CN111200483A - 一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法 - Google Patents

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CN111200483A CN201911417582.2A CN201911417582A CN111200483A CN 111200483 A CN111200483 A CN 111200483A CN 201911417582 A CN201911417582 A CN 201911417582A CN 111200483 A CN111200483 A CN 111200483A
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周斌
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Abstract

本发明公开了一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法，包括步骤：S1，选择多天线发射分集的编码矩阵；S2，分析编码矩阵中码字的正交性；S3，设计适用于准正交编码矩阵的发射天线结构；S4，计算发射天线阵面之间的隔离度；S5，基于发射天线阵面隔离度的码字优化分配；S6，适用于准正交编码矩阵的最优化传输等。本发明应用于多天线传输系统中，实现通过多天线码字协同优化分配，对信号进行全速率满分集传输，以达到在多天线传输系统中，实现了传输系统的满分集增益以及全速率发射，显著降低了计算量，解决了非正交码字在多天线发射分集传输中的不良影响，可以有效改善串扰情况。

Description

一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法
技术领域
本发明涉及多天线通信技术领域，更为具体地，涉及一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法。
背景技术
在多天线传输系统领域中，存在非正交码字会产生严重串扰的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法，应用于多天线传输系统中，实现通过多天线码字协同优化分配，对信号进行全速率满分集传输，以达到在多天线传输系统中，实现了传输系统的满分集增益以及全速率发射，显著降低了计算量，解决了非正交码字在多天线发射分集传输中的不良影响，可以有效改善串扰情况。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法，包括：
S1，选择多天线发射分集的编码矩阵；
S2，分析编码矩阵中码字的正交性；
S3，设计适用于准正交编码矩阵的发射天线结构；
S4，计算发射天线阵面之间的隔离度；
S5，基于发射天线阵面隔离度的码字优化分配；
S6，适用于准正交编码矩阵的最优化传输。
进一步的，在步骤S1中，根据发射天线个数m，从STBC编码矩阵中选择一个矩阵，作为多天线发射分集的编码矩阵，记作G；上述矩阵G，满足在码率不小于设定码率值R的情况下，最大化发射分集增益，即：编码矩阵G中非正交的向量对数尽量少；且上述码率R表示为：当采用某个编码矩阵后，如果K个待发送符号是通过T个时隙发送出去的，则该编码矩阵的码率为R＝K/T。
进一步的，在步骤S2中，
正交性分析方法描述如下：设编码矩阵G有N列，当i＝1，2，3...，N时，令vi表示G的第i 列。计算vi与vi的内积<vi，vj>，i，j＝1，2，3，...，N；i≠j。若<vi，vj>＝0，表示第i列和第j 列码字正交。若<vi，vj>≠0，则表示第i列和j列码字非正交。即编码矩阵中内积为0的两列互相正交，内积不为0的两列则表示不正交。
如对于编码矩阵式(4),
Figure BDA0002351588230000021
<v1，v2>＝<v1，v3>＝<v2，v4>＝<v3，v4>＝0。即v1、v2码字相互正交，v1、v3的码字相互正交，v2、v4的码字相互正交，v3、v4的码字相互正交。而<v2，v3>，<v1，v4>≠0，即v2、v3的码字，v1、v4的码字是非正交的。
进一步的，在步骤S3中，根据矩阵G设计发射天线结构，将天线结构设计为横截面为正 N边形，纵截面为长方形的正N棱柱，N个侧面分别放单天线或者阵列天线。
进一步的，在步骤S4中，根据天线阵列方向图，求发射天线阵面之间的隔离度；
高效的简化隔离度计算方法描述为：在天线阵面做朝外的单位法向量，在0≤α≤180°中，两个面的法向量夹角α越接近180°，发射的信号越不容易在同一时间被同一接收机收到，两天线面的隔离度就越高。
将某一天线面设为面A，该面朝外的法向量为
