CN101854198B - 一种多天线发射分集的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线发射分集的方法，包括：设置多天线空时编码矩阵，对待发射数据进行空时编码；根据所述编码矩阵将天线分组，得到的天线组数小于天线数；以及根据得到的天线组分别对空时编码后得到的各路信号进行波束形成，发射所述信号；其中，每一天线组对应一波束。本发明还公开了一种多天线发射分集的装置。本发明在不增加额外开销的同时，能够获得较好的分集增益。

Description

一种多天线发射分集的方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种多天线发射分集的方法和装置。

背景技术

在3Gpp长期演进(Long-Term Evolution，LTE)系统中，下行定义了发射天线为2天线时的分集方式为空频分组编码(Space Frequency BlockCodes，SFBC)，编码矩阵如式1所示：

式1

下行还定义了4天线时的分集方式为频率切换分集(SFBC+FrequencySwitch Time Division，SFBC+FSTD)，编码矩阵为式2所示：

式2

其中编码矩阵的每一行对应不同的频率，每一列对应不同天线，x₁、x₂、x₃和x₄为空频编码前的符号，x^*表示对x求共轭。

在3Gpp长期演进高级(LTE-Advanced)系统中，为了提高下行的数据传输速率和频谱利用率，下行最多可使用大于等于8根发射天线，在多天线(尤其是大于等于8根发射天线)的情况下，如何发射分集而获得较好的分集增益是待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是提出一种多天线发射分集的方法和装置，能够获得较好的分集增益。

本发明提出一种多天线发射分集的方法，包括：

设置多天线空时编码矩阵，对待发射数据进行空时编码；

根据所述编码矩阵将天线分组，得到的天线组数小于天线数；以及

根据得到的天线组分别对空时编码后得到的各路信号进行波束形成，发射所述信号；其中，每一天线组对应一波束。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

所述天线数为N个时，N个天线的空时编码矩阵S^(N)为：

$S^{\left(N\right)}=\left[\begin{array}{cc}{S}_1^{\left(\frac{N}{2}\right)}& S_2^{\left(\frac{N}{2}\right)}\\ S_2^{\left(\frac{N}{2}\right)*}& -S_1^{\left(\frac{N}{2}\right)*}\end{array}\right],$

其中N为2的整数倍，

和

为N/2个天线的空时编码矩阵，所述空时编码矩阵的行表示时刻，列表示天线；

所述空时编码矩阵具有以下特点：

在每一个时刻至少有一根天线上发射的数据为0。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

所述天线数为8时，

取 $S^{\left(4\right)}=\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& 0& 0\\ 0& 0& x_3& x_4\\ -x_2^{*}& x_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& -x_4^{*}& x_3^{*}\end{array}\right],$

8天线空时编码矩阵为：

$S^{\left(8\right)}=\left[\begin{array}{cccccccc}{x}_1& x_2& 0& 0& x_5& x_6& 0& 0\\ 0& 0& x_3& x_4& 0& 0& x_7& x_8\\ -x_2^{*}& x_1^{*}& 0& 0& -x_6^{*}& x_5^{*}& 0& 0\\ 0& 0& -x_4^{*}& x_3^{*}& 0& 0& -x_8^{*}& x_7^{*}\\ x_5^{*}& x_6^{*}& 0& 0& -x_1^{*}& -x_2^{*}& 0& 0\\ 0& 0& x_7^{*}& x_8^{*}& 0& 0& -x_3^{*}& -x_4^{*}\\ -x_6& x_5& 0& 0& x_2& -x_1& 0& 0\\ 0& 0& -x_8& x_7& 0& 0& x_4& {-x}_3\end{array}\right]$

其中，x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇和x₈为编码前的数据，所述矩阵的行表示时刻，列表示天线。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

每一天线组中天线数≥1；

在天线分组时，将同一时刻对应天线发射数据为0的天线与对应天线发射数据不为0的天线构成一组。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

