CN101228710B - 提高无线系统发射分集性能的方法和发射机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高无线通信系统发射分集性能的方法。该方法包括以下步骤：产生至少一个相移角序列，并根据所述至少一个相移角序列把相移施加在所述至少一个发射机天线中的一个天线上。本发明还涉及一种用于无线通信系统的发射机，该发射机包括相位序列产生器和乘法器，相位序列产生器用于产生相移角序列并周期性地把相移角发送给乘法器，乘法器用于将Alamouti编码的数据子流中的一个与从所述相位序列产生器接收到的当前相移角相乘。

Description

提高无线系统发射分集性能的方法和发射机 

技术领域

本发明涉及在衰落信道的发射端和接收端都具有多个天线的无线通信系统，更具体地，涉及一种利用发射分集提高缓慢移动的移动台的性能的方法和发射机。 

背景技术

在无线通信系统中，为了提高系统的性能，采用多天线(或智能天线)。多天线的基本用途是发射分集，即把从不同天线发射来的发射信号复制多份，分别提供给接收机。由于在理想状况下可以假定这些信号的衰退是独立的，所以发射分集可以提高衰落无线链路通信的鲁棒性。 

通常利用Alamouti码来执行发射分集。在题为“A simple transmitdiversity technique for wireless communication”(S.M.Alamouti，IEEE Journalof selected areas in communication，vol.16，pp.1451-1458，Oct.1998)(《一种简单的无线通信的发射分集技术》，1998年10月出版，IEEE精选通信天线杂志第16卷1451-1458页，作者S.M.Alamouti)的文献中描述了Alamouti码。将待发射的数据以每组两个符号为单位联合地进行空时编码，并在两个符号间隙从两个发射机天线发射。Alamouti码是所谓的空时发射分集(STTD)编码的一个具体实现，可以广泛地应用于宽带码分多址(CDMA)系统以及正交频分复用(OFDM)系统的窄带子载波中。 

为了增加无线信道的数据吞吐量，可以把发射机的天线的数目增加到4个，以传输两个并行的Alamouti编码的数据流，这称为双空时发射分集(D-STTD)。题为“High Rate Space-Time Block Coded Scheme：PerformanceImprovement in Correlated Fading Channels”(E.N.Onggosanusi，et.al. Wireless Communication and Networking Conference 2002，pp.194-199，March2002)(《高速率空时块编码方案：在相关衰落信道中的性能改进》，2002年3月出版，《无线和网络会议2002》的第194-199页，作者E.N.Onggosanusi等)的文献中描述了D-STTD。虽然D-STTD方案可增加数据吞吐量，但是由于两个STTD编码的数据流会相互干扰，所以D-STTD方案也会使接收机更为复杂。为了减少相互干扰，D-STTD采用了干扰抑制算法，以使相互干扰最小化。 

接收机抑制两个数据流相互干扰的能力取决于多输入多输出(MIMO)信道的瞬时特性，理论上取决于接收到的干扰信号子空间和接收到的有用信号子空间之间的间隔。在衰落信道中，这种间隔会发生改变，改变的大小取决于该信道的多普勒频率。 

在准静态信道中，通常为室内和步行环境下，子空间的间隔情况可能很长时间都保持在一个不变的位置上，这将导致特定用户的中断。 

为了避免这种情况并提高两个子流的无线链路信扰比，现有技术中存在一种利用反馈信道来调整发射信号相位的方法，其中发射信号是由四个发射天线中的一个发射。通过调整该相位来优化某一参数，如接收机的信噪比。在该专利申请中，证明了只需调整四个天线中一个天线的相位即可。或者，如果采用STTD加一个额外的、直接发射数据流的天线的方式，则只需调整三个天线中一个天线的相位。控制其余天线的相位并不能带来更优的效果。 

现有技术方案的缺点是，需要一个反馈信道，而这将占用反向信道的信令带宽，也就是说，将占用从接收机到发射机的信道的信令带宽。 

发明内容

本发明提供了一种利用发射分集提高缓慢移动的移动台的性能的方法和发射机。 

本发明的一个实施例提供了一种提高无线通信系统发射分集性能的方法，该方法包括：产生至少一个相移角序列，包括：产生K个角度，介于0到2π区间内，其中K为大于2的自然数；随机地改变所述K个角度的顺序，用于产生每个正被使用的子载波或每个正被使用的子载波组的原始序列，然后重复所述原始序列，用于为每个正被使用的子载波或每个正被使用的子载 波组产生无限长的相移角序列，并根据所述至少一个相移角序列，把相移施加到所述至少一个发射机天线中的一个天线上。 

