WO2007107096A1

WO2007107096A1 - Procédé et système d'émission de signal dans une communication par antennes multiples

Info

Publication number: WO2007107096A1
Application number: PCT/CN2007/000864
Authority: WO
Inventors: Yinggang Du; Hufei Zhu; Bin Li
Original assignee: Huawei Technologies Co., Ltd.
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2007-09-27
Also published as: CN101043297A; CN101043297B

Description

一种多天线通信中发射信号的方法及系统技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种多天线通信中发射信号的方法及系统。背景技术

多输入多输出（MIMO, Muliti-Input Multi-Output )技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的服务盾量（误比特率或数据速率）。而传统的通信系统是单进单出（ Single-InputSingle-Output, SISO ) 系统。基于发射分集和接收分集的多进单出（Multiple-Input Single-Output, MI2SO )方式和单进多出（ Single-InputMultiple-Output, SIMO ) 方式也是 MIMO的一部分。

空时编码 (Space-Time Coding, STC), 简称为空时码。有一类空时码利用了 MIMO信道提供的空间分集增益 , 在常用的 BER - SN 曲线中，表现为能得到较陡的斜率。 STC 中根据编码方式的不同，又可以分为 STTC ( Space TimeTrellisCoding ) 空时网格码， ST Turbo Code ( Space Time Turbo Code ) 空时 Turbo码， STBC ( Space Time Block Coding ) 空时分组码，差分空时分组码（DSTBC )等等。 Alamouti方案是 STBC的一个简单而经典的例子。

目前在 MIMO技术中，使用 Alamouti空时分组码传输信号，以获得分集增益。在 Alamouti空时分组码技术中，同时使用两个发射天线，用图 1所示的方式发射信号。在接收端可以使用一个或者多个接收天线。在发射端同时使用两个发射天线，对于接收端而言可以获得这两个发射天线的分集（diversity ) 增益。

空时码还可以用来利用空间复用获得更大的 MIMO 信道容量，比如 Foschini提出的分层空时编码（ Layered Space-Time Coding, LST )。为了对抗信道衰落，以及信道的干扰和噪声带来的传输错误，发射端把需要传输的数据分成多个数据包 (Block),对同一个数据包中的信息比特进行信道编码和交织，再调制成多个符号通过信道传输，而传输这样一个数据包所需要的时间的长度决定了一个传输时间间隔（ TTI, Transmission Time Interval )的长度。接收端先接收同一个数据包内包含的所有符号，再进行解交织和解码。

而一个 TTI内所传输的一个数据包内的各个符号，可以分布在时域上的不同区间，或者分布在频域上的不同区间，或者分布在时域和频域的二维平面上的不同区间。例如，某个 MMO OFDM通信方案中，一个数据包使用时域上的 8个 OFDM符号，每个 OFDM符号占用频域上的 16个子载波，那么一个符号周期，就是指时域和频域的二维平面上的一个区间，也就是时域上 1个 OFDM 符号上的 1个子载波，而这个数据包共有 8 X 16=128个符号周期。

这里假设发射天线数目 M = 2, 接收天线数目 N = 2, 则接收端收到的信号可以表示为如下形式：

这里的 r， Η和的定义都是跨越 2个符号周期的。即第一个符号周期，两个发射天线分別发射 α_χ和 α 第二个周期则分別发射 ₂和 ίΛ , 而 Η的各个分量在 2个符号周期内保持不变。 Alamouti方案除了提供空间分集增益外，另一个引人之处在于它的解码非常简单，无需进行联合检测，可以对每一个符号分别进行最大似然估计。这里简单说明一下，设第 j个接收天线上的接收信号为：

r = h a + h_J2a₂ + v,

根据最大似然估计的准则，需要使下式最小：

把其中各项展开合并同类项后，由于和 | ₂|²与、的取值无关，所以可以转化为求取 a使下式最小： -∑ (^rn^hfl^a* + ^r jA + ^rji A + )+ +

lJ2\

不难看出，该式第一行仅与有关，第二行仅与 ₂有关，所以可以分别检测，这就使采用最大似然估计成为可能，进一步进行筒化还可以得到、 α₂ 的判别式分别为使

¾: 使

这两个判别式与、 α₂的调制方式无关，所以可以采用不同方式的调制，如果是 PSK调制，由于星座图上各点幅度值一样，则两个判别式的后一项可以进一步忽略，检测将更为简单。

