专利名称：分布式基站、通信系统及其使用的信号传输方法
技术领域：
本发明涉及多入多出(MIMO)传输，尤其涉及一种利用多入多出(MIMO)信道进行传输的具有分布式结构的基站以及具有该基站的通信系统，并且还涉及前述基站和通信系统中使用的信号传输方法。
背景技术：
移动通信业务的发展对未来无线通信系统的空中接口传输能力提出了更高的要求，如何设计具有高峰值传输速率和高容量的系统是一个巨大的挑战。
对于移动通信而言，为了更有效地利用有限的无线频率资源，时分多址技术(TDMA)、频分多址技术(FDMA)、码分多址技术(CDMA)得到了广泛的应用，并在此基础上建立了GSM和CDMA两大主要的移动通信网络。就技术而言，现有的这三种技术已经得到了充分的应用，频谱的使用效率已经发挥到了极限。
然而，随着频谱资源越来越有限，将来的移动通信系统将可能利用更高的频段如5GHz频段。相对3G系统的2GHz频段而言，更高的频段意味着更加严重的信道衰减，同时高速传输速率也需要更高的信噪比和更好的信道传输条件，这就决定了未来移动通信系统的基站覆盖范围必然远小于目前2G和3G系统中的基站覆盖范围。根据相关的研究结果，未来典型的基站半径将只有几百米甚至更小。因此，在未来的系统中能否采用传统的蜂窝网络结构以及能否设计新的体系结构来满足未来系统的需求成为一个值得深入研究的问题。
在此前提下提出的MIMO技术，通过采用多个发射天线和多个接收天线进一步提高了信道容量。当接收端有理想的信道参数时(可以通过比如采用训练序列或导频序列进行信道估计得到)，则多发射、多接收天线系统的信息容量与发射天线数目和接收天线数目中较小的那个值成正比关系。在慢衰落瑞利信道下，MIMO技术在无线链路两端使用多元天线阵列的模型以及空域和时域分集，从而显著地提高了系统容量，同时改善了无线链路的可靠性。
众所周知，MIMO技术适用于具有丰富散射、天线间空间相关特性比较独立的无线传输环境。如果信道环境具有较强的空间相关性，如在有视距传播的条件下，MIMO的性能将大幅度下降。这是制约MIMO应用的一个主要问题。
如前所述，考虑到基站覆盖半径将越来越小，可以引入分布式结构用于改善系统覆盖。图1示出现有分布式结构的一个示意图。如图1所示，3个天线-射频处理单元AP1、AP2和AP3作为3个接入点(Access Point)分别处于3个更加靠近移动台MT1、MT2和MT3的位置，基带处理单元10作为中央处理单元，是一个集中式的处理装置。其中，基带处理单元10与多个天线-射频处理单元AP1、AP2和AP3之间可以通过光纤承载无线信号(Radio over Fiber，RoF)或铜线等传输方式相连，完成这些天线上的数据调制、解调。
与蜂窝系统中一对一的方式不同，天线-射频处理单元与基带处理单元在分布式结构中是多对一的连接与控制方式。如图1所示的分布式结构中，每个天线-射频处理单元配置有4根天线，每个移动台配置有2根天线。通过空间相关特性的测量，可以从不同的天线-射频处理单元中挑选出2根天线，以构成2×2的MIMO传输。例如，分别挑选天线-射频处理单元AP1和AP3中的第一根天线与移动台MT2形成2×2的MIMO，其他天线则关闭以免造成干扰。由于天线-射频处理单元AP1和AP3在空间上分隔很远，所挑选的天线间的相关性将非常弱，因此这种由多对分布式放置的远端天线-射频处理单元构成的MIMO信道很容易满足空间独立的条件。
对于多移动台的情况，上述利用MIMO信道的分布式结构主要采用时分或频分的方式满足多移动台的传输。即，在不同的时隙或者频率内，根据空间相关特性的需求选择被使用的天线，系统为不同的移动台进行服务，其余天线则被关闭以避免干扰。也就是说，每个时隙或者每个频率只允许一个移动台被服务，这极大地限制了系统的容量。
