CN100571064C - 实现多输入多输出的下行发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现多输入多输出的下行发射方法。为解决天线的个数受到用户环境和码字资源限制的问题而发明。本发明实现多输入多输出的下行发射方法，将相同的符号数据分成与基站侧天线个数相同的路数，各路信号采用相同的扩频码和扰码的复合码进行扩频，并采用相同的训练序列；采用上述的方法后，天线个数不受资源的限制，并且可以提高抗干扰能力，同时降低功放需求。

Description

实现多输入多输出的下行发射方法

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，特别涉及实现多输入多输出的下行发射方法及上行发射方法。

背景技术

在无线移动通信系统中，多输入多输出系统(Multiple Input Multiple Output，MIMO)能够抵抗多径引起的衰落，从而可以提高系统性能，增大系统容量和扩展覆盖。在现有的TD-SCDMA系统中，在NodeB侧已经实现了多天线系统，能够实现上行接收分集和下行发射赋形，但是由于UE只有1个天线，因此无法实现上行发射分集和下行接收分集。

在公开号为CN1540900A的专利中介绍了在TD-SCDMA系统中引入上下行开环发射的MIMO系统的阶段和装置。此专利描述的系统在上下行的多天线上发射不同的数据，这样的系统用于TD-SCDMA中有如下两个缺点：1)由于多天线上发射数据不同，因此对于某个用户不同天线采用的扩频码和训练序列偏移必须不同，这样在多用户环境和码字资源有限的条件下，天线个数就不能很大。而在TD-SCDMA系统中，由于扩频增益比较小，因此希望基站天线个数比较大，来弥补抗干扰能力的不足。因此如上专利限制了基站天线个数，就降低了抗干扰能力，降低了系统性能；2)多天线上发射不同的数据，在各天线间信道正交得条件下扩大容量，然而当环境变化较大时，信道正交性变差，此时性能会大大恶化。

发明内容

为了克服以上缺陷，本发明的目的在于提供一种天线的个数可以不受用户环境和码字资源限制，并且提高系统性能的实现多输入多输出的下行发射方法及上行发射方法。

为了达到上述目的，本发明实现多输入多输出的下行发射方法，包括以下步骤：

一：基站侧生成用户的符号数据；

二：将相同的符号数据分成与基站侧天线个数相等的路数，各路信号采用相同的扩频码和扰码的复合码进行扩频；

三：将扩频后的各路信号分别与相同的训练序列合成突发数据；

四：根据上行接收的信道冲击响应结果生成下行赋形权值；

五：各路突发数据与相应的下行赋形权值加权，并由相应的天线发射出去。

作为本发明的进一步改进，所述的步骤四具体为：

(1)根据接收的信道冲击响应生成下行赋形权值 $\mathrm{\ω}=\underset{\mathrm{\ω}}{\arg }\max ({\mathrm{\ω}}^H\·R\·\mathrm{\ω}),$ 由ω^H·ω＝1得出ω＝矩阵R的最大特征值对应的归一化特征向量，

其中，所述的R为空间相关矩阵R＝H·H^H，

所述的H为信道冲击响应矩阵

$H={\left[\begin{array}{ccccccccc}{h}_{\mathrm{1,1}}^1& h_{\mathrm{1,2}}^1& ...& h_{1,W}^1& ...& h_{\mathrm{Ku},1}^1& h_{\mathrm{Ku},2}^1& ...& h_{\mathrm{Ku},W}^1\\ h_{\mathrm{1,1}}^2& h_{\mathrm{1,2}}^2& ...& h_{1,W}^2& ...& h_{\mathrm{Ku},1}^2& h_{\mathrm{Ku},2}^2& ...& h_{\mathrm{Ku},W}^2\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ h_{\mathrm{1,1}}^{\mathrm{Kn}}& h_{\mathrm{1,2}}^{\mathrm{Kn}}& ...& h_{1,W}^{\mathrm{Kn}}& ...& h_{\mathrm{Ku},1}^{\mathrm{Kn}}& h_{\mathrm{Ku},2}^{\mathrm{Kn}}& ...& h_{\mathrm{Ku},W}^{\mathrm{Kn}}\end{array}\right]}_{\mathrm{Kn}\×(\mathrm{Ku}*W)}$

