专利名称：用于多输入多输出系统的发射方法
技术领域：
本发明一般涉及一种无线通信系统，特别涉及一种用于多输入多输出(MIMO)系统的、基于天线选择技术和二维波束形成技术两者的MIMO发射方法。
背景技术：
在使用多个发射天线和多个接收天线发射/接收数据的MIMO通信系统中，由发射和接收天线形成的MIMO信道被分解成多个独立空间信道。与传统的单天线系统相比，多天线系统近来由于其预期的高数据速率和改善的系统性能而吸引了公众的注意。然而，为了使用MIMO技术，需要针对MIMO信道以及发射和接收天线的特定假定。对于这些假定，假定在存在高级别散射和反射的多散射环境中使用MIMO信道，并且假定在发射和接收天线之间没有相关。由于在多散射环境中使用MIMO信道，因此可以假定在不同天线之间形成的MIMO信道是相互独立的衰减信道。然而，在实际的MIMO信道环境中，由于在天线之间存在相关，因此不能假定不存在独立的信道。因此，MIMO技术在存在空间相关的实际信道环境中遭受性能降低。
为了改善具有空间相关的信道中MIMO系统的性能，发射器可以使用理想信道信息来应用注水(water filling)技术。然而，在实际系统中，发射器几乎不可能获取时变(或精确)信道信息。由于对在发射器处使用信道信息的限制，已经提出了用于仅仅采用部分信道信息来克服空间相关问题的MIMO技术。这些MIMO技术之一是二维波束形成技术，并且该技术组合空间-时间编码(STC)技术和波束形成技术，其仅使用不同于时变信道信息的统计信道信息，即信道相关矩阵。
图1是示出为了描述传统的二维波束形成技术而给出的发射器的结构的图。该发射器包括空间-时间块编码(STBC)块110和本征波束形成块120。本征波束形成块120包括功率加载(power loading)部分121和天线加权部分123。由于二维波束形成技术使用STBC代码，因此它可以执行简单的解码，并且仅用一个接收天线获得空间分集增益。另外，与发射天线数的增加降低数据速率的STBC技术相比，即使发射天线数增加，二维波束形成技术也保持数据速率。具有Nt个发射天线的二维波束形成技术可以简单地以方程式(1)表达Z2-d=[Zc,2×2,02×(NT-2)]DfUhH---(1)]]>其中H表示矩阵的厄密共轭，并且Zc,2×2表示Alamouti(厄拉牟泰)代码，其被公知为满足数据速率1的STBC代码。Alamouti代码以下面方程式(2)的矩阵表示。另外，02×(NT-2)表示2×(NT-2)零矩阵，Df表示对其执行功率加载的NT×NT对角矩阵，并且UhH表示通过信道相关矩阵上的本征分解而获得的NT×NT本征向量矩阵。Df和UhH对应于二维波束形成技术中的波束形成。
Zc,2×2=S1S2-S2*S1*---(2)]]>通过仅使用信道的相关矩阵信息来实现波束形成，并且该处理被设计成最小化码元错误率(SER)。按照最小SER设计的波束形成如上所述被划分成功率加载部分和天线加权部分。用于天线加权的UhH可以如方程式(3)所示通过本征分解获得信道相关矩阵Rhh。
Rhh=UhDhUhH]]>Dh=diag(λ1,···,λNT)]]>．．．．．．．．．．(3)其中Uh表示单位矩阵，并且λi表示Rhh的第i本征值，并且满足λi≥0。通过下面方程式(4)计算对其执行功率加载的Df的分量fi。
fi=[1+N02gEs(Σl=121λl-1λi)]+,i=1,2---(4)]]>其中[x]+＝max(x，0)，N0表示噪声功率，Es表示信号功率，并且g表示根据每个调制方案而确定的常数项，并且对于M元正交幅度调制(M-QAM)为0.1。由于执行二维波束形成，因此i＝3和4的功率加载分量f3和f4变成0(f3＝f4＝0)。
然而，在具有信道的低空间相关或高信噪比(SNR)的环境中，二维波束形成技术不能完全利用与使用中的天线数一样多的信道。
使用部分信道信息的另一技术是发射天线选择技术。发射天线选择技术根据信道条件选择发射天线，从而获得分集增益。
