CN101272226B - 时分同步码分多址***室内覆盖的多输入多输出***和方法 - Google Patents

Abstract

一种时分同步码分多址***室内覆盖的多输入多输出***，包括用户终端和基站，所述用户终端配置独立衰弱的双天线，所述***对室内覆盖环境配置为两通道混合共同覆盖一定区域，所述通道之间保持独立，所述***采用2×2多输入多输出方式；本发明还公开了一种应用于上述***中的多输入多输出方法，由基站对空间分集和空间复用方式下用户业务吞吐量的情况进行评估，并自适应地将上下行链路分别切换至吞吐量速率评估值较高的方式，从而融合了现有两种多输入多输出方式的优点，同时避免了两者在TD-SCDMA***中单独应用时的缺点，使业务容量显著提高。

Description

时分同步码分多址***室内覆盖的多输入多输出***和方法

技术领域

本发明涉及时分同步码分多址(TD-SCDMA)***，尤其涉及在采用智能天线的TD-SCDMA***室内覆盖中应用多输入多输出(MIMO)技术的***和方法。

背景技术

MIMO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)***，MIMO***通过空间分集技术或者空间复用技术来获得***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天线，另一端仍然采用单天线。

现有TD-SCDMA***室内覆盖的主流方案是采用多通道分布式覆盖。以8通道分布式覆盖为例(后续如不做特殊说明则默认8通道)，基站节点(Node B)采用8个独立的分布式通道，每个通道带一组吸顶天线独立覆盖一定区域(例如办公楼一定楼层)，不同通道之间的只有很小的重叠覆盖区域以保证覆盖连续(例如楼梯间)，而用户终端(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，完全是SISO方式。

相对于其他采用CDMA方式的第三代移动通信(3G)***而言，TD-SCDMA***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***显著。尤其是在室内环境，由于信道的时延扩展很窄，几乎不可能获取多径分集增益，因此这就为后续通过MIMO方式引入空间分集增益留下了很大的性能提高空间。

当然，MIMO技术除了空间分集方式通过抗衰弱以及最大比合并提高信噪比的均值，缩小方差，从而获得容量上的抬升以外，还可以通过空间复用方式，利用不同天线信道的独立性建立多个空间子信道来提高容量，这就是著名的BLAST(贝尔实验室空时分层)技术方案。理论上，空间复用方式的极限容量是随着天线数的抬升呈线性抬升，而非空间分集方式下的对数抬升关系。

不过，现有MIMO技术的这两种方式(空间分集方式、空间复用方式)都不是完美的解决方案，单独在TD-SCDMA***室内覆盖中应用则各自具备以下的优缺点：

1.TD-SCDMA室内覆盖中应用MIMO空间分集方式的优点在于：

a)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；

b)在低信噪比下，通过分集及合并增益改善信噪比带来的容量抬升要比空间分层复用高。

2.TD-SCDMA室内覆盖中应用MIMO空间分集方式的缺点在于：在一些信道独立性较好，干扰也不严重(信噪比较高)的场景下容量不如MIMO空间复用方式。

3.TD-SCDMA室内覆盖中应用MIMO空间复用方式的优点在于：在一些信道独立性较好，干扰也不严重(信噪比较高)的场景下容量提升很大。

4.TD-SCDMA室内覆盖中应用MIMO空间复用方式的缺点在于：在强LOS环境，下行UE侧的数据检测会出现自由度受限的情况，导致Node B必须关闭某个通道的发射，这对于***容量是一个很大的损失。

而TD-SCDMA***的室内覆盖中应用MIMO技术尤其是空间复用方案具备有利条件，这表现在：

1.室内覆盖邻小区干扰很小，几乎不存在室外宏蜂窝多小区联合检测自由度的问题；

2.室内环境由于反射散射众多且角度扩展大，因此LOS径绝对占优的概率小一些。

因此，在现有TD-SCDMA***室内覆盖中应用MIMO技术(尤其是空间复用方式)将大大提升上下行吞吐量。而TD-SCDMA***作为一种支持向后平滑演进的3G***，对于数据业务吞吐量提高的追求是永远存在的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于混合分布式覆盖和自适应混合空间分集复用技术的TD-SCDMA***室内覆盖中应用MIMO技术的***和方法，从而大幅度提高TD-SCDMA***室内覆盖环境的上下行业务吞吐量。