本发明的一个实施例提供了一种发射机，该发射机包括：相移序列产生器，用于产生K个角度，介于0到2π区间内，其中K为大于2的自然数；随机地改变所述K个角度的顺序，用于产生每个正被使用的子载波或每个正被使用的子载波组的原始序列，然后重复所述原始序列，用于为每个正被使用的子载波或每个正被使用的子载波组产生无限长的相移角序列；并把相移角周期性地发送给乘法器；乘法器，用于把Alamouti编码数据子流的一个与从所述相移序列产生器接收到的当前相移角相乘。 

从上述技术方案可以看出，本发明可以通过把相移角序列施加到多个发射机天线中的一个天线上，来提高发射分集性能。由于不存在反馈，本发明无需占用反向信道的信令带宽。 

附图说明

图1为本发明实施例的CDMA系统中具有跳跃相移θ的D-STTD发射机方案的示意图。 

图2a为本发明实施例的OFDMA系统中具有跳跃相移θ的D-STTD发射机的一个可选方案的示意图。 

图2b为本发明实施例的OFDMA系统中具有跳跃相移θ的D-STTD发射机的另一可选方案的示意图。 

图3为本发明实施例的方法与没有相位跳跃的方法的比较示意图。 

图4为本发明的一个实施例的发射机示意图。 

具体实施方式

Alamouti码是空时发射分集(STTD)编码的一种，本申请与Alamouti编码有关。为了方便理解本发明，下面对该编码作简单说明。简而言之，Alamouti编码提供了一种以一个接收机完成两分支发射分集的方法。在第一符号周期，两个天线a1和a2分别同时发射两个信号s1和s2。在下一个的符号周期，天线a2发送信号 

天线a1发送信号 

*表示复数共轭。采用Alamouti编码可以提高带宽和分集方面的性能。 

为了增加信道每单位时间内发送的信息量，引入了并行数据流方案，即 D-STTD方案。然而，在接收机中，这些数据流会互相干扰，因而必须使用某些干扰抑制算法来恢复发射符号。从现有技术可知，通过对发射机天线分支中的一个施加相移θ，可以提高采用干扰抑制算法的接收机中两个数据流的信扰比。本发明的发明人已经指出了现有技术的缺点，即需要反馈信道。下面说明一种无需反馈信道而提高这些发射分集方案性能的发明方法。 

图1为CDMA系统中具有跳跃相移θ的D-STTD发射机方案的示意图。如图1所示，首先对一个信息比特块编码，利用空时交织器交织编码的比特，再将经过交织的编码的比特映射到一个符号星座上。利用Alamouti码对两个数据符号流进行空时发射分集编码，并将连接在四个发射天线的其中一个天线上的Alamouti编码器的输出信号与相移角θ相乘。 

选择哪个天线来乘以相移角是完全任意的，并且性能都相同。因此，以下的描述以天线1相移为例，但对于其它天线相移均可直接导出。 

施加在天线1的相移角θ是可从预先设定的相位跳跃序列中选择。产生相位跳跃序列的步骤如下： 

(1)产生K个角度，θ₁到θ_K，介于[0，2π]之间。优选地，这K个角度均匀地分布在[0，2π]中。K为一个设定参数，并且为大于2的自然数，优选地，K等于8。 

(2)随机地变换数字1至K的顺序来产生伪随机序列。例如，如果K＝8，伪随机序列为S＝{4，1，7，2，6，3，5，8}。 

(3)重复该伪随机序列，得到一个无限长的序列，如S’＝{4，1，7，2，6，3，5，8，4，1，7，2，6，3，5，8，4，.....}。 

(4)根据序列S’产生相位跳跃序列S”，如S”＝{θ₄，θ₁，θ₇，θ₂，θ₆，θ₃，θ₅，θ₈，θ₄，θ₁...}。 

然后，每T个符号，在天线1的信号上施加相位跳跃序列中的一个新角度，即每T个符号，将天线1的信号与一个新的相移角相乘。其中，T为预设的自然数。在等于或大于一组联合编码的Alamouti符号的传输时间内，即在至少两个连续的符号间隔内，相移角θ保持不变。相位的改变可认为与 符号的改变同步。在CDMA和WCDMA系统的整个带宽上施加相同的相移θ。 

接收机估计发射机-接收机天线对之间的信道，并应用如最小平方误差(MMSE)算法或最大似然(ML)解码算法等算法来分离两个互相干扰的Alamouti编码的子流。 

在此情况下，接收机应能跟随与相移相乘的天线的级联信道的变化。一个方法是确保接收机也知道相位值序列，以及在任一时刻所设定的相位值，即知道当前相位值。接收机利用公共导频，即没有相移的导频，来估计天线的信道传递函数。然后，接收机把当前已知的相移施加到与相移相乘的天线的信道上以得到用于解调的信道。另一种方法是：接收机估计与相移相乘的天线的相位的当前值，然后利用前面所介绍的方法产生与相移相乘的天线的有用信道。第三种方法与3GPP WCDMA闭环模式1发射分集中的天线验证类似。 

