專利名稱：一種多天線通信中發(fā)射信號的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信領域，尤其涉及一種多天線通信中發(fā)射信號的方法及系統(tǒng)。
背景技術：
多輸入多輸出(MIMO，Muliti-Input Multi-Output)技術是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，信號通過發(fā)射端和接收端的多個天線傳送和接收，從而改善每個用戶的服務質(zhì)量(誤比特率或數(shù)據(jù)速率)。而傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)是單進單出(Single-InputSingle-Output，SISO)系統(tǒng)?；诎l(fā)射分集和接收分集的多進單出(Multiple-Input Single-Output，MISO)方式和單進多出(Single-InputMultiple-Output，SIMO)方式也是MIMO的一部分。
目前在MIMO技術中，使用Alamouti空時分組碼傳輸信號，以獲得分集增益。在Alamouti空時分組碼技術中，同時使用兩個發(fā)射天線，用圖1所示的方式發(fā)射信號。在接收端可以使用一個或者多個接收天線。在發(fā)射端同時使用兩個發(fā)射天線，對于接收端而言可以獲得這兩個發(fā)射天線的分集(diversity)增益。
空時編碼(Space-Time Coding，STC)利用了MIMO信道提供的空間分集(Diversity)增益，在常用的BER-SNR曲線中，表現(xiàn)為能得到較陡的斜率。STC中根據(jù)編碼方式的不同，又可以分為STTC(Space TimeTrellisCoding)，ST Turbo Code(Space Time Turbo Code)，STBC(Space Time Block Coding)，差分STBC(DSTBC)等等。Alamouti方案是STBC的一個簡單而經(jīng)典的例子。
這里假設發(fā)射天線數(shù)目M＝2，接收天線數(shù)目N＝2，則接收端收到的信號可以表示為如下形式
r=H·a+v=h11h12h21h22a1-a2*a2a1*+v11v12v21v22]]>這里的r，H和a的定義都是跨越2個符號周期的。即第一個符號周期，兩個發(fā)射天線分別發(fā)射a1和a2，第二個周期則分別發(fā)射-a*2和a*1，而H的各個分量在2個符號周期內(nèi)保持不變。Alamouti方案除了提供空間分集增益外，另一個引人之處在于它的解碼非常簡單，無需進行聯(lián)合檢測，可以對每一個符號分別進行最大似然估計。這里簡單說明一下，設第j個接收天線上的接收信號為rj1＝hj1a1+hj2a2+v1ri2=-hi1a2*+hi2a1*+v2]]>根據(jù)最大似然估計的準則，需要使下式最小Σj=1N(|rj1-hj1a^1-hj2a^2|2+|rj2+hj1a^2*-hj2a^1*|2)]]>把其中各項展開合并同類項后，由于|rj1|2和|rj2|2與a1、a2的取值無關，所以可以轉(zhuǎn)化為求取a使下式最小[-Σj=1N(rj1hj1*a^1*+rj1*hj1a^1+rj2hj2*a^1+rj2*hj2a^1*)+|a^1|2Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2)]+]]>[-Σj=1N(rj1hj2*a^2*+rj1*hj2a^2+rj2hj1*a^2+rj2*hj1a^2*)+|a^2|2Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2)]]]>不難看出，該式第一行僅與a1有關，第二行僅與a2有關，所以可以分別檢測，這就使采用最大似然估計成為可能，進一步進行簡化還可以得到a1、a2的判別式分別為a1使|[Σj=1N(rj1hj1*+rj2*hj2)]-a^1|2+(-1+Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2))|a^1|2]]>最??；a2使|[Σj=1N(rj1hj2*+rj2*hj1)]-a^2|2+(-1+Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2))|a^2|2]]>最小；這兩個判別式與a1、a2的調(diào)制方式無關，所以可以采用不同方式的調(diào)制，如果是PSK調(diào)制，由于星座圖上各點幅度值一樣，則兩個判別式的后一項可以進一步忽略，檢測將更為簡單。
