CN1602086A - 在两发一收天线系统中消除发射天线之间相关性的系统 - Google Patents

Abstract

一种两发一收的天线系统中天线间相关性的消除系统，在发射端包括：调制器，用于调制输入的比特流；多天线编码器，用于对调制以后的符号进行编码，并分配到各个天线上去；预均衡器，用于消除信道的相关性；在接收端包括：多天线译码器，用于对接收的信号进行多天线译码；解调器，用于解调从译码器出来的符号；信道估计器，用于估计信道，所述信道估计器在统计出信道相关系数后，将信道相关系数反馈到发射端的预均衡器，用于消除信道的相关性。本发明采用了去相关方案之后通信性能有很大提高。在实际系统中我们没有办法精确估计出天线之间的相关性，因此通信性能的提高会受到一些限制。但其结果表明采用了去相关的方案之后通信性能还是提高了不少。

Description

在两发一收天线系统中消除发射天线之间相关性的系统

技术领域

本发明属于多天线通信系统中的信息传输领域，主要涉及用于消除天线之间相关性的系统。

背景技术

使用多天线系统是一种有效的提高系统性能的方法。现有的多天线系统一般采用空时编码或BLAST编码来实现。而空时编码包括空时分组码和空时格码两种。

下面说明空时分组编码，图2是两发一收空时分组编码的发射和接收原理图。

(1)在第一个信号周期，两个信号S₀，S₁通过天线0和天线1同时发送出去；在下一个信号周期，(-S^* ₁)从第0个天线发送，S^* ₀从第1个天线发送，其中*表示复数的共轭。

(2)假设在t时刻的信道乘性干扰为h₀(t)(天线0)、h₁(t)(天线1)，且连续的两个符号对应的干扰为常量。即h₀(t)＝h₀(t+T)＝h₀

                                h₁(t)＝h₁(t+T)＝h₁

其中T为符号持续时间，则接收信号可以写成

             r₀＝r(t)＝h₀s₀+h₁s₁+n₀

$r_1=r(t+T)=-h_0{s}_1^{*}+h_1{s}_0^{*}+n_1$

其中r₀和r₁是在t和t+T时刻的接收信号；n₀和n₁是接收机的加性噪声。

(3)在接收端通过下面公式进行组合

(4)使用最大似然判决规则进行判决

对于PSK调制，信号S₀，S₁的判决规则可由公式

|s_i|²＝|s_k|²＝E₀     i，k

来表示。

通过上述的过程，最终可得到信号值。

研究多天线通信系统性能时，一般假设多天线信道之间是相互独立的，图3就是在这种假设条件下得出的空时分组码的两发一收性能(BER)曲线。

在这里采用了OFDM系统，载波频率为2G，带宽为2²⁰＝1.048576MHz，载波数为256，CP长度为64，采用了空时分组码，QPSK调制，最大多普勒频率为10Hz，信道为频率选择性瑞利信道。图3中，1Tx-1Rx表明曲线是一个发射天线、一个接收天线时得出的性能曲线；而2Tx-1Rx表明曲线是两个发射天线、一个接收天线时得出的性能曲线。

实际的多天线信道是相关的，即b中的h₀(t)(天线0)、h₁(t)(天线1)是有一定相关性的，并不是独立的，因此系统性能会随着相关性的增加而变差。

下面以用于OFDM系统的空时分组码(两发一收)为例(图4)，来说明信道相关性对性能的影响。在这里采用了OFDM系统，载波频率为2G，带宽为2²⁰＝1.048576MHz，载波数为256，CP长度为64，QPSK调制，最大多普勒频率为10Hz，信道为频率选择性瑞利信道。

