CN1650541A - 使用多发射多接收天线阵列的无线通信 - Google Patents

Abstract

一种在发射机(1)和接收机(3)之间的闭环多流无线通信方法，发射机包括具有N个发射天线元件的发射天线阵列，接收机包括具有M个接收天线元件的接收天线阵列(4)，其中从发射天线阵列发射多个不同数据流(x₁，x₂)到接收天线阵列，并在将数据流提供到发射天线阵列之前用各自复加权矩阵对其加权。在接收机分离并估计不同的数据流。不同的数据流(x₁，x_G)被提供到发射天线元件的各个子组(6，7)，至少子组之一包括多个发射天线元件，每个子组至少包括N_d个发射天线元件，其中M大于或等于(N/N_d)。复加权矩阵(v₁到v_n)是数据流(x₁到x_G)的各个传输信道(h_ij)的函数，包括各个发射天线元件子组。N_d优选大于或等于2。计算每个复加权矩阵，实际等于对应矩阵H^HH最大本征值的本征向量，其中H是包括对应数据流所经历的各个发射天线元件子组(6，7)的等效信道的矩阵，H^H是矩阵H的Hermitian变换。优选可在操作期间，作为信道条件的函数，重新配置在各个子分组中的发射天线元件的数目。

Description

使用多发射多接收天线阵列的无线通信

技术领域

本发明涉及使用多发射多接收天线阵列的无线通信，即发射和接收站都包括天线元件阵列。在给定站的天线元件用于发射和接收的例子中，在此称为“发射机”、“发射天线”、“接收机”或“接收天线”的都被解释为在操作中它们所执行的功能。

背景技术

无线通信系统对于数据传输的重要性正日益增加，应当理解，在数据的最广泛意义上覆盖例如语音或其他声音和图像以及抽象数字信号。

当前建议的用于无线通信系统的标准包括3GPP(第三代合作组项目)和3GPP2标准，它们使用码分多址(CDMA)以及频分双工(FDD)或时分双工(TDD)；欧洲电信标准委员会(ETSI)的HEPERLAN和HIPERLAN2局域网标准，它们使用时分双工(TDD)；以及国际电信联盟(ITU)的IMT-2000标准。本发明适于这些类型的系统以及其他无线通信系统。

为改进系统的通信性能而同时降低系统对噪声和干扰的敏感，同时限制传输功率，分别或组合使用不同的技术，包括：空时分集，其中在不同发射和/或接收天线元件传送相同数据；以及频率扩展，例如正交频分多路访问(OFDM)，其中在用子载波频率区分的不同信道上扩展相同数据。

在接收机，使用复合信道衰减和相位偏移知识，信道状态信息(CSI)，来执行符号检测。在接收机通过测量和数据一起从发射机发射的导频信号的值获得信道状态信息。信道知识允许根据最大比例组合技术联合处理接收的信号，在该技术中，接收信号和估计信道转移矩阵的Hermitian转置相乘。

两种管理发射分集的方式被分为“闭环”和“开环”。在闭环信号传输中，在接收机使用和传输信道相关的信息来改进通信。例如，提交给ETSI UMTS物理层专家组的文献Tdoc SMG2 UMTS-L1 318/98说明了发射自适应阵列(TxAA)FDD方案的操作，其中在各发射天线，专用信道和相同数据以及代码一同发射，但具有各天线特定的幅度以及相位加权。接收机使用公共信道上传送的导频分别估计来自各个天线的信道。接收机估计应当在发射机使用的加权以最大化在接收机接收的能量，量化该加权，并将其反馈给发射机。发射机应用各个量化加权到从阵列的各个发射天线发射的信号的幅度和相位。可选地，在TDD系统中，用于加权提供到下行链路发射天线的信号的信道状态信息可从上行链路信号导出，假定信道是相等的，并且不从接收机传送任何特定信道或加权信息到发射机。

多发射多接收(MTMR)分集方案，实际上以空时分集在不同发射和接收天线元件的组合上传送相同信号，可以提供显著的信噪比(SNR)增益，并因此运行在低SNR，允许通过使用高阶调制提高频谱效率。可选地，在多流(multi-stream)无线通信方案中，可在发射和接收天线元件阵列之间传送不同信号以允许高频谱效率。然而，建议的此种多流方案仅在高SNR才是可行的，并要求复杂的接收机(对于N-发射M接收天线配置，M必须大于等于N)，从而能在接收机提取不同的发射信号。

