专利名称：用于确定发射权的方法
技术领域：
本发明涉及应用一种用于确定各种天线波束的发射权的自适应方法的波束成形通信系统。
背景技术：
可以使用多个天线单元来调整有效辐射模式以适应变化的信道和干扰条件。在其最简单的形式中，以天线特定的复权(complex weight)即由振幅值和相位确定的权从所有天线发射信号。通过此方式，当将发射的能量集中于预期接收器而非仅在整个覆盖区上均匀地散布能量时实现方向性增益是可能的。
有若干在第二代系统和第三代系统中通用的技术。常规波束成形采用表现合理良好的传播并需要校准的天线阵列，以便可以根据接收信号的平均相关性来确定到达方向。基于阵列几何的方向和知识，确定随方向变化的发射权。在固定多波束天线系统中，使用一组具有不同指向方向的固定波束，并选择这些波束的子集用于下行链路传输。通常，使用接收到最大功率的波束来实施传输。这种技术与常规波束成形相比对校准的要求低，但是仍需要表现合理良好的传播环境。再一种技术是闭环发射分集，其中发射器发射接收器可据以估计信道的天线特定的导频。发射器和接收器使用议定的权集合。接收器确定该集合中最佳匹配信道的权，并以信号方式发送其到发射器。这些权本质上经调整适于瞬时下行链路信道。
另一种可能性是发射终端可据以估计复值的下行链路信道响应的天线特定的训练信号。然后将估计的下行链路信道反馈回接收器，并使用它们来构造发射权，参阅例如“利用反馈的自适应发射天线阵列”(Gerlach、Paulraj″Adaptive Transmitting Antenna Arrays withFeedback″，IEEE Signal Processing Letters，Vol 1，No 10，p 150-152，1994年10月)。这种方案仅考虑信道，而且实际实施将要求某种形式的量化和议定的代码簿(code book)以反馈复值的信道响应。
在“用于利用反馈的发射天线权调整的简单梯度符号算法”(Banister、Zeidler″A Simple Gradient Sign Algorithm for TransmitAntenna Weight Adaptation with Feedback″，IEEE Transactions on SignalProcessing，第51卷，No.5，p 1156-1171，2003年5月)中考虑一种更简单的方案。这里，跟踪单个用户的单个权向量。这通过将两个权向量创建为当前被跟踪的权向量的轻微随机扰动的版本来进行。然后发射复用的导频信号，以便接收器可以测量关于这两个权向量的接收功率，并向发射器回报哪个导频是以最高功率被接收的。然后发射器将以对应于最强的接收导频信号的权向量替换当前使用的权向量。然后以连续的形式重复该过程。因此，对于每个测量周期，仅考虑单个用户以及仅将单个比特反馈回发射器。在“用于MIMO系统的反馈协助的传输子空间跟踪“(Banister、Zeidler，″FeedbackAssisted Transmission Subspace Tracking for MIMO Systems″，IEEEJournal on Selected Areas in Communications，Vol.21，No.3，p 452-463，2003年4月)中提出一种类似的方法。在此情况中，除了用于发射数据的导频外还使用天线特定的导频以及仅生成单个反馈。
发明概述本发明的目的在于实现一种应用波束成形数据传输的通信系统，在接入点与若干移动终端之间提供改进的下行链路通信信道。通过指配给在接入点天线上发射的各种数据流的权来确定传输波束。数据流可以是专用的且发往单个用户或共用的且发往多个用户。
本发明的基本原理是，应用可响应来自接收单元的有关传输质量的适当反馈信息来调整的复传输权集合。该传输权集合为由接入点服务的用户共享。
简言之，在向多个移动终端发送加权的导频信号集合的接入点中执行根据本发明的方法。这些移动终端执行有关信道质量特性的测量，就此移动终端与接入点达成协议，并且据此可以推导所接收导频的质量指标(quality indicator)。这些移动终端将包括所述质量指标的反馈报告再发射到接入点。接入点响应所接收的反馈报告调整导频信号的发射权集合，以实现所述质量指标的函数的最大化，并从而优化导频信号的传输。权集合可以同时包括用于向若干用户以及向单独的用户传输的波束。
