基于波达方向的开环MIMO方法、基站及用户设备.pdf

公开了一种基于波达方向的开环MIMO方法、基站及用户设备，用于无线传输技术领域。本发明根据用户设备的运动速度把用户设备分为低速、中速、高速用户；设置低速用户设备采用闭环MIMO模式、中速和高速用户设备采用开环MIMO模式；发送端再对反馈链路的波达方向进行测量，并根据测量得到的波达方向估计出发送链路的预编码矩阵索引号；决定MIMO系统的秩；根据秩和预编码矩阵索引号决定MIMO发送方式；再把MIMO方式、秩发送到接收端；接收端对MIMO方式、秩进行侦听；最后，接收端根据侦听到的信息进行反馈。本发明针对中速和高速用户设备，提出了基于波达方向的开环MIMO系统及装置，具有设计简单、系统性能好的特点。

1、  一种基于波达方向的开环MIMO方法，针对下行链路，包括步骤：
对用户设备的运动速度进行测量，并根据所测量的运动速度把所述用户设备分为第一类或第二类，其中第一类用户设备的速度低于第二类用户设备的速度；
为第一类用户设备设置闭环MIMO模式，且为第二类用户设备设置开环MIMO模式；
基站对上行链路的波达方向进行测量，并根据上行链路的波达方向估计出下行链路的预编码矩阵索引号；
基站决定下行链路采用哪种秩自适应的方式来进行秩的决定；
基站根据下行链路的预编码矩阵索引号和秩决定下行链路中MIMO发送方式；
基站通过下行信令发送MIMO模式、MIMO发送方式、秩、预编码矩阵索引号给用户设备；
用户设备侦听基站发出的载有下行链路的MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、预编码矩阵索引号的下行信令；
用户设备根据各自的下行链路的MIMO模式、MIMO发送方式和秩采用各自的反馈方案，需要反馈时，则根据所述反馈方案把反馈信息发送给基站；
基站根据用户设备的反馈信息，进行无线资源调度和分配，并发送数据给所述用户设备；
用户设备根据自身的类别、MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、预编码矩阵索引号对接收的数据进行解调。

2、  根据权利要求1所述的方法，其中所述秩自适应的方式包括基于反馈信道的秩自适应方式、基于瞬时的秩自适应方式、基于地理位置的秩自适应方式、基于统计信干噪比的秩自适应方式。

3、  根据权利要求1所述的方法，其中，每个用户设备对各自的运动速度进行测量，并根据所测量的运动速度把自己分为第一类或第二类。

4、  根据权利要求3所述的方法，其中每个用户设备根据各自属于的类别来为自己设置开环MIMO或者闭环MIMO。

5、  根据权利要求4所述的方法，其中每个用户设备将为自己设置的MIMO模式通过上行信令发送给基站。

6、  根据权利要求1所述的方法，其中所述根据波达方向估计出的预编码矩阵索引号是采用查表的方法来完成的。

7、  根据权利要求6所述的方法，其中波达方向的数据所对应的预编码矩阵索引号在离线情况下存储于基站和/或用户设备的数据库中。

8、  根据权利要求1所述的方法，其中用户设备根据各自的MIMO模式、MIMO的发送方式反馈不同的信息给基站，设置了基于波达方向的开环MIMO方式的用户设备无需反馈预编码索引号给基站。

9、  根据权利要求1所述的方法，其中所述方法适用于单用户MIMO系统，多用户MIMO系统，波束成形系统，预编码MIMO系统，开环MIMO方式与循环延迟分集、空频块码、频率切换发射分集的至少两种进行组合的MIMO系统。

10、  一种基于波达方向的开环MIMO方法，针对下行链路，包括步骤：
对用户设备的运动速度进行测量，并根据所测量的运动速度把所述用户设备分为第一类和第二类，其中第一类用户设备的速度低于第二类用户设备的速度；
为第一类用户设备设置闭环MIMO模式，且为第二类用户设备设置开环MIMO模式；
基站和用户设备分别对上行链路和下行链路的波达方向进行测量，并根据上行链路和下行链路的波达方向分别估计出下行链路和上行链路的预编码矩阵索引号；
基站决定采用哪种秩自适应的方式来进行秩的决定；
基站根据下行链路的预编码矩阵索引号和秩决定下行链路中MIMO发送方式；
基站通过下行信令发送秩、下行链路中MIMO模式、MIMO发送方式给用户设备；
用户设备侦听基站发出的载有秩、下行链路中MIMO模式、MIMO发送方式的下行信令；
用户设备根据各自的MIMO模式、MIMO发送方式和秩采用各自的反馈方案，需要反馈时，则根据所述反馈方案把反馈信息发送给基站；
基站根据用户设备的反馈信息，进行无线资源调度和分配，并发送数据给所述用户设备；
用户设备根据自身的类别、MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、预编码矩阵索引号对接收的数据进行解调。

11、  根据权利要求10所述的方法，其中所述秩自适应的方式包括基于反馈信道的秩自适应方式、基于瞬时的秩自适应方式、基于地理位置的秩自适应方式、基于统计信干噪比的秩自适应方式。

12、  根据权利要求10所述的方法，其中每个用户设备对各自的运动速度进行测量，并根据所测量的运动速度把自己分为第一类或第二类。

13、  根据权利要求12所述的方法，其中每个用户设备根据各自属于的类别来为自己设置开环MIMO或者闭环MIMO。

14、  根据权利要求13所述的方法，其中每个用户将为自己设置的MIMO模式通过上行信令发送给基站。

15、  根据权利要求10所述的方法，其中所述根据波达方向估计出的预编码矩阵索引号是采用查表的方法来完成的。

16、  根据权利要求15所述的方法，其中波达方向的数据所对应的预编码矩阵索引号在离线情况下存储于基站和/或用户设备的数据库中。

17、  根据权利要求10所述的方法，其中基站和用户设备利用上行链路和下行链路在波达方向上具有的互易性，控制预编码矩阵索引号的估计精度。

18、  根据权利要求10所述的方法，其中所述方法适用于单用户MIMO系统，多用户MIMO系统，波束成形系统，预编码MIMO系统，开环MIMO方式与循环延迟分集、空频块码、频率切换发射分集的至少两种进行组合的MIMO系统。

19、  一种无线通信系统中基于波达方向的开环MIMO方法，针对上行链路，包括步骤：
对用户设备的运动速度进行测量，并根据所测量的运动速度把所述用户设备分为第一类和第二类，其中第一类用户设备的速度低于第二类用户设备的速度；
为第一类用户设备设置闭环MIMO模式，且为第二类用户设备设置开环MIMO模式；
基站对上行链路和下行链路的波达方向进行测量，并根据上行链路和下行链路的波达方向分别估计出下行链路和上行链路的预编码矩阵索引号；
基站决定上行链路采用哪种秩自适应的方式来进行秩的决定；
基站根据得到的下行链路的预编码矩阵索引号，并考虑MIMO模式、秩以决定上行链路中MIMO发送方式；
基站通过下行信令发送上行链路的MIMO模式、MIMO发送方式、秩给用户设备；
用户设备侦听基站发出的载有上行链路的MIMO模式、MIMO的发送方式、秩的下行信令；
基站根据所述用户设备的上行链路的MIMO模式、MIMO发送方式采用反馈方案，需要反馈时，则根据所述反馈方案把反馈信息发送给所述用户设备；
基站对所述用户设备进行资源调度，并把调度信息通过下行信令的方式通知给所述用户设备；
用户设备根据基站发出的上行链路的MIMO模式、MIMO方式、秩、调度信息，发送数据给基站；
基站根据所述用户设备MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、预编码矩阵索引号等信息对接收的数据进行解调。

20、  根据权利要求19所述的方法，其中所述秩自适应的方式包括基于反馈信道的秩自适应方式、基于瞬时的秩自适应方式、基于地理位置的秩自适应方式、基于统计信干噪比的秩自适应方式。

21、  根据权利要求19所述的方法，其中，每个用户设备对各自的运动速度进行测量，并根据所测量的运动速度把自己分为第一类或第二类。

22、  根据权利要求21所述的方法，其中每个用户设备根据各自属于的类别来为自己设置开环MIMO或者闭环MIMO。

23、  根据权利要求22所述的方法，其中每个用户将为自己设置的MIMO模式通过上行信令发送给基站。

24、  根据权利要求19所述的方法，其中所述根据波达方向估计出的预编码矩阵索引号是采用查表的方法来完成的。

25、  根据权利要求24所述的方法，其中波达方向的数据所对应的预编码矩阵索引号在离线情况下存储于基站和/或用户设备的数据库中。

26、  根据权利要求19所述的方法，其中用户设备根据各自的MIMO模式、MIMO的发送方式反馈不同的信息给基站，设置了基于波达方向的开环MIMO方式的用户设备无需反馈预编码索引号给基站。

