CN1941662A - 无线移动通信系统中的信号发送方法与信号发射机 - Google Patents

Abstract

一种无线移动通信系统中的信号发送方法，其中，所述系统中的一个信号发射机使用K个子载波同时发送信号；在每个所述的子载波上，所述信号发射机使用N个发射天线同时向U个信号接收机发送信号；每个所述的信号接收机分别具有M_u个接收天线，u＝1，...，U；记

；且每个所述子载波上所述信号发射机的N个发射天线至所述U个信号接收机的M个接收天线之间的信道状态信息矩阵为所述信号发射机所知；则由所述的K个信道状态信息矩阵，构造联合信道状态信息矩阵；基于所述的联合信道状态信息矩阵，所述信号发射机在所述的K个子载波上使用联合发送的方法同时向所述的U个信号接收机发送信号。

Description

无线移动通信系统中的信号发送方法与信号发射机

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术，更具体的说涉及一种无线移动通信系统中的信号发送方法与信号发射机。

背景技术

无线通信资源在无线通信技术的发展过程中一直是至关重要的决定性因素，如何能够对有限的无线通信资源进行有效利用一直是通信工作者的研究重点之一。近年来，多入多出(MIMO：Multiple Input and Multiple Output)无线传输技术由于其高效的无线通信资源利用率而获得了越来越多的关注。在MIMO无线传输技术中，如图1所示，无线信号的发送端TX和接收端RX被分别设置以多个天线单元，所述的多个天线单元又被称为天线阵列(AntennaArray)，通过所述多个天线单元在空间上的分隔特性，对无线传输中的空间资源加以利用，从而获得空间分集增益(Spatial Diversity Gain)或者提高无线信号的传输速率。

在MIMO无线传输技术中，空间分集(Spatial Diversity)传输和空间复用(SpatialMultiplex)传输是其两种主要的传输方式，其中在空间分集传输方式中，例如采用STBC(SpaceTime Block Coded)方案，多路无线信号的数据流通过时空编码的方式在多个天线单元上同时进行传输，从而获得空间分集增益，提高无线信号的传输性能。在空间复用传输方式中，例如贝尔实验室(Bell Lab)提出的V-BLAST(Vertical Bell Laboratories Layered Space Time)方案，多路无线信号的数据流通过空间复用的方式在多个天线单元上同时进行传输，从而能够大大提高无线信号的传输速率；从理论上来讲，在MIMO无线传输技术中，无线信号的传输速率或者传输性能可获得的增益将随着天线单元数量的增加呈线性增长。

在一个采用MIMO无线传输技术的无线移动通信系统中，如图2所示，一个基站或接入点设备(AP：Accessing Point)同时支持至少一个移动终端(MT：Mobile Terminal)，记所述移动终端的总数为U；所述接入点设备具有N个发射天线，每个所述移动终端分别具有M_u个接收天线，N与M_u均大于或等于1，u＝1，...，U；各移动终端使用码分多址(CDMA：CodeDivision Multiple Access)的方式接入所述系统。由于所述各天线单元在空间上的分隔特性通常并不完全理想，由一个所述发射天线至一个所述接收天线之间的无线信道将不能与其他所述发射天线至所述接收天线之间的无线信道完全相互独立，因而所述接入点设备向所述U个移动终端发送的多用户叠加信号在到达各移动终端时将不再保持各用户信号之间相互独立的特性，一个移动终端在对其用户信号进行接收的过程中将受到其他移动终端用户信号的干扰。为了消除所述多用户信号之间的互干扰，除去目前的无线通信技术中获得普遍应用的多用户检测技术(MUD或JD：Multi-user Detection或Joint Detection)，联合发送(JT：JointTransmission)技术正在成为无线通信技术发展的一个新热点。联合发送指当信号发射机至信号接收机之间的无线信道状态信息可为信号发射机所知时，所述信号发射机可以在发送信号之前基于所述的无线信道状态信息对用户信号进行预编码(Pre-coding)，以补偿所述无线信道的不理想特性，从而使所述信号发射机发送的预编码后的多用户信号在到达所述信号接收机时，各用户的信号之间不存在相互干扰；相应的，各用户的信号接收机可以使用单用户检测技术对其用户信号进行接收；因而，不但提高了无线移动通信系统的多用户通信性能，还可同时简化各用户的信号接收机结构，降低信号接收机的运算复杂度。

上述联合发送的具体计算过程如下：记 $M=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{M}_u;$ 将所述接入点设备的N个发射天线至所述U个移动终端的M个接收天线之间的信道状态信息表示为矩阵

