专利名称：束成形方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在无线电通信系统中束成形的方法，该无线电通信系统拥有一个基站，该基站的天线设备拥有一系列天线元，从而束成形过程中的空间分辨是可能的。
在无线电通信系统中，通过电磁波(无线电接口)经由传输信道传输消息(语音、图象信息、或其它数据)。传输既发生在从基站到用户站的向下链路(downlink)方向，也发生在从用户站到基站的向上链路(uplink)方向。
此外，利用电磁波进行传播的信号，在传播介质中受到干涉引起的干扰。由噪音引起的干扰也可能是由接收机输入级的噪音造成。由于衍射和反射，信号分量穿越不同的传播路径。这一方面意味着来自不同方向的信号分别可以不止一次地到达接收机，并具有不同的延迟、衰减和相位角。另一方面，接收信号分量可能与接收机中不断变化的相位关系相干地重叠，从而在那里导致了一个短时消除效应(快速衰退fast fading)。
DE 197 12 549 A1公开了对智能天线(smart antenna)的使用，即对拥有多个天线元的天线装置的使用，以便提高向上链路方向的传输容量。这些允许把天线增益沿向上链路信号输出方向精密地校准。
从A.J.Paulraj、C.B.Pa padias撰写的“Space-timeprocessing for wireless communications”一文(IEEE SignalProcessing Magazine，1997年11月49-83页)中，可以获知各种用于向上链路和向下链路方向的空间信号分离的方法。
特别困难的情况出现在向下链路方向，即从基站到用户站的方向，因为必须在所传输的信号受到无线电信道的影响之前执行束成形。从R，Schmalenberger、J.J.Blanz所撰写的“A comparisonof two different algorithms for multi antenna C/I balancing”一文(第二届欧洲个人移动通信会议(EPMCC)会刊，德国，波恩1997年9月，483～490页)中，可以获知沿向下链路方向束成形的一个算法，该算法基于基站和用户站之间的直接传播路径(视连接)以及束成形向量的迭代计算。凡当传输信道的特性改变时，就必须反复进行整体高开销的迭代计算。
DE 198 03 188 A公开了一种为从基站到用户站的链接确定一个空间协方差矩阵方法。在基站中，根据协方差矩阵计算一个本征向量，并将其用作针对该链接的一个束成形向量。使用束成形向量对针对该链接的传输信号加权，并将其提供于天线元，用以发射。由于使用了接合检测，例如在终端中，所以小区内的干涉不包含在束成形过程中，而且由于小区之间干涉导致所接收信号的任何窜改是可以忽略的。
在一个具有多路径传播的环境中，该方法明确确定了一个具有良好传输特性的传播路径，并且把基站的传输能力空间地集中在该传播路径上。然而，使用该方案，不可能防止该传输路径上的干扰导致信号抵消的可能性，因此不可能防止短时内传输的中断。
因此，来自3GPP(3rd Generation Partnership Project，http/ww.3gpp.org)的建议提供了若干方法，其中，用户站针对从第m个天线元到用户站的信道估计一个短时信道脉冲响应hm，并计算加权因子Wm，其中加权因子Wm在其由第m个天线元传输之前用于加权传输信号。在M.Raitola、A.Hottinen，以及R.Wichmann所撰写的“Transmission diversity in wideband CDMA”一文中也涉及到相应的概念，该文发表在第49次IEEE Vehicular technology春季会议((VTC 99春季)，休斯顿，德克萨斯，1999)的会刊上，1545-1549页。
这种策略的一个严重问题是，必须把由用户站所估计的加权因子的向量传输到基站，另外，根据来自3GPP的建议，每时隙(slot)仅1个比特的窄带宽可供使用。因而，只能以粗糙量化的形式传输这些向量。如果信道变化迅速，且必需从一个时隙更新到另一个时隙权重，那么仅天线元的两个不同的相对相位角可加以设置。如果信道变化缓慢，且例如4个时隙可用于向量的传输，那么至少可以表示向量的16个不同的值。
然而，当基站处的天线元数目大于2时，这些公知概念达到了它们的极限，因为向量传输所要求的带宽随其分量数目而增加，即随天线元的数目而增加。这意味着，尽管一方面希望拥有大数目的天线元，以便能够尽可能精确地校准传输束，但另一方面，有限的可用带宽使得不能充分频繁地更新加权向量，然而对于匹配快速衰退来说这是必须的。
本发明基于这样的一个目的说明一种改进的束成形方法，该方法允许可靠地形成向下链路束。
通过根据具有权利要求1特征的本发明的方法，可以实现该目的。本发明的扩展取自从属权利要求。
在拥有一个基站和多个用户站的无线电通信系统中，使用根据本发明的数据传输方法。例如，用户站为移动站，即在一个移动无线电网络中的移动站；或固定站，即在对无绳用户连接端口的所谓的用户接入网络中的固定站。基站拥有一个具有多个天线元的天线设备(智能天线)。天线元使得经由无线电接口的数据被定向接收和定向传输。
根据本发明的方法，区分一个初始化阶段和一个工作阶段。总是在对应相关用户站的一个大数目的长时隙中执行所述初始化阶段；所述工作阶段的步骤被频繁地执行，例如，最多可达每时隙一次。在初始化阶段中，确定多个所谓的第一加权向量，在无线电通信系统中，在随后的工作阶段中使用这些第一加权向量，以便针对工作阶段的每一个周期重新确定实际上用于束成形的当前加权向量。因而，在初始化阶段很少产生与求出加权向量相关的处理开销。相比之下，可以根据需要频繁地确定当前加权向量(例如，它仅要求一系列第一加权向量的线性组合的选择或形成)，以便补偿因快速衰退所造成的传输中断。
