专利名称：一种多天线通信中发射信号的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种多天线通信中发射信号的方法及系统。
背景技术：
多输入多输出(MIMO，Muliti-Input Multi-Output)技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的服务质量(误比特率或数据速率)。而传统的通信系统是单进单出(Single-InputSingle-Output，SISO)系统。基于发射分集和接收分集的多进单出(Multiple-Input Single-Output，MI2SO)方式和单进多出(Single-InputMultiple-Output，SIMO)方式也是MIMO的一部分。
目前在MIMO技术中，使用Alamouti空时分组码传输信号，以获得分集增益。在Alamouti空时分组码技术中，同时使用两个发射天线，用图1所示的方式发射信号。在接收端可以使用一个或者多个接收天线。在发射端同时使用两个发射天线，对于接收端而言可以获得这两个发射天线的分集(diversity)增益。
空时编码(Space-Time Coding，STC)，简称为空时码。有一类空时码利用了MIMO信道提供的空间分集(Diversity)增益，在常用的BER-SNR曲线中，表现为能得到较陡的斜率。STC中根据编码方式的不同，又可以分为STTC(Space TimeTrellisCoding)空时网格码，ST Turbo Code(Space Time TurboCode)空时Turbo码，STBC(Space Time Block Coding)空时分组码，差分空时分组码(DSTBC)等等。Alamouti方案是STBC的一个简单而经典的例子。
空时码还可以用来利用空间复用获得更大的MIMO信道容量，比如Foschini提出的分层空时编码(Layered Space-Time Coding，LST)。
这里假设发射天线数目M＝2，接收天线数目N＝2，则接收端收到的信号可以表示为如下形式r=H·a+v=h11h12h21h22a1-a2*a2a1*+v11v12v21v22]]>这里的r，H和a的定义都是跨越2个符号周期的。即第一个符号周期，两个发射天线分别发射a1和a2，第二个周期则分别发射-a*2和a*1，而H的各个分量在2个符号周期内保持不变。Alamouti方案除了提供空间分集增益外，另一个引人之处在于它的解码非常简单，无需进行联合检测，可以对每一个符号分别进行最大似然估计。这里简单说明一下，设第j个接收天线上的接收信号为rj1＝hj1a1+hj2a2+v1rj2=-hj1a2*+hj2a1*+v2]]>根据最大似然估计的准则，需要使下式最小Σj=1N(|rj1-hj1a^1-hj2a^2|2+|rj2+hj1a^2*-hj2a^1*|2)]]>把其中各项展开合并同类项后，由于|rj1|2和|rj2|2与a1、a2的取值无关，所以可以转化为求取a使下式最小[-Σj=1N(rj1hj1*a^1*+rj1*hj1a^1+rj2hj2*a^1+rj2*hj2a^1*)+|a^1|2Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2)]+]]>[-Σj=1N(rj1hj2*a^2*+rj1*hj2a^2-rj2hj1*a^2-rj2*hj1a^2*)+|a^2|2Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2)]]]>不难看出，该式第一行仅与a1有关，第二行仅与a2有关，所以可以分别检测，这就使采用最大似然估计成为可能，进一步进行简化还可以得到a1、a2的判别式分别为a1使|[Σj=1N(rj1hj1*+rj2*hj2)]-a^1|2+(-1+Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2))|a^1|2]]>最小；a2使|[Σj=1N(rj1hj2*-rj2*hj1)]-a^2|2+(-1+Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2))|a^2|2]]>最小；这两个判别式与a1、a2的调制方式无关，所以可以采用不同方式的调制，如果是PSK调制，由于星座图上各点幅度值一样，则两个判别式的后一项可以进一步忽略，检测将更为简单。
