CN101494488A

CN101494488A - 一种通过极化天线传输数据的方法及装置

Info

Publication number: CN101494488A
Application number: CN 200810056674
Authority: CN
Inventors: 康绍莉; 蔡月民; 徐红艳; 吴柯维; 郑银香
Original assignee: Datang Mobile Communications Equipment Co Ltd
Current assignee: China Academy of Telecommunications Technology CATT; Datang Mobile Communications Equipment Co Ltd
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2028-01-23
Also published as: CN101494488B

Abstract

本发明公开了一种通过极化天线传输数据的方法，用于实现通过多组极化天线传输数据，得到分集增益。所述方法为：网络侧获得需要发送的数据符号；网络侧将所述数据符号分为至少两路并进行空时编码；网络侧对至少两路数据符号分别进行波束赋形，并分别通过至少两组极化天线发送；终端侧获得网络侧发送的至少两路数据符号，构造出关于所述至少两组极化天线的第一系统矩阵和第二系统矩阵，并对接收到的至少两路数据符号进行数据检测，获得需要的至少两路数据符号的数据符号估计值。本发明还公开了一种用于实现所述方法的装置和系统。

Description

一种通过极化天线传输数据的方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，特别是涉及通过极化天线传输数据的方法及装置。

背景技术

双极化天线是一种新型天线技术，组合了+45°和-45°两个极化方向相互正交的天线，同时工作在收发双工模式下，每个小区仅需一组双极化天线。双极化天线允许系统采用极化分集接收技术，其原理是利用±45°极化方向之间的不相关性，两者之间的不相关性程度决定了分集接收的好坏。由于±45°为正交极化，因此可以有效保证分集接收，其极化分集增益约为5dB，比单极化天线通常采用的空间分集提高约2dB。此外，单极化天线的空间分集接收效果和两副接收天线的位置有关，天线覆盖正方向为最佳，逐渐向两边减弱，导致小区实际覆盖范围缩小。采用极化分集代替空间分集技术，分集增益和天线位置几乎没有关系，覆盖主方向和边缘处的差别很小(该差别由于反射面宽度导致±45°正交效果变差引起)，因此可以有效改善边缘处的接收效果，保证覆盖范围。

波束赋形技术广泛应用于移动通信系统，采用波束赋形技术的阵列天线一般被称为智能天线。智能天线通过波束赋形，将主波束对准期望用户进行收发信号，提高了接收端的接收功率。智能天线也可以根据干扰信号的空间特征，通过调整各天线单元的加权系数，将阵列天线方向的零陷对准干扰用户，这样可以降低来自干扰用户的信号功率。在小区边缘，由于波束赋形提高了接收端的接收功率，所以小区的覆盖范围得到了扩展。但在无线信道变化较快的场景，会使系统性能严重恶化。