檢測到a1、a2后，也可以分別得到每個符號對應的信噪比
SINRi=(Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2))·(|ai|2/M)σ2]]>可以看出，得到a1、a2的方法實質(zhì)上是一種硬判決。
同樣的原理，容易看出，在接收天線數(shù)目N＝1的情況下，每個符號對應的信噪比SINRi=(|h11|2+|h12|2)·(|ai|2/M)σ2.]]>在現(xiàn)有技術中，有一種使用Alamouti空時分組碼傳輸信號的方案，用于開環(huán)(Open Loop)MIMO系統(tǒng)中。該方案同時使用4個發(fā)射天線，而接收天線的數(shù)目可以是1，2或者4。該方案所使用的MIMO模式是A′=sisi+100-si+1*si*0000si+2si+300-si+3*si+2*]]>以上的矩陣有4行4列，該4列與4個發(fā)射天線對應，每1列對應1個不同的發(fā)射天線。以上矩陣的4行對應于在時間域上，或者在頻率域上，或者在時間和頻率域上的4個連續(xù)的點。
如果把發(fā)射天線編號為發(fā)射天線1，2，3，4?？梢钥吹皆谠摲桨钢?，在發(fā)射天線1，2上發(fā)射兩個符號(symbol)向量[sisi+1]和[-si+1*si*]，然后在發(fā)射天線3，4上發(fā)射兩個符號向量[si+2si+3]和[-si+3*si+2*]。發(fā)射天線1，2上發(fā)射的兩個符號(symbol)向量[sisi+1]和[-si+1*si*]組成一組Alamouti空時分組碼，而發(fā)射天線3，4上發(fā)射的兩個符號向量[si+2si+3]和[-si+3*si+2*]組成另一組Alamouti空時分組碼。
上述現(xiàn)有技術方案中，每一個發(fā)射天線都是在一個時刻的功率是P，而在下一個時刻的功率變成0，功率的變化范圍比較大，這樣對發(fā)射天線所使用的功率放大器的動態(tài)范圍要求比較高，同時對其它用戶的干擾也比較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種，用以解決現(xiàn)有技術中存在的發(fā)射天線功率的變化范圍較大的問題。
本發(fā)明方法包括一種多天線通信中發(fā)射信號的方法，發(fā)射端通過發(fā)射天線發(fā)送Alamouti空時分組碼，包括發(fā)射端將發(fā)射信號經(jīng)預編碼矩陣進行預編碼變換，并將變換后的結果經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射到接收端。
所述Alamouti空時分組碼，為在一個符號周期發(fā)射兩個符號，每個符號周期將所述兩個符號經(jīng)預編碼矩陣進行預編碼變換。
所述發(fā)射端將發(fā)射信號經(jīng)預編碼矩陣進行預編碼后，每個物理天線所發(fā)射信號為所述兩個符號各乘一個復常數(shù)，再相加所得的結果。
所述的兩個復常數(shù)的相位差取固定值。
所述的固定值，是 或者 所述Alamouti空時分組碼，為在一個符號周期發(fā)射兩個符號，所述兩個符號的調(diào)制方式可以相同或者不同。
所述的兩個符號，第二個符號所使用的調(diào)制方式，是把第一個符號所使用的調(diào)制方式的星座圖旋轉(zhuǎn)一個固定角度后得到的調(diào)制方式。
所述的固定角度，是 或者 所述的預編碼矩陣為正交矩陣。
所述的預編碼矩陣為4×4的離散傅里葉變換矩陣。
本發(fā)明系統(tǒng)包括一種多天線通信中發(fā)射信號的系統(tǒng)，包括設置有發(fā)射天線的發(fā)射端，和設置有接收天線的接收端，所述發(fā)射端通過發(fā)射天線發(fā)送Alamouti空時分組碼，所述發(fā)射端還設置有
