一種空域自適應鏈路的天線選擇反饋方法
2023-05-27 00:54:26 3
專利名稱:一種空域自適應鏈路的天線選擇反饋方法
技術領域：
本發明涉及一種多輸入多輸出(MIMO)無線通信系統中天線選擇反饋的方法，尤其涉及的是一種實現自適應空間信道復用中的天線選擇信息的反饋方法。
背景技術：
現有技術中多輸入多輸出(MIMO)技術的提出為現代無線通信開闢了一個全新的領域，它給未來的移動通信系統，特別是對高速數據接入的業務，在不增加帶寬的情況下提供了一種可以極大提高系統數據率和頻譜效率的手段。在一個無線系統的發送和接收端都採用多天線單元，利用無線散射信道豐富的空間多維特性，以多輸入端/多輸出端的方式工作，可以突破性地提高系統信道容量，這就是多輸入多輸出(MIMO)技術的基本思想。
多輸入多輸出MIMO系統充分利用了發射端和接收機之間散射豐富的無線信道。此信道特點是，由發送天線陣送出的多個數據流，在接收天線陣一側都可以有相應的空間特性來標識它，也就是說不同的數據流在接收端看來，都有特有的、可區分的空間特性，即信道具有多維特點。
並且在慢變信道中，可以假設這種空間特性在一個特定的時間段內是不變的。因此，可以這樣理解一個(MT，MR)的MIMO系統，即此MIMO信道可以看成是由M＝min(MT，MR)個並行的子信道組成，整個MIMO信道的容量就是所有子信道容量之和。從理論上看，由於每個子信道都可以具有相同容量極限，所以，當發送天線間在接收天線段空間特徵具有良好的正交性時，整個MIMO信道的容量將把相同容量公式提高到一個令人吃驚的程度，如式C＝M×B×log2(1+ρ)，其中B為信號帶寬，ρ為接收端平均信噪比。上式表明，功率和帶寬固定時，MIMO的最大容量或容量上限隨最小天線數的增加而線性增加。
資訊理論容量已經揭示了MIMO系統能夠獲得巨大的容量，但是如何接近或者達到理論容量取決於接收機的信號處理算法。移動環境下的MIMO信道是變化的，容量也是變化的。算法如何適應變化的信道是實現空域自適應鏈路的關鍵。相關研究表明，低秩信道下並非發射天線越多信道容量越大。可以通過合理地選擇發射天線來提升系統容量。更為直觀的理解是在低秩信道下，不同天線發出的信號在接收端已經無法分離，或者分離的代價很大，噪聲提高，要求更高的信噪比，此時，如果所有天線均發送信號，由於信號的相互幹擾，可能在接收端信號均不能得到恢復，在這種情況下，如果有選擇地選擇接收端能夠分離的發射天線進行發射，儘管不能滿足峰值速率要求，但是仍然可以在一定程度上保證鏈路速率。因此，需要依據信道的特徵確定空分復用信道及其個數並將該結果反饋到發射端。
在眾多的空域自適應鏈路方法中，發射天線選擇技術是一種低成本低複雜度的技術。這種技術通過不同天線發射不同的信號，在接收端通過多天線進行信號分離的方式實現空分復用。此時，發射業務信號天線對應的信道即為空分復用信道，其數目就是空分復用信道的個數。因此，依據信道的特徵確定空分復用信道及其個數就是確定發送業務信號的天線及其個數。
如何確定發送業務信號的天線及其個數是天線選擇算法需要考慮的問題，已有許多公開的方法，如何進行天線選擇並非本發明關注的內容。由於天線選擇算法往往是在接收端完成的，而進行天線選擇的操作在發射端完成，為此，需要將接收端的天線選擇信息反饋給發射端。
關於上述問題的解決，已經公開的方法包括在中國專利公開號CN1520063「MIMO系統、MIMO接收機及其接收方法」中，提到了利用估計的信道狀態信息生成反饋信息，並且通過補償反饋路徑的反饋延遲來對反饋信息進行處理。不過其目的是利用反饋信息生成合適的發射加權，然而在實際MIMO系統中，對於信道狀態信息的反饋需要花費較大的信道帶寬。
在中國專利01137687.2，「具有多個發射和接收天線的無線系統反饋技術」中，使用接收端向發射端反饋速率反饋符或增益反饋符的方式降低反饋信道狀態信息的帶寬，發射端對每個數據子流採用一維數據編碼來保證反饋符接收的可靠性。但是對數據流進行信道編碼會浪費寶貴的信道資源，而且，為了保證實時性，回傳信號不能做長時間的時域交織，進一步降低了回饋信號的準確度。
