专利名称：在sdma通信系统中执行流加权的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及数据流加权，并且特别的，涉及一种在空分多 址通信系统中执行流加权的方法和装置。
背景技术：
通过创建本质上倾向于定向(即，非均匀广播)的有效区图形， 发射波束形成(有时被称为发射自适应阵列(TXAA)的发射)增加了由 接收机设备看到的有效信噪比。这是通过在发射站使用多个天线并且 加权每个天线而完成的，以便联合发射产生向接收机传递最大功率/能 量的波束形成图形。在向多个接收机同时发射多个流(即，发射空分 多址或SDMA)的情况下，选择天线的权重，以便达到用户之间最低 量的串音或干扰。
然而，强制所有串音达到最低是限制性的。通过允许可容许量的 串音，可以增加到期望的SDMA用户的相干增益，并且因此改进总体 性能。因此选择最小化用户之间串音的天线权重会以非常高信噪比 (SNR)产生通信系统的最佳理论性能；然而，具有一些串音是可接受 的，因为这可以隐藏在信道噪声中。因此，强制天线权重传递最低量 的串音是不必要的，因为少量的串音将隐藏在信道噪声中并且因此不 会降低性能。因此，需要一种用于在允许用户之间存在一些串音的空 分多址通信系统中执行流加权的方法和装置。
图1是使用空分多址的通信系统的框图。
图2是图1的基站的框图。
图3是显示图2的基站工作的流程图。图4是显示图2的基站工作的流程图。
具体实施例方式
为了讨论上述需要，在此提供了一种在空分多址通信系统中执行 流加权的方法和装置。在工作期间，基站接收机接收来自移动电话(也 被称为移动单元、用户、用户站或者节点)的信道信息，并计算当允 许用户之间存在少量串音时，使得到每个移动电话的功率最大化的天 线权重。利用适当的流权重向节点发射信息或数据。通过允许可容许
量的串音，可以增加到期望SDMA用户的相干增益，并且因此改进总 体性能。
本发明包括一种在空分多址(SDMA)通信系统中执行流加权的 方法。该方法包括下列步骤为多个节点中的每一个节点接收多个数 据流、为该多个数据流中的每个数据流计算流权重以及使用该流权重 加权该多个数据流。当允许其它节点存在一些串音时，该流权重使得 到节点的功率最大化。然后向节点发射该加权的数据流。
本发明另外包括一种方法，该方法包括下列步骤确定来自多个
移动电话的下行链路信道信息、确定串音阈值以及创建具有允许量的 串音的数学信道。为该数学信道计算天线权重。该天线权重是基于串 音阈值和该数学信道的。
本发明另外包括一种包括流加权电路的装置，该流加权电路为多 个节点中的每个节点接收多个数据流，并为多个数据流中的每个数据 流计算流权重。当允许其它节点存在一些串音时，该流权重使得到节 点的功率最大化。该加权电路使用所述流权重加权该多个数据流。提 供发射电路以向这些节点发射该加权的流。
现在转向附图，其中相同数字标明相同的组件，图1是通信系统
100的框图。在本发明的优选实施例中，通信系统IOO利用基于正交频
5分复用(OFDM)或者基于多载波的结构。在本发明的替代实施例中，
这个结构也可以包括利用一维或两维扩频的扩频技术的使用诸如多载
波码分多址(MC-CDMA)、多载波直接序列CDMA(MC-DS-CDMA)、 正交频分与码分复用(OFCDM)，或者可以基于较简单的时分和/或频 分复用/多址技术，或者这些不同技术的结合。
如图所示，通信系统100包括基站101和多个移动电话或固定节 点102-103。虽然仅示出了单个基站和两个节点，但是本领域普通技术 人员将意识到这种通信系统一般包括与许多节点102-103通信的多个 基站101。在工作期间，通信系统100利用SDMA在基站101和节点 102-103之间进行波束形成发射。如上所述，波束形成是通过在发射站 使用多个天线并且加权每个天线而完成的，以便联合发射产生具有接 收机所接收的最大功率的波束形成图形。如上所述，强制所有的串音 达到最低可能太过于限制。通过允许可容许量的串音，可以增加到每 个SDMA用户的相干增益，并且因此改进总体性能。因此，当没有信 道噪音时，选择使用户间串音最低的天线权重可以产生通信系统的最 佳理论性能；然而，当串音隐藏在信道噪声中时，具有一些串音是可 接受的。因此不必强制天线权重最小化串音量，因为少量的串音将隐 藏在信道噪声中并且因此不会降低性能。