上述公式的W为信道冲击响应估计窗长，Kn为基站侧天线个数，Ku为用户侧天线个数，所述的H^H为信道冲击响应矩阵H的共轭转置矩阵；

(2)在基站侧的Kn个天线阵元组成的阵列的方向向量域中求解出ω

$\mathrm{\ω}=\underset{a\left(\mathrm{\θ}\right)}{\arg }\max (a{\left(\mathrm{\θ}\right)}^H\·R\·a\left(\mathrm{\θ}\right)),$ θ＝0～2π

令J＝a(θ)^H·R·a(θ)，以预定的粒度改变θ，分别计算出不同的θ对应的J＝a(θ)^H·R·a(θ)，最大的J对应的θ所对应的方向向量a(θ)即是要求的下行赋形权值ω，

其中，θ为基站侧天线阵列的入射角，a(θ)为基站侧天线阵列的入射角θ的方向向量。

作为本发明的进一步改进，所述的基站侧天线个数为六个、七个或八个。

采用上述实现多输入多输出的下行发射方法后，由于上行通过多天线发射的用户数据相同，并使用不同扩频码和扰码的复合码和同一个训练序列的不同偏移，而下行发射基站多天线间发射完全相同的用户数据，对某个用户多天线上的扩频码和训练序列偏移相同，因此了基站的天线个数不受码字资源的限制，可以提高抗干扰能力，同时能够降低功放需求。

附图说明

图1为本发明在TD-SCDMA系统中的上行开环发射的流程框图。

图2为TD-SCDMA系统中的上行接收流程框图。

图3为本发明在TD-SCDMA系统中的下行闭环发射的流程框图。

图4为TD-SCDMA系统中的下行接收流程框图。

具体实施方式

TD-SCDMA系统中，包括上行发射、上行接收、下行发射、下行接收四个阶段。下面结合上行接收和下行接收对本发明实现多输入多输出的下行发射方法及上行发射方法作进一步详细说明。

如图1所示，本发明在TD-SCDMA系统中的上行发射包括以下步骤：

UE(用户)侧生成用户的符号数据(101)；

将相同的符号数据分成Ku路，各路信号采用不同的扩频码和扰码的复合码进行扩频(102)；

扩频之后，各路信号分别与不同的训练序列合成突发数据(103)；

各路突发数据由相应的天线发射出去。

该阶段具体实施方式为：假设在UE侧加入多天线后天线阵元个数为Ku，并假设NodeB(基站)侧的天线阵元个数为Kn。为了实现下行发射，上行UE的多个天线的发射信号到达NodeB(基站)的信道冲激响应必须能够被分别估计出来，因此UE的Ku个天线发射的Midamble(训练序列)不相同，可以使用同一个基本Midamble(训练序列)的Ku个不同的偏移。上行数据部分的发射分集可以采用一种简单的方式-空码发射分集(Space Code TransmissionDiversity，SCTD)，即Ku个天线使用不同的扩频码和扰码的复合码对同一用户数据进行扩频。

如图2所示，上行接收包括以下步骤：

对NodeB每个接收天线的接收信号进行采样(201)；

对NodeB每个天线的接收采样信号分别进行信道冲击响应估计(202)；

对NodeB每个天线分别生成系统矩阵(203)；

NodeB侧进行多天线信号联合检测(204)；

NodeB每个天线的信道冲击响应估计输出给下行发射赋形权值生成模块(205)。

该阶段具体实施方式为：第一步，可以估计出每个用户的每个天线发射的信号达到NodeB的每个天线的信道冲激响应。NodeB接收到的训练序列部分的信号可以表示为

$e_m^{\mathrm{kn}}=M\·h^{\mathrm{kn}}++n_m^{\mathrm{kn}}$

其中kn＝1，2，…，Kn表示NodeB的天线序号；M表示训练序列矩阵，维数是128×128，n_m ^kn表示各种干扰和噪声，维数是128×1，h^kn表示所有用户的所有天线发射信号的信道冲激响应，维数是128×1。

