专利名称：用于移动通信系统的束分多址系统和方法
技术领域：
本发明涉及移动通信系统的多址技术，尤其涉及一种束分多址系统及其 方法，其在一个小区中同时釆用波束成形技术和多波束成形模式以允许实现 多接入。
背景技术：
在移动通信系统中，需要利用有限频率和时间来实现通信。为此，需要一种多接入(multiple access)技术。发展到现在的典型的多址技术的例子 有频分多址(Frequency Division Multiple Access; 以下称作"F画A，，)、 时分多址(Time Division Multiple Access;以下称作"TDMA")、码分多 址(Code Division Multiple Access;以下称作"CDMA")、正交频分多址 (Orthogonal Frequency Division Multiple Access; 以下称作"0FDMA，') 等。FDMA技术对频率资源进行划分，并将其分配到各自的移动站，以实现多 接入。TDMA技术将时间资源进行划分，并分配到各自的移动站，以实现多接 入。CDMA ^支术将正交码分配到各自的移动站，以实现移动站多接入。0F顧A 技术划分和分配正交频率资源，以最大化资源的利用效率。在移动通信系统中，有限频率和时间被划分由多个用户使用，且移动通 信系统的容量(capacity)依靠给定的频率和时间而受限制。所期待的是， 移动通信系统所需的容量在未来随着移动站数量的增加而增加，且各自移动 站所需的数据量也被增加。然而，既然各系统能用的频率/时间资源是受限的， 因此为了增加系统的容量需要开发利用除频率/时间资源以外的其他资源的5技术。同时，空分方案已经被提出来以增加系统的容量。此处，空分方法划分 空间资源。有一种利用多输入多输出(Multiple Input Multiple Output;以下称 作"MIMO")天线的方法是为现有的空分方法中的一个例子。在利用MIMO天 线的空分方法中，多个发射天线和多个接收天线架设在一个移动站上，该移 动站利用不同的发射天线和接收天线来进行通信。容量能以架设在移动站和 基站上的天线个数的最'J 、值被增加。然而，既然移动站是移动式的设备，能架设在移动站上的天线的个数是 有限的。因此，传统的方法存在不能充分地增加系统容量的问题。一种利用抛物(parabolic)天线进行卫星通信的空分方法已经作为另一 种空分方法被提出。然而，这种空分方法存在一个问题，由于抛物天线的特 性，基站不能同时接收来自多个方向的信号，且难于适应性地改变天线的波 束方向。发明内容因此，本发明已经解决了上述问题。本发明的目的在于提供一种用于移 动通信系统的束分多址系统及其方法，作为利用相控阵列天线的空分方法。为了实现该目的， 一种移动通信系统的基站中的束分多址系统，包括 初始移动站信息接收器，用于接收移动站在初始通信过程中全方向地发送的 初始移动站信息；移动站位置和速度检测器，用于从所述初始移动站信息接 收器的所述初始移动站信息中;f全测所述移动站的位置和移动速度；下行链路 波束发生器，用于基于所述移动站位置和速度检测器传送的所述移动站的位 置和移动速度生成下行链路波束，并在每个所述下行链路波束的宽度和方向 中至少调整一个；以及下行链路波束发送器，用于通过相控阵列天线向所述根据本发明的第二方面， 一种移动通信系统的移动站中的束分多址系统，包括移动站位置和速度检测器，用于检测移动站的当前位置和移动速度； 初始移动站信息发送器，用于向基站全方向地发送包括所述移动站的当前位 置和移动速度的初始移动站信息；下行链路波束接收器，用于接收来自所述 基站的下行链路波束；上行链路波束发生器，用于追踪由所述下行链路波束 接收器接收的所述下行链路波束的方向，并生成上行链路波束；以及上行链 路波束发送器，用于向所述基站发送由所述上行链路波束发生器生成的所述 上行链^各波束。