一种协作通信的方法和系统、 基站及移动终端装置 技术领域 本发明涉及无线通信技术领域， 具体而言是涉及一种协作通信的方法和系统、 基 站及移动终端装置。
背景技术 移动通信系统支持不同移动方式的用户， 包括静止， 低速和高速用户。 对于低速用 户 ( 对应闭环用户 )， 信道状态信息 (Channel State Information， CSI) 变化较慢， 因此基 站侧通过终端反馈 CSI 做预编码即能使闭环用户获得高质量服务。但对于高速用户 ( 对应 开环用户 )， 由于多普勒频移， CSI 变化很快， 基站很难获得实时的 CSI， 因此基站侧无法通 过终端反馈 CSI 使开环用户获得高质量服务。
对于开环用户， 在实现本发明的过程中， 发明人研究发现当前协作通信中至少存 在如下问题 ： 1、 协作基站的天线数目远多于服务的开环用户天线个数， 某时刻基站只服务 单个开环用户导致系统效率不高 ； 2、 基站很难获得开环用户瞬时的 CSI， 导致频谱利用率
低； 3、 由于开环的空分多址 (Space-Division-Multiple-Access， SDMA) 技术不能预处理用 户间的干扰， 只能设计某种传输结构使得在接收端处理用户间的干扰， 这样必然依赖于系 统天线的配置， 而不能适应接收天线的变化。 发明内容
本发明实施例提供一种协作通信的方法和系统、 基站及移动终端装置， 能够复用 开闭环用户， 提高系统的频谱利用率。
为实现上述目的， 本发明实施例提供的一种协作通信的方法， 包括 ：
接收用户发送的信道状态信息， 该信道状态信息为除去多径信号的信道状态信息 获得的所述用户的直视径信号的信道状态信息 ；
获取与所述用户信道正交的闭环用户的信道状态信息 ；
利用所述用户的直视径信号的信道状态信息和所述闭环用户的信道状态信息进 行预编码计算 ；
利用所述预编码计算的结果向所述用户发送通信数据。
本发明实施例提供的另一种协作通信的方法， 包括 ：
获取用户的信道状态信息， 除去信道状态信息中多径信号的信道状态信息获得所 述用户的直视径信号的信道状态信息 ； 向基站发送所述用户的直视径信号的信道状态信 息， 该用户的直视径信号的信道状态信息用于基站确定协作通信方案 ； 接收基站发送的通 信数据。
本发明实施例提供的基站， 包括 ：
信道信息接收单元， 用于接收用户发送的信道状态信息， 该信道状态信息为除去 多径信号的信道状态信息获得的所述用户的直视径信号的信道状态信息 ；
闭环信道信息获取单元， 用于获取与所述户信道正交的闭环用户的信道状态信息； 预编码单元， 用于利用所述用户发送的信道状态信息和所述闭环用户的信道状态 信息进行预编码计算 ；
发送单元， 用于利用所述预编码计算的结果向所述用户发送通信数据。
本发明实施例提供的移动终端装置， 包括 ：
信道信息获取单元， 用于获取用户的信道状态信息 ；
过滤单元， 除去信道状态信息中多径信号的信道状态信息获得所述用户的直视径 信号的信道状态信息 ；
发送单元， 用于向基站发送所述用户的直视径信号的信道状态信息， 该用户的直 视径信号的信道状态信息用于基站确定协作通信方案 ；
接收单元， 用于接收基站发送的通信数据。
本发明实施例提供的协作通信系统， 包括基站和移动终端装置，
所述移动终端装置， 用于获取用户的直视径信号的信道状态信息， 向基站发送所 述用户的直视径信号的信道状态信息用于基站确定协作通信方案， 接收基站发送的通信数 据；
所述基站， 用于接收所述移动终端发送的所述用户的直视径信号的信道状态信 息， 获取与所述用户的信道正交的闭环用户的信道状态信息， 利用所述用户的直视径信号 的信道状态信息和所述闭环用户的信道状态信息进行预编码计算， 并利用所述预编码计算 的结果向所述用户发送通信数据。
