CN1360765A - 用于无线通信系统的发射分集发射器和接收器 - Google Patents

Abstract

一种使用两个天线(9,10)的时空发射分集方案,其中码元的数据块(D22)与其它块的复共轭(D21^*)同时发射。采用合适的接收器(15)处理,仅少量地增加复杂性就可以恢复该码元。本发明可特别应用于操作在TDD模式下的CDMA系统。

Description

用于无线通信系统的发射分集发射器和接收器

本发明涉及使用天线阵的无线通信系统，并特别应用于那些诸如使用码分多址(CDMA)技术之类的多载波通信系统。

CDMA使用扩频信令，由此在该通信网络的个人用户使用相同的载波频率，但通过各自的扩频码的使用来区分。因此，在无线电频谱的部分内使用多个扩频码来分配多个通信信道，将每个码唯一地指配给接收站。

在某些系统内，将一个载波频率分配用于下行链路上的通信和将另一个载波频率分配用于上行链路上的通信。这就是所谓的FDD(频分双工)。

另一个系统使用是称为时分双工(TDD)的方法，在该方法中使用相同的频率用于上行链路和下行链路。在这种情况下，将重复的时帧结构划分成具有在上行链路方向使用的时隙区间以及具有在下行链路方向使用的另一时隙区间。

为了更有效地使用这些可用资源，已知某些系统利用通信信道的传播特性的知识来调整传输特性。大部分这些系统在链路的状态上使用信息的反馈。操作在TDD模式下的某些系统在一个方向上使用传播信道特性的计算估计，以在另一个方向调整传输的特性。

这样，从所接收的上行链路测量可以导出下行链路传播信道的特性的估算。

发射和接收设备可装配单个天线或天线单元阵。

通过提供更好的用于覆盖区域的天线图，相对于单个天线，天线阵可以提供改善的性能。

此外，人们一直在研究接收和发射分集方案，以便最优化使用天线阵的通信系统的接收和发射路径。在一个例子中，通过改变由天线阵中各个天线中的一个所检测的信号的加权，可以改变天线的图形以更好地检测来自特定方向的信号，或对多路径信号进行无损组合排列。通过测量接收器的输出，这些技术调整天线阵信号的加权以最大化接收路径增益。

发射分集方案可以明显改善所谓第三代系统或采用CDMA技术的UMTS(通用移动通信系统)的下行链路的性能。特别是为了改善这种系统的比特误码率(BER)特性已经使用了分集技术。然而，对于操作在时分双工模式(TDD)(其中对上行和下行链路使用同一载波频率)的CDMA系统，在移动站这可导致在信道估算的复杂性上的明显增加。

UMTS TDD模式使用TD-CDMA作为多址技术。在这个系统中，接收设备使用干扰抵消技术或联合检测以解码通信信号。

在使用直接序列扩频的CDMA系统中，将承载信息的信号施加到极其快速变化的称作为扩频序列的信号上。所增加的扩频信号频率带宽在传播媒介(频率选择性衰落)的频率响应中，对窄带干扰和无用频谱提供了抗扰性。此外，直接序列扩频的使用允许接收器提取包含在多个(K个)独立的扩频用户信号中的信息，这些独立的扩频用户信号同时占有相同的频率带宽。

K个用户信号的每个包括将其映射在对应的(可能多个值)调制码元上的逻辑数据位(±1)。该调制码元可以连续流的形式产生或以N个码元的块的形式产生。为了简化接收器的设计，通常大多采用线性调制方案(例如M平方幅度调制)。然后通过具有Q个码片长度和每个码元周期重复的第k个扩频序列(或码)，调制第k个用户信号(k＝1...k)的调制码元。为了在接收器方便地隔离该K个用户信号，选择该K个码序列以便其互相正交。然后，在到达接收器的检测级之前，将在发射器产生的K个信号中的每一个通过其各自的传播信道传送。传播信道表示发射滤波器、空中接口和接收滤波器的合成作用，并且可以由滤波器用具有W个码片长度的脉冲响应来标识。

