CN200987169Y - 一种闭环波束成型的发射和接收装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种闭环波束成型的发射和接收装置，其中，一种闭环波束成型的发射装置包括：第一权值乘法器、第二权值乘法器、第一参考信号加法器、第二参考信号加法器、权值产生器；一种闭环波束成型的接收装置包括：第一信道估计器、第二信道估计器、数据解调器、权值估计器、第一权值乘法器、第二权值乘法器、加法器。应用本实用新型所述的装置，克服了只在发射端构造正交信号，而无法在接收端保证正交信号接收的缺点。

Description

一种闭环波束成型的发射和接收装置

技术领域

本实用新型涉及一种发射和接收装置，尤其涉及一种闭环波束成型的发射和接收装置，用于移动通信系统中。

背景技术

在移动通信过程中，常用的多天线的方法是在多天线的发射端对同一信息序列构造两路或多路正交的信号，从而在接收端获得多路的增益，以达到扩大覆盖、增加系统容量的效果。可是，尽管在发射端构造了正交的信号，但由于无线信道自身的衰落特性，到达接收端的正交信号会产生相位偏转、功率衰落等常见的信号变形，也就是说，到达接收端的信号已经是非正交了，从而使实际获得的增益并不如理想预测的好。因此，就需要一种装置来解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种闭环波束成型的发射和接收装置，以克服只在发射端构造正交信号，而无法在接收端保证正交信号接收的缺点。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种闭环波束成型的发射和接收装置，其中，一种闭环波束成型的发射装置包括：包括：第一权值乘法器、第二权值乘法器、第一参考信号加法器、第二参考信号加法器，其中，所述第一权值乘法器与所述第一参考信号加法器相连，所述第二权值乘法器与第二参考信号加法器相连，所述两个权值乘法器分别对接收端所反馈的两个相应的权值与同一个业务信道进行相乘，得到在接收端正交的两路信号，所述第一参考信号加法器对通过其的一路正交信号与第一参考信号进行相加，所述第二参考信号加法器对通过其的另一路正交信号与第二参考信号进行相加。

其中，进一步包括：权值产生器，与所述第一权值乘法器、第二权值乘法器相连，对空中信道传递的反馈的权值进行重新还原。

一种闭环波束成型的接收装置，包括：第一信道估计器、第二信道估计器、数据解调器、权值估计器、第一权值乘法器、第二权值乘法器、加法器，其中，所述对第一参考信号进行信道估计的第一信道估计器、所述对第二参考信号进行信道估计的第二信道估计器分别与数据解调器和权值估计器相连，所述数据解调器、权值估计器及加法器分别与所述第一权值乘法器、第二权值乘法器相连。

其中，所述数据解调器对两个信道估计值进行解调处理，得到相应的信息信号。

其中，所述权值估计器对两个信道估计值进行处理并输出相应的权值。

其中，所述第一、第二权值乘法器分别对相应的数据解调器解调出的信息与权值估计器输出的权值进行共轭相乘处理。

其中，所述加法器对两路加权后的信号进行合并处理。

其中，所述权值估计器输出的权值向量为信道相关阵R最大特征值所对应的特征向量或者是特征向量的量化值，其中R＝H^HH，H为信道矩阵。

其中，所述权值产生器和权值估计器所产生的权值向量是相位向量或功率向量，或者是功率向量和相位向量的混合。

本实用新型所述的装置，利用移动台通过上行链路反馈给基站的信道信息，自适应的调整两个发送天线上的发送权值，以达到使移动台接收多路信号正交且叠加功率最大的目的，克服了只在发射端构造正交信号，而无法在接收端保证正交信号接收的缺点。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例所述的一种闭环波束成型发射装置的结构示意图；

图2是根据本实用新型实施例所述的一种闭环波束成型接收装置的结构示意图；

图3是根据本实用新型实施例所述的在扩频系统中一种闭环波束成型发射装置的结构示意图；

图4是根据本实用新型实施例所述的在扩频系统中一种闭环波束成型接收装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细描述。