开环多流单用户方案的一个例子是贝尔实验室分层空时(BLAST)方案，在1996年秋贝尔实验室技术期刊第1卷第2期41-59页G.J.Foschini的名为“Layered Space-Time Architecture for WirelessCommunication in a fading Environment When Using Multiple Antennas(当使用多天线时在衰落环境中用于无线通信的分层空时结构)”中说明。

可与上述方案替换的用于多流传输的闭环方案(在闭环方案中在发射机使用信道知识)在2001年10月亚特兰大的车用技术会议上Mansoor Ahmed，Joseph Paulter和Kamyar Rohani的名为“CDMAReceiver Performance for Multiple-Input Multiple-Output AntennaSystems(用于多输入多输出天线系统的CDMA接收机性能)”的文章中说明。显示该通信系统原理的示意图显示在附图1中。

这样的方案受限于分集增益和频谱效率之间的折衷，因此可操作SNR的范围被限制，除非提高复杂性或使用高调制星座图(例如比64QAM高)。本发明提供在分集增益和频谱效率之间折衷的重大改进。

发明内容

本发明提供如在权利要求中所述的用于使用多发射多接收天线阵列的无线通信的方法和设备。

附图说明

图1是已知通用多流单用户通信系统的示意图，

图2是作为例子给出的根据本发明一个实施例的多流通信系统的示意图，

图3是显示对于不同频谱效率，图2系统的性能的图，

图4是显示图2系统和具有相同数目发射天线元件但具有不同数目接收天线元件的开环系统的性能比较的图，和

图5是显示图2系统和具有相同数目发射和接收天线元件的开环系统的性能比较的图。

具体实施方式

图1显示已知多流无线通信系统，该系统包括发射机站1和接收机站3，发射机站包含具有N个发射天线元件的发射天线阵列2，接收机站包含具有M个接收天线元件的接收天线阵列4。在图1所示例子中，N＝M＝2。从发射天线阵列2发射多个不同数据流x₁到x_F(在图1的例子中F＝2)到接收天线阵列4，并用各个复加权系数v_n，f在数据流被应用到发射天线阵列之前加权数据流，这里n代表第n个发射天线元件，f是第f个数据流。在接收机站线性或非线性接收机5中分离并估计不同的数据流，以产生检测的信号s₁和s₂。

在图1所示例子中，N＝M＝F＝2，传播信道可表示为矩阵 $\underset{\‾}{H}=\left[\begin{array}{cc}{\underset{\‾}{h}}_{11}& {\underset{\‾}{h}}_{12}\\ {\underset{\‾}{h}}_{21}& {\underset{\‾}{h}}_{22}\end{array}\right].$ 在摩托罗拉开发的以上Mansoor Ahmed，Joseph Paulter和Kamyar Rohani的文章中说明的闭环系统中，在发射机使用信道知识，用于多流传输。该方案要求应用到发射天线的加权矩阵的知识，V＝[V1，V2]，其中V1＝[v_1，1，v_2，1]^T和V1＝[v_2，1，v_2，2]^T是 H ^H H(T和H分别表示转置和共轭转置)的两个本征向量。图1所示输入n₁和n₂表示加到信号信道中的噪声。假定在以下分析中该噪声与具有方差σ²的复数高斯随机值(AWGN噪声)独立同分布(i.i.d)。最后y₁和y₂表示分别在接收天线阵列2的两个天线上接收到的信号。

应当理解，在以上涉及G.J.Foschini的文章中说明的BLAST技术和设定v_1，1＝v_2，2＝1以及v_1，2＝v_2，1＝0相同，即各数据流仅在分别的单个发射天线元件上发射，在发射机(开环)不使用任何信道知识。

还应当理解，在通用TxAA闭环发射分集方案中，按照对应最大H ^H H本征值的本征向量发射单个流，从而V1＝[v_1，1，v_2，1]^T和V2＝0。这是闭环单流单用户方案，而在图1所示双流TxAA中，两个本征向量V1和V2都使用。

在高速下行链路共享信道(HS-DSCH)通信环境中的分析得到两个关于双流TxAA的主要结论。第一个结论是，在低SNR(大约-5dB)，用turbo码，H-ARQ和注水(water-fill)闭环双流方案和开环双流方案比较，可以在平均吞吐量(比特/码片间隔)上提供50％的增加。第二个结论是，对于闭环双流方案，非线性接收机的性能(平均吞吐量)和线性接收机的近似，即在发射机使用信道知识消除了非线性处理的需要。

