一种利用阵列的空分特性提高频带利用率的方法

摘要

本发明公开了一种利用阵列的空分特性提高频带利用率的方法，包括如下步骤：根据基站的阵列能力，将圆阵覆盖的一个360°全向小区分裂成多个对应的子小区，使每个所述子小区对应的用户来波方向设置为0－α1°、α1°－α2°、……、αn－1°－αn°，其中，α1°+α2°……+αn－1°+αn°＝360°，n为大于2的整数，并为每个所述子小区分配1个扰码和1个基本训练序列码；为每个所述子小区中每个时隙的所有用户产生物理信道资源；对阵元接收信号进行子小区解调。该方法可极大地提高无线通讯网络系统的用户容量，提高频带利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及FDMA/TDMA/CDMA中各种通信系统中一种利用阵列的空分特性来提高系统的频带利用率的方法，尤其涉及WCDMA TDD和TD-SCDMA移动通信系统中利用阵列的空分特性来提高系统的频带利用率的方法。

背景技术

在现有所有移动通信系统中，通常是利用无线资源的频分(FDMA)、时分(TDMA)或码分(CDMA)特性的一种或几种组合来构成多址系统，为大量的移动用户提供服务，如TACS(FDMA)、GSM(FDMA/TDMA)、IS-95(FDMA/CDMA)、WCDMA(FDMA/CDMA)、TD-SCDMA(FDMA/TDMA/CDMA)。在一个小区内，不同用户所占有的无线资源是绝对不能全部相同的，这样就极大地限制了系统频带利用率，限制了单位频带内用户容量。但同时也可以看到，任何能引进无线资源独立特性的做法都将带来频带利用率的显剧提高，如TD-SCDMA由于采用FDMA/TDMA/CDMA的方式分配资源，其频带利用率要远高于其它系统。

随着智能天线技术的不断成熟，具有空分特性的波束形成技术可以动态(或固定)地对小区进行划分，形成若干个子小区，在这些子小区内，现有无线资源的三个特性可以重复利用。特别是基于智能天线技术的形成的波束覆盖范围(子小区)可以根据具体要求(如业务量)动态调整，具有极大的灵活性；同时可以弥补现有扇区分裂技术带来的导频污染等问题；极大地降低了系统成本、增加了系统容量、降低了系统干扰、增大了小区覆盖。

WCDMA TDD和TD-SCDMA移动通信系统通过设计独特的帧结构，并采用TDD的双工模式，为智能天线技术的成功实现构建了良好的物理基础，因此智能天线技术已经成为WCDMA TDD和TD-SCDMA移动通信系统事实上的必选关键技术，但这并不影响本发明对其它移动通信系统的改进。

文献[1]定义了现有的TD-SCDMA系统的物理层帧结构、相应的时隙结果和各个突发的数据结构。根据定义，在现有的一个载频点上，同一小区配置同一个扰码和一个基本的训练序列(简称：Midamble码)，同一时隙最多只能配置16个码道(目前一个时隙最多只能支持8个12.2k的语音用户，同一载波最多支持24个12.2k的语音用户)。同一时隙上的不同用户所采用的Midamble码都是由基本Midamble码经循环移位后产生的，而对应的信道估计方法一般都是运用Steiner估计方法[2]，它是一种低代价信道估计方法。为提高性能，文献[3]中，提出了一种过门限检测的降噪后处理方法，其基本思想是先用Steiner估计方法估计出原始信道冲激响应，然后用一个门限，去掉大部分噪声抽头。文献[4]详细讲解了TD-SCDMA系统中所采用的联合检测解调技术。

其中，文献^[1]：3GPP TS 25.221：″Physical channels and mapping oftransport channels onto physical channels(TDD)″.

文献^[2]：STEINER B，BAIER P.Low cost channel estimation in theuplink receiver of CDMA mobile radio systems，Frequenz，1993，47(12)：292-298.

文献^[3]：康绍莉，裘正定等，TD-SCDMA系统中低代价信道估计方法的改进，通信学报，2002，23(10)：125-130.

文献^[4]：A.Clein“Zero Forcing and Minimum Mean-Square-ErrorEqualization for Multiuser Detection in Code-DivisionMultiple-Access Channels”

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种具体的无线资源配置方法及对应的解调技术，极大地提高了无线通讯网络系统的用户容量，提高了频带利用率。

为了实现上述目的，本发明提供一种利用阵列的空分特性提高频带利用率的方法，其特征在于，包括：

步骤一，根据基站的阵列能力，将圆阵覆盖的一个360°全向小区分裂成多个对应的子小区，使每个所述子小区对应的用户来波方向设置为0-α₁°、α₁°-α₂°、……、α_n-1°-α_n°，其中，a₁°+α₂°……+α_n-1°+α_n°＝360°，n＝大于2的整数，并为每个所述子小区分配1个扰码和1个基本训练序列码；