根据本发明的第三方面， 一种移动通信系统的基站中的束分多址方法， 包括步骤(a )接收移动站在初始通信过程中全方向地发送的初始移动站信 息；(b )从所述步骤(a )接收到的所述初始移动站信息中检测所述移动站 的位置和移动速度；(c )基于所述步骤(b )检测到的所述移动站的所述位 置和所述移动速度信息生成下行链路波束，并在每个所述下行链路波束的宽 度和方向中至少调整一个；以及(d)通过相控阵列天线向所述移动站发送所 述步骤(c)中生成的所述下行链路波束。根据本发明的另 一 实施例， 一种移动通信系统的移动站中的束分多址 方法，包括步骤(a)检测移动站的当前位置和移动速度；(b)向基站 全方向地发送包括所述移动站的所述当前位置和移动速度的初始移动站信 息；(c )接收来自所述基站的下行链路波束；(d )追踪在所述步骤(c ) 接收的所述下行链路波束的方向，并生成上行链路波束；以及(e)向所述 基站发送在所述步骤(d)中生成的所述上行链路波束。根据本发明，移动通信系统可以最大化频率/时间资源的空间利用，以 及以基站中的波束数量最大化基站的系统容量，通过同频率/时间资源 一样 有效划分空间资源，以及将正交波束分配到移动站，以使得移动站能够实 现多接入。进一步地，尽管本发明未传送全方向信号，其也能解决内部蜂窝干涉问题，以解决用户发生在蜂窝系统中蜂窝边缘的性能下降问题。此外，由于基站天线的辐射模式和移动站天线的辐射模式被设计为相互匹配，则天线的辐射效率可以被最大化。另外，由于处于相似位置的移动站共享一个波束进行通信，因此，由于具有好信道的移动站和具有坏信道的移动站同时使用相同的基站而产生的，控制信道的较低MCS级别问题或峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio;以下简称PAPR)问题可以被解决。
本发明的这些和/或其他方面和优点将会明显且更易被意识到，从以下优 选实施例的描述，结合附图图1阐明了本发明BDMA技术的原理；图2阐明了本发明BDMA技术的原理的另一实例；图3为体现本发明BDMA技术的基站系统和移动站之间的时序图；图4为体现本发明BDMA技术的基站系统的结构图；图5为体现本发明BDMA技术的移动站的结构图；图6阐明了本发明波束更新方法的应用实例；图7阐明了用于支持本发明TDD-BDMA的帧结构；图8-图10阐明了图7的TDD-BDMA帧的应用实例；图11阐明了支持本发明FDD-BDMA的帧结构图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明优选实施例的一种用于移动通信系统的束分多 址系统及其方法进行说明。本发明的 一 实施例提出了 一种利用移动通信系统中移动站的位置信息来 增加系统容量的方法，将其称作"束分多址"(Beam Divi s ion Mul t ip 1 e Access;以下称作BDMA )。本发明的BDMA技术根据移动站的位置对天线波束进行划分， 以实现移动站的多接入，从而大大提高系统的容量。BDMA能被体现通过指向特定位置的波束模式利用相控阵列天线(phase array antenna)通过波束成形(beam forming)来产生波束。共享相同波束 的移动站通过采用普通的多址技术，例如TDMA、 FDMA、 CDMA或OFDMA来实现 多接入。在移动站和基站处在目标标准线(Line of Sight;以下称作LOS)状态 下，当它们精确地知道彼此的位置时，它们能发送指向彼此位置的波束，从 而在不会干扰周边的移动站的前提下进行通信。如果一个基站能以多个方向 同时发送正交波束，则能利用这些正交波束来实现多接入。通常，在系统具 备较小的小区时，由于多数移动站和一个基站之间的通信路径处于目标标准 线状态下，则本发明的BDMA技术能够很容易地被应用。