无线系统的空间时间分集 本发明涉及无线通信领域，尤其涉及采用空间时间分集以增加无线系统的容量。
现有技术无线通信系统，例如时分多址(TDMA)或者码分多址(CDMA)无线通信系统，用于在基站和无线终端之间进行通信。在设置各通信参数时，这种现有技术系统仅考虑了所需信号在无线终端的强度，而没有将基站和其它无线终端之间的通信所引起的干扰考虑在内。此外，采用所谓“功率控制”的现有技术无线通信系统，例如CDMA系统所进行的功率控制独立于基站用于射束生成的任何加权矢量。此外，在现有技术无线通信系统中，基站的功率控制一般仅基于无线终端的导频信号强度或者无线终端的误码率(BER)来进行。现有技术无线系统的这些设计因素使得其信号与干扰和噪声比(SINR)未经优化，导致系统容量减少，即系统服务的活跃无线终端比较高SINR时所能服务的要少。
我们已认识到，确定基站用以基本同时控制发射射束模式的操作参数，生成这些发射射束模式以根据至少从两个无线终端接收的信道信息建立基站和各个无线终端之间的通信信道，这样，即使不能使无线系统的信号与干扰和噪声比(SINR)最优，也可以使其得以改进。在本发明地一种示例性实施例中，基站利用至少它所服务的每个无线终端所提供的信息，并可能根据例如与该基站所服务的小区相邻的小区中其它基站所服务的无线终端的信息，确定它应采用的加权矢量和功率配置，来自其它小区的信息借助邻接小区基站通过基站间通信，例如有线连接传送。
在附图中：
图1示出了按照本发明原理的示例性码分多址(CDMA)无线通信系统的一部分；
图2示出了按照本发明原理优化发射射束生成加权矢量、发射功率配置以及瑞克接收机组合矢量的示例性的整个处理过程；
图3的流程图示出了按照本发明的一个方面，基站利用接收的信道信息计算发射射束生成矢量的示例性处理；以及
图4示出了按照本发明的一个方面，使虚拟上行网络的最小信号干扰比(SIR)最大化的示例性处理，前述网络用于表示CDMA系统的下行链路。
下面仅说明本发明的原理。因此需要理解，本领域技术人员可以设计各种装置，这些装置尽管没有在本申请中显式地描述或给出，但具体体现了本发明的原理，因而包括在本发明的精神和范围中。此外，此处给出的所有例子和条件语言原则上仅用于说明目的，辅助阅读者理解本发明的原理和本发明者所给出的加深技术的概念，应当理解本发明并不局限于特别给出的例子和情况。并且，本申请描述原理、方面，和本发明实施例及其特殊例子的所有声明都包含它的结构和功能等价物。此外，这种等价物应包括当前已知的等价物以及将来开发的等价物，即不论结构如何，完成相同功能的任何开发的元件。
因此，例如，本领域技术人员应当理解，本申请中的框图表示了具体体现本发明原理的说明性电路的概念视图。类似地，应当理解，任何流程图、流图、状态迁移图、伪码和类似表示代表了各种处理，这些处理基本上可表示在计算机可读媒介中，由计算机或处理器执行，不论是否显式示出了这种计算机或处理器。
图中所示的各元件的功能，包括标以“处理器”的功能部件，可以通过专用硬件，以及与适当的软件相关联的能够执行软件的硬件来提供。如果由处理器提供，那么这些功能可以由单个专用处理器，单个共享处理器，或者通过多个分立的处理器来提供，前述多个分立处理器中的一些可以共享。此外，显式使用术语“处理器”或“控制器”应当理解成专指能够执行软件的硬件，可以隐式地包括，但不限于数字信号处理器(DSP)硬件，存储软件的只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)和非易失性存储。也可以包括常规和/或客户化的其它硬件。类似地，这些图所示的任何开关仅是概念上的。其功能可以通过程序逻辑，通过专用逻辑，通过程序控制和专用逻辑的交互，甚至是通过手工，实现者可选择的特定技术的操作来实现，这些技术可以根据上下文确切地了解。