步骤二，为每个所述子小区中每个时隙的所有用户产生物理信道资源；

步骤三，对阵元接收信号进行子小区解调。

上述的提高频带利用率的方法，其中，所述步骤二又包括：根据初始接入过程中用户的主波来波方向，判断该用户所归属的子小区；产生训练序列，根据每个所述子小区分配的基本训练序列码和需要接纳的最大用户个数来产生所述子小区中每个用户的训练序列；分配物理码道资源，根据每个子小区分配的扰码，为该用户分配唯一的、一定数量的物理码道；

对所有子小区用户的数据部分用本子小区分配到的扰码进行加扰。

上述的提高频带利用率的方法，其中，在产生训练序列的步骤中，采用公式计算出用户分配的传输信道窗长W，然后利用Steriner技术为每个用户产生训练序列。

上述的提高频带利用率的方法，其中，在分配物理码道资源的步骤中，是根据TD-SCDMASA系统的物理层帧结构、相应的时隙结果和各个突发的数据结构，进行物理码道资源的分配。

上述的提高频带利用率的方法，其中，所述步骤三又包括：

步骤a，把阵元数据加权成波束域数据；

步骤b，对每个波束域数据，从中分离出训练序列接收信号，对本所述子小区用户进行信道估计和信道后处理；

步骤c，对每个波束域数据，从中分离出用户数据接收信号，然后依据步骤b估计出本子小区各个用户的信道冲激响应，然后对本子小区用户数据解调；

步骤d，对所有子小区进行步骤a-步骤c的操作。

上述的提高频带利用率的方法，其中，所述步骤a是根据各个子小区已设计好的波束权值，对阵列接收信号进行加权处理。

上述的提高频带利用率的方法，其中，所述步骤b是采用Steriner信道估计法以及利用设定噪声门限进行降噪后处理。

上述的提高频带利用率的方法，其中，d所述步骤c中，是采用联合检测解调技术或者RAKE技术对本小区用户数据解调。

上述的提高频带利用率的方法，其中，在步骤一中，为每个子小区分配的扰码和基本训练序列码是相同的，或者是不相同。

上述的提高频带利用率的方法，其中，在步骤一中，n＝3或6。

采用本发明所述的基于阵列空分特性而提出的小区码子分配方法，以及基于这种分配方法对应的解调方法，大大提高了系统提高了系统容量和子小区空间的灵活性。

附图说明

图1为圆阵覆盖的一个全向小区分裂成3个子小区的示意图(以平均分裂为例，也可以不均匀分裂)；

图2为每个子小区中每个时隙的所有用户的训练序列产生示意图；

图3为阵元接收信号解调流程图。

具体实施步骤

根据文献^[1]，对于任意一个通信频点，其小区参数中配置1个下行同步导频码DwPTS、8个上行随机接入码UpPTS、一个扰码和一个基本Midamble码；其实还有3个扰码和对应3个基本Midamble码没有分配。

本发明利用阵列的空分特性(或干扰抑制特性)，把一个小区分裂成空间上的几个子小区，每个子小区的码资源可以完全重复配置，也可以为每个子小区配置1个扰码和1个基本Midamble码。在每个子小区内，只有唯一的一个扰码和基本Midamble码，相应的每个子小区的码道数最多可以配置到16个。

而对应的解调方法，首先采用设计好的阵列权值，对阵列信号进行加权处理，即把阵元域信号变成子小区域(即波束域)信号；然后对子小区域(即波束域)信号按照文献^[2]-文献^[4]介绍的方法进行数据解调。

本发明公开了基于阵列空分特性的小区码子分配方法，以及基于这种分配方法对应的解调方法，它包括下列步骤(以圆阵为例，参见图1)：

第一步：根据基站的阵列能力，可规划把一个全向(360度)小区分裂成3个(或6个或其它，以3个为例)对应的子小区，每个子小区对应的用户来波方向为0-120度，120-240度，240-360度(为说明需要，这些子小区编号依次为子小区1、子小区2、子小区3)，为每个子小区分配1个扰码和1个基本Midamble码(不同子小区的扰码和基本Midamble码既可以相同，也可以不同，不过为了减少控制复杂度，一般配置不同)。

第二步：为每个子小区中每个时隙的所有用户产生物理信道资源，这又可以分为以下几步：

(1)首先根据初始接入过程中用户的主波来波方向，判断此用户所归属的子小区；

(2)产生训练序列：根据每个子小区分配的基本Midamble码和需要接纳的最大用户个数K来产生子小区中每个用户的训练序列。即用式计算出用户分配的传输信道窗长W，然后依据文献^[2]，为每个用户产生训练序列。

(3)分配物理码道资源：根据每个子小区分配的扰码，可以依照文献[1]的方法为此用户分配唯一的、一定数量的物理码道：最后所有子小区的用户的数据部分都需要用本子小区分配到的扰码进行加扰。

