双边大规模分布式MIMO的实现方法、基站及终端系统与流程

双边大规模分布式mimo的实现方法、基站及终端系统
技术领域
1.本发明属于无线通信传输技术领域，尤其涉及双边大规模分布式mimo 的实现方法、基站及终端系统。


背景技术：

2.高铁通信是现有无线通信应用场景中的短板，其面临的主要问题包括高速移动引起系统存在较大的多普勒频偏，从而使其信道信息的获取存在困难，进而导致系统的可靠性以及通信的传输速率下降。
3.在高铁通信中，为了稳定提供良好的覆盖，传统方法是采用泄露电缆。目前泄露电缆被广泛部署应用于隧道、高架等高铁通信场景。但是，泄露电缆的部署成本较高，并且在支持多天线复用传输时受到限制。
4.多天线技术被广泛应用于4g/5g通信中。采用多天线技术可以提高高铁通信的传输速率。由于高铁通信中，基站射频单元通常距离列车较近，信道以直射路径为主(los)，采用传统集中部署的多天线技术，例如5g的大规模天线技术，并不能发挥其多流复用传输的能力。另外，传统的4g/5g采用蜂窝架构，在高铁场景下，存在频繁的小区切换，传统多天线技术仍无法解决这一问题。
5.采用多天线技术并结合共小区实现，即多个节点采用射频信号合并技术，共同覆盖较大区域，可降低切换频次。但是，共小区通常需要正交资源分配，频谱效率较低。
6.双边大规模分布式mimo无线通信系统中，发送端和接收端的天线数目较大，如何实现多流复用传输，降低系统实现的复杂性是需要解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明目的在于提供双边大规模分布式mimo的实现方法、基站及终端系统,以解决如何实现无缝覆盖，彻底避免切换以及提高系统性能和可靠性，实现多流复用传输，降低系统实现的复杂性的技术问题。
8.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
9.一种双边大规模分布式mimo的基站系统及终端系统，所述基站系统包括分散部署的分布式无线单元b
‑
dru、基站中心处理单元b
‑
cpu、集中单元cu，多个b
‑
dru通过高速前传链路连接到b
‑
cpu；每个分布式无线单元b
‑
dru配置多根天线，当分布式无线单元b
‑
dru配置的天线数达到两根以上时利用波束成形对目标发射和接收机所在的角度进行信号发射和接收或进行全向发射和接收；
10.所述终端系统包括分散部署的分布式天线单元m
‑
dru、移动终端的中心处理单元m
‑
cpu，多个m
‑
dru通过高速链路连接到m
‑
cpu，每个分布式天线单元m
‑
dru配置多根天线，当分布式天线单元m
‑
dru配置的天线数达到两根以上时利用波束成形对目标发射或接收机所在的角度进行信号发射和接收或进行全向发射和接收；
11.所述多个b
‑
cpu通过回传链路连接到cu；多个b
‑
cpu通过演进的通用公共无线电接
口协议连接；
12.所述cu控制多个b
‑
cpu并完成系统的无线资源分配和移动性管理；
13.基站系统和终端系统工作在时分双工、频分双工模式。
14.一种双边大规模分布式mimo的实现方法，基站系统上行链路接收，在 b
‑
dru完成上行信号的分布式接收并在b
‑
cpu联合解码，或者在b
‑
cpu联合接收和解码；
15.基站系统下行链路发送，在b
‑
dru完成分布式预编码发送或者由b
‑
cpu 完成下行信号的联合预编码发送；
16.移动终端系统的上行链路发送，在m
‑
dru实现分布式预编码或在m
‑
cpu 实现联合预编码；
17.移动终端系统的下行链路接收，在m
‑
dru实现分布式接收在m
‑
cpu实现联合解码，或者在m
‑
cpu联合接收和解码；
18.移动终端处于两个b
‑
cpu交叠区域时，对上行链路接收，在cu的控制下，当前服务的b
‑
cpu将检测或解调后的数据信息发送给相邻的b
‑
cpu，对下行链路发送，由cu确定b
‑
cpu与b
‑
dru的连接路由关系，从而完成协作收发。
19.进一步的，基站系统上行链路在b
‑
dru先进行分布式接收然后在b
‑
cpu 实现联合解码，其中每个b
‑
dru独立完成终端侧发送的数据流的信道估计及检测，将检测后或软解调后的信号发送给b
‑
cpu完成联合解码。
20.进一步的，基站系统上行链路在b
‑
cpu联合接收和解码，其中每个b
‑
dru 将接收的信号发送到b
‑
cpu，在b
‑
cpu完成所有数据流的信道估计及联合检测、解调和解码。
21.进一步的，基站系统下行链路在b