27、  根据权利要求19所述的方法，其中基站和用户设备利用上行链路和下行链路在波达方向上具有的互易性，控制预编码矩阵索引号的估计精度。

28、  根据权利要求19所述的方法，其中所述方法适用于单用户MIMO系统，多用户MIMO系统，波束成形系统，预编码MIMO系统，开环MIMO方式与循环延迟分集、空频块码、频率切换发射分集的至少两种进行组合的MIMO系统。

29、  一种基站，包括：
速度测量单元，用于测量至少一个用户设备的运动速度，把所述用户设备分为第一类和第二类，其中第一类用户设备的速度低于第二类用户设备的速度；
划分单元，用于根据该用户设备的运动速度确定为其设置开环MIMO还是闭环MIMO；
波达方向测量单元，用于测量上行链路的波达方向；
预编码矩阵索引号估计单元，用于基于该上行链路的波达方向估计下行链路的预编码矩阵索引号；
秩确定单元；用于确定秩的自适应方式；以及
MIMO方式确定单元，用于根据所确定的秩的自适应方式和预编码矩阵索引号来确定MIMO方式。

30、  如权利要求29所述的基站，还包括MIMO方式和秩通知单元，通过下行信令向用户设备通知所确定的MIMO方式和秩的自适应方式。

31、  如权利要求29所述的基站，其中所述秩自适应的方式包括以下至少之一：
基于反馈信道的秩自适应方式、基于瞬时的秩自适应方式、基于地理位置的秩自适应方式、基于统计信干噪比的秩自适应方式。

32、  如权利要求29所述的基站，其中所述预编码矩阵索引号估计单元采用查表的方式来根据波达方向估计预编码矩阵索引号。

33、  如权利要求30所述的基站，其中所述MIMO方式和秩通知单元通过下行信令发送MIMO模式、MIMO发送方式、秩、预编码矩阵索引号给用户设备。

34、  一种用户设备，包括：
侦听单元，侦听基站发出的载有下行链路的MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、预编码矩阵索引号的下行信令；以及
解调单元，根据自身的种类、MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、预编码矩阵索引号对接收的数据进行解调。

35、  如权利要求34所述的用户设备，还包括：反馈信息发送单元，用于根据下行链路的MIMO模式、MIMO发送方式和秩确定反馈馈方案，并且在需要反馈时，根据所述反馈方案把反馈信息发送给基站。

36、  一种用户设备，包括：
波达方向测量单元，用于测量下行链路的波达方向；
预编码矩阵索引号估计单元，用于基于下行链路的波达方向估计上行链路的预编码矩阵索引号，作为下行链路的预编码矩阵索引号；
侦听单元，侦听基站发出的载有下行链路的MIMO模式、MIMO的发送方式以及秩的下行信令；以及
解调单元，根据自身的种类、MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、下行链路的预编码矩阵索引号对接收的数据进行解调。

37、  如权利要求36所述的用户设备，其中所述预编码矩阵索引号估计单元采用查表的方式来根据波达方向估计预编码矩阵索引号。

38、  如权利要求36所述的用户设备，还包括：反馈信息发送单元，用于根据下行链路的MIMO模式、MIMO发送方式和秩确定反馈方案，并且在需要反馈时，根据所述反馈方案把反馈信息发送给基站。

39、  一种基站，包括：
波达方向测量单元，用于测量上行链路的波达方向；
预编码矩阵索引号估计单元，用于基于该上行链路的波达方向估计下行链路预编码矩阵索引号，作为上行链路的预编码矩阵索引号；
接收单元，接收来自用户设备的表示其所述类别的消息；
秩确定单元；用于确定秩的自适应方式；以及
MIMO方式确定单元，用于根据所确定的秩和上行链路的预编码矩阵索引号来确定MIMO方式。

40、  如权利要求39所述的基站，还包括MIMO方式和秩通知单元，通过下行信令向用户设备通知所确定的MIMO方式和秩。

41、  如权利要求39所述的基站，其中所述秩自适应的方式包括以下至少之一：
基于反馈信道的秩自适应方式、基于瞬时的秩自适应方式、基于地理位置的秩自适应方式、基于统计信干噪比的秩自适应方式。

42、  一种用户设备，包括：
速度测量单元，用于测量至少一个用户设备的运动速度，把所述用户设备分为第一类和第二类，其中第一类用户设备的速度低于第二类用户设备的速度；
划分单元，用于根据该用户设备的运动速度确定为其设置开环MIMO还是闭环MIMO；
波达方向测量单元，用于测量下行链路的波达方向；
预编码矩阵索引号估计单元，用于基于该下行链路的波达方向估计上行链路的预编码矩阵索引号；
反馈信息发送单元，将表示所述类别的信息发送给基站。

43、  如权利要求42所述的用户设备，其中所述秩自适应的方式包括以下至少之一：
基于反馈信道的秩自适应方式、基于瞬时的秩自适应方式、基于地理位置的秩自适应方式、基于统计信干噪比的秩自适应方式。

