CN1956350A - 一种无线信号的多天线发送系统、方法及无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于无线通信系统，提供了一种无线信号的多天线发送系统、方法及无线通信系统，本发明中的每个用户在同一个天线上发送的数据经过循环移位的位数是相同的，即每个发送天线上只需要一个反傅立叶变换，可以减少由于不同用户采用不同循环移位需要多次反傅立叶变换的复杂度。每个发送天线上都进行循环移位，且同时发送的经过空时处理后数据流的个数大于1，与空时处理方式相互独立，不依赖于具体的空时处理方式，在实际系统中应用灵活，不仅可以保证空时处理的性能没有损失，还可以带来一定的循环延迟分集。

Description

一种无线信号的多天线发送系统、方法及无线通信系统

技术领域

本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种通过多个发送天线发送无线信号的系统和方法，以及利用该多天线发送系统实现的无线通信系统。

背景技术

随着无线移动通信的发展，用户对无线通信的速率和服务质量提出了越来越高的要求，但是由于无线频谱资源的缺乏限制了无线通信的进一步发展，另一方面，无线信道的多径和时变特性会对传输信号带来很大损害，这两个问题成为无线通信发展的阻碍。近年来出现的MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)技术因为能增加无线通信系统的谱效率和提高可靠性受到了很大的关注，并已经应用于实际的通信系统中。另外多载波OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术也因为能够很好的克服无线信道的多径特性和比单载波频谱效率高的特点成为研究的热点。MIMO技术与OFDM技术的相互结合成为无线通信系统中的关键技术。

MIMO技术是多输入多输出的多天线技术，即在通信系统的发送端和接收端分别安置多个天线。分集是MIMO技术的关键应用之一，可以获得空间分集增益来改善系统的性能，其获得空间分集增益的具体实现方式之一是在发送端对发送信号进行空时分组编码。空时分组编码可以获得满空间分集增益，编码矩阵保持特殊的正交结构。满的分集增益可以提高系统的性能，编码矩阵的正交结构使接收端的译码简单，简化了接收机的复杂度。空时分组编码由其自身特点在实际系统中得到了应用，但是根据空时分组编码的构造原理，若进行空时分组编码的信号是复信号，则只有在发送天线数为2时编码码率为1，除此之外在其它发送天线数时编码码率都小于1，例如在三个和四个发送天线时，编码码率为1/2和3/4。在S.M.Alamouti于IEEE Journal Selected Areas inCommunications，vol.16，no 8，October 1998发表的题为“A Simple TransmitDiversity Techniques for Wireless Communications”的文献中提供了两个发送天线下空时分组编码的形式。由于目前和未来的无线通信系统的发送天线数是2个或多于2个，因此对于多于2个发送天线数的系统采用空时分组编码时，编码码率比较低，从而导致传输效率降低。

现有技术中，将基于两个发送天线的空时分组编码和循环移位发送技术相结合，将四个发送天线分成两组，每组两个天线，把经过基于两天线空时分组编码后的两个数据流分别在两组天线中进行循环移位发送。一方面该方案是针对单用户的，若是多用户时，由于不同用户要求对同一发送天线上的循环移位的位数不同，在实现时就需要进行多个反傅立叶变换，系统实现复杂。另一方面这种方案局限于空时分组编码，要求OFDM所有子载波上的信号进行空时分组编码，在实际系统中的应用灵活性差。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术在通过多天线发送多个用户的数据时，由于不同用户要求对同一发送天线上的循环移位的位数不同，导致系统实现复杂。同时，系统局限于空时分组编码，实际应用灵活性差的问题。

为了更好地实现发明目的，本发明提供了一种无线信号的多天线发送系统，用于将来自于多个用户的数据流通过多个发送天线发送出去，所述系统包括：

多个空时处理单元，用于对来自于多个用户的数据流进行并行空时处理；

复用单元，用于将空时处理后的数据流复用到各个用户在每个发送天线对应的子载波上，输出多个正交频分复用频域符号，一个正交频分复用频域符号对应一个发送天线；

多个调制单元，用于对所述多个正交频分复用频域符号进行变换处理，输出多个正交频分复用时域符号；

多个循环移位单元，用于将所述多个正交频分复用时域符号在所述多个发送天线上进行循环移位；以及

多个循环前缀处理单元，用于将所述多个循环移位后的正交频分复用时域符号添加循环前缀。

所述空时处理为空时分组编码、空分复用或者空时分组编码和空分复用的结合。

每个子载波上进行空时处理后输出的数据流个数小于或等于发送天线数。

所述多个发送天线位于相邻的多个小区。

为了更好地实现发明目的，本发明进一步提供了一种无线通信系统，所述系统至少包括多个发送天线，以及至少一个多天线发送系统，用于将来自于多个用户的数据流通过多个发送天线发送出去，所述多天线发送系统包括：