检测到a1、a2后，也可以分别得到每个符号对应的信噪比SINRi=(Σj=1N(|hj1|2+|hj2|2))·(|ai|2/M)σ2]]>可以看出，得到a1、a2的方法实质上是一种硬判决。
同样的原理，容易看出，在接收天线数目N＝1的情况下，每个符号对应的信噪比SINRi=(|h11|2+|h12|2)·(|ai|2/M)σ2.]]>在现有技术中，有一种使用Alamouti空时分组码传输信号的方案，用于开环(Open Loop)MIMO系统中。该方案同时使用4个发射天线，而接收天线的数目可以是1，2或者4。该方案所使用的MIMO模式是A′=sisi+100-si+1*si*0000si+2si+300-si+3*si+2*]]>以上的矩阵有4行4列，该4列与4个发射天线对应，每1列对应1个不同的发射天线。以上矩阵的4行对应于在时间域上，或者在频率域上，或者在时间和频率域上的4个连续的点。
如果把发射天线编号为发射天线1，2，3，4。可以看到在该方案中，在发射天线1，2上发射两个符号(symbol)向量[sisi+1]和[-si+1*si*]，然后在发射天线3，4上发射两个符号向量[si+2si+3]和[-si+3*si+2*]。发射天线1，2上发射的两个符号(symbol)向量[sisi+1]和[-si+1*si*]组成一组Alamouti空时分组码，而发射天线3，4上发射的两个符号向量[si+2si+3]和[-si+3*si+2*]组成另一组Alamouti空时分组码。
上述方案中，Alamouti空时分组码通常用于开环(Open Loop)MIMO系统中。在开环(Open Loop)MIMO系统中，发射端只知道信道的长期统计特性，不知道当前时刻的信道情况，从而无法使用自适应调制和编码方案(Adaptive modulation and coding schemes)根据当前的信道情况选择较优的调制和信道编码方案(The modulation and channel coding scheme)，而只能使用固定的调制和信道编码方案。而当调制和信道编码方案固定下来以后，通常一个采用所述调制和信道编码方案的数据包(data block)在一个TTI(TransmissionTime Interval即传输时间间隔)内传输。因为信道情况的变化，各个数据包对应的信道情况不同，相应的接收端接收信噪比也不同，从而所传输的各个数据包的误包率也将随之变化。系统设计的目标是降低平均误包率，即多个数据包的误包率的均值。
在多个数据包的接收信噪比的均值相同的情况下，多个数据包的接收信噪比的方差越小即各个数据包的接收信噪比的波动越小，则多个数据包的误包率的均值越小。2003的会议”Information，Communications and Signal Processing”上的论文“On interference cancellation ordering of V-BLAST detectors“给出了支持这个结论的仿真结果。
3GPP的提案R1-030777，“Link Error Prediction for E-DCH”中也指出，在各帧(frame)的平均信噪比相同的情况下，和波动较大的信道相比，波动较小的信道有更好的误帧率性能。从而该提案指出，和快变信道相比，加性白高斯噪声(AWGN)信道和慢变信道有更好的误帧率性能。所述的误帧率，相当于我们讨论的误包率，而该提案中提到的帧(frame)，通常也是在一个TTI内传输，与本发明提到的数据包类似。
现有技术中，多个数据包的接收信噪比的波动较大，可以加以降低，使多个数据包的误包率的均值变小。
发明内容
本发明提供一种多天线通信中发射信号的方法，用以解决现有技术中存在的数据包接收信噪比的波动较大问题。
本发明方法包括一种多天线通信中发射信号的方法，在一个TTI中采用N个发射天线发射信号，包括在所述TTI中，采用至少3个不同的M个发射天线组合发射所述发射信号。
所述方法进一步包括A、在第一符号周期，选取M个发射天线的第一组合发射一组空时码；B、在随后第二符号周期，选取与第一符号周期所用组合不同的M个发射天线组合发射所述发射信号；C、重复步骤B至少一次，使得在所述TTI中，采用至少3个不同的M个发射天线组合发射所述发射信号。