图4中r＝0表示两天线之间是独立的，也就是相关性为0；

r＝0.1表示两天线之间的相关性系数为0.1；

r＝0.3表示两天线之间的相关性系数为0.3；

r＝0.6表示两天线之间的相关性系数为0.6；

r＝0.9表示两天线之间的相关性系数为0.9；

在这里可以看出天线相关性对系统性能影响很大，需要找出一种方法来克服或消除这种天线信道相关性。

发明内容

本发明的目的是提供一种在两发一收天线系统中消除发射天线之间相关性的方法，以便消除两天线信道之间的相关性，提高通信性能。

为实现上述目的，一种两发一收的天线系统中天线间相关性的消除系统，在发射端包括：

调制器，用于调制输入的比特流；

多天线编码器，用于对调制以后的符号进行编码，并分配到各个天线上去；

预均衡器，用于消除信道的相关性；

在接收端包括：

多天线译码器，用于对接收的信号进行多天线译码；

解调器，用于解调从译码器出来的符号；

信道估计器，用于估计信道，所述信道估计器在统计出信道相关系数后，将信道相关系数反馈到发射端的预均衡器，用于消除信道的相关性。

本发明采用了去相关方案之后通信性能有很大提高，在实际系统中我们没有办法精确估计出天线之间的相关性，因此通信性能的提高会受到一些限制。但其结果表明采用了去相关的方案之后通信性能还是提高了不少。实际系统中，反馈信息会产生错误，但即使反馈信息有错误发生，也可以通过加入信道编码等方法，使得反馈错误率很低，通信性能不会受太大影响。

附图说明

图1是两发一收天线系统中消除信道相关性系统的原理图；

图2是两发一收空时分组编码的发射和接收原理图；

图3是两发一收空时分组码的性能曲线；

图4是不同信道相关性下的性能曲线比较；

图5是采用精确的消除信道相关性的性能曲线；

图6是两信道间相关性随距离d变化的曲线；

图7是信道相关性的消除方法在各种条件下的性能比较。

具体实施方式

传统的两天线系统中，在发射端信息比特流经过调制和多天线编码直接进入信道h₀和h₁，接收端进行信道估计和多天线译码、解调，并得出信息比特。

本发明提出在传统的多天线编码之后加入一个消除信道相关性的预均衡器(图1中的Elim-correlation Pre-equalizer)，并在接收端统计出信道相关系数后将其反馈到发射端的预均衡器。

假设在某一个时间段，图1中的信道h₀和h₁有一定相关性，其相关系数为r，则h₀和h₁可以表示为 $\left(\begin{array}{c}{h}_0\\ h_1\end{array}\right)=L\·\left(\begin{array}{c}{h}_{0\mathrm{indep}}\\ h_{1\mathrm{indep}}\end{array}\right)$ (r和L可以互换)，其中h_0indep和h_1indep为两个相互独立的信道。

r和L可以互换，其方式如下：

已知相关系数为r，根据 $r=\frac{(1+g)E_i\left(\frac{2\sqrt{\left|g\right|}}{1+\left|g\right|}\right)-\frac{\mathrm{\π}}{2}}{2-\frac{\mathrm{\π}}{2}}$ (E_i为椭圆积分)，求出g，再根据 ${\mathrm{LL}}^T=\left(\begin{array}{cc}1& g\\ g& 1\end{array}\right)$ (Cholesky factorization)，得出一个下三角矩阵L。

接收机通过信道估计器(Channel estimator)统计出这个时间段的信道相关系数(Corr-Coefficient)  r，并将其反馈到发射机。发射机的预均衡器对反馈信息进行上述的数学变换，得出矩阵L，并取它的逆矩阵E_pre＝L^-1，使得信号的等效信道h_0equivalent和h_1equivalent变得相互独立，即无相关性。即 $\left(\begin{array}{c}{h}_{0\mathrm{equivalent}}\\ h_{1\mathrm{eauivalent}}\end{array}\right)=E_{\mathrm{pre}}\·\left(\begin{array}{c}{h}_0\\ h_1\end{array}\right)=L^{-1}\·L\·\left(\begin{array}{c}{h}_{0\mathrm{indep}}\\ h_{1\mathrm{indep}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{h}_{0\mathrm{indep}}\\ h_{1\mathrm{indep}}\end{array}\right)$

接收机统计并反馈的是前一个时间段的相关系数，因此，反馈的信息在下一个时间段可能不太精确，但可以通过调整统计和反馈周期，使得相关系数非常接近实际值，因此，在统计意义上，最终可以提高系统性能。

实施例1

本实施例采用了OFDM通信系统，载波频率为2G，带宽为2²⁰＝1.048576MHz，载波数为256，CP长度为64，采用了空时分组码(两发一收)，QPSK调制，最大多普勒频率为10Hz，信道为频率选择性瑞利信道。

在这里，两天线信道的相关性保持不变，因此预均衡器(Elim-correlation Pre-equalizer)可以精确地消除信道相关性。其性能(BER)曲线如图5所示。

