CN1190092C - 一种自适应加权空时发射分集的接收方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应加权空时发射分集的接收方法，至少包括以下步骤：a)接收机接收到来自发射端的信号后，先利用极大似然原理计算出每路信号的判决变量中间值；b)然后该判决变量中间值按照给定的线性变换矩阵及其系数，通过线性变换计算出每路信号的最终判决变量值，所计算出的最终判决变量值再进行后续处理。本发明还公开了一种自适应加权空时发射分集的接收系统，该方法和结构能够改善自适应加权空时发射分集系统中接收机的性能，消除信号干扰，提高系统的整体性能。

Description

一种自适应加权空时发射分集的接收方法及其系统

技术领域

本发明涉及空时发射分集接收技术，尤指一种基于自适应加权空时发射分集的接收方法及其系统。

发明背景

在第三代(3G)移动通信系统的宽带码分多址(WCDMA，WidebandCode Division Multiple Access)制式中，由于同一小区中不同的用户和邻近小区的不同用户在同一时间内共享同一段频段，因此，用户彼此之间存在干扰，这些干扰限制了系统容量和信息传送速率。为了提高系统容量，可采用多种分集方法，如多径分集、空间分集以及天线分集等技术。在采用分集技术的系统内，同一信息内容存在有多个不同形式的独立拷贝，接收机接收这些独立拷贝后，通常根据极大似然(ML，Maximum Likelihood)的原理，充分利用信息的冗余特性加以处理，可大大减少传输信息的误比特率，并降低无线数据传输所需的能量，从而减少对用户间的彼此干扰。可见，分集技术能有效地提高系统容量。

在WCDMA系统下行链路中，要实现大容量用户数和高速数据传送，同样需要采用多种发射分集技术，空时发射分集(STTD，Space TimeTransmit Diversity)方法便是其中之一。该分集技术是将待传送的信息先进行简单的空时编码，然后将空时编码后的信号分成两路，按照相等能量准则分别送至两路独立的发射通道进行发射，相应的，接收端分别接收来自两路独立发射通道的信号，并根据极大似然原理进行处理。但由于按照平分的方式等分发射能量，该普通的STTD发射分集技术无法达到性能上界。

为了提高空时发射分集的性能，申请人曾提出一种基于空时编码和自适应加权的发射分集技术，其核心思想是发射端根据从反馈信道接收的有关当前两路无线信道的衰落幅度特性信息，重新计算合适的发射功率权重值，并重新分配发射能量，其实现结构如图1所示。图1中，标号100表示待传送信息，其中的S₁和S₂为同一空时编码块中的两个发射符号；101即为空时编码模块，102为反馈信号处理模块，103为最优权重计算模块，104为反馈通道，105为发射功率分配模块，106为具有两根天线的发射天线阵，表示两路独立的发射通道分别通过天线Ant1、Ant2进行发射；Rec为接收端基于极大似然(ML)原理的接收机，107为极大似然接收模块。

基于图1所示的系统接收，该分集方法至少包括以下的步骤：

a.发射端将待发射符号以每两个输入符号为一个单元块，按一定规则进行空时编码后输出两路信号；

b.发射端根据当前给定的发射功率权重值，在保持总发射功率不变的前提下，分别实时调整两路发射天线的当前发射功率值；发射天线阵按当前发射功率值，将经过空时编码的输出信号从两根独立的天线发射出去；

c.接收端的接收机根据当前接收到信号，估计出两路无线信道的衰落特性，并将两路无线信道衰落幅度特性经过编码后反馈至发射端；

d.发射端从反馈信道接收并获得当前两路无线信道衰落幅度的特性信息，按公式(1)计算两路发射通道发射功率的新自适应权重值，并根据该权重值进行发射功率调整。

在接收端，同一空时编码块的接收信号可以表示为：

$w_1^2+w_2^2=1$

其中，r₁、r₂分别为同一空时编码块的接收信号，h₁和h₂分别表示从两根发射天线到接收天线无线信道的衰落因子，S₁和S₂为同一空时编码块中的发射符号，n₁和n₂为接收噪声，w₁和w₂分别为发射端两路发射通道的发射功率权重。

按传统方式，接收机主要完成极大似然接收和解码等功能，由极大似然接收技术计算的S₁、S₂判决变量直接用于解码，此种情况下S₁、S₂的判决变量为：

从公式(3)可以看出，由于两路发射通道权重不相等，将导致S₁判决变量中出现交叉项(w₁-w₂)h₁ ^*h₂S₂ ^*，同样，S₂判决变量中也将出现类似的交叉项(w₂-w₁)h₁ ^*h₂S₁ ^*。随着信号能量的增加，该交差项的干扰将会越来越大，严重影响了接收机的性能。

可见，如果仅仅采用传统极大似然接收方法，基于空时编码和自适应加权的发射分集的性能受到严重的限制，影响了发射效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种自适应加权空时发射分集的接收方法，使其能进一步完善自适应加权空时分集的接收处理，避免因增加自适应加权运算而导致的信号干扰，进而提高系统性能。