且所述信道状态信息矩阵为所述接入点设备所知；所述各移动终端的用户信号分别为a_u，u＝1，...，U；将所述U个移动终端的用户信号表示为a＝[a₁...a_U]^T；设所述接入点设备的发送信号格式为s＝[s₁...s_N]^T，其中s_n表示所述接入点设备第n个发射天线上的发送数据，n＝1，...，N；接下来，基于所述的信道状态信息矩阵H计算预编码矩阵P，使得s＝Pa，且所述矩阵H与所述矩阵P的乘积为分块对角(BD：Block Diagonal)矩阵；由上述步骤可知P为N行U列矩阵，将其表示为P＝[P(1)...P(U)]，则当u_i≠u_j时，H(u_i)P(u_j)＝0，其中u_i，u_j＝1，...，U。

通过上述的联合发送过程，所述接入点设备的发送信号在到达所述U个移动终端时的接收信号为r＝Ps＝HPa。由于所述矩阵H与所述矩阵P的乘积为分块对角化矩阵，因此各所述移动终端的接收信号之间不存在相互干扰，各所述移动终端的信号接收机即可使用单用户检测技术对其用户信号进行接收。关于联合发送技术的详细描述请参见文档“Jointtransmission(JT)，an alternative rationale for the downlink of time division CDMA usingmulti-element transmit antennas”，P.W.Baier，Proc.IEEE 6th International Symposium on SpreadSpectrum Techniques & Applications(ISSSTA 2000)和“Zero-Forcing Methods for DownlinkSpatial Multiplexing in Multiuser MIMO Channels”，Quentin H.Spencer，IEEE TRANSACTIONSON SIGNAL PROCESSING，VOL.52，NO.2，FEBRUARY 2004。

为了满足不断增长的对更高通信速率的需求，为无线移动通信系统规划的频率资源也在不断增长。例如由第二代无线移动通信系统的1.25MHz带宽增长至第三代无线移动通信系统的5MHz带宽，以及处于讨论中的下一代无线移动通信系统的20MHz带宽。无线移动通信系统的频带变宽将意味着无线移动通信系统所面临的无线信道更加恶劣，无线信号经无线信道传输后将产生更多的多径(Multipath)分量，上述联合发送技术的运算复杂度将急剧增加。针对上述频带变宽所导致的问题，多载波(Multi-carrier)无线移动通信系统将是无线移动通信系统的发展趋势之一。

目前，在对多载波无线移动通信系统的研究当中，如何将多载波通信技术与联合发送技术进行有效结合的解决方案还并不多见。在提出的技术方案当中，联合发送技术均在系统的各载波上独立应用。因此，如何对系统各载波上的无线信道进行联合考虑以进行联合发送将是本发明需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种无线移动通信系统中的信号发送方法与信号发射机，可以在多载波无线移动通信系统中，对系统各载波上的无线信道进行联合考虑，从而将多载波通信技术与联合发送技术进行有效的结合，对系统各载波上的联合发送过程进行联合优化。

上述的发明目的通过以下的技术方案加以实现：无线移动通信系统中的信号发送方法，在所述系统中，一个信号发射机使用K个子载波同时发送信号，K≥1；在每个所述的子载波上，所述信号发射机使用N个发射天线同时向U个信号接收机发送信号，N≥1，U≥1；每个所述的信号接收机分别具有M_u个接收天线，M_u≥1，u＝1，...，U；记 $M=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{M}_u;$ 每个所述子载波上所述信号发射机的N个发射天线至所述U个信号接收机的M个接收天线之间的信道状态信息矩阵

为所述信号发射机所知，k＝1，...，K；由所述的K个信道状态信息矩阵，构造联合信道状态信息矩阵

其中， m＝1，...，M，n＝1，...，N，k，l＝1，...，K；基于所述的联合信道状态信息矩阵，所述信号发射机在所述的K个子载波上使用联合发送的方法同时向所述的U个信号接收机发送信号。

