CN1802800A - 空分复用无线通信系统、设备及其方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信系统，包括基站(4)和终端 (1)－(3)。基站(4)和终端(1)－(3)进行空分复用无线传输。基站(4)和终端(1)－(3)中的每一个都包括用于空分复用的多波束天线。根据在基站(4)的多波束天线的天线单元和终端 (1)－(3)的多波束天线的天线单元之间形成的无线电波传播特性的传递函数值来使由基站(4)的多波束天线形成的波束方向图正交化。

Description

空分复用无线通信系统、设备及其方法

技术领域

本发明涉及一种使用多波束天线及其相关技术来进行空分无线点对多点通信的无线通信系统。

背景技术

通常，频分复用(FDM)、时分复用(TDM)和码分复用(CDM)已为人们所熟知。

根据这些复用技术，可使多项信息组成输出数据，并按无线方式发送此输出数据。在输出数据的信息多重性增加的时候，所需的无线电频率带宽变得很宽。因此，在可利用的带宽不足够宽的时候，就容易出现频率短缺。

根据空分复用(SDM)，每个发送终端和接收终端上都装有多个天线单元，并用相同的频率来复用发送的数据而不增加无线电频率带宽。MIMO(多输入多输出)是SDM的典型通信技术。根据MIMO，如文件1(已公布的日本专利申请公开第H10-178367号)中所公开的那样，在发送终端和接收终端之间形成了多个传播路径，并且，通过多个传播路径发送的多项信息基本上是彼此不同的。

更具体地说，零控制(null-steered)多个定向天线中的每一个，并对每个传播路径上的无线电信号进行空间划分，从而进行点到点的复用通信。

在对无线电信号进行零控制的时候，将波束方向图(beam pattern)的主波束调节到指向想要的波到达方向，并将波束方向图的零点调节到指向不想要的波到达方向。

图17(a)示出了使用两元阵列天线的波束方向图的一个例子。在图17(a)的例子中，主波束100指向想要的波到达方向，而零点101指向不想要的波到达方向。

图17(b)示出了在使用六元阵列天线时的波束方向图的一个例子。同时，在图17(b)的例子中，主波束100指向想要的波到达方向，而零点101指向不想要的波到达方向。这样，根据多个传播路径来对无线电信号进行零控制，从而能够使波束方向图正交化。

根据MIMO，使用多波束天线作为定向天线，通过计算信道矩阵H来控制定向天线的方向性，其中，信道矩阵H的矩阵元素是无线电波传播特性的传递函数值。无线电波传播特性是在发送终端的多个天线单元和接收终端的多个天线单元之间的特性。

文件2(G.J.Foschini work，Bell Labs Technical Journal，Vol.1，No.2，Autumn 1996，pp 41-59(G.J.Foschini著，贝尔实验室技术杂志，第1卷，第2期，1996年秋季，41-59页))公开了由贝尔实验室的Foschini提出的BLAST(Bell Labs Layered Space-Time(贝尔实验室分层的空时))方法。根据BLAST方法，在接收终端，以从具有最小范数的加权向量开始的顺序，重复进行信道矩阵H的一般逆矩阵计算。除了取得空分复用通信的效果而外，重复计算还取得了空间分集的效果。

文件3(已公开的日本专利中请公开第2001-237751号)公开了一种控制多波束天线的加权的技术。为了进行这种控制，发送终端和接收终端进行信道矩阵H的特征值计算以获取特征向量。此外，还结合了基于所谓的水填充原则(water filling rule)的发送功率控制；因而，除了取得空分复用通信的效果而外，还可以取得高效率的功率利用。

然而，常规的技术实现了点对点的复用通信。因此，当存在很少的在发送终端天线和接收终端天线之间形成的传播路径的时候，就要根据传播路径的数目来限制多重性。不管天线的天线单元的数目如何，都不能避免这个限制。

根据常规的技术，在只有很少传播路径的环境中，频率利用效率就会变低。

本发明的第一目的是提供一种无线通信系统，其在基站和终端之间形成的传播路径很少的环境条件下，取得了高的频率利用效率。

本发明的第二目的是提供一种技术，其用于使基站的多波束天线的波束方向图正交化。

本发明的第三目的是提供一种技术，其用于使由终端的多波束天线形成的波束方向图的伪正交化。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种无线通信系统，包括：基站；多个终端；和控制单元，其中，基站和多个终端的每一个可以使用相同的频率同时进行信息的空分复用无线传输，其中，多个终端中的至少一个通过多个传播路径与基站通信，其中，基站包括：用于空分复用无线传输的基站多波束天线，其中所述基站多波束天线含有多个基站天线单元；其中，多个终端的每一个包括：用于空分复用无线传输的终端多波束天线，其中所述终端多波束天线含有多个终端天线单元，并且，其中，控制单元用于使基站多波束天线的波束方向图正交化，从而控制空分复用无线传输。

使用此结构，控制单元能够使基站多波束天线的多个基站天线单元的波束方向图正交化，从而进行空分无线点对多点通信。具体地说，在传播路径很少的环境下，可以改善频率利用效率。

本发明的第二方面根据本发明的第一方面提供了一种无线通信系统，其中，控制单元根据用于确定多个基站天线单元和多个终端天线单元之间的无线电波传播特性的多个传递函数值来使基站多波束天线的波束方向图正交化。

使用此结构，即使在基站和终端之一之间的传播路径很少的情况下，利用在基站和彼此分离的其它终端之间的传播路径，也能够提高多重性(multipilicity)，从而改善频率利用效率。