‑
dru完成分布式预编码发送，其中由 b
‑
cpu确定下行发送的总数据流的个数以及每个b
‑
dru发送的数据流个数， b
‑
cpu把每个b
‑
dru待发送的数据流通过前传链路发送给b
‑
dru；基站系统第 i个b
‑
dru独立地根据它与上行多个m
‑
dru之间的信道状态信息以及发送数据流的个数计算预编码矩阵；基站系统第i个b
‑
dru将待发送数据流经过预编码后映射到天线端口。
22.进一步的，基站系统下行链路在b
‑
cpu完成下行信号的联合预编码，其中由b
‑
cpu确定下行发送的总数据流的个数、每个b
‑
dru发送的数据流的个数以及每个b
‑
dru的预编码矩阵；b
‑
cpu把每个b
‑
dru待发送的数据流以及预编码矩阵通过前传链路发送给b
‑
dru或在b
‑
cpu生成联合预编码后的信号并映射到b
‑
dru的天线端口，通过前传链路发送给b
‑
dru。
23.进一步的，移动终端系统的上行链路在m
‑
dru实现分布式预编码，其中由b
‑
cpu或者m
‑
cpu确定上行发送的总数据流的个数以及每个m
‑
dru发送的数据流个数，m
‑
cpu把每个m
‑
dru待发送的数据流通过前传链路发送给m
‑
dru；终端侧第j个m
‑
dru独立地根据它与基站系统的多个b
‑
dru之间的信道状态信息以及发送数据流的个数计算预编码矩阵；终端侧第j个m
‑
dru将待发送数据流经过预编码后映射到天线端口。
24.进一步的，移动终端系统上行链路在m
‑
cpu实现联合预编码，其中由 b
‑
cpu或者m
‑
cpu确定上行发送的总数据流的个数以及每个m
‑
dru发送的数据流的个数，由m
‑
cpu计算每个m
‑
dru的预编码矩阵；m
‑
cpu把每个m
‑
dru 待发送的数据流以及预编码矩阵通过前传链路发送给m
‑
dru或在m
‑
cpu生成联合预编码后的信号并映射到m
‑
dru的天线端口，通过前传链路发送给m
‑
dru。
25.进一步的，移动终端系统的下行链路在m
‑
dru进行分布式接收并在m
‑
cpu 实现联
合解码，其中每个m
‑
dru独立完成基站系统发送的数据流的信道估计及检测，将检测后或软解调后的信号发送给m
‑
cpu完成联合解码；
26.移动终端系统的下行链路在m
‑
cpu联合接收和解码，其中每个m
‑
dru将接收的信号发送到m
‑
cpu，在m
‑
cpu完成所有数据流的信道估计及联合检测、解调和解码。
27.进一步的，在保证上行或下行的发送端总数据流个数小于基站或终端接收总天线个数的情况下，采用任意设计的预编码方法。
28.本发明的双边大规模分布式mimo的实现方法、基站及终端系统，具有以下优点：
29.1、本发明采用了无蜂窝技术，可实现无缝覆盖，彻底避免切换；
30.2、本发明具有优越的系统性能：一方面具有很高的空间复用能力，可提高频谱效率/数据传输速率，另一方面可挖掘其多节点多天线提供的分集能力，提高系统的可靠性。
31.3、本发明由于采用了b
‑
cpu和m
‑
cpu的集中化处理技术，基站侧和终端侧均具有很强的空分复用传输能力和协作接收能力，系统对预编码的时效性非常鲁棒，进而使得系统有很好的可靠性。
32.4、本发明实现了较低复杂度的多流复用接收，降低系统实现的复杂性；
33.5、本发明可应用于频分双工或时分双工，且可以采用任意预编码，实现了较低复杂度的多流预编码，提高了系统的功率效率，结合高性能接收机，提高了系统的可靠性。
附图说明
34.图1为本发明的双边大规模分布式mimo应用于高铁通信的示意图结构示意图；
具体实施方式
35.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明双边大规模分布式mimo的实现方法、基站及终端系统做进一步详细的描述。
36.如图1所示，是本发明的双边大规模分布式mimo应用于高铁通信的示意图结构示意图，列车端系统包括分散部署的分布式天线单元m
‑
dru、移动终端的中心处理单元m
‑
cpu，多个m
‑
dru通过高速链路连接到m
‑
cpu，每个分布式天线单元m
‑
dru配置多根天线，当分布式天线单元m
‑
dru配置的天线数达到两根以上时利用波束成形对目标发射和接收机所在的角度进行信号发射和接收或进行全向发射和接收；列车端系统的所有分布式天线单元m
‑
dru的总天线数大于列车车厢数；m
‑
dru完成射频信号的收发、数字模拟转换等功能，可选配置一定的物理层处理功能。
37.基站系统包括分散部署的分布式无线单元b