Figure BDA0002351588230000022
令一天线面朝外的法向量设为
Figure BDA0002351588230000023
根据公式
Figure BDA0002351588230000024
求
Figure BDA0002351588230000025
与
Figure BDA0002351588230000026
的夹角α，α最大的两个面隔离度最高，求各阵面相互之间的隔离度，设天线面为面S，可得到各面天线隔离度表如下表2：
表2 各面天线隔离度
α 天线面 天线面
α<sub>1</sub> S<sub>a_1</sub> S<sub>b_1</sub>
a<sub>2</sub> S<sub>a_2</sub> S<sub>b_2</sub>
… … …
a<sub>i</sub> S<sub>a_i</sub> S<sub>b_i</sub>
… … …
α<sub>L</sub> S<sub>a_L</sub> S<sub>b_L</sub>
其中1≤i≤L，α1＞α2＞…＞αi＞…＞αL
Figure BDA0002351588230000027
α_i≠b_i。
进一步的，在步骤S5中，根据S2非正交码字的码间串扰影响分析，接收端不会同时收到非正交码字，或者在收到非正交码字的同时能收到正交码字；
根据步骤S3求得的各面天线隔离度表，对码字进行分配，非正交码字放在隔离度高的天线面上，为防止同一个天线面被重复分配到两组不同的码字，每分配一次码字应该更新天线隔离度表，将被占用的天线面从隔离度表删除，然后再重新进行下一组非正交码字的分配；算法描述如下：
1)对于编码矩阵G,对其进行正交性分析，可得到非正交码字对(vi，vj)，i，j＝1，2，3，...，N；i≠j, 用Ql表示，其中l＝1，2，3...，M，M表示矩阵G非正交码字对的个数；
2)令l＝1；
3)依据表2，将第一组非正交码字对Ql分配到隔离度最高的天线面对(Sa_1，Sb_1)发射；
4)将天线Sa_1与天线Sb_1从天线隔离度表中删除，防止同一个天线面被重复分配码字，同时更新天线隔离度表，如下表3；
表3 各面天线隔离度表
α 天线面 天线面
α<sub>2</sub> S<sub>a_2</sub> S<sub>b_2</sub>
… … …
α<sub>i</sub> S<sub>a_i</sub> S<sub>b_i</sub>
… … …
α<sub>L</sub> S<sub>a_L</sub> S<sub>b_L</sub>
5)令l＝l+1，若l＞M,则码字分配结束，否则，转步骤3)。
进一步的，在步骤S6中，当准正交编码矩阵应用于多载波OFDM系统中，将信号进行QAM调制输出星座点，然后用在S1中选择好的编码矩阵G，对星座点进行STBC逐点编码，做了IFFT之后用步骤S3中天线结构发射信号。
进一步的，在步骤S6中，当准正交编码矩阵应用于单载波SC-FDMA系统中，将信号进行QAM调制输出星座点，在经过DFT和IFFT之后，用S1中选择好的编码矩阵G，分别对每一个OFDM符号进行STBC逐块编码，然后用步骤S3中天线结构进行发射信号。
本发明的有益效果是：
(1)本发明应用于多天线传输系统中，实现通过多天线码字协同优化分配，对信号进行全速率满分集传输，以达到在多天线传输系统中，实现了传输系统的满分集增益以及全速率发射，显著降低了计算量，解决了非正交码字在多天线发射分集传输中的不良影响，可以有效改善串扰情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为Alamouti码发射机框图；
图2为OFDM系统框图；
图3为SC-FDMA框图；
图4为接收端信号星座图(发射正交码字)；
图5为接收端信号星座图(发射非正交码字)；
图6为接收端信号星座图(发射信号为正交码字与非正交码字)；
图7为单面天线阵示意图；
图8为天线装置横截面示意图(N＝4)；
图9为天线装置纵截面示意图(N＝4)；
图10为STBC非正交码字优化天线装置(N＝4)；
图11为求隔离度示意图；
图12为OFDM发射端信号处理框图；
图13为SC-FDMA发射端信号处理框图；
图14为STBC非正交码字优化流程图；
图15为准正交空时编码4发射天线优化装置；
图16为准正交空时编码8发射天线优化装置。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。本说明书中公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。
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。
在对实施例进行描述之前，需要对一些必要的术语进行解释。例如：