由上述本发明实施例提供的技术方案可知， 通过获取用户的直视径部分的信道状 态信息和与所述用户信道正交的闭环用户的信道状态信息， 能够在下行传输中开闭环用户 一起调度， 有效地提高多用户分集， 提高系统的总容量 ； 并且通过对所述用户及所述闭环用 户分别进行预编码， 能够预处理用户间干扰， 使得协作基站能够适应不同用户接收天线的 变化， 提高了系统的频谱利用率。
附图说明 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案， 下面对实施例中所需要使用的附图 作简单地介绍。
图 1 为本发明实施例提供的一种协作通信的方法流程图 ；
图 2 为本发明实施例提供的一种利用用户的莱斯因子确定混合 SDMA 系统工作模 式的算法流程图 ；
图 3 为图 2 在三个协作基站下为用户选择工作模式的样例 ；
图 4 为本发明实施例提供的 2 个协作基站混合调度 1 个开环用户和 2 个闭环用户 的应用场景 ；
图 5 为图 4 应用场景只有 1 个闭环用户可供选择时的系统总容量仿真结果 ；
图 6 为图 4 应用场景有多个闭环用户可供选择时的系统总容量仿真结果 ；
图 7 为本发明实施例提供的另一种协作通信的方法流程图 ；
图 8 为本发明实施例提供的一种协作通信的系统的组成图 ；
图 9 为本发明实施例提供的一种下行传输混合 SDMA 架构图 ；
图 10 为本发明实施例提供的一种基站的功能结构图 ； 图 11 为本发明实施例提供的一种移动终端装置的功能结构图。具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述。
实施例一
参见图 1， 本发明实施例提供的一种协作通信的方法， 包括 ：
步骤 11， 接收用户发送的信道状态信息， 该信道状态信息为除去多径信号的信道 状态信息获得的所述用户的直视径信号的信道状态信息。
可以理解的是， 本实施例的用户可以认为是一个特别的开环用户， 在特定的情况 下可以反馈一定的信道状态信息。 在本实施例中我们可以理解为对传统一般意义的开环用 户的操作， 可以让其反馈一些信道状态信息。
对于开环用户， 假设第 n 个基站和第 m 个开环用户的下行信道矩阵为莱斯信道， 用 Gm， 其表达式可表示为 ： n 来表示，
其中是莱斯信道的直视径 (Line of Sight，LOS) 部分，是莱斯信道的瑞利信道部分， Km，n 是莱斯因子， 即直视径部分与瑞利部分的功率比， ηm， 是基站与移动终端之间距离的函数。 n 是路损，
对第 m 个开环用户的聚合信道矩阵表示为 ：
Gm ＝ [Gm， 1Gm， 2… Gm， N]，由于开环用户的 LOS 部分的信道状态信息 CSI 变化较慢， 本实施例提供了一种基 于滑动窗口来估计开环用户的信道状态信息 ： 初始条件 ： 对于 n ＝ 1， 2， ...， N，
对第 m 个开环用户， m ＝ 1， 2， ...， M， 在每 T 个信道时刻， 收集了 T 个信道系数后， 第 m 个开环用户计算的更新后的信道估计值为 ：
其中，表示这 T 信道内的第 t 个信道系数。也即是说， 基于滑动窗口算法过滤掉开环用户信道状态信息变化快的非直视径部 分， 得到信道状态信息变化慢的直视径部分的平均的信道状态信息。其中， T 为滑动窗口大 小， T 的选择应参考信道衰落率。
步骤 12， 获取与所述用户信道正交的闭环用户的信道状态信息。
此处选择闭环用户的原则为尽可能的减少对所述用户的干扰。 与闭环用户信道正交的用户受该闭环用户的影响最小， 当然接近正交的情况干扰也较小， 在干扰可接受的范 围内同样可以选择接近正交的闭环用户。 将开环用户的信道方向矢量与侯选的闭环用户信 道方向矢量做弦距离计算， 根据弦距离对闭环用户进行调度。
对于闭环用户， 假设第 n 个基站和第 k 个闭环用户的下行信道矩阵为瑞利信道， 用 其表达式可表示为 ：