图1阐明了本发明BDMA技术的原理。当各移动站被安置为与基站成不同 角度的位置时，基站以不同角度发射波束，以同时传送数据到多个移动站。 以相同的方式，移动站向基站发射波束，以向它传送数据。 一个移动站不会 独占地使用一个波束，但是位于相似角度的移动站共享一个波束来与基站进 行通信。共享相同波束的移动站将相同频率/时间进行划分，且使用正交资源。 图1显示了第一用户独占使用第一波束，第二用户和第三用户共享第三波束， 第四用户独占使用第四波束以及第五-第八用户共享使用第二波束的例子。图2阐明了本发明BDMA技术的原理的另一实例。当各移动站被置于不同方向同 一角度时，基站根据从各移动站的距离发 送不同波束，以同时向多个移动站发送数据。图2显示了第一用户独占使用 第一波束，第二用户和第三用户共享使用第三波束，以及第五-第八用户共享 使用第二波束的例子。既然本发明的BDMA技术利用相控阵列天线(phase array antenna)形 成波束，基站能够根据移动通信环境适应性地且容易地改变波束的位置、数量和波束宽度(beam width)。因此，本发明能快速响应变化的移动通信环 境。进一步地，由于各波束能被三维划分，频率/时间资源的空间再利用 (spatial reuse)能被最大化。
图3为体现本发明BDMA技术的基站系统和移动站之间的时序图。
首先，在最初的通信阶段，由于基站和移动站不能知道彼此的位置，移 动站检测自己的位置和移动速度(步骤s31 )，以及全方向地将检测的位置和 移动速度信息发送到基站(步骤s32)。此时，在发送检测的位置和速度信息 之前，将要后述的帧结构中移动站接收来自基站全方向发送的帧结构的前同 步码(preamble)信息，且获得基于前同步码信息的基站信息，然后将移动 站的位置和速度信息发送到对应的基站。
其次，基站基于从移动站接收到的移动站的位置和移动速度信息计算下 行链路波束的方向和宽度(步骤s33)。此后，基站以计算得到的方向和宽度 将下行链路波束发送到移动站(步骤s34 )。当移动站接收到下行链路波束时， 移动站追踪下行链路波束的方向来设定上行链路波束的方向(步骤s35),并 以设定的方向发送上行链路波束(步骤s36)。
在移动站设定上行链路波束之后，周期性地在移动站和基站之间进行波 束更新(步骤s37)。以此，移动站周期性地向基站报告其位置和移动速度信 息。基站基于移动站的位置和移动速度信息调整波束的方向和宽度，以适应 性地响应移动站的移动性。
图4为体现本发明BDMA技术的基站系统的结构图。
参考图4,基站系统包括初始移动站信息接收器41、移动站位置和速 度检测器42、下行链路波束发生器43、下行链路波束发送器44和周期性移 动站信息接收器45。
初始移动站信息接收器41在初始通信阶l炎接收移动站全方向传输的初始 移动站信息，且将接收到的初始移动站信息传送到移动站位置和速度检测器 42。移动站位置和速度检测器42从初始移动站信息中检测移动站的位置和移 动速度，并将其传送到下行链路波束发生器43。进一步地，移动站位置和速 度检测器42能够从周期性移动站信息接收器45传送的移动站的周期性信息 中检测到移动站的位置和移动速度，并将其传送到下行链路波束发生器43。
下行链路波束发生器43基于从移动站位置和速度检测器42传送的移动 站的位置和移动速度来产生下行链路波束，并且在每个下行链路波束的宽度 和方向中至少调整一个并传送给下行链路波束发生器43发送。
下行链路波束发送器44将从下行链路波束发生器43接收到的下行链路 波束通过相控阵列天线发送到移动站。
在下行链路波束和上行链路波束被设置在基站和移动站之间后，移动站 周期性地检测其位置和速度，并将它们传送到基站作为周期性信息。通过周 期性移动站信息接收器45接收和传送移动站的周期性信息到移动站位置和速 度检测器42，以实现这种功能。结果表明，下行链路波束和上行链路波束能 够基于移动站的周期性信息而改变，其在基站和移动站之间被传送，以实现 波束更新。
