j,i]}^H)}\right)$

采用的约束条件为：

$\underset{i\&Element;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{Tr}\left(K_{x[k,i]}\right)\&le;P_k$

|C_k|＜F

$\left|R_i\right|\&GreaterEqual;\underset{k\&Element;U_i}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|T_{[k,i]}\right|$

Tr表示矩阵迹运算；

P_k表示第K个用户的各子载波的总功率的约束值；

F为载波数的约束条件值。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，

当上述空间映射方式为特征向量波束成形方式的空间映射方式时，该控制信息包括：基站在每个子载波上使用的接收天线的集合、每个用户终端所采用的子载波的集合、每个用户终端在每个子载波上的发射功率、以及每个用户终端每个子载波上采用的调制方式。

6.如权利要求3所述的动态空频分多个用户终端到基站的上行链路，其特征在于，上述用户终端的发射机包括：前向纠错单元、第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元、多个逆离散傅立叶变换单元、多个射频链路单元以及分别连接在每个射频链路单元上的发射天线，其中，

第一控制单元用于接收基站传来的控制信息，将该用户终端所采用的子载波的集合、以及该用户终端所采用的自适应调制方式作为控制信息发给第二控制单元，将该用户终端在每个子载波上的发射功率、以及该用户终端在每个子载波上使用的发射天线的集合作为控制信息发给第三控制单元；

前向纠错单元用于将该用户终端的用户数据通过前向纠错后，并进行串并转换，将前向纠错后的用户数据分成预定的多路数据符号；

第二控制单元用于根据接收自第一控制单元的控制信息，即自适应调制方式，对前向纠错单元输入的多路数据符号分别进行调制，并且按照接收自第一控制单元的控制信息，即该用户终端所采用的子载波的集合，将前向纠错单元输出的多路数据符号分配到不同的子载波上；

第三控制单元包括功率分配单元和空间映射单元，功率分配单元用于根据来自第一控制单元的控制信息，即该用户终端在每个子载波上的发射功率，对对应的子载波上的信号流进行信号功率调节，空间映射单元根据来自第一控制单元的控制信息，即该用户终端在每个子载波上使用的发射天线的集合，分别将不同的子载波上的、经过功率调节的信号流映射到对应的发射天线上；

多个逆离散傅立叶变换单元中的每个逆离散傅立叶变换单元将从与其对应的天线发射的、从第三控制单元输入的信号流进行正交多子载波调制信号的合成，并在合成后的信号中插入循环前缀；

多个射频链路中的每个射频链路分别接收对应的、插入了循环前缀的基带信号，将接收到的基带信号进行上变频转换，形成对应的射频信号，从与其连接的发射天线发送。

7.如权利要求5所述的动态空频分多个用户终端到基站的上行链路，其特征在于，上述用户终端的发射机包括：前向纠错单元、第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元、多个逆离散傅立叶变换单元、多个射频链路单元以及分别连接在每个射频链路单元上的发射天线，其中，

第一控制单元用于接收基站传来的控制信息，将该用户终端所采用的子载波的集合、以及该用户终端所采用的自适应调制方式作为控制信息发给第二控制单元，并根据信道信息计算波束成形特征向量，将该波束成形特征向量、以及该用户终端在每个子载波上的发射功率作为控制信息发给第三控制单元；

前向纠错单元用于将该用户终端的用户数据通过前向纠错后，并进行串并转换，将前向纠错后的用户数据分成预定的多路数据符号；

第二控制单元用于根据接收自第一控制单元的控制信息，即自适应调制方式，对前向纠错单元输入的多路数据符号分别进行调制，并且按照接收自第一控制单元的控制信息，即该用户终端所采用的子载波的集合，将前向纠错单元输出的多路数据符号分配到不同的子载波上；

第三控制单元包括功率分配单元和空间映射单元，功率分配单元用于根据来自第一控制单元的控制信息，即该用户终端在每个子载波上的发射功率，对对应的子载波上的信号流进行信号功率调节，空间映射单元根据来自第一控制单元的控制信息，即波束成形特征向量，分别将不同的子载波上的、经过功率调节的信号流进行特征向量空间波束成形的信号处理；

多个逆离散傅立叶变换单元中的每个逆离散傅立叶变换单元将从与其对应的天线发射的、从第三控制单元输入的信号流进行正交多子载波调制信号的合成，并在合成后的信号中插入循环前缀；

