使用多发送/接收天线系统的无线通信装置和方法 【技术领域】
本发明通常涉及一种具有多发送/接收天线的无线通信系统，尤其涉及一种通过使用多个发送/接收天线来形成多个空间子信道并且有效地将所述空间子信道分配给多个用户的无线通信装置和方法。
背景技术
对于诸如语音服务的低速数据服务，已经开发出传统时分复用(TDM)或码分复用(CDM)无线通信系统。这样的传统无线通信系统已经不适合将来的需要高速多媒体传输的无线通信系统。为了实现高速传输，需要开发能够提高有限频率资源的利用效率的技术。最近，已经提出了一种多发送/接收天线技术作为用于提高效率的典型技术。
多发送/接收天线系统使用多个发送/接收天线，并且在无线电收发机中应用适当的时空信号处理技术来提高频率的利用效率，从而实现具有有限带宽的高数据速率。众所周知，可实现的最大数据速率与发送数据的无线信道的容量有关，具有足够数量的传输路径的无线信道的理论容量近似地与发送/接收天线地数量成正比(请参考G.J.Foschini和M.J.Gans，“On Limits Of WirelessCommunications In A Fading Environment When Using MultipleAntennas”，Wireless Personal Communications，pp.311-355，March 1998)。
在多发送/接收天线系统中，为了获得最大数据速率，接收机和发送机都必须使用信道状态信息来执行时空信号处理(请参考G.G.Raleigh和J.M.Cioffi，“Spatio-temporal Coding For Wireless Communication”，IEEETransactions on Communication，pp.357-366，March 1998)。在这种方法中，大量的信道信息必须从接收机中反馈回发送机，从而导致发送机和接收机的硬件复杂性增加。
然而，在已知的V-BLAST系统中，发送机不需要信道信息，并且仅接收机使用信道状态信息来执行信号处理(请参考G.J.Foschini，“SimplifiedProcessing For High Spectral Efficiency Wireless Communication EmployingMulti-element Arrays”，IEEE Joumal on Selected Areas in Communication，pp.1841-1852，Nov.1999)。与其中在发送机中使用信道状态信息的方法相比，V-BLAST方法仅在数据速率上有轻微的减少，但是可以解决反馈信息问题和发送机与接收机的复杂性问题，从而作为实用并且重要的技术吸引了大众的注意力。
在单一天线TDM无线通信系统中，由于一个频率信道被划分成多个时隙，因此仅使用了一个时间轴上的多个信道。相反，多发送/接收天线系统在空间域中形成多个子信道，而不管发送机是否需要信道状态信息，并且同时发送不同的数据。这里，“子信道”是指从包含在发送机中的每个发送天线前进到接收机的无线通信路径。由于这些特性，多发送/接收天线系统可以在空间域中并行发送不同的数据，从而与单一天线系统相比实现了数据速率增加。
到目前为止，大多数对多发送/接收天线系统的研究集中于能够在单个用户系统中增加数据传输效率和减小传输错误的技术的开发。由于大多数无线通信系统必须设计成使多个用户可以从基站接收信号，所以必须进行考虑多用户系统的研究。
由于每个用户终端具有一个独立的地理位置和周围无线环境，所以基站与各个用户终端之间的无线信道也是独立的。因此，可能同时存在具有适合在特定时间(即时隙)发送数据的信道环境的用户和具有由于衰落影响而不适合发送数据的信道环境的用户。
如上所述，多发送/接收天线系统使用多个发送天线来形成多个空间子信道，并且所形成的多个子信道表现出不同的特性。因此，需要一种通过使用各个用户的独立信道特性和由多天线系统提供的多个子信道来提高支持多个用户终端的无线通信系统的性能的技术。