随着技术的发展，近年来，提出了一些有效提高系统容量的技术，如波束赋形技术和空分多址(Space Division Multiple Access，SDMA)技术。其中，波束赋形技术应用在移动通信的基站上，其使用天线阵列将信号能量聚集为一个很窄的波束，通过将发射功率集中在移动台方向来获得链路增益，从而提高了天线的传播效率和无线链路的可靠性和频率的复用率。而SDMA技术则可以通过为使用不同波束服务的移动台同时调度数据包来增加下行链路信元的输出，使得移动用户仅仅由于空间位置的不同而复用同一个传统的物理信道成为可能。这样，在使用SDMA技术的系统中，多个移动台能够同时使用相同的无线信道资源，如时隙、频率和码，移动台之间则通过空间滤波进行分离。在日本，已经开始在PHS系统上进行SDMA的测试与商用。
发明内容
本发明针对利用MIMO信道的分布式结构中系统容量受限的问题，结合上述提高系统容量的技术，提出一种分布式基站。该基站同时占用相同的无线信道资源，通过基站的一个或多个分布式无线-射频单元与相邻的多个移动台进行通信。为了避免移动台之间的多址干扰，移动台之间通过波束赋形处理在空间上进行分离。指向移动台的若干波束与移动台上的多天线之间再进一步构成MIMO传输，以提高移动台传输速率。
在根据本发明的分布式基站中，包括多个天线-射频处理单元和与所述多个天线-射频处理单元远距离连接的中央处理单元，每个天线-射频处理单元具有多根天线组成的天线阵列。所述中央处理单元包括多入多出编码单元，用于对各个移动台的数据进行多入多出编码，使得每个移动台的数据分别生成多路数据符号；波束赋形单元，用于分别将每个移动台多路数据符号的每路数据符号与该路数据符号对应的加权系数矢量相乘，获得各个移动台每路数据符号的波束赋形数据；叠加单元，用于针对所述天线-射频处理单元中的每一根天线，将各个移动台对该天线的波束赋形数据进行叠加，并将叠加后的波束赋形数据送入该天线发射。
本发明还提供了一种具有上述分布式基站的通信系统，由于使用了上述分布式基站，该基站通过其天线向每个移动台定向发射的波束与对应移动台的天线构成多入多出传输系统。
上述分布式基站和通信系统中所使用的信号传输方法包括如下步骤多入多出编码步骤，用于在所述基站分别对各个移动台的数据进行多入多出编码，将每个移动台的数据分成多路数据符号；获得波束赋形数据步骤，用于分别将每个移动台多路数据符号的每路数据符号与该路数据符号对应的加权系数矢量相乘，获得各个移动台每路数据符号的波束赋形数据；以及叠加步骤，用于针对所述天线-射频处理单元中的每一根天线，将各个移动台对该天线的波束赋形数据进行叠加，并将叠加后的波束赋形数据送入该天线发射。
本发明的分布式基站、通信系统及其信号传输方法，由于采用多个远端天线-射频单元联合处理的SDMA多址方式，有效减小了移动台间的干扰，从而允许多个移动台同时利用相同的信道资源进行传输，提高了系统整体的容量。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
图1示出现有分布式通信系统的结构示意图；；图2示出根据本发明的分布式基站的结构示意图；图3示出根据本发明的分布式通信系统的结构示意图；以及图4示出根据本发明的信号传输方法的流程图。
具体实施例方式
下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式
。
图2示出根据本发明的分布式基站的结构示意图。为了方便，在本发明的实施方式中，以如下情况为例进行说明分布式基站20采用3个远端天线-射频处理单元21、22和23，每个天线-射频处理单元配置有4根天线。参见图3，利用图2所示的分布式基站20，同时向三个移动台MT1、MT2和MT3提供服务，每个移动台均配置两根天线。这里，系统采用2×2的MIMO方案。其中，选择天线-射频处理单元21和22分别形成两个波束与MT1形成MIMO，选择天线-射频处理单元21和23分别形成两个波束与MT2形成MIMO，选择天线-射频处理单元22和23分别形成两个波束与MT3形成MIMO。
如图2所示，根据本发明的分布式基站20还包括中央处理单元24，其与3个天线-射频处理单元21、22和23通过RoF或铜线等传输方式相连。其中，中央处理单元24包括MIMO编码单元241、波束赋形单元242和叠加单元243。
分布式基站20工作时，移动台MT1的数据S1通过MIMO编码单元2411被编码，生成两路数据符号S11和S12。MIMO编码单元的处理可以采用空时分组码(STBC)、空频分组码(SFBC)或空间复用(V-BLAST)中任何一种方式。将两路数据符号S11和S12分别送入移动台MT1对应的2个波束赋形单元2421和2422中。这两个波束赋形单元分别与移动台MT1选择用来形成波束的两个天线-射频处理单元21和22一一对应。在波束赋形单元2421中，输入的数据符号S11与该波束赋形单元2421的加权矢量W11相乘，得到数据符号S11针对天线-射频处理单元21的4根天线的波束赋形数据。加权矢量W11表示移动台MT1的数据符号在天线-射频处理单元21的所有天线(本实施方式中为4根天线)上的加权系数矢量。在波束赋形单元2422中，输入的数据符号S12与该波束赋形单元2422的加权矢量W12相乘，得到数据符号S12针对天线-射频处理单元22的4根天线的波束赋形数据。加权矢量W12表示移动台MT1的数据符号在天线-射频处理单元22的所有天线(本实施方式中为4根天线)上的加权系数矢量。在本实施方式中，利用移动台的信道测量反馈信息，并基于通常使用的减小其他移动台干扰的准则或其他更优的准则计算每个移动台在每个天线-射频处理单元的每根天线上的加权矢量。
分布式基站20对移动台MT2和MT3的数据处理与上述对移动台MT1的数据处理类似。不同之处在于，由于移动台MT2选择天线-射频处理单元21和23作为形成波束的两个天线-射频处理单元，因此从两个波束赋形单元2423和2424分别得到针对天线-射频处理单元21的4根天线和针对天线-射频处理单元23的4根天线的波束赋形数据。对移动台MT3的数据处理分别得到针对天线-射频处理单元22的4根天线和针对天线-射频处理单元23的4根天线的波束赋形数据。
之后，叠加单元243分别针对天线-射频处理单元21、22和23上的每根天线，将各个移动台对该天线的波束赋形数据进行叠加，并将叠加后的波束赋形数据在天线-射频处理单元的所有天线上形成分别指向各个移动台的波束，以分别向各个移动台发送与它们相对应的多路数据符号。
下面，举例说明对本发明的分布式基站所发射信号的接收。
本实施方式中选择两个天线-射频处理单元与移动台形成MIMO传输，并且每个天线-射频处理单元具有4个天线，则MIMO信道为8×2的信道，H=h11h12Λh18h21h22Λh28,]]>其中，hi，1...4为来自所选择的第一个天线-射频处理单元的4个天线的信道响应，hi，2...8为所选择的来自第二个天线-射频处理单元的4个天线的信道响应。
移动台所接收的数据可表示为S=h11h12Λh18h21h22Λh28*w11s1w12s1w13s1w14s1w21s1w22s1w23s1w24s1=Σi=14h1iw1is1+Σi=14h1(1+4)w2is2Σi=14h2iw1is1+Σi=14h2(i+4)w2is2=Σi=14h1iw1iΣi=14hi(i+4)w1iΣi=14h2iw1iΣi=14h2(1+4)w2is1s2]]>可将其等效为通过了H=Σi=14h1iw1iΣi=14hi(i+4)w2iΣi=14h2iw1iΣi=14h2(i+4)w2i]]>的2*2MIMO信道。
因此，在移动台侧，为了成功地检测发射信号，必须获得发射端所设定的加权矢量信息，并将其与实际信道估计值进行加权即可对天线-射频处理单元所发射的数据进行检测。
图3示出具有上述分布式基站的通信系统示意图。如图3所示的通信系统30包括具有图2所示结构的分布式基站20以及处于该基站覆盖区域内的多个移动台MT1、MT2和MT3。其中，分布式基站20包括3个天线-射频处理单元21、22和23以及中央处理单元24。
由对图2的说明可知，分布式基站20中各个天线-射频处理单元21、22和23分别利用各自的多根天线，如本实施方式中的4根天线构成的天线阵列向移动台MT1、MT2和MT3发射定向性波束，如图3所示，从而使得指向每个移动台的两个波束与该移动台上的两个天线之间再进一步构成2×2的MIMO传输，提高了传输速率。
图4示出根据本发明的分布式基站和通信系统中使用的信号传输方法的流程图。图4所示流程开始于步骤401。在步骤402中，分别对各个移动台的数据进行MIMO编码，将每个移动台的数据分成M路数据符号。其中，M为移动台在接收信号时接收的波束数目。之后，流程进入步骤403。在步骤403，通过将各个移动台的M路数据符号分别与该路数据符号对应的加权系数矢量相乘，获得各个移动台的每路数据符号的波束赋形数据。其中，加权系数矢量表示移动台的数据符号在该数据符号待通过其发射的天线-射频处理单元的所有天线上的加权系数矢量。之后，图4所示流程进入步骤404。在步骤404，针对天线-射频处理单元的每根天线，将各个移动台对该天线的波束赋形数据进行叠加，并将叠加后的波束赋形数据在天线-射频处理单元的所有天线上形成分别指向各个移动台的波束，以分别向各个移动台发送与它们相对应的多路数据符号。图4所示流程结束于步骤405。
使用本发明的分布式基站、通信系统及其信号传输方法，可以获得以下优势1.由于对MIMO和SDMA进行联合处理，系统容量将获得大幅度提高；2.本发明提供的技术方案中复杂的算法在基站侧处理，对移动台没有增加任何复杂度，这对于减少移动台的成本非常有益；3.通过波束成型，可以有效抑制移动台间的多址干扰，而且由于采用分布式结构，没有了相邻小区的干扰，因此便于同频组网，由此，非常适合MIMO-OFDM系统；以及4.通过由来自不同基站的波束构成MIMO传输，空间无线信道相对独立，适合MIMO传输，从而解决了采用传统MIMO对空间相关性敏感的问题，而SDMA更适于具有视距的环境，因此根据本发明的技术方案更适于有视距、小覆盖的城区环境。
本领域的技术人员应当理解，前述实施方式只是为了进行示例性说明。本发明的分布式基站和通信系统根据系统的配置还可以在基站中使用更多的天线-射频处理单元，并通过配置这些天线-射频处理单元的天线数目，使得根据本发明的分布式基站和通信系统可以同时为更多的移动台服务。此外，每个移动台接收的波束数目也可以随系统配置的变化进行调整。
不脱离本发明的范围和构思，可以做出多种改变和变形。本发明的范围由所附权利要求书确定。
权利要求
1.一种服务于移动台的分布式基站(20)，其包括多个天线-射频处理单元(21、22、23)和与所述多个天线-射频处理单元远距离连接的中央处理单元(24)，每个天线-射频处理单元具有多根天线组成的天线阵列，所述中央处理单元包括多入多出编码单元(241)，用于对各个移动台的数据进行多入多出编码，使得每个移动台的数据分别生成多路数据符号；波束赋形单元(242)，用于分别将每个移动台多路数据符号的每路数据符号与该路数据符号对应的加权系数矢量相乘，获得各个移动台每路数据符号的波束赋形数据；叠加单元(243)，用于针对所述天线-射频处理单元中的每一根天线，将各个移动台对该天线的波束赋形数据进行叠加，并将叠加后的波束赋形数据送入该天线发射。
2.根据权利要求1所述的分布式基站(20)，其中所述多入多出编码单元(241)生成的多路数据符号的数目与每个移动台接收信号时接收的波束数目相同。
3.根据权利要求1所述的分布式基站(20)，其中所述移动台的每路数据符号的波束赋形数据在对应的天线-射频处理单元的所有天线上形成指向所述移动台的波束。
4.根据权利要求1所述的分布式基站(20)，其中利用移动台的信道测量反馈信息，基于减小其他移动台干扰的准则计算每个移动台在每个天线-射频处理单元的每根天线上的加权系数矢量。
5.根据权利要求1所述的分布式基站(20)，其中所述多入多出编码单元(241)采用空时分组码、空频分组码或空间复用进行编码。
6.一种通信系统(30)，其中包括权利要求1至5中的任何一项所述的分布式基站(20)以及多个移动台(MT1、MT2、MT3)，其中所述分布式基站通过其天线向所述每个移动台定向发射的波束与对应移动台的天线构成多入多出传输系统。
7.一种在基站与移动台之间的信号传输方法，其中所述基站(20)包括多个天线-射频处理单元(21、22、23)和与所述多个天线-射频处理单元远距离连接的中央处理单元(24)，该方法包括如下步骤多入多出编码步骤，用于在所述基站分别对各个移动台的数据进行多入多出编码，使得每个移动台的数据分别生成多路数据符号；获得波束赋形数据步骤，用于分别将每个移动台多路数据符号的每路数据符号与该路数据符号对应的加权系数矢量相乘，获得各个移动台每路数据符号的波束赋形数据；以及叠加步骤，用于针对所述天线-射频处理单元中的每一根天线，将各个移动台对该天线的波束赋形数据进行叠加，并将叠加后的波束赋形数据送入该天线发射。
8.根据权利要求7所述的信号传输方法，其中所述多入多出编码步骤生成的多路数据符号的数目与每个移动台接收信号时接收的波束数目相同。
9.根据权利要求7所述的信号传输方法，其中所述移动台的每路数据符号的波束赋形数据在对应的天线-射频处理单元的所有天线上形成指向所述移动台的波束。
10.根据权利要求7所述的信号传输方法，其中利用移动台的信道测量反馈信息，基于减小其他移动台干扰的准则计算每个移动台在每个天线-射频处理单元的每根天线上的加权系数矢量。
11.根据权利要求7所述的信号传输方法，其中所述多入多出编码步骤采用空时分组码、空频分组码或空间复用进行编码。
全文摘要
本发明公开了一种服务于移动台的分布式基站，其包括多个天线－射频处理单元和与其远距离连接的中央处理单元，每个天线－射频处理单元具有多根天线组成的天线阵列，所述中央处理单元包括多入多出编码单元，用于对各个移动台的数据进行多入多出编码，使得每个移动台的数据分别生成多路数据符号；波束赋形单元，用于分别将每个移动台多路数据符号的每路数据符号与该路数据符号对应的加权系数矢量相乘，获得各个移动台每路数据符号的波束赋形数据；叠加单元，用于针对每一根天线，将各个移动台对该天线的波束赋形数据进行叠加，并将叠加后的波束赋形数据送入该天线发射。本发明还公开了具有上述分布式基站的通信系统以及相应的信号传输方法。
文档编号H04B7/04GK1953574SQ20051003062
公开日2007年4月25日 申请日期2005年10月18日 优先权日2005年10月18日
发明者蔡立羽 申请人:上海贝尔阿尔卡特股份有限公司