CN1863001A - 一种多输入输出发射方案优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域中一种多输入输出发射方案优化方法及系统，利用移动速度估计单元估计移动用户的移动速度，根据所述移动速度确定合适的MIMO发射方案，达到了在保证接收端解调性能的基础上提高了传输效率。本发明实现了在保证接收端解调性能基础上提高传输速率。

Description

一种多输入输出发射方案优化方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种多输入输出发射方案优化方法及系统。

背景技术

自从Telatar以及Foschini在90年代后期开创性的工作表明MIMO(多输入多输出)传输技术可以显著地提高无线通信频谱效率之后，有关MIMO无线通信技术的研究吸引了大批的学者。MIMO无线通信技术通过在发送端采用一定的编码技术从多个天线同时发送信号，在接收端通过多个天线接收信号并用一定的合并技术进行信号合并，从而达到降低误码率或提高信号传输速率的目的。

MIMO技术的本质是利用无线信道所固有的多径传播特性在频谱宽度不变的前提下达到多信道并行传输的目的。MIMO技术充分开发了空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。

通过MIMO进行空间复用提高传输效率，或者进行空间分集提高传输可靠性是目前使用最多的两种MIMO方案，它们都有各自的特点和应用场景，在不同的场景下使用不同的方案能够最有效的提高系统性能。

目前，实现空间复用增益的算法主要有：贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。所述的ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求；ZF算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高；所述的BLAST算法是其中性能和复杂度最优的，该算法是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。

目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时编码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低误码率，提高传输的可靠性。

空时编码是近年来移动通信领域出现的一种新的编码和信号处理技术，在发射端和接收端同时使用多个天线进行信息的发射和接收，综合利用时域和空域二维信息，在接收端进行分集接收。基于发射分集的空时编码分为空时分组码、空时格状码和空时级联码等多种。由于空时格状码考虑了前后输入的关联，所以它除了可以获得分集增益外还可以获得一定的编码增益，因此，它比空时分组码具有更好的性能。但是，对于发射天线数固定的空时格状码而言，其译码复杂度与发射数据速率成指数关系。而根据正交设计理论的空时分组码虽然不能获得编码增益，却具有很低的译码复杂度，利用简单的最大似然译码算法即可，而且还可以得到最大的发射分集增益。空时编码的实现原理框图如图1所示。

可以看出，空时编码虽然可以获得分集增益和编码增益，但是由于发射端不知道信道信息，不能获得阵列增益。同时MIMO系统实际上提供了多个并行的单入单出信道可以同时传送多个数据流，空时编码没有利用这个特性，因此无法提高频谱效率。

针对上述缺点，现有技术提出了如下方案：

当发射和接收端都存在多根天线时，MIMO信道可以等效为多个单入单出的并行信道，此时的信道容量随着天线数的增加而增加。那么就可以通过在同一个无线资源上同时复用多路数据，从而提高频谱利用率和系统容量。空间复用又分为开环和闭环的空间复用。所谓开环是指接收端不需要向发射端反馈信息，而闭环则指的是接收端需要向发射端反馈信息。

1996年贝尔实验室的Foschini提出的基于多天线的分层空时码，即BLAST就是这种开环的空间复用MIMO。首先将数据经过串并转换变成多路数据，对每路数据分别进行编码之后，在多根天线上同时传送，它的原理框图如图2所示。

由于开环空间复用发射端不知道任何信道信息，因此总的发射功率只能在各个数据流之间平均分配。闭环空间复用相对于开环空间复用在发射机部分增加了功率分配和加权两个步骤，它的实现框图如图3所示。

经理论证明，根据注水原理对各个数据流之间进行功率分配可以使信道容量最大化。同时在发射之前通过在各个天线上乘上权值进行加权，可以保证各个数据流之间在空间是正交的，从而减小了数据流之间的干扰，从而使接收端的解调性能提高并降低了接收机的复杂度。此时，发射端所使用的权值是根据接收端反馈的信息得出来的。接收端可以反馈信道的信息，也可以根据信道信息直接计算出加权向量或者矩阵反馈给发射端。

由上述可知，开环的空间复用方案可以提高传输速率，但是它的信道容量比闭环空间复用时要低，并且数据流之间存在相互干扰，为了保证相同的解调性能，它的接收机复杂度较高；而闭环空间复用方案能够获得高的传输速率和解调性能，但是当接收端的移动速度很高时，信道变化的速度也很快。由于发射端向接收端反馈的信息存在着一定的时延，当发射端利用接收到的反馈信息进行发射，此时的信道已经发生了变化，反馈信息对当前的信道已经不正确，那么将造成解调性能的下降。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种多输入输出发射方案优化方法及系统，利用移动速度估计单元估计移动用户的移动速度，根据所述移动速度确定合适的MIMO发射方案，达到了在保证接收端解调性能的基础上提高了传输效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种多输入输出发射方案优化系统，包括发射端及移动终端，其中发射端包括MIMO信号处理单元、中射频处理单元，发射端还包括多输入输出MIMO方案选择单元；所述系统还包括：移动速度估计单元；