多个空时处理单元，用于对来自于多个用户的数据流进行并行空时处理；

复用单元，用于将空时处理后的数据流复用到各个用户在每个发送天线对应的子载波上，输出多个正交频分复用频域符号，一个正交频分复用频域符号对应一个发送天线；

多个调制单元，用于对所述多个正交频分复用频域符号进行变换处理，输出多个正交频分复用时域符号；

多个循环移位单元，用于将所述多个正交频分复用时域符号在所述多个发送天线上进行循环移位；以及

多个循环前缀处理单元，用于将所述多个循环移位后的正交频分复用时域符号添加循环前缀。

所述空时处理为空时分组编码、空分复用或者空时分组编码和空分复用的结合。

每个子载波上进行空时处理后输出的数据流个数小于或等于发送天线数。

所述多个发送天线位于相邻的多个小区。

为了实现发明目的，本发明还提供了一种无线信号的多天线发送方法，用于将来自于多个用户的数据流通过多个发送天线发送出去，所述方法包括下述步骤：

对来自于多个用户的数据流进行并行空时处理；

将空时处理后的数据流复用到各个用户在每个发送天线对应的子载波上，输出多个正交频分复用频域符号，一个正交频分复用频域符号对应一个发送天线；

对所述多个正交频分复用频域符号进行变换处理，输出多个正交频分复用时域符号；

将所述多个正交频分复用时域符号在所述多个发送天线上进行循环移位；

将所述多个循环移位后的正交频分复用时域符号添加循环前缀。

所述空时处理为空时分组编码、空分复用或者空时分组编码和空分复用的结合。

每个子载波上进行空时处理后输出的数据流个数小于或等于发送天线数。

所述多个发送天线位于相邻的多个小区。

在本发明中，每个用户在同一天线上发送的数据经过的延迟是一样的，每个发送天线上只需要一个反傅立叶变换，可以减少系统实现的复杂度。同时，不依赖于具体的空时处理方式，在实际系统中应用灵活，不仅可以保证空时处理的性能没有损失，还可以带来一定的循环延迟分集。

附图说明

图1是本发明提供的无线通信系统的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于多天线和OFDM的循环移位发送方案，既可以采用分集技术，也可以采用复用技术，因而在实际的系统中可以灵活应用。另外，在每个发送天线上对所有用户的信号进行统一移位，需要反傅立叶变换的个数等于发送天线数，可以减少系统实现的复杂度。在与分集技术的空时分组编码结合时，本发明不仅可以保证编码码率为1，减少了空时分组码带来的延迟，同时利用空时分组编码可以获得更高的分集增益来改善性能。

图1示出了本发明提供的无线通信系统的结构，为了描述简便，仅示出了与本发明相关的部分。在本发明中，无线通信系统包括一个多天线发送系统，多天线发送系统与多个发送天线相连，将来自于多个用户的数据流通过多个发送天线发送出去。天线发送系统包括多个空时处理单元101、一个复用单元102以及与每个发送天线对应的调制单元103、循环移位单元104以及循环前缀处理单元105。

空时处理单元101对用户的数据流进行空时处理，可以是空时分组编码或空分复用，也可以是空时分组编码和空分复用的结合，每个用户数据的空时处理方式可能不同。空时处理后输出的数据流个数与分配给用户的子载波数以及用户在每个子载波采用的空时处理方式有关。为了叙述方便，本发明以一个用户为例进行说明。

以两天线的空时分组编码为例，假设x₁，x₂是需要进行空时分组编码的两个数据符号，空时处理单元101对x₁，x₂进行如下空时分组编码处理：

$\left(\begin{array}{cc}{x}_1& -x_2^{*}\\ x_2& x_1^{*}\end{array}\right)$

x₁，x₂右上角的*表示的是取共轭。经过空时分组编码后，需要两个符号时间来发送，在第一个符号时间内输出x₁，x₂，在第二个符号时间内输出-x₂ ^*，x₁ ^*。

作为本发明的另一个实施例，以三天线的空分复用为例，假设x₁，x₂，x₃是用户发送的数据符号，空时处理单元101对对x₁，x₂，x₃进行空分复用：

$\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\end{array}\right)$

输出的数据符号就是x₁，x₂，x₃。

在本发明的另一个实施例中，空时处理单元101将空时分组编码和空分复用结合对输入的数据符号进行空时处理。以三天线为例，假设x₁，x₂，x₃，x₄是四个用户发送的数据符号，空时处理单元101对x₁，x₂，x₃，x₄进行空时处理如下：

$\left(\begin{array}{cc}{x}_1& -x_2^{*}\\ x_2& x_1^{*}\\ x_3& x_4\end{array}\right)$

