专利名称：无线接入系统和传输方法
技术领域：
本发明涉及无线接入系统的领域，更具体地，涉及宽频带无线接 入系统和用于这种系统的传输方法。
背景技术：
蜂窝无线数据接入系统通常包括一组基站，每个基站具有一定数 目的扇区，并且每个扇区具有发射器和接收器，其中发射器和接收器 具有一个或多个天线元件。通常，通过到一个或多个基站中每个基站 的一个扇区的无线连接，移动终端被指派给这些基站。基站和扇区与
这样的地理区域相关，在该区域中到属于该扇区的天线的距离较短； 天线所支持的角度范围与该区域相对应；并且位于该区域中的用户和 基站之间的信道质量(包括来自其他终端/基站的干扰)足以建立无线 连接。
基站和指派给该基站同 一扇区的移动终端之间的连接通常可以 具有显著不同的信道质量和差别很大的路径损耗，这取决于它们到基 站的距离(通常从几米到几公里)。这意味着，由于不同的路径损耗， 基站以特定功率水平发射的信号在不同终端的接收器处可能具有明
显不同的功率水平，并且与基站的距离不同的不同用户所发射的、以 相同功率水平到达基站的信号在终端处必须以不同的功率发射。
一侧的基站与另 一侧处于不同位置并具有不同信道属性的多个 用户之间的信道在下文称为多用户信道。在下行链路中，该信道是广 播信道，具有由基站发射器馈送的一个输入以及由移动终端接收器听 到的多个输出。在上行链路中，该信道是多接入信道，具有由移动终 端发射器馈送的多个输入以及到基站接收器的一个输出。可以将基站 与位于不同距离的不同用户之间的信道视作具有不同信道质量的信
道扇区的串联连接，其中信道质量例如通过信号干扰噪声比(SINR) 或者衰落信道特征的形式进行测量。在这样的模型中，扇区之间的接 口是空间上分布的信号，并且位于所述接口处的终端可见的信号是例 如由天线从所述空间信号推导的标量或矢量信号。
在目前使用OFDM/OFDMA的宽频带无线接入系统中(例如IEEE 802.16，也被称为WiMAX)，每个单独的无线资源(子频带或时隙) 在一个点对点传输中使用。使用不同的、至少近似正交的无线资源来 实现多路复用和多接入。为了发射广播或多播信息，例如映射，在如 下的情况下需要它，将无线资源分配给终端，以及去往或来自具有高 路径损耗的远方终端的用户数据，使用具有低频谱效率的、鲁棒的调 制和编；马方法。
由此，在已知系统中，多用户信道是以时间和频率复用的方式来 使用的，与理论容量相比，吞吐量并非最优的。实际上，浪费了容量， 并且已知的传输方法远没有达到蜂窝无线接入系统中的多用户信道 的信息理论总容量。这导致了的不佳的频语效率和低平均吞吐量。
本发明的目的是改进多用户信道的使用，并由此增强具有强位置 依赖的信道质量的无线接入系统中的吞吐量和频谱效率。
发明内容
根据本发明，在相同的无线资源上发射至少两个数据流。优选地， 使用针对数据流的不同的调制、功率水平和/或编码在发射器中合并数 据流，并在接收器中分离数据流。
如下文阐释的，用于在相同的无线资源上传输多于 一 个数据流的
适当技术例如在物理层和MAC层中使用分级或分层调制以及编码。 根据本发明的优选实施方式，将物理层中的分层调制和编码用于多用 户信道的改进使用。
根据信息理论，在相同的时隙中、在相同的无线资源(例如，OFDM 中的子信道/子载波)上传送去往/来自不同位置的终端的两个或更多 数据流。这得到以下事实的支持无线信道的路径损耗可能差别很大，
并且与不同数据流相关的信号可能具有显著不同的功率水平。
在无线接入系统的物理和链路层，存在不同类型的待发射下行链
路信息。其中包括应当由各扇区中所有用户接收的广播信息；应当 由这些用户的子集接收的多播信息；以及其仅以一个用户为目的地的 单播信息。对于广播和多播信息，当前系统中的调制和编码方案是这 样选择的该方案对于具有最低质量(例如，以SINR衡量)的信道 而言足够鲁棒。这意味着，基站和附近用户之间的信道没有完全用于 该信息。也即，在多用户信道的该部分中传送的数据率可能显著小于 信道容量。类似的情况也发生在上行链路中。远方终端以高功率水平 向基站发送信息。由于高路径损耗，相应的信号以低功率水平到达基 站。所支持的该信号的速率远小于附近用户与基站之间的信道容量。 因此，在当前的系统中，附近用户和基站之间的信道扇区没有得到充 分使用。