在2004年7月8日申請的中國專利公開號CN1578192中描述了一種發射天線選擇器，接收機對來自多根接收天線的接收信號進行BLAST解碼，計算與每根發射天線相關的前向信道的信噪比(SNR)，以確定多根發射天線中每根發射天線對應的前向信道的信道特徵。並將該信道狀態特徵作為發射天線的選擇信息反饋到發射端，由發射端根據此信息選擇狀態較好的發射天線來發射業務信號。但是，上述專利中沒有說明判斷選擇幾根發射天線的依據以及具體的反饋方式。
反饋天線選擇結果的方式可以有很多，如可以使用專用字節反饋，但是考慮到反饋信號需要比業務信息更高的準確度，需要對反饋信號做較為可靠的編碼，這樣會浪費寶貴的信道資源。而且，為了保證實時性，反饋信號不能做長時間的時域交織，否則進一步會降低反饋信號的準確度。
因此，現有技術還有待於改進和發展。
發明內容本發明的目的在於提供一種空域自適應鏈路的天線選擇反饋方法，因為發射天線陣到接收天線陣的信道狀態信息往往只能在接收端得到，需要反饋信道狀態信息，本發明提供一種在空分復用MIMO系統中不佔用額外信道帶寬，具有高準確度，且滿足信道變化實時性要求的天線選擇信息的反饋方法。
本發明的技術方案包括一種空域自適應鏈路的天線選擇反饋方法，包括步驟A、在發射端設置相互正交或準正交的導頻序列，每個天線對應兩個導頻，分主導頻和輔導頻，主導頻對應該天線發送業務信號，輔導頻對應該天線不發送業務信號，建立導頻和發送端天線以及接收端天線的對應關係；B、所述發射端依據天線選擇結果以及導頻和發送端天線、接收端天線的對應關係共同決定各發射天線發送的導頻序列；C、所述發射端將此導頻序列及業務信號組幀後發射出去；D、所述接收端收到發射端發來的信號後，利用主輔導頻識別器依據收到的信號進行主輔導頻匹配，依據主輔導頻情況和接收端天線的對應情況判斷待發射信號中復用信號的個數和具體的天線序號，據此決定接收端在發射信號時，哪個天線發送業務信號，哪個天線不發送業務信號。
所述的方法，其中，所述步驟D還包括所述接收端接收到發射端發送的信號後，主輔導頻識別器依據收到的信號進行主輔導頻匹配，選取相關值較大的一個。
所述的方法，其中，所述步驟D還包括D1、依據導頻和發射端天線的對應關係進行信道估計；D2、依據導頻和接收端天線的對應關係進行天線選擇信息映射。
所述的方法，其中，所述步驟D還包括所述接收端在時分雙工系統中在其發射時隙或在頻分雙工系統中的發射頻段發射信號。
所述的方法，其中，所述依據上述接收端的導頻發送情況，應該是對應導頻與接收信號的相關輸出具有大於一預定門限的值。
本發明所提供的一種空域自適應鏈路的天線選擇反饋方法，由於採用導頻反饋的方式，即天線選擇信息隱藏在多天線的導頻中發送，這樣接收端可以依據導頻圖樣來決定哪幾個天線的信號載有信息，因此無須消耗額外的信道資源，而且天線選擇信息載在導頻上恢復的準確度很高，並較好地滿足了天線選擇信息反饋的實時性要求。
圖1為本發明方法的實施方式一的發射天線選擇信息反饋的示意圖；圖2為本發明方法的實施方式二的發射天線選擇信息反饋的示意圖。
具體實施方式以下結合附圖，將對本發明各較佳實施例進行詳細的描述。
本發明的一種空域自適應鏈路的天線選擇反饋方法，其在空分復用MIMO系統中不佔用額外信道帶寬，並具有高準確度的天線選擇信息，而且能滿足信道變化實時性要求。
本發明方法的基本方案包括步驟1在發射端設計相互正交的導頻序列，每個天線對應兩個導頻，分主導頻和輔導頻，主導頻對應該天線發送業務信號，輔導頻對應該天線不發送業務信號。建立導頻和發送端天線以及接收端天線的對應關係。
步驟2發射端依據天線選擇結果以及導頻和發送端天線、接收端天線的對應關係共同決定各發射天線發送的導頻序列。
步驟3發射端將此導頻序列及業務信號組幀後發射出去。
步驟4接收端收到發射端發來的信號後，利用主輔導頻識別器依據收到的信號進行主輔導頻匹配，依據主輔導頻情況和接收端天線的對應情況判斷待發射信號中復用信號的個數(即空分復用係數)和具體的天線序號，據此決定接收端在其發射時隙(TDD模式)或發射頻段(FDD模式)發射信號時，哪個天線發送業務信號，哪個天線不發送業務信號。