所述TTI中，采用CNM个M个发射天线组合发射所述发射信号。
所述方法进一步包括A1、在第一符号周期，选取M个发射天线的第一组合发射一组alamouti空时分组码；B1、在随后的若干个符号周期，以M个天线的第一组合以外的CNM-1个发射天线组合分别发射多组alamouti空时分组码，直至所述第一CNM-1个发射天线组合遍历完毕，返回步骤A。
所述的发射天线N＝4，选取M＝2个发射天线进行组合。
所述步骤A中，所述符号周期，为频率域周期或者时间域周期。
所述的发射天线可以为物理发射天线，也可以为虚拟发射天线。
本发明系统包括一种多天线通信中发射信号的系统，包括多个发射天线，还包括第一发射天线组合选取单元，用于对发射天线组合进行选取，选取至少3个不同的M个发射天线组合，并由被选取的第一发射天线组合将第一信号发射出去。
所述的发射天线可以为物理发射天线，也可以为虚拟发射天线。
本发明有益效果如下本发明的方法，可以消除信道矩阵各项的排列改变所造成的有效信噪比的值的波动，从而减小各个数据包的有效信噪比的波动，取得更好的误包率性能。
另外，本发明方案，在一个TTI内的各个符号周期遍历所有的不同的各个发射天线组合，这样可以减少对其它用户的干扰，即减少闪光灯效应”flashlighteffect”。
图1为现有技术中使用两个发射天线发射Alamouti空时分组码的示意图；图2为本发明方案一的流程示意图；图3为本发明的系统结构示意图。
具体实施例方式
下面结合说明书附图来说明本发明的具体实施方式
。
根据前述现有技术一中记载可知，当在发射端使用多发射天线时，在一个TTI中相邻的两个符号周期内，由两个发射天线作为一组发射信号，发射一组Alamouti空时分组码。我们可以把发射一组Alamouti空时分组码的相邻的两个符号周期，称为一个Alamouti空时分组码周期，上述一个Alamouti空时分组码周期内的两个相邻的两个符号周期，可以是在时间域上相邻，或者也可以是在频率域上相邻。
这样，现有技术可以表述为，发射端使用多发射天线时，在一个Alamouti空时分组码周期，由两个发射天线作为一组发射信号；而在下一个Alamouti空时分组码周期内，以均不相同的另外两个发射天线再作为一组发射信号，这样，实际上做为一组发射信号的两个发射天线是固定不变的，本发明对上述方案有所改变。
当以N个天线作为发射天线进行信号发射时，每个Alamouti空时分组码周期内要使用一个M个发射天线的组合发送信号，这样总共有CNM个组合方式可以使用。本发明对这CNM个组合方式进行灵活运用。
如图2所示，包括如下步骤S11、在开始的一些Alamouti空时分组码周期，选取某一个M个天线的组合发射第一组alamouti空时分组码；在这些Alamouti空时分组码周期内，根据发射信号需求，选取某一个M个发射天线的组合，发射第一组alamouti空时分组码，该M个发射天线按照编号可以为(天线1......天线M)，M在一般的多天线发射方案中，可以取值为2。
上述Alamouti空时分组码周期，可以是时间域周期或者频率域周期。
S12、在随后的若干个Alamouti空时分组码周期内，以步骤S11中使用的该M个发射天线的第一组合以外的CNM-1个发射天线组合分别发射第一组alamouti空时分组码；步骤S12中，在上述N个发射天线的M个发射天线的组合中，去除步骤S11中组合方式，即去除编号为(发射天线1......发射天线M)的一个组合方式后任意一个M个发射天线的组合，该组合中使用的发射天线可以包括步骤S11中选取的编号为(发射天线1......发射天线M)的发射天线中的一个或者多个，但不能完全相同。
S13、遍历所有CNM-1个发射天线组合后，返回步骤S11。
与步骤S12相同处理，保证CNM-1个发射天线组合中的每一个组合都进行了信号发射。
通过步骤S11-S13，可以使得所有发射天线的CNM个组合都参与了发射，这样，可以消除有效信噪比的值的波动，从而减小各个数据包的有效信噪比的波动，取得更好的误包率性能。
