CN1233923A

CN1233923A - 用于在一个通信系统中数据传输的方法和基站

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Publication number: CN1233923A
Application number: CN99101293.3A
Authority: CN
Inventors: M·哈尔德特
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1999-01-28
Publication date: 1999-11-03
Anticipated expiration: 2019-01-28
Also published as: CN1158885C; DE19803188A1; DE19803188B4; US6317586B1

Abstract

在第一步骤中确定从基站到一个无线中继站的第k个连接(Vk)的或者全部另外的无线中继站的空间协方差矩阵,也就是说在后者的情况中确定连接k的干扰。在第二步骤中对于该连接计算一个辐射形状矢量w^(k),其使在接收机中的信杂比最大,对此不用迭代法即可解决一个普通的特征值问题。接着用辐射形状矢量加权该连接的发射信号,并把该发射信号供给用于辐射的天线振子。该方法适合于具有智能天线的TDMA/CDMA和CDMA传输方法。

Description

用于在一个通信系统中数据传输的方法和基站

本发明涉及一个用于在一个无线通信系统中数据传输的方法和基站，其中，基站具有一个所分配的带有多个天线振子的天线装置，以至在一种辐射形状的情况下一个空间分析是可能的。

在无线通信系统中，借助于电磁波通过无线接口在发射和接收的无线中继站(基站或者移动中继站)之间传输消息(例如语言，图像信息或另外的数据)。通过载频实现电磁波的辐射，该载频存在于对于各自系统预先规定的频带内。在GSM(全球移动通信系统)中，载频在900、1800或1900MHz的范围内。对于未来的具有经过无线接口的CDMA或TD/CDMA传输方法的移动无线通信网，例如UMTS(通用的移动电信系统)或者另外的第三代系统预先规定了在大约2000MHz频带内频率。

信号在其传播期间在一个传播介质中由于噪声而受到干扰。通过折射和反射信号成份经过不同的传播路径，在接收机上叠加并在那导致干涉效应。此外，在多个信号源的情况下发生这些信号的叠加。频分多址(FDMA)，时分多址(TDMA)或一个作为码分多址(CDMA)的已知方法有利于信号源的鉴别，并因此用于信号的分析处理。

目前存在的GSM移动无线通信系统是一个具有一个用于用户分离(时分多址)的TDMA成份的无线通信系统。根据一个帧结构在时隙中传输用户连接的有效信息。该传输是按块进行的。

在DE19549148中公开了一个移动通信系统，为了在了解多个用户的扩展代码的情况下进行传输的有效信息的一个改善的检查，该移动通信系统使用了一个TDMA/CDMA-用户分离(CDMA码分多址)，在接收方应用了一个JD方法(综合检查)。在一个频率信道(TCH业务信道)内同时传输多个有效数据通信的信息，通过其扩展代码该有效数据通信是可区分的。

在DE19712549中公开了，为了提高在上行方向中的传输容量而使用了智能天线。在IEEE信号处理杂志，1997年11期，49至83页由A.J.Paulraj,C.B.Papadias所著的文章“无线通信的空间处理”中公开了用于上行和下行方向的空间信号分离的不同方法。

对于下行方向，也就是从基站到移动中继站出现特别的困难，因为在通过无线信道传输的信号调制前进行辐射形成。在1997年9月在德国波恩的第二届欧洲私人移动通信会议(EPMCC)中，在由R.Schmalenberger,J.J.Blanz所著的文章“用于多天线C/I平衡的两种不同算法的比较”中公开了在下行方向中的辐射形状，其中假设了在有关的无线中继站之间的一个直接传播路径(层连接)，并假设了辐射形状矢量的重复计算。在有关无线中继站中随着每个变化，例如到一个移动中级站的一个连接的建立或撤消，必须重复全部的计算。

本发明基于这个任务，给出用于数据传输的一个改善的方法和一个改善的基站，在这个方法中显著降低辐射形状的计算费用。通过具有权利要求1特征的方法和具有权利要求10特征的基站解决了该任务。在从属权利要求中获得本发明的改进。

