CN101009534A - 一种多输入多输出系统的发射方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多输入多输出系统的发射方法，包括步骤：A.将待发射的调制数据流经串并转换成多路子数据流；B.对所述每路子数据流分配一个不同的扩频码进行扩频操作，得到多路扩频子数据流；C.将每路扩频子数据流进行组帧后，分别映射到多个发射天线进行发射。本发明还相应提供一种MIMO系统。本发明通过在保证MIMO系统配置不变的情况下，综合空间复用和空间分集的优缺点，提出一种新的MIMO系统发射方案—空码分复用方案，既保证了MIMO系统的传输速率，又保证了MIMO系统的稳定性；并且本发明简单易行，特别适用于信道相关性很高的CDMA无线通信系统中。

Description

一种多输入多输出系统的发射方法及系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种MIMO(Multi Input Multi Output，多输入多输出)系统的发射方法及系统。

背景技术

贝尔实验室的研究人员发现，在一个无线系统的发射端和接收端都采用多天线单元，利用无线散射信道丰富的空间多维特性，以多输入端/多输出端的方式工作，可以显著地提高系统信道容量。这为现代无线通信开辟了一个全新的领域，它给未来的移动通信系统，特别是对高速数据接入的业务，在不增加带宽的情况下提供了一种可极大提高系统数据传输率和频谱利用率的手段。

MIMO系统充分利用了发射端和接收端之间散射丰富的无线信道。此信道特点是，由发射天线阵送出的多个数据流，在接收天线阵一侧都可以有相应的空间特性来标识它，也就是说不同的数据流在接收端看来，都有特有的、可区分的空间特性(如到达角度，功率谱分布等)，即信道具有多维特点。而且，在慢变信道中，可以假设这种空间特性在一个特定的时间段内是不变的。因此，可以这样理解一个(M_T，M_R)的MIMO系统，其中M_T表示发射端天线数目，M_R表示接收端天线数目，该MIMO信道可以看成是由两端中最小天线数M＝min(M_T，M_R)个并行的子信道组成，整个MIMO信道的容量就是所有子信道容量之和。从理论上看，由于每个子信道都可以具有香农容量极限，所以，当发送天线阵在接收天线阵端空间特征具有良好的正交性时，整个MIMO信道的容量将把香农容量公式提高到一个令人吃惊的程度，如式

C＝M×B×log₂(1+ρ)，其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比。上式表明，功率和带宽固定时，MIMO的最大容量C或容量上限随最小天线数M的增加而线性增加。

根据研究表明，MIMO系统能够同时提供分集增益和复用增益，据此其传输方案也可以分为两类：

第一类是分集最大化方案，即空间分集方案。其代表是著名的空时码分集方案，它通过空时编码而增加传输的空时冗余信息，以提高无线传输的稳定性。

第二类是数据传输率最大化方案，即空间复用方案。无线信道的多径传播增加了MIMO系统可用的自由度。若各对收发天线路径的衰落相互独立，则空间信道就可以看成是多个并行的空间传输通道，利用并行通道传输独立的信息流，从而可以提高系统的数据传输率。著名的垂直分层空时码(VerticalBLAST，VBLAST)方案，就是将待发射的信息流分为多路并行子流，然后对各路并行子流独立地进行编码、调制，并映射到其对应的发射天线上。不同的天线发射相互独立的信号，在接收端通过发射天线和接收天线间的空间信道(空间特征)来区分发射信号，从而提高频谱利用率。图1是VBLAST空间复用发射方案的原理框图。

然而，单纯的空间分集方案或者单纯的空间复用方案都并非最优方案。因为在给定的天线配置下MIMO系统本身的自由度是有限的，获取更高的分集增益是以牺牲更大的复用增益为代价的，反之亦然。在保证MIMO系统配置不变的情况下，既要保证系统的稳定性，又要保证系统的复用增益，就必须考虑用其它发射方案。

在3GPP TS 25.224标准规范中，给出了一种时分双工(Time DivisionDuplex，TDD)系统下行发射分集方式的空间码发射分集(Space Code TransmitDiversity，SCTD)方案，图2是SCTD方案原理框图。它不仅利用空间信道来标注发射信号，而且还用扩频码来标注发射信号，也就说它利用扩频码和空间信道的卷积作为复合信道来标注发射信号，从而保证在接收端对发送信号的正确恢复。该方案相对于空间复用来说，虽然提高了系统的稳定性，但同时也降低了系统的数据传输速率，这在要求高速率、高可靠性传输的下一代无线通信中也是令人无法满意的。现有技术中还存在多码CDMA(Code Division MultipleAccess，码分多址)发射方案，参见图3所示。

综上可知，在现有技术中不能同时保证MIMO系统数据传输的稳定性和高传输速率，在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种多输入多输出系统的发射方法，使用该方法发射数据可同时实现高传输速率和稳定性。

