專利名稱：一種多天線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法
技術領域：
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本發(fā)明涉及一種多天線通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸方法，屬于通信技術領域。
背景技術：
多天線技術(MIMO)可以簡單的定義為發(fā)射端和接收端都裝有多個天線的通信方式，它是 物理層無線通信技術的一個重要突破，該技術可以在不增加信道帶寬和發(fā)送功率的條件下成 倍的增加通信速率，被看作是解決未來通信速率瓶頸的主要技術之一。MIMO技術也被叫做空 時(Space-Time)技術，因為它把傳統(tǒng)的調(diào)制信號從一維的時域擴展到二維的時域和空域。由 于結(jié)合了空間維度，M頂0系統(tǒng)可以等效為若干個并行的傳統(tǒng)單天線(SISO)系統(tǒng)，這樣，就在 不增加信道帶寬的條件下增加了通信速率。然而，多天線系統(tǒng)的相干解調(diào)通常需要知道物理 層的信道信息，這就要求使用信道訓練序列，讓接收端能得到信道估計。在MAC的分時隙信 道預約過程中，通常是沒有信道信息的，所以MAC層的信道預約過程通常是獨立于信道估計 的，因而消耗了較多時間資源。
多天線(MIM0， Multiple Input Multiple Output)通信系統(tǒng)的物理層釆用了多天線技術， 其媒體接入控制(MAC, Medium Access Control)層可以利用物理層的特點。信道預約是媒體 接入控制層的接入技術，而信道估計是物理層的核心技術?，F(xiàn)有分時隙多天線傳輸系統(tǒng)，雖 然考慮到了媒體接入控制層和物理層的聯(lián)合設計，但是其信道傳輸時間資源預約并沒有為信 道估計提供幫助，而是在在信道預約結(jié)束后，預約成功的發(fā)射節(jié)點再發(fā)送信道估計序列來估 計信道。
現(xiàn)有已經(jīng)提出的一些分時隙多天線通信系統(tǒng)，信道預約、信道估計，如DandanWang，Uf Tureli的文獻(CROSS LAYER DESIGN FOR BROADBAND AD HOC NETWORK WITH MLMO-OFDM, Signal Processing Advances in Wireless Communications, 2005 IEEE 6th Worksh叩on 5-8 June 2005 Page(s):630-634)。其工作方式如圖1所示，工作方法為
1- 發(fā)射節(jié)點發(fā)射預約信號，進行信道預約；
2- 接收端檢測預約信號并做出應答；
3- 預約成功的發(fā)射節(jié)點發(fā)射信道估計序列；
4- 接收端接收信道估計序列進行信道估計；
5- 預約成功的發(fā)射節(jié)點發(fā)射數(shù)據(jù)；發(fā)明內(nèi)容-
本發(fā)明的目的是為多天線通信系統(tǒng)提供一種信道預約和信道估計的聯(lián)合實施方法，其過 程如圖2所示，在多天線系統(tǒng)中，利用一套不需要信道估計就可以檢測的碼矩陣，提供信道 預約，在信道預約成功以后也就同時檢測出了被發(fā)射的碼矩陣，再用檢測出的碼矩陣做信道
估計。接收節(jié)點采用多天線，發(fā)射節(jié)點可以是多天線也可以是單天線；當發(fā)射節(jié)點采用單天 線的時候，碼矩陣退化為一維碼向量。碼矩陣是不需要信道估計就可以被檢測的，比如正交
矩陣，典型的這類矩陣是酉空時調(diào)制(USTM, Unitary Space Time Modulation)矩陣，以及沃 爾什序列組成的矩陣，以及近似正交的矩陣，比如偽隨機序列等組成的矩陣，參見(Jonh G. Proakis，《Digital Communication^ ， The McGraw-Hill, 2001 ， Pages 726-794)。
本發(fā)明通過如下技術方案來實現(xiàn)上述目的 一種多天線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法，其步驟為
1) 發(fā)射節(jié)點在碼矩陣集合中隨機選擇一個碼矩陣，發(fā)送給接收端；