在一个具有一个基站和另外的无线中继站的无线通信系统中使用按照本发明的用于数据传输的方法。其中基站具有一个带有多个天线振子的所分配的天线装置。另外的无线中继站可能是在一个移动无线通信网中的移动中继站或在所谓的同无线用户连接的用户通路网络中的固定中继站。

在第一步骤中，确定一个从基站到一个无线中继站的第k个连接的空间协方差矩阵或者另外的无线中继站的信号和的空间协方差矩阵，也就是说在后者的情况中确定对于连接k的干扰的和。

在第二步骤中，对于连接如此计算辐射形状矢量w^(k)，即使关系式最大，其中通过R_xx ^(k)w^(k)=R_I ^(k)w^(k)λ_max ^(k)定义广义的特征矢量w^(k)成为最大的广义特征矢量入λ_max ^(k)。

接着用辐射形状矢量加权连接的发射信号，并把该发射信号供给用于辐射的天线振子。

通过这个方法使对于连接k所提供使用的功率与干扰的功率相比最大，同时可以放弃迭代法，因为在一个步骤中具有附加条件R_xx ^(k)w^(k)=R_I ^(k)w^(k)λ_max ^(k)的计算获得所希望的结果。计算费用也明显减小。特别是在多个用户和非常不稳定的信道状态的情况下，根据本发明节俭地设计在下行方向中的辐射形状。

根据本发明的一个有益的改进，根据关系式P_k=w^(k)Hw^(k)从辐射形状矢量w^(k)中确定连接的发射信号的发射功率，其中H表示一个转置矢量。通过在基站中一个预先确定的最小的信号噪声比提高发射功率。在接收的无线中继站上测量信号噪声比，并告知基站，以至于该基站通过相应的发射功率调整保证最小的信号噪声比。

如果在相同的频带内实现在下行方向和上性方向中的数据传输，则从上行方向的测量值中有益地确定了下行方向连接的空间协方差矩阵。对此为了准确地确定空间信道参量利用了在TDD(时分复用)中存在的发射和接收频率的协调一致。对于TDD系统入射方向的估算也是不必的。

可是，如果在不同的频带内实现在下行方向和上性方向中的数据传输，则从在上行方向中连接的接收信号的主入射方向中确定用于下行方向的空间协方差矩阵。对于这种情况也可以确定准确的空间信道参量，并可以经常修改这个信道参量。

根据本发明的一个有益的形状，对于另外的无线中继站的全部感应的空间协方差矩阵作为单元矩阵建立。这再次简化了计算，同时广义的特征值问题简化为一个正常的特征值问题。

以此获得在确定空间协方差矩阵时一个特别高的准确度，这个确定基于估算的信道脉冲响应，也就是说分析利用了附加用于获得空间结论的信道测量。从由无线中继站发射的训练序列中有利地确定了信道脉冲响应。一个或多个连接的发射训练序列在接收中继站中是已知的，因此可以确定特别准确的估算值。

此外，无线中继站或者基站实施多个的、区别于CDMA码的信号的一个综合检查(joint detection)并消除不属于连接的信号的干扰是有益的。因此降低了对信杂比的要求，并且可以减小对于一个足够的传输质量所必要的发射功率。

下面，根据一个实施例参考图的说明详细阐述本发明。

图示

图1一个移动无线通信网的方框图，

图2无线传输的帧结构的概括说明

图3基站和移动中继站的方框图，

图4关于空间协方差矩阵的估算的天线装置和基站的方框图，

图5辐射形成网络的方框图，和

图6辐射形成的下行线路图。

在图1中说明的无线通信系统在其结构上与一个已知的GSM移动无线通信网相符，该系统包括多个移动交换中心MSC，这些移动交换中心互相交联或者建立到一个公共交换网PSDN的访问。此外，这个移动交换中心MSC与各至少一个基站控制器BSC相连接。每个基站控制器BSC使再到至少一个基站BS的连接成为可能。一个如此的基站BS可能经过一个无线接口建立到移动中继站MS的消息连接。