【发明内容】
因此，本发明的一目的是提供一种用于具有多个天线的基站和无线终端的无线通信系统的无线通信设备和方法。
本发明的另一目的是提供一种用于在具有多个天线的基站和无线终端的无线通信系统中增加系统容量的设备和方法。
本发明的另一目的是提供一种在多发送/接收天线系统中将无线信道上的多个子信道分别地分配到多个用户终端的设备和方法。
根据本发明的一方面，提供一种无线通信设备，所述无线通信设备包括具有M个通过无线信道与K个用户终端通信的天线的基站。所述基站包括：数据速率信息恢复器，用于根据从所述K个用户终端接收的反馈信号，从M个天线中恢复表示每个子信道的可用数据速率的数据速率信息；子信道和数据速率分配信息发生器，用于根据所述数据速率信息将所述M个子信道分配给所述K个用户终端，并且确定所分配的子信道的数据速率；以及发送器，用于经由所分配的M个天线以所确定的数据速率将所选择的M个用户终端的数据发送到M个用户终端。如果K大于或等于M，则所述子信道和数据速率分配信息发生器在每个时隙将所述M个子信道分配到基于循环法从所述K个用户终端选择的M个用户终端。
根据本发明的另一方面，提供一种通过无线通信系统中的基站来执行无线通信的方法，所述无线通信系统包括具有M个通过无线信道与K个用户终端通信的天线的基站。所述方法包括步骤：根据从所述K个用户终端接收的反馈信号，从M个天线中恢复表示每个子信道的可用数据速率的数据速率信息；在每个时隙根据所述数据速率信息将所述M个子信道分配给所述K个用户终端，确定所分配的子信道的数据速率，并且当K大于或等于M时，在每个时隙将所述M个子信道分配到基于循环法从所述K个用户终端选择的M个用户终端；以及所确定的数据速率经由所分配的M个天线将所选择的M个用户终端的数据发送到所述M个用户终端。
【附图说明】
从结合附图的下面详细的描述中，本发明的上面和其它方面、特征和优点将变得更加明显，附图中：
图1是解释其中每个发送天线发送独立数据的多发送/接收天线系统的结构方框图；
图2是解释在图1的发送机和接收机之间形成的M个空间子信道的方框图；
图3是解释包括基站和多个用户终端的普通无线通信系统的图；
图4是解释包括具有多个天线的基站和K个用户终端的无线通信装置的方框图；
图5是解释在根据本发明一个实施例的、图4的无线通信装置中执行的操作的流程图；
图6是解释在根据本发明一个实施例的、图4的K个用户终端中的第k用户终端22-k的详细结构方框图；
图7是解释根据本发明一个实施例的、图4中所示的基站的详细结构的方框图；
图8是解释根据本发明一个实施例的、图7的子信道和数据速率分配信息发生器的操作的流程图；
图9是解释M＝3个用户的各个子信道的标准化数据速率(normalized datarate)的示例表；
图10A到10F是解释可能的组合以及相关数据速率之和以通过使用图9的子信道信息来找到最大化数据速率之和的、用户和子信道的组合的表；以及
图11A到11D是解释通过使用图9的子信道信息来找到近似地最大化数据速率之和的用户和子信道的组合的过程的表。
【具体实施方式】
现在将参考附图来详细描述本发明的几个优选实施例。在下列描述中，这里为了简洁而省略了已知功能和结构的详细描述。此处使用的术语在本发明中考虑它们的功能而被定义，并且它们根据用户、用户的意图、或用户实践而变化。因此，此处使用的术语应当根据本说明书的整体内容来定义。
本发明根据无线通信系统中的系统容量将基站的发送天线有效地分配到多个用户终端。该无线通信系统包括覆盖预定服务区域的基站以及与所述服务区域之内的基站通信的多个用户终端。基站和用户终端具有多个天线。为了从基站的多个发送天线接收信号，每个用户终端应当包括等于或大于基站的发送天线数量的多个接收天线。这在多发送/接收天线系统中是已知的，这里为了简化就省略了对其的详细描述。
图1示出了根据本发明一个实施例的、其中每个发送天线发送独立数据的多发送/接收天线系统的结构方框图。如图所示，发送机110包括M个发送天线116-1到116-M，接收机120包括N个接收天线126-1到126-N。