所述移动速度估计单元，用于估计移动终端的速度，传送给发射端的MIMO方案选择单元；

所述MIMO方案选择单元，用于接收移动速度估计单元估计的移动速度，并根据所述估计的移动速度选择MIMO发射方案，将所选择的方案通知给MIMO信号处理单元，MIMO信号处理单元根据所选择的方案进行信号处理。

所述移动速度估计单元设置在发射端或移动终端。

一种多输入输出发射方案优化方法，包括：

A、获取移动终端信息，根据所述信息估计移动终端速度，传送给MIMO方案选择单元；

B、MIMO方案选择单元根据所述估计的移动速度选择MIMO发射方案传送给MIMO信息处理单元进行信息处理。

所述步骤A中移动速度的估计由发射端或移动终端完成。

当由移动终端完成移动速度估计时，

移动终端通过显式或隐式的方法将移动速度估计结果传送给发射端的MIMO方案选择单元。

所述显式的方法是指设置专门的速度测量指示信令来传送移动速度；所述隐式是指通过可以指示移动速度的标识来传送移动速度。

所述估计移动用户的移动速度的方法包括：

利用电平交叉率或多普勒频谱来估计移动终端的速度。

所述步骤B中可以选择的MIMO发射方案包括：空时编码、开环空时复用，或闭环空时复用。

所述步骤B进一步包括：

将所述移动速度估计结果按预定的规则分类，按照每一类对应的发射方式选择MIMO发射方案。

所述步骤B具体包括：按预定的规则将估计的移动速度分为高速及低速，

B1、当确定估计的移动速度指示为低速时，MIMO方案选择单元选择闭环空时复用方案进行MIMO发送；或，

B2、当确定估计的移动速度指示为高速时，MIMO方案选择单元选择开环空时复用或空时编码方案进行MIMO发送。

所述步骤B2进一步包括：

确定用户选择高传输速率，不限制移动终端复杂度时，选择开环空时复用方案进行MIMO发送；否则选择空时编码进行MIMO发送。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过引入移动速度估计单元对移动用户的速度进行估计，MIMO方案选择单元可以根据所述速度估计结果选择合适的MIMO发射方式，实现了在保证接收端解调性能基础上提高传输速率。

附图说明

图1为现有技术空时编码原理图；

图2为现有技术BLAST原理框图；

图3为现有技术闭环空时复用原理框图；

图4为本发明所述系统发射端架构示意图；

图5为本发明所述方法操作流程图；

图6为电平交叉率示意图；

图7为多普勒频谱和移动速度的关系示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想是提供一种多输入输出发射方案优化方法及系统，利用移动速度估计单元估计移动用户的移动速度，根据所述移动速度确定合适的MIMO发射方案，达到了在保证接收端解调性能的基础上提高了传输效率。

本发明提供一种多输入输出发射方案优化系统，该系统包括移动速度估计单元、发射端及移动终端(图中未示出)；所述发射端包括：MIMO方案选择单元、MIMO信号处理单元、中射频处理单元；所述移动速度估计单元可以设置在所述系统发射端，也可以设置在移动终端。若设置在发射端如图4所示，则所述移动速度估计单元与中射频处理单元及MIMO方案选择单元相连，该移动速度估计单元用于从中射频处理单元获取移动终端的信息，包括：电平交叉率或多普勒频率等，对移动终端的速度进行估计，并将速度估计结果传送给MIMO方案选择单元；所述MIMO方案选择单元用于接收移动速度估计单元的移动速度估计结果，并根据所述估计的速度选择合适的MIMO发射方案，传送给MIMO信号处理单元；所述MIMO信号处理单元与MIMO方案选择单元相连，用于接收MIMO方案选择单元确定的MIMO发射方案，根据所述确定的方案进行MIMO信号的处理；所述中射频处理单元是所述系统与外界的接口，用于接收终端信息，及发送信息给移动终端。

利用本发明所述的系统，本发明提供一种多输入输出发射方案优化方法，该方法操作流程如图5所示，参照图5可知，该方法包括如下步骤：

步骤10：移动速度估计单元估计移动速度，发送给MIMO方案选择单元；

移动速度估计单元从中射频处理单元处获取移动终端信息，进行速度估计，移动速度的估计可通过如下两种方法实现：

1)根据电平交叉率来判断：移动速度的高低，决定了信号包络变化的快慢，也就是在一定时间内，包络电平经过某一值的次数的多少。图6给出了两个用户信号包络曲线在时间上的一个片断，其中实线和参考水平的交点有1个，虚线和参考水平的交点有6个，因此虚线的变化速度快，意味着移动速度高；

2)根据多普勒频谱来判断：通过估计多普勒频谱，同样可以得到移动速度的估计值。如图7所示的两个用户的多普勒频谱中，虚线所表示的多普勒频谱的最大频偏要比实线所表示的多普勒频谱的最大频偏要大，因此虚线所表示的用户的移动速度高；

