CN101087166B - 一种实现多天线系统切换的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多输入多输出天线技术，提出了一种实现多天线系统切换的方法和装置，所述方法，通过信道估计生成信道质量测量值信息，且给出反映信道特征值的信道矩阵；根据接收端信道估计的信息，进行通信信道状态信息反馈；根据通信信道状态信息，进行信道的相关矩阵特征的估计，识别；根据信道的相关矩阵特征，实时选择调制方式和空时处理方式，并进行相应方式的实施。采用本发明所述方法和装置，通过分析通信信道的特性，选择相应的较为适合的调制和空时处理方法，从而使多天线系统具有更广泛的适应性，避免了单一的某一种多天线系统的局限性，方法切换简洁、计算快速，降低了硬件实现的难度，易于工程实现。

Description

一种实现多天线系统切换的方法和装置

技术领域

本发明涉及通讯领域的多输入多输出天线技术，尤其涉及一种多天线系统中基于空间信道特征实现系统切换的方法和装置。

背景技术

为了适应未来通信的要求，需要不断提高无线传输的系统容量和频谱利用率。因此追求尽可能高的频谱利用率已成为当前一个充满挑战的问题。贝尔实验室提出的一种分层空时码系统模型一垂直贝尔实验室分层空时码(V-BLAST，Vertical Bell Laboratories LayeredSpace-Time coding)是能够有效提高无线频谱利用率的主要方案之一。

该系统是一种空分复用系统，通过串并转换将单个数据流分解为多个子数据流，各子数据流独立进行编码/调制，并从多个天线同时发送出去；在接收端，同样用多个天线接收数据，然后用V-BLAST方法检测出每个天线发送的数据流，再经并串转换，恢复出原始数据流。当满足分集的阈值时，数据率随BLAST系统的发送和接收天线的数量增长，且所提供的信道容量能接近理论上限值。

需要说明的是，V-BLAST结构中的多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)无线信道总被假设为平衰落。然而，在高速无线多媒体通信场合，由于V-BLAST结构中的发射天线数不可能不切实际地一直增加，因此单纯依赖V-BLAST结构中的空域解复用操作(即矢量编码)将无法保持MIMO无线信道的平衰落性，即MIMO无线信道将不可避免地具有频率选择性。毫无疑问，对于频率选择性V-BLAST结构而言，平衰落V-BLAST结构将难有用武之地。

另外V-BLAST方法受信道相关性的影响较大，在相关系数大于0.4以后系统的误码性能急剧恶化。然而在实际的无线传输系统，信道的相关系数由许多因素决定，如取决于收发天线的物理参数、天线之间的距离、空间散射体的分布等。因此，在实际应用情况信道往往是相关的，这样也在一定程度上限制了V-BLAST结构的应用。

克服V-BLAST结构的缺陷，使其具有更广泛的适用性一直是研究人员努力的方向。一种可行的方法是将正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)技术引入V-BLAST结构，克服空域解复用操作等局限性。如文献[WU Xiao-jun，LI Xing，WANG Ji-long.Blind estimation of frequency-selective channels for V-BLAST OFDM system.JOURNALOF CHINA INSTITUTE OF COMMUNICATIONS，2004，25(10)]采用联合空频解复用操作，给出一种贴标签型延迟分集V-BLAST OFDM系统结构。该结构能够赋予V-BLAST OFDM系统以旋转不变性质。但是该结构异常复杂，难以在实际系统中实现。

发明内容

本发明目的是为了克服上述多输入多输出V-BLAST系统的缺点，解决采用单一V-BLAST难以应对各种复杂通信环境的问题，提出一种基于信道特征识别的多天线切换实现方法和装置。

本发明的核心思想是，根据阵列接收信号的相关矩阵和发射信号的相关矩阵特性，将通信环境分为不相关衰落信道、半相关衰落信道和全相关衰落信道等类型的信道，针对不同类型的信道采用相应的OFDM方式或V-BLAST空时处理方式。