本发明技术方案的主要内容如下：

一种时分同步码分多址***室内覆盖的多输入多输出***，包括用户终端和基站，其特征在于，所述时分同步码分多址***对室内覆盖环境配置为两通道混合共同覆盖一定区域，所述通道之间保持独立；所述用户终端配置两根天线，形成独立衰弱的双天线；所述用户终端的不同天线和所述基站的任意一对混合覆盖的双通道均分配不同的基本Midamble码，或均分配同一基本Midamble码的不同偏移；所述时分同步码分多址***采用2×2多输入多输出方式。

所述两通道混合共同覆盖的区域其大小等于现有两通道独立覆盖区域的总和。

一种应用于上述***中的多输入多输出方法，包括以下步骤：

(1)基站进行上行信道估计，并通过所述上行信道估计结果实时评估基站接收端天线之间的信道相关性和用户终端发射端天线之间的信道相关性，如果两者信道相关性均小于预设门限，则进入步骤(2)，否则将其上下行链路切换至空间分集方式；

(2)基站对上行和/或下行链路在空间分集方式和空间复用方式下的用户业务吞吐量速率进行实时评估，并将上行和/或下行链路切换到吞吐量速率评估值较高的方式。

所述的基站对于上行链路的用户业务吞吐量速率进行实时评估包括：基站根据上行信道估计结果，并结合各个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。

所述的基站对于下行链路的用户业务吞吐量速率进行实时评估包括：用户终端进行下行两个接收天线对应基站两个发射天线的信号功率测量和两个接收天线的干扰功率测量，并将所述测量结果反馈给基站，基站根据用户终端所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。

采用本发明的基于混合分布式覆盖以及自适应混合空间分集复用技术的TD-SCDMA***室内覆盖的MIMO***和方法，大大改善了现有TD-SCDMA***室内分布几乎无空域分集增益的不足，最大限度地融合了现有MIMO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***中单独应用时面临的缺点，以***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。

附图说明

图1为本发明的TD-SCDMA室内覆盖***中自适应MIMO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

在UE侧增加一根独立天线，形成独立衰弱的双天线；改现有TD-SCDMA室内覆盖环境单通道独立覆盖一定区域为两通道混合共同覆盖一定区域(注：混合覆盖区域大小等于现有两通道独立覆盖区域的总和)，因此同样大小的覆盖区域，现有***的通道总数维持不变。所有通道仍然是独立的，即分属于两通道的不同吸顶天线在位置距离上要保证其衰弱的独立性(这一点显然在室内很容易做到)；因此在任一被双通道混合覆盖的区域，形成了2×2MIMO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侧任意一对混合覆盖的双通道都要分配同一基本Midamble码的不同偏移(或者分配不同的基本Midamble码)。

Node B根据下列准则自适应的进行MIMO空间分集方式和空间复用方式的切换：

1.Node B通过上行信道估计结果实时的评估接收端(Node B)天线的信道相关性以及发射端(UE)天线的信道相关性，任何一端的天线相关性偏高则切换到空间分集方式，两个相关性都偏低则进行后续准则的评估；

2.Node B根据上行信道估计结果，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；

3.UE将下行两接收天线对应Node B两发射天线(2×2)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。

对于空间分集方式，发射端为发射分集、接收端为接收分集。上、下行发射分集(波束赋形)的权值可以基于相反链路获取的信道估计生成(即下行发射权值通过上行信道估计生成，上行发射权值通过下行信道估计生成)，当然也可以采用互相反馈的方式获取。上、下行的接收机对于不同发射天线在同一接收天线上的信道冲击响应进行合并(由2×2变为2×1)，然后采用双天线下的联合检测方式进行后续处理。

对于空间复用方式，上、下行发射端不同天线发射不同数据，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；NodeB接收机将UE不同发射天线的数据纳入两天线联合检测***方程，统一地进行各个独立信号的检测分离；反之亦然。

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，此时***侧混合共同覆盖的独立通道个数也要与UE独立天线的个数一致。