本发明的第三方面根据本发明的第一方面提供了一种无线通信系统，其中，基站天线单元的数目大于在多个终端中的终端天线单元的最大数目。

使用此结构，终端的负担可以减轻，并且在基站和终端之间形成的传播路径能够有效地增加终端通过基站进行通信的关系的利用。

本发明的第四方面根据本发明的第二方面提供了一种无线通信系统，其中，多个终端中的每一个都可以向基站发送导频信号，该导频信号用于估计在多个终端的每一个和基站之间的无线电波传播特性，其中基站用于接收导频信号，并且其中控制单元用于根据导频信号来计算多个传递函数值。

使用此结构，基站能够进行对导频信号的集中控制，从而能提高系统的工作效率。

本发明的第五方面根据本发明的第二方面提供了一种无线通信系统，其中，控制单元可以计算信道矩阵的特征向量，该信道矩阵的矩阵元素是由多个传递函数值构成的，并且其中，控制单元可以利用信道矩阵的特征向量来控制要施加到多个基站天线单元上的一组加权(weight)。

使用此结构，能够利用特征向量来准确地评估无线电波传播特性。

本发明的第六方面根据本发明的第二方面提供了一种无线通信系统，其中，控制单元可以计算信道矩阵的多个对角线元素，该信道矩阵的矩阵元素是由多个传递函数值组成的，其中，控制单元可以使用信道矩阵的多个对角线元素来控制要施加到多个基站天线单元上的一组加权。

使用此结构，可以使用对角线元素来准确地评估无线电波传播特性。

本发明的第七方面根据本发明的第二方面提供了一种无线通信系统，其中，在多个终端之一发生移动时，该多个终端之一可以向基站发送移动导频信号，其中，该移动导频信号用于估计在该多个终端之一和基站之间的无线电波传播特性，基站用于接收该移动导频信号，控制单元用于重新计算与该多个终端之一相关的多个传递函数值，并且控制单元可以根据多个重新计算的传递函数值来使基站多波束天线的波束方向图正交化。

使用此结构，即使在一个或多个终端发生移动的情况下，也能进行空分无线点对多点通信。

本发明的第八方面根据本发明的第七方面提供了一种无线通信系统，其中，控制单元可以重新计算与一个或多个未移动的终端相关的多个传递函数值，该一个或多个未移动的终端属于所述多个终端。

使用此结构，总能够利用准确的传递函数值来进行无线通信。

本发明的第九方面根据本发明的第七方面提供了一种无线通信系统，其中，控制单元不重新计算与一个或多个未移动的终端相关的多个传递函数值，该一个或多个未移动的终端属于所述多个终端。

使用此结构，由于能够省略与一个或多个终端相关的传递函数值的计算，即使在一个或多个终端发生移动时，也能够快速进行空分无线点对多点通信。

本发明的第十方面根据本发明的第七方面提供了一种无线通信系统，其中，控制单元可以利用迁移率(mobility)作为表示多个终端之一在单位时间内、在空间中的移动程度的参数，来确定基站多波束天线的正交化的优先级。

使用此结构，由于使用了迁移率，能够通过考虑到通信优先级，来进行空分无线点对多点通信。

本发明的第十一方面根据本发明的第十方面提供了一种无线通信系统，其中，控制单元可以确定基站多波束天线的正交化的优先级，以使得具有特定迁移率的多个终端之一的优先级高于其迁移率大于该特定迁移率的多个终端的另一个的优先级。

使用此结构，可以通过将高优先级赋予难于移动的一个或多个终端来进行空分无线点对多点通信。

本发明的第十二方面根据本发明的第十方面提供了一种无线通信系统，其中，通过给予多个终端的各个标识符来表示多个终端的迁移率，该多个终端用于向基站发送各个标识符，控制单元用于接收从多个终端发送的各个标识符，并且控制单元用于根据由基站接收的各个标识符来确定基站多波束天线的正交化的优先级。

使用此结构，由于使用了标识符，所以在考虑到通信的优先级而没有复杂计算的情况下，能够进行空分无线点对多点通信。

本发明的第十三方面根据本发明的第一方面提供了一种无线通信系统，其中，在基站中提供了控制单元。

使用此结构，由于不需要提供除了基站和终端之外的其它部件，因此，能够简单地构造此无线通信系统。

根据本发明，即使在基站和终端之一之间只有很少的传播路径的情况下，利用在基站和彼此分离的其它终端之间的传播路径，能够提高空间多重性，从而改善频率利用效率。

根据本发明，即使在终端彼此分开和/或在一对或多对终端不能不通过基站而直接通信的情况下，基站能够检测整个无线通信系统的信道矩阵H。因此，能够容易地使基站多波束天线的波束方向图正交化。

