CN1710826A - 一种在多天线系统中通过闭环控制选择发送天线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在多天线系统中通过闭环控制选择发送天线的方法，包括步骤：(1)在通信初始阶段，在所述多天线系统的发送端的所有发送天线上发送导频信号，并且在所述多天线系统的发送端和接收端都已知的某个发送天线上发送数据信号；(2)所述接收端通过信道估计对发送到所述接收端的所有天线上的导频位置上的所有子载波的信道衰落进行测量，并且分别计算所有子载波的平均信号干扰噪声比或者平均信道功率，选择出平均信号干扰噪声比或者平均信道功率最大的发送天线，并且通过反馈信道将所述选择出的发送天线的序号反馈给所述发送端；(3)所述发送端在所述选择出的发送信道上发送导频和数据信号。

Description

一种在多天线系统中通过 闭环控制选择发送天线的方法

技术领域

随着多媒体等高速率业务的广泛应用，对无线移动通信系统传输速率、传输质量、传输效率和传输功耗等指标的要求越来越高，传统的传输方式已经不能完全满足这些要求，OFDM(正交载波频分复用)和多天线传输技术就是为了满足这些需求而提出的无线传输新技术。

背景技术

多天线技术是一种为利用空域资源，提高系统传输速率、系统频带利用率以及系统性能而提出的空时发送接收传输技术，多天线技术包括发送端的多天线和接收端的多天线，即在接收端可以采用多天线进行接收信号，达到接收分集提高系统性能的目的。

在通信中采用多天线技术能够提供更高的传输速率，在OFDM(正交载波频分复用)系统中，能够为多种无线业务的提供不同的传输方案。但是，在业务速率比较低或者特殊要求的情况下，为了避免多天线传送带来的多天线之间的相互干扰，或者由于导频序列长度的限制，无法在接收端对多个发送天线进行信道估计，同时难以对接收信号进行解调。这样，就要求减少发送天线的数目以满足信号传输的需要。

如果系统一个发送天线就可以满足业务速率和质量的需要，则可以采用从多个发送天线中选择一个天线发射信号。发送天线选择是在多个发射天线选择一个发射天线、多个或一个接收天线的方案。天线选择也是一种多天线技术，比多天线同时发送具有发送功率小，对其他用户干扰小的优点，消除了每个用户多天线之间的干扰，所以系统性能好。

天线选择可以分为三种方式：在多个发送天线中任意选择一个在通信过程中固定的天线作为信号发送天线；系统在多个发送天线上轮流的发送信号；系统根据信道衰落特性，通过自动控制控制机制选择其中一个天线作为信号发送天线，充分的利用信道的衰落特性，达到提高系统性能，降低系统发送功率的目的。

目前在第三代移动通信WCDMA通信标准中提出了使用TSTD(时间切换发送分集)技术就是一种天线选择技术，它在不同的时隙内使用不同的发送天线发送信号。但是，目前还没有用于OFDM系统中的天线选择技术。

在未来移动通信中多采用OFDM作为基本的传输技术，OFDM系统中天线选择技术将有广泛的应用。在OFDM系统使用发送天线选择技术能够充分地利用发送端的多天线达到发送分集的效果。

发送天线选择必须能够在发送端得到一定的先验条件，比如信道未来的衰落情况或者是根据某种机制已知将要使用的发送天线。所以闭环控制自适应天线选择涉及到一系列的信息获得、信息反馈和信息处理以及自适应控制等技术。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种在多天线系统中通过闭环控制选择发送天线的方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种在多天线系统中通过闭环控制选择发送天线的方法，包括步骤：

(1)在通信初始阶段，在所述多天线系统的发送端的所有发送天线上发送导频信号，并且在所述多天线系统的发送端和接收端都已知的某个发送天线上发送数据信号；

(2)所述接收端通过信道估计对发送到所述接收端的所有天线上的导频位置上的所有子载波的信道衰落进行测量，并且分别计算所有子载波的平均信号干扰噪声比或者平均信道功率，选择出平均信号干扰噪声比或者平均信道功率最大的发送天线，并且通过反馈信道将所述选择出的发送天线的序号反馈给所述发送端；