若本申请中出现使用“第一”、“第二”等术语来描述各种元件，但是这些元件不应当由这些术语所限制。这些术语仅用来区分一个元件和另一个元件。因此，下文所讨论的“第一”元件也可以被称为“第二”元件而不偏离本发明的教导。应当理解的是，若提及一元件“连接”或者“联接”到另一元件时，其可以直接地连接或直接地联接到另一元件或者也可以存在中间元件。相反地，当提及一元件“直接地连接”或“直接地联接”到另一元件时，则不存在中间元件。
在本申请中出现的各种术语仅仅用于描述具体的实施方式的目的而无意作为对本发明的限定，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式意图也包括复数形式。
当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”时，这些术语指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在和/或附加。
如图1～16所示，一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法，包括：
S1，选择多天线发射分集的编码矩阵；
S2，分析编码矩阵中码字的正交性；
S3，设计适用于准正交编码矩阵的发射天线结构；
S4，计算发射天线阵面之间的隔离度；
S5，基于发射天线阵面隔离度的码字优化分配；
S6，适用于准正交编码矩阵的最优化传输。
进一步的，在步骤S1中，根据发射天线个数m，从STBC编码矩阵中选择一个矩阵，作为多天线发射分集的编码矩阵，记作G；上述矩阵G，满足在码率不小于设定码率值R的情况下，最大化发射分集增益，即：编码矩阵G中非正交的向量对数尽量少；且上述码率R表示为：当采用某个编码矩阵后，如果K个待发送符号是通过T个时隙发送出去的，则该编码矩阵的码率为R＝K/T。
进一步的，在步骤S2中，
正交性分析方法描述如下：设编码矩阵G有N列，当i＝1，2，3...，N时，令vi表示G的第i 列。计算vi与vi的内积<vi，vj>，i，j＝1，2，3，...，N；i≠j。若<vi，vj>＝0，表示第i列和第j 列码字正交。若<vi，vj>≠0，则表示第i列和j列码字非正交。即编码矩阵中内积为0的两列互相正交，内积不为0的两列则表示不正交。
如对于编码矩阵式(4),
Figure BDA0002351588230000061
<v1，v2>＝<v1，v3>＝<v2，v4>＝<v3，v4>＝0。即v1、v2码字相互正交，v1、v3的码字相互正交，v2、v4的码字相互正交，v3、v4的码字相互正交。而<v2，v3>，<v1，v4>≠0，即v2、v3的码字，v1、v4的码字是非正交的。
进一步的，在步骤S3中，根据矩阵G设计发射天线结构，将天线结构设计为横截面为正 N边形，纵截面为长方形的正N棱柱，N个侧面分别放单天线或者阵列天线。单面天线阵示意图如图7。其中，N等于矩阵G的列向量个数。如当N＝4时，天线装置横截面如图8，纵截面如图9，天线装置如图11所示。
进一步的，在步骤S4中，根据天线阵列方向图，求发射天线阵面之间的隔离度；
高效的简化隔离度计算方法描述为：在天线阵面做朝外的单位法向量，在0≤α≤180°中，两个面的法向量夹角α越接近180°，发射的信号越不容易在同一时间被同一接收机收到，两天线面的隔离度就越高。
将某一天线面设为面A，该面朝外的法向量为
Figure BDA0002351588230000062
令一天线面朝外的法向量设为
Figure BDA0002351588230000063
根据公式
Figure BDA0002351588230000064
求
Figure BDA0002351588230000065
与
Figure BDA0002351588230000066
的夹角α，α最大的两个面隔离度最高，求各阵面相互之间的隔离度，设天线面为面S，可得到各面天线隔离度表如下表2：
表2 各面天线隔离度
α 天线面 天线面
α<sub>1</sub> S<sub>a_1</sub> S<sub>b_1</sub>
α<sub>2</sub> S<sub>a_2</sub> S<sub>b_2</sub>
… … …
α<sub>i</sub> S<sub>a_i</sub> S<sub>b_i</sub>
… … …
α<sub>L</sub> S<sub>a_L</sub> S<sub>b_L</sub>
其中1≤i≤L，α1＞α2＞…＞αi＞…＞αL，
Figure BDA0002351588230000067
α_i≠b_i。
进一步的，在步骤S5中，根据S2非正交码字的码间串扰影响分析，接收端不会同时收到非正交码字，或者在收到非正交码字的同时能收到正交码字；
根据步骤S3求得的各面天线隔离度表，对码字进行分配，非正交码字放在隔离度高的天线面上，为防止同一个天线面被重复分配到两组不同的码字，每分配一次码字应该更新天线隔离度表，将被占用的天线面从隔离度表删除，然后再重新进行下一组非正交码字的分配；算法描述如下：