本发明允许仅利用移动终端的有限参与来实施下行链路通信信道的调整。
本发明的另一个优点是可以针对通信信道受到的所有潜在影响实现下行链路信道的优化，具体来说无需接入点和天线的校准。
本发明的再一个优点是信道调整无需基于传播假设。
本发明的又一个优点是为调整传输权集合而用于测量的导频为所有被服务的用户共享。再者，因为基于来自若干用户的反馈来调整权集合，所以可以找到要用于向若干用户传输相同数据的发射权。
当结合附图和权利要求书来考虑时，从下面的本发明详细说明中将明白本发明的其他目的、优点和创新特点。
参考本发明的以下附图以及优选实施例以获得更好的理解。
附图简要说明
图1示出应用本发明的通信系统的一部分。
图2示出说明根据本发明的方法的信令图。
图3a和3b示出在时间-频率空间中导频信号的短测量周期和长测量周期。
图4a和4b示出通过调整由接入点发射的各种导频信号的传输权矢量来改变天线波束的分布。
详细说明图1示出可以应用本发明的通信系统10的一部分的简化图。无线电基站表示为接入点11，包括用于到多个移动终端MS1、...、MS4的数据传输的若干天线A1、...、AM，每个终端配有一个或更多个天线。可由所述接入点11服务的区域称为小区。为简明起见，考虑对导频序列中的所有码元应用相同的发射权的情况。在如OFDM的多载波系统中，可以以不同频率、以不同发射权在不同载波频率上发射导频序列的不同部分。在此上下文中，权向量包括在不同频率使用的所有权向量。
接入点包括用于传输N个导频的M个天线A1、...、AM，利用许多时间-频率资源来发射这些导频，例如如图3a和3b所示。将每个导频序列pn(n＝1...N)指配给复传输权集合wn＝{wn1，...，wnM}，从而此类矢量的每个权描述在天线Am上的传输行为，并可以以具有脉冲响应 的非频率选择信道来描述，所述脉冲响应至少包括表示天线传输的振幅ξnm和相移nm的参数以及任选地包括指示用于在天线Am上发射数据的某个时间延迟值的参数τnm。由M个复传输权组成的集合结合天线布置和硬件确定天线波束的方向和形状。具体例如，ξnm可以采用单位值，而相位由ejnm给出。来自在多个天线上工作的多个加权的相位值的聚合集影响辐射模式，以及对于通常所说的均匀线性阵列来说，如果i＝k·0，其中k是整数，辐射模式一般具有与预定的参考轴相关的波束方向。最后，δ(t-τi)表示与某个固定时间点相关的传输导频信号的时间延迟τi。从而可以将发射的导频信号视为已知的码元序列，该导频信号是以特定的相关联权向量来发射，该权向量为每个发射的导频信号定义唯一的波束，并且可以将导频信号与其他发射的数据复用。在优选实施例中，选择正交导频序列以使终端可以容易地测量质量。
在一般情况中，在使用例如OFDM的多载波设置中，第n个导频是由K个码元组成的序列pn(k)，k＝1、...、K。然后在某个时间和某个载波发射每个码元，以及与每个码元相关联的是特定的权wn(k)＝{wn1(k)，...，wnM(k)}。例如，在不同频率使用不同的权。在下文中，如上文所述为了易于符号表示，假定对于所有导频码元使用相同的权。移动终端MS1、...、MSi根据它们相对于传输角度的位置、与接入点的距离和无线电传播条件接收发射的导频波束的部分，并对接收到导频信号的下行链路信道的某些特性执行测量。从所述测量，移动终端确定所接收的导频信号的质量指标，并从每个移动终端将其作为有关每个导频信号的所经历的接收质量的反馈信息发射回移动终端。
图2示出根据本发明的方法的信令图。接入点发射201导频序列集合p＝{p1，...，pN}，由此将每个导频pi指配给复权集合wi＝(wi1，...，wiM}。所示的例子采用具有两个天线的接入点，即，M＝2，以及四个导频信号，即，N＝4。定义导频的初始权向量集合w有若干可能性。一个可设想的备选方式是，定义在整个由接入点服务的小区区域上均匀地散布导频波束的初始权向量集合。这可以例如通过如下定义的权向量集合来实现w1=1ejπ/4,w2=1ej3π/4,w3=1e-jπ/4,w4=1e-j3π/4.]]>在该集合中，第一天线始终以权1发射，而第二天线以某个相移ej发射，在本例中这导致彼此间各按π/2的距离间隔的四个导频信号。但是，仍可能定义其他类型的导频信号间隔，例如如果已经有关于小区中移动终端的位置的有用信息以便可以以使导频波束已经集中在特定的区域的方式选择权向量。接入点还指示移动终端使用某个测量周期，在此周期期间移动台测量导频信号的接收质量。稍后将结合图3a和3b解释这一点。
