CN101330360B - 多天线通信系统的混合自动重传请求发射方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种多天线通信系统的混合自动重传请求发射方法及装置，应用于接收机和发射机之间的空中接口通信。所述混合自动重传请求发射方法，包括多天线复用步骤、发射分集步骤、初始发射步骤、重传请求步骤、重传处理步骤、发射分集再处理步骤、重传发射步骤。完成所述步骤，所述发射装置包含多天线复用单元、发射分集单元、重传处理单元和发射单元。本发明方法通过相位旋转实现发射分集，利用重传信号与初始发射信号的正交性获得重传时间分集增益，适用于发射天线数大于接收天线数的多天线系统，能有效的改善系统的误帧率性能，提高系统的吞吐量。

Description

多天线通信系统的混合自动重传请求发射方法及装置

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域中的发射方法及装置，具体是一种多天线通信系统的混合自动重传请求发射方法及装置。

背景技术

在无线通信系统的发射机和接收机上使用多天线复用，可以成倍的提高系统的数据速率。应用混合自动重传请求(HARQ)，引入重传时间分集，可以进一步提高多天线复用传输的可靠性，从而使得无线通信系统具有稳健的吞吐量。

目前，针对多天线复用传输的混合自动重传请求方法主要有两种。

①发射端收到重传请求后，将原编码信息按照原样重新发射。接收端收到重传信号后将其与第一次收到的信号合并后解码。两次发射引入的时间分集可以提高系统的误帧率性能。

②针对方法①在缓变信道条件下很难获得重传时间分集增益的缺点，文献3GPP，R1-061853，“STBC-HARQ for E-UTRA DL”提出了一种STBCMIMO-HARQ方法。STBC MIMO-HARQ方法，在发射端收到重传请求后，对原编码信息进行变换，使得重传信号和初始发射的信号构成Alamouti空时分组码的形式。接收端将收到的重传信号与第一次收到的信号进行空时解码、合并。该方式可以较好的获取重传时间分集增益，同时又引入了空间分集，相对于方法①提高了系统的误帧率性能。

上述方法②利用重传信号与初始发射信号的正交性引入了空间分集，克服了方法①在缓变信道情况下的缺点，但在高速信道条件下，由于正交性遭到破坏，相对于①并没有性能上的提高，且仅适用于二发二收或二发多收的多天线复用系统。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种多天线通信系统的混合自动重传请求发射方法及装置，使其性能稳健，易于实现，且适用于发射天线数大于接收天线数的多天线复用系统。

本发明是通过以下技术方案实现的，

本发明所涉及的多天线通信系统的混合自动重传请求发射方法，包括以下步骤：

第一，多天线复用步骤：根据发射天线数和接收天线数确定数据流数目，发射端对多路发射数据进行复用形成复用数据。

所述复用数据流的数目小于或者等于接收端的天线数目。

第二，发射分集步骤：发射端对每路所述复用数据分别实施分集，形成包括所述复用数据以及相应分集发射副本的传输数据。

所述分集方法为：对每路复用数据进行相位旋转而形成分集发射副本，其中对每路复用数据所做的所述相位旋转是相互独立的。

第三，传输数据初始发射步骤：发射端向接收端发射所述传输数据；

第四，重传请求步骤：接收端对所述传输数据进行检测，如果检测结果不能达到所述多天线通信系统的指定指标，则向发射端进行重传请求，请求重传所述传输数据；

第五，重传处理步骤：发射端在接收到所述重传请求后，对所述复用数据进行换位、共轭、取负操作得到重传复用数据，重传复用数据和所述复用数据构成具有正交性的空时分组码形式；

第六，发射分集再处理步骤，所述重传复用数据经过发射分集再处理形成包括所述重传复用数据以及相应分集发射副本的重传数据；

第七，重传数据发射步骤：发射端向接收端发射所述重传数据。

本发明所涉及的多天线通信系统的混合自动重传请求发射装置，包括多天线复用单元、发射分集单元、重传处理单元、发射单元，其中：

所述多天线复用单元，对多路发射数据进行复用形成复用数据，实现多天线复用，所述复用数据流的数目小于或者等于接收端的天线数目；

所述发射分集单元，对每路所述复用数据或所述重传复用数据分别实施相位旋转，形成包括所述复用数据或重传复用数据以及相应分集发射副本的传输数据或重传数据，实现发射分集和发射分集再处理；

