CN100589339C

CN100589339C - 一种空间复用多输入多输出系统中发射天线的选择方法

Info

Publication number: CN100589339C
Application number: CN200710073155A
Authority: CN
Inventors: 耿鹏; 江海; 王文杰; 呙铭志
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: CN101013917A

Abstract

本发明公开了一种空间复用多输入多输出系统中发射天线的选择方法，对接收天线接收的导频信息进行解调并估计其相应误差，将该误差和预设的误差容限进行对比以评估前向信道状态条件，根据所评估的前向信道状态条件确定所需删除的不满足条件的发射天线信息并将发射天线选择信息映射到导频信息中，根据所评估的信道状态信息反馈发射天线的选择信息，按照反馈的天线选择信息从多根发射天线中选择满足条件要求的发射天线并完成发射符号的映射与最优发射。本发明所述技术方案可将确定需选择作为发射天线的天线数量和具体确定被选择的天线两个过程融合在一起，大大减少了系统中天线选择的步骤。

Description

一种空间复用多输入多输出系统中发射天线的选择方法

技术领域

本发明涉及一种发射天线的选择方法，尤其是一种空间复用多输入多输出系统中发射天线的选择方法。

背景技术

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的信道容量。根据以上思想提出的MIMO(multipleinput multiple output，多输入多输出)技术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。

移动环境下的MIMO信道是变化的，容量也是变化的，因而如何适应变化的信道是实现空域自适应链路的关键。然而，低秩信道下并非发射天线越多信道容量越大。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，或者由于噪声提高要求更高的信噪比而使得分离的代价很大，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，如何合理选择发射天线是实现空域自适应链路的基础。

目前，天线选择的准则通常有三种：一是系统容量最大化，在这种方式下，将从多个天线中选择使得系统容量最大的天线子集；二是最大化接收信噪比，在这种方式下，将从多个天线中选择衰落因子幅度最大的几根天线的子集；三是基于信道的二阶统计特性，最小化平均错误概率，但是这种方式需要反馈信道的状态信息。

为了实现通过选择发射天线保证空间信道的最大复用系数，需要解决下面3个问题：

1、确定需要选择的发射天线总个数；

2、确定选择哪几根发射天线；

3、将选择的天线状态信息反馈到发射端。

为解决以上问题，目前主要采用以下公开的几种方法：

在2002年10月24日申请的申请号为02822041.2的中国专利申请《在分集系统中从多个天线选择天线子集的方法》中描述了一种基于最大信道容量原则的发射天线选择方法，包括发射天线选择和接收天线选择选择，两种天线选择的思路完全一样，而且进行发射天线选择时，认为接收天线数目保持不变，即在M_T个发射天线中选择M个天线来发射信号(假设接收天线数目保持为N_R)，基本思想是从M_T个发射天线中一个一个进行删除，使得删除后的信道容量最大。但是，该专利没有说明如何确定M的数值。

在2004年7月8日申请的申请号为200410063629.7的中国专利申请《移动通信系统中的发射分集设备和方法》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(BellLap Layered Space-Time，贝尔叠式分层空间时间)解码，计算与每根发射天线相关的前向信道的信噪比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机，由发射机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，该申请中没有说明判断选择几根发射天线的依据。

上述已有方法的不足在于：基于信道容量，较难确定需要选择的发射天线总数；依据解调信号的信噪比选择天线，未考虑去除一个天线发出的信号后信噪比的改善，需要选择的发射天线数目会有较大误差。而且，基于信道容量选择天线，需要多次计算行列式，基于信噪比估计选择天线，需要额外估计信噪比的运算量，这都会加大运算量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能同时实现确定需选择作为发射天线的天线数量和具体确定被选择的天线的空间复用多输入多输出系统中发射天线的选择方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种空间复用多输入多输出系统中发射天线的选择方法，包括：

1.1根据导频列向量S_pilot和从所述系统发射端到接收端的信道矩阵B计算当前系统的最大信道噪声功率，确定所述最大信道噪声功率所对应的发射端的天线，并将所述系统发射端的天线数记为M；

