CN1894868B - 用于在多载波系统中通过多个发射天线传输数据的方法和发射机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于经由无线电来传输数据(S)的方法，其中将被划分为多个子载波的频带以及多个天线(TX1、TX2、TX3)用于传输，其中将所述数据(S)划分为数目对应于所述多个子载波的数目的、待分别由每个天线(TX1、TX2、TX3)传输的元素(S1、S2、S3)，其中针对每个天线(TX1、TX2、TX3)将每个元素(S1、S2、S3)分别分配给用于传输的子载波，并且其中至少两个天线(TX1、TX2、TX3)在至少一个子载波上传输不同的元素(S1、S2、S3)。根据本发明，在OFDM调制(OFDM)之前，为每个天线(TX1、TX2、TX3)使每个元素(S1、S2、S3)与天线特定的和元素特定的因子相乘。替代地，可以根据本发明在OFDM调制(OFDM)之后为至少一个天线(TX1、TX2、TX3)进行基于所述OFDM调制(OFDM)而生成的时间相关信号的时间顺序的重新排列。此外本发明还涉及一种用于执行该方法的发射机。

Description

用于在多载波系统中通过多个发射天线传输数据的方法和发射机

技术领域

本发明涉及一种用于经由无线电来传输数据的方法。

此外，本发明还涉及一种用于经由无线电通过多个天线来传输数据的发射设备。

背景技术

在无线电通信系统中，数据(例如语音、图像信息、视频信息、SMS(短消息服务)或其它数据)借助电磁波通过无线电接口在发射站和接收站之间传输。在此情况下，电磁波的发射利用位于为相应系统而设置的频带内的载频来实现。在此情况下，无线电通信系统包括用户站、例如移动站，基站、例如Node B或其它无线电接入设备，以及必要时其它网络侧设备。

为了保证尽可能有效的数据传输，将总共可供使用的频带拆分为多个子载波(多载波方法)。又被称为OFDM(正交频分复用)的多载波系统所基于的思想是，将宽带信号的传输的初始位置(Ausgangssituation)转换为一定量的窄带正交信号的传输。

在OFDM情况下，将在时间上接近矩形的脉冲形式用于子载波。子载波的频率间隔这样来选择，使得在频域内在分析一个子载波的信号的那个频率上其它子载波的信号具有零穿越。因此子载波是相互正交的。子载波的频谱重叠以及由此产生的子载波的排列密度是允许的，因为正交性保证了各个子载波的可区分性。因此实现了比在简单的FDM(频分复用)情况下更好的频谱效率。

由于无线电信道的弥散特性，有利的是，在OFDM系统中为提高数据传输的可靠性而引入例如在空间范围内的分集。为此在发射侧使用多个天线，它们分别传输相同的信息。在接收时，遭受不同波动的信号被组合起来。这种方法的例子是CDD(循环延迟分集)方法，该方法在由A.Damman、S.Kaiser所著的“Low Complex StandardConformable Antenna Diversity Techniques for OFDM Systems andits Application to the DVB-T System”(Proceedings of the 4thInternational ITG Conference on Source and Channel Coding，柏林，2002年)中被提出，其中通过不同的天线生成被发送到天线上的信号的虚拟回波(echo)。然而在由A.Huebner、M.Bossert、F.Schuehlein、H.Haas、E.Costa所著的“On Cyclic Delay Diversityin OFDM Based Transmission Schemes”(Proceedings of the 7thInternational OFDM-Workshop，汉堡，2002年)中示出，这种方法只有与信道编码、例如卷积编码相结合才能有意义地用于减少传输错误。

此外，根据在1998年10月于IEEE Journal on Selected Areasin Communications的第16卷第8期第1451-1458页所刊登的由S.M.Alamouti所著的“A Simple Transmit Diversity Technique forwireless Communications”的Alamouti方法可以被用于利用多个天线的OFDM传输，其中两个相继的码元在发射机侧被这样处理，使得两个发射天线发送互相正交的信号。被证明是Alamouti方法的缺点的是，在接收机侧必须使用昂贵的、修改过的解调器，并且不能使用任意数目的天线用于传输，而不产生对调制方法的选择的限制。

此外还可以将“排列发射机分集(Permutation TransmitterDiversity)”方法用于利用多个天线的OFDM传输，该方法例如在1999年7月于IEEE Journal on Selected Areas in Communications的第17卷第7期所刊登的由Li，Y.所著的“Transmitter Diversity forOFDM Systems and Its Impact on High-Rate Data WirelessNetworks(用于OFDM系统的发射机分集以及其对高速率数据无线网络的影响)”中进行介绍。在此情况下，一个天线的信号在反傅立叶变换之前相对于另外的天线的信号被排列。