根据本发明，由于能够省略交换接收到的信号，因此，在任何终端上都不必提供用于交换接收到的信号的电路，从而降低了终端的电路规模。

通过结合附图阅读下面的描述，本发明的上述和其他目的、特点和优点将会变得更加清楚，在附图中用相同的附图标记来表示相同的部件。

附图说明

图1是图解本发明的实施例1中的无线通信系统的示意图；

图2是示出本发明的实施例1中的天线波束方向图的例示图；

图3是图解本发明的实施例1中的传输特性的模似图；

图4是本发明的实施例1中的正交化过程的说明图(普通的逆矩阵)；

图5是本发明的实施例1中的正交化过程的说明图(特征值)；

图6是图解本发明的实施例1中的基站的方框图；

图7是图解本发明的实施例1中的终端的方框图；

图8是图解本发明的实施例1中的天线传输控制单元(基站)的方框图；

图9是图解本发明的实施例1中的天线接收控制单元(终端)的方框图；

图10是本发明的实施例1中的导频信号传输的说明图；

图11是本发明的实施例1中的顺序图；

图12是本发明的实施例1中的天线单元限制的说明图；

图13是本发明的实施例1中的伪正交化过程的说明图；

图14是本发明的实施例1中的、由基站看来的扩展角θ的说明图；

图15是本发明的实施例1中的波束方向图排除的说明图；

图16是本发明的实施例1中的波束方向图排除的说明图；以及

图17(a)和图17(b)是常规的零控制的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。

实施例1

图1是图解本发明的实施例1中的无线通信系统的示意图。如图1所示，本实施例的无线通信系统包括第一终端1、第二终端2、第三终端3和基站4。在详细说明基站4和终端1、2、3中的每个终端之前，将先说明该无线通信系统的概况。

在图1的例子中，在基站4和第二终端2之间存在一个电磁干扰物体6，在基站4和第三终端3之间存在一个电磁干扰物体7。

这样，在基站4和第一终端1之间形成了传播路径8。同样地，在基站4和第二终端2之间分别形成了传播路径9和传播路径10，而在基站4和第三终端3之间分别形成了传播路径11和传播路径12。

图2图解了在图1的条件下、在基站4中形成的天线波束方向图。在图2中，为传播路径8形成了主波束21，为传播路径9形成了主波束22，为传播路径10形成了主波束23，为传播路径11形成了主波束24，并且为传播路径12形成了主波束25。

如像下面将详细说明的那样，基站4和终端1、2、3中的每一个都包含多波束天线，其同时形成多个波束方向图，以便利用相同的频率来进行空分复用通信。

如图2所示，基站4形成了五个正交波束，即，用于去向第一终端1的传播路径8的波束，用于去向第二终端2的传播路径9和10的两个波束，

用于去向第三终端3的传播路径11和12的两个波束，由此进行空分复用通信。

在该例子中，考虑到在基站4和终端1、2、3之一之间的(点对点的)空间，最多存在两个传播路径，并且能够实现只有两个信道的空分无线通信，但是不能实现三个或更多信道的空分无线通信。

然而，根据本发明，利用基站4和三个终端1、2、3之间的五个传播路径8到12，能够实现具有五个信道的空分无线点对多点通信。因此，可以明显地改善单位体积空间中的频率利用效率。

在该实施例中，由于作为中心的基站4进行与终端1、2和3的空分复用通信，因此，应当使在基站4进行的零控制的灵活性高。

换句话说，在基站4的多波束天线中能够形成的零点的数目应当足够多，并且基站4的天线单元的数目应当大于终端1、2、3中的任何一个的天线单元的数目。

由于这个缘故，考虑到终端1、2和3通过基站4进行通信的关系，最好能够没有浪费地利用这些数目的传播路径。

下面将要说明使基站4中的波束方向图正交化的方法。图3图解了在图1的无线通信系统的基站4和终端1、2和3之间形成的传输特性。每个传输特性与多波束天线的每个天线单元相对应。

在图3中，基站4包括由六个天线单元A1、A2、A3、A4、A5和A6组成的多波束天线。第一终端1包括由三个天线单元B1、B2和B3组成的多波束天线。第二终端2包括由四个天线单元B4、B5、B6和B7组成的多波束天线。第三终端3包括由三个天线单元B8、B9和B10组成的多波束天线。

在图3中，假设在基站4的天线单元Ai和终端1、2和3之一的天线单元Bj之间的传递函数值用值hi_j来表示，那么可用下面的公式1来表示传播特性矩阵H。当然，在图3中的天线单元的数目仅仅是一个例子，并且可以有各种改变。

[公式1]

当与传递函数值hi_j的频率特性相比，用于空分复用通信的信号的带宽足够窄时，可以用下面的简单公式来表达传递函数值hi_j：

hi_j＝Ae^-jθ

其中，A是通过所组成的传播路径的振幅衰减项，θ是通过所组成的传播路径的相位延迟项。

为了形成正交波束，估计传播特性矩阵H并使矩阵H对角线化。然后，在空间上分离无线电信号并消除干扰波。

如像线性代数所教导的那样，使用普通逆矩阵的过程和使用特征值和/或特征向量的过程可以被用来使矩阵H正交化。

参见图4来说明使用普通逆矩阵的过程的例子。在图4中，假设向量“X”是一个发送信号向量，其由输入到第一终端1的分量、输入到第二终端2的分量和输入到第三终端3的分量组成，矩阵“W_m”是一个要与发送信号向量X相乘的加权矩阵，而矩阵“H”是一个传播特性矩阵。

进而，向量“Y”是由在基站4接收到的分量组成的接收信号向量，矩阵“W_b”是一个要与接收信号向量Y相乘的加权矩阵，而向量“X”是由基站4估计的发送信号向量。

然后，用于对角线化的公式是下面的公式2、3和4。其中，在公式3中的向量“I”是一个单位矩阵，在公式4中的上标符号“-1”表示普通的逆矩阵。

[公式2]

X’＝W_bHW_mX

[公式3]

W_m＝I

[公式4]

