專利名稱：用于多輸入多輸出系統(tǒng)的發(fā)射方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種無線通信系統(tǒng)，特別涉及一種用于多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)的、基于天線選擇技術(shù)和二維波束形成技術(shù)兩者的MIMO發(fā)射方法。
背景技術(shù)：
在使用多個(gè)發(fā)射天線和多個(gè)接收天線發(fā)射/接收數(shù)據(jù)的MIMO通信系統(tǒng)中，由發(fā)射和接收天線形成的MIMO信道被分解成多個(gè)獨(dú)立空間信道。與傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)相比，多天線系統(tǒng)近來由于其預(yù)期的高數(shù)據(jù)速率和改善的系統(tǒng)性能而吸引了公眾的注意。然而，為了使用MIMO技術(shù)，需要針對MIMO信道以及發(fā)射和接收天線的特定假定。對于這些假定，假定在存在高級別散射和反射的多散射環(huán)境中使用MIMO信道，并且假定在發(fā)射和接收天線之間沒有相關(guān)。由于在多散射環(huán)境中使用MIMO信道，因此可以假定在不同天線之間形成的MIMO信道是相互獨(dú)立的衰減信道。然而，在實(shí)際的MIMO信道環(huán)境中，由于在天線之間存在相關(guān)，因此不能假定不存在獨(dú)立的信道。因此，MIMO技術(shù)在存在空間相關(guān)的實(shí)際信道環(huán)境中遭受性能降低。
為了改善具有空間相關(guān)的信道中MIMO系統(tǒng)的性能，發(fā)射器可以使用理想信道信息來應(yīng)用注水(water filling)技術(shù)。然而，在實(shí)際系統(tǒng)中，發(fā)射器幾乎不可能獲取時(shí)變(或精確)信道信息。由于對在發(fā)射器處使用信道信息的限制，已經(jīng)提出了用于僅僅采用部分信道信息來克服空間相關(guān)問題的MIMO技術(shù)。這些MIMO技術(shù)之一是二維波束形成技術(shù)，并且該技術(shù)組合空間-時(shí)間編碼(STC)技術(shù)和波束形成技術(shù)，其僅使用不同于時(shí)變信道信息的統(tǒng)計(jì)信道信息，即信道相關(guān)矩陣。
圖1是示出為了描述傳統(tǒng)的二維波束形成技術(shù)而給出的發(fā)射器的結(jié)構(gòu)的圖。該發(fā)射器包括空間-時(shí)間塊編碼(STBC)塊110和本征波束形成塊120。本征波束形成塊120包括功率加載(power loading)部分121和天線加權(quán)部分123。由于二維波束形成技術(shù)使用STBC代碼，因此它可以執(zhí)行簡單的解碼，并且僅用一個(gè)接收天線獲得空間分集增益。另外，與發(fā)射天線數(shù)的增加降低數(shù)據(jù)速率的STBC技術(shù)相比，即使發(fā)射天線數(shù)增加，二維波束形成技術(shù)也保持?jǐn)?shù)據(jù)速率。具有Nt個(gè)發(fā)射天線的二維波束形成技術(shù)可以簡單地以方程式(1)表達(dá)Z2-d=[Zc,2×2,02×(NT-2)]DfUhH---(1)]]>其中H表示矩陣的厄密共軛，并且Zc,2×2表示Alamouti(厄拉牟泰)代碼，其被公知為滿足數(shù)據(jù)速率1的STBC代碼。Alamouti代碼以下面方程式(2)的矩陣表示。另外，02×(NT-2)表示2×(NT-2)零矩陣，Df表示對其執(zhí)行功率加載的NT×NT對角矩陣，并且UhH表示通過信道相關(guān)矩陣上的本征分解而獲得的NT×NT本征向量矩陣。Df和UhH對應(yīng)于二維波束形成技術(shù)中的波束形成。