本发明具体是这样实现的：

一种实现多天线系统切换的方法，包括如下步骤：

第一步，接收端信道估计，通过信道估计生成信道质量测量值信息，且给出反映信道特征值的信道矩阵；

第二步，根据接收端信道估计的信息，进行通信信道状态信息反馈；

第三步，根据通信信道状态信息，进行信道的相关矩阵特征的估计，利用分解Rayleigh分量进行识别；

第四步，根据信道的相关矩阵特征，实时选择调制方式和空时处理方式，并进行相应方式的实施。

所述第一步中，

所述信道质量测量值信息，以链路的总信噪比形式给出；

所述反映信道特征值的信道矩阵，包含每对发射和接收天线之间信道响应关系。

所述第三步，包括如下步骤：

(1)得到信道的发射相关矩阵和接收相关矩阵；

(2)分解多输入多输出信道的Rayleigh分量，所述分量用Rayleigh衰落信道随机矩阵，信道的发射相关矩阵和接收相关矩阵表示；

(3)根据分解Rayleigh分量得到的参数判断信道类型并对信道分类，识别：

判别信道的发射相关矩阵和接收相关矩阵是否为单位阵；

根据判别结果得到不同的信道类型，即：不相关衰落信道，半相关衰落信道和全相关衰落信道。

所述信道类型为不相关衰落信道时，

信道的发射相关矩阵和接收相关矩阵均是单位阵，信道模型看作是由多个平坦独立的信道组成，采用V-BLAST空时编码模式。

所述信道类型为半相关衰落信道时，

信道的发射相关矩阵和接收相关矩阵仅有一个是单位阵，反映信道质量信息的总信噪比进行归一化，

若总信噪比大于5，则采用单天线OFDM方式；

若总信噪比小于或等于5，则采用多天线V-BLAST。

所述信道类型为全相关衰落信道时，

信道的发射相关矩阵和接收相关矩阵是非单位阵时，选择单天线OFDM方式且调制阶数，根据总信噪比的数值确定。

一种实现多天线系统切换的装置，包括，信道编码单元，映射单元，发射天线阵列，信道估计单元，逆映射单元以及信道译码单元，还包括：

信道状态信息反馈单元，

调制编码方式选择单元；

所述信道状态信息反馈单元将接收端的信道信息传送到调制编码方式选择单元；

所述信道状态信息反馈单元，根据来自接收端信道估计单元的估计结果，确定出每个子信道的信噪比，然后确定各子信道下一次传输所采用的基带调制方式，从而实现多载波方式下的自适应调制；

所述调制编码方式选择单元，根据信道的相关矩阵特征，对信道信息进行分类、利用分解Rayleigh分量进行识别，选择相应的调制编码方式。

所述自适应调制：

当信道条件好时，采用高阶的调制方式；

当信道条件差时，采用低阶的调制方式；

调制方式的门限切换依据信噪比进行。

本发明同现有的单天线高阶调制系统或多天线V-BLAST方法相比具有如下很多的优点：

第一，通过分析通信信道的特性，选择相应的较为适合的调制和空时处理方法，从而使多天线系统具有更广泛的适应性。

第二，采用基于空间信道特征的自适应调制编码切换选择方法，避免了单一的某一种多天线系统的局限性，方法切换简洁、计算快速，降低了硬件实现的难度，易于工程实现。

总之，本发明改善了单一多天线V-BLAST处理方法应用环境的局限性，扩大了多天线系统对通信环境的适用范围，可以及时适应视距(LOS，Line-Of-Sight)和非视距(NLOS，Non-Line-Of-Sight)等不同通信环境；同时基于软件无线电的系统结构，与常规多天线系统相比并不需要较大硬件成本，大大的提高了多天线系统的性能价格比。

附图说明

图1是本发明所述装置结构图；

图2本发明所述方法流程图；

图3本发明无线通信环境检测及信道识别流程图。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述，根据这些示意图，同一领域的技术人员可以很容易实现这些模块。

图1是本发明所述装置结构图，包括OFDM方式的发射端的信道编码单元T101、映射单元T102、IFFT反变换单元T103和发射天线T104；OFDM方式的接收端的接收天线R100、FFT变换单元R101、逆映射单元R102和信道译码单元R103。

V-BLAST空时编码方式发射端的信道编码单元T201、映射单元T202、V-BLAST编码单元T203、多址调制(T204.1-T204.N)和发射天线阵列(T205.1-T205.N)；V-BLAST空时编码方式接收端的接收天线阵列(R200.1-R200.N)、对应的信道估计(R201.10-R201.N0)和多址解调(R201.11-R201.N1)、V-BLAST译码单元R202、逆映射单元R203和信道译码单元R204等。此外，还包括信道状态信息反馈单元T001和调制编码选择单元T002。

