专利名称：统一发送结构下的单速率、多速率的多天线信号发射方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信系统中多发射多接收(MIMOMultiple Input MultipleOutput)天线技术领域，尤其涉及统一发送结构下的单速率、多速率的多天线信号发射方法。
背景技术：
在无线通信系统中，为越来越多的移动用户提供高速率数据和多媒体业务已经日益迫切，而基于多个发送与接收天线的MIMO技术现已证明是提供高速无线数据和多媒体业务的有潜力的方法。
如图1所示的是传统的Nt个发送天线Nr个接收天线的MIMO通信系统，经过前端的信道编码、交织和调制后，长为L的发送符号序列s＝{s1s2…sL}输入空时处理器，空时处理器输出Nt个长度为N的符号流v1，v2，…，vNt，分别经过Nt天线发射，其中，i∈[1，Nt]，N·Nt≥L。同时，根据信道反馈信息，虚框内的空时/空频处理单元可进行自适应选择，以适应系统的不同需求。
目前，发送端的空时/空频处理单元主要采用几种不同的空时处理模式并存的方式，比如，可以在正交空时分组码(O-STBC，速率R＝1/2，R＝3/4)，分层复用(V-BLAST，速率为发送天线数)，波束成型(Beamforming，速率R＝1)三种模式间切换，在接收端，对应三类发送模式，分别在对应的接收机算法间切换；也可以采用STBC，V-BLAST，混合STBC与V-BLAST三种模式，相应地，接收机根据选择的发送模式在三种接收机中切换。
上述基于不同发射模式切换的自适应发射机，可以实现不同速率之间的切换，但由于发射结构不统一，接收机需要同时配置几种不同的检测装置，增加了接收复杂度，限制了实际应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于统一发送结构的单速率的多天线信号发射方法以及一种基于统一发送结构的多速率的多天线信号发射方法，这样发送端的空时处理可用统一的发送矩阵表示，从而接收端可以用统一的置信传播检测器进行检测和接收，以实现多速率的自适应切换。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案 首先，提供一种统一发送结构下的单速率的多天线信号发射方法对于发送符号序列s，按照矩阵P定义的空时编码方式进行映射，从而得到编码后天线上的输出符号V，所述的矩阵P由零元素和非零无素组成，每行有q(q≥1)个非零元素ci，每行中所有非零元素满足总能量归一化约束 进一步地，所述的矩阵P的非零元素可以为1，此时每行仅有1个非零元素。
进一步地，所述的非零元素也可以是正实数αi，其中，0＜αi＜1，此时，矩阵P中每行非零元素个数大于1，假定个数为p，那么p个非零元素满足归一化条件 同时，本发明还提供一种统一发送结构下的多速率的多天线信号发射方法 在发送和接收端同时存储多个预先设计好的多速率矩阵集合{P1P2…PK}，根据信道反馈选择合适的矩阵Pi，i＝1…k，对于发送符号序列s，按照选定的矩阵Pi定义的空时编码方式进行映射，从而得到编码后天线上的输出符号V，所述的矩阵Pi由零元素和非零无素组成，每行有q(q≥1)个非零元素ci，每行中所有非零元素满足总能量归一化约束 进一步地，行数为Nt·N，列数为L的矩阵Pi，对应的多天线符号传输速率为 进一步地，所述矩阵Pi的非零元素可以是1或正实数αi。
本发明的优点是1)采用了多速率结构可以自适应信道状况，通过不同速率的切换实现吞吐量的最大化；2)统一的发送矩阵表示，使得接收端可以用统一的置信传播检测器进行检测和接收，可有效降低多速率MIMO系统的接收机复杂度。
图1是现有的多天线发射机的示意图； 图2是本发明的统一发送结构下的单速率的多天线信号发射方法示意图； 图3是本发明的统一发送结构下的多速率的多天线信号发射方法示意图； 图4是基于矩阵P1，调制后符号序列s对应的天线上符号映射关系； 图5是基于矩阵P2，调制后符号序列s对应的天线上符号映射关系； 图6是基于矩阵P3，调制后符号序列s对应的天线上符号映射关系； 图7是基于矩阵P4，调制后符号序列s对应的天线上符号映射关系； 图8分别给出采用上述4种速率及其自适应系统的吞吐量仿真曲线。