本发明的目的之二在于提供一种多输入多输出系统，使用该系统发射数据可同时实现高传输速率和稳定性。

为了实现所述目的之一，本发明提供了一种多输入多输出系统的发射方法，包括如下步骤：

A、将待发射的调制数据流经串并转换成多路子数据流；

B、对所述每路子数据流分配一个不同的扩频码进行扩频操作，得到多路扩频子数据流；

C、将每路扩频子数据流进行组帧后，分别映射到多个发射天线进行发射。

根据本发明的发射方法，所述步骤A之前还包括：

Z、对信源产生的数据流依次进行信道编码、信道交织以及调制处理，以获取所述待发射的调制数据流。

根据本发明的发射方法，所述步骤Z包括：

Z1、对信源产生的数据流进行信道编码，获得编码数据流；

Z2、对所述编码数据流进行信道交织，获得交织数据流；

Z3、将所述交织数据流映射为星座点，获得所述待发射的调制数据流。

根据本发明的发射方法，所述步骤Z1中信道编码为1/2卷积编码、1/3卷积编码、1/3Turbo编码或者LDPC编码。

根据本发明的发射方法，所述步骤Z3中将交织数据流映射为调制数据流s，且s＝(s₁，s₂，...，s_M)^T，式中M为发射信号的码道数，上标T表示求转置运算。

根据本发明的发射方法，所述步骤A中将调制数据流经串并转换成N路子数据流sn，且

，式中n＝1，...，N，而M为发射信号的码道数。

根据本发明的发射方法，所述步骤A中对调制数据流s进行串并转换之前，判断所述调制数据流s是否为N的整数倍，如果是则直接对之进行串并转换；否则在所述调制数据流s后补零，将其变为N的整数倍后再对之进行串并转换。

根据本发明的发射方法，所述步骤B还包括给每路子数据流sⁿ分别分配一个扩频码cⁿ，且cⁿ＝(cⁿ ₁，cⁿ ₂，...，cⁿ _Q)^T；n＝1，...，N；然后进行扩频操作，输出多路扩频子数据流xⁿ，xⁿ＝kronecker(sⁿ，cⁿ)n＝1，...，N；式中Q表示扩频因子，kronecker(.，.)表示求kronecker积操作。

根据本发明的发射方法，所述步骤C中包括给每路扩频子数据流xⁿ分别分配导频码m^(N)进行组帧，然后将组帧序列分配到对应的发射天线上进行发射。

为了实现所述目的之二，本发明还提供了一种多输入多输出系统，包括：

串并转换单元，用于将待发射的调制数据流经串并转换成多路子数据流；

扩频单元，用于对每路子数据流分配一个不同的扩频码进行扩频操作，得到多路扩频子数据流；

组帧单元，用于将所述每路扩频子数据流进行组帧后，分别映射到多个发射天线进行发射。

根据本发明的多输入多输出系统，所述扩频单元给每路子数据流sⁿ分别分配一个扩频码cⁿ，且cⁿ＝(cⁿ ₁，cⁿ ₂，...，cⁿ _Q)^T；n＝1，...，N；然后进行扩频操作，输出多路扩频子数据流xⁿ，xⁿ＝kronecker(sⁿ，cⁿ)n＝1，...，N；式中Q表示扩频因子，kronecker(.，.)表示求kronecker积操作。

根据本发明的多输入多输出系统，所述组帧单元给每路扩频子数据流xⁿ分别分配导频码m^(N)进行组帧，然后将组帧序列分配到对应的发射天线上进行发射。

本发明通过将待发射的调制数据流经串并转换，分成多路子数据流；然后分别分配不同的扩频码进行扩频后映射到多个发射天线上进行发射，进而利用各扩频码和空间信道组成的复合信道来区分发射信号。借此，本发明将空间分集技术和空间复用技术相结合，利用两者的优点，既保证了MIMO系统的高传输速率，又保证了MIMO系统的稳定性。

附图说明

图1是现有技术中的垂直分层空时码方案(VBLAST)的原理框图；

图2是现有技术中的空间码发射分集方案(SCTD)的原理框图；

图3是现有技术中的多码CDMA发射方案的原理框图；

图4是本发明提供的空码分复用方案(SCDM)的原理框图；

图5是实现本发明MIMO系统的发射方法流程图；

图6是本发明提供的TD-SCDMA系统中采用SCDM方案、SCTD方案及VBLAST方案时的误码率实验比较数据图；

图7示是本发明提供的TD-SCDMA系统中采用SCDM方案、SCTD方案及VBLAST方案时的吞吐量实验比较数据图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图4示出了本发明多输入多输出(MIMO)系统的发射方案的原理框图，本文将此方案称为空码分复用(Space Code Division Multiplexing，SCDM)发射方案。为了实现SCDM发射方案，本发明提供一种MIMO系统，包括编码交织调制单元1、串并转换单元2、扩频单元3及组帧单元4，其中：

