基于波束赋形的空分多址资源分配方法及系统与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及基于波束赋形的空分多址资源分配方法及系统。

背景技术：

目前市场对于带宽的需求愈来愈大，无线通信的主流方向已经逐渐从宽带向超宽带方向转变。第三代合作伙伴计划(3^rd Generation Partnership Project，3GPP)基于多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)通信技术已经逐步从单用户MIMO(Single-User MIMO，SU-MIMO)通信系统向多用户MIMO(Multi-User MIMO，MU-MIMO)通信系统转变。相关技术中，5MHz系统下的多输入单输出(Multiple-Input Single-Output，MISO)和单输入多输出(Single-Input Multiple-Output，SIMO)空口协议体系已经滞后于现有的市场需求，针对比特每秒每赫兹(bit per second/Hz，bps/Hz)的频谱利用率成本较高，目前市场上对于新的通信技术的演进要求已经显得极为迫切。

类似于MIMO通信技术，空分多址接入(Spatial Division Multiple Access，SDMA)也是一种通过扩展空域资源使多个用户共享相同的通信资源，例如共享时域、频域或码域通信资源的通信技术。其利用了当采用多天线传输时，用户的空间子信道之间的正交特性。对于SDMA传输方案，算法理论上已经实现了单导频以及双导频符号设计，但是目前系统实现时，由于单导频符号设计实现更加复杂，系统实现时困难较大，导致目前系统实施方案只实现了双导频设计。波束赋形(Beamforming，BF)是MIMO通信技术的一种传输方式，其利用了空间子信道之间的强相关特性，例如通过智能天线技术，调整基站天线阵列的天线方向图以形成具有强方向性的波束方向。BF传输方式将波束方向对准用户，可以达到提高用户接收信噪比和传输速率的技术效果。但是，通信系统的频谱资源在使用过程中，频谱利用率不高，对采用空分多址或波束赋形传输的用户如何进行资源分配，很大程度上影响到了系统频谱利用率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供基于波束赋形的空分多址资源分配方法及系统，以解决空分多址或波束赋形传输状态下，如何有效地进行资源分配的技术问题，提高系统频谱利用率。

本发明实施例采用以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种基于波束赋形的空分多址资源分配方法，包括：

建立支持波束赋形传输的双流空间子信道；

根据上下行负载指示，启用空分多址传输；

根据所述双流空间子信道的信道信息，对启用空分多址传输的用户进行资源预分配；

根据所述用户更新的传输状态，对所述用户进行空分多址资源或波束赋形资源重配。

第二方面，本发明实施例还对应提供一种基于波束赋形的空分多址资源分配系统，包括：

双流空间子信道建立单元，设置为建立支持波束赋形传输的双流空间子信道；

空分多址传输启用单元，设置为根据上下行负载指示，启用空分多址传输；

资源预分配单元，设置为根据所述双流空间子信道的信道信息，对启用空分多址传输的用户进行资源预分配；

资源重配单元，设置为根据所述用户更新的传输状态，对所述用户进行空分多址资源或波束赋形资源重配。

综上所述，本发明实施例的技术方案建立支持波束赋形传输的双流空间子信道；根据上下行负载指示，启用空分多址传输；根据双流空间子信道的信道信息，对启用空分多址传输的用户进行资源预分配；根据用户更新的传输状态，对用户进行空分多址资源或波束赋形资源重配。本发明实施例的技术方案通过建立双流空间子信道可支持用户的空分多址或波束赋形传输；根据双流空间子信道的信道信息，确定出支持空分多址传输的用户集合，对用户集合中的用户预分配通信资源；根据用户集合中用户更新的传输状态，进行空分多址资源重配或波束赋形资源重配，实现了资源复用，有效地提高了系统频谱利用率，间接地提高了系统吞吐量。

附图说明

图1a是本发明实施例一提供的基于波束赋形的空分多址资源分配方法流程图。

图1b是本发明实施例一提供的两个SDMA用户的空间子信道结构示意图。

图2a是本发明实施例二提供的对用户进行资源预分配的方法流程图。

图2b是本发明实施例二提供的对用户进行资源重配的方法流程图。

图3是本发明实施例三提供的基于波束赋形的空分多址资源分配系统结构框图。

图4a是本发明实施例四提供的资源预分配单元结构框图。

图4b是本发明实施例四提供的资源重配单元结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明具体实施例作详细的描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

如图1a所示，其是本发明实施例提供的一种基于波束赋形的空分多址资源分配方法流程图，本实施例提供的技术方案可以由无线侧(如基站和/或基站控制器等)来执行。该方法可包括以下步骤：