預編碼單元，用于對發(fā)射信號進行預編碼變換，并將變換后的調(diào)制數(shù)據(jù)經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射到接收端。
本發(fā)明將預編碼技術應用到使用Alamouti空時分組碼傳輸信號的MIMO系統(tǒng)中，使得每一個發(fā)射天線功率的變化范圍盡可能的小，這樣對發(fā)射天線所使用的功率放大器的動態(tài)范圍要求比較小，同時對其它用戶的干擾也比較小。


圖1為現(xiàn)有技術中使用兩個發(fā)射天線發(fā)射Alamouti空時分組碼的示意圖；圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合說明書附圖來說明本發(fā)明的具體實施方式
。
現(xiàn)有技術中，每一個發(fā)射天線都是在一個時刻的功率是P，而在下一個時刻的功率變成0，功率的變化范圍比較大，這樣對發(fā)射天線所使用的功率放大器的動態(tài)范圍要求比較高，同時對其它用戶的干擾也比較大。
本發(fā)明通過使用預編碼(precoding)技術應用到使用Alamouti空時分組碼傳輸信號的MIMO系統(tǒng)中，使得每一個發(fā)射天線功率的變化范圍盡可能的小，這樣對發(fā)射天線所使用的功率放大器的動態(tài)范圍要求比較小，同時對其它用戶的干擾也比較小。
本發(fā)明在發(fā)射端將發(fā)射信號經(jīng)預編碼矩陣進行預編碼變換，將所述發(fā)射信號與預編碼矩陣相乘后，獲取結果向量值，并將變換后的結果向量的各項分別經(jīng)過各個發(fā)射天線發(fā)射到接收端。
本發(fā)明方案中的預編碼矩陣U，為正交矩陣，現(xiàn)在常用的有DFT矩陣即離散傅里葉變換矩陣。4×4的DFT矩陣為
DFT=11111-1i-1+1i1-11-11+1i-1-1i,]]>通常取U=12DFT,]]>我們使用如下MIMO模式A′1=sisi+100-si+1*si*00si+20si+30-si+3*0si+2*0si+400si+5-si+5*00si+4*0si+6si+700-si+7*si+6*00si+80si+90-si+9*0si+8*00si+10si+1100-si+11*si+10*]]>使用預編碼矩陣U后，接收信號、發(fā)射信號與信道的關系表示如下r=(H·U)*x=H~*x]]>其中x＝(A′1)T，這里T表示矩陣的轉(zhuǎn)置。
假設U=u11u12u13u14u21u22u23u24u31u32u33u34u41u42u43u44]]>假設在A′1中使用天線1和3發(fā)射信號，則傳輸?shù)姆柸缦聅00s10-s1*0s0*0T=s0-s1*00s1s0*00.]]>此時的U*x，即各個物理天線發(fā)射的信號如下
u11u13u21u23u31u33u41u43s0-s1*s1s0*---(2)]]>設各個物理天線在符號0的時刻發(fā)射的信號為ti，i＝1，2，3，4表示不同的物理天線，而各個物理天線在符號1的時刻發(fā)射的信號為yi，i＝1，2，3，4，則有ti＝ui1s0+ui3s1，而yi=ui1(-s1*)+ui3s0*.]]>上述矩陣的各行的各項絕對值平方和仍然相同，即各個|ui1|2+|ui3|2都相同。每一個時刻，ti的能量為titi*=(ui1s0+ui3s1)(ui1s0+ui3s1)*=|ui1|2|s0|2+|ui3|2|s1|2+ui1s0(ui3s1)*+(ui1s0)*ui3s1]]>=|ui1|2|s0|2+|ui3|2|s1|2+ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1]]>yiyi*=(-ui1s1*+ui3s0*)(-ui1s1*+ui3s0*)*=|ui1|2|s1|2+|ui3|2|s0|2+ui1s1*(ui3s0*)*+(ui1s1*)*ui3s0*]]>=|ui1|2|s1|2+|ui3|2|s0|2+ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1]]>在使用Alamouti空時分組碼傳輸信號時，最常用的調(diào)制方式是QPSK，此時可以把發(fā)射信號簡寫為si=exp(jkiπ2),]]>而ki＝0，1，2，3。此時，本發(fā)明方案的目標是讓各個物理天線的發(fā)射功率在不同時刻的波動盡可能小。
