CN101179313A - 智能天线系统的分集发射接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能天线系统的分集发射接收装置，该装置包括：分组单元，用于根据将智能天线的阵元分成至少两个组；上行链路信道估计单元，用于在上行链路中分别对至少两个组的阵元进行信道估计，得到信道估计数据；波束赋形单元，用于根据信道估计数据，分别计算与至少两个组的阵元相对应的波束赋形权值；下行链路发射单元，用于在下行链路中使用波束赋形权值，由至少两个组的阵元分别发射加权后的数据；以及接收检测单元，用于在分别接收与至少两个组的阵元相对应的接收数据，并对接收数据进行联合检测，得到下行发射数据的估计值。因此，通过本发明，提高了系统性能增益，从而能够适应各种不同的信道环境。

Description

智能天线系统的分集发射接收装置

技术领域

本发明涉及一种智能天线系统的分集发射接收装置，更具体地，涉及一种时分同步的码分多址(TD-SCDMA)移动通信系统中，用于在智能天线系统中进行分集发射接收的实现装置。

背景技术

当前无线通信中，空时处理技术是研究热点之一，其在空间域和时间域联合处理接收信号，因而，可以充分利用空间信号处理技术和时间信号处理技术的优势，有效抵抗码间干扰(ISI)、减少多址接入干扰(MAI)、增加分集增益以及提高阵增益，达到单个天线的单时间处理方法无法实现的效果。

目前，空间处理技术主要包括有智能天线、自适应天线、切换波束天线和空间分集接收技术等。其中，在TD-SCDMA系统中广泛使用的智能天线技术主要是利用到达天线阵的信号之间的完全相关性形成天线方向图。该方法利用上下行信道的对称性，根据基站接收信号实时调整天线的方向图，使天线主波束对准用户信号的到达方向，旁瓣和零陷对准干扰信号的到达方向。由于智能天线根据用户信号的不同空间传播方向，提供不同的空间信道。在有限的方向区域内接收信号，可以有效地减少接收到的MAI以及理想用户和其他用户的多径信号数量，本质上增加了接收机的输入信干噪比(SINR)，从而提高了系统容量和接收质量。但是，由于其理论建立在假设上下行信道完全对称的基础上，在用户端高速移动或存在大量多径等信道条件下，其性能无法保证。

在码分多址(CDMA)系统中，还可以采用空间分集接收和发射方式抵抗多径衰落，这种技术一般在基站端利用两根天线间间隔数个工作电磁波波长放置，由于各个用户多径的影响产生瑞利(Rayleigh)衰落，两根天线上接收到的两路信号相关性很小，然后对两路信号进行最大比合并或等增益合并或选择合并，最终实现空间分集以提高通信系统性能。分集接收通过增加空间和时间分集阶数来提高分集增益。

综上所述，空间分集接收和空间分集发射利用空间分集提高了接收信号质量和发射信号抗衰落性能，而智能天线则是利用阵列天线大大提高接收质量和发送信号性能。在第三代移动通信标准中，广泛应用发射分集技术和智能天线技术作为两种利用空间资源对抗多径衰落，以提高通信系统性能。虽然这两种方法具有上述优势，但是，在某些情况下这两种方法也分别存在一定的性能损失。

因为空间智能天线技术和分集技术结合能更有效的对抗瑞利衰落，所以解决上述问题的有效措施之一就是将智能天线技术与空间分集技术结合起来，以取长补短。

孙平、丁勇和王清泰在2004年9月30日申请的中国申请第CN200410084828号，公开号为CN1755986的专利《一种用于SCDMA系统中的双极化板状天线阵》中，提出了一种用于同步码分多址通信系统中的双极化天线平板天线阵，该天线阵由两组天线组成，每组天线有N个天线单元(N为正整数)，其中一组天线上每个天线单元的所有天线阵子相对普通垂直极化天线单元转+45°，而另一组天线上每个单元的所有天线阵子相对普通垂直极化天线单元转-45°，即这两组天线是正交极化的。每一组天线中两个相邻天线单元的水平距离是相等的，且该距离为发射信号的半个波长到一个波长之间。在接收时，结合分集技术和智能天线的算法，该天线阵能提高接收灵敏度。但是，该方法由于在接收端限定了采用选择合并的方法，因而系统的性能增益提高较小。

针对上述问题，本发明提出了一种智能天线系统的分集发射接收方法及装置，采用将阵元分组，分别进行波束赋形并且通过时间分集或编码分集方式，在接收端进行分集接收合并的方法实现了空间分集和智能天线技术的结合使用，从而，使无线通信系统同时获得了分集增益和赋形增益，同时也提高了系统的性能。