W_b＝H^-1

参见图5来说明使用特征值和/或特征向量的过程。在图5中，假设向量“X”是由输入到基站4中的分量组成的发送信号向量，矩阵“W_b”是要与发送信号向量X相乘的加权矩阵，而矩阵“H^T”是传播特性矩阵。

此外，向量“Y”是一个接收信号向量，其由输入到第一终端1中的分量、输入到第二终端2中的分量和输入到第三终端3中的分量组成，矩阵“W_m”是一个要与接收信号向量Y相乘的加权矩阵，而向量“X’”是一个由基站4估计的发送信号向量。

然后，用于对角线化的公式是下面的公式5、6和7。其中，在公式5中的上标符号“T”表示矩阵的转置，在公式6中的上标符号“*”表示共轭转置(conjugate tranpose)。矩阵“P”是这样一个矩阵，其中，与矩阵(H^T)*H^T的特征值相应的特征向量通常被正交化。

[公式5]

X’＝W_mH^TW_bX

[公式6]

W_m＝P^-1(H^T)^*

[公式7]

W_b＝P

下面，将具体地说明基站4和终端1、2和3的细节。为了说明简单起见，假设已经估计了传播特性矩阵H。

图6是图解基站4的方框图。如图6所示，基站4由下列部件组成。

在CODEC单元601通过输入-输出端口620输入信号时，CODEC单元601对信号进行编码并将编码的结果输出到调制单元602中。

在CODEC单元601输入来自解调单元604的解调结果时，CODEC单元601对此解调结果进行解码，并将解码的结果输出到输入-输出端口620。

CODEC单元601还输入来自导频信号处理单元609的处理结果，并将处理结果输出到迁移率识别(identifying)单元611。

在调制单元602输入来自CODEC单元601的信号时，调制单元602根据确定的调制方式来调制信号，并将调制结果输出到天线传输控制单元603中。如后面将要提及的那样，在天线传输控制单元603输入调制结果时，天线传输控制单元603确定多波束天线608的天线单元的波束方向图，并向天线接收控制单元605输出所确定的波束方向图。

天线传输控制单元603根据所确定的波束方向图来产生发送信号，并向变频单元606输出发送信号。

解调单元604解调从天线接收控制单元605接收到的信号，并向CODEC单元601和导频信号处理单元609输出解调结果。

在天线接收控制单元605输入来自变频单元606的信号时，天线接收控制单元605根据由天线传输控制单元603确定的波束方向图来处理信号，并向解调单元604输出处理结果。

发送/接收控制单元607选择发送状态和接收状态之一。在发送状态中，发送/接收控制单元607向多波束天线608输出从变频单元606输入的信号。并且，在接收状态中，发送/接收控制单元607向变频单元606输出由多波束天线608接收的信号。

由发送/接收控制单元607来控制变频单元606。在发送状态中，变频单元606转换从控制单元603输入的信号的频率，并向发送/接收控制单元607输出转换结果。在接收状态中，变频单元606转换从控制单元607输入的信号的频率，并向天线接收控制单元605输出转换结果。

在导频信号处理单元609输入来自解调单元601的、由终端1、2和3的天线单元中的任何一个发送的导频信号时，导频信号处理单元609检测导频信号的相位和/或振幅的漂移量(drift amount)，并向干扰量估计单元612和加权计算单元610输出检测结果。

干扰量估算单元612估计成对传播路径的干扰量，而每对传播路径是从由去向终端1、2和3的传播路径8到12组成的一组传播路径中选择出来的。

加权计算单元610根据由干扰量估计单元612估计的干扰量来计算多波束天线608的每个天线单元的加权。

天线传输控制单元603根据由加权计算单元610计算的加权来确定多波束天线608的波束方向图。已经将一个唯一的标识符给予终端1、2和3中的每一个。迁移率识别单元611识别该标识符。

在该实施例中，加权计算单元610和天线传输控制单元603都与控制单元相对应。该控制单元使基站多波束天线608的波束方向图正交化，并被设置于基站4之中。

下面将说明终端1、2和3。由于终端1、2和3中的每一个都有相同的结构，因此只说明终端1。

图7是图解第一终端1的方框图。如图7所示，该终端1包括：CODEC单元701、调制单元702、天线传输控制单元703、解调单元704、天线接收控制单元705、变频单元706、发送/接收控制单元707、具有L个天线单元的多波束天线708、加权计算单元709、导频信号产生单元710、和输入-输出端口720。

在图7中，为了避免重复说明，将相同的名称给予具有与图6中的相同功能的部件授予。在图7中，导频信号产生单元701产生要发送给基站4的、用于估计无线电波的传播特性的导频信号。多波束天线708向基站4发送由导频信号产生单元710产生的导频信号。

在基站4使其波束方向图正交化之后，天线传输控制单元703和天线接收控制单元705利用迫零法(zero forcing method)和最大似然估计法中的至少一个来消除干扰波。

下面，将使用图1中的基站4和第二终端2相互通信的例子来详细说明本实施例中的无线通信方法。

假设值“M”表示整个系统的空间多重性，值“N”是基站4的多波束天线608的天线单元的数目，值“L”是有关终端(在该例子中为第二终端2)的多波束天线708的天线单元的数目，而值“K”表示去向有关终端(在该例子中为第二终端2)的多重性。即，在该例子中，M＝5、N＝6、L＝4和K＝2。当然，这些值仅与此例相关，并且可以不同地改变它们。

基站4的CODEC单元601使包含数据的M个帧被发送到终端1、2和3中的至少一个，并以时间同步的方式将M个帧中的每一个输出到调制单元602。调制单元602对每个帧进行多载波调制。