综上，目前尚无多组极化天线同时为用户提供服务的解决方案，并且直接应用现有技术，则系统性能不理想。

发明内容

本发明实施例提供一种通过极化天线传输数据的方法及装置，用于实现通过多组极化天线传输数据，得到分集增益。

一种通过极化天线传输数据的方法，包括以下步骤：

网络侧获得需要发送的数据符号；

网络侧将所述数据符号分为至少两路并进行空时编码；

网络侧对至少两路数据符号分别进行波束赋形，并分别通过至少两组极化天线发送。

一种接收通过极化天线发送的数据的方法，包括以下步骤：

终端侧获得网络侧至少两组极化天线发送的至少两路数据符号；所述至少两路数据符号进行过空时编码和分别进行过波束赋形；

终端侧对所述至少两路数据符号进行联合数据检测，获得需要的至少两路数据符号的数据符号估计值。

一种通过极化天线传输数据的方法，包括以下步骤：

网络侧将获得的数据符号分为至少两路并进行空时编码，以及对至少两路数据符号分别进行波束赋形，并分别通过至少两组极化天线发送；

终端侧获得网络侧至少两组极化天线发送的至少两路数据符号，并对所述至少两路数据符号联合进行数据检测，获得需要的至少两路数据符号的数据符号估计值。

一种网络侧设备，包括：

第一接口模块，用于获得需要发送的数据符号；

空时编码模块，用于将所述数据符号分为至少两路并进行空时编码；

波束赋形模块，用于对至少两路数据符号分别进行波束赋形；

第二接口模块，用于将处理后的至少两路数据符号分别通过至少两组极化天线发送。

一种终端侧设备，包括：

接口模块，用于获得网络侧至少两组极化天线发送的至少两路数据符号；所述至少两路数据符号进行过空时编码和分别进行过波束赋形；

检测模块，用于对所述至少两路数据符号进行联合数据检测。

一种系统，包括：

网络侧设备，用于将获得的数据符号分为至少两路并进行空时编码，以及对至少两路数据符号分别进行波束赋形，并分别通过至少两组极化天线发送；

终端侧设备，用于获得网络侧至少两组极化天线发送的至少两路数据符号，并对所述至少两路数据符号进行联合数据检测，获得需要的至少两路数据符号的数据符号估计值。

本发明实施例通过将波束赋形与空时编码结合的方式，实现了多组极化天线的数据传输，获得了较好的分集增益，并且减少了单一应用波束赋形和空时编码的弊端。

附图说明

图1为本发明实施例中网络侧装置的结构图；

图2为本发明实施例中终端侧装置的结构图；

图3为本发明实施例中系统的结构图；

图4为本发明实施例中通过多组极化天线发送数据的主要方法流程图；

图5为本发明实施例中波束赋形过程的示意图；

图6为本发明实施例中空时编码过程的示意图；

图7为本发明实施例中通过多组极化天线发送数据的详细方法流程图；

图8为本发明实施例中编码和扩频过程的示意图；

图9为本发明实施例中通过多组极化天线接收数据的主要方法流程图；

图10为本发明实施例中依据数据符号及其共轭进行检测时的方法流程图；

图11为本发明实施例中系统矩阵构造过程的示意图；

图12为本发明实施例中依据系统矩阵及其共轭进行检测时的方法流程图。

具体实施方式

本发明实施例将波束赋形和空时编码技术结合，实现多组极化天线为目标用户传输数据，得到分集增益。

本发明实施例中的一组极化天线包括至少一根单极化方向的天线，多组极化天线之间的极化方向不同。

参见图1，本实施例提供一种网络侧设备，用于实现通过多组极化天线向用户传输数据。该网络侧设备可以是基站(Node B或Evolved Node B)。其包括第一接口模块101、空时编码模块102、波束赋形模块103和第二接口模块104。

第一接口模块101用于与网络侧的其它设备连接，获得需要发送的数据符号。若网络侧设备包括用于生成数据的模块，则第一接口模块101也可以与该模块相连，获得需要发送的数据。

空时编码模块102用于将所述数据符号分为至少两路并进行空时编码。空时编码的方式有多种，如空时分组码(Space-Time Block Coding，STBC)或空时格码(Space-Time Trellis Coding，STTC)等，下面以STBC为例进行详细说明。

波束赋形模块103用于计算赋形权值，并对至少两路数据符号分别进行波束赋形。

第二接口模块104包括至少两组极化天线，用于与终端侧设备连接，将处理后的至少两路数据符号分别通过至少两组极化天线发送。

波束赋形模块103与空时编码模块102前后关系不固定，可以第一接口模块101连接波束赋形模块103，再连接空时编码模块102。即，先计算赋形权值，再进行空时编码。

至少两路数据符号中的一路数据符号包括第一数据符号和第二数据符号的反共轭，另一路数据符号包括第二数据符号和第一数据符号的共轭。

第二接口模块104可以在第一时刻发送第一数据符号和第二数据符号，在第二时刻发送第二数据符号的反共轭和第一数据符号的共轭；也可以同时发送上述4个数据符号。

当需要同时发送上述4个数据符号时，该网络侧设备包括信道化码模块，本图未示出，该信道化码模块用于采用不同的信道化码，对第一数据符号和第二数据符号的反共轭进行扩频，然后映射到一组极化天线上；采用不同的信道化码，对第二数据符号和第一数据符号的共轭进行扩频，然后映射到另一组极化天线上。

