专利名称：一种时分双工模式系统实现多输入多输出闭环传输的方法
技术领域：
本发明涉及无线传输技术，尤其涉及多输入多输出MIMO传输技术。
技术背景多输入多输出MIMO技术是近几年发展起来的一种高效的无线传输技 术，是指在发射端和接收端，分别使用多个发射天线和接收天线进行通信。 基于发射分集和接收分集的多输入单输出MISO方式和单输入多输出SIMO 方式是MIMO的特殊情况。MIMO技术主要包括智能天线和空时编码两种 形式。由于时分双工模式TDD系统中上下行信道可以认为是一致的，因此 基站BS根据得到的上行信道参数就可以估计出下行信道响应参数，如图1 所示。如果发射端得到了准确的下行信道参数，就可以在下行过程中实现有 效的闭环传输。 一般地，我们把反馈利用发射端的信道状态信息的方法称之 为闭环传输，与闭环传输对应的是开环传输，开环传输不需要知道发射端的 信道状态信息。闭环传输较之开环传输有许多优势，运用发射端的信道状态 信息可以提高系统的链路性能，增大系统的覆盖范围，改善覆盖的可靠性。 闭环传输的应用主要有在阵列天线中所使用的波束赋形、空分多址、闭环 MIMO等。正交频分复用OFDM技术在频域把频谱分成若干个正交的子信道，各 子信道的栽波相互重叠，提高了频谱利用率。由于各子信道的带宽相对较窄， 因此对整个发射带宽信号来讲频率选择性信道对于各个子信道信号来讲是 平坦衰落的，均衡可对每个子载波分别进行，大大简化了接收机结构。由于 OFDM具有频谱利用率高、均衡简单的优点，非常适合于高速的有线或无线 传输，因此得到了广泛研究。为了提高多天线OFDM系统的性能，某些多天线OFDM的通信系统， 可以利用发送已知序列，获得上行的信道质量，为下行的空时编码模式的选择，以及空时编码的预编码和智能天线的波束赋形提供可靠依据，从而自适 应的实现多天线的闭环传输，提高整个系统的通信质量。IHM BIN-CHUL等人于2005年1月20号公开的，专利号为 US2005157808专利提出了 一种闭环MIMO的系统，该系统包含了 一个通过 使用预先确定好的装置，用于组成新的预先确定装置的接收机，选择新的预 先确定好的装置的确知矩阵，并反馈该矩阵的索引，如果发射天线的数目增 加，发射机通过反馈索引对应的矩阵与传输信号相乘的方法实现信号的发 送。尽管发射天线的个数有所增加，但是利用先前装置的候选矩阵可以轻而 易举的获得新的候选矩阵。此外，该专利还为选择最佳的解决方案提供了一 个参考，具有很小的计算量，且系统的负荷大幅度降低。但是系统需要存储 大量预先设置的候选矩阵，增加了系统成本。CHAE CHAN-BYEUNG等人于2005年6月8号公布的，专利号为 EP1538772的专利提供了一种通过特征向量选择的途径，在MIMO移动通 信系统中用于数据传输的设备和方法，该方法使用反馈信息在闭环的MIMO 系统中实现数据的接收或者发送。该方法包括反馈发送由信道矩阵的奇异值 分解决定的特征向量选择信息的步骤；发送特征向量选择信息到发射机；接 收反馈发送的特征向量选择信息并根据接收到的特征向量选择信息选择发 送数据；将选择的传输数据至少映射到一个发送天线上去，发送传输数据到 接收机。由于该发明根据奇异值分解所得到特征向量作为反馈信息，根据矩 阵论原理，奇异值分解的特征向量不唯一.，且该系统使用了反馈机制，增加 了用户终端的处理需求。因而，现有的技术存在缺陷和有待改进的地方。 发明内容为了解决上述技术问题，本发明提供一种时分双工模式系统实现多输入 多输出闭环传输的方法，包括如下步骤(1)确定上行发送序列的发送区域，为用户终端选择待发送的序列；(2 )对待发送的序列进行调制后，将调制序列映射到对应的发送区域；(3) 采用多天线周期性轮流发送的方式，在每个上行帧中由不同天线发送不同的调制序列；(4) 根据发送的调制序列确定用户终端的每个发送天线到基站天线的 信道估计向量，最终得到上行信道响应矩阵；(5) 根据上行信道响应矩阵确定下行信道响应矩阵，根据接收端的最 大信噪比准则确定下行闭环传输所需要的参数；(6) 根据下行闭环传输参数进行下行传输。其中，所述步骤(l)中，所述发送区域可以根据系统的时频资源确定。