其中 ηk， 是基站与移动终端之间距离的函数。 n 是路损， 对第 k 个闭环用户的聚合信道矩阵表示为 ： Hk ＝ [Hk， 1Hk， 2… Hk， N]，由 于 闭 环 用 户 的 信 道 状 态 信 息 CSI 变 化 较 慢， 对聚合信道系数奇异值分解 (Singular Value Decompostion， SVD) 得到 ： 其中， 基于移动终端与基站互知的码本 表示共轭转置。
反馈预编码索引 ：
其中， Jk 为最准确量化用户 k 信道系数的码本索引，表示两者的弦距离。在基站侧根据移动终端反馈回来的码本索引， 从码本中找出 Jk 对应索引的码本。
基于与开环用户的信道正交来选择闭环用户， 其具体算法如下 ：
m 个开环用户的聚合信道系数均值为 ： 对聚合信道系数均值 SVD 分解得 ：将该开环用户的信道方向矢量与侯选的闭环用户信道方向矢量做弦距离计算， 选 择使得所述弦距离最大或接近最大的闭环用户进行调度。
该算法具体如下 ：
初始化 ： j＝0； 选择用户索引为 κs ＝ {1， 2，…， K} ； 输出用户索引， 设置 κo ＝ Φ， While(j ＜＝ Kcl)， do ：
(1)j ＝ j+1 ；
(3)Set κo ＝ κoUKj ；
同时所述选择的闭环用户的个数满足 ： ( 开环用户的个数 + 选择的闭环用户的个 数 )× 接收天线的个数≤ N 倍的单个基站发射天线的个数， 协作基站的个数为正整数。也 即是说， 开环用户总天线数 ( 开环用户个数乘以每个开环用户的天线个数 ) 加上闭环用户 总天线数 ( 闭环用户个数乘以闭环用户的天线个数 ) 要小于协作基站总天线个数。
步骤 13， 利用所述用户的直视径信号的信道状态信息和所述闭环用户的信道状态 信息进行预编码计算。
可以采用基于块对角化 (Block Diagonal， BD) 线性预编码算法对开闭环用户分别 进行预编码。开环用户的预编码算法如下 ：
①对开环用户信道做 SVD 分解 ：
其中是信道系数的非零空间。
②假设系统同时支持 Kcl 个闭环用户， 量化的信道系数为 Q1， Q2， ...， ③开环用户 m 的干扰信道为 ：
④对所述干扰信道做 SVD 分解 ：
⑤对该开环用户进行 BD 运算后等价的信道为 ： ⑥对等价信道做 SVD 分解 ： ⑦得到该开环用户的预编码为 ： 同理， 获得闭环用户的预编码的计算过程如下 ：
这样， 利用该开环用户和所述闭环用户的混合信道状态信息， 使用基于 BD 算法的 预编码方案， 能够预处理用户间干扰。
步骤 14， 利用所述预编码计算的结果向所述用户发送通信数据。
本发明实施例提供的协作通信的方法， 通过获取用户的直视径部分的信道状态信 息和与所述用户信道正交的闭环用户的信道状态信息， 能够在下行传输中开闭环用户一起
调度， 有效地提高多用户分集， 提高系统的总容量 ； 并且通过对所述用户及所述闭环用户分 别进行预编码， 能够预处理用户间干扰， 使得协作基站能够适应不同用户接收天线的变化， 提高了系统的频谱利用率。
为了保证混合 SDMA 系统的性能， 在获取与所述用户信道正交的闭环用户的信道 状态信息之前， 所述方法还包括 ：
根据所述用户的莱斯因子， 确定混合空分多址的系统工作模式。
该过程可参见附图 2 所示， 在某用户调度时， 协作基站中的每个待服务基站分别 计算出所述用户的莱斯因子 ； 遍历所述待服务基站比较所述计算出的莱斯因子与预先设定 阈值的大小 ； 只要存在一个所述计算出的莱斯因子大于预先设定的阀值， 则将工作模式切 换为混合 SDMA 的系统工作模式， 同时将所述计算出的莱斯因子大于预先设定阈值的待服 务基站确定为提供服务的基站。只有所述计算出的莱斯因子都小于预先设定的阀值， 才选 择现有的开环 SDMA 的系统工作模式。附图 3 是在三个协作基站下为用户选择工作模式的 样例。
