CN101094021B - 一种自适应多天线通信方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种自适应多天线通信方法和装置，其特点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，进行信道分类，针对不同类型的信道分别选择不同的调制方式和空时处理方式，包括以下步骤：接收端信道估计，反馈信道状态信息，通信信道环境特征的估计和识别，依据信道特征实时选择调制方式和空时处理方式，以多天线垂直贝尔实验室分层空时码方式或空时网格编码方式或波束形成等方式进行实施。其装置包括：空时处理方式选择单元，垂直贝尔实验室分层空时码单元，空时网格编码单元，自适应波束形成单元，发射天线阵列单元，接收天线阵列单元，空时接收单元，信道状态信息单元。本发明扩大了多天线系统对通信环境的适用范围，并提高了性能价格比。

Description

一种自适应多天线通信方法和装置

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，尤其是一种基于空间信道特征的自适应多天线通信方法和装置。

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。多天线技术由来已久，许多蜂窝系统已经采用了多天线，例如小灵通无线市话(Personal Handy-phone System)(以下简称PHS)和时分同步的码分多址技术(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)(以下简称TD-SCDMA)系统均采用了智能天线技术，新的宽带无线通信系统移动广带无线接入技术(Mobile Broadband Wireless Access)(以下简称MBWA)等更是支持空间复用的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output)(以下简称MIMO)天线技术。目前，下一代移动通信系统业界公认的应采用MIMO天线技术和多载波技术实现系统的传输速率的大幅度提升。

贝尔实验室提出的一种分层空时码系统模型-垂直贝尔实验室分层空时码(Vertical Bell Laboratories Layered Space-Time coding)(以下简称V-BLAST)，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算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MIMO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算法受信道相关性的影响较大，在相关系数大于0.6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。

自适应波束形成技术中，利用波束形成技术判断有用信号的到达方向，通过适当的合并权值，在此方向上形成天线主波束，同时降低增益旁瓣或者把零陷对准干扰信号的方向，在发射时，能使期望用户的接收信号功率最大化，同时使窄波束照射范围外的非期望用户受到的干扰最小，甚至为零。

目前的多天线技术研究结果表明，还没有一种多天线技术能够同时在信道空间相关性强和信道空间相关性弱的情况下，达到较高的传输速率和较好的通信质量。MIMO技术由于利用了发射分集和接收分集，在信道空间相关性弱，特别是信道相互独立的情况下能达到较高的信道容量和较好的性能，随着信道空间相关性的增强，MIMO通信的误码率升高，数据传输速率下降。然而智能天线则利用自适应波束形成技术，使得波束方向指向信号方向，在其它方向上抑制干扰，故在信道空间相关性强，特别是在视距的情况下，趋于最佳算法，而随着信道空间相关性的减弱，智能天线通信的误码率升高，数据传输速率下降。

克服单一多天线系统结构的缺陷，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(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)(以下简称OFDM)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.JOURNAL OF 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系统以旋转不变性性质。但是该结构异常复杂，难以在实际系统中实现。

此外，在中国专利申请(申请号200510021539.6)“根据信道空间相关性自适应调整的多天线通信方法及通信系统”中，将现有的MIMO技术和智能天线技术结合起来，提出了一种根据信道空间相关性自适应调整的多天线通信方法。但是，无线信道状态是时变的，由于移动台的移动和建筑物的阻隔，不同时刻的信道空间相关性变化较大。如果以单纯的相关系数作为判断依据，会导致移动通信系统通信方式的频繁切换，因此，该方法难以用于实际移动通信系统中。

发明内容

本发明的目的是为了克服针对现有多天线传输方式难以在信道空间相关性变化的情况下持续进行高速率、高质量通信的缺点，提出一种自适应多天线通信装置和方法，解决了采用单一多天线系统结构不能应对各种复杂通信环境的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种自适应多天线通信方法，其特点是，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，进行信道分类，针对不同类型的信道分别选择不同的调制方式和空时处理方式，包括以下步骤：

步骤1：通过接收端信道估计生成信道质量的测量值信息，以链路的总信噪比(signal-to-noise ratio)(以下简称SNR)形式给出；同时给出反映信道特征值的信道矩阵R_H；该信道矩阵包含每对发射和接收天线之间信道响应关系；

