CN102223170A - 码分多径信道的序贯多天线选择发送方法 - Google Patents

Abstract

码分多径信道的序贯多天线选择发送方法，用于TD-HSPA⁺系统的联合天线选择和波束赋形，将获得的上行信道参数用于代替下行实际无线多径信道参数，计算系统等效信道相关矩阵；采用序贯方式挑选发送天线参加数据传输，根据最大化等效信道相关阵第二特征值准则挑选发射天线；天线选择完毕后，计算所选择的天线的相关阵R_K，利用R_K的特征向量进行波束赋形，发送数据流。本发明符合系统性能主要由双流中发送信道质量最差那路数据决定的经验事实，并充分考虑了多径信道的共同影响因素，对系统性能有较大改善；另外，序贯天线选择方法简化了实际实现的复杂度，提高了方法的易实现性。

Description

码分多径信道的序贯多天线选择发送方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及多天线系统中传输预处理方案设计，属于时分扩频多天线系统中的传输预处理技术，为一种码分多径信道的序贯多天线选择发送方法。

背景技术

TD-HSPA⁺是3GPP引入关于TD-HSPA的进一步演进方案，它对物理层链路提出了在基站侧部署8发送天线、移动台采用1或2天线接收的多天线实施方案，并可对天线采用正交极化方式以减小天线尺寸并可使得天线之间的信道尽可能不相关；同时，TD-HSPA⁺增加了对64QAM高阶调制的支持，该增强技术的目的是为了进一步提高系统吞吐量，满足日益增长的移动通信业务量的需求。

TD-HSPA⁺采用码分多址接入CDMA调制方式，在码域上提供了自由度用来区分不同用户的数据流。在早期关于将多天线技术和CDMA结合起来的文献中，多天线技术被用来从空域上抑制其他用户对目标用户的干扰，特别对于上下行信道互异的频分双工FDD系统，在基站侧利用天线阵列估计不同用户信号的到达角，然后根据优化每个用户的接收信干噪比SINR并使得总的发送功率最小准则计算出每个用户的加权向量，从而提高系统的容量，但是它们并没有将多天线运用于空分复用来获得复用增益。众所周知，多输入多输出MIMO特征波束赋形可以用来同时获得复用和分集增益，即可以在获得一定分集增益的同时利用多天线提供的空间自由度来区分多个数据流。那么在CDMA系统中多个数据流可以使用相同的扩频码发送数据，即采取码重用技术进一步提高系统的吞吐量。由于TD-HSPA⁺系统上、下行信道的互易性，可以以较为简单的方式实现特征波束赋形。然而对多径信道如何计算信道相关阵却很难在之前的文献中找到较为合适的方法，本发明给出了一种综合考虑所有可分辨多径的信道相关阵的计算方法，在提高了系统的鲁棒性同时也可以获得多径分集增益。

当特征波束赋形运用到下行信道时，一方面，由于基站采用8天线端口增加了硬件处理的复杂度，需要考虑在满足一定性能要求条件下减少使用的天线端口数；另一方面，对信道矩阵的特征值分解计算复杂度为O(T³)，T为发送端相关矩阵维数。减少使用天线端口的个数可以降低特征值分解的矩阵维数，同时还需要降低遍历天线选择算法的计算复杂度。到目前为止针对多天线技术的天线选择算法有很多，其中多数是先求得系统的容量公式，根据最大化信道容量的准则运用矩阵理论相关知识提出最优天线选择算法或者降低复杂度的次优算法。但不同于以往天线选择方法所对应的系统，TD-HSPA+系统经历的是多径信道，很难计算出信道容量的闭式解，并通过简化容量公式给出理论意义上最优的天线选择方法，同时基于容量最大化的天线选择更具理论研究价值，而具体运用到实际中还会受到接收检测技术、信道编解码的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：对于TD-HSPA+系统，需要确定多径信道下信道相关阵，寻求能够使得天线选择之后的系统性能损失最小的天线选择方法，以及遵循选择方法的计算量较少的计算方法。