基于波达方向的开环MIMO方法、基站及用户设备
技术领域
本发明涉及一种无线通信方法及设备，具体涉及一种基于波达方向的开环MIMO方法、基站及用户设备，适用于无线传输技术领域。
背景技术
多输入多输出天线(MIMO)技术被认为是当今无线通信领域智能天线技术的一个重大突破。MIMO作为提高系统传输速率的最主要手段，它能在不增加系统带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。因此，关于MIMO技术将是新一代移动通信系统必须采用的关键技术这一观点已经形成共识，并受到了广泛的关注。
鉴于MIMO技术能取得高的数据吞吐量，第三代伙伴计划项目(3GPP)标准化方案已经决定采用MIMO技术。在3GPP的长期演进组织(LTE)定义的超三代(S3G)蜂窝移动通信系统、IEEE802.16系统及WiMAX无线局域网系统都决定采用MIMO技术作为一项必不可少的关键技术。802.16e协议支持MIMO和AAS(自适应天线系统)的方案，它把MIMO方案分为三大类：空间分集、空间复用、自适应MIMO(即根据信道条件选择采用空间分集或空间复用)。LTE不但承认上述MIMO分类，而且宣布支持线性预编码(Precoding)、空间发射分集、波束成形等几种MIMO模式。LTE还从用户数量上把MIMO分为单用户MIMO(SU-MIMO)和多用户MIMO(MU-MIMO)，且上行链路和下行链路都可以支持SU-MIMO和MU-MIMO。
目前，LTE已确定MIMO天线个数的基本配置是下行2×2或4×2、上行1×2，但也在考虑4×4的高阶天线配置，且MIMO技术多模化：多流预编码、波束成形、开环发射分集适应不同的场景。LTE向IMT-Advanced的演进发展趋势是更高的性能、更大的带宽(最大至100MHz)、更多的天线：8×4或8×8天线。考虑采用的发射分集方案包括块状编码传送分集(STBC，SFBC)，时间(频率)转换发射分集(TSTD，FSTD)，包括循环延迟分集(CDD，包括Zero-CDD、Small-CDD和Large-CDD)在内的延迟分集(作为广播信道的基本方案)，基于预编码向量选择的预编码技术。预编码技术已被确定为多用户MIMO场景的传送方案。由于在基于预编码的MIMO系统中基站使用用户设备的反馈信息(FBI)来对发射机进行优化设计以提高频谱利用率的思想和方法已经十分流行，因此许多公司提出的基于各种各样基于反馈信息的MIMO传输方法，它允许基站采用用户设备反馈的信息来提高整个MIMO系统的性能。
至今，LTE定义的MIMO系统已经提出的需要用户设备(UE)反馈的信息包括MIMO的秩(Rank)、预编码矩阵索引号(PMI)、信道质量指示信息(CQI)、资源块的索引号(RBI)等信息。在已有的技术中，针对低运动速度的用户设备，基站需要用户设备反馈预编码矩阵索引号(PMI)信息以进行预编码处理。这种系统被认为是一种基于反馈PMI信息的闭环MIMO系统。针对中等和高的运动速度的用户设备，BS不需要UE反馈PMI信息，而采用基于固定PMI或基于循环PMI或基于预编码矩阵索引号跳跃(PMH)等方法进行预编码处理。
但是，基于固定PMI的方法或基于循环PMI或基于PMH的方法本质上是一种开环MIMO方法，因为其无需PMI信息进行发送端的预编码处理，这种系统被认为是一种无需反馈PMI信息的开环MIMO系统。由于开环MIMO方法的PMI信息不是UE反馈的，因此PMI信息的精度不高，从而导致开环MIMO系统的性能受到极大的影响。因此有必要寻找一种性能更好的开环MIMO方法及装置。
加拿大北方电信(Nortel)公司于2007年10月8日-12日在中国上海召开的3GPP LTE RAN1第50bis次会议上发表了R1-073977提案“高移动速度的用户设备中秩1和秩2发送方法(Rank-1 andRank-2 Transmission for High Mobility UE)”，该提案提到了高速开环MIMO系统中基于空频块码(SFBC)、基于空频块码与频率转换发送分集(SFBC+FSTD)、基于PMH等MIMO方法。PMH的方法不能确定准确的PMI。因此，基于PMH的MIMO方法的系统性能还有待提高。
美国LSI公司于2007年10月8日-12日在中国上海召开的3GPPLTE RAN1第50bis次会议上发表了R1-074436提案“高多普勒下开环MIMO中四发送天线的下行链路秩自适应(Down Link RankAdaptation with 4 Transmit Antennas for Open Loop MIMO at HighDoppler)”，该提案提到了高速开环MIMO系统中基于SFBC+FSTD和基于空频块码和空间复用(SFBC-SM)的MIMO方法。鉴于PMI对开环MIMO系统的发送端是未知的，准确的PMI值有助于系统性能的提高，而此方法并没有提出决定PMI的方法。因此，系统性能的并未得到很大的提高。
韩国LG电子公司于2007年11月5日-9日在韩国济州岛召开的3GPP LTE RAN1第51次会议上发表了R1-074746提案“关于开环复用发送模式的思考(Consideration on Open-loop SM TransmissionMode)”。该提案提到了基于固定PMI、基于循环PMI等开环空间复用(OL SM)的MIMO方法。由于基于固定PMI、基于循环PMI等OL-MIMO系统的PMI值不准确，因此系统性能还有待提高。
鉴于PMI对开环MIMO系统的预编码器来说是未知的，如果预编码器没有准确的PMI信息进行预编码处理，从而使MIMO系统的性能不能得到进一步的提高。因此，有必要寻找一种高效且简单实用的开环MIMO方法以提高系统的性能。
发明内容
本发明的目的在于寻找现有技术中的不足，提供一种无线通信系统中基于波达方向的开环MIMO方法、基站及用户设备，通过对DOA的测量结果而获取PMI的估计值，再根据PMI进行开环MIMO系统的预编码处理，相比于传统的方法，本发明提出的开环MIMO方法效率高且易于实现。
本发明是通过以下技术方案实现的，首先，对UE的运动速度进行测量，并根据测量得到的运动速度把UE划分为低速UE、中速UE、高速UE；然后，设置低速用户采用闭环MIMO模式，设置中速用户和高速用户采用开环MIMO模式；再对DOA进行测量；根据测量得到的DOA来设置MIMO发送方式；再决定是否采用秩自适应方式，若采用秩自适应方式，决定某一种秩(Rank)自适应方式；最后，发送MIMO方式和秩信息。
在本发明的一个方面，提出了一种基于波达方向的开环MIMO方法，针对下行链路，包括步骤：对用户设备的运动速度进行测量，并根据所测量的运动速度把所述用户设备分为第一类或第二类，其中第一类用户设备的速度低于第二类用户设备的速度；为第一类用户设备设置闭环MIMO模式，且为第二类用户设备设置开环MIMO模式；基站对上行链路的波达方向进行测量，并根据上行链路的波达方向估计出下行链路的预编码矩阵索引号；基站决定下行链路采用哪种秩自适应的方式来进行秩的决定；基站根据下行链路的预编码矩阵索引号和秩决定下行链路中MIMO发送方式；基站通过下行信令发送MIMO模式、MIMO发送方式、秩、预编码矩阵索引号给用户设备；用户设备侦听基站发出的载有下行链路的MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、预编码矩阵索引号的下行信令；用户设备根据各自的下行链路的MIMO模式、MIMO发送方式和秩采用各自的反馈方案，需要反馈时，则根据所述反馈方案把反馈信息发送给基站；基站根据用户设备的反馈信息，进行无线资源调度和分配，并发送数据给所述用户设备；用户设备根据自身的类别、MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、预编码矩阵索引号对接收的数据进行解调。
在本发明的另一方面，提供了一种基于波达方向的开环MIMO方法，针对下行链路，包括步骤：对用户设备的运动速度进行测量，并根据所测量的运动速度把所述用户设备分为第一类和第二类，其中第一类用户设备的速度低于第二类用户设备的速度；为第一类用户设备设置闭环MIMO模式，且为第二类用户设备设置开环MIMO模式；基站和用户设备分别对上行链路和下行链路的波达方向进行测量，并根据上行链路和下行链路的波达方向分别估计出下行链路和上行链路的预编码矩阵索引号；基站决定采用哪种秩自适应的方式来进行秩的决定；基站根据下行链路的预编码矩阵索引号和秩决定下行链路中MIMO发送方式；基站通过下行信令发送秩、下行链路中MIMO模式、MIMO发送方式给用户设备；用户设备侦听基站发出的载有秩、下行链路中MIMO模式、MIMO发送方式的下行信令；用户设备根据各自的MIMO模式、MIMO发送方式和秩采用各自的反馈方案，需要反馈时，则根据所述反馈方案把反馈信息发送给基站；基站根据用户设备的反馈信息，进行无线资源调度和分配，并发送数据给所述用户设备；用户设备根据自身的类别、MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、预编码矩阵索引号对接收的数据进行解调。