此处，如果论及初始化阶段和工作阶段，它们不应被理解为与两个在时间上独立并被连续执行的两个过程相关联。其实它们是该方法的可以被连续执行的并且具有时间限制的两个过程部分。尽管把初始化阶段的结果用于工作阶段，然而，有利的做法是，在工作阶段的同时执行初始化阶段的过程，以便可以将连续更新的第一加权向量值提供给工作阶段使用。
考虑到以下事实如果在用户站和基站之间存在呼叫连接期间，加权向量也仅慢速地变化或者根本不发生变化，并且通过转换或改变加权向量的权重应当以短的时间间隔在基站进行快速衰退补偿，那么在初始化阶段传输给基站的关于加权向量分量的信息，也称为长时反馈信息，在工作阶段被传输的相应信息，称为短时反馈信息。
在该方法的一个早期阶段，在第一次执行初始化阶段之前，严格地讲，不可能进行工作阶段，因而仍然不可能在终端和基站之间进行交换数据。通过最初根据第一加权向量的任意预定值执行工作阶段可以应付这种情况。
为了简化起见，可以假定预定加权向量为这样的一些加权向量与一个不消失的分量(最好是令其为值1)相分离。而且这些加权向量仅拥有具有值0的分量。
该方法的第一优选改进提供了根据对向下链路传输的测量确定第一加权向量的方法。对于针对向上链路和向下链路使用不同频率的无线电通信系统来说，该策略特别有利。因为在诸如这样的无线电通信系统中，不同频率的快速信号衰减(fast fading)是不相关的。而且根据本发明方法的步骤，既针对在初始化阶段中求出的第一加权向量加以执行，也针对在工作阶段中重新确定当前加权向量的加以执行，因此，仅需要在用户站处加以执行。这避免了处理开销的加倍，而且在用户站处用于执行这些方法步骤的电路部件也仅需要提供一次。
在该情况中，在初始化阶段中，有利的做法是，把在用户站处所确定的第一加权向量传输到基站，并在工作阶段中通过用户站从所确定的第一加权向量中选择一个主导加权向量，并把所选择的主导加权向量的一个标志传输给基站，执行对当前加权向量的重新确定。由于该传输不需要发生在用户站的每一单一的时隙中，所以可以间或地或把一个专用信道分配给它，或可以在单个时隙中中断使用数据(例如语音)从用户站到基站的传输或把它们限制在各时隙中，以便创建用于传输加权向量的传输带宽。因此，与使用传统的每一时隙1比特的传输带宽的方法相比，可以以高得多的分辨率传输这些加权向量。另外，也可使用具有标志的时分多路复用的方式开始传输加权向量。在该情况中，最好把其中传输加权向量的标志的时隙的个数与其中传输关于加权向量的分量的新的或改变的值的信息的时隙的个数比率，根据用户站速度动态地确定。例如，在用户站不移动的情况下，当衰退对于各传播路径的传输质量没有影响或仅有很小的影响时，或当一个用户站正在极快速地移动，当传输路径的传输质量迅速地改变，以至于束成形不能够充分快地得以重新调整时，主要或专门地传输关于本征向量分量的信息。与此同时，以较低速度主要地传输标志。在每一情况中，加权向量相应于基站的天线设备的发射方向。在这样一个定向的传播路径上快速衰退可以导致对传输的短时消极影响。然而，其中必须发射向下链路信号以便达到用户站的方向本身，也在缓慢地改变。即使用户站正在移动，例如，在秒到分的时间量程上。因而，可在针对束成形适当长度的时间周期上使用被传输到基站的加权向量，即使在任何给定时刻不允许全部加权向量以高质量传输。如果在给定时刻所使用的加权向量的传输质量变差，那么基站必须短时地变换到另一个加权向量，所述向量允许满意传输的或尽可能最佳传输。在该情况中，把该加权向量叫做主导加权向量。由于在基站处，该加权向量的各个系数已经知道，所以在工作阶段，不再需要对它们逐一地传输，仅传输一个标志，所述标志允许基站从存储于它之中的那些主导加权向量中选择用户站所希望的主导加权向量并允许使用该主导加权向量进行传输的一个标志，就足够了。传输这样一个标志所需的信息量完全独立于在初始化阶段传输加权向量的系数的分辨率，也独立于每一向量的系数的个数，即独立于基站天线设备中的天线元的个数。该信息量仅随被传输到基站的加权向量的个数对数地增加。以这种方式，在用户站的工作阶段中，以标志传输的最小带宽要求进行高精度的束成形是可能的。
优选地在初始化阶段中产生所接收的向下链路信号的第一空间协方差矩阵，并确定该第一协方差矩阵的本征向量，然后把它们作为加权向量传输到基站。
可以根据由用户站所接收的完整的向下链路信号的标准，产生该第一协方差矩阵。由于用户站所接收的向下链路信号的各分量不仅在它们所历经的路径方面不同，而且在该路径所需的延迟时间方面也不相同，所以针对向下链路信号的每一抽头逐一地产生第一协方差矩阵更为恰当。
最好确定第一协方差矩阵(一或多个)的所有本征向量中那些具有最高本征值的那些本征向量，因为这些本征向量相应于具有最小衰减的传播路径。
为了获得一个关于各传输路径的质量的有代表性的信息，在向下链路信号中在大量时隙上对每一第一协方差矩阵加以平均，也是很有利的。
为了在工作阶段中的任意给定时间确定最合适的加权向量，最好生成一个第二空间协方差矩阵，从所确定的本征向量选择为主导加权向量的本征向量是具有最高本征值并具有第二协方差矩阵的那一个本征向量。可以从新的，例如，针对分配给用户站的每一时隙，产生该第二空间协方差矩阵。
当产生协方差矩阵时，为了使来自各天线元的分量之间进行区别成为可能，对于每一天线元来说，周期性地发射一个训练序列(trainingsequenz)是很有利的，其中训练序列为用户站所知，并正交于其它天线元的训练序列，而且对根据用户站所接收的训练序列确定加权向量也是很有利的。
一个具体的改进允许所确定的加权向量的个数为2。在该情况中，在工作阶段中，一个比特足以标识相应的主导加权向量，该比特可以在分配给用户站的每一时隙中加以传输。