在图1中示范性地说明了用于网络信息和在移动中继站MS1、MS2、MSk、MSn与一个基站BS之间的信号化信息传输的连接V1,V2,Vk。操作维护中心OMC实现移动无限通信网或者其中一部分的控制和维护功能。通过另外的无线通信系统这个结构的功能性是可以传输的，在这些系统中可以使用本发明，特别是对于具有无线用户终端的用户接入网。

从图2中可以看出无线传输的帧结构。根据TDMA部分，预先规定了一个宽带的频率范围的划分，例如把带宽B=1.2MHz划分为多个时隙ts，例如8个时隙ts1至ts8。每个时隙ts在频率范围B的内部形成一个频率信道FK。在仅预先规定用于网络数据传输的频率信道TCH的内部，以无线字组的形式传输多个连接的信息。

该用于网络数据传输的无线字组包括具有数据d的字段，用在接收方已知的训练序列tseq1至rseqn插入在这些字段中。用一个小型结构，一个用户代码c，独特连接地扩展了数据d，以至通过这个CDMA部分接收方的例如n个连接是可以分离的。

数据d的各个标记的扩展导致，在标记持续时间T_sym内传输持续时间T_chip的Q个片。Q个片形成对此独特连接的用户代码c。此外，在时隙ts内预先规定了用于补偿连接的不同的信号上升沿时间的保护时间gp。

在一个宽带的频率范围B内，根据帧结构划分连续的时隙ts。因此8个时隙结合成为一帧，其中，例如帧的一个时隙ts4形成一个用于信号发送FK的频率信道或用于网络数据传输的频率信道TCH，对此，一个连接组反复使用后者。

图3指出了在一个数据传输的频率信道TCH内在从基站BS到移动中继站MS1至MSn的下行方向中的无线传输。移动中继站MS1至MSn首先通过足够高或最大接收功率确定一个或多个频率范围B。这是最近基站BS的频率范围B，移动中继站MS目前处于该基站的蜂窝内。因此，形成了基站BS和移动中继站的分配。

基站包含一个发射/接收装置TX/RX，其使必须辐射的发射信号进行数/模转换，从基带转换成辐射的频率范围B，调制并放大发射信号。一个信号产生装置SA事先使发射信号编成一个无线字组，并把发射信号分配给相应的频率信道TCH。一个信号处理装置DSP利用经过发射/接收装置TX/RX接收的接收信号，并进行信道估算。

为了信号处理，接收信号转换成具有离散的储存值的标记，例如数字化。一个信号处理装置DSP，其作为数字信号处理器包含一个用于检查有效信息和按照JD-CDMA方法(综合检查)的信号发送信息的JD信息处理器，分析利用数据部分d。通过一个控制装置SE控制这些部分的共同作用。在一个存储装置SP中存储为了借助于所分配的天线装置AE的空间用户分离所必须的数据。

移动中继站MSk包含相应匹配的对基站已说明的单元，并附加包含一个操作区域T。在操作区域T上，用户可以进行输入，此外可以进行移动中继站激活的输入或一个到基站的连接Vk的通信建立的输入。控制装置SE分析利用在下行方向中发射的、由移动中继站MSk接收的信号，确定接收功率或者目前存在的信号/噪声比，并引起在一个信号发送信道ACCH内到基站BS的信号发送。

在图4中描述了具有分配给天线装置AE的天线振子A1至Am的基站BS。该天线装置AE被分配给基站BS，从移动无线通信网的发射移动中继站MS中接收接收信号rx或者向接收的移动中继站MS发射发射信号tx。

天线振子A1至Am构成一个天线装置AE，其形成为智能天线装置，也就是说，该智能天线装置AE的多个天线振子A1至Am在同一时刻接收接收信号rx或者发射发射信号tx。这些信号可以如此互相组合，即与具有一个接收天线的系统相比改善了传输质量，并且一个容量增加的空间分析是可能的。

在接收情况下，从接收信号rx中例如通过在基带内的传输和接着的模/数转换产生数字信号，并在接收装置RX中求值(图6中的步骤1)。

接收装置RX包括作为信号处理装置DSP部分的多个信道估算器KS和一个数据估算器DS，以及已经列举的控制装置SE和存储装置SP。在这个接收装置RX中附加存在一个关于用户数目K的，其训练序列tseq1、…、tseqn(K≤n)和其用户代码c的先验了解，也许可能支配干扰信号的信息。