发明内容

为了使无线通信系统同时获得分集和赋形增益。本发明提供了一种智能天线系统的分集发射接收方法及装置，利用空间分集和智能天线相互结合使用，通过在接收端进行联合检测，从而达到了提高系统性能增益，适应各种不同的信道环境的目的。

本发明的一个方面提供了一种智能天线系统的分集发射接收装置，其包括：分组单元，用于根据第一预定方法将智能天线的阵元分成至少两个组；上行链路信道估计单元，用于在上行链路中分别对至少两个组的阵元进行信道估计，得到信道估计数据；波束赋形单元，用于根据信道估计数据，分别计算与至少两个组的阵元相对应的波束赋形权值；下行链路发射单元，用于在下行链路中使用波束赋形权值，由至少两个组的阵元采用第二预定方法分别发射加权后的数据；以及接收检测单元，用于在接收端分别接收与至少两个组的阵元相对应的接收数据，并根据所采用的第二预定方法对接收数据进行联合检测，得到下行发射数据的估计值。

根据本发明的一个方面，第一预定方法包括以下至少一种：级化分集和空间分集。第二预定方法包括所有分集方法，例如，以下至少一种：时间发射分集和编码发射分集。

根据本发明的一个方面，时间发射分集是在不同时刻由至少两个组的阵元发射相同的数据经过不同的信道到达接收端。编码发射分集是下行链路发射的数据经过不同的扩频码和扰码进行扩频加扰后，在相同时刻由不同的至少两个组的阵元进行下行发射。

本发明的另一个方面提供了一种智能天线系统的分集发射接收方法，该方法包括以下步骤：步骤S102，根据第一预定方法将智能天线的阵元分成至少两个组；步骤S104，在上行链路中分别对至少两个组的阵元进行信道估计，得到信道估计数据；步骤S106，根据信道估计数据，分别计算与至少两个组的阵元相对应的波束赋形权值；步骤S108，在下行链路中使用波束赋形权值，由至少两个组的阵元采用第二预定方法分别发射加权后的数据；以及步骤S110，在接收端分别接收与至少两个组的阵元相对应的接收数据，并根据所采用的第二预定方法对接收数据进行联合检测，得到下行发射数据的估计值。

根据本发明的另一个方面，第一预定方法包括以下至少一种：级化分集和空间分集。第二预定方法包括所有分集方法，例如，以下至少一种：时间发射分集和编码发射分集。

根据本发明的另一个方面，时间发射分集是在不同时刻由至少两个组的阵元发射相同的数据经过不同的信道到达接收端。编码发射分集是下行链路发射的数据经过不同的扩频码和扰码进行扩频加扰后，在相同时刻由不同的至少两个组的阵元进行下行发射。

因此，本发明所提出的智能天线系统的分集发射接收方法及装置在不明显增加运算复杂度的情况下，能够同时获得分集增益和赋形增益，另外还适用于各种信道环境，有利于工程实现。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明的智能天线系统的分集发射接收方法的流程图；

图2是根据本发明的智能天线系统的分集发射接收装置的框图；

图3A是根据本发明的实施例的智能天线系统所采用的天线阵元的空间分集装置的视图；

图3B是根据本发明的实施例的智能天线系统所采用的天线阵元的极化分集装置的视图；以及

图4是根据本发明的实施例的采用智能天线系统的分集发射接收方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是根据本发明的智能天线系统的分集发射接收方法的流程图。如图1所示，智能天线系统的分集发射接收方法包括以下步骤：

(1)步骤S102，根据第一预定方法将智能天线的阵元分成至少两个组；

(2)步骤S104，在上行链路中分别对至少两个组的阵元进行信道估计，得到信道估计数据；

(3)步骤S106，根据信道估计数据，分别计算与至少两个组的阵元相对应的波束赋形权值；

(4)步骤S108，在下行链路中使用波束赋形权值，由至少两个组的阵元采用第二预定方法分别发射加权后的数据；

(5)步骤S110，在接收端分别接收与至少两个组的阵元相对应的接收数据，并根据所采用的第二预定方法对接收数据进行联合检测，得到下行发射数据的估计值。

在本发明中，第一预定方法包括以下至少一种：级化分集和空间分集。第二预定方法包括所有分集方法，例如，以下至少一种：时间发射分集和编码发射分集。

其中，时间发射分集是在不同时刻由至少两个组的阵元发射相同的数据经过不同的信道到达接收端。编码发射分集是下行链路发射的数据经过不同的扩频码和扰码进行扩频加扰后，在相同时刻由不同的至少两个组的阵元进行下行发射。