在本发明的再一方面，提出了一种无线通信系统中基于波达方向的开环MIMO方法，针对上行链路，包括步骤：对用户设备的运动速度进行测量，并根据所测量的运动速度把所述用户设备分为第一类和第二类，其中第一类用户设备的速度低于第二类用户设备的速度；为第一类用户设备设置闭环MIMO模式，且为第二类用户设备设置开环MIMO模式；基站对上行链路和下行链路的波达方向进行测量，并根据上行链路和下行链路的波达方向分别估计出下行链路和上行链路的预编码矩阵索引号；基站决定上行链路采用哪种秩自适应的方式来进行秩的决定；基站根据得到的下行链路的预编码矩阵索引号，并考虑MIMO模式、秩以决定上行链路中MIMO发送方式；基站通过下行信令发送上行链路的MIMO模式、MIMO发送方式、秩给用户设备；用户设备侦听基站发出的载有上行链路的MIMO模式、MIMO的发送方式、秩的下行信令；基站根据所述用户设备的上行链路的MIMO模式、MIMO发送方式采用反馈方案，需要反馈时，则根据所述反馈方案把反馈信息发送给所述用户设备；基站对所述用户设备进行资源调度，并把调度信息通过下行信令的方式通知给所述用户设备；用户设备根据基站发出的上行链路的MIMO模式、MIMO方式、秩、调度信息，发送数据给基站；基站根据所述用户设备MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、预编码矩阵索引号等信息对接收的数据进行解调。
在本发明的又一方面，提出了一种基站，包括：速度测量单元，用于测量至少一个用户设备的运动速度，把所述用户设备分为第一类和第二类，其中第一类用户设备的速度低于第二类用户设备的速度；划分单元，用于根据该用户设备的运动速度确定为其设置开环MIMO还是闭环MIMO；波达方向测量单元，用于测量上行链路的波达方向；预编码矩阵索引号估计单元，用于基于该上行链路的波达方向估计下行链路的预编码矩阵索引号；秩确定单元；用于确定秩的自适应方式；以及MIMO方式确定单元，用于根据所确定的秩的自适应方式和预编码矩阵索引号来确定MIMO方式。
在本发明的又一方面，提出了一种用户设备，包括：侦听单元，侦听基站发出的载有下行链路的MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、预编码矩阵索引号的下行信令；以及解调单元，根据自身的种类、MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、预编码矩阵索引号对接收的数据进行解调。
在本发明的又一方面，提出了一种用户设备，包括：波达方向测量单元，用于测量下行链路的波达方向；预编码矩阵索引号估计单元，用于基于下行链路的波达方向估计上行链路的预编码矩阵索引号，作为下行链路的预编码矩阵索引号；侦听单元，侦听基站发出的载有下行链路的MIMO模式、MIMO的发送方式以及秩的下行信令；以及解调单元，根据自身的种类、MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、下行链路的预编码矩阵索引号对接收的数据进行解调。
在本发明的又一方面，提出了一种基站，包括：波达方向测量单元，用于测量上行链路的波达方向；预编码矩阵索引号估计单元，用于基于该上行链路的波达方向估计下行链路预编码矩阵索引号，作为上行链路的预编码矩阵索引号；接收单元，接收来自用户设备的表示其所述类别的消息；秩确定单元；用于确定秩的自适应方式；以及MIMO方式确定单元，用于根据所确定的秩和上行链路的预编码矩阵索引号来确定MIMO方式。
在本发明的又一方面，提出了一种用户设备，包括：速度测量单元，用于测量至少一个用户设备的运动速度，把所述用户设备分为第一类和第二类，其中第一类用户设备的速度低于第二类用户设备的速度；划分单元，用于根据该用户设备的运动速度确定为其设置开环MIMO还是闭环MIMO；波达方向测量单元，用于测量下行链路的波达方向；预编码矩阵索引号估计单元，用于基于该下行链路的波达方向估计上行链路的预编码矩阵索引号；反馈信息发送单元，将表示所述类别的信息发送给基站。
本发明的本质是通过对DOA进行测量，并利用DOA的测量估计出PMI，从而决定MIMO发送方式。相比于基于PMI反馈的闭环MIMO方式，本发明提出的基于DOA的开环MIMO方式无需PMI的反馈，无疑节省了宝贵的信令开销，但不可否认，由于本发明本质上开环MIMO方式，系统性能相比于基于PMI反馈的闭环MIMO方式有所降低；相比于基于非确定PMI(随机PMI、循环PMI、PMH)的MIMO方式，本发明提出的基于DOA的开环MIMO方式通过DOA估计出PMI，从而具有更好的系统性能。尽管本发明提出在中速和高速UE中采用基于DOA的开环MIMO方式，但本发明提出的基于DOA的开环MIMO方式也可以在低速UE中采用。另外，考虑到上行链路和下行链路均有DOA，所以本发明提出的基于DOA的开环MIMO方式可以在上行链路或下行链路中采用。再者，考虑到时分双工模式(TDD)下上行链路和下行链路DOA的测量是对称性的，因此本发明提出的基于DOA的开环MIMO方式无疑可以在TDD模式下使用；考虑到频分双工(FDD)模式下上行链路和下行链路DOA的测量也是大致对称的，因此本发明提出的基于DOA的开环MIMO方式也可以在FDD模式下使用，尤其是存在视距传播(LOS)或DOA的角度扩散小的环境。因此，本发明提出的基于DOA的开环MIMO方式，可以根据实际情况分别加以应用，可以为第三代(3G)、超三代(S3G)、第四代(4G)蜂窝移动通信和数字电视、无线局域网(WLAN)、自组织网络(Mesh，Ad Hoc，Censor Network)、数字家庭网络(e-Home)、无线广域网(WWAN)等系统的MIMO方案提供重要的理论依据和具体的实现方法。
附图说明
从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述特征和优点将更明显，其中：
图1是根据本发明实施例的无线小区中下行链路的MIMO方式；
图2是解释波达方向的含义的示意图；
图3是说明用户设备的运动速度与基站MIMO方式的关系的图；
图4示出了根据本发明第一实施例的2×2下行链路SU-MIMO系统示意图；
图5示出了根据本发明第一实施例的基站的结构框图；
图6示出了根据本发明第一实施例的用户设备的结构框图；
图7示出了如图4所示的SU-MIMO系统中秩、码字、层的映射关系图；
图8是描述根据本发明实施例的基站和用户设备的详细操作过程的流程图；
图9示出了2×2天线SU-MIMO系统中上行链路的波达方向测量的示意图；
图10示出了根据本发明第一实施例的用户设备的变型；
图11示出了根据DOA估计PMI的原理图；
图12示出了HH码本的DOA与PMI的映射关系；
图13示出了周期性反馈信息的原理图；
图14示出了非周期性反馈信息的原理图；
图15示出了根据本发明第二实施例4×4下行链路MU-MIMO系统的示意图；
图16示出了根据本发明第二实施例的基站的结构框图；
图17示出了根据本发明第二实施例的用户设备的结构框图；
图18示出例如图15所示的MU-MIMO系统中秩、码字、层的映射关系图；
图19示出了说明根据本发明第二实施例的基站和用户设备的详细操作过程的流程图；
图20示出了根据本发明第二实施例的用户设备的变型；
图21示出了在4×4天线MU-MIMO系统中上行链路波达方向测量的示意图；
图22示出了根据本发明第三实施例4×4上行链路MU-MIMO系统的示意图；
图23示出了根据本发明第三实施例的基站的结构框图；
图24示出了根据本发明第三实施例的用户设备的结构框图；
图25示出了根据本发明第三实施例的下行链路的波达方向测量的示意图；以及
图26示出了说明根据本发明第三实施例的基站和用户设备的详细操作过程的流程图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。
如上所述，3GPP LTE已经确定支持基于预编码的MIMO技术，而基于预编码的MIMO技术作为一种将天线域MIMO信号处理转化为波束(beam)域信号处理的方法，本质上是一种基于波束成形的技术。预编码技术可以在UE实现相对简单的线性接收机，但采用归一化(Unitary)还是非归一化(Non-unitary)，采用码本(Codebook)反馈还是非码本(Non-codebook)反馈，还有待于进一步研究。另外，码本的大小、具体的预编码方法、反馈信息的设计和是否对信令采用预编码技术等问题(此问题主要涉及智能天线的使用)，都正在研究之中。需要指出的是，在目前LTE研究工作中，智能天线技术被看作预编码技术的一种特例。而在波束成形技术中，波达方向(Directionof arrival，DOA)技术是一种已经用于在波束成形中的技术。
