一种动态信道分配及空间特征提取和波束赋形方法

专利名称：一种动态信道分配及空间特征提取和波束赋形方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信系统中信道分配、空间特征提取及波束赋形方法，尤其是在OFDM传输系统中。
背景技术：
在SCDMA和TD-SCDMA系统中都采用了智能天线技术，SCDMA的下行波束赋形是利用上一帧的上行信号的空间特征，而TD-SCDMA的下行波束赋形可以利用本子帧的上行信号的空间特征。而突发传输系统(例如WiMAX)中，因为信道每帧分配，而且上下行的分配并不对称(分配给一个用户下行信道并不以意味着同时分配给它一个上行信道)，因此在类似于WiMAX这样信道分配的系统中很难使用智能天线的波束赋形。
CDMA系统的空间特征提取和波束赋形技术的研究已经比较透彻，并且已经在很多系统中使用，比如SCDMA、TDS-CDMA系统，但OFDM系统的空间特征提取和波束赋形技术却值得研究。
现有技术的缺点其中一个是在类似于WiMAX信道分配的系统中很难使用智能天线，因此需要对信道分配方法做一定的修改。另外一个缺点是现有的空中特征提取和波束赋形技术不适合在OFDM系统中使用。

发明内容
本发明的目的在于提供一种数据传输系统中动态信道分配及空间特征提取和波束赋形方法，以解决类似于WiMAX信道分配的系统很难使用智能天线的难题，并且所述信道分配方法同时又保留了WiMAX信道分配的优点，比如延迟小、适合多用户调度等。
为实现上述目的，本发明提出一种数据传输系统中动态信道分配方法，基站通过MAP广播信令给一个或者多个终端分配上下行信道，优选地，基站随时为终端分配本帧的一个或者多个上行信道和下一帧的一个或者多个对应的下行信道。
优选地，基站为所述的本帧和下一帧同时分配上下行信道，并且上行在前，下行在后。
所述的数据传输系统可以是OFDM TDMA系统，所述信道为特定的时隙。
所述的数据传输系统可以是OFDMA系统，所述信道为若干个OFDM符号中的部分子载波。
本发明还提出一种数据传输系统中空间特征提取的方法，包括(1)基站通过MAP广播信令随时为终端分配本帧的一个或者多个上行信道和下一帧的一个或者多个对应的下行信道；优选地，基站随时为终端分配本帧的一个或者多个上行信道和下一帧的一个或者多个对应的下行信道。
优选地，基站为所述的本帧和下一帧同时分配上下行信道，并且上行在前，下行在后。
所述的数据传输系统可以是OFDM TDMA系统，所述信道为特定的时隙。
所述的数据传输系统可以是OFDMA系统，所述信道为若干个OFDM符号中的部分子载波。
(2)终端解析MAP广播信令后，发送上行信号至基站；所述上行信号应该包括用于空间特征提取的信号。
所述用于空间特征提取的信号，可以是训练序列或导频或用户数据。
(3)基站利用终端的上行信号进行信道估计和空间特征提取。
优选地，所述信道估计之后还包括对估计得到的信道值进行低通滤波的步骤。
优选地，步骤(3)还包括对估计到的信道响应进行去小径处理的步骤。
所述空间特征提取可以是时域空间特征提取，也可以是频域空间特征提取。
本发明还提出一种数据传输系统中波束赋形的方法，包括(1)基站通过MAP广播信令随时为终端分配本帧的一个或者多个上行信道和下一帧的一个或者多个对应的下行信道；优选地，基站随时为终端分配本帧的一个或者多个上行信道和下一帧的一个或者多个对应的下行信道。
优选地，基站为所述的本帧和下一帧同时分配上下行信道，并且上行在前，下行在后。
所述的数据传输系统可以是OFDM TDMA系统，所述信道为特定的时隙。
所述的数据传输系统可以是OFDMA系统，所述信道为若干个OFDM符号中的部分子载波。
(2)终端解析MAP广播信令后，发送上行信号至基站；所述上行信号应该包括用于空间特征提取的信号。
所述用于空间特征提取的信号，可以是训练序列或导频或用户数据。
(3)基站利用终端的上行信号进行信道估计和空间特征提取；
优选地，所述信道估计之后还包括对估计得到的信道值进行低通滤波的步骤。
优选地，步骤(3)还包括对估计到的信道响应进行去小径处理的步骤。
所述空间特征提取可以是时域空间特征提取，也可以是频域空间特征提取。
(4)基站利用所述空间特征对上下行信号进行波束赋形。
所述上行波束赋形或下行波束赋形都可在频域完成。
优选地，所述下行的波束赋形在时域完成。
所述下行的波束赋形在时域完成，具体为每条延迟径都使用独立的空间特征，加入延迟，各径相叠加。
OFDMA系统中，下行的波束赋形的操作过程为每个用户的信息映射到分配给它的子载波上，其它用户子载波处置0，单独进行快速逆傅立叶变换，然后单独对每个用户的时域信号进行下行波束赋形，每个用户的信号单独波束赋形后在每根天线上相加。
优选地，所述各径相叠加时还需要同时保证各径的同相叠加，而且各天线满足最大比合并，各径也是最大比合并。


图1WiMAX信道分配示意2本发明信道分配示意3提取空间特征示意4时域波束赋形方法示意5OFDMA系统中时域波束赋形过程示意图具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明在OFDMA系统中的实现。
图1所示为WiMAX的信道分配方式WiMax的每帧上下行分别通过UL_MAP和DL_MAP分别进行分配，而且下行在前，上行在后，因此很难采用智能天线技术。
图2所示为本发明信道分配方法本发明的信道分配方式为动态分配，并同时分配上下行信道，且上行在前下行在后。图中MAP为信道分配指示信息，为广播信令，同一个MAP信息为用户指示上下行信道被分散到两帧，并且上行在前下行在后，这样分配的好处是下行可以利用上行的空间特征来进行下行波束赋形，同时有足够多的时间来处理MAP信息。
在数据传输过程中，基站通过MAP广播信令给一个用户同时分配本帧的一个上行信道和下一帧的一个对应的下行信道(OFDMA系统中信道指的是若干个OFDM符号中的部分子载波)，终端解析MAP广播信令后，发送上行信号(至少包含用来做信道估计的训练序列或导频或用户数据)，基站利用用户的上行信号进行信道估计和空间特征提取，然后利用此空间特征对下行进行波束赋形。上下行间隔约为半帧长。
下面具体描述联合信道估计和空间特征提取的过程。
图3所示为提取空间特征示意图，每根天线接收到上行信号以后，做FFT(快速傅立叶变换)或IDFT以后提取导频，利用导频信息做频域信道估计。假设在频域估计得到的信道为H^=[H1,H2,···,HN].]]>对估计得到的信道值进行低通滤波，滤除部分噪声，同时为了更好地抑制多径干扰和提高赋形的准确性以及降低下行时域赋形的复杂度，应该对估计到的信道响应进行去小径的处理。低通滤波和去小径操作的具体实现流程为先对频域信道估计值做IFFT，得到时域脉冲响应 h^=IFFT(H^)=[h1,h2,···,hN].]]>低通滤波就是让hl＝0，(l＞L时)，L为信道的最大多径时延，在OFDM系统中，一般取L为OFDM符号的保护间隔长度。去除小径的具体操作过程为设定一个门限值I，例如比最大径的功率小6db，让每个hl的功率(|hl|2)和I比较，功率小于I的径置0，即hl＝0，if(|hl|2＜I)，功率大于等于门限值的径被保留下来，低通滤波和去除小径后的时域脉冲响应记为 用于上下行的波束赋形的空间特征提取时可以设定不同的门限，或者提取用于上行波束赋形的空间特征时不做去小径的处理。
时域空间特征直接利用各径在各天线的幅度和相位提取，如径i在天线k估计到的幅度为αi，k，相位为i，k，则加权向量为αi，ke-ji，k而频域空间特征的提取是先把去小径后的时域脉冲响应变换到频域，H~=FFT(h~),]]>在频域取各天线 的平均幅度和相位提取，如天线k估计得到的平均幅度为αk，相位为k，则加权向量为。αke-jk上行的波束赋形在频域完成，即，各天线信号乘以相应加权因子后相加，其中，天线k上各子载波乘以加权因子，αi，ke-ji，k频域赋形时所有子载波有相同的空间特征，各径有同样的赋形增益。在频域提取空间特征可通过取各天线的平均相位得到，同时所有子载波利用同一个空间特征进行波束赋形。
下行的波束赋形也可以在频域完成，即，各天线信号乘以相应加权因子，其中，天线k上各子载波乘以加权αi，ke-ji，k因子，对于OFDMA系统，多个用户共享一个OFDM符号，应该对每个用户单独进行信道估计、空间特征提取以及波束赋形。
图4时域波束赋形方法示意5OFDMA系统中时域波束赋形过程示意图波束赋形是针对每个用户的，因此，OFDMA系统中可以在时域进行下行波束赋形时采用如下的操作流程每个用户的信息映射到分配给它的子载波上，其它用户子载波处置0，单独进行快速逆傅立叶变换(IFFT)，然后单独对每个用户的时域信号进行时域波束赋形，每个用户的信号单独波束赋形后在每根天线上相加。
时域波束赋形过程为每条延迟径都使用独立的空间特征(此空间特征根据每条径在各天线的相位得到)，加入延迟，目的是为了让延迟大的径先发射，从而使各个路径的信号几乎同时到达。即，径l在天线k估计到的幅度为αl，k，相位为l，k，则加权向量为αl，ke-jl，k，加入延迟τl，延迟可以这样确定径l估计到的延迟为l*ts，ts为采样点的周期，则下行的时域赋形加入的延迟为τl＝-l*ts，-l*ts表示提前l*ts发射。各径信号经过赋形后相加，天线k赋形后的信号为，Sk(t)=Σls(t)*αl,k*δ(t-τl)]]>s(t)为赋形前的信号。各径信号相叠加，同时保证各径的同相叠加，而且各天线满足最大比合并，各径也是最大比合并。
仅是出于进行说明和描述本发明的目的，给出了以上OFDM及OFDMA系统的实例。但是，可以理解，本发明的方法也适用于其它数据传输系统(例如CDMA系统)。本领域普通技术人员可以在本发明的主旨和范围之内对具体实施方式
进行修改而不背离本发明。
权利要求
1.一种数据传输系统中动态信道分配的方法，基站通过MAP广播信令给一个或者多个终端分配上下行信道，其特征在于，基站随时为终端分配本帧的一个或者多个上行信道和下一帧的一个或者多个对应的下行信道。
2.如权利要求1所述的一种数据传输系统中动态信道分配的方法，其特征在于，基站为所述的本帧和下一帧同时分配上下行信道，并且上行在前，下行在后。
3.如权利要求1或者2所述的一种数据传输系统中动态信道分配的方法，其特征在于，所述的数据传输系统可以是OFDM TDMA系统，所述信道为特定的时隙。
4.如权利要求1或者2所述的一种数据传输系统中动态信道分配的方法，其特征在于，所述的数据传输系统可以是OFDM A系统，所述信道为若干个OFDM符号中的部分子载波。
5.一种数据传输系统中空间特征提取的方法，其特征在于，该方法主要包括以下步骤(1)基站通过MAP广播信令随时为终端分配本帧的一个或者多个上行信道和下一帧的一个或者多个对应的下行信道；(2)终端解析MAP广播信令后，发送上行信号至基站；(3)基站利用终端的上行信号进行信道估计和空间特征提取。
6.如权利要求5所述的一种数据传输系统中空间特征提取的方法，其特征在于，所述的基站为所述的本帧和下一帧同时分配上下行信道，并且上行在前，下行在后。
7.如权利要求6所述的一种数据传输系统中空间特征提取的方法，其特征在于，所述的数据传输系统可以是OFDM TDMA系统，所述信道为特定的时隙。
8.如权利要求6所述的一种数据传输系统中空间特征提取的方法，其特征在于，所述的数据传输系统可以是OFDM A系统，所述信道为若干个OFDM符号中的部分子载波。
9 如权利要求5或6或7或8所述一种数据传输系统中空间特征提取的方法，其特征在于，所述上行信号应该包括用于空间特征提取的信号。
10.如权利要求9所述一种数据传输系统中空间特征提取的方法，其特征在于，所述用于空间特征提取的信号，可以是训练序列或导频或用户数据。
11.如权利要求5或6或10所述一种数据传输系统中空间特征提取的方法，其特征在于，步骤(3)中信道估计过程为第k根天线接收到上行信号以后，做FFT变换，在频域提取导频，利用导频信息做频域信道估计，估计得到的频域信道记为H^=[H1,H2,···,HN].]]>
12.如权利要求11所述一种数据传输系统中空间特征提取的方法，其特征在于，步骤(3)所述信道估计之后还包括对估计得到的信道值进行低通滤波的步骤，其中，低通滤波过程为先对频域信道估计值做IFFT，得到时域脉冲响应 h^=IFFT(H^)=[h1,h2,···,hN],]]>令hl＝0，(l＞L时)，L为信道的最大多径时延。
13.如权利要求11所述一种数据传输系统中空间特征提取的方法，其特征在于，步骤(3)还包括对估计到的信道响应进行去小径处理的步骤，所述的去除小径处理包括设定一个门限值I，功率小于I的径置0，功率大于等于门限值的径被保留下来，去除小径后的时域脉冲响应记为
14.如权利要求5或6或7或8或10或12或13所述一种数据传输系统中空间特征提取的方法，其特征在于，所述空间特征提取可以是时域空间特征提取，所述时域空间特征提取直接利用各径在各天线的幅度和相位提取，具体为径i在天线k估计到的幅度为αi，k，相位为i，k，则加权向量为αi，ke-ji，k。
15.如权利要求5或6或7或8或10或12或13所述一种数据传输系统中空间特征提取的方法，其特征在于，所述空间特征提取可以是频域空间特征提取，所述频域空间特征的提取需先把去小径后的时域脉冲响应变换到频域，H~=FFT(h~),]]>在频域取各天线 的平均幅度和相位提取，具体为天线k估计得到的平均幅度为αk，相位为k，则加权向量为αke-jk。
16.一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)基站通过MAP广播信令随时为终端分配本帧的一个或者多个上行信道和下一帧的一个或者多个对应的下行信道；(2)终端解析MAP广播信令以后，发送上行信号至基站；(3)基站利用终端的上行信号进行信道估计和空间特征提取；(4)基站利用所述空间特征对上下行信号进行波束赋形。
17.如权利要求16所述的一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，所述的基站为所述的本帧和下一帧同时分配上下行信道，并且上行在前，下行在后。
18.如权利要求17所述的一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，所述的数据传输系统可以是OFDM TDMA系统，所述信道为特定的时隙。
19.如权利要求17所述的一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，所述的数据传输系统可以是OFDM A系统，所述信道为若干个OFDM符号中的部分子载波。
20如权利要求16或17或18或19所述的一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，所述上行信号应该包括用于空间特征提取的信号。
21.如权利要求20所述一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，所述用于空间特征提取的信号，可以是训练序列或导频或用户数据。
22.如权利要求16或17或18或19或21所述一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，步骤(3)中信道估计过程为第k根天线接收到上行信号以后，做FFT变换，在频域提取导频，利用导频信息做频域信道估计，估计得到的频域信道记为H^=[H1,H2,···,HN].]]>
23.如权利要求22所述一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，步骤(3)所述信道估计之后还包括对估计得到的信道值进行低通滤波的步骤，其中，低通滤波过程为先对频域信道估计值做IFFT，得到时域脉冲响应 h^=IFFT(H^)=[h1,h2,···,hN]]]>令hl＝0，(l＞L时)，L为信道的最大多径时延。