例如， 参见图 4， 在 2 个协作基站 ( 基站 1 和基站 2) 混合调度 1 个开环用户和 N 个 闭环用户的应用场景下， 图 5 为在发送功率为 43dB， 只有 1 个闭环用户可供选择时的系统总 容量的仿真结果， 图 6 为在发送功率为 43dB， 有 10 闭环用户可供选择时的系统总容量的仿 真结果， 由图 5 和图 6 的仿真结果可知， 即使只有一个闭环用户可供选择， 复用开闭环用户 的系统总容量 ( 单位信道的可用比特数 ) 比只服务一个开环用户提高了许多， 而且， 可供选 择的闭环用户数目越多， 系统总容量提高的越多。
进一步地， 在利用所述用户的直视径信号的信道状态信息和所述闭环用户的信道 状态信息进行预编码计算之后， 所述方法还包括 ：
根据所述用户及所述闭环用户的权值进行功率分配。
在每根天线功率受限下 ( 比基站总功率受限更常见 )， 为了保证权值后的系统容 量最大化， 同时保证用户的性能， 本发明实施例提出的优化功率分配方案如下 ：
假设有 M 个开环用户和 Kcl 个闭环用户， 共 G 个用户 G ＝ M+Kcl， 令 {F1， F1， ...， FG}、 {P1， P1， ...， PG} 分别为这 G 个用户的预编码和分配的功率。当协作基站给每个移动终端传 输 L 个相互独立的数据流， 功率分配算法如下 ：
其中 αg 为分配给 G 用户的权值，为 Fg 的第 (g， l) 的元素， Pmax 为每个天线的限制功率。(*) 表示功率分配用凸优化来解决。
这样， M 个开环和 K 个闭环用户的下行基带信号分别为 ：
其中， 分别表示第 m 个开环用户和第 k 个闭环用户的接收信号 ； 分别表示第 m 个开环用户和第 k 个闭环用户的预编码 ； 分别表示第 m 个开环用户和第 k 个闭环用户的功率分配矩阵；
分别表示对第 m 个开环用户和第 k 个闭环用户带来干扰信 表示高斯白噪声。号的开闭环用户信号，
采用本实施例提供的基于用户的权值进行功率分配的算法， 能够均衡用户服务质 量和公平性， 保证有不同路损和莱斯因子的用户的性能和系统容量。
实施例二
参见图 7， 本发明实施例提供的另一种协作通信的方法， 包括 ：
步骤 71， 获取用户的信道状态信息。
可以理解的是， 本实施例的用户可以认为是一个特别的开环用户， 在特定的情况 下可以反馈一定的信道状态信息。
对于开环用户， 假设第 n 个基站和第 m 个开环用户的下行信道矩阵为莱斯信道， 用 Gm， 其表达式可表示为 ： n 来表示，
其中是莱斯信道的直视径 (Line of Sight，LOS) 部分，是莱斯信道的瑞利信道部分， Km，n 是莱斯因子， 即直视径部分与瑞利部分的功率比， ηm， 是基站与移动终端之间距离的函数。 n 是路损，
对第 m 个开环用户的聚合信道矩阵表示为 ： Gm ＝ [Gm， 1Gm， 2… Gm， N]，步骤 72， 除去信道状态信息中多径信号的信道状态信息获得所述用户的直视径信 号的信道状态信息。
由于开环用户的 LOS 部分的信道状态信息 CSI 变化较慢， 本实施例提供了一种基 于滑动窗口来估计开环用户的信道状态信息 ：
初始条件 ： 对于 n ＝ 1， 2， ...， N，对第 m 个开环用户， m ＝ 1， 2， ...， M， 在每 T 个信道时刻， 收集了 T 个信道系数后， 第 m 个开环用户计算的更新后的信道估计值为 ：10CN 101989867 A说其中，明书8/10 页
表示这 T 信道内的第 t 个信道系数。也即是说， 开环用户基于滑动窗口算法过滤掉信道状态信息变化快的非直视径部 分， 得到信道状态信息变化慢的直视径部分的平均的信道状态信息。其中， T 为滑动窗口大 小， T 的选择应参考信道衰落率。
