专利名称：时分同步码分多址系统室外宏蜂窝的多输入多输出系统和方法
技术领域：
本发明涉及时分同步码分多址(TD-SCDMA)系统，尤其涉及在采用智能天线的TD-SCDMA 系统室外宏蜂窝中应用多输入多输出(MIMO)技术的系统和方法。
背景技术：
MM0技术是近年来移动通信领域的热门研究领域，它的特征在于无线发射机和接收机 都引入了多根天线。相对于传统的单输入单输出(SISO)系统，MIMO系统通过空间分集技 术或者空间复用技术来获得系统容量的极大提升。多输入单输出(MISO)和单输入多输出 (SIMO)是MIMO的两种特殊形式，即只在通信链路的一端采用多根天线，另一端仍然采用 单天线。现有TD-SCDMA系统室外宏蜂窝的基站节点(Node B)普遍采用智能天线，用户终端(UE) 普遍采用单天线。因此，从Node B与小区内一个UE之间的通信链路来看，上行是SIMO方 式，下行则是MISO方式。由于TD-SCDMA系统采用同频组网的方式，因此无论是上行还是 下行，来自于邻小区的千扰都很强，尽管Node B侧的智能天线在上下行都进行波束赋型， 可以抑制掉相当一部分干扰，但是在整网负载很重的时候或者本小区用户与邻小区干扰的 波达方向比较接近的时候仍然有很多较强的残余干扰不能被智能天线所抑制。因此， TD-SCDMA系统普遍采用了多小区联合检测的方式来进一歩抑制那些无法被波束赋型抑制的 强干扰。山于Node B侧接收机的多根天线提供了额外的空域自由度，因此Node B侧的上行多小 区联合检测线性系统方程能够纳入更多的邻小区干扰(大大超过码道数的限制)，从而将干 扰予以抑制。但是UE侧只有一根天线，它只有CDMA码域的自由度，当本小区信号码道已 经几乎占满的情况下，其线性多小区联合检测往往没有足够的自由度来纳入更多的邻小区 强干扰。那些不能被纳入的邻小区强干扰，要么直接当成噪声看待，降低信噪比；要么勉 强进行基于分组迭代的非线性干扰消除方式，同样会导致较大的信噪比损失。相对于其他采用CDMA方式的第三代移动通信(3G)系统而言，TD-SCD區系统的码片速 率较低，因此接收机的多径分辨率较差，多径分集增益不如其他3G系统显著。NodeB侧由 于采用了多天线，尽管是阵列天线，但部分阵元(例如线阵的两端)的距离还是有好几个 波长，因此能够提供一些天线分集增益，但UE侧的单天线接收却没有这样的增益来源。在现有TD-SC匿A系统室外宏蜂窝引入M頂0技术不仅可以克服上述UE单天线接收机的 问题，提高下行链路性能，而且还可以利用空间分集或空间复用方式大大提升上下行吞吐 量。TD-SCDMA系统作为一种支持向后平滑演进的3G系统，对于数据业务吞吐量提高的追求 是永远存在的。不过，现有MIMO技术的两种方式(空间分集方式、空间复用方式)都不是完美的解决方案，单独应用在TD-SCDMA系统室外宏蜂窝环境中则各自具备以下的优缺点1. TD-SCDMA室外宏蜂窝应用MIM0空间分集方式的优点在于a) 在小区边缘等邻区干扰较强的区域与下行多小区联合检测技术进行组合应用可以 大大抑制下行干扰；b) 由于UE发射分集，因此上行多小区联合检测抑制邻小区强干扰的自由度比较宽裕， 上行链路性能更好；c) 性能增益比较稳健，不会出现空间复用方式下在强LOS环境造成的自由度不足的问题。2. TD-SCDMA室外宏蜂窝应用M頂O空间分集方式的缺点在于在一些邻区干扰不严重， 信道独立性又好的场景下容量不如MIM0空间复用方式。3. TD-SCDMA室外宏蜂窝应用M頂O空间复用方式的优点在于在一些邻区干扰不严重 (例如小区内部的下行链路)、信道独立性又好的场景下容量提升很大。