对于时分双工(TDD)系统，上、下行的频率相同，可以直接通过上行信号的空间特征估计形成下行波束。在频分双工(FDD)系统中，上、下行频率不同，DOA是上下行联系的纽带，是下行波束形成的唯一依据。目前，能准确且简单地测量出DOA的算法不胜枚举，典型算法包括多重信号分类法(MUSIC)、旋转不变技术估计信号参数法(ESPRIT)等。
根据本发明的实施例，目前LTE中下行MIMO技术(SU-MIMO和MU-MIMO)是基于固定波束成形的思想，也就是说根据设计要求(例如，码本的大小)采用一定的算法在空间生成所需的波束数量(也就是若干个码本矢量或矩阵)，即形成码本存于BS和UE中。实际工作时，UE根据某种优化准则(例如，系统容量最大原则或误码率最小准则)，选择某一码本矢量或矩阵，并将其索引号(PMI)反馈给BS，BS根据PMI从码本中取出其对应的码本矢量或矩阵并对UE的数据流进行预编码处理。
由于从UE到达BS的多经信号通常散布在一个较窄的角度内(参见Gregory D.Durgin.《Space-Time Wireless Channels》第198-199页)，而自适应波束成形的思想是利用上行DOA估计来生成UE的下行波束，即BS将发射能量对准该用户，即DOA就是发送端和接收端之间的最强路径的方向(参见美国英特尔公司申请的中国专利申请号为200580020526.5的专利《利用用于反馈的码本的闭环MIMO系统》第9页)。
因此，本发明人找到了DOA与PMI之间的关系(例如，当DOA为0-15°角时，对应1号PMI，DOA为15～30°角时，对应4号PMI)。注意，这些对应关系是离线生成的，和码本是否是有规则排序没有关系。DOA与PMI的关系可以进一步参考美国InterDigital通信公司于2007年8月20日-24日在希腊雅典召开的3GPP LTE RAN1第50次会议上发表了R1-073353提案“E-UTRA中MU-MIMO码本子集的选择和信令的思考(MU-MIMO Codebook Subset Selection and SignalingConsideration for E-UTRA)”，该提案指出预编码MIMO码本的设计就是利用波束成形技术中波束成形矢量具有空间方向性的特点，即适当的DOA不但可以提高系统性能而且可以抑制干扰。本发明人认为LTE系统采用的基于离散傅立叶变换(DFT)的预编码码本和基于Householder(HH)的预编码码本均实现DOA到PMI的映射关系，其中基于DFT码本的PMI可以直接得到DOA与PMI的映射关系，而基于HH码本的PMI如果定义1～16级(PMI＝0，1，…，15)，则前8级(PMI＝0，1，…，7)可以实现与PMI的映射。后8级(PMI＝8，…，15)被认为是DOA方向与PMI映射关系的补充。2008年1月召开的LTE51th bis会议上。许多通信公司提出的开环MIMO系统的PMI方案如下，总共16级PMI值(PMI＝0，1，…，15)，发送端采用循环PMI或者PMH的方案，即发送端在值最大的4个PMI值(PMI＝12、13、14、15)中选择一个值作为某一次发送数据的PMI值。本发明人认为上述选择4个最大PMI值作为开环MIMO方法的PMI值不太妥当，因为如果采用基于HH的码本，那么前8个值小的PMI值可以找到和DOA的映射关系，最后4个值大的PMI值所代表的DOA是全方向的，而UE只能在某一个方向上，发射机在全方向上分配功率，那么势必造成发射功率的浪费和系统容量下降。可见，根据现有技术无法找到PMI＝12、13、14、15与DOA的映射关系。因此，如果采用PMI＝12、13、14、15的基于循环PMI或基于PMH的OL-MIMO方法不能充分利用DOA的空间特性，系统性能得不到进一步的提高。
考虑到现有技术(包括以上提案在内)从未提出基于波达方向(Direction of arrival，DOA)的开环MIMO方法，本发明人提出在中速和高速的开环MIMO系统中应用DOA信息来决定MIMO系统的PMI信息，再基于PMI信息进行预编码处理，从而大大提高MIMO系统的吞吐量。
无线小区中BS和UE的分布如图1所示，下行链路包括BS 300、中心用户设备(中心UE)、边缘用户设备(边缘UE)。中心UE包括基于DOA的开环MIMO的UE 100、基于PMI的闭环MIMO的UE101、基于空频块码(SFBC)的开环MIMO的UE 102、基于空频块码和发送分集(SFBC+FSTD)的开环MIMO的UE 103、基于固定PMI的开环MIMO的UE 104、基于PMH的开环MIMO的UE 105、基于循环PMI的开环MIMO的UE 106。边缘UE包括基于DOA的开环MIMO的UE 200、基于PMI的闭环MIMO的UE 201、基于空频块码(SFBC)的开环MIMO的UE 202、基于空频块码和发送分集(SFBC+FSTD)的开环MIMO的UE 203、基于固定PMI的开环MIMO的UE 204、基于PMH的开环MIMO的UE 205、基于循环PMI的开环MIMO的UE 206。
图1中示出的各种MIMO方法在SU-MIMO、MU-MIMO中均可得到应用。本发明提出的基于波达方向(DOA)的开环MIMO技术，在下行链路的用户设备100和边缘用户设备200中得到采用。波达方向，DOA(Dirercetion of Arrival，也可称AOA，Angle of Arrival)，是指无线电波到达天线阵列的方向。若到达的无线电波满足远场条件，可以近似认为无线电波的波前为一个平面，平面波前与阵列轴线或阵列法线间的夹角即为波达方向(DOA)。如图2所示，平面波前与阵列轴线间的夹角为，与水平面间的夹角为θ，角度或θ可以唯一确定信号的入射方向。如图2所示，天线阵列之间的距离为Δx。UE的运动速度与基站采用的MIMO方式的关系如图3所示，其中基于DOA的开环MIMO方式是由本发明人第一次提出的。
虽然下述实施例中是针对中等速度或高速度的UE，但是并不否认本发明人提出的基于DOA的MIMO的技术可以应用于低速度或静止的UE中。另外，本发明提出的基于DOA的MIMO的技术具有很强的通用性，可以应用于SU-MIMO系统、MU-MIMO系统、波束成形系统、预编码MIMO系统、开环MIMO方式与CDD(零CDD、小CDD、大CDD)、SFBC、FSTD等分集方式或复用方式组合的MIMO系统。
尽管本发明实施例提出的基于DOA的MIMO技术中PMI信息是根据DOA的测量结果进行估计得到的，但不能排除下述情况发生：在同一无线小区中，针对各个UE所采用的MIMO方法及装置不是固定不变的，而是可以变化的。在同一个无线小区中，针对不同UE可以分别采用基于DOA的MIMO技术、基于固定PMI的MIMO技术、基于PMH的MIMO技术、基于循环PMI的MIMO技术等，如图1所示。在同一无线小区中，针对同一个UE在不同情况下可以分别采用不同的MIMO技术。
【第一实施例】
图4示出了根据本发明第一实施例的2×2下行链路SU-MIMO系统示意图。如图4所示，根据第一实施例的基站300和用户设备均具备两个天线，其中用户设备200-1和200-2通过上行链路向基站300反馈CQI和Rank等信息。鉴于用户设备200-1和200-2具有相同的结构，下面以用户设备200-1为例进行详细描述。
图5示出了根据本发明第一实施例的基站的结构框图，图6示出了根据本发明第一实施例的用户设备的结构框图。
如图5所示，根据本发明第一实施例的基站包括射频单元117、速度测量单元110、波达方向测量单元118、划分单元111、秩确定单元112、MIMO方式确定单元113、PMI估计单元114、MIMO方式和秩通知单元116和资源分配和数据发送单元115。
如图6所示，根据本发明第一实施例的用户设备包括射频单元210、侦听单元212、解调单元213、数据处理单元214和反馈信息发送单元211。
下面结合图7和图8详细说明上述各个单元的具体操作过程以及彼此之间的连接关系。图8是描述根据本发明实施例的基站和用户设备的详细操作过程的流程图。
如图8所示，在本发明第一实施例中，在基站侧进行DOA的测量和PMI的估计，而用户设备不向基站反馈PMI信息。
2×2天线SU-MIMO系统采用LTE定义的SU-MIMO结构，如图4所示。在LTE的下行SU-MIMO系统中采用固定码字到层的映射方式，采用如图7所示的SU-MIMO中秩、码字、层的映射关系。本实施例采用秩自适应和秩2(Rank2)的方式，UE200-1可以同时占用图7中的CW1和CW2两个码字，UE200-2可以采用秩自适应的方式，即UE200-2可以占用图7中的CW1码字或同时占用CW1和CW2两个码字。
如图8所示，在步骤S100，速度测量单元110进行用户设备的运动速度的测量，通过确定各个用户设备的速度来将它们划分成相应的类别。
速度测量单元110对整个无线小区的所有UE的运动速度进行测量，并根据所测量的运动速度把所有UE分为低速用户、中速用户、高速用户。速度测量单元110测量运动速度可以基于上行发送符号(UL RS)、随机接入信道(RACH)、上行探测信道(UL Sounding)。
