TD－SCDMA系统室外宏蜂窝中应用多输入多输出技术的方法

摘要

本发明提供了一种TD－SCDMA系统室外宏蜂窝中应用多输入多输出技术的方法，其中，在用户设备侧设置至少两根独立天线，并使至少两根独立天线具有相同的发射功率；在节点B侧设置阵列天线；其中，下行支持波束赋形方式下的单流模式发射和预编码方式下的双流模式发射，并且节点B能够对用户设备进行单流模式和双流模式的切换。

说明书

技术领域

本发明涉及时分同步码分多址(Time Division-SynchronousCode Division Multiple Access，TD-SCDMA)系统，尤其涉及采用阵列天线的TD-SCDMA系统室外宏蜂窝中应用多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术的方案。

背景技术

多输入多输出(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(Single Input Single Output，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(Multiple Input Single Output，MISO)和单输入多输出(Single Input Multiple Output，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)普遍采用阵列天线，用户终端(User Equipment，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，来自于邻小区的干扰都很强，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步抑制那些无法被波束赋型抑制的强干扰。

由于Node B侧接收机的多根天线提供了额外的空域自由度，使得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)，从而予以抑制。但是UE侧只有一根天线，它只有CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址接入)码域的自由度，在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，这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-SCDMA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。Node B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-SCDMA系统室外宏蜂窝引入MIMO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)单独在TD-SCDMA系统室外宏蜂窝环境中应用则各自具备以下的优缺点，都不是完美的解决方案。

TD-SCDMA室外宏蜂窝应用MIMO空间分集方式的优点在于：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的组合应用可以大大抑制下行干扰；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；性能增益比较稳健，不会出现空间复用方式下在强LOS(高频段视距)环境造成的自由度不足的问题。TD-SCDMA室外宏蜂窝应用MIMO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MIMO空间复用方式。

TD-SCDMA室外宏蜂窝应用MIMO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。TD-SCDMA室外宏蜂窝应用MIMO空间复用方式的缺点在于：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；在强LOS环境(角度扩展非常小且没有衰落)，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。

因此，如果TD-SCDMA室外宏蜂窝能够同时应用MIMO空间分集方式和复用方式，从而融合上述两种方式的优点，同时避免单独应用两种方式时的缺点无疑是理想的，然而，目前尚未实现与此相关的技术。

发明内容

考虑到现有技术中存在的上述问题而提出本发明，为此，本发明提供了一种TD-SCDMA系统室外宏蜂窝中应用多输入多输出技术的方法，其能够有效地融合MIMO空间分集方式和复用方式的优点并避免二者的缺点。

根据本发明，提供了一种TD-SCDMA系统室外宏蜂窝中应用多输入多输出技术的方法。

该方法包括以下处理：在用户设备侧设置至少两根独立天线，并使至少两根独立天线具有相同的发射功率；在节点B侧设置阵列天线；其中，下行支持波束赋形方式下的单流模式发射和预编码方式下的双流模式发射，并且节点B能够对用户设备进行单流模式和双流模式的切换。

其中，在下行采用双流模式的情况下，将双流模式的主传输块和辅传输块映射到同一组物理码道上进行空分复用。

在上述方法中，按照如下规则分配训练序列：对于上行控制信道，用户设备的不同天线分配同一基本训练序列的不同偏移或分配不同的基本训练序列；对于下行高速分组业务信道，节点B侧的主传输块和辅传输块分配同一基本训练序列的不同偏移或分配不同的基本训练序列；对于下行控制信道，分配下行高速分组业务信道的主传输块对应的训练序列的偏移。

其中，双流模式仅适用于下行高速分组业务信道，而单流模式适用于所有信道。

下行控制信道采用波束赋形方式进行单流模式的传输；上行控制信道采用延迟发射分集方式进行传输。

节点B在下行控制信道中通知用户设备如下信息至少之一：主传输块和辅传输块的大小、调制方式、时隙码道分配。其中，节点B根据主传输块和辅传输块的大小决定采用单流模式或双流模式，并且，当辅传输块的大小为0时，表示采用单流模式。

在用户设备侧，用户设备获取了下行控制信道中的信息后，对下行高速分组业务信道进行如下处理：对于双流模式，用户设备通过信道估计分别获取主传输块和辅传输块的信道冲击响应，然后扩充联合检测系统方程，通过空时二维线性均衡处理分别得到主传输块和辅传输块对应的解调符号，然后分别进行符号级处理，恢复主传输块和辅传输块的比特数据。

进一步地，在用户设备侧，用户设备获取了下行控制信道中的信息后，还对下行高速分组业务信道进行如下处理：对于单流模式，使用用户设备的接收机的一根天线的空域自由度进行多小区联合检测。

