專利名稱：一種多天線通信中發射信號的方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及通信領域，尤其涉及一種多天線通信中發射信號的方法及系統。
背景技術：
多輸入多輸出(MIMO，Muliti-Input Multi-Output)技術是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，信號通過發射端和接收端的多個天線傳送和接收，從而改善每個用戶的服務質量(誤比特率或數據速率)。而傳統的通信系統是單進單出(Single-InputSingle-Output，SISO)系統。基于發射分集和接收分集的多進單出(Multiple-Input Single-Output，MISO)方式和單進多出(Single-InputMultiple-Output，SIMO)方式也是MIMO的一部分。
目前在MIMO技術中，使用Alamouti空時分組碼傳輸信號，以獲得分集增益。在Alamouti空時分組碼技術中，同時使用兩個發射天線，用圖1所示的方式發射信號。在接收端可以使用一個或者多個接收天線。在發射端同時使用兩個發射天線，對于接收端而言可以獲得這兩個發射天線的分集(diversity)增益。
空時編碼(Space-Time Coding，STC)利用了MIMO信道提供的空間分集(Diversity)增益，在常用的BER-SNR曲線中，表現為能得到較陡的斜率。STC中根據編碼方式的不同，又可以分為STTC(Space TimeTrellisCoding)，ST Turbo Code(Space Time Turbo Code)，STBC(Space Time Block Coding)，差分STBC(DSTBC)等等。Alamouti方案是STBC的一個簡單而經典的例子。
這里假設發射天線數目M＝2，接收天線數目N＝2，則接收端收到的信號可以表示為如下形式
r=H·a+v=h11h12h21h22a1-a2*a2a1*+v11v12v21v22]]>這里的r，H和a的定義都是跨越2個符號周期的。即第一個符號周期，兩個發射天線分別發射a1和a2，第二個周期則分別發射-a*2和a*1，而H的各個分量在2個符號周期內保持不變。Alamouti方案除了提供空間分集增益外，另一個引人之處在于它的解碼非常簡單，無需進行聯合檢測，可以對每一個符號分別進行最大似然估計。這里簡單說明一下，設第j個接收天線上的接收信號為rj1＝hj1a1+hj2a2+v1ri2=-hi1a2*+hi2a1*+v2]]>根據最大似然估計的準則，需要使下式最小Σj=1N(|rj1-hj1a^1-hj2a^2|2+|rj2+hj1a^2*-hj2a^1*|2)]]>把其中各項展開合并同類項后，由于|rj1|2和|rj2|2與a1、a2的取值無關，所以可以轉化為求取a使下式最小[-Σj=1N(rj1hj1*a^1*+rj1*hj1a^1+rj2hj2*a^1+rj2*hj2a^1*)+|a^1|2Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2)]+]]>[-Σj=1N(rj1hj2*a^2*+rj1*hj2a^2+rj2hj1*a^2+rj2*hj1a^2*)+|a^2|2Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2)]]]>不難看出，該式第一行僅與a1有關，第二行僅與a2有關，所以可以分別檢測，這就使采用最大似然估計成為可能，進一步進行簡化還可以得到a1、a2的判別式分別為a1使|[Σj=1N(rj1hj1*+rj2*hj2)]-a^1|2+(-1+Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2))|a^1|2]]>最小；a2使|[Σj=1N(rj1hj2*+rj2*hj1)]-a^2|2+(-1+Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2))|a^2|2]]>最小；這兩個判別式與a1、a2的調制方式無關，所以可以采用不同方式的調制，如果是PSK調制，由于星座圖上各點幅度值一樣，則兩個判別式的后一項可以進一步忽略，檢測將更為簡單。
檢測到a1、a2后，也可以分別得到每個符號對應的信噪比