参见图2，与网络侧对应的，本实施例提供一种终端侧设备，其包括接口模块201、构造模块202和检测模块203。

接口模块201用于与至少两组极化天线建立连接，并通过至少两组极化天线获得至少两路数据符号；所述至少两路数据符号进行过空时编码和分别进行过波束赋形。所述至少两路数据符号中的一路数据符号包括第一数据符号和第二数据符号的反共轭，另一路数据符号包括第二数据符号和第一数据符号的共轭。

构造模块202用于造出关于所述至少两组极化天线的第一系统矩阵和第二系统矩阵；可进一步根据数据符号的共轭符号，构造出第一系统矩阵的反共轭系统矩阵和第二系统矩阵的共轭系统矩阵。

检测模块203用于对接收到的至少两路数据符号进行数据检测。所述检测方式有多种，如最佳线性联合检测等，最佳联合检测可采用迫零线性块均衡(ZF-BLE)法，亦可采用最小均方误差线性块均衡(MMSE-BLE)法等。检测模块203根据第一系统矩阵和第二系统矩阵及接收到的两路数据符号进行联合检测，并获得需要的数据符号估计值。

依据不同的检测方法，终端侧设备还包括合并模块，本图未示出，合并模块用于对检测出的数据符号进行合并，或对多个系统矩阵进行合并。所述合并方式有多种，如最大比合并、等增益合并、选择性合并等。

合并模块中的第一合并单元可以对检测模块203得到的符号估计值进行合并，或者合并模块中的第二合并单元对构造模块202中的系统矩阵进行合并，再由检测模块203进行联合检测并得到数据符号估计值。所以，检测和合并的执行过程不固定。

上述的网络侧设备与终端侧设备构成一种系统，参见图3所示，该系统包括：

终端侧设备，用于获得通过至少两组极化天线发送的数据符号，构造出关于所述至少两组极化天线的第一系统矩阵和第二系统矩阵，并对接收到的至少两路数据符号进行联合数据检测，获得需要的至少两路数据符号的数据符号估计值。

下面通过实现流程的方式介绍通过极化天线传输数据的过程。

参见图4，本实施例中多组极化天线传输数据的网络侧主要方法流程如下：

步骤401：网络侧获得需要发送的数据符号。可以通过接收获得数据，也可以通过数据的生成从而获得。

步骤402：网络侧将所述数据符号分为至少两路并进行空时编码。

步骤403：网络侧对至少两路数据符号分别进行波束赋形。

步骤404：网络侧将处理后的至少两路数据符号分别通过至少两组极化天线发送。

其中，步骤402和步骤403的执行顺序可以互换，即进行波束赋形，再进行空时编码。

在步骤403中，需要计算波束赋形系数w，w计算可以采用特征值波束赋形法亦可以采用固定波束赋形的方法等，设两组极化天线波束赋形加权系数矢量分别为：w₁＝[w₁₁，w₁₂，...，w_1N]^H和w₂＝[w₂₁，w₂₂，...，w_2N]^H；将赋形系数w与相应天线发送的信号相乘，完成波束赋形。即用w₁乘以扩频后的数据1，用w₂乘以扩频后的数据2。其中w_1i表示极化天线组1中的第i根天线的波束赋形加权系数，w_2i表示极化天线组2中的第i根天线的波束赋形加权系数，参见图5所示的波束赋形过程的示意图，s(t)表示一路信号。

以STBC为例进行详细说明。例如，对数据符号d₁和d₂进行空时编码，分别获得-d₂ ^*和d₁ ^*，网络侧可以同时发送d₁、d₂、-d₂ ^*和d₁ ^*，也可以在第一时刻通过两组极化天线分别发送d₁和d₂，在第二时刻通过两组极化天线分别发送-d₂ ^*和d₁ ^*，参见图6所示的示意图。下面针对同时发送4个数据符号的实现方式进行介绍。

参见图7，网络侧同时发送4个数据符号的实现流程如下：

步骤701：网络侧获得需要发送的数据符号d₁和d₂。

步骤702：网络侧采用STBC对d₁和d₂进行编码，获得d₁、d₂、-d₂ ^*和d₁ ^*。其中，d₁ ^*是d₁的共轭。

步骤703：网络侧采用不同的信道化码对上述4个数据符号进行扩频。即采用信道化码C₁和C₂分别对d₁和-d₂ ^*进行扩频，并映射到极化天线组1；采用信道化码C₁和C₂分别对d₂和d₁ ^*进行扩频，并映射到极化天线组2，参见图8所示的示意图。

步骤704：网络侧采用不同的赋形权值分别对两组极化天线进行波束赋形。即用w₁分别乘以d₁和-d₂ ^*，用w₂分别乘以d₂和d₁ ^*。

步骤705：网络侧通过两组极化天线分别发送d₁和-d₂ ^*、d₂和d₁ ^*，节省了时隙资源。

其中，步骤703可以省略，不采用不同的信道化码扩频，则在第一时刻通过两组极化天线发送扩频后的d₁和d₂，在第二时刻通过两组极化天线发送扩频后的-d₂ ^*和d₁ ^*，满足空时编码的定义。步骤703通过采用不同的信道化码实现了将d₁、d₂、-d₂ ^*和d₁ ^*的同时发送，利用了空时编码中的空间性，节省了时隙资源。

本实施例是以一组极化天线对应一个数据符号为例进行说明的，一组极化天线可以发送一串数据符号序列，对于每个数据符号的操作都可参照图7所示的流程。

参见图9，本实施例中多组极化天线传输数据的终端侧主要方法流程如下：

步骤901：终端侧与网络侧的至少两组极化天线建立连接，并通过至少两组极化天线获得至少两路数据符号；所述至少两路数据符号进行过空时编码和分别进行过波束赋形。

步骤902：终端侧构造出关于所述至少两组极化天线的第一系统矩阵和第二系统矩阵。

步骤903：所述终端侧对接收到的至少两路数据符号进行联合检测，终端侧获得至少两路数据符号的数据符号估计值。可以进一步对得到的数据符号估计值进行合并。

其中，步骤902可以进一步得到第一系统矩阵的反共轭系统矩阵和第二系统矩阵的共轭系统矩阵，然后对上述4个系统矩阵进行合并，步骤903根据合并后的系统矩阵进行数据符号的检测。

由于步骤902中对数据符号进行检测的方式有多种，合并的实现也不唯一，下面通过四个实施例来详细描述极化天线传输数据的过程。

参见图10，依据数据符号及其共轭进行检测时，传输数据的实现流程如下：

步骤1001：终端侧获得网络侧至少两组极化天线发送的d₁、-d₂ ^*、d₂和d₁ ^*。

步骤1002：终端侧针对两组极化天线构造出系统矩阵A₁和A₂。A_i是第i组发送天线与接收天线之间的系统矩阵，A_i就由信道冲击响应h及用户发送选用的信道化码C等确定，参见图11所示的示意图。

步骤1003：终端侧根据d₁、-d₂ ^*、d₂和d₁ ^*、及A₁和A₂，获得接收机接收到的信号r。可表示为：

\{\begin{matrix} r_{1} = A_{1} d (1) + A_{2} d (2) \\ r_{2} = - A_{1} d^{*} (2) + A_{2} d^{*} (1) \end{matrix}

公式1

其中：

d (1) = (d_{1}^{(1)}, . . . d_{1}^{(K)}, d_{3}^{(1)}, . . . d_{3}^{(K)}, . . ., d_{N - 1}^{(1)}, . . . d_{N - 1}^{(K)})

d (2) = (d_{2}^{(1)}, . . . d_{2}^{(K)}, d_{4}^{(1)}, . . . d_{4}^{(K)}, . . ., d_{N}^{(1)}, . . . d_{N}^{(K)}),