参看图1，被编码的调制数据流d1d2d3…被信号分离器(DEMUX)112多路分解成M个子数据流，并且随后在发送时空信号处理器114中经过适当的信号处理之后，通过M个发送天线116被发送。接收时空信号处理器122对在经过无线信道100之后由N个接收天线126接收的发送数据进行恢复，并且复用器(MUX)124从所恢复的数据中输出原始数据流。当发送天线的数量大于M时，可以通过应用时空编码技术来发送M个不同的数据流来提高错误性能。
图2示出了图1的多发送/接收天线系统中在每个时隙中形成的M个子信道的方框图。如图所示，发送时空信号处理器114、多个发送天线116、无线信道100、多个接收天线126以及接收时空信号处理器122在发送机110与接收机120组合起来，等效地形成M个空间域子信道10-1到10-M。
图3示出了包括一个基站和多个用户终端的蜂窝无线通信系统的图。如图所示，该系统包括覆盖预定服务区域200的基站210以及在所述服务区域200内与基站210通信的多个用户终端22-1到22-K。
图4示出了包括一个具有多个天线的基站和K个用户终端的无线通信装置的方框图。如图所示，该装置包括具有Nt个发送天线的基站210和K个用户终端22-1到22-K，用户终端均执行相同的功能并且具有Nr(k)个接收天线。在基站210与用户终端22-1到22-K之间形成M个子信道，其中M小于或等于Nt和Nr(k)(Nt≥M，Nr(k)≥M)。
图5是解释在根据本发明一个实施例的、图4的无线通信装置中执行的操作的流程图，其中所示出的步骤在每个时隙中被重复执行。在各个用户终端22-1到22-K中执行步骤300和310，而在基站210中执行步骤320和330。
参考图5，在步骤300，第k用户终端22-k使用来自基站210的下行链路导频信号对第k用户终端22-k与基站210之间的无线信道特性进行估计，以Nr(k)*Nt矩阵HD[k]的形式来计算信道估计结果，并且从来自基站210的下行链路控制信号中恢复子信道分配信息。子信道分配信息由A＝[a1，a2，…，aM]来表示，其中am是分配到第m子信道的用户终端的索引。之后，第k用户终端22-k根据信道估计结果和子信道分配信息为经过数据信道发送的第k用户恢复数据。这里，分配到第k用户的数据是指经过am＝k的子信道发送的数据。在这点上，第k用户终端22-k可以选择性地仅恢复对应于第k用户的数据，或者在恢复所有数据之后选择性地仅选择对应于第k用户的数据。
在步骤310，第k用户终端22-k根据信道估计结果HD[k]来确定有关可用于子信道的最大数据速率的信息，并且经由第k上行链路反馈信道将所确定的信息发送到基站210。最大数据速率信息由R[k]＝[r1[k]，r2[k]，…，rM[k]]来表示，其中rm[k]是可用于第k用户的第m子信道的数据速率的反馈信息。最大数据速率信息R[k]被延迟了一个时隙T，并且随后，在下一时隙用作数据检测。
在步骤320，基站210从K个用户终端22-1到22-k中接收的反馈信号中恢复可用于每个用户的子信道的最大数据速率信息R[k]，通过使用所恢复的最大数据速率信息来确定哪个子信道将被分配给哪个用户，并且产生子信道分配信息A和数据速率分配信息RA＝[r1[a1]，r1[a2]，…，rM[aM]]。在步骤330，基站210产生具有子信道分配信息A的下行链路控制信号，并且通过使用数据速率分配信息RA来产生数据信号，所述数据信号经由通过空间复用(SM)形成的M个子信道来发送根据子信道分配信息A确定的用户数据。之后，基站210对所产生的数据信号、下行链路控制信号和下行链路导频信号进行多路复用，并且将它们发送到第一到第K用户终端22-1到22-K。
图6是说明根据本发明一个实施例的图4的K个用户终端中的第k用户终端22-k的详细结构的方框图。其它用户终端也具有相同的结构。如图所示，第k用户终端22-k包括Nr(k)个天线400、信道估计器410、子信道分配信息恢复器420、数据解码器430、数据速率信息发生器440、延迟发生器450以及信道复用器460。