根据本发明，在发射广播信息(例如，映射信息)的同时或在向 具有高路径损耗的远方终端发射(下行链路)信息的同时，以低功率 水平向附近终端发射其他信息。为了检测，可以使用多用户接收器。 类似地，在从远方终端接收低功率水平的信息(上行链路)的同时， 可以从附近终端接收较高功率水平的其他信息。由此，显著提高了系 统容量。除了某些情况下的某些附加解调制和解码工作之外，提高吞 吐量对硬件没有更高的要求，例如不需要更高的带宽或者更高的分辨 率或者更多的天线。为了显著增强蜂窝无线接入系统中的吞吐量，本
由此，根据本发明，在多用户信道的所有扇区中，信道容量是接 近的，由此多用户信道得到了比目前系统更好的使用。这可以在下行 链路以及上行链路中实现。在下行链路中，在使用具有低数据率的、 鲁棒的调制和编码方案从基站向远方用户传送信息时，同时可以使用 相同的无线资源(频带和时隙)但是例如以不同的功率水平或者分层 编码或调制中的不同层次从基站向附近用户发射其他独立数据。这意 味着在物理层使用分层编码和调制。
尽管本发明的方法为了实现附加的系统吞吐量而需要略微增加 附近用户的计算复杂性和发射功率，但是远方用户没有额外的计算复 杂性并且不需要较高的发射功率，而且附近用户不需要比远方用户更 高的发射功率。也即，改进了关于附近用户和远方用户之间的可达到 数据率的公平性，并且减小了附近用户和远方用户的发射功率之间的 差别。特别地，与传统系统相比，对模拟硬件没有额外要求。此外， 多用户信道的使用借助于本发明得以改进，并由此提高了蜂窝宽频带 无线数据接入系统中的吞吐量。
根据本发明的优选实施方式，对具有广播和单播信息(下行链路)
的两个或更多数据流进行调制、编码，并以这样的方式对其进行合并 远方用户可以对与其相关的信息部分进行解调制和解码，并且附近用 户可以对全部信息进行解调制并选择与其相关的部分。此外，可以按 照相同的服务质量(也即，没有比特误差)将广播信息(例如，描述 无线资源对终端和用户的分配的映射)同时递送给具有不同无线信道 质量的用户。并且可以将独立的数据流(也即，来自独立来源的数据 流)同时递送给不同位置的用户。
根据本发明的其他优选实施方式，在上行链路中，两个或更多终 端同时在相同的无线资源上进行发射，信号在空中合并，并且只要编 码、调制和功率水平适当，基站就可以对所有信息流进行分离、解调 制和解码。此外，在上行链路中(也即从终端到基站)，使用公共无
线信道将来自不同位置的独立来源的数据传送到基站的位置。
此外，在上行链路中，在远方终端以高功率向基站发送信息并且 该信息由于高路径损耗而以低功率水平达到基站的同时，靠近基站的 第二终端发送其他信息，所述其他信息在达到基站接收器时也占用较 高的功率水平。使用适当的调制和编码，基站接收器可以分离这两个
信息流。上行链路中的唯一限制是包含不同数据流的合并信号必须 是接收信号的和，所述接收信号是不同位置发射的信号的信道响应， 这是因为它们是通过空中电磁波重叠而相加的。例如，这可以通过使 用分层调制来实现。
本发明的方法用以才是高例如WiMAX系统的宽频带无线-接入系统 的容量。特别地，注意，无线数据接入系统中的情况不同于有时使用 分层调制的视频广播(例如，DVB-T)。在已知的无线数字视频广播 中，可以以各种服务质量将单个视频流递送到不同的目的地。也即， 与相同信息源相关的不同编码层次(其例如对应于不同的图像分辨 率)通过公共无线信道使用例如分层调制在物理层中具有不同信道质 量的不同逻辑信道上传送给不同用户。然而，与其相反，根据本发明， 在无线接入系统中相同无线资源上传送两个或更多数据流。
可以使用专用于单个数据流的导频符号来测量基站和单个终端 之间的信道质量，以及支持不同数据流的分离。
本发明还包括一种将无线资源指派给终端群组以及定义信号参 数(例如，发射功率)的方法。根据终端到基站的距离和/或基站和所 述终端之间信道的信道特征来定义属于一个终端群组并共享相同无 线资源的终端以及信号参数。信道特征基于瞬时特征或者平均特征。 也即，信道特征可以包括基站和终端之间的信道的平均路径损耗和/ 或角度特征(例如，达到的平均方向)。优选实施方式将相同的无线 资源指派给至少在其信道的平均路径损耗或者角度特征方面不同的 终端。本发明还包括一种用于测量基站和至少两个移动终端之间的信 道的信道特征的系统，该系统能够执行上面的方法。可以将这样的系 统安装到无线通信网络的基站中。
由此变得易见。应当注意，不应将参考符号的使用理解为限制本发明 的范围。