1)对于编码矩阵G,对其进行正交性分析，可得到非正交码字对(vi，vj)，i，j＝1，2，3，...，N；i≠j, 用Ql表示，其中l＝1，2，3...，M，M表示矩阵G非正交码字对的个数；
2)令l＝1；
3)依据表2，将第一组非正交码字对Ql分配到隔离度最高的天线面对(Sa_1，Sb_1)发射；
4)将天线Sa_1与天线Sb_1从天线隔离度表中删除，防止同一个天线面被重复分配码字，同时更新天线隔离度表，如下表3；
表3 各面天线隔离度表
α 天线面 天线面
α<sub>2</sub> S<sub>a_2</sub> S<sub>b_2</sub>
… … …
α<sub>i</sub> S<sub>a_i</sub> S<sub>b_i</sub>
… … …
α<sub>L</sub> S<sub>a_L</sub> S<sub>b_L</sub>
5)令l＝l+1，若l＞M,则码字分配结束，否则，转步骤3)。
进一步的，在步骤S6中，当准正交编码矩阵应用于多载波OFDM系统中，将信号进行QAM调制输出星座点，然后用在S1中选择好的编码矩阵G，对星座点进行STBC逐点编码，做了IFFT之后用步骤S3中天线结构发射信号，如图12。
进一步的，在步骤S6中，当准正交编码矩阵应用于单载波SC-FDMA系统中，将信号进行QAM调制输出星座点，在经过DFT和IFFT之后，用S1中选择好的编码矩阵G，分别对每一个OFDM符号进行STBC逐块编码，然后用步骤S3中天线结构进行发射信号，如图13。
空时编码的概念最早于1987年由Winter提出，由Guey等和Tarokh等分别给出了空时编码的设计准则。它是无线通信中的一种新的编码和信号处理技术，空时编码同时利用时间和空间两维来构造码字，因此，能较好地利用由多发送多接收天线构成的MIMO系统所提供的传输分集度和自由度，可在不增加发送功率的情况下提高信息传输效率，改善信息传输性能。
1)空时码设计准则：
秩和行列式准则：
在MIMO系统中，假设要在T个时隙内从N个天线发射符号，那么可定义T×N的发射码字矩阵为G1，发射码字经过信道传输后，由于噪声和衰落因素的影响，接收端译码可能发生错误，因此设译码后的码字矩阵G2为：
定义误差矩阵：
D(G1，G2)＝G2-G1 ( 1)
令A(G1，G2)＝D(G1，G2)H·D(G1，G2)＝(G2，G1)H·(G2，G1)
分集增益就等于矩阵A(G1，G2)的秩乘以接收天线数，而编码增益则与矩阵A(G1，G2)的行列式值有关。
2)QOSTBC的设计：
Alamouti码发射的码字矩阵为：
Figure BDA0002351588230000081
Alamouti码发射机框图如图1，由上式可以很容易证明， GAlamouti H GAlamouti＝(|x1|2+|x2|2)I2，即码字矩阵的列向量是相互正交的，所以Alamouti 码是正交码字。定义某空时分组码当K个符号是通过T个时隙发射出去的，那么该空时分组码的码率为:
Figure BDA0002351588230000082
那么Alamouti码的码率为1。
但是在发射天线超过2的时候，很难得到全速率的复正交设计的空时码。
为解决该问题，Jafarkhani等人根据Alamouti提出的空时码设计出了准正交空时码，可以满足在发射天线超过2的时候，码率达到1。
通过Alamouti编码,可设计准正交码字为：
Figure BDA0002351588230000083
Figure BDA0002351588230000091
QOSTBC有很多与式(3)相似的编码矩阵结构，一些常用的结构如下：
Figure BDA0002351588230000092
Figure BDA0002351588230000093
Figure BDA0002351588230000094
对于3发射天线的QOSTBC，可以根据式(4)～(7)构造4×3矩阵，如根据式(4)可以构造矩阵：
Figure BDA0002351588230000095
因为在4个时隙发送了4个符号，所以该矩阵速率为1全速率。
构造式(4)～(7)，是根据两个2×2矩阵可以构造一个4×4矩阵，从而保持传输速率不变，恒为1。同理，可以用任意两个N×N矩阵构造2N×2N矩阵。
3)单载波系统与多载波系统的区别
如图2为OFDM系统框图，图3为SC-FDMA系统框图。
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用技术)系统是在发送端对 QAM调制后的星座点后，对每一个星座点进行逐点STBC编码，在接收端FFT之后直接做了ML译码，而SC-FDMA(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access，单载波频分多址)系统是在发送端对QAM调制后的星座点进行分块，做DFT以及IFFT,然后对每一个OFDM 符号进行STBC逐块编码，在接收端没有用ML译码，而是在MMSE均衡中直接做了译码。