编码交织调制单元1，用于对信源产生的数据流依次进行信道编码、信道交织以及调制处理，以获取待发射的调制数据流。本发明的一实施例中，首先信源产生高速数据流b，接下来编码交织调制单元1对数据流b进行信道编码，信道编码可以是1/2卷积编码、1/3卷积编码、1/3Turbo编码或者LDPC编码等，得到编码数据流d；再对编码数据流d进行信道交织得到交织数据流e；然后将交织数据流e映射为星座点，得到待发射的调制数据流s。

串并转换单元2，用于将待发射的调制数据流经串并转换成多路子数据流。本实施例中，串并转换单元2为串并转换器S/P，通过该串并转换器S/P对调制后的调制数据流s进行串并转换，得到N路子数据流sⁿ。

扩频单元3，用于对每路子数据流分配一个不同的扩频码进行扩频操作，得到多路扩频子数据流。本实施例中扩频单元3中对每路子数据流sⁿ分配一个不同的扩频码c进行扩频操作，以得到扩频子数据流(扩频序列)为xⁿ＝kronecker(sⁿ，c)，kronecker(.，.)表示求kronecker积操作。

组帧单元4，用于将所述每路扩频子数据流进行组帧后，分别映射到多个发射天线进行发射，本实施例中，组帧单元4为复用器MUX。该组帧单元4给每路扩频子数据流xⁿ加导频码m^(N)进行组帧，而后将组帧序列分配到对应的发射天线上进行发射。

本发明的SCDM发射方案与图1所示的现有VBLAST方案相比，SCDM方案在对串并转换后多路子数据流后，使用不同的扩频码对每路子数据流进行扩频操作，以此来保证系统的稳定性。

本发明的SCDM发射方案与图2所示的现有SCTD方案相比，SCDM方案在数据流进行信道编码、信道交织及调制处理后，增加了一个串并转换器S/P，将调制数据流转换成多路子数据流，以提高系统的数据传输速率。

本发明的SCDM发射方案与图3所示的现有多码CDMA方案相比，SCDM方案将使用不同扩频码的每路数据流映射到不同的天线上，这样可以减小系统的峰均比，这在无线终端显得很有用。

图5示出了本发明的方法流程，其包括了系统从信源产生数据流至组帧发射出去的整个流程，描述如下：

步骤S501中，对信源产生的数据流进行信道编码，信道交织以及调制处理。在本实施例中，信源产生高速数据流，然后进行信道编码和信道交织，并将其映射为调制数据流s＝(s₁，s₂，...，s_M)^T，式中M为发射信号的码道数，上标T表示求转置运算。

步骤S502中，将调制处理后的调制数据流经串并转换成N路子数据流。

在本步骤进行调制数据流s串并转换之前，判断所述调制数据流s是否为N的整数倍，若调制数据流s不为N的整数倍，则在其后补零，将其变为N的整数倍后，再将其串并转换成N路子数据流 其中n＝1，...，N，而M为发射信号的码道数。

步骤S503中，给每路子数据流分别分配一个不同的扩频码进行扩频操作。

在获得N路子数据流sⁿ以后，给每路子数据流sⁿ分别分配一个扩频码cⁿ＝(cⁿ ₁，cⁿ ₂，...，cⁿ _Q)^Tn=1，...，N，然后进行扩频操作得到多路扩频子数据流xⁿ，xⁿ＝kronecker(sⁿ，cⁿ)n＝1，...，N；式中的Q表示扩频因子，kronecker(.，.)表示求kronecker积操作。

步骤S504中，将扩频后得到的多路扩频子数据流进行组帧，并映射到不同的多个发射天线上进行发射。

在扩频操作后，给每路扩频子数据流xⁿ分别分配一个不同的导频码m^(N)进行组帧，然后映射到对应的发射天线上进行发射。本实施例中，所述导频码m^(N)为中间导频码(midamble)。

本发明在城市微小区视距环境下的时分．同步码分多址(Time-DivisionSynchronization Code Division-Multiple-Access，TD-SCDMA)系统中做了测试实验，比较本发明SCDM方案、现有技术中的SCTD方案以及VBLAST方案的误码率和吞吐量。

图5示出了在城市微小区视距环境下，TD-SCDMA系统中采用SCDM方案、SCTD方案以及VBLAST方案时的误码率实验比较数据。其中，图5中的横坐标为信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)，纵坐标为误块率(Bit ErrorRate，BER)。实验中，采样在城市微小区视距环境下的TD-SCDMA系统中，四个用户分别通过所述三种数据发射方案的误码率。