(3)所述发送端在所述选择出的发送信道上发送导频和数据信号。

优选地，还包括步骤：

(4)所述接收端根据时间或者事件要求判定是否需要变更发送天线，并且在需要变更发送天线时，向所述发送端发送天线变更信号；

(5)所述发送端根据接收到的天线变更信号，在所有的发送天线上发送导频信号；

(6)所述接收端选择出平均信号干扰噪声比或者平均信道功率最大的发送天线，并且通过反馈信道将所述选择出的发送天线的序号反馈给所述发送端；

(7)所述发送端根据接收到的发送天线序号判定是否需要变更发送天线，如果需要变更发送天线，则在变更后的天线上发送导频和数据信号，否则仍然在原先选定的天线上发送导频和数据信号。

优选地，在所有天线都发送导频信号时，发送数据信号的发送天线上的导频对信道进行测量，并且检测数据信号。

优选地，各个天线上发送的导频在时间上是重叠的，在频率上也是重叠的，从而这些发送天线上发送的导频占用了相同的子载波和相同的时间段。其中各个导频之间的互相关系数为0或者极小。

优选地，在各个天线上发送的导频在时间上是重叠的，但在频率上正交，从而这些发送天线上发送的导频占用了互不相同的子载波和相同的时间段。

优选地，在各个天线上发送的导频在时间上是重叠的，但在频率上部分天线的导频相互正交，部分天线的导频重叠，从而这些天线上发送的导频在时间上重叠，一部分发送天线的导频在频域上占用相同的子载波，而与其他天线上的导频在频域上占用不同的子载波。

优选地，一部分发送天线发送的导频在时间上是重叠的，而与其他发送天线上发送的导频在时间上正交。

优选地，在时间上重叠的导频在频率上也是重叠的，从而这些发送天线上发送的导频占用了相同的子载波和相同的时间段。

优选地，在时间上重叠的导频在频率上正交，从而这些发送天线上发送的导频占用了互不相同的子载波和相同的时间段。

优选地，在时间上重叠的导频在频率上部分天线的导频相互正交，部分天线的导频重叠，从而这些天线上发送的导频在时间上重叠，一部分发送天线的导频在频域上占用相同的子载波，而与其他天线上的导频在频域上占用不同的子载波。

优选地，在发送数据信号的发送天线在一个时隙中发送数据信号和一个导频，信道测量基于所述导频位置上的信道估计而选择发送天线。

优选地，在发送数据信号的发送天线在一个时隙中发送数据信号和二个导频，信道测量基于任何一个导频位置上的信道估计而选择发送天线。

优选地，步骤(2)中选择平均信号干扰噪声比最大的发送天线包括：

通过信道估计算法估计第j个发送天线到第i个接收天线上的第l个子载波上信号噪声干扰比为SINR_i，j，l，

再计算第j个发送天线到接收端所有接收天线的所有占用子载波上的平均信号干扰噪声比SINR_j，

选择第n个发送天线作为发送天线，其中n满足 $n=\underset{j\∈\{\mathrm{1,2}...N\}}{\arg \max }\left({\mathrm{SINR}}_j\right),$

并将发送天线序号n通过反馈信道反馈给发送端用于进行发送天线选择。

优选地，中步骤(2)中选择平均信道功率最大的发送天线包括：

通过信道估计算法估计第j个发送天线到第i个接收天线上的第l个子载波上信道衰落功率为|CH_i，j，l|²，

再计算第j个发送天线到接收端所有接收天线的所有占用子载波上的平均信道衰落功率C_j，

选择第n个发送天线作为发送天线，其中n满足 $n=\underset{j\∈\{\mathrm{1,2}...N\}}{\arg \max }\left(C_j\right),$