多个天线400从基站210接收下行链路导频信号、下行链路控制信号以及数据信号。信道估计器410根据下行链路导频信号对基站210与第k用户终端22-k之间的下行链路信道特性HD[k]进行估计，并且将估计结果传递到子信道分配信息恢复器420、数据检测器430以及数据速率信息发生器440。
子信道分配信息恢复器420通过使用信道特性HD[k]从下行链路控制信号中恢复子信道分配信息A，并且将恢复的子信道分配信息传递给数据检测器430，数据检测器430通过使用信道特性HD[k]、子信道分配信息A和在前一时隙确定的子信道的数据速率分配信息，根据数据信号来检测对应于第k用户的数据。如果基站210中包括的发送天线的数量大于M(Nt＝M)，则第k用户的接收数据信号y[k]可表示为：
y[k]＝HD[k]Pd+z .....(1)
在等式(1)中，P＝diag(p1，p2，…，pM)，d＝[d1，d2，…，dM]，以及z＝[z1，z2，…，zNr(k)]，其中pm表示第m天线的发送功率的平方根，dm表示经由第m子信道，即经由第m发送天线发送的数据，以及zn表示第n接收天线的噪声分量。
例如，如果数据检测器430由最小均方误差(MMSE)检测器组成，则对于am＝k，第k用户可以根据下列等式(2)来检测经由第m个子信道发送的数据dm：
d^m=Q(Wmy[k])]]>
W=HD[k]HHD[k]HD[k]H+(Mσ2/PR)I---(2)]]>
在等式(2)中，Wm表示W的第m行，Q(·)表示限幅操作，上标H表示Hermitian矩阵，σ2表示噪声变量，以及PR表示接收的信号的功率，以及I表示Nr[k]维单位矩阵。当以等式(2)所示的方式检测数据时，根据下列等式(3)可以从信道特性HD[k]中计算出可用于M个子信道的最大数据速率。
Cm[k]＝log2(1+SINRm[k])
SINRm[k]=PR|[W[k]HD[k]]mm|2σ2MΣn=1M|[W[k]]mm|2+PRΣn=1,n≠mM|[W[k]HD[k]]mm|2---(3)]]>
在等式(3)中，SINRm[k]表示第k用户的第m子信道的信号对干扰和噪声比(SINR)。
数据速率信息发生器440使用由等式(3)计算的M个子信道的容量Cm[k](m＝1，2，…，M)来产生上行链路反馈信号。然后信道复用器460对以这种方法产生的第k个反馈信号和第k个上行链路导频信号进行多路复用，并且经由上行链路将多路复用的信号发送到基站210。
图7是描述根据本发明一个实施例的图4所示的基站210的详细结构的方框图，基站210包括Nt个天线500、信道估计器510、数据速率信息恢复器520、子信道和数据速率分配信息发生器530、子信道和数据速率分配器540、用户数据存储器550、空间复用(SM)数据发生器560、以及信道复用器570。这里，多个天线500被称作“组合发送/接收天线”。
多个天线500从正在基站210的服务地区中通信的K个用户终端22-1到22-K中接收上行链路导频信号和反馈信号。信道估计器510根据从各个用户终端经由多个天线500接收的第一到第K上行链路导频信道，对基站与各个用户终端之间的上行链路信道特性HU[k]进行估计，并且将估计结果传递给数据速率信息恢复器520。对于每个用户的子信道，数据速率信息恢复器520根据第一到第K个反馈信号和信道估计结果对数据速率信息R[k]进行恢复，并且将所恢复的数据速率信息传递给子信道和数据速率分配信息发生器530。子信道和数据速率分配信息发生器530通过考虑每个用户的数据速率信息R[k]、无线资源分配的公平性和用户优先级来产生子信道分配信息A和分配的子信道的最大数据速率信息RA，并且将所产生的信息传递给子信道和数据速率分配器540。而且，子信道和数据速率分配信息发生器530将子信道分配信息A转换成下行链路控制信号，并且所转换的下行链路控制信号被传递到信道复用器570。