這里需要注意|si|2＝1，同時|ui1|＝|ui3|＝1/2得到ui1=12exp(jθi1),]]>ui3=12exp(jθi3).]]>容易看到在調(diào)制方式QPSK的情況下，為了保證titi*-yiyi*最小，則只需要保證最小化ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1-(-ui1ui3*s0s1*-ui1*ui3s0*s1)即可，它就是2(ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1)=4*Re{ui1ui3*s0s1*}=]]>Re{exp(j(θi1-θi3))·exp(j(k0-k1)π2)}=Re{exp(j((θi1-θi3)+(k0-k1)π2))}]]>如果θi1-θi3=π4,3π4,5π4]]>或者 則保證上面總是±(1/2)sqrt(2)最小，否則會在±1之間波動。titi*=|ui1|2|s0|2+|ui3|2|s1|2+ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1,]]>而前面的|ui1|2|s0|2+|ui3|2|s1|2≡14(|s0|2+|s1|2)=12,]]>這就相當于后面的變量在±(1/4)sqrt(2)之間波動，所以整個titi*在±(1/4)sqrt(2)之間波動。
為了保證θi1-θi3=π4,3π4,5π4]]>或者 使得發(fā)射信號的功率的波動最小，則需要對U做變換(注意U=12DFT]]>)，U=u11u12u13u14u21u22u23u24u31u32u33u34u41u42u43u44]]>Δ=diag[ejθ1,ejθ2...ejθMt]]]>W=U·Δ=u11ejθ1u12ejθ2u13ejθ3u14ejθ4u21ejθ1u22ejθ2u23ejθ3u24ejθ4u31ejθ1u32ejθ2u33ejθ3u34ejθ4u41ejθ1u42ejθ2u43ejθ3u44ejθ4]]>只要保證θ1-θ3=π4,3π4,5π4]]>或者 即可。
把本發(fā)明的預編碼方案與原方案A′整合非常簡單，W=U·Δ=u11u12ejπ4u13u14ejπ4u21u22ejπ4u23u24ejπ4u31u32ejπ4u33u34ejπ4u41u42ejπ4u43u44ejπ4]]>就可以滿足我們的要求。
如果采用如下MIMO模式
B1′=sisi+1titi+1-si+1*si*-ti+1*ti*si+2ti+2si+3ti+3-si+3*-ti+3*si+2*ti+2*si+4ti+4ti+5si+5-si+5*ti+5*-ti+4*si+4*ti+6si+7si+6ti+7-ti+7*si+6*-si+7*ti+6*ti+8ti+9si+8si+9-ti+9*ti+8*-si+9*si+8*ti+10si+10ti+11si+11-ti+11*-si+11*ti+10*si+10*]]>則稍微復雜一些，這里W=U·Δ=u11u12ejπ4u13u14ejπ4u21u22ejπ4u23u24ejπ4u31u32ejπ4u33u34ejπ4u41u42ejπ4u43u44ejπ4]]>可以用于B1′中使用序號相鄰的兩個天線的場合，即使用3種天線組合12，23，34的場合，而W=U·Δ=u11u12u13ejπ4u14ejπ4u21u22u23ejπ4u24ejπ4u31u32u33ejπ4u34ejπ4u41u42u43ejπ4u44ejπ4]]>使用序號不相鄰的兩個天線的場合即使用3種天線組合發(fā)射天線1和3，發(fā)射天線2和4以及發(fā)射天線1和4組合的場合。實質(zhì)就是所使用的兩列的相位差是 或者 實際實現(xiàn)的時候，可以是r＝(H·W)*x＝(H·U·Δ)*x＝H·U·(Δ*x)這里的(Δ*x)表示對各個發(fā)射信號分別做相位調(diào)整，而所使用的U不變。
