CN101997588B - 一种多天线系统中信号发送的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种多天线系统中信号发送的方法及装置，其中方法包括：对每一组公共信道符号进行Alamouti编码形成两个分路；对不同的分路，选择不同的权向量进行波束赋型，得到每一分路在每个天线上的发射信号，不同的权向量对应的波束模式不相关，并且在角度维度上的峰值平均功率比低于预设阈值；将两个分路在每个天线上的发射信号叠加并发送。本发明实施例提供Alamouti编码的引入，利用两路虚拟信道的独立性，产生空间分集增益，增强了多天线系统公共信道全面覆盖的性能。

Description

一种多天线系统中信号发送的方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及通讯领域，尤其涉及一种多天线系统中信号发送的方法及装置。

背景技术

二十世纪九十年代以来，无线通信产业经历了爆炸式增长，随着语音、数据、视频等业务开始逐步移动化，对无线通信系统带宽的需求越来越高。但是，可用的频带资源日益紧张，因此，如何提高频谱利用率成为无线通信研究的一个关键问题。

能有效提高频谱利用率的技术包括：多址接入、信号检测、调制和信道编码等等，其中，潜力巨大的多天线系统(MAS，Multiple Antennas System)在无线通信中的地位日益重要。

智能天线(SA，Smart Antennas)，又称为天线阵列系统(AAS，Antenna ArraySystem)，是多天线系统的一种，智能天线的阵元间距一般小于信道的相关距离。利用天线阵元间的信号相关性，可以实现波束赋型，自适应地把高增益的窄波束指向通信中的移动终端，同时调整零陷对准干扰方向。

图1是一个典型的智能天线系统结构。窄带信号的智能天线阵列包含M＞1个天线阵元，m是M个天线阵元中的一个阵元，M个接收天线对应M个接收通道，M个发射通道对应M个发射天线。

对于一个特定的用户，到达方向估计模块(DOA估计)根据M个天线阵元上的接收信号估计出该特定用户的到达方向信息。自适应波束赋形权系数发生器，根据该特定用户的到达方向信息调整权向量(自适应波束赋形权系数发生器)，为每个发射通道产生一个加权系数，各通道的权系数调节器用自身通道的加权系数调节(做乘法)专用信道信号s(t)，M个天线阵元的加权系数w1，w2...wM构成一个权向量w，从而对该特定用户形成一个指向波束，并且自适应地跟踪用户的移动。图中*为共轭符号。

多输入多输出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)是多天线系统的另一种形式，Foschini从理论上证明了该技术提高频谱利用率的巨大潜力，其信道容量随着天线的数量线性增长(正比于收发端最小天线数)。MIMO技术也可以看成是一种智能天线，其主要区别在于天线阵元间距不同，MIMO系统天线间一般应保持不相关性。

蜂窝移动通信系统中，基站为蜂窝小区/扇区中的每个活动用户分配专用信道(Dedicated Channel)来承载语音、数据或视频业务。基于多天线的基站，可以在专用信道上应用波束赋型或预编码等技术手段，为特定用户发射信号，并且降低对其他用户的干扰。

在实际的移动通信系统中，蜂窝小区/扇区中除了专用信道外，还需要公共信道(Public Channel)；公共信道承载小区/扇区中所有移动终端都需要的公共信息，如广播信道中的系统信息，同步信道中的参考信号，前向接入信道(FACH，Forward Access Channel)中的导频、寻呼和公共控制消息等等。公共信道对基站系统覆盖的要求与专用信道有很大的差异，需要小区/扇区中所有的移动终端都能同时接收到信号，所以基站对整个小区/扇区需要有良好的全小区/扇区覆盖。

现有技术中，有一种天线阵列全小区/扇区覆盖的解决方案，该方案将公共信道信号的发射时间划分成时隙，选择一组方向图互补的权向量，在连续的时隙中交替使用互补的权向量，从而实现了基于智能天线的全小区/扇区覆盖。