检测到、 ₂后，也可以分别得到每个符号对应的信噪比：

SI肌

可以看出，得到、' ₂的方法实质上是一种硬判决。

同样的原理，容易看出，在接收天线数目 N=l的情况下，每个符号对应的信噪比：

+

SINK = - σ

在现有技术中，有一种使用 Alamouti空时分组码传输信号的方案，用于开环（Open Loop) MO系统中。该方案同时使用 4个发射天线，而接收天线的数目可以是 1, 2或者 4。该方案所使用的 MMO模式是：

以上的矩阵有 4行 4列，该 4列与 4个发射天线对应，每 1列对应 1个不同的发射天线。以上矩阵的 4行对应于在时间域上，或者在频率域上，或者在时间和频率域上的 4个连续的点。

如果把发射天线编号为发射天线 1， 2, 3, 4, 可以看到在该方案中，在发射天线 1 , 2上发射两个符号（symbol ) 向量 h ]和 [― 然后在发射天线 3, 4上发射两个符号向量和 [― ^{3 2}]。发射天线 1 , 2上发射的两个符号（symbol )向量 [^'"]和 [― ^ 组成一组 Alamouti空时分组码，而发射天线 3 , 4上发射的两个符号向量 [^² ^ ]和 [一 +³ ^ ]组成另一组 Alamouti空时分组码。

上述方案中， Alamouti空时分组码通常用于开环（ Open Loo ) MIMO系统中。在开环（Open Loop ) MIMO系统中，发射端只知道信道的长期统计特性，不知道当前时刻的信道情况，从而无法使用自适应调制和编码方案 ( Adaptive modulation and coding schemes )根据当前的信道情况选择较优的调制和信道编码方案 ( The modulation and channel coding scheme )，而只能使用固定的调制和信道编码方案。而当调制和信道编码方案固定下来以后，通常一个采用所述调制和信道编码方案的数据包（data block )在一个 TTI(Transmission Time Interval即传输时间间隔）内传输。因为信道情况的变化，各个数据包对应的信道情况不同，相应的接收端接收信噪比也不同，从而所传输的各个数据包的误包率也将随之变化。系统设计的目标是降低平均误包率，即多个数据包的误包率的均值。

在多个数据包的接收信噪比的均值相同的情况下，多个数据包的接收信噪比的方差越小即各个数据包的接收信噪比的波动越小，则多个数据包的误包率的均值越小。 2003的会议 "Information, Communications and Signal Processing" 上的论文 "On interference cancellation ordering of V-BLAST detectors"给出了支持这个结论的仿真结果。

3GPP的提案 Rl-030777, "Link Error Prediction for E-DCH"中也指出，在各帧（frame ) 的平均信噪比相同的情况下，和波动较大的信道相比，波动较小的信道有更好的误帧率性能。从而该提案指出，和快变信道相比，加性白高斯噪声（AWGN )信道和慢变信道有更好的误帧率性能。所述的误帧率，相当于我们讨论的误包率，而该提案中提到的帧（frame ), 通常也是在一个 TTI内传输，与本申请提到的数据包类似。

由此可见，现有技术中，多个数据包的接收信噪比的波动较大，从而导致多个数据包的误包率的均值较大，同时还会导致闪光灯效应（flashlight effect )。对接收信噪比的波动可以加以降低，使多个数据包的误包率的均值变小。发明内容

本发明实施例提供一种多天线通信中发射信号的方法，用以解决现有技术中存在的数据包接收信噪比的波动较大问题。

一种多天线通信中发射信号的方法，在一个 TTI中采用 N个发射天线发射信号，包括：

在所述 ΤΉ中，采用至少 3个不同的 M个发射天线组合发射所述发射信号，所述 M N。

一种多天线通信中发射信号的系统，包括多个发射天线，还包括：发射天线组合选取单元，用于对发射天线组合进行选取，选取至少 3个不同的 M个发射天线组合，并由被选取的发射天线组合将所述发射信号发射出去。

本发明实施例提供的方案，可以消除信道矩阵各项的排列改变所造成的有效信噪比的值的波动，从而减小各个数据包的有效信噪比的波动，取得更好的误包率性能。附图说明

图 1为现有技术中使用两个发射天线发射 Alamouti空时分组码的示意图；图 2为本发明实施例 1的流程示意图；

图 3为本发明实施例 2的系统结构示意图。具体实施方式

下面结合说明书附图来说明本发明的具体实施方式。

根据前述现有技术中记载可知，当在发射端使用多发射天线时，在一个 TTI中相邻的两个符号周期内，由两个发射天线作为一组发射信号，发射一组 Alamouti空时分组码。我们可以把发射一组 Alamouti空时分组码的相邻的两个符号周期，称为一个 Alamouti空时分組码周期，上述一个 Alamouti空时分组码周期内的两个相邻的两个符号周期，可以是在时间域上相邻，或者也可以是在频率域上相邻。