并将发送天线序号n通过反馈信道反馈给发送端用于进行发送天线选择。

优选地，步骤(4)中所述的时间要求是指到一定的时间就执行发送天线的变更。

优选地，所述时间是一个时隙或每个时隙，或者一帧或每个帧。

优选地，所述事件要求是指物理层以上的指令或者事件。

在本发明中，为了获得各个发送天线到接收天线的信道衰落情况，需要对信道进行测量，测量的方法是在每个发送天线上都发送导频序列，这样在接收端通过多天线信道估计将能够估计到各个发送天线到接收天线的信道衰落情况，不同发送天线上的导频序列在一个时隙中采用时分或空间复用的方式，在接收端进行多天线信道估计的操作。这样就保证了能够获得所有发送天线上的衰落情况。测量结果经过处理转化成为天线选择的信息反馈给发送端，这样保证了反馈的信息量尽可能的少，并且使该自适应天线选择的方法适用于频分双工和时分双工模式的系统中。在本发明中，及时对发送天线进行更新，使发送端始终选择最好的天线进行发送，这样保证了系统的性能处于最好状态。

附图说明

图1示出了根据本发明的自适应天线选择程序的流程图；

图2示出了根据本发明的自适应天线选择方法发送端与接收端的链路结构以及收发端之间的信息交互；

图3示出了初始发送或进行发送天线更新时发送端发送信号的导频数据时隙结构示例图；

图4示出了当发送天线已经选定的情况下发送端发送的导频和数据的时隙结构图示例；

图5示出了OFDM系统中基本无线传输单元示例；

图6示出了根据本发明的示例系统在5公里每小时移动速度时的仿真结果。

具体实施方式

下面参照说明书附图并结合优选实施例来描述本发明的技术方案。

设在OFDM系统中发送端共有N(N＞1)个发送天线，接收端有M(M≥1)个接收天线，发送信号占用了L个子载波。在发送初始帧中，发送端将在N个发送天线上同时发送导频信号，在某默认的发送天线上发送数据信号，其发送的导频数据时隙结构可以多种种格式，如图3所示。

发送端发送的导频有两个作用，即对各个发送天线到接收端的信道进行信道测量，计算出性能最好的发送天线，以及信道估计，用于对发送数据的解调。

接收端将导频部分的信号进行信道估计，并根据信道估计计算第j个发送天线到第i个接收天线上的第l个子载波上信号噪声干扰比为SINR_i，j，l，再计算第j个发送天线到接收端所有接收天线上所有占用子载波上的平均信号干扰噪声比SINR_j，选取第n个发送天线作为发送天线，其中n满足 $n=\underset{j\∈\{\mathrm{1,2}...N\}}{\arg \max }\left({\mathrm{SINR}}_j\right),$ 这样选择得到的发送天线发送能使系统具有最佳的误码率性能。当n选定了以后，接收端通过反馈信道将n反馈给发送端，供发送端天线选择使用；同时接收端对将信道估计的结果用于接收信号的解调，即接收端将信道估计获得默认发送天线到接收端的信道衰落，对默认天线发送的数据进行解调。当发送端接收到接收端反馈来的发送天线的序号n后，发送端将在第n个发送天线上进行导频和数据的发送，其导频和数据发送时隙结构如图4所示。发送端在第n天线上发送信号后，接收端将对接收信号进行信道估计和信号检测处理，即接收端对导频进行信道估计，并将估计结果用于对数据信号部分的解调操作。接收端通过反馈信道周期的向发送端发送天线更新信号以便发送端在N个发送天线上发送导频，进行信道的重新测量和发送天线的重新选择，其中周期可能是一个帧或多个帧。图1示出了根据本发明的自适应天线选择程序的流程图。如图1所示，其步骤如下所述

第一步，初始发送过程，发送端在N个发送天线中默认或随机选定一个发送天线(第一次发送可指定某个发送天线)发送数据。在所有N个发送天线上发送导频序列，该导频序列用于进行天线选择和信道估计，其发送的导频和数据时隙结构如图3所示；

