CN103338064B - 预信道智能天线mimo发射装置及无线信号发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术。本发明解决了现有智能天线的发射波束一次仅能传输一路数据流的问题，提供了一种预信道智能天线MIMO发射装置及无线信号发射方法，其技术方案可概括为：预信道智能天线MIMO发射装置，包括多路信号发射支路及一个加法器，每一路信号发射支路包括一个复加权模块、一个调制器及一根天线，还包括一个加法器、多路信号输入端及与信号输入端数量相对应的输入复加权模块，每一路信号输入端都分别与一个与其对应的输入复加权模块连接，每一个输入复加权模块与一个加法器连接，加法器与所有信号信号发射支路连接。本发明的有益效果是，提高数据传输率，适用于数据传输系统。

Description

预信道智能天线MIMO发射装置及无线信号发射方法

技术领域

本发明涉及通信技术，特别涉及智能天线及MIMO无线传输技术。

背景技术

现有智能天线利用天线阵列在发射端产生定向波束使信号能量集中在特定的方向传输，因而使接收信号的信噪比大幅度提高，能明显改善无线通信系统的性能。图1是一种具有发射波束的现有智能天线系统的系统框图，在该系统中，发射端配置n根天线，输入端的信号或数据流x通过不同的复加权值w₀,w₁,......,w_n-1后进入调制器，产生共n路同一载波频率的射频信号，然后经n个天线同时发射出去，其中，n为大于等于2的正整数。

复加权值w₀,w₁,......,w_n-1的适当取值组合即可形成一个定向的发射波束，使输入端的信号或数据流x沿一个特定的方向传输，因此能使信号在同样的功率下传输距离更远；在同样的传输距离下接收端的信噪比更高。

接收端可以是一个普通的单天线接收机，也可以是一个天线阵列接收机，图1所示的接收端为一个天线阵列接收机，共配置k根接收天线，当k=1时即是单天线接收机。接收到的信号经解调后还原为基带信号，基带信号经优化合并及基带处理后就得到输出y，它是发射端数据流x的估计值，即在这里，优化合并的主要功能是将来自各路天线的且经历了不同信道的有用信号进行合理的叠加，以取得最大的输出信噪比。由于本发明技术主要在于对发射端的改进，因此对接收端的情况不再详细阐述。

但是上述的智能天线技术中，每个发射波束需要通过n个复加权值来实现，一个发射波束在同一时间仅能传输一路基带信号或数据流，波束的利用率比较低，这是现有智能天线技术存在的缺点。

现有的MIMO（多输入多输出）技术利用发射端与接收端的多天线的不同空间位置所形成的不同无线信道并行传输多路信号或数据流，能大幅度提高无线通信系统的数据传输率及吞吐量，是现代无线通信技术的一个重要发展，已经在通信领域内产生了极大的影响，具有广泛的应用价值。图2所示为现有MIMO无线通信系统的系统框图，发射端包括n路信号发射端及与信号发射端相对应的n个信号输入端，每一路信号发射端包括一个调制器及一根天线（这里忽略功率放大器及编码器），信号输入端输入的基带信号经调制器调制后传输给天线进行发送，发射端具有n路输入基带数据流x₀,x₁,…..,x_n-1及n根发射天线（n为正整数），x_m∈{±1}(m=0,1,...,n-1)，每路数据流x_m经射频调制后，变为同一载波频率的高频信号，再由相应的天线Ant.m(m=0,1,...,n-1)发射出去；接收端包括k根天线、k个解调器(这里忽略低噪声放大器)、基带信号处理模块及n个信号输出端，每根天线分别与一个解调器一一对应连接，每一个解调器都与基带信号处理模块连接，基带信号处理模块与n个信号输出端连接，接收端配置有k根接收天线(k=1,2,……)，每根天线的射频信号经解调器后得到基带信号，基带信号处理模块对来自不同天线的k路基带信号进行优化合并、检测、判决等处理，最后得到n路输出数据流y₀,y₁……,y_n-1,y_m∈{±1}(m=0,1,...,n-1)，y_m即是发射端输入数据流x_m的估计值，