步骤 73， 向基站发送所述用户的直视径信号的信道状态信息， 该用户的直视径信 号的信道状态信息用于基站确定协作通信方案。
基站如何基于开环用户的直视径信号的信道状态信息确定协作通信方案， 具体地 可参见实施例一中的相关部分。
步骤 74， 接收基站发送的通信数据。
本发明实施例提供的协作通信的方法， 通过获取用户的直视径部分的信道状态信 息， 并向基站发送所述用户的直视径信号的信道状态信息， 能够由基站确定协作通信方案， 在下行传输中开闭环用户一起调度， 有效地提高多用户分集， 提高系统的频谱利用率。
实施例三
应用上述方法实施例， 本发明实施例提供了一种协作通信系统， 参见图 8， 所述系 统包括移动终端装置 81 和基站 82，
所述移动终端装置 81， 用于获取用户的直视径信号的信道状态信息， 向基站发送 所述用户的直视径信号的信道状态信息用于基站确定协作通信方案， 接收基站发送的通信 数据 ；
所述基站 82， 用于接收所述移动终端发送的用户的直视径信号的信道状态信息， 获取与所述用户的信道正交的闭环用户的信道状态信息， 利用所述用户的直视径信号的信 道状态信息和所述闭环用户的信道状态信息进行预编码计算， 并利用所述预编码计算的结 果向所述用户发送通信数据。
可以理解的是， 本实施例的用户可以认为是一个特别的开环用户， 在特定的情况 下可以反馈一定的信道状态信息。
一种下行传输混合 SDMA 架构可参见图 9 所示， 包括 ： N 个基站协作服务 M 个开环 用户 ( 也称高速用户 ) 和 K 个闭环用户 ( 也称低速用户 )， 每个基站有 nT 个天线， 每个终端 有 nR 个天线， 其中开环用户的信道是莱斯 (Rician) 信道。该架构可应用于蜂窝网络中。
本架构包括六个功能模块 ： 基于滑动窗口的开环用户信道均值估计模块 ； 闭环用 户的瞬时 CSI 反馈模块 ； 基于莱斯因子的模式切换模块 ； 基于正交的闭环用户选择调度模 块； 开闭环用户预编码模块 ； 功率分配模块。
本发明实施例提供的协作通信的系统， 通过移动终端装置 81 将获取的用户的直 视径部分的信道状态信息发送给基站 82， 由基站 82 利用所述用户的直视径信号的信道状 态信息和与所述用户的信道正交的闭环用户的信道状态信息进行预编码计算， 能够在下行 传输中开闭环用户一起调度， 有效地提高多用户分集， 提高系统的频谱利用率。
实施例四
参见图 10， 本发明实施例还提供了一种基站， 包括 ：
信道信息接收单元 101， 用于接收用户发送的信道状态信息， 该信道状态信息为除去多径信号的信道状态信息获得的所述用户的直视径信号的信道状态信息 ；
闭环信道信息获取单元 102， 用于获取与所述用户信道正交的闭环用户的信道状 态信息 ；
预编码单元 103， 用于利用所述用户发送的信道状态信息和所述闭环用户的信道 状态信息进行预编码计算 ；
发送单元 104， 用于利用所述预编码计算的结果向所述用户发送通信数据。
可以理解的是， 本实施例的用户可以认为是一个特别的开环用户， 在特定的情况 下可以反馈一定的信道状态信息。
其中， 所述闭环信道信息获取单元 102 包括 ：
闭环用户选择模块， 用于将所述用户的信道方向矢量与待选择的闭环用户的信道 方向矢量做弦距离计算， 根据所述弦距离选择闭环用户进行调度。
为了保证混合 SDMA 系统的性能，
在闭环信道信息获取单元 102 获取与所述用户信道正交的闭环用户的信道状态 信息之前， 所述基站还包括 ：
模式确定单元 105， 用于根据所述用户的莱斯因子， 确定混合空分多址的系统工作 模式。模式确定的具体方法请参见上述的方法实施例。 在预编码单元 103 利用所述用户发送的信道状态信息和所述闭环用户的信道状 态信息进行预编码计算之后， 所述基站还包括 ：