也可以确定更大数量的加权向量，最好令其为2的幂2n，其中要求n个比特标识主导加权向量。可以在一系列时隙上分配该标志的传输。如果在每一个时隙中有一个用于传输的比特，那么需要n/a个时隙，把由标志所指出的加权向量插入紧随标志的传输全部完成之后的n/a个时隙中。
第二优选改进，允许根据对向上链路传输的测量确定第一加权向量。该策略拥有以下优点不需要从用户站到基站传输第一加权向量的系数。因此，这种方法与现存的不提供这样的传输的移动无线电系统更加兼容。
尽管在针对向上链路和向下链路使用不同的频率的移动无线电系统中对于两个传输方向的快速衰退是不同的，但这不会对第一加权向量的确定有任何干扰性影响，如果后者通过时间平均获得，特别是根据一个平均的协方差矩阵获得。
同样在该情况中，最好，第一加权向量各为一个协方差矩阵的本征值，由于这些本征值各相应于基站和用户站之间一系列不同的路径上可能同时被交换的无线电信号的一个单一传播路径。如果在于用户站和基站之间(基站可根据向上链路信号的接收统计对其加以确定)存在一个直接传播路径(LOS，line of sight)，那么使用一个相应于该传输路径的加权向量以加权方式传输向下链路信号，是足够的。在该方式中，把基站的传输功率目标明确地导向直接传输路径，与此同时，无目标地向较低质量的其它传输路径提供传输功率。
如果不存在直接传输路径，那么可以把第一加权向量的一个线性组合用作当前加权向量。这相应于目标明确地把基站的传输功率分配给限数目的传播路径，这些传播路径数目对应包含于当前加权向量的线性组合数目。在这种情况下，如果快速衰退使得传输路径之一被短时取消，那么存在以下高概率至少在该线性组合中的另一个加权向量将对应于一个质量可用的传输路径。当第一加权向量是协方差矩阵的本征向量时，情况更是如此，因为使用这些第一加权向量，破坏性干涉的概率在统计上是不相关联的。
在这样一个使用本征向量的线性组合的传输期间，为了得到尽可能好的信噪比，第一加权向量的线性组合的系数的本征值越大，就选择越大的第一加权向量的线性组合系数。
如果在两条传输路径上向下链路信号的延迟是相等的，那么用户站不能够针对其所接收的信号直接保持这两条传输路径互相分离。因此有可能在用户站位置处，对于这两个分量相位相反因而相互抵消。通过在基站处根据用于那一用户站的一个用户数据序列产生一系列向下链路信号，能够可靠地避免这样的互相抵消，其中每一个向下链路信号各拥有不同的空间时间块编码，并传输这些向下链路信号的每一使用另外的当前加权向量加权的向下链路信号。以该方式，每一个传播路径都分配有特征的空间时间块编码，这使得所有情况下可以区分不同的传输路径的分量。
当前加权向量(基站使用它把一个具有加权的向下链路信号传送到天线元)不必等同于所确定的第一加权向量之一，它也可以是一系列第一加权向量的线性组合。在诸如这样的一个方法中，可以根据从用户站传输至基站的短时反馈信息执行束成形，例如根据从用户站传输到基站的关于线性组合的加权系数而不是关于待用的本征向量的标志的信息。该信息可以包括关于幅度，特别是关于加权系数的相位的细节。这使基站对两个或两个以上的第一加权向量以相位方式，如果可能的化以幅度方式进行协调，使得在用户终端将SNR(信噪比)最大化。
是可能的。如果适当的话，在用户终端上协调振幅，以便最大化SNR(信噪比)也是可能的。
在每一情况中，可以把由一个用户站所确定的加权向量传输到基站，即通过把它们的各分量的值相继地传输到基站，来完成该传输。为了实现该点所需的数据量，以及因此为了传输所要求的时间，取决于确定和传输加权向量所使用的分辨率。当在用户站和基站之间的连接的早期阶段中必须首次传输由用户站所确定的向量时，这样的逐分量的传输是很有利的。
如果基站拥有一组加权向量，以及初始化阶段被重复，以便确定第一加权向量的当前值(应当合理的轮流进行)，那么为长时反馈信息的传输节省大量传输带宽是可能的，即可通过下列方式实现该节省现在，在每一种情况中，仅传输来自从用户站到基站的该向量的先前值的分量中的变化的部分，而不是一个当前所确定的第一加权向量的分量的值，在基站中把变化添加到在先前的初始化阶段中所确定的值上。以该方式，与相应于所传输比特数目的值相比，在基站处所恢复的第一加权向量的当前值可以拥有高得多分辨率。
在一个有限制的情况下，对于第一加权向量的每一分量来说，差形成过程可能会受到以下因素限制当前初始化阶段中所确定的值和一个在先前的初始化阶段中所确定的值之间的差的数学符号的形成、把数学符号传输到基站、以及根据所传输的数学符号将存储于那里的第一加权向量的每一分量的递增或者递减一个单元。
在该情况中，无论在一个笛卡儿坐标表示还是在一个内部于用户站和内部于基站的极坐标表示中，处理第一加权向量复数值分量都是无关紧的。尽管极坐标表示中的两个复数值之间的差别通常不对应于由幅度分量和相位分量之间的差所形成的一对儿数，但在此处所考虑的应用中，在基站处，也可以通过传输该对数的极坐标表示，并把它们逐分量地添加以形成一个加权向量，来在基站处执行对加权向量的更新。
以下将参照对附图对示范性实施方案进行解释，在这些附图中
图1描述的是一个移动无线电网络的方框图；图2描述的是一个基站的方框图；图3描述的是一个用户站的方框图；以及图4描述的是根据第一改进的方法的一个流程图；图6A、B以及C描述的是针对短时和长时反馈信息的传输的多路复用格式；
图7描述的是基站中的一个传输/接收设备的一部分的方框图；以及图8A、B描述的是基站处的一个加权向量的分量的时间展开， 它们针对的是把关于加权向量的分量信息反馈到基站的两种不同的方法。
图1描述了一个无线电通信系统的结构，其中，可以使用根据本发明的方法。这包括大量的移动交换中心MSC，它们互相连接成网络，并提供了对一个陆地线网络PSTN的入口。另外，还把这些移动交换中心MSC各连接于至少一个基站控制器BSC。反过来，每一个基站控制器BSC允许一个针对至少一个基站BS的连接。一个诸如这样的基站BS可以经无线电接口建立一个到用户站MS的连接。为此，使用具有一系列天线元(A1～AM)的天线设备AE装备至少某些基站BS。