步骤2：将由上述步骤1获得的链路SNR和反映信道特征值的信道矩阵进行反馈；

步骤3：根据反映信道特征值的信道矩阵R_H，估计信道矩阵的条件数Cd，并将Cd与门限值c0，c1进行比较；根据信道的空间相关矩阵的条件数处于的区间范围，进而判断信道分类；

步骤4：依据步骤3所判断的信道分类的结果，选择上述不同的调制方式和空时处理方式；

步骤5：实施根据信道分类结果选择的调制方式和空时处理方式。

在上述步骤1中，上述信道矩阵RH的信息如下；

设多天线输入输出系统配置了M根发射天线与N根接收天线，则其信道冲激响应为：

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& ...& h_{1M}\\ h_{21}& h_{22}& ...& h_{2M}\\ .& .& & .\\ .& .& ...& .\\ .& .& & .\\ h_{N1}& h_{N2}& ...& h_{\mathrm{NM}}\end{array}\right]$

空间相关矩阵为

R_H＝E[H^HH]

其中，H_H表示H的共轭转置；

信道的空间相关矩阵按照下述公式完成

$R_H=R_{\mathrm{RX}}\⊗R_{\mathrm{TX}}$

符号

表示Kronecker积，R_RX表示发射端的空间相关矩阵，R_TX表示接收端的空间相关矩阵。

在上述步骤3中，估计信道矩阵的条件数Cd，按照下述公式完成：其中||R_H||p表示求R_H的p阶范数。信道矩阵的条件数是信道矩阵的最大奇异值与最小奇异值之比，即p＝2范数的条件数；

判断信道分类的方法为：

如空间相关矩阵的条件数Cd＜c0，属于不相关衰落信道，信道系数为独立同分布随机复高斯随机变量，信道系数之间相关性弱；

如空间相关矩阵的条件数c0≤Cd＜c1，属于半相关衰落信道，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；

如空间相关矩阵的条件数Cd≥c1，属于全相关衰落信道，此时散射体位于收端和发端的远场，多输入多输出信道为全相关信道，对于IEEE802.20多输入多输出信道模型，相应的门限参数分别为c0＝10，c1＝40。

在上述步骤4中根据上述步骤3所判断的信道分类结果，选择不同的调制方式和空时处理方式的方法为；

对于不相关衰落信道，对应的空时编码模式选为V-BLAST单元；

对于半相关衰落信道，此时发射信道相关矩阵和接收信道相关矩阵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：对于归一化总SNR为1至10，信道质量随SNR增加而提高，则当SNR＞5时，选择空时网格编码方式；当SNR≤5时，选择多天线V-BLAST单元方式；

对于全相关衰落信道，此时发射信道相关矩阵和接收信道相关矩阵均是非单位阵时，选择自适应波束形成方式。

一种自适应多天线通信装置，其特点是包括发射端和接收端：

发射端包括：空时处理方式选择单元，V-BLAST单元，空时网格编码单元，自适应波束形成单元，发射天线阵列单元；

根据接收端信道估计反馈回的信道状态信息，发射数据经过空时处理方式选择单元后，由自适应选择送入V-BLAST单元或空时网格编码单元或自适应波束形成单元，再经过信道编码，调制由发射天线阵列单元送出；

接收端包括：接收天线阵列单元，空时接收单元，信道状态信息单元；

将接收天线阵列单元接收到的阵列信息传输到空时接收单元，经过解调，译码估计输出数据，并将接收端信道估计的信道状态信息反馈回发射端；

上述自适应多天线通信装置用于执行如下步骤：

步骤1：通过接收端信道估计生成信道质量的测量值信息，以链路的总信噪比形式给出；同时给出反映信道特征值的信道矩阵R_H；该信道矩阵包含每对发射和接收天线之间信道响应关系；

步骤2：将由上述步骤1获得的链路总信噪比和反映信道特征值的信道矩阵进行反馈；

步骤3：根据反映信道特征值的信道矩阵R_H，估计信道矩阵的条件数Cd，并将Cd与门限值c0，c1进行比较；根据信道的空间相关矩阵的条件数处于的区间范围，进而判断信道分类；