这样，现有技术可以表述为，发射端使用多发射天线时，在一个 Alamouti 空时分组码周期，由两个发射天线作为一组发射信号；而在下一个 Alamouti 空时分组码周期内，以均不相同的另外两个发射天线再作为一组发射信号，这样，实际上做为一组发射信号的两个发射天线是固定不变的，本发明实施例对上述方案有所改变。

当以 N个天线作为发射天线进行信号发射时，每个 Alamouti空时分组码周期内要使用一个 M个发射天线的组合发送信号，这样总共有 C_N ^M个组合方式可以使用。本发明实施例对这 C_N ^M个组合方式进行灵活运用。

如图 2所示，是本发明实施例 1的流程示意图，包括如下步骤：

Sll、在开始的一些 Alamouti空时分组码周期，选取某一个 M个天线的组合发射第一组 Alamouti空时分组码；

在这些 Alamouti空时分组码周期内，根据发射信号需求，选取某一个 M 个发射天线的组合，发射第一组 Alamouti空时分组码，该] V [个发射天线按照编号可以为（天线 1......天线 M ), 其中 M N 。 M在一般的多天线发射方案中，可以取值为 2。上述 Alamouti空时分组码周期，可以是时间域周期或者频率域周期。

512、在随后的若干个 Alamouti空时分组码周期内，以步骤 S11中使用的该 M 个发射天线的组合以外的 C_N ^M-1 个发射天线组合分别发射第一组 Alamouti空时分组码；

步骤 S12中，在上述 N个发射天线的 M个发射天线的组合中，去除步骤 S11中组合方式，即去除编号为（发射天线 1......发射天线 M ) 的一个组合方式后任意一个 M个发射天线的组合，该组合中使用的发射天线可以包括步驟 S11中选取的编号为（发射天线 1......发射天线 M ) 的发射天线中的一个或者多个，但不能完全相同。

513、遍历所有 C_N ^M-1个发射天线组合后，返回步驟 Sll。

与步骤 S12相同处理，保证 C_N ^M-1个发射天线組合中的每一个组合都进行了信号发射。

通过步骤 S11-S13 , 可以使得所有发射天线的 C_N ^M个组合都参与了发射, 这样，可以消除有效信噪比的值的波动，从而减小各个数据包的有效信噪比的波动，取得更好的误包率性能。

另外，本发明实施例 1方案，在一个 TTI内的各个符号周期遍历所有的不同的各个发射天线组合，这样可以减少对其它用户的干扰，即减少闪光灯效应 flashlight effect。

本发明实施例 1所指的发射天线，可以是物理天线，也可以是上述提案中所述的虚拟天线。

上述方案中，在 N个天线中选取 M个天线，共有 C_N ^M种组合方式。在开始的几个 Alamouti空时分组码周期，使用这 C_N ^M种组合中的一种，从 N个天线中选取 M个天线发射信号。

上述 Alamouti空时分组码周期的分配，可以按照平均分配的方式，也可以采取其他方式，比如假设有 120个符号周期，以 4个发射天线为例，使用其中 2 个发射天线组合发送空时分組码，则 C₄ ²=6种组合，那么可以设定 20个 Alamouti空时分组码周期使用第一种组合，接下来的 20个 Alamouti空时分组码周期使用第二种组合 ......。较佳的情况就是 120个 Alamouti空时分组码周期中， 6种组合都用到，而且每一种组合占用的 Alamouti空时分组码周期相同。但是，如果只用其中的 5种組合，也能获取增益。例如上述方案中有 6种组合，使用的发射天线组合的依次是发射天线组合 1、 2、 1、 2、 1、 2、 3、 4、 5, 只是用了其中的 5种组合，也达到了获取增益的效果。

下面以 4个发射天线为例进行方案说明。

为描述方便,本发明实施例 1对发射天线发射信号采用矩阵形式进行说明，本发明实施例 1采用 MMO模式为：

以上的矩阵有 12行 4列，该 4列与 4个发射天线对应，每 1列对应 1个不同的发射天线，依次编号为发射天线 1、发射天线 2、发射天线 3和发射天线 4。以上矩阵的行对应于在时间域上，或者在频率域上，或者在时间和频率域上的 12个连续的点，两个连续的点组成一个 Alamouti空时分组码周期，则这 12个连续的点分别对应 Alamouti空时分组码周期 1、 Alamouti空时分组码周期 2...... Alamouti空时分组码周期 6。

