CN1269330C - 一种自适应加权空时发射分集方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应加权空时发射分集方法，发射端先将待发射符号按一定规则进行空时编码后输出，并根据当前给定的发射功率权重值，分别实时调整两路发射天线的当前发射功率值，发射功率确定后，发射天线阵按照当前发射功率值，将经过空时编码的输出信号从两根独立的天线发射出去；接收端的接收机根据当前接收到信号，利用信道估计方法估计出两路无线信道的衰落特性并反馈至发射端；发射端从反馈信道接收并获得无线信道衰落幅度特性，计算发射功率的新自适应权重值，并根据该值进行发射功率调整。本发明还公开了一种实现上述自适应加权空时发射分集方法的系统，该方法和结构能对发射功率以自适应加权方式进行动态调整，提高系统性能增益。

Description

一种自适应加权空时发射分集方法及其系统

技术领域

本发明涉及空时发射分集技术，尤指一种以自适应方式实时调整信号发射功率的空时发射分集方法及其系统。

发明背景

在基于码分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)方式的第三代(3G，Third Generation)移动通信系统宽带CDMA(WCDMA，WidebandCDMA)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，这些独立拷贝被接收机接收后，根据极大似然(ML，Maximum Likelihood)原理，充分利用信息的冗余特性，加以一定的特殊处理，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，为了实现大容量用户数和高速数据传送，同样要采用多种发射分集技术，空时发射分集(STTD，Space Time TransmitDiversity)方案便是其中之一，该分集技术是将待传送的信息首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信道进行发射，相应的，接收端分别接收来自两路独立发射信道的信号，并根据极大似然原理进行处理，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，106为具有两根天线的发射天线阵，表示两路独立的发射信道分别通过天线Ant1、Ant2进行发射；Rec则为接收端基于极大似然(ML)原理的接收机。

在接收端，同一空时编码块的接收信号可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1=h_1{S}_1-h_2{S}_2^{*}+n_1\\ r_2=h_1{S}_2+h_2{S}_{1+n_2}^{*}\end{array}---\left(1\right)\right.$

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，n₁和n₂为接收噪声。根据极大似然接收原理，可计算得到判决变量的信噪比(SNR，Signal Noise Ratio)为：

$\mathrm{SN}{R}_{\mathrm{STTD}}=\frac{{2\mathrm{\σ}}_0^2}{{\mathrm{\σ}}^2}{E}_s---\left(2\right)$

其中E_s代表发射信号功率，σ²为系统噪声功率，σ₀ ²表征无线信道衰落特性。

在上述方法中，两根天线一律按照平分的方式等分发射能量，并没有根据一定原则对发射能量在不同天线之间进行合理分配，因而无法达到性能上界，无法取得最优的发射效果。

发明内容

由于两路发射信道的衰落是彼此独立的，如果存在反馈信道，将接收端得到的当前无线信道信息分别反馈回发射端，使发射端能够根据反馈信息合理的分配发射能量，即可进一步提高系统性能。

基于上述思想，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方法，使其能对发射功率以自适应加权方式进行动态调整，从而提高系统性能增益，且操作简单、灵活。

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方法的系统，使其能完成发射功率的实时动态调整，且设计简单、易于实现，进而提高空时发射分集的系统性能。

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方法，至少包括以下步骤：

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；

c.发射功率确定后，发射天线阵按照当前发射功率值，将经过空时编码的输出信号从两根独立的天线发射出去；

d.接收端的接收机根据当前接收到信号，利用信道估计方法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；

e.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，计算两路发射信道发射功率新的自适应权重值，并根据该权重值进行发射功率调整。

该方法还进一步包括：当信道初始发射时，发射端按等分发射能量原则设置两根天线的发射功率权重初值为1/sqrt(2.0)。

在上述方案中，步骤a可进一步包括：设定输出的两路信号中一路保持与输入单元块相同，另一路为输入单元块共扼的逆序，且第一个输出符号取反。

步骤b可进一步包括：设定发射端的功率调整在无线信道的相干时间内实时进行且以时隙为单位。

步骤e中发射端获得无线信道的衰落幅度特性进一步包括：

e1.反馈信号处理模块收集反馈信道中分散分布的反馈信息(FBI)比特；

e2.反馈信号处理模块将所收集的FBI比特进行合并；

e3.反馈信号处理模块将合并后的FBI进行解码，得到代表无线信道衰落幅度特性的数值，输入最优权重计算模块。

在步骤e中设定上行发射的反馈信息(FBI)域为反馈信道，该反馈信道将估计的两路无线信道衰落幅度的特性信息送至发射端。

步骤e中的自适应权重值可直接根据两个无线信道衰落幅度特性，或根据两个无线信道衰落幅度的比值，来计算两路发射信道发射功率的自适应权重值。

本发明还提供了一种实现上述自适应加权空时发射分集方法的系统，至少包括发射端的空时编码模块、具有两根天线的发射天线阵以及接收端包含极大似然接收模块的接收机，关键是：发射端还进一步包括发射功率分配模块、反馈信道、反馈信号处理模块和最优权重计算模块；