由于切换多天线系统中的加扰/解扰、交织/解交织、同步单元以及多天线系统中的A/D和D/A转换、成型和匹配滤波、同步等模块的功能并不是本发明关心的内容，在本发明中不描述这些模块，需要时直接引用这些模块或其输出信号。

信道状态信息反馈单元T001将接收端的信道信息(包括信噪比、信道相关矩阵等)传送到调制编码方式选择单元T002，而调制编码方式选择单元T002对信道信息进行处理分类，选择相应的调制编码方式，并将此调制编码方式输出到OFDM方式的信道编码单元T101或V-BLAST空时编码方式的信道编码单元T201。

对于OFDM方式，发射端采用级联-卷积(RS-CC，Reed Solomon-Convolutional coding)等方式的信道编码单元T101的输出进行映射处理，映射单元T102根据映射方案实现比特分组到信号星座点的变换，可以采用Gray映射的MQAM(包括BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM等)。调制后的数据经IFFT单元T103将多列的数据序列变换为时域的信号，把若干个QAM符号的时域波形合成为一个OFDM符号时域波形，在此之前，还需将导频插入到适当的子载波 中，并且将保护子载波置零(未标出)，最后经天线T104发射。

接收端接收天线R100用于接收无线信号，经射频通道对信号进行离散化、去除保护间隔后传输到FFT单元R101，用于将时域信号转变为频域信号，再经逆映射单元R102和信道译码单元R103，最终得到输出数据流 

对于V-BLAST方式，发射端采用RS等方式的编码单元T201的输出进行映射处理，映射单元T202根据映射方案实现比特分组到信号星座点的变换，可以采用Gray映射的m-QAM(包括BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM等)，之后进行V-BLAST空时编码单元T203，即通过串并转换将单个数据流分解为多个子数据流，对各子数据流分别进行多址调制单元T204.1-T204.M，并从多个天线T205.1-T205.M同时发送出去。

在接收端，任一接收天线R200.1-R205.N接收到的信号都是多个发射天线T205.1-T205.M发送的信号的叠加。假定各收发天线对之间的信道是相互独立的，则这些发送信号都经历了不同的信道衰落。接收机把接收信号经信道估计单元(R201.10-R201.N0)进行频偏估计，在获得正确的采样数据和载波频率之后，经多址解调单元(R201.11-R201.N1)对接收数据进行并串转换，再把结果送入V-BLAST译码单元进行检测处理，然后送入逆映射单元R203进行符号逆映射，最后对数据进行信道译码，估计出原先的数据 

在信道状态信息单元T001中，根据来自接收端信道估计单元(R101.10，R201.10，R201.20，…，R101.N0)对数据子信道的冲激响应的估计的结果，确定出的每个子信道的信噪比，根据不同的算法确定各子信道下一次传输所采用的基带调制方式，从而实现多载波方式下的自适应调制。

自适应调制的原理就是当信道条件好时，采用高阶的调制方式，当信道条件差时，采用低阶的调制方式。调制方式的门限切换可以依据信噪比进行，在接收端计算各子信道的平均信噪比，当子信道的平均信噪比高于各门限时，即通知发端在该子信道启动相应的调制模式。

另外，根据信道的相关矩阵的特征，来确定多天线系统的工作方式，即采用OFDM方式，还是采用V-BLAST方式，详细步骤在后续部分给出。

图2是本发明所述方法流程图。

在切换式多天线系统中，对应空间特征的调制编码可以任意调整，以对当前的传输环境进行最大可能匹配。在实际通信中，信道情况十分复杂，目前来说，采用单一的某一种单天线或多天线调制编码方法使得其在各种环境中均有良好的性能，实现起来较为困难。因此，通过分析通信信道的特性，在切换式多天线系统中，选择相应的较为适合的调制编码方法，从而使多天线系统具有更广泛的适应性，是本发明的出发点。

本发明所述方法可按如下几个步骤实现：

第一步(21)接收端信道估计，通过信道估计生成信道质量测量值信息，一般以链路的总信噪比SNR等形式给出，同时给出反映信道特征值的信道矩阵，该信道矩阵包含每对发射和接收天线之间信道响应关系。

第二步(22)通信信道状态信息反馈，得到接收端信道估计反馈的链路的总信噪比SNR和反映信道特征值的信道矩阵，根据SNR选择调制方式，根据信道矩阵确定系统空时处理方式。