SINRi=(Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2))·(|ai|2/M)σ2]]>可以看出，得到a1、a2的方法實質上是一種硬判決。
同樣的原理，容易看出，在接收天線數目N＝1的情況下，每個符號對應的信噪比SINRi=(|h11|2+|h12|2)·(|ai|2/M)σ2.]]>在現有技術中，有一種使用Alamouti空時分組碼傳輸信號的方案，用于開環(Open Loop)MIMO系統中。該方案同時使用4個發射天線，而接收天線的數目可以是1，2或者4。該方案所使用的MIMO模式是A′=sisi+100-si+1*si*0000si+2si+300-si+3*si+2*]]>以上的矩陣有4行4列，該4列與4個發射天線對應，每1列對應1個不同的發射天線。以上矩陣的4行對應于在時間域上，或者在頻率域上，或者在時間和頻率域上的4個連續的點。
如果把發射天線編號為發射天線1，2，3，4。可以看到在該方案中，在發射天線1，2上發射兩個符號(symbol)向量[sisi+1]和[-si+1*si*]，然后在發射天線3，4上發射兩個符號向量[si+2si+3]和[-si+3*si+2*]。發射天線1，2上發射的兩個符號(symbol)向量[sisi+1]和[-si+1*si*]組成一組Alamouti空時分組碼，而發射天線3，4上發射的兩個符號向量[si+2si+3]和[-si+3*si+2*]組成另一組Alamouti空時分組碼。
上述現有技術方案中，每一個發射天線都是在一個時刻的功率是P，而在下一個時刻的功率變成0，功率的變化范圍比較大，這樣對發射天線所使用的功率放大器的動態范圍要求比較高，同時對其它用戶的干擾也比較大。
發明內容
本發明提供一種，用以解決現有技術中存在的發射天線功率的變化范圍較大的問題。
本發明方法包括一種多天線通信中發射信號的方法，發射端通過發射天線發送Alamouti空時分組碼，包括發射端將發射信號經預編碼矩陣進行預編碼變換，并將變換后的結果經發射天線發射到接收端。
所述Alamouti空時分組碼，為在一個符號周期發射兩個符號，每個符號周期將所述兩個符號經預編碼矩陣進行預編碼變換。
所述發射端將發射信號經預編碼矩陣進行預編碼后，每個物理天線所發射信號為所述兩個符號各乘一個復常數，再相加所得的結果。
所述的兩個復常數的相位差取固定值。
所述的固定值，是 或者 所述Alamouti空時分組碼，為在一個符號周期發射兩個符號，所述兩個符號的調制方式可以相同或者不同。
所述的兩個符號，第二個符號所使用的調制方式，是把第一個符號所使用的調制方式的星座圖旋轉一個固定角度后得到的調制方式。
所述的固定角度，是 或者 所述的預編碼矩陣為正交矩陣。
所述的預編碼矩陣為4×4的離散傅里葉變換矩陣。
本發明系統包括一種多天線通信中發射信號的系統，包括設置有發射天線的發射端，和設置有接收天線的接收端，所述發射端通過發射天線發送Alamouti空時分組碼，所述發射端還設置有
預編碼單元，用于對發射信號進行預編碼變換，并將變換后的調制數據經發射天線發射到接收端。
本發明將預編碼技術應用到使用Alamouti空時分組碼傳輸信號的MIMO系統中，使得每一個發射天線功率的變化范圍盡可能的小，這樣對發射天線所使用的功率放大器的動態范圍要求比較小，同時對其它用戶的干擾也比較小。
圖1為現有技術中使用兩個發射天線發射Alamouti空時分組碼的示意圖；圖2為本發明的系統結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合說明書附圖來說明本發明的具體實施方式
。
現有技術中，每一個發射天線都是在一個時刻的功率是P，而在下一個時刻的功率變成0，功率的變化范圍比較大，這樣對發射天線所使用的功率放大器的動態范圍要求比較高，同時對其它用戶的干擾也比較大。
本發明通過使用預編碼(precoding)技術應用到使用Alamouti空時分組碼傳輸信號的MIMO系統中，使得每一個發射天線功率的變化范圍盡可能的小，這樣對發射天線所使用的功率放大器的動態范圍要求比較小，同時對其它用戶的干擾也比較小。
本發明在發射端將發射信號經預編碼矩陣進行預編碼變換，將所述發射信號與預編碼矩陣相乘后，獲取結果向量值，并將變換后的結果向量的各項分別經過各個發射天線發射到接收端。
本發明方案中的預編碼矩陣U，為正交矩陣，現在常用的有DFT矩陣即離散傅里葉變換矩陣。4×4的DFT矩陣為