另外，本发明的思想并不仅仅局限在室内覆盖的应用范围，还可以延伸到室外分布式覆盖场景中去。

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和UE天线信道相关性的一种评估方式实例

如果是上行Node B第m根接收天线收到用户(UE)i第n根发射天线的信道估计后并经过门限后处理的信道冲击响应序列，那么该用户总的2×2信道冲击响应可以写成矩阵

$H_i=\left[\begin{array}{cc}{\hat{h}}_i^{\left(\mathrm{1,1}\right)}& {\hat{h}}_i^{\left(\mathrm{1,2}\right)}\\ {\hat{h}}_i^{\left(\mathrm{2,1}\right)}& {\hat{h}}_i^{\left(\mathrm{2,2}\right)}\end{array}\right]---\left(1\right)$

因此，用户i对应的Node B天线信号空间相关矩阵为：

$R_{i,\mathrm{NB}}=H_i\·{H_i}^H=\left[\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{1,1},\mathrm{NB}}& r_{\mathrm{1,2},\mathrm{NB}}\\ r_{\mathrm{2,1},\mathrm{NB}}& r_{\mathrm{2,2},\mathrm{NB}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

同样，用户i对应的UE天线信号空间相关矩阵为：

$R_{i,\mathrm{UE}}={H_i}^H\·H_i=\left[\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{1,1},\mathrm{UE}}& r_{\mathrm{1,2},\mathrm{UE}}\\ r_{\mathrm{2,1},\mathrm{UE}}& r_{\mathrm{2,2},\mathrm{UE}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

一种简单的Node B两天线相关系数或UE两天线相关系数可以做如下定义：

${\mathrm{\ρ}}_{i,\mathrm{NB}}=\frac{2\·\left|r_{\mathrm{1,2},\mathrm{NB}}\right|}{r_{\mathrm{1,1},\mathrm{NB}}+r_{\mathrm{2,2},\mathrm{NB}}}---\left(4\right)$

${\mathrm{\ρ}}_{i,\mathrm{UE}}=\frac{2\·\left|r_{\mathrm{1,2},\mathrm{UE}}\right|}{r_{\mathrm{1,1},\mathrm{UE}}+r_{\mathrm{2,2},\mathrm{UE}}}---\left(5\right)$

如果计算出来的Node B天线相关系数ρ_l，NB和UE天线相关系数ρ_l，UE中有一个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ρ_l，NB和ρ_l，UE的计算还可以按照平均值的方式进行计算，原理类似。

空间分集方式和空间复用方式下用户下行业务吞吐量以及调制编码方式(MCS)的一种评估实例

定义 $P_i=\left[\begin{array}{cc}{P}_i\left(\mathrm{1,1}\right)& P_i\left(\mathrm{1,2}\right)\\ P_i\left(\mathrm{2,1}\right)& P_i\left(\mathrm{2,2}\right)\end{array}\right]$ 为用户i的下行接收功率矩阵，其中P_l(m，n)表示第m个Node B天线发射数据在第n根UE接收天线上的接收信号功率测量结果；定义I＝[I(1)I(2)]为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

下行接收信号双天线合并后的总载干比(C/I)近似估计为：

${\left(\frac{C}{I}\right)}_i=\frac{{(\sqrt{P_i\left(\mathrm{1,1}\right)}+\sqrt{P_i\left(\mathrm{2,1}\right)})}^2}{I\left(1\right)}+\frac{{(\sqrt{P_i\left(\mathrm{1,2}\right)}+\sqrt{P_i\left(\mathrm{2,2}\right)})}^2}{I\left(2\right)}---\left(6\right)$

然后根据不同MCS在上述载干比

下的误块率指标，计算出有最高误块率限制(例如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天线1发射信号在下行的接收信号总载干比(C/I)近似估计为：

${\left(\frac{C}{I}\right)}_{i,1}=\frac{P_i\left(\mathrm{1,1}\right)}{I\left(1\right)}+\frac{P_i\left(\mathrm{1,2}\right)}{I\left(2\right)}---\left(7\right)$

Node B天线2发射信号在下行的接收信号总载干比(C/I)近似估计为：

${\left(\frac{C}{I}\right)}_{i,2}=\frac{P_i\left(\mathrm{2,1}\right)}{I\left(1\right)}+\frac{P_i\left(\mathrm{2,2}\right)}{I\left(2\right)}---\left(8\right)$

然后根据不同MCS在上述载干比

和下的误块率指标，分别计算出有最高误块率限制(例如10％)条件的，发射天线1和发射天线2各自吞吐量最大对应的MCS以及其对应的吞吐量指标，最后将两发射天线的吞吐量相加之和作为该用户总的吞吐量。