步骤4：依据步骤3所判断的信道分类的结果，选择上述不同的调制方式和空时处理方式；

步骤5：实施根据信道分类结果选择的调制方式和空时处理方式；其中，在上述步骤1中，上述信道矩阵R_H的信息如下：

设多天线输入输出系统配置了M根发射天线与N根接收天线，则其信道冲激响应为：

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& ...& h_{1M}\\ h_{21}& h_{22}& ...& h_{2M}\\ .& .& & .\\ .& .& ...& .\\ .& .& & .\\ h_{N1}& h_{N2}& ...& h_{\mathrm{NM}}\end{array}\right]$

空间相关矩阵为

R_H＝E[H^HH]

其中，H^H表示H的共轭转置；

信道的空间相关矩阵按照下述公式完成

$R_H=R_{\mathrm{RX}}\⊗R_{\mathrm{TX}}$

符号

表示Kronecker积，R_RX表示发射端的空间相关矩阵，R_TX表示接收端的空间相关矩阵。

本发明改善了单一多天线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，可以自适应于视距和非视距等不同通信环境；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。

本发明由于采用了基于空间特征识别的多天线系统实现方法，同现有的单一多天线处理方法相比具有很多优点。第一，解决了单一多天线传输方式由于信道空间特征的变化带来的数据传输速率下降，通信质量降低的问题，对不同的信道情况采用不同的信号传输方式，使得在信道空间相关特征变化的情况下，通信都能够保持较高的传输速率和较好的通信质量，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通信方式和调制编码选择方法，采用信道的空间相关矩阵的条件数作为传输方式的切换依据，能够敏感地反映出信道的变化，保证了传输方式切换的准确性和及时性，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。

下面结合附图，对本发明的具体实施作进一步的详细说明。对于所属技术领域的技术人员而言，从对本发明的详细说明中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

附图说明

图1是本发明的方法的装置结构图；

图2是V-BLAST空时方式发射接收结构图；

图3是本发明的方法的流程图；

图4是本发明的无线通信环境特征检测及信道分类流程图；

图5(a)是无线通信环境对应的空间信道相关矩阵条件数与运行数N的关系图；

图5(b)是无线通信环境对应的空间信道相关矩阵条件数及其的分布概率关系图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方法时方式作进一步的详细描述，根据这些结构图，所属领域的技术人员可以很容易实现这些模块。

图1是本发明所述方法的装置结构图。空时处理选择单元T101根据信道状态信息CSI R102值，发射数据d送入空时处理方式选择单元，然后由自适应选择的V-BLAST T102、空时网络格码STTC T103、自适应波束形成T104等空时处理方式，再经过信道编码、调制等，最后由发射天线阵列单元T105.1-T105.M送出；在接收端，接收天线阵列单元R103.1-R103.N将接收到的阵列信息传输到接收空时处理单元R101，其间经过解调、译码等得到估计输出数据。并将接收端的信道状态信息CSI R102的信道信息(包括信噪比、信道相关矩阵等)的输出反馈回发射端。需要说明的是，由于自适应多天线系统中的加扰/解扰、交织/解交织、同步等单元的功能并不是本发明关心的内容，在本实施例中一般不描述这些单元，需要时直接引用这些单元或其输出信号。

图2示出了V-BLAST空时方式发射接收结构图。对于V-BLAST方式，发射端采用(Reed Solomon)(以下简称RS)码等方式的信道编码单元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-正交幅度调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)(以下简称m-QAM)(包括：双相移相键控(Binary Phase Shift Keying)(以下简称BPSK)、正交转换相键(Quadrature Phase Shift Keying)(以下简称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，并从多个发射天线阵列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阵列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R202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R204，估计出原先的数据d。

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V-BLAST方式还是采用空时网格编码方式，或者是采用波束形成方式，详细步骤在后续部分给出。

请参照图3，图3给出了本发明的方法流程图。在自适应多天线系统中，对应空间特征的通信传输方式可以任意调整，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，采用单一的某一种多天线通信方式使得其在各种环境中均有良好得性能，实现起来较为困难。因此，通过分析通信信道的特性，在自适应多天线系统中，选择相应的较为适合的通信传输方式，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。本发明所阐述的方法可按如下几个步骤实现：