子信道和数据速率分配器540根据所分配的子信道的子信道分配信息A和最大数据速率信息RA，对将与每个子信道的数据速率匹配的、来自用户数据存储器550的数据进行编码和调制，并且将所编码和调制的数据传递给SM数据发生器560。SM数据发生器560通过从子信道和数据速率分配器540接收的数据的SM来产生数据信号d，并且将所产生的数据信号传递给信道复用器570。信道复用器570将用于子信道分配的下行链路控制信号、数据信号和下行链路导频信号进行复用，并且经由多个天线500将所复用的信道发送到相应的服务区域之内的第一到第K用户终端22-1到22-K。
在这样的无线通信系统中，基站210的子信道和数据速率分配信息发生器530根据基站210中所包括的发送/接收天线的数量M，在循环基础上(on around robin basis)，每个时隙在通信的总计为K个用户终端22-1到22-K之中选择M个用户终端，并且将M个子信道分配给所选的M个用户终端，从而整个系统根据表示可用于所选用户终端的各个子信道的最大数据速率的数据速率信息而被优化。
图8是解释根据本发明一个实施例的图7的子信道和数据速率分配信息发生器530的操作流程图。这里，图8解释了一种将M个子信道分配给基于循环法选择的M个用户，从而数据速率的和被最大化的方法。当分配子信道时，根据相应用户的子信道分配信息而自动确定每个子信道的数据速率。同样的，每个时隙重复执行这里所示的步骤。
在步骤700，子信道和数据速率分配信息发生器530对有数据要发送到用户数据存储器550的用户的数量进行检查，并且检验用户的数量是否已比前一时隙增加或减少，以便确定是否用户的数量已经改变。如果用户的数量已改变，则子信道和数据速率分配信息发生器530在步骤710将为用户分配唯一索引，以便标识每个用户。例如，如果有数据要发送的用户的数量是K，则将索引1、2、…、K分配给用户。如果用户的数量在某一时隙从K增加L，则所增加的用户被分配索引K+1、K+2、…、K+L，原来的K个用户的索引保持不变。然而，如果用户的数量从K减少L，则剩余的用户被依次分配索引1、2、…、K-L。这防止了现有用户被重复选择。
在步骤720，子信道和数据速率分配信息发生器530基于循环法在K个用户中选择与可分配的子信道的数量M一样多的用户。如果K＝10且M＝4，例如在每个时隙选择的用户假定为{1，2，3，4}、{5，6，7，8}、{9，10，1，2}、{3，4，5，6}等。这里，{}中的数字代表所选用户的索引。如果用户的数量K小于子信道的数量M，则在一个时隙可以重复选择相同的用户。例如，如果K＝3且M＝4，则在每个时隙选择的用户假定为{1，2，3，1}、{2，3，4，1}等。或者更普通为，可以更频繁地选择具有一个分配的加权的特定用户。如果K＝10且M＝4，并且第一到第三用户对于其它用户具有一个双倍的加权，则在每个时隙选择的用户假定为{1，1，2，2}、{3，3，4，5}、{6，7，8，9}、{10，1，1，2}等。
如果选择了M个用户，则在步骤730，子信道和数据速率分配信息发生器530将一个子信道分配到每个选择的用户，从而不会重复地分配子信道。同时，根据可用于每个选择的用户的子信道的最大数据速率来分配子信道，从而最大化总的数据速率。
如步骤730的详细实施例，子信道和数据速率分配信息发生器530根据在所选择用户和可分配子信道的所有可能组合之中的、最大化最大数据速率之和的组合，来分配子信道和数据速率。也就是，当将M个子信道分配给M个用户时，所有可能组合的数量是M！(＝M*(M-1)*…*2*1)。然后，通过对所有可能组合计算各个用户的子信道的数据速率之和，可以根据具有最大和的组合来将子信道分配给用户。
图9是解释当M＝3时选择的用户的各个子信道的最大数据速率的标准化值(normalized value)和在从数据速率信息产生的范围从1到4(通过将数据速率rm[k]除以一个rm[k]的可能最大值而确定的值)中的标准化数据速率的可能值的示例。