通过信道估算器KS、例如根据高斯-马尔可夫估算或最大似然估算、基于训练序列rseq1至tseqn确定的信道脉冲响应h(图6中的步骤2)和接收的数字的数据标记e被供给一个综合检查的数据估算器DS。此外，控制装置SE得到信道脉冲响应h和接收的数字的数据标记e，该数据标记用于确定第k个连接Vk的、或者其余连接V1至Vn的和可能的已知干扰台的干扰的空间协方差矩阵R_xx、R_I。

在TDD系统中，接收信号可以直接、也就是说从

H = [\begin{matrix} h^{h (k . 1) T} \\ h^{h (k . 2) T} \\ \cdot \cdot \\ h^{h (k . M) T} \end{matrix}] &Element; C^{M \times W}

,1≤k≤K中确定，其中M表示天线振子的数目，K表示激活的用户的数目，H表示长度为W的信道脉冲响应h的矩阵。连接Vk的空间协方差矩阵R_xx的估算值例如按照

R_{xx}^{(k)} = \frac{1}{W} \cdot H^{(k)} H^{(k) H}

(图6中的步骤2)。R_xx的值此外可以借助于一个矩形的或向外潜在的窗口对多个无线字组取平均值。

对于干扰的空间协方差矩阵R_I，该干扰从其余连接的信号和干扰中得出，这些连接在移动中继站MSk中不是通过综合检查获得的(如果使用JD)，同样利用了训练序列tseq1至tseqn。在此应当减去第k个连接的信号的影响和可能通过综合检查在移动中继站MSk上获得的连接的信号的影响(图6的步骤4)。

因此可以提出第m个天线振子Ame^(m)=[e₁ ^(m)e₂ ^(m)..e_L ^(m)]^T=e_JD ^(m)+e_I ^(m)，1≤m≤M的接收信号的矢量，其中L说明取样值的数目，0该取样值仅由训练序列调制，也就是说根据上述的数据标记d可以不考虑一些取样值。这些矢量e_JD ^(m)和e_I ^(m)包含信道的用户部分JD，通过综合检查考虑这些用户，还包含相邻蜂窝的用户部分I。

如果用s_i ^(k),1≤i≤L+W-1,1≤k≤K表明第k个用户的、长度为L+W-1的训练序列，则可以如下给出矢量e_JD ^(m)：

e_{JD}^{(m)} = Σ_{k = 1}^{k} ([\begin{matrix} s_{W}^{(k)} & s_{W - 1}^{(k)} & s_{W - 2}^{(k)} & \cdot \cdot & s_{1}^{(k)} \\ s_{W + 1}^{(k)} & s_{W}^{(k)} & s_{W - 1}^{(k)} & \cdot \cdot & s_{2}^{(k)} \\ \cdot \cdot & \cdot \cdot & \cdot \cdot & \cdot \cdot & \cdot \cdot \\ s_{W + L - 1}^{(k)} & s_{W + L - 2}^{(k)} & s_{W + L - 3}^{(k)} & \cdot \cdot & s_{L}^{(k)} \end{matrix}] h^{(k . m)}) .

矢量e_I ^(m)仅包含在相邻的蜂窝内相同频率信道的干扰用户部分，以至于e_I ^(m)=e^(m)-e_JD ^(m)适用于每个天线振子m,1≤m≤M。

因此可以给出矢量

E_{1} = [\begin{matrix} e_{1}^{(1) T} \\ e_{1}^{(2) T} \\ \cdot \cdot \\ e_{1}^{(M) T} \end{matrix}] &Element; C^{M \times W}