4. TD-SCDMA室外宏蜂窝应用M頂O空间复用方式的缺点在于a) UE侧增加一根独立天线带来的自由度扩充完全被用于恢复多一路独立的空域发送 数据，下行多小区联合检测能够抑制邻小区干扰的比例与现有单天线方案相同，因 此抗干扰能力较差，这会导致小区边缘的用户C/I有所下降，进而导致下行容量的 下降；b) 在强LOS环境(角度扩展非常小且没什么衰弱)，下行UE侧的数据检测会出现自由 度受限的情况，导致Node B必须关闭某个子阵的发射，这对于系统容量是一个很 大的损失。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种基于阵列天线子阵分裂以及自适应混合空间分 集复用技术的TD-SCDMA系统室外宏蜂窝应用MIMO技术的系统和方法，从而大幅度提高 TD-SCDMA系统室外宏蜂窝环境上下行的业务吞吐量。本发明技术方案的主要内容如下一种时分同步码分多址系统室外宏蜂窝的多输入多输出系统，包括用户终端和基站， 所述用户终端具有两根独立衰弱的天线；所述基站的所有阵元分裂成两个天线子阵，每个 天线子阵内的所有阵元采用同一基本Midamble码；所述用户终端的不同天线和所述基站的 不同天线子阵均分配不同的基本Midamble码，或均分配同一基本Midamble码的不同偏移； 所述基站的两个天线子阵与所述用户终端的两根天线以自适应混合空间分集复用的多输入 多输出方式进行无线通信。一种时分同步码分多址系统室外宏蜂窝的多输入多输出方法，应用在如上所述的系统 中，包括以下步骤(1) .基站进行上行各阵元的信道估计；(2) .基站通过所述上行信道估计结果实时评估两个天线子阵之间的信道相关性，如 果相关性不低于预设门限，则将其上下行链路切换至空间分集方式，否则进入步骤(3);(3) .基站通过所述上行信道估计结果进一步对上行多小区联合检测的自由度情况进 行评估；用户终端进行下行信道估计，并根据所述下行信道估计结果进一步对下行多小区 联合检测的自由度情况进行评估，并将所述评估结果反馈给基站；(4) .基站判断空间复用方式是否能够提供足够多的自由度进行上行邻小区强干扰抑 制，若否，则上行切换到空间分集方式，若是则上行的评估进入步骤(6);基站还根据歩 骤(3)中用户终端反馈的所述评估结果判断空间复用方式是否能够提供足够多的自由度进 行下行邻小区强干扰抑制，若否，则下行切换到空间分集方式，若是则下行的评估进入歩骤(5);(5) .用户终端进行基站发射天线子阵对用户终端接收天线的接收信号功率测量，以 及两个用户终端接收天线干扰功率的测量，并将上述测量结果反馈给基站；(6) .基站根据上行基站接收天线阵元对应用户终端发射天线的信道估计结果，以及 基站各个接收天线阵元的干扰测量结果，分别对上行空间分集方式和上行空间复用方式下 的用户业务吞吐量速率进行实时评估，并将上行链路切换到吞吐量速率评估值较高的方式；基站还根据步骤(5)中用户终端反馈的所述测量结果分别对下行空间分集方式和下行 空间复用方式下的用户业务吞吐量速率进行实时评估，并将下行链路切换到吞吐量速率评 估值较高的方式。采用本发明的基于阵列天线子阵分裂以及自适应混合空间分集复用技术的TD-SCDMA系 统室外宏蜂窝的MIM0系统和方法，克服了现有TD-SCDMA系统下行无空域分集增益以及下 行多小区联合检测自由度可能受限的不足，最大限度地融合了现有MIM0空间分集方式和空 间复用方式的优点，同时避免了两者在TD-SCDMA系统中单独应用时面临的缺点，以系统和 硬件架构(尤其在网络侧)的最小改动代价，换取了显著的容量提高。