另外，本发明方案，在一个TTI内的各个符号周期遍历所有的不同的各个发射天线组合，这样可以减少对其它用户的干扰，即减少闪光灯效应”flashlighteffect”。其原理如3GPP中的由某公司提交的提案R1-050912“MIMO proposalfor MIMO-WCDMA evaluation”所述。在该提案的单码字(SCW)模式中，在发射端有4个虚拟天线，而某一个TTI只使用其中的2个虚拟天线进行空间复用的情况下，该提案建议在一个TTI内的各个符号周期遍历所有的C42个不同的虚拟发射天线组合，以减少闪光灯效应”flashlight effect”，这与本发明的做法相同，从而本发明的做法，也可以达到减少闪光灯效应”flashlight effect”的效果。
本发明所指的发射天线，可以是物理天线，也可以是上述提案中所述的虚拟天线。
上述方案中，在N个天线中选取M个天线，共有CNM种组合方式。在开始的几个Alamouti空时分组码周期，使用这CNM种组合中的一种，从N个天线中选取M个天线发射信号。
上述Alamouti空时分组码周期的分配，可以按照平均分配的方式，也可以采取其他方式，比如假设有120个符号周期，以4个发射天线为例，使用其中2个发射天线组合发送空时分组码，则C42＝6种组合，那么可以设定20个Alamouti空时分组码周期使用第一种组合，接下来的20个Alamouti空时分组码周期使用第二种组合......。最优的情况就是120个Alamouti空时分组码周期中，6种组合都用到，而且每一种组合占用的Alamouti空时分组码周期相同。但是，如果只用其中的5种组合，也能获取增益。例如上述方案中有6种组合，使用的发射天线组合的依次是发射天线组合1、2、1、2、1、2、3、4、5，只是用了其中的5种组合，也达到了获取增益的效果。
下面以4个发射天线为例进行方案说明。
为描述方便，本发明对发射天线发射信号采用矩阵形式进行说明，本发明采用MIMO模式为
A′1=sisi+100-si+1*si*0000si+2si+300-si+3*si+2*si+400si+5-si+5*00si+4*0si+6si+700-si+7*si+6*00si+80si+90-si+9*0si+8*si+100si+110-si+11*0si+10*0]]>以上的矩阵有12行4列，该4列与4个发射天线对应，每1列对应1个不同的发射天线，依次编号为发射天线1、发射天线2、发射天线3和发射天线4。以上矩阵的行对应于在时间域上，或者在频率域上，或者在时间和频率域上的12个连续的点，两个连续的点组成一个Alamouti空时分组码周期，则这12个连续的点分别对应Alamouti空时分组码周期1、Alamouti空时分组码周期2......Alamouti空时分组码周期6。
上述方案中，在Alamouti空时分组码周期1，采用发射天线1和发射天线2的组合发送信号；在Alamouti空时分组码周期2，使用发射天线3和发射天线4的组合发送信号；在Alamouti空时分组码周期3，使用发射天线1和发射天线4的组合发送信号；在Alamouti空时分组码周期4使用发射天线2和发射天线3的组合发送信号；在Alamouti空时分组码周期5使用发射天线2和发射天线4的组合发送信号；在Alamouti空时分组码周期6使用发射天线1和发射天线3的组合发送信号。
上述方案中，假设接收天线数目N＝1的情况。则相应的信道矩阵H＝[h11h12h13h14]，简写为H＝[h1h2h3h4]。
当使用的MIMO模式是
A′=sisi+100-si+1*si*0000si+2si+300-si+3*si+2*]]>即Alamouti空时分组码周期1使用发射天线1和发射天线2的组合发射信号，接下来的Alamouti空时分组码周期2使用发射天线3和发射天线4的组合发送信号，然后重复这两个周期的发射天线组合方式发射信号，则这两种发射天线组合下，每个符号对应的信噪比为SINR12=(|h1|2+|h2|2)·(|a|2/2)σ2]]>SINR34=(|h3|2+|h4|2)·(|a|2/2)σ2]]>让β=(|a|2/2)σ2]]>表示常数，则上式可以简写为SINRa(1)＝SINR12＝β(|h1|2+|h2|2)SINRa(2)＝SINR34＝β(|h3|2+|h4|2)当使用的MIMO模式是A′1，Alamouti空时分组码周期1使用同一个发射天线组合，然后在下一个Alamouti空时分组码周期发射天线组合变化，依次使用的6种发射天线组合分别是发射天线1和发射天线2，发射天线3和发射天线4，发射天线1和发射天线4，发射天线2和发射天线3，发射天线2和发射天线4，发射天线1和发射天线3。则这6种天线组合下对应的接收信噪比分别为SINRb(1)＝SINR12＝β(|h1|2+|h2|2)SINRb(2)＝SINR13＝β(|h1|2+|h3|2)SINRb(3)＝SINR14＝β(|h1|2+|h4|2)SINRb(4)＝SINR23＝β(|h2|2+|h3|2)