在权利要求书中，表示成完成指定功能的装置的任何元件应包含完成以下功能的任何方式：包括例如a)完成该功能的电路元件组合，或者b)与适当电路组合的任何形式的软件，包括固件、微码或类似形式，前述电路用以执行软件实现该功能。由权利要求书所定义的本发明基于以下事实：组合给出的各装置所提供的功能，以权利要求书所要求的方式将其结合在一起。因此，申请者意指可以提供与本申请所示功能相同的功能的任何装置。
图1给出了示例性码分多址(CDMA)无线通信系统100的一部分。CDMA系统100包括基站中使用的一个用户的无线发射机101，以及无线终端中使用的无线接收机103。无线发射机101和无线接收机103都遵循本发明的原理。
无线发射机101包括天线105，包括天线105-1到105-K。K的值由系统实现者根据无线通信系统100的所需价格、性能和容量选择。向每根天线105馈送与其相关联的各发射模块107提供的信号。每个发射模块107包括a)P个分集模块109，b)组合器111和c)上转换器119。P的值一般根据所需信道性能来确定。通常所需信道性能由标准的设置委员会选择。
每个分集模块109包括射束生成器乘法器113，扩频器乘法器115以及时延元件117。射束生成器乘法器113将需要发射的信号乘上射束生成系数。提供给各射束生成器乘法器113的每个射束生成系数是空间时间分集加权矢量W的一部分。射束生成系数由射束生成和功率控制单元121根据本发明的原理生成，下面将予以进一步描述。
每个射束生成器乘法器113的输出提供给与其相关联的各乘法器115作为输入，后者将来自射束生成器113的输入乘上无线发射机101正在服务的用户的扩频码。如果需要在时分多址(TDMA)系统，而不是CDMA系统中实现本发明，则需要忽略乘法器115。因为扩频码由正在发射的信号的每个比特的多个基片组成，乘法器115必须将每个比特乘上其扩频码的基片，所以乘法器115工作的速率远比乘法器113要快的多。
每个乘法器115的输出提供给与其相关联的各时延元件117作为输入。每个时延元件117将传送给它的信号延时，使得一个分集模块109中生成的每个延时信号都至少比该分集模块109中生成的任何其它信号延迟一个基片。换句话说，每个分集模块109中生成的每个信号的相位差至少是1个基片。系统设计者可以针对例如标准设置组织所指定的系统需求指定特定的延时，或者可以根据系统性能对时延进行适应性调整。
每个分集模块109将延时后的扩频信号提供给与它相关联的组合器111。每个组合器111将同一发射模块107中每个分集模块109所提供的延时扩频信号与自身相加，将组合结果提供给相关联的上转换器119。每个上转换器利用与其相关联的组合器111所提供的结果调制载波信号。然后，将调制的载波信号提供给天线105进行广播。
注意到，基站所服务的每个无线终端都有类似的K个发射模块107。但是，每个上转换器119由不同无线终端的各发射模块107共享，即每个上转换器119上转换根据每个发射模块107组合的信号，将组合的信号提供给连接到该上转换器的一根天线105。换句话说，每个基站有K乘上它能够服务的无线终端最大数量个发射模块107，但是仅有K各上转换器119和K根天线105。
接收机103是所谓的“瑞克”接收机。接收机103包括a)天线151，b)下行转换器153，c)接收机模块152，以及d)信道响应和SINR估计器167，以及e)瑞克组合加权计算器169。除了信道响应和SINR估计器167之外，图1所示接收机103的这些部分是常规部分，下面仅作简单描述。