在步骤S101，划分单元111基于所测量的用户设备的速度进行开环MIMO和闭环MIMO的划分。
划分单元111根据低速用户设备、中速用户设备和高速用户设备种类的不同，设置低速UE采用闭环MIMO模式，设置中速UE和高速UE采用开环MIMO模式。
在步骤S102，波达方向测量单元118执行各个用户设备的波达方向的测量。
下行链路中，基站的波达方向测量单元118的对上行链路的用户设备200-1和200-2的波达方向进行测量。
目前，在移动通信中DOA估计问题得到了广泛的关注和深入的研究，比较成熟且适用于移动通信系统的DOA估计方法包括多重信号分类法(MUSIC)、旋转不变技术估计信号参数法(ESPRIT)、子空间法、最大似然法等。在本实施例中，DOA的测量原理如图9所示，在一个2×2的下行SU-MIMO系统中，基站有2根发送天线，用户设备200-1有2根天线，TOT表示用户设备200-1到基站之间的距离，基站的坐标为(Xs，Ys)，用户设备200-1的坐标为(Xc，Yc)，由于基站可以从GPS定位装置中获取其的坐标，则可以得出如下方程组(1)表示的关系：
Yc Xc = tan θ ( Xs - Xc ) 2 + ( Ys - Yc ) 2 = c . TOT - - - ( 1 ) ]]>
在方程组(1)中，c表示常数，可以使用定位算法估计出用户设备200-1的坐标(Xc，Yc)，则通过方程组(1)很容易求出波达方向角θ。
DOA估计PMI的原理如图11所示，基站300决定下行链路中基站到用户设备的MIMO发送方式，基站300把无线小区的覆盖空间定为0°-120°，认为空间是矢量化且均匀分布的，则每隔15°为一个DOA区间，空间有DOA1～DOA8共8个区间。再定义2×2天线SU-MIMO系统PMI等级为1～8级，则基站300可以从DOA中估计出PMI的值。注意，图11中DOA与PMI的映射关系不是线性的，但实际上DOA与PMI的映射关系是离线生成的，可以是线性一一对应的，也可以是非线性的非一一对应的，它是一套规则离线生成并存储于BS与UE中。LTE定义的MIMO系统中，基于DFT码本可以直接得到DOA与PMI的线性一一对应的映射关系，而基于HH码本的DOA与PMI是非线性的非一一对应的。例如，如果PMI＝0，1，...，15共16级，本发明可以采取近似处理，取PMI＝0，1，...，7，认为PMI＝8，...，15后8级是前8级的补充而可以舍弃，则PMI＝0，1，...，7与DOA的映射关系如图12所示。
如上所述，图11和图12中DOA与PMI的映射关系不是线性的，但实际上DOA与PMI的映射关系是离线生成的，可以是线性一一对应的，也可以是非线性的非一一对应的，它是一套规则离线生成并存储于基站和用户设备中。
在步骤S103，基站的秩确定单元112确定秩自适应的方式。
下行链路中，基站的秩确定单元112确定下行链路是否采用秩自适应的方式来决定秩的值。本实施例中，如图4所示，针对用户设备200-1和200-2，基站300确定采用Rank2和秩自适应的方式。考虑到用户设备200-1是中心UE而具有良好的信道传输环境，则基站的秩确定单元112确定用户设备200-1采用Rank2的方式，即用户设备200-1可以同时占用图7中的CW1和CW2两个码字。考虑到用户设备200-2是边缘UE而具有较为恶劣的信道传输环境，则基站300确定用户设备200-2采用秩自适应的方式，即基站300到用户设备200-2下行链路的秩可以采用Rank1，也可以采用Rank2，如图7所示。在本实施实例中，用户设备200-2是边缘UE，采用基于长期统计的信干噪比(SINR)的秩自适应方式，当周期性反馈时，如图13所示，用户设备200-2使用物理上行控制信道(PUCCH)或物理上行共享信道(PUSCH)周期性反馈CQI信息时，无须反馈PMI信息，但要反馈Rank信息。此时，当用户设备200-2计算出的基于长期统计的SINR较小时，采用Rank1的反馈方式；当用户设备200-2计算出的基于长期统计的SINR较大时，采用Rank2的反馈方式。
当非周期性反馈时，如图14所示，用户设备200-2使用PUSCH非周期性反馈CQI和Rank信息，反馈Rank信息时采用基于长期统计的SINR的方式。
在步骤S104，MIMO方式确定单元113进行MIMO方式的确定。
下行链路中，基站根据PMI和Rank决定MIMO方式。如图4所示，针对用户设备200-1和200-2，基站300的MIMO方式确定单元113根据用户设备200-1和200-2的波达方向估计出的PMI和Rank决定MIMO方式。当用户设备200-2计算出的基于长期统计的SINR较小(SINR<5dB)时，采用Rank1的反馈方式，基站300和用户设备200-2构成2×2的SU-MIMO系统，则下行链路采用发送分集的方式，发射分集可以采用基于SFBC或其它方式。当用户设备200-2计算出的基于长期统计的SINR较大(SINR>5dB)时，采用Rank2的反馈方式。此时，基站300的PMI估计单元114根据用户设备的DOA估计出PMI值，然后根据PMI值选择出预编码矢量，从而实现基于预编码的MIMO发送方式。
在步骤S105，MIMO方式和秩通知单元116向用户设备通知所确定的MIMO方式和秩方式。
下行链路中，基站300通过下行信令发送MIMO模式、MIMO发送方式、运动速度、预编码矩阵索引号等信息给无线小区的用户设备。MIMO方式和秩确定单元116可以通过PDCCH或PDSCH或BCH发送上述MIMO模式、MIMO发送方式、运动速度、预编码矩阵索引号等信息给用户设备。为节省链路开销，这些信息可以离线组态成抽象的模式，基站通过PDCCH或PDSCH发送这些抽象的模式给用户设备以节省下行链路的频谱资源。
在步骤S106，在用户设备端，侦听单元212对MIMO方式和秩方式进行侦听。下行链路中，用户设备的侦听单元212侦听基站发出的载有MIMO模式、MIMO的发送方式、运动速度、预编码矩阵索引号等信息的下行信令。
在步骤S107，用户设备的反馈信息发送单元211通过上行链路向基站发送反馈信息。
上行链路中，用户设备根据各自的下行链路的MIMO模式、MIMO发送方式和速度信息采用各自的反馈方案，需要反馈时，则把反馈信息发送给基站。对于低速用户设备，如图1中的用户设备101和201，101和201反馈CQI、PMI、Rank、资源块索引号信息给基站，构成闭环MIMO系统。对于中速或高速用户设备，如图1中的100、102、103、104、105、106、200、202、203、204、205、206，这些用户设备反馈CQI、Rank、资源块索引号信息给基站，并不反馈PMI信息给BS100。
在步骤S108，基站的射频单元117接收反馈信息并且资源分配和数据发送单元115基于接收的反馈信息而进行资源分配和数据发送。
下行链路中，基站的资源分配和数据发送单元115根据用户设备的反馈信息，进行无线资源进行资源调度和分配并发送数据给用户设备。
在步骤S109，用户设备通过射频单元210接收基站发送的信号，并通过解调单元213解调出发送的数据。下行链路中，用户设备的解调单元213根据自身的种类、MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、预编码矩阵索引号(PMI)等信息对接收的数据进行解码。然后，数据处理单元214对数据进行处理，以便呈现出来。
以上所述的第一实施例中并未提及用户设备对下行链路的DOA进行测量的方法。为节省信令开销，可以采用在基站和用户设备两侧同时对DOA进行测量的方法。图10示出了根据本发明第一实施例的用户设备的变型。根据该变型，在用户设备侧进行波达方向的测量和PMI的确定，同时，在基站侧进行波达方向和PMI的估计。即，基站和用户设备各自根据测量得到的上行波达方向和下行波达方向各自估计出下行链路和上行链路的预编码矩阵索引号，用户设备把估计出来的上行链路的PMI看作是下行链路的PMI。
成都电子科技大学申请的中国专利申请号为200410022117.6的专利《利用干涉原理估计相干信号DOA的方法》中介绍了一种如何利用无线电波的干涉原理测量下行链路DOA的方法。中国华为公司申请的中国专利申请号为01119301.8的专利《一种基于路径选择的波达方向估计方法》中指出利用路径估计的结果和统计信号处理方法，结合信道估计数据，很容易估计出DOA参数。由于在UE端，多经数据和信道估计数据是很容易得到的，因此测量下行链路的DOA参数也是可行的。此外，也可以采用专用参考信号估计DOA的方法，即在BS端发送专用参考信号区分无线小区内多个UE，UE根据专用参考信号估计出DOA。
如图10所示，根据本发明第一实施例的用户设备的变型包括射频单元210、侦听单元212、解调单元213、数据处理单元214和反馈信息发送单元211、波达方向测量单元215和PMI确定单元216。如上所述，在基站侧进行DOA的测量和PMI的估计的同时，在用户设备侧进行用户设备自身的下行DOA测量，并且通过与上述相同的方式估计出相应的PMI。