待发射符号经过空时编码模块进行编码后，输出两路信号，发射功率分配模块调整该两路发射天线的发射功率值后，将该两路信号由发射天线阵中的两根天线分别发射出去，接收端的接收机接收并处理该发射信号后，通过反馈信道将当前无线信道衰落幅度的特性信息反馈回发射端的反馈信号处理模块，经处理得到的数值送至最优权重计算模块中计算新的发射功率权重值，该新权重值再送至发射功率分配模块调整发射功率。

在上述系统中，所述的反馈信道由物理通道中分散分布的FBI比特承载。

由上述方案可以看出，本发明的关键在于：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，以使系统性能更优。

本发明所提供的自适应加权空时发射分集方法及其系统，具有以下的优点和特点：

1)本发明根据反馈的有关无线信道的衰落幅度信息，可计算出当前不同天线发射能量的最优权重，合理分配发射能量，在不增加天线和其它设备的情况下，大大提高了系统性能，与现有STTD发射分集相比能够提高性能达1.55dB。

2)本发明仅仅需要反馈接收端观测到两路无线发射信道幅度特性的比值即可计算出最优权重值，大大减少了对反馈信道容量的需求。

3)本发明依据当前接收到的无线信道特性信息，实时调整发射功率值，形成自适应的调整机制，操作简单灵活。

4)本发明只在发射端增加了发射功率分配、反馈信号处理及最优权重计算三个模块，对现有系统改动较小，设计简单且易于实现。

5)经过仿真试验和理论分析证明，本发明的方法和系统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。

附图简要说明

图1为现有技术中STTD发射分集的系统组成结构示意图；

图2为本发明空时发射分集的系统组成结构示意图；

图3为本发明空时发射分集方法的流程图；

图4为本发明空时发射分集与现有空时发射分集性能对比的示意图。

实施本发明的方式

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、具有两根天线的发射天线阵106和接收端包含极大似然接收模块的接收机，特别是发射端还包括：反馈信道104、反馈信号处理模块102、最优权重计算模块103和发射功率分配模块105。其中，反馈信道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用于接收来自反馈信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则根据来自反馈信号处理模块102的有关无线信道特性信息，计算出两路发射信道的发射功率权重；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。

基于上述空时发射分集的系统，本发明空时发射分集的实现方法如图3所示，至少包括以下的步骤：

1)发射端将待发射符号按照一定的规则进行空时编码，且输入符号以每两个符号(s₁，s₂)为一个单元块，输出两路信号：一路保持与输入单元块相同，即输出(s₁，s₂)，另一路为输入单元块共扼的逆序，且第一个输出符号取反，即输出(-S₂ ^*，S₁ ^*)。

2)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，合理分配两路发射信道的发射功率。

其中，当信道初始发射时，每根天线按等分发射能量原则设置发射功率权重的初值，即w₁＝w₂＝1/sqrt(2.0)＝0.707。

对于发射功率的调整，实际上是在数字域中进行的一个乘法运算，经过乘法运算后的符号序列再进行调制变为模拟信号，之后由射频模块辐射出。该功率调整一般是在无线信道的相干时间内实时进行的，实现时可以时隙为单位进行。

3)当发射功率确定后，发射天线阵按照当前发射功率值，将经过空时编码的输出信号从两根独立的天线发射出去。

4)接收端的接收机依据极大似然接收原理(ML)将当前接收到的两路信号合并，分别估计无线信道响应，并通过反馈信道反馈给发射端，由反馈信号处理模块进行映射处理后，送至最优权重计算模块。

由于现有标准体系中，逻辑上的反馈信道是通过物理信道中分散分布的反馈信息(FBI)比特承载的，因此，在发射端需要有专门的模块把分散的FBI比特进行收集、合并，然后得到一个可以直接代表权重计算本身所需的无线信道衰落幅度比值的数值，也可以按照一定的编码方式将该比值编码成适于传输的比特流。因此，上面所述步骤4中的映射处理实际是指：经过“FBI比特接收”→“FBI比特合并”→“FBI解码”，得到所需真正数值的处理过程，该数值作为输入参数用于发射功率的权重计算。

5)然后，最优权重计算模块根据当前两路无线信道衰落幅度的特性信息，按照公式(3)计算出两路发射信道发射功率新的自适应权重w₁·w₂，并据此调整两根天线的发射功率。