图2是传统的使用STBC代码的发射天线选择技术的图。该发射天线选择技术是一种用于选择多个发射天线213和接收天线223中的一些天线的技术，其类似于二维波束形成技术而在发射信号处理块211处对发射信号进行STBC编码。当选择发射天线时，从发射信号处理块211并行输出的信号流通过交换装置215被传送到其相关的发射天线。所选天线数取决于使用哪种STBC代码。如果使用在二维波束形成中使用的Alamouti代码，则发射器必须选择两个天线。发射天线选择技术根据天线选择方法而被分类成两种技术一种技术基于精确信道信息而选择发射天线，而另一种技术仅使用统计信道信息来选择发射天线。前者基于精确信道知识(ECK)信息，而后者基于统计信道知识(SCK)信息。
首先，将描述基于ECK的发射天线选择技术。当使用STBC代码时，可以通过方程式(5)获得接收的信噪比(SNR)。
γ=ESNTNO||H||F2---(5)]]>其中H表示MIMO系统的信道矩阵，并且‖·‖F表示Frobenious(甫洛本尼尔斯)范数。系统性能与接收SNR成正比。换句话说，接收SNR的增加将提高系统性能。如果在方程式(5)中假定信号功率和噪声功率都是固定的，则仅基于‖H‖F2来确定接收SNR。因此，基于ECK的发射天线选择技术简单地通过最大‖H‖F2来选择天线集。这相当于从由各个发射天线形成的信道当中选择具有最高功率的信道。
接下来，将描述基于SCK的发射天线选择技术。SCK技术是基于统计信道特征而提出的。假定发射器具有信道相关矩阵的知识，则通过下面方程式(6)确定具有NT个发射天线和NR个接收天线的MIMO系统的性能。
Pe(S(i)→S(j))≤γ-(NTNR)det(RR)NTdet(RT)NRdet(Ei,jEi,jH)NR---(6)]]>其中S(i)表示发射码字，S(j)表示不同于发射码字的随机码字，并且Pe(S(i)→S(j))表示对偶错误概率。另外，Ei，j表示被定义为Ei，j＝S(i)-S(j)的误差矩阵。RT和RR分别表示发射天线的信道相关矩阵和接收天线的信道相关矩阵，并且det(·)表示信道行列式。
从对偶错误概率中注意到，必须最大化det(RT)和det(RR)，以便提高MIMO系统的性能。这里，由于仅仅考虑发射天线的选择，因此本描述将局限于最大化det(RT)的方法。结果，发射天线选择可以仅采用统计信道特征最大化系统性能，并且必须确定最大化det(RT)的天线集。因此，基于SCK的发射天线选择技术选择具有最大det(RT)的天线集。在发射天线选择技术中，发射器只需天线选择信息而非完全信道信息。然而，该发射天线选择技术不能避免由空间相关导致的性能降低，这是因为它被设计成没有考虑空间相关。
发明内容
提供了本发明，以便基本上解决至少上述问题和/或缺点。因此，本发明的目的是提供一种多输入多输出(MIMO)发射方法，用于通过使用精确信道知识(ECK)信息和统计信道知识(SCK)信息两者来选择天线而改善天线选择增益。
本发明的另一目的是提供一种MIMO发射方法，其用于通过不仅根据ECK信息而且根据SCK信息来选择发射天线而防止由空间相关导致的性能降低，并且改善系统性能。
本发明的另一目的是提供一种MIMO发射方法，用于考虑空间相关、通过MIMO信道的有效利用而改善系统性能。
根据本发明的一方面，提供了一种用于多输入多输出(MIMO)通信系统的信号发射方法。具有多个发射天线的发射器从具有至少一个接收天线的接收器接收天线选择信息。发射器基于天线选择信息而选择至少两个发射天线，采用加权矩阵对经过空间-时间块编码(STBC)编码的输入信号进行波束形成，并且通过所选发射天线发射经过波束形成的信号。
根据下面结合附图的详细描述，本发明的上述和其它目的、特性和优点将会变得更加清楚，其中图1是示出为了描述传统的二维波束形成技术而给出的发射器结构图；
图2是传统的使用STBC代码的发射天线选择技术的图；图3是示出根据本发明实施例的多输入多输出(MIMO)发射器结构的图；图4是示出按照相对于空间相关的鲁棒性，新颖的发射方法和传统的发射方法之间的比较模拟结果的图；图5是示出按照关于信噪比(SNR)的码元错误率(SER)，新颖发射方法和传统的基于二维波束形成技术的发射方法之间的比较模拟结果图；以及图6是示出按照关于SNR的SER，新颖发射方法和传统的基于天线选择技术的发射方法之间的比较模拟结果的图。
