CN101534143B - 一种应用多天线发射双数据流的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用多天线发射双数据流的方法及装置，涉及智能天线领域。包括：将多根天线分为对称的两组；将每条待发送数据流映射成多个子数据流，每个子数据流对应一根天线；分别将映射至同一根天线的子数据流叠加，获得该根天线的待发送子数据流；每根天线发射对应的子数据流。应用本发明既能得到完整的发射端天线阵列增益，又能减少终端发射导频的数量从而简化终端实现的复杂度。

Description

一种应用多天线发射双数据流的方法及装置

技术领域

本发明涉及智能天线领域，特别是涉及一种应用多天线发射双数据流的方法及装置。 

背景技术

在目前的HSPA(High-Speed Packet Access，高速分组接入)以及LTE(LongTerm Evolution，长期演进)中，需要使用MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)多天线技术来提升网络吞吐量以及系统容量。目前利用MIMO技术发射双数据流有两种实现方法：采用GBF(Group Beam-forming，分组波束赋形)技术和无码本的Precoding(预编码)技术。 

下面以基站8天线为例描述采用GBF的天线分组方法。对多天线进行分组时，可任意分组，例如可将8天线分为两组，每组4根天线，或者分为一组3根天线，另一组5根天线等。当天线为小间距(例如间距为半波长)阵列时，组内可采用传统的波束赋形技术进行数据处理；当天线为大间距(例如间距大于等于两倍波长)阵列时，组内可采用发射分集技术或者其他分集技术进行数据处理。 

在此以基站8天线小间距阵列，终端2天线为例说明采用GBF发送双数据流的具体过程。参见图1所示，8天线分为2组，每组为4天线，组内的4个天线采用独立的波束赋形技术进行处理。终端的2天线间距为半个波长，从空间特性来看它们的特性基本一致，只需要根据部分信道状态信息对发送的数据流进行加权发射，基站发射端不需要完整的信道矩阵，因而不需要UE(UserEquipment，用户设备)端的两根接收天线分别发送不同的导频，即UE端只需发送一个导频。 

具体的，采用GBF进行加权处理时，加权矩阵的获取如下： 

$W=\left[\begin{array}{cc}{w}_{11}& 0\\ w_{12}& 0\\ w_{13}& 0\\ w_{14}& 0\\ 0& w_{21}\\ 0& w_{22}\\ 0& w_{23}\\ 0& w_{24}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{w}_1& 0\\ 0& w_2\end{array}\right]$

上式中w₁₁～w₁₄可通过对基站第一组4天线的信道矩阵采用传统的波束赋形技术获得，同理，w₂₁～w₂₄可通过对第二组4天线的信道矩阵采用传统的波束赋形技术获得，然后将它们分别与数据流s₁，s₂相乘之后由两组天线分别发射出去，即每个数据流是经过加权后，通过4根天线发射。 

下面简要描述无码本的Precoding技术。无码本的Precoding技术与上述天线分组技术的区别在于，采用无码本的Precoding技术需要获得完整的下行信道信息，来对发送的数据流进行加权发射，它的加权因子可通过对信道矩阵H进行特征值分解或者是奇异值分解得到，即采用分解后的最大的两个特征值或者是奇异值的特征向量分别对s₁和s₂加权。每个数据流是经过加权后，通过8根天线发射，因此采用无码本的Precoding技术能获得比采用天线分组技术更大的性能增益，能得到更大的网络吞吐量和系统容量。但是，由于当发射双数据流时需要获得完整的信道信息，要求UE端上行发送两个不同的导频，复杂度较高，实际终端中难以实现。 

发明人在发明过程中发现，采用GBF时，UE端只需发送一个导频，但其不足在于：每个数据流只能通过部分天线发射，并不能得到所有天线的阵列增益，因此性能不能达到最优；而当在采用无码本的Precoding技术时，虽然每个数据流可以通过全部天线发射，但要其不足在于：求UE端发送两个不同的导频，而这必将导致终端实现的复杂度较高。 

发明内容

本发明实施例提供了一种应用多天线发射双数据流的方法及装置，以实现既能得到完整的天线阵列增益，又能减少终端发射导频的数量，从而简化终端实现的复杂度。 

本发明实施例提供了一种应用多天线发射双数据流的方法，包括下列步骤： 

将多根天线分为对称的两组； 

确定每组天线的第一组权向量；根据接收端的最大功率获取第二组权向量；将每条待发送数据流用权向量进行加权处理后获得加权后的各子数据流，所述权向量包括该条待发送数据流所对应的该组天线的第一组权向量、第二组权向量；每个子数据流对应一根天线； 