为了讨论该问题，基站101将选择允许用户之间有一些串音的天 线权重。为了为用户确定适合的天线权重(u将用作整数以表示用户的 数量)，在时分双工(TDD)系统中，节点102-103在通信系统的上行 链路上将来自节点的每个天线的导频信息发射到基站101(这个过程也 被称为"上行链路探测，，)。然后基站101为每个节点的每个天线计算上 行链路信道估计。然后基站101将基于该上行链路信道估计计算从每 个基站天线到每个节点天线的下行信道估计。在频分双工(FDD)系 统中(该方法被称为"信道反馈")，基站101广播来自其每个天线的由 节点102-103接收的导频序列。节点102-103基于接收的导频序列执行 信道估计，并且确定一个信道估计，当基站使用该信道估计计算发射权重时，该信道估计在单独的移动电话将产生最大接收功率。 一旦节
点确定了适当的信道估计，则该信道估计(H)就被发射到基站IOI。 无论是在FDD或是TDD中，该信道估计(和其它信息一起)都被基 站101利用，以为特定的节点确定合适的天线权重。特别的，确定串 音阈值(^)，它使得任何计算出的天线权重都能够在用户之间产生允 许量的串音。具有允许量的串音的基站101创建了数学信道(也被称 为虚拟或仿真信道)，并且计算该数学信道的天线权重。下面给出确 定信道权重的更加详细的说明。
设基站101有Jl^个发射天线，每个移动电话102-103有Mm个接 收天线(每个移动电话的接收天线的数量不一定必须相同，但是为了 简化说明，假设每个移动电话具有相同数量的接收天线)，乂个移动 电话(S卩，该发射SDMA因子为乂)，和待发射到每个移动电话102-103 的气个数据流(发射到每个移动电话的数据流数量不一定必须相同， 但是仍然为了简化说明，假设向每个移动电话发射相同数量的数据 流)。假设OFDM下行链路有K个可用子载波，在子载波&(1^*《/0和 符号时间b上，移动电话U所接收的il^xl信号为
Yu (Jt, 6) = Ha (it， 6) Vu (yt)x (A:, 6) + Zu (A, 6) + N (A:, 6) (i)
其中Hu(k,b)是移动电话u在子载波k和OFDM符号b上的i^xi^ 下行链路信道矩阵，Vu(k)是移动电话u在子载波k上的i^x乂发射权 重向量(在优选实施例中，Vu(k)是不随时间改变的，然而扩展到时变 发射权重是很容易的)，Xu(k，b)是移动电话u在子载波k以及OFDM 符号b上的i^xl符号值向量，Zu(k,b)是M^xl串音向量，并且Nu(k，b)) 是MmXl具有协方差矩阵的附加噪声向量，其中协方差矩阵可以是 CT 2IM，,，其中^是该移动电话的每个接收天线的噪声功率，并且L是 Mxw单位矩阵。该移动电话u的串音项为& (2)
现有技术中产生流权重的所有技术都执行迫零准则，意味着到其 它发射SDMA用户没有串音。然而，迫零准则可能过于限制性。通过 允许可容许量的串音，可以增加到期望SDMA用户的相干增益，并且 因此改进总体性能。在移动中允许串音也是重要的，因为由于从计算 KOt)时到将其用于发射数据流时的信道变化导致会出现串音。因此在 设计中允许一些串音并不会降低移动中的性能，反而会增强该性能， 因为增加了到期望SDMA用户的相干增益。下文将呈现影响该串音折 衷的一些技术。
射影矩阵法
此处探讨的投影方法允许一定程度的串音。该想法是仅将射影矩 阵的本征模带到在某个阈值之上的其它SDMA用户信道的正交补中。
因此，较低功率的本征模产生了一些可接受量的串音。使用本方法计 算移动电话u的发射权重KOfc)的步骤如下