上述的技术中，虽然交替使用了多个互补的权向量，但是由于权向量的数量有限，且每个权向量对应的方向图是固定的，因此多个方向图的天线增益平均值在不同方向并不是完全相等，而只具有近似的等向性，从而导致各方向误比特率(BER，Bit Error Rate)性能差异比较大，公共信道全面覆盖的性能有待提升。

发明内容

本发明实施例提供一种在多天线系统中信号发送的方法及装置，能够实现多天线系统中公共信道的全面覆盖。

本发明实施例提供一种在多天线系统中信号发送的方法，包括：

对每一组公共信道符号进行Alamouti编码形成两个分路；对不同的分路，选择不同的权向量进行波束赋型，得到每一分路在每个天线上的发射信号，不同的权向量对应的波束模式不相关，并且在角度维度上的峰值平均功率比低于预设阈值；将两个分路在每个天线上的发射信号叠加并发送。

相应地，本发明实施例还提供一种多天线系统中信号发送的装置，包括：

编码模块，用于对每一组公共信道符号进行Alamouti编码形成两个分路；

权向量获取模块，用于对不同的分路，选择不同的权向量，其中，不同权向量对应的波束模式不相关，并且在角度维度上的峰值平均功率比低于预设阈值；

波束赋型模块，用于对不同的分路，根据选择的权向量进行波束赋型，得到每一分路在每个天线上的发射信号；

发送模块，用于将两个分路在每个天线上的发射信号叠加并发送。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例通过在发射端引入Alamouti编码，利用多天线系统产出两个虚拟的独立信道，利用两路虚拟信道的独立性，产生空间分集增益，进行波束赋型，实现各方向接收到信号质量一致，增强了多天线系统公共信道全面覆盖的性能。

附图说明

图1为现有技术中智能天线波束成型示意图；

图2为本发明实现公共信道覆盖的方法实施例流程图；

图3为本发明实现公共信道覆盖的装置实施例结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种信号发送的方法及装置，能够增强全小区/扇区中公共信道全面覆盖的性能。

本发明实施例中的信号发送方法包括：

1)对每一组公共信道符号进行Alamouti编码形成两个分路；

本实施例中，多天线发送公共信道信号，首先将公共信道的符号每两个分成一组，对每个组进行Alamouti编码形成两个分路。

2)对不同的分路，选择不同的权向量；

当进行Alamouti编码后，对两个分路选择不同的权向量进行波束赋形，得到每一分路在每个天线上的发射信号。每个权向量的维数与发射天线数相等，且这两个不同的权向量对应不相关的波束模式，两个波束模式在角度维度上的峰值平均功率比低于预设阈值。

3)将波束赋型后的两个分路符号叠加并发送。

将两个分路在每个天线上的发射信号进行叠加，并发送出去。

在本实施例当中，两个不同的权向量可以认为是两个虚拟天线。由于这两个虚拟天线在同一方向上的增益一般不同，所以可以认为是不相关的。本实施例通过在发射端引入Alamouti编码，利用多天线系统产出两个虚拟天线，利用两路虚拟天线的不相关性，获得空间分集增益，在实现各接收方向信号质量一致的基础上，增强了多天线系统公共信道全面覆盖的性能。

为便于理解，下面结合附图对本发明实施例中的多天线实现公共信道覆盖的方法进行详细描述，请参阅图2，本发明实施例中多天线实现公共信道覆盖的方法包括：

201、对公共信道符号进行划分；

本实施例中，当公共信号中有信号需要传输时，可以将公共信道符号两两分组，一组可以表示为s＝[s₁，s₂]^T。这里的公共信道符号可以为经过信道编码、交织和星座映射的广播/多播比特。

202、进行Alamouti编码；

Alamouti编码具体为对输入的每组符号s＝[s₁，s₂]^T，进行如下变换：

$s={[s_1,s_2]}^T\→S=\left[\begin{array}{cc}{s}_1& -s_2^{*}\\ s_2& s_1^{*}\end{array}\right]---\left(1\right)$

