CN1214673C - 多天线通信环境中发射天线的选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线通信环境中发射天线的选择方法，该方法中，信号发射端首先在所有天线上发射导频，信号接收端测量不同接收天线上得到的信号发射端各个发射天线的信道估计，然后信号接收端根据接收信道测量的信噪比的大小，从信号发射端的多天线中选择一根或多根作为发射天线，当选择一根天线时，直接将选择结果通知信号发射端，否则信号接收端还要根据在所有接收天线上得到的信道空间向量，计算空间向量相互之间的相关性，依据相关性从信号发射端的多天线中，选择一根或多根作为发射天线，然后再将选择结果通知信号发射端。按照上述方案选择的发射天线进行信号的发射可以使发射信号的相互干扰降低、提高信号能量传输效率。

Description

多天线通信环境中发射天线的选择方法

技术领域

本发明涉及无线多天线通信系统中发射天线的选择方法。

背景技术

无线通信为人们提供了随时随地相互联系以及获取信息的手段，因此在近几年中得到了迅速的普及。然而，在目前的无线环境中，由于移动的需求，无线信号的定向传输有一定的限制，这样就造成不同用户的无线通信相互之间不可避免地存在着互相干扰。为了保证各种无线通信的正常进行，无线频谱的使用一般都要受到严格的限制和管理，这样无线通信不可能象有线通信一样具有很大的带宽，因此，基于有限的可用无线频谱，如何能够增加无线通信系统信息传输能力是迫切需要解决的问题。

在无线通信中，衰落的无线信道是阻碍有效通信实现的主要因素之一。为此，研究者提出了多天线发射/接收的技术，“在衰落环境下，使用多元天线的无线通信多层空时结构(G J Foschini，″Layered space-timearchitecture for wireless communication in fading environment when usingmulti-element antennas″，Bell Labs Technical Journal，pp.41-59，Autumn1996.)一文中就公开了上述技术，该技术可以在独立的平坦衰落信道假设下，保证高效率的高速数据传输通信。然而，由于无线通信相互之间干扰的影响，多天线接收的信干(噪)比并不很高；此外，由于无线接收的多个信道也不能随时保持相互独立，在每一个接收的单位时间内，互相之间仍然有较大的干扰，加上天线互相耦合等因素，多天线同时发射/接收的方法在实现上仍然存在效率被严重降低的问题。因此，在多天线的通信环境下，恰当地选择发射天线可以使发射信号的相互干扰降低、提高信号能量传输效率，同时能使接收处理简单。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多天线通信环境中发射天线的选择方法，使用该方法选择的发射天线进行信号的发射可以使发射信号的相互干扰降低、提高信号能量传输效率，同时也能使信号的接收处理更简单。

为达到上述目的，本发明提供的多天线通信环境中发射天线的选择方法，包括下述步骤：

步骤1：在信号发射端和信号接收端分别设置多个天线，信号发射端首先在所有天线上发射导频，信号接收端测量不同接收天线上得到的信号发射端各个发射天线的信道估计；

步骤2：信号接收端根据接收信道测量的信噪比的大小，从信号发射端的多天线中选择一根或多根作为发射天线，如果选择一根，转步骤4，否则转步骤3；

步骤3：信号接收端根据在所有接收天线上得到的信道空间向量，计算空间向量相互之间的相关性，依据相关性从信号发射端的多天线中，选择一根或多根作为发射天线；

步骤4：信号接收端将选择结果通知信号发射端；

步骤5：信号发射端根据信号接收端的选择结果，选取发射天线。

步骤3所述计算空间向量相互之间的相关性按照下述公式完成：

其中，c_ij为第i根发射天线的信道空间列向量

与第j根发射天线的信道空间列向量h_j的相关系数。如果用a代表任意复数列向量，则a^*代表对复数列向量a取共轭转置。如果用b代表任意复数，|b|则代表取复数b的模。

在步骤3，根据信道空间向量相关性最小和信道空间向量各元素的模的平方和最大的原则选取发射天线。

所述方法还包括：当该方法基于时分双工系统实现时，移动台根据基站的导频同时确定上下行多天线的信道状况从而直接选择上行发射天线。

本发明所述的方法通过信号接收端选择信号发射端的发射天线，使信号发射端通过选择的天线发射信号，可以更有效地实现高速数据的传输，减少并发的数据流相互之间的干扰；由于现有的多天线发射/接收方法实现的前提是每个发射信号在多接收天线上形成的空间向量相互之间的相关性较小，由于无线传播信道的随机性，这一条件并不是总能得到满足。然而，当所有发射信号的信道存在较大的相关性时，其中的部分信号所经历的信道仍然有可能相互正交，或者相关性较小。因此，本发明的信号接收端根据接收信道测量的信噪比的大小，以及信号的信道空间向量相互之间相关性的情况，通过选取部分发射天线，能够获得效率更高的信号传输，同时也能使信号的接收处理更简单。

在无线蜂窝通信环境中，由于存在较大的干扰，可实现的信噪比一般比较低。本发明方法可以通过选取少量的发射天线进行高速传输，避免其他发射天线带来的干扰。不同发射天线上的信号，其信道相互之间存在较小的相关性的概率相同，因此，本发明通过基于信道空间向量相关性的选择，能够获得多天线发射的有效合理的应用，更有利于无线蜂窝通信系统效率的提高。

附图说明

图1是应用本发明的多天线时分双工系统示例图；

图2是本发明所述方法的实施例流程图。

具体实施方式

在现有的多天线系统中，其应用的前提是存在独立的瑞利衰落信道。假设采用图1所示的多天线发射/接收环境，图中的发射天线数目为4，接收则是6根天线.实际接收时，假设信道在一个处理周期内不变或者缓慢变化.因此，在6根接收天线上，可以得到24个不变或者缓慢变化的信道：