天线151接收撞击到它的无线信号。下转换器153将天线151接收的无线信号下向转换到基带。然后，将基带信号传送到接收机模块152，后者包括L个瑞克接收机指状元件155，所有瑞克接收机指状元件155都连接到组合器165。更确切地说，来自下转换器153的信号被传送到每个瑞克接收机指状元件155。每个瑞克接收机指状元件155包括时延元件157、去扩频器158以及瑞克组合乘法器163。去扩频器158包括连接到积分器161的基片乘法器159。这样，天线151接收的信号经下转换、延时、去扩频和组合处理，生成判决统计信号，根据该信号确定接收的特定比特。
注意到图1示出了CDMA瑞克接收的最普通的形式。但是，本发明的其它实施例可以采用常规的二维瑞克接收机，或者采用我们并行申请的，共同授权的共同未决美国专利系列第(Case Rashid-Farrokhi-Valenzuela 2-12)号中公开的创新的瑞克接收机，前述专利在此并入以供参考。采用何种瑞克接收机并不会改变该处理过程。只是加长了瑞克组合矢量v以容纳附加的维度。
图2示出了按照本发明原理优化1)发射射束生成加权矢量，2)发射功率配置，以及3)瑞克接收机组合矢量的示例性的整个处理过程。当新用户，例如包括无线接收机103(图1)的无线终端(未示出)所服务的用户，需要由内置有无线发射机101的基站(未示出)服务时，该处理在步骤201中进入。在进入图2所示处理之前，基站已处于工作状态。另一种方案是图2的处理可以在步骤201中周期性进入，该周期为例如近似于基站和无线终端之间的信道时间量的时间，可以通过需要加权矢量更新的量来改变。注意到信道的变化可能由不同因素引起，包括：大气条件的变化；无线终端位置的变化；沿基站和无线终端之间的路径或在该环境中的其它物体的变化。
在步骤203中，基站收集它与不同无线终端之间的信道信息。这种信道信息可以包括信道响应和信道的SINR。该信息的一部分可以直接由基站目前正活跃地服务的每个无线终端提供，例如通过将该信息并入上行链路通信，使得基站具有它所服务的所有无线终端的总信息，上行链路即从无线终端到基站的链路，其通信可以采用帧结构。此外，基站可以接收例如与该基站所服务的小区相邻的小区中其它基站所服务的无线终端的信息，来自其它小区的信道信息借助邻接小区基站通过基站间通信，例如有线连接传送。
接着，按照本发明的一个方面，在步骤205中，基站利用接收的信道信息，计算发射射束生成矢量。后文将给出按照本发明计算发射射束生成矢量的其它有关细节。之后，在步骤207，基站进行基站发射功率控制，更确切地说，基站更新它所服务的每个无线终端所用的功率。
条件分支点209通过测试确定以前在指定时间窗口中使用的发射加权矢量序列是否收敛，即差错矢量模方，当前发射加权矢量和以前使用的加权矢量之差的矢量元素的平方，是否低于指定阈值。如果步骤209的测试结果为“是”，表明发射加权矢量收敛，那么处理在步骤211中退出。另一种方案是，例如如果不再需要使用因不执行步骤203到209而可用的处理功率，则控制可以返回到步骤203。
如果步骤209的测试结果为“否”，表明发射加权矢量不收敛，那么按照本发明的一个方面，控制进行到步骤213，其中每个无线终端计算其优化瑞克接收机组合矢量，例如需要传送给接收机103(图1)的瑞克组合乘法器163的权值。该计算由瑞克组合加权计算器169执行，下面将予以详细描述。
在步骤215，每个无线终端利用常规技术估计信道信息，即信道响应，它是信道的脉冲响应。此外，在步骤215，每个无线终端利用常规技术确定信号与干扰和噪声比(SINR)。之后，在步骤217，每个无线终端向基站发射估计的信道响应和SINR。该信息并入无线终端的上行链路，由基站在步骤203中接收。然后，控制返回步骤203，处理如上所述继续。