S110、建立支持波束赋形传输的双流空间子信道。

S120、根据上下行负载指示，启用空分多址传输。

SDMA适用于基站采用多天线，终端采用单天线或多天线时的传输情形。与传统的码分多址接入(Code Division Multiple Access，CDMA)、时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)、频分多址接入(Frequency Division Multiple Access，FDMA)或正交频分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)等传输方式相比，SDMA并不采用正交的编码、传输的时间或频率等无线资源的分离来区分用户，而是利用了当采用多天线传输时，用户空间子信道的正交特性。SDMA也可以看成是广义的MU-MIMO。对于支持SDMA的基站和/或基站控制器，在通信网络运行时，需要按统计周期 更新维护上下行负载指示。当上下行负载达到通信网络需求时，例如基站覆盖的通信网络包括N个用户，N至少为2。此时基站和/或基站控制器可首先根据配置需求，针对通信网络中的N个用户建立双流空间子信道。例如，通过调整基站侧天线阵列的天线方向图，形成两个定向波束指向用户区域；两个定向波束可支持N个用户的双流波束赋形传输，也可支持N个用户的空分多址传输。基站和/或基站控制器可再根据上下行负载指示，对N个用户启用空分多址或波束赋形传输。如图1b示出的两个SDMA用户的双流空间子信道结构，两个空间子信道经历相互独立或不相关的信道衰落。对于两个空间子信道的资源分配，可将两个用户的数据和SOW信息重合，导频Pilot位置可以不同。在上下行发送或接收时，可对导频信号赋予不同的权值，从而可区分出上下行的发送或接收过程。

S130、根据双流空间子信道的信道信息，对启用空分多址传输的用户进行资源预分配。

用户随机接入通信网络后，基站和/或基站控制器可根据双流空间子信道的信道信息首先对用户是否支持SDMA传输进行判断，然后启动SDMA的资源分配。信道信息可包括信道矢量的互相关系数或自相关系数，其中，信道矢量的互相关系数可表示为时间上不同传输帧之间的信道互相关特性，信道矢量的自相关系数可表示为频率上不同子载波之间的信道自相关特性。

在确定支持SDMA传输的用户时，可根据用户经历的信道矢量的互相关系数或自相关系数进行判断。若互相关系数或自相关系数大于等于预设的阈值，则可认为用户经历了近似相关的信道衰落，从而可通过双流空间子信道进行SDMA传输，例如，阈值可预设为大于等于0.6。对不同空间子信道上的用户可预分配相同的时域、频域或码域资源。对相同空间子信道上的用户可按传统的时分、码分或频分等方式进行资源预分配，例如，用户采用时分方式接入，则可预分配相同的频域或码域资源；用户采用码分方式接入，则可预分配相同的时域或频域资源；用户采用频分方式接入，则可预分配相同的时域或码域资源。

S140、根据用户更新的传输状态，对用户进行空分多址资源或波束赋形资源重配。启用SDMA无线匹配后，基站和/或基站控制器可周期性更新用户对应的匹配用户，并在上下行传输过程中维护该匹配用户的列表。在本步骤中， 可根据上述步骤S130，周期性更新用户的传输状态，若互相关系数或自相关系数小于预设的阈值，则可将用户的传输状态切换为BF传输。基站和/或基站控制器对用户传输的资源进行重配时，例如，可根据信道信息确定用户是否为SDMA传输状态，若为SDMA状态并且已经启用了SDMA无线匹配，且用户在维护的匹配用户列表中，则进行SDMA资源重配，其它情况则进行BF资源重配。

本实施例提供的技术方案，建立支持波束赋形传输的双流空间子信道；根据上下行负载指示，启用空分多址传输；根据双流空间子信道的信道信息，确定出支持空分多址传输的用户集合，对用户集合中启用空分多址传输的用户预分配通信资源；根据用户集合中用户更新的传输状态，进行空分多址资源重配或波束赋形资源重配，实现了资源复用，有效地提高了系统频谱利用率，间接地提高了系统吞吐量。

实施例二

在本发明实施例一的基础上，本发明实施例提供实施例一的步骤S130和步骤S140的可选实施方式。

如图2a所示，其是本发明实施例提供的对用户进行资源预分配的方法流程图，其是实施例一的步骤S130可选的实施方式之一。即根据双流空间子信道的信道信息，对启用空分多址传输的用户进行资源预分配，可包括以下步骤：