第二步，接收端根据接收到的导频信号对发送端所有发送天线到接收端的信道衰落进行估计。在M个接收天线中，估计第j个发送天线到第i个接收天线上的第l个子载波上导频信号噪声干扰比为SINR_i，j，l，再计算第j个发送天线到接收端所有接收天线的所有占用子载波上的导频信号的平均信干噪声比SINR_j。计算比较选取第n个发送天线作为发送天线，其中n满足 $n=\underset{j\∈\{\mathrm{1,2}...N\}}{\arg \max }\left({\mathrm{SINR}}_j\right),$ 并将发送天线序号n通过反馈信道反馈给发送端用于进行发送天线选择发送信号。其中此步骤中对信号干扰噪声比的计算也可以替换为对信道衰落模的平方值即信道衰落功率的计算。

第三步，接收端对发送数据的发送天线到接收端各个天线的信道衰落进行估计，并将获得的结果用于对发送的信号进行解调操作。

第四步，判断通信过程是否结束，若结束转入第十一步

第五步，判断是否存在天线更新的驱动信号，如果需要则转入第六步，如果不需要，则转入第八步。其中天线更新可以是时间驱动，即接收端根据时间周期性的决定进行发送天线更新，或者事件驱动，即接收端根据上层的指令决定发送天线的更新。

第六步，接收端通过反馈信道向发送端传输发送天线变更信号。

第七步，发送端根据接收到的天线更新指令，在所有N个发送天线上发送导频序列，并仅在第n个发送天线上发送数据信号，其发送的导频和数据时隙结构如图3所示，转入第二步。

第八步，发送端根据接收方发来的选择天线指令，判断是否需要变更天线。是则转入第九步；否则直接转入第十步。

第九步，重新选择发送天线m发送数据和导频信号，格式如图4所示。

第十步，发送端在所选择的天线上发送导频和数据信号，其时隙结构如错误！未找到引用源。所示。其它发送天线不发送任何信号。转入第三步

第十一步，通信结束。

图2示出了根据本发明的自适应天线选择方法中的发送端与接收端的链路结构以及收发端之间的信息交互。若发送端为第一次发送信号(初始发送)，那么发送端按照图3所示的方法将多个天线上的导频信号发送，其中每个天线上发送的导频序列与其他发送天线上发送的导频序列是不同的，这样在接收端进行信道测量时才能够区分出多个发送天线。编码调制的数据在默认的一个天线上进行发送。

若发送天线n已经选定，那么将第n个天线上的导频发送并且在第n天线上发送编码调制后的数据，其发送的信号时隙结构示例如图4所示。

若需要更新发送天线，那么发送天线将按照图3所示的导频和数据时隙结构进行导频和数据的发送，其中数据将在第n个天线上发送，n为上一帧(时隙)中数据的发送天线序号。

当发送端在各个发送天线上都发送导频后，接收端可以通过发送端发送的控制信道得到发送端是否在每个天线上都发送了导频。接收端经过信号的检测和信道估计进行发送天线的选择和发送天线序号的反馈。其中信道估计计算第j个发送天线到第i个接收天线上的第l个子载波上信号噪声干扰比为SINR_i，j，l，再计算第j个发送天线到接收端所有接收天线上所有占用子载波上的平均信号干扰噪声比SINR_i，选取第n个发送天线作为发送天线，其中n满足 $n=\underset{j\∈\{\mathrm{1,2}...N\}}{\arg \max }\left({\mathrm{SINR}}_j\right),$ 这样选择得到的发送天线发送能使系统具有最佳的误码率性能。当n选定了以后，接收端通过反馈信道将n反馈给发送端，供发送端天线选择使用。在发送天线已经选定，接收端只要估计一个发送天线上的信道，并进行信号的检测得到发送端发送的数据即可。

图3是初始发送或进行发送天线更新时发送端发送信号的导频数据时隙结构示例图。其导频设置格式有如下的情况：

(1)各个天线上的导频可以通过空分的方式发送，即各个发送天线上发送的导频在时间上是重叠的，在频率域上也是重叠的，也就是说它们发送的导频占用了相同的子载波，如图3a所示。

