專利名稱：使用多發(fā)射多接收天線陣列的無線通信的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用多發(fā)射多接收天線陣列的無線通信，即發(fā)射和接收站都包括天線元件陣列。在給定站的天線元件用于發(fā)射和接收的例子中，在此稱為“發(fā)射機”、“發(fā)射天線”、“接收機”或“接收天線”的都被解釋為在操作中它們所執(zhí)行的功能。
背景技術(shù)：
無線通信系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾哉找嬖黾?，?yīng)當(dāng)理解，在數(shù)據(jù)的最廣泛意義上覆蓋例如語音或其他聲音和圖像以及抽象數(shù)字信號。
當(dāng)前建議的用于無線通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)包括3GPP(第三代合作組項目)和3GPP2標(biāo)準(zhǔn)，它們使用碼分多址(CDMA)以及頻分雙工(FDD)或時分雙工(TDD)；歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(ETSI)的HEPERLAN和HIPERLAN2局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它們使用時分雙工(TDD)；以及國際電信聯(lián)盟(ITU)的IMT-2000標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明適于這些類型的系統(tǒng)以及其他無線通信系統(tǒng)。
為改進系統(tǒng)的通信性能而同時降低系統(tǒng)對噪聲和干擾的敏感，同時限制傳輸功率，分別或組合使用不同的技術(shù)，包括空時分集，其中在不同發(fā)射和/或接收天線元件傳送相同數(shù)據(jù)；以及頻率擴展，例如正交頻分多路訪問(OFDM)，其中在用子載波頻率區(qū)分的不同信道上擴展相同數(shù)據(jù)。
在接收機，使用復(fù)合信道衰減和相位偏移知識，信道狀態(tài)信息(CSI)，來執(zhí)行符號檢測。在接收機通過測量和數(shù)據(jù)一起從發(fā)射機發(fā)射的導(dǎo)頻信號的值獲得信道狀態(tài)信息。信道知識允許根據(jù)最大比例組合技術(shù)聯(lián)合處理接收的信號，在該技術(shù)中，接收信號和估計信道轉(zhuǎn)移矩陣的Hermitian轉(zhuǎn)置相乘。
兩種管理發(fā)射分集的方式被分為“閉環(huán)”和“開環(huán)”。在閉環(huán)信號傳輸中，在接收機使用和傳輸信道相關(guān)的信息來改進通信。例如，提交給ETSI UMTS物理層專家組的文獻Tdoc SMG2 UMTS-L1 318/98說明了發(fā)射自適應(yīng)陣列(TxAA)FDD方案的操作，其中在各發(fā)射天線，專用信道和相同數(shù)據(jù)以及代碼一同發(fā)射，但具有各天線特定的幅度以及相位加權(quán)。接收機使用公共信道上傳送的導(dǎo)頻分別估計來自各個天線的信道。接收機估計應(yīng)當(dāng)在發(fā)射機使用的加權(quán)以最大化在接收機接收的能量，量化該加權(quán)，并將其反饋給發(fā)射機。發(fā)射機應(yīng)用各個量化加權(quán)到從陣列的各個發(fā)射天線發(fā)射的信號的幅度和相位?？蛇x地，在TDD系統(tǒng)中，用于加權(quán)提供到下行鏈路發(fā)射天線的信號的信道狀態(tài)信息可從上行鏈路信號導(dǎo)出，假定信道是相等的，并且不從接收機傳送任何特定信道或加權(quán)信息到發(fā)射機。
多發(fā)射多接收(MTMR)分集方案，實際上以空時分集在不同發(fā)射和接收天線元件的組合上傳送相同信號，可以提供顯著的信噪比(SNR)增益，并因此運行在低SNR，允許通過使用高階調(diào)制提高頻譜效率?？蛇x地，在多流(multi-stream)無線通信方案中，可在發(fā)射和接收天線元件陣列之間傳送不同信號以允許高頻譜效率。然而，建議的此種多流方案僅在高SNR才是可行的，并要求復(fù)雜的接收機(對于N-發(fā)射M接收天線配置，M必須大于等于N)，從而能在接收機提取不同的發(fā)射信號。