Zc,2×2=S1S2-S2*S1*---(2)]]>通過僅使用信道的相關(guān)矩陣信息來實(shí)現(xiàn)波束形成，并且該處理被設(shè)計(jì)成最小化碼元錯(cuò)誤率(SER)。按照最小SER設(shè)計(jì)的波束形成如上所述被劃分成功率加載部分和天線加權(quán)部分。用于天線加權(quán)的UhH可以如方程式(3)所示通過本征分解獲得信道相關(guān)矩陣Rhh。
Rhh=UhDhUhH]]>Dh=diag(λ1,···,λNT)]]>．．．．．．．．．．(3)其中Uh表示單位矩陣，并且λi表示Rhh的第i本征值，并且滿足λi≥0。通過下面方程式(4)計(jì)算對其執(zhí)行功率加載的Df的分量fi。
fi=[1+N02gEs(Σl=121λl-1λi)]+,i=1,2---(4)]]>其中[x]+＝max(x，0)，N0表示噪聲功率，Es表示信號功率，并且g表示根據(jù)每個(gè)調(diào)制方案而確定的常數(shù)項(xiàng)，并且對于M元正交幅度調(diào)制(M-QAM)為0.1。由于執(zhí)行二維波束形成，因此i＝3和4的功率加載分量f3和f4變成0(f3＝f4＝0)。
然而，在具有信道的低空間相關(guān)或高信噪比(SNR)的環(huán)境中，二維波束形成技術(shù)不能完全利用與使用中的天線數(shù)一樣多的信道。
使用部分信道信息的另一技術(shù)是發(fā)射天線選擇技術(shù)。發(fā)射天線選擇技術(shù)根據(jù)信道條件選擇發(fā)射天線，從而獲得分集增益。
圖2是傳統(tǒng)的使用STBC代碼的發(fā)射天線選擇技術(shù)的圖。該發(fā)射天線選擇技術(shù)是一種用于選擇多個(gè)發(fā)射天線213和接收天線223中的一些天線的技術(shù)，其類似于二維波束形成技術(shù)而在發(fā)射信號處理塊211處對發(fā)射信號進(jìn)行STBC編碼。當(dāng)選擇發(fā)射天線時(shí)，從發(fā)射信號處理塊211并行輸出的信號流通過交換裝置215被傳送到其相關(guān)的發(fā)射天線。所選天線數(shù)取決于使用哪種STBC代碼。如果使用在二維波束形成中使用的Alamouti代碼，則發(fā)射器必須選擇兩個(gè)天線。發(fā)射天線選擇技術(shù)根據(jù)天線選擇方法而被分類成兩種技術(shù)一種技術(shù)基于精確信道信息而選擇發(fā)射天線，而另一種技術(shù)僅使用統(tǒng)計(jì)信道信息來選擇發(fā)射天線。前者基于精確信道知識(ECK)信息，而后者基于統(tǒng)計(jì)信道知識(SCK)信息。
首先，將描述基于ECK的發(fā)射天線選擇技術(shù)。當(dāng)使用STBC代碼時(shí)，可以通過方程式(5)獲得接收的信噪比(SNR)。
γ=ESNTNO||H||F2---(5)]]>其中H表示MIMO系統(tǒng)的信道矩陣，并且‖·‖F(xiàn)表示Frobenious(甫洛本尼爾斯)范數(shù)。系統(tǒng)性能與接收SNR成正比。換句話說，接收SNR的增加將提高系統(tǒng)性能。如果在方程式(5)中假定信號功率和噪聲功率都是固定的，則僅基于‖H‖F(xiàn)2來確定接收SNR。因此，基于ECK的發(fā)射天線選擇技術(shù)簡單地通過最大‖H‖F(xiàn)2來選擇天線集。這相當(dāng)于從由各個(gè)發(fā)射天線形成的信道當(dāng)中選擇具有最高功率的信道。
接下來，將描述基于SCK的發(fā)射天線選擇技術(shù)。SCK技術(shù)是基于統(tǒng)計(jì)信道特征而提出的。假定發(fā)射器具有信道相關(guān)矩陣的知識，則通過下面方程式(6)確定具有NT個(gè)發(fā)射天線和NR個(gè)接收天線的MIMO系統(tǒng)的性能。