多个射频链路中的每个射频链路分别接收对应的、插入了循环前缀的基带信号，将接收到的基带信号进行上变频转换，形成对应的射频信号，从与其连接的发射天线发送。

8.一种动态空频分多个用户终端到基站的上行链路通信方法，包括以下步骤，

步骤一，针对不同的空间映射方式，基站利用优化方程进行优化计算，从而获得用于控制用户终端的控制信息；

步骤二，在接收到上述控制信息后，用户终端利用该控制信息对发射机的发射方式进行控制。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

当上述空间映射方式为直接映射方式的空间映射方式时，利用以下优化方程进行优化计算，

$\{T_{[k.i]},R_{\left[i\right]},C_k,p_{[k,i]}\}=\arg \underset{\{T_{[k,i]},R_{\left[i\right]},C_k,p_{[k,i]}\}}{\max }\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&gamma;}}_j{\mathrm{\&zeta;}}_j$

T_[k，i]表示第K个用户终端在第i子载波上使用的发射天线的集合；

R_[i]表示基站在第i子载波上使用的接收天线的集合；

C_k表示第K个用户终端所采用的子载波集合；

p_[k，i]表示第K个用户终端在第i子载波上的发射功率；

γ_k是第K个用户的优先权系数，

当信道是满列秩的时候：

${\mathrm{\&zeta;}}_k\&cong;\underset{i\&Element;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\log \left(\det (I_{\left|R_{\left[i\right]}\right|}+\left(\frac{P_{[k,i]}}{\left|T_{[k,i]}\right|{\tilde{K}}_{z\left(i\right)}}{\tilde{H}}_{[k,i]}{\tilde{H}}_{[k.i]}^H\right){(I_{\left|R_{\left[i\right]}\right|}+\underset{j\&Element;U_i,j\&NotEqual;k}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{P_{[j,i]}}{\left|T_{[j,i]}\right|{\tilde{K}}_{z\left(i\right)}}{\tilde{H}}_{[j,i]}{\tilde{H}}_{[j,i]}^H)}^{-1})\right)$

I_|R[i]|表示单位矩阵，大小为|R_[i]|；

是根据信道矩阵获得的对应天线选择的子矩阵，K_z[i]是在第i子载波上噪音的协方差矩阵， 是

的共轭转置矩阵，

当信道不是满列秩的时候：

${\mathrm{\&zeta;}`}_k\&cong;\underset{i\&Element;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\left(\log \frac{\det ({\tilde{K}}_{z\left[i\right]}+\underset{j\&Element;U_i}{\mathrm{\&Sigma;}}\left(\frac{p_{[k,i]}}{\left|T_{[k,i]}\right|{\tilde{K}}_{z\left(i\right)}}{\tilde{H}}_{[k,i]}{\tilde{H}}_{[k,i]}^H\right))}{\det ({\tilde{K}}_{z\left[i\right]}+\underset{j\&Element;U_i,j\&NotEqual;k}{\mathrm{\&Sigma;}}\left(\frac{p_{[j,i]}}{\left|T_{[j,i]}\right]}{\tilde{H}}_{[j,i]}{\tilde{H}}_{[j,i]}^H\right))}\right)$

采用的约束条件为：

$\underset{i\&Element;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{p}_{[k,i]}\&le;P_k$

$\left|C_k\right|\&le;F$

$\left|R_i\right|\&GreaterEqual;\underset{k\&Element;U_i}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|T_{[k,i]}\right|$

其中，P_k表示第K个用户的各子载波的总功率；

F为子载波数的约束条件值。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，

该控制信息包括：每个用户终端在每个子载波上使用的发射天线的集合、基站在每个子载波上使用的接收天线的集合、每个用户终端所采用的子载波的集合、每个用户终端在每个子载波上的发射功率、以及每个用户终端每个子载波上采用的调制方式。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

当上述空间映射方式为特征向量波束成形方式的空间映射方式时，优化方程如下公式所示：

$\{R_{\left[i\right]},C_k,p_{[k,i]}\}=\arg \underset{\{R_{\left[i\right]},C_k,p_{[k,i]}\}}{\max }\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&gamma;}}_j{\mathrm{\&zeta;}}_j$