24.如权利要求22所述一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，步骤(3)还包括对估计到的信道响应进行去小径处理的步骤，所述的去除小径处理包括设定一个门限值I，功率小于I的径置0，功率大于等于门限值的径被保留下来，去除小径后的时域脉冲响应记为
25.如权利要求16或17或18或19或21或23或24所述一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，所述空间特征提取是时域空间特征提取，时域空间特征的提取，直接利用各径在各天线的幅度和相位提取，具体为径i在天线k估计到的幅度为αi，k，相位为i，k，则加权向量为αi，ke-ji，k。
26.如权利要求16或17或18或19或21或23或24所述一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，所述空间特征提取是频域空间特征提取，所述频域空间特征的提取，需先把去小径后的时域脉冲响应变换到频域，H~=FFT(h~),]]>在频域取各天线 的平均幅度和相位提取，具体为天线k估计得到的平均幅度为αk，相位为k，则加权向量为αke-jk。
27.如权利要求26所述一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，上行波束赋形或下行波束赋形都可在频域完成，所述上行的波束赋形在频域完成，具体为各天线信号乘以相应加权因子后相加，其中，天线k上的加权因子为αke-jk，所述下行的波束赋形在频域完成，具体为各天线信号乘以相应加权因子，其中，天线k上的加权因子为αke-jk。
28.如权利要求25所述一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，所述下行波束赋形在时域完成，具体为每条延迟径都使用独立的空间特征，加入延迟，各径相叠加，其中，径l在天线k估计到的幅度为αl，k，相位为l，k，则加权向量为αl，ke-jl，k，加入延迟τl，延迟的确定方法径l估计到的延迟为l*ts，ts为采样点的周期，则下行的时域赋形加入的延迟为τl＝-l*ts，-l*ts表示提前l*ts发射，各径信号经过赋形后相加，天线k赋形后的信号为Sk(t)=Σls(t)*αl,k*δ(t-τl)]]>s(t)为赋形前的信号。
29.如权利要求25或28所述一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，OFDMA系统中，下行的波束赋形的操作过程为每个用户的信息映射到分配给它的子载波上，其它用户子载波处置0，单独进行快速逆傅立叶变换，然后单独对每个用户的时域信号进行下行波束赋形，每个用户的信号单独波束赋形后在每根天线上相加。
30.如权利要求29所述一种数据传输系统中波束赋形的方法，其特征在于，所述各径相叠加时还需要同时保证各径的同相叠加，而且各天线满足最大比合并，各径也是最大比合并。
全文摘要
本发明提供了一种数据传输系统中动态信道分配及空间特征提取和波束赋形方法，包括(1)基站通过MAP广播信令为终端同时分配上行信道和对应的下行信道；(2)终端解析MAP广播信令以后，发送上行信号至基站；(3)基站利用终端的上行信号进行信道估计和空间特征提取；(4)基站利用所述空间特征对上下行信号进行波束赋形。本发明解决了类似于WiMAX信道分配的系统很难使用智能天线的难题，并且所述信道分配方式同时又保留了WiMAX信道分配的优点，比如延迟小、适合多用户调度等。
文档编号H04B7/06GK101064942SQ200610078659
公开日2007年10月31日 申请日期2006年4月30日 优先权日2006年4月30日
发明者肖业平, 路鹏, 叶威 申请人:北京信威通信技术股份有限公司