分别将映射至同一根天线的子数据流叠加，获得该根天线的待发送子数据流； 

每根天线发射其对应的子数据流。 

本发明实施例还提供了一种应用多天线发射双数据流的装置，包括： 

分组模块，用于将多根天线分为对称的两组； 

映射模块，包括第一组权向量获取单元、第二组权向量获取单元和加权单元，所述第一组权向量获取单元，用于确定每组天线的第一组权向量；所述第二组权向量获取单元，用于根据接收端的最大功率获取第二组权向量；所述加权单元，用于将每条待发送数据流用权向量进行加权处理后获得加权后的各子数据流，所述权向量包括该条待发送数据流所对应的该组天线的第一组权向量、第二组权向量；每个子数据流对应一根天线； 

叠加模块，用于分别将映射至同一根天线的子数据流叠加，获得该根天线的待发送子数据流； 

发射模块，用于通过每根天线发射该天线对应的子数据流。 

有益效果： 

本发明实施例中，由于将天线分成对称的两组，因而不需要UE都发送不同的导频；同时，由于每一个待发送数据流最终都是经过全部天线进行发射的，因而它能够获得全部天线的阵列增益，因此，使用本发明不仅能得到完整的天线阵列增益；而且只需要发送一个导频，从而能够简化终端实现的复杂度。 

附图说明

图1为现有技术中应用多天线发射双数据流的信号流向示意图； 

图2为本发明实施例中所述应用多天线发射双数据流的方法的实施流程示意图； 

图3为本发明方法实施例中所述将每条待发送数据流映射成多个子数据流的实施流程示意图； 

图4为本发明方法实施例中所述采用8天线发射双数据流的实施流程示意图； 

图5为本发明方法实施例中所述8天线时数据流的信号流向示意图； 

图6为本发明方法实施例中所述应用多天线发射双数据流的装置的结构示意图； 

图7为应用本发明实施例与现有技术仿真的结果的对比示意图。 

具体实施方式

为了实现发射双数据流时既能得到完整的天线阵列增益，又能减少终端发射导频的数量从而简化终端实现的复杂度，本发明实施例提供一种应用多天线发射双数据流的方法，图2为应用多天线发射双数据流的方法的实施流程示意图，如图所示，可以包括下列主要步骤： 

步骤201、将多根天线分为对称的两组； 

步骤202、将每条待发送数据流映射成多个子数据流，每个子数据流对应一根天线； 

步骤203、分别将映射至同一根天线的子数据流叠加，获得该根天线的待发送子数据流； 

步骤204、每根天线发射对应的子数据流。 

图3为将每条待发送数据流映射成多个子数据流的实施流程示意图，如图所示，步骤203的具体实施方式可以包括： 

步骤2031、确定每组天线的第一组权向量； 

步骤2032、根据接收端的最大功率获取第二组权向量； 

步骤2033、将每条待发送数据流用权向量进行加权处理后获得加权后的各子数据流，所述权向量包括该条待发送数据流所对应的该组天线的第一组权向量、第二组权向量。 

在实际实现中，步骤2031和2032中所作的处理可以有多种，例如步骤2031中所获取的第一组权向量可以采用GBF或发射分集技术对数据流进行处理；步骤2032中所获取的第二组权向量可以采用有码本的发射分集技术、空时编码分集技术或延时发射分集技术对数据流进行处理。实施中，步骤2031与步骤2032不必之间不必有先后顺序。 

下面以发射端(基站)采用8天线的结构发送双数据流s₁，s₂的具体实施为例来对上述步骤进行说明。 

图4为采用8天线发射双数据流的实施流程示意图，如图所示，本实施例的方法步骤流程可以如下： 

步骤401、将发射端的8根发射天线分为每组4根天线的两组。 

本实施例中是将发射端的8根天线分为两组，其中每组4根天线，分组时可对组间天线进行拉远以减小天线之间的相关性，这样可以获得更好的性能。 

实施中，只需分成对称的两组即可，视全部天线数目情况可使天线数目不同，如6根天线分成的两组，每组3根。 

步骤402、在组内采用GBF获取第一组权向量，以减少终端发射的导频数量。 

图5为8天线时数据流的信号流向示意图，图5仅用于说明发射端发射双  数据流的流程，本领域技术人员易知，实际实施中并不受发射天线和接收天线的个数的限制，也不受天线的分组个数的限制。下面结合图5对实施方式进行说明。 