图2a为OFDMA系统中具有跳跃相移θ的D-STTD发射机的一个可选方案的示意图。如图2a所示，首先对一个信息比特块编码，然后利用空时交织器交织编码的比特，再将经过交织的编码的比特映射到一个符号星座上。利用Alamouti码对两个数据符号流进行空时发射分集编码，并映射到全部可用的子载波的一个子集上，将与四个发射天线之一连接的输出信号与相移角θ相乘。如图2a所示，天线1发射的所有信号均与相移角θ相乘。这样就将相移施加在整个传输带宽上。 

如图2b所示，为另一可选的实现方案，相移角θ不施加在OFDMA系统的全部带宽上，这不同于CDMA系统。在OFDMA系统的实现方案中，数据编码块被映射到全部可用的子载波的子集上，因此相移角θ是时间和子载波索引(频率)的函数，即每个子载波的相移角都不同，或把N个邻近子载波编为一组，组内各子载波的相移角相同但是各组之间的相移角不同。产生相位跳跃序列的步骤如下： 

(1)产生K个角度，θ₁到θ_K，介于[0，2π]之间。优选地，这K个角度 均匀地分布在[0，2π]中。K为一设计参数。优选地，K等于8。 

(2)随机地改变数字1至K的顺序，为每个子载波或每个子载波组产生伪随机序列。例如，当K＝8时，第一子载波/子载波组的伪随机序列为S1＝{4，1，7，2，6，3，5，8}，第二子载波/子载波组的伪随机序列为S2＝{1，7，2，6，3，5，8，4}，第三子载波/子载波组的伪随机序列为S3＝{7，2，6，3，5，8，4，1}，等等。 

(3)重复每一个伪随机序列，分别得到对应每一伪随机序列的无限长的序列。例如，第一子载波/子载波组的无限长序列为S1’＝{4，1，7，2，6，3，5，8，4，1，.....}，第二子载波/子载波组的无限长序列为S2’＝{1，7，2，6，3，5，8，4，1，7，.....}，第三子载波/子载波组的无限长序列为S3’＝{7，2，6，3，5，8，4，1，7，2，.....}，等等。 

(4)根据每个S’序列产生相位跳跃序列。例如，在2-D相位跳跃序列中，第一子载波/子载波组的相位跳序列为S1”＝{θ₄，θ₁，θ₇，θ₂，θ₆，θ₃，θ₅，θ₈，θ₄，θ₁...}，第二子载波/子载波组的相位跳序列为S2”＝{θ₁，θ₇，θ₂，θ₆，θ₃，θ₅，θ₈，θ₄，θ₁，θ₇...}，第三子载波/子载波组的相位跳序列为S3”＝{θ₇，θ₂，θ₆，θ₃，θ₅，θ₈，θ₄，θ₁，θ₇，θ₂...}，等等。 

然后，每T个符号，根据各个子载波或各个子载波组的相位跳跃序列，将一个新的相移角θ施加到天线1的信号上，也就是说，在每个子载波或每个子载波组上，每T个符号，将天线1的信号与一个新的相移角相乘。其中，T为自然数。这将改善信道的时间分集和频率分集，但由于相移θ的施加必须基于每个子载波或子载波组，即在发射机执行逆傅立叶变换(FFT)之前施加相移θ，这将增加复杂度。如图2b所示，尽管在图中相移的步骤位于OFDM映射步骤之前，但实际上相移步骤可以在信号映射步骤之后、最后的子载波合并步骤之前执行，这里利用逆FFT实现子载波合并。 

下面通过仿真对本发明和没有相位跳跃的现有技术的性能进行比较。假设信道为平稳衰落MIMO信道，发射机相关度为0.2、接收机相关度为0.0；OFDMA系统具有4个发射机天线和2个接收机天线，并且发射机天线和接 收机天线采用的D-STTD方案；移动终端的移动速度为每小时3千米；调制为QPSK，码率为1/2，使用卷积编码和维特比(Viterbi)解码。编码前的数据块为128数据比特。在1024个可用子载波中，选择18个邻近的子载波来携带编码后的数据，并且用随机的交织器把数据放置到时频栅格中。如果每16个符号间隔为一个θ周期，那么相移θ在两个OFDM符号上保持不变，然后改变π/4。 

图3示出了本发明和现有技术的仿真结果，其中现有技术是采用没有任何相移的D-STTD方案。本发明能达到优于现有技术的分集增强。编码位误码率BER为0.1％时，本发明的信噪比SNR与现有技术相比增加了1.8dB；块误码率BLER为0.1％时，本发明的SNR与现有技术相比增加了1.9dB，这是非常显著的改进。 