图1为本发明的TD-SC面A室外宏蜂窝MIMO系统的天线示意图(含子阵分裂图)； 图2为本发明的自适应MMO空间分集方式和空间复用方式的切换判决流程图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的具体实施例。如图1所示，在UE侧增加一根独立天线，形成独立衰弱的双天线。NodeB侧维持现有 的智能天线架构不变，但是将所有阵元分成两组，形成两个子阵；子阵分裂的基本原则是， 分属于不同子阵的两个阵元之间的平均距离最大。以现有TD-SCDMA宏蜂窝基站普遍采用的 8天线均匀线阵的子阵分裂为例，左边4根阵元分裂为一子阵，右边4根阵元分裂为另一子 阵(注后续如果不加说明都默认Node B采用8天线均匀线阵)。Node B侧的两子阵与UE 侧的两天线形成广义的2X2MIM0方式，其中任一子链路都是4X1 (下行)或1X4 (上行) 的方式。UE侧不同天线分配同一基本Midamble码的不同偏移(或者分配不同的基本 Midamble码)；类似的，Node B侧不同天线子阵分配同一基本Midamble码的不同偏移(或者分配不同的基本Midamble码)，而同一子阵内的所有阵元采用同一基本Midamble码的同一偏移。Node B根据下列准则自适应地进行MIM0空间分集方式和空间复用方式的切换1. Node B进行本小区和邻小区的上行各阵元的信道估计，通过上行各阵元的信道估 计结果实时地评估两个子阵的信道相关性，相关性高则切换到空间分集方式，相关 性低进行后续准则的评估；2. Node B和UE分别通过自身的邻小区信道估计获取上下行的邻小区强干扰信号的数 量以及强度，进而对上下行多小区联合检测的自由度情况进行评估。如果空间复用 方式不能提供足够多的自由度进行上行邻小区强干扰抑制，则上行切换到空间分集 方式，否则上行进行后续准则的评估；下行也按照同样方式进行切换判决，不同的 是UE侧的多小区联合检测自由度评估结果最终反馈到Node B，由Node B来做决 策；3. Node B根据上行8个接收天线对应UE2个发射天线(8X2)的信道估计结果，并 结合各接收天线的干扰测量结果，分别对上行空间分集方式和上行空间复用方式下 的用户业务吞吐量速率进行实时评估，并将上行链路切换到吞吐量速率评估值较高 的方式；4. UE将下行2个接收天线对应Node B2个发射子阵(2X2)的信号功率测量结果， 连同两接收天线的干扰功率测量结果以某种形式反馈给Node B， Node B分别对下 行空间分集方式和下行空间复用方式下的用户业务吞吐量速率进行实时评估，并将 下行链路切换到吞吐量速率评估值较高的方式。对于上行空间分集方式，UE侧采用双天线发射分集，UE可以简单的采用P-CCPCH的信 道估计结果根据最大接收功率准则生成发射分集的天线权值；Node B侧采用8天线阵列接 收，Node B接收机将所有接收天线上对应UE两发射天线的信道估计结果进行合并(由8X 2变为8X1)，然后采用和现有TD-SCDMA系统宏蜂窝上行接收机一致的处理方式(例如多 小区联合检测)进行上行数据恢复。对于下行空间分集方式，NodeB侧采用8天线阵列下行波束赋形，并且需要考虑UE双 天线分集接收后两天线信号最大比合并的因素进行赋形准则的优化，例如最大接收信号功 率准则要保证UE两天线接收信号功率之和最大；UE侧采用双天线分集接收，UE接收机首 先将所有接收天线上对应Node B两发射子阵的信道估计结果进行合并(由2X2变为2X 1)， 然后进行双天线的多小区联合检测(其中包含两接收天线的最大比合并过程)，恢复下行数 据。