图1示例地描述了用于传输用户信息的连接V1、V2、Vk，用户站MS1、MS2、MSk、MSn之间的信号信息，以及一个基站BS。一个操作与维护中心OMC为移动无线电网络或为其一部分提供了控制和维护功能。可以把该结构的功能移植到其它使用本发明的无线电通信系统中，特别是针对具有无线用户连接端口的用户接入网络。
图2示意性地描述了一个基站BS的设计。一个信号生成设备SA把供用户站MSk使用的传输信号装配成无线电块(Funkbloecken)，并把该信号分配给一个频率信道TCH。一个传输/接收设备TX/RX接收来自信号生成设备SA的传输信号Sk(t)。该传输/接收设备TX/RX包括一个束成形网络，其中把针对用户站MSk的传输信号Sk(t)逻辑地与供其它用户站使用的并被分配了相同传输频率的传输信号S1(t)，S2(t)，...相连接。对于每一个用户信号和每一个天线元，束成形网络拥有一个乘法器M，它把传输信号Sk(t)乘以一个分配给正在接收用户站MSk的加权向量W(k)的一个分量Wm(k)。加法器ADm，m＝1，...，M分别对来自分配给天线元Am，m＝1，...，M的乘法器M的输出信号执行加法运算，并由一个数字/模拟转换器DAC被模拟化，再被转换成传输频率(HF)，然后在它们到达天线元A1，...Am之前在一个功率放大器PA中被放大。把一个类似于所描述的束成形网络但未在图中特别加以显示的结构配置在天线元A1，A2，...Am和数字信号处理器DSP之间，以把所接收的向上链路信号的混合分解成针对各用户站的分量，并把它们分别提供给DSP。
一个存储器设备SE包含一系列针对每一用户站MSk的加权向量W(k，1)，W(k，2)，...，根据它们选择由乘法器M所用的加权向量W(k)。
图3示意性地描述了一个用于执行根据本发明的方法第一改进的用户站MSk的结构。用户站MSk拥有一个单一的天线A，它接收从基站BS所发射的向下链路信号。在被转换成基带之后，把所接收的信号从天线A馈送到一个所谓的瑞克搜寻器RS(Rake searcher)，瑞克搜寻器RS用于测量在不同的传播路径上已经到达天线A的向下链路信号的分量之间的经历时间差。进而把所接收的信号施加于瑞克放大器RA，它拥有一系列瑞克分支(Finger)，图中说明了其中的三个，其中的每一个拥有一个延迟节DEL和一个解扩器/解扰器(Entspreizern-Entscoamblern)EE。在每一情况中，延迟节DEL把所接收的信号延迟一个延迟值τ1，τ2，τ3，...。该延迟值τ1，τ2，τ3，...由瑞克搜寻器RS提供。解扩器/解扰器EE中的每一个都在它们的输出端产生一个所估计的符号的序列，而且由于瑞克放大器的各分支中与解扰和扩频码相关的向下链路信号的不同的相位角，针对各个解扰器的估计过程的结果可能是不同的。
由解扩器/解扰器EE所产生的符号序列还包括对由基站发射的训练序列的估计结果，对于基站的每一天线元来说，训练序列是特征化的和准-正交的。一个信号处理器SP用于把这些训练序列的估计结果与用户站所知道的并实际地包含于训练序列中的符号进行比较。可把该比较用于确定基站BS和针对每一单一抽头或抽头的用户站MSk之间的传输信道的脉冲响应。也把解扩器/解扰器EE的输出连接于一个最大比率组合器MRC，最大比率组合器MRC把各个所估计的符号序列加以装配，以形成一个它向一个语音信号处理器SSV所提供的具有最佳可能信噪比的组合的符号序列。该单元SSV(它把所接收的符号序列转换成一个用户能够听见的信号，并把所接收的音调转换成一个传输符号序列)的操作方法是人们所熟悉的，因而不需要在此加以描述。
信号处理器SP分别针对每一抽头确定每一天线元AE1，...，AEm的脉冲响应，并以们所熟悉的方式把这些脉冲响应组合起来，例如根据所引用的DE 19803188，形成一个空间协方差矩阵，Rxx。把这些空间协方差矩阵传送到一个计算单元RE，将参照图4中所示的流程图对其操作方法加以描述。
在一个初始化阶段1，计算单元RE分别针对每一抽头求和大量所提供的协方差矩阵Rxx，并形成协方差矩阵的一个平均值 跟随其后的将是对针对各个抽头所获得的平均协方差矩阵 的本征值和本征向量的一个分析(步骤2)。
分析可以扩展到协方差矩阵 的所有本征向量和值，而且在该情况中，在这里的考虑之下，一个计算单元KE确定一个有限制个数(例如2或4个)的在分析过程中所发现的、拥有具有最大幅度本征值的、因而相应于具有最小散射的传输路径的本征向量。另外，在本征值的递减幅度序列中，使用一个用于产生协方差矩阵 的本征向量的本征向量分析的方法是可能的，一旦有限个数本征值的得以确定，便终结该分析方法。
把所确定的本征向量的系数W(k，1)，W(k，2)，...与来自语音处理单元SSV的用户数据流结合起来，并经由天线A传输到基站(步骤4)。基站把它们存储在其存储器单元SE中，以用作针对束成形网络的乘法器M的系数。
现在，计算单元RE转向一个工作阶段，在工作阶段中，在每一情况中，在每一与用户站的一个单一的时隙相关的情况下，计算单元RE从信号处理器SP接收这些协方差矩阵Rxx(步骤5)，并把它们乘以存储在存储器单元中的每一本征向量，然后把它们传输到基站，以便针对相关的协方差矩阵Rxx确定这些向量的本征向量(步骤6)。在步骤7中，经由控制单元KE把拥有较大本征值的本征向量的个数传输到基站，把这样的本征向量标识成主本征向量，因为它对所接收的信号做出了最大的贡献，而且通常是最好的贡献。如果仅把两个所确定的本征值存储在存储器单元SE中，并已把它们传输到基站，那么1比特足以标识具有相应较大本征值的本征向量。因此，如果每一个时隙都有1比特可用于把接收特性反馈给基站，那么由基站用于束成形的向量可以在每一时隙中被修改，并可以用于下一个时隙中的束成形。