步骤31，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。

步骤32，通信信道状态信息的反馈。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。

步骤33，通信信道环境特征实施选择调制方式和空时处理方式的选择。

步骤34，根据步骤33的信息，依据信道特征实时选择调制方式和空时处理方式的选择；

对于信道类型1，即条件数Cd＜门限c0，此时发射信道相关矩阵和接收信道相关矩阵都是单位阵时，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，即条件数c0＜Cd＜c1，此时发射信道相关矩阵和接收信道相关矩阵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STTC方式；当SNR≤5时，选择多天线V-BLAST方式。

对于信道类型3，即条件数Cd＞c1，此时发射信道相关矩阵和接收信道相关矩阵均是非单位阵时，选择自适应波束形成方式。

步骤35，以多天线V-BLAST空时方式或空时网格编码方式或自适应波束形成方式进行实施。这几种方式的具体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。

步骤36，结束。

图4是无线通信环境检测及信道识别流程图。该流程具体包括以下步骤；

步骤41，得到空间信道的空间相关矩阵R_H。

假设MIMO系统配置了M根发射天线与N根接收天线，则其信道冲激响应为：

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& ...& h_{1M}\\ h_{21}& h_{22}& ...& h_{2M}\\ .& .& & .\\ .& .& ...& .\\ .& .& & .\\ h_{N1}& h_{N2}& ...& h_{\mathrm{NM}}\end{array}\right]$

其中，h_nm表示第m根发射天线与第n根接收天线之间的信道响应。同时将上述信道矩阵重新描述为

H＝[h₁ h₂ … h_n … h_N]^T

其中h_n是H的第n行，即

h_n＝[h_n1 h_n2 … h_nM]

为了计算空间相关性，下面将H改写成如下1×MN维的向量形式，即

H＝[h₁ h₂ … h_n … h_N]

那么，空间相关矩阵就为

R_H＝E[H^HH]

其中，H^H表示H的共轭转置。

为了分析简便，可以认为接收天线之间的相关性不依赖于发射天线，反之亦然。也就是说，只有相邻的天线环境产生阵列元素之间的相关，而对链路另一端的阵列元素间没有影响。对于MIMO信道，不同发射(接收)天线之间的空间相关特性用R_Tx和R_Rx来表示，不同天线信号之间的相关系数可以定义为

${\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{mn}}=\frac{<{\mathrm{\&gamma;}}_{m1},{\mathrm{\&gamma;}}_{m2}>-<{\mathrm{\&gamma;}}_{m1}><{\mathrm{\&gamma;}}_{m2}>}{\sqrt{<{\mathrm{\&gamma;}}_{m1}^2>-{<{\mathrm{\&gamma;}}_{m1}>}^2}\sqrt{<{\mathrm{\&gamma;}}_{m2}^2>-{<{\mathrm{\&gamma;}}_{m2}>}^2}}$

其中，r₁和r₂表示两个天线的信号，<·>表示时间平均，也就是对某个样本在一定时间范围内求取平均，即

$<{\mathrm{\&gamma;}}_{m1},{\mathrm{\&gamma;}}_{m2}>=\underset{T\&RightArrow;\&Proportional;}{\lim }\frac{1}{2T}{\&Integral;}_{-T}^T{r}_{m1}\left(t\right)\&CenterDot;{\mathrm{\&gamma;}}_{m2}\left(t\right)\mathrm{dt}$

针对MIMO系统而言，假设信道的衰落具有遍历性，那么，可以认为其统计平均与时间平均相等，这样，<r_m1，r_m2>即是求取两个向量的互相关。从而定义发射端任意两个天线之间的空间相关系数和接收端任意两个天线之间的空间相关系数，即

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\&rho;}}_{m1,m2}^{\mathrm{Tx}}=<h_{n,m1},h_{n,m2}>& n=\mathrm{1,2},...,N\end{array}$

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\&rho;}}_{n1,n2}^{\mathrm{Rx}}=<h_{n1,m},h_{n2,m}>& m=\mathrm{1,2},...,M\end{array}$

综上可得，假设h_n是信道矩阵H的第n行，h_m是H的第m列，那么，发射端和接收端的相关矩阵分别为

$\begin{array}{cc}{R}_{\mathrm{Rx}}=E\left[h_m{h}_m^H\right]& m=\mathrm{1,2},...,M\end{array}$