1.2将所述最大信道噪声功率与预设的噪声功率门限进行比较，若所述最大信道噪声功率小于或等于所述噪声功率门限，则将所述信道矩阵B中各列所对应的所述系统发射端的天线作为发射天线，M为确定的发射天线数量，同时结束发射天线的选择；若所述最大信道噪声功率大于所述噪声功率门限且M大于1，则进入步骤1.3；若所述最大信道噪声功率大于所述噪声功率门限且M等于1，则进入步骤1.4；

1.3删除所述信道矩阵B中的所述最大信道噪声功率所对应的发射端的天线对应的列，并且删除所述导频列向量S_pilot中的所述最大信道噪声功率所对应的发射端的天线对应的导频值，重置M＝M-1，并回到步骤1.1；

1.4确定一根发射天线，并结束发射天线的选择。

上述方案中所述步骤1.1包括以下步骤：

2.1计算矩阵G，其中G＝(B^HB)^-1B^H，其中H表示共轭转置；

2.2根据矩阵G计算所述系统发射端的各未被删除的天线的范数||G_m||²其中变量G_m为所述各未被删除的天线所对应的矩阵G的列向量，并确定所述计算结果中最大的范数以及所述最大范数对应的系统发射端的天线；

2.3根据所述导频列向量S_pilot以及所述最大范数对应的系统发射端的天线所对应的所述矩阵G中的列向量计算导频符号；

2.4根据所述导频符号和所述最大范数对应的系统发射端的天线对应的导频值计算当前的最大信道噪声功率。

上述方案所述步骤1.4中确定的发射天线是所述步骤2.2中计算的范数最小值所对应的所述系统发射端的天线。

上述方案中，所述导频列向量S_pilot是从所述系统接收端的天线接收列向量中分离出来的，所述信道矩阵B是根据所述导频列向量S_pilot估计出来的。

上述方案中，若所述系统的信道为频率选择性衰落信道，则所述步骤1.3中删除所述信道矩阵B中的所述最大信道噪声功率所对应的发射端的天线对应的列包括所述发射端的天线上各发射符号对应的列。

本发明的有益效果主要表现在：本发明提供的技术方案与现有技术相比，将确定需选择作为发射天线的天线数量和具体确定被选择的天线两个过程融合在一起，大大减少了MIMO系统中天线选择的步骤，提高了MIMO系统中无线链路的自适应性。

附图说明

图1为本发明发射天线选择流程图；

图2为TD-SCDMA系统按三种方式实现无线VBLAST(VerticalBell Laboratories Layered Space-Time Code，垂直贝尔实验室分层空时码)自适应链路后的误码率曲线；

图3为TD-SCDMA系统按三种方式实现无线VBLAST自适应链路后的吞吐量曲线。

具体实施方式

本发明利用了无线通信系统中导频具有最高解调可靠性的基本假设，在接收端对接收的导频信息进行解调误差估计，将该误差和预设的噪声功率门限进行对比，以确定相应信道的状态条件，并依据所估计的信道状态条件实现确定需选择作为发射天线的天线数量和具体确定被选择的天线两个目标。其核心思想是利用最差的信道与预设的噪声功率门限进行对比，如果最差的信道能够满足系统要求，则其余的信道也能满足要求；如果最差的信道不满足要求，则将其对应的发射天线删除，再循环判断其余的信道条件，直到剩余的信道满足系统要求为止。

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

首先，作如下的符号约定：

在MIMO系统的发射端具有M根天线，在接收端具有N根接收天线，且M≤N，并且将发射端的天线以自然数从1到M编号。参照图1，一种空间复用多输入多输出系统中发射天线的选择方法，包括：

步骤1：系统接收端对发射信号进行接收，并从接收的信号中分离出N维导频列向量S_pilot；

步骤2：利用该分离出来的导频列向量对信道状态信息进行估计，得到从发射端到接收端的信道矩阵为H_N×M，H_N×M中的元素h_nm表示从第m号发射天线到第n号接收天线的传输函数；

步骤3：将该信道矩阵H_N×M赋值给变量B，发射端的天线数M附值给变量Q；

步骤4：计算矩阵G，G＝(B^HB)^-1B^H(H表示共轭转置)，并计算系统发射端未被删除各天线对应的范数||G_m||²，其中m为发射端各未被删除的天线对应的序号，G_m表示序号为m的发射端的天线对应的矩阵G中的列向量；