如果把4个本征值传输到基站，则需要2比特标识相应的主本征向量。如果每一时隙有1比特可用于回传接收特性，则需要2个时隙才能传输主向量的完整的标识。因此，这用于针对跟随其传输的2个时隙的束成形，在这两个片的过程中传输将被相继使用的标识。
需要再次执行初始化阶段之前，可以多次循环地重复工作阶段步骤，以修改本征向量的系数。
为了便于理解，以上描述了初始化阶段和工作阶段之间的差别。然而，这并意味着必须在互相独立的时刻执行这两个阶段。例如，两个阶段互相包含是可能的和有利的，其中，具有一个所接收的协方差矩阵′Rxx的计算单元RE中首先在步骤6确定本征值，其次在步骤1使用该矩阵形成协方差矩阵的一个运行平均值 这可以确保一个最新的平均协方差矩阵 随时可得，并可用于在步骤2中执行本征值分析。
可以根据下列公式，通过一个可调整的平均过程，很方便地计算平均协方差矩阵 (Rxx‾)i=ρ(Rxx‾)i-1+(1-ρ)Rxx i]]>其中，在每一情况中， 代表第i个平均协方差矩阵，(Rxx)i代表第I个最新协方差矩阵，以及ρ是对用于平均过程的时间常数的一个测量，并拥有0和1之间的一个值。
如果在一个用户站MSk和一个基站BS之间的一个传输链路的开始处尚不可得使用其可以执行一个本征值分析的平均协方差矩阵 那么仍可传输数据。在传输链路的该早期阶段中，使用预先加以定义的第一加权向量加权向下链路信号，而不是已确定的本征向量。这些预先确定的第一加权向量的个数等于将在以后加以确定的本征向量的个数，并且不大于基站的天线元的个数。预先确定的第一加权向量形成一个正交系，特别是，可以为一组(1，0，0，...)，(0，1，0，...)，(0，0，1，0，...)形式的向量。预先确定的加权向量的诸如这样的一个选择意味着每一个预先确定的加权向量相应于被施加于一个单一天线元的向下链路信号。因而，一个加权向量的一个标识的向基站的传输可使用户站确定把多个天线元中的哪一个用于传输供其使用的向下链路信号。
如果所确定和所传输到基站的本征向量的个数为2，那么从用户站向基站所传输的一个单一比特足以指明基站应该把这些本征向量中的哪一个用于传输。也可以把这个比特视为对两个本征向量的一个线性组合的系数的指示，它们为(0，1)或(1，0)，取决于该比特的值。然而，对于基站来说，连续地传输使用两个加权向量加权的向下链路信号，以及根据由用户站所传输的短时反馈信息设立这两个加权向量的相对相位角，也是可行的。当然，在每一情况中，线性组合系数和/或由用户站所传输的相位信息也可以包括一个以上的比特，以至于建立系数的或相移的中间值也是可能的，如果必要的话，也可以把这在一系列时隙上加以传输和分布。
可以把该方法直接地一般化为两个以上的本征向量。在该情况中，关于各本征向量的幅度和/或相位角的短时反馈信息可以在一个预先确定的序列中加以传输，这允许基站把振幅和/或相位值与一个本征向量关联起来，或在每一情况中通过把本征向量的一个标志与幅度和/或相位信息一起传输到基站把以上所描述的两个概念加以组合。
可以把表示各本征向量的系数的长时反馈信息经由一个专用的信号信道传输到基站。然而，由于这与现存的标准更为兼容，所以最好在有效载荷数据包中按具有短时反馈信息的时分多路复用模式传输。
图6A、B以及C描述了在一个WCDMA系统中多路复用传输短时和长时反馈信息的不同的格式。在WCDMA标准中，每一传输帧拥有15个时隙。用于传输短时反馈信息的可用的反馈比特，即将被使用的本征向量的标志或相应于各本征向量的向下链路信号的相对的振幅和相位角的可用的反馈比特，在每一情况中，使用图6A中的多路复用格式，在一个这样的帧中的14个时隙中加以传输。一个长时反馈比特，在第15个帧中加以传输，包括与由用户站所确定的本征向量的分量相关的信息。如可以看到的那样，在该格式中，一个单一的本征向量的分量的传输必须占用大量的帧，尽管在该周期中可以多次传输一个本征向量的一个标志。一个这样的格式适合于针对一个正在相当快地移动的并正受到快速衰退但仅其本征向量仅很慢地变化的用户站的链路的连续的操作。
图6B描述了一个第二多路复用格式，其中为4个时隙，传输短时反馈信息，在每一情况中，交替地把一个时隙用于长时反馈信息。该格式适合于当用户站的快速移动需要相当频繁地修改本征向量时，而且对于一个连接的初始阶段来说也是很有利的，其中在一组本征向量的初始计算之后，可望能够以尽可能少的延迟把这组本征向量传输到基站。另外，在每一情况中，使用一种传输短时反馈信息的两个时隙后跟一个针对长时反馈信息的格式也将是可能的。与针对短时和长时反馈信息的时隙之间的其它数值关系相比，两种格式拥有这样的优点这些格式的周期，分别包括5或3个比特，精确地适合于一个时间框架。
而且，以上所描述的格式拥有这样的好处在每一WCDM桢中它们传输一个偶数个数比特的短时反馈信息。如果被确定的和被传输到基站的本征向量的个数为2，即一个本征向量的标识仅为1比特，那么这没有影响。然而，在实际有意义的情况中，其中，在每一情况中，把4个本征向量传输给基站，而且传输给基站的与用户站对它们的选择相关的标识，拥有2比特的长度，因此一个整数数值的标志总是适合于一个桢，从而不需要把不同帧中所传输的比特加以组合以形成一个标志。
图6C描述了在一个扩展意义上的一个多路复用格式。其中，根本不传输短时反馈信息。像这样的一种格式对于两种不同应用情况来说是特别值得采纳的第一，它适合于一个完全固定的用户站，该用户站不会经受任何快速衰退，即对于一个其当前协方差矩阵Rxx实质上为常数的用户站而言。对于像这样的一个用户站，不要求短时反馈信息，所希望的只是用于传输向下链路信号的本征向量应能尽快地可得于基站。