之后，在用户设备侧，用户设备获取了下行控制信道中的信息后，还对下行高速分组业务信道进行如下处理：用户设备根据主传输块和辅传输块的循环冗余校验分别生成确认信息，并通过信道估计结果分别对主传输块和辅传输块的传输信道质量进行量化，然后通过上行控制信道反馈给节点B。

在节点B侧，节点B通过如下处理对用户设备进行单流模式和双流模式切换：节点B通过上行各阵元的信道估计结果获取双流预编码矩阵，其中，主传输块对应的赋形向量为上行信道空间自相关矩阵的最大特征值对应的特征向量，辅传输块对应的赋形向量为上行信道空间相关矩阵的次大特征值对应的特征向量；节点B根据上行控制信道获取的单/双流信道质量指示，并结合单/双流可能的发射功率比例预测当前时刻用户设备在单流模式下的吞吐量以及在双流模式下的最大可能吞吐量；如果双流模式的最大可能吞吐量的预测值比单流模式的吞吐量的预测值高出预定门限，则节点B确定当前时刻用户设备采用双流模式，否则，采用单流模式。

这样，通过本发明，最大限度的融合了现有MIMO空间分集技术和空间复用技术的优点，同时避免了两者在TD-SCDMA系统中单独应用时面临的缺点，大幅度提高了TD-SCDMA系统室外宏蜂窝环境的下行高速分组业务的吞吐量，本发明以系统和硬件架构(尤其在网络侧)最小改动的代价，换取了显著的容量提高。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明实施例的TD-SCDMA系统室外宏蜂窝MIMO系统发射机示意图；

图2是根据本发明实施例的TD-SCDMA系统室外宏蜂窝中应用多输入多输出技术的方法的流程图；以及

图3是图1所示的方法中Node B侧自适应单/双流模式切换的处理流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，提供了一种TD-SCDMA系统室外宏蜂窝中应用多输入多输出技术的方法。图1示出了TD-SCDMA系统室外宏蜂窝MIMO系统发射机示意图，实线部分是主传输块传输，虚线部分是辅传输块传输，通过参照图1可以更好地理解本发明。

如图2所示，该方法包括以下处理(步骤S202和步骤S204)：

步骤S202，在用户设备(UE)侧设置至少两根独立天线，并使至少两根独立天线具有相同的发射功率；UE的天线采用不同的Midamble偏移(或不同的基本Midamble码)进行发射，以便系统侧准确的估计出空时信道冲击响应矩阵(将在下文中进行更详细的描述)；

步骤S204，在节点B(Node B)侧设置阵列天线，即，Node B侧维持现有的阵列天线架构不变。

其中，下行支持波束赋形方式下的单流模式发射(即，仅发射主传输块)和预编码方式下的双流模式发射(即，同时发射主传输块和辅传输块)，并且Node B能够对UE进行单流模式和双流模式的切换。

在下行采用双流模式的情况下，将双流模式的主传输块和辅传输块映射到同一组物理码道上进行空分复用。

需要说明的是，在步骤S202中，UE的独立天线数可以为2或大于2(比如车载的4天线)，相应地，Node B侧能同时支持的最大传输块个数与UE独立天线的个数保持一致。例如，在UE侧有2根独立天线的情况下，当Node B下行进行双流模式发射时，与UE侧的两分集接收天线形成广义的2×2MIMO，其中任一子链路都应被理解为现有TD非MIMO模式下的M×1方式(M为Node B侧阵列天线的阵元个数)。

在上述方法中，按照如下规则分配训练序列：对于上行控制信道，UE的不同天线分配同一基本训练序列(Midamble码)的不同偏移或分配不同的基本Midamble码；对于下行高速分组业务信道，Node B侧不同子流(即，主传输块和辅传输块)分配同一基本Midamble码的不同偏移或分配不同的基本Midamble码；对于下行控制信道，分配下行高速分组业务信道的主传输块对应的Midamble码的偏移。

其中，双流模式仅适用于下行高速分组业务信道，而单流模式适用于所有信道。

下行控制信道采用波束赋形方式进行单流模式的传输，而不是采用空间复用方式；此外，上行控制信道采用延迟发射分集方式进行传输，而不进行空间复用。

Node B在下行控制信道中通知UE如下信息至少之一：主传输块和辅传输块的大小(其中，辅传输块大小为0指示单流模式)、调制方式、时隙码道分配。其中，Node B根据主传输块和辅传输块的大小决定采用单流模式或双流模式，并且，当辅传输块的大小为0时，表示采用单流模式。

在UE侧，UE获取了下行控制信道中的信息后，对下行高速分组业务信道进行如下处理：

(1)对于单流模式，UE的接收机处理方法和现有非MIMO方式完全一致，只是接收机多出一根接收天线的空域自由度可以被用来进行多小区联合检测，抑制更多的邻小区强干扰，提高小区边缘用户的信噪比；