定义H为信道响应矩阵，σ2为信噪比。MMSE均衡兼顾考虑了干扰和噪声的抑制以及空时编码的译码。MMSE均衡器的加权的矩阵为WMMSE＝(HHH+σ2I)-1HH。由MMSE均衡输出的信号矩阵为
Figure BDA0002351588230000096
SC-FDMA技术，一般LTE的上行系统中采用。相较于OFDM调制，SC-FDMA的PAPR(peak-to-average power ratio,峰值/平均功率比)能得到明显抑制，降低了设备对功放的需求，大大提高了功放效率。同时对比与OFDM系统，SC-FDMA系统也利用了高效的FFT运算，传输是以块结构实现的，循环扩展(保护间隔)也被加在单个块上来减轻块间干扰。
对于4天线的空时编码，全速率是一定非正交的，并不能达到满分集增益。Jafarkhani提出，在发射前，将x3，x4进行星座旋转处理，可以实现满分集增益。即定义
Figure BDA0002351588230000101
这里θ表示星座旋转的角度。但是并不是所有的调制方式都存在一个最优的旋转角来实现满分集增益，且该码字仅适用于多载波传输系统中。若找不到最优旋转角可以实现码字正交，系统就达不到满分集增益，并且该方案译码条件受限，必须使用ML(maximum-likelihood decoding，最大似然译码)，因此无法拓展至单载波的情况，不适用于强调通信距离的应用。
而在SC-FDMA系统中，非正交码字会带来严重的串扰。
在没有旋转的情况下，得到在单载波系统中，QPSK调制下，2发1收情况下，发射端为发射非正交码字或正交码字时，在接收端得到的信号星座图。
设输入信号d(t)，为分析问题方便，设该信号为时间间隔为Ts的一系列冲激δ(t)组成，即
Figure BDA0002351588230000102
式中：an为nTs时刻的码元符号，Ts为码元宽度。
若令基带传输系统的冲激响应为h(t)，则
Figure BDA0002351588230000103
抽样时刻t＝kTs
Figure BDA0002351588230000104
其中akh(0)表示系统为第k个码元的响应在t＝kTs时刻的抽样值，∑n≠k anh[(k-n)Ts]表示系统对其它码元的响应在t＝kTs时刻的抽样值，也称码间串扰。nk(kTs)表示接收端滤波器对信道噪声的响应在t＝kTs时刻的抽样值。
接收端的信号值实际是自己本身信号值与码间串扰值和噪声的值的叠加。
由图4和图5可以看出，图5的点是图4各点相加得到的结果。很明显的看出非正交码字给系统带来了严重的码间串扰。
对于3发1收的通信系统，即发射信号同时包括正交码字与非正交码字。则对应接收端收到的信号星座图如图5。
上述三种情况的接收端EVM可以得到为如表1，可以发现在2发的时候发射信号是非正交码字时系统性能很差，3发的时候虽然存在非正交码字，性能没有2发只发射正交码字的情况好，但相应正交码字的引入可以有效改善串扰情况。
表1 不同发送天线模式系统的RxEVM
Figure BDA0002351588230000111
其中
Figure BDA0002351588230000112
其中R为接收信号矩阵，X为发射信号矩阵。RxEVM即接收端EVM (Error Vector Magnitude，矢量误差幅度)定义为接收端误差矢量信号平均功率与参考信号平均功率的比值，是一种可以全面衡量信号幅度误差和相位误差的指标。
实施例1
如针对4发射天线装置，可以选择码字
Figure BDA0002351588230000113
其中<v1，v2>＝<v1，v3>＝<v2，v4>＝<v3，v4>＝0， <v2，v3>，<v1，v4>≠0，
即v1与v4的码字，v2与v2的码字是非正交的。
可以设计天线结构为横截面为正方形，纵截面为长方形的正四棱柱，结构图如图15所示，定义标志1所处位置为1号天线面，按照顺时针方向，依次为2、3、4号天线面。
对天线装置进行隔离度分析，因为装置是正四棱柱，很明显可以得出，2号天线面跟其平行的3号天线面隔离度最高，2号天线面跟其平行的4号天线面隔离度最高。
对码字进行优化分配，将非正交的码字v1与v4分别在隔离度最高的天线对1、3上发射，将另一非正交码字对v2与v3分别放在隔离度最高的2、4上发射。
一般的只能收到两个相邻的面天线发射的信号，任意相邻的两个天线面发射的信号一定是一对正交的信号。在特殊情况下，收到三个面天线发射的信号，中间是包含着正交码字，也可以有效避免串扰。
8发射天线可以选择Jafarkhani提出的QOSTBC 8发射天线编码矩阵：
Figure BDA0002351588230000121
因为6个符号在8个时隙中发送，故码率为R＝3/4.