第二种应用环境是，一个极高速移动的用户站，在这样的用户站中，各传输路径的收接质量非常快，以至于由用户站所产生的短时反馈信息在基站可以使用它时已经过时。因此，使用这样的一个站，值得尽快地更新本征向量。例如，总可以把相对最好的本征向量用于传输向下链路信号，假设由于用户站的高速度所导致的快速衰退所产生的接收中断，永远不会持续很长时间以至于不能够由插值法加以桥接，或同时可以使用一系列本征向量。
图8A和8B针对用于从用户站MSk到基站BS的长时反馈信息的传输的两种不同的方法，描述了基站BS所使用的一个第一加权向量的一个分量c的时间展开。在该情况中，一条细实线Cmess表示由用户站所测量的分量c的值的时间分布，一条粗的实线Csteu描述了由基站实际用于束成形的c的值的展开。分量c可以为一个第一加权向量的一个实值分量，或一个复值分量的实或虚部、否则为一个幅度分量或一个角分量。
对于使用具有短时反馈信息的时分多路复用模式来说，由于可用于c值传输的带宽是非常有限的，所以，在每一情况中，基站BS可以采用用户站MSk所确定的仅具有一个不会消失的延迟的值，可相当于几个时隙，特别是受到所传输的长时反馈信息的分辨率的制约。然而，在图8A和8B中所给出的说明中忽略了该延迟，以避免对这两种方法的不必要的复杂的比较。
作为一个例子，假设测量分量c，并以4比特的分辨率对其进行处理。
在图8A中所描述的情况中，分量c在时间t＝0时，以值3开始。初始化阶段(其中，在每一情况中，基站测量c的当前值)在正常的时隙t＝1，2，...发生。Cmess在时间t＝1已达到值7。用户站向基站传输两个所测量的值之间的差+4，然后令Csteu＝7。把3个比特用于传输该差，并可表示值-3，-2，-1，0，1，-...，4。节省了4比特中的1比特。如果c的两个测量之间的时隙较短，那么节省可以更为显著，因此，要被传输的差越小，从而传输该差的所要求的比特的个数就越少。与c的完整的数值值的传输相比，在传输带宽方面，给出最大可能的节省的两个测量之间的时隙，取决于正在使用本发明的无线电通信网络的局部特性。如果要求的话，可以动态地对这加以定义，例如，通过在参照图6A～6C所描述的不同多路复用格式之间进行转换。
在时间t＝2时，传输一个+3的差，因而把Csteu设置为10。在t＝3时，实际上Csteu保持不变，传输差0。Csteu也保持不变。在每一情况中，在t＝6，7，8时，也传输差0。
在图8B中所描述的方法中，用户站测量每一初始化阶段中的c(csteu)的当前值，并把它与所确定的并存储于先前初始化阶段中的值进行比较。在时间t＝0时c的值大约为5.4。用户站针对该值存储量化的值5。在时间t＝1时，测量csteu，大约为5.5。这大于所存储的值，因此它把所存储的值递增1，并把一个差+1传输给基站，然后，把它所使用的分量c的值csteu同样递增1。
在时间t＝2时，cmean大约为5.4，与存储在用户站中的值进行比较，目前为6，导致了一个减少，因此，用户站把c的所存储的值递减，并把-1传输给基站，同样递减csteu。因而存储在用户站中的值和csteu总是相同的。
在时间t＝3时，cmess已下降了到5.2。由于所存储的值为5，所以仍然可标识一个递增，并把csteu递增到6。
如可以看到的那样，在该第二种方法中，当cmess仅变化很小时，csteu总是在cmess附近摆动。该方法的优点是，在每一初始化阶段中传输csteu中的变化，仅要求1个比特，其值为0或1，取决于所发现的变化的数学符号。与这相比，在第一种方法(其中也可以传输0的变化)中，为了传输csteu中的一个增加、无变化、或一个减少，至少要求2比特。
在t＝6之后，cmess开始迅速地增加，并在t＝7时达到了近似8的值。与此同时，csteu仅可递增到值6，因而在两个值之间存在着一个显著的差异。当csteu迅速变化时，为了防止cmess和csteu互相漂离，本发明规定用户站监视两个值之间的差。如果超过了一个预先加以确定的极限值，缩短两个初始化阶段之间的时隙。这是图8B中的例子中在时间t＝7之后的情况。在短时隙，csteu递增，直至在时间75时csteu超过cmess。
在时间t＝76＝8时，用户站从csteu的递减推断cmess中迅速上升的阶段已经过去，并把两个初始化阶段之间的时隙增加到初始值。
将参照图5描述根据本发明的方法的一个第二改进。在该改进中，根据对从一个用户站MSk到基站BS的向上链路传输的测量确定第一加权向量。为此，基站BS装备有类似瑞克搜寻器RS、瑞克放大器RA、信号处理器SP、计算单元RE、存储器单元SE等的部件，将针对用户站参照图3对它们加以描述。
在该方法的步骤1中，计算单元RE形成一个针对向上链路信号的每一抽头的平均协方差矩阵，并确定以这种方式获得的协方差矩阵的本征向量和本征值。在每一情况中，这些本征值相应于一条传输路径和某些与到各天线元的向上链路信号的相应幅度的相对相位角相关的信息，因而，包含与分量被接收的那一方向相关的信息。如果在考虑之下的无线电通信系统中的向上链路和向下链路的频率是相同的，那么包含于本征向量中的相位信息可直接用于加权向下链路信号。如果向上链路和向下链路的频率是不同的，那么必须根据向上链路频率把含于本征向量中的相位信息转换到一个适当的方向，接着根据向下链路频率把这方向转换成相位信息，以便获得适合于向下链路中的束成形的本征向量。
步骤2中的分析还包括对本征向量的本征值的确定。本征向量的幅度是对每一单一传输路径的质量的一个测量，因而，针对相继的使用，选择一个给定个数，例如2或4个，本征向量，并在步骤3中对它们加以存储，这些是已经发现的拥有最高本征向量幅度的本征向量。
在相继的工作阶段中，计算单元从信号处理器循环地接收协方差矩阵，其中，在每一情况中，把每一协方差矩阵与向上链路信号的一个单一的抽头相关联。已存储在存储器单元SE中的每一个本征向量本身相应于一个具体的抽头。在步骤6，计算单元为每一个所存储的本征向量确定当前本征值，即通过把其乘以在步骤5中产生并相应于与该本征向量相同的抽头的协方差矩阵加以确定。所获得的本征值提供了对相应于那个本征向量的传输路径上的传输质量的一个测量，具有相应于工作阶段中协方差矩阵的产生率的一个时间分辨率。在该阶段，在每一情况中，由信号处理器针对分配于那一用户站的每一时隙实时地产生协方差矩阵。因而，本征值是在考虑到快速衰退的情况下对传输路径的传输质量的一个测量。