所述重传处理单元，在接收到接收装置的重传请求后，对所述复用数据进行换位、共轭、取负等重传处理操作得到重传复用数据，实现重传处理；

所述发射单元，向接收端发射数据，实现所述传输数据发射和所述重传数据发射。

所述发射分集单元，包括直通单元和相位旋转单元，直通单元对所述复用数据或重传复用数据不做处理，仅将所述复用数据或重传复用数据分别加载到对应的发射天线上等待发射，相位旋转单元对所述复用数据或重传复用数据进行相位旋转，即完成符号和旋转因子的乘法，形成所述复用数据或重传复用数据的发射副本，并加载到对应的发射天线上等待发射。

实现本发明方法的接收机装置具有以下功能：对传输数据进行检测，未达到所述多天线通信系统的指定指标(例如，进行循环冗余校验)，则向发射端请求重传所述复用数据。

与现有技术方法相比，本发明方法通过相位旋转实现发射分集，利用重传信号与初始发射信号的正交性获得重传时间分集增益，适用于发射天线数大于接收天线数的多天线系统，能有效的改善系统的误帧率性能，提高系统的吞吐量。

附图说明

图1是本发明方法流程图

图2是四发二收多天线系统发射机示意图

图3是误帧率性能计算机仿真曲线

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例方法的实现流程：以拥有四根发射天线和二根接收天线的多天线通信系统为例，本实施例的具体实施方式是，首先，发射端进行二路数据复用发射，并在发射时为每路数据通过相位旋转引入发射分集，提高发射可靠性；若接收端对所述传输数据进行检测的结果不能达到所述多天线通信系统的指定指标(例如进行CRC循环冗余校验)，造成接收端不能完全正确解码，则判定第一次传输失败，接收端向发射端反馈重传请求；发射端收到重传请求后进行重传处理，使得重传信号和初始发射信号构成具有正交性的空时分组码的形式；最后，分集发射经重传处理的信号。

下面对实施方式进行详细说明：

(1)初始发射信号

如下表所示：

发射天线1	发射天线2	发射天线3	发射天线4
				s1(k)	s1(k)ejkθ	s2(k)	s2(k)ejkθ

其中，s₁和s₂代表复用发射的两路数据；e^jkθ表示对发射信号进行相位旋转，形成分集发射的数据符号副本，以实现发射分集，k表示正交频分复用系统的第k个子载波，若不涉及正交频分复用则k≡1。

(2)重传信号

如下表所示：

发射天线1	发射天线2	发射天线3	发射天线4
				-s2 *(k)	-s2 *(k)e-jkθ	s1 *(k)	s1 *(k)d-jkθ

其中，^*表示复数共轭。联合初始发射信号和重传信号观察，发射天线1和发射天线3发射信号正交，发射天线2和发射天线4信号正交，且都构成了空时分组码的形式。

(3)接收端对两次发射信号的合并

以通用的最小均方误差接收机为例。

设初始传输信号经过的空间信道为：

$H^{\left(1\right)}\left(k\right)=\left(\begin{array}{cccc}{h}_{11}^{\left(1\right)}\left(k\right)& h_{12}^{\left(1\right)}\left(k\right)& h_{13}^{\left(1\right)}\left(k\right)& h_{14}^{\left(1\right)}\left(k\right)\\ h_{21}^{\left(1\right)}\left(k\right)& h_{22}^{\left(1\right)}\left(k\right)& h_{23}^{\left(1\right)}\left(k\right)& h_{24}^{\left(1\right)}\left(k\right)\end{array}\right)$

重传信号经过的空间信道为：

$H^{\left(2\right)}\left(k\right)=\left(\begin{array}{cccc}{h}_{11}^{\left(2\right)}\left(k\right)& h_{12}^{\left(2\right)}\left(k\right)& h_{13}^{\left(2\right)}\left(k\right)& h_{14}^{\left(2\right)}\left(k\right)\\ h_{21}^{\left(2\right)}\left(k\right)& h_{22}^{\left(2\right)}\left(k\right)& h_{23}^{\left(2\right)}\left(k\right)& h_{24}^{\left(2\right)}\left(k\right)\end{array}\right)$

其中，k仍表示正交频分复用系统的第k个子载波。设两次传输的接收信号分别为r⁽¹⁾(k)，r⁽²⁾(k)，则：

$r^{\left(1\right)}\left(k\right)=H^{\left(1\right)}\left(k\right)\left(\begin{array}{c}{s}_1\left(k\right)\\ s_1\left(k\right)e^{-\mathrm{jk\θ}}\\ s_2\left(k\right)\\ s_2\left(k\right)e^{-\mathrm{jk\θ}}\end{array}\right)+n^{\left(1\right)}\left(k\right)$