图2是根据本发明的智能天线系统的分集发射接收装置的框图。该智能天线系统的分集发射接收装置200包括：分组单元202，用于根据第一预定方法将智能天线的阵元分成至少两个组；上行链路信道估计单元204，用于在上行链路中分别对至少两个组的阵元进行信道估计，得到信道估计数据；波束赋形单元206，用于根据信道估计数据，分别计算与至少两个组的阵元相对应的波束赋形权值；下行链路发射单元208，用于在下行链路中使用波束赋形权值，由至少两个组的阵元采用第二预定方法分别发射加权后的数据；以及接收检测单元210，用于在接收端分别接收与至少两个组的阵元相对应的接收数据，并根据所采用的第二预定方法对接收数据进行联合检测，得到下行发射数据的估计值。

在本发明中，第一预定方法包括以下至少一种：级化分集和空间分集。第二预定方法包括所有的分集方法，例如，以下至少一种：时间发射分集和编码发射分集。

其中，时间发射分集是在不同时刻由至少两个组的阵元发射相同的数据经过不同的信道到达接收端。编码发射分集是下行链路发射的数据经过不同的扩频码和扰码进行扩频加扰后，在相同时刻由不同的至少两个组的阵元进行下行发射。

图3A是根据本发明的实施例的智能天线系统所采用的天线阵元的空间分集装置的视图，图3B是根据本发明的实施例的智能天线系统所采用的天线阵元的极化分集装置的视图，以及图4是根据本发明实施例的采用智能天线系统的分集发射接收方法的流程图。

在下文中，将以TD-SCDMA无线通信系统为例，假设基站端天线阵列采用Ka根天线，结合图3A及图3B详细描述图4的实施过程。如图4所示，根据本发明的实施例，智能天线系统的分集发射接收方法包括下述步骤：

S402，智能天线阵元分组步骤：针对TD-SCDMA通信系统，如图3A及3B所示，将其智能天线部分的Ka根天线分为N组，包括极化分集和空间分集两种方法，在此，是以Ka＝8，N＝2为例的。

S404，上行链路信道估计步骤：将N组阵元视为对立的N个智能天线系统，每组分别包括 $p=\frac{\mathrm{Ka}}{N}$ 个阵元，则第n(n＝1，2，…，N)组阵元的信道第t个上行时隙第k个用户经过信道后处理的信道冲激响应估计矩阵表示为：

式中p表示每组阵列天线数，n＝1，2，…，N，W表示信道估计窗长。

S406，分组波束赋形步骤：

根据步骤S404得到的第n组阵元对应空间协方差矩阵表示为：

$R_H^{(k,t)}\left(n\right)=H_n^{(k,t)}\·{\left(H_n^{(k,t)}\right)}^H=\left\{r_{x,y}^{(k,t)}\left(n\right)\right\}{|}_{x,y=\mathrm{0,1},.,p-1}---\left(2\right)$

则第n组阵元对应第k个用户的信干噪比表示为：

${\mathrm{SINR}}_n^{(k,t)}=\frac{{\left(w_n^{(k,t)}\right)}^H\·R_H^{\left(k\right)}\left(n\right)\·w_n^{(k,t)}}{{\left(w_n^{(k,t)}\right)}^H\·R_u^{\left(k\right)}\left(n\right)\·w_n^{(k,t)}}---\left(3\right)$

其中，R_u ^(k)(n)为噪声空间协方差矩阵。

从而得到符合最大SINR准则的第n组阵元对应的波束赋形权矢量为：

$w_n^{\left(k\right)}=\underset{w_n^{\left(k\right)}}{\arg }\left(\max \left({\mathrm{SINR}}_n^{\left(k\right)}\right)\right)---\left(4\right)$

其中，w_n ^(k)即为第n组阵元所对应的第k个用户的波束赋形权值。

S408，下行链路步骤：下行链路中N个子智能天线系统依然是相互独立的。这里提供两种分集发射方法：时间分集和编码分集。

(1)时间发射分集：采用在不同时刻由不同的子阵元组发射相同的数据经过不同的信道到达接收端。其中发射时间与子阵元数目一一对应，即第n个时刻由第n个子阵元组下行发射。

假设下行链路发射数据为d，扩频加扰矩阵为C，则接收端接收到的数据为：

$e_d^{\left(n\right)}=w^{\left(n\right)}\·C\·d\·h^{\left(n\right)}+n_d^{\left(n\right)}---\left(5\right)$

其中，e_d ⁽ⁿ⁾与h⁽ⁿ⁾分别为第n个时刻时第n组阵元所对应的接收数据和下行信道。

(2)编码发射分集：下行链路发射数据d经过不同的扩频码和扰码进行扩频加扰后，在相同时刻由不同的子阵元组进行下行发射。

因为多个阵元组同时发射，则接收到的数据为合并数据，如下式所示：

$e=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}_d^{\left(n\right)}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}^n\·C_n\·d\·h^{(n)}+n_d=d\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}^n\·C_n\·h^{\left(n\right)}+n_d---\left(6\right)$

