CN1845467A - 一种应用于td－scdma下行链路中的结合智能天线技术的多用户发送方案 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种应用于TD－SCDMA***下行链路的、结合智能天线技术的多用户发送方案，本方案利用每个用户已知的训练序列对来自每一根天线阵元的射频收信机采样数据进行信道估计，得到所有用户在所有天线上的信道状态，利用这些信道状态估计得到的智能天线的下行波束赋形权值，再由多用户发送***根据智能天线波束赋形权值和每个用户信道状态进行多用户发送的预均衡。本方案通过智能天线空域滤波特性减小移动用户间干扰，再利用多用户发送技术消除下行链路中的多址干扰和码间串扰。本方案可增加TD－SCDMA***容量，提高***性能，减小接收端复杂度，并且在实际应用中易于实现。

Description

一种应用于TD-SCDMA下行链路中的结合智能天线技术的 多用户发送方案

技术领域

本发明涉及无线通信领域，是一种应用于TD-SCDMA无线通信***下行链路的结合智能天线技术的多用户发送方案。

背景技术

时分同步码分多址(TD-SCDMA)***是中国提出的基于时分双工(TDD)方式的第三代移动通信***。在该***中，多址干扰(Multiple-access Interference，MAI)、码间串扰(Inter-symbol Interference，ISI)是限制***容量的主要因素。在当前***中，多用户检测(Multiuser Detection，MUD)技术常常被用来在接收端消除多址干扰(MAI)和码间串扰(ISI)，而另一项技术多用户发送(Multiuser Transmission，MUT)最近也开始被越来越多的人注意并研究。多用户发送技术是一种在发送端的预处理技术，它应用于时分双工码分多址(TDD-CDMA)***的基站下行链路中，可以有效地消除多址干扰(MAI)和码间串扰(ISI)，提高下行链路的***容量。

在TDD***中，如果***发送端和接收端准确同步并且信道相关时间足够大，则可以认为上行链路的信道冲击响应同样适用于下行链路，因此可以设计出一个发送滤波器对接收端信号进行预均衡。如果采用这种预均衡技术(多用户发送技术)，***在接收端就不必采用多用户检测技术(MUD)来消除多址干扰(MAI)和码间串扰(ISI)，***接收端的复杂度被大大减小了。采用多用户发送技术不但能减小了***接收端复杂度，还可以增加***容量。这是因为采用多用户发送技术后，在接收端省略了多用户检测模块，所以接收端不需要进行信道估计，***因此节省了用于发送训练序列的无线资源。

尽管多用户发送(MUT)技术有很多优点，但是在实际应用中，多天线阵列和空间角度信息的引入使多用户发送技术的性能表现受到限制，因为以往多用户发送***中并没有考虑对信道空间角度信息进行处理。智能天线作为TD-SCDMA***中的一项关键技术，利用天线阵列对波束的汇成和指向控制，产生多个独立的波束，可以自适应地调整其方向图以跟踪信号的变化。它利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷点对准干扰信号到达方向，以达到充分高效地利用移动用户的有用信号并抑制或删除干扰信号的目的。智能天线这些优点恰恰补充了多用户发送***中对于信道空间角度信息处理的空白，因此将智能天线技术加入到多用户发送***中，可以提高原有***的性能。本发明提出了多用户发送***与智能天线相结合的***模型，利用智能天线的特点提高原有多用户发送***性能。

发明内容

本发明提出一种应用于TD-SCDMA***下行链路的结合智能天线技术的多用户发送方案，本方案不但利用原有的多用户发送技术进行预均衡，消除下行链路中的多址干扰和码间串扰，而且结合智能天线，利用智能天线进行波束赋形，减小其他用户的干扰，提高***性能。本发明适用于TD-SCDMA***下行链路中。

在TD-SCDMA无线通信***上行的每一个时隙中，除了传输用户数据外，还有若干长度的训练序列Midamble码(关于Midamble码的说明参见3GPP TS 25.221V 4.0.0 2001-03)，用来进行信道估计。用户以突发方式传输数据，由于一个突发的时间足够短，可以认为用户信道在传输一个突发数据块时是时不变的，因此每“块”数据可以进行一次信道估计。由于上下行链路具有对称性，因此上行链路所估计出的信道冲击响应和到达角(Direction ofArrival，DOA)可以直接用于下行链路。这是多用户发送***和智能天线能够正常工作的理论基础。