具体实施例方式
现在将参照附图描述根据本发明示例性实施例的多输入多输出(MIMO)发射方法。
图3是示出根据本发明实施例的MIMO发射器的结构的图。在图3中，根据本发明实施例的MIMO发射器包括调制器301，用于通过根据调制模式调制输入信息位来生成码元；空间-时间块编码(STBC)编码器303，用于对从调制器301输出的码元进行STBC编码；以及二维波束形成器305，用于根据从接收器反馈的天线信道信息从多个发射天线当中选择两个天线，并且对所选天线执行二维波束形成。
为了方便起见，这里将假定发射器通过两个发射天线发射信号，并且接收器通过一个接收天线接收信号。
使用从接收器反馈的信道信息实现天线选择。MIMO发射器根据信道信息选择第m天线和第n天线，并且使用下面方程式(7)得到与两个所选天线相对应的信道相关矩阵。
Rhhsel=E[hmhn[hm*hn*]]=1ρρ*1---(7)]]>其中ρ表示与两个所选天线相对应的信道间空间相关。通过方程式(7)的本征分解，可以得到方程式(8)的本征矩阵Λ和方程式(9)的本征向量矩阵Uhhsel。
Λ=1+|ρ|001-|ρ|---(8)]]>
Uhhsel=1211ρ*|ρ|-ρ*|ρ|---(9)]]>根据方程式(8)和(9)，可以得到方程式(10)所示的用于二维波束形成的加权矩阵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.]]>在接收器处接收使用发射矩阵通过二维波束形成而发射的信号，并且接收信号可以被表达为方程式(11)。接收信号是指输入到STBC解码器的信号。
r1r2=s1s2-s2*s1*hm′hn′+w1w2---(11)]]>其中，w1和w2表示高斯噪声，并且hm′和hn′表示包括二维波束形成效应的等效信道，并且可以被表达为方程式(12)。
hm′hn′=f1h1+f1ρ|ρ|hnf2h1-f2ρ|ρ|hn---(12)]]>通过采用STBC解码器对方程式(11)的接收信号进行解码而获得的信号的信噪比(SNR)由方程式(13)给出。
γ=Es2N0(|hm′|2+|hn′|2)---(13)]]>如对本领域的技术人员所公知的，由于系统性能与接收信号的SNR成正比，因此必须最大化被表达为方程式(13)的SNR，以便提高二维波束形成性能。因此，当给定发射信号功率和噪声功率时，在最大化|hm′|2+|hn′|2时最大化方程式(13)的SNR。通过下面方程式(14)实现发射天线的选择。
|hm′|2+|hn′|2=[hmhn]max|hm|2+|hn|2+4N0gEs|ρ|1-|ρ|2(hmhn*+hm*hn)---(14)]]>可以通过选择满足方程式(14)的第m和第n天线来最大化SNR。
参考附图，现在将描述根据本发明实施例的MIMO发射方法的性能模拟结果。
以在具有总共四个发射天线和一个接收天线并且使用16QAM的系统中选择两个发射天线的方式执行模拟。在模拟中，使用Rayleigh(瑞利)衰落信道作为信道模型，并且使用Paulraj(保罗让)模型和HSDPA MIMO信道作为空间相关信道。要与根据本发明实施例的新颖系统相比较的传统系统包括二维波束形成、ECK天线选择、SCK天线选择和准STBC系统。
图4是示出按照相对于空间相关的鲁棒性，该新颖发射方法和传统发射方法之间的比较模拟结果的图；从图4中可以注意到，该新颖发射方案在整个范围内，按照关于空间相关的码元错误率(SER)，具有低于传统的基于二维波束形成技术和天线选择技术的发射方案的SER。尤其在低空间相关区域内，性能差别是显著的。
图5是示出按照关于SNR的SER，该新颖发射方法和传统的基于二维波束形成技术的发射方法之间的比较模拟结果的图。
对于该模拟，在HSDPA空间相关信道模型中使用角度扩展60°模型。如图5所示，与传统的基于二维波束形成技术的发射方法相比，该新颖发射方案在10-4的码元错误率处显示了最大5dB的SNR增益。可以注意到，性能差别在较高SNR处变大。这是因为在高SNR区域内，发射方案主要受到分集增益而非波束形成增益的影响。传统的基于二维波束形成技术的发射方案只是通过STBC编码而获得分集增益，而该新颖发射方案可以获得选择分集增益以及二维波束形成增益。因此，性能增益差别在较高SNR处变大。