DFT=11111-1i-1+1i1-11-11+1i-1-1i,]]>通常取U=12DFT,]]>我們使用如下MIMO模式A′1=sisi+100-si+1*si*00si+20si+30-si+3*0si+2*0si+400si+5-si+5*00si+4*0si+6si+700-si+7*si+6*00si+80si+90-si+9*0si+8*00si+10si+1100-si+11*si+10*]]>使用預編碼矩陣U后，接收信號、發射信號與信道的關系表示如下r=(H·U)*x=H~*x]]>其中x＝(A′1)T，這里T表示矩陣的轉置。
假設U=u11u12u13u14u21u22u23u24u31u32u33u34u41u42u43u44]]>假設在A′1中使用天線1和3發射信號，則傳輸的符號如下s00s10-s1*0s0*0T=s0-s1*00s1s0*00.]]>此時的U*x，即各個物理天線發射的信號如下
u11u13u21u23u31u33u41u43s0-s1*s1s0*---(2)]]>設各個物理天線在符號0的時刻發射的信號為ti，i＝1，2，3，4表示不同的物理天線，而各個物理天線在符號1的時刻發射的信號為yi，i＝1，2，3，4，則有ti＝ui1s0+ui3s1，而yi=ui1(-s1*)+ui3s0*.]]>上述矩陣的各行的各項絕對值平方和仍然相同，即各個|ui1|2+|ui3|2都相同。每一個時刻，ti的能量為titi*=(ui1s0+ui3s1)(ui1s0+ui3s1)*=|ui1|2|s0|2+|ui3|2|s1|2+ui1s0(ui3s1)*+(ui1s0)*ui3s1]]>=|ui1|2|s0|2+|ui3|2|s1|2+ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1]]>yiyi*=(-ui1s1*+ui3s0*)(-ui1s1*+ui3s0*)*=|ui1|2|s1|2+|ui3|2|s0|2+ui1s1*(ui3s0*)*+(ui1s1*)*ui3s0*]]>=|ui1|2|s1|2+|ui3|2|s0|2+ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1]]>在使用Alamouti空時分組碼傳輸信號時，最常用的調制方式是QPSK，此時可以把發射信號簡寫為si=exp(jkiπ2),]]>而ki＝0，1，2，3。此時，本發明方案的目標是讓各個物理天線的發射功率在不同時刻的波動盡可能小。
這里需要注意|si|2＝1，同時|ui1|＝|ui3|＝1/2得到ui1=12exp(jθi1),]]>ui3=12exp(jθi3).]]>容易看到在調制方式QPSK的情況下，為了保證titi*-yiyi*最小，則只需要保證最小化ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1-(-ui1ui3*s0s1*-ui1*ui3s0*s1)即可，它就是2(ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1)=4*Re{ui1ui3*s0s1*}=]]>Re{exp(j(θi1-θi3))·exp(j(k0-k1)π2)}=Re{exp(j((θi1-θi3)+(k0-k1)π2))}]]>如果θi1-θi3=π4,3π4,5π4]]>或者 則保證上面總是±(1/2)sqrt(2)最小，否則會在±1之間波動。titi*=|ui1|2|s0|2+|ui3|2|s1|2+ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1,]]>而前面的|ui1|2|s0|2+|ui3|2|s1|2≡14(|s0|2+|s1|2)=12,]]>這就相當于后面的變量在±(1/4)sqrt(2)之間波動，所以整個titi*在±(1/4)sqrt(2)之間波動。
為了保證θi1-θi3=π4,3π4,5π4]]>或者 使得發射信號的功率的波動最小，則需要對U做變換(注意U=12DFT]]>)，U=u11u12u13u14u21u22u23u24u31u32u33u34u41u42u43u44]]>Δ=diag[ejθ1,ejθ2...ejθMt]]]>W=U·Δ=u11ejθ1u12ejθ2u13ejθ3u14ejθ4u21ejθ1u22ejθ2u23ejθ3u24ejθ4u31ejθ1u32ejθ2u33ejθ3u34ejθ4u41ejθ1u42ejθ2u43ejθ3u44ejθ4]]>只要保證θ1-θ3=π4,3π4,5π4]]>或者 即可。