上述說明中titi*+yiyi*是常數(shù)，也就是兩個符號的功率和不變，從而各個物理天線上一個TTI內(nèi)的平均功率(各個符號的功率的均值)也保持不變。
而在使用方形的16QAM或64QAM的情況下，實質(zhì)也是所使用的兩列的相位差是 或者 各個物理天線的發(fā)射功率的波動最小，仿真的結果已經(jīng)證明了這一點。原理與先前的分析類似，也是要使得4*Re{ui1ui3*s0s1*}的最大值盡可能的小。4*Re{ui1ui3*s0s1*}取最大值的時候，s0和s1的模必然取最大值。而對于使用方形的16QAM或64QAM的情況，s0和s1的模取最大值的時候，其角度必然是 或者 從而4*Re{ui1ui3*s0s1*}=Re{exp(j(θi1))·(exp(j(θi3)))*·exp(j(k1π2+π4))·(exp(j(k0π2+π4)))*}]]>=Re{exp(j((θi1-θi3)+(k0-k1)π2))}]]>從而如果θi1-θi3=π4,3π4,5π4]]>或者 則保證上面總是±(1/2)sqrt(2)最小。
針對16QAM和64QAM，因為星座圖上各個符號不是等功率的，各個時刻之間必然有功率的偏差，這是不可避免的。但功率的偏差在各個發(fā)射天線上的分布相同即可，甚至分布不同，但保證在各個時刻的偏差的范圍內(nèi)，也可以。
由此可見本發(fā)明將預編碼技術應用到使用Alamouti空時分組碼傳輸信號的MIMO系統(tǒng)中，使得每一個發(fā)射天線功率的變化范圍盡可能的小，這樣對發(fā)射天線所使用的功率放大器的動態(tài)范圍要求比較小，同時對其它用戶的干擾也比較小。
本發(fā)明方案中，預編碼矩陣U，可以是任意的正交矩陣，比如除了用DFT矩陣以外，還可以使用哈達馬(Hadamard)矩陣。4×4的哈達馬矩陣為Hadamard=11111-11-111-1-11-1-11;]]>
通常取U=12Hadamard,]]>容易看到，在Alamouti空時分組碼傳輸信號，如果使用在標準中最常用的調(diào)制方式，如QPSK，方形的16QAM或方形的64QAM的情況，那么實質(zhì)也是所使用的兩列的相位差是 或者 各個物理天線的發(fā)射功率的波動最小。
把本發(fā)明的預編碼方案與原方案A′整合，方法也是W=U·Δ=u11u12ejπ4u13u14ejπ4u21u22ejπ4u23u24ejπ4u31u32ejπ4u33u34ejπ4u41u42ejπ4u43u44ejπ4.]]>如果與B1′中交替的方案整合，稍微復雜一些，為W=U·Δ=u11u12ejπ4u13u14ejπ4u21u22ejπ4u23u24ejπ4u31u32ejπ4u33u34ejπ4u41u42ejπ4u43u44ejπ4]]>可以用于A′1中使用序號相鄰的兩個天線的場合，即使用3種發(fā)射天線組合發(fā)射天線1、2，發(fā)射天線2、3，發(fā)射天線3、4的場合。而W=U·Δ=u11u12u13ejπ4u14ejπ4u21u22u23ejπ4u24ejπ4u31u32u33ejπ4u34ejπ4u41u42u43ejπ4u44ejπ4]]>使用序號不相鄰的兩個天線的場合即使用3種天線組合13，24，14的場合，實質(zhì)就是所使用的兩列的相位差是 或者 實際實現(xiàn)的時候，可以是r＝(H·W)*x＝(H·U·Δ)*x＝H·U·(Δ*x)
這里的(Δ*x)表示對各個發(fā)射信號分別做相位調(diào)整，而所使用的U不變。這就等效于x里面的同一個符號周期的兩個符號中，第二個符號所使用的調(diào)制方式，是把第一個符號使用的調(diào)制方式在星座圖旋轉(zhuǎn)一個固定的角度后，所得到的調(diào)制方式。
接收端和發(fā)射端約定好Δ的變化方式，也就是說接收端預先知道當前的符號周期的Δ的取值，很容易通過相應的處理，正確檢測x。比如，得到y(tǒng)＝Δ*x的估計 再對 乘以Δ的逆矩陣Δ-1，所得到的乘積 就是x的估計 如圖2所示，是本發(fā)明多天線通信中發(fā)射信號的系統(tǒng)，包括設置有發(fā)射天線的發(fā)射端，和設置有接收天線的接收端，所述發(fā)射端通過發(fā)射天線發(fā)送Alamouti空時分組碼，本發(fā)明在所述發(fā)射端還設置有預編碼單元101，用于對發(fā)射信號進行預編碼變換，并將變換后的調(diào)制數(shù)據(jù)經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射到接收端。
顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權利要求
1.一種多天線通信中發(fā)射信號的方法，發(fā)射端通過發(fā)射天線發(fā)送Alamouti空時分組碼，其特征在于，包括發(fā)射端將發(fā)射信號經(jīng)預編碼矩陣進行預編碼變換，并將變換后的結果經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射到接收端。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述Alamouti空時分組碼，為在一個符號周期發(fā)射兩個符號，每個符號周期將所述兩個符號經(jīng)預編碼矩陣進行預編碼變換。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射端將發(fā)射信號經(jīng)預編碼矩陣進行預編碼后，每個物理天線所發(fā)射信號為所述兩個符號各乘一個復常數(shù)，再相加所得的結果。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述的兩個復常數(shù)的相位差取固定值。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述的固定值，是 或者
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述Alamouti空時分組碼，為在一個符號周期發(fā)射兩個符號，所述兩個符號的調(diào)制方式可以相同或者不同。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述的兩個符號，第二個符號所使用的調(diào)制方式，是把第一個符號所使用的調(diào)制方式的星座圖旋轉(zhuǎn)一個固定角度后得到的調(diào)制方式。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述的固定角度，是 或者
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的預編碼矩陣為正交矩陣。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述的預編碼矩陣為4×4的離散傅里葉變換矩陣。
11.一種多天線通信中發(fā)射信號的系統(tǒng)，包括設置有發(fā)射天線的發(fā)射端，和設置有接收天線的接收端，所述發(fā)射端通過發(fā)射天線發(fā)送Alamouti空時分組碼，其特征在于，所述發(fā)射端還設置有預編碼單元，用于對發(fā)射信號進行預編碼變換，并將變換后的調(diào)制數(shù)據(jù)經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射到接收端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多天線通信中發(fā)射信號的方法及系統(tǒng)。包括發(fā)射端將發(fā)射信號經(jīng)預編碼矩陣進行預編碼變換，并將變換后的結果經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射到接收端。本發(fā)明還公開了一種多天線通信中發(fā)射信號的系統(tǒng)。本發(fā)明將預編碼技術應用到使用Alamouti空時分組碼傳輸信號的MIMO系統(tǒng)中，使得每一個發(fā)射天線功率的變化范圍盡可能的小，這樣對發(fā)射天線所使用的功率放大器的動態(tài)范圍要求比較小，同時對其它用戶的干擾也比較小。
文檔編號H04L1/00GK101043298SQ20061007130
公開日2007年9月26日 申請日期2006年3月20日 優(yōu)先權日2006年3月20日
發(fā)明者朱胡飛 申請人:華為技術有限公司