CN101783697B - 一种ofdma多天线系统的发射分集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种OFDMA多天线系统的发射分集方法，该方法包括以下步骤：a，根据一个或多个符号周期上的多个子载波的空间特征的集合，来估计用户空间矩阵；b，确定用户空间矩阵的秩D，然后根据用户空间矩阵得出D个传输权重；c，根据D个传输权重，通过D维波束赋形来传输OFDMA符号。本发明可以使得OFDMA多天线系统的衰落信道下的信号传输更加稳健。

Description

一种OFDMA多天线系统的发射分集方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种OFDMA多天线系统的发射分集方法。

背景技术

在传统的发射分集系统中，通过将符号生成D份复制(或变形的复制)来实现发射分集，每份复制通过D个天线中的某一个天线进行发射。可以采用空时块码或者循环延迟分集(CDD)方案来提高发射分集或快速接收的效果。在空时块码方案中，对于要传输的符号s₁和符号s₂，首先生成s₁ ^*和-s₂ ^*，s₁和-s₂ ^*通过同一个天线进行发射，s₂和s₁ ^*通过另一个不同的天线进行发射。在CDD方案中，信号波形s(t)和它的循环延迟备份是通过两个不同的天线发射的。

在一般的智能天线系统中，发射分集的方法有了进一步完善：首先估计信号的空间特征h，然后计算天线的传输权重w为w＝h，最后利用公式x(t)＝w·s(t)生成信号。

但是在衰落信道下，由于多径和衰落的影响，空间特征h是随着时间和频率的变化而变化的，w＝h可能不是最佳传输权重。为了使得OFDMA系统的衰落信道下的信号传输更加稳健，需要在设计传输信号时考虑基于不同时间位置和子载波位置的空间特征h(t，k)的可能变化范围，这里t表示时隙位置，k表示子载波位置。

发明内容

本发明提出一种OFDMA多天线系统的发射分集方法，该方法包括以下步骤：

a，根据一个或多个符号周期上的多个子载波的空间特征的集合，来估计用户空间矩阵；

b，确定用户空间矩阵的秩D，然后根据用户空间矩阵得出D个传输权重；

c，根据D个传输权重，通过D维波束赋形来传输OFDMA符号。

优选的，步骤a中，可以根据接收到的一个或多个导频符号和/或信息符号，或接收到的一个或多个导频符号和/或信息符号以及空符号(空符号上不传输信号)，来估计所述的空间特征。

优选的，步骤a中，所述用户空间矩阵的每一列为一个对应于一个或多个符号周期上的一个或多个子载波的空间特征。所述用户空间矩阵也可以是，根据一个或多个符号周期上的一个或多个子载波的空间特征的集合生成的一个相关矩阵。

优选的，步骤a中，用户空间矩阵是由空间信道矩阵和空间干扰矩阵生成的，根据导频符号和/或信息符号计算空间信道矩阵，根据空符号计算空间干扰矩阵。进一步的，所述空间信道矩阵是一个根据导频符号和/或信息符号生成的相关矩阵，所述空间干扰矩阵是一个根据空符号生成的相关矩阵，所述用户空间矩阵计算为空间干扰矩阵的逆矩阵左乘空间信道矩阵的结果矩阵。

优选的，步骤b中，所述确定用户空间矩阵的秩D包括：对用户空间矩阵进行子空间分解，然后确定D等于主子空间的维数。

优选的，步骤b中，所述根据用户空间矩阵得出D个传输权重包括：对用户空间矩阵进行子空间分解，然后取主子空间的基本向量作为传输权重。

进一步的，上述对用户空间矩阵进行子空间分解后，所述主子空间是对应于前D个最大特征值的D个向量。可以根据用户空间矩阵的特征值与最大特征值的比较结果，来确定D的大小。

优选的，步骤c具体包括：为每个OFDMA符号生成D份复制或变形的复制；然后根据D个传输权重，依次对该D份复制进行一维的波束赋形；最后在时频网格上发射D个波束赋形后的符号向量。对于CS-OFDMA系统，进一步的，首先将每个符号码扩到N个OFDMA符号，然后根据D个传输权重，通过D维波束赋形来传输码扩后的每个OFDMA符号，所述传输是在不同时隙或不同子载波或二者的结合上进行的。前述将每个符号码扩到N个OFDMA符号的方法可以是：确定码扩负载因子L，对L个符号向量进行N次加权求和，获得一个N维的OFDMA符号向量。