然而，发现单流闭环发射分集(TxAA)在中和低SNR(-5到10dB)以及平均吞吐量0.5-3比特/码片间隔提供最佳性能。这是非常重要的，假定在蜂窝系统(例如特别是CDMA系统)中出现高SNR情况(＞10dB)的概率很小。

图2所示本发明的实施例利用闭环发射分集，同时通过使用多流技术增加了数据速率。图2中和图1类似的元件使用相同标记。

本发明的此实施例通常适于从发射天线元件的各个子组发射F个数据流的情况，其中至少一个子组包括多个发射天线元件。在本发明的优选实施例中，发射天线元件的各个子组包括相同数目N_d的发射天线元件。在本发明的另一个实施例中，发射天线元件的各个子组包括不同数目的发射天线元件，每个子组至少包括N_d个发射天线元件。优选地，如在本发明实施例中的，任何子组中发射天线元件的最小数目N_d至少是2。在子组中使用多于一个天线改进了数据流通信的分集，而多于一个子组的使用通过经子组发射不同信号提高了频谱效率。配置的选择，包括在各个子组中发射天线元件的数目以及N和N_d，是优化问题，可用例如在给定应用环境中信道条件和目标性能的函数方程表示。

根据目标性能和运行的SNR，可以选择N_d以及组数目，从而提供所需的分集和频谱效率。此外，还可以选择设定N_d和组数目，从而不是用所有N个天线，节约在接收机的计算复杂性。可在信道质量良好的例子中使用此配置，从而SNR高而目标性能低。在本发明的一个实施例中，在系统操作期间改变总计使用以及各子组中的天线数目和N_d值，从而适应当前信道条件和目标性能的选择。

在接收机侧，本发明的实施例通常适于数目为M的接收天线，其中M大于或等于(N/N_d)。

为简明起见，本发明的优选实施例显示在图2中，用于2数据流、4发射天线以及2接收天线(N＝4，N_d＝2，M＝4)的例子。图2所示多流无线通信系统包括发射机站1和接收机站3，发射机站1包括具有两个发射天线元件的发射天线阵列2，接收机站3包括具有两个接收天线元件的接收天线阵列4。线性或非线性接收机5分离，解码并解调在接收天线阵列4接收的信号。

发射天线阵列2的元件连接在两个子组6、7中。分别从发射天线子组6和发射天线子组7发射两个不同的数据流x₁和x₂到接收天线阵列4。在将数据流x₁提供给子组6的两个发射天线元件之前分别用复加权系数v₁和v₁加权，而在将数据流x₂提供给子组7的两个发射天线元件之前分别用复加权系数v₃和v₄加权。在接收机站线性或非线性接收机5中分离并估计不同的数据流，以产生检测信号s₁和s₂。

在图2所示例子中，N＝M＝N_d＝2，传播信道可用两个矩阵 $\left[\begin{array}{cc}{\underset{\‾}{h}}_{11}& {\underset{\‾}{h}}_{12}\\ {\underset{\‾}{h}}_{21}& {\underset{\‾}{h}}_{22}\end{array}\right]$ 和 $\left[\begin{array}{cc}{\underset{\‾}{h}}_{31}& {\underset{\‾}{h}}_{41}\\ {\underset{\‾}{h}}_{32}& {\underset{\‾}{h}}_{42}\end{array}\right]$ 表示，其中h_ij代表从第i个发射天线元件到第j个接收天线元件的信道。

然后可如下表示接收的信号向量：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{u}_1& u_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right]$ 公式1

其中

$u_1=\left[\begin{array}{cc}{\underset{\‾}{h}}_{11}& {\underset{\‾}{h}}_{12}\\ {\underset{\‾}{h}}_{21}& {\underset{\‾}{h}}_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_1\\ v_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{h}}_{11}{v}_1+{\underset{\‾}{h}}_{21}{v}_2\\ {\underset{\‾}{h}}_{12}{v}_1+{\underset{\‾}{h}}_{22}{v}_2\end{array}\right],$ $u_2=\left[\begin{array}{cc}{\underset{\‾}{h}}_{31}& {\underset{\‾}{h}}_{41}\\ {\underset{\‾}{h}}_{32}& {\underset{\‾}{h}}_{42}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_3\\ v_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{h}}_{31}{v}_3+{\underset{\‾}{h}}_{41}{v}_4\\ {\underset{\‾}{h}}_{32}{v}_3+{\underset{\‾}{h}}_{42}{v}_4\end{array}\right]$