由基站预先设定的天线的权值生成每个波束，所述波束为固定波束，或是根据信道信息反馈的自适应形成波束。

本发明还提出一种多天线发射分集的装置，包括：空时编码模块、天线选择分组模块和分组波束形成模块，

所述空时编码模块用于设置多天线空时编码矩阵，对待发射数据进行空时编码；

所述天线选择分组模块连接至空时编码模块，用于根据空时编码模块设置编码矩阵将天线分组，得到的天线组数小于天线数；还用于从空时编码模块接收空时编码后得到的各路信号，并转发给分组波束形成模块；以及

所述分组波束形成模块连接至分组波束形成模块，用于根据得到的天线组分别对空时编码后得到的各路信号进行波束形成，发射所述信号；其中，每一天线组对应一波束。

进一步地，上述装置还可具有以下特点：

所述空时编码模块用于当所述天线数为N个时，设置N个天线的空时编码矩阵S^(N)为：

$S^{\left(N\right)}=\left[\begin{array}{cc}{S}_1^{\left(\frac{N}{2}\right)}& S_2^{\left(\frac{N}{2}\right)}\\ S_2^{\left(\frac{N}{2}\right)*}& -S_1^{\left(\frac{N}{2}\right)*}\end{array}\right],$

其中N为2的整数倍，和

为N/2个天线的空时编码矩阵，所述空时编码矩阵的行表示时刻，列表示天线；

所述空时编码矩阵具有以下特点：

在每一个时刻至少有一根天线上发射的数据为0。

进一步地，上述装置还可具有以下特点：

所述空时编码模块用于当所述天线数为8时，

取 $S^{\left(4\right)}=\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& 0& 0\\ 0& 0& x_3& x_4\\ -x_2^{*}& x_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& -x_4^{*}& x_3^{*}\end{array}\right],$

则设置8天线空时编码矩阵为：

$S^{\left(8\right)}=\left[\begin{array}{cccccccc}{x}_1& x_2& 0& 0& x_5& x_6& 0& 0\\ 0& 0& x_3& x_4& 0& 0& x_7& x_8\\ -x_2^{*}& x_1^{*}& 0& 0& -x_6^{*}& x_5^{*}& 0& 0\\ 0& 0& -x_4^{*}& x_3^{*}& 0& 0& -x_8^{*}& x_7^{*}\\ x_5^{*}& x_6^{*}& 0& 0& -x_1^{*}& -x_2^{*}& 0& 0\\ 0& 0& x_7^{*}& x_8^{*}& 0& 0& -x_3^{*}& -x_4^{*}\\ -x_6& x_5& 0& 0& x_2& -x_1& 0& 0\\ 0& 0& -x_8& x_7& 0& 0& x_4& {-x}_3\end{array}\right]$

其中，x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇和x₈为编码前的数据，矩阵的行表示时刻，列表示天线。

进一步地，上述装置还可具有以下特点：

天线选择分组模块用于设置每一天线组中天线数≥1，且将同一时刻对应天线发射数据为0的天线与对应天线发射数据不为0的天线构成一组。

进一步地，上述装置还可具有以下特点：

分组波束形成模块用于由基站预先设定的天线的权值生成每个波束；所述波束为固定波束，或是根据信道信息反馈的自适应形成波束。

通过本发明，在LTE-Advanced系统中多天线下行发射分集结合波束形成，将不同的符号数据对应不同的波束，结合天线选择进行波束形成，在不增加额外开销的同时，能够获得较好的分集增益及良好的覆盖。

附图说明

图1是本发明实施例的多天线发射分集方法的流程图；

图2是本发明实施例的多天线发射分集波束形成方法的示意图；

图3是本发明实施例的多天线发射分集装置的结构框图。

具体实施方式

本发明结合空时编码和天线选择分组及分组波束形成，设计多天线时LTE-Advanced系统的发射分集方法，即，在LTE-Advanced系统中多天线下行发射分集结合天线选择分组及分组波束形成，将不同的符号数据对应不同的天线组，进而进行分组波束形成，这样的分集方法比传统的多天线空时编码有3dB的性能增益。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是根据本发明实施例的多天线发射分集方法的流程图，该方法包括：