在由接入点覆盖的小区内的移动终端从而将具体根据它相对于发射的导频波束的位置来接收一个或更多个发射的导频信号。本发明的一个基本原理是，接入点可以借助来自移动终端响应收到的导频信号的反馈信息来改进下行链路信道质量以及应用所述反馈信息来调整导频信号的权向量集合。为此，移动终端执行信道测量202以推导每个导频信号的或导频信号的子集的质量指标。所述质量指标被视为接入点可据以推断至特定的移动终端的各种波束的下行链路传输质量的值。
有许多可作为度量来应用以推导所述质量指标的信道特性的备选测量。此类测量的例子可以涉及无线电，例如信噪比(SNR)或信干比(SNIR)，或功率电平，例如接收的信号的功率电平或接收的干扰功率电平。此外，可以结合上述质量指标度量利用瞬时或平均干扰加噪声电平。另一种备选度量是可以在移动终端或接入点使用以推导调制和编码方案(以及从而最大化比特率)的有效SNR值或SNIR值。接入点在适当的时间实例(instance)向移动终端指示206特定的信道特性，该移动终端将使用特性来推导质量指标，并指示某个测量周期，在该测量周期期间将测量所指示的信道特性。接入点根据无线电信道的期望变化率、要求的精度以及要发射的数据量和终端的测量能力来调度测量和导频传输。测量的信道特性本身可以视为自适应量，它可以随例如接入点与移动终端之间的传播条件的变化而改变。
图3a和3b示出测量周期的两个例子，在测量周期期间移动台测量导频信号的接收质量。利用许多时间和频率资源来发射所示导频信号。图3a涉及关于具有不相关衰落的两个天线和如上文定义的由四个初始发射权组成的集合的情况。为了跟踪瞬时信道的变化以及能够调整所述信道，终端使用短测量周期T1以实现发射权的频率更新。图3b涉及采用按半波长分隔且具有相关衰落的两个天线的波束成形情况。为了实现指向不同方向的波束集合，如上文定义波束成形权向量集合。在此情况中，预计最佳波束变化相对缓慢，从而可以应用较长的测量周期T2，如图3b所示。
例如，下文假设接收的下行链路功率是确定导频模式的质量指标所基于的信道特性。移动终端将测量202每个接收到的波束的所述功率值，并确定最佳导频，或确定最佳导频集合，例如具有高于某个阈值的测量的信道特性值的那些导频。移动终端然后确定随测量的信道特性变化的每个导频信号的质量指标。将所推导的信息作为反馈信息203发送回接入点，反馈信息优选地采用每个移动终端的下行链路信道特性的质量报告的形式，质量报告包括有关n≤N个导频信号的信息，该信息包括所述质量指标和至少包括导频的标识。任选地，该报告还可以包括所述质量指标所基于的信道特性的指示以及执行该测量的时间指标。根据本发明的方法从而包含可以显著减少必需的反馈信息的优点。
接入点从而接收在其覆盖区内的移动终端的下行链路接收质量的指标。在下一步中，接入点可以调整204这些移动终端的导频波束，以增加由导频信号表示的波束的下行链路信道质量。通过调整导频信号以及相应地调整测量周期，可以优化从这些移动终端返回的反馈信息，例如针对不同的终端速度或不同的相干性带宽。高速移动终端需要更频繁地更新传输权以及需要更短的测量周期。在此情况中，使用更小的传输权集合是有利的。但是，具有低移动性的移动终端可使用较大的传输权集合以及较长的测量周期。可以将导频权向量的调整机制的一个例子描述如下。在接收到对应于先前发射的导频信号且包括每个所述信号的质量指标的反馈报告时，以如下方式调整具有最小质量指标的导频信号的权使表示所述模式的波束位于具有最大质量指标的两个导频模式之间。另一个创建新的权向量的方式是通过最佳权向量即包括最大质量指标的权向量的随机扰动来生成新的权向量。但是，不是执行调整，为特定的移动终端选择具有最大质量指标的波束就可已经足够。从而，在下一个实例，以改进的权向量集合发射205导频信号。