$\left\{\begin{array}{c}{w}_1=\frac{{\left|h_1\right|}^2}{\sqrt{{\left|h_1\right|}^4+{\left|h_2\right|}^4}}\\ w_2=\frac{{\left|h_2\right|}^2}{\sqrt{{\left|h_1\right|}^4+{\left|h_2\right|}^4}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中h1和h2为反馈的无线信道衰落幅度特性。

由于公式(3)可以简化为另一种实现形式，因此，自适应权重也可直接根据当前两路无线信道衰落幅度的比值进行计算，即：

$\left\{\begin{array}{c}{w}_1=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\right|h_2|/|h_1\left|\right)}^4}}=\frac{1}{\sqrt{1+R^4}}\\ w_2=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\right|h_1|/|h_2\left|\right)}^4}}=\frac{1}{\sqrt{1+{(1/R)}^4}}\end{array},-,-,-,\left(4\right)\right.$

其中，R≡|h₂|/|h₁|，为两路无线信道衰落幅度特性的比值。

在实际应用中，计算发射功率权重也可以采用其它的计算模式，但经过一系列的理论计算和抽象证明：公式(3)和公式(4)是最优的。其最优体现在两个方面：一是该计算公式带来的性能上增益，与现有技术中等权重方式相比存在的增益能达到1.55dB；另一方面在于实现上的方便，通常其它非等权重的计算公式需要反馈两个无线信道响应的幅度信息和相位信息，而本方案只需反馈两个无线信道响应的幅度比值信息即可，如此可大大减少对反馈信道容量的要求，且在反馈信道容量一定的情况下大大提高反馈信息的可靠性。

图4即为本发明空时发射分集与现有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41为现有STTD发射分集的性能曲线，曲线42为本发明增加自适应加权调整发射功率后STTD发射分集的性能曲线。可以看出，当误码率相同时，增加自适应加权调整发射功率后STTD发射分集的信噪比值要比现有STTD发射分集的信噪比值低，也就是说，误码率相同时，本发明信号所需的发射功率低；从另一角度来看，当两条曲线的信噪比相同时，增加自适应加权调整发射功率后STTD发射分集的误码率明显比现有技术的误码率低。显而易见，本发明发射分集的性能提高了。

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 (10)

1、一种自适应加权空时发射分集方法，其特征在于该方法至少包括：

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；

c.发射功率确定后，发射天线阵按照当前发射功率值，将经过空时编码的输出信号从两根独立的天线发射出去；

d.接收端的接收机根据当前接收到信号，利用信道估计方法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；

e.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，计算两路发射信道发射功率新的自适应权重值，并根据该权重值进行发射功率调整。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法进一步包括：当信道初始发射时，发射端按等分发射能量原则设置两根天线的发射功率权重初值为1/sqrt(2.0)。

3、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：设定输出的两路信号中一路保持与输入单元块相同，另一路为输入单元块共扼的逆序，且第一个输出符号取反。

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：设定发射端的功率调整在无线信道的相干时间内实时进行且以时隙为单位。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤e中发射端获得无线信道的衰落幅度特性进一步包括：

e1.反馈信号处理模块收集反馈信道中分散分布的反馈信息FBI比特；

e2.反馈信号处理模块将所收集的FBI比特进行合并；

e3.反馈信号处理模块将合并后的FBI进行解码，得到代表无线信道衰落幅度特性的数值，输入最优权重计算模块。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤e进一步包括：直接根据两个无线信道衰落幅度特性计算两路发射信道发射功率的自适应权重值。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤e进一步包括：根据两个无线信道衰落幅度的比值计算两路发射信道发射功率的自适应权重值。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤e进一步包括：设定上行发射的反馈信息FBI域为反馈信道，将估计的两路无线信道衰落幅度的特性信息送至发射端。

9、一种实现自适应加权空时发射分集方法的系统，至少包括发射端的空时编码模块、具有两根天线的发射天线阵以及接收端包含极大似然接收模块的接收机，其特征在于：发射端还进一步包括发射功率分配模块、反馈信道、反馈信号处理模块和最优权重计算模块；

待发射符号经过空时编码模块进行编码后，输出两路信号，发射功率分配模块调整该两路发射天线的发射功率值后，将该两路信号由发射天线阵中的两根天线分别发射出去，接收端的接收机接收并处理该发射信号后，通过反馈信道将当前无线信道衰落幅度的特性信息反馈回发射端的反馈信号处理模块，经处理得到的数值送至最优权重计算模块中计算新的发射功率权重值，该新权重值再送至发射功率分配模块调整发射功率。

10、根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述的反馈信道由物理通道中分散分布的FBI比特承载。

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