CN1996781B

CN1996781B - 一种空域自适应链路的天线选择反馈方法

Info

Publication number: CN1996781B
Application number: CN2005101325853A
Authority: CN
Inventors: 王文杰; 蒋小奎; 王剑
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2025-12-26
Also published as: CN1996781A

Abstract

本发明公开了一种空域自适应链路的天线选择反馈方法，包括步骤：所述发射端依据天线选择结果以及导频和发送端天线、接收端天线的对应关系共同决定各发射天线发送的导频序列；所述发射端将此导频序列及业务信号组帧后发射出去；所述接收端收到发射端发来的信号后，利用主辅导频识别器依据收到的信号进行主辅导频匹配，依据主辅导频情况和接收端天线的对应情况判断待发射信号中复用信号的个数和具体的天线序号。本发明方法由于采用导频反馈的方式，即天线选择信息隐藏在多天线的导频中发送，无须消耗额外的信道资源，而且天线选择信息载在导频上恢复的准确度很高，并较好地满足了天线选择信息反馈的实时性要求。

Description

一种空域自适应链路的天线选择反馈方法

技术领域

本发明涉及一种多输入多输出(MIMO)无线通信系统中天线选择反馈的方法，尤其涉及的是一种实现自适应空间信道复用中的天线选择信息的反馈方法。

背景技术

现有技术中多输入多输出(MIMO)技术的提出为现代无线通信开辟了一个全新的领域，它给未来的移动通信系统，特别是对高速数据接入的业务，在不增加带宽的情况下提供了一种可以极大提高系统数据率和频谱效率的手段。在一个无线系统的发送和接收端都采用多天线单元，利用无线散射信道丰富的空间多维特性，以多输入端/多输出端的方式工作，可以突破性地提高系统信道容量，这就是多输入多输出(MIMO)技术的基本思想。

多输入多输出MIMO系统充分利用了发射端和接收机之间散射丰富的无线信道。此信道特点是，由发送天线阵送出的多个数据流，在接收天线阵一侧都可以有相应的空间特性来标识它，也就是说不同的数据流在接收端看来，都有特有的、可区分的空间特性，即信道具有多维特点。

并且在慢变信道中，可以假设这种空间特性在一个特定的时间段内是不变的。因此，可以这样理解一个(M_T，M_R)的MIMO系统，即此MIMO信道可以看成是由M＝min(M_T，M_R)个并行的子信道组成，整个MIMO信道的容量就是所有子信道容量之和。从理论上看，由于每个子信道都可以具有相同容量极限，所以，当发送天线间在接收天线段空间特征具有良好的正交性时，整个MIMO信道的容量将把相同容量公式提高到一个令人吃惊的程度，如式C＝M×B×log₂(1+ρ)，其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比。上式表明，功率和带宽固定时，MIMO的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。

信息论容量已经揭示了MIMO系统能够获得巨大的容量，但是如何接近或者达到理论容量取决于接收机的信号处理算法。移动环境下的MIMO信道是变化的，容量也是变化的。算法如何适应变化的信道是实现空域自适应链路的关键。相关研究表明，低秩信道下并非发射天线越多信道容量越大。可以通过合理地选择发射天线来提升系统容量。更为直观的理解是：在低秩信道下，不同天线发出的信号在接收端已经无法分离，或者分离的代价很大，噪声提高，要求更高的信噪比，此时，如果所有天线均发送信号，由于信号的相互干扰，可能在接收端信号均不能得到恢复，在这种情况下，如果有选择地选择接收端能够分离的发射天线进行发射，尽管不能满足峰值速率要求，但是仍然可以在一定程度上保证链路速率。因此，需要依据信道的特征确定空分复用信道及其个数并将该结果反馈到发射端。

在众多的空域自适应链路方法中，发射天线选择技术是一种低成本低复杂度的技术。这种技术通过不同天线发射不同的信号，在接收端通过多天线进行信号分离的方式实现空分复用。此时，发射业务信号天线对应的信道即为空分复用信道，其数目就是空分复用信道的个数。因此，依据信道的特征确定空分复用信道及其个数就是确定发送业务信号的天线及其个数。

如何确定发送业务信号的天线及其个数是天线选择算法需要考虑的问题，已有许多公开的方法，如何进行天线选择并非本发明关注的内容。由于天线选择算法往往是在接收端完成的，而进行天线选择的操作在发射端完成，为此，需要将接收端的天线选择信息反馈给发射端。