公式2

以及其中数据流用各自复加权系数v_n，f加权，n表示第n个发射天线元件，f是第f个数据流，y₁和y₂表示分别在接收天线阵列2的两个天线上接收到的信号，n₁和n₂表示加到信号信道中的噪声，再次被假定为和具有方差σ²的复数高斯随机值(AWGN噪声)独立同分布(i.i.d)。

以向量形式重写公式(1)，我们获得：

Y＝H_equx+N                  公式3

其中

$H_{\mathrm{equ}}=\left[\begin{array}{cc}{u}_1& u_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\underset{\‾}{h}}_{11}{v}_1+{\underset{\‾}{h}}_{21}{v}_2& {\underset{\‾}{h}}_{31}{v}_3+{\underset{\‾}{h}}_{41}{v}_4\\ {\underset{\‾}{h}}_{12}{v}_1+{\underset{\‾}{h}}_{22}{v}_2& {\underset{\‾}{h}}_{32}{v}_3+{\underset{\‾}{h}}_{42}{v}_4\end{array}\right]$ 公式4

以及H_equ的维度是2×2。

在线性最小均方差(MMSE)接收机输出的估计符号(流)由以下给出：

s＝GY＝GH_equx+GN            公式5

其中G＝(H_equ ^HH_equ+σ²I)^-1H_equ ^H是MMSE接收机的转移函数，I是单位矩阵，上标H代表转置共轭操作。

对于各个流，选择系数V₁＝[v₁，v₂]^T和V₂＝[v₃，v₄]^T，从而在单位标准约束下最大化接收功率P，从而使总发射功率也归一化。V₁和V₂的解析解也称为本征滤波器解(参见由Prentice Hall出版的SimonHaykin的“Adaptive filter theory(自适应滤波器理论)”，第4.4和4.5章)，是对应矩阵H₁ ^HH₁和H₂ ^HH₂的最大本征值的本征向量，其中

$H_1=\left[\begin{array}{cc}{\underset{\‾}{h}}_{11}& {\underset{\‾}{h}}_{21}\\ {\underset{\‾}{h}}_{12}& {\underset{\‾}{h}}_{22}\end{array}\right],H_2=\left[\begin{array}{cc}{\underset{\‾}{h}}_{31}& {\underset{\‾}{h}}_{41}\\ {\underset{\‾}{h}}_{32}& {\underset{\‾}{h}}_{42}\end{array}\right]$ 公式6

使用公式(6)，在接收机输出端分离并估计两个流，因此获得频谱效率的阶2的改进。此外，对于相干组合和分集增益，选择天线系数V₁和V₂以最大化各个流的接收机输出功率。

本发明此实施例的性能，指的是多流发射自适应天线(M-TxAA)，显示在图3，4和5中，用于不同的N，N_d，M值和频谱效率，例如N＝4，N_d＝2，M＝2。根据未编码误比特率(BER)估计该性能，该误比特率是每比特发射能量对噪声之比(Tx Eb/No)的函数。

用本发明实施例获得的结果显示在图3中，以下不同编码方案用于不同频谱效率：二进制相移键控(BPSK)，正交相移键控(QPSK)，以及具有每星座图16和64符号的正交幅度调制(QAM-16和QAM-64)。

图4显示本发明实施例(M-TxAA)和具有相同数目发射天线元件(四)和四个接收天线元件、而不是本发明实施例的两个接收天线元件的开环系统(OL)的性能比较。可以看出，对于给定的Tx Eb/No范围[6-20dB]，和多流开环方案(BLAST)相比，当使用M-TxAA时性能大大提高。此外，对于给定SNR和未编码BER，(例如3e^-2和20dB)，M-TxAA获得12比特/符号的比特率(R＝2×6)，比开环多流方案高50％。另一方面，对于固定比特率和给定未编码BER(例如8比特/符号和3e^-2)，M-TxAA可在16.5dB SNR操作，比开环多流方案低3.5dB。注意到，对于图3和4，M-TxAA仅在接收机使用M＝2个天线，因此移动复杂性降低，而开环多流需要至少M＝4个接收天线。