与空时分组编码一样也需要两个符号时间来发送，第一个符号时间输出x₁，x₂，x₃，第二个符号时间输出-x₂ ^*，x₁ ^*，x₄。

上述都是对用户数据在一个子载波上的空时处理，每个用户可能有多个子载波，那么每个子载波上的用户数据都可以进行上述空时处理。无论采用哪种空时处理方式，每个子载波上进行空时处理后的输出符号个数小于或等于发送天线数。假设有三个发送天线，则在每个子载波上进行空时处理的输出符号个数要小于3，可以采用三天线下的空分复用，或空分复用和空时分组编码的结合，也可以采用两天线的空时分组编码，如下所示：

$\left(\begin{array}{cc}{x}_1& -x_2^{*}\\ x_2& x_1^{*}\\ 0& 0\end{array}\right)$

也可以采用如下的方式：

$\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_1\\ x_1\end{array}\right)$

因此，本发明中的空时处理方式很灵活，只要满足上述要求即可。

每个用户经过空时处理后输出的数据符号输入到复用单元102，复用单元102将输入数据符号复用到每个OFDM符号中相应的子载波上。假设有四个发送天线，每个发送天线上发送一个OFDM符号，X₁，X₂，X₃，X₄是四个OFDM的频域符号，每个子载波上的频域信号为X_m(k)，k＝0，…，N-1；m＝1，2，3，4，其中N是OFDM傅立叶变换的长度，则有：

        X_m＝(X_m(0)，X_m(1)，……，X_m(N-1))，m＝1，2，3，4

复用单元102把每个用户输出的数据映射到四个OFDM符号中用户对应的子载波上，假设分配给用户1的子载波是第一个子载波，用户1在这个子载波上采用的空时处理是空分复用时如下：

$\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\\ x_4\end{array}\right)$

那么进行以下的映射X₁(1)＝x₁，X₂(1)＝x₂，X₃(1)＝x₃，X₄(1)＝x₄。

假设分配给用户2的子载波是第k个子载波，用户2在这个子载波上采用的空时处理是两天线的空时分组编码时如下：

$\left(\begin{array}{cc}{x}_1& {-x}_2^{*}\\ x_2& x_1^{*}\end{array}\right)$

那么进行以下的映射X₁(k)＝x₁，X₂(k)＝x₁，X₃(k)＝x₂，X₄(k)＝x₂，在第二个符号时间也是按照同样的映射。其它用户的数据也都按照这个规则来把各自的数据映射到相应OFDM符号的对应子载波上。

经过复用单元102后输出M个频域符号，这M个频域符号分别进入各自的调制单元103。调制单元103主要是对频域符号进行反傅立叶变换，将频域符号转换为时域符号：

$x\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X{\left(k\right)e}^{j2\mathrm{\πnk}/N},$ n＝0，1…N-1

其中，X(k)表示的是复用后输出的频域符号。

以四个发送天线为例，经过复用单元102复用后得到四个OFDM的频域符号X₁，X₂，X₃，X₄，这四个频域符号分别在调制单元103进行OFDM调制得到四个时域符号x₁，x₂，x₃，x₄，其中x_m＝(x_m(0)，x_m(1)，……x_m(N-1))，m＝1，2，3，4。

每个发送天线在发送OFDM时域符号之前，循环移位单元104对OFDM符号在时域上进行循环移位。假定发送端的发送天线数为M，第一个天线上的OFDM符号循环移位的位数为0，其它发送天线上循环移位的位数为α_m-1，m＝2，…M。

循环前缀处理单元105将经过循环移位后的数据流加上循环前缀(CP，cyclic prefix)后，从各个发送天线上同时发送出去。数据流在发送之前加上循环前缀用来抵抗多径的影响，循环前缀的长度由信道的条件决定。有关循环位数和循环前缀的关系可参考M.Bossert，A.Huebner，F.Schuehlein在7th InternationalOFDM-Workshop(InOWo)，pp.1-5，Hamburg，Germnay，September 2002.发表的，题为“On Cyclic Delay Diversity in OFDM Based Transmission Schemes”的科技文献，本发明在此引用，不再赘述。

例如对x₁循环移位两位，进行如下的操作：

x₁(N-2)，x₁(N-1)，x₁(0)，x₁(1)，……，x₁(N-3)

加循环前缀的操作是对数据进行搬移，按照循环前缀的长度把数据流后面的数据搬移到数据流的前面，假设一个数据流为x(0)，x(1)，x(2)，……x(N-1)，循环前缀的长度为n，加循环前缀就需要进行如下的操作：

x(N-n)，x(N-n+1)，…x(N-1)，x(0)，x(1)，…x(N-1)