为了将OFDM与D-STTD相结合，可以将θ的变化速率提高到每个符号间隔，在D-STTD中符号被映射到空间-频率维度。 

可以通过使用从接收机反馈的某一较低带宽来限制相移θ的范围。例如，系统可以使用不规则反馈来最优地调整θ，但当信道的时间演变而使反馈信息过时之后，系统切换到随机相位跳跃方案。 

本发明可以与任一类型的接收机算法结合应用，如MMSE、ML或迭代拓扑码。 

接收机天线数目可以为大于或等于2的任一数目。本发明的一般方法是：增加并行子流的数目到大于2(通过增加发射机天线的数目)。假定使用了M个并行子流，则对M-1个天线施加M-1个伪随机相移，在这种情况下，接收机天线的数目可以为大于M的任一数目。 

可以把同一相移θ施加在包括公共导频信号的所有用户信号上，以简化接收机操作。如果用与数据信道相同的角度θ对用于信道估计的导频进行相位调制，那么当假定接收机在每θ更新间隔至少要进行一次信道估计时，本发明对于接收机操作是通用的。 

图4为本发明一个实施例的发射机示意图。如图4中所示，在本发明的 实施例中，发射机包括两个Alamouti编码器407和408、四个天线401至404，一个相位序列产生器405和一个乘法器406。两个Alamouti编码器根据Alamouti算法进行编码。每个Alamouti编码器分别与四个天线中的两个天线连接。如图4所示，Alamouti编码器407连接到天线401和402上，而Alamouti编码器408则连接到天线403和404上。相位序列产生器405产生相移角序列并将相位序列中的相移角周期性地发送给乘法器406。乘法器406位于某一个Alamouti编码器和某一个天线之间，如图4所示，乘法器406可以位于Alamouti编码器407和天线401之间。乘法器406将一个天线信号与 

相乘，其中θ_k为来自相位序列产生器405的当前相位角。 

尽管在上述实施例中有四个天线，但是具有三个天线或多于四个天线的方案也应被包括在本发明的范围中。 

从本发明各实施例可以看出，本发明实施例通过把相移角序列施加到多个发射机天线中的一个天线上，来提高发射分集性能。由于不存在反馈，本发明无需占用反向信道的信令带宽。 

为了能够使本领域技术人员能够理解或应用本发明，以上给出了本发明所公开实施例的详细说明。本领域技术人员很容易对这些实施例做出多种改变，这里所述的一般原理适用于包含在本发明所述的精神和保护范围之内的其他实施例中。因此，本发明的保护范围并不仅仅局限于所述实施例，而是包括所有符合本发明所述原理和新特征在内的最宽的保护范围。 

Claims (10)

1.一种提高无线通信系统发射分集性能的方法，所述系统包括多个发射机天线，用于提供至少一个空时发射分集编码中的Alamouti编码的数据子流，以及至少一个接收机天线，其特征在于，所述方法包括：

产生至少一个相移角序列，包括：

产生K个角度，介于0到2π区间内，其中K为大于2的自然数；

随机地改变所述K个角度的顺序，用于产生每个正被使用的子载波或每个正被使用的子载波组的原始序列，然后重复所述原始序列，用于为每个正被使用的子载波或每个正被使用的子载波组产生无限长的相移角序列；

根据所述至少一个相移角序列，把相移施加在所述至少一个发射机天线中的一个天线上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射机天线的数目为4。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Alamouti编码数据子流的数目为2。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述K个角度在[0，2π]的范围之内均匀分布。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述K等于8。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据至少一个相移角序列，把相移施加在至少一个发射机天线中的一个天线上包括：

按顺序，从当前使用的子载波或子载波组对应的相移角序列中选择一个相移角；

以预定的周期，将所述多个发射机天线的其中一个天线上的数据子流与所选择的相移角相乘。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述预定的周期为多个符号间隔。

8.一种用于无线通信系统的发射机，包括至少一个天线，用于提供至少一个空时发射分集编码中的Alamouti编码数据子流，其特征在于，进一步包括：

相位序列产生器，用于产生K个角度，介于0到2π区间内，其中K为大于2的自然数；随机地改变所述K个角度的顺序，用于产生每个正被使用的子载波或每个正被使用的子载波组的原始序列，然后重复所述原始序列，用于为每个正被使用的子载波或每个正被使用的子载波组产生无限长的相移角序列；并周期性地把相移角发送给乘法器；和

乘法器，用于将所述Alamouti编码数据子流中的一个与从所述相位序列产生器接收到的当前相移角相乘。

9.根据权利要求8所述的发射机，其特征在于，发射机包括四个天线。

10.根据权利要求8所述的发射机，其特征在于，所述Alamouti编码数据子流的数目为2。

Images