关于上述问题的解决，已经公开的方法包括：在中国专利公开号CN 1520063“MIMO系统、MIMO接收机及其接收方法”中，提到了利用估计的信道状态信息生成反馈信息，并且通过补偿反馈路径的反馈延迟来对反馈信息进行处理。不过其目的是利用反馈信息生成合适的发射加权，然而在实际MIMO系统中，对于信道状态信息的反馈需要花费较大的信道带宽。

在中国专利01137687.2，“具有多个发射和接收天线的无线系统反馈技术”中，使用接收端向发射端反馈速率反馈符或增益反馈符的方式降低反馈信道状态信息的带宽，发射端对每个数据子流采用一维数据编码来保证反馈符接收的可靠性。但是对数据流进行信道编码会浪费宝贵的信道资源，而且，为了保证实时性，回传信号不能做长时间的时域交织，进一步降低了回馈信号的准确度。

在2004年7月8日申请的中国专利公开号CN 1578192中描述了一种发射天线选择器，接收机对来自多根接收天线的接收信号进行BLAST解码，计算与每根发射天线相关的前向信道的信噪比(SNR)，以确定多根发射天线中每根发射天线对应的前向信道的信道特征。并将该信道状态特征作为发射天线的选择信息反馈到发射端，由发射端根据此信息选择状态较好的发射天线来发射业务信号。但是，上述专利中没有说明判断选择几根发射天线的依据以及具体的反馈方式。

反馈天线选择结果的方式可以有很多，如可以使用专用字节反馈，但是考虑到反馈信号需要比业务信息更高的准确度，需要对反馈信号做较为可靠的编码，这样会浪费宝贵的信道资源。而且，为了保证实时性，反馈信号不能做长时间的时域交织，否则进一步会降低反馈信号的准确度。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空域自适应链路的天线选择反馈方法，因为发射天线阵到接收天线阵的信道状态信息往往只能在接收端得到，需要反馈信道状态信息，本发明提供一种在空分复用MIMO系统中不占用额外信道带宽，具有高准确度，且满足信道变化实时性要求的天线选择信息的反馈方法。

本发明的技术方案包括：

一种空域自适应链路的天线选择反馈方法，包括步骤：

A、在发射端设置相互正交或准正交的导频序列，每个天线对应两个导频，分主导频和辅导频，主导频对应该天线发送业务信号，辅导频对应该天线不发送业务信号，建立导频和发送端天线以及接收端天线的对应关系；

B、所述发射端依据天线选择结果以及导频和发送端天线、接收端天线的对应关系共同决定各发射天线发送的导频序列；

C、所述发射端将此导频序列及业务信号组帧后发射出去；

D、所述接收端收到发射端发来的信号后，利用主辅导频识别器依据收到的信号进行主辅导频匹配，依据主辅导频情况和接收端天线的对应情况判断待发射信号中复用信号的个数和具体的天线序号，据此决定接收端在发射信号时，哪个天线发送业务信号，哪个天线不发送业务信号。

所述的方法，其中，所述步骤D还包括：所述接收端接收到发射端发送的信号后，主辅导频识别器依据收到的信号进行主辅导频匹配，选取相关值较大的一个。

所述的方法，其中，所述步骤D还包括：

D1、依据导频和发射端天线的对应关系进行信道估计；

D2、依据导频和接收端天线的对应关系进行天线选择信息映射。

所述的方法，其中，所述步骤D还包括：所述接收端在时分双工系统中在其发射时隙或在频分双工系统中的发射频段发射信号。

所述的方法，其中，所述依据上述接收端的导频发送情况，应该是对应导频与接收信号的相关输出具有大于一预定门限的值。

本发明所提供的一种空域自适应链路的天线选择反馈方法，由于采用导频反馈的方式，即天线选择信息隐藏在多天线的导频中发送，这样接收端可以依据导频图样来决定哪几个天线的信号载有信息，因此无须消耗额外的信道资源，而且天线选择信息载在导频上恢复的准确度很高，并较好地满足了天线选择信息反馈的实时性要求。

附图说明

图1为本发明方法的实施方式一的发射天线选择信息反馈的示意图；

图2为本发明方法的实施方式二的发射天线选择信息反馈的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，将对本发明各较佳实施例进行详细的描述。