功率分配单元 106， 用于根据所述用户及所述闭环用户的权值进行功率分配。 功率 分配的具体计算也请参见上述的方法实施例。
本发明实施例提供的基站， 通过信道状态信息接收单元 101 接收用户的直视径部 分的信道状态信息， 闭环信道信息获取单元 102 获取与所述用户信道正交的闭环用户的信 道状态信息， 能够在下行传输中开闭环用户一起调度， 有效地提高多用户分集， 提高系统总 容量 ； 并且通过预编码单元 104 对所述用户及所述闭环用户分别进行预编码， 能够预处理 用户间干扰， 使得基站能够适应不同用户接收天线的变化， 提高了系统的频谱利用率。
更进一步地， 模式确定单元 105 根据所述用户的莱斯因子， 确定混合空分多址的 系统工作模式， 能够保证混合 SDMA 系统的性能 ； 功率分配单元 106， 用于根据所述用户及所 述闭环用户的权值进行功率分配， 能够均衡用户的服务质量和公平性， 保证有不同路损和 莱斯因子的用户的性能和系统容量。
实施例五
参见图 11， 本发明实施例还提供了一种移动终端装置， 包括 ：
信道信息获取单元 111， 用于获取用户的信道状态信息 ；
过滤单元 112， 除去信道状态信息中多径信号的信道状态信息获得所述用户的直 视径信号的信道状态信息 ；
发送单元 113， 用于向基站发送所述用户的直视径信号的信道状态信息， 该用户的 直视径信号的信道状态信息用于基站确定协作通信方案 ；
接收单元 114， 用于接收基站发送的通信数据。
可以理解的是， 本实施例的用户仍可以认为是一个特别的开环用户， 在特定的情 况下可以反馈一定的信道状态信息。
其中， 所述过滤单元基于滑动窗口算法过滤掉多径信号， 得到用户的信道状态信 息中直视径部分的平均的信道状态信息， 其中所述滑动窗口的大小通过信道衰落率确定。
由于开环用户的 LOS 部分的信道状态信息 CSI 变化较慢， 本实施例提供的移动终 端装置通过过滤单元 112 基于滑动窗口算法过滤掉信道状态信息变化快的非直视径部分， 得到信道状态信息变化慢的直视径部分的信道状态信息， 并由发送单元 113 向基站发送所 述开环用户的直视径信号的信道状态信息， 用于基站确定协作通信方案， 使得基站侧能够 在下行传输中复用开闭环用户， 提高了系统总容量。
本领域普通技术人员还可以意识到， 结合本文中所公开的实施例描述的各示例的 单元及实现步骤， 能够以电子硬件、 计算机软件或者二者的结合来实现， 为了清楚地说明硬 件和软件的可互换性， 在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。 这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行， 取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。 本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能， 但是这 种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法步骤， 可以用硬件、 处理器执行的软件 模块， 或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器 (RAM)、 内存、 只读存储器 (ROM)、 电可编程 ROM、 电可擦除可编程 ROM、 寄存器、 硬盘、 可移动磁盘、 CD-ROM、 或任意其它 形式的存储介质中。
上述具体实施例并不用以限制本发明， 对于本技术领域的普通技术人员来说， 凡 在不脱离本发明原理的前提下， 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。