開環(huán)多流單用戶方案的一個例子是貝爾實驗室分層空時(BLAST)方案，在1996年秋貝爾實驗室技術(shù)期刊第1卷第2期41-59頁G.J.Foschini的名為“Layered Space-Time Architecture for WirelessCommunication in a fading Environment When Using Multiple Antennas(當(dāng)使用多天線時在衰落環(huán)境中用于無線通信的分層空時結(jié)構(gòu))”中說明。
可與上述方案替換的用于多流傳輸?shù)拈]環(huán)方案(在閉環(huán)方案中在發(fā)射機使用信道知識)在2001年10月亞特蘭大的車用技術(shù)會議上Mansoor Ahmed，Joseph Paulter和Kamyar Rohani的名為“CDMAReceiver Performance for Multiple-Input Multiple-Output AntennaSystems(用于多輸入多輸出天線系統(tǒng)的CDMA接收機性能)”的文章中說明。顯示該通信系統(tǒng)原理的示意圖顯示在附圖1中。
這樣的方案受限于分集增益和頻譜效率之間的折衷，因此可操作SNR的范圍被限制，除非提高復(fù)雜性或使用高調(diào)制星座圖(例如比64QAM高)。本發(fā)明提供在分集增益和頻譜效率之間折衷的重大改進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供如在權(quán)利要求中所述的用于使用多發(fā)射多接收天線陣列的無線通信的方法和設(shè)備。


圖1是已知通用多流單用戶通信系統(tǒng)的示意圖，圖2是作為例子給出的根據(jù)本發(fā)明一個實施例的多流通信系統(tǒng)的示意圖，圖3是顯示對于不同頻譜效率，圖2系統(tǒng)的性能的圖，圖4是顯示圖2系統(tǒng)和具有相同數(shù)目發(fā)射天線元件但具有不同數(shù)目接收天線元件的開環(huán)系統(tǒng)的性能比較的圖，和圖5是顯示圖2系統(tǒng)和具有相同數(shù)目發(fā)射和接收天線元件的開環(huán)系統(tǒng)的性能比較的圖。
具體實施例方式
圖1顯示已知多流無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括發(fā)射機站1和接收機站3，發(fā)射機站包含具有N個發(fā)射天線元件的發(fā)射天線陣列2，接收機站包含具有M個接收天線元件的接收天線陣列4。在圖1所示例子中，N＝M＝2。從發(fā)射天線陣列2發(fā)射多個不同數(shù)據(jù)流x1到xF(在圖1的例子中F＝2)到接收天線陣列4，并用各個復(fù)加權(quán)系數(shù)vn，f在數(shù)據(jù)流被應(yīng)用到發(fā)射天線陣列之前加權(quán)數(shù)據(jù)流，這里n代表第n個發(fā)射天線元件，f是第f個數(shù)據(jù)流。在接收機站線性或非線性接收機5中分離并估計不同的數(shù)據(jù)流，以產(chǎn)生檢測的信號s1和s2。
在圖1所示例子中，N＝M＝F＝2，傳播信道可表示為矩陣H‾=h‾11h‾12h‾21h‾22.]]>在摩托羅拉開發(fā)的以上Mansoor Ahmed，Joseph Paulter和Kamyar Rohani的文章中說明的閉環(huán)系統(tǒng)中，在發(fā)射機使用信道知識，用于多流傳輸。該方案要求應(yīng)用到發(fā)射天線的加權(quán)矩陣的知識，V＝[V1，V2]，其中V1＝[v1，1，v2，1]T和V1＝[v2，1，v2，2]T是HHH(T和H分別表示轉(zhuǎn)置和共軛轉(zhuǎn)置)的兩個本征向量。圖1所示輸入n1和n2表示加到信號信道中的噪聲。假定在以下分析中該噪聲與具有方差σ2的復(fù)數(shù)高斯隨機值(AWGN噪聲)獨立同分布(i.i.d)。最后y1和y2表示分別在接收天線陣列2的兩個天線上接收到的信號。
應(yīng)當(dāng)理解，在以上涉及G.J.Foschini的文章中說明的BLAST技術(shù)和設(shè)定v1，1＝v2，2＝1以及v1，2＝v2，1＝0相同，即各數(shù)據(jù)流僅在分別的單個發(fā)射天線元件上發(fā)射，在發(fā)射機(開環(huán))不使用任何信道知識。