发明内容

本发明所基于的任务在于，指出文章开头提及的那种方法和发射机，它们允许在多载波系统中在利用空间分集的情况下实现有效的数据传输。

该任务在方法方面通过具有本发明第一方面的特征的方法来解决。

有利的扩展方案和改进方案是本发明其它方面的主题。

在根据本发明的用于经由无线电来传输数据的方法中，将划分为多个子载波的频带以及多个天线用于传输。将数据划分为数目对应于多个子载波的数目的待传输的元素(element)，其中由每个天线传输所述待传输的元素中的至少一个。在此情况下，针对每个天线，将每个元素分别分配给用于传输的子载波。至少两个天线在至少一个子载波上传输不同的元素。根据本发明，在OFDM调制之前，针对每个天线，使每个元素都与天线特定的和元素特定的因子相乘以便产生相移。

数据的元素的数目对应于子载波的数目。每个天线在子载波上传输每个元素，其中不是所有的天线都在相同的子载波上传输元素。特别是，一个元素可以由每个天线在其它的子载波上传输。这也可以适用于所有的元素。OFDM调制用于准备信号以用于发送，该准备包括反傅立叶变换，其中信号被从频域转换到时域中。在OFDM调制之前，每个待由天线传输的元素与天线特定的和元素特定的因子相乘。该因子通常对于所有待由天线发送的元素来说都有所不同，并且对于每个待由不同天线发送的元素来说也彼此不同。然而，该因子对于待由一个或多个天线发送的不同元素来说也可以是相同的，其中然而原则上相应的元素和相应的天线必须进入确定因子所依据的规则中。

该因子尤其是模为1的复数或实数。这可以通过与具有相应的复指数或实指数的指数函数相乘来实现。该乘法对应于信号的相移。

上面所述的在方法方面的任务此外通过具有本发明第二方面的特征的方法来解决。

有利的扩展方案和改进方案是本发明其他方面的主题。

在用于经由无线电来传输数据的方法中，将划分为多个子载波的频带以及多个天线用于传输。将数据划分为数目对应于多个子载波的数目的待传输的元素，其中由每个天线传输所述待传输的元素中的至少一个。针对每个天线，将每个元素分别分配给用于传输的子载波。至少两个天线在至少一个子载波上传输不同的元素。根据本发明，在OFDM调制之后，针对至少一个天线进行基于OFDM调制而实现的时间相关信号的时间顺序的重新排列。

在最先描述的方法中，在OFDM调制之前与天线特定的和元素特定的因子进行相乘，而在作为第二个被描述的方法中，时间顺序的重新排列在OFDM调制之后进行。然而上述任务的这两种解决方法是等价的。因此可以在数学上证明，在OFDM调制之后信号的时间顺序的重新排列与在OFDM调制之前信号与相应的天线特定的和元素特定的因子相乘是意义相同的。

尤其是针对至少两个天线按照共同的模式来进行时间顺序的重新排列。当针对所有的天线按照共同的模式来进行时间顺序的重新排列时，是特别有利的。在此情况下，模式被理解为进行重新排列所依据的规则。共同的模式例如可以是循环排列。在循环排列的情况下，信号的各部分这样以有规律的方式在其顺序方面被交换，使得在经过一个循环之后在给定情况下按照对应于天线的数目的、排列的数目来重建原来的顺序。

在本发明的一种扩展方案中，针对至少两个天线按照共同的模式、例如按照循环排列将元素分配给子载波。特别有利的是，针对所有的天线按照共同的模式将元素分配给子载波。

根据本发明的方法导致相对于上述现有技术的明显的改进。

上面提及的任务在发射设备方面通过具有本发明第三方面的特征的发射设备来解决。

用于经由无线电通过多个天线来传输数据的发射设备使用被划分为多个子载波的频带来进行传输。该发射设备包括用于将数据划分为数目对应于多个子载波的数目的待传输的元素的装置，其中由每个天线传输所述待传输的元素中的至少一个，以及包括装置，该装置用于这样针对每个天线将元素分配给用于传输的各子载波，使得至少两个天线在至少一个载波上传输不同的元素。

根据本发明，该发射设备此外还具有用于在OFDM调制之前针对每个天线将每个元素与天线特定的和元素特定的因子相乘以便产生相移的装置。替代地，它还可以具有用于在OFDM调制之后针对至少一个天线将基于OFDM调制而产生的时间相关信号的时间顺序重新排列的装置。