本发明的一种空域自适应链路的天线选择反馈方法，其在空分复用MIMO系统中不占用额外信道带宽，并具有高准确度的天线选择信息，而且能满足信道变化实时性要求。

本发明方法的基本方案包括：

步骤1：在发射端设计相互正交的导频序列，每个天线对应两个导频，分主导频和辅导频，主导频对应该天线发送业务信号，辅导频对应该天线不发送业务信号。建立导频和发送端天线以及接收端天线的对应关系。

步骤2：发射端依据天线选择结果以及导频和发送端天线、接收端天线的对应关系共同决定各发射天线发送的导频序列。

步骤3：发射端将此导频序列及业务信号组帧后发射出去。

步骤4：接收端收到发射端发来的信号后，利用主辅导频识别器依据收到的信号进行主辅导频匹配，依据主辅导频情况和接收端天线的对应情况判断待发射信号中复用信号的个数

(即空分复用系数)和具体的天线序号，据此决定接收端在其发射时隙(TDD模式)或发射频段(FDD模式)发射信号时，哪个天线发送业务信号，哪个天线不发送业务信号。

下面以基站和移动台天线配置为4x4的例子来说明天线选择信息的反馈方法的具体实现过程。

首先来说明导频的设计方法。如下的设计只是为了解释发明的思路和原理，但是发明的范围不局限于具体的例子和条件，如导频的长度，正交序列和扰码的选取等等。

正交序列采用复Walsh序列，使用大M序列进行扰码。Walsh序列如下：

W11+i -1-i 1+i -1-i 1+i -1-i 1+i -1-i

W21-i 1-i 1-i 1-i 1-i 1-i 1-i 1-i

W31+i -1-i -1-i 1+i 1+i -1-i -1-i 1+i

W41-i 1-i -1+i -1+i 1-i 1-i -1+i -1+i

W51+i -1-i 1+i -1-i -1-i 1+i -1-i 1+i

W61-i 1-i 1-i 1-i -1+i -1+i -1+i -1+i

W71+i -1-i -1-i 1+i -1-i 1+i 1+i -1-i

W81-i 1-i -1+i -1+i -1+i -1+i 1-i 1-i

Walsh序列加扰后构成了导频序列Pi，1≤i≤8。对于第i个阵元，主导频为Pi，辅导频为P(i+4)，Pi有如下特性：Pi和Pj正交，i≠j。

以上的天线和导频图样的对应关系有两层含义。首先Pi和P(i+4)对应发射端的第i个阵元，接收端据此决定信道矩阵中各元素的顺序；其次，Pi和P(i+4)对应接收端的第i个阵元，接收端据此决定在其发射时隙(TDD模式)或发射频段(FDD模式)发射信号时，哪个天线发送业务信号，哪个天线不发送业务信号。如主导频图样表示其对应的天线发送业务信号，辅导频图样表示与其对应的天线不发送业务信号。

通过观察导频图样可以发现，每个阵元的主导频和辅导频前4个symbol是相同的，后4个symbol符号相反。这样的设计是为了降低判断导频图样时的运算量。以1号导频和5号导频为例，分别用导频P1的前4个symbol和后4个symbol和对应的接收信号相关，求取两个相关系数的和以及差即可同时得到1号导频和5号导频与接收信号的相关系数，依据相关系数模值的高低即可判断是主导频还是辅导频，而无须两次长度为8的相关运算。

上述的导频设计既适用于基站也适用于移动台。导频设计完成后，就依据本发明方法的天线发送的主辅导频的不同来指示天线选择结果。

下面说明发射天线的导频序列选择方法及组帧方法。如图1给出了天线选择信息反馈的处理流程示意图。图中帧的前面部分为导频部分，后面部分为业务信号部分。不管天线选择结果如何，4个天线的导频信号始终在发送，以利信道估计的实时性。

在移动台端利用上帧信息，移动台进行天线选择，假设移动台认为下行链路中基站的第3个天线不能发送信号，其它天线发送信号。那么其导频设计如下：依据1到4天线顺序，其导频依次为：P1、P2、P7、P4，其中P7即P3+4，表示第3个天线不发送业务数据，因此是辅导频。图中假设前一帧基站要求移动台选择4个天线发送，所以，此时复用系数为4，4个天线都发送业务数据。将选择好的导频按照图1所示方式和业务信号组帧发送。