图1示出了根据本发明的无线接入系统中的分布式多用户信道； 图2示出了复域中具有不同平均信号功率的两个QPSK星座以及 由两个星座的重叠得到的分层星座；
图3示出了描述根据本发明的下行链路情况的框图4示出了描述在下行链路情况下根据本发明的基站发射器中的 处理的框图5示出了描述在下行链路情况下根据本发明的移动终端接收器
中的处理的框图6示出了描述根据图5的接收器中的简化处理的框图7示出了描述根据本发明的无线接入系统中的上行链路情况的
框图；以及
图8示出了在上行链路情况下根据本发明的基站接收器中的处理 的框图。
具体实施例方式
图1示出了对应于无线资源的一个公共集合的分布式多用户信道 1。信道从基站延伸到最远的终端，其中基站位于Xl,而最远的终端 位于X2。此外，信道l包括从基站到若干用户的子扇区。从图1中可 见，基站的位置Xi处的信道容量Cxl不同于最远终端的位置x2处的信 道容量Cx2。信道扇区的容量:f又决于信号干"l尤噪声比(SINR)，而SINR 取决于位置x。容量和SINR通常随着到基站的距离增加而降低，这 是因为归因于通常随距离增加的路径损耗，接收的信号功率会随距 离而降低。应当注意，在下文中，术语"最远"和"最近"终端表示 不同的信道质量。接收器中增加的噪声功率与基站和终端之间的距离 无关。
此外，蜂窝系统中的干扰在距离基站较远处通常较强，这是因为 到最近干扰者的距离通常较小。在图1中，由代表信道1的四边形的 宽度表示依赖于位置的容量。可以从基站发射到相应的第一终端的第 一数据流2的信息速率受限于达到相应位置处的功率水平、所述终端 中增加的噪声以及所述终端可见的干扰功率。在使用适当的编码、调 制和信号合并时，基站和第二终端之间未使用的信道容量被用来借助 于第二数据流3而从基站向中距离的所述第二终端传送其他信息。相 应地，基站和近距离的第三终端之间未使用的信道容量可以用于第三
数据流4。由于下行链路中的第一数据流2可以被所有三个终端接收 到，其可以用于广播信息。第二数据流3可以用于下行链路中的多播信息。
借助图1不仅可以描述上面的下行链路情况，还可以描述上行链 路情况。这里，包含多于一个数据流的信号是包含一个数据流的信号 的和，因为包含一个数据流的信号是由不同终端发送的，并在空中相 加。在上行链路情况中，在给定的位置，距离基站较近的终端发送的 信号的功率水平通常高于距离基站较远的终端所发送信号的功率水
平。与传统无线接入系统相反，不同的数据流不是在相互正交或者近 似正交的无线资源上进行调制，而是在相同的无线资源上调制。可以 使用适当的调制和编码来分离数据流，其中所述调制和编码通常利用 不同功率水平，其源自于终端相对于基站的空间分布，以及基站和/
或终端所应用的不同的发射功率水平。
图2示出了复域中具有不同平均信号功率的两个QPSK星座5、6， 以及由这两个星座的重叠得到的分层星座5+6。这是分层调制的例子。 在上行链路中，可以通过不同终端使用通常由基站协调的适当发射功 率而发射的信号的重叠得到图2中的星座。必须这样来选择发射功率 水平，即，使得在来自不同终端的信号经历了不同的路径损耗之后， 在基站接收器处得到期望的星座。在下行链路中，可以通过由基站为 信号添加适当的权重来生成图2的星座。
一种可替换的方法是使用位模式到星座点的映射，使得不同位可 以具有不同的噪声灵敏度。也即，对于相同的噪声功率水平，它们具 有不同的误比特概率。在这种情况下，将由具有低SINR的终端解码 的信息可以映射到对噪声不敏感的位，并且将由具有高SINR的终端 解码的信息可以映射到对噪声敏感的位。这得到了对噪声和其他信道 失真具有不同鲁棒性的不同层次的调制/编码。
下面，将通过框图来描述用于在不同的情况下处理信号的方法和 装置。为了简便，框图仅针对两个数据流示出，但是其可以扩展到任 意数目的数据流。
图3示出了描述下行链路情况的框图。基站7通过相同的无线资 源但以分层编码/调制的不同层次向第 一终端8和第二终端9发送广播 和/或单播信息。分布式广播信道1对应于无线资源的一个公共集合。 换言之，无线资源被共享，以便在下行链路中将广播或多播信息从基 站7发射给多于一个终端，以及将一个或多个单播信息流中的每一个 发射给一个终端。