(2)各个天线上发送的导频在时间上是重叠的，但是在频率上是正交的，也就是说，它们发送的导频占用了互不相同的子载波，如图3a所示。

(3)各个天线上发送的导频在时间上是重叠的，但是在频率上是部分天线之间正交部分重叠的，即各个天线上发送的导频在时间上互相重叠的，但是一部分发送天线的导频在频域上占用相同的子载波，而与其它天线上的导频在频域上占用不同的载波，如图3a所示。

(4)一部分天线发送的导频在时间上是重叠的，而与其它天线上发送的导频是在时间上正交的。而在时间上重叠的导频将具有0或0或0中提到的导频时域、频域设置格式，如图3b、图3c、图3d和图3e所示

(5)发送数据信号的发送天线上的导频可以是导频1和导频2都发送如图3b和图3c所示，或者只在导频1或2位置之一处发送如图3d和图3e所示。

图4是当发送天线已经选定的情况下发送端发送的导频和数据的时隙结构图示例。其中导频和数据只在选定的第n个天线上发送，其它的发送天线发送任何信号。

图5是基本无线单元的示例图，即在频率的方向上用户占用了1024个子载波的15个，而在时间方向上每一块用户数据的头尾都设置了导频序列，用于进行信道估计，对信号进行检测解调处理。

在一个4个发送天线8个接收天线的OFDM系统中，采用闭环发送天线选择技术其仿真流图如图1所示。在系统带宽为20MHz，其单用户子载波分配如图5所示，每个用户分配1024个子载波中15个连续的子载波，调制方式采用QPSK，编码方式为1/3的卷积码，信道为多径瑞利信道。

首先发送端在第一个天线上发送数据以及在所有的4个发送天线上发送导频，其时隙结构如图3b所示，那么在接收端进行信道估计，对所有的发送天线上的子载波上的信道进行测量，估计第j个发送天线到第i个接收天线上的第l个子载波上信号噪声干扰比为SINR_i，j，l，再计算第j个发送天线到接收端所有接收天线的所有占用子载波上的平均信号干扰噪声比SINR_i，选取第n个发送天线作为发送天线，其中n满足 $n=\underset{j\∈\{\mathrm{1,2}...N\}}{\arg \max }\left({\mathrm{SINR}}_j\right),$ 并将发送天线序号n通过反馈信道反馈给发送端用于进行发送天线选择。这样系统将在下一次发送时，按照时隙结构错误！未找到引用源。在第n个发送天线上发送信号，接收端进行信道估计和接收信号的解调；如果发送端收到接收端反馈的天线选择指令n以及天线更新指令，那么发送端将在第n个发送天线上发送数据并在所有发送天线上发送导频，其数据和导频时隙结构如错误！未找到引用源。b所示；如果系统判定此时通信结束，那么终止发送。

图6示出了根据本发明的示例系统在5公里每小时移动速度时的仿真结果。如图6所示，说明本发明能够大大的提高系统的性能，具有可实现性和先进性。

Claims (18)

1、一种在多天线系统中通过闭环控制选择发送天线的方法，包括步骤：

(1)在通信初始阶段，在所述多天线系统的发送端的所有发送天线上发送导频信号，并且在所述多天线系统的发送端和接收端都已知的某个发送天线上发送数据信号；

(2)所述接收端通过信道估计对发送到所述接收端的所有天线上的导频位置上的所有子载波的信道衰落进行测量，并且分别计算所有子载波的平均信号干扰噪声比或者平均信道功率，选择出平均信号干扰噪声比或者平均信道功率最大的发送天线，并且通过反馈信道将所述选择出的发送天线的序号反馈给所述发送端；

(3)所述发送端在所述选择出的发送信道上发送导频和数据信号。

2、根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：

(4)所述接收端根据时间或者事件要求判定是否需要变更发送天线，并且在需要变更发送天线时，向所述发送端发送天线变更信号；

(5)所述发送端根据接收到的天线变更信号，在所有的发送天线上发送导频信号；

(6)所述接收端选择出平均信号干扰噪声比或者平均信道功率最大的发送天线，并且通过反馈信道将所述选择出的发送天线的序号反馈给所述发送端；

(7)所述发送端根据接收到的发送天线序号判定是否需要变更发送天线，如果需要变更发送天线，则在变更后的天线上发送导频和数据信号，否则仍然在原先选定的天线上发送导频和数据信号。