(2)对于双流模式，UE通过信道估计分别获取主传输块和辅输模块的信道冲击响应，然后扩充联合检测系统方程，通过空时二维线性均衡处理分别得到主传输块和辅传输块对应的解调符号，然后分别进行符号级处理，恢复主传输块和辅传输块的比特数据；

(3)UE根据主传输块和辅传输块的循环冗余校验(CRC)分别生成确认信息(ACK/NACK)，并通过信道估计结果分别对主传输块和辅传输块的传输信道质量进行量化(生成CQI信息)，然后通过上行控制信道反馈给Node B。

在Node B侧，Node B通过如下处理对UE进行自适应MIMO单流模式和双流模式切换：

(1)Node B通过上行各阵元的信道估计结果获取双流预编码矩阵，其中，主传输块对应的赋形向量为上行信道空间自相关矩阵的最大特征值对应的特征向量，辅传输块对应的赋形向量为上行信道空间相关矩阵的次大特征值对应的特征向量；

(2)Node B根据上行控制信道获取的单/双流信道质量指示，并结合单/双流可能的发射功率比例预测当前时刻UE在单流模式下的吞吐量以及在双流模式下的最大可能吞吐量；

(3)如果双流模式的最大可能吞吐量的预测值比单流模式的吞吐量的预测值高出预定门限，则Node B确定当前时刻UE采用双流模式，否则，采用单流模式。

其中，在上述处理中，在预测UE单流模式的吞吐量时，确定了单流模式主传输块的大小及调制方式；类似地，在预测UE双流模式可能的最大吞吐量时，确定了双流模式的主辅传输块大小、调制方式、以及发射功率比例。

以下将分别结合实例对Node B侧和UE侧的相关处理进行描述。

实例1：Node B侧的处理

如图3所示，在Node B侧，Node B首先对上行控制信道进行空时信道估计，之后进行信道空间相关矩阵的计算以及两个最大特征值及对应的特征向量的获取；接下来，进行主/辅传输块对应信道的归一化载干比获取；最后，遍历主/辅传输块功率分配比例，预测单流模式的吞吐量以及双流模式的最大吞吐量，由此确定单/双流模式以及主/辅传输块大小、调制方式、发射功率比例。

具体地，可以描述为如下的处理(1)至(8)。

(1)Node B通过对上行控制信道进行信道估计，获取UE侧不同发射天线的信道冲击响应，记为列向量形式h_ka⁽¹⁾、h_ka⁽²⁾，其中上标(1)和(2)分别表示UE发射天线1和2，下标ka表示Node B接收天线索引；

(2)按如下格式构造空时信道估计矩阵H，然后计算空间信道相关矩阵R_H＝H^H·H；

$H=\left(\begin{array}{cccc}{h}_1^{\left(1\right)}& h_2^{\left(1\right)}& ···& h_{\mathrm{Ka}}^{\left(1\right)}\\ h_1^{\left(2\right)}& h_2^{\left(2\right)}& ···& h_{\mathrm{Ka}}^{\left(2\right)}\end{array}\right)---\left(1\right)$

(3)利用规范化乘幂法或其他特征值分解方法获取空间信道相关矩阵R_H的最大特征值λ_p及其对应的特征向量u_p，次大特征值λ_s及其对应的特征向量u_s，其中u_p作为主传输块的波束赋形权值，而u_s作为可能的辅传输块的波束赋形权值；

(4)Node B通过上行控制信道获取主辅传输块对应的CQI，并将其转换为主/辅信道的载干比和转换过程可以简单的通过查表完成；

(5)根据上行反馈信道对应的上次主传输块发射功率比例α_p(n-1)，将上述主辅信道的载干比和分别归一化到满发射功率对应的载干比和

${\left(\frac{E_c}{N_o}\right)}_{p\_\mathrm{uni}}={\left(\frac{E_c}{N_o}\right)}_p·\frac{1}{{\alpha }_p(n-1)}---\left(2\right)$

${\left(\frac{E_c}{N_o}\right)}_{s\_\mathrm{uni}}={\left(\frac{E_c}{N_o}\right)}_s·\frac{1}{1-{\alpha }_p(n-1)}---\left(3\right)$

如果只有单流的主传输块CQI反馈，则辅传输块信道的归一化载干比根据下式计算：

${\left(\frac{E_c}{N_o}\right)}_{s\_\mathrm{uni}}={\left(\frac{E_c}{N_o}\right)}_{p\_\mathrm{uni}}·\frac{{\lambda }_s}{{\lambda }_p}---\left(4\right)$

(6)计算当前时刻可能的主传输块发射功率占用户总发射功率的比例α_p(n)分别为1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5时对应的主辅传输块信道载干比预测值；