参考图1，为本实用新型实施例所述的一种闭环波束成型发射装置的结构示意图，具体包括：第一权值乘法器101、第二权值乘法器102、第一参考信号加法器103、第二参考信号加法器104、第一天线105、第二天线106、权值产生器107。

接收端所反馈的两个权值分别通过所述第一权值乘法器101、第二权值乘法器102乘以同一路业务信道110，得到在接收端正交的两路信号，所述得到的两路正交信号分别通过所述第一参考信号加法器103、第二参考信号加法器104分别与第一参考信号108、第二参考信号109相加，得到的最终信号分别经由第一天线105、第二天线106发射出去。

所述第一参考信号108与第二参考信号109可以相同，也可以不同。

以上所述的正交信号并不只限于两路，相应的乘法器和加法器的数量也不限于两组。

参考图2，为本实用新型实施例所述的一种闭环波束成型接收装置的结构示意图，具体包括：第一信道估计器201、第二信道估计器202、数据解调器203、权值估计器204、第一权值乘法器205、第二权值乘法器206、加法器207、天线208。

接收端通过天线接收到了加权后的正交信号，所述第一信道估计器201和第二信道估计器202分别根据所述第一参考信号108和第二参考信号109进行信道估计，输出的两类信道估计值τ_1，l、τ_2，l及h_1，l、h_2，l分别提供给数据解调器203和权值估计器204，数据解调器203利用信道估计值解调信息，并分别与权值估计器204输出的两个权值向量W1^*和W2^*进行共轭相乘，又由加法器207对两路加权后的信号进行合并。

所述权值估计器204输出的权值向量为信道相关阵R最大特征值所对应的特征向量或者是特征向量的量化值，其中R＝H^HH，H为信道矩阵。

所述第一信道估计器201与第二信道估计器202可以相同，也可以不同。

以上所述的正交信号并不只限于两路，相应的乘法器和信道估计器的数量也不限于两组。

所述接收装置内部的权值估计器204和所述发射装置内部的权值产生器107产生的权值向量可以是相位向量或功率向量，也可以是功率向量和相位向量的混合。当权值向量是相位向量时，闭环波束成型的发射装置只进行多路信号的相位调整；当权值向量是功率向量和相位向量的混合时，闭环波束成型装置不仅要调整多路信号的相位，还要调整幅度。

参考图3，为本实用新型实施例所述的在扩频系统中一种闭环波束成型发射装置的结构示意图，具体包括：第一信道码乘法器301、第二信道码乘法器302、第三信道码乘法器303、第一扰码乘法器304、第二扰码乘法器305、第三扰码乘法器306、第一权值乘法器307、第二权值乘法器308、第一参考信号加法器309、第二参考信号加法器310、第一天线311、第二天线312、权值产生器313。

第一导频信号314和第二导频信号315分别与同一个信道码C_ch ^P和扰码C_scramb ^P相乘，专用信道316与其专用的信道码C_ch ^D和扰码C_scramb ^D相乘。反馈信号进入权值发生器313后产生权值W1和W2，分别通过两个权值乘法器乘以扩频和加扰后的专用信道，以此构造在接收端正交或近似正交的多路信号，多路信号分别与第一导频信号314和第二导频信号315相加，第一导频信号314和第二导频信号315可以相同，也可以不同。此处所述的正交信号并不只限于两路，相应的乘法器和加法器的数量也不限于此。

参考图4，为本实用新型实施例所述的在扩频系统中一种闭环波束成型接收装置的结构示意图，具体包括：第一信道估计器401、第二信道估计器402、数据解扩解调器403、权值估计器404、第一最大比合并器(MRC)405、第二最大比合并器(MRC)406、第一权值乘法器407、第二权值乘法器408、加法器409、天线410。

经过加权的正交信号被接收装置接收，第一信道估计器401、第二信道估计器402根据第一导频信号312和第二导频信号313进行信道估计，输出的两类信道估计值τ_1，l、τ_2，l及h_1，l、h_2，l分别提供给数据解扩解调器403和权值估计器404，数据解扩解调器404利用信道估计值解扩解扰解调信息后，通过第一最大比合并器(MRC)405、第二最大比合并器(MRC)406分别对两路信号进行最大比合并。合并后的结果分别与权值估计器404输出的两个权值向量W1^*和W2^*进行共轭相乘，利用加法器合并两路加权后的信号。第一信道估计器与第二信道估计器可以相同，也可以不同。此处所述对于正交信号的接收并不只限于两路，相应的乘法器和加法器的数量也不限于此。