(.)^*表示取共轭。矩阵S的每一行对应空间域中的一个天线阵元，每一列对应于时-频域上的一个发射时间-频率资源块。本实施例中，第一行[s₁-s₂ ^*]对应第一空间分路，空间分路也就是虚拟天线；同样，第二行[s₂ s₁ ^*]对应第二空间分路。即对于发射符号s，在第一时间-频率资源块上发射s₁和s₂，在第二时间-频率资源块上发射-s₂ ^*和s₁ ^*，每个天线的信道响应在这两个时间-频率资源块的值是高度相关的，并假设为相同。由于一个Alamouti编码块在每一个时间-频率块上只有两个符号，所以每个时间-频率资源块上可以同时传输多个Alamouti编码块，传输的Alamouti编码块的个数取决于时间-频率资源块的大小。

203、获取基权向量；

本实施例中，首先设计一个基权向量w＝[w₁ w₂...w_M]^T，该基权向量由M个加权系数构成，加权系数记为w_m，m＝1，...，M，M个加权系数对应M个发射通道，即对应M个天线，M是大于1的正整数。

这里x^T表示x的转置，例如矩阵[w₁ w₂...w_M]^T表示矩阵[w₁ w₂...w_M]的转置。

该基权向量波束赋型所产生波束的覆盖角度应当达到预置门限，波束平坦度应达到预置门限，并且在角度维度上的峰值平均功率比低于预设阈值，也就是说该波束应具有覆盖角度宽、波束平坦，峰均比低的特征。角度维度上的峰值平均功率比即角度维度上的功率的最大值除以角度维度上的功率平均值。

为降低成本，避免使用高功率放大器，使得每个功率放大器都被高效利用，可要求每个天线的发射功率相等，即对应基权向量中的每个权系数的模相等，|w₁|＝|w₂|＝...＝|w_M|。

204、获取权向量；

对于空间分路一，选择位于0到2π之间的相位值φ₁，根据基权向量w，依照公式(2)求出分路一上的权向量

$w_1=\mathrm{diag}\left[\begin{array}{ccccc}1& e^{{\mathrm{j\φ}}_1}& e^{j{2\mathrm{\φ}}_1}& \·\·\·& e^{j(M-1){\mathrm{\φ}}_1}\end{array}\right]\·w---\left(2\right)$

对于空间分路二，选择位于0到2π之间的相位值φ₂，φ₂≠φ₁，根据基权向量w，依照公式(3)求出分路二上的权向量

$w_2=\mathrm{diag}\left[\begin{array}{ccccc}1& e^{{\mathrm{j\φ}}_2}& e^{j{2\mathrm{\φ}}_2}& \·\·\·& e^{j(M-1){\mathrm{\φ}}_2}\end{array}\right]\·w---\left(3\right)$

更一般地，两个分路的权向量可以由公式(4)表示，其中t表示分路序号，

w(t)＝diag[1 e^jφ(t)  e^j2φ(t) ... e^j(M-1)φ(t)]w    (4)

可以理解的是，在实际应用中，还可以采用更多的方式使用相位对基权向量进行变换得到权向量，具体方式此处不作限定。

205、对每一分路进行波束赋型，得到此分路在每个天线上的发射信号；

两个分路对应的权向量产生的波束需要方向上互补，例如对于线性阵列，其产生不相关的的波束可以分别表示为：

$g_1={w_1}^H\mathrm{\α}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{w}_m^{*}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(m-1)d\sin \mathrm{\θ}-j(m-1){\mathrm{\φ}}_1}---\left(5\right)$

$g_2={w_2}^H\mathrm{\α}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{w}_m^{*}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(m-1)d\sin \mathrm{\θ}-j(m-1){\mathrm{\φ}}_2}---\left(6\right)$

其中，α(θ)表示天线阵列的方向矢量，该矢量是M维的列向量，θ表示信号与天线阵列的方向角，并且在角度维度上的峰值平均功率比低于预设阈值；M表示天线的个数，w_m表示第m个天线上的权系数，w_m ^*表示w_m(t)的共轭，d表示阵元的间距， $j=\sqrt{-1}.$

206、对两个分路波束赋型后的信号进行叠加并发送。

将两个分路在每个天线上的发射信号对应相加，得到每个天线上的发射信号。

设赋型模型1和2选取的相位值分别为φ₁和φ₂，Alamouti空时编码后的数据为 $s=\left[\begin{array}{cc}{s}_1& -s_2^{*}\\ s_2& s_1^{*}\end{array}\right].$ 此时，由基权向量得到的两个权向量分别为