并对此给出空间协方差矩阵R_I

R_{1}^{(k)} = \frac{1}{W} \cdot E_{1} E_{1}^{H}

(图步6中的步骤5)。接下来有选择地根据一个矩形的或向外潜在的窗口对多个无线字组取平均值。

在FDD系统(频分双工)中在上行方向中从确定的主入射方向和相对应的振幅中估算下行方向的空间协方差矩阵R_xx、R_I。

例如从

R_{xx}^{(k)} = Σ_{i = 1}^{d (k)} p_{i}^{(k)} \cdot a (μ_{i}^{(k)}) a^{H} (μ_{i}^{(k)})

中得出矩阵R_xx，其中，d(k)说明了第k个用户的主入射方向的数目(从上行方向中估算)，μ_i ^(k)说明了一个具有第i个传播路径的1D或2D空间频率的矢量，a(μ_i ^(k))说明了天线装置AE的对应的控制矢量(数组控制矢量)，Pi说明了复合振幅(从上行方向估算)。

根据

R_{1}^{(k)} = Σ_{i = 1}^{d_{I_{i}} (k)} p_{I_{i}}^{(k)} \cdot a (μ_{I_{i}}^{(k)}) a^{H} (μ_{I_{i}}^{(k)}),

得出矩阵R_I，其中，d_I(k)说明了干扰信号的主入射方向的数目(从上行方向中估算)，μ_Ii ^(k)说明了一个具有干扰台的第ⅰ个传播路径的1D或2D空间频率的矢量，a(μ_Ii ^(k))说明了天线装置AE的对应的控制矢量(数组控制矢量)，P_Ii说明了复合振幅(从上行方向估算)。

这个方法过程与图6中的步骤2和3或者4和5对应。

交替描述TDMA/CDMA无线接口，按照本发明的方法也适用于DS(直接序列)CDMA传输系统。为了估算空间协方差矩阵R_xx、R_I，对此求出在上行方向中的信道脉冲响应，或者使用具有MVDR处理(最小方差无失真响应)的2D搜索接收机。

在一个另外的步骤(图中6的步骤6)中，对于第k个连接根据等式

{| \frac{w^{(k)} R_{xx}^{(k)} w^{(k)}}{w^{(k)} R_{1}^{(k)} w^{(k)}} |}_{\max}

计算辐射形状矢量w^(k)，其中，w^(k)表示成为按照

R_xx ^(k)w^(k)=R_I ^(k)w^(k)λ_max ^(k)的最大广义特征值λ_max ^(k)的广义特征矢量。这按照一个普通的特征值问题，通过使用R_I的一个单元矩阵I可以附加简化了该问题。不用迭代法即可进行计算。

根据关系式P_k=w^(k)Hw^(k)从辐射形状矢量w^(k)中确定连接k的发射信号tx的发射功率，其中，H表示一个转置矢量。

在图6的步骤7中检查，在移动中继站MSk上是否存在一个足够的信号噪声比。如果否定，则附加通过一个在无线中继站上预先确定的最小信号噪声比提高发射功率P_k。在接收的无线中继站上测量当前的信号噪声比，并且告知基站。

接着用辐射形状矢量w^(k)加权该连接的发射信号并把该发射信号供给用于辐射的天线振子(图6中的步骤9)。

在图5中例如指出了适合于具有发射信号tx1和tx2的二个连接的辐射形状的网络。辐射形状矢量w1和w2被分配给这些连接，辐射形状矢量与发射信号tx1和tx2相乘，同时对于每个单辐射器叠加加权的发射信号tx1和tx2，在一个高频部分HF-T中转换成高频发射信号，并接着通过M个单辐射器辐射。在相同的频率信道(相同的发射频率，也许时隙和/或代码)内传输这些发射信号tx1和tx2，并且仅空间分离。

通过使用不同的连接的若干个辐射形状矢量w1、w2，产生了天线装置AE的一个辐射特性，该特性保证了在移动中继站MS1、MSk的相关的位置上发射信号tx1和tx2的一个非干扰接收。

Claims

1．在一个具有一个基站(BS)和另外的无线中继站(MS1至MSn)的无线通信系统中数据传输的方法，其中基站(BS)具有一个带有多个天线振子(A1至Am)的所分配的天线装置(AE)，其中