对于上行空间复用方式，UE每根天线发射不同数据，每根天线的调制和编码方式(MCS) 采用类似3GPP TR25.867技术文档提到的逐天线速率控制(PARC)方式来确定；Node B接收 机将UE不同发射天线的数据纳入8天线联合检测系统方程，统一的迸行各个独立信号的检测分离。对于下行空间复用方式，Node B两个子阵发射不同的数据，每个子阵的MCS采用类似 于逐天线速率控制方法的逐子阵速率控制方法来确定；两个子阵分别独立地进行下行波束赋型，并且任一子阵的波束赋型都要考虑其信号在UE侧分集双天线的最大比合并因素；UE 接收机将Node B不同发射子阵的数据纳入双天线联合检测系统方程，统一的进行各个独立 信号的检测分离。注意，上述发明内容完全可以类似地扩展到UE独立天线数大于2的情况(比如车载的 4天线)，此时天线子阵的个数也要与UE独立天线的个数一致。下面以下行高速业务为例具体介绍一下上述发明内容中的几个关键步骤可能采用的实 施方式，但本发明的思想并不局限在这些细节实施方式上，任何采用本发明的思想但采用 其他等效的细节实施方式也应该被视作采用了本发明方案。Node B天线子阵之间的信道相关性的一种评估方式实例如果^"是上行第i个用户在Node B第ka根接收天线信道估计后并经过门限后处理 的信道冲击响应序列(注至少含有两个Midamble偏移窗对应两个独立的发射天线)，那 么该用户8天线的信道冲击响应可以写成矩阵h =hh(2)h(1)因此，该用户的信号空间相关矩阵为:r =h " h =《2化3化4《5\6。,7化8《2、3、4、5、6&"2,8 2、3、4&r3,7厂3，8"4,1r4,2r4,3"4,4&、6,4,7"4,8《2r5,3r5,4《5《6《7《8r6,2、3、4、5、6、7:，8、1、2、3、4 5r7,6、7产7，8,8,2rS,3《4《7r8，8r,.(l,l) r,(2,l)r,(l'2) r,.(2'2)(2)-种简单的两子阵相关系数可以做如下定义:s謂(]R, (1，2》(3)2. frace(r,)如果计算出来的天线子阵相关系数A大于预先设定的某个门限值，则用户i切换到空 间分集方式，否则进行后续准则的评估。上述天线子阵相关系数A的计算还可以按照平均值的方式进行计算，原理类似。UE侧下行多小区JD自由度的一种评估方式实例LIE对所有处于邻区列表中的小区进行信道估计，并且统计所有超过预设功率门限的信 道冲击响应的邻小区强干扰用户业务所占的码道总数Kru一adj(其中对于空间复用的业务码 道数要乘2)，再加上本小区所有用户业务所占的码道总数Kru一ho (注本用户业务先按空 分复用方式统计，即码道数X2),最后判断Kru一adj + Kru—ho〉32是否满足？如果满足，则 本用户切换到空间分集方式，否则进行后续准则的评估。间分集方式和空间复用方式的用户下行业务吞吐量速率以及调制编码方式(MCS)的为用户i的接收功率矩阵，其中f(m,^表示第m个Node B-种评估实例、(1,1) 魂2)_ 尸((2,1) f(2,2)天线子阵发射数据在第n根UE接收天线上的接收信号功率测量结果;定义I = [/(1) /(2)]表示UE两根天线上的干扰功率测量结果(仅考虑不能被干扰消除方法抑制掉的残余干扰)。 空间分集方式下行接收信号总的载干比(C/I)近似估计为.-'c、—細+厕y丄(顺+V^))2w入/2(4)下的误块率指标，计算出有最高误块率限制(例如然后根据不同MCS在上述载干比〔;10%)条件的，业务吞吐量最大的MCS以及其对应的吞吐量指标。 