而针对基带信号处理模块工作过程的分析如下：设第m根发射天线与第l根接收天线之间的信道为h_ml，则第l根接收天线上的信号为

$r_l=\underset{m=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{ml}}{x}_m+b_l,(l=\mathrm{0,1},......,k-1)---\left(1\right)$

式中b_k为第k根接收天线的高斯白噪声。为了检测数据x_i，可在接收端采用最大信噪比合并方法。

$r_l=h_{\mathrm{il}}{x}_i+\underset{m=0,m\≠i}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{ml}}{x}_m+b_l,(l=\mathrm{0,1},......,k-1)---\left(2\right)$

接收端可估计出各信道h_ml，据此可将各个接收天线的信号合并得到判决变量，即

$Z_i=\underset{l=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{h_{\mathrm{il}}}^{*}{r}_l=\underset{l=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{h_{\mathrm{il}}}^{*}(h_{\mathrm{il}}{x}_i+\underset{m=0,m\≠i}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{ml}}{x}_m+b_l)---\left(3\right)$

$Z_i=x_i\underset{l=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{\mathrm{il}}\right|}^2+\underset{l=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0,m\≠i}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{h_{\mathrm{il}}}^{*}{h}_{\mathrm{ml}}{x}_m+\underset{l=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{h_{\mathrm{il}}}^{*}{b}_l---\left(4\right)$

设Q(.)为判决函数，Q(.)∈{±1}。则有

$y_m={\hat{x}}_m=Q\left(\mathrm{Re}\left(Z_m\right)\right),(m=\mathrm{0,1},......,n-1)---\left(5\right)$

这里，Re(.)表示取实数操作。在公式(4)中，第一项代表用户的有用信号分量；第二、三项则代表来自其它用户信号的干扰及各天线的噪声，只要将这些干扰及噪声控制在一定的范围内，接收端就可以正确的检测出各个用户发送的数据流。

由于发射端采用了多天线并行传输，系统可以在不增加频带宽度的情况下提高数据传输率n倍，或增加户数量n倍，因此系统容量及频谱效率也就大大提高了，但数据传输率提高得越多或用户数量增加得越多，发射天线的数量就会增加越多，而在实际应用中，发射天线数量的增加往往又受到成本、空间尺度等因素的制约，这就直接限制了系统性能的提高程度。另外，现有MIMO无线通信系统的性能依赖于传输信道之间的相关性，当不同传输信道之间出现较强的相关性时，整个MIMO系统的性能将会明显下降，而在现有系统中，信道之间的相关性则取决于通信的自然环境及各种随机因素，往往无法改变，因此MIMO系统的性能在现实应用中难得到以保证。

发明内容

本发明的目的是要克服目前智能天线的发射波束一次仅能传输一路数据流的缺陷，使一个波束在同一时间可以同时传输多路基带信号或数据流，实现一种智能天线与MIMO技术的融合模式，使系统具有智能天线与MIMO技术的双重优势。

本发明解决其技术问题，提供一种预信道智能天线MIMO发射装置及无线信号发射方法。

采用的技术方案是，预信道智能天线MIMO发射装置，包括多路信号发射支路，每一路信号发射支路包括一个复加权模块、一个调制器及一根天线，其特征在于，还包括一个加法器、多路信号输入端及与信号输入端数量相对应的输入复加权模块，每一路信号输入端都分别与一个与其对应的输入复加权模块连接，每一个输入复加权模块与一个加法器连接，加法器与所有信号发射支路连接；

所述输入复加权模块用于对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作，然后传输给加法器；

所述加法器用于将所有输入复加权模块输出的复加权后的基带信号进行合并后传输给每一路信号发射支路进行发送。

具体的，所述输入复加权模块对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作是：输入复加权模块根据预设的复加权值或者根据反馈信息动态调整的复加权值，或者根据通过编程方式调整的复加权值对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作。

预信道智能天线MIMO无线信号发射方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、预信道智能天线MIMO发射装置中的信号输入端接收到输入的基带信号，将该基带信号传送给其对应的输入复加权模块进行复加权操作后再传送给加法器；