K是同时工作的用户数，N是一个用户数据块中的数据符号数。在以下各步骤中每一个用户数据块中的数据符号数均为N。确定了用户数量K和每个用户数据块中的数据符号数N，则系统矩阵A的维度也是确定的。

步骤1004：终端侧根据A₁和A₂、及r₁和r₂，对d₁、-d₂ ^*、d₂和d₁ ^*进行检测，本实施例中采用最佳线性联合检测，得到数据符号估计值

步骤1005：终端侧对

进行合并，本实施例采用最大比合并，获得最终需要的数据符号估计值。最大比合并是指：将检测后相同数据符号的估计值乘以一计算得到的权重后相加。其中可将信噪比或符噪比确定为权重。

参见图12，依据系统矩阵及其共轭进行检测时，传输数据的实现流程如下：

步骤1201：终端侧获得网络侧通过两组极化天线发送的d₁和d₂。

步骤1202：终端侧针对两组极化天线构造出系统矩阵A₁和A₂。

步骤1203：终端侧进一步得到A₁的反共轭-A₁ ^*和A₂的共轭A₂ ^*。

步骤1204：终端侧根据d₁和d₂、A₁和A₂、及-A₁ ^*和A₂ ^*，获得接收机接收到的信号r。可表示为：

\{\begin{matrix} r_{1} = A_{1} d_{1} + A_{2} d_{2} \\ r_{2}^{- *} = - A_{1}^{*} d_{2} + A_{2}^{*} d_{1} \end{matrix}

公式3或

[\begin{matrix} r_{1} \\ r_{2}^{*} \end{matrix}] = [\begin{matrix} A_{1} & A_{2} \\ A_{2}^{*} & - A_{1}^{*} \end{matrix}] [\begin{matrix} d_{1} \\ d_{2} \end{matrix}]

公式4

步骤1205：终端侧根据A₁和A₂、-A₁ ^*和A₂ ^*、及r₁和r₂ ^*，对d₁和d₂进行联合检测，本实施例中采用最佳线性联合检测，得到数据符号估计值

其中，可以将A₁、A₂、-A₁ ^*和A₂ ^*进行合并，则公式4可整理为：

r = [\begin{matrix} A_{1} + A_{2}^{*} & - A_{1}^{*} + A_{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} d_{1} \\ d_{2} \end{matrix}]

(公式5)，其推导过程如下：

将天线1发送的数据序列分别用d₁₁，-d₁₂ ^*表示，天线2发送的数据序列分别用d₂₁，d₂₂ ^*表示，其中d₁₁，-d₁₂ ^*包含的数据符号分别为d₁，d₃，…，和-d₂ ^*，-d₄ ^*…，，d₂₁，d₂₂ ^*包含的数据符号分别为d₂，d₄，…，和d₁ ^*，d₃ ^*…，则针对不同天线发送的数据，公式1进一步写成：

\{\begin{matrix} r_{1} = A_{1} d_{11} + A_{2} d_{21} \\ r_{2}^{*} = - A_{1}^{*} d_{12} + A_{2}^{*} d_{22} \end{matrix}

由于d₁₁＝d₂₂，d₂₁＝d₁₂，则对公式6进一步合并得

r = A_{1} d_{11} + A_{2}^{*} d_{22} - A_{1}^{*} d_{12} + A_{2} d_{22} = (A_{1} + A_{2}^{*}) d_{11} + (- A_{1}^{*} + A_{2}) d_{12}

= [\begin{matrix} A_{1} + A_{2}^{*} & - A_{1}^{*} + A_{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} d_{11} \\ d_{12} \end{matrix}]