本发明的具体流程如下：

1.基站端使用天线阵列接收一个上行链路时隙数据突发信号存储到天线阵列存储单元，然后利用信道估计器和天线阵列对上行链路每个用户的信道冲击响应(Channel ImpulsiveResponse，CIR)和到达角进行估计，具体方法可参考J.Blanz等在IEEE Trans.On Vehiculartechnology 2000上发表的论文“Smart Antennas for Combined DOA and Joint Channel Estimationin Time-Slotted CDMA Mobile Radio Systems with Joint Detection。”

2.基站端对估计出的每个用户的信道冲击响应和到达角进行分析，并计算波束成形的加权向量。

3.针对第二步计算得到的波束赋形权值和第一步估计出的每个用户信道冲击响应，计算多用户发送矩阵的权值。

4.利用第三步计算的多用户发送权值对用户将要发送的下行链路信号进行加权更新。

5.利用第二步计算的智能天线波束赋形权值对第四步经过加权后的下行链路信号进行加权。

6.将经过加权后的最终信号通过发射机发射出去。

7.结束。

步骤2中计算智能天线波束赋形权值的算法有很多，应该选用主要以消除小区其他用户信号的干扰为主、能够大幅降低基站总发射功率的波束成形算法。对于使用不同扩频码的用户产生的干扰可以用联合发送予以消除。具体采用何种算法应该在综合考虑***具体性能要求、设备复杂度、实际运行效果等因素的基础上，经过多次试验测量和计算来确定。

本发明所提方案的目的在于利用智能天线的波束赋形技术，提高***接收信号质量，减小其它发射方向的干扰，从而增强多用户发送***的性能，减小TD-SCDMA***接收端的复杂度，增加TD-SCDMA***容量。

本方案的特点在于将多用户发送技术与智能天线技术结合，充分的利用了TD-SCDMA***的特点，即由于TD-SCDMA***中一个时隙内的用户数偏少，而且上下行链路具有对称性，这样可以直接用上行链路的信道来大致近似下行链路的信道，而不需要像FDD***那样还要进行其他的处理，使得利用上行信息对下行信息进行预处理成为可能，并结合智能天线空域滤波特性提高***性能，本方案适用于TD-SCDMA***基站端下行链路中。

附图说明

图1表示本发明简化的基站端结构图；

图2表示本发明的基站端下行链路处理结构图；

图3表示本发明的传输模型图；

图4表示本发明的基站下行链路处理模型图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实例对本方案进行详细描述，以便进一步理解本方案的原理、步骤、特点和优点，附图中：

图1是本发明提出的结合智能天线的多用户发送方案的简化基站结构图，该***是由K根天线组成的智能天线阵列、多信道收发机、信道估计单元、下行波束处理单元、下行多用户发送单元、上行链路自适应处理单元、上行联合检测等单元组成的。智能天线阵列接收的信号经过多信道收发信机，变换到数字基带信号。然后进行信道估计和DOA估计，将估计的结果送入上行链路自适应处理单元、下行链路波束处理单元和多用户发送单元。上行自适应处理单元完成上行信号的加权处理，下行波束处理单元完成对下行链路信号的波束赋形权值计算，并将权值送入多用户发送模块，多用户发送模块依据信道估计结果和智能天线计算的权值结果，计算下行链路信号的预均衡权值。下行链路数据经过多用户发送模块和智能天线模块两次加权后，通过多信道收发信机到天线阵列形成指向用户的下行波束发射出去。

图2是本发明提出的结合智能天线的多用户发送方案的基站端下行链路处理结构图，该结构包含下列几个部分，智能天线阵列、加权网络、波束成形算法控制单元、用户信道估计器、DOA估计器、多用户发送控制单元等。天线阵列接收到上行链路的数据后，先经过RF前端和基带变频，变为数字基带信道，然后通过解复用器，分离出上行信号的midamble码来。将这些midamble码送入信道估计器。估计出每个用户的信道冲激响应。再将这些信道冲激响应送入DOA估计器中来估计每个用户每条可分辨径的到达角。这些信道冲激响应和角度信息都将被送入到波束成形算法控制单元作为下行链路的已知信息，同时这些信息还将被送入多用户发送单元。波束成形算法控制单元依据估计出的信道冲击响应和到达角的值计算出下行用户信息的权值，并将此权值送入多用户发送控制单元。多用户发送控制单元依据这一组权值和利用midambe码估计出的信道冲击响应重新计算一套权值以消除下行链路中存在的多址干扰和码间串扰。下行用户信号首先经过多用户发送控制单元加权，然后经过天线阵列进行加权，再经过上变频后，便可以得到期望的发射信号。TD-SCDMA下行接收机接收到用户信号之后，不用对信号进行信道估计和联合检测，直接扩频就可以得到消除了多址干扰和码间串扰的用户信号。