具体实施例方式 如图2所示，其中，s＝{s1s2…sL}是图(1)调制器的输出符号序列，长度为L。经过矩阵为P的空时编码，得到天线上的符号序列，…，序列vi是第i个天线上的发送符号序列，序列长度为N，序列vi中的元素vj(i)表示第i个天线在第j个时刻的发送符号。
基于图2，本发明的统一发送结构下的单速率的多天线信号发射方法如下对于发送符号序列s，按照矩阵P定义的空时编码方式进行映射，从而得到编码后天线上的输出符号V， V(Nt·N)×1＝P(Nt·N)×L·(sT)L×1。(1) 其中，向量v由v1，v2，…，vNt构成，如式(2)， 即，向量V的第(Nt·(i-1)+j)个元素对应第j个天线在第i个时刻的发送符号，其中，i∈[1，N]，j∈[1，Nt]。
其中，所述矩阵P由零元素和非零无素组成，每行有q(q≥1)个非零元素ci，每行中所有非零元素满足总能量归一化约束通常矩阵P的非零元素个数远远小于矩阵的维数，所以矩阵P实际上是一个稀疏矩阵。矩阵P的三个关键量行数、列数和矩阵中的元素取值。行数和列数的取值与多天线系统的符号传输速率直接相关。行数为Nt·N，列数为L的矩阵P，对应的多天线符号传输速率为矩阵P的元素最简单的可以是式(3)的形式，
式(3)中的空白处元素为0，(Nt·(i-1)+j，m)处的元素1表示符号sm在第j个天线的第i个时刻发射，即，其中，i∈[1，N]，j∈[1，Nt]，m∈[1，L]。矩阵P中非零元素为1时，每行仅有1个非零元素。非零元素也可以是正实数αi(0＜αi＜1)，此时，矩阵P中每行非零元素个数大于1， 假定个数为p，那么p个非零元素满足归一化条件 进一步地，本发明还提供一种统一发送结构下的多速率发射方法，其由上述单速率发射方法演变而来 矩阵P中非零元素取值和位置的不同可得到不同的空时符号映射方法，从而对应不同的多天线发射结构。同时，对固定的每天线发送符号个数N和发送天线数Nt，矩阵P列数L的取值不同，得到不同的空时传输速率。
在发送和接收端同时存储多个预先设计好的多速率矩阵集合{P1P2…PK}，根据信道反馈选择合适的矩阵Pi，i＝1…k，对于发送符号序列s，按照选定的矩阵Pi定义的空时编码方式进行映射，从而得到编码后天线上的输出符号V，所述的矩阵Pi由零元素和非零无素组成，每行有q(q≥1)个非零元素ci，每行中所有非零元素满足总能量归一化约束 从而就可以得到一个基于提出的发射结构的多速率闭环自适应系统。图3中矩阵集合{P1P2…PK)对应发射速率集合{R1R2…RK}(0＜R1＜R2＜…RK)。图3中符号意义同图2，不同的是，发送端存储的是一个矩阵集合，矩阵的行数和列数不同，从而构成了不同速率的多速率发射机。
选择一个特定的Pi则对应一个特定的发射速率，如非零元素取1，若L＝N，则相同的符号序列s同时在Nt个天线上发送，构成一个全分集的MIMO系统，符号发射速率R＝1；若L＝Nt·N/2，则是一个分集和复用相结合的系统，符号发射速率若L＝Nt·N，每个天线发送不同的符号序列，是一个全复用的MIMO系统，符号发射速率R＝Nt。
下面结合一下具体的案例详细说明本发明的工作过程，其中具体实施例的参数取值如表1 表1
对应表1中4种传输速率{R1R2R3R4)，矩阵集合{P1P2…PK}中元素矩阵设计形式如式(4)-(7)。
矩阵中坐标为(m，n)＝(4×(i-1)+k，mod(i+k-2,300)+1)，i∈[1，300]，k∈[1，4]的元素对于调制后符号序列s＝{s1s2…sL}，其对应的天线上符号映射关系如图4所示。
矩阵中坐标为(m，n)＝(4×(i-1)+k，mod(2i+k-3,600)+1)，i∈[1，600]，k∈[1，4]的元素对于调制后符号序列s＝{s1s2…sL}，其对应的天线上符号映射关系如图5所示。