图5显示本发明实施例(M-TxAA)和具有相同数目发射天线元件和接收天线元件的开环系统(OL)的性能比较。可以看出，对于给定的频谱效率，例如8比特/符号，以及给定的未编码BER，例如3e^-2，M-TxAA可操作在10.0dB SNR，比开环多流方案低10dB。此外，在相同的3e^-2未编码BER，对于比特速率比开环(12比特/符号而非8比特/符号)高50％，M-TxAA仍可以运行在14dB SNR，即低4dB。

加权V₁＝[v₁，v₂]^T和V₂＝[v₃，v₄]^T的量化可如在当前3GPP Rel’99闭环发射分集方案中规定的一样执行。元素v₁和v₃可固定到恒定功率，v₂和v₄可设定为相对幅度和相位(分别相对于v₁和v₃)。因此仅需要反馈两个系数v₂和v₄，它们表示可忽略的额外开销。

在上述本发明实施例中，发射天线对(6)和(7)形成单个发射机的部分，即它们在相同小区/扇区中。然而它们也能形成两个不同扇区/小区的部分，通过它们移动站在软切换/更软切换期间进行同时通信。因此移动站可以从两个不同小区/扇区基站发射机接收两个独立的流。

上述本发明的实施例结合特定例子进行说明，其中有在各子组中具有两个天线元件的两个发射天线子组以及两个接收天线元件。对于更通用情况的G子组发射天线元件以及M个接收天线元件，其中子组Gi包括Ni个发射天线元件，Ni Nd，上述公式的改写给出以下公式(指的是平衰落，对更通用多径情形的扩展通过将对应向量放入矩阵获得)：

公式(1)变为：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ y_m\\ \·\\ \·\\ \·\\ y_M\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}{u}_1& \·\·\·& u_g& \·\·\·& u_G\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_g\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_G\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ n_g\\ \·\\ \·\\ \·\\ n_G\end{array}\right]$ 公式7

u_i的值是(公式2)

公式8

i＝1，...，G，注意到该和仅是第一索引的，如果我们表示 h _{index1，index2}，则索引1是如上所示的和。

公式4变为：

$H_{\mathrm{equ}}=\left[\begin{array}{ccccc}{u}_1& \·\·\·& u_g& \·\·\·& u_G\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{equ}}(a,b)\\ a=1\·\·\·M\\ b=1\·\·\·G\end{array}\right]$ 公式9

其中

$H_{\mathrm{equ}}(a,b)=\underset{l=1}{\overset{v_b}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\underset{\&OverBar;}{h}}_{\underset{1\&le;j<b}{\mathrm{\&Sigma;}}{N}_{j+1},a\underset{1\&le;j<i}{\mathrm{\&Sigma;}}{N}_{j+l}}$ 公式10

Vi(参看公式6)的本征滤波器解则是对应矩阵H_i ^HH_i最大本征值的本征向量，其中：

公式11

Claims (6)

1.一种在发射机装置(1)和接收机装置(3)之间的闭环多流无线通信方法，发射机装置包括具有N个发射天线元件的发射天线阵列，接收机装置包括具有M个接收天线元件的接收天线阵列(4)，其中从所述发射天线阵列发射多个不同数据流(x₁，x₂)到所述接收天线阵列，在将所述数据流提供到所述发射天线阵列之前用各自复加权矩阵对其加权，在所述接收机装置分离并估计所述不同的数据流，

其特征在于，所述不同的数据流(x₁，x_G)被提供到所述发射天线元件的各个子组(6，7)，至少子组之一包括多个所述发射天线元件，每个所述子组至少包括N_d个发射天线元件，其中M大于或等于(N/N_d)，所述复加权矩阵(v₁到v_n)是所述数据流(x₁到x_G)的各个传输信道(h_ij)的函数，包括各个发射天线元件子组。

2.如权利要求1所述的方法，其中，N_d大于或等于2。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，计算每个所述复加权矩阵，实际等于对应矩阵H^HH最大本征值的本征向量，其中H是包括对应数据流所经历的各个发射天线元件子组(6，7)的等效信道的矩阵，H^H是矩阵H的Hermitian变换。

4.如任意前述权利要求所述的方法，其中，在操作期间可重新配置在各个所述子分组中的所述发射天线元件的数目。

5.一种用于执行如任意前述权利要求所述的方法的发射机设备。

6.一种用于执行如权利要求1-4中任意一项所述的方法的接收机设备。

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