1. 选择允许量串音^并且让A^^min(M6，MJiVu-l))。例如，选择 ^ = 乂乂(7 210-6 (即，允许期望的串音量高达低于噪声功率6dB)。
2. 将除了移动电话u的所有移动电话的信道堆成下列 JV^xM^(iVu-l)矩阵:
Ga (W) = [Hf (^) I…I H二 (W) I H二 (W) I…I H兑一 (^)] 3设"W)到^(M)为有序的特征值(从最强到最弱) Ul(W)到uWt^，6)为Gu(W)Gf (W)的相关特征向量。
4. 归一化该特征值如下^"6)-^^，6) '"，6)， , = lvJV
5. 设A^0t，6)为大于y的归一化的特征值个数。
6. 计算i^xi^射影矩阵P(k，b)如下
(3) ，并且仏台《(")u湖 7.计算具有可允许量串音的数学信道Hu(k，b)P(k,b)，并使用该数学 信道代替Hu(k,b)来计算Vu(k)(例如，使用T. A. Thomas、F. W. Vook在 2001年10月的IEEE VTC掘1/Fa11中的"MIMO Strategies for Equal-Rate Data Streams"中所描述的技术)。该数学信道是由一个节点 的信道矩阵乘以包含到其它节点的信道的逆矩阵得到的。
一种替代的方法是确定施加到公式(3)中的每个信道上的加权， 以便到其它SDMA用户的串音处于给定的水平。由于Vu(k)确定串音， 所以该技术需要迭代过程，并且因此计算Vu(k)(它的计算可以是高度 非线性的)必须和权重计算一起执行。
矩阵求逆法
该方法通过建立一个数学信道来操作，该数学信道是移动电话u 的信道矩阵乘以包含到其它SDMA移动电话的信道的逆矩阵而得到 的。通过使用矩阵求逆，以类似于线性MMSE合并如何在接收SDMA 中起作用的方式允许串音(即，线性MMSE合并折衷了干扰抑止和噪 声增强，而所提议的发射SDMA折衷了串音和相干信号增益)。将要 描述的第一种矩阵求逆方法衡量在矩阵逆中单位矩阵的功率，以给出 期望的特定水平的串音。第二种矩阵求逆方法固定单位矩阵功率，并 且衡量该逆矩阵中每个SDMA用户信道的功率，以产生期望的特定水 平的串音。
对于单位矩阵縮放，移动电话u的逆矩阵Ru(k,b)为:
RU(A，6)=
(5)
《邦
其中选择a，以给出具体期望的串音水平。a的一种选项是使其受期望的多普勒频率/d的约束，如下:<formula>formula see original document page 10</formula>
其中D是从进行信道测量时到应用权重的地方的OFDM符号数量 的延时，并且A是两个相邻OFDM符号之间的时间。选择"的想法允许 移动中有更多的串音，并且也改进了移动中的相干增益。然后使用诸 如T. A. Thomas、 F. W. Vook在2001年10月的IEEE VTC-2001/Fall 中的"MIMO Strategies for Equal-Rate Data Streams"中给出的程序利 用数学信道Hu(k，b)Ru(k，b)而不是Hu(k，b)得到移动电话u的发射权重向 量。
第二种方法是用于使用下列Ru(k,b)在每个SDMA用户的信道矩阵 上选择功率加权(从^到"wo的迭代过程
R (it，6)=
+
^a《Hf (it，6)H,(it,6)
(7)
《=1 f幼
然后，使用诸如T. A. Thomas、F. W. Vook在2001年10月的IEEE VTC-2001/Fall中的"MIMO Strategies for Equal-Rate Data Streams，，中给 出的程序，利用数学信道Hu(k，b)Ru(k,b)而不是Hu(k,b)得到移动电话u 的发射权重向量。下列迭代过程可以用于得到移动电话u的Ru(k,b)的
功率加权
1. 为每个移动电话选择给其它用户的可接受的串音水平r，设定e =1，选择最大的迭代次数/_,设定i-l，并设定c-1000 (c是用户 存储串音值的变量)。