3、根据权利要求1所述的方法，其中在所有天线都发送导频信号时，发送数据信号的发送天线上的导频对信道进行测量，并且检测数据信号。

4、根据权利要求1所述的方法，其中各个天线上发送的导频在时间上是重叠的，在频率上也是重叠的，从而这些发送天线上发送的导频占用了相同的子载波和相同的时间段。

5、根据权利要求1所述的方法，其中在各个天线上发送的导频在时间上是重叠的，但在频率上正交，从而这些发送天线上发送的导频占用了互不相同的子载波和相同的时间段。

6、根据权利要求1所述的方法，其中在各个天线上发送的导频在时间上是重叠的，但在频率上部分天线的导频相互正交，部分天线的导频重叠，从而这些天线上发送的导频在时间上重叠，一部分发送天线的导频在频域上占用相同的子载波，而与其他天线上的导频在频域上占用不同的子载波。

7、根据权利要求1所述的方法，其中一部分发送天线发送的导频在时间上是重叠的，而与其他发送天线上发送的导频在时间上正交。

8、根据权利要求7所述的方法，其中在时间上重叠的导频在频率上也是重叠的，从而这些发送天线上发送的导频占用了相同的子载波和相同的时间段。

9、根据权利要求7所述的方法，其中在时间上重叠的导频在频率上正交，从而这些发送天线上发送的导频占用了互不相同的子载波和相同的时间段。

10、根据权利要求7所述的方法，在时间上重叠的导频在频率上部分天线的导频相互正交，部分天线的导频重叠，从而这些天线上发送的导频在时间上重叠，一部分发送天线的导频在频域上占用相同的子载波，而与其他天线上的导频在频域上占用不同的子载波。

11、根据权利要求1所述的方法，其中在发送数据信号的发送天线在一个时隙中发送数据信号和一个导频，信道测量基于所述导频位置上的信道估计而选择发送天线。

12、根据权利要求1所述的方法，其中在发送数据信号的发送天线在一个时隙中发送数据信号和二个导频，信道测量基于任何一个导频位置上的信道估计而选择发送天线。

13、根据权利要求4、6、8或10所述的方法，其中各个导频之间的互相关系数为0或者很小。

14、根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中选择平均信号干扰噪声比最大的发送天线包括：

通过信道估计算法估计第j个发送天线到第i个接收天线上的第l个子载波上信号噪声干扰比为SINR_i，i，l，

再计算第j个发送天线到接收端所有接收天线的所有占用子载波上的平均信号干扰噪声比SINR_j，选择第n个发送天线作为发送天线，其中n满足 $n=\underset{j\∈\{\mathrm{1,2}...N\}}{\arg \max }\left({\mathrm{SINR}}_j\right),$

并将发送天线序号n通过反馈信道反馈给发送端用于进行发送天线选择。

15、根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中选择平均信道功率最大的发送天线包括：

通过信道估计算法估计第j个发送天线到第i个接收天线上的第l个子载波上信道衰落功率为|CH_i，j，l|²，

再计算第j个发送天线到接收端所有接收天线的所有占用子载波上的平均信道衰落功率C_j，

选择第n个发送天线作为发送天线，其中n满足 $n=\underset{j\∈\{\mathrm{1,2}...N\}}{\arg \max }\left(C_j\right),$

并将发送天线序号n通过反馈信道反馈给发送端用于进行发送天线选择。

16、根据权利要求2所述的方法，其中步骤(4)中所述的时间要求是指到一定的时间就执行发送天线的变更。

17、根据权利要求16所述的方法，其中所述时间是一个时隙或多个时隙，或者一帧或多个帧。

18、根据权利要求2所述的方法，其中步骤(4)中所述的事件要求是指物理层以上的指令或者事件。

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