$\left\{\begin{array}{c}{w}_1=\mathrm{diag}\left[\begin{array}{ccccc}1& e^{{\mathrm{j\φ}}_1}& e^{j{2\mathrm{\φ}}_1}& \·\·\·& e^{j(M-1){\mathrm{\φ}}_1}\end{array}\right]w\\ w_2=\mathrm{diag}\left[\begin{array}{ccccc}1& e^{j{\mathrm{\φ}}_2}& e^{{j2\mathrm{\φ}}_2}& \·\·\·& e^{j(M-1){\mathrm{\φ}}_2}\end{array}\right]w\end{array}\right.---\left(7\right)$

对于编码块中的每一时间-频率资源块的两个符号，如[s₁，s₂]^T，将其两个分量分别与两个包含M个元素的权向量相乘，得到两个M维的向量，将这两个向量相加形成一个M维的向量，送到M个发射天线上，相加形成的M维向量的每一个元素对应多天线系统的一根天线，即

$s^{\′}=s_1{w}_1+s_2{w}_2=\mathrm{diag}\left[\begin{array}{cccc}(s_1+s_2)& s_1{e}^{j{\mathrm{\φ}}_1}+s_2{e}^{j{\mathrm{\φ}}_2}& ...& s_1{e}^{j(M-1){\mathrm{\φ}}_1}+s_2{e}^{j(M-1){\mathrm{\φ}}_2}\end{array}\right]w---\left(8\right)$

后续每个天线上的发射信号可以经过OFDM调制后发射出去。

一个Alamouti编码涉及两个时间-频率块，在这两个时间-频率块上，对于每一分路采用相同的加权系数。也就是说，两个虚拟天线在这两个时间-频率块上的赋型模式(也称为波束形状)保持不变。为了表述方便，我们假设这两个时间-频率块构成一帧，分别传输Alamouti空时频编码在时间-频率维度上的两个编码输出符号，组帧后的同一帧内采用同一组权向量，这里同一组包含两个不同的权向量φ₁和φ₂。这里的帧是一种广义的帧，将传统意义的时间帧扩展到时间-频率维度。将连续的发射符号进行组帧，如果有更多的帧，可以由当前的相位及帧间递增相位值得到下一帧的相位，具体为：

φ_p(k)＝φ_p+k·δ，p＝1，2    (9)

这里的下一帧与当前帧在时间-频率上相邻。其中，k表示发射信号的帧数，p表示两个不同的赋型模式，δ是选定的帧间递增相位值。对应起始帧，第1帧中的两个互补变换相位为φ_p(1)＝φ_p+δ，p＝1，2。

对于接收端，

公式(8)得到的发射向量s′经过无线信道后，接收信号可以表示为

r₁＝(g₁s₁+g₂s₂)h+n₁

                                               (10)

$r_2=(g_2{s}_1^{*}-g_1{s}_2^{*})h+n_2$

其中，n₁，n₂表示零均值、方差为δ²的高斯噪声值。

信道衰落和波束赋型的值叠加，由于g_n，n＝1，2相互独立，所以可以产生两路虚拟的独立信道，表示为h＝[h₁，h₂]^T＝[g₁h，g₂h]^T。定义接收信号向量为r＝[r₁，r₂ ^*]^T，噪声向量为n＝[n₁，n₂ ^*]^T，上式可以表示成如下矩阵形式：

r＝Hs+n    (11)

其中，信道响应矩阵定义为：

$H=\left[\begin{array}{cc}{h}_1& h_2\\ h_2^{*}& -h_1^{*}\end{array}\right]---\left(12\right)$

对接收信号进行最小均方误差MMSE解调，可以获得Alamouti编码的空间分集增益。解调公式如下：

s_mmse＝(H^HH+δ²I)^-1H^Hr    (13)