還應(yīng)當(dāng)理解，在通用TxAA閉環(huán)發(fā)射分集方案中，按照對應(yīng)最大HHH本征值的本征向量發(fā)射單個流，從而V1＝[v1，1，v2，1]T和V2＝0。這是閉環(huán)單流單用戶方案，而在圖1所示雙流TxAA中，兩個本征向量V1和V2都使用。
在高速下行鏈路共享信道(HS-DSCH)通信環(huán)境中的分析得到兩個關(guān)于雙流TxAA的主要結(jié)論。第一個結(jié)論是，在低SNR(大約-5dB)，用turbo碼，H-ARQ和注水(water-fill)閉環(huán)雙流方案和開環(huán)雙流方案比較，可以在平均吞吐量(比特/碼片間隔)上提供50％的增加。第二個結(jié)論是，對于閉環(huán)雙流方案，非線性接收機的性能(平均吞吐量)和線性接收機的近似，即在發(fā)射機使用信道知識消除了非線性處理的需要。
然而，發(fā)現(xiàn)單流閉環(huán)發(fā)射分集(TxAA)在中和低SNR(-5到10dB)以及平均吞吐量0.5-3比特/碼片間隔提供最佳性能。這是非常重要的，假定在蜂窩系統(tǒng)(例如特別是CDMA系統(tǒng))中出現(xiàn)高SNR情況(＞10dB)的概率很小。
圖2所示本發(fā)明的實施例利用閉環(huán)發(fā)射分集，同時通過使用多流技術(shù)增加了數(shù)據(jù)速率。圖2中和圖1類似的元件使用相同標(biāo)記。
本發(fā)明的此實施例通常適于從發(fā)射天線元件的各個子組發(fā)射F個數(shù)據(jù)流的情況，其中至少一個子組包括多個發(fā)射天線元件。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，發(fā)射天線元件的各個子組包括相同數(shù)目Nd的發(fā)射天線元件。在本發(fā)明的另一個實施例中，發(fā)射天線元件的各個子組包括不同數(shù)目的發(fā)射天線元件，每個子組至少包括Nd個發(fā)射天線元件。優(yōu)選地，如在本發(fā)明實施例中的，任何子組中發(fā)射天線元件的最小數(shù)目Nd至少是2。在子組中使用多于一個天線改進了數(shù)據(jù)流通信的分集，而多于一個子組的使用通過經(jīng)子組發(fā)射不同信號提高了頻譜效率。配置的選擇，包括在各個子組中發(fā)射天線元件的數(shù)目以及N和Nd，是優(yōu)化問題，可用例如在給定應(yīng)用環(huán)境中信道條件和目標(biāo)性能的函數(shù)方程表示。
根據(jù)目標(biāo)性能和運行的SNR，可以選擇Nd以及組數(shù)目，從而提供所需的分集和頻譜效率。此外，還可以選擇設(shè)定Nd和組數(shù)目，從而不是用所有N個天線，節(jié)約在接收機的計算復(fù)雜性?？稍谛诺蕾|(zhì)量良好的例子中使用此配置，從而SNR高而目標(biāo)性能低。在本發(fā)明的一個實施例中，在系統(tǒng)操作期間改變總計使用以及各子組中的天線數(shù)目和Nd值，從而適應(yīng)當(dāng)前信道條件和目標(biāo)性能的選擇。
在接收機側(cè)，本發(fā)明的實施例通常適于數(shù)目為M的接收天線，其中M大于或等于(N/Nd)。
為簡明起見，本發(fā)明的優(yōu)選實施例顯示在圖2中，用于2數(shù)據(jù)流、4發(fā)射天線以及2接收天線(N＝4，Nd＝2，M＝4)的例子。圖2所示多流無線通信系統(tǒng)包括發(fā)射機站1和接收機站3，發(fā)射機站1包括具有兩個發(fā)射天線元件的發(fā)射天線陣列2，接收機站3包括具有兩個接收天線元件的接收天線陣列4。線性或非線性接收機5分離，解碼并解調(diào)在接收天線陣列4接收的信號。
發(fā)射天線陣列2的元件連接在兩個子組6、7中。分別從發(fā)射天線子組6和發(fā)射天線子組7發(fā)射兩個不同的數(shù)據(jù)流x1和x2到接收天線陣列4。在將數(shù)據(jù)流x1提供給子組6的兩個發(fā)射天線元件之前分別用復(fù)加權(quán)系數(shù)v1和v1加權(quán)，而在將數(shù)據(jù)流x2提供給子組7的兩個發(fā)射天線元件之前分別用復(fù)加權(quán)系數(shù)v3和v4加權(quán)。在接收機站線性或非線性接收機5中分離并估計不同的數(shù)據(jù)流，以產(chǎn)生檢測信號s1和s2。
在圖2所示例子中，N＝M＝Nd＝2，傳播信道可用兩個矩陣h‾11h‾12h‾21h‾22]]>和h‾31h‾41h‾32h‾42]]>表示，其中hij代表從第i個發(fā)射天線元件到第j個接收天線元件的信道。