Pe(S(i)→S(j))≤γ-(NTNR)det(RR)NTdet(RT)NRdet(Ei,jEi,jH)NR---(6)]]>其中S(i)表示發(fā)射碼字，S(j)表示不同于發(fā)射碼字的隨機(jī)碼字，并且Pe(S(i)→S(j))表示對偶錯(cuò)誤概率。另外，Ei，j表示被定義為Ei，j＝S(i)-S(j)的誤差矩陣。RT和RR分別表示發(fā)射天線的信道相關(guān)矩陣和接收天線的信道相關(guān)矩陣，并且det(·)表示信道行列式。
從對偶錯(cuò)誤概率中注意到，必須最大化det(RT)和det(RR)，以便提高M(jìn)IMO系統(tǒng)的性能。這里，由于僅僅考慮發(fā)射天線的選擇，因此本描述將局限于最大化det(RT)的方法。結(jié)果，發(fā)射天線選擇可以僅采用統(tǒng)計(jì)信道特征最大化系統(tǒng)性能，并且必須確定最大化det(RT)的天線集。因此，基于SCK的發(fā)射天線選擇技術(shù)選擇具有最大det(RT)的天線集。在發(fā)射天線選擇技術(shù)中，發(fā)射器只需天線選擇信息而非完全信道信息。然而，該發(fā)射天線選擇技術(shù)不能避免由空間相關(guān)導(dǎo)致的性能降低，這是因?yàn)樗辉O(shè)計(jì)成沒有考慮空間相關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
提供了本發(fā)明，以便基本上解決至少上述問題和/或缺點(diǎn)。因此，本發(fā)明的目的是提供一種多輸入多輸出(MIMO)發(fā)射方法，用于通過使用精確信道知識(ECK)信息和統(tǒng)計(jì)信道知識(SCK)信息兩者來選擇天線而改善天線選擇增益。
本發(fā)明的另一目的是提供一種MIMO發(fā)射方法，其用于通過不僅根據(jù)ECK信息而且根據(jù)SCK信息來選擇發(fā)射天線而防止由空間相關(guān)導(dǎo)致的性能降低，并且改善系統(tǒng)性能。
本發(fā)明的另一目的是提供一種MIMO發(fā)射方法，用于考慮空間相關(guān)、通過MIMO信道的有效利用而改善系統(tǒng)性能。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)的信號發(fā)射方法。具有多個(gè)發(fā)射天線的發(fā)射器從具有至少一個(gè)接收天線的接收器接收天線選擇信息。發(fā)射器基于天線選擇信息而選擇至少兩個(gè)發(fā)射天線，采用加權(quán)矩陣對經(jīng)過空間-時(shí)間塊編碼(STBC)編碼的輸入信號進(jìn)行波束形成，并且通過所選發(fā)射天線發(fā)射經(jīng)過波束形成的信號。


根據(jù)下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它目的、特性和優(yōu)點(diǎn)將會變得更加清楚，其中圖1是示出為了描述傳統(tǒng)的二維波束形成技術(shù)而給出的發(fā)射器結(jié)構(gòu)圖；
圖2是傳統(tǒng)的使用STBC代碼的發(fā)射天線選擇技術(shù)的圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多輸入多輸出(MIMO)發(fā)射器結(jié)構(gòu)的圖；圖4是示出按照相對于空間相關(guān)的魯棒性，新穎的發(fā)射方法和傳統(tǒng)的發(fā)射方法之間的比較模擬結(jié)果的圖；圖5是示出按照關(guān)于信噪比(SNR)的碼元錯(cuò)誤率(SER)，新穎發(fā)射方法和傳統(tǒng)的基于二維波束形成技術(shù)的發(fā)射方法之間的比較模擬結(jié)果圖；以及圖6是示出按照關(guān)于SNR的SER，新穎發(fā)射方法和傳統(tǒng)的基于天線選擇技術(shù)的發(fā)射方法之間的比較模擬結(jié)果的圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的多輸入多輸出(MIMO)發(fā)射方法。