步骤S101，设置多天线空时编码矩阵，对待发射数据进行空时编码；

其中，多天线空时编码矩阵可以有多种选择，比如，设置天线数为N个时，N个天线的空时编码矩阵S^(N)为：

$S^{\left(N\right)}=\left[\begin{array}{cc}{S}_1^{\left(\frac{N}{2}\right)}& S_2^{\left(\frac{N}{2}\right)}\\ S_2^{\left(\frac{N}{2}\right)*}& -S_1^{\left(\frac{N}{2}\right)*}\end{array}\right],$

其中N为2的整数倍，

和

为N/2个天线的空时编码矩阵，所述矩阵的行表示时刻，列表示天线。

优选地，所述空时编码矩阵具有以下特点：

在每一个时刻至少有一根天线上发射的数据为0。

具体地，比如，天线数为8，8天线空时编码矩阵为：

$S^{\left(8\right)}=\left[\begin{array}{cc}{S}_1^{\left(4\right)}& S_2^{\left(4\right)}\\ S_2^{\left(4\right)*}& -S_1^{\left(4\right)*}\end{array}\right],$

令

则得到：

其中，x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇和x₈为编码前的数据，编码矩阵的行表示时刻，列表示天线，如1行1列的数据x₁对应时刻1时天线1上的数据。

步骤S102，根据所述编码矩阵将天线分组，得到的天线组数小于天线数；

以8天线为例，观察天线空时编码矩阵S⁽⁸⁾，在时刻1：天线1、天线2、天线5、天线6上对应有数据，而天线3、天线4、天线7、天线8上对应的数据为0；在其他时刻也是有些天线上对应有数据，有些天线上对应的数据为0的类似情况。因此，可以将天线1、天线3分成第1组天线，天线2、天线4分成第2组天线，天线5、天线7分成第3组天线，天线6、天线8分成第4组天线，当然，可以采用其他的分组方式，每一天线组中天线数≥1，且天线分组时，一般将该时刻对应天线发射数据为0的天线与该时刻对应天线发射数据不为0的天线构成一组。

步骤S103，根据得到的天线组分别对空时编码后得到的各路信号进行波束形成，发射所述信号发射；其中，每一天线组对应一波束，即不同的天线组形成不同的波束。

如图2所示，天线组1、天线组2、天线组3和天线组4分别对应波束1、波束2、波束3和波束4。其中，每个波束为由基站预先设定的天线的权值生成的波束，该波束可以是固定波束，也可以是根据信道信息反馈的自适应形成波束。

在时刻1：天线组1位于第1路通道上，对第1路数据x₁进行波束形成；天线组2位于第2路通道上，对第2路数据x₂进行波束形成；天线组3位于第5路通道上，对第5路数据x₅进行波束形成；天线组4位于第6路通道上，对第6路数据x₆进行波束形成。

在时刻2：天线组1切换到第3路通道上，对第3路数据x₃进行波束形成；天线组2切换到第4路通道上，对第4路数据x₄进行波束形成；天线组3切换到第7路通道上，对第7路数据x₇进行波束形成；天线组4切换到第8路通道上，对第8路数据x₈进行波束形成。

类似地，在时刻3和时刻4，时刻5和时刻6，时刻7和时刻8，对天线组1、天线组2、天线组3、天线组4分别对各时刻数据进行波束形成。

根据本发明的实施例，提供了一种多天线发射分集装置。图3是根据本发明实施例的天线分集装置的结构框图，如图3所示，该装置包括：空时编码模块、天线选择分组模块和分组波束形成模块，

其中，所述空时编码模块用于设置多天线空时编码矩阵，对待发射数据进行空时编码；

所述天线选择分组模块连接至空时编码模块，用于根据空时编码模块设置编码矩阵将天线分组，得到的天线组数小于天线数；还用于从空时编码模块接收空时编码后得到的各路信号，并转发给分组波束形成模块；以及

所述分组波束形成模块连接至分组波束形成模块，用于根据从天线选择分组模块得到的天线组分别对空时编码后得到的各路信号进行波束形成，发射所述信号发射；其中，每一天线组对应一波束。