通过合成传播信道的传播产生两种类型的干扰，其必须通过接收器的检测方案来处理：

码间干扰(ISI)-合成传播信道的滤波作用意味着在各自的K个扩频信号中的每一个内的码元与他们各自相邻的码元干扰。该ISI机制与在通过均衡处理防止码间干扰的非CDMA无线系统(例如，GSM)中观察到的是一致的。

多址干扰(MAI)-在发射器设计K个码序列使之互相正交。然而，通过合成传播信道的传播意味着该码在它们到达接收器的阶段时不再正交。由于这种不正交，该K个扩频信号的码元之间相互干扰，每个码元的作用对另一个就像噪声源。

在扩频序列的长度Q明显短于合成传播信道的长度W的环境下，则在接收器该扩频码基本上是互相正交的。在这种情况下，接收器可包括一个相关器的库(或匹配滤波器)，其每一个匹配到K个扩频信号中的一个。然后，第k个匹配滤波器的输出包括由第k个用户信号携带的调制码元的噪声估算。

在扩频序列的长度Q与合成传播信道的长度W处于可比较的环境下，所接收的多个信号是不互相正交的。结果第k个匹配滤波器的输出包括来自k-1个用户信号中其它信号的干扰。为了减少这种持续的MAI以及不可避免的ISI，必须在匹配滤波器的输出上进行另外的操作。将匹配滤波器和MAI-ISI消除的合成操作称为联合检测。联合检测方法试图通过抑制出现在所有的由K个用户信号携带的所发射码元中的相互干扰，来减小MAI和ISI。在典型的联合检测接收器中，所提供的接收器具有所有的码，因此在给定的时隙内可以对所有的信道解码。

在联合检测接收器中一个已知的估算未知发射码元序列的方法是零强制块线性均衡。通常地，使用传播信道估算和使用扩频码的知识可以解决联合检测方程式。

本发明寻求提供一开环发射分集方案，使用短的扩频序列(例如，UMTS TDD模式)应用到CDMA通信系统，而不用招致将非常复杂的内容增加到联合检测处理中。

另一个目的是提供发射分集方案，可将其应用到TD-CDMA通信系统中。

因此，本发明包括一发射器，该发射器包括用于发射在扩频通信系统中码元的数据块的至少第一和第二天线，还包括用于产生每个数据块的复共轭的装置，并适用于通过第一天线将第一数据块和通过第二天线将第二数据块的复共轭同时发射。

本发明还提供如下描述的接收器，用于对根据本发明发射的数据块解码。

本发明提供对本发明人来说已知的可选择的发射分集系统，在该系统中同时发射具有它们的复共轭的连续码元。然而，在这种已知的情况下，假设如果出现多径传播信道，则在接收端将有码元重叠，且重叠量依赖于传播信道的脉冲响应长度。在采用如UMTS TDD模式之类的短扩频序列的系统中，在联合检测接收器中不得不考虑这种码元重叠。这意味着在接收链路中，每个联合检测将不得不估算发射的码元和它们的共轭。由于联合检测需要矩阵的求逆，要检测的码元的数量是双倍的，所以联合检测矩阵的尺寸也是双倍的。因此，矩阵求逆的复杂性要乘以8。

相反，在本发明仅在块边缘发生重叠。如果选择的块的长度确实长于传播信道的长度，则这种重叠的作用几乎可以忽略。

此外，在接收器实现的联合检测将仅需要估算和单个发射天线的情况一样数量的码元。由于无需增加联合检测矩阵的大小，因此，可以获得开环发射分集增益而没有接收器的复杂性恶化。

现在将通过例子参考附图说明本发明的一些实施例。其中：

图1是没有结合发射分集的现有收发信器链路的方框图，

图2是根据本发明的收发信器链路的方框图，并且包括时空发射分集。

在图1中，指定1为典型的TD-CDMA短脉冲串结构，该结构被用于在给定帧的每个时隙中发射信息。

将由单个天线2发射的数据分成两块D1和D2，通过中间缓冲(mid-amble)训练序列M将其隔开。在接收器3使用该中间缓冲以估算传播信道4。

在图1的已知设备中，通过两个联合检测模块6和7，将在单个天线5接收的短脉冲串解码，其中第一联合检测模块6从所接收的短脉冲串的第一部分中输出包含D1的数据的估算，联合检测模块7从所接收的短脉冲串的第二部分中输出包含D2的数据的估算。