图3的流程图示出了按照本发明的一个方面，基站利用接收的信道信息计算发射射束生成矢量的示例性处理，该信道信息在图2步骤205中给出。一旦控制传递到图2的步骤205，则在步骤301中进入图3的处理。接着，在步骤303中，按照本发明的一个方面，计算信号和干扰相关矩阵ΦiS，ΦiI。更确切地说，按照本发明的一个方面，基站中为虚拟上行网络确定信号和干扰相关矩阵，虚拟上行网络是从基站延伸到无线终端的信道的实际下行集合的数学等价物。
为了确定虚拟上行网络，假定发射机，即基站，是接收机，而接收机，即无线终端，是发射机。此外，假定虚拟上行网络的信道响应与下行信道的总集相同。一旦虚拟上行网络已知，那么以传统方式确定信号和干扰相关矩阵。
之后，在步骤305中，计算步骤205的第n次重复中每个无线终端i的加权矢量W，使得SINR和Γ最大，分别利用虚拟上行网络的信号和干扰相关矩阵ΦiS，ΦiI。这通过以下计算实现：Win=argmaxwiΓi(Wi,Pn,Vn-1)]]>=argmaxwiwiHΦiSwiwiHΦiIwi]]>=argmax|wi|=1Pin-1|WiHFiiSvi|2ΣjPjn-1|WiHFjiIvi|2+Ni|vi|2]]>
其中：
FjiI是第j个无线终端对与第i个无线终端相关联的基站接收机的信道响应，第i个无线终端可以属于同一基站，也可以属于另一基站；
FiiS是第i个无线终端对与第i个无线终端相关联的基站接收机的信道响应；
Ni是第i个无线终端的附加噪声功率；
P是功率矢量，它的每个元素是虚拟发射机的功率；
V是每个无线终端的瑞克组合矢量vi集合；以及
H意味着Hermitian，它是矢量或矩阵的复共轭转置。
注意到对应于特定无线终端的每个矢量vi的单个分量被分别提供给该特定无线终端的无线接收机103的各个瑞克组合乘法器163。还需要注意到，因为该步骤需要来自前一次重复的图2处理的功率配置，因此在处理第一次执行时，需要采用随机功率配置。一旦进行处理，则不论初始值如何，功率配置最终会朝着所需方案的方向变化。
此外，注意到每个无线终端与目前正为其提供服务的基站中的相应电路相关联，以图1所示为例，相应电路包括分集模块109、组合器111和射束生成器和功率控制单元121。每个无线终端及其相应的基站电路由相同的标识符表示。为了简化矩阵操作，该标识符一般是从1到M的数字，其中M是整个无线系统所服务的用户总数，该无线系统可以是多个基站的网络。但是，其它标识符可以由实现者决定，例如对应于无线终端的电话号码。此外，表示无线终端的各标识符可以关联在一起，在需要时选择适合需要完成的每个功能的标识符。
此外，在步骤305中，通过计算来计算虚拟上行链路功率矢量，其中，Pin是第i个无线终端在第n次重复计算虚拟上行功率矢量中用以向基站发射的虚拟上行链路发射功率；γi是第i个基站的目标SINR-它是链路质量规格，可以由用户选择-；Γi是第i个基站的SINR。
然后，该处理在步骤307退出。注意到，在退出时，控制传递到图2的步骤207。
如同前面针对图2的步骤207所描述的那样，基站执行基站发射功率控制，更确切地说，基站更新它所服务的每个无线终端所用的功率。基站对它所服务的每个无线终端使用的更新后的功率可以通过计算，其中是基站用以向第i个无线终端发射的实际发射功率；是前一次执行步骤213时的下行链路发射功率矢量；vin-1是前一次功率控制重复过程中第i个无线终端的瑞克组合矢量v；γi是第i个无线终端的目标SINR-它是链路质量规格，可以由用户选择-；是第i个无线终端的SINR；Wn是发射加权矢量集合。