下面以基站和移動臺天線配置為4x4的例子來說明天線選擇信息的反饋方法的具體實現過程。
首先來說明導頻的設計方法。如下的設計只是為了解釋發明的思路和原理，但是發明的範圍不局限於具體的例子和條件，如導頻的長度，正交序列和擾碼的選取等等。
正交序列採用復Walsh序列，使用大M序列進行擾碼。Walsh序列如下W11+i -1-i 1+i -1-i 1+i -1-i 1+i -1-iW21-i 1-i 1-i 1-i 1-i 1-i 1-i 1-iW31+i -1-i -1-i 1+i 1+i -1-i -1-i 1+iW41-i 1-i -1+i -1+i 1-i 1-i -1+i -1+iW51+i -1-i 1+i -1-i -1-i 1+i -1-i 1+i
W61-i 1-i 1-i 1-i -1+i -1+i -1+i -1+iW71+i -1-i -1-i 1+i -1-i 1+i 1+i -1-iW81-i 1-i -1+i -1+i -1+i -1+i 1-i 1-iWalsh序列加擾後構成了導頻序列Pi，1≤i≤ 8。對於第i個陣元，主導頻為Pi，輔導頻為Pi+4，Pi有如下特性Pi和Pj正交，i≠j。
以上的天線和導頻圖樣的對應關係有兩層含義。首先Pi和Pi+4對應發射端的第i個陣元，接收端據此決定信道矩陣中各元素的順序；其次，Pi和Pi+4對應接收端的第i個陣元，接收端據此決定在其發射時隙(TDD模式)或發射頻段(FDD模式)發射信號時，哪個天線發送業務信號，哪個天線不發送業務信號。如主導頻圖樣表示其對應的天線發送業務信號，輔導頻圖樣表示與其對應的天線不發送業務信號。
通過觀察導頻圖樣可以發現，每個陣元的主導頻和輔導頻前4個symbol是相同的，後4個symbol符號相反。這樣的設計是為了降低判斷導頻圖樣時的運算量。以1號導頻和5號導頻為例，分別用導頻P1的前4個symbol和後4個symbol和對應的接收信號相關，求取兩個相關係數的和以及差即可同時得到1號導頻和5號導頻與接收信號的相關係數，依據相關係數模值的高低即可判斷是主導頻還是輔導頻，而無須兩次長度為8的相關運算。
上述的導頻設計既適用於基站也適用於移動臺。導頻設計完成後，就依據本發明方法的天線發送的主輔導頻的不同來指示天線選擇結果。
下面說明發射天線的導頻序列選擇方法及組幀方法。如圖1給出了天線選擇信息反饋的處理流程示意圖。圖中幀的前面部分為導頻部分，後面部分為業務信號部分。不管天線選擇結果如何，4個天線的導頻信號始終在發送，以利信道估計的實時性。
在移動臺端利用上幀信息，移動臺進行天線選擇，假設移動臺認為下行鏈路中基站的第3個天線不能發送信號，其它天線發送信號。那麼其導頻設計如下依據1到4天線順序，其導頻依次為P1、P2、P7、P4，其中P7即P3+4，表示第3個天線不發送業務數據，因此是輔導頻。圖中假設前一幀基站要求移動臺選擇4個天線發送，所以，此時復用係數為4，4個天線都發送業務數據。將選擇好的導頻按照圖1所示方式和業務信號組幀發送。
所述基站接收到移動臺發送的信號後，主輔導頻識別器依據收到的信號進行主輔導頻匹配，選取相關值較大的一個。依據上述移動臺的導頻發送情況，應該是P1、P2、P7、P4導頻得到最大值。首先依據導頻和移動臺天線的對應關係進行信道估計。即，P1的相關值對應移動臺天線1的信道響應，P2、P7到P4的相關值分別對應移動臺天線2到4的信道響應。其次，依據導頻和基站天線的對應關係進行天線選擇信息映射。即，P1相關值較P5的相關值高表明，移動臺發送了主導頻信息，與其對應的基站第1天線應該在下幀發送業務數據。而P7相關值較P3的相關值高表明，移動臺發送了輔導頻信息，與其對應的基站第3天線應該在下幀不發送業務數據，其它依此類推。
在進行天線選擇映射的同時，基站根據上行信道特徵來決定移動臺在下一幀哪些天線發送業務信號。假設基站端的天線選擇結果為希望移動臺端第2根天線不發送信號，其它天線發送信號。那麼其導頻設計如下依據1到4天線順序，其導頻依次為P1、P6、P3、P4。將選擇好的導頻按照圖1所示方式和業務信號組幀發送。