优选地，所述空时编码模块用于当所述天线数为N个时，设置N个天线的空时编码矩阵S^(N)为：

$S^{\left(N\right)}=\left[\begin{array}{cc}{S}_1^{\left(\frac{N}{2}\right)}& S_2^{\left(\frac{N}{2}\right)}\\ S_2^{\left(\frac{N}{2}\right)*}& -S_1^{\left(\frac{N}{2}\right)*}\end{array}\right],$

其中N为2的整数倍，和

为N/2个天线的空时编码矩阵，所述矩阵的行表示时刻，列表示天线；

所述空时编码矩阵具有以下特点：

在每一个时刻至少有一根天线上发射的数据为0。

优选地，所述空时编码模块用于当所述天线数为8时，

取 $S^{\left(4\right)}=\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& 0& 0\\ 0& 0& x_3& x_4\\ -x_2^{*}& x_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& -x_4^{*}& x_3^{*}\end{array}\right],$

则设置8天线空时编码矩阵为：

$S^{\left(8\right)}=\left[\begin{array}{cccccccc}{x}_1& x_2& 0& 0& x_5& x_6& 0& 0\\ 0& 0& x_3& x_4& 0& 0& x_7& x_8\\ -x_2^{*}& x_1^{*}& 0& 0& -x_6^{*}& x_5^{*}& 0& 0\\ 0& 0& -x_4^{*}& x_3^{*}& 0& 0& -x_8^{*}& x_7^{*}\\ x_5^{*}& x_6^{*}& 0& 0& -x_1^{*}& -x_2^{*}& 0& 0\\ 0& 0& x_7^{*}& x_8^{*}& 0& 0& -x_3^{*}& -x_4^{*}\\ -x_6& x_5& 0& 0& x_2& -x_1& 0& 0\\ 0& 0& -x_8& x_7& 0& 0& x_4& {-x}_3\end{array}\right]$

其中，x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇和x₈为编码前的数据，矩阵的行表示时刻，列表示天线。

优选地，天线选择分组模块用于设置每一天线组中天线数≥1，且将同一时刻对应天线发射数据为0的天线与对应天线发射数据不为0的天线构成一组。

优选地，分组波束形成模块用于由基站预先设定的天线的权值生成每个波束；所述波束为固定波束，或是根据信道信息反馈的自适应形成波束。

本发明可以应用于LTE-Advanced系统的基站、终端等多种领域。在本发明中，提出了天线选择分组及分组波束形成和空时编码结合的多天线处理方法，通过理论分析和仿真验证都证明将分集输出信号分别送入波束形成阵列，与单一的空时分集相比可以获得3dB的增益，其中，优选的空时分集的编码矩阵为

其中x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇和x₈为编码前的数据，通过空时编码后，行对应相邻时刻，列对应不同的发射天线。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种多天线发射分集的方法，包括：

设置多天线空时编码矩阵，对待发射数据进行空时编码；

所述天线数为N个时，N个天线的空时编码矩阵S^(N)为：

$S^{\left(N\right)}=\left[\begin{array}{cc}{S}_1^{\left(\frac{N}{2}\right)}& S_2^{\left(\frac{N}{2}\right)}\\ S_2^{\left(\frac{N}{2}\right)*}& -S_1^{\left(\frac{N}{2}\right)*}\end{array}\right],$

其中N为2的整数倍，

和

为N/2个天线的空时编码矩阵，所述空时编码矩阵的行表示时刻，列表示天线；

所述空时编码矩阵具有以下特点：

在每一个时刻至少有一根天线上发射的数据为0；

根据所述编码矩阵将天线分组，在天线分组时，将同一时刻对应天线发射数据为0的天线与对应天线发射数据不为0的天线构成一组，得到的天线组数小于天线数，每一天线组中天线数≥1；以及

根据得到的天线组分别对空时编码后得到的各路信号进行波束形成，发射所述信号；其中，每一天线组对应一波束。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述天线数为8时，

取 $S^{\left(4\right)}=\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& 0& 0\\ 0& 0& x_3& x_4\\ -x_2^{*}& x_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& -x_4^{*}& x_3^{*}\end{array}\right],$