如图所示，第一用户(k＝1)的第一到第三子信道(m＝1，2，3)的标准化最大数据速率分别是3、1和3，并且第二用户(k＝2)的第一到第三子信道(m＝1，2，3)的标准化最大数据速率分别是2、2和1。最后，第三用户(k＝3)的第一到第三子信道(m＝1，2，3)的标准化最大数据速率分别是1、4和2。例如，第一用户的第一子信道可以支持为第二用户的第三子信道的最大数据速率3倍的最大数据速率。
图10A到10F是通过使用图9所示的各个子信道的最大数据速率信息来解释用户与子信道之间的总数为3！(＝6)个可能组合的数据速率之和的计算结果表。如图所示，在图10E的组合中，标准化数据速率的和最大为9，当第三子信道被分配给第一用户时，第一子信道被分配给第二用户，第二子信道被分配给第三用户。以这种方式，子信道和数据速率分配信息发生器530将子信道和数据速率分配给用户，并且随后根据其产生分配信息。
在步骤730的上述实施例中，由于最大化最大数据速率之和的组合必须从用户和子信道的所有可能组合中选择，因此，可分配的子信道的数量的增加导致计算数量的增加。作为建议解决该问题的步骤730的替代实施例，子信道和数据速率分配信息发生器530重复将一个子信道分配给一个相关的用户的操作，直到所有的子信道被分配到所有用户，所述相关用户在所选用户的各个子信道的数据速率中具有最大数据速率。
更具体的，在步骤(1)，将一个相应的子信道分配给一个具有在所选用户的、总共为M2个的标准化数据速率之中的最高数据速率的用户。如果最高数据速率的数据速率是2或更多，则相应的子信道被可选地分配给任一相关的用户。在步骤(2)，将一个相应的子信道分配给一个具有除对应于已分配的用户和子信道的数据速率之外的(M-1)2个标准化数据速率之中的最高数据速率的用户。在步骤(3)，重复步骤(2)直到M个子信道被逐个地分配给M个用户。
图11A到11D解释了使用图9所示的各个子信道的最大数据速率信息来执行步骤730的替换实施例的过程。
在图11A中，最高数据速率4是从9个数据速率中选择出来的，并且结果，第二子信道被分配给第三用户。在图11B，最高数据速率3是从除对应于第三用户和第二子信道的数据速率之外的4个数据速率中选择出来的。然而，由于第一子信道和第三子信道都可用，所以可选择性地选择的第一子信道被分配给第一用户。在图11C中，第三子信道根据除对应于第一用户和第一子信道的数据速率之外的一个剩余数据速率1而被分配给第二用户。结果，在图11D中，第一子信道被分配给第一用户，第二子信道被分配给第三用户，以及第三子信道被分配给第二用户。
结果，尽管通过图11A到11D所示的方法获得的标准化数据速率之和为8，它小于图10E的结果9，与图10A到10F的方法相比，图11A到11D的方法可以极大地减少计算的数量。
如上所述，根据本发明的子信道和数据速率分配信道发生器530通过考虑数据速率、用户之间的无线资源分配的公平性(基于循环法)、以及用户的优先级(应用加权)有效地将子信道分配给用户。
本发明具有以下优点。首先，本发明通过将由多发送/接收天线系统提供的空间域子信道分配给多个用户而将用户信道的变化和独立性与空间域信道的变化和独立性有效地结合，从而提高了无线通信系统的数据速率。其次，本发明能够用有限的无线资源以更高的数据速率来发送数据。再次，本发明通过考虑用户之间的无线资源分配的公平性以及用户的优先级和数据速率将子信道分配给用户，从而提高了提供给每个用户的无线通信服务的质量。
虽然已经参考了本发明的某一优选实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在不背离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以作出形式和细节上的各种变化。具体的，尽管已经参考基于循环法选择用户并且将一个子信道分配给每个所选的用户的操作描述了本发明，本发明也可能通过应用一种使用不同用户选择方法来分配子信道的方法或者一种同时执行用户选择和子信道分配的方法，来改善包括多个发送/接收天线的无线通信系统的性能。