下面就以扩频系统中的下行方向为例，对所述闭环波束成型的发射和接收装置的工作原理做进一步的分析描述：

专用信道数据直接进行扩频，再利用W1和W2进行加权后在两天线上发送。闭环波束成型方式下，加权向量与移动台反馈的下行信道信息有关，会随着信道变化而变化。为了对两天线的信号发送功率归一化，对发送权值向量W做以下规定：

${\left|\right|w\left|\right|}^2=w^{H}w=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_i\right|}^2=1---\left(1\right)$

同样设两个天线上的发送信号分别经过两个不同的L径的Rayleigh(瑞利)衰落信道{(h_i，l，τ_i，l)}，i＝1，2，l＝1，2...，L。移动台接收信号如下：

$r\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{i,l}\left(t\right)s_i(t-{\mathrm{\τ}}_{i,l})+n\left(t\right)---\left(2\right)$

其中，n(t)为接收端零均值的带限加性高斯噪声，双边功率谱密度为N₀/2，用来表示相邻小区的多址干扰和热噪声。s_i(t)为发送信号，用下式来表示：

$s_i\left(t\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_d}d{c}_d\left(t\right)+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_p}{p}_i{c}_p\left(t\right))w_{i}g(t-n{T}_c)---\left(3\right)$

其中，式中d为专用信道数据符号，p_i为第i个天线上发送的导频信道数据符号，w_i为第i个天线上的加权值。其余符号的定义同式(2)。

由上所述，移动台专用信道接收信号的功率可以表示为：

P＝ε_dw^HH^HHw    (4)

式中H为L×2阶信道矩阵，有H＝[h₁ h₂]。其中h₁＝[h₁₁ h₁₂…h_1L]^T，h₂＝[h₂₁ h₂₂…h_2L]^T。由下面的推导可以看到，使上式移动台接收信号功率达到最大的发送权值W，也使移动台接收机输出信噪比达到最大。

闭环波束成型接收机的信道估计，数据解扩和最大比合并部分与常用RAKE(多径分集)接收机内部算法相同。

在本实施例中设定所有径的信道估计是精确的，且两个发送天线的接收信号路径延时相等。用矩阵形式表示专用信道数据解扩后的信号为：

z＝Hx+v    (5)

上式中z为解扩后数据符号向量，有z＝[z₁ z₂…z_L]^T。x为发送符号向量，有 $x=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_d}\mathrm{dw},$ w＝[w₁ w₂]^T。v为噪声n(t)经过解扩后的噪声向量，有v＝[v₁ v₂…v_L]。

经过最大比合并，再与发送权向量w^H相乘后，可得到：

$Z=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_d}d{w}^H{H}^H\mathrm{Hw}+w^H{H}^{H}v---\left(6\right)$

Z为接收机的输出符号。由上式可得移动台输出信号的信噪比为

$\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_d}{N_0}{w}^H{H}^H\mathrm{Hw}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_d}{N_0}{w}^H\mathrm{Rw}---\left(7\right)$

其中，R＝H^HH为2×2的信道相关矩阵，显然是一个Hermitian(厄密共轭)阵。

闭环波束成型的本质就是通过改变发送权向量W，使式(4)中的移动台接收信号功率P和式(7)中的移动台输出信噪比γ最大。根据式(1)可将式(4)写为：

$P={\mathrm{\ϵ}}_d{w}^H\mathrm{Rw}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_d{w}^H\mathrm{Rw}}{w^{H}w}---\left(8\right)$

其中， 为矩阵R的Rayleigh商，由Hermitian阵的性质可知，当W矩阵R最大特征值所对应的特征向量时，矩阵R的Rayleigh商有最大值，且最大值等于矩阵R的最大特征根。由此，移动台的最大接收信号功率在权向量W取信道相关阵R最大特征值所对应的特征向量时获得，且等于阵R的最大特征值。由于信道相关矩阵随着信道系数在不断变化，所以，最优发送权向量W要自适应调整以跟踪信道的变化。

通过计算可以直接求出最优发送权向量w。先看单径信道情况下，有H＝[h₁h₂]，则信道相关阵为

$R=\left[\begin{array}{cc}{\left|h_1\right|}^2& {h_1^{*}h}_2\\ h_1{h}_2^{*}& {\left|h_2\right|}^2\end{array}\right]---\left(9\right)$

容易求出矩阵R的两个特征值为λ₁＝|h₁|²+|h₂|²，λ₂＝0。其中，最大特征值为λ₁。考虑到式(1)，且规定w₁为实数，则对应最大特征值的最优权值为：

$w_1=\frac{\left|h_1\right|}{\sqrt{{\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2}}$

$w_2=\frac{h_2^{*}{h}_1}{\left|h_1\right|\sqrt{{\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2}}---\left(10\right)$

在多径信道情况下，H＝[h₁h₂]，信道相关阵如下：

$R=\left[\begin{array}{cc}{\left|\right|h_1\left|\right|}^2& h_1^H{h}_2\\ h_2^H{h}_1& {\left|\right|h_2\left|\right|}^2\end{array}\right]---\left(11\right)$

可以解得两个特征值：

${\mathrm{\λ}}_1=\frac{{\left|\right|h_1\left|\right|}^2+{\left|\right|h_2\left|\right|}^2+\sqrt{{({\left|\right|h_1\left|\right|}^2-{\left|\right|h_2\left|\right|}^2)}^2+4{\left|h_2^H{h}_1\right|}^2}}{2}$

${\mathrm{\λ}}_2=\frac{{\left|\right|h_1\left|\right|}^2+{\left|\right|h_2\left|\right|}^2-\sqrt{{({\left|\right|h_1\left|\right|}^2-{\left|\right|h_2\left|\right|}^2)}^2+4{\left|h_2^H{h}_1\right|}^2}}{2}---\left(12\right)$

最大的特征值为λ₁，对应的最优权值如下：

$w_1=\frac{2\left|h_2^H{h}_1\right|}{\sqrt{{({\left|\right|h_2\left|\right|}^2-{\left|\right|h_1\left|\right|}^2+\sqrt{{({\left|\right|h_2\left|\right|}^2-{\left|\right|h_1\left|\right|}^2)}^2+4{\left|h_2^H{h}_1\right|}^2})}^2+4{\left|h_2^H{h}_1\right|}^2}}$

$w_2=\frac{h_2^H{h}_1({\left|\right|h_2\left|\right|}^2-{\left|\right|h_1\left|\right|}^2+\sqrt{{({\left|\right|h_2\left|\right|}^2-{\left|\right|h_1\left|\right|}^2)}^2+4{\left|h_2^H{h}_1\right|}^2})}{\left|h_2^H{h}_1\right|\sqrt{{({\left|\right|h_2\left|\right|}^2-{\left|\right|h_1\left|\right|}^2+\sqrt{{({\left|\right|h_2\left|\right|}^2-{\left|\right|h_1\left|\right|}^2)}^2+4{\left|h_2^H{h}_1\right|}^2})}^2+4{\left|h_2^H{h}_1\right|}^2}}.$

Claims (3)

1.一种闭环波束成型的发射装置，其特征在于，包括：第一权值乘法器、第二权值乘法器、第一参考信号加法器、第二参考信号加法器，其中，所述第一权值乘法器与所述第一参考信号加法器相连，所述第二权值乘法器与第二参考信号加法器相连。

2.如权利要求1所述的一种闭环波束成型的发射装置，其特征在于，进一步包括：权值产生器，与所述第一权值乘法器、第二权值乘法器相连。

3.一种闭环波束成型的接收装置，其特征在于，包括：第一信道估计器、第二信道估计器、数据解调器、权值估计器、第一权值乘法器、第二权值乘法器、加法器，其中，所述第一信道估计器、第二信道估计器分别与数据解调器和权值估计器相连，所述数据解调器、权值估计器及加法器分别与所述第一权值乘法器、第二权值乘法器相连。

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