如上所述，在与传递函数值hi_j的频率特性相比，子载波的带宽足够窄时，可以用下面的简单公式来表达传递函数值hi_j。

hi_j＝Ae^-jθ

进而，由于子载波信号被正交化，因此能够进行与每个频率无关的通信。

下面，为了说明简便起见，只说明如何处理频率相同的一组M个子载波信号。

调制单元602将M个子载波调制信号(X1，X2，...，XM)放大成为N个发送信号向量X(X1，X2，...，XM，...，XN)(例如，使用零插入)，并向天线传输控制单元603输出N个发送信号向量X。

下面，参照图8来说明天线传输控制单元602的细节。根据公式4或公式7，在考虑到从干扰量估计单元612、导频信号处理单元609和迁移率识别单元611中获得的一个或多个参数的情况下，加权计算单元610计算加权矩阵W_b。

天线传输控制单元602将加权矩阵W_b(w11，w12，...，w1N，...，wN1，wN2，...，wNN)与发送信号向量X相乘，以产生发送波束向量S(S1，S2，...，SM，...，SN)。通过数字信号处理以基带频率进行矩阵乘法。

变频单元606将发送波束向量S上变频到高频带中，以便产生上变频了的发送波束向量，并在发送/接收控制单元607已经保证时间同步之后，多波束天线608将上变频了的发送波束向量当作为空分复用信号发送给终端1、2和3。

终端2的多波束天线708通过去向终端2的一个或多个传播路径来接收来自基站4的空分复用信号。

发送/接收控制单元707获取时间同步的接收到的空分复用信号，并且变频单元706将接收到的空分复用信号下变频为到基带频率，以产生接收到的信号向量Y(Y1，Y2，...，YL)，并将接收到的信号向量Y输出到天线接收控制单元705。

下面，参照图9来说明天线接收控制单元705的细节。在考虑到从CODEC单元701和解调单元704中获得的参数的情况下，加权计算单元709使用公式3或公式6来计算加权矩阵W_m。

天线接收控制单元705将加权矩阵W_m(q11，q12，...，q1L，qL2，...，qLL)与接收到的信号向量Y相乘，以产生估计的发送向量X’(X’1，X’2，...，X’L)。

天线接收控制单元705将估计的发送向量X’减少为包括消除干比的子载波信号的K个元素的向量，以便将其结果输出到解调单元704中。解调单元704对该结果进行组成全部子载波的多载波解调，并产生K个接收帧。

上面说明了从基站4到第二终端2的过程。省略了对从第二终端2到基站4的过程的说明，这是因为它们与以上所述几乎相同。

下面，将要说明估计传播特性矩阵H的方法。如图10所示，终端1、2和3的天线单元Bj(j＝1，2，...，10)顺序地和分别地向基站4的天线单元A1，A2，...，A6中的每一个发送用于估计传递函数值(h1_j，h2_j，h3_j，h4_j，h5_j，h6_j)的导频信号。因此，基站4的导频信号处理单元609能够集中计算传播特性矩阵H。

导频信号可以是未调制信号、伪随机信号(例如，伪噪声码)，等等。在终端1、2和3发生移动以改变它们的传播路径特性时，终端1、2和3的导频信号产生单元710可以向基站4发送导频信号。

下面，参照图11来说明在整个系统上从基站4的导频信号请求到空分复用通信的建立的过程。在周期T1中，基站4向第一终端1发送导频信号请求，并从第一终端1的天线单元B1-B3依次发送导频信号。

在周期T2中，基站4向第二终端2发送导频信号请求，并从第二终端2的天线单元B4-B7依次发送导频信号。

在周期T3中，基站4向第三终端3发送导频信号请求，并从第三终端3的天线单元B8-B10依次发送导频信号。

在周期T4中，基站4估计传播特性矩阵H，并对正交波束进行波束成形。在周期T5中，基站4将估计的传播特性矩阵H通知给终端1、2和3。

在周期T6中，终端1、2和3中的每一个都对正交波束进行波束成形。在周期T7中，进行空分复用通信。

在该实施例中，由于作为中心的基站4进行与终端1、2和3的点对多点的空分复用通信，因而，不从基站4向终端1、2和3发送导频信号，而是从终端1、2和3向基站4发送导频信号。因此，能够容易地估计传播特性矩阵H。

假设值“N”是基站4的天线单元的数目，值“M”是用于空分复用通信的传播路径的数目。这里，在M＞N的一些情况下，存在传播路径的分离程度可能会下降并可能损坏零控制的精确度的可能性。

因此，如图12所示，最好限制由基站4接收的导频信号的数目，以便利用满足条件M＜N的矩阵H来形成波束。从而能够很好地保持零控制的精确度。

更具体地说，最好在矩阵H的传递函数值的一部分中插入零，以便减少矩阵H的秩(rank)M，从而限制导频信号的数目。可以根据分配给终端1、2和3的信道优先级来确定导频信号。

[公式8]

$H=\left(\begin{array}{ccccc}h1\_1,& h1\_2,& h1\_3,& \·\·\·,& h1\_10\\ h2\_1,& h2\_2,& & \·\·\·,& h2\_10\\ h3\_1,& h3\_2,& & \·\·\·,& h3\_10\\ 0,& 0& & \·\·\·,& 0\\ 0,& 0& & \·\·\·,& 0\\ 0,& 0& & \·\·\·,& 0\end{array}\right)$