第三步(23)，通信信道类型的识别与分类，具体实施方法在结合图3进行详细说明：

第一步(31)，得到信道的发射相关矩阵 $R_{l,\mathrm{TX}}=R_{l,\mathrm{TX}}^{1/2}{R}_{l,\mathrm{TX}}^{H/2},$ 和信道的接收相关矩阵  $R_{l,\mathrm{RX}}=R_{l,\mathrm{RX}}^{1/2}{R}_{l,\mathrm{RX}}^{H/2}.$ 考虑一般的信道 $H_l=\stackrel{\‾}{H_l}+H_l^{\%},$ 其中：H_l＝E[H_l]是衰落中的固定静态信号分量，即视距分量的影响，式中E[]表示均值运算；而H_l ^％则是衰落中的其他弱可分辨径的影响。

第二步(32)，进一步可以将MIMO信道的Rayleigh分量分解为：

$H_l^{\%}=R_{l,\mathrm{RX}}^{1/2}{H}_{w,l}^{\%}{R}_{l,\mathrm{TX}}^{H/2}$             l＝0，1，...，L-1

H_w，l ^％为表征Rayleigh衰落信道的M_R×M_T维随机矩阵，其元素为零均值独立同分布复高斯随机变量，不同散射体对应的H_w，l ^％之间互不相关，即：

$E[H_{w,l}^{\%}\·{\left(H_{w,l^{\′}}^{\%}\right)}^H]=0_{M_R{M}_T}$             l≠l′，l，l′＝0，1，...，L-1

这里MIMO信道相关性是针对同一散射簇的Rayleigh衰落信道系数而进行的，即讨论的是具有相同延迟时间的MIMO矩阵信道系数之间的相关特征。

第三步，根据参数判断并对信道分类，判别信道的发射相关矩阵是否为单位阵(33)，接着判别信道的接收相关矩阵是否是单位阵(34.1，34.2)；根据上述判别结果得到不同的信道类型1(35.1)、信道类型1(35.2)和信道类型3(35.3)；

信道类型1(35.1)：不相关衰落信道，信道系数为独立同分布随机复高斯随机变量，在收发两端近场均有大量散射体，典型的情况是城市微小区信道。由于发射端和接收端的角度扩展较大，信道系数之间相关性很弱。即R_l，TX＝I；R_l，RX＝I，此时非视距分量近似为  $H_l=H_l^{\%}=H_{w,l},$ 其中I为单位阵。

信道类型2(35.2)：半相关衰落信道，此时仅在收端或者发端近场有大量散射体而另一端角度扩展很小或者有视距分量存在。这种情况可能出现于基站天线足够高而移动台周围有大量建筑物的城市宏小区的环境，角度扩展小的一端，信道系数的相关性大，即R_l，TX＝I， R_l，RX≠I或者R_l，TX≠I，R_l，RX＝I，此时 $H_l=H_l^{\%}=H_{w.l}{\left(R_{l,\mathrm{TX}}^{1/2}\right)}^H$ 或者 $H_l=H_l^{\%}=R_{l,\mathrm{RX}}^{1/2}{H}_{w,l}.$

信道类型3(35.3)：全相关衰落信道，此时散射体位于收端和发端的远场，MIMO信道为全相关信道，即R_l，TX≠I，R_l，RX≠I。当某接收路径无角度扩展即只有视距分量时，信道相关矩阵退化为：R_l，TX＝P_la(θ_TX，l)a^H(θ_TX，l)，R_l，RX＝P_la(θ_RX，l)a^H(θ_RX，l)，式中的a(θ_TX，l)，a(θ_RX，l)分别为发送、接收天线阵列的传播响应矢量。

第四步(24)，依据信道特征实时选择调制方式和空时处理方式。

对于信道类型1，即R_l，TX、R_l，RX都是单位阵时，信道矩阵H_l的统计特性等效于R_l，RX ^1/2H_lR_l，TX ^H/2的统计特性，H_l是平坦独立的信道矩阵，其中上角标H表示求共轭转置。此时，系统可以获得比较大的分集阶数，假定系统中有M根发射天线、N根接收天线，系统中一共存在M×N个可利用的无线链路。如果所有这些链路是独立的，则可获得M×N阶空间分集增益。

对于宽带MIMO系统，信道模型可以看成是由L(L是信道脉冲的阶数)个平坦独立信道组成。此时，MIMO系统可看成是M根发射天线、N×L根虚拟接收天线，则系统获得的分集增益为M×N×L阶，对应的空时编码模式选为V-BLAST。