空间复用方式Node B子阵l发射信号在下行的接收信号总载干比(C/I)近似估计为: D 一魂l) f (1,2)Node B子阵2发射信号在下行的接收信号总载干比(C/I)近似估计为:、1 A,2f(2,l)+JP,(2,2)/(2)(5)(6)然后根据不同MCS在上述载干比7和',i 乂下的误块率指标，分别计算出有最高误块率限制(例如10% )条件的，子阵1和子阵2各自吞吐量最大对应的MCS及艽对应的吞吐 量指标，最后将两子阵的吞吐量之和作为该用户的总吞吐量。给出了上面3个关键歩骤的具体实施方式
后，现参照图2给出针对任一用户i下行链 路的自适应空间分集和空间复用方式的整个切换过程歩骤1: Node B进行上行8X2信道估计，包括本小区信道估计和邻小区信道估计；歩骤2: Node B针对用户i评估两子阵的信道相关性，如果相关性高于某一预设门限， 则将其下行链路切换至空间分集方式，结束切换判决过程；否则进入步骤3;步骤3:用户i进行下行2X2信道估计，包括本小区信道估计和邻小区信道估计；歩骤4:用户i对下行多小区联合检测的自由度情况进行评估并反馈给Node B;歩骤5: UE进行2X2接收信号功率测量，以及两接收天线干扰功率的测量，并将上 述测量结果以某种形式反馈给Node B;歩骤6: Node B根据歩骤4的反馈结果判断采用空间复用方式后下行多小区联合检测 的自由度是否足够？如果不够，则将其下行链路切换至空间分集方式，结束切换判决过程; 否则进入步骤7;步骤7: Node B根据步骤5的反馈结果来分别估计下行空间分集方式和空间复用方式 的吞吐量，并最终切换到吞吐量大的MIM0方式上。空间分集和空间复用方式下的Node B下行波束赋形权值生成空间分集和空间复用下的Node B下行波束赋形的原理基本一致，区别只是在于阵元个 数的多少，空间分集方式为1个8阵元波束赋型，而空间复用方式下则为两个4阵元波束赋型。应用MIMO技术后，Node B下行波束赋形需要考虑UE侧分集天线合并的因素，以最大接收信号功率为例，因为UE侧的天线合并使得信号是以功率的形式在叠加，因此波束赋形的优化准则应该要保证UE两天线接收信号功率之和最大。如果用户i的发射天线1在Node B接收端形成的信号空间相关矩阵为Ru ，发射天线2在Node B接收端形成的信号空间相关矩阵为R,2，则波束赋型权值w,.应该为w'. = argmax(w, (Ru + R,. 2) w,) (7)因此用户i的赋型权值w,.的理想取值应该是方阵(Ry +11,2)的最大特征值对应的特征向量。 上行业务的具体实施方式
与下行业务雷同，在此不再赘述。
权利要求
1. 一种时分同步码分多址系统室外宏蜂窝的多输入多输出系统，包括用户终端和基站，其特征在于，所述用户终端具有两根独立衰弱的天线；所述基站的所有阵元分裂成两个天线子阵，每个天线子阵内的所有阵元采用同一基本Midamble码；所述用户终端的不同天线和所述基站的不同天线子阵均分配不同的基本Midamble码，或均分配同一基本Midamble码的不同偏移；所述基站的两个天线子阵与所述用户终端的两根天线以自适应混合空间分集复用的多输入多输出方式进行无线通信。