当天线为小间距(例如间距为半波长)阵列时，在组内可采用GBF获取第一组权向量。 

数据流向量中的每一个符号处理过程都是一样的。在此以数据流s₁为例来 说明，为简便表示，下面以s₁表示s₁向量中的一个符号。下面对应图5中的具体信号的流向进行说明，Step1(相当于步骤3031)处获得的是数据流s₁，s₂向量经过GBF进行加权或分集处理的结果，输出为S₁_Step1_out＝[w₁₁，w₁₂，w₁₃，w₁₄]^Hs₁，其中(·)^H表示向量的共轭转置，此处的第一组权向量w₁₁～w₁₄的选取可采用分集技术获得，也可采用根据EBB(Eigenvalue Based Beamforming，特征向量波束赋形)或GOB(Grid Of Beam，网格波束赋形)算法得到的特征向量获得。 

注意：本步骤也适用于其它实施例，以下不再赘述。 

步骤403、在组内采用有码本的发射分集技术获取第二组权向量，将其分集到发射端的全部发射天线上。 

在组内采用有码本的发射分集技术处理数据s₁(本实施例中，此时s₁已经过步骤402的处理)，本步骤处理后可以将发射端扩展至一个数据流由8天线发射的模式，以进一步获得更多的天线分集增益。 

步骤404、将每条待发送数据流用第一组、第二组权向量进行加权处理后获得加权后的各子数据流。 

下面以采用有码本的发射分集技术时的经过步骤403、步骤404实施为例进行说明。 

在Step2(相当于步骤402处理后的403)处，数据s₁经过有码本的发射分集技术处理后，变成8个数据符号，可用向量的形式表示如下： 

$S_2\_\mathrm{Step}2\_\mathrm{out}={[{\mathrm{\λ}}_1^H{w}_{11},{\mathrm{\λ}}_1^H{w}_{12},{\mathrm{\λ}}_1^H{w}_{13},{\mathrm{\λ}}_1^H{w}_{14},{\mathrm{\λ}}_2^H{w}_{12},{\mathrm{\λ}}_2^H{w}_{13},{\mathrm{\λ}}_2^H{w}_{14}]}^H{s}_1.$

这个数据流的前四个数据符号经过第一组天线，历经信道h₁，后四个数据符号经过第二组天线，历经信道h₂。对于数据流s₁，加权采用的第二组权向量中的λ₁，λ₂。对于数据流s₂，采用的第二组权向量中的λ₃，λ₄，进一步的，其中向量[λ₁，λ₂]同向量[λ₃，λ₄]是相互正交的，即满足[λ₁，λ₂][λ₃，λ₄]^H＝0。除此之外，这四个值之间还有一定的关系，例如，可以但不限于取 ${\mathrm{\λ}}_1={\mathrm{\λ}}_3=\frac{1}{\sqrt{2}},$ λ₂＝-λ₄， 

${\mathrm{\λ}}_2\∈\{\frac{1+j}{2},\frac{1-j}{2},\frac{-1+j}{2},\frac{-1-j}{2}\}$ (注：λ₁，λ₂，λ₃，λ₄也可为向量形式)。 

下面具体说明采用有码本的发射分集技术时加权向量的选取准则。以数据流s₁为例，s₁经过两次处理(GBF+有码本的发射分集技术)后，通过天线发射，经过信道至UE端，UE端的接收信号可表示为 

$y_1=w_1^H{\mathrm{\λ}}_1{h}_1{s}_1+w_1^H{\mathrm{\λ}}_2{h}_2{s}_1+n_1,$ 其中 $w_1=\left[\begin{array}{c}{w}_{11}\\ w_{12}\\ w_{13}\\ w_{14}\end{array}\right]$ 即第一组权向量中第一组天线的赋形加权系数，h₁为第一组天线得到的信道矩阵，为4×4大小的方阵，n₁为噪声。 

可采用接收端的功率最大化来选取第二组权向量中第一组天线的权值λ₁，λ₂，接收端的数据流s₁的功率p₁可表示如下式： 

$p_1={[w_1^H{\mathrm{\λ}}_1{h}_1{s}_1+w_1^H{\mathrm{\λ}}_2{h}_2{s}_1][w_1^H{\mathrm{\λ}}_1{h}_1{s}_1+w_1^H{\mathrm{\λ}}_2{h}_2{s}_1]}^H---\left(1\right)$