‑
dru、基站中心处理单元 b
‑
cpu和集中单元cu，多个b
‑
dru通过高速链路连接到b
‑
cpu，每个分布式无线单元b
‑
dru配置多根天线，当分布式无线单元b
‑
dru配置的天线数达到两根以上时利用波束成形对目标发射和接收机所在的角度进行信号发射和接收或进行全向发射和接收；基站系统相邻分布式无线单元b
‑
dru间的距离小于列车的长度，列车车头至车尾的范围有多个b
‑
dru；每个分布式无线单元 b
‑
dru由基站中心处理单元b
‑
cpu根据分布式无线单元b
‑
dru与分布式天线单元m
‑
dru之间的信道信息进行激活与去激活，其中激活是指将不在工作状态的b
‑
dru转变为工作状态，去激活是将工作状态的b
‑
dru转变为休眠状态；激活的分布式无线单元b
‑
dru根据信道参数由基站侧中心处理单元b
‑
cpu确定或自行选择进行通信的分布式天线单元m
‑
dru集合；
38.多个b
‑
cpu通过回传链路连接到集中单元cu；多个b
‑
cpu通过演进的通用公共无线电接口ecpri协议连接。
39.b
‑
dru完成射频信号的收发、数字模拟转换等功能，可选配置一定的物理层处理功能。
40.在双边大规模分布式mimo系统中，终端系统和基站系统的处理能力均较强。
41.双边大规模分布式mimo的实现方法如下所示：
42.一、上行链路
43.终端根据系统广播的下行参考信号测量b
‑
dru到m
‑
dru之间的信道状态信息。基站根据终端的能力，或者终端上报上行传输的数据流及每个数据流的信道质量指示(cqi)等信息，确定上行传输的数据流个数以及每个数据流的编码调制格式。上行数据流的总数应小于等于基站系统所有服务的b
‑
dru 的总天线数。
44.在实际实现时，上行数据流的总数、每个m
‑
dru发送的数据流的个数以及每个数据流的编码调制方式由m
‑
cpu或b
‑
cpu确定。预编码矩阵的计算以及预编码过程可以在m
‑
cpu集中实现或每个m
‑
dru中独立实现。
45.1.上行发送预编码
46.m
‑
dru分布式预编码，即：预编码矩阵的计算以及预编码过程在每个 m
‑
dru中独立执行。第j个m
‑
dru根据它与多个b
‑
dru之间的信道矩阵以及其传输的数据流的个数，计算第j个m
‑
dru的预编码矩阵。
47.m
‑
cpu集中式预编码，即：预编码矩阵的计算在m
‑
cpu中执行。m
‑
cpu 根据多个m
‑
dru与多个b
‑
dru之间的信道矩阵以及其传输的数据流的个数，计算系统上行的总体的预编码矩阵。优选地，预编码的执行过程可以在m
‑
dru 实现。预编码的执行也可以在m
‑
cpu实现。
48.2.上行接收机
49.b
‑
dru分布式接收机，即：上行多数据流的检测在b
‑
dru计算。第i个 b
‑
dru先进行上行的解调参考信号的信道估计，根据接收信号的强度，确定需要解调的数据流的个数。每个b
‑
dru可以检测全部的上行数据流，也可以检测部分的上行数据流。检测器可采用线性检测、最大似然检测、干扰抵消检测、置信传播检测以及更优的迭代检测等。经过检测后，b
‑
dru可以把每个数据流的检测结果发送给b
‑
cpu。优选地，b
‑
dru可进一步实现软解调，将每个数据流软解调后的对数似然比(llr)发送给b
‑
cpu。在b
‑
cpu收到所有数据流的检测后，对每个数据流的信号之和求平均，再进行软解调。如果 b
‑
dru把软解调后的数据发送给b
‑
cpu，则b
‑
cpu对每个数据流对应的llr 合并。所有数据流经过解调后，在b
‑
cpu完成解码。
50.b
‑
cpu集中式接收机，即：上行多数据流的检测在b
‑
cpu计算，每个b
‑
dru 将接收的信号发送到b
‑
cpu，在b
‑
cpu完成所有数据流的信道估计及联合检测、解调、解码。
51.二、下行链路
52.基站根据上行探测信号估计出所有m
‑
dru到b
‑
dru之间的信道状态信息。基站根据终端的能力，或者终端上报下行传输的数据流及每个数据流的信道质量指示(cqi)等信息，确定下行传输的数据流个数以及每个数据流的编码调制格式。下行数据流的总数应小于等于终端侧所有服务的m
‑
dru的总天线数。
53.在实际实现时，下行数据流的总数、每个b
‑
dru发送的数据流的个数以及每个数据流的编码调制方式由b
‑
cpu确定。预编码矩阵的计算以及预编码过程可以在b
‑
cpu集中实现
或每个b
‑
dru中独立实现。
54.1.下行发送预编码
55.b