根据本发明的一个方面，当所述信号发射机的N个发射天线至所述U个信号接收机的M个接收天线之间的信道为平坦衰落信道时，所述信道状态信息矩阵中的一个元素H_m，n ^(k)为一个复数，代表所述第n个发射天线至所述第m个接收天线之间信道的幅度特性与相位特性；当所述信号发射机的N个发射天线至所述U个信号接收机的M个接收天线之间的信道为频率选择性衰落信道时，所述信道状态信息矩阵中的一个元素H_m，n ^(k)为一个子矩阵：当所述第n个发射天线至所述第m个接收天线之间的信道由W条传输路径组成时，将所述第n个发射天线至所述第m个接收天线之间的信道状态信息表示为 $h_{m,n}^{\left(k\right)}={[h_{m,n}^{\left(k\right)}\left(1\right)\·\·\·h_{m,n}^{\left(k\right)}\left(W\right)]}^T;$ 将所述第n个发射天线上的发送信号表示为 $s_n^{\left(k\right)}={[s_n^{\left(k\right)}\left(1\right)\·\·\·s_n^{\left(k\right)}\left(D\right)]}^T,$ k＝1，...，K，n＝1，...，N，D≥1；则 $H_{m,n}^{\left(k\right)}=\left[H_{m,n}^{\left(k\right)}(i,j)\right],$ 其中 i＝1，...，D+W-1，j＝1，...，D。

根据本发明的一个方面，所述信号发射机在联合发送的过程中使用分块对角化算法或逐次最优化算法。

根据本发明的一个方面，所述的信号发射机为接入点设备的信号发射机，所述的信号接收机为移动终端的信号接收设备。

根据本发明的一个方面，当所述的无线移动通信系统为时分双工系统时，根据时分双工系统中的信道对称性，所述接入点设备通过估计由所述移动终端至所述接入点设备的信道状态信息获知由所述接入点设备至所述移动终端的信道状态信息；当所述的无线移动通信系统为频分双工系统时，所述移动终端估计由所述接入点设备至所述移动终端的信道状态信息并向所述接入点设备反馈所述的信道状态信息估计值。

根据本发明的一个方面，在所述的时分双工系统或频分双工系统中采用码分多址的接入方式；在收到所述接入点设备发送的信号后，每个所述的移动终端分别使用其扩频码字对其各接收天线上的接收信号进行解扩，将其接收信号与其他所述移动终端的接收信号以及其各接收天线上的接收信号分离。

一种所述无线移动通信系统中的信号发送方法下的信号发射机，所述的信号发射机中包括构造所述联合信道状态信息矩阵的装置和基于所述的联合信道状态信息矩阵，在所述的K个子载波上使用联合发送的方法同时向所述的U个信号接收机发送信号的装置。

通过本发明的信号发送方法与信号发射机，相比于现有的多载波无线移动通信系统下的联合发送方案，在同样的信噪比(SNR：Signal to Noise Ratio)条件下，系统的数据吞吐量(Throughput)可被显著提高，因而所述多载波无线移动通信系统的容量得以增大；同时，在实施本发明的信号发送方法时，移动终端的信号接收机结构将丝毫不受影响，对现有多载波无线移动通信系统的升级工作可以很方便的进行。

附图说明

本发明的目的及特征将通过实施例结合附图加以详细描述，这些实施例是说明性的，不具有限制性。

图1为MIMO无线传输技术的示意图。

图2为采用MIMO无线传输技术的无线移动通信系统的示意图。

图3为分别使用本发明的方法与现有的联合发送方案时系统数据吞吐量的比较。

具体实施方式

在本发明的一个具体实施例中，设一个多载波无线移动通信系统被配置了两个载波，则所述系统中的一个信号发射机将可以同时使用所述的两个子载波发送信号，即K＝2。设所述系统中的一个接入点设备同时支持两个移动终端，则U＝2；所述接入点设备具有两个天线单元，每个移动终端具有一个天线单元，则N＝2，M₁＝1，M₂＝1，M＝2。

设在第一个子载波上，由所述接入点设备的2个发射天线至所述两个移动终端的2个接收天线间的信道状态信息矩阵为

k＝1；

在第二个子载波上，由所述接入点设备的2个发射天线至所述两个移动终端的2个接收天线间的信道状态信息矩阵为

k＝2；

且所述两个子载波上的无线信道状态信息矩阵可为所述接入点设备所知。例如，当所述的多载波无线移动通信系统为时分双工系统时，根据时分双工系统中的信道对称性，所述接入点设备可通过估计由所述移动终端至所述接入点设备的信道状态信息获知由所述接入点设备至所述移动终端的信道状态信息；当所述的多载波无线移动通信系统为频分双工系统时，可由所述移动终端估计由所述接入点设备至所述移动终端的信道状态信息并向所述接入点设备反馈所述的信道状态信息估计值。