本发明的技术方案为：码分多径信道的序贯多天线选择发送方法，用于TD-HSPA+系统的联合天线选择和波束赋形，根据时分系统的上下行互易性原则，将获得的上行信道参数用于代替下行实际无线多径信道参数，计算系统等效信道相关矩阵

其中N为基站侧发送天线数，W为多径信道径数，H_l为上行多径信道参数；采用序贯方式挑选发送天线参加数据传输，未被选择的天线端口对应的加权因子置为0，不参加数据传输，序贯方式选择天线中，首次选择自相关能量最大的天线，后续选择中根据最大化等效信道相关阵第二特征值原则挑选需要增加的发射天线，直到选出所有需要的天线为止，所需天线数K为TD-HSPA+系统的初始设置；天线选择完毕后，计算所选择的K个天线的相关阵R_K，R_K是R_N的一个K阶主子阵且为埃尔米特矩阵，R_K为下行波束赋形向量，利用下行波束赋形向量R_K的特征向量进行波束赋形，发送数据流。

对双流数据的TD-HSPA⁺系统，设基站侧N个发送天线选K根天线，K＜N，移动台M个接收天线，H_l，l＝1…W为上行信道估计出的移动台M个发送天线，到基站N个接收天线的多径信道系数矩阵；维度是M*N，其中W是可分辨多径径数，其具体执行步骤如下：

1)在时分双工TDD无线通信系统中，基站通过对上行时隙信道估计得到移动台M个发送天线到基站N个接收天线上的多径信道参数，并依据上下行信道互易原则将上行多径信道参数H_l，l＝1…W作为从基站到移动台下行链路的多径信道参数；

2)将多径信道参数按照如下方式排列：

$H={\left(\begin{array}{cccc}{H}_1^T& H_2^T& ...& H_W^T\end{array}\right)}^T$

其中T表示转置，H为N列W*M行复数矩阵，每条信道路径的多天线信道矩阵是H整体的一个分块，且子块之间按照列方式构成整体信道矩阵H，它的维数为MW*N，计算基站发送天线之间的多径信道等效相关阵

其中R_N是N维埃尔米特矩阵，且对角线元素是基站每个发送天线到移动台M接收天线上信道的能量；

3)根据最大化等效信道相关阵第二特征值准则进行序贯选择，从N天线中选择出K根天线作为发送天线：

3.1)选择R_N对角线元素最大值所对应的天线作为第一个入选天线，也就是选择基站侧发送天线到移动台M个接收天线上信道的能量最大的那根天线；

3.2)确定第二根入选天线：从基站侧剩下的N-1根备选天线中，将每一根分别与已经入选的天线配对，计算配对后2个发送天线的相关阵R′₂，R′₂是R_N的一个二阶主子阵，对R′₂特征值分解得到 $R_2^{\′}=U_2{{\mathrm{\Σ}}_2}^{\′}{U}_2^H,$ ${\mathrm{\Σ}}_2^{\′}=\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}_1^{\′}& \\ & {\mathrm{\λ}}_2^{\′}\end{array}\right),{\mathrm{\λ}}_1^{\′}\≥{\mathrm{\λ}}_2^{\′},$ U₂为2维酉矩阵，这样R′₂的组合共有N-1种，N-1种R′₂中第二特征值λ′₂最大的那组配对所对应的天线即为第二根入选天线；

3.3)重复步骤3.2)中的方法，将剩余的待选天线分别与已经选定的2根天线一起配对，以满足3阶相关阵中第二特征值λ′₂最大化为准则，从剩余N-2个备选天线中选出第3个发送天线；循环重复直到从剩余的N-(K-1)个备选天线中挑选出第K个入选天线，完成序贯天线选择；

4)根据选择出的K个发送天线，计算它们的相关阵R_K，R_K是R_N的一个K阶主子阵且为埃尔米特矩阵，对R_K进行解特征值分解，设对应于最大的2个特征值的K*1维特征向量分别为v₁、v₂，设置u₁、u₂两个N*1维列向量，将v₁、v₂中的K个元素分别放在u₁、u₂中与K根已选天线对应的位置，u₁、u₂其它位置上填0，则u₁、u₂作为下行双流数据的N*1维特征波束赋形向量，发送下行双流数据。