其中，d₁₁，-d₁₂ ^*相当于d₁、-d₂ ^*。

根据合并后的系统矩阵进行检测，可简化检测过程。

用于实现本发明实施例的软件可以存储于软盘、硬盘、光盘和闪存等存储介质。

本发明实施例通过将波束赋形与空时编码结合的方式，实现了多组极化天线的数据传输，获得了较好的分集增益，并且减少了单一应用波束赋形和空时编码时的弊端。本实施例还提供了多种检测和合并方法，使检测过程得到简化，在实际应用中可灵活选择一种实现方式。并且，由于本发明实施例实现了多组极化天线的数据传输，保证了天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度要求(≥30dB)，多组极化天线之间的空间间隔仅需20～30cm，因此移动基站可以不必兴建铁塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1、一种通过极化天线发送数据的方法，其特征在于，包括以下步骤：

网络侧获得需要发送的数据符号；

网络侧将所述数据符号分为至少两路并进行空时编码；

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，空时编码后得到第一路数据符号、第二路数据符号的反共轭、第二路数据符号和第一路数据符号的共轭；

进一步采用不同的信道化码，对第一路数据符号和第二路数据符号的反共轭进行扩频，并通过所述至少两组极化天线中的一组极化天线发送，以及采用不同的信道化码，对第二路数据符号和第一路数据符号的共轭进行扩频，并通过另一组极化天线发送。

3、一种接收通过极化天线发送的数据的方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，终端侧在进行联合数据检测前，构造出关于所述至少两组极化天线的第一系统矩阵和第二系统矩阵。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述至少两路数据符号中的一路数据符号包括第一数据符号序列和第二数据符号序列的反共轭，另一路数据符号包括第二数据符号序列和第一数据符号序列的共轭。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，在进行联合检测时，包括步骤：

终端侧根据第一系统矩阵和第一数据符号序列、及第二系统矩阵和第二数据符号序列获得第一信号，根据第一系统矩阵和第二数据符号序列的反共轭、及第二系统矩阵和第一数据符号序列的共轭获得第二信号；

终端侧根据第一系统矩阵、第二系统矩阵、第一信号和第二信号，获得第一数据符号序列、第二数据符号序列、第一数据符号序列的共轭和第二数据符号序列的共轭的数据符号序列估计值。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述合并包括步骤：对第一数据符号序列、第二数据符号序列、第一数据符号序列的共轭和第二数据符号序列的共轭所对应的数据符号序列估计值，进行最大比合并。

8、如权利要求5所述的方法，其特征在于，在进行联合检测时，包括步骤：

终端侧进一步获得第一系统矩阵的反共轭系统矩阵和第二系统矩阵的共轭系统矩阵；

终端侧根据第一系统矩阵和第一数据符号序列、及第二系统矩阵和第二数据符号序列获得第一信号，根据第一系统矩阵的反共轭系统矩阵和第二数据符号序列、及第二系统矩阵的共轭系统矩阵和第一数据符号序列获得第二信号的共轭；

终端侧根据第一系统矩阵、第二系统矩阵、第一信号和第二信号的共轭，获得第一数据符号序列和第二数据符号序列的数据符号序列估计值。

9、如权利要求5所述的方法，其特征在于，在进行联合检测时，包括步骤：

终端侧将第一系统矩阵和第二系统矩阵的共轭系统矩阵合并，以及将第二系统矩阵和第一系统矩阵的反共轭系统矩阵合并；

终端侧根据合并后的系统矩阵、第一数据符号序列和第二数据符号序列获得数据信号；

终端侧根据第一系统矩阵、第二系统矩阵和数据信号，获得需要的第一数据符号序列和第二数据符号序列的数据符号估计值。

10、一种通过极化天线传输数据的方法，其特征在于，包括以下步骤：

终端侧获得所述至少两组极化天线发送的至少两路数据符号，并对该至少两路数据符号进行联合数据检测，获得需要的至少两路数据符号的数据符号估计值。

11、一种网络侧设备，其特征在于，包括：

第一接口模块，用于获得需要发送的数据符号；

12、一种终端侧设备，其特征在于，包括：

13、一种系统，其特征在于，包括：

终端侧设备，用于获得至少两组极化天线发送的至少两路数据符号，并对所述至少两路数据符号进行联合数据检测，获得需要的至少两路数据符号的数据符号估计值。