然后可如下表示接收的信號向量y1y2=u1u2x1x2+n1n2]]>公式1其中u1=h‾11h‾12h‾21h‾22v1v2=h‾11v1+h‾21v2h‾12v1+h‾22v2,]]>u2=h‾31h‾41h‾32h‾42v3v4=h‾31v3+h‾41v4h‾32v3+h‾42v4]]>公式2
以及其中數(shù)據(jù)流用各自復(fù)加權(quán)系數(shù)vn，f加權(quán)，n表示第n個發(fā)射天線元件，f是第f個數(shù)據(jù)流，y1和y2表示分別在接收天線陣列2的兩個天線上接收到的信號，n1和n2表示加到信號信道中的噪聲，再次被假定為和具有方差σ2的復(fù)數(shù)高斯隨機值(AWGN噪聲)獨立同分布(i.i.d)。
以向量形式重寫公式(1)，我們獲得Y＝Hequx+N 公式3其中Hequ=u1u2=h‾11v1+h‾21v2h‾31v3+h‾41v4h‾12v1+h‾22v2h‾32v3+h‾42v4]]>公式4以及Hequ的維度是2×2。
在線性最小均方差(MMSE)接收機輸出的估計符號(流)由以下給出s＝GY＝GHequx+GN公式5其中G＝(HequHHequ+σ2I)-1HequH是MMSE接收機的轉(zhuǎn)移函數(shù)，I是單位矩陣，上標(biāo)H代表轉(zhuǎn)置共軛操作。
對于各個流，選擇系數(shù)V1＝[v1，v2]T和V2＝[v3，v4]T，從而在單位標(biāo)準(zhǔn)約束下最大化接收功率P，從而使總發(fā)射功率也歸一化。V1和V2的解析解也稱為本征濾波器解(參見由Prentice Hall出版的SimonHaykin的“Adaptive filter theory(自適應(yīng)濾波器理論)”，第4.4和4.5章)，是對應(yīng)矩陣H1HH1和H2HH2的最大本征值的本征向量，其中H1=h‾11h‾21h‾12h‾22,H2=h‾31h‾41h‾32h‾42]]>公式6使用公式(6)，在接收機輸出端分離并估計兩個流，因此獲得頻譜效率的階2的改進。此外，對于相干組合和分集增益，選擇天線系數(shù)V1和V2以最大化各個流的接收機輸出功率。
本發(fā)明此實施例的性能，指的是多流發(fā)射自適應(yīng)天線(M-TxAA)，顯示在圖3，4和5中，用于不同的N，Nd，M值和頻譜效率，例如N＝4，Nd＝2，M＝2。根據(jù)未編碼誤比特率(BER)估計該性能，該誤比特率是每比特發(fā)射能量對噪聲之比(Tx Eb/No)的函數(shù)。
用本發(fā)明實施例獲得的結(jié)果顯示在圖3中，以下不同編碼方案用于不同頻譜效率二進制相移鍵控(BPSK)，正交相移鍵控(QPSK)，以及具有每星座圖16和64符號的正交幅度調(diào)制(QAM-16和QAM-64)。
圖4顯示本發(fā)明實施例(M-TxAA)和具有相同數(shù)目發(fā)射天線元件(四)和四個接收天線元件、而不是本發(fā)明實施例的兩個接收天線元件的開環(huán)系統(tǒng)(OL)的性能比較?？梢钥闯觯瑢τ诮o定的Tx Eb/No范圍[6-20dB]，和多流開環(huán)方案(BLAST)相比，當(dāng)使用M-TxAA時性能大大提高。此外，對于給定SNR和未編碼BER，(例如3e-2和20dB)，M-TxAA獲得12比特/符號的比特率(R＝2×6)，比開環(huán)多流方案高50％。另一方面，對于固定比特率和給定未編碼BER(例如8比特/符號和3e-2)，M-TxAA可在16.5dB SNR操作，比開環(huán)多流方案低3.5dB。注意到，對于圖3和4，M-TxAA僅在接收機使用M＝2個天線，因此移動復(fù)雜性降低，而開環(huán)多流需要至少M＝4個接收天線。
圖5顯示本發(fā)明實施例(M-TxAA)和具有相同數(shù)目發(fā)射天線元件和接收天線元件的開環(huán)系統(tǒng)(OL)的性能比較?？梢钥闯?，對于給定的頻譜效率，例如8比特/符號，以及給定的未編碼BER，例如3e-2，M-TxAA可操作在10.0dB SNR，比開環(huán)多流方案低10dB。此外，在相同的3e-2未編碼BER，對于比特速率比開環(huán)(12比特/符號而非8比特/符號)高50％，M-TxAA仍可以運行在14dB SNR，即低4dB。