可见，通过在二者中同时进行上述操作，从而免去了在彼此之间对DOA信息以及PMI的传送。
【第二实施例】
图15示出了根据本发明第二实施例的4×4下行链路MU-MIMO系统的示意图。如图15所示，根据第二实施例的基站300具备四个天线，其中用户设备200-1、200-2、200-3和200-4分别具备一个天线，它们通过上行链路向基站300反馈CQI和Rank等信息。鉴于用户设备200-1、200-2、200-3和200-4具有相同的结构，下面以用户设备200-1为例进行详细描述。
图16示出了根据本发明第二实施例的基站的结构框图，图17示出了根据本发明第二实施例的用户设备的结构框图。
如图16所示，根据本发明第二实施例的基站包括射频单元317、速度测量单元310、波达方向测量单元318、划分单元311、秩确定单元312、MIMO方式确定单元313、PMI估计单元314、MIMO方式和秩通知单元316和资源分配和数据发送单元315。
如图17所示，根据本发明第二实施例的用户设备包括射频单元410、侦听单元412、解调单元413、数据处理单元414和反馈信息发送单元411。
下面结合图18和图19详细说明上述各个单元的具体操作过程以及彼此之间的连接关系。图19是描述根据本发明实施例的基站和用户设备的详细操作过程的流程图。
如图19所示，在本发明第二实施例中，在基站侧进行DOA的测量和PMI的估计，而用户设备不向基站反馈PMI信息。
4×4天线MU-MIMO系统采用LTE定义的MU-MIMO结构，如图15所示。在LTE的下行MU-MIMO系统中采用固定码字到层的映射方式，采用如图18所示的MU-MIMO中秩、码字、层的映射关系。本实施例采用秩4(Rank4)的方式，用户设备200-1、200-2、200-3、200-4可以同时占用图18中的CW1码字。
如图19所示，在步骤S200，基站300的速度测量单元310进行各个用户设备的运动速度的测量，以便将这些用户设备划分到不同的类别。
基站300的速度测量单元310对整个无线小区的所有用户设备的运动速度进行测量，并根据所测量的运动速度把所有用户设备分为低速用户设备、中速用户设备、高速用户设备。基站300的速的测量单元310测量运动速度可以基于上行发送符号(UL RS)、随机接入信道(RACH)、上行探测信道(UL Sounding)。
在步骤S201，划分单元311基于所测量的用户设备的速度进行开环MIMO和闭环MIMO的划分。
划分单元311根据低速UE、中速UE和高速UE种类的不同，设置低速UE采用闭环MIMO模式，设置中速UE和高速UE采用开环MIMO模式。
在步骤S202，波达方向测量单元318执行各个用户设备的波达方向的测量。
下行链路中，基站的波达方向测量单元318对上行链路的用户设备的DOA进行测量。DOA的测量可以采用已有的MUSIC、ESPRIT、子空间法、最大似然法等算法。本实施例采用的DOA测量方法可以借鉴现有的基于信号强度的分段插值法(参见书籍《基于TDD的第四代移动通信技术》第375-380页，谢显中、李详明等编著，2005年7月出版，电子工业出版社)，即利用到达信号强度(SOA，strengthof arrival)和到达信号差分值(SDOA，strength difference of arrival)来估计出波束到达角(DOA)。如图21所示，在一个4×4的下行MU-MIMO系统中，基站300有4根发送天线，在区域P1、P2、P3、P4中有4个单天线用户设备，则基站端的4个天线测量出这4个用户设备的信号强度分别为SOA_T1_P1、SOA_T2_P1、SOA_T3_P1、SOA_T4_P1、SOA_T1_P2、SOA_T2_P2、SOA_T3_P2、SOA_T4_P2、SOA_T1_P3、SOA_T2_P3、SOA_T3_P3、SOA_T4_P3、SOA_T1_P4、SOA_T2_P4、SOA_T3_P4、SOA_T4_P4，对第一个单天线UE，可以定义信号强度差分值为SDOA_T1_T2_P1、SDOA_T1_T3_P1、SDOA_T1_T4_P1、SDOA_T2_T3_P1、SDOA_T2_T4_P1、SDOA_T3_T4_P1，共有6种差分值，一共4个UE，则共有24中差分值。建立24种差分值的大小与DOA大小的映射表，则通过查表即可以找出每个用户设备到基站的上行链路的DOA，基站的PMI估计单元314再根据上行DOA估计出下行链路的PMI，再通过下行信令把下行链路的PMI发送给用户设备。
如图16所示，下行链路中，基站300的PMI估计单元314根据各个用户设备的DOA来估计出基站到各个用户设备的PMI。基站300决定下行链路中基站到用户设备的MIMO发送方式。如图21所示，基站300把无线小区的覆盖空间定为0°-120°，认为空间是矢量化且均匀分布的，则每隔7.5°为一个DOA区间，空间有DOA1～DOA16共16个区间，再定义4×4天线MU-MIMO系统PMI等级为1～16级，则基站可以从DOA中估计出PMI的值。
如上所述，DOA与PMI的映射关系不是线性的，但实际上DOA与PMI的映射关系是离线生成的，可以是线性一一对应的，也可以是非线性的非一一对应的，它是一套规则离线生成并存储于BS与UE中。
在步骤S203，基站的秩确定单元312确定秩自适应的方式。
下行链路中，基站的秩确定单元312确定下行链路是否采用Rank自适应的方式来决定秩的值。本实施例中，针对用户设备200-1、200-2、200-3和200-4，基站300决定采用Rank4的方式。如图18所示，各个用户设备可以同时占用图18中的CW1这一个码字。
在步骤S204，MIMO方式确定单元313进行MIMO方式的确定。
下行链路中，基站根据PMI和Rank决定MIMO方式。本实施例中，针对各个用户设备，MIMO方式确定单元313根据用户设备的DOA估计出的PMI和Rank决定MIMO方式。
在步骤S205，MIMO方式和秩通知单元316向用户设备通知所确定的MIMO方式和秩方式。
下行链路中，基站300的MIMO方式和秩通知单元316通过下行信令发送MIMO模式、MIMO发送方式、运动速度、PMI等信息给无线小区的UE。基站可以通过PDCCH或PDSCH或BCH发送上述MIMO模式、MIMO发送方式、运动速度、PMI等信息给UE。为节省链路开销，这些信息可以离线组态成抽象的模式，基站通过PDCCH或PDSCH发送这些抽象的模式给UE以节省下行链路的频谱资源。
在步骤S206，在用户设备端，侦听单元312对MIMO方式和秩方式进行侦听。下行链路中，用户设备的侦听单元212侦听基站发出的载有MIMO模式、MIMO的发送方式、运动速度、PMI等信息的下行信令。
在步骤S207，用户设备的反馈信息发送单元411通过上行链路向基站发送反馈信息。
上行链路中，用户设备根据各自的下行链路的MIMO模式、MIMO发送方式和速度信息采用各自的反馈方案，需要反馈时，则把反馈信息发送给BS。对于低速UE，如图15中的用户设备200-1、200-2、200-3和200-4反馈CQI、PMI、Rank、资源块索引号信息给基站300，构成闭环MIMO系统。对于中速UE或高速UE，如图15中的用户设备200-1、200-2、200-3和200-4，这些用户设备反馈CQI、Rank、资源块索引号信息给基站300，并不反馈PMI信息给基站300。
在步骤S208，基站的射频单元317接收反馈信息并且资源分配和数据发送单元315基于接收的反馈信息而进行资源分配和数据发送。
下行链路中，基站的资源分配和数据发送单元315根据用户设备的反馈信息，进行无线资源进行资源调度和分配并发送数据给用户设备。
在步骤S209，用户设备通过射频单元210接收基站发送的信号，并通过解调单元213解调出发送的数据。下行链路中，用户设备的解调单元413根据自身的种类、MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、PMI等信息对接收的数据进行解码。然后，数据处理单元414对数据进行处理，以便呈现出来。
如上所述，为节省信令开销，第二实施例可以采用在BS对上行链路进行测量的同时在UE对下行链路的DOA进行测量的方法，即用户设备根据基站到用户设备的DOA估计出上行链路的PMI。
如图20所示，根据本发明第二实施例的基站的变型包括射频单元317、速度测量单元310、划分单元311、秩确定单元312、MIMO方式确定单元313、MIMO方式和秩通知单元316和资源分配和数据发送单元315。这些单元与如图16所示的相应单元的功能相同，这里不再详细描述。
如图20示，根据本发明第二实施例的用户设备的变型包括射频单元410、侦听单元412、解调单元413、数据处理单元414和反馈信息发送单元411、波达方向测量单元415和PMI确定单元416。如上所述，在用户设备侧进行用户设备自身的下行DOA测量，并且通过与上述相同的方式估计出相应的PMI，然后通过反馈信息发送单元411发送给基站。