令vi表示矩阵G8，8的列，则有：
<v1，vi>＝0，i≠5
<v2，vi>＝0，i≠6
<v3，vi>＝0，i≠7
<v4，vi>＝0，i≠8
<v5，vi>＝0，i≠1
<v6，vi>＝0，i≠2
<v7，vi>＝0，i≠3
<v8，vi>＝0，i≠4
则在非正交码字对分别为(v1，v5)、(v2，v6)、(v3，v7)、(v4，v8).
为规避非正交码字带来的严重影响。设计天线结构横截面为正八边形，纵截面为长方形的正八棱柱，如图16所示，设在1号面为如图14标记位置，按照顺时针方向，依次为2、3、 4、5、6、7、8号面位置。分别计算各面天线朝向装有天线阵列的法向量之间的夹角α，夹角越大表示隔离度越高，得到各面天线隔离度表如表4。
表4 准正交空时编码8发射天线优化装置隔离度
Figure BDA0002351588230000122
Figure BDA0002351588230000131
将非正交码字对(v1，v5)分别放在1、5天线面上发射，(v2，v6)分别放在2、6天线面上发射， (v3，v7)分别放在3、7天线面上发射，(v4，v8)分别放在4、8天线面上发射。
而一般情况下只能接收到4个天线面发来的信号，这四个天线面发射的码字两两正交，特殊情况会收到3个或5个天线面发来的信号，对于3个发射天线，发射的码字两两正交。对于5个天线面发射的信号，且其中只有一对天线发射的码字非正交，其他天线之间都是互相正交的，可以有效避免非正交天线带来的影响。
在本实施例中的其余技术特征，本领域技术人员均可以根据实际情况进行灵活选用和以满足不同的具体实际需求。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实现本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的算法，方法或系统等，均在本发明的权利要求书请求保护的技术方案限定技术保护范围之内。
对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。
本领域技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法实现所描述的功能，但是这种实现不应超出本发明的范围。
所揭露的系统、模块和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例，仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，可以仅仅是一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以说通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述分立部件说明的单元可以是或者也可以不收物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者可以不收物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例的方案的目的。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、 ROM、RAM等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法，其特征在于，包括：
S1，选择多天线发射分集的编码矩阵；
S2，分析编码矩阵中码字的正交性；
S3，设计适用于准正交编码矩阵的发射天线结构；
S4，计算发射天线阵面之间的隔离度；
S5，基于发射天线阵面隔离度的码字优化分配；
S6，适用于准正交编码矩阵的最优化传输。
2.根据权利要求1所述的一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法，其特征在于，在步骤S1中，根据发射天线个数m，从STBC编码矩阵中选择一个矩阵，作为多天线发射分集的编码矩阵，记作G；上述矩阵G，满足在码率不小于设定码率值R的情况下，最大化发射分集增益，即：编码矩阵G中非正交的向量对数尽量少；且上述码率R表示为：当采用某个编码矩阵后，如果K个待发送符号是通过T个时隙发送出去的，则该编码矩阵的码率为R＝K/T。
3.根据权利要求1所述的一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法，其特征在于，在步骤S2中，
正交性分析方法描述如下：设编码矩阵G有N列，当i＝1，2，3...，N时，令vi表示G的第i列。计算vi与vi的内积<vi，vj>，i，j＝1，2，3，...，N；i≠j。若<vi，vj>＝0，表示第i列和第j列码字正交。若<vi，vj>≠0，则表示第i列和j列码字非正交。即编码矩阵中内积为0的两列互相正交，内积不为0的两列则表示不正交。
如对于编码矩阵式(4)，