则信道冲击响应估计

为

kn＝1，...，Kn

第二步，信道估计之后，就要对所有用户的所有天线发射信号进行联合检测。假设A_ku ^kn，kn＝1，2，...，Kn；ku＝1，2，...，Ku；表示所有用户的第ku个天线的发射信号在NodeB的第kn个天线的接收信号组成的系统矩阵。A_ku ^kn中的列是由用户的第ku个天线的发射信号在NodeB的第kn个天线的信道冲击响应与使用的扩频码和扰码的复合码的卷积构成。

由于一个UE的不同天线发射的用户数据相同，因此，NodeB的第kn个天线的总系统矩阵A^kn等于

$A^{\mathrm{kn}}=\underset{\mathrm{ku}=1}{\overset{\mathrm{Ku}}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{ku}}^{\mathrm{kn}},$ kn＝1，2，...，Kn

系统方程可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{e}_d^1\\ e_d^2\\ .\\ .\\ .\\ e_d^{\mathrm{Kn}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{A}^1\\ A^2\\ .\\ .\\ .\\ A^{\mathrm{Kn}}\end{array}\right]d+\left[\begin{array}{c}{n}_d^1\\ n_d^2\\ .\\ .\\ .\\ n_d^{\mathrm{Kn}}\end{array}\right]$

其中d是所有用户的所有符号构成的列向量，e_d ^kn是NodeB的第kn个天线的接收数据，n_d ^kn是NodeB的第kn个天线接收的干扰和噪声。

令

$E=\left[\begin{array}{c}{e}_d^1\\ e_d^2\\ .\\ .\\ .\\ e_d^{\mathrm{Kn}}\end{array}\right],$ $A=\left[\begin{array}{c}{A}^1\\ A^2\\ .\\ .\\ .\\ A^{\mathrm{Kn}}\end{array}\right],$ $n=\left[\begin{array}{c}{n}_d^1\\ n_d^2\\ .\\ .\\ .\\ n_d^{\mathrm{Kn}}\end{array}\right]$

则系统方程可写为

E＝Ad+n

可以对上式中的d进行线性或非线性联合检测。

例如最小均方误差块线性均衡估计

为

其中R_n是干扰噪声n的自相关矩阵，R_d是信号d的自相关矩阵。

如图3所示，下行发射包括以下步骤：

NodeB侧生成用户的符号数据(301)；

将相同的符号数据分成多路，各路信号采用相同的扩频码和扰码的复合码进行扩频(302)；

扩频之后，各路信号分别与相同的训练序列合成突发数据(303)；

根据上行接收的信道冲击响应估计结果生成下行赋形权值(304)；

各路突发数据与相应的赋形权值加权，并由相应的天线发射出去。

该阶段具体实施方式为：在上行接收阶段中可以输出某个用户的每个天线的发射信号达到NodeB的每个天线的信道冲激响应，以矩阵H表示某个用户的上行信道冲击响应矩阵如下：

$H={\left[\begin{array}{ccccccccc}{h}_{\mathrm{1,1}}^1& h_{\mathrm{1,2}}^1& ...& h_{1,W}^1& ...& h_{\mathrm{Ku},1}^1& h_{\mathrm{Ku},2}^1& ...& h_{\mathrm{Ku},W}^1\\ h_{\mathrm{1,1}}^2& h_{\mathrm{1,2}}^2& ...& h_{1,W}^2& ...& h_{\mathrm{Ku},1}^2& h_{\mathrm{Ku},2}^2& ...& h_{\mathrm{Ku},W}^2\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ h_{\mathrm{1,1}}^{\mathrm{Kn}}& h_{\mathrm{1,2}}^{\mathrm{Kn}}& ...& h_{1,W}^{\mathrm{Kn}}& ...& h_{\mathrm{Ku},1}^{\mathrm{Kn}}& h_{\mathrm{Ku},2}^{\mathrm{Kn}}& ...& h_{\mathrm{Ku},W}^{\mathrm{Kn}}\end{array}\right]}_{\mathrm{Kn}\×(\mathrm{Ku}*W)}$