图4示出了在基站发射器中执行的处理步骤。处理步骤10和11 执行将对数据流2、 3执行的编码和调制步骤，此后在后续合并步骤 12中将数据流2、 3合并到一个单独的数据流中。在步骤13中，对合 并信号执行编码和调制步骤。例如，将合并信号调制到一组无线资源， 使得将来自至少两个数据流的信息调制到相同的无线资源。
对于图2中使用两个QPSK调制层次的分层调制的例子，在图4 的步骤10和11中，执行对两个数据流2、 3的编码、到QPSK点的 映射以及通过不同的增益因子的加权，以达到QPSK星座的不同功率 水平。在步骤12中，将步骤10和11得到的信号相加，并且在步骤 13中，以这样的方式将和信号调制到无线资源(例如，子载波、CDMA 码或者时隙)的公共集合无线资源调制有包含多于一个数据流的信
图5示出了为了解调制、解码和分离两个数据流而由适当装置在 移动终端接收器中执行的相应步骤。在步骤14中，接收到包括合并 数据流的信号，并且适当的装置执行将对合并信号执行的解调制和/ 或解码步骤。在步骤15中，其他装置将数据流2、 3之一从合并信号 中分离出来。随后，在步骤16中，其他装置针对第一提取的数据流2 执行附加的解码和/或解调制步骤。在步骤17中，使用从第一提取数 据流2中解调制和/或解码的信息将第二数据流3从合并信号中分离出 来。为了执行此分离，可以对所述信息再次编码和/或调制，得到仅包 含第一数据流2的经过解码和/或调制的信号。继而，可以将该信号例 如从步骤14生成的合并信号中减去。
对于图2的例子，在步骤14中对合并信号进行解调制。也即， 将信号从RF域转换到基带。得到的基带信号具有图2中所示的星座。 在此示例中，已经通过不同的功率水平分离了两个数据流，并且不需 要附加的显式步骤来分离具有较高功率水平的第一数据流2，因为第 一数据流2的接收器可以将与第二数据流3相关的信号成分视作噪 声。也即，结合考虑图2和图5，在步骤16中，将具有较低功率水平 的QPSK信号视作噪声的情况下对具有较高功率水平的QPSK信号进 行解调制。在步骤17中，通过较高功率在QPSK星座上对第一提取 数据流2再次调制，并且将作为结果的信号从包含数据流2、 3 二者 的调制信号中减去。具有较低功率的差信号仅包含第二数据流3。最 后，在图5的步骤18中，适当的装置对第二数据流3进行解调制和 解码。
图6示出了在仅提取通过最鲁棒的调制和编码方法处理的数据流 的情况下图5中示例的接收器的简化接收器结构。图6中所示的步骤 14到步骤16由移动终端接收器中的适当装置执行，以便对通过最鲁 棒的调制和编码方法处理的数据流2进行解调制和解码。
传统的多用户接收器将有用信号从干扰中分离出来，其中，出现 干扰是由于不同无线资源，例如在不同频率的子载波，或者被近似限 制在某个时隙的基信号，不是完全正交的。与之相反，根据本发明的 接收器对使用不同的调制、编码或功率水平而有意调制在相同无线资 源上的至少两个数据流进行解码。
在其他情况下(未示出)，基站为两个不同的终端发送两个独立 的单播数据流(下行链路)。在这种情况下，接收器之一可以按照图 6所示的简化结构进行操作，并且仅对第一数据流2进行解调制和解 码。第二接收器根据图5所示的结构进行操作，但是在将来自数据流 2的经过解调制和解码版本的信息用于第二数据流3的分离之后，丢 弃该信息，因为该信息不以第二接收器为目的地。
图7示出了无线接入系统中的两个移动终端8、 9使用多接入信 道1和相同的无线资源向基站7独立发送信息的情况。在这种情况下， 分布式多接入信道1对应于无线资源的一个公共集合。信号可以穿越
不同的信道扇区、在一些点相加、并且还可以穿越公共信道扇区。基
站7接收和信号。信号可以是矢量值，例如，每个分量对应于天线元 件。在任何情况下，每个终端包含发射器，以便对各自的数据流进行 编石马和调制。
图8示出了为了对来自不同移动终端8、 9的使用相同无线资源 的两个数据流2、 3进行解调制、解码和分离而由基站接收器中的适 当装置执行的处理步骤。在第一步骤14中，对包含数据流2、 3二者 的信号进行解调制。也即，将信号从与所使用的载波/子载波相对应的 RF频率转换到基带，并且在需要的情况下对和信号执行附加的解调 制/解码步骤。此后，在步骤15中将第一数据流从合并信号中分离出 来。在步骤16中，对第一数据流2进行解码和/或解调制。在步骤17 中使用第 一数据流2的解调制/解码的信息来将第二数据流3从合并信 号中分离出来。最后，在步骤18中对第二数据流3进行解码和/或解 调制。