步骤5：求步骤4中计算的范数中的最大值，并且确定其对应的发射端天线的序号k；

步骤6：依据步骤5中得到的发射端天线的序号k，计算权向量

G_k表示序号为k的发射端的天线对应的矩阵G中的列向量；

步骤9：计算导频符号

其中k为步骤5中确定的发射端天线的序号；

步骤10：计算最大噪声功率其中k为步骤5中确定的发射端天线的序号，p_k为该天线对应的导频值，该噪声功率代表了对导频信息的解调能力，也间接反映出了导频对应的相应信道状态；

步骤11：将该噪声功率σ_k ²与预先设置的噪声功率门限σ_ref ²进行比较，如果σ_k ²小于或等于σ_ref ²，则表示条件最差的信道也能满足系统需求，此时矩阵B各列对应的系统发射端的天线即为所选的发射天线，Q为确定的发射天线数量，结束天线选择流程；如果σ_k ²大于预先设置的噪声功率门限σ_ref ²，则表示条件最差的信道不能满足系统要求，则要将该信道对应的天线删除，如果Q大于1，那么转入步骤12；如果Q等于1，则转入步骤13；

步骤12：删除矩阵B中序号为k的发射端的天线对应的列，对矩阵B进行更新，若系统信道为频率选择性衰落信道，则需删除该天线上各发射符号对应的列；删除S_pilot中序号为k的发射端的天线对应的导频，对S_pilot进行更新；并更新Q＝Q-1，然后回到步骤4；

步骤13：确定步骤4中计算的范数中的最小值所对应的发射端天线的序号，并将该天线作为发射天线后结束天线选择。

图2为使用1根发射天线不使用本发明的天线选择方法、使用2根发射天线不使用本发明的天线选择方法以及使用2根发射天线同时使用本发明的天线选择方法得到的误码率比较结果。图3为使用1根发射天线不使用本发明的天线选择方法、使用2根发射天线不使用本发明的天线选择方法以及使用2根发射天线同时使用本发明的天线选择方法得到的吞吐量比较结果。仿真中采用3GPP(3rd GenerationPartnership Project，3G合作伙伴工程)提供的空时信道模型，选择市区宏小区场景，不计路径损耗和阴影衰落。基站端天线为8元均匀圆阵，移动台端天线数为2，阵元间距为0.5个波长，用户数为4，移动台移动速度为30km/h，仿真次数为100。从结果中可以看出，采用本发明的天线选择方法可将确定需选择作为发射天线的天线数量和具体确定被选择的天线两个过程融合在一起，大大减少了MIMO系统中天线选择的步骤，提高了MIMO系统中无线链路的自适应性。

Claims

1、一种空间复用多输入多输出系统中发射天线的选择方法，其特征在于包括：

1.4确定一根发射天线，并结束发射天线的选择；

其中，所述步骤1.1包括以下步骤：

2.1计算矩阵G，其中G＝(B^HB)^-1B^H，其中H表示共轭转置；

2.2根据矩阵G计算所述系统发射端的各未被删除的天线的范数||G_m||²，其中变量G_m为所述各未被删除的天线所对应的矩阵G的列向量，并确定所述计算结果中最大的范数以及所述最大范数对应的系统发射端的天线；

2、如权利要求1所述的空间复用多输入多输出系统中发射天线的选择方法，其特征在于所述步骤1.4中确定的发射天线是所述步骤2.2中计算的范数最小值所对应的所述系统发射端的天线。

3、如权利要求2所述的空间复用多输入多输出系统中发射天线的选择方法，其特征在于：所述导频列向量S_pilot是从所述系统接收端的天线接收列向量中分离出来的，所述信道矩阵B是根据所述导频列向量S_pilot估计出来的。

4、如权利要求1至3其中之一所述的空间复用多输入多输出系统中发射天线的选择方法，其特征在于：若所述系统的信道为频率选择性衰落信道，则所述步骤1.3中删除所述信道矩阵B中的所述最大信道噪声功率所对应的发射端的天线对应的列包括所述发射端的天线上各发射符号对应的列。