进一步地，所述步骤(l)中，所述发送区域可以根据所述时频资源自 适应;也确定。其中，所述步骤(l)中，可以为不同的所述用户终端选择相互正交的 所述待发送的序列。其中，所述步骤(2)中，所述调制所采用的调制方式可以包括BPSK 调制方式。其中，所述步骤(2)中，所述映射所根据的映射规则可以包括频域优 先的映射MJ'J。其中，所述步骤(5)中，所述参数可以包括闭环多输入多输出系统的 预编码矩阵。其中，所述步骤(5)中，所述参数可以包括下行波束赋形的天线权值。进一步地，所述步骤(6)中，所述下行传输利用所述权值对下行数据 进行加权处理。与现有技术相比，本发明通过在上行传输中发送已知序列，由基站侧估 计信道响应，减少了用户终端的信号处理需求，提高了系统的性能。
图1为现有技术中在接收端估计MIMO信道响应矩阵的示意图； 图2为本发明实施例流程示意图；图3为本发明的MIMCM言道经过Mr个天线周期的序列传IIT示意图； 图4为图3的信道响应矩阵估计的分解示意图； 图5为本发明应用实施例示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细的说明。本发明的思路是在TDD的模式下，利用用户终端SS发送的已知信息序 列估计SS与基站BS的信道响应，由于TDD系统中上下行信道可以认为是 一致的，因此BS根据得到的上行信道参数就可以估计出下行信道响应参数， 如果发射端得到了准确的下行信道参数，就可以在下行实现有效的闭环传 输，而不需要利用反馈。如果SS端无论发送还是接收都是一根天线，则本发明利用发送已知序 列，获得SIMO的信道参数，进行有效的闭环传输，可以实现简单有效的多 天线闭环传输；如果SS端为一根发送天线、多根接收天线，则利用SS端 天线进行轮流发送训练序列信号，相当于将MIMO系统分割成Mr个SIMO 系统，Mr为SS端的天线数目，对于每一个SIMO系统，独立估计信道响应， 从而得到信道响应矩阵。如果带宽资源不紧张，则可以发送较长的已知序列； 如果带宽资源紧张，则发送较短序列或者多个SS发送正交序列。将已知序 列发送完毕之后，最终得到上行信道响应矩阵，根据上行信道响应矩阵确定 下行信道响应矩阵，以及下行闭环传输所需要的如天线权值等参数，利用这 些参数，进行MIMO闭环传输。参考图2，以下为本发明所述的TDD系统实现MIMO闭环传输方法实 施例流程示意，包括如下步骤第1步，用户终端SS根据系统的时频资源自适应地确定上行的已知发 送序列的发送区域，选择合适的待发送的上行已知序列。系统资源充足时，发送较长的已知序列，实现更精准的信道估计；系统 资源较紧张时，发送较短的已知序列。同一个时刻每个待发送的已知序列要 有良好的正交特性或者较强的自相关特性。不同的SS选择相互正交的发送序列。第2步，对选择的已知序列采用具有很强鲁棒性的BPSK调制方式进行 调制，得到调制序列，并根据频域优先的映射规则将调制序列映射到对应的 发送区域。第3步，确定用户终端SS每个天线的发射机制，采用多天线周期性轮站BS发送不同的已知调制序列。发射机制是指用户终端SS的天线周期性轮流发送相互正交的已知序列 的方式，假设用户终端有A^个接收天线，则需要以Mr个帧长为周期，分 别在连续的Mr个上行帧周期内向基站BS发送不同的已知调制序列。第4步，在多个天线周期内，根据发送的已知调制序列确定用户终端的 每个发送天线到基站天线的信道估计向量，最终得到完整的上行信道响应矩 阵。用户终端SS在连续的Mr个上行帧时间内向基站BS发送不同的调制序 列后，BS得到Mr个信道估计向量，利用这似r个信道估计向量构成信道响 应矩阵。也即第1帧上行数据由SS的第一个发送天线发送，第2帧上行数 据由SS的第二个发送天线发送，依次类推，直到Mr个发送天线发完。参 考图3, SS发送的序列在Mr个天线周期的时间里，通过信道传输后到达 BS的每个接收天线，然后BS的每个接收天线分别计算各自的信道响应， 在频域估计信道响应比较容易，由于分配给用户终端SS的已知序列是由基 站BS控制的，可以在BS端获得分配给SS的已知序列，因此SS向BS发 送的都是已知训练序列，可以根据/ ^) = //(/ )5( 0 + ^/ )进行信道估计，附=1, 2，……，Wc,其中iVc为子栽波数目；式中//6w,为信道响应矩阵，卩/wJ 为第m个子载波上收到的信号，S 6wJ是在第m个子载波上发送的信号， iV 6nJ为噪声。