2) 接收端檢測出各個當前被發(fā)射的碼矩陣；
3) 接收端用其檢測到的碼矩陣做信道估計；
4) 接收端向發(fā)射節(jié)點廣播其成功檢測到的所有碼矩陣
5) 被廣播通知到的發(fā)射節(jié)點開始發(fā)送數(shù)據(jù)；6) 接收端接收所有當前發(fā)射節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并利用信道估計結(jié)果來檢測分離接收到的 數(shù)據(jù)，完成一次通信。
所述碼矩陣為無信道估計碼矩陣。 所述碼矩陣為正交矩陣或近似正交矩陣。
所述的方法中接收端采用無信道估計的信道分離檢測方法檢測被發(fā)射的碼矩陣。 所述信道分離檢測方法為相關法。
所述的方法中信道估計的方法為直接對接收信號的碼矩陣乘以發(fā)射碼矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。
所述接收端為多天線。
所述發(fā)射節(jié)點為單天線或多天線。
本發(fā)明的積極效果為
本發(fā)明采用不需要信道估計就可以檢測的碼矩陣，即無信道估計的碼矩陣，為多天線通 信系統(tǒng)做接入預約，然后把檢測出的碼矩陣作為信道訓練序列，做信道估計。這樣的碼矩陣 的典型例子是正交碼矩陣，碼矩陣的正交性能夠保證信道估計的運算簡單，避免了矩陣求逆 的運算量；直接對接收信號乘以碼矩陣的共軛轉(zhuǎn)置就可以得到信道估計；另外，碼矩陣的正 交性不會在運算過程中放大噪聲，有利于信道估計的準確性。


圖1傳統(tǒng)多天線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法； 圖2本發(fā)明的多天線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方法； 圖3相關法檢測信號存在性的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明采用一套無信道估計的碼矩陣，比如正交或近似正交的碼矩陣，來做信道預約和 信道估計，其過程如圖2所示。本發(fā)明分為如下幾個部分
1- 發(fā)射節(jié)點發(fā)射無信道估計的碼矩陣到接收端，進行信道預約；
2- 接收端用無信道估計的信號檢測技術，檢測出發(fā)射節(jié)點發(fā)送的碼矩陣；
3- 接收端用其檢測出來的碼矩陣做信道估計；
4- 接收端發(fā)送應答信號到發(fā)射節(jié)點；
5- 被廣播通知到的發(fā)射節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；
6 —接收端接收所有當前發(fā)射節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并利用信道估計結(jié)果來檢測分離接收到的 數(shù)據(jù)，完成一次通信。
舉例說明一次工作過程。 一、發(fā)射節(jié)點發(fā)射無信道估計的碼矩陣到接收端，進行信道預約；
每個發(fā)射節(jié)點采用兩根發(fā)射天線，那么碼矩陣是2行的矩陣。碼矩陣集合是由沃爾什序 列組成的酉空時矩陣，該矩陣集合是-
Al= 11 111111
1-l 1 -1 1-1 1 -l
A2= 11 -l -1 1 1-1-1
1-l -l1 1 -l -l 1
A3= 11 11 -1 -l -1 -1
—1 1 _1 一l 1 一l 1
A4= 1 1 -l -l -l -1 1 1
1 -l -l 1-1 1 1 -l
在這個例子中，碼矩陣集合共有4個矩陣元素，也就是有四個矩陣可供選擇，每個矩陣是2 行8列的；行數(shù)為2，對應一個發(fā)射端的兩根天線,列數(shù)為8，對應每個節(jié)點發(fā)射的碼矩陣要 持續(xù)8個時間單位。
每個發(fā)射節(jié)點從這四個碼矩陣中隨機選擇一個并發(fā)射給接收端，比如節(jié)點xl隨機選擇了 碼矩陣Al,而節(jié)點x2隨機選擇了碼矩陣A2，并各自把自己選擇的碼矩陣通過自己的2根天線 發(fā)送給接收端，作為預約。