把本發明的預編碼方案與原方案A′整合非常簡單，W=U·Δ=u11u12ejπ4u13u14ejπ4u21u22ejπ4u23u24ejπ4u31u32ejπ4u33u34ejπ4u41u42ejπ4u43u44ejπ4]]>就可以滿足我們的要求。
如果采用如下MIMO模式
B1′=sisi+1titi+1-si+1*si*-ti+1*ti*si+2ti+2si+3ti+3-si+3*-ti+3*si+2*ti+2*si+4ti+4ti+5si+5-si+5*ti+5*-ti+4*si+4*ti+6si+7si+6ti+7-ti+7*si+6*-si+7*ti+6*ti+8ti+9si+8si+9-ti+9*ti+8*-si+9*si+8*ti+10si+10ti+11si+11-ti+11*-si+11*ti+10*si+10*]]>則稍微復雜一些，這里W=U·Δ=u11u12ejπ4u13u14ejπ4u21u22ejπ4u23u24ejπ4u31u32ejπ4u33u34ejπ4u41u42ejπ4u43u44ejπ4]]>可以用于B1′中使用序號相鄰的兩個天線的場合，即使用3種天線組合12，23，34的場合，而W=U·Δ=u11u12u13ejπ4u14ejπ4u21u22u23ejπ4u24ejπ4u31u32u33ejπ4u34ejπ4u41u42u43ejπ4u44ejπ4]]>使用序號不相鄰的兩個天線的場合即使用3種天線組合發射天線1和3，發射天線2和4以及發射天線1和4組合的場合。實質就是所使用的兩列的相位差是 或者 實際實現的時候，可以是r＝(H·W)*x＝(H·U·Δ)*x＝H·U·(Δ*x)這里的(Δ*x)表示對各個發射信號分別做相位調整，而所使用的U不變。
上述說明中titi*+yiyi*是常數，也就是兩個符號的功率和不變，從而各個物理天線上一個TTI內的平均功率(各個符號的功率的均值)也保持不變。
而在使用方形的16QAM或64QAM的情況下，實質也是所使用的兩列的相位差是 或者 各個物理天線的發射功率的波動最小，仿真的結果已經證明了這一點。原理與先前的分析類似，也是要使得4*Re{ui1ui3*s0s1*}的最大值盡可能的小。4*Re{ui1ui3*s0s1*}取最大值的時候，s0和s1的模必然取最大值。而對于使用方形的16QAM或64QAM的情況，s0和s1的模取最大值的時候，其角度必然是 或者 從而4*Re{ui1ui3*s0s1*}=Re{exp(j(θi1))·(exp(j(θi3)))*·exp(j(k1π2+π4))·(exp(j(k0π2+π4)))*}]]>=Re{exp(j((θi1-θi3)+(k0-k1)π2))}]]>從而如果θi1-θi3=π4,3π4,5π4]]>或者 則保證上面總是±(1/2)sqrt(2)最小。
針對16QAM和64QAM，因為星座圖上各個符號不是等功率的，各個時刻之間必然有功率的偏差，這是不可避免的。但功率的偏差在各個發射天線上的分布相同即可，甚至分布不同，但保證在各個時刻的偏差的范圍內，也可以。
由此可見本發明將預編碼技術應用到使用Alamouti空時分組碼傳輸信號的MIMO系統中，使得每一個發射天線功率的變化范圍盡可能的小，這樣對發射天線所使用的功率放大器的動態范圍要求比較小，同時對其它用戶的干擾也比較小。
本發明方案中，預編碼矩陣U，可以是任意的正交矩陣，比如除了用DFT矩陣以外，還可以使用哈達馬(Hadamard)矩陣。4×4的哈達馬矩陣為Hadamard=11111-11-111-1-11-1-11;]]>
通常取U=12Hadamard,]]>容易看到，在Alamouti空時分組碼傳輸信號，如果使用在標準中最常用的調制方式，如QPSK，方形的16QAM或方形的64QAM的情況，那么實質也是所使用的兩列的相位差是 或者 各個物理天線的發射功率的波動最小。
把本發明的預編碼方案與原方案A′整合，方法也是W=U·Δ=u11u12ejπ4u13u14ejπ4u21u22ejπ4u23u24ejπ4u31u32ejπ4u33u34ejπ4u41u42ejπ4u43u44ejπ4.]]>如果與B1′中交替的方案整合，稍微復雜一些，為W=U·Δ=u11u12ejπ4u13u14ejπ4u21u22ejπ4u23u24ejπ4u31u32ejπ4u33u34ejπ4u41u42ejπ4u43u44ejπ4]]>可以用于A′1中使用序號相鄰的兩個天線的場合，即使用3種發射天線組合發射天線1、2，發射天線2、3，發射天線3、4的場合。而W=U·Δ=u11u12u13ejπ4u14ejπ4u21u22u23ejπ4u24ejπ4u31u32u33ejπ4u34ejπ4u41u42u43ejπ4u44ejπ4]]>使用序號不相鄰的兩個天線的場合即使用3種天線組合13，24，14的場合，實質就是所使用的兩列的相位差是 或者 實際實現的時候，可以是r＝(H·W)*x＝(H·U·Δ)*x＝H·U·(Δ*x)