上述方案中，在 Alamouti空时分组码周期 1 , 采用发射天线 1和发射天线 2的组合发送信号；在 Alamouti空时分組码周期 2, 使用发射天线 3和发射天线 4的组合发送信号；在 Alamouti空时分组码周期 3 , 使用发射天线 1和发射天线 4的组合发送信号；在 Alamouti空时分組码周期 4使用发射天线 2和发射天线 3的组合发送信号；在 Alamouti空时分组码周期 5使用发射天线 2和发射天线 4的组合发送信号；在 Alamouti空时分組码周期 6使用发射天线 1和发射天线 3的组合发送信号。

上述方案中，假设接收天线数目 N = l 的情况。则相应的信道矩阵 ^{H =} ½i ^hn Δ , 简写为 Η = [/¾ K \ _a

当使用的 ΜΙΜΟ模式是：

、、

' ，、、、、、号，接下来的 Alamouti空时分組码周期 2使用发射天线 3和发射天线 4的组合发送信号，然后重复这两个周期的发射天线组合方式发射信号，则这两种发射天线组合下，每个符号对应的信噪比为：

表示常数，则上式可以筒写为:

当使用的 MIMO模式是 A'l , Alamouti空时分组码周期 1使用同一个发射天线组合，然后在下一个 Alamouti空时分组码周期发射天线组合变化，依次使用的 6种发射天线组合分别是发射天线 1和发射天线 2, 发射天线 3和发射天线 4,发射天线 1和发射天线 4,发射天线 2和发射天线 3,发射天线 2和发射天线 4，发射天线 1和发射天线 3。则这 6种天线组合下对应的接收信噪比分别为：

SINRbQ = SINR_U = β (|¾ |²+|¾| SINRb(2) = S屋 ₁₃ = β |² + 1/¾「、

SINRh(3) = SINR_U = 、

SINRb(4) = S扁 ₂₃ =/?(| ¾|²+| %| SINRb(5) = SINR₂₄ = (| |²

SINRb(6) = SINR_U = (|/¾|² +| 假设一个数据包共有 120个符号，则在 MIMO模式 A'下， 60个符号的 SINR 隱 , 其它 60个符号的 SINR是 ^SjV?34。而在 MIMO模式 Αί下， 120个符号可以分成每组有 20个符号的 6组，各组内符号的 SINR依次是 S^M½(^z') , i=l, 2, …， 6。

在一个数据包内，各个符号的接收信噪比不一定相同，计算该数据包的误包率，需要考虑这个数据包的有效信噪比（effective SMR)。 3GPP 的提案 Rl-050912, "MIMO proposal for MIMO-WCDMA evaluation"中给出了考虑到在一个数据包内的各个符号的接收信噪比的差异的情况下，计算有效信噪比的方法。所述的一个数据包内的各个符号的接收信噪比的差异，会影响 turbo解码器的解码性能，计算有效信噪比的方法必须考虑到这一点。该提案中给出的一种计算有效信噪比的方法是使用凸面标尺（the convex metric), 使用凸面标尺，则某个数据包的有效信噪比^按照如下方式获得：

Ye =― r = ~∑iog₂(i +Q-r_n)

Q , 其中的 ^Ν , 在这里， ^是这个数据包内的每一个符号的接收信噪比， Q是惩罚因子（a penalty factor), 用来模拟因为非高斯调制（ non-Gaussian modulation )、实际的编码率、信道估计误差和信道变化等因素而带来的不利影响。

根据上面的叙述，容易看到，当使用的 MIMO模式是现有技术的时，一个数据包的有效信噪比 ^是：

T_eS。 {l + Q- SINRa(i))

―

而当使用的 MIMO模式是本发明实施例 1方案时，一个数据包的有效信噪比 ff是 + Q-SINRb(i))

。

我们仿真了 50万个 ΤΉ内分别传输的 50万个数据包，得到 ^― ')和 '） , i=l,2,...,⁵<io⁵。仿真结果表明， ^-。^W和^- ¹⁽⁰的均值的差别是 0.8%，可以认为二者在误差范围内相等，而。《的方差比^ u«的方差大 7%。多次仿真都证实了这个结论。