所述移動臺接收到基站發送的信號後，主輔導頻識別器依據收到的信號進行主輔導頻匹配，選取相關值較大的一個。依據上述基站的導頻發送情況，應該是P1、P6、P3、P4導頻得到最大值。首先依據導頻和基站天線的對應關係進行信道估計。即，P1的相關值對應基站天線1的信道響應，P6、P3到P4的相關值分別對應基站天線2到4的信道響應。其次，依據導頻和移動臺天線的對應關係進行天線選擇信息映射。即，P1相關值較P5的相關值高表明，基站發送了主導頻信息，與其對應的移動臺第1天線應該在下幀發送業務數據。而P6相關值較P2的相關值高表明，基站發送了輔導頻信息，與其對應的移動臺第2天線應該在下幀不發送業務數據，其它依此類推。
由此來看，對基站來說，本幀業務信號是否發送不是依據本幀基站的導頻，而是依據移動臺的導頻。而移動臺進行天線選擇需要基站的導頻信息，所以，反饋環節的存在會帶來一個幀長的時延。本發明的上述方法適用於TDD系統，也適用於FDD系統。
下面以基站和移動臺天線配置4x2為例來說明本發明天線選擇信息的反饋方法的具體實現過程。
在導頻的設計上，仍然可以採用實施方式一的方法。但是導頻圖樣和天線的對應關係做如下規定在基站端，Pi和Pi+4對應基站的第i個陣元(1≤i≤4)，Pi和Pi+4對應移動臺端的第i個陣元(1≤i≤2)，也就是說，只有基站的前兩個陣元的對應的導頻載有移動臺端的天線選擇信息。
在移動臺端，由於只有2天線配置，為保證移動臺端信號的可分性，基站端最多只能有2個天線同時發射，因此，移動臺端兩個天線的導頻仍然能夠正確表達基站的天線選擇信息。即Pi和Pi+4對應基站的第i個陣元(1≤i≤4)，在基站端，如果收到與其對應的主導頻信號，則該天線發送業務信號，如果接收到其對應的輔導頻信號，則該天線不發送業務信號，如果主輔導頻信號均收不到，則也表示該天線不發送業務信號。主輔導頻的區分可以採用前述的比較匹配相關值的方法，有無導頻發送的判決可以通過比較匹配相關值與信號功率的比是否大於門限t來進行。如果小於門限，則認為無該序號的導頻發送。導頻與移動臺端天線的對應關係如下，導頻序號以4取模後排序的序號為天線序號。如待發送的導頻為P2和P4，則P2對應天線1，在天線1發送，P4對應天線2，在天線2發送。又如待發送的導頻為P3和P5，則5取模4後為1，經1和3的排序，P5對應天線1，在天線1發送，P3對應天線2，在天線2發送。
下面說明發射天線的導頻序列選擇方法及組幀方法。如圖2給出了天線選擇信息反饋的處理流程示意圖，圖中幀結構和實施方式一類似。
在所述移動臺端，利用上幀信息，移動臺進行天線選擇，假設移動臺認為下行鏈路中基站的第3個天線發送信號，其它天線不發送信號。那麼其導頻設計如下依據1到2天線順序，其導頻依次為P5、P3。圖中假設前一幀基站要求移動臺選擇2個天線發送，所以，此時復用係數為2，2個天線都發送業務數據。將選擇好的導頻按照圖2所示方式和業務信號組幀發送。
所述基站接收到移動臺發送的信號後，主輔導頻識別器依據收到的信號進行主輔導頻匹配，選取相關值較大的一個。依據上述移動臺的導頻發送情況，應該是P5、P3導頻得到大於門限t的值。首先依據導頻和移動臺天線的對應關係進行信道估計。即，P5的相關值對應移動臺天線1的信道響應，P3的相關值對應移動臺天線2的信道響應。其次，依據導頻和基站天線的對應關係進行天線選擇信息映射。即，P5相關值較P1的相關值高表明，移動臺在第一天線發送了輔導頻信息，與其對應的基站第1天線應該在下幀不發送業務數據。而P3相關值較P7的相關值高表明，移動臺發送了主導頻信息，與其對應的基站第3天線應該在下幀發送業務數據，其它天線由於無其對應的導頻發送，所以均不發送業務數據。
在進行天線選擇映射的同時，基站根據上行信道特徵來決定移動臺在下一幀哪些天線發送業務信號。假設基站端的天線選擇結果為希望移動臺端第2根天線不發送信號，第1根天線發送信號。那麼其導頻設計如下依據1到4天線順序，其導頻依次為P1、P6、P7、P8。將選擇好的導頻按照圖2所示方式和業務信號組幀發送。