Figure FDA0002351588220000011
<v1，v2>＝<v1，v3>＝<v2，v4>＝<v3，v4>＝0。即v1、v2码字相互正交，v1、v3的码字相互正交，v2、v4的码字相互正交，v3、v4的码字相互正交。而<v2，v3>，<v1，v4>≠0，即v2、v3的码字，v1、v4的码字是非正交的。
4.根据权利要求1所述的一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法，其特征在于，在步骤S3中，根据矩阵G设计发射天线结构，将天线结构设计为横截面为正N边形，纵截面为长方形的正N棱柱，N个侧面分别放单天线或者阵列天线。
5.根据权利要求1所述的一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法，其特征在于，在步骤S4中，根据天线阵列方向图，求发射天线阵面之间的隔离度；
高效的简化隔离度计算方法描述为：在天线阵面做朝外的单位法向量，在0≤α≤180°中，两个面的法向量夹角α越接近180°，发射的信号越不容易在同一时间被同一接收机收到，两天线面的隔离度就越高。
将某一天线面设为面A，该面朝外的法向量为
Figure FDA0002351588220000021
令一天线面朝外的法向量设为
Figure FDA0002351588220000022
限据公式
Figure FDA0002351588220000023
求
Figure FDA0002351588220000024
与
Figure FDA0002351588220000025
的夹角α，α最大的两个面隔离度最高，求各阵面相互之间的隔离度，设天线面为面S，可得到各面天线隔离度表如下表2：
表2各面天线隔离度
α 天线面 天线面 α<sub>1</sub> S<sub>a_1</sub> S<sub>b_1</sub> α<sub>2</sub> S<sub>a_2</sub> S<sub>b_2</sub> ... ... ... α<sub>i</sub> S<sub>a_i</sub> S<sub>b_i</sub> ... ... ... α<sub>L</sub> S<sub>a_L</sub> S<sub>b_L</sub>
其中1≤i≤L，α1＞α2＞…＞αi＞…＞αL，
Figure FDA0002351588220000026
a_i≠b_i。
6.根据权利要求1所述的一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法，其特征在于，在步骤S5中，根据S2非正交码字的码间串扰影响分析，接收端不会同时收到非正交码字，或者在收到非正交码字的同时能收到正交码字；
根据步骤S3求得的各面天线隔离度表，对码字进行分配，非正交码字放在隔离度高的天线面上，为防止同一个天线面被重复分配到两组不同的码字，每分配一次码字应该更新天线隔离度表，将被占用的天线面从隔离度表删除，然后再重新进行下一组非正交码字的分配；
算法描述如下：
1)对于编码矩阵G，对其进行正交性分析，可得到非正交码字对(vi，vj)，i，j＝1，2，3，...，N；i≠j，用Ql表示，其中l＝1，2，3...，M，M表示矩阵G非正交码字对的个数；
2)令l＝1；
3)依据表2，将第一组非正交码字对Ql分配到隔离度最高的天线面对(Sa_1，Sb_1)发射；
4)将天线Sa_1与天线Sb_1从天线隔离度表中删除，防止同一个天线面被重复分配码字，同时更新天线隔离度表，如下表3；
表3各面天线隔离度表
α 天线面 天线面 α<sub>2</sub> S<sub>a_2</sub> S<sub>b_2</sub> ... ... ... α<sub>i</sub> S<sub>a_i</sub> S<sub>b_i</sub> ... ... ... α<sub>L</sub> S<sub>a_L</sub> S<sub>b_L</sub>
5)令l＝l+1，若l＞M，则码字分配结束，否则，转步骤3)。
7.根据权利要求1所述的一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法，其特征在于，在步骤S6中，当准正交编码矩阵应用于多载波OFDM系统中，将信号进行QAM调制输出星座点，然后用在S1中选择好的编码矩阵G，对星座点进行STBC逐点编码，做了IFFT之后用步骤S3中天线结构发射信号。
8.根据权利要求1所述的一种多天线发射分集的天线码字协同优化方法，其特征在于，在步骤S6中，当准正交编码矩阵应用于单载波SC-FDMA系统中，将信号进行QAM调制输出星座点，在经过DFT和IFFT之后，用S1中选择好的编码矩阵G，分别对每一个OFDM符号进行STBC逐块编码，然后用步骤S3中天线结构进行发射信号。
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