所述基站接收到移动台发送的信号后，主辅导频识别器依据收到的信号进行主辅导频匹配，选取相关值较大的一个。依据上述移动台的导频发送情况，应该是P1、P2、P7、P4导频得到最大值。首先依据导频和移动台天线的对应关系进行信道估计。即，P1的相关值对应移动台天线1的信道响应，P2、P7到P4的相关值分别对应移动台天线2到4的信道响应。其次，依据导频和基站天线的对应关系进行天线选择信息映射。即，P1相关值较P5的相关值高表明，移动台发送了主导频信息，与其对应的基站第1天线应该在下帧发送业务数据。而P7相关值较P3的相关值高表明，移动台发送了辅导频信息，与其对应的基站第3天线应该在下帧不发送业务数据，其它依此类推。

在进行天线选择映射的同时，基站根据上行信道特征来决定移动台在下一帧哪些天线发送业务信号。假设基站端的天线选择结果为希望移动台端第2根天线不发送信号，其它天线发送信号。那么其导频设计如下：依据1到4天线顺序，其导频依次为：P1、P6、P3、P4。将选择好的导频按照图1所示方式和业务信号组帧发送。

所述移动台接收到基站发送的信号后，主辅导频识别器依据收到的信号进行主辅导频匹配，选取相关值较大的一个。依据上述基站的导频发送情况，应该是P1、P6、P3、P4导频得到最大值。首先依据导频和基站天线的对应关系进行信道估计。即，P1的相关值对应基站天线1的信道响应，P6、P3到P4的相关值分别对应基站天线2到4的信道响应。其次，依据导频和移动台天线的对应关系进行天线选择信息映射。即，P1相关值较P5的相关值高表明，基站发送了主导频信息，与其对应的移动台第1天线应该在下帧发送业务数据。而P6相关值较P2的相关值高表明，基站发送了辅导频信息，与其对应的移动台第2天线应该在下帧不发送业务数据，其它依此类推。

由此来看，对基站来说，本帧业务信号是否发送不是依据本帧基站的导频，而是依据移动台的导频。而移动台进行天线选择需要基站的导频信息，所以，反馈环节的存在会带来一个帧长的时延。本发明的上述方法适用于TDD系统，也适用于FDD系统。

下面以基站和移动台天线配置4x2为例来说明本发明天线选择信息的反馈方法的具体实现过程。

在导频的设计上，仍然可以采用实施方式一的方法。但是导频图样和天线的对应关系做如下规定：

在基站端，Pi和P(i+4)对应基站的第i个阵元(1≤i≤4)，Pi和P(i+4)对应移动台端的第i个阵元(1≤i≤2)，也就是说，只有基站的前两个阵元的对应的导频载有移动台端的天线选择信息。

在移动台端，由于只有2天线配置，为保证移动台端信号的可分性，基站端最多只能有2个天线同时发射，因此，移动台端两个天线的导频仍然能够正确表达基站的天线选择信息。即Pi和P(i+4)对应基站的第i个阵元(1≤i≤4)，在基站端，如果收到与其对应的主导频信号，则该天线发送业务信号，如果接收到其对应的辅导频信号，则该天线不发送业务信号，如果主辅导频信号均收不到，则也表示该天线不发送业务信号。主辅导频的区分可以采用前述的比较匹配相关值的方法，有无导频发送的判决可以通过比较匹配相关值与信号功率的比是否大于门限t来进行。如果小于门限，则认为无该序号的导频发送。导频与移动台端天线的对应关系如下，导频序号以4取模后排序的序号为天线序号。如：待发送的导频为P2和P4，则P2对应天线1，在天线1发送，P4对应天线2，在天线2发送。又如：待发送的导频为P3和P5，则5取模4后为1，经1和3的排序，P5对应天线1，在天线1发送，P3对应天线2，在天线2发送。

下面说明发射天线的导频序列选择方法及组帧方法。如图2给出了天线选择信息反馈的处理流程示意图，图中帧结构和实施方式一类似。

在所述移动台端，利用上帧信息，移动台进行天线选择，假设移动台认为下行链路中基站的第3个天线发送信号，其它天线不发送信号。那么其导频设计如下：依据1到2天线顺序，其导频依次为：P5、P3。图中假设前一帧基站要求移动台选择2个天线发送，所以，此时复用系数为2，2个天线都发送业务数据。将选择好的导频按照图2所示方式和业务信号组帧发送。