其中，h_ij代表第j根基站天线的发射信号到达第i根移动台天线所经历的信道，1≤i≤6，1≤j≤4。 则是相应的向量表示形式。对这一个处理周期而言，由于信道成为一些基本不变的常数，因此不存在相互独立的条件。在移动台端，其接收到的信号为：

其中，r_i，1≤i≤6是不同接收天线上的接收信号，a_j，1≤j≤4是发射天线上的4个发射信号，n_i，1≤i≤6则是各个接收天线上的噪声。公式(2)表明，4个发射信号在6根接收天线上进行了空间编码，编码的空间码分别为向量 因此，公式（2）的最有效的接收当且仅当上述空间码相互正交，或者相关系数很小时才会发生。当不同的空间码存在强相关时，则上述多天线发射/接收系统的效能必然会下降。

依据上述分析，根据不同信道向量

的线性相关程度大小，选择一根或多根天线进行发射，然后在接收方采用多天线接收，从而获得在空间上尽可能相互正交的多个发射信号，可以简化接收的处理，并能有效提高信号传输的性能。

下面结合图2对本发明的实施作进一步详细的描述。

图2是本发明所述方法的实施例流程图。按照图2，首先需要在信号发射端和信号接收端分别设置多个天线，信号发射端首先经步骤1在所有天线上发射导频，信号接收端测量不同接收天线上得到的信号发射端各个发射天线的信道估计，然后信号接收端在步骤2根据估计出的接收信道测量的信噪比的大小，从信号发射端的多天线中为其选择一根或多根作为发射天线，例如选择发射信号在所有移动台天线上的信噪比之和最大的天线，通常，信噪比较好时选择的天线根数较多。接着在步骤3判断步骤2中选择了几根天线，如果选择一根，则信号接收端在步骤5将选择结果通知信号发射端，信号发射端根据信号接收端的选择结果，选取发射天线。如果经步骤3的判断得知选择了两根以上的天线，则信号接收端在步骤4根据在所有接收天线上得到的信道空间向量，计算空间向量相互之间的相关性，依据相关性从信号发射端的多天线中，选择一根或多根作为发射天线，然后信号接收端在步骤5将选择结果通知信号发射端，由信号发射端根据信号接收端的选择结果，选取发射天线。

步骤4所述计算空间向量相互之间的相关性按照下述公式完成：

其中，c_ij为第i根发射天线的信道空间列向量 ，与第j根发射天线的信道空间列向量 的相关系数， 代表对复数列向量

取共轭转置，

代表对复数列向量

取共轭转置，

则代表取复数 的模。

在步骤4，根据信道空间向量相关性最小和信道空间向量各元素的模的平方和最大的原则选取发射天线。

例如，当接收端估计出信道如下时：

$H=\left[\begin{array}{cccc}1.4& 0& 1& 1\\ 0& 1.4& 0& 1\\ 1.4& 0& 1& 1\\ 0& 1.4& 0& 1\\ 1.4& 0& 1& 1\\ 0& 1.4& 0& 1\end{array}\right]$

则通过计算可以知道，c₁₂＝c₂₃＝0，c₁₃＝1，c₁₄＝c₂₄＝c₃₄＝0.707。发射天线1的信号的信道空间向量与发射天线3的信号的信道空间向量完全相关，发射天线1的信号强度高于天线3的信号强度，发射天线4的信号的信道空间向量则与其他任何一个信号的信道空间向量都有较强的相关性。因此，这里选择发射天线1和2分别发射信号，可以实现最有效的信号传输。

图2所述方法可以应用于频分双工(FDD)模式和时分双工(TDD)模式，当图2所述方法基于时分双工系统实现时，移动台可以根据基站的导频同时确定上下行多天线的信道状况从而直接选择上行发射天线。这里所述的选择上行发射天线为选择所接收的所有发射信号强度或者信噪比之和最大的一根或多根天线。

Claims (4)

1、一种多天线通信环境中发射天线的选择方法，包括下述步骤：

步骤1：在信号发射端和信号接收端分别设置多个天线，信号发射端首先在所有天线上发射导频，信号接收端测量不同接收天线上得到的信号发射端各个发射天线的信道估计；

步骤2：信号接收端根据接收信道测量的信噪比的大小，从信号发射端的多天线中选择一根或多根作为发射天线，如果选择一根，转步骤4，否则转步骤3；

步骤3：信号接收端根据在所有接收天线上得到的信道空间向量，计算空间向量相互之间的相关性，依据相关性从信号发射端的多天线中，选择一根或多根作为发射天线；

步骤4：信号接收端将选择结果通知信号发射端；

步骤5：信号发射端根据信号接收端的选择结果，选取发射天线。

2、根据权利要求1中所述的多天线通信环境中发射天线的选择方法，其特征在于，步骤3所述计算空间向量相互之间的相关性按照下述公式完成：

其中，c_ij为第i根发射天线的信道空间列向量

与第j根发射天线的信道空间列向量 的相关系数， 代表对复数列向量

取共轭转置，

代表对复数列向量 取共轭转置，

则代表取复数

的模。

3、根据权利要求2中所述的多天线通信环境中发射天线的选择方法，其特征在于：在步骤3，根据信道空间向量相关性最小和信道空间向量各元素的模的平方和最大的原则选取发射天线。

4、根据权利要求1、2或3中所述的多天线通信环境中发射天线的选择方法，其特征在于所述方法还包括：当该方法基于时分双工系统实现时，移动台根据基站的导频同时确定上下行多天线的信道状况从而直接选择上行发射天线。

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