可以通过终端发射器中的协作编码和/或调制来实现系统性能的 进一步改进。终端对用户信息进行编码、将信息位映射到星座点、并 通过这样的方式来选择功率水平信道中求和之后的合并信号近似达 到对应于基站接收器处共同使用的无线资源的信息理论容量。该终端 发射器处的协作编码/调制例如由基站或者其他网络实例来协调，其出 于这一目的而与终端交换信息。
参考标记
1多用户信道
2第一数据流
3第二数据流
4第三数据流
5具有低功率的QPSK星座
6具有较高功率的QPSK星座
7基站
8第一终端
9第二终端
10处理步骤
11处理步骤
12合并步骤
13调制步骤
14解调制/解码步骤
15分离步骤
16解调制/解码步骤
17调制步骤
18解调制步骤。
权利要求
1.一种用于在具有依赖于位置的容量的多用户信道(1)中同时发射至少两个数据流(2、3、4)的方法，其特征在于，在相同无线资源上发射所述数据流(2、3、4)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中在下行链路中，以低功率水平将信息发射给附近终端，同时发射广播信息或者同时将信息发射给 具有高路径损耗的远方终端。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中在上行链路中，以较高功率 水平从附近终端接收信息，同时以低功率水平从远方终端接收信息。
4. 根据权利要求1到3任一项所述的方法，其中使用针对数据流 的不同调制和/或编码在发射器中合并所述数据流(2、 3、 4)，并在 接收器中分离所述数据流(2、 3、 4)。
5. 根据权利要求1到4任一项所述的方法，其中在相同的频带和 时隙中发射来自或去往不同终端的所述数据流(2、 3、 4)。
6. 根据权利要求1到5任一项所述的方法，其中将物理层中的分 层调制和/或编码用于所述数据流(2、 3、 4)。
7. 根据权利要求1到6任一项所述的方法，其中在不同的功率水 平上发射所述数据流(2、 3、 4)，并且其中使用所述不同的功率水 平来分离所述数据流。
8. 根据权利要求1到7任一项所述的方法，其中协作地调制和/ 或编码所述数据流(2、 3、 4)。
9. 根据权利要求1到8任一项所述的方法，其中由相同的设备(7 ) 来协调用于所述数据流(2、 3、 4)的发射功率。
10. —种用于访问无线通信网络的移动终端(8、 9),适于执行 根据权利要求1到9任一项所述的方法。
11. 一种无线通信网络的基站(7),适于执行根据权利要求1 到9 4壬一项所述的方法。
12. —种无线通信网络，包括至少两个根据权利要求10的移动终端(8、 9)以及至少一个根据权利要求11的基站(7)。
13. —种用于发射至少两个数据流(2、 3)的计算机程序产品， 所述计算机程序产品包括计算机可读介质，其上具有计算机程序代码装置，在载入所述程序时，所述装置使计算机可执行以便执行根据权 利要求1到9任一项所述的方法。
14. 一种用于将无线资源指派给终端群组以及用于定义信号参数 的方法，其特征在于，每个终端群组的终端共享相同的无线资源，以 及根据终端到基站的距离和/或基站和所述终端之间信道的信道特征 来定义所述终端群组和所述信号参数。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述信道特征基于瞬时特 征或者平均特征。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中信道特征包括所述基站和 所述终端之间的信道的平均路径损耗和/或角度特征。
17. —种用于测量基站和至少两个移动终端之间的信道的信道特 征的系统，适于执行根据权利要求14到16任一项所述的方法。
全文摘要
本发明涉及无线接入系统，并且更具体地涉及宽频带无线接入系统以及用于这种系统的方法。在具有依赖于位置的容量的多用户信道(1)中同时发射至少两个数据流(2、3、4)。在相同的无线资源上发射数据流(2、3、4)。优选地，使用针对数据流的不同调制和/或编码，在发射器中合并数据流，并在接收器中分离数据流。
文档编号H04L1/00GK101355477SQ200810134068
公开日2009年1月28日 申请日期2008年7月24日 优先权日2007年7月24日
发明者J·舍佩尔莱 申请人:阿尔卡特朗讯