k＝4-mod(i-1，4)时，矩阵中行坐标m＝4×(i-1)+k，列坐标n＝{mod(3i-5+L-1，L)+1，mod(3i-4+L-1，L)+1，mod(3i-3+L-1，L)+1}的元素k≠4-mod(i-1，4)且k∈[1，4]时，矩阵中3个行坐标m＝4×(i-1)+k，分别对应3个列坐标n＝{3i-2，3i-1，3i}的元素i∈[1，900]，L＝900。对于调制后符号序列s＝{s1s2…sL}，其对应的天线上符号映射关系如图6所示。
矩阵元素m∈[1，1200]，即P4为单位阵。对于调制后符号序列s＝{s1s2…sL}，其对应的天线上符号映射关系如图8所示。
图8分别给出采用上述4种速率及其自适应系统的吞吐量仿真曲线。除了表1中所列参数外，系统仿真所用其他参数如表2所示。仿真结果表明，设计的4种矩阵得到4种速率依次增加的传输方式(M1，M2，M3，M4)；自适应曲线吞吐量性能优于每一种速率的性能，表明，设计得到的多速率模式可以很好的应用于自适应系统。
表2
权利要求
1.一种统一发送结构下的单速率的多天线信号发射方法，其特征在于，对于发送符号序列s，按照矩阵P定义的空时编码方式进行映射，从而得到编码后天线上的输出符号v， 所述的矩阵P由零元素和非零无素组成，每行有q(q≥1)个非零元素ci，每行中所有非零元素满足总能量归一化约束
2.根据权利要求1所述的统一发送结构下的单速率的多天线信号发射方法，其特征在于，所述矩阵P的非零元素个数远远小于矩阵的维数。
3.根据权利要求1所述的统一发送结构下的单速率的多天线信号发射方法，其特征在于，所述的矩阵P为稀疏矩阵。
4.根据权利要求1所述的统一发送结构下的单速率的多天线信号发射方法，其特征在于，所述的矩阵P的非零元素可以为1，此时每行仅有1个非零元素。
5.根据权利要求1所述的统一发送结构下的单速率的多天线信号发射方法，其特征在，所述的非零元素也可以是正实数αi，其中，0＜αi＜1，此时，矩阵P中每行非零元素个数大于1， 假定个数为p，那么p个非零元素满足归一化条件
6.一种统一发送结构下的多速率的多天线信号发射方法，其特征在于，
在发送和接收端同时存储多个预先设计好的多速率矩阵集合{P1P2…PK}，根据信道反馈选择合适的矩阵Pi，i＝1…k，对于发送符号序列s，按照选定的矩阵Pi定义的空时编码方式进行映射，从而得到编码后天线上的输出符号V，所述的矩阵Pi由零元素和非零无素组成，每行有q(q≥1)个非零元素ci，每行中所有非零元素满足总能量归一化约束
7.根据权利要求6所述的统一发送结构下的多速率的多天线信号发射方法，其特征在于，行数为Nt·N，列数为L的矩阵Pi，对应的多天线符号传输速率为
8.根据权利要求6所述的统一发送结构下的多速率的多天线信号发射方法，其特征在于，所述矩阵Pi的非零元素可以是1或正实数αi。
全文摘要
本发明还提供一种统一发送结构下的多速率的多天线信号发射方法在发送和接收端同时存储多个预先设计好的多速率矩阵集合{P1P2…PK}，根据信道反馈选择合适的矩阵Pi，i＝1…k，对于发送符号序列s，按照选定的矩阵Pi定义的空时编码方式进行映射，从而得到编码后天线上的输出符号V，所述的矩阵Pi由零元素和非零无素组成，每行有q(q≥1)个非零元素ci，每行中所有非零元素满足总能量归一化约束∑‖ci‖2=1。本发明的优点是1)采用了多速率结构可以自适应信道状况，通过不同速率的切换实现吞吐量的最大化；2)统一的发送矩阵表示，使得接收端可以用统一的置信传播检测器进行检测和接收，可有效降低多速率MIMO系统的接收机复杂度。
文档编号H04B7/04GK101106406SQ20061002891
公开日2008年1月16日 申请日期2006年7月13日 优先权日2006年7月13日
发明者杨秀梅, 勇 熊, 凡 汪, 张小东 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所