理论上也可以说明为什么 ^—。(0的方差总是比^」(0的方差大。容易看出，如果交换信道矩阵 ^{H = [/}¾ ^ ¾ 的各项，那么 S/N^(l)和 S/N¾(²)的值都将会改变，从而和有效信噪比^—。的值改变；但是，交换信道矩阵 H^ ^ W的各项，得到的新的¹ ^^ ) (i=l,2,...,6)的 6个值，与交换信道矩阵各项前的 6 个值相比，只有排列顺序的改变， 6个值本身没有任何改变，所以^ ϊ和有效信噪比^ -¹的值不会改变。总而言之，本发明实施例可以消除信道矩阵各项的排列改变所造成的有效信噪比的值的波动，从而减小各个数据包的有效信噪比的波动，取得更好的误包率性能。

如图 3所示，是本发明实施例 1多天线通信中发射信号的系统结构示意图，从图中可见，其包括多个发射天线，在上述基石出上，增加：

发射天线组合选取单元 101, 用于对发射天线组合进行遍历选取，并由被选取的发射天线组合将第一信号发射出去；

该发射天线组合选取单元进一步执行：

在第一符号周期，选取 M个发射天线的第一组合发射一组空时码；在随后第二符号周期，选取与第一符号周期所用组合不同的 M个发射天线组合发射所述发射信号；

重复选取与第一符号周期所用组合不同的 M个发射天线组合发射所述发射信号至少一次，使得在所述 ΤΉ中，采用至少 3个不同的 M个发射天线组合发射所述发射信号。

该系统中的发射天线，可以为物理发射天线，也可以为虚拟发射天线。本发明实施例中所说的虛拟天线（ Virtual Antenna ) , 可以是指发射信号组成的向量先与一个矩阵或者一个以上矩阵相乘得到一个结果向量后，由各个发射天线分别发射所述结果向量的各项，所述的矩阵，可以是正交矩阵或者非正交矩阵。

本发明实施例的上述方案，既可以通过硬件实现，也可以通过软件实现，具体方案可根据需求而定。

本发明实施例提供的方案，可以消除信道矩阵各项的排列改变所造成的有效信噪比的值的波动，从而减小各个数据包的有效信噪比的波动，取得更好的误包率性能。

本发明实施例提供的方案，在一个 ΤΤΙ内的各个符号周期遍历所有的不同的各个发射天线组合，这样可以减少对其它用户的干扰，即减少闪光灯效应 flashlight effect；。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

权利要求

1、一种多天线通信中发射信号的方法，在一个 TTI中采用 N个发射天线发射信号，其特征在于，包括：

在所述 ΤΉ中，采用至少 3个不同的 M个发射天线組合发射所述发射信号，所迷 M < N。

2、如权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：在第一符号周期，选取 M个发射天线的第一组合发射所述发射信号；在随后第二符号周期，选取与第一符号周期所用组合不同的 M个发射天线组合发射所迷发射信号；

重复执行选取与第一符号周期和第二符号周期所用组合不同的 M个发射天线组合发射所述发射信号至少一次，使得在所述 TTI中，采用至少 3个不同的 M个发射天线组合发射所述发射信号。

3、如权利要求 1所述的方法，其特征在于，在所述 TTI中，采用 C_N ^M个 M个发射天线组合发射所迷发射信号。

4、如权利要求 3所述的方法，其特征在于，所述发射信号为空时码，所述方法进一步包括：

在第一符号周期，选取 M个发射天线的笫一组合发射一组空时码；在随后的若干个符号周期，以 M个天线的第一组合以外的 C_N ^M 1个发射天线组合分别发射多组空时码，直至所迷第― C_N ^M- 1个发射天线组合遍历完毕，返回上一步骤。

5、如权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述的发射天线数量 N=4, 选取 M=2个发射天线进行组合。

6、如权利要求 2或 4所述的方法，其特征在于，所述符号周期，为频率域周期或者时间域周期。

7、如权利要求 1 所述的方法，其特征在于，所述的发射天线可以为物理发射天线，也可以为虚拟发射天线。

8、一种多天线通信中发射信号的系统，包括多个发射天线，其特征在于，还包括：

发射天线組合选取单元，用于对发射天线组合进行选取，选取至少 3个不同的 M个发射天线组合，并由被选取的发射天线组合将发射信号发射出去。

9、如权利要求 8所述的系统，其特征在于，所述发射天线组合选取单元进一步执行：

在第一符号周期，选取 M个发射天线的第一组合发射所述发射信号；在随后第二符号周期，选取与第一符号周期所用组合不同的 M个发射天线组合发射所述发射信号；

重复选取与第一符号周期和第二符号周期所用组合不同的 M个发射天线组合发射所述发射信号至少一次，使得在所述 TTI中，采用至少 3个不同的 M 个发射天线组合发射所述发射信号。

10、如权利要求 8所述的系统，其特征在于，所述的发射天线可以为物理发射天线，也可以为虚拟发射天线。