在该方法的一个第一简单变体中，一个步骤8跟随其后，在步骤8中，计算当前加权向量W(k)，即通过如下方式计算完成该计算形成所存储的本征向量的W(k，1)，W(k，2)，...的一个线性组合，把包含在该线性组合每一个本征向量W(k，1)，W(k，2)，...乘以步骤6中所获得其本征值或其的幅度。可以正则化该线性组合。线性组合形成过程中的该加权确保了在短时中，那些拥有最好传输特性的传输路径，支配由基站所发射的向下链路信号。把包括在当前加权向量W(k)中的其它本征向量用于确保一个可用的信号到达用户站，甚至是在最高加权的传输路径从一个时隙变化到下一个时隙的情况下。
如果基站和用户站之间的传输路径之一是一个直接连接，那么可以根据这样的一个事实针对基站标识该直接连接所接收的向上链路信号的相应的分量拥有相当小的相位波动，通常也具有很小的衰减。如果存在这样一条直接传输路径，那么可以把相关的本征向量直接用作当前加权向量W(k)，换句话说，把所有的其它本征向量包括进具有0系数的线性组合的形成中。
参照图4和5所描述的该方法的改进的进一步开发的一个变体是基于根据一个拥有一个包括一系列天线元的天线设备的基站的，它能够使用空间时间块代码进行传输。像这样的代码，是人们所熟悉的，例如，从Tarokh等人编写的“Space-Time Block Cedes fromOrthogonal Designs”(关于信息理论的IEEE论文集，1999年7月5号刊45卷)可以了解到这样的代码。图7中描述了来自这样一个基站的传输/接收设备Tx/Rx的详细情况。在该传输/接收设备中，把一个供用户站MSk使用的复值符号序列划分成两个抽头，其中的一个包括一个空间时间块译码器STBE，在该情况中，空间时间块译码器STBE反转该序列，共轭和反转符号序列SK(t)中的两个相继的符号中的一个符号的数学符号。包含在该方式中的但拥有相同的信息内容的两个不同的符号序列，在一个束成形网络中被加权，可类似于参照图2的描述对其设计进行描述，因此此处将不再更详细地对其加以描述，其中具有两个来自一组本征向量W(k，1)，W(k，2)，...W(k，a)＝(W1(k，a)，W2(k，a)，...，Wm(k，a))的本征向量W(k，a)，W(k，b)，它们被额外地添加和传输。因此，各天线单元(A1，...，AM)能够传输拥有不同空间时间块编码的混合信号。因此该编码不专门针对一个单一的天线单元，而是针对一个传播路径a或b，传播路径a或b相应于用于加权的相应的本征向量W(k，a)或W(k，b)。这确保了在这两条不同的传输路径a，b上到达用户站的信号能够永远不会破坏性地干扰，即使它们的相对延迟消失。
因此，在使用该传输/接收设备的第二改进的变体中，形成一个线性组合的步骤8由空间时间块编码加以替代。除此之外，该方法步骤相应，特别是，从工作阶段的一个周期到下一个周期，两个变体都拥有互换那些包含在线性组合中或用于加权空间块编码的信号中的所存储的本征向量的能力。
空间时间块编码还可用于在3或3条以上的传输路径上发射一个向下链路信号一个基站中，其中每一个传输路径相应于一个本征向量。为此，一个第一选择是使用自身为人们所熟悉的并允许根据一个符号序列产生3个或3个以上不破坏性地干扰的符号序列的空间时间块编码。一个第二、优选的选择源自这样的事实对于3或3条以上的传输路径，很少拥有严格相同的延迟时间。在这些路径上所传输的信号的训练序列(在时间上它们不改变)是正交的，仅当这些传输路径的延迟时间是相同的。因此，在每一情况中，通常仅间或要求空间时间块编码并仅针对传输路径中的两条传输路径。从而，用户站能够监视在这些传输路径上所接收的向下链路信号的正交性，以标识何时它们在时间上一致，以及(在短时反馈信息中如果必要的话)在每一情况中，基站可以标识空间时间块编码应该被用于的本征向量对。
事实上，把对空间时间块代码的使用与对作为加权向量的协方差矩阵的本征向量结合使用(如此处所建议的)，是特别有吸引力的。由于对本征向量的分解意味着相应于一个本征向量的相应向下链路束的快速衰退是不相关的，该分解过程还允许通过在实践中充分加以包括的空间时间块代码实现理论上可能的分集增益。
此处对所描述的、基于这里所公开的内容的改进的修改，均在本领域熟练技术人员的知识范畴之中。特别是，可以想象这样一个变体，其中，根据向上链路信号确定本征向量，如参照第二改进所描述的，并把所确定的本征值从基站传输到用户站，以至于用户站能够执行方法步骤5～7，如针对该方法的第一改进参照图4所描述的。
权利要求
1.一种用于在无线电通信系统中束成形的方法，该无线电通信系拥有用户站(MSk，MS1～MSn)，并拥有一个基站(BS)，该基站具有一个天线设备(AE)，该天线设备拥有多个天线元(A1～AM)，这些天线元各发射一个向下链路信号，该向下链路信号用一个当前加权向量W的系数Wi，i＝1，...，M进行加权，该方法的特征在于，a)在一个初始化阶段中确定若干第一加权向量W(j)，以及b)根据所确定的第一加权向量，在一个工作阶段中周期性地重新确定用于发射对用户站(MSk)确定的向下链路信号的一个时隙的当前加权向量W。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，根据对向下链路传输的测量确定第一加权向量。
3.如权利要求1或2的方法，其特征在于a)在初始化阶段中，在用户站中确定第一加权向量W(j)，并把所确定的第一加权向量传输给基站；以及b)在操作阶段中，用户站使用所确定的第一加权向量选择一个主导加权向量，并把主导加权向量的一个标识传输给基站。