由此可见数据流加CP后的长度为N+n，其实就是把数据流后面的n个数据循环搬移到数据流的前面。

作为本发明的另一个应用示例，在无线通信系统的相邻小区中，当用户处于小区的边缘，即两个小区的交界处时，两个小区可以同时发送给边界用户相同的信息。假设小区1中有四个发送天线，每个发送天线上循环移位的位数为α₁，α₂，α₃，α₄，小区2中也有四个发送天线，每个发送天线上循环移位的位数为β₁，β₂，β₃，β₄，即其中小区1中的任一一个移位位数α_i，i＝1，2，3，4与小区2中的任一一个移位位数β_i，i＝1，2，3，4不等，这样当两个小区对边界用户发送同样的信息时，就相当于把原来的四个发送天线扩展到八个发送天线，不同天线上的循环移位位数是不同的。

本发明的最大特点在于每个用户在同一个天线上发送的数据经过循环移位的位数是相同的，即每个发送天线上只需要一个反傅立叶变换，这样就可以减少由于不同用户采用不同循环移位需要多次反傅立叶变换的复杂度。每个发送天线上都进行循环移位，且同时发送的经过空时处理后数据流的个数大于1，与空时处理方式相互独立，不依赖于具体的空时处理方式，在实际系统中应用灵活，不仅可以保证空时处理的性能没有损失，还可以带来一定的循环延迟分集。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1、一种无线信号的多天线发送系统，用于将来自于多个用户的数据流通过多个发送天线发送出去，其特征在于，所述系统包括：

多个空时处理单元，用于对来自于多个用户的数据流进行并行空时处理；

复用单元，用于将空时处理后的数据流复用到各个用户在每个发送天线对应的子载波上，输出多个正交频分复用频域符号，一个正交频分复用频域符号对应一个发送天线；

多个调制单元，用于对所述多个正交频分复用频域符号进行变换处理，输出多个正交频分复用时域符号；

多个循环移位单元，用于将所述多个正交频分复用时域符号在所述多个发送天线上进行循环移位；以及

多个循环前缀处理单元，用于将所述多个循环移位后的正交频分复用时域符号添加循环前缀。

2、如权利要求1所述的多天线发送系统，其特征在于，所述空时处理为空时分组编码、空分复用或者空时分组编码和空分复用的结合。

3、如权利要求1所述的多天线发送系统，其特征在于，每个子载波上进行空时处理后输出的数据流个数小于或等于发送天线数。

4、如权利要求1所述的多天线发送系统，其特征在于，所述多个发送天线位于相邻的多个小区。

5、一种无线通信系统，所述系统至少包括多个发送天线，以及至少一个多天线发送系统，用于将来自于多个用户的数据流通过多个发送天线发送出去，其特征在于，所述多天线发送系统包括：

多个空时处理单元，用于对来自于多个用户的数据流进行并行空时处理；

复用单元，用于将空时处理后的数据流复用到各个用户在每个发送天线对应的子载波上，输出多个正交频分复用频域符号，一个正交频分复用频域符号对应一个发送天线；

多个调制单元，用于对所述多个正交频分复用频域符号进行变换处理，输出多个正交频分复用时域符号；

多个循环移位单元，用于将所述多个正交频分复用时域符号在所述多个发送天线上进行循环移位；以及

多个循环前缀处理单元，用于将所述多个循环移位后的正交频分复用时域符号添加循环前缀。

6、如权利要求5所述的无线通信系统，其特征在于，所述空时处理为空时分组编码、空分复用或者空时分组编码和空分复用的结合。

7、如权利要求5所述的无线通信系统，其特征在于，每个子载波上进行空时处理后输出的数据流个数小于或等于发送天线数。

8、如权利要求5所述的无线通信系统，其特征在于，所述多个发送天线位于相邻的多个小区。

9、一种无线信号的多天线发送方法，用于将来自于多个用户的数据流通过多个发送天线发送出去，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

对来自于多个用户的数据流进行并行空时处理；

将空时处理后的数据流复用到各个用户在每个发送天线对应的子载波上，输出多个正交频分复用频域符号，一个正交频分复用频域符号对应一个发送天线；

对所述多个正交频分复用频域符号进行变换处理，输出多个正交频分复用时域符号；

将所述多个正交频分复用时域符号在所述多个发送天线上进行循环移位；

将所述多个循环移位后的正交频分复用时域符号添加循环前缀。

10、如权利要求9所述的多天线发送方法，其特征在于，所述空时处理为空时分组编码、空分复用或者空时分组编码和空分复用的结合。

11、如权利要求9所述的多天线发送方法，其特征在于，每个子载波上进行空时处理后输出的数据流个数小于或等于发送天线数。

12、如权利要求9所述的无线通信系统，其特征在于，所述多个发送天线位于相邻的多个小区。

Images