${\left(\frac{E_c}{N_o}\right)}_{p\_\mathrm{pred}}={\left(\frac{E_c}{N_o}\right)}_{p\_\mathrm{uni}}·{\alpha }_p\left(n\right)---\left(5\right)$

${\left(\frac{E_c}{N_o}\right)}_{s\_\mathrm{pred}}={\left(\frac{E_c}{N_o}\right)}_{s\_\mathrm{uni}}·[1-{\alpha }_p\left(n\right)]---\left(6\right)$

(7)根据当前时刻可分配的固定物理码道数查表获取可能的主辅传输块大小TBS_{p_pred}和TBS_{s_pred}(特别的，当α_p(n)＝1时没有辅TB块发射，即相当于辅TBS_{s_pred}＝0)；根据下式确定最终的α_p(n)，并由此最终确定采用单流模式还是采用双流模式，以及主辅传输块大小、调制方式、和功率分配比例；

${\alpha }_p\left(n\right)=\underset{{\alpha }_p\left(n\right)}{\arg }\max [{\mathrm{TBS}}_{p\_\mathrm{pred}}\left({\alpha }_p\left(n\right)\right)+{\mathrm{TBS}}_{s\_\mathrm{pred}}\left({\alpha }_p\left(n\right)\right)]---\left(7\right)$

(8)按照现有TD-SCDMA系统的MAC-hs(高速业务的媒体接入控制)协议层的综合调度原则对所有UE进行调度，确定被调度用户。对于任一确定的被调度用户，如果处理(7)确定支持双流模式传输，则Node B按照确定的TB块大小、调制方式、功率分配比例，参照完整的图1同时进行主/辅两个传输块发射，其中，主/辅传输块分别对应不同的Midamble偏移，以便UE侧的联合信道估计；如果处理(7)确定只支持单流模式传输，则Node B参考图1中实线框图部分只进行主传输块传输。

其中，如果上行控制信道反馈的最新CQI信息距离实际调度判决时刻有很长的延时(例如，物理时序上已经相隔数个子帧)，则可以对上述空间相关矩阵R_H以及载干比参数进行平滑，以获取更平稳的空间信道相关特性及吞吐量信息。

另外，考虑到单流模式下UE可能采用多小区联合检测技术来进一步抑制干扰提高信噪比，以及双流模式下UE接收机非理想导致的主/辅传输块之间的互干扰特性，单/双流模式的切换应设置适当的“惩罚”门限。等效的具体做法可以是这样：当α_p(n)＝1时，定义式(7)中的TBS_{s_pred}(1)取值不为0，而是令TBS_{s_pred}(1)＝f·TBS_{p_pred}(1)，其中惩罚门限系数f取值范围为0＜f＜1。

实例2：UE侧的处理

对于下行高速分组业务的双流模式，UE接收机的联合检测系统方程扩展如下(处理(1)至处理(4))

(1)UE通过信道估计，得到主/辅传输块在两根接收天线上的信道冲击响应h_p⁽¹⁾、h_s⁽¹⁾、h_p⁽²⁾、h_p⁽²⁾；再分别卷积同一组加扰的扩频复合码，得到对应的b向量b_p⁽¹⁾、b_s⁽¹⁾、b_p⁽²⁾、b_p⁽²⁾；并按照现有方式将b向量横排得到小块v_p⁽¹⁾、v_s⁽¹⁾、v_p⁽²⁾、v_p⁽²⁾；

(2)将同一天线的主/辅传输块对应的V块横排，得到新的V块$V^{\left(1\right)}=\left(\begin{array}{cc}{V}_p^{\left(1\right)}& V_s^{\left(1\right)}\end{array}\right),$$V^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{cc}{V}_p^{\left(2\right)}& V_s^{\left(2\right)}\end{array}\right);$

(3)然后再按照现有的块Toepliz方式排列V块，得到每根天线的系统矩阵A⁽¹⁾和A⁽²⁾，最后联列接收天线系统方程，得到

$\left(\begin{array}{c}{e}^{\left(1\right)}\\ e^{\left(2\right)}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{A}^{\left(1\right)}\\ A^{\left(2\right)}\end{array}\right)·d+\left(\begin{array}{c}{n}^{\left(1\right)}\\ n^{\left(2\right)}\end{array}\right)---\left(8\right)$

(4)UE只需要按照现有基于最小均方误差准则的线性块均衡(MMSE-BLE)方式解调，便可得到主从两个传输块的解调符号，然后分别送去译码及其他符号级处理，恢复出主辅两个传输块的发送比特。

借助于本发明的上述方案，最大限度地融合了现有MIMO空间分集技术和空间复用技术的优点，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)最小改动的代价，换取了显著的容量提高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。