图6示出了在城市微小区视距环境下，TD-SCDMA系统中采用SCDM方案、SCTD方案以及VBLAST方案时的吞吐量实验比较数据。其中，图6中的横坐标为信噪比，纵坐标为吞吐量(Throughput)。实验中，采样在城市微小区视距环境下的TD-SCDMA系统中，四个用户分别通过所述三种数据发射方案的吞吐量。从这些实验数据中可以看出本发明SCDM发射方案能很好的保证系统的传输速率，又能保证系统的稳定性，是现有技术中的几种方案一种很好的折衷。

本发明通过在保证MIMO系统配置不变的情况下，综合空间复用和空间分集的优缺点，提出一种新的MIMO系统发射方案——空码分复用方案。在该方案中，给每根天线分配一个扩频码，利用空间信道和扩频码来做为发射信号的复合特征波形，这样既保证了MIMO系统的传输速率，又保证了MIMO系统的稳定性。并且本方案简单易行，特别适用于信道相关性很高的CDMA无线通信系统中。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1、一种多输入多输出系统的发射方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、将待发射的调制数据流经串并转换成多路子数据流；

B、对所述每路子数据流分配一个不同的扩频码进行扩频操作，得到多路扩频子数据流；

C、将每路扩频子数据流进行组帧后，分别映射到多个发射天线进行发射。

2、根据权利要求1所述的发射方法，其特征在于，所述步骤A之前还包括：

Z、对信源产生的数据流依次进行信道编码、信道交织以及调制处理，以获取所述待发射的调制数据流。

3、根据权利要求2所述的发射方法，其特征在于，所述步骤Z包括：

Z1、对信源产生的数据流进行信道编码，获得编码数据流；

Z2、对所述编码数据流进行信道交织，获得交织数据流；

Z3、将所述交织数据流映射为星座点，获得所述待发射的调制数据流。

4、根据权利要求3所述的发射方法，其特征在于，所述步骤Z1中信道编码为1/2卷积编码、1/3卷积编码、1/3Turbo编码或者LDPC编码。

5、根据权利要求3所述的发射方法，其特征在于，所述步骤Z3中将交织数据流映射为调制数据流s，且S＝(S₁，S₂，…，S_M)^T，式中M为发射信号的码道数，上标T表示求转置运算。

6、根据权利要求1所述的发射方法，其特征在于，所述步骤A中将调制数据流经串并转换成N路子数据流sⁿ，且

，式中n=1，…，N，而M为发射信号的码道数。

7、根据权利要求6所述的发射方法，其特征在于，所述步骤A中对调制数据流s进行串并转换之前，判断所述调制数据流s是否为N的整数倍，如果是则直接对之进行串并转换；否则在所述调制数据流s后补零，将其变为N的整数倍后再对之进行串并转换。

8、根据权利要求1～7任一项所述的发射方法，其特征在于，所述步骤B还包括给每路子数据流sⁿ分别分配一个扩频码cⁿ，且cⁿ，(cⁿ ₁，cⁿ ₂，…，cⁿ _Q)^T；n=1，…，N；然后进行扩频操作，输出多路扩频子数据流xⁿ，xⁿ＝kronecker(sⁿ，cⁿ)n＝1，…，N；式中Q表示扩频因子，kronecker(.，.)表示求kronecker积操作。

9、根据权利要求8所述的发射方法，其特征在于，所述步骤C中包括给每路扩频子数据流xⁿ分别分配导频码m^(N)进行组帧，然后将组帧序列分配到对应的发射天线上进行发射。

10、一种采用如权利要求1～7任一项所述方法的多输入多输出系统，其特征在于，包括：

串并转换单元，用于将待发射的调制数据流经串并转换成多路子数据流；

扩频单元，用于对每路子数据流分配一个不同的扩频码进行扩频操作，得到多路扩频子数据流；

组帧单元，用于将所述每路扩频子数据流进行组帧后，分别映射到多个发射天线进行发射。

11、根据权利要求10所述的多输入多输出系统，其特征在于，所述扩频单元给每路子数据流sⁿ分别分配一个扩频码cⁿ，且cⁿ＝(cⁿ ₁，cⁿ ₂，…，cⁿ _Q)^T；n＝1，…，N；然后进行扩频操作，输出多路扩频子数据流xⁿ，xⁿ＝kronecker(sⁿ，cⁿ)n＝1，…，N；式中Q表示扩频因子，kronecker(.，.)表示求kronecker积操作。

12、根据权利要求11所述的多输入多输出系统，其特征在于，所述组帧单元给每路扩频子数据流xⁿ分别分配导频码m^(N)进行组帧，然后将组帧序列分配到对应的发射天线上进行发射。

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