其中，R_[i]表示基站在第i子载波上使用的接收天线的集合；

C_k表示第K个用户终端所采用的子载波集合；

p_[k，i]表示第K个用户终端在第i子载波上的发射功率；

γ_k是第K个用户的优先权系数，

当信道是满列秩的时候：

${\mathrm{\&zeta;}}_k\&cong;\underset{i\&Element;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\log \left(\det (I_{\left|R_{\left[i\right]}\right|}+\left(H_{[k,i]}{K}_{x[k,i]}{H}_{[k.i]}^H\right){(K_{z\left[i\right]}+\underset{j\&Element;U_i,j\&NotEqual;k}{\mathrm{\&Sigma;}}{H}_{[j,i]}{K}_{x[j,i]}{H}_{[j,i]}^H)}^{-1})\right)$

I_|R[i]|表示单位矩阵(方阵)，大小为|R_[i]|；

H_[k，i]是第k个用户终端在第i子载波上信道矩阵，K_z[i]是在第i子载波上噪音的协方差矩阵，K_x[j，i]的第j个用户终端在第i子载波上信号的协方差矩阵，H_[j，i] ^H是H_[j，i]的共轭转置矩阵，

当信道不是满列秩的时候：

${\mathrm{\&zeta;}`}_k\&cong;\underset{i\&Element;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\left(\log \frac{\det (K_{z\left[i\right]}+\underset{j\&Element;U_i}{\mathrm{\&Sigma;}}{H}_{[j,i]}{K}_{x[j,i]}{H}_{[j,i]}^H)}{\det (K_{z\left[i\right]}+\underset{j\&Element;U_i,j\&NotEqual;k}{\mathrm{\&Sigma;}}{H}_{[j,i]}{K}_{x[j,i]}{H}_{[j,i]}^H)}\right)$

采用的约束条件为：

$\underset{i\&Element;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{Tr}\left(K_{x[k,i]}\right)\&le;P_k$

|C_k|＜F

$\left|R_i\right|\&GreaterEqual;\underset{k\&Element;U_i}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|T_{[k,i]}\right|$

Tr表示矩阵迹运算；

P_k表示第K个用户的各子载波的总功率的约束值；

F为载波数的约束条件值。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，

当上述空间映射方式为特征向量波束成形方式的空间映射方式时，该控制信息包括：基站在每个子载波上使用的接收天线的集合、每个用户终端所采用的子载波的集合、每个用户终端在每个子载波上的发射功率、以及每个用户终端在每个子载波上采用的调制方式。

13.如权利要10所述的动态空频分用户终端到基站的上行链路通信方法，其中，上述步骤二包括以下步骤：

步骤i，将用户数据通过前向纠错后，进行串并转换，并将前向纠错后的用户数据分成预定的多路数据符号；

步骤ii，根据控制信息，即自适应调制方式，对前向纠错单元输入的多路数据符号分别进行调制，并且按照控制信息，即该用户终端所采用的子载波的集合，将前向纠错单元输出的多路数据符号分配到不同的子载波上；

步骤iii，根据控制信息，即该用户终端在每个子载波上的发射功率，对对应的子载波上的信号流进行信号功率调节，并根据控制信息，即该用户终端在每个子载波上使用的发射天线的集合，分别将不同的子载波上的、经过功率调节的信号流映射到对应的发射天线上；

步骤iv，分别将映射到不同发射天线上的信号流进行正交多子载波调制信号的合成，并在合成后的信号中插入循环前缀；

步骤v，对插入循环前缀的各个信号流分别进行上变频转换，形成对应的射频信号，从相应的发射天线发送。

14.如权利要求12所述的动态空频分用户终端到基站的上行链路系统，其中，步骤二包括以下步骤：

步骤i，将用户数据通过前向纠错后，进行串并转换，并将前向纠错后的用户数据分成预定的多路数据符号；

步骤ii，根据控制信息，即自适应调制方式，对上述多路数据符号分别进行调制，并且按照控制信息，即该用户终端所采用的子载波的集合，将多路数据符号分配到不同的子载波上；

步骤iii，根据控制信息，即该用户终端在每个子载波上的发射功率，对对应的子载波上的信号流进行信号功率调节，并根据控制信息，即波束成形特征向量，分别将不同的子载波上的、经过功率调节的信号流进行特征向量空间波束成形的信号处理；

步骤iv，将上述经过波束成形处理的各个信号流分别进行正交多子载波调制信号的合成，并在合成后的信号中插入循环前缀；

步骤v，将插入循环前缀的信号进行上变频转换，形成对应的射频信号，从相应的发射天线发送。

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