为了减少使用天线端口的个数来降低特征值分解的矩阵维数，同时降低遍历天线选择算法的计算复杂度，本发明给出了一种序贯天线选择并结合特征波束赋性的方法，提出了最大化第二大信道相关阵特征值的天线选择方法，该方法符合系统性能主要由双流中发送信道质量最差那路数据决定的经验事实，并充分考虑了多径信道的共同影响因素，对系统性能有较大改善；另外，序贯天线选择方法简化了实际实现的复杂度，提高了方法的易实现性。

本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：

1)提出了发送端多径信道相关阵计算方法，即

综合考虑了所有可分辨多径，提供了更高的鲁棒性，对快变信道有较好的实用性，同时也获得了多径分集增益。

2)对于天线选择准则采用了最大化等效信道相关阵第二特征值准则，符合了一般系统性能主要由双流中发送信道质量最差那路数据决定的经验事实，优化信道质量差的子信道将天线选择后的性能损失降到最小。

3)天线选择减少了使用的天线端口，同时降低了计算波束赋形向量时特征值分解EVD矩阵的维数。

4)该发明与传统的天线选择方案相比，避免了计算复杂的多径信道容量公式，极大减少了选择方案的复杂度。另外，对于天线选择具体实施算法采用了序贯选择算法，相比于遍历算法极大减少了计算量。

附图说明

图1是采用本发明方法的TD-HSPA⁺通信系统框图，为8发2收的系统。

图2是本发明的序贯天线选择算法流程图。

图3给出了在不同天线选择准则下的性能比较曲线。

图4给出了在本发明的最大化等效信道相关阵第二特征值准则下遍历选择算法和本发明序贯选择算法的性能比较曲线。

图5给出了本发明的最大化等效信道相关阵第二特征值准则下基于序贯选择的N选K天线，当K为4、5时的天线选择与8天线全部用来发送双流数据的性能比较曲线。

具体实施方式

本发明适用于TD-HSPA⁺系统由于发送天线较多而显得富余时，需要天线选择来减少使用天线端口从而降低计算复杂度的情况。实际系统中不论是LTE还是TD-HSPA+目前来说都是针对双流的，之所以最多发送双数据流的原因是在现有的系统配置下和考虑到实际信道的局限性最多发送2流是可以实现的，再多的数据流对现实信道条件要求苛刻，权衡之下没有多大的实现价值。

针对双流数据并行扩频传输系统，在计算系统发送端等效信道相关矩阵时综合考虑无线多径衰落信道系数；根据本发明提出的相关阵计算方法以及最大化等效信道相关阵第二特征值准则，采用序贯选择方式挑选出最优化该准则的部分发送天线；最后针对已选天线采取特征波束赋形发送双流数据，未被选择的天线端口不传输数据。

即便在本发明给出的最大化等效信道相关阵第二特征值准则下，如果采用遍历天线算法虽然可以获得在该准则下的最优天线选择方案，但是遍历算法将意味着在N根发送天线中选K根需要付出次矩阵特征值分解的代价，这就使得天线选择方法在实际系统中失去应用的意义。因此，本发明不但解决了码分多径无线信道下的天线选择准则设计的问题，而且进一步解决了遍历天线选择机制过于复杂的问题。本发明给出了一种有效针对码分多径信道的低复杂度序贯多天线选择方法。

本发明码分多径信道的序贯多天线选择发送方法根据时分系统的上下行互易性原则，将获得的上行信道参数用于代替下行实际无线多径信道参数，计算系统等效信道相关矩阵

其中N为基站侧发送天线数，W为多径信道径数，H_l为上行多径信道参数；采用序贯方式挑选发送天线参加数据传输，未被选择的天线端口对应的加权因子置为0，不参加数据传输，序贯方式选择天线中，首次选择自相关能量最大的天线，后续选择中根据最大化等效信道相关阵第二特征值准则挑选需要增加的发射天线，直到选出所需要的天线数目为止；天线选择完毕后，计算所选择的K个天线的相关阵R_K，R_K是R_N的一个K阶主子阵且为埃尔米特矩阵，R_K为下行波束赋形向量，利用下行波束赋形向量R_K的特征向量进行波束赋形，发送多数据流。