S131、根据双流空间子信道的信道矢量信息，获取支持空分多址传输的上下行用户。

在本步骤中，基站和/或基站控制器统计上下行用户的信道矢量信息，包括信道矢量的互相关系数和信道矢量的自相关系数。根据互相关系数和自相关系数判断得出支持SDMA传输的上下行用户。判断过程可以是：基站和/或基站控制器判断出自相关系数大于等于预设的第一阈值，例如，第一阈值可取0.7，然后继续判断互相关系数是否大于等于预设的第二阈值，示例性的，第二阈值可取0.85，若互相关系数大于等于预设的第二阈值，从而可确定该上下行用户支持SDMA；其它情况，则可确定该上下行用户不支持SDMA。对于不支持SDMA的上下行用户，需要退出SDMA的传输状态，此时不支持SDMA传输的上下行用户的传输状态可切换为BF传输。

S132、根据双流空间子信道的信道相关性，获取与上下行用户对应的匹配 用户。

示例性的，对于上行用户的SDMA无线匹配，可根据用户之间信道矢量的互相关系数进行用户匹配，若上行用户与目标匹配用户之间的互相关系数大于等于预设的第一门限值，例如，第一门限值可取0.5，则将该目标匹配用户添加到上行用户对应的匹配用户列表中。对于下行用户的SDMA无线匹配，示例性的，可采用最小方差无畸变响应干扰抵消算法，根据下行用户与目标匹配用户的信道矢量获得下行发送权值，并根据该下行发送权值获得目标匹配用户的下行载波损失和下行载波干扰比。如果该下行载波损失小于等于预设的第二门限值，例如，第二门限值可取2dB，并且下行载波干扰比大于等于预设的第三门限值，示例性的，第三门限值可取25dB，则将该目标匹配用户添加到下行用户对应的匹配用户列表中。

可选的，为避免上下行用户与其对应的匹配用户占用的带宽资源相差过多，造成过度分配SDMA资源，导致系统吞吐量无谓的减小，需要对匹配用户占用的带宽资源限制在带宽比例因子范围内，带宽比例因子可表示为上下行用户与其匹配用户占用的带宽资源的比值，例如，带宽比例因子大于等于0.5。

S133、对上下行用户和匹配用户进行资源预分配。

对不同空间子信道上的用户可预分配相同的时域、频域或码域资源，对相同空间子信道上的用户可按传统的时分、码分或频分等方式进行资源预分配。

如图2b所示，其是本发明实施例提供的对用户进行资源重配的方法流程图，其是实施例一的步骤S140可选的实施方式之一。即根据用户更新的传输状态，对用户进行空分多址资源或波束赋形资源重配，可包括以下步骤：

S141、确定用户接入的子载波组上下行负载大于等于预设门限值时，对用户进行空分多址资源重配。

若通信网络中上下行用户启用SDMA传输，则需要维护上下行两种空间子信道结构资源类型的已占用资源。对启用SDMA传输的上下行用户，根据上下行用户对应的匹配用户以及上下行未被占用的资源，可获取上下行可用资源，上下行可用资源还可根据支持的SDMA空间子信道类型来获取。

当用户接入的子载波组上下行负载大于等于预设门限值、且该用户存在对应的匹配用户时，可对用户进行空分多址资源重配。示例性的，以下行可进行SDMA重配的用户为例，资源重配过程可以为：

(1)用户i₀接入子载波组si₀，获取下行SDMA可用资源；

(2)得到用户i₀在每个时隙上的最大可用子信道；

(3)获取用户i₀在子载波组si₀上的资源状态；

(4)在子载波组si₀上根据用户资源状态，选取时隙t₀进行重配，根据时隙t₀已确定的SDMA空间子信道类型进行重配；

(5)重复步骤(4)，若带宽需求满足，则中止资源重配；若所有时隙分配完毕，带宽需求未满足则重新开始分配，转入下面步骤(6)；

(6)在子载波组si₀上根据用户资源状态，选取时隙t₀进行重配，根据已确定的SDMA空间子信道类型进行重配；

(7)重复步骤(6)，直至用户带宽需求被满足或者所有时隙都分配完毕。

S142、确定用户接入的子载波组上下行负载小于预设门限值时，将用户的传输状态切换为波束赋形传输，对用户进行波束赋形资源重配。

对用户进行波束赋形资源重配时，原有重配流程维护的上下行用户可用资源表为启用BF可用资源，包括用户接入过程，可利用BF资源进行用户接入。用户切换为波束赋形传输状态时，需要释放已占用的资源，并开始计算可用的两种空间子信道类型资源的可用资源数目。匹配用户type2资源占用且未被其他用户占用的资源可作为type1可用资源，同理，type1资源占用且未被其他用户占用的资源为type2可用资源，未被占用的资源可重新作为BF资源。

需要说明的是，本实施例中的步骤S141和S142的执行顺序可任意调换。

根据本发明实施例的具体实施方式可执行如下试验：

启动测试系统，将基站和/或基站控制器升级到测试版本，且基站和/或基站控制器工作正常，该测试版本的软件程序可执行本实施例的上述步骤；

将一个1M终端用户接入测试系统，进行数据业务，可观察到上行速率可达到1Mbps左右；

再将一个1M终端用户接入测试系统，两终端用户进行SDMA无线匹配后，可观察到两终端用户资源复用后的合并速率可达到1.6～1.8Mbps左右；

当终端用户正常退出匹配，资源不再进行复用。

需要说明的是，本实施例中的无线资源支持里所(Reed Solomon，RS)编码，编码顺序可以是每时隙所有资源的子载波组的空间子信道按顺序编码。

本实施例中，对用户是否支持空分多址进行判断并维护用户的匹配用户列 表，简化了资源分配流程；根据信道特性，对用户进行波束赋形传输和资源重配，提高了频谱效率。

综上所述，本发明实施例的技术方案，建立支持波束赋形传输的双流空间子信道；根据上下行负载指示，启用空分多址传输；根据双流空间子信道的信道信息，确定出支持空分多址传输的用户集合，对用户集合中启用空分多址传输的用户预分配通信资源；根据用户集合中用户更新的传输状态，进行空分多址资源重配或波束赋形资源重配，实现了资源复用，有效地提高了系统频谱利用率，间接地提高了系统吞吐量。

以下内容为本发明实施例提供的基于波束赋形的空分多址资源分配的系统实施例。该空分多址资源分配的系统实施例与上述空分多址资源分配的方法实施例属于同一构思，该空分多址资源分配的系统实施例未详细说明的内容可参考上述空分多址资源分配的方法实施例所记载的内容。

实施例三

在本发明上述方法实施例记载的技术方案基础上，如图3所示，其是本发明实施例提供的一种基于波束赋形的空分多址资源分配系统结构框图。一种基于波束赋形的空分多址资源分配系统300包括：双流空间子信道建立单元310，空分多址传输启用单元320，资源预分配单元330和资源重配单元340。其中，

双流空间子信道建立单元310，设置为建立支持波束赋形传输的双流空间子信道；

空分多址传输启用单元320，设置为根据上下行负载指示，启用空分多址传输；

资源预分配单元330，设置为根据双流空间子信道的信道信息，对启用空分多址传输的用户进行资源预分配；

资源重配单元340，设置为根据用户更新的传输状态，对用户进行空分多址资源或波束赋形资源重配。

在本实施例中，根据双流空间子信道的信道信息，确定出支持空分多址传输的用户集合，对用户集合中启用空分多址传输的用户预分配通信资源；根据用户集合中用户更新的传输状态，进行空分多址资源重配或波束赋形资源重配，实现了资源复用，有效地提高了系统频谱利用率，间接地提高了系统吞吐量。

实施例四

在本发明实施例三的基础上，本发明实施例提供实施例三中的资源预分配单元330和资源重配单元340的可选实施方式。

如图4a所示，实施例三中的资源预分配单元330可以包括：上下行用户获取模块331，匹配用户获取模块332和资源预分配模块333。其中，

上下行用户获取模块331，设置为根据双流空间子信道的信道矢量信息，获取支持空分多址传输的上下行用户；

匹配用户获取模块332，设置为根据双流空间子信道的信道相关性，获取与上下行用户对应的匹配用户；

资源预分配模块333，设置为对上下行用户和匹配用户进行资源预分配。

参考本发明实施例二，匹配用户占用的带宽资源小于等于带宽比例因子。

如图4b所示，实施例三中的资源重配单元340可以包括：空分多址资源重配模块341和波束赋形资源重配模块342。其中，

空分多址资源重配模块341，设置为确定用户接入的子载波组上下行负载大于等于预设门限值时，对用户进行空分多址资源重配；

波束赋形资源重配模块342，设置为确定用户接入的子载波组上下行负载小于预设门限值时，将用户的传输状态切换为波束赋形传输，对用户进行波束赋形资源重配。

本实施例中，对用户是否支持空分多址进行判断并维护用户的匹配用户列表，简化了资源分配流程；根据信道特性，对用户进行波束赋形传输和资源重配，提高了频谱效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明在具体实施方式上可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、明显变型等，均应包含在本发明的保护范围之内。