图4为与图3对应的SS端Mr个天线依次发送的分解示意 图。基站BS的所有接收天线分别根据自己所接收到的调制序列进行信道估 计，整个过程只是开始Mr个上行帧没有办法得到完整的信道估计矩阵，可 以根据发送天线和接收天线数目，预先进行设置；第Mr+1帧时的信道估计向量可以利用先前的第1, 2,…，A^个4言道估计向量《且成第Wr+ 1帧时的信道估计矩阵，第Mr + 2帧时的信道估计向量可以利用先前的第2,3,…， Mr， Mr+1个信道估计向量组成第Mr + 2帧时的信道估计矩阵，依次类推。 由于需要Mr帧构成信道响应矩阵，因此需要对前面的个信道估计向 量进行存储，这个存储量非常的小， 一是因为用户终端的接收天线不可能太 多，即Mr不可能太大， 一般用户终端的Mr-2; 二是在Mr帧后，仅仅需 要更新最后一次的信道估计向量便可以组成该时刻所需要的上行信道响应 矩阵。第5步，根据得到的上行信道响应矩阵确定下行信道响应矩阵，根据接 收端的最大信噪比准则确定下行闭环传输所需要的参数，如闭环MIMO的 预编码矩阵，下行波束赋形的天线权值等。上行信道响应矩阵和下行信道响 应矩阵在TDD系统中互为转置，由于TDD系统中上行和下行使用相同的频 带，可以认为上下行互易，因此在上行发送已知序列由基站侧估计信道响应， 取代了传统的反馈机制，减少了用户终端的信号处理需求。闭环MIMO的 预编码矩阵的计算是基于接收机最大信噪比的原则，设最终得到的信道响应 矩阵为/Z,那么ffi^的特征值表示了功率分配增益，因此选择最大的特征值 所对应的特征向量作为预编码矩阵的权值『,可以保证在接收端得到最大信 噪比；第6步，根据预编码矩阵的权值进行下行闭环传输。利用得到的权值『 对相同数据区域的下行数据进行加权处理.，每个BS天线对相同的子载波实 施不同的权值，则最终在SS端的第个接收天线接收到的信号可以表示为 ^w^ZPffO^xXmj/^'XmhiV/m),其中w::l， 2，……，iVc, z'=l ， 2,……， M" _/ = '1, 2,……，Mr, Mf为BS端发射天线数目；接收天线接收到的总 的信号为y(w)-^KOn),其中j'-l, 2,……，Mr。以下以802.16e标准中发送Sounding序列实现闭环传输为本发明的应用 实施例对本发明进行说明。假设有1个SS, SS端同时只有1根发送天线、2根接收天线，BS端 有两根发送天线，见图5。利用发送已知Sounding信号进行上行信道的估计。步骤①，首先确定发送上4亍已知序列的发送区域，并构造sounding序歹'j, 此处使用Decimation S印arability方式，根据协议，可选取的Sounding基序 列为步骤②，对相应的Sounding Zone内的sounding序列，分别进行BPSK 调制，得到调制后的复数信号。步骤③，如附图5所示，SS端两个天线轮流发送调制后的Sounding序列。步骤 ,在一帧的时间内得到信道响应向量//1 = {//11(附);//21一)},紧接着 得到//2={//12(| );//22—)},在两帧的时间就得到了完整的信道响应矩阵//。在 Sounding序列发送完毕后，得到完整的上行信道响应矩阵。步骤 ，确定下行信道响应矩阵，计算实现多天线闭环传输需要的参数。 当BS端获得所需的信道响应矩阵后就可以才艮据信道响应矩阵计算闭环传输 所需要的参数。计算MIMO的预编码系数，如图5所示，在下行采用的是 发射端两根发射天线，接收端两根接收天线，经过上行的两帧Sounding序 列已经得到了估计的下行信道响应矩阵，因此，对于每个子载波而言，都有 这样的信道响应矩阵存在//(附)={//11(附),//12(附);//21(附)，//22(附)}, m=l, 2,……,A/c为子载波数目。通过计算//(附)//"(/ )的最大特征值对应的特征向量 作为第w个子载波的最佳权值『fm, BS端有几个发射天线，对应的特征向 量就有几维，于是得到了/(7=1， 2卩个发射天线的第w个子载波的最佳权值。