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MIMO發(fā)射器的結(jié)構(gòu)的圖。在圖3中，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MIMO發(fā)射器包括調(diào)制器301，用于通過根據(jù)調(diào)制模式調(diào)制輸入信息位來生成碼元；空間-時(shí)間塊編碼(STBC)編碼器303，用于對從調(diào)制器301輸出的碼元進(jìn)行STBC編碼；以及二維波束形成器305，用于根據(jù)從接收器反饋的天線信道信息從多個(gè)發(fā)射天線當(dāng)中選擇兩個(gè)天線，并且對所選天線執(zhí)行二維波束形成。
為了方便起見，這里將假定發(fā)射器通過兩個(gè)發(fā)射天線發(fā)射信號，并且接收器通過一個(gè)接收天線接收信號。
使用從接收器反饋的信道信息實(shí)現(xiàn)天線選擇。MIMO發(fā)射器根據(jù)信道信息選擇第m天線和第n天線，并且使用下面方程式(7)得到與兩個(gè)所選天線相對應(yīng)的信道相關(guān)矩陣。
Rhhsel=E[hmhn[hm*hn*]]=1ρρ*1---(7)]]>其中ρ表示與兩個(gè)所選天線相對應(yīng)的信道間空間相關(guān)。通過方程式(7)的本征分解，可以得到方程式(8)的本征矩陣Λ和方程式(9)的本征向量矩陣Uhhsel。
Λ=1+|ρ|001-|ρ|---(8)]]>
Uhhsel=1211ρ*|ρ|-ρ*|ρ|---(9)]]>根據(jù)方程式(8)和(9)，可以得到方程式(10)所示的用于二維波束形成的加權(quán)矩陣T。
T=f1f1ρ|ρ|f2f2ρ|ρ|---(11)]]>其中f1=121+N0gEs2|ρ|1-|ρ|2]]>并且f2=121-N0gEs2|ρ|1-|ρ|2.]]>在接收器處接收使用發(fā)射矩陣通過二維波束形成而發(fā)射的信號，并且接收信號可以被表達(dá)為方程式(11)。接收信號是指輸入到STBC解碼器的信號。
r1r2=s1s2-s2*s1*hm′hn′+w1w2---(11)]]>其中，w1和w2表示高斯噪聲，并且hm′和hn′表示包括二維波束形成效應(yīng)的等效信道，并且可以被表達(dá)為方程式(12)。
hm′hn′=f1h1+f1ρ|ρ|hnf2h1-f2ρ|ρ|hn---(12)]]>通過采用STBC解碼器對方程式(11)的接收信號進(jìn)行解碼而獲得的信號的信噪比(SNR)由方程式(13)給出。
γ=Es2N0(|hm′|2+|hn′|2)---(13)]]>如對本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的，由于系統(tǒng)性能與接收信號的SNR成正比，因此必須最大化被表達(dá)為方程式(13)的SNR，以便提高二維波束形成性能。因此，當(dāng)給定發(fā)射信號功率和噪聲功率時(shí)，在最大化|hm′|2+|hn′|2時(shí)最大化方程式(13)的SNR。通過下面方程式(14)實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線的選擇。
|hm′|2+|hn′|2=[hmhn]max|hm|2+|hn|2+4N0gEs|ρ|1-|ρ|2(hmhn*+hm*hn)---(14)]]>可以通過選擇滿足方程式(14)的第m和第n天線來最大化SNR。
參考附圖，現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MIMO發(fā)射方法的性能模擬結(jié)果。