2. 以a产l (其中《=1，...,乂 开始，并且设定a,，。w-a《(其中3. 根据公式(7)计算Ru(k,b)。
4. 使用数学信道Hu(k,b)Ru(k，b)代替Hu(k，b)计算Vu(k)(例如，使用 T. A. Thomas 、 F. W. Vook在2001年10月的IEEE VTC-2001/Fall中的 "MIMO Strategies for Equal-Rate Data Streams"中给出的技术)。
5. 使用下列公式计算每个其它移动电话的每个接收天线的平均串 音G，(其中《-l,…，A^《^") (v^("是、(A;)的第f列)
G =+|]<^)1^ (、6)H,(A:,6)v",p(" (8)
了
8. 如果c > c。/d ，则设定c = c。w ，设定a产a《,。w(其中《=《^ ")， 并且设定e-e/2。
9. 设定a,，。w-a《(其中C，…,乂 。
10. 设定a, =aj~/"e。 11.,- = '. + 1。
12. 如果/</_,则转到步骤3。
13. 将Vu(k)用作移动电话u的发射权重。
注意到如果第一个矩阵求逆方法使用预定值"，则计算的复杂度远 低于第二种方法，因为不需要迭代。
图2是基站101的框图。基站101包括流加权电路201，快速傅立 叶逆变换(IFFT)电路203以及发射电路209。在工作期间，移动电话 u的乂xl数据流(在符号时间b)xu(k,b),k=l,2， . . .K(其中示出了乂-3个移动电话的数据流)进入流加权电路201(其中K是子载波的数量)。 注意到，将传递(发射)到乂个节点(移动电话)中的每个节点的乂 个数据流的每个数据流都将执行由流加权电路执行的加权运算。流加
li权电路201输出多个加权的数据流，并且特别的，每个天线一个加权 数据。每个数据流都通过一个具体天线权重Vu(k)(其中11=1，
2， ......乂)在频域被适当的加权，并且对SDMA用户上的结果求和，
以为每个发射天线(替代地的被称为"天线流")创建加权的数据流。如 上所述选择了权重以允许用户间的一些串音。注意到，在每个波束形 成子载波上的权值可以不同或相同。由于(Vu(k)U(其中(A^是矩阵A 的第m行)是发射天线m、移动电话u以及子载波k的权重，所以流 加权电路201为发射天线m输出加权的数据/天线流
IFFT电路203对每个加权的数据流、()t，6)执行快速傅立叶逆变 换，从而将频域数据流转换成时域数据流。在将IFFT电路203所产生 的输出发送到发射电路209之前，可以经由在IFFT电路203的输出上 的循环扩展电路(未示出)执行可选的循环扩展操作。特别地，通过 循环扩展电路可以增加循环前缀或者保护间隔。循环前缀通常比期望 的信道最大延迟扩展更长。如本领域普通技术人员将意识到的，该循 环扩展可以包括前缀、后缀或者前缀和后缀的组合。循环扩展是OFDM 通信系统的固有部分。当信道的脉冲响应范围是O到Lcp (其中Lcp是 循环扩展的长度)时，插入的循环前缀使得发射信号和多径信道的普 通巻积表现为循环巻积。最后，适当加权的数据流被OFDM调制，并 且IFFT电路的输出(或可选的循环扩展电路的输出)由发射机209从 天线211发射出去。
很明显，基站101另外包括接收机213，用于接收由节点发射的信 道信息和/或导频序列。该接收机将使用该信道信息或这些导频序列计 算信道估计，并且该信道估计将被传送到流加权电路201，以便确定适 当的天线/流加权以备与特定节点通信时使用。
图3是显示当信道反馈用于获得下行链路信道估计时图2中基站 工作的流程图。该逻辑流程开始于步骤301，其中导频数据被发射到至少第一和第二节点。发射该导频数据仅包括发射来自多个天线211的 每一个的已知序列。每个天线的所述已知序列可以不同，和/或可以从