‑
dru分布式预编码，即：预编码矩阵的计算以及预编码过程在每个 b
‑
dru中独立执行。第i个b
‑
dru根据它与多个m
‑
dru之间的信道矩阵以及其传输的数据流的个数，计算第j个b
‑
dru的预编码矩阵。
56.b
‑
cpu集中式预编码，即：预编码矩阵的计算在b
‑
cpu中执行。b
‑
cpu 根据多个b
‑
dru与多个m
‑
dru之间的信道矩阵以及其传输的数据流的个数，计算系统下行的总体的预编码矩阵。优选地，预编码的执行过程可以在b
‑
dru 实现。预编码的执行也可以在b
‑
cpu实现。
57.2.下行接收机
58.m
‑
dru分布式接收机，即：下行多数据流的检测在m
‑
dru计算。第j个 m
‑
dru先进行下行的解调参考信号的信道估计，根据接收信号的强度，确定需要解调的数据流的个数。每个m
‑
dru可以检测全部的下行数据流，也可以检测部分的下行数据流。检测器可采用线性检测、最大似然检测、干扰抵消检测、置信传播检测以及更优的迭代检测等。经过检测后，m
‑
dru可以把每个数据流的检测结果发送给m
‑
cpu。优选地，m
‑
dru可进一步实现软解调，将每个数据流软解调后的对数似然比(llr)发送给m
‑
cpu。在m
‑
cpu收到所有数据流的检测后，对每个数据流的信号之和求平均，再进行软解调。如果 m
‑
dru把软解调后的数据发送给m
‑
cpu，则m
‑
cpu对每个数据流对应的llr 合并。所有数据流经过解调后，在m
‑
cpu完成解码。
59.m
‑
cpu集中式接收机，即：上行多数据流的检测在m
‑
cpu计算，每个m
‑
dru 将接收的信号发送到m
‑
cpu，在m
‑
cpu完成所有数据流的信道估计及联合检测、解调、解码。
60.三、多个b
‑
cpu的协作
61.系统在进行部署时，可以将多个b
‑
cpu采用ecpri协议的前传网连接。这些b
‑
cpu由cu管理。在cu实现用户的移动性管理。当终端移动到两个b
‑
cpu 交叠区域时，在集中单元(cu)的控制之下，b
‑
cpu可将数据流交付给相邻的b
‑
cpu(上行接收时，交付内容为检测/解调的结果，下行发送时，交付内容为待发送的数据流信息)，进而实现无蜂窝的切换。
62.四、多用户复用
63.系统存在多个终端时，可通过分配不同的时频资源，实现多个终端的复用，也可根据系统中终端和基站系统的复用能力，设计基站系统预编码和基站系统的检测方法，实现多个终端在相同的时频资源上复用。
64.较低复杂度的多流复用接收为基于提出框架的进一步研究内容，通过在列车上配置m
‑
cpu控制的多个多天线m
‑
dru，利用m
‑
dru分组分别与不同 b
‑
cpu控制的b
‑
dru通信保持在不同b
‑
cpu间移动时的通信稳定性。
65.当算力受限时，采用分布式接收和预编码节省计算资源，当不受限时采用集中式接收和预编码提升性能，当信道较差时多个b
‑
dru和m
‑
dru对间传输相同流提高可靠性，较好时传输不同的流提高有效性，因此具有更高的灵活性。
66.多个分开配置的多天线m
‑
dru，各自可以利用阵列增益，由于不同m
‑
dru 信道的相关性小，可以有效降低信道均处于较差情况的概率，获得分集增益。
67.以一种上行波束成形方法为例：
68.1、利用列车位置和b
‑
dru位置信息，得到每对m
‑
dru和b
‑
dru之间的角度；
69.2、m
‑
cpu根据参考信号强度等信道信息为每个m
‑
dru分配流，一个流可以分配给不
同的m
‑
dru；
70.3、m
‑
dru利用低复杂度的共轭波束成形同时向多个不同角度上的b
‑
dru 进行发送；
71.4、b
‑
dru根据接收角度进行接收波束成形，获得不同流的信号，并将信号传输给b
‑
cpu；
72.5、b
‑
cpu根据流的编号将相同的流进行合并，提高信干噪比。
73.本发明主要提出在终端即高铁侧也使用大规模分布式mimo，配置多个连接到m
‑
cpu的m
‑
dru的系统结构，形成双边大规模分布式mimo的处理结构和信号处理流程，应对高铁通信中存在的切换导致通信中断问题，改进系统在传输方案选择上的灵活性，与使用传统传输结构的系统相比，可以应用更多具体的多流复用，波束赋形，预编码算法，其终端侧配置多个分布式放置的可协作多天线m
‑
dru的结构相比现有的系统可以获得更高的空间复用和分集增益，更加可靠。
74.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。