本发明的有益效果在于：考虑了基于不同时间位置和子载波位置的空间特征h(t，k)的可能变化范围，使得在衰落信道下，OFDMA系统的信号传输更加稳健。

附图说明

图1为本发明具体实施例的操作流程示意图；

图2为本发明具体实施例的某一用户的信道资源分配示意图；

图3为本发明具体实施例的步骤101到步骤103的具体实现过程框图；

图4为本发明具体实施例的步骤104的实现过程框图。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明的实施方式。

对于一个OFDMA系统，空间特征h(t，k)是随着时间和频率而变化的，则由空间特征的集合构造的用户空间矩阵的主子空间，可以综合表征空间特征h(t，k)的可能变化范围。选取主子空间的基本向量作为D个传输权重，通过D维波束赋形来传输OFDMA符号，可以显著提高衰落信道下的发射和接收性能。

本发明实施例以CS-OFDMA系统为例，其操作流程如图1所示，下面将详细介绍该实施例的具体步骤。

步骤101、估计空间特征h(t，k)

OFDMA系统中，频谱被分成多个子载波，时间被成分连续的时隙，每个时隙由多个符号周期组成，因此无线资源可以表示为二维的时频网格。如图2所示，假设将子载波2和子载波4分配给某一用户用于信号传输，同时插入导频符号和空符号，空符号上不传输该用户信号，用于干扰统计。

空间特征可以是通过导频符号、信息符号和/或空符号来估计的h(t，k)。假设接收到的导频符号r_p(t，k)和信息符号r_s(t，k)为：

r_p(t，k)＝h(t，k)s_p(t，k)+v(t，k)

r_s(t，k)＝h(t，k)s(t，k)+v(t，k)

其中，s_p(t，k)是发射的导频符号，s(t，k)是发射信号，v(t，k)是干扰噪声，那么，空间特征按照如下公式进行估计：

h(t，k)＝r_p(t，k)

h(t，k)＝r_s(t，k)

也可以利用多个符号按照如下公式进行估计：

$h(t,k)=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_p(t_i,k_i)/s_p(t_i,k_i)$

$h(t,k)=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_s(t_i,k_i)/s(t_i,k_i)$

步骤102、根据空间特征h(t，k)的集合估计用户空间矩阵H

可以通过堆叠多个空间特征来生成用户空间矩阵H，如下式所示：

H₁＝[h(t₁，k₁)，h(t₂，k₂)，...，h(t_K，k_K)]

也可以利用多个空间特征计算一个相关矩阵来生成H，如下式所示：

$H_2=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}h(t_i,k_i)h^{*}(t_i,k_i)$

本实施例中，用户空间矩阵是由表征信道情况的空间信道矩阵和表征干扰情况的空间干扰矩阵生成的。空间信道矩阵可以是一个利用根据导频符号和/或信息符号估计的空间特征生成的相关矩阵，本实施例采用H₂作为空间信道矩阵，然后利用根据空符号估计的空间特征来构建一个空间干扰矩阵，如下式所示：

$R_n=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n(t_i,k_i)\·r_n^{*}(t_i,k_i)$

这里，r_n(t_i，k_i)是接收到的空符号。最后按照下式计算用户空间矩阵H₃： $H_3=R_n^{-1}{H}_2$

步骤103、进行子空间分解得到维数为D的主子空间，然后得出D个传输权重。

首先对用户空间矩阵进行子空间分解。对于H₁，采用奇异值分解来找出奇异值{λ₁，λ₂，...，λ_M}和对应的奇异向量{v₁，v₂，...，v_M}。对于H₂和H₃，可以使用对称特征值分解来找出特征值{λ₁，λ₂，...，λ_M}和对应的特征向量{v₁，v₂，...，v_M}。