步骤⑥，进行下行闭环传输发送。利用得到的权值『对下行相同数据 区域的下行数据进行加权处理，每个BS天线对相同的子载波实施不同的权 值，则最终在SS端的第/个接收天线接收到的信号可以表示为 "(附)2^f ,(w) + 7V(w),其中附:=1， 2，……，a^; /=1, 2; y=l,2;其中'《.广mJ为第y个接收天线上的第m个子载波的噪声。由于BS端每次的信道估计都是单一信号，而不是像MIMO系统那样， 每个BS天线得到的信号是多个SS天线发送的信号之和，因此该方法使得信道估计变得相对筒单，与传统的反馈机制相比，减轻了SS端的信号处理 需求，实现有效的闭环传输，从而提高系统的性能。需要指出的是，本发明的上述针对应用实施例的描速较为真体，并不能 因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所 附权利要求为准。
权利要求
1. 一种时分双工模式系统实现多输入多输出闭环传输的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)确定上行发送序列的发送区域，为用户终端选择待发送的序列；(2)对待发送的序列进行调制后，将调制序列映射到对应的发送区域；(3)采用多天线周期性轮流发送的方式，在每个上行帧中由不同天线发送不同的调制序列；(4)根据发送的调制序列确定用户终端的每个发送天线到基站天线的信道估计向量，最终得到上行信道响应矩阵；(5)根据上行信道响应矩阵确定下行信道响应矩阵，根据接收端的最大信噪比准则确定下行闭环传输所需要的参数；(6)根据下行闭环传输参数进行下行传输。
2、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1 )中，所述发 送区域根据系统的时频资源确定。
3、 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(l)中，所述发 送区域根据所述时频资源自适应地确定。
4、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1 )中，为不同 的所述用户终端选择相互正交的所述待发送的序列。
5、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述调 制所采用的调制方式包括BPSK调制方式。
6、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述映 射所根据的映射规则包括频域优先的映射规则。
7、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述参数包括闭环多输入多输出系统的预编码矩阵。
8、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述参 数包括下行波束赋形的天线权值。
9、 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述下 行传输利用所述权值对下行数据进行加权处理。
全文摘要
本发明公开了一种时分双工模式系统实现多输入多输出闭环传输的方法，包括步骤首先，确定上行发送区域，为用户终端选择待发送的序列；对待发送的序列进行调制后，将调制序列映射到对应的发送区域；采用多天线周期性轮流发送的方式，在每个上行帧中由不同天线发送不同的调制序列；根据发送的调制序列确定用户终端的每个发送天线到基站天线的信道估计向量，最终得到上行信道响应矩阵；确定下行信道响应矩阵和下行闭环传输所需要的参数；根据下行闭环传输参数进行下行传输。与现有技术相比，本发明通过在上行传输中发送已知序列，由基站侧估计信道响应，减少了用户终端的信号处理需求，提高了系统的性能。
文档编号H04L1/02GK101222301SQ200710000238
公开日2008年7月16日 申请日期2007年1月11日 优先权日2007年1月11日
发明者余秋星, 刘巧艳, 谭欢喜, 路 赵 申请人:中兴通讯股份有限公司