根据本发明的发射设备特别适合于执行根据本发明的方法。此外它还可以具有其它的装置。

附图说明

在下文中，本发明将借助实施例来更详细地进行说明。其中：

图1示意性地示出了根据本发明的方法的流程，

图2a示出了根据本发明的第一发射机，

图2b示出了根据本发明的第二发射机。

具体实施方式

实施例涉及例如按照标准IEEE 802.16a或HIPERLAN/2的OFDM系统。考虑在使用三个发射天线的情况下的数据传输。

在图1中，由待发送的数据S构成具有元素S₁、S₂和S₃的向量。元素S₁、S₂和S₃是码元，它们应分别在可用于传输数据的频带的子载波上被传输。在此情况下，在OFDM系统中可以有数目大于3的子载波可供用于数据传输，然而这对于本发明来说是无关紧要的。

具有元素S₁、S₂和S₃的向量被馈入到三个分支中，这三个分支通向三个天线TX1、TX2和TX3。在第一步骤中，对具有元素S₁、S₂和S₃的向量按照模式a进行循环移位或排列，其中第一分支中的移位是识别运算并且因此在图1中没有被示出，而在第二和第三分支中按照规则a₂和a₃进行移位。于是，从该第一步骤中得出以下矩阵：

$S_a=\left(\begin{array}{ccc}{S}_1& S_2& S_3\\ S_2& S_3& S_1\\ S_3& S_1& S_2\end{array}\right).$

在此情况下，矩阵S_a的第一列是应通过第一天线TX1发送的码元(S₁，S₂，S₃)，第二和第三列相应地包含应由第二和第三天线TX2和TX3发送的那些码元(S₂，S₃，S₁)和(S₃，S₁，S₂)。在矩阵S_a的第一行中是应在第一子载波上传输的码元(S₁，S₂，S₃)，在第二和第三行中是应在第二和第三子载波上传输的那些码元(S₂，S₃，S₁)和(S₃，S₁，S₂)。可以识别出，每个天线在刚好一个子载波上传输每个元素S₁、S₂和S₃，其中元素S₁、S₂和S₃中的任何一个都不会由多个天线在相同的子载波上进行传输。

针对三个天线TX1、TX2和TX3将元素S₁、S₂和S₃分配给子载波所基于的、频域中的循环移位的共同模式a这样产生效果，使得对于第一天线TX1来说三个元素S₁、S₂和S₃以其原来的顺序被分配到子载波上。对于第二天线TX2来说，第一元素S1占据上述矩阵表示中的最后一个位置，由此第二和第三元素S₂和S₃前移到开始的两个子载波上，因此总体上相对于第一天线TX1的分配，每个元素S₁、S₂和S₃都向上移动了一个子载波。对于第三天线TX3来说，在上述矩阵表示中将第二天线TX2的顺序向上继续移动了一个子载波。

接着在图1中进行0FDM调制OFDM。在此情况下，对各个天线分支的与频率有关的信号分别进行反傅立叶变换和并行-串行转换。

由此得到时间相关信号。该信号可以如下以矩阵形式来表示：

在此情况下，在进行了OFDM调制OFDM之后的矩阵

的第一列是应通过第一天线TX1发送的码元(q₁，q₂，q₃)，第二和第三列相应地包含应由第二和第三天线TX2和TX3发送的码元(q₄，q₅，q₆)和(q₇，q₈，q₉)。在矩阵

的第一行中是应在第一时刻被传输的那些码元(q₁，q₄，q₇)，在第二和第三行中是应在第二和第三时刻被传输的那些码元(q₂，q₅，q₈)和(q₃，q₆，q₉)。

在另一处理步骤中，矩阵

按照模式b被处理，该模式又对应于循环移位。第一分支中的移位是识别运算并且因此在图1中没有被示出，而第二和第三分支中的移位按照规则b₂和b₃进行。循环移位的执行按照上面已描述的流程来进行，因此得到下面的矩阵：

在将数据S以矩阵

形式发送之前，为每个天线TX1、TX2和TX3添加防护时间(guard period)，以减少对接着要发送的数据的干扰。此后，天线TX1、TX2和TX3将码元以相应的顺序发送，对于第一天线TX1来说也即例如是q₁，接着是q₂、q₃和防护时间。

因此，通过根据本发明的方法，将频域中、即在不同的子载波上的循环移位与时域中的循环移位结合起来。

与图1中所示的不同，按照模式b的时域中的循环移位的第二步骤也可以通过以下方式来实现，即矩阵S_a的各项S_a，k1根据以下公式与一个因子相乘：

因此，以k和1指示的矩阵S_a的每一项S_a，k1与指数函数相乘。指数中的量N在此情况下代表天线数目。整数移位δ_k为以下条件所决定：

0≤δ_k≤N-1。

对于两个天线来说，移位δ_k例如可以是0和N/2。

作为因子使用的指数函数是元素特定的和天线特定的，因为两个标记k和1都是指数的组成部分。移位δ_k可以这样来确定，使得它在最终效果上对应于模式b。随后通过反傅立叶变换，在OFDM调制中从矩阵