下面，将要说明使终端1、2和3中的波束方向图伪正交化的方法。在该实施例中，如图1所示，即使在终端1、2和3彼此空间分离时也能够进行通信，并且在不通过基站4中继的情况下，终端1、2和3不能相互通信。

换句话说，在此情况下，终端1、2和3中的一个终端不能共享终端1、2和3中的其它两个终端的一个或多个多波束天线。

因此，如图5所示，在基站4和终端1、2和3进行空分复用通信的情况下，终端1、2和3中的任何一个都不能检测全部的接收信号向量Y，并且不能够形成严格的正交性。

在该实施例中，利用迫零法和最大似然估计法中的至少一个来对波束方向图进行伪正交化。“伪正交化”是指将传播路径限于具有高路径增益的路径，但是，路径的数目在可形成的零点的数目之内。因此，虽然丧失了严格的和数学上的正交性，但是，空分复用通信系统实质上保持了正交性。

由于下面的理由，伪正交化是有效的。

(1)终端1、2和3中的任何一个有少量的去向基站4的传播路径就足够了，即，K＜M。

(2)如果终端1、2和3中的任何一个的扩展角θ足够大，其中由去向终端自身的一对传播路径形成该角θ，即便使用具有少量单元的天线，也能减少这一对传播路径之间的干扰。

现在将用在图1的基站4和第二终端2之间进行空分复用通信的情况来具体说明伪正交化方法。

假设基站4已利用普通的逆矩阵或特征值/特征向量法确定了加权矩阵W_b，并且波束方向图己正被交化了。

参照图13来说明第二终端2利用迫零法或最大似然估计法的过程。在图13中，假设向量“X”是一个由输入到基站4中的分量组成的发送信号向量，矩阵“W_b”是一个要与发送信号向量X相乘的加权矩阵，而矩阵“H₂ ^T”是在基站4和第二终端2之间的传播特性矩阵。

此外，向量“Y”是一个由第二终端2接收的接收信号向量，矩阵“W_2m”是一个要与接收信号向量Y相乘的加权矩阵，值“δ”是一个根据接收信号向量Y的误差范数(error norm)，而向量“X”是一个由基站4估计的发送信号向量。

这里，用公式9来表达传播特性矩阵H₂。传播特性矩阵H₂是公式1的矩阵H的一个局部矩阵，第二终端2能够根据来自基站4的通知获取传播特性矩阵H₂的信息。

[公式9]

$H_2=\left(\begin{array}{cccc}h1\_4,& h1\_5,& h1\_6,& h1\_7\\ h2\_4,& h2\_5,& h2\_6,& h2\_7\\ h3\_4,& h3\_5,& h3\_6,& h3\_7\\ h4\_4,& h4\_5,& h4\_6,& h4\_7\\ h5\_4,& h5\_5,& h5\_6,& h5\_7\\ h6\_4,& h6\_5,& h6\_6,& h6\_7\end{array}\right)$

在使用迫零法时，公式10是第二终端2使部分矩阵H₂对角线化的一个公式。进而，第二终端2能够利用由公式11表达的加权矩阵W_2m来估计发送信号向量X’。

[公式10]

X’＝W_2mH₂ ^TW_bX

[公式11]

W_2m＝(H₂ ^TW_b)^-1

在使用最大似然估计法时，第二终端2能够通过像循环赛(round robin)那样计算发送信号向量X’可能进行(take)的所有情况来发现误差范数δ最小的情况，来估计发送信号向量X’。在公式12中，符号“‖-‖”表示一个范数。

[公式12]

δ＝‖Y-H₂ ^TW_bX’‖

类似地，终端1和3能够伪正交化波束方向图。

下面将说明在基站4未完全正交化波束方向图时的空分复用。

如图14所示，当从基站4上来看相邻的传播路径之间的扩展角θ小的时候，可能发生这种情况。例如，在图17(b)中的六元阵列天线具有波束方向图，该波束方向图包括主波束100的中心点以及两个与其相邻的零点101。由中心点和两个零点101之一形成的角大约为15度。

即，在两个传播路径形成一个小于15度的角时，除非增加天线单元的数目，否则不能避免相互干扰。在此情况下，经管终端1、2和3中的一个或多个已经根据公式10、11和12使波束方向图正交化了，但是仍可出现由干扰而引起的传输错误。

在该实施例中，由于基站4已经知道了传播特性矩阵H，所以干扰量估计单元612能够估计基站4的正交波束影响终端1、2和3中的某个终端的接收信号向量Y的干扰量。在检测到干扰大于确定值的电平的波束方向图时，要从空分复用中排除此波束方向图。

在传输特性足够缓慢地改变时，干扰量估计单元612能够利用公式13来估计干扰量。

[公式13]

Y＝HW_mX

参照图15来说明使用该估计的一个例子。如图15所示，在基站4已估计了第二终端2的干扰量并且一对主波束23和24的干扰量超过了确定值的情况下，基站4就从用于空分复用的该束主波束中排除掉主波束24。

根据此排除方法，虽然牺牲了某些空间相重性，但是能够有效地减少传播路径之间的干扰以减少传输错误，从而改善通信的可靠性。

在将此排除方法应用到多个终端时，传播路径的总数M增加了，同时也增加了相互干扰的传播路径对。

随后，最好进行下面的过程：首先，对于每个波束方向图，计算终端1、2和3的总干扰量；其后，依次排除具有最大总干扰量的波束方向图，除非该干扰量小于确定值。尽管此排除方法的过程是复杂的，但是由于这些过程而使得在整体上能够获得最大的空间多重性。