图3表示在***中，一个基站有K根发射天线，每个移动台MS_u有一根接收天线。基站通过K根发射天线为U位用户发送数据，用户移动台用一根全向天线接收。用户u所经过信道的白噪声向量用η_u′表示，他在接收端的解扩矩阵用C_u ^H表示。h_k，u表示通过天线k到达移动终端MS_u的信道冲激响应。

图4为本发明的基站下行链路处理模型图。图中用户的下行发送信号经过多用户发送矩阵T加权，扩频矩阵C_u扩频，波束成形矩阵W加权，最后得到期望的下行数据通过K根天线组成的天线阵列发送出去。

下面结合具体算法说明一下引入了智能天线的MUT***的工作原理。智能天线与多用户发送联合使用***中，基站下行链路处理模型如附图4所示。

符号d_u，n表示用户u的第n个发送符号(symbol)，向量d_u表示用户u的经QPSK调制后长度为N的符号序列。所有U个用户符号序列表示为矩阵 $d={[d_1^T,...,d_U^T]}^T.$ 符号级的线性多用户发送(如T_XZF或T_XWF)矩阵用T表示，本文下面会对矩阵T进行解释。

x＝Td＝[x_1，1，...，x_1，N，...，x_U，N]^T

用户u的扩频码表示为向量c_u＝[c_u(1)，...，c_u(G)]^T，扩频码长度为G。

用户u的扩频矩阵表示为C_u＝blockdiag(c_u，...，c_u)；

***所有用户扩频矩阵表示为C＝blockdiag(C₁，...，C_U)；

本文给出智能天线与多用户发送联合使用时，***中的智能天线波束成型矩阵W，用户u在天线k上的权重向量用矩阵为

用户u所有K个天线的权重向量为W_u＝(W_u，1，...，W_u，K)^Tu＝1，...，U。

波束成型权重向量矩阵为W＝(W₁，...，W_U)。

通过智能天线发射的所有用户的传输信号向量可以表示为s＝WCTd，S向量的码片序列长度为M＝KGN。

***的传输模型如附图3所示，在空间频率选择性信道中，通过天线k到达移动终端MS_u的长度为L的信道冲激响应(CIR)表示为

h_k，u＝(h_k，u(0)，...，h_k，u(L-1))k＝1，...，K，u＝1，...，U。

Toeplitz结构的信道卷积矩阵表示为

$H_{u,k}=\left(\begin{array}{cccc}{h}_{u,k}\left(0\right)& 0& ..& 0\\ h_{u,k}\left(1\right)& h_{u,k}\left(0\right)& ..& 0\\ ..& h_{u,k}\left(1\right)& ..& 0\\ h_{u,k}(L-1)& ..& ..& 0\\ ..& h_{u,k}(L-1)& ..& ..\\ 0& 0& ..& h_{u,k}\left(0\right)\end{array}\right),$

k=1,...,K,u=1,...,U, 单个用户u的信道冲击响应矩阵为H_u＝[H_u，1，…，H_u，K]，

U个用户的信道冲击响应矩阵为 $H=\left[\begin{array}{c}{H}_1\\ \…\\ H_U\end{array}\right],$

在接收端，移动终端MS_u的接收信号还要加入白高斯噪声(AWGN)，表示为

$r_u=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{u,k}{S}_k+{\mathrm{\η}}_u^{\′}$

接收端用户信号向量表示为 $r={[r_1^T,...,r_U^T]}^T,$ r＝Hs+η′。

整个***包含了发射机、空间频率选择信道、接收机等各个部分。MUT技术将整个***看成一个整体，用一个***矩阵描述。在接收端，检测器信号向量为

$\hat{d}=\tilde{d}+\mathrm{\η}=C^H\mathrm{HWCTd}+C^H{\mathrm{\η}}^{\′}=\mathrm{BTd}+\mathrm{\η}.$ 符号-符号(symbol-symbol)***矩阵可以表示为B＝C^HHWC(1)。

如果考虑每一个传输码片对每一个接收符号的影响，在不考虑白噪声情况下，检测器接收到的向量还可以表示成 $\tilde{d}=C^H\mathrm{Hs}=\mathrm{As},$ 码片-码片的***矩阵A＝C^HH。

在实际***应用中，应综合考虑***性能要求、设备复杂度、实际设备运行效果等因素，来选择智能天线和多用户发送算法。这里为了说明***的工作原理，将智能天线的算法具体为最大信躁比(SNR)波束成型算法，将多用户发送算法具体为线性维纳滤波器算法。***假定基站发送信号给用户u，移动终端接收到的信号功率可以表示为