确定从基站(BS)到一个无线中继站(MSk)的第k个连接(Vk)的或者全部另外的无线中继站(MS1至MSn)的空间协方差矩阵(R_xx、R_I)，

对于连接(Vk)根据具有最大特征值(λ_max ^(k))的条件

{| \frac{w^{(k)} R_{xx}^{(k)} w^{(k)}}{w^{(k)} R_{I}^{(k)} w^{(k)}} |}_{\max}

确定辐射形状矢量(w^(k))，其中最大特征值按照R_xx ^(k)w^(k)=R_I ^(k)w^(k)λ_max ^(k)确定，

通过辐射形状矢量(w^(k))加权连接(Vk)的发射信号(tx^(k))，并把该发射信号供给天线阵子(A1至Am)，

由天线阵子(A1至Am)辐射发射信号(tx^(k))。

2．按照权利要求1的方法，其中，根据P_k=w^(k)Hw^(k)从辐射形状矢量(w^(k))中确定连接(Vk)的发射信号(tx^(k))的发射功率(Pk)，其中H表示一个转置矢量，并根据一个在无线中继站(MSk)上预先确定的最小信号噪声比提高发射功率。

3．按照上述权利要求之一的方法，其中，在相同的频带内进行在下行方向和上行方向中的数据传输，因此从上行方向的测量值中确定关于下行方向的连接(Vk)的空间协方差矩阵(R_xx、R_I)中的至少一个。

4．按照要求1至3之一的方法，其中，在不同的频带内进行在下行方向和上行方向中的数据传输，因此从关于在上行方向中的连接(Vk)的接收信号(rx^(k))的主入射方向中确定下行方向的空间协方差矩阵(R_xx、R_I)中的至少一个。

5．按照上述权利要求之一的方法，其中，对于另外的无线中继站(MS1至MSn)的全部影响的空间协方差矩阵(R_I)作为单元矩阵建立。

6．按照上述权利要求之一的方法，其中，进行确定基于估算的信道脉冲响应的空间协方差矩阵(R_xx、R_I)。

7．按照权利要求6的方法，其中，从由无线中继站(MSk)发射的训练序列中确定信道脉冲响应。

8．按照上述权利要求之一的方法，其中，无线中继站(MSk)或者基站(BS)实施多个的区别于CDMA代码的信号的一个综合检查，并消除了不属于连接(Vk)的信号的干扰。

9．按照要求8的方法，其中，根据

E_{1} = [\begin{matrix} e_{1}^{(1) T} \\ e_{1}^{(2) T} \\ \cdot \cdot \\ e_{1}^{(M) T} \end{matrix}] &Element; C^{M \times W} und R_{1}^{(k)} = \frac{1}{W} E_{1} E_{1}^{H}

从不属于连接(Vk)的信号和/或通过在移动中继站(MSk)中的综合检查不考虑的信号的接收信号(e_I)中建立另外的无线中继站(MS1至MSn)的全部影响的空间协方差矩阵(R_I)。

10．用于具有多个无线中继站(MS1至MSn)的无线通信系统数据传输的基站，

具有至少一个用于产生发射信号(tx1)的发射装置(TX)，

具有一个分配给基站(BS)的包括多个用于辐射发射信号(tx^(k))的天线阵子(A1至Am)的天线装置(AE)，

具有一个控制装置(SE)

-确定从基站(BS)到一个无线中继站(MSk)的第k个连接(Vk)的或者全部另外的无线中继站(MSl至MSn)的空间协方差矩阵(R_xx、R_I)，并存储在一个存储装置(SP)中，

-对于连接(Vk)根据具有最大特征值(λ_max ^(k))的条件

{| \frac{w^{(k)} R_{xx}^{(k)} w^{(k)}}{w^{(k)} R_{1}^{(k)} w^{(k)}} |}_{\max}

确定辐射形状矢量(w^(k))，其中最大特征值按照

R_xx ^(k)w^(k)=R_I ^(k)w^(k)λ_max ^(k)

确定，并且存储在一个存储装置(SP)中

一通过辐射形状矢量(w^(k))来控制连接(Vk)的发射信号(tx^(k))的权。