8天线空时编码矩阵为：

$S^{\left(8\right)}=\left[\begin{array}{cccccccc}{x}_1& x_2& 0& 0& x_5& x_6& 0& 0\\ 0& 0& x_3& x_4& 0& 0& x_7& x_8\\ -x_2^{*}& x_1^{*}& 0& 0& -x_6^{*}& x_5^{*}& 0& 0\\ 0& 0& -x_4^{*}& x_3^{*}& 0& 0& -x_8^{*}& x_7^{*}\\ x_5^{*}& x_6^{*}& 0& 0& -x_1^{*}& -x_2^{*}& 0& 0\\ 0& 0& x_7^{*}& x_8^{*}& 0& 0& -x_3^{*}& -x_4^{*}\\ -x_6& x_5& 0& 0& x_2& -x_1& 0& 0\\ 0& 0& -x_8& x_7& 0& 0& x_4& {-x}_3\end{array}\right]$

其中，x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇和x₈为编码前的数据，所述矩阵的行表示时刻，列表示天线。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

由基站预先设定的天线的权值生成每个波束，所述波束为固定波束，或是根据信道信息反馈的自适应形成波束。

4.一种多天线发射分集的装置，其特征在于，

包括：空时编码模块、天线选择分组模块和分组波束形成模块，

所述空时编码模块用于设置多天线空时编码矩阵，对待发射数据进行空时编码；所述空时编码模块用于当所述天线数为N个时，设置N个天线的空时编码矩阵S^(N)为：

$S^{\left(N\right)}=\left[\begin{array}{cc}{S}_1^{\left(\frac{N}{2}\right)}& S_2^{\left(\frac{N}{2}\right)}\\ S_2^{\left(\frac{N}{2}\right)*}& -S_1^{\left(\frac{N}{2}\right)*}\end{array}\right],$

其中N为2的整数倍，

和

为N/2个天线的空时编码矩阵，所述空时编码矩阵的行表示时刻，列表示天线；

所述空时编码矩阵具有以下特点：

在每一个时刻至少有一根天线上发射的数据为0；

所述天线选择分组模块连接至空时编码模块，用于根据空时编码模块设置编码矩阵将天线分组，得到的天线组数小于天线数，该天线选择分组模块用于设置每一天线组中天线数≥1，且将同一时刻对应天线发射数据为0的天线与对应天线发射数据不为0的天线构成一组；还用于从空时编码模块接收空时编码后得到的各路信号，并转发给分组波束形成模块；以及

所述分组波束形成模块连接至分组波束形成模块，用于根据得到的天线组分别对空时编码后得到的各路信号进行波束形成，发射所述信号；其中，每一天线组对应一波束。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述空时编码模块用于当所述天线数为8时，

取 $S^{\left(4\right)}=\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& 0& 0\\ 0& 0& x_3& x_4\\ -x_2^{*}& x_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& -x_4^{*}& x_3^{*}\end{array}\right],$

则设置8天线空时编码矩阵为：

$S^{\left(8\right)}=\left[\begin{array}{cccccccc}{x}_1& x_2& 0& 0& x_5& x_6& 0& 0\\ 0& 0& x_3& x_4& 0& 0& x_7& x_8\\ -x_2^{*}& x_1^{*}& 0& 0& -x_6^{*}& x_5^{*}& 0& 0\\ 0& 0& -x_4^{*}& x_3^{*}& 0& 0& -x_8^{*}& x_7^{*}\\ x_5^{*}& x_6^{*}& 0& 0& -x_1^{*}& -x_2^{*}& 0& 0\\ 0& 0& x_7^{*}& x_8^{*}& 0& 0& -x_3^{*}& -x_4^{*}\\ -x_6& x_5& 0& 0& x_2& -x_1& 0& 0\\ 0& 0& -x_8& x_7& 0& 0& x_4& {-x}_3\end{array}\right]$

其中，x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇和x₈为编码前的数据，矩阵的行表示时刻，列表示天线。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，

分组波束形成模块用于由基站预先设定的天线的权值生成每个波束；所述波束为固定波束，或是根据信道信息反馈的自适应形成波束。

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