$R_u=E\left\{b_u{b}_u^H\right\}=W_u^H{H}_u^H{C}_u^H{C}_u{H}_u{W}_u.$

因此在移动终端u接收到的瞬时信噪比

${\mathrm{SNR}}_u=\frac{R_u}{{\mathrm{\σ}}^2}=\frac{W_u^H{H}_u^H{C}_u^H{C}_u{H}_u{W}_u}{{\mathrm{\σ}}^2}---\left(2\right)$

波束成型最大信噪比(SNR)算法就是使公式(2)的比值达到最大，可以证明矩阵H_u ^HC_n ^HC_uH_u最大特征值所对应的特征向量，可以使信噪比的比值达到最大，因此可以计算出下行链路波束成形的权向量矩阵W。

在计算出波束成形的权向量值后，采用多用户发送维纳滤波器(TxWF)算法来计算含有智能天线权值矩阵的预均衡矩阵T。

矩阵T＝β_WF[B+αI]^-1，矩阵B说明见公式(1)

参数α是一个由接收端噪声能量和接收到的发送符号能量所决定的一个因子，最小均方误差MMSE条件的目的是最小化发送符号和测量到的接收符号之间的距离，因此这种算法是对发送符号的最佳估计。

综上可以看出，本发明提出的结合智能天线的多用户发送方案有以下特点：

1.充分利用了TD-SCDMA的信道特性，能够提高***资源的利用率，减小接收端的复杂度，适用于下行链路各种业务。

2.充分利用现有技术，实现简单。由于智能天线和多用户检测是TD-SCDMA中的关键技术，而本发明中最主要的两种技术其中一种就是智能天线技术，另外一种多用户发送技术又等同于多用户检测技术的逆技术，因此实现起来非常方便，特别是本方案通过提高基站端的复杂度来减小移动终端的复杂度，提高***容量，这样节约了TD-SCDMA***的成本。

3.对具体的实现方式和协议规范不敏感，兼容性好，可以方便地集成到已有的技术体制中。

总之，本发明将智能天线技术和多用户发送技术相结合，充分利用两种技术的优势，以简单的结构和易实现的方法来减小移动终端的复杂度，提高TD-SCDMA下行链路***容量，是一种行之有效的、有价值的多用户发送***方案。

Claims (5)

1.一种用于TD-SCDMA***或其它TDD-CDMA***下行链路的多用户发送方案，包括在下行链路中联合使用智能天线的波束赋形技术和多用户发送技术，其特征在于本方案包含以下步骤：

步骤一：基站端使用天线阵列接收一个上行链路时隙数据突发信号存储到天线阵列存储单元，然后利用信道估计器和天线阵列对上行链路每个用户的信道冲击响应和达到角进行估计；

步骤二：基站端对估计出的每个用户的信道冲击响应和达到角进行分析，并计算智能天线波束赋形的加权向量；

步骤三：针对第二步计算得到的波束赋形权值和第一步估计出的每个用户信道冲击响应值，计算多用户发送矩阵的权值；

步骤四：利用第三步计算的多用户发送权值对每个用户将要发送的下行链路信号进行加权更新；

步骤五：利用第二步计算的智能天线波束赋形权值对第四步经过加权后的下行链路信号进行波束赋形；

步骤六：将波束赋形后的最终信号通过发射机发射出去。

2.如权利要求1中所述的计算多用户发送权值方法，其特征在于将智能天线波束赋形权值与信道状况权值综合考虑，来计算多用户发送矩阵的权值。

3.如权利要求2中所述计算多用户发送权值方法，其特征在于在步骤三中检测器信号向量为 B＝C^HHWC，其中C表示扩频矩阵，H表示信道矩阵，W表示智能天线波束赋形权值矩阵，T表示多用户发送矩阵，U表示移动用户数，N表示发送信息的符号长度。

4.如权利要求2中所述计算多用户发送权值方法，可采用维纳滤波器算法来计算含有智能天线权值矩阵的预均衡矩阵T，方法如下矩阵T＝β_WF[C^HHWC+αI]^-1，I为单位矩阵，参数α是由接收端噪声能量和接收到的发送符号能量所决定的一个因子，β_WF是通过发送功率限制得到的一个度量因子。

5.如权利要求2中所述计算多用户发送权值的方法，可采用迫零均衡算法来计算含有智能天线权值矩阵的预均衡矩阵T，方法如下矩阵T＝β_ZF(C^HHWC)^-1，β_ZF是通过发送功率限制得到的一个度量因子。

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