加權(quán)V1＝[v1，v2]T和V2＝[v3，v4]T的量化可如在當(dāng)前3GPP Rel’99閉環(huán)發(fā)射分集方案中規(guī)定的一樣執(zhí)行。元素v1和v3可固定到恒定功率，v2和v4可設(shè)定為相對幅度和相位(分別相對于v1和v3)。因此僅需要反饋兩個系數(shù)v2和v4，它們表示可忽略的額外開銷。
在上述本發(fā)明實施例中，發(fā)射天線對(6)和(7)形成單個發(fā)射機的部分，即它們在相同小區(qū)/扇區(qū)中。然而它們也能形成兩個不同扇區(qū)/小區(qū)的部分，通過它們移動站在軟切換/更軟切換期間進行同時通信。因此移動站可以從兩個不同小區(qū)/扇區(qū)基站發(fā)射機接收兩個獨立的流。
上述本發(fā)明的實施例結(jié)合特定例子進行說明，其中有在各子組中具有兩個天線元件的兩個發(fā)射天線子組以及兩個接收天線元件。對于更通用情況的G子組發(fā)射天線元件以及M個接收天線元件，其中子組Gi包括Ni個發(fā)射天線元件，Ni Nd，上述公式的改寫給出以下公式(指的是平衰落，對更通用多徑情形的擴展通過將對應(yīng)向量放入矩陣獲得)公式(1)變?yōu)閥1···ym···yM=u1···ug···uGx1···xg···xG+n1···ng···nG]]>公式7ui的值是(公式2) 公式8i＝1，...，G，注意到該和僅是第一索引的，如果我們表示hindex1，index2，則索引1是如上所示的和。
公式4變?yōu)?
Hequ=u1···ug···uG=Hequ(a,b)a=1···Mb=1···G]]>公式9其中Hequ(a,b)=Σl=1vbh‾Σ1≤j<bNj+1,aΣ1≤j<iNj+l]]>公式10Vi(參看公式6)的本征濾波器解則是對應(yīng)矩陣HiHHi最大本征值的本征向量，其中 公式1權(quán)利要求
1.一種在發(fā)射機裝置(1)和接收機裝置(3)之間的閉環(huán)多流無線通信方法，發(fā)射機裝置包括具有N個發(fā)射天線元件的發(fā)射天線陣列，接收機裝置包括具有M個接收天線元件的接收天線陣列(4)，其中從所述發(fā)射天線陣列發(fā)射多個不同數(shù)據(jù)流(x1，x2)到所述接收天線陣列，在將所述數(shù)據(jù)流提供到所述發(fā)射天線陣列之前用各自復(fù)加權(quán)矩陣對其加權(quán)，在所述接收機裝置分離并估計所述不同的數(shù)據(jù)流，其特征在于，所述不同的數(shù)據(jù)流(x1，xG)被提供到所述發(fā)射天線元件的各個子組(6，7)，至少子組之一包括多個所述發(fā)射天線元件，每個所述子組至少包括Nd個發(fā)射天線元件，其中M大于或等于(N/Nd)，所述復(fù)加權(quán)矩陣(v1到vn)是所述數(shù)據(jù)流(x1到xG)的各個傳輸信道(hij)的函數(shù)，包括各個發(fā)射天線元件子組。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，Nd大于或等于2。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，計算每個所述復(fù)加權(quán)矩陣，實際等于對應(yīng)矩陣HHH最大本征值的本征向量，其中H是包括對應(yīng)數(shù)據(jù)流所經(jīng)歷的各個發(fā)射天線元件子組(6，7)的等效信道的矩陣，HH是矩陣H的Hermitian變換。
4.如任意前述權(quán)利要求所述的方法，其中，在操作期間可重新配置在各個所述子分組中的所述發(fā)射天線元件的數(shù)目。
5.一種用于執(zhí)行如任意前述權(quán)利要求所述的方法的發(fā)射機設(shè)備。
6.一種用于執(zhí)行如權(quán)利要求1-4中任意一項所述的方法的接收機設(shè)備。
全文摘要
一種在發(fā)射機(1)和接收機(3)之間的閉環(huán)多流無線通信方法，發(fā)射機包括具有N個發(fā)射天線元件的發(fā)射天線陣列，接收機包括具有M個接收天線元件的接收天線陣列(4)，其中從發(fā)射天線陣列發(fā)射多個不同數(shù)據(jù)流(x
文檔編號H04L25/03GK1650541SQ03809752
公開日2005年8月3日 申請日期2003年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月30日
發(fā)明者蘇德?！げ紶柸魻? 桑德林·維亞勒, 尼古拉斯·惠恩尼特 申請人:摩托羅拉公司