然而，預約有可能失敗。當兩個或更多個發(fā)射節(jié)點同時選擇了同一個碼矩陣的時候，接 收端無法區(qū)分這多個發(fā)射節(jié)點，從而發(fā)生預約碰撞，預約失??；這種預約失敗的結(jié)果是這些 碰撞節(jié)點需要再次預約，增大了時間開銷。具體分析 一方面，碼矩陣集合越大，即可選用 的碼矩陣個數(shù)越多，這種預約碰撞發(fā)生的概率越小；另一方面，碼矩陣集合越大，碼矩陣在 時間維度的長度越大，消耗的時間資源也就越多。因此，實際應用的時候要考慮折中選擇。 如果實際發(fā)射節(jié)點很多，那么碼矩陣集合必須足夠大，才能保證預約碰撞概率足夠??；如果
發(fā)射節(jié)點不多，那么應該采用較小的碼矩陣集合。碼矩陣集合大小，也就是碼矩陣個數(shù)，這 個參數(shù)需要視具體情況作出最佳選擇。
二、 接收端用無信道估計的信號檢測技術，檢測出發(fā)射節(jié)點發(fā)送的碼矩陣； 接收端通過多天線耦合信道，收到這兩個發(fā)射節(jié)點發(fā)來的碼矩陣混合信號，并在沒有信
道信息的情況下來檢測出這兩個信號。相關法是一種廣泛采用的檢測信號的辦法，參見(Jonh G. Proakis，《Digital Communications》，The McGraw-Hill, 2001 ， Pages 726-794)中有描述。由 于上述碼矩陣集合中的四個碼矩陣是彼此正交的，所以可以用相關法來檢測。其方法如圖3 所示，檢測結(jié)果為Al和A2被發(fā)射。
三、 接收端用其檢測出來的碼矩陣做信道估計；
用H代表信道矩陣，A代表發(fā)射矩陣，N代表噪聲，R代表接收矩陣，那么RWXA+N。 接收端已經(jīng)檢測出A3和A4沒有被發(fā)射，Al和A2被發(fā)射；然后用Al的逆矩陣從右邊乘以R， 就獲得節(jié)點xl信道的估計；同理用A2的逆矩陣從右邊乘以R，就獲得節(jié)點2的信道的估計； 由于矩陣A1和A2的正交性，它的逆矩陣就是自身的轉(zhuǎn)置。這樣就避免了復雜的矩陣求逆運 算；另一方面，正交矩陣乘以R的運算過程不會放大噪聲N。
四、 接收端發(fā)送應答信號到發(fā)射節(jié)點；
五、 被廣播通知到的發(fā)射節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù);
六、 接收端接收所有當前發(fā)射節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并利用信道估計結(jié)果來檢測分離接收到的數(shù) 據(jù)，完成一次通信。利用多天線信道估計做數(shù)據(jù)解調(diào)方法有很多種，參見(Branka Vucetic JinhongYuan,《Space Time Coding》，2003 Wiley， Pages 80-194)。
七、 如果還有要傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點，那么重復以上過程。
還有節(jié)點要傳輸數(shù)據(jù)，可能有這幾個原因可能是因為本輪預約過程因為多個節(jié)點使用 了相同的碼矩陣，導致預約失敗，這些節(jié)點有數(shù)據(jù)要傳輸，卻沒能傳輸；也可能是因為信道 干擾太大，以至于接收端和發(fā)射節(jié)點之間的應答消息沒有成功被對方接收。
總結(jié)以上過程，發(fā)射節(jié)點在指定的碼矩陣集合中隨機選擇一個預約碼矩陣，然后發(fā)給接 收端，這樣的碼矩陣是不需要信道估計就可以被檢測的碼矩陣。正交或近似正交的碼矩陣是 典型的這類矩陣；可能會有多個節(jié)點在同一個預約時隙中做預約，那么正交碼矩陣能使接收 端檢測出各個發(fā)射節(jié)點而不至于混淆；這樣的碼矩陣集合有很多種，比如離散傅立葉變換矩 陣、沃爾什矩陣、偽隨機序列矩陣。接收端用信號檢測和信號分離方法，分離各個被發(fā)射的 碼矩陣；相關法就是一種典型的信號分離檢測方法。檢測出各個碼矩陣以后，把這些檢測出 來的碼矩陣當作已知的信息來利用，用來做多天線信道的信道估計，以便為隨后的數(shù)據(jù)傳輸 做好準備。如果碼矩陣是正交的，那么信道估計的一種簡便方法是直接對接收信號矩陣乘以 發(fā)射碼矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，就可以得到信道矩陣的估計；由于用來做信道估計的碼矩陣是正交 的，所以避免了矩陣求逆的大運算量，避免了計算過程引入的噪聲放大。