图6是示出按照关于SNR的SER，该新颖发射方法和传统的基于天线选择技术的发射方法之间的比较模拟结果的图。在该模拟中，在HSDPA空间相关信道模型中使用角度扩展5°模型。如图6所示，与传统的基于天线选择技术的发射方法相比，该新颖发射方案在10-2的SER处具有最大4dB的SNR增益，并且它在整个SNR范围内保持。可以注意到，与尤其是基于天线选择技术中的SCK技术的传统发射方案相比，该新颖发射方法具有较高的SNR增益。这是因为该新颖发射方法基于统计信道特征(即，SCK信息)和ECK信息而选择信道。另外，由于该新颖发射方法使用能够克服空间相关的二维波束形成来获得波束形成增益，因此它在性能上优于传统的、不考虑空间相关的、基于天线选择技术的发射方法。
从前面描述可以理解，不同于传统的基于天线选择技术的发射方法，该新颖MIMO发射方法考虑了ECK特征和SCK特征两者。因此，该新颖MIMO发射方法考虑了在传统的天线选择技术中没有考虑的空间相关，在具有空间相关的实际信道环境中展现了优良的性能。
另外，针对二维波束形成技术而优化的该新颖MIMO发射方法可以通过提高二维波束形成的利用而改善其性能。
而且，使用中的发射天线数的增加导致了所需射频(RF)装置数的增加。高价格RF装置数的增加提高了生产成本。然而，由于即使提供了很多发射天线，该新颖发射方法在发射期间也仅仅使用两个天线，因此它无需与天线总数一样多的RF装置。该新颖发射方法可以通过简单地将RF装置切换到所选天线而减少RF装置的数量。
尽管已经参照特定优选实施例示出和描述了本发明，但本领域的技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种修改。
权利要求
1.一种用于多输入多输出(MIMO)通信系统的信号发射方法，其中该通信系统包括具有多个发射天线的发射器和具有至少一个接收天线的接收器，该方法包括以下步骤从接收器处接收天线选择信息；基于天线选择信息选择至少两个发射天线；以及用加权矩阵对经过空间-时间块编码(STBC)编码的输入信号进行波束形成，并且通过所选发射天线发射经过波束形成的信号。
2.如权利要求1所述的信号发射方法，其中基于发射天线的精确信道特征和统计信道特征而生成天线选择信息。
3.如权利要求1所述的信号发射方法，其中基于发射天线之间的空间相关而生成天线选择信息。
4.如权利要求1所述的信号发射方法，其中基于发射天线的精确信道特征和统计信道特征、以及发射天线之间的空间相关而生成天线选择信息。
5.如权利要求1所述的信号发射方法，其中通过下面方程式计算天线选择信息[hmhnmax]|hm′|2+|hn′|2=[hmhnmax]|hm|2+|hn|2+4N0gEs|ρ|1-|ρ|2(hmhn*+hm*hn)]]>其中hm′和hn′表示与包含二维波束形成效应的第m和第n信道hm和hn等效的信道，N0表示接收信号的噪声功率，Es表示接收信号的信号功率，g表示根据使用中的调制方案而确定的常量，并且ρ表示所选天线的信道间空间相关。
6.如权利要求5所述的信号发射方法，其中加权矩阵被表达为T=f1f1ρ|ρ|f2f2ρ|ρ|,]]>其中fi表示分配给第i信道的功率。
全文摘要
一种用于多输入多输出(MIMO)通信系统的信号发射方法。具有多个发射天线的发射器从具有至少一个接收天线的接收器接收天线选择信息。发射器基于天线选择信息而选择至少两个发射天线，采用加权矩阵对经过空间－时间块编码(STBC)编码的输入信号进行波束形成，并且通过所选发射天线发射经过波束形成的信号。基于发射天线的精确信道特征和统计信道特征、以及发射天线之间的空间相关而生成天线选择信息。
文档编号H04B7/06GK1815918SQ200610007139
公开日2006年8月9日 申请日期2006年2月5日 优先权日2005年2月4日
发明者权种炯, 金应善, 李钟赫, 洪大植, 高恩锡 申请人:三星电子株式会社, 学校法人延世大学校