可见，通过在二者中同时进行上述操作，从而免去了在彼此之间对DOA信息以及PMI的传送。
【第三实施例】
图22示出了根据本发明第三实施例的4×4上行链路MU-MIMO系统的示意图。如图22所示，根据第三实施例的基站300具有四个天线，用户设备均具备一个天线。鉴于用户设备200-1、200-2、200-3和200-4具有相同的结构，下面以用户设备200-1为例进行详细描述。
图23示出了根据本发明第三实施例的基站的结构框图，图24示出了根据本发明第三实施例的用户设备的结构框图。
如图23所示，根据本发明第三实施例的基站包括射频单元517、秩确定单元512、MIMO方式确定单元513、MIMO方式和秩通知单元516、资源分配单元515、解调单元519、波达方向测量单元520、PMI估计单元521和数据处理单元518。
如图24所示，根据本发明第三实施例的用户设备包括射频单元610、侦听单元612、解调单元613、数据处理单元614、反馈信息发送单元611、速度测量单元617、波达方向测量单元615、划分单元618和PMI估计单元616。
下面结合图25和图26详细说明上述各个单元的具体操作过程以及彼此之间的连接关系。图26是描述根据本发明第三实施例的基站和用户设备的详细操作过程的流程图。
如图22所示，在本发明第三实施例中，分别在基站和用户设备侧进行DOA的测量和PMI的估计，用户设备不向基站反馈PMI信息。
4×4天线MU-MIMO系统采用LTE定义的MU-MIMO结构，如图22所示。在LTE的上行MU-MIMO系统中采用固定码字到层的映射方式，采用如图18所示的MU-MIMO中秩、码字、层的映射关系。本实施例采用秩4(Rank4)的方式，各个用户设备可以同时占用图18中的CW1码字。
如图26所示，在步骤S300，用户设备的速度测量单元617进行用户设备的运动速度的测量，通过确定它自身应该属于哪个类别。
每个用户设备可以对各自的运动速度进行测量，并根据所测量的运动速度把自己分为低速UE、中速UE、高速UE。UE测量运动速度可以基于下行参考符号(DL RS)、同步信道(SCH)或其它下行发送符号(DL RS)。
在步骤S301，划分单元618基于所测量的用户设备的速度进行开环MIMO和闭环MIMO的划分。
每个用户设备可以根据各自属于低速UE、中速UE或高速UE种类的不同，设置低速UE采用闭环MIMO模式，设置中速UE和高速UE采用开环MIMO模式。各个UE设置完开环MIMO模式或闭环MIMO模式后，通过上行信令的方式把自身的开环MIMO模式或闭环MIMO模式通知给基站。
在步骤S302，波达方向测量单元520和波达方向测量单元615执行上行链路和下行链路的波达方向的测量。
例如，用户设备的波达方向测量单元615对下行链路的DOA进行测量，并由PMI估计单元616根据下行链路的DOA估计出上行链路的UE到BS的PMI。基站设备的波达方向测量单元520对上行链路的DOA进行测量，并由PMI估计单元521根据上行链路的DOA估计出下行链路的BS到UE的PMI。所述根据DOA估计出PMI可以采用查表的方法来完成，DOA所对应的PMI在离线情况下存储于BS和UE的数据库。换言之，采用BS对上行链路的DOA进行测量的方法，BS根据UE到BS的DOA估计出下行链路的PMI，利用上行信道和下行信道在波达方向上具有的互易性，UE把下行链路的PMI当作是上行链路的PMI。UE对下行链路的DOA的测量方法如图25所示，采用E-OTD的测量方法，此方法通过观察时间差以在UE上实现定位，在通过BS与UE的位置关系计算出BS到UE下行链路的DOA，仅需要使用软件计算。为了在Idle模式(用户设备200-1不处理呼叫)和专用模式(用户设备200-1处理呼叫)下运行E-OTD算法，用户设备必须有足够的处理能力和存储容量。E-OTD定位方法是用户设备根据服务小区基站300和周围2个基站300-1和300-2的测量数据，算出它们之间的时间差，时间差被用于计算用户设备相对于基站300的位置。与E-OTD相关的基本量有三个：观察时间差OTD、真实时间差RTD和地理位置时间差GTD。OTD是UE观察到的两个不同位置基站信号的接收时间差。RTD是两个BS之间的系统时间差；GTD是两个BS到UE由于距离差而引起的传输时间差。设d1为基站300与UE之间的距离，d2为基站300-1与UE之间的距离，d3为基站300-2与UE之间的距离，则
GTD1＝|d2-d1|/v       (2)
GTD2＝|d3-d2|/v       (3)
GTD3＝|d3-d1|/v       (4)
式中v为无线电波速度。上述三个量之间关系为：
OTD1＝RTD1+GTD1       (5)
OTD2＝RTD2+GTD2       (6)
OTD3＝RTD3+GTD3       (7)
当基站300、300-1和300-2彼此都同步时，则RTD1＝0、RTD2＝0、RTD3＝0。在E-OTD方法中，要取得正确结果，基站数目至少为三个，位于不同的地理位置，并且重要的一条是基站同步。同步基站最常用的方法是基站安装固定GPS接收机。这样，就可以准确地得到用户设备的地理位置及坐标，根据图11所述的原理，就可以很容易计算出基站300到用户设备200-1的下行链路的DOA。
在步骤S303，基站的秩确定单元512确定秩自适应的方式。
上行链路中，基站的秩确定单元512决定上行链路是否采用Rank自适应的方式来决定秩的值。本实施例中，针对各个用户设备，基站300的秩确定单元512决定采用Rank4的方式。如图22所示，各个用户设备可以同时分别占用图18中的一个码字。
在步骤S304，MIMO方式确定单元513进行MIMO方式的确定。
上行链路中，基站根据PMI和Rank决定MIMO方式。本实施例中，针对各个用户设备，基站300根据各个用户设备的DOA估计出的PMI和Rank决定上行链路的MIMO方式。
在步骤S305，MIMO方式和秩通知单元516向用户设备通知所确定的MIMO方式和秩方式。
基站通过下行信令发送MIMO发送方式信息给无线小区的用户设备。基站可以通过PDCCH或PDSCH或BCH发送上述MIMO发送方式、秩信息给用户设备。
在步骤S306，用户设备的侦听单元612进行MIMO方式和秩方式的侦听。换言之，用户设备的侦听单元612侦听BS发出的载有MIMO的发送方式、秩信息的下行信令。
在步骤S307，下行链路中，基站根据各个用户设备的上行链路的MIMO模式、MIMO发送方式和秩信息采用各自的反馈方案，需要反馈时，则把反馈信息发送给用户设备。
在步骤S308，基站的资源分配单元515对各个用户设备进行资源调度和分配，并把调度信息通过通过下行信令的方式通知给各个用户设备。
在步骤S309，用户设备侧的反馈信息和数据发送单元611将要发送的数据在分配的资源上发送给基站。
该用户设备的反馈信号和数据发送单元611根据基站发出的上行链路的MIMO发送方式、秩、调度信息，发送数据给基站。
在步骤S310，基站的的解调单元519进行数据解调并且由数据处理单元518进行数据处理以便呈现出来。
基站的解调单元519根据上行链路的MIMO模式、MIMO的发送方式、秩、PMI等信息对接收的数据进行解码，然后由数据处理单元518进行数据处理以便呈现数据的内容。
以上是针对上行链路MIMO传输方式的说明，可以适用于单用户MIMO系统、多用户MIMO系统、波束成形系统、预编码MIMO系统、开环MIMO方式与CDD(零CDD、小CDD、大CDD)、SFBC、FSTD等分集方式或复用方式进行组合的MIMO系统。
如上所述，本发明实施例根据用户设备的运动速度把用户设备分为低速、中速、高速用户；设置低速用户设备采用闭环MIMO模式、中速和高速用户设备采用开环MIMO模式；再对用户设备的DOA进行测量，并根据测量得到的DOA估计出用户设备的PMI；然后，决定MIMO系统的秩方式；根据秩和波达方向得到的PMI决定MIMO发送方式；再把MIMO方式、秩方式通知到接收端；接收端完成对MIMO方式、秩方式进行侦听；最后，接收端根据侦听到的信息进行反馈。本发明针对中速和高速用户设备，提出了基于DOA的开环MIMO系统及装置，具有设计简单、整体性能好的特点。因此，本发明提出无线通信系统中基于DOA的开环MIMO技术，可以为各种无线或移动网络包括第三代蜂窝移动网(3G)、超三代蜂窝移动网(S3G、B3G)、第四代蜂窝移动网(4G)、单频广播网(SFN)、无线局域网(WLAN)、无线广域网(WWAN)、多媒体广播组播业务网(MBMS)、自组织网(Mesh，Ad Hoc，Censor Network)、数字家庭网(e-Home)等网络的开环MIMO技术提供重要的理论依据和具体的实现方法。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。