$r^{\left(2\right)}\left(k\right)=H^{\left(2\right)}\left(k\right)\left(\begin{array}{c}-s_2^{*}\left(k\right)\\ -s_2^{*}\left(k\right)e^{-\mathrm{jk\θ}}\\ s_1^{*}\left(k\right)\\ s_1^{*}\left(k\right)e^{-\mathrm{jk\θ}}\end{array}\right)+n^{\left(2\right)}\left(k\right)$

其中，n⁽¹⁾(k)，n⁽²⁾(k)均为方差为σ²的加性高斯噪声。

则两次传输信号合并及检测结果为：

$\left(\begin{array}{c}{\tilde{s}}_1\left(k\right)\\ {\tilde{s}}_2\left(k\right)\end{array}\right)={(H^H\left(k\right)H\left(k\right)+N_0{I}_2)}^{-1}{H}^H\left(k\right)\left(\begin{array}{c}{r}^{\left(1\right)}\left(k\right)\\ r^{\left(2\right)*}\left(k\right)\end{array}\right)$

其中， $H\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}{h}_{11}^{\left(1\right)}\left(k\right)+h_{12}^{\left(1\right)}\left(k\right)e^{\mathrm{jk\θ}}& h_{13}^{\left(1\right)}\left(k\right)+h_{14}^{\left(1\right)}\left(k\right)e^{\mathrm{jk\θ}}\\ h_{21}^{\left(1\right)}\left(k\right)+h_{22}^{\left(1\right)}\left(k\right)e^{\mathrm{jk\θ}}& h_{23}^{\left(1\right)}\left(k\right)+h_{24}^{\left(1\right)}\left(k\right)e^{\mathrm{jk\θ}}\\ h_{13}^{\left(2\right)*}\left(k\right)+h_{14}^{\left(2\right)*}\left(k\right)e^{\mathrm{jk\θ}}& -h_{11}^{\left(2\right)*}\left(k\right)-h_{12}^{\left(2\right)*}\left(k\right)e^{\mathrm{jk\θ}}\\ h_{23}^{\left(2\right)*}\left(k\right)+h_{24}^{\left(2\right)*}\left(k\right)e^{\mathrm{jk\θ}}& -h_{21}^{\left(2\right)*}\left(k\right)-h_{22}^{\left(2\right)*}\left(k\right)e^{\mathrm{jk\θ}}\end{array}\right)$ ；N₀表示信号噪声功率比；H表示矩阵的共轭转置。若H⁽¹⁾(k)和H⁽²⁾(k)相同，则上述合并和检测与低复杂度的Alamouti空时分组码解码算法等价。

如图2所示的四发二收多天线系统发射装置示意图，包含多天线复用单元(即，根据接收天线数实施s₁和s₂两路数据复用)、反馈信息判断单元、重传处理单元、直通单元和相位旋转单元(虚线单元为非实际存在单元，即本发射装置仅包含一个直通单元和一个相位旋转单元)，其中，直通单元和相位旋转单元共同构成了发射分集单元，发射单元由图2中所示发射天线表示。其工作方式是，首先反馈信息判断单元对接收机反馈信息进行分析，判断是确认信号(ACK)还是重传请求信号(NAK)；若为确认信号(ACK)，则发射新的数据符号，数据符号分别经过直通单元和相位旋转单元。直通单元对信号不做处理，仅将符号s₁和s₂分别加载到发射天线1和发射天线3上等待发射；相位旋转单元，对符号进行相位旋转，即完成符号和旋转因子e^jkθ的乘法，并加载相位旋转符号s₁e^jkθ和s₂e^jkθ到发射天线2和发射天线4上等待发射，至此各天线待发射信号都已准备就绪；若为重传请求信号(NAK)，则要对原发射信号做重传处理，重传处理包括换位、共轭和取负，原发射符号s₁和s₂经重传处理后的信号为-s₂ ^*和s₁ ^*；经重传处理后的符号，进入直通单元和相位旋转单元，最终形成待发射重传符号。需要注意的是，此处相位旋转与初始发射时所做相位旋转的方向相反，重传符号的相位旋转因子与初始发射信号的相位旋转因子互为共轭。