以在具有總共四個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)接收天線并且使用16QAM的系統(tǒng)中選擇兩個(gè)發(fā)射天線的方式執(zhí)行模擬。在模擬中，使用Rayleigh(瑞利)衰落信道作為信道模型，并且使用Paulraj(保羅讓)模型和HSDPA MIMO信道作為空間相關(guān)信道。要與根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的新穎系統(tǒng)相比較的傳統(tǒng)系統(tǒng)包括二維波束形成、ECK天線選擇、SCK天線選擇和準(zhǔn)STBC系統(tǒng)。
圖4是示出按照相對于空間相關(guān)的魯棒性，該新穎發(fā)射方法和傳統(tǒng)發(fā)射方法之間的比較模擬結(jié)果的圖；從圖4中可以注意到，該新穎發(fā)射方案在整個(gè)范圍內(nèi)，按照關(guān)于空間相關(guān)的碼元錯(cuò)誤率(SER)，具有低于傳統(tǒng)的基于二維波束形成技術(shù)和天線選擇技術(shù)的發(fā)射方案的SER。尤其在低空間相關(guān)區(qū)域內(nèi)，性能差別是顯著的。
圖5是示出按照關(guān)于SNR的SER，該新穎發(fā)射方法和傳統(tǒng)的基于二維波束形成技術(shù)的發(fā)射方法之間的比較模擬結(jié)果的圖。
對于該模擬，在HSDPA空間相關(guān)信道模型中使用角度擴(kuò)展60°模型。如圖5所示，與傳統(tǒng)的基于二維波束形成技術(shù)的發(fā)射方法相比，該新穎發(fā)射方案在10-4的碼元錯(cuò)誤率處顯示了最大5dB的SNR增益?？梢宰⒁獾?，性能差別在較高SNR處變大。這是因?yàn)樵诟逽NR區(qū)域內(nèi)，發(fā)射方案主要受到分集增益而非波束形成增益的影響。傳統(tǒng)的基于二維波束形成技術(shù)的發(fā)射方案只是通過STBC編碼而獲得分集增益，而該新穎發(fā)射方案可以獲得選擇分集增益以及二維波束形成增益。因此，性能增益差別在較高SNR處變大。
圖6是示出按照關(guān)于SNR的SER，該新穎發(fā)射方法和傳統(tǒng)的基于天線選擇技術(shù)的發(fā)射方法之間的比較模擬結(jié)果的圖。在該模擬中，在HSDPA空間相關(guān)信道模型中使用角度擴(kuò)展5°模型。如圖6所示，與傳統(tǒng)的基于天線選擇技術(shù)的發(fā)射方法相比，該新穎發(fā)射方案在10-2的SER處具有最大4dB的SNR增益，并且它在整個(gè)SNR范圍內(nèi)保持?？梢宰⒁獾?，與尤其是基于天線選擇技術(shù)中的SCK技術(shù)的傳統(tǒng)發(fā)射方案相比，該新穎發(fā)射方法具有較高的SNR增益。這是因?yàn)樵撔路f發(fā)射方法基于統(tǒng)計(jì)信道特征(即，SCK信息)和ECK信息而選擇信道。另外，由于該新穎發(fā)射方法使用能夠克服空間相關(guān)的二維波束形成來獲得波束形成增益，因此它在性能上優(yōu)于傳統(tǒng)的、不考慮空間相關(guān)的、基于天線選擇技術(shù)的發(fā)射方法。
從前面描述可以理解，不同于傳統(tǒng)的基于天線選擇技術(shù)的發(fā)射方法，該新穎MIMO發(fā)射方法考慮了ECK特征和SCK特征兩者。因此，該新穎MIMO發(fā)射方法考慮了在傳統(tǒng)的天線選擇技術(shù)中沒有考慮的空間相關(guān)，在具有空間相關(guān)的實(shí)際信道環(huán)境中展現(xiàn)了優(yōu)良的性能。
另外，針對二維波束形成技術(shù)而優(yōu)化的該新穎MIMO發(fā)射方法可以通過提高二維波束形成的利用而改善其性能。