本发明的另一目的在于提供一种实现自适应加权空时发射分集接收方法的系统，使其能改善自适应加权空时发射分集系统中接收机的性能，从而提高该系统的整体性能，且设计简单、易于实现。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种自适应加权空时发射分集的接收方法，至少包括：

a.接收机接收到来自发射端的信号后，先利用极大似然原理计算出每路信号的判决变量中间值；

b.然后该判决变量中间值按给定的线性变换矩阵及其系数，通过线性变换计算出每路信号的最终判决变量值，所计算出的最终判决变量值再进行后续处理。

上述过程中，步骤a进一步包括：接收机对接收到的输入信号以空时编码块为单元进行检测，且每次输出两个判决变量中间值。

步骤b进一步包括：预先设定线性变换矩阵，并预先计算出线性变换矩阵系数。其中，该线性变换矩阵系数与自适应加权空时发射分集的实现形式有关，可以由自适应权重值和无线信道衰落幅度特性确定；并且，计算线性变换矩阵系数所用的自适应权重值与发射端当前使用的权重值完全同步。

步骤b还进一步包括：将最终判决变量值送入接收机中的解码模块进行解码处理。

一种自适应加权空时发射分集的接收系统，至少包括空时编码模块、具有两根天线的发射天线阵、发射功率分配模块、反馈通道、反馈信号处理模块和最优权重计算模块以及接收端接收机中的极大似然接收模块，关键是：接收端的接收机中还进一步包括线性变换模块；

接收机的极大似然接收模块接收并处理来自发射端的信号，输出判决变量中间值给线性变换模块做线性变换，经处理得到的最终判决变量值继续送入接收机中的后续处理模块，该后续处理模块至少包括解码模块。

由上述方案可以看出，本发明的关键在于：在基于自适应加权空时发射分集的接收端增加线线变换处理，以去除发射功率权重计算过程中产生的信号间干扰，提高系统性能。

本发明所提供的自适应加权空时发射分集的接收方法及其系统，具有以下的优点和特点：

1)本发明根据接收机自身获得的有关无线信道衰落幅度信息，以及基于空时编码自适应加权闭环发射分集技术最优权重的计算方法，在极大似然接收模块后，增加了一级简单的线性变换(LT，Linear Transform)，通过线性变换处理去除自适应权重计算时的交叉项，从而避免了交叉项产生的信号干扰，极大改善了该发射分集的接收性能；且该线性变换与基于空时编码自适应加权发射分集技术配合使用，可大大提高系统的整体性能。

2)本发明只需在接收端的接收机中增加一个线性变换模块，对现有技术的系统改动很小，系统性能在原有基础上得到了进一步的提高，结构设计简单且易于实现。

3)经过仿真试验和理论分析证明，本发明的方法和系统实现简单、性能优越，在信噪比相等的情况下，误码率比现有STTD发射分集低很多；而且，在误码率相同的情况下，本发明要求的信号发射功率更低。因此，随着信噪比的提高，系统获得的性能增益也越大。

附图说明

图1为现有自适应加权空时发射分集的系统组成结构示意图；

图2为本发明自适应加权空时发射分集的系统组成结构示意图；

图3为本发明与现有空时发射分集、现有自适应加权空时发射分集性能对比的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

图2为本发明空时发射分集的系统组成结构示意图，如图2所示，该系统包括空时编码模块101、反馈信号处理模块102、最优权重计算模块103、反馈通道104、发射功率分配模块105、具有两根天线的发射天线阵106以及接收端接收机中的极大似然接收模块107，特别是在接收端接收机的极大似然接收模块107之后还包括：线性变换模块108。其中，反馈通道104用于输出来自接收机的有关当前无线信道特性的信息；反馈信号处理模块102用于接收来自反馈通道中有关当前无线信道特性的信息，并做映射处理；最优权重计算模块103则根据来自反馈接收模块102的有关无线信道特性信息，计算出两路发射通道的发射功率权重；发射功率分配模块105用来根据接收到的发射功率权重，调整不同天线的发射功率值；发射天线阵106则按照当前发射功率值，将经过空时编码模块101编码后的输出经两根独立天线送出。线性变换模块108用于接收极大似然接收模块107的输出，基于自适应权重的计算方法，计算出线性变换矩阵系数，并用该矩阵对输入进行线性变换。

参见图2所示，本发明首先由极大似然接收模块107遵循正常的极大似然原理，对接收到的来自发射端的输入信号以空时编码块为单元进行检测。这里，经过空时编码后的每一路信号均包含信息的一个拷贝，但形式和顺序不一样，所说的一个空时编码块实际上是指两路信号信息的两个拷贝，因此，接收机同时接收两路信号，利用这两个信息的拷贝按照公式(4)进行联合处理，每次输出两个判决变量的中间值送至线性变换模块108，该判决变量的中间值可以表示为：