将式(1)展开，可表示成4项之和，分别为a，b，c，d他们分别等于 

$a=w_1^H{\mathrm{\λ}}_1{h}_1{s}_1{s}_1^H{h}_1^H{\mathrm{\λ}}_1^H{w}_1$

$b=w_1^H{\mathrm{\λ}}_1{h}_1{s}_1{s}_1^H{h}_2^H{\mathrm{\λ}}_2^H{w}_1$

$c=w_1^H{\mathrm{\λ}}_2{h}_2{s}_1{s}_1^H{h}_1^H{\mathrm{\λ}}_1^H{w}_1$

$d=w_1^H{\mathrm{\λ}}_2{h}_2{s}_1{s}_1^H{h}_2^H{\mathrm{\λ}}_2^H{w}_1---\left(2\right)$

即p₁＝a+b+c+d，(2)中的四项可化简，因为s₁s₁ ^H实际上是信号流的发射功率，是一个常数值，以符号p_s1表示，另外由于h₁，h₂都是已知的量，那么 即信道矩阵的协方差矩阵也是已知量(其中i，j＝1，2)。根据这些已知条件有： 

$p_1={\left|{\mathrm{\λ}}_1\right|}^2{p}_{s_1}{w}_1^H{R}_{\mathrm{xx}11}{w}_1+{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2^H{p}_{s_1}{w}_1^H{R}_{\mathrm{xx}12}{w}_1+{\mathrm{\λ}}_2{\mathrm{\λ}}_1^H{p}_{s_1}{w}_1^H{R}_{\mathrm{xx}21}{w}_1+{\left|{\mathrm{\λ}}_2\right|}^2{p}_{s_1}{w}_1^H{R}_{\mathrm{xx}22}{w}_1---\left(3\right),$

从式(3)可以看出，第一项和第四项都是已知量，那么要使接收端功率最大，即要使第二项和第三项的和最大，从码本集合当中选出使第二项和第三项的和最大的λ₁，λ₂，作为加权系数。 

注意：本步骤也适用于其它实施例，以下不再赘述。 

步骤405、分别将映射至同一根天线的子数据流叠加，获得该根天线的待 发送子数据流。 

即图5中所示的step 3阶段。 

步骤406、每根天线发射对应的经过GBF和有码本的发射分集技术处理子数据流。 

本实施例中将发射端的多根发射天线分组，采用GBF对待发送数据流进行加权或分集处理，以减少终端发射的导频数量，采用有码本的发射分集技术对待发送数据流进行发射分集处理，将其分集到发射端的全部发射天线上，再通过所述全部发射天线发射经过GBF和有码本的发射分集技术处理的子数据流，因此不仅能得到完整的天线阵列增益，而且只需要终端发送一个导频，从而能够简化终端实现的复杂度。 

第二组权向量也可以通过空时编码分集技术确定，空时编码分集技术也是一种分集结构，只是它不是通过加权体现分集，而是对数据流作非线性变换得到，比如数据X通过天线1发射，X的共轭通过天线2发射。其本质都是不同天线发送相同数据流，能够将数据流分集到全部发射天线上，获得分集增益。 

例如，两个不同的数据流X、Y，经过第一次处理分别变成X，2X，3X，4X；Y，2Y，3Y，4Y，第二次的加权系数设为m1，m2，m3，m4，那么经过第二次的处理后数据流X变成X*m1，2X*m1，3X*m1，4X*m1，X*m2，2X*m2，3X*m2，4X*m2，类似的，数据流Y变成Y*m3，2Y*m3，3Y*m3，4Y*m3，Y*m4，2Y*m4，3Y*m4，4Y*m4，最终第一个天线的发射数据为X*m1+Y*m3，第二个2X*m1+2Y*m3......可以看出，每个天线都包含有数据流X和Y，这就达到了所有天线都发送不同数据流的目的。 

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种应用多天线发射双数据流的装置，下面结合附图对本装置的具体实施方式进行说明。 