其中W表示信道冲击响应估计窗长。空间相关矩阵R表示为

R＝H·H^H

其中H^H表示矩阵H的共轭转置矩阵。以最大接收功率准则为例，用户的下行赋形权值ω可以表示为

$\mathrm{\ω}=\underset{\mathrm{\ω}}{\arg }\max ({\mathrm{\ω}}^H\·R\·\mathrm{\ω}),$ 约束条件：ω^H·ω＝1

容易得出上述方程的解是：

ω＝矩阵R的最大特征值对应的归一化特征向量

一个简单的求法是在NodeB的Kn个天线阵元组成的阵列的方向向量域中求解ω。假设a(θ)是NodeB天线阵列的当入射角θ的方向向量，则ω可以表示为

$\mathrm{\ω}=\underset{a\left(\mathrm{\θ}\right)}{\arg }\max (a{\left(\mathrm{\θ}\right)}^H\·R\·a\left(\mathrm{\θ}\right)),$ θ＝0～2π

简单的方法就是搜索，以预定的粒度改变θ，分别计算出不同的θ对应的J＝a(θ)^H·R·a(θ)，最大的J对应的θ所对应的方向向量a(θ)即是要求的下行赋形权值ω。

求出用户的下行发射赋形权值之后，对某一用户，NodeB的每个天线对此用户的数据采用的相同的扩频码和扰码的复合码进行扩频，并采用相同的基本Midamble的相同偏移，然后利用权值加权发射。

如图4所示，下行接收包括以下步骤：

对UE每个接收天线的接收信号进行采样(401)；

对UE每个天线的接收采样信号分别进行信道冲击响应估计(402)；

对UE每个天线分别生成系统矩阵(403)；

UE侧进行多天线信号联合检测(404)。

由于NodeB的Kn个天线发射的某用户的信号完全相同(扩频扰码复合码相同，Midamble相同)，因此，对于某用户来说，NodeB的多个天线发射的信号叠加在一起，好像1个天线发来的信号，在UE侧只要进行Ku个天线分集接收即可。

该阶段具体实施方式为：第一步，估计每个天线上得信道冲击响应。

UE接收到的训练序列部分的信号可以表示为

$e_m^{\mathrm{ku}}=M\·h^{\mathrm{ku}}++n_m^{\mathrm{ku}}$

则信道冲击响应估计

为

ku＝1，...，Ku

第二步，信道估计之后，就要对用户的信号进行联合检测。

假设A^ku，ku＝1，2，...，Ku；表示用户的第ku个天线的接收信号组成的系统矩阵。A^ku中的列是由用户的第ku个天线接收信号的信道冲击响应与使用的扩频码和扰码的复合码的卷积构成。

系统方程可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{e}_d^1\\ e_d^2\\ .\\ .\\ .\\ e_d^{\mathrm{Ku}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{A}^1\\ A^2\\ .\\ .\\ .\\ A^{\mathrm{Ku}}\end{array}\right]d+\left[\begin{array}{c}{n}_d^1\\ n_d^2\\ .\\ .\\ .\\ n_d^{\mathrm{Ku}}\end{array}\right]$

令

$E=\left[\begin{array}{c}{e}_d^1\\ e_d^2\\ .\\ .\\ .\\ e_d^{\mathrm{Kn}}\end{array}\right],$ $A=\left[\begin{array}{c}{A}^1\\ A^2\\ .\\ .\\ .\\ A^{\mathrm{Kn}}\end{array}\right],$ $n=\left[\begin{array}{c}{n}_d^1\\ n_d^2\\ .\\ .\\ .\\ n_d^{\mathrm{Kn}}\end{array}\right]$