$\begin{array}{cc}{R}_{\mathrm{TX}}=E\left[h_n^H{h}_n\right]& n=\mathrm{1,2},...,N\end{array}$

于是

$R_H=R_{\mathrm{RX}}\&CircleTimes;R_{\mathrm{TX}}$

其中符号

表示Kronecker积。

步骤42，估计信道矩阵的条件数Cd：

其中||R||_p表示求R的p阶范数。由于矩阵范数的定义不同，因而其条件数也不同，但是由于矩阵范数的等价性，故在不同范数下的条件数也是等价的。在实际估计时，信道矩阵的条件数就是信道矩阵的最大奇异值与最小奇异值之比，即p＝2范数的条件数。

MIMO系统为了获得更高的信道容量，要求信道矩阵中的各个子信道之间是不相关的。因此，可以通过统计信道矩阵的条件数来考察长时间范围内天线振子的小尺度衰落。

步骤43，根据参数判断并对信道分类。并判别信道的空间相关矩阵的条件数处于的区间范围44；根据上述判别结果得到不同的信道类型1 44.1、信道类型2 44.2和信道类型3 44.3。

其中信道类型1 44.1：不相关衰落信道，空间相关矩阵的条件数Cd＜c0，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。

信道类型244.2：半相关衰落信道，c0≤Cd＜c1，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。

信道类型3 44.3：全相关衰落信道，Cd≥c1，此时散射体位于收端和发端的远场，MIMO信道为全相关信道。对于IEEE802.20多输入多输出信道模型，相应的门限参数分别为c0＝10，c1＝40。

条件数反映了信道矩阵是否是奇异的，由于信道是随机产生的，有可能会出现条件数很大的情况，这可能对应于信道的深衰落情况，导致信道矩阵奇异。

图5(a)是无线通信环境对应的空间信道相关矩阵条件数与N运行数的关系。可以看出在测量为运行数500范围内，运行数为188时，条件数达到约467；运行数为219时，条件数达到711，运行数为223左右时，条件数达到311，而运行数为275左右时，出现条件数达到1933。可以看出除了少数条件数很大的情况，其他条件数都相对较小。

图5(b)是无线通信环境对应的空间信道相关矩阵条件数及其的分布概率图。综合分析信道条件数分布规律，也可以看出约80％的条件数都小于10，约90％的条件数都小于40，信道响应矩阵成为奇异矩阵的概率很小。

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。

当然，本发明还可有其他实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，所属技术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的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种自适应多天线通信方法，其特征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，进行信道分类，针对不同类型的信道分别选择不同的调制方式和空时处理方式，包括以下步骤：

步骤1：通过接收端信道估计生成信道质量的测量值信息，以链路的总信噪比形式给出；同时给出反映信道特征值的信道矩阵R_H；该信道矩阵包含每对发射和接收天线之间信道响应关系；

步骤2：将由上述步骤1获得的链路总信噪比和反映信道特征值的信道矩阵进行反馈；

步骤3：根据反映信道特征值的信道矩阵R_H，估计信道矩阵的条件数Cd，并将Cd与门限值c0，c1进行比较；根据信道的空间相关矩阵的条件数处于的区间范围，进而判断信道分类；

步骤4：依据步骤3所判断的信道分类的结果，选择上述不同的调制方式和空时处理方式；

步骤5：实施根据信道分类结果选择的调制方式和空时处理方式；其中，在上述步骤1中，上述信道矩阵R_H的信息如下：

设多天线输入输出系统配置了M根发射天线与N根接收天线，则其信道冲激响应为：

$\text{h=}\left[\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& ...& h_{1M}\\ h_{21}& h_{22}& ...& h_{2M}\\ .& .& & .\\ .& .& ...& .\\ .& .& & .\\ h_{N1}& h_{N2}& ...& h_{\mathrm{NM}}\end{array}\right]$

空间相关矩阵为

R_H＝E[H^HH]

其中，H^H表示H的共轭转置；

信道的空间相关矩阵按照下述公式完成

$R_H=R_{\mathrm{RX}}\&CircleTimes;R_{\mathrm{TX}}$

符号

表示Kronecker积，R_RX表示发射端的空间相关矩阵，R_TX表示接收端的空间相关矩阵。

2.根据权利要求1所述的自适应多天线通信方法，其特征是：

在上述步骤3中，估计信道矩阵的条件数Cd，按照下述公式完成：其中||R_H||p表示求R_H的p阶范数，信道矩阵的条件数是信道矩阵的最大奇异值与最小奇异值之比，即p＝2范数的条件数；