图1是采用本发明方法的通信系统框图。发送信息比特首先经过添加循环冗余校验码CRC、码块分割、速率匹配、信道编码、加扰/交织，还要按照调制方案做星座重排，最后将处理好的比特映射到物理信道上，这里的物理信道对应于TD-HSPA⁺里的一个扩频码道；映射到多个物理信道上的比特流在星座调制之后扩频、加扰形成各自码道上的码片流，在将不同物理信道上的码片合并；最后对合并之后的和码片乘以特征波束赋形向量映射到多个发送天线上，波束赋形联合天线选择算法正是采用本发明的方法。各个天线上的数据流在过采样之后经发送滤波器发送出去，经过多径信道之后接收端运用联合检测技术检测接收双流数据，并对检测得到的符号值软解调、解码后经过CRC校验判断是否误帧，计算误帧率。

本发明是针对时分-高速分组接入系统的一种联合特征波束赋形的序贯天线选择发送方法，在实际应用中的实施步骤包括：1)根据时分系统的上下行互易性原则，将获得的上行信道参数用于代替下行实际无线多径信道参数；2)序贯天线选择；3)计算天线选择后的下行波束赋形向量；4)采用计算的特征波束赋形向量加权后，发送下行双流数据；5)接收端检测出双流数据。其具体实施步骤如下：

对双流数据的TD-HSPA⁺系统，设基站侧N个发送天线选K根天线，K＜N，移动台M个接收天线，H_l，l＝1…W为上行信道估计出的移动台M个发送天线，到基站N个接收天线的多径信道系数矩阵；维度是M*N，其中W是可分辨多径径数，其具体执行步骤如图2所示，是本发明的TD-HSPA⁺系统N发M收按照最大化等效信道相关阵第二特征值准则选K根天线的序贯天线选择算法流程图：

S1：基站通过对上行时隙信道估计得到移动台M个发送天线到基站N接收天线上的多径信道系数，并依据上下行信道互易原则将上行多径信道参数H_l，l＝1…W作为从基站到移动台下行链路的多径信道系数。

S2：计算基站发送天线之间的多径信道等效相关阵

其对角线元素是基站每个发送天线到移动台M接收天线上信道的能量。

S3：选择R_N对角线元素最大的作为第一根入选天线，即选择基站侧发送天线到移动台M接收天线上信道的能量最大的那根天线。令已经选择的天线数记为i，此时i＝1。

S4：现在从剩下的N-i根备选天线中每次选择一根与已经入选的i根天线配对，计算配对后i+1根发送天线的相关阵R′_i+1，计算方法同S02计算R_N的方法一致。R′_i+1是R_N的一个i+1阶主子阵，对R′_i+1特征值分解得到

U_i+1为i+1维酉矩阵。这样R′_i+1共有N-i种。此时第i+1根入选天线就是使N-i种不同i+1阶相关阵中特征值λ′₂最大的那组配对中新增加的天线。

S5：令i＝i+1，并判断i是否小于K若满足条件则转至S04，否则若i＝K，则说明N选K天线已经完成，执行S06。在重复S04时，剩余待选的天线是和之前已经选定的所有天线配对，就是说每选一次已选天线组之中就增加一根天线。例如，在已有2根天线的情况下，剩余选第三根天线的时候是将6根天线中每次选一根和这两根已选天线配对，计算3阶相关阵的特征值，从而根据最大化这3阶相关阵的第二特征值准则从6根天线中选出一根加入到已选天线组。

S6：根据选择出的K发送天线计算它们的相关阵R_K，R_K是S02中R_N的一个K阶主子阵且为埃尔米特矩阵。对R_K进行解特征值分解，定义对应于最大的2个特征值的K*1维特征向量分别为v₁、v₂，设置u₁、u₂两个N*1维列向量，将v₁、v₂中的K个元素分别放在u₁、u₂中与K根已选天线对应的位置，u₁、u₂其它位置上填0，这样u₁、u₂就作为下行双流数据的N*1维特征波束赋形向量，发送下行双流数据。

现有的波束赋形多数是假设平坦衰落信道，例如LTE系统引入OFDM技术后将多径信道转化为单径信道。对于多径信道的波束赋形，现有技术只是针对单流的CDMA系统，采用RAKE接收机条件下做了经典的波束赋形算法。经典的波束赋形算法特点是只针对单流，通过调整基站侧天线权值来控制发送/接收波束对准目标用户来波方向，从而达到最大化该用户接收信号信干噪比的目的。而本发明则是特征波束赋形，可以针对多流数据，例如本发明实施例中的双流数据。

移动台通过用户专用导频获得联合波束赋形和多径信道的等价信道传输系数，然后通过接收端迫零检测算法检测出双流数据。

图3给出了在不同天线选择准则下8选4天线的性能比较，从图中可以看出在高信噪比条件下本发明给出的准则性能最好。序贯选择出的K发送天线相关阵R_K是R_N的一个K阶主子阵，也是埃尔米特矩阵。对R_K特征值分解得R_K＝V∑V^H，其中

且λ₁≥λ₂≥…≥λ_K

将本发明提出的天线选择准则max〔min〔λ₁，λ₂〕〕简记为maxmin，参与比较的4种准则为：对比准则1：固定使用N天线的前K根天线；对比准则2：最大化所有K个特征值之和，即

对比准则3：最大化最大的两个特征值之和，即max〔λ₁+λ₂〕；对比准则4：最大化最大的特征值，即max〔λ₁〕。为了消除序贯算法和遍历的影响，对包括本发明在内5种准则采取遍历天线选择；

图4给出了在最大化等效信道相关阵第二特征值准则下遍历选择算法和本发明提出的序贯选择算法的性能比较，序贯天线选择算法在极大减少选择计算量的同时仅仅损失了少许的性能。

图5给出了基于本发明提出的序贯选择算法的8选4、8选5天线选择与8天线全部用来发送双流数据的性能比较，尽管性能上有损失但是天线选择不仅降低了计算量同时还减少了天线使用的个数，减轻硬件实现的负担，并且性能损失在系统工作可以接受的范围之内，如果进一步增加选择的天线个数可以更加逼近8天线都用时的性能曲线，可以根据实际系统工作环境和复杂度在性能和复杂度上选取一个折中，具有很好的实际应用价值。

本发明实施例中，图3、4、5所示性能曲线的具体仿真参数设置见表1、表2。

表1SCM信道仿真参数

小区场景	市区微小区
		多径信道径数	6
天线间距	10λ(λ为电磁波波长)
		是否极化	是
发送天线数	8
		接收天线数	2
移动台速度	3Km/h

表2HS-DSCH仿真参数

发送数据流	双流
		HS-DSCH时隙个数	2
HARQ	无
		信道编码码块数	1
码率	8
		扩频码道数(扩频因子)	10(16)
调制方式	16QAM
		接收端检测技术	ZF_BLE
信道估计	理想信道估计
		波束赋形向量延迟使用间隔	一个子帧(5ms)

本发明给出了多径信道发送端相关阵计算方法，即综合考虑了所有可分辨多径，在获得了多径分集增益的同时提供较好的鲁棒性，对快变信道有较好的实用性；其次，对于天线选择准则采用了最大化等效信道相关阵第二特征值准则，符合了一般系统性能主要由双流中发送信道质量最差那路数据决定的经验事实，优化信道质量差的子信道将将天线选择后的性能损失降到最小。最后，针对天线选择方法提出了相比遍历算法计算量极大减少的序贯选择算法，节约了计算量，降低了实现复杂度。尤其在天线选择方法上，本发明体现出了非常明显的优势，避免了计算出多径信道容量的闭式解，并通过化简容量公式给出理论意义上最优的天线选择算法，同时由于特征值分解EVD复杂度是矩阵维数的三次方，天线选择用K维矩阵的特征值分解EVD代替了对N维矩阵的特征值分解分解EVD，进一步减少了计算量。

Claims (2)

1.码分多径信道的序贯多天线选择发送方法，其特征是用于TD-HSPA⁺系统的联合天线选择和波束赋形，根据时分系统的上下行互易性原则，将获得的上行信道参数用于代替下行实际无线多径信道参数，计算系统等效信道相关矩阵

其中N为基站侧发送天线数，W为多径信道径数，H_l为上行多径信道参数；采用序贯方式挑选发送天线参加数据传输，未被选择的天线端口对应的加权因子置为0，不参加数据传输，序贯方式选择天线中，首次选择自相关能量最大的天线，后续选择中根据最大化等效信道相关阵第二特征值原则挑选需要增加的发射天线，直到选出所有需要的天线为止，所需天线数K为TD-HSPA⁺系统的初始设置；天线选择完毕后，计算所选择的K个天线的相关阵R_K，R_K是R_N的一个K阶主子阵且为埃尔米特矩阵，R_K为下行波束赋形向量，利用下行波束赋形向量R_K的特征向量进行波束赋形，发送数据流。

2.根据权利要求1所述的码分多径信道的序贯多天线选择发送方法，其特征是对双流数据的TD-HSPA⁺系统，设基站侧N个发送天线选K根天线，K＜N，移动台M个接收天线，H_l，l＝1…W为上行信道估计出的移动台M个发送天线，到基站N个接收天线的多径信道系数矩阵；维度是M*N，其中W是可分辨多径径数，其具体执行步骤如下：

1)在时分双工TDD无线通信系统中，基站通过对上行时隙信道估计得到移动台M个发送天线到基站N个接收天线上的多径信道参数，并依据上下行信道互易原则将上行多径信道参数H_l，l＝1…W作为从基站到移动台下行链路的多径信道参数；

2)将多径信道参数按照如下方式排列：

$H={\left(\begin{array}{cccc}{H}_1^T& H_2^T& ...& H_W^T\end{array}\right)}^T$

其中T表示转置，H为N列W*M行复数矩阵，每条信道路径的多天线信道矩阵是H整体的一个分块，且子块之间按照列方式构成整体信道矩阵H，它的维数为MW*N，计算基站发送天线之间的多径信道等效相关阵

其中R_N是N维埃尔米特矩阵，且对角线元素是基站每个发送天线到移动台M接收天线上信道的能量；

3)根据最大化等效信道相关阵第二特征值准则进行序贯选择，从N天线中选择出K根天线作为发送天线：

3.1)选择R_N对角线元素最大值所对应的天线作为第一个入选天线，也就是选择基站侧发送天线到移动台M个接收天线上信道的能量最大的那根天线；

3.2)确定第二根入选天线：从基站侧剩下的N-1根备选天线中，将每一根分别与已经入选的天线配对，计算配对后2个发送天线的相关阵R′₂，R′₂是R_N的一个二阶主子阵，对R′₂特征值分解得到 $R_2^{\′}=U_2{{\mathrm{\Σ}}_2}^{\′}{U}_2^H,$ ${\mathrm{\Σ}}_2^{\′}=\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}_1^{\′}& \\ & {\mathrm{\λ}}_2^{\′}\end{array}\right),{\mathrm{\λ}}_1^{\′}\≥{\mathrm{\λ}}_2^{\′},$ U₂为2维酉矩阵，这样R′₂的组合共有N-1种，N-1种R′₂中第二特征值λ′₂最大的那组配对所对应的天线即为第二根入选天线；

3.3)重复步骤3.2)中的方法，将剩余的待选天线分别与已经选定的2根天线一起配对，以满足3阶相关阵中第二特征值λ′₂最大化为准则，从剩余N-2个备选天线中选出第3个发送天线；循环重复直到从剩余的N-(K-1)个备选天线中挑选出第K个入选天线，完成序贯天线选择；

4)根据选择出的K个发送天线，计算它们的相关阵R_K，R_K是R_N的一个K阶主子阵且为埃尔米特矩阵，对R_K进行解特征值分解，设对应于最大的2个特征值的K*1维特征向量分别为v₁、v₂，设置u₁、u₂两个N*1维列向量，将v₁、v₂中的K个元素分别放在u₁、u₂中与K根已选天线对应的位置，u₁、u₂其它位置上填0，则u₁、u₂作为下行双流数据的N*1维特征波束赋形向量，发送下行双流数据。

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