则系统方程可写为

E＝Ad+n

可以对上式中的d进行线性或非线性联合检测。

例如最小均方误差块线性均衡估计

为

其中R_n是干扰噪声n的自相关矩阵，R_d是信号d的自相关矩阵。

在TD-SCDMA系统中，在UE侧，由于体积和复杂度的限制，天线个数不可能太多，一般考虑2个天线，在系统的NodeB侧可以实现更多的天线配置，一般采用6-8个天线。

采用上述实现多输入多输出的下行发射方法及下行发射方法后，由于上行通过多天线发射的用户数据相同，并使用不同扩频码和扰码的复合码和同一个训练序列的不同偏移，而下行发射基站多天线间发射完全相同的用户数据，对某个用户多天线上的扩频码和训练序列偏移相同，因此了基站的天线个数不受码字资源的限制，可以提高抗干扰能力，同时能够降低功放需求。

Claims (3)

1、一种实现多输入多输出的下行发射方法，其特征在于，包括以下步骤：

一：基站侧生成用户的符号数据；

二：将相同的符号数据分成与基站侧天线个数相等的路数，各路信号采用相同的扩频码和扰码的复合码进行扩频；

三：将扩频后的各路信号分别与相同的训练序列合成突发数据；

四：根据上行接收的信道冲击响应结果生成下行赋形权值；

五：各路突发数据与相应的下行赋形权值加权，并由相应的天线发射出去。

2、按照权利要求1所述的实现多输入多输出的下行发射方法，其特征在于：所述的步骤四具体为：

(1)根据接收的信道冲击响应生成下行赋形权值 $\mathrm{\ω}=\underset{\mathrm{\ω}}{\arg }\max ({\mathrm{\ω}}^H\·R\·\mathrm{\ω}),$ 由ω^H·ω＝1得出ω＝矩阵R的最大特征值对应的归一化特征向量，其中，所述的R为空间相关矩阵R＝H·H^H，所述的H为信道冲击响应矩阵

$H={\left[\begin{array}{ccccccccc}{h}_{\mathrm{1,1}}^1& h_{\mathrm{1,2}}^1& ...& h_{1,W}^1& ...& h_{\mathrm{Ku},1}^1& h_{\mathrm{Ku},2}^1& ...& h_{\mathrm{Ku},W}^1\\ h_{\mathrm{1,1}}^2& h_{\mathrm{1,2}}^2& ...& h_{1,W}^2& ...& h_{\mathrm{Ku},1}^2& h_{\mathrm{Ku},2}^2& ...& h_{\mathrm{Ku},W}^2\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ h_{\mathrm{1,1}}^{\mathrm{Kn}}& h_{\mathrm{1,2}}^{\mathrm{Kn}}& ...& h_{1,W}^{\mathrm{Kn}}& ...& h_{\mathrm{Ku},1}^{\mathrm{Kn}}& h_{\mathrm{Ku},2}^{\mathrm{Kn}}& ...& h_{\mathrm{Ku},W}^{\mathrm{Kn}}\end{array}\right]}_{\mathrm{Kn}\×(\mathrm{Ku}*W)}$

上述公式的W为信道冲击响应估计窗长，Kn为基站侧天线个数，Ku为用户侧天线个数，所述的H^H为信道冲击响应矩阵H的共轭转置矩阵；

(2)在基站侧的Kn个天线阵元组成的阵列的方向向量域中求解出ω

$\mathrm{\ω}=\underset{a\left(\mathrm{\θ}\right)}{\arg }\max (a{\left(\mathrm{\θ}\right)}^H\·R\·a\left(\mathrm{\θ}\right)),\mathrm{\θ}=0~2\mathrm{\π}$

令J＝a(θ)^H·R·a(θ)，以预定的粒度改变θ，分别计算出不同的θ对应的J＝a(θ)^H·R·a(θ)，最大的J对应的θ所对应的方向向量a(θ)即是要求的下行赋形权值ω，

其中，θ为基站侧天线阵列的入射角，a(θ)为基站侧天线阵列的入射角θ的方向向量。

3、按照权利要求1或2所述的实现多输入多输出的下行发射方法，其特征在于：所述的基站侧天线个数为六个、七个或八个。

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