其中，e_d ⁽ⁿ⁾与h⁽ⁿ⁾分别为第n组阵元所对应的接收数据和下行信道，C_n为第n组阵元所对应的由不同扩频码和扰码组成的扩频加扰矩阵。而且，不同的子阵元组采用不同的训练序列(midamble)码。

S410，联合检测合并接收步骤：根据步骤S408中分别在接收端得到的N组子智能天线系统所对应的接收数据，接着，将它们根据最大比合并的法则合并接收，从而得到对原始发射数据的估计值d。在本发明的实施例中采用的是联合检测方法，再次以N＝2为例，并且与步骤S408对应，分为时间分集和编码分集两种方法：

(1)时间发射分集：用两个阵元子阵对应的信道估计h⁽¹⁾和h⁽²⁾分别组成各自的系统矩阵A⁽¹⁾和A⁽²⁾。则将对应于用户符号的接收数据表示为e_d ⁽¹⁾和e_d ⁽²⁾。则e_d ⁽¹⁾和e_d ⁽²⁾可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{e}_d^{\left(1\right)}\\ e_d^{\left(2\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{A}^{\left(1\right)}\\ A^{\left(2\right)}\end{array}\right]d+\left[\begin{array}{c}{n}_d^{\left(1\right)}\\ n_d^{\left(2\right)}\end{array}\right]---\left(7\right)$

其中，d是用户原始发射符号向量，A矩阵为包括波束赋形权值、信道以及扩频码扰码等信息在内的系统矩阵。

根据ZF-BLE准则，原始用户发射数据d的估计为：

其中，R_n是噪声的相关矩阵。

根据MMSE准则，用户发射数据d的估计为：

其中R_d是用户符号的相关矩阵。

(2)编码发射分集：采用不同的midamble码分别得到两个阵元子阵对应的信道估计h⁽¹⁾和h⁽²⁾，与其各自对应的扩频加扰矩阵C₁和C₂分别组成各自的系统矩阵A⁽¹⁾和A⁽²⁾。则合并的接收数据e可表示为：

$e=\underset{n=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{A}^{\left(n\right)}\·d+n_d^{\left(n\right)}=(A^{\left(1\right)}+A^{\left(2\right)})d+n_d---\left(10\right)$

其中，d是用户原始发射符号向量，A矩阵为包括波束赋形权值、信道以及扩频码扰码等信息在内的系统矩阵。

根据ZF-BLE准则，原始用户发射数据d的估计为：

其中，R_n是噪声的相关矩阵。

根据MMSE准则，用户发射数据d的估计为：

其中，R_d是用户符号的相关矩阵。

通过以上本发明的描述，可以看到本发明实现以下有益效果：

(1)系统同时获得分集增益和赋形增益；(2)在不明显增加运算复杂度的情况下，利用联合检测实现分集接收；(3)克服了智能天线系统在高速移动等情况下的性能损失，适应各种不同的信道环境。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种智能天线系统的分集发射接收装置，其特征在于，包括：

分组单元，用于根据第一预定方法将所述智能天线的阵元分成至少两个组；

上行链路信道估计单元，用于在上行链路中分别对所述至少两个组的阵元进行信道估计，得到信道估计数据；

波束赋形单元，用于根据所述信道估计数据，分别计算与所述至少两个组的阵元相对应的波束赋形权值；

下行链路发射单元，用于在下行链路中使用所述波束赋形权值，由所述至少两个组的阵元采用第二预定方法分别发射加权后的数据；以及

接收检测单元，用于在接收端分别接收与所述至少两个组的阵元相对应的接收数据，并根据所采用的第二预定方法对所述接收数据进行联合检测，得到下行发射数据的估计值。

2.根据权利要求1所述的分集发射接收装置，其特征在于，所述第一预定方法包括以下至少一种：级化分集和空间分集。

3.根据权利要求1或2所述的分集发射接收装置，其特征在于，所述第二预定方法包括以下至少一种：时间发射分集和编码发射分集。

4.根据权利要求3所述的分集发射接收装置，其特征在于，所述时间发射分集是在不同时刻由所述至少两个组的阵元发射相同的数据经过不同的信道到达所述接收端。

5.根据权利要求3所述的分集发射接收装置，其特征在于，所述编码发射分集是所述下行链路发射的数据经过不同的扩频码和扰码进行扩频加扰后，在相同时刻由不同的所述至少两个组的阵元进行下行发射。

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