图6为应用多天线发射双数据流的装置的结构示意图，如图所示，装置中可以包括：分组模块601、映射模块602、叠加模块603、发射模块604，其中： 

分组模块601用于将多根天线分为对称的两组； 

映射模块602用于将每条待发送数据流映射成多个子数据流，每个子数据流对应一根天线； 

叠加模块603用于分别将映射至同一根天线的子数据流叠加，获得该根天线的待发送子数据流； 

发射模块604用于通过每根天线发射该天线对应的子数据流。 

具体的，映射模块602中可以包括： 

第一组权向量获取单元，用于确定每组天线的第一组权向量； 

第二组权向量获取单元，用于根据接收端数据流的最大功率获取第二组权向量； 

加权单元，用于将每条待发送数据流用权向量进行加权处理后获得加权后的各子数据流，所述权向量包括该条待发送数据流所对应的该组天线的第一组权向量、第二组权向量。 

在第一组权向量获取单元中可以进一步用于根据该组天线的信道矩阵获得第一组权向量。 

在第二组权向量获取单元中可以包括第三子单元、第四子单元、第五子单元三者之一或则其组合，其中： 

第三子单元，用于通过对基站中的天线信道矩阵采用空时编码分集技术、确定第二组权向量； 

第四子单元，用于通过对基站中的天线信道矩阵采用延时分集技术确定第二组权向量； 

第五子单元，用于通过对基站中的天线信道矩阵采用有码本的发射分集技术确定第二组权向量。 

其中，第五子单元还可以进一步用于使每组天线的第二组权向量相互正交。 

为了更清楚地说明本发明的实施效果，下面提供应用本发明实施例的方案与现有技术进行仿真的对比示意图。参见图7所示，图中各曲线为采用不同方 案应用基站8天线(UE2天线)发送双流数据的仿真的结果的对比示意图，其中SCM v7.0 CaseI v＝3kmph是仿真采用的信道模型的一些参数，为了便于描述，下面按照曲线从上到下的顺序进行对比说明： 

(1)最上面的一条曲线是应用现有技术中无码本的预编码Precoding方式仿真得到的性能曲线； 

(2)从上到下第2条曲线是应用本发明实施例中GBF+有码本的发射分集技术并且对分组的天线进行拉远的方案，仿真得到的性能曲线； 

(3)从上到下第3条曲线是应用现有技术中GBF并且对分组的天线进行拉远的方案，仿真得到的性能曲线； 

(4)从上到下第4条曲线是应用本发明实施例中GBF+有码本的发射分集技术的方案，仿真得到的性能曲线； 

(5)从上到下第5条曲线是应用现有技术中GBF的方案，仿真得到的性能曲线。 

本领域普通技术人员由图中明显可以看出： 

(1)、应用本发明实施例中GBF+有码本的发射分集技术的方案比现有技术中仅采用GBF进行仿真得到的性能好； 

(2)、无论是应用本发明实施例的方案还是应用现有技术，对分组的天线进行拉远后，均能得到更好的性能。 

由上述实施例可知：由于将天线分成对称的两组，因而不需要UE都发送不同的导频；同时，由于每一个待发送数据流最终都是经过全部天线进行发射的，因而它能够获得全部天线的阵列增益，因此，使用本发明不仅能得到完整的天线阵列增益；而且只需要发送一个导频，从而能够简化终端实现的复杂度。 

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 (8)

1.一种应用多天线发射双数据流的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将多根天线分为对称的两组；

确定每组天线的第一组权向量；根据接收端的最大功率获取第二组权向量；将每条待发送数据流用权向量进行加权处理后获得加权后的各子数据流，所述权向量包括该条待发送数据流所对应的该组天线的第一组权向量、第二组权向量；每个子数据流对应一根天线；

分别将映射至同一根天线的子数据流叠加，获得该根天线的待发送子数据流；

每根天线发射对应的子数据流。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一组权向量根据该组天线的信道矩阵获得。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二组权向量通过对基站中的天线信道矩阵采用空时编码分集技术、延时分集技术或有码本的发射分集技术确定。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每组天线的第二组权向量相互正交。

5.一种应用多天线发射双数据流的装置，其特征在于，包括：

分组模块，用于将多根天线分为对称的两组；

映射模块，包括第一组权向量获取单元、第二组权向量获取单元和加权单元，所述第一组权向量获取单元，用于确定每组天线的第一组权向量；所述第二组权向量获取单元，用于根据接收端的最大功率获取第二组权向量；所述加权单元，用于将每条待发送数据流用权向量进行加权处理后获得加权后的各子数据流，所述权向量包括该条待发送数据流所对应的该组天线的第一组权向量、第二组权向量；每个子数据流对应一根天线；

叠加模块，用于分别将映射至同一根天线的子数据流叠加，获得该根天线 的待发送子数据流；

发射模块，用于通过每根天线发射该天线对应的子数据流。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一组权向量获取单元进一步用于根据该组天线的信道矩阵获得第一组权向量。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二组权向量获取单元包括第三子单元、第四子单元、第五子单元三者之一或者其组合，其中：

第三子单元，用于通过对基站中的天线信道矩阵采用空时编码分集技术、确定第二组权向量；

第四子单元，用于通过对基站中的天线信道矩阵采用延时分集技术确定第二组权向量；

第五子单元，用于通过对基站中的天线信道矩阵采用有码本的发射分集技术确定第二组权向量。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第五子单元进一步用于使每组天线的第二组权向量相互正交。 

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