为了使用比较容易的过程来防止干扰，选择传播路径使得所有扩展角θ都有足够大的值也是有效的。

由于要排除的波束方向图是根据传输特性而随机选择的，在QoS(服务质量)是必需的时，可以根据终端1、2和3的优先级来选择波束方向图。

下面，将说明给终端1、2和3分配优先级的方法。在进行空分复用通信时，可以假设基站4通常处于非移动状态下。然而，终端1、2和3中的任何一个都可以处于非移动状态或移动状态下。

在存在处于移动状态的终端时，基站4必须在估计移动状态下的终端的移动速度之后，估计传播特性矩阵H。在某些情况下，在扩展角θ改变时，不能进行整体零控制。

因此，在该实施例中，通过使用表示终端1、2和3中的相应终端的移动程度的迁移率的参数来分配优先级，从而有效地形成基站4的正交波束。

例如，如图16所示，在第一终端1处于移动状态下、第二和第三终端2和3处于非移动状态下的情况下，基站4根据传递函数值的基于时间变化的信息来检测终端1、2和3的状态。传递函数值是传播特性矩阵H的矩阵元素。然后，基站4将高迁移率分配给第一终端1，而将低迁移率分配给第二终端2和第三终端3。

对于每种应用可以不同地设置优先级。例如，在以高速几乎实时地发送数据以便只允许在几秒钟之内的传输延迟时间的情况下，最好将较高的优先级分配给具有低迁移率的终端。

从而，减少了影响正交波束的动态干扰因素并将高优先级分配给难于移动的波束。结果，通过防止实时通信的中断(outage)，能够稳定地确保整个系统的空间多重性。在图16中，在出现干扰时，从空分复用中排除去向第一终端1的主波束21。

最好给终端1、2和3中的任何一个分配一个迁移率标识符(例如，仅整数值)。然后，基站4只通过参照迁移率标识符，能够省略用于检查终端1、2和3的状态的过程。

进而，最好根据其大量使用形式将固定迁移率标识符分配给终端1、2和3中的任何一个，在终端1、2和3的每个CODEC单元701中存储所分配的固定迁移率标识符。终端1、2和3的每一个都及时向基站4发送它的迁移率标识符，基站4的迁移率识别单元611识别所发送的迁移率标识符，并且基站4将所识别的迁移率标识符反映到优先级控制上。

最好，在终端1、2和3之一发生移动时，这个终端向基站4发送用于估计在该终端与基站4之间的无线电波传播特性的移动导频信号。基站4接收此移动导频信号，并重新计算与这个终端有关的传递函数值。然后，基站4根据重新计算的传递函数值来使基站多波束天线的波束方向图正交化。

这里，基站4可以重新计算与一个或多个没有移动的终端有关的传递函数值。或者，基站也可以不重新计算与一个或多个没有移动的终端有关的传递函数值。

产业上的可应用性

最好，将本发明的无线通信系统用于具有点对多点网络拓扑结构的无线局域网和无线音频视频流等技术领域中。

上面已参照附图说明了本发明的优选实施例，应当了解的是，本发明并不限于这些明确的实施例，在不偏离如所附的权利要求中所定义的本发明的范围或精神的情况下，本领域技术人员可以进行各种变更和修改。

Claims (23)

1.一种无线通信系统，包括：

基站；多个终端；和控制单元，

其中，所述基站和所述多个终端中的每一个用于使用相同的频率来同时进行信息的空分复用无线传输，

其中，所述多个终端中的至少一个通过多个传播路径与所述基站通信，

其中，所述基站包括用于空分复用无线传输的基站多波束天线，

其中，所述基站多波束天线包括多个基站天线单元，

其中，所述多个终端中的每一个都包括用于空分复用无线传输的终端多波束天线，

其中，所述终端多波束天线包括多个终端天线单元，以及

其中，所述控制单元用于使所述基站多波束天线的波束方向图正交化，从而控制空分复用无线传输。

2.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述控制单元根据多个传递函数值来使所述基站多波束天线的波束方向图正交化，所述传递函数值用于确定在所述多个基站天线单元和所述多个终端天线单元之间的无线电波传播特性。

3.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述基站天线单元的数目大于在所述多个终端中的所述终端天线单元的最大数目。

4.如权利要求2所述的无线通信系统，其中，所述多个终端中的每一个都向所述基站发送用于估计在所述多个终端中的每一个和所述基站之间的无线电波传播特性的导频信号，

其中，所述基站接收导频信号，以及

其中，所述控制单元根据导频信号来计算多个传递函数值。

5.如权利要求2所述的无线通信系统，其中，所述控制单元计算信道矩阵的特征向量，该信道矩阵的矩阵元素由多个传递函数值组成，以及

其中，所述控制单元利用信道矩阵的特征向量来控制一组要施加到所述多个基站天线单元上的加权。

6.如权利要求2所述的无线通信系统，其中，所述控制单元计算信道矩阵的多个对角线元素，该信道矩阵的矩阵元素由多个传递函数值组成，以及

其中，所述控制单元使用该信道矩阵的多个对角线元素来控制一组要施加到所述多个基站天线单元上的加权。

7.如权利要求2所述的无线通信系统，其中，当所述多个终端之一发生移动时，所述多个终端之一向所述基站发送移动导频信号，该移动导频信号用于估计在所述多个终端之一和所述基站之间的无线电波传播特性，所述基站接收该移动导频信号，所述控制单元重新计算与所述多个终端之一有关的多个传递函数值，并且，所述控制单元根据多个重新计算的传递函数值来使所述基站多波束天线的波束方向图正交化。