图中，r＝0(independent channel)表示两天线之间的相关性系数为0；

      r＝0.6表示两天线之间的相关性系数为0.6；

      r＝0.6 and elim-correlation表示两天线之间的相关性系数为0.6，且采用了精确的elim-correlation方案。

在图5中，可以看出采用了精确的elim-correlation方案之后，性能改善明显且与信道独立时性能相近。

实施例2

本实施例采用了两天线信道间的相关性模型，下面就是求信道间相关系数的公式。

$R_{12}(\mathrm{\τ},d_{\mathrm{sp}})=\exp \left[j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(d_1-d_2)\right]\×{\mathrm{\σ}}^2{J}_0\left[2\mathrm{\π}\sqrt{{(f_D\mathrm{\τ}\cos \mathrm{\ξ}+\frac{Z_c}{\mathrm{\λ}})}^2+{(\frac{Z_s}{\mathrm{\λ}}-f_D\mathrm{\τ}\sin \mathrm{\ξ})}^2}\right]$

$Z_c=\frac{2a}{d_1+d_2}[d_{\mathrm{sp}}-(d_1-d_2)\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\β}]$

其中 $Z_s=\frac{2a}{d_1+d_2}(d_1-d_2)\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\β}$

τ                      两信道的时间差；

d_sp        两天线之间距离；

λ                      波长

d₁和d₂   分别是两个发射天线到接收天线的距离；

σ²       衰落信道的能量；

f_D        有移动台移动引起的多普勒扩展；

ξ                     移动台的运动角度；

a          移动台附近散射环的半径；

β                     移动台的位置与基站两天线间的夹角；

d          移动台到基站的距离。

在这里取了常用的一些参数，λ＝1，τ＝0，a＝20λ，d_sp＝27λandβ＝π/4，得出了相关系数的绝对值随d变化的曲线(图6)。

本实施例采用了OFDM通信系统，载波频率为5G，带宽为20MHz，载波数为256，CP长度为64，采用了空时分组码(两发一收)，QPSK调制，最大多普勒频率为1000Hz，信道为频率选择性瑞利信道。

假设移动台从d＝40m的位置以216km/h的速度移动到d＝200m的位置，即d＝666.7λ移动到了d＝3333λ。

根据上述模型我们可以得到基于空时分组码的去相关(elim-correlaion)方案的性能(BER)曲线(图7)。

图7中，曲线no elim-correlation是在不采用去相关方案时的性能曲线；

elim-correlation是在采用了去相关方案(相关系数的统计估计)且不考虑反馈错误的情况下的曲线；

Perfect elim-correlation是采用了精确的去相关方案(相关系数的精确估计)且不考虑反馈错误的情况

而elim-correlation and feedback error是在采用了去相关方案(相关系数的统计估计)且考虑到反馈错误概率为0.001的情况下的曲线。

从图7中可以看出：

a)采用了去相关方案之后通信性能有很大提高；

b)在实际系统中我们没有办法精确估计出天线性，因此通信性能的提高会受到一些限制。但其结果表明采用了去相关的方案之后通信性能还是提高了1-2dB。

c)实际系统中，反馈信息也会产生错误，因此，考虑反馈错误0.001时，通信性能会有所降低，但影响不是很大。

Claims (5)

1、一种两发一收的天线系统中天线间相关性的消除系统，在发射端包括：

调制器，用于调制输入的比特流；

多天线编码器，用于对调制以后的符号进行编码，并分配到各个天线上去；

预均衡器，用于消除信道的相关性；

在接收端包括：

多天线译码器，用于对接收的信号进行多天线译码；

解调器，用于解调从译码器出来的符号；

信道估计器，用于估计信道，所述信道估计器在统计出信道相关系数后，将信道相关系数反馈到发射端的预均衡器，用于消除信道的相关性。

2.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述预均衡器对反馈的信道相关系数进行数学变换，得出矩阵L，并取它的逆矩阵E_pre＝L^-1，使得信号的等效信道h_0equivalent和h_1equivalent变得相互独立。

3.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述相关系数反馈包括统计前一个反馈周期的信道相关系数作为当前的反馈信息。

4.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述相关系数反馈包括统计前两个反馈周期的信道相关系数作为当前的反馈信息。

5.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述信道包括赖斯信道和瑞利信道。

Images