所述移動臺接收到基站發送的信號後，主輔導頻識別器依據收到的信號進行主輔導頻匹配，選取相關值較大的一個。依據上述基站的導頻發送情況，應該是P1、P6、P7、P8導頻得到最大值。首先依據導頻和基站天線的對應關係進行信道估計。即，P1的相關值對應基站天線1的信道響應，P6、P7到P8的相關值分別對應基站天線2到4的信道響應。其次，依據導頻和移動臺天線的對應關係進行天線選擇信息映射。即，P1相關值較P5的相關值高表明，基站發送了主導頻信息，與其對應的移動臺第1天線應該在下幀發送業務數據。而P6相關值較P2的相關值高表明，基站發送了輔導頻信息，與其對應的移動臺第2天線應該在下幀不發送業務數據，由於移動臺只有兩個天線，不再理會基站第3和第4天線發送的導頻信息。
本發明方法採用了導頻反饋的方式，即天線選擇信息隱藏在多天線的導頻中發送，在接收端可以依據導頻圖樣來決定哪幾個天線的信號載有信息。由於MIMO系統中，多天線本來就需要發送不同的導頻進行信道估計，因此，不需要消耗額外的信道資源。而且，導頻往往是通信建立的基礎，因此，導頻信號往往較強，易於識別，天線選擇信息載在導頻上恢復的準確度很高。同時，導頻信息往往是逐幀提取的，可以較好地滿足天線選擇信息反饋的實時性要求。
應當理解的是，上述針對具體實施例的描述較為詳細，並不能因此而理解為對本發明專利保護範圍的限制，本發明的專利保護範圍應以所附權利要求
為準。
權利要求
1.一種空域自適應鏈路的天線選擇反饋方法，包括步驟A、在發射端設置相互正交或準正交的導頻序列，每個天線對應兩個導頻，分主導頻和輔導頻，主導頻對應該天線發送業務信號，輔導頻對應該天線不發送業務信號，建立導頻和發送端天線以及接收端天線的對應關係；B、所述發射端依據天線選擇結果以及導頻和發送端天線、接收端天線的對應關係共同決定各發射天線發送的導頻序列；C、所述發射端將此導頻序列及業務信號組幀後發射出去；D、所述接收端收到發射端發來的信號後，利用主輔導頻識別器依據收到的信號進行主輔導頻匹配，依據主輔導頻情況和接收端天線的對應情況判斷待發射信號中復用信號的個數和具體的天線序號，據此決定接收端在發射信號時，哪個天線發送業務信號，哪個天線不發送業務信號。
2.根據權利要求
1所述的方法，其特徵在於，所述步驟D還包括所述接收端接收到發射端發送的信號後，主輔導頻識別器依據收到的信號進行主輔導頻匹配，選取相關值較大的一個。
3.根據權利要求
2所述的方法，其特徵在於，所述步驟D還包括D1、依據導頻和發射端天線的對應關係進行信道估計；D2、依據導頻和接收端天線的對應關係進行天線選擇信息映射。
4.根據權利要求
3所述的方法，其特徵在於，所述步驟D還包括所述接收端在時分雙工系統中在其發射時隙或在頻分雙工系統中的發射頻段發射信號。
5.根據權利要求
1至3任意所述的方法，其特徵在於，所述依據上述接收端的導頻發送情況，應該是對應導頻與接收信號的相關輸出具有大於一預定門限的值。
專利摘要
本發明公開了一種空域自適應鏈路的天線選擇反饋方法，包括步驟所述發射端依據天線選擇結果以及導頻和發送端天線、接收端天線的對應關係共同決定各發射天線發送的導頻序列；所述發射端將此導頻序列及業務信號組幀後發射出去；所述接收端收到發射端發來的信號後，利用主輔導頻識別器依據收到的信號進行主輔導頻匹配，依據主輔導頻情況和接收端天線的對應情況判斷待發射信號中復用信號的個數和具體的天線序號。本發明方法由於採用導頻反饋的方式，即天線選擇信息隱藏在多天線的導頻中發送，無須消耗額外的信道資源，而且天線選擇信息載在導頻上恢復的準確度很高，並較好地滿足了天線選擇信息反饋的實時性要求。
文檔編號H04L1/06GK1996781SQ200510132585
公開日2007年7月11日 申請日期2005年12月26日
發明者王文杰, 蔣小奎, 王劍 申請人:中興通訊股份有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan