专利名称：分布式天线系统及其通信方法
技术领域：
本发明涉及一种多天线系统及其通信方法，特别是涉及一种分布式天线系统及其通信方法，该分布式天线系统和通信方法可以针对某个用户选出最优的无线接入单元，从而提供最好的系统容量。
背景技术：
未来的无线通信系统需要支持非常高速率的数据业务，比如说视频会议、视频点播、交互式游戏等等。根据ITU-R M1645文件中提到的要求对于高速无线业务(High Mobility)，需要支持最高到100Mbps的速率；而对于低速(Low Mobility)或者固定无线(Fixed wireless)业务，更需要达到1Gbps的速率。同时，作为一个无线通信系统，它还必须保证系统的覆盖率，能为任何用户在任何地方和任何时间提供高数据速率的服务。
分析发现，对于如此高的链路速率，用户覆盖范围是一个很严重的问题。具体可以有以下的两个原因a.未来的系统要支持的速率非常高，即使现有技术已经可以实现很高的频谱效率，但还是需要一个比较大的带宽来支持，目前的实验系统用的是下行100MHz，上行40MHz的带宽。为了可以容纳这个系统，不得不使用比较高的频带，比如10GHz。相对于较低频带的信号(例如，GSM，1GHz；WCDMA，2GHz)，高频信号的路径损耗(Path Loss，以下缩写为P1)要大的多，在同样的发射功率情况下，高频信号的传输距离会大大的减小。
b.随着系统的数据速率的增加，同样的发射功率可以实现的每比特信噪比(SNR/bit)就会成反比的降低。而用户的性能与每比特信噪比有直接关系。当然，也可以通过增加系统的发射功率来满足同样的覆盖范围。但考虑到无线电波对人体的健康影响，基站的发射功率需要限制在一定的范围之内。这样，在同样的限制功率下，信号的覆盖范围也会大大的减小。在上述的情况下，传统的蜂窝系统只有通过小区分割的方法来实现系统的覆盖。这样的话，一方面会造成系统基础设施的大量增加从而造成投资增加，另一方面由于小区面积的缩小而造成用户在移动中平凡的小区切换。
为了解决这个问题，提出了两种新的网络结构。一个是基于转发和多跳结构(Relay and Multi-Hop Structure)的网络结构，另一个是基于分布式天线系统(Distributed Antenna System，DAS)的网络结构。这里，由于本发明中仅仅是针对基于分布式天线系统的网络结构，因此，对于基于转发和多跳结构的网络系统不作描述。
对于分布式天线系统，参考文献1，“A.A.M.Saleh，A.J.Rustako，andR.S.Roman”.Distributed antennas for indoor radio communications，”IEEETrans.On Communications，Vol.35，pp.1245-1251，Dec.1987”，揭示了最早的一种分布式天线系统。其中，无线信号简单地通过同轴电缆传送到一个比较远的地方，然后通过一根或多根天线发送出去，这些天线可以同时串接在一根同轴电缆上。更多的时候，可能就是铺一根同轴电缆，然后在相应的地方给电缆设置小的开口以便无线信号泄露出来，这里，这些开口就相当于用于发射无线信号的小天线。
在这个情况下，多根天线的发射信号其实是同一个信号，它的作用主要是给移动系统作室内信号覆盖。通常，这种分布式天线系统称为被动分布式天线系统(Passive DAS)，它可以提供的系统性能增益是非常有限的。
后来由于对多输入多输出系统(MIMO)研究的深入，提出了一种主动分布式天线系统(Active DAS)，请参阅参考文献2，“Troels B.Sorensen，“Intelligent Distributed Antenna System.”Ph.D thesis，2003”。在这种分布式天线系统中，系统端的多根天线不是集中安装在一个中心基站上的，而且分别安装在均匀分布在一个小区内的不同地方的小基站上。每根天线所要发射/所接收的射频信号通过光纤从基站信号处理单元接收/发送。
图1给出了一种主动分布式天线系统的示意图。为了有别于传统的网络结构，这里将安装有天线模块的小基站叫做无线接入单元(Radio Access Unit，RAU)，将信号处理模块叫做中央处理单元(Central Unit，中央处理单元)，其中，每个无线接入单元上可以安装多根独立的天线。对于这样一个系统，无线接入单元只要有双工器、射频信号光电转换器、发射射频信号功率放大器就可以了。所有的其他基站单元包括如上/下变频器、编码器、调制器、空时处理器等都集中在中央处理单元。研究发现，相比于中央天线系统(Centralized Antenna System，CAS)，分布式天线系统可以很好完成系统信号的覆盖，并且可以大大的降低信号的发射功率。
图1是分布式天线系统中一个小区的结构示意图。对于这样一个系统，有一个需要解决的问题是当一个用户要接入这个系统时，到底选择哪些无线接入单元与其进行通信。
对于上行链路，只要无线接入单元能接收到用户的信号，不管这个信号的能量多低，理论上来讲都是对系统性能的提高是有用处的。
而对于下行链路，在保持相同发射功率的情况下，选择更多的无线接入单元来服务一个用户不一定可以提高系统的性能。这是因为对于中央天线系统来讲，增加发送天线可以增加系统的性能，但前提是各个发送天线对用户的路径损耗是一样的。但对于分布式天线系统来讲，由于天线分布在不同的地方，每个无线接入单元与用户之间的距离是不一样的，由此导致相应的路径损耗是不一样的。
以图2为例说明，当无线接入单元与用户之间的距离(例如d1和d2)相差比较大的时候，增加一个无线接入单元虽然可以增加空间维的自由度，但发射功率的有效性会大大降低。如果增加的空间维而引起的性能增加与该无线接入单元所引入的路径损耗两者不能弥补的话，增加无线接入单元2给用户发射信号不一定可以增加系统的性能。在这样一个分布式天线系统中，存在的问题是如何选择无线接入单元给用户发送信号才能使得系统性能最好。
参考文献3，“Tao Xiaofeng，Ni Li，Dai Zuojun，Liu Bao ling，Zhang Ping，“Intelligent group handover mode in multicell infrastructure”，PIMRC 2003，Vol.1，Sept.7-10，2003”，中提到了一个群切换的概念，其基本的思想是设定一个门限值，对于路径损耗小于这个门限值的无线接入单元都被选中。
参考文献4，“Wan Choi，Jeffrey G.Andrews，and Chaehag Yi，“Thecapacity of multicellular distributed antenna networks，”WirelessCom2005，Jun12-16，2005”，中提到了另一种方法，其每次都选固定数目的L个无线接入单元为一个用户发送数据。这样的话，L个有最小路径损耗的无线接入单元就会被选中。
上面提到的两种方法其实都是基于路径损耗的绝对数值来进行无线接入单元的选取的，它们都不能保证系统信道容量的最大化。而要实现系统容量的最大化，无线接入单元的选择应该和它们同用户之间的路径损耗的相对值有关系。即，当用户离无线接入单元很近的时候，选择这个距离最近的无线接入单元完全可以实现容量的最大化，没有必要再把功率分配到其他无线接入单元上进行数据传输。
发明内容
为克服以上问题，本发明提出一种分布式天线系统及其通信方法，其可以在为用户选择无线接入单元时，获得系统容量的最大化。
本发明的分布式天线系统是基于小区结构的，每个小区包括中央处理单元、多个无线接入单元以及传输链路，该多个无线接入单元分别通过各自的传输链路与中央处理单元连接。其中，每个无线接入单元包括有双工器，该双工器用于通过其上的天线接收用户的上行信息以及发送来自中央处理单元的下行信息。该中央处理单元包括路径损耗估计器，用于将来自上述多个无线接入单元的上行信息进行估计，获得各个无线接入单元与该用户之间的路径损耗，并对应地存储各个路径损耗及无线接入单元的编号；资源分配器，根据上述存储的路径损耗及无线接入单元的编号，获得资源分配信息，该资源分配信息包括该用户所采用的无线接入单元；发送处理器，根据上述资源分配信息，将该用户的用户数据进行相应的发送信号处理，生成针对该用户所采用的无线接入单元中的各个无线接入单元的基带信号流；无线接入单元选择器，根据上述资源分配信息，在与中央处理单元连接的所有无线接入单元中选择相应的无线接入单元，来发送上述经发送处理器处理后的各个基带信号流；以及，射频链路组，将无线接入单元选择器输出的基带信号流分别进行上变频处理，并将上变频处理后的基带信号流作为下行信息通过传输链路分别传送到对应的无线接入单元。
本发明的通信方法，包括步骤步骤一，由上述无线接入单元分别接收同一用户的上行信息，并将上行信息发送给中央处理单元；
步骤二，中央处理单元对来自各个无线接入单元的该用户的上行信息分别进行路径损耗估计，并对应地存储路径损耗及无线接入单元的编号；步骤三，根据上述存储的路径损耗及无线接入单元的编号，获得资源分配信息，该资源分配信息包括该用户所采用的无线接入单元；步骤四，根据上述资源分配信息，将该用户的用户数据进行相应的发送信号处理，生成针对该用户所采用的无线接入单元中的各个无线接入单元的基带信号流；步骤五，根据上述资源分配信息，选择用于发送各个基带信号流的相应的无线接入单元，来分别发送各个基带信号流；以及步骤六，对各个基带信号流分别进行上变频处理，并将上变频处理后的基带信号流作为下行信息分别传送到对应的无线接入单元；以及步骤七，由各个无线接入单元将下行信息发送给上述同一用户。
在上述步骤三中的资源分配过程包括以下步骤i)从上述路径损耗中找出路径损耗的最小值；ii)根据该最小值，找出对应的无线接入单元，将其作为用于发射该用户的用户数据的无线接入单元；iii)从剩下的其他路径损耗中找出路径损耗的最小值；iv)根据该最小值，找出对应的无线接入单元，并计算该无线接入单元的加入是否增加系统容量，当该无线接入单元的加入使得系统容量降低时，则资源分配结束，当该无线接入单元的加入使得系统容量增加时，则将其作为用于发射用户数据的无线接入单元，然后重复步骤iii、iv，直至资源分配结束。
与现有技术相比，本发明的分布式天线系统以及通信方法可以将能够实现系统容量最大的无线接入单元分配给同一用户，可以在为该用户增加空间维的自由度的同时，增加系统容量。
图1为一种主动分布式天线系统的示意图。
图2为存在路径损耗差异的分布式天线系统的示意图。
图3为本发明分布式天线系统的示意图。
图4为本发明分布式天线系统的具体框图。
图5为本发明分布式天线系统的通信方法的资源分配过程的流程图。
具体实施例方式
以下将结合附图对本发明的分布式天线系统进行详细描述。
图3为本发明分布式天线系统的示意图。图3中显示了多个小区(以虚线圆圈表示)，每个小区包括至少一个中央处理单元和多个无线接入单元。为了便于描述，图3中的每个小区中均匀地设置了一个中央处理单元CU和多个无线接入单元，但在实际的系统中，可以根据小区的情况设置无线接入单元的数量和分布状况。
在每个小区中，其中的无线接入单元与中央处理单元相连接，一方面，每个无线接入单元接收来自小区中用户的上行信息并将该上行信息处理后传送到中央处理单元，另一方面，每个无线接入单元接收来自中央处理单元的下行信息，并将该下行信息处理后，通过其上的发射天线发送给小区中的用产。
图4为本发明的分布式天线系统的具体结构图，其中只显示了一个小区中的中央处理单元和无线接入单元。为了描述的一般性，因此，这里假设该小区内的无线接入单元的数量为nT个。同时，为了方便描述，这里仅仅以一个中央处理单元为例进行说明，对于在同一小区内采用多个中央处理单元的例子可以由其推导得到。
对于每个无线接入单元，其包括双工器11、位于双工器11上的天线12、接收功率放大器13、电光转换器14、发射功率放大器15以及光电转换器16。这里，接收功率放大器13和发射功率放大器15属于可选择的单元。在分布式天线系统的功率较大并且信噪比较好的情况下，也可以省略。
同时，对于中央处理单元CU，其包括光电转换器21、路径损耗估计器22、资源分配器23、发送处理器24、无线接入单元选择器25、射频链路组26以及电光转换器27。
在建立一个用户和该分布式天线系统的通信之前，该用户会根据其接收的下行信道信息，决定应该接入的小区。例如，对于GSM系统，用户根据各个小区信道的频率上的能量来决定所接入的小区，对于WCDMA系统，用户根据各个小区的扰码上的能量来决定所接入的小区。
在确定接入的小区后，该用户将向该小区发出通信请求。
在本发明的分布式天线系统中，在上行方向上，对于每个无线接入单元，双工器11利用其上的天线12接收来自该用户的上行信息(射频信号，可以是上述的通信请求，也可以是其他信息)，并通过接收功率放大器13对接收的射频信号进行功率放大，该接收功率放大器可以为低噪声功率放大器。电光转换器14将放大后的射频信号进行电光转换获得相应的光信号，并通过该无线接入单元与中央处理单元CU之间的光纤链路发送到中央处理单元CU。
对于中央处理单元，光电转换器21经光纤链路接收来自该小区中所有nT个无线接入单元的光信号，并分别将来自各个无线接入单元的光信号转换为相应的射频信号。路径损耗估计器22根据射频信号估计出该用户与小区中各个无线接入单元之间的路径损耗，并存储获得的路径损耗及其对应的无线接入单元。例如，该路径损耗和对应的无线接入单元可以按照由小到大的顺序进行存储，例如以表1所示的方式，假设为{Pl1，Pl2，Pl3，...PlnT}，其中Pl1代表最小的路径损耗值。表1只是一种存储方式，本发明并不仅局限于此，也可以按照由大到小的顺序或者无序存储，只是需要建立路径损耗和其对应的无线接入单元之间的对应关系。
表1
资源分配器23根据路径估计器22估计出的路径损耗及其对应的无线接入单元进行资源分配。如图5所示，资源分配器的资源分配过程如下步骤一，从路径估计器22估计出的路径损耗中找出路径损耗的最小值；步骤二，根据该最小值，找出对应的无线接入单元，将其作为用于发射该用户的用户数据的无线接入单元；步骤三，从剩下的其他路径损耗中找出路径损耗的最小值；步骤四，根据该最小值，找出对应的无线接入单元，并计算该无线接入单元的加入是否增加系统容量。当该无线接入单元的加入使得系统容量降低时，则资源分配结束。当该无线接入单元的加入使得系统容量增加时，则将其作为用于发射用户数据的无线接入单元，然后重复步骤三、四，直至资源分配结束。
在资源分配器23的上述资源分配过程中，可以通过式(1)进行实现最大系统容量的无线接入单元的选择。
其中，Ce表示信道容量的期望值，E表示求期望的运算，InR是nR*nR维的单位矩阵，nR表示该用户的天线数量，H和H*分别为信道矩阵和其转置矩阵，QL为发送信号的相关矩阵，以及L表示从nT个无线接入单元中选出的系统容量最大时的无线接入单元的数量。
上述H和QL分别如式(2)、(3)所示 Hw是nT*nR维的随机方程，其每个元素为零均值、单位方差的高斯随机变量。其中， 表示用户和第nT个无线接入单元之间的信道增益。
经过上述资源分配过程后，假设资源分配器23此时选择出了L个无线接入单元，这些无线接入单元用于发送该用户的用户数据，并可以满足系统容量最大。同时，可以得出，该用户的用户数据应该分为L路进行传输。即，上述的资源分配过程产生的资源分配信息包括该用户所采用的无线接入单元。
在下行方向上，发送处理器24根据资源分配信息对该用户的用户数据进行发送信号处理，生成L路基带信号，这里的处理包括空间信号处理、编码、调制等，这可以在通信过程中通过用户发出的通信请求而确定。
无线接入单元选择器25根据资源分配信息选择用于发送该用户数据的L个无线接入单元来发送L路用户数据。图中L表示选中无线接入单元的数量，nT表示总共有nT个无线接入单元，未选中的无线接入单元上不发送该用户的用户数据。
发送射频链路组26将来自无线接入单元选择器25输出的nT路基带信号(其中仅有选中的L个无线接入单元对应的基带信号上才发送该用户的用户数据)进行上变频处理，获得对应的射频信号。
电光转换器27将发送射频链路组26输出到的nT路射频信号进行电光转换，从而获得相应的nT路光信号，并通过光纤链路将其传送到对应的无线接入单元。
光电转换器16通过光纤链路接收来自中央处理单元CU的光信号，并将该光信号转换为相应的射频信号。该射频信号经发射功率放大器15放大后，经由双工器11，从天线12上发送给用户。
从以上可以看出，通过在中央处理单元将能够实现系统容量最大的无线接入单元分配给该用户，可以在为该用户增加空间维的自由度的同时，增加系统容量。
以上只是实现本发明的一个较佳的实施例，其主要针对的是无线接入单元与中央处理单元距离较远的情况，因此采用光纤链路来在无线接入单元和中央处理单元之间传送信号。为此，其在无线接入单元上以及在中央处理单元上需要相应的光电转换器和电光转换器来实现光信号和电信号(射频信号)之间的相互转换。
然而，对于无线接入单元与中央处理单元距离较近的情况，可以采用电缆链路来代替光纤链路，从而，可以省略将电信号转换为光信号以及光信号转换为电信号的过程，进而，该分布式天线系统可以不需要采用电光转换器和光电转换器。
进一步，由于无线接入单元与中央处理单元之间的距离可以根据实际情况进行设定，因此，对于距离较近的情况可以采用电缆链路来传递信号，而对于距离较远的情况，可以采用光纤链路来传递信号。
值得注意的是，虽然图4中每个无线接入单元上仅仅表示出了一根天线，但是对于实际的分布式天线系统而言，其可以为多根天线，并且，在满足系统容量最大的情况下，中央处理单元可以将这些天线同时(全部或者部分)分配给同一用户，同样，该用户也具有多根天线。此时，射频链路组将属于由同一无线接入单元上的不同天线发射的用户数据采用复用器进行复用后，通过光纤链路或者电缆链路传送到无线接入单元。同时，该无线接入单元也需要多组图4中的单元以及复用器(上行方向)和解复用器(下行方向)来实现多路信号的发送和接收。也就是，每个无线接入单元相当于多个无线接入单元，其采用复用器和解复用器后共用一个传输链路。
权利要求
1.一种分布式天线系统，其基于小区结构，每个小区包括中央处理单元、多个无线接入单元以及传输链路，该多个无线接入单元分别通过各自的传输链路与中央处理单元连接，其中，每个无线接入单元包括有双工器，该双工器用于通过其上的天线接收用户的上行信息以及发送来自中央处理单元的下行信息，该中央处理单元包括路径损耗估计器，用于将来自上述多个无线接入单元的上行信息进行估计，获得各个无线接入单元与该用户之间的路径损耗，并对应地存储各个路径损耗及无线接入单元的编号；资源分配器，根据上述存储的路径损耗及无线接入单元的编号，获得资源分配信息，该资源分配信息包括该用户所采用的无线接入单元；发送处理器，根据上述资源分配信息，将该用户的用户数据进行相应的发送信号处理，生成针对该用户所采用的无线接入单元中的各个无线接入单元的基带信号流；无线接入单元选择器，根据上述资源分配信息，在与中央处理单元连接的所有无线接入单元中选择相应的无线接入单元，来发送上述经发送处理器处理后的各个基带信号流；以及射频链路组，将无线接入单元选择器输出的基带信号流分别进行上变频处理，并将上变频处理后的基带信号流作为下行信息通过传输链路分别传送到对应的无线接入单元。
2.如权利要求1所述的分布式天线系统，其特征在于，无线接入单元进一步包括发射功率放大器，用于将来自中央处理单元的下行信息进行功率放大，并将功率放大后的下行信息传送到双工器；以及接收功率放大器，用于将双工器接收的上行信息进行功率放大，并将功率放大后的上行信息通过传输链路传送到中央处理单元。