然后通过如下代码来确定主子空间的维数：

For d＝2：M，if λ₁＞T·λ_d，D＝d-1；break；end；

则主子空间是对应于前D个最大特征值的D个向量，即最前的D个特征向量。

最后将主子空间的基本向量作为传输权重W_d，如下式所示：

w_d＝v_d，d＝1，...，D

图3所示的框图详细说明了步骤101到步骤103的具体实现过程。

步骤104、根据D个传输权重，通过D维波束赋形来传输OFDMA符号。

图4表示了步骤104的具体实现过程。下面对该步骤进行详细说明：

a，对原始符号x进行码扩生成要发射的符号向量s。码扩可以采用这样的方法：确定码扩负载因子L，对L个符号向量进行N次加权求和，获得一个N维的OFDMA符号向量(N＞L)。

b，将符号向量s生成D份复制s₁，s₂...s_D，假设这样的操作运算记为f_d(^*)，本实施例中，f_d(s)按照如下计算：

f_d(s)＝F(t_d，k_d)·s·exp(-jud)(d＝1，2...D)

这里F(t_d，k_d)是一个DFT矩阵的列向量，用于将符号调制到第t个符号周期和第k个子载波上，exp(-jud)是一个规定了循环时延的线性相位因子。

也可以采用CDD或者空时块码将符号向量s生成D份复制。本发明的又一个实施例中，采用空时块码实现发射分集，对于D＝2，按照如下计算：

f₁(s)＝F(t_d，k_d)·s₁+F(t_d，k_d)·s₂

$f_2\left(s\right)=F(t_d,k_d)\·s_1^{*}-F(t_d,k_d)\·s_2^{*}$

c，根据D个传输权重，依次对该D份复制进行一维的波束赋形，生成波束赋形后的符号向量x₁，x₂...x_D：

x_d(t)＝w_d·f_d(s)

d，将波束赋形后的D个符号向量进行子载波映射，最后进行信号到天线的映射，生成发射信号x(t)。

$x\left(t\right)=\underset{d=1}{\overset{D}{\mathrm{\Σ}}}{x}_d\left(t\right)$

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种OFDMA多天线系统的发射分集方法，其特征在于，包括以下步骤：

a，根据一个或多个符号周期上的多个子载波的空间特征的集合，来估计用户空间矩阵；

b，确定用户空间矩阵的秩D，然后根据用户空间矩阵得出D个传输权重；

c，根据D个传输权重，通过D维波束赋形来传输OFDMA符号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，根据接收到的一个或多个导频符号和/或信息符号来估计所述的空间特征。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，根据接收到的一个或多个导频符号和/或信息符号，和空符号来估计所述的空间特征，空符号上不传输信号。

4.如权利要求1的方法，其特征在于步骤a，所述用户空间矩阵的每一列为一个对应于一个或多个符号周期上的一个或多个子载波的空间特征。

5.如权利要求1的方法，其特征在于步骤a，所述用户空间矩阵是，根据一个或多个符号周期上的一个或多个子载波的空间特征的集合生成的一个相关矩阵。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，用户空间矩阵是由空间信道矩阵和空间干扰矩阵生成的，根据导频符号和/或信息符号计算空间信道矩阵，根据空符号计算空间干扰矩阵。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述空间信道矩阵是一个根据导频符号和/或信息符号生成的相关矩阵，所述空间干扰矩阵是一个根据空符号生成的相关矩阵，所述用户空间矩阵计算为空间干扰矩阵的逆矩阵左乘空间信道矩阵的结果矩阵。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b，所述确定用户空间矩阵的秩D包括：对用户空间矩阵进行子空间分解，然后确定D等于主子空间的维数。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b，所述根据用户空间矩阵得出D个传输权重包括：对用户空间矩阵进行子空间分解，然后取主子空间的基本向量作为传输权重。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，对用户空间矩阵进行子空间分解后，所述主子空间是对应于前D个最大特征值的D个向量。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，根据用户空间矩阵的特征值与最大特征值的比较结果，来确定D的大小。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c具体包括：为每个OFDMA符号生成D份复制或变形的复制；然后根据D个传输权重，依次对该D份复制进行一维的波束赋形；最后在时频网格上发射D个波束赋形后的符号向量。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤c，首先将每个符号码扩到N个OFDMA符号，然后根据D个传输权重，通过D维波束赋形来传输码扩后的每个OFDMA符号，所述传输是在不同时隙或不同子载波或二者的结合上进行的。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，将每个符号码扩到N个OFDMA符号所采用的方法是：确定码扩负载因子L，对L个符号向量进行N次加权求和，获得一个N维的OFDMA符号向量。

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