而且，使用中的發(fā)射天線數(shù)的增加導(dǎo)致了所需射頻(RF)裝置數(shù)的增加。高價(jià)格RF裝置數(shù)的增加提高了生產(chǎn)成本。然而，由于即使提供了很多發(fā)射天線，該新穎發(fā)射方法在發(fā)射期間也僅僅使用兩個(gè)天線，因此它無需與天線總數(shù)一樣多的RF裝置。該新穎發(fā)射方法可以通過簡單地將RF裝置切換到所選天線而減少RF裝置的數(shù)量。
盡管已經(jīng)參照特定優(yōu)選實(shí)施例示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對其進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修改。
權(quán)利要求
1.一種用于多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)的信號發(fā)射方法，其中該通信系統(tǒng)包括具有多個(gè)發(fā)射天線的發(fā)射器和具有至少一個(gè)接收天線的接收器，該方法包括以下步驟從接收器處接收天線選擇信息；基于天線選擇信息選擇至少兩個(gè)發(fā)射天線；以及用加權(quán)矩陣對經(jīng)過空間-時(shí)間塊編碼(STBC)編碼的輸入信號進(jìn)行波束形成，并且通過所選發(fā)射天線發(fā)射經(jīng)過波束形成的信號。
2.如權(quán)利要求1所述的信號發(fā)射方法，其中基于發(fā)射天線的精確信道特征和統(tǒng)計(jì)信道特征而生成天線選擇信息。
3.如權(quán)利要求1所述的信號發(fā)射方法，其中基于發(fā)射天線之間的空間相關(guān)而生成天線選擇信息。
4.如權(quán)利要求1所述的信號發(fā)射方法，其中基于發(fā)射天線的精確信道特征和統(tǒng)計(jì)信道特征、以及發(fā)射天線之間的空間相關(guān)而生成天線選擇信息。
5.如權(quán)利要求1所述的信號發(fā)射方法，其中通過下面方程式計(jì)算天線選擇信息[hmhnmax]|hm′|2+|hn′|2=[hmhnmax]|hm|2+|hn|2+4N0gEs|ρ|1-|ρ|2(hmhn*+hm*hn)]]>其中hm′和hn′表示與包含二維波束形成效應(yīng)的第m和第n信道hm和hn等效的信道，N0表示接收信號的噪聲功率，Es表示接收信號的信號功率，g表示根據(jù)使用中的調(diào)制方案而確定的常量，并且ρ表示所選天線的信道間空間相關(guān)。
6.如權(quán)利要求5所述的信號發(fā)射方法，其中加權(quán)矩陣被表達(dá)為T=f1f1ρ|ρ|f2f2ρ|ρ|,]]>其中fi表示分配給第i信道的功率。
全文摘要
一種用于多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)的信號發(fā)射方法。具有多個(gè)發(fā)射天線的發(fā)射器從具有至少一個(gè)接收天線的接收器接收天線選擇信息。發(fā)射器基于天線選擇信息而選擇至少兩個(gè)發(fā)射天線，采用加權(quán)矩陣對經(jīng)過空間－時(shí)間塊編碼(STBC)編碼的輸入信號進(jìn)行波束形成，并且通過所選發(fā)射天線發(fā)射經(jīng)過波束形成的信號?；诎l(fā)射天線的精確信道特征和統(tǒng)計(jì)信道特征、以及發(fā)射天線之間的空間相關(guān)而生成天線選擇信息。
文檔編號H04B7/06GK1815918SQ200610007139
公開日2006年8月9日 申請日期2006年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月4日
發(fā)明者權(quán)種炯, 金應(yīng)善, 李鐘赫, 洪大植, 高恩錫 申請人:三星電子株式會社, 學(xué)校法人延世大學(xué)校