8.如权利要求7所述的无线通信系统，其中，所述控制单元重新计算与一个或多个未移动的终端有关的多个传递函数值，该一个或多个未移动的终端属于所述多个终端。

9.如权利要求7所述的无线通信系统，其中，所述控制单元不重新计算与一个或多个未移动的终端有关的多个传递函数值，该一个或多个未移动的终端属于所述多个终端。

10.如权利要求7所述的无线通信系统，其中，所述控制单元利用作为表示所述多个终端之一在单位时间内、在空间中移动的程度的参数的迁移率来确定所述基站多波束天线的正交化的优先级。

11.如权利要求10所述的无线通信系统，其中，所述控制单元确定所述基站多波束天线的正交化的优先级，以使得具有特定迁移率的所述多个终端之一的优先级高于具有大于该特定迁移率的迁移率的所述多个终端中的另一个的优先级。

12.如权利要求10所述的无线通信系统，其中，根据给所述多个终端的各个标识符来表达所述多个终端的迁移率，所述多个终端向所述基站发送各个标识符，所述控制单元接收由所述多个终端发送的各个标识符，并且，所述控制单元根据从所述基站接收的各个标识符来确定所述基站多波束天线的正交化的优先级。

13.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，在所述基站中提供所述控制单元。

14.一种用于无线通信系统的基站，该无线通信系统包括所述基站和多个终端，所述基站和所述多个终端利用相同的频率同时进行信息的空分复用无线传输，所述多个终端中的每一个都包括多个终端天线单元，所述基站包括：

由多个基站天线单元组成的基站多波束天线；以及

天线控制单元，用于通过所述多个基站天线单元来控制空分复用无线传输，

其中，所述天线控制单元计算多个传递函数值，所述传递函数值用于确定在所述多个基站天线单元和所述多个终端天线单元之间的无线电波传播特性，以便根据所确定的无线电波传播特性来使所述基站多波束天线的波束方向图正交化。

15.如权利要求14所述的基站，其中，所述基站还包括：干扰量估计单元，用于估计在所述多个终端和所述基站之间的一对传播路径中的干扰量，

其中，所述天线控制单元根据由所述干扰量估计单元所估计的干扰量来确定所述基站多波束天线的波束方向图。

16.如权利要求14所述的基站，其中，所述基站还包括：迁移率识别单元，用于识别所述多个终端中的每一个的迁移率，该迁移率表示所述多个终端之一在单位时间内、在空间中移动的程度，

其中，所述天线控制单元根据由所述迁移率识别单元所识别的迁移率来确定所述基站多波束天线的波束方向图。

17.一种用于无线通信系统的终端，该无线通信系统包括基站和多个终端，所述多个终端中的每一个都包括所述终端，所述多个终端和所述基站利用彼此相同的频率同时进行信息的空分复用无线传输，所述终端包括：

由多个终端天线单元组成的终端多波束天线；以及

导频信号产生单元，用于产生用于估计在所述基站和所述终端之间的无线电波传播特性的导频信号，

其中，所述终端多波束天线向所述基站发送由所述导频信号产生单元产生的导频信号。

18.如权利要求17所述的终端，其中，所述终端还包括：天线控制单元，用于通过所述多个终端天线单元来控制无线通信，以及

其中，在所述基站已使其波束方向图正交化之后，所述天线控制单元利用迫零法和最大似然估计法中的至少一个来消除干扰波。

19.一种用于在基站和多个终端之间使用相同的频率同时进行信息的空分复用无线传输的无线通信方法，该基站包括含有多个基站天线单元的基站多波束天线，多个终端中的每一个都包括含有多个终端天线单元的终端多波束天线，所述方法包括：

通过多个传播路径在多个终端中的至少一个和基站之间进行通信；

从多个终端中的每一个向基站发送用于估计无线电波传播特性的导频信号；

根据导频信号计算在基站的多个基站天线单元和多个终端的多个终端天线单元之间的无线电波传播特性的多个传递函数值；以及

根据无线电波传播特性的多个传递函数值来使基站多波束天线的波束方向图正交化。

20.如权利要求19所述的无线通信方法，其中，基站天线单元的数目大于多个终端中的终端天线单元的最大数目。

21.权利要求19提出的无线通信方法，其中，所述计算包括：计算信道矩阵的特征向量，所述信道矩阵的矩阵元素由多个传递函数值组成，以及

其中，所述正交化包括：利用信道矩阵的特征向量来控制一组要施加到多个基站天线单元上的加权。

22.如权利要求19所述的无线通信方法，其中，所述计算包括：计算信道矩阵的多个对角线元素，该信道矩阵的矩阵元素由多个传递函数值组成，以及

其中，所述正交化包括：利用信道矩阵的多个对角线元素来控制一组要施加到多个基站天线单元上的加权。

23.如权利要求19所述的无线通信方法，还包括：在多个终端之一发生移动时，从所述多个终端之一向所述基站发送用于估计在所述多个终端之一和所述基站之间的无线电波传播特性的移动导频信号；接收移动导频信号；重新计算与所述多个终端之一有关的多个传递函数值；以及根据多个重新计算的传递函数值来使基站多波束天线的波束方向图正交化。

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