对于信道类型2，即R_l，TX、R_l，RX仅有一个是单位阵时，还需同时考察反映信道质量信息的SNR的数值：对于较高的SNR，如归一化SNR为1至10，信道质量随SNR增加而提高。则当SNR＞5时，选择单天线OFDM方式；当SNR≤5时，选择多天线V-BLAST方式。

对于信道类型3，即R_l，TX、R_l，RX均是非单位阵时，选择单天线OFDM方式，此时，调制阶数，根据SNR的数值确定。

第五步(25)，单天线OFDM方式或多天线V_BLAST空时编码方式，这两种方式的实施方法在相关领域所熟知，这里不再详述。依据上述步骤确定出的空时处理方式，进行相应的调制和编码。

同样上述处理过程也容易推广应用到其它噪声环境的处理中，且阵列形式也不仅限于均匀线性阵列，对于非均匀线阵、圆阵、弧型阵等其它形式的阵列很容易推而广之。

Claims (8)

1.一种实现多天线系统切换的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，接收端信道估计，通过信道估计生成信道质量测量值信息，且给出反映信道特征值的信道矩阵；

第二步，根据接收端信道估计的信息，进行通信信道状态信息反馈；

第三步，根据通信信道状态信息，进行信道的相关矩阵特征的估计，利用分解Rayleigh分量进行识别；

第四步，根据信道的相关矩阵特征，实时选择调制方式和空时处理方式，并进行相应方式的实施。

2.如权利要求1所述的实现多天线系统切换的方法，其特征在于：

所述第一步中，

所述信道质量测量值信息，以链路的总信噪比形式给出；

所述反映信道特征值的信道矩阵，包含每对发射和接收天线之间信道响应关系。

3.如权利要求1所述的实现多天线系统切换的方法，其特征在于：

所述第三步，包括如下步骤：

(1)得到信道的发射相关矩阵和接收相关矩阵；

(2)分解多输入多输出信道的Rayleigh分量，所述分量用Rayleigh衰落信道随机矩阵，信道的发射相关矩阵和接收相关矩阵表示；

(3)根据分解Rayleigh分量得到的参数判断信道类型并对信道分类，识别：

判别信道的发射相关矩阵和接收相关矩阵是否为单位阵；

根据判别结果得到不同的信道类型，即：不相关衰落信道，半相关衰落信道和全相关衰落信道。

4.如权利要求3所述的实现多天线系统切换的方法，其特征在于：

所述信道类型为不相关衰落信道时，

信道的发射相关矩阵和接收相关矩阵均是单位阵，信道模型看作是由多个平坦独立的信道组成，采用V-BLAST空时编码模式。

5.如权利要求3所述的实现多天线系统切换的方法，其特征在于： 

所述信道类型为半相关衰落信道时，

信道的发射相关矩阵和接收相关矩阵仅有一个是单位阵，反映信道质量信息的总信噪比进行归一化，

若总信噪比大于5，则采用单天线OFDM方式；

若总信噪比小于或等于5，则采用多天线V-BLAST。

6.如权利要求3所述的实现多天线系统切换的方法，其特征在于：

所述信道类型为全相关衰落信道时，

信道的发射相关矩阵和接收相关矩阵是非单位阵时，选择单天线OFDM方式且调制阶数，根据总信噪比的数值确定。

7.一种实现多天线系统切换的装置，包括，信道编码单元，映射单元，发射天线阵列，信道估计单元，逆映射单元以及信道译码单元，其特征在于，还包括：

信道状态信息反馈单元，

调制编码方式选择单元；

所述信道状态信息反馈单元将接收端的信道信息传送到调制编码方式选择单元；

所述信道状态信息反馈单元，根据来自接收端信道估计单元的估计结果，确定出每个子信道的信噪比，然后确定各子信道下一次传输所采用的基带调制方式，从而实现多载波方式下的自适应调制；

所述调制编码方式选择单元，根据信道的相关矩阵特征，对信道信息进行分类、利用分解Rayleigh分量进行识别，选择相应的调制编码方式。

8.如权利要求7所述的实现多天线系统切换的装置，其特征在于：

所述自适应调制：

当信道条件好时，采用高阶的调制方式；

当信道条件差时，采用低阶的调制方式；

调制方式的门限切换依据信噪比进行。 

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