本发明实施例通过在发射端引入Alamouti编码，利用多天线系统产出两个不相关的虚拟天线，产生空间分集增益，增强了多天线系统公共信道全面覆盖的性能。

下面对本发明实施例中多天线系统中信号发送的装置进行介绍，具体在实际应用中，该装置可以位于发射端如基站中，请参阅图3，本发明实施例中的多天线实现公共信道覆盖的装置一个实施例包括：

编码模块301，用于对每一组公共信道符号进行Alamouti编码形成两个分路；

这里公共信道符号可以为公共信道中传输的数据符号，如s＝[s₁，s₂]^T。

权向量获取模块302，用于对不同的分路，选择不同的权向量，其中，不同权向量对应的波束模式不相关，并且在角度维度上的峰值平均功率比低于预设阈值；

波束赋型模块303，用于对不同的分路，根据选择的权向量进行波束赋型，得到每一分路在每个天线上的发射信号；

发送模块304，用于将两个分路在每个天线上的发射信号叠加并发送。

该装置实施例与上面的方法实施例完全对应，其中，权向量获取模块302，用于对每一分路，选择相位φ(t)，由基权向量w，通过如下公式得到权向量：

w(t)＝diag[1  e^jφ(t)  e^j2φ(t) ... e^j(M-1)φ(t)]w

其中，t表示分路序号，M表示发射天线数目，diag[.]表示由括号中的元素构成对角阵，基权向量w各个分量的模相等且在角度维度上的峰值平均功率比低于预设阈值。

该装置引入Alamouti编码，利用多天线系统产出两个虚拟的独立信道，利用两路虚拟信道的独立性，产生空间分集增益，增强了多天线系统公共信道全面覆盖的性能。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，所述存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例所提供的一种多天线实现公共信道覆盖的方法及装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种多天线系统中信号发送方法，其特征在于，包括： 

对每一组公共信道符号进行Alamouti编码形成两个分路； 

对不同的分路，选择不同的权向量进行波束赋型，得到每一分路在每个天线上的发射信号，不同权向量对应的波束模式不相关，并且在角度维度上的峰值平均功率比低于预设阈值； 

将两个分路在每个天线上的发射信号叠加并发送； 

所述对不同的分路，选择不同的权向量，包括： 

对每一分路，选择相位φ(t)，由基权向量w，通过如下公式得到权向量W(t)： 

w(t)＝diag[1e^jφ(t)e^j2φ(t)…e^j(M-t)φ(t)]w 

其中，t为分路序号，M表示发射天线数目，diag[.]表示由括号中的元素构成对角阵；所述基权向量w对应的波束模式在角度维度上的峰值平均功率比低于预设阈值。 

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基权向量的各个分量的模相等。 

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将两个分路在每个天线上的发射信号叠加后，进一步包括： 

将连续的公共信道符号进行组帧，每一帧包含两个时间-频率块，分别传输Alamouti编码在时间-频率维度上的两个编码输出符号。 

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述每一帧采用同一组权向量进行波束赋型，所述同一组包含两个不同的权向量。 

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由当前帧的相位及帧间递增相位值得到下一帧的相位，所述下一帧与当前帧在时间-频率上相邻。 

6.一种多天线系统中信号发送装置，其特征在于，包括： 

编码模块，用于对每一组公共信道符号进行Alamouti编码形成两个分路； 

权向量获取模块，用于对不同的分路，选择不同的权向量，其中，不同权 向量对应的波束模式不相关，并且在角度维度上的峰值平均功率比低于预设阈值； 

波束赋型模块，用于对不同的分路，根据选择的权向量进行波束赋型，得到每一分路在每个天线上的发射信号； 

发送模块，用于将两个分路在每个天线上的发射信号叠加并发送； 

所述权向量获取模块，用于对每一分路，选择相位φ(t)，由基权向量W，通过如下公式得到权向量： 

w(t)＝diag[1e^jφ(t)e^j2φ(t)…e^j(M-1)φ(t)]w 

其中，t为分路序号，M表示发射天线数目，diag[·]表示由括号中的元素构成对角阵，所述基权向量w对应的波束模式在角度维度上的峰值平均功率比低于预设阈值。 

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述基权向量的各个分量的模相等。 

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