图3所示为通过计算机仿真得到的误帧率性能曲线。计算机仿真参数依据“3GPP TR 25.814 v7.1.0”中的下行链路级仿真参数设置，具体参数如下表所示：

调制方式	QPSK
		信道编码	1/2码率Turbo码(原始码率1/3)
信道模型	3GPP Spatial Channel Model
		信道多径数	6
接收机算法	MMSE
		重传时间间隔	3 TTI
发射天线数	4
		接收天线数	2

上述具体实施方式实例采用四根发射天线和二根接收天线的配置符合目前标准化的趋势。本实施例通过相位旋转实现发射分集，保证了发射的可靠性；使用多路数据复用发射充分发挥了该系统的数据吞吐潜力；且慢变信道条件下的接收机合并算法易于实现。本实施例可为下一代移动通信提供重要的理论依据和具体的实现方法。

Claims (9)

1.一种多天线通信系统的混合自动重传请求发射方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一，多天线复用步骤：发射端对多路发射数据进行复用形成复用数据；

第二，发射分集步骤：发射端对每路所述复用数据分别实施分集，形成传输数据；

第三，传输数据初始发射步骤：发射端向接收端发射所述传输数据；

第四，重传请求步骤：接收端对所述传输数据进行检测，如果检测结果不能达到所述多天线通信系统的指定指标，则向发射端进行重传请求，请求重传所述传输数据；

第五，重传处理步骤：发射端在接收到所述重传请求后，对所述复用数据进行换位、共轭、取负操作得到重传复用数据，重传复用数据和所述复用数据构成具有正交性的空时分组码形式；

第六，发射分集再处理步骤，所述重传复用数据经过发射分集再处理形成包括所述重传复用数据以及相应分集发射副本的重传数据；

第七，重传数据发射步骤：发射端向接收端发射所述重传数据。

2.如权利要求1所述的多天线通信系统的混合自动重传请求发射方法，其特征是，所述多天线复用步骤中，所述复用数据流的数目小于或者等于接收端的天线数目。

3.如权利要求1所述的多天线通信系统的混合自动重传请求发射方法，其特征是，所述传输数据包括所述复用数据以及相应分集发射副本。

4.如权利要求1所述的多天线通信系统的混合自动重传请求发射方法，其特征是，所述发射分集步骤和发射分集再处理步骤，其分集的方法为：对每路复用数据或重传复用数据进行相位旋转而形成分集发射副本，其中对每路复用数据或重传复用数据所做的所述相位旋转是相互独立的。

5.如权利要求4所述的多天线通信系统的混合自动重传请求发射方法，其特征是，所述相位旋转，所述发射分集步骤对每路复用数据的旋转方向与发射分集再处理步骤对重传复用数据的旋转方向是相反的，重传符号的相位旋转因子与初始发射信号的相位旋转因子互为共轭。

6.一种多天线通信系统的混合自动重传请求发射装置，其特征在于，包括多天线复用单元、发射分集单元、重传处理单元、发射单元，其中：

所述多天线复用单元对多路发射数据进行复用形成复用数据；

所述发射分集单元对每路所述复用数据或重传复用数据分别实施分集，形成包括所述复用数据或重传复用数据以及相应分集发射副本的传输数据或重传数据；

所述重传处理单元在接收到接收装置的重传请求后，对所述复用数据进行换位、共轭、取负操作得到重传复用数据；

所述发射单元向接收端发射传输数据或重传数据。

7.如权利要求6所述的多天线通信系统的混合自动重传请求发射装置，其特征是，所述多天线复用单元，其复用数据流的数目小于或者等于接收端的天线数目。

8.如权利要求6所述的多天线通信系统的混合自动重传请求发射装置，其特征是，所述发射分集单元对每路复用数据或重传复用数据进行相位旋转而形成分集发射副本，其中对每路复用数据或重传复用数据所做的所述相位旋转是相互独立的。

9.如权利要求6或8所述的多天线通信系统的混合自动重传请求发射装置，其特征是，所述发射分集单元，包括直通单元和相位旋转单元，直通单元对所述复用数据或重传复用数据不做处理，仅将所述复用数据或重传复用数据分别加载到对应的发射天线上等待发射，相位旋转单元对所述复用数据或重传复用数据进行相位旋转，即完成符号和旋转因子的乘法，形成所述复用数据或重传复用数据的发射副本，并加载到对应的发射天线上等待发射。

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