图5为体现本发明BDMA技术的移动站的结构图。
参考图5，移动站包括移动站位置和速度检测器51、初始移动站信息 发送器52、下行链路波束接收器53、上行链路波束发生器54和上行链路波 束发送器55。
移动站位置和速度4全测器51利用全5求定^立系统(Global Positioning System;以下称作GPS )或其他设备检测传送移动站当前的位置和移动速度并 发送到初始移动站信息发送器52和上行链路波束发送器55。
因为初始移动站信息发送器52不知道基站的位置，它全方向地向基站发 送包括移动站的位置和移动速度的初始移动站信息。
下行链路波束接收器5 3接收来自基站的下行链路波束。
上行链路波束发生器54跟踪下行链路波束接收器53接收到的下行链路波束的方向，并生成上行链路波束并发送到上行链路波束发送器55。
上行链路波束发送器55向基站发送由上行链路波束发生器54生成的上 行链路波束。上行链路波束发送器55将移动站位置和速度检测器51检测到 的移动站的位置和移动速度发送到基站作为周期性信息，使得下行链路波束 和上行链路波束能根据移动站的位置和移动速度而被更新。
在本发明中，在基于移动站当前的位置和移动速度信息对初始下行链路 和初始上行链路进行设置后，执行波束更新，并以此支持在基站内移动的移 动站。作为波束更新方法，本发明可以使用波束宽度适应(Beam Width Adaptation;以下称作"BWA，，)、波束追踪(Beam Tracking;以下称作"BT") 或者其组合波束宽度适应和追踪(Beam Width Adaptation and Tracking; 以下称作"BWAT")。
图6阐明了本发明波束更新方法的应用实例。
BWA根据移动站的移动速度调整波束宽度，以支持移动站的移动性。在 BWA中，当移动站的移动速度高时，较宽的波束宽度被分配。当移动站的移动 速度低时，较窄的波束宽度被分配。因此，基站在移动站移动过程中即使不 知道移动站的确切位置，基站能够继续支持通信业务。接着，本发明BWA具 有能够减少移动站的位置和移动速度的反馈信息的优点。
BT是根据移动站的移动调整波束方向的方法。BT具有缺点，在于它需要 每当移动站移动时，向基站反馈移动站的正确的位置信息。然而，BT也有优 点，在于由于波束宽度是固定的，所以使得波束管理更为容易。
BWAT作为BWA和BT结合的方法，是能够根据移动站的移动速度调整波束 宽度和方向的、结合两种方法的优点的方法。
在传统的移动通信系统中，考虑波束划分的帧结构未被定义。因此，为 了在移动通信系统中应用本发明的BDMA方法，需要定义一个新的考虑波束划 分的帧结构。
本发明BDMA的帧分配包括波束轴、时间轴和频率轴的三个维度的资源。支持本发明BDMA的帧是不同的，即取决于所用的双工为时分双工(Time Division Duplexing;以下称作"TDD"),还是步贞分双工(Frequency Division Duplexing;以下-尔4乍"FDD")。
图7阐明了用于支持本发明TDD-BDMA的帧结构。
图7所示的用于TDD BDMA的帧以频率轴、时间轴和波束凄t量轴来分配资 源，且被分为用于发送全方向信号的部分和用于发送采用正交波束的信号的 部分。
用于发送全方向信号的部分中有记录着小区内的所有移动站需要同时接 收的信息的前同步码以及移动站在初期为了与基站进行通信而反馈的自己的 位置和速度信息的移动站初始信息槽(slot)。在基站和移动站之间传送的 真正的控制消息和数据由波束利用相同的频率/时间资源来发送。虽然图中未 视出，在一帧中，下行链路后执行上行链路，以此最小化上行/下行传输的变 化。
图8-图10阐明了图7的TDD-BDMA帧的应用实例。 图8显示了基站发送全方向前同步码的流程。
一个蜂窝中的移动站应该同时接收到的前同步码被全方向地以TDD-BDMA 帧的前同步码槽被传送。包括第一用户到第八用户的所有用户，以及新移动 站New-MS从基站接收相同的前同步码。各移动站需要基站的基本信息，且利 用前同步码与基站同步。
图9显示了基站和移动站之间通过正交波束的通信。
基站与移动站进行通信。正交波束被分配到各移动站。在图9的应用实 例中，第一用户利用第一波束与基站进行通信，第二用户和第三用户利用第 二波束与基站进行通信。进一步地，第五-第八用户利用第三波束与基站进行 通信，且第四用户利用第四波束与基站进行通信。
在这种BDMA中使用的波束具有高方向性的特征，以维护波束之间的正交 性，导致相互之间孩i小的可以忽略的干涉(negligible interference)。通过前一帧的初始移动站信息槽报告其初始信息的移动站接收来自基站 的下行链路波束的分配，并追踪下行链^各波束的方向，,人而为上行链路波束
确定方向。由于基站还不知道新移动站New—MS的位置，它不能向新移动站分 配波束。
图10阐明了移动站向基站发送初始移动站信息的流程。未从基站分配到 波束的新移动站通过初始移动站信息槽向基站提供它的位置和速度信息。图 10中的新移动站New—MS通过初始移动站信息槽向基站^是供它的位置，以接收 下一帧波束的分配。
图11阐明了支持本发明FDD-BDMA的帧结构图。
FDD-BDMA帧几乎与TDD-BDMA相同。区别在于初始移动站信息槽是通过划 分频率资源来分配，而不是通过划分时间资源。进一步的区别在于FDD-S画A 中的基站广播替代了 TDD-BDMA的前同步码。移动站需要基站的基本信息，并
利用基站广播的频带来与基站同步。
也就是说，不像TDD-BDMA, FDD-BDMA中的移动站利用基站广播与基站获 得基站的基本信息并进行同步。然后，移动站利用分配给各移动站的波束来 发送数据，并利用初始移动站信息槽各个移动站向基站报告它们的位置和速 度信息。
最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或 者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技
术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。 本发明可以应用于下 一 代蜂窝无线通信系统的设计。
权利要求
1、一种移动通信系统的基站中的束分多址系统，包括初始移动站信息接收器，用于接收移动站在初始通信过程中全方向地发送的初始移动站信息；移动站位置和速度检测器，用于从所述初始移动站信息接收器的所述初始移动站信息中检测所述移动站的位置和移动速度；下行链路波束发生器，用于基于所述移动站位置和速度检测器传送的所述移动站的位置和移动速度生成下行链路波束，并在每个所述下行链路波束的宽度和方向中至少调整一个；以及下行链路波束发送器，用于通过相控阵列天线向所述移动站发送由所述下行链路波束发生器生成的所述下行链路波束。
2、 根据权利要求1所述的移动通信系统的基站中的束分多址系统，其 中还包括周期性移动站信息接收器，用于在所述基站和所述移动站之间 进行束分多址的通信中接收由所述移动站发送的周期性信息并向所述移动 站位置和速度检观'〗器传送。
3、 根据权利要求2所述的移动通信系统的基站中的束分多址系统，其 中所述下行链路波束发生器在所述移动站移动时调整所述下行链路波束的 宽度。
4、 根据权利要求2所述的移动通信系统的基站中的束分多址系统，其 中所述下行链路波束发生器在所述移动站移动时调整所述下行链路波束的 方向。
5、 根据权利要求2所述的移动通信系统的基站中的束分多址系统，其 中所述下行链路波束发生器在所述移动站移动时调整所述下行链路波束的 宽度和方向。
6、 一种移动通信系统的移动站中的束分多址系统，包括移动站位置和速度检测器，用于检测移动站的当前位置和移动速度；初始移动站信息发送器，用于向基站全方向地发送包括所述移动站的当前位置和移动速度的初始移动站信息；下行链路波束接收器，用于接收来自所述基站的下行链路波束； 上行链路波束发生器，用于追踪由所述下行链路波束接收器接收的所述下行链路波束的方向，并生成上行链路波束；以及上行链路波束发送器，用于向所述基站发送由所述上行链路波束发生器生成的所述上行链路波束。
7、 根据权利要求6所述的移动通信系统的移动站中的束分多址系统，和速度检测器检测的所述移动站的当前位置和移动速度信息。
8、 根据权利要求6所述的移动通信系统的移动站中的束分多址系统， 其中使用相同波束的至少两个所述移动站多接入到所述基站。
9、 一种移动通信系统的基站中的束分多址方法，包括步骤(a )接收移动站在初始通信过程中全方向地发送的初始移动站信息；(b) 从所述步骤(a)接收到的所述初始移动站信息中检测所述移动站 的位置和移动速度；(c) 基于所述步骤(b)检测到的所述移动站的所述位置和所述移动速 度信息生成下行链路波束，并在每个所述下行链路波束的宽度和方向中至 少调整一个；以及(d) 通过相控阵列天线向所述移动站发送所述步骤(c)中生成的所述 下行链路波束。
10、 根据权利要求9所述的移动通信系统的基站中的束分多址方法，其 中还包括步骤在所述基站和所述移动站之间进行束分多址的通信中接收 由所述移动站发送的周期性信息并传送给所述步骤(b)。
11、 根据权利要求10所述的移动通信系统的基站中的束分多址方法， 其中在所述步骤(c)中，当所述移动站移动时调整所述下行链路波束的宽度。
12、 根据权利要求10所述的移动通信系统的基站中的束分多址方法，其中在所述步骤(c)中，当所述移动站移动时调整所述下行链路波束的方向。
13、 根据权利要求10所述的移动通信系统的基站中的束分多址方法， 其中在所述(c)步骤中，当所述移动站移动时调整所述下行链路波束的宽 度和方向。
14、 一种移动通信系统的移动站中的束分多址方法，包括步骤(a) 检测移动站的当前位置和移动速度；(b) 向基站全方向地发送包括所述移动站的所述当前位置和移动速度 的初始移动站^[言息；(c )接收来自所述基站的下行链路波束；(d) 追踪在所述步骤(c)接收的所述下行链路波束的方向，并生成上 行链路波束；以及(e) 向所述基站发送在所述步骤(d)中生成的所述上行链路波束。
15 、根据权利要求14所述的移动通信系统的移动站中的束分多址方法， 其中在所述步骤(e)周期性地向所述基站发送在所述步骤(a)检测的所 述移动站的所述当前位置和移动速度。
16、根据权利要求14所述的移动通信系统的移动站中的束分多址方法， 其中使用相同波束的至少两个所述移动站多接入到所述基站。
全文摘要
本发明涉及一种束分多址系统及其方法。本发明的基站包括初始移动站信息接收器，用于接收移动站在初始通信步骤中全方向地发送的初始移动站信息；移动站位置和速度检测器，用于从所述初始移动站信息接收器的所述初始移动站信息中检测所述移动站的位置和移动速度；下行链路波束发生器，用于基于所述移动站位置和速度检测器传送的所述移动站的所述位置和所述移动速度生成下行链路波束，并调整至少一个每个所述下行链路波束的宽度和方向；以及下行链路波束发送器，用于通过相控阵列天线向所述移动站发送由所述下行链路波束发生器生成的所述下行链路波束。
文档编号H04B7/04GK101542937SQ200880000346
公开日2009年9月23日 申请日期2008年4月16日 优先权日2007年9月28日
发明者吴泳锡, 曺唔铉, 李勇勋, 李浩员, 李雄燮, 柳希政, 赵东浩 申请人:韩国科学技术院