步骤2、加法器将其接收到的所有对应信号输入端传送来的复加权后的基带信号进行合并，预信道智能天线MIMO发射装置将合并后的信号作为传送信号进行处理后发送。

具体的，步骤1中，所述输入复加权模块进行复加权操作的方法为：输入复加权模块根据预设的复加权值对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作。

进一步的，步骤1中，所述输入复加权模块进行复加权操作的方法为：输入复加权模块根据情况或者根据反馈信息动态调整的复加权值对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作。

具体的，步骤1中，所述输入复加权模块进行复加权操作的方法为：输入复加权模块根据通过编程方式调整的复加权值对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作。

进一步的，步骤2中，所述处理为先进行复加权操作，然后再进行射频调制。

本发明的有益效果是，在本发明方案中，通过上述预信道智能天线MIMO发射装置及无线信号发射方法，其采用预置信道方法在智能天线系统中增加发射波束中传输信道的数量，突破了波束信号单路传输的传统智能天线模式，使一个发射波束在同样载频及带宽条件下能同时传输多路基带信号或数据流，即以同波束多信道并行传输方式将MIMO系统与智能天线系统有效地融合于一体，使系统既能发挥智能天线的波束定向发射功能又能同时发挥MIMO系统的多信道并行信号传输功能，具有智能天线与MIMO技术的双重优势，且传输信道具有可控性，信道的特性参数能够根据通信环境设置与动态调整，因此能在相当程度上确保及提高系统的性能。与现有技术相比，本发明结合了智能天线技术与MIMO技术的不同优势，能在提高频谱效率、增加系统容量及提高数据传输率的同时也增加信号的传输距离、增强信号的信噪比及提高信号的穿透性等；或在增加信号的传输距离、增强信号的信噪比及提高信号的穿透性的同时也提高频谱效率、增加系统容量及提高数据传输率。

附图说明

图1是现有具有发射波束的现有智能天线系统的系统框图。

图2是现有MIMO无线通信系统的系统框图。

图3是本发明预信道智能天线MIMO发射装置的系统框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，详细描述本发明的技术方案。

本发明的预信道智能天线MIMO发射装置的系统框图如图3。本发明的预信道智能天线MIMO发射装置，包括多路信号发射支路及一个加法器，每一路信号发射支路包括一个复加权模块、一个调制器及一根天线，还包括一个加法器、多路信号输入端及与信号输入端数量相对应的输入复加权模块，每一路信号输入端都分别与一个与其对应的输入复加权模块连接，每一个输入复加权模块与一个加法器连接，加法器与所有信号信号发射支路连接。这里，输入复加权模块用于对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作，以根据需要设置有利的传输信道特性，然后将复加权后的基带信号传输给加法器；加法器用于将所有复加权后的基带信号进行合并后传输给每一路信号发射支路进行发送。在每一路信号发射支路，复加权后的基带信号经过再次复加权操作，以确定智能天线波束的方向，然后送入调制器进行射频调制，调制器再将调制后的射频输出通过天线发射出去。

本发明的预信道智能天线MIMO无线信号发射方法中，当预信道智能天线MIMO发射装置中的信号输入端接收到输入的基带信号后，将该基带信号传送给其对应的输入复加权模块进行复加权操作后再传送给加法器，然后加法器将其接收到的所有对应信号输入端传送来的复加权后的基带信号进行合并，预信道智能天线MIMO发射装置最后将合并后的信号作为传送信号进行处理后发送。

实施例

本发明实施例的预信道智能天线MIMO发射装置的系统框图如图3。本例的预信道智能天线MIMO发射装置，包括多路信号发射支路，每一路信号发射支路包括一个复加权模块、一个调制器及一根天线；还包括一个加法器、多路信号输入端及与信号输入端数量相对应的输入复加权模块，每一路信号输入端都分别与一个与其对应的输入复加权模块连接，每一个输入复加权模块与一个加法器连接，加法器与所有信号发射支路连接。这里，输入复加权模块用于对信号输入端输入的基带信号根据预设的或以其他方式确定的复加权值进行复加权操作，包括根据预设的复加权值或者根据反馈信息动态调整的复加权值，或者根据通过编程方式调整的复加权值对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作，以根据需要设置有利的传输信道特性，然后将复加权后的基带信号传输给加法器；加法器用于将所有复加权模块发送来的复加权后的基带信号进行合并后传输给每一路信号发射支路进行发送。