设定：

A＝(w₁|h₁|²+w₂|h₂|²)

                        (5)

B＝(w₁-w₂)h₁ ^*h₂

实际上，该系数A和B还可表示为其它形式，或由其它因素确定，主要取决于自适应加权空时发射分集实现形式的不同。

在式(5)中计算线性变换矩阵系数A和B是根据发射端当前所用的自适应权重值w₁、w₂，即：保证计算变换矩阵系数的权重值与发射机当前所使用的权重值完全同步，进而使线性变换处理的效果更好，从而提高系统的整体性能。

对于该权重同步的实现，通常可以采用两种方案：一种是接收机和基站在建立连接时，就确定上行链路和下行链路之间的相对时延，根据该固定的相对时延来保证权重同步。另一种方法是接收机利用下行公共导频信道和专用导频信道来估计出当前发射机实际使用的权重，以此权重值进行接收端的信号解调和变换矩阵系统计算。该方法具体的实现过程是这样：通过公共导频信道估计出信道衰落因子h₁和h₂，再通过专用导频信道估计出w₁*h₁和w₂*h₂，从而获得当前发射机实际使用的权重值w₁、w₂，实际上此值是前一时刻根据权重公式计算出的权重值，然后以此值继续解调过程并计算变换矩阵系数。

根据上面所述的公式(1)以及接收机自身获得的有关无线信道衰落特性，线性变换模块108可计算出公式(5)所表示的线性变换矩阵系数A和B，然后按照公式(6)所示的线性变换矩阵对极大似然接收模块107输出的判决变量中间值( )进行线性变换：

线性变换后的结果由线性变换模块108输出，作为最终的判决变量送至接收机中的后续处理模块，比如解码模块，按传统方式进行解码等后续处理。

根据上述方案可以得到判决变量对应的平均信噪比SNR为：

${\mathrm{SNR}}_{w-\mathrm{STTD}}=\frac{{2.86\mathrm{\σ}}_0^2}{{\mathrm{\σ}}^2}{E}_s----\left(7\right)$

根据公式(7)可计算得出，本发明与普通STTD发射分集的性能相比平均增加1.55dB，与增加自适应加权的STTD发射分集性能相比也平均增加了0.7～0.8dB。

图3即为本发明与现有空时发射分集、现有自适应加权空时发射分集性能对比的示意图，其中，横坐标表示信噪比(Eb/No)的分贝(dB)数，纵坐标表示原始误码率，曲线31为普通STTD发射分集的性能曲线，曲线32为增加自适应加权调整发射功率后STTD发射分集的性能曲线，曲线33为本发明增加线性变换处理后STTD发射分集的性能曲线。由三条曲线的比较可以看出，当误码率相同时，接收端增加了线性变换处理的自适应加权发射分集的信噪比值要比其它两种情况信噪比值低，也就是说，误码率相同时，本发明信号所需的发射功率最低；从另一角度来看，当三条曲线的信噪比相同时，接收端增加了线性变换处理的自适应加权发射分集的误码率与其它两种情况相比明显最低，显而易见，本发明发射分集的系统整体性能更高了。

本发明不仅适用于本申请人曾提出的前述自适应加权空时发射分集方法与结构，对于其它各种通过不同途径实现的自适应加权空时发射分集技术，本发明的思想均适用，只是针对各种自适应加权空时发射分集技术实现的不同，相应的线性变换系数会有所不同。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限制本发明的保护范围。

Claims (9)

1、一种自适应加权空时发射分集的接收方法，其特征在于该方法至少包括：

a.接收机接收到来自发射端的信号后，先利用极大似然原理计算出每路信号的判决变量中间值；

b.然后该判决变量中间值按照给定的线性变换矩阵及其系数，通过线性变换计算出每路信号的最终判决变量值，所计算出的最终判决变量值再进行后续处理。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a进一步包括：接收机对接收到的输入信号以空时编码块为单元进行检测，且每次输出两个判决变量中间值。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b进一步包括：预先设定线性变换矩阵。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b进一步包括：预先计算出线性变换矩阵系数。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b进一步包括：将最终判决变量值送入接收机中的解码模块进行解码处理。

6、根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：所述的线性变换矩阵系数由自适应权重值和无线信道衰落幅度特性确定。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于：计算线性变换矩阵系数所用的自适应权重值与发射端当前使用的权重值完全同步。

8、一种自适应加权空时发射分集的接收系统，至少包括空时编码模块、具有两根天线的发射天线阵、发射功率分配模块、反馈通道、反馈信号处理模块和最优权重计算模块以及接收端接收机中的极大似然接收模块，其特征在于：接收端的接收机中还进一步包括线性变换模块；

接收机的极大似然接收模块接收并处理来自发射端的信号，输出判决变量中间值给线性变换模块做线性变换，经处理得到的最终判决变量值继续送入接收机中的后续处理模块。

9、根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述的后续处理模块至少包括解码模块。

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