在本发明的方法中，当所述信号发射机的N个发射天线至所述U个信号接收机的M个接收天线之间的信道为平坦衰落信道时，所述信道状态信息矩阵中的一个元素H_m，n ^(k)为一个复数，代表所述第n个发射天线至所述第m个接收天线之间信道的幅度特性与相位特性，如本具体实施例中给出的所述2个信道状态信息矩阵。当所述信号发射机的N个发射天线至所述U个信号接收机的M个接收天线之间的信道为频率选择性衰落信道时，所述信道状态信息矩阵中的一个元素H_m，n ^(k)则为一个子矩阵：当所述第n个发射天线至所述第m个接收天线之间的信道由W条传输路径组成时，将所述第n个发射天线至所述第m个接收天线之间的信道状态信息表示为 $h_{m,n}^{\left(k\right)}={[h_{m,n}^{\left(k\right)}\left(1\right)\·\·\·h_{m,n}^{\left(k\right)}\left(W\right)]}^T;$ 将所述第n个发射天线上的发送信号表示为 $s_n^{\left(k\right)}={[s_n^{\left(k\right)}\left(1\right)\·\·\·s_n^{\left(k\right)}\left(D\right)]}^T,$ k＝1，...，K，n＝1，...，N，D≥1；则 $H_{m,n}^{\left(k\right)}=\left[H_{m,n}^{\left(k\right)}(i,j)\right],$ 其中

i＝1，...，D+W-1，j＝1，...，D。

然后，根据本发明的方法，由所述的2个信道状态信息矩阵，构造联合信道状态信息矩阵

$=\left[\begin{array}{cccc}-0.8056-0.6156j& 0& 0.4363+0.6488j& 0\\ 0& -0.9942+0.3459j& 0& 0.5579+0.5452j\\ -0.7810+0.6041j& 0& -0.0252+0.7606j& 0\\ 0& -0.7294+0.4168j& 0& -0.4549+0.3696j\end{array}\right];$

由于在多载波无线移动通信系统中，应满足的系统条件之一是为所述系统配置的各载波之间没有干扰，因而在构造所述的联合信道状态信息矩阵时，

m＝1，...，M，n＝1，...，N，k，l＝1，...，K；在本具体实施例中，即一个子载波上的发射天线至另一个子载波上的接收天线之间的信道状态信息为0；接下来，基于所述的联合信道状态信息矩阵B，计算预编码矩阵P，使得所述矩阵B与所述矩阵P的乘积为分块对角矩阵；在本具体实施例中，所述矩阵B经对角化后形成的对角矩阵为

$B^{\′}=\left[\begin{array}{cccc}-0.9754-0.2984j& 0& 0& 0\\ 0& -0.9937-0.1075j& 0& 0\\ 0& 0& -0.0252+0.7606j& 0\\ 0& 0& 0& -0.4549+0.3696j\end{array}\right],$

则所述预编码矩阵为

$P=\left[\begin{array}{cccc}0.3508-0.4996j& 0& 0.4502-0.1278j& 0\\ 0& 0.5589-0.1224j& 0& 0.4020+0.1945j\\ -0.7896+0.0627j& 0& 0.4998-0.3441j& 0\\ 0& -0.8190+0.0430j& 0& 0.4767-0.3686j\end{array}\right].$

使用经上述计算过程所得的预编码矩阵P，所述接入点设备对所述两个移动终端的用户信号进行预编码，并使用所述的两个子载波，将所述预编码后的用户信号经所述的2个发射天线发送。

由上述的计算过程不难看出，所述的发送信号在到达所述的2个移动终端时，各所述移动终端的接收信号之间不存在相互干扰，各所述移动终端的信号接收机即可使用单用户检测技术对其用户信号进行接收，例如，当在所述的时分双工系统或频分双工系统中采用码分多址接入方式时，每个所述的移动终端即可分别使用其扩频码字对其各接收天线上的接收信号进行解扩，将其接收信号与其他所述移动终端的接收信号以及其各接收天线上的接收信号分离，因此在实施本发明的信号发送方法时，移动终端的信号接收机结构将丝毫不受影响；并且，通过构造所述的联合信道状态信息矩阵并计算相应的预编码矩阵，所述的接入点设备在发送信号时，可对所述两个载波上的无线信道进行联合考虑，从而将多载波通信技术与联合发送技术进行有效的结合，对系统各载波上的联合发送过程进行联合优化。

在使用本发明方法的所述接入点设备中，信号发射机中将包括构造所述联合信道状态信息矩阵的装置和基于所述的联合信道状态信息矩阵，在所述的2个子载波上使用联合发送的方法同时向所述的2个移动终端发送信号的装置。在所述信号发射机基于所述的联合信道状态信息矩阵，使用联合发送的方法在所述的2个子载波上同时向所述的2个移动终端发送信号的过程中，现有的联合发送技术中所使用的分块对角化(Block Diagonal)或逐次最优化(Successive Optimization)等算法均可在本发明的信号发送方法和信号发射机中使用。

以本具体实施例中所述的各参数和信道状态信息矩阵，分别使用现有技术中在各子载波上独立进行联合发送的方法和本发明中的方法对系统的数据吞吐量(Throughput)进行仿真，仿真结果如图3所示。由图示结果可以看出，在同样的信噪比(SNR：Signal to Noise Ratio)条件下，使用本发明的方法时系统的数据吞吐量被显著提高，因此所述多载波无线移动通信系统的容量也得以增大。

Claims (10)

1.无线移动通信系统中的信号发送方法，在所述系统中，一个信号发射机使用K个子载波同时发送信号，K≥1；在每个所述的子载波上，所述信号发射机使用N个发射天线同时向U个信号接收机发送信号，N≥1，U≥1；每个所述的信号接收机分别具有M_u个接收天线，M_u≥1，u＝1，...，U；记 $M=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{M}_u;$ 每个所述子载波上所述信号发射机的N个发射天线至所述U个信号接收机的M个接收天线之间的信道状态信息矩阵

为所述信号发射机所知，k＝1，...，K；其特征在于：由所述的K个信道状态信息矩阵，构造联合信道状态信息矩阵

其中， m＝1，...，M，n＝1，...，N，k，l＝1，...，K；基于所述的联合信道状态信息矩阵，所述信号发射机在所述的K个子载波上使用联合发送的方法同时向所述的U个信号接收机发送信号。

2.如权利要求1所述的信号发送方法，其特征在于当所述信号发射机的N个发射天线至所述U个信号接收机的M个接收天线之间的信道为平坦衰落信道时，所述信道状态信息矩阵中的一个元素H_m，n ^(k)为一个复数，代表所述第n个发射天线至所述第m个接收天线之间信道的幅度特性与相位特性。

3.如权利要求1所述的信号发送方法，其特征在于当所述信号发射机的N个发射天线至所述U个信号接收机的M个接收天线之间的信道为频率选择性衰落信道时，所述信道状态信息矩阵中的一个元素H_m，n ^(k)为一个子矩阵：当所述第n个发射天线至所述第m个接收天线之间的信道由W条传输路径组成时，将所述第n个发射天线至所述第m个接收天线之间的信道状态信息表示为 $h_{m,n}^{\left(k\right)}=[h_{m,n}^{\left(k\right)}\left(1\right)\…h_{m,n}^{\left(k\right)}\left(W\right){]}^T;$ 将所述第n个发射天线上的发送信号表示为 $s_n^{\left(k\right)}=[s_n^{\left(k\right)}\left(1\right)\…s_n^{\left(k\right)}\left(D\right){]}^T,$ k＝1，...，K，n＝1，...，N，D≥1；则 $H_{m,n}^{\left(k\right)}=\left[H_{m,n}^{\left(k\right)}(i,j)\right],$ 其中 i＝1，...，D+W-1，j＝1，...，D。

4.如权利要求1至3中任一个所述的信号发送方法，其特征在于所述信号发射机在联合发送的过程中使用分块对角化算法或逐次最优化算法。

5.如权利要求1至3中任一个所述的信号发送方法，其特征在于所述的信号发射机为接入点设备的信号发射机，所述的信号接收机为移动终端的信号接收设备。

6.如权利要求5所述的信号发送方法，其特征在于当所述的无线移动通信系统为时分双工系统时，根据时分双工系统中的信道对称性，所述接入点设备通过估计由所述移动终端至所述接入点设备的信道状态信息获知由所述接入点设备至所述移动终端的信道状态信息。

7.如权利要求5所述的信号发送方法，其特征在于当所述的无线移动通信系统为频分双工系统时，所述移动终端估计由所述接入点设备至所述移动终端的信道状态信息并向所述接入点设备反馈所述的信道状态信息估计值。

8.如权利要求6或7所述的信号发送方法，其特征在于在所述的时分双工系统或频分双工系统中采用码分多址的接入方式。

9.如权利要求8所述的信号发送方法，其特征在于在收到所述接入点设备发送的信号后，每个所述的移动终端分别使用其扩频码字对其各接收天线上的接收信号进行解扩，将其接收信号与其他所述移动终端的接收信号以及其各接收天线上的接收信号分离。

10.如权利要求1至3中任一个所述信号发送方法下的信号发射机，其特征在于所述的信号发射机中包括构造所述联合信道状态信息矩阵的装置和基于所述的联合信道状态信息矩阵，在所述的K个子载波上使用联合发送的方法同时向所述的U个信号接收机发送信号的装置。

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