图2显示根据本发明的TD-CDMA模式的结合有时空发射分集的收发信器电路及其操作。

发射器8具有两个天线9和10，用于通过两个各自的传播信道13和14，同时发射两个不同的短脉冲串11和12。提供的每个短脉冲串11，12具有各自的中间缓冲序列M1和M2，用于在接收器15根据已知的方法估算两个信道13和14。

将要发射的数据块(在图1的已知例子中称为D1和D2)，在发射器中将每个分成两个子块D11和D12以及D21和D22，以形成第一短脉冲串11。发射器8也适合于产生这些数据子块的每个的复共轭，以形成第二短脉冲串12，这里这个短脉冲串12包括子块-D12^*、D11^*、M2、-D22^*、D21^*，其中负号表示二进制补码，星号表示复共轭。

在操作中，发射器8在包括脉冲串(未计中间缓冲序列)的第一个四分之一帧中并通过天线9和10，发射子块D11和-D12^*。在第二个四分之一帧发射数据子块D12和D11^*，在第三个四分之一帧其发射数据子块D21和-D22^*，在第四个四分之一帧发射数据子块D22和D21^*。

在接收器15，单个天线16接收由发射天线9和10发射的信号。所接收的短脉冲串17包含来自于天线9和天线10的混合信息。短脉冲串17包括子块R11、R12，中间缓冲及R21及R22。接收的每个子块包括在由发射器8(通过天线9、10)并行发射的对应的子块内包含的混合信息，并通过两个传播信道13、14滤波。在接收器15，第一联合检测模块18在第一和第二个四分之一帧处理所接收的数据，并从包括R11和R12^*的输入中估算数据块D11和D12。第二联合检测模块19在第三和第四个四分之一帧处理所接收的数据，并从包括R21和R22^*的输入中估算数据块D21和D22。联合检测模块18和19都可以根据已知技术来操作。

模拟结果已经显示，本发明在BER上提供了真正的增益，高于没有配置发射分集的TD-CDMA系统，并且与其他已知分集技术相比也可获得增益。

在可选择的实施例中，可以将图1中的数据块D1和D2分成多于两个子块。在这种情况下，只要提供的子块长度保持显著地长于传播信道的长度，就不会降低本发明的性能。

联合检测并非是接收器15唯一的实施方案，对于本领域的技术人员来说其它选择将是明显的。

Claims (3)

1.一种包括至少第一和第二天线(9，10)的发射器(8)，用于发射扩频通信系统中的码元数据块(D11，D12，D21，D22)，其包括用于产生每个数据块的复共轭(-D12^*，D11^*，-D22^*，D21^*)的装置，并适合于通过第一天线(9)和通过第二天线(10)将第一数据块和第二数据块的复共轭同时发射。

2.一种包括第一和第二天线(9，10)的发射器(8)，并适用于通过第一天线(9)发射包括第一、第二、第三和第四数据块(D11，D12，D21，D22)的第一短脉冲串(11)，以及适合于通过第二天线(10)与第一短脉冲串同时发射的也包括四个数据块(-D12^*，D11^*，-D22^*，D21^*)的第二短脉冲串(12)，其中该发射器(8)进一步适用于依次发射：通过第一天线(9)的第一数据块(D11)，其与通过第二天线(10)的第二块的复共轭的二进制补码(-D12^*)一起发射；接下来是通过第一天线(9)的第二数据块(D12)，其与通过第二天线(10)的第一块的复共轭(D11^*)一起发射；接下来是通过第一天线(9)的第三块(D21)，其与通过第二天线(10)的第四块的复共轭的二进制补码(-D22^*)一起发射；接下来是通过第一天线(9)的第四块(D22)，其与通过第二天线(10)的第三数据块的复共轭(D21^*)一起发射。

3.一种用于接收根据权利要求2发射的第一和第二短脉冲串(11，12)的接收器(15)，其包括第一和第二联合检测模块(18，19)，所述的第一模块(18)适用于估算第一和第二数据块(D11，D12)，以及所述的第二模块(18，19)适用于估算第三和第四数据块(D21，D22)。

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