每个天线的不同信道资源上发射该序列。作为响应，在步骤303,接收 机213接收来自节点的信道信息(即，信道估计)。如上所述，所述 信道信息包括将计算的天线权重的信息，该天线权重使得到该移动电 话的功率最大化并且允许用户之间存在一定量的串音。
在步骤305，流加权电路201接收多个数据流，并且为每个数据流 计算流权重。如上所述，第一个流权重将使得到第一个节点的功率最 大化，同时允许其它节点存在一些串音。在步骤307，加权所述流，并 且在步骤309，向节点发射加权的信息或者数据流。
图4是显示当计算流权重时流加权电路201的工作流程图。该逻 辑流程开始于步骤401，其中为每个移动电话获取下行链路信道信息(H) (例如利用信道反馈或者上行链路探测)。在步骤403，选择在用户间 会产生允许量串音的串音阈值(y)。创建具有允许量串音的数学信道 (步骤405)，并且根据该数学信道的函数计算天线权重(步骤407)。 如上所述，可以使用射影矩阵法或矩阵求逆法计算该天线权重。
尽管已经参照特定实施例特别显示和描述了本发明，但是例如， 本报告中所描述的技术可以很容易的扩展到每个移动电话具有不同数 量的数据流和/或接收天线的情况。本领域技术人员理解，在不背离本 发明的精神和范围的情况下，可以进行各种形式上和细节上的变化。 这样的变化意在落入下列权利要求的范围内。
权利要求
1. 一种用于在空分多址(SDMA)通信系统中执行流加权的方法，所述方法包括下列步骤为多个节点中的每个节点接收多个数据流；为多个数据流中的每个数据流计算流权重，其中所述流权重使得到节点的功率最大化，同时允许在其它节点存在一些串音；使用所述流权重加权所述多个数据流；以及向节点发射加权的数据流。
2. 如权利要求l所述的方法，其中所述的计算流权重的步骤包括 下列步骤选择允许的串音量；创建具有所述允许的串音量的数学信道；以及 基于所述数学信道计算流权重。
3. 如权利要求2所述的方法，其中所述的计算数学信道的步骤包 括创建作为一节点u的信道矩阵乘以包含到其它节点的信道的逆矩阵 的数学信道的步骤。
4. 如权利要求2所述的方法，其中所述的计算数学信道的步骤包 括创建作为一节点u的信道矩阵乘以设计用于给出期望的串音水平的射影矩阵的数学信道的步骤。
5. 如权利要求l所述的方法，还包括下列步骤 确定来自节点的下行链路信道信息；以及其中所述的计算流权重的步骤基于来自节点的所述下行链路信道"(曰息。
6. —种装置，包括流加权电路，用于为多个节点中的每个节点接收多个数据流，为 所述多个数据流中的每个数据流计算流权重，其中所述流权重使得到 节点的功率最大化同时允许其它节点存在一些串音，并且用于使用所 述流权重加权所述多个数据流；以及发射电路，用于向节点发射加权的流。
7. 如权利要求6所述的装置，其中，通过选择允许的串音量并且 创建具有所述允许的串音量的数学信道来计算所述流权重。
8. 如权利要求7所述的装置，其中所述数学信道是一节点的信道 矩阵乘以包含到其它节点的信道的逆矩阵。
9. 如权利要求7所述的装置，其中所述数学信道是一节点的信道 矩阵乘以设计用于给出期望的串音水平的射影矩阵。
10. 如权利要求6所述的装置，还包括接收机，用于接收来自节点的下行链路信道信息；以及 其中所述流权重基于来自节点的所述下行链路信道信息。
全文摘要
在此提供了一种在空分多址通信系统中执行流加权的方法和装置。在操作期间，基站接收机从移动电话(也被称为用户或者节点)接收信道信息，并计算当允许用户之间存在少量串音时，使得传递到每个移动电话的功率最大化的发射天线的权重。利用适当的流加权将信息或者数据发射到节点。通过允许可容许量的串音，可以增加到所期望SDMA用户的相干增益，并且因此改进总体性能。
文档编号H04B7/06GK101449485SQ200780018552
公开日2009年6月3日 申请日期2007年4月3日 优先权日2006年5月23日
发明者弗雷德里克·W·沃克, 蒂莫西·A·托马斯 申请人:摩托罗拉公司