如同前面针对图2的步骤213描述的那样，按照本发明的一个方面，每个无线终端计算其最优瑞克接收机组合矢量，例如提供给接收机103(图1)的瑞克组合乘法器163的权值。最优瑞克接收机组合矢量可以通过以下计算确定：vin=argmax|vi|=1Γi(Wn,vi,P~n-1)]]>=argmaxwiviHΦ~iSviviHΦ~iIvi]]>=argmax|vi|=1P~in|WinHFiivi|2ΣjP~jn|WjnHFijIvi|2+Ni|vi|2]]>
其中是第i个无线终端中所需信号的相关矩阵；是第i个无线终端中所需信号的相关矩阵；
前述技术的组合使用会带来优化的功率配置和射束生成矢量，以及最大的系统性能，在无线终端，例如用户的数量给定的情况下，最大系统性能可以转化成每个给定的SINR或最大SINR的最大系统容量。但是，应当注意到前述技术并不需要同时全部应用于一个系统。仅应用一些技术虽然不会带来最优的系统性能，却可以导致系统性能的改进。类似地，可以单独或结合使用次优技术来代替前述技术，这虽然不会带来最优的系统性能，却可以导致系统性能的改进。
例如，在第n次重复步骤205中，不是象前面针对步骤305描述的那样，利用虚拟上行网络的信号相关矩阵，ΦiS为每个无线终端i确定加权矢量W以使SINR和Γ最大，而是在第n次重复步骤205中，为每个无线终端i如下计算的加权矢量W仅使所需用户i的增益最大：Win=argmaxwiwiHΦiSwi]]>=argmax|wi|=1|WiHFiiSvi|2]]>
其中所有变量都已在前文中描述。在第n次重复步骤205中，为每个无线终端i确定加权矢量W以使SINR和Γ最大的方法的另一可选方案是，使得从基站到所需无线终端的增益最大，但通过解以下限制增益最大化，限制对其它无线终端的总的发射干扰：Win=argmaxwiwiHΦiSwi]]>subject toΣiwiHΦiIwi<c]]>=argmaxwi|WiHFiiSvi|2]]>subject toΣj|WjHFjiIvi|2<c]]>
其中c是任意常量，当步骤207中进行基站发射功率控制时，该常量将最终被消去。这样，不需要选择c的特殊值。
图4示出了按照本发明的一个方面，使虚拟上行网络的最小信号干扰比(SIR)最大化的示例性处理，前述网络用于表示系统的下行链路。SIR类似于SINR，但是没有考虑附加的噪声。一般通过以下过程实现最小SIR的最大化：将虚拟上行网络的所有SIR设置成公共值，然后尝试使该公共值最大化。在数学上，这可以表示成需要解。该处理将作为图2的步骤205和207的可选方案执行。
这样，更确切地说，在步骤203执行结束时，步骤401中进入图4所示处理。接着，在步骤403中，最大化虚拟上行网络的SIR，生成射束生成加权矢量，如下计算这些矢量：Win=argmaxwiSIRi(Wi,Pn,Vn-1)]]>=argmaxwiwiHΦiSwiwiHΦiIwi]]>=argmax|wi|=1Pin-1|WiHFiiSvi|2ΣjPjn-1|WiHFjiIvi|2]]>
其中所有变量都已在前面描述。注意到因为该步骤需要来自前一次重复的图4处理的功率配置，因此在处理第一次执行时，需要采用随机功率配置。一旦进行处理，则不论初始值如何，功率配置最终会朝着所需方案的方向变化。
接着，在步骤405中，进行虚拟上行网络的功率控制。换句话说，为虚拟上行网络的每个信道指派一个发射功率，虽然是一个虚拟发射功率。这可以通过以下过程实现：首先构造两个增益矩阵，D和F。D是所需链路增益，F是其加权矢量为w的所需链路上的干扰增益。然后，确定D和F的乘积的频谱半径，即最大特征值。之后，找到对应于D和F乘积的频谱半径的特征向量，确定虚拟上行链路的最优功率配置。前述过程在数学上可以如下表示：
[Dw]ii=1/|WiHFiiSvi|2]]>
[Fw]ji=|WjHFjiIvi|2]]>
γmax＝ρ(DwFw)
Pn+1＝γmaxDwFwPn
其中ρ是频谱半径，γmax是可实现的最大SIR。