第三步：对阵元接收信号进行解调，这又可以分成以下几步：

(1)把阵元数据加权成子小区数据，即波束域数据：首先根据各个子小区已设计好的波束权值，对阵列接收信号进行加权处理，即把阵元数据加权成子小区数据(即波束域数据)。

(2)对每个子小区数据(即波束域数据)，从中分离出训练序列接收信号，然后按照文献^[2]和文献^[3]介绍的方法对本子小区用户进行信道估计和信道后处理。

(3)对每个子小区数据(即波束域数据)，从中分离出用户数据接收信号，然后依据(2)估计出本子小区各个用户的信道冲激响应，然后按照文献[4]介绍的方法或其它方法(如RAKE技术)，对本子小区用户数据解调。

(4)对所有子小区，都进行(1)-(3)的操作。

上述方法主要是针对WCDMA TDD和TD-SCDMA移动通信系统通过设计的，当然，对其它系统的改进也都可以参照本发明的主要思想进行。

为了更好地理解本发明，下面结合附图对技术方案的具体实施例作进一步的详细描述。

参考图1，为每个子小区分配1个扰码和1个基本Midamble码(不同子小区的扰码和基本Midamble码既可以相同，也可以不同，不过为了减少控制复杂度，一般配置不同)。

根据初始接入过程中用户的主波来波方向，判断此用户所归属的子小区。根据每个子小区分配的基本Midamble码和需要接纳的最大用户个数K来产生子小区中每个用户的训练序列。即用式计算出用户分配的传输信道窗长W，如图2所示，为每个用户产生训练序列。

在图3中，对阵元接收信号e进行子小区解调：

用户数据通过扩频加扰、空中信道，到达接收机，接收到3个子小区的叠加信号。考虑到接收到的噪声以及干扰，将接收信号写成矩阵形式：

$>>>e>>k>a>>>=>>A>>1>,>>k>a>>>>>d>1>>+>>A>>2>,>>k>a>>>>>d>2>>+>>A>>3>,>>k>a>>>>+>>n>>k>a>>>$>

A_i，ka，i＝1，2，3；k_a＝1，2，…，K_a矩阵中分别包括3个子小区各自的扩频扰码和信道冲激响应的信息；K_a表示一共有K_a个天线；d_i，i＝1，2，3表示它们的发送数据，n表示接收机接收到的噪声。

首先，根据各个子小区已设计好的波束权值w_i，ka，i＝1，2，3，对阵列接收信号进行加权处理，即把阵元数据加权成子小区数据e_i(即波束域数据)，

$>>>e>i>>=>>\Sigma >>>k>a>>=>1>>>K>a>\; sup>>w>>i>,>>k>a>>>Hsup>>>e>>k>a>>>,>i>=>1,2,3>$>

由于每个子小区的波束权值含有本子小区的方向特性，因此可以将本子小区的数据分离出来，同时抑制了其他子小区的信号。

然后，对每个子小区数据(即波束域数据)，从中分离出训练序列接收信号，完成对本子小区用户进行信道估计和信道后处理，

$>>ver>>h>^>>i>>=sup>>G>i>>->1>sup>>·>>e>i>>,>i>=>1,2,3>$>

G_i，i＝1，2，3矩阵是分别由3个基本训练序列码(Midamble码，为每个子小区中每个时隙的所有用户产生物理信道资源时分配的)构成的循环右移矩阵。

设定一个噪声门限T_i，对估计出来的进行信道后处理，小于判决门限的置为零。用经过信道后处理的对本子小区用户数据解调。用3个子小区各自的扩频扰码和后处理的信道冲激响应生成矩阵A_i，对数据域用下式进行估计：

$>>ver>>d>^>>i>>=>>>(sup>>A>i>Hsup>>>>·>A>>i>>)>>>->1>\; sup>>A>i>Hsup>>>e>i>>,>i>=>1,2,3>$>

从而得到各个用户的解调数据。

与现有技术相比，本发明公开了一种基于阵列空分特性的小区码子分配方法，以及基于这种分配方法对应的解调方法，按8天线圆阵产生6个固定波束(6个子小区)，每个子小区每时隙容纳4个12.2k语音用户(最多8个12.2k语音用户)，则可容纳24个12.2k语音用户(从理论上来讲，可以容纳48个)，其系统容量远远高于现有的每时隙8个12.2k语音用户的水平，极大地提高了系统的频带利用率。

本发明适用于所有FDMA/TDMA/CDMA系统，尤其是适用于目前第三代移动通信系统中的WCDMA TDD和TD-SCDMA系统。但应理解的是，虽然本发明的技术方案主要针对码分多址的无线通信系统，但是也同样适用于采用类似传输结构的频分多址和时分多址系统，任何具有信号处理，通信等知识背景的工程师，都可以根据本发明设计相应的信道估计装置，其均应包含在本发明的思想和范围内。