4.如权利要求3的方法，其特征在于，在用户站处形成当前初始化阶段中所确定的值和一个先前初始化阶段中所确定的值之间的差，以便把一个第一加权向量传输给基站，并把该差传输给基站，在该基站中把所述差添加于先前阶段中所确定的一个值，以便恢复第一加权向量的当前值。
5.如权利要求3的方法，其特征在于，在用户站处形成当前初始化阶段中所确定的值和先前初始化阶段中所确定的值之间的差的数学符号，以便把第一加权向量传输给基站，把数学符号传输给基站，并根据所传输的数学符号把存储在那里的第一加权向量的每一分量递增或递减一个单位。
6.如权利要求3～5之一的方法，其特征在于，在初始化阶段中产生所接收的向下链路信号的一个第一空间协方差矩阵，确定第一协方差矩阵的本征向量，并把本征向量作为第一加权向量加以传输。
7.如权利要求6的方法，其特征在于，分别针对向下链路信号的每一抽头产生第一协方差矩阵。
8.如权利要求6或7的方法，其特征在于，所确定的第一本征向量是来自一个或多个第一协方差矩阵的所有拥有最大本征值的本征向量中的本征向量。
9.如权利要求6、7或8的方法，其特征在于，在向下链路信号中大量时隙上对第一协方差矩阵加以平均。
10.如权利要求6～9之一的方法，其特征在于，在操作阶段中周期性地产生一个第二空间协方差矩阵，作为所确定的本征向量的主导加权向量所选择的加权向量，是使用第二协方差矩阵的拥有最大本征值的本征向量。
11.如权利要求3～10之一的方法，其特征在于，每一个天线元周期性地发射一个正交于其它天线元的训练序列的训练序列，以及根据由用户站所接收的训练序列确定第一加权向量。
12.如权利要求3～11中所要求的方法，其特征在于，所确定的第一加权向量的个数为2，以及在每一个分配给用户站的时隙中传输主导加权向量的标志。
13.如权利要求12的方法，其特征在于，在传输用于束成形的标志之后的时隙中立即使用所述标志。
14.如权利要求3～11之一的方法，其特征在于，所确定的第一加权向量的个数为2n，n＝2，3，...，以及在分配于用户站的每一时隙中，在a个比特的部分中，a＝1，...，n，传输包括n个比特的主导加权向量的标志。
15.如权利要求14的方法，其特征在于，将该标志插入紧随传输用于束成形的标志之后的n/a时隙中。
16.如权利要求3～15之一的方法，其特征在于，在特定的时隙中，传输关于加权向量的分量的信息，而不是主导加权向量的标志。
17.如权利要求16的方法，其特征在于，在其中传输加权向量的标志的时隙的个数或在其中传输关于加权向量的分量的信息的时隙的比率，取决于用户站的移动速度而变化。
18.如权利要求1或2的方法，其特征在于，根据对向上链路传输的测量确定第一加权向量。
19.如权利要求18的方法，其特征在于，在初始化阶段产生所接收的向上链路信号的第一空间协方差矩阵，以及确定第一协方差矩阵的本征向量，并把该本征向量用作第一加权向量。
20.如权利要求19中所要求的方法，其特征在于，分别针对向上链路信号的每一抽头产生第一协方差矩阵。
21.如权利要求19或20中所要求的方法，其特征在于，所确定的本征向量是来自一个或多个第一协方差矩阵的所有拥有最大本征值的本征向量中的本征向量。
22.如权利要求19、20或21的方法，其特征在于，在向上链路信号中大量时隙上对第一协方差矩阵加以平均。
23.如权利要求19～22之一的方法，其特征在于，在操作阶段中周期性地产生第二空间协方差矩阵，以及选作所确定的本征向量的主导加权向量的加权向量，是使用第二协方差矩阵的拥有最大本征值的本征向量。
24.如权利要求19～23之一的方法，其特征在于，每一用户站周期性地发射一个训练序列，以及根据由用户站所接收的训练序列确定第一加权向量。
25.如权利要求1、2、16～24之一的方法，其特征在于，当前加权向量是第一加权向量的线性组合。
26.如权利要求25的方法，其特征在于，在操作阶段中，用户站把关于该线性组合的系数的信息传输给基站。
27.如权利要求26的方法，其特征在于，该信息表明该线性组合的系数之一的相位和/或幅度。
28.如权利要求26或27的方法，其特征在于，第一加权向量的个数为2。
29.如权利要求19和25的方法，其特征在于，第一加权向量的线性组合的系数的本征值越大，所选择的第一加权向量的线性组合系数就越大。
30.如权利要求1、2、16～22之一的方法，其特征在于，根据对用户站(MSk)确定的符号序列，产生在每一个拥有一个不同的空间时间块编码的多个向下链路信号，以及发射每一个用其它当前加权向量加权的向下链路信号。
31.如权利要求25或29的方法，其特征在于，当在基站和用户站之间存在LOS传输路径存时，从第一加权向量中选择当前加权向量。
32.如先前权利要求之一的方法，其特征在于，在完成对第一加权向量W(j)的个数的确定之前，根据先前确定的加权向量来确定用于发射对用户站(MSk)确定的向下链路信号中的一个时隙的当前加权向量W。
33.如权利要求32中所要求的方法，其特征在于，先前确定的加权向量各拥有一个而且仅拥有一个不消失的分量。
全文摘要
本发明涉及一种无线电通信系统，该无线电通信系统包括用户站和一个基站(BS)，该基站配有拥有多个天线元的天线系统，这些天线元使用加权向量的系数以一种加权的方式发射向下链路信号。为了形成束，在用户站(2)确定多个加权向量，并把加权向量传输到基站(4)。在一个相继的工作阶段中，用户站在所确定的加权向量(6)之间选择一个主导向量，并把所选择的加权向量的一个指示符传输到基站(7)。
文档编号H04B7/10GK1440597SQ01812389
公开日2003年9月3日 申请日期2001年6月29日 优先权日2000年7月4日
发明者C·布伦纳, A·塞格尔, B·拉尔夫 申请人:西门子公司