中得到上面示出的矩阵

在图2a和2b中分别示出了根据本发明的具有三个天线TX1、TX2和TX3的发射机S。该发射机包括用于将数据划分为元素的装置M1以及用于针对每个天线将所述元素分配给各子载波的装置M2。在此情况下，该分配根据上面描述的循环移位来进行。在图2a中示出了以下情况，即第二处理步骤在OFDM调制之前进行。为此发射机S具有装置M3，用于针对每个天线使元素与天线特定的和元素特定的指数因子相乘。与之相反，在图2b的发射机S中第二处理步骤如也在图1中所示的那样在OFDM调制之后进行。图2b的发射机为此包括装置M4，用于将通过OFDM调制获得的信号的时间顺序重新排列，其中该重新排列对应于上面描述的循环移位。为了执行OFDM调制，两个发射机都附加地具有未被示出的装置。

虽然在所描述的例子中，信号在频域和时域中的移位分别以循环移位的形式进行，但是此外也可以采用其它的模式、例如统计随机模式或其它移位规则。

在接收机中所接收的信号向量R由下式得出：

R＝H·S+N，

其中H表示图1中示出的传输方案的矩阵，该矩阵与数据S相乘，并且N表示噪声向量。

在使用多于两个的发射天线时，与Alamouti方法相比，数据传输的误比特率(BER，Bit Error Rate)通过根据本发明的方法被降低。根据本发明的方法的另一个优点在于，它可以在具有任意数目的天线的情况下被采用。任意的调制字母表的使用与根据本发明的方法的结合也是可能的。此外，根据本发明的方法可以和与现有技术相比被简化的接收机结构一同使用。

Claims (4)

1.一种用于经由无线电来传输数据（S）的方法，

－其中将划分为多个子载波的频带以及多个天线（TX1、TX2、TX3）用于传输，

－其中将所述数据（S）划分为数目对应于所述多个子载波的数目的待传输的元素（S1、S2、S3），其中由每个天线（TX1、TX2、TX3）传输所述待传输的元素（S1、S2、S3）中的至少一个，

－其中针对每个天线（TX1、TX2、TX3）将每个元素（S1、S2、S3）分配给用于传输的各子载波，

－其中至少两个天线（TX1、TX2、TX3）在至少一个子载波上传输不同的元素（S1、S2、S3），

其特征在于，

－在OFDM调制之前，针对每个天线（TX1、TX2、TX3）使每个元素（S1、S2、S3）与天线特定的和元素特定的因子相乘以便产生相移。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述因子是模为1的复数或实数。

3.一种用于经由无线电来传输数据（S）的方法，

－其中将划分为多个子载波的频带以及多个天线（TX1、TX2、TX3）用于传输，

－其中将所述数据（S）划分为数目对应于所述多个子载波的数目的待传输的元素（S1、S2、S3），其中由每个天线（TX1、TX2、TX3）传输所述待传输的元素（S1、S2、S3）中的至少一个，

－其中针对每个天线（TX1、TX2、TX3）将每个元素（S1、S2、S3）分配给用于传输的各子载波，

－其中至少两个天线（TX1、TX2、TX3）在至少一个子载波上传输不同的元素（S1、S2、S3），

其特征在于，

－在OFDM调制之后，针对至少一个天线（TX1、TX2、TX3）将基于所述OFDM调制而生成的时间相关信号的时间顺序进行重新排列。

4.一种用于经由无线电通过多个天线（TX1、TX2、TX3）来传输数据（S）的发射设备，

－其中为进行传输，使用划分为多个子载波的频带，

－具有进行划分的装置（M1），用于将所述数据（S）划分为数目对应于所述多个子载波的数目的待传输的元素（S1、S2、S3），其中由每个天线（TX1、TX2、TX3）传输所述待传输的元素（S1、S2、S3）中的至少一个，

－具有进行分配的装置（M2），用于针对每个天线（TX1、TX2、TX3）将所述元素（S1、S2、S3）分配给用于传输的各子载波，使得至少两个天线（TX1、TX2、TX3）在至少一个子载波上传输不同的元素（S1、S2、S3），

其特征在于，

－所述发射设备具有进行相乘的装置（M3），用于在OFDM调制之前针对每个天线（TX1、TX2、TX3）使每个元素（S1、S2、S3）与天线特定的和元素特定的因子相乘以便产生相移，或者

－所述发射设备具有进行重新排列的装置（M4），用于在所述OFDM调制之后针对至少一个天线（TX1、TX2、TX3）将基于所述OFDM调制而生成的时间相关信号的时间顺序进行重新排列。

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