给出了上面3个关键步骤的具体实施方式后，现参照图1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：

步骤1：Node B进行上行8×2信道估计，包括本小区信道估计和邻小区信道估计；

步骤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2×2信道估计，包括本小区信道估计和邻小区信道估计；

步骤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；

步骤5：UE进行2×2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；

步骤6：Node B根据步骤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MIMO方式上。

空间分集方式下的Node B下行发射分集(波束赋型)权值生成

应用MIMO技术后，Node B下行发射分集(波束赋形)的权值需要考虑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发射天线1在Node B接收端形成的信号空间相关矩阵为R_i，l，发射天线2在Node B接收端形成的信号空间相关矩阵为R_i，2，则发射分集(波束赋型)权值w_i应该为：

$w_i=\underset{w_i}{\arg }\max ({w_i}^H\·(R_{i,1}+R_{i,2})\·w_i)---\left(9\right)$

因此用户i的下行发射分集权值w_i的理想取值应该是方阵(R_i，l+R_l，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。

Claims (7)

1.一种时分同步码分多址***室内覆盖的多输入多输出***，包括用户终端和基站，其特征在于，所述时分同步码分多址***对室内覆盖环境配置为两通道混合共同覆盖一定区域，所述通道之间保持独立；所述用户终端配置两根天线，形成独立衰弱的双天线；所述用户终端的不同天线和所述基站的任意一对混合覆盖的双通道均分配不同的基本Midamble码，或均分配同一基本Midamble码的不同偏移；所述时分同步码分多址***采用2×2多输入多输出方式；所述多输入多输出方式包括：(1)基站进行上行信道估计，并通过所述上行信道估计结果实时评估基站接收端天线之间的信道相关性和用户终端发射端天线之间的信道相关性，如果两者信道相关性均小于预设门限，则进入步骤(2)，否则将其上下行链路切换至空间分集方式；(2)基站对上行和/或下行链路在空间分集方式和空间复用方式下的用户业务吞吐量速率进行实时评估，并将上行和/或下行链路切换到吞吐量速率评估值较高的方式。

2.如权利要求1所述的时分同步码分多址***室内覆盖的多输入多输出***，其特征在于，所述两通道混合共同覆盖的区域其大小等于现有两通道独立覆盖区域的总和。

3.一种应用在如权利要求1所述***中的多输入多输出方法，包括以下步骤：

(1)基站进行上行信道估计，并通过所述上行信道估计结果实时评估基站接收端天线之间的信道相关性和用户终端发射端天线之间的信道相关性，如果两者信道相关性均小于预设门限，则进入步骤(2)，否则将其上下行链路切换至空间分集方式；

(2)基站对上行和/或下行链路在空间分集方式和空间复用方式下的用户业务吞吐量速率进行实时评估，并将上行和/或下行链路切换到吞吐量速率评估值较高的方式。

4.如权利要求3所述的多输入多输出方法，其特征在于，所述的基站对于上行链路的用户业务吞吐量速率进行实时评估包括：基站根据上行信道估计结果，并结合各个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。

5.如权利要求3所述的多输入多输出方法，其特征在于，所述的基站对于下行链路的用户业务吞吐量速率进行实时评估包括：用户终端进行下行两个接收天线对应基站两个发射天线的信号功率测量和两个接收天线的干扰功率测量，并将所述测量结果反馈给基站，基站根据用户终端所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。

6.如权利要求3所述的多输入多输出方法，其特征在于，所述的空间分集方式是：发射端为发射分集、接收端为接收分集，上/下行发射分集波束赋形的权值基于相反链路获取的信道估计生成，即下行发射权值通过上行信道估计生成，上行发射权值通过下行信道估计生成，或者采用互相反馈的方式获取；上/下行的接收机对于不同发射天线在同一接收天线上的信道冲击响应进行合并，然后采用双天线下的联合检测方式进行处理。

7.如权利要求3所述的多输入多输出方法，其特征在于，所述的空间复用方式是：上/下行发射端不同天线发射不同数据，每根天线的调制和编码方式采用逐天线速率控制方式来确定，基站接收机将用户终端不同发射天线的数据纳入两天线联合检测***方程，统一进行各个独立信号的检测分离。

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