判断信道分类的方法为：

如空间相关矩阵的条件数Cd＜c0，属于不相关衰落信道，信道系数为独立同分布随机复高斯随机变量，信道系数之间相关性弱；

如空间相关矩阵的条件数c0≤Cd＜c1，属于半相关衰落信道，此时仅在收端或者发端近场有散射体而另一端角度扩展很小或者有视距分量存在；

如空间相关矩阵的条件数Cd≥c1，属于全相关衰落信道，此时散射体位于收端和发端的远场，多输入多输出信道为全相关信道，对于IEEE802.20多输入多输出信道模型，相应的门限参数分别为c0＝10，c1＝40。

3.根据权利要求2所述的自适应多天线通信方法，其特征是：

在上述步骤4中根据上述步骤3所判断的信道分类结果，选择不同的调制方式和空时处理方式的方法为；

对于不相关衰落信道，对应的空时编码模式选为垂直贝尔实验室分层空时码单元；

对于半相关衰落信道，此时发射信道相关矩阵和接收信道相关矩阵仅有一个是单位阵时，还需同时考察反映信道质量信息的总信噪比的数值：对于归一化总信噪比为1至10，信道质量随总信噪比增加而提高，则当总信噪比＞5时，选择空时网格编码方式；当总信噪比≤5时，选择多天线垂直贝尔实验室分层空时码单元方式；

对于全相关衰落信道，此时发射信道相关矩阵和接收信道相关矩阵均是非单位阵时，选择自适应波束形成方式。

4.一种自适应多天线通信装置，其特征是包括发射端和接收端：

发射端包括：空时处理方式选择单元，垂直贝尔实验室分层空时码单元，空时网格编码单元，自适应波束形成单元，发射天线阵列单元；

根据接收端信道估计反馈回的信道状态信息，发射数据经过空时处理方式选择单元后，由自适应选择送入垂直贝尔实验室分层空时码单元或空时网格编码单元或自适应波束形成单元，再经过信道编码、调制，由发射天线阵列单元送出；

接收端包括：接收天线阵列单元，空时接收单元，信道状态信息单元；

将接收天线阵列单元接收到的阵列信息传输到空时接收单元，经过解调，译码估计输出数据，并将接收端信道估计的信道状态信息反馈回发射端；

所述自适应多天线通信装置用于执行如下步骤：

步骤1：通过接收端信道估计生成信道质量的测量值信息，以链路的总信噪比形式给出；同时给出反映信道特征值的信道矩阵R_H；该信道矩阵包含每对发射和接收天线之间信道响应关系；

步骤2：将由上述步骤1获得的链路总信噪比和反映信道特征值的信道矩阵进行反馈；

步骤3：根据反映信道特征值的信道矩阵R_H，估计信道矩阵的条件数Cd，并将Cd与门限值c0，c1进行比较；根据信道的空间相关矩阵的条件数处于的区间范围，进而判断信道分类；

步骤4：依据步骤3所判断的信道分类的结果，选择上述不同的调制方式和空时处理方式；

步骤5：实施根据信道分类结果选择的调制方式和空时处理方式；其中，在上述步骤1中，上述信道矩阵R_H的信息如下：

设多天线输入输出系统配置了M根发射天线与N根接收天线，则其信道冲激响应为：

$\left[\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& ...& h_{1M}\\ h_{21}& h_{22}& ...& h_{2M}\\ .& .& & .\\ .& .& ...& .\\ .& .& & .\\ h_{N1}& h_{N2}& ...& h_{\mathrm{NM}}\end{array}\right]$

空间相关矩阵为

R_H＝E[H^HH]

其中，H^H表示H的共轭转置；

信道的空间相关矩阵按照下述公式完成

$R_H=R_{\mathrm{RX}}\&CircleTimes;R_{\mathrm{TX}}$

符号

表示Kronecker积，R_RX表示发射端的空间相关矩阵，R_TX表示接收端的空间相关矩阵。

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