2、 一种时分同步码分多址系统室外宏蜂窝的多输入多输出方法，应用在如权利要求1 所述的系统中，包括以下步骤(1) .基站进行上行各阵元的信道估计；(2) .基站通过所述上行信道估计结果实时评估两个天线子阵之间的信道相关性，如 果相关性不低于预设门限，则将其上下行链路切换至空间分集方式，否则进入步骤(3);(3) .基站通过所述上行信道估计结果进一步对上行多小区联合检测的自由度情况进 行评估；用户终端进行下行信道估计，并根据所述下行信道估计结果进一步对下行多小区 联合检测的自由度情况进行评估，并将所述评估结果反馈给基站；(4) .基站判断空间复用方式是否能够提供足够多的自由度进行上行邻小区强干扰抑 制，若否，则上行切换到空间分集方式，若是则上行的评估进入步骤(6);基站还根据步 骤(3)中用户终端反馈的所述评估结果判断空间复用方式是否能够提供足够多的自由度进 行下行邻小区强干扰抑制，若否，则下行切换到空间分集方式，若是则下行的评估进入步骤(5);(5) .用户终端进行基站发射天线子阵对用户终端接收天线的接收信号功率测量，以 及两个用户终端接收天线干扰功率的测量，并将上述测量结果反馈给基站；(6) .基站根据上行基站接收天线阵元对应用户终端发射天线的信道估计结果，以及 基站各个接收天线阵元的干扰测量结果，分别对上行空间分集方式和上行空间复用方式下 的用户业务吞吐量速率进行实时评估，并将上行链路切换到吞吐量速率评估值较高的方式；基站还根据步骤(5)中用户终端反馈的所述测量结果分别对下行空间分集方式和下行 空间复用方式下的用户业务吞吐量速率进行实时评估，并将下行链路切换到吞吐量速率评 估值较高的方式。
3、 如权利要求2所述的时分同步码分多址系统室外宏蜂窝的多输入多输出方法，其特 征在于，切换后对于上行空间分集方式，用户终端采用双天线发射分集，生成发射分集的 天线权值；而基站将所有接收天线阵元上对应用户终端两发射天线的信道估计结果进行合 并并进行上行数据恢复。
4、 如权利要求2所述的时分同步码分多址系统室外宏蜂窝的多输入多输出方法，其特征在于，切换后对于下行空间分集方式，基站采用天线阵列下行波束赋形，进行赋形准则 的优化；而用户终端采用双天线分集接收，首先将所有接收天线上对应基站两发射天线子 阵的信道估计结果进行合并，然后进行双天线的多小区联合检测，并恢复下行数据。
5、 如权利要求2所述的时分同步码分多址系统室外宏蜂窝的多输入多输出方法，其特 征在于，切换后对于上行空间复用方式，用户终端的每根天线发射不同数据，每根天线的 调制和编码方式采用类似逐天线速率控制方式来确定；而基站接收机将用户终端不同发射 天线的数据纳入天线联合检测系统方程，统一进行各个独立信号的检测分离。
6、 如权利要求2所述的时分同步码分多址系统室外宏蜂窝的多输入多输出方法，其特 征在于，切换后对于下行空间复用方式，基站的两个天线子阵发射不同的数据，每个天线 子阵的编码方式采用类似逐天线速率控制方式的逐子阵速率控制方式来确定，两个天线子 阵分别独立进行下行波束赋型；而用户终端接收机将基站不同发射子阵的数据纳入双天线 联合检测系统方程，统一进行各个独立信号的检测分离。
全文摘要
一种时分同步码分多址系统室外宏蜂窝的多输入多输出系统，包括用户终端和基站，所述用户终端具有两根独立衰弱的天线，所述基站的所有阵元分裂成两个天线子阵，该两个天线子阵与所述用户终端的两根天线以自适应混合空间分集复用的多输入多输出方式进行无线通信；本发明还公开了一种应用于上述系统中的多输入多输出方法，该方法自适应地混合了多输入多输出的空间分集和空间复用方式，包括对两种方式进行评估判决和自适应切换，从而融合了现有两种方式的优点，同时避免了两者在TD-SCDMA系统中单独应用时的缺点，使业务容量显著提高。
文档编号H04J13/02GK101272167SQ20071009123
公开日2008年9月24日 申请日期2007年3月23日 优先权日2007年3月23日
发明者海 江, 鹏 耿, 肖炼斌, 冠 陈 申请人:中兴通讯股份有限公司