這里的(Δ*x)表示對各個發射信號分別做相位調整，而所使用的U不變。這就等效于x里面的同一個符號周期的兩個符號中，第二個符號所使用的調制方式，是把第一個符號使用的調制方式在星座圖旋轉一個固定的角度后，所得到的調制方式。
接收端和發射端約定好Δ的變化方式，也就是說接收端預先知道當前的符號周期的Δ的取值，很容易通過相應的處理，正確檢測x。比如，得到y＝Δ*x的估計 再對 乘以Δ的逆矩陣Δ-1，所得到的乘積 就是x的估計 如圖2所示，是本發明多天線通信中發射信號的系統，包括設置有發射天線的發射端，和設置有接收天線的接收端，所述發射端通過發射天線發送Alamouti空時分組碼，本發明在所述發射端還設置有預編碼單元101，用于對發射信號進行預編碼變換，并將變換后的調制數據經發射天線發射到接收端。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種多天線通信中發射信號的方法，發射端通過發射天線發送Alamouti空時分組碼，其特征在于，包括發射端將發射信號經預編碼矩陣進行預編碼變換，并將變換后的結果經發射天線發射到接收端。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述Alamouti空時分組碼，為在一個符號周期發射兩個符號，每個符號周期將所述兩個符號經預編碼矩陣進行預編碼變換。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述發射端將發射信號經預編碼矩陣進行預編碼后，每個物理天線所發射信號為所述兩個符號各乘一個復常數，再相加所得的結果。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述的兩個復常數的相位差取固定值。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述的固定值，是 或者
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述Alamouti空時分組碼，為在一個符號周期發射兩個符號，所述兩個符號的調制方式可以相同或者不同。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述的兩個符號，第二個符號所使用的調制方式，是把第一個符號所使用的調制方式的星座圖旋轉一個固定角度后得到的調制方式。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述的固定角度，是 或者
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的預編碼矩陣為正交矩陣。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述的預編碼矩陣為4×4的離散傅里葉變換矩陣。
11.一種多天線通信中發射信號的系統，包括設置有發射天線的發射端，和設置有接收天線的接收端，所述發射端通過發射天線發送Alamouti空時分組碼，其特征在于，所述發射端還設置有預編碼單元，用于對發射信號進行預編碼變換，并將變換后的調制數據經發射天線發射到接收端。
全文摘要
本發明涉及一種多天線通信中發射信號的方法及系統。包括發射端將發射信號經預編碼矩陣進行預編碼變換，并將變換后的結果經發射天線發射到接收端。本發明還公開了一種多天線通信中發射信號的系統。本發明將預編碼技術應用到使用Alamouti空時分組碼傳輸信號的MIMO系統中，使得每一個發射天線功率的變化范圍盡可能的小，這樣對發射天線所使用的功率放大器的動態范圍要求比較小，同時對其它用戶的干擾也比較小。
文檔編號H04L1/00GK101043298SQ20061007130
公開日2007年9月26日 申請日期2006年3月20日 優先權日2006年3月20日
發明者朱胡飛 申請人:華為技術有限公司