最后，各個發(fā)射節(jié) 點的發(fā)射各自的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被多天線信道混合在一起，接收端接收到混合數(shù)據(jù)以后，利用估 計出來的信道信息可以分離這些數(shù)據(jù)，解調(diào)出每個發(fā)射節(jié)點各自的數(shù)據(jù)流，解調(diào)方法有很多 種，參見(BrankaVucetic Jinhong Yuan,《Space Time Coding》，2003 Wiley， Pages 80-194)。 這樣，在一個數(shù)據(jù)傳輸時隙里面?zhèn)鬏斄硕鄠€發(fā)射節(jié)點的數(shù)據(jù)，并且信道估計序列沒有單獨占 用額外的時間資源，最終的結(jié)果是提高了系統(tǒng)時間利用率。
權(quán)利要求
1.一種多天線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法，其步驟為1)發(fā)射節(jié)點在碼矩陣集合中隨機選擇一個碼矩陣，發(fā)送給接收端；2)接收端檢測出各個當前被發(fā)射的碼矩陣；3)接收端用檢測到的碼矩陣進行信道估計；4)接收端向發(fā)射節(jié)點廣播其成功檢測到的所有碼矩陣；5)被廣播通知到的發(fā)射節(jié)點開始發(fā)送數(shù)據(jù)；6)接收端接收所有當前發(fā)射節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并利用信道估計結(jié)果來檢測分離接收到的數(shù)據(jù)，完成一次通信。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述碼矩陣為無信道估計碼矩陣。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述碼矩陣為正交矩陣或近似正交矩陣。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于接收端采用無信道估計的信道分離檢測方法檢測被 發(fā)射的碼矩陣。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述信道分離檢測方法為相關法。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于信道估計的方法為直接對接收到的碼矩陣乘以發(fā)射 碼矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述接收端為多天線。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述發(fā)射節(jié)點為單天線或多天線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多天線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法，其方法為采用不需要信道估計就可以檢測的碼矩陣，為多天線通信系統(tǒng)做接入預約，然后利用檢測出的碼矩陣進行信道估計，最后各個發(fā)射節(jié)點的混合數(shù)據(jù)，在接收端可以用多天線信道來分離，這樣，在一個數(shù)據(jù)傳輸時隙里面?zhèn)鬏斄硕鄠€發(fā)射節(jié)點的數(shù)據(jù)。本發(fā)明其適用于節(jié)點數(shù)目眾多的無線網(wǎng)路，如射頻標簽識別(RFID，Radio Frequency Identification)和無線傳感器網(wǎng)絡(WSN，Wireless SensorNetworks)，具有信道預約和信道估計的聯(lián)合實施的特點，同時具有運算量小、沒有噪聲放大、系統(tǒng)時間利用率高等優(yōu)點。
文檔編號H04B7/04GK101364827SQ20071012001
公開日2009年2月11日 申請日期2007年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月7日
發(fā)明者趙玉萍, 郭宏博 申請人:北京大學