3.如权利要求1所述的分布式天线系统，其特征在于，无线接入单元进一步包括电光转换器(14)，用于将双工器接收的上行信息转换为相应的光信号，并将该光信号通过传输链路传送到中央处理单元；以及光电转换器(16)，用于将来自中央处理单元的下行信息转换为相应的电信号，并将该电信号通过双工器上的天线发送，并且，中央处理单元进一步包括光电转换器(21)，用于将来自各个传输链路的光信号转换相应的电信号，并分别将其传送到路径损耗估计器；以及电光转换器(27)，用于将来自射频链路组的各路下行信息转换为相应的光信号，并通过对应的传输链路发送到相应的无线接入单元。
4.如权利要求2所述的分布式天线系统，其特征在于，无线接入单元进一步包括电光转换器(14)，用于将经接收功率放大器进行功率放大的上行信息转换为相应的光信号，并将该光信号通过传输链路传送到中央处理单元；以及光电转换器(16)，用于将来自中央处理单元的下行信息转换为相应的电信号，并将该电信号传送到发射功率放大器，并且，中央处理单元进一步包括光电转换器(21)，用于将来自各个传输链路的光信号转换相应的电信号，并分别将其传送到路径损耗估计器；以及电光转换器(27)，用于将来自射频链路组的各路下行信息转换为相应的光信号，并通过对应的传输链路发送到相应的无线接入单元。
5.如权利要求2或者4所述的分布式天线系统，其特征在于，该接收功率放大器为低噪声功率放大器。
6.一种分布式天线系统的通信方法，其中该分布式天线系统具有中央处理单元、多个无线接入单元以及传输链路，该方法包括步骤步骤一，由上述无线接入单元分别接收同一用户的上行信息，并将上行信息发送给中央处理单元；步骤二，中央处理单元对来自各个无线接入单元的该用户的上行信息分别进行路径损耗估计，并对应地存储路径损耗及无线接入单元的编号；步骤三，根据上述存储的路径损耗及无线接入单元的编号，获得资源分配信息，该资源分配信息包括该用户所采用的无线接入单元；步骤四，根据上述资源分配信息，将该用户的用户数据进行相应的发送信号处理，生成针对该用户所采用的无线接入单元中的各个无线接入单元的基带信号流；步骤五，根据上述资源分配信息，选择用于发送各个基带信号流的相应的无线接入单元，来分别发送各个基带信号流；以及步骤六，对各个基带信号流分别进行上变频处理，并将上变频处理后的基带信号流作为下行信息分别传送到对应的无线接入单元；以及步骤七，由各个无线接入单元将下行信息发送给上述同一用户。
7.如权利要求6所述的通信方法，其特征在于，上述步骤三中的资源分配过程包括以下步骤i)从上述路径损耗中找出路径损耗的最小值；ii)根据该最小值，找出对应的无线接入单元，将其作为用于发射该用户的用户数据的无线接入单元；iii)从剩下的其他路径损耗中找出路径损耗的最小值；iv)根据该最小值，找出对应的无线接入单元，并计算该无线接入单元的加入是否增加系统容量，当该无线接入单元的加入使得系统容量降低时，则资源分配结束，当该无线接入单元的加入使得系统容量增加时，则将其作为用于发射用户数据的无线接入单元，然后重复步骤iii、iv，直至资源分配结束。
全文摘要
本发明涉及一种分布式天线系统及其通信方法。该分布式天线系统是基于小区结构的，每个小区包括中央处理单元、多个无线接入单元以及传输链路，该多个无线接入单元分别通过各自的传输链路与中央处理单元连接。其中，该无线接入单元包括双工器及位于其上的天线，该中央处理单元包括路径损耗估计器、资源分配器、发送处理器、无线接入单元选择器、以及射频链路组。本发明的分布式天线系统以及通信方法可以将能够实现系统容量最大的无线接入单元分配给同一用户，可以在为该用户增加空间维的自由度的同时，增加系统容量。
文档编号H04B7/04GK1917388SQ20051009082
公开日2007年2月21日 申请日期2005年8月16日 优先权日2005年8月16日
发明者赵新胜, 尤肖虎, 潘振岗, 陈岚, 加山英俊, 张战 申请人:东南大学, 都科摩(北京)通信技术研究中心有限公司