使用时，当预信道智能天线MIMO发射装置中的信号输入端接收到输入的基带信号后，将该基带信号传送给其对应的输入复加权模块进行复加权操作后再传送给加法器，这里，输入复加权模块进行复加权操作的方法为：输入复加权模块根据预设的复加权值或者根据反馈信息动态调整的复加权值，或者根据通过编程方式调整的复加权值对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作，然后加法器将其接收到的所有对应信号输入端传送来的复加权后的基带信号进行合并；预信道智能天线MIMO发射装置最后将合并后的信号作为传送信号进行处理后发送，其具体包括：将作为传送信号的合并后的信号通过各路信号发射支路的复加权模块再次进行复加权操作，以确定智能天线波束的方向，然后进入各路信号发射支路中各自的调制器进行调制，产生多路同一载波频率的射频信号，然后经各路信号发射支路中的各天线同时发射出去。

另外，输入复加权模块可以用滤波器代替，以实现信道均衡，抵抗无线多径信道的影响。

具体举例说明如下：设该预信道智能天线MIMO发射装置共有n路信号发射支路，每一路信号发射支路包括一个复加权模块、一个调制器及一根天线，其中，n=1、2……；还包括k路信号输入端，k个输入复加权模块及一个加法器，每一路信号输入端都分别与一个与其对应的输入复加权模块连接，每一个输入复加权模块与一个加法器连接，加法器与所有信号发射支路连接，其中，k=1、2……，使用时，若k个信号输入端都接收到输入的基带信号，则分别通过与其连接的输入复加权模块对输入的基带信号进行复加权操作，以根据需要设置有利的传输信道特性，再将复加权后的基带信号发送给加法器。加法器将接收到的所有复加权后的基带信号进行合并后作为传送信号传送给n路信号发射支路中的复加权模块再次进行复加权操作，以确定智能天线波束的方向；经复加权操作后的n路信号然后分别进入各路信号发射支路中各自的调制器进行调制，产生n路同一载波频率的射频信号，然后经各路信号发射支路中的各天线同时发射出去。在本例中，输入复加权模块可以用滤波器代替。

Claims (4)

1.预信道智能天线MIMO发射装置，包括多路信号发射支路，每一路信号发射支路包括一个复加权模块、一个调制器及一根天线，其特征在于，所述装置还包括一个加法器、多路信号输入端及与信号输入端数量相对应的输入复加权模块，每一路信号输入端都分别与一个与其对应的输入复加权模块连接，每一个输入复加权模块与加法器连接，加法器与所有信号发射支路连接；

所述输入复加权模块用于对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作，然后传输给加法器，所述输入复加权模块对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作是：输入复加权模块根据预设的复加权值或者根据反馈信息动态调整的复加权值，或者根据通过编程方式调整的复加权值对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作；

所述加法器用于将所有输入复加权模块输出的复加权后的基带信号进行合并后传输给每一路信号发射支路进行发送。

2.预信道智能天线MIMO无线信号发射方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、预信道智能天线MIMO发射装置中的信号输入端接收到输入的基带信号，将该基带信号传送给其对应的输入复加权模块进行复加权操作后再传送给加法器，所述输入复加权模块进行复加权操作的方法为：输入复加权模块根据预设的复加权值对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作，或输入复加权模块根据反馈信息动态调整的复加权值对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作，或输入复加权模块根据通过编程方式调整的复加权值对信号输入端输入的基带信号进行复加权操作；

步骤2、加法器将其接收到的所有对应信号输入端传送来的复加权后的基带信号进行合并，然后传送给所有信号发射支路进行处理后发送。

3.如权利要求2所述的预信道智能天线MIMO无线信号发射方法，其特征在于，步骤2中，所述处理为先进行复加权操作，再进行射频调制。

4.如权利要求2所述的预信道智能天线MIMO无线信号发射方法，其特征在于，所述输入复加权模块采用滤波器代替。