移动速度的估计可以由发射端或移动终端中任一端来完成，本实施例以移动速度估计单元安装在发射端为例来说明。如果移动速度由移动终端负责估计，那么需要将估计的结果通过显式或者隐式的方法通知给发射端；

所述的显式是指设置专门的速度测量指示信令；

所述的隐式是指通过其它信息隐含了速度信息，比如有几种时间密度不同的导频图案，分别对应于不同的移动速度，在指示导频图案的时候也就同时指示了移动速度；

步骤11：MIMO方案选择单元根据上述移动速度估计结果，选择合适的MIMO发射方案，并传送给MIMO信号处理单元；

MIMO方案选择单元可以选择的发射方案包括：空时编码、开环空间复用和闭环空间复用。

对于不同的移动速度，应当采用不同的MIMO方案进行发射才能在通信的可靠性和有效性之间取得很好的折中，具体的选择过程可以为：

首先将速度估计结果分为高速和低速两种，当接收到移动速度估计单元的速度估计结果时，先将所述速度按预定规范划分到相应高速或低速范围，再根据一定的方案选择发射方案。该范围的划分可根据实际情况确定。当确定移动终端的速度为低速时，MIMO方案选择单元将选择闭环的空间复用方案进行MIMO发送，获得高的传送速率；当确定移动终端的速度为高速时，则MIMO方案选择单元可以选择开环空间复用或者空时编码两种方案进行MIMO发射，具体选择哪种方案取决于用户的需求。如果用户要求高的传输速率而对移动终端复杂度没有限制，可选择开环的空间复用方式；如果用户要求移动终端的复杂度较低并且并不要求高的传输速率，则可以选择空时编码进行发射分集，获得分集增益。

步骤12：MIMO信号处理单元应用所述确定的MIMO放射方式进行信号处理，经中射频处理单元发送到移动终端。

综上所述，本发明通过引入移动速度估计单元对移动用户的速度进行估计，MIMO方案选择单元可以根据所述速度估计结果选择合适的MIMO发射方式，实现了在保证接收端解调性能基础上提高传输速率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1、一种多输入输出发射方案优化系统，包括发射端及移动终端，其中发射端包括MIMO信号处理单元、中射频处理单元，其特征在于，发射端还包括多输入输出MIMO方案选择单元；所述系统还包括：移动速度估计单元；

所述移动速度估计单元，用于估计移动终端的速度，传送给发射端的MIMO方案选择单元；

所述MIMO方案选择单元，用于接收移动速度估计单元估计的移动速度，并根据所述估计的移动速度选择MIMO发射方案，将所选择的方案通知给MIMO信号处理单元，MIMO信号处理单元根据所选择的方案进行信号处理。

2、如权利要求1所述的一种多输入输出发射方案优化系统，其特征在于，所述移动速度估计单元设置在发射端或移动终端。

3、一种多输入输出发射方案优化方法，其特征在于，包括：

A、获取移动终端信息，根据所述信息估计移动终端速度，传送给MIMO方案选择单元；

B、MIMO方案选择单元根据所述估计的移动速度选择MIMO发射方案传送给MIMO信息处理单元进行信息处理。

4、如权利要求3所述的一种多输入输出发射方案优化方法，其特征在于，所述步骤A中移动速度的估计由发射端或移动终端完成。

5、如权利要求4所述的一种多输入输出发射方案优化方法，其特征在于，当由移动终端完成移动速度估计时，

移动终端通过显式或隐式的方法将移动速度估计结果传送给发射端的MIMO方案选择单元。

6、如权利要求5所述的一种多输入输出发射方案优化方法，其特征在于，所述显式的方法是指设置专门的速度测量指示信令来传送移动速度；所述隐式是指通过可以指示移动速度的标识来传送移动速度。

7、如权利要求3所述的一种多输入输出发射方案优化方法，其特征在于，所述估计移动用户的移动速度的方法包括：

利用电平交叉率或多普勒频谱来估计移动终端的速度。

8、如权利要求3所述的一种多输入输出发射方案优化方法，其特征在于，所述步骤B中可以选择的MIMO发射方案包括：空时编码、开环空时复用、闭环空时复用。

9、如权利要求3所述的一种多输入输出发射方案优化方法，其特征在于，所述步骤B进一步包括：

将所述移动速度估计结果按预定的规则分类，按照每一类对应的发射方式选择MIMO发射方案。

10、如权利要求9所述的一种多输入输出发射方案优化方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：按预定的规则将估计的移动速度分为高速及低速，

B1、当确定估计的移动速度指示为低速时，MIMO方案选择单元选择闭环空时复用方案进行MIMO发送；或，

B2、当确定估计的移动速度指示为高速时，MIMO方案选择单元选择开环空时复用或空时编码方案进行MIMO发送。

11、如权利要求10所述的一种多输入输出发射方案优化方法，其特征在于，所述步骤B2进一步包括：

确定用户选择高传输速率，不限制移动终端复杂度时，选择开环空时复用方案进行MIMO发送；否则选择空时编码进行MIMO发送。

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