图4a和4b示出通过使用根据本发明的方法来调整传输权集合的例子。最初，如图4a所示，接入点41选择大的随机传输权集合来生成宽分隔的一组波束42。接入点41然后响应移动终端43作为发射的导频信号的反馈信息重发的接收质量报告持续地调整所述传输权。图4b示出接入点41了解移动终端43以哪种方式分组，以及从而了解必须探测所述传输权中哪些仅对应于小数量的波束。在根据本发明的方法的可设想实施例中，接入点41可以在操作期间以某些时间间隔扫描整个覆盖区，以更新传输权集合同时更频繁地更新包含更多移动终端43的“热区”。
一般来说，使用来自终端的过往测量报告和当前测量报告，以及还可以将调整视为从除质量报告的当前权向量和先前权向量集合至除诸如每个波束应该服务一个还是若干用户的条件的新权向量集合的映射。可以在一般情况中作为两个步骤的过程对此进行公式化。首先将目标函数f定义为f(W，Q，w)。
W是先前权和当前权集合，Q是对应于W内的权向量的质量指标集合，以及w是W中包含的权集合。标量值的成本函数将从而联合权w的累计质量测量。这样，可以找到如下最佳权集合wbest＝arg maxw(f(W，Q，w))。
成本函数可以可能地基于如内积或欧几里得距离的距离测量来例如计算每个权的密集质量测量以及将这些权分组到子集中。目标函数然后可以是例如当从每个子集取一个矢量时的质量测量之和。基于最佳权集合，可以得到如下的新的权集合wnew＝g(wbest)。
注意wnew中权的数量可以大于wbest中权的数量。函数g(·)可以形成新的权集合，如输入权、随机扰动和/或确定性时间变化函数的线性组合。
注意本发明是在多用户情况中使用的。接入点从全部接收到发射的导频模式集合的多个移动终端接收多个反馈报告。但是关于各种导频模式的反馈报告即质量指标取决于接入点的覆盖区内移动终端的位置。该情况从而意味着对导频模式的传输权集合的调整往往针对所有移动终端优化下行链路信道质量。
在下文中，对此予以更详细的说明。假定要以单个波束服务若干用户。然后生成波束集合，以及对于每个权，获取质量报告。对于所有被服务终端，每个波束的质量测量然后可以被当作是报告的最低质量报告。然后单个最佳波束可以被当作是具有最高波束质量测量的波束，以及可以作为该最佳波束的随机扰动生成新的权集合。
假定服务若干用户以及对所有用户使用单独的波束。然后可以生成权对集合，并且然后可以使用来自所有终端的质量报告生成全部权的聚合质量测量。在每个权对中，可以标识最佳权以及通过例如扰动每个最佳权来生成新的权集合。然后重复该过程。
权利要求
1.一种在多载波系统(10)的发射器(11)中的方法，所述发射器(11)在一组M个天线(13)上向多个移动终端(12)发射一个或更多个数据流，其特征在于发射许多包括有序码元集合的导频序列，其中每个码元与预定的时间和频率资源以及每个天线的复传输权相关联，调整与所述导频序列相关联的传输权以实现质量指标集合的目标函数的优化，所述移动终端(12)从至少一个下行链路信道特性的测量推导所述质量指标，以所调整的传输权发射所述导频序列，使用一个或若干个所调整的传输权发射一个或若干个信息流。
2.如权利要求1所述的方法，由此将所述传输权调整为可应用于以组播方式传输对于一组或更多组选定的用户共用的信息。
3.如权利要求1所述的方法，由此将传输权集合调整为使得至少权的子集可应用于在选定的实例将信息传输到选定的用户。
4.如权利要求1所述的方法，由此根据权利要求2调整所述传输权的第一子集以及根据权利要求3调整传输权的第二子集，
5.如前述权利要求之一所述的方法，由此所述过程执行多次。
6.如前述权利要求之一所述的方法，由此调整所述传输权的步骤包含如下步骤应用当前测量报告和先前测量报告以及传输权来推导最佳权的子集，使用所述子集来生成所调整的传输权。
7.如权利要求6所述的方法，由此通过最佳权的所述最佳子集与随机扰动的线性组合生成所调整的传输权。
全文摘要
本发明涉及应用一种用于确定各种天线波束的发射权的自适应方法的多载波多用户通信系统中的波束成形。响应来自接收单元的有关传输质量的适当反馈信息调整复传输权集合，以实现所述质量指标函数的最大化，并从而优化导频信号的传输。
文档编号H04L27/26GK1886915SQ200380110872
公开日2006年12月27日 申请日期2003年12月22日 优先权日2003年12月22日
发明者D·阿斯特利, P·拉松 申请人:艾利森电话股份有限公司