所述基站接收到移动台发送的信号后，主辅导频识别器依据收到的信号进行主辅导频匹配，选取相关值较大的一个。依据上述移动台的导频发送情况，应该是P5、P3导频得到大于门限t的值。首先依据导频和移动台天线的对应关系进行信道估计。即，P5的相关值对应移动台天线1的信道响应，P3的相关值对应移动台天线2的信道响应。其次，依据导频和基站天线的对应关系进行天线选择信息映射。即，P5相关值较P1的相关值高表明，移动台在第一天线发送了辅导频信息，与其对应的基站第1天线应该在下帧不发送业务数据。而P3相关值较P7的相关值高表明，移动台发送了主导频信息，与其对应的基站第3天线应该在下帧发送业务数据，其它天线由于无其对应的导频发送，所以均不发送业务数据。

在进行天线选择映射的同时，基站根据上行信道特征来决定移动台在下一帧哪些天线发送业务信号。假设基站端的天线选择结果为希望移动台端第2根天线不发送信号，第1根天线发送信号。那么其导频设计如下：依据1到4天线顺序，其导频依次为：P1、P6、P7、P8。将选择好的导频按照图2所示方式和业务信号组帧发送。

所述移动台接收到基站发送的信号后，主辅导频识别器依据收到的信号进行主辅导频匹配，选取相关值较大的一个。依据上述基站的导频发送情况，应该是P1、P6、P7、P8导频得到最大值。首先依据导频和基站天线的对应关系进行信道估计。即，P1的相关值对应基站天线1的信道响应，P6、P7到P8的相关值分别对应基站天线2到4的信道响应。其次，依据导频和移动台天线的对应关系进行天线选择信息映射。即，P1相关值较P5的相关值高表明，基站发送了主导频信息，与其对应的移动台第1天线应该在下帧发送业务数据。而P6相关值较P2的相关值高表明，基站发送了辅导频信息，与其对应的移动台第2天线应该在下帧不发送业务数据，由于移动台只有两个天线，不再理会基站第3和第4天线发送的导频信息。

本发明方法采用了导频反馈的方式，即天线选择信息隐藏在多天线的导频中发送，在接收端可以依据导频图样来决定哪几个天线的信号载有信息。由于MIMO系统中，多天线本来就需要发送不同的导频进行信道估计，因此，不需要消耗额外的信道资源。而且，导频往往是通信建立的基础，因此，导频信号往往较强，易于识别，天线选择信息载在导频上恢复的准确度很高。同时，导频信息往往是逐帧提取的，可以较好地满足天线选择信息反馈的实时性要求。

应当理解的是，上述针对具体实施例的描述较为详细，并不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种空域自适应链路的天线选择反馈方法，包括步骤：

A、在发射端设置相互正交或准正交的导频序列，发射端的每个发射天线对应一组导频，分主导频和辅导频，建立发射端每组主辅导频与接收端各发射天线的对应关系；主导频表示接收端对应的发射天线发送业务信号，辅导频表示接收端对应的发射天线不发送业务信号；

B、所述发射端依据发射端天线选择结果以及主辅导频和发射端天线、主辅导频和接收端天线的对应关系共同决定发射端各发射天线发送的导频序列；

C、所述发射端将此导频序列及业务信号组帧后发射出去；

D、所述接收端收到发射端发来的信号后，利用主辅导频识别器依据收到的信号进行主辅导频匹配，依据收到的是主导频还是辅导频，以及发射端每组主辅导频与接收端各发射天线的对应关系，决定接收端在发送信号时，哪个接收端发射天线发送业务信号，哪个接收端发射天线不发送业务信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D还包括：所述接收端接收到发射端发送的信号后，主辅导频识别器依据收到的信号进行主辅导频匹配，选取每个发射端天线相关值较大者，该相关值较大者是发射端天线的主导频相关值和辅导频相关值中较大者。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤D选取每个发射端天线相关值较大者后，还包括：

D1、发射端依据导频和发射端天线的对应关系对无线传输信道进行信道估计；

D2、发射端依据导频和接收端天线的对应关系进行天线选择信息映射。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤D还包括：所述接收端在时分双工系统中在其发射时隙或在频分双工系统中的发射频段发射信号。

5.根据权利要求1至3任意所述的方法，其特征在于，依据上述接收端的导频发送情况，对主辅导频的区分采用比较匹配相关值的方法，有无导频发送的判决通过比较匹配相关值与信号功率的比是否大于门限t来进行，如果小于门限，则认为无该序号的导频发送。