SINRb(5)＝SINR24＝β(|h2|2+|h4|2)SINRb(6)＝SINR34＝β(|h3|2+|h4|2)假设一个数据包共有120个符号，则在MIMO模式A′下，60个符号的SINR是SINR12，其它60个符号的SINR是SINR34。而在MIMO模式A1′下，120个符号可以分成每组有20个符号的6组，各组内符号的SINR依次是SINRb(i)，i＝1，2，...，6。
在一个数据包内，各个符号的接收信噪比不一定相同，计算该数据包的误包率，需要考虑这个数据包的有效信噪比(effective SNIR)。3GPP的提案R1-050912，“MIMO proposal for MIMO-WCDMA evaluation“中给出了考虑到在一个数据包内的各个符号的接收信噪比的差异的情况下，计算有效信噪比的方法。所述的一个数据包内的各个符号的接收信噪比的差异，会影响turbo解码器的解码性能，计算有效信噪比的方法必须考虑到这一点。该提案中给出的一种计算有效信噪比的方法是使用凸面标尺(the convex metric)，使用凸面标尺，则某个数据包的有效信噪比γeff按照如下方式获得γeff=2γ‾-1Q,]]>其中的γ‾=1NΣn=1Nlog2(1+Q·γn),]]>在这里，γn是这个数据包内的每一个符号的接收信噪比，Q是惩罚因子(apenalty factor)，用来模拟因为非高斯调制(non-Gaussian modulation)、实际的编码率、信道估计误差和信道变化等因素而带来的不利影响。
根据上面的叙述，容易看到，当使用的MIMO模式是现有技术的时，一个数据包的有效信噪比γeff是γeff_0=2γ‾0-1Q,]]>其中的γ‾0=12Σn=12log2(1+Q·SINRa(i)),]]>而当使用的MIMO模式是本发明时，一个数据包的有效信噪比γeff是
γeff_1=2γ‾1-1Q,]]>其中的γ‾1=16Σn=16log2(1+Q·SINRb(i)).]]>我们仿真了50万个TTI内分别传输的50万个数据包，得到γeff_0(i)和γeff_1(i)，i＝1，2，...，5×105。仿真结果表明，γeff_0(i)和γeff_1(i)的均值的差别是0.8％，可以认为二者在误差范围内相等，而γeff_0(i)的方差比γeff_1(i)的方差大7％。多次仿真都证实了这个结论。
理论上也可以说明为什么γeff_0(i)的方差总是比γeff_1(i)的方差大。容易看出，如果交换信道矩阵H＝[h1h2h3h4]的各项，那么SINRa(1)和SINRa(2)的值都将会改变，从而γ0和有效信噪比γeff_0的值改变；但是，交换信道矩阵H＝[h1h2h3h4]的各项，得到的新的SINRb(i)(i＝1，2，...，6)的6个值，与交换信道矩阵各项前的6个值相比，只有排列顺序的改变，6个值本身没有任何改变，所以γ1和有效信噪比γeff_1的值不会改变。总而言之，方案一可以消除信道矩阵各项的排列改变所造成的有效信噪比的值的波动，从而减小各个数据包的有效信噪比的波动，取得更好的误包率性能。
如图3所示，是本发明多天线通信中发射信号的系统结构示意图，从图中可见，其包括多个发射天线，在上述基础上，增加第一发射天线组合选取单元101，用于对发射天线组合进行遍历选取，并由被选取的第一发射天线组合将第一信号发射出去；该系统中的发射天线，可以为物理发射天线，也可以为虚拟发射天线。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种多天线通信中发射信号的方法，在一个TTI中采用N个发射天线发射信号，其特征在于，包括在所述TTI中，采用至少3个不同的M个发射天线组合发射所述发射信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括A、在第一符号周期，选取M个发射天线的第一组合发射一组空时码；B、在随后第二符号周期，选取与第一符号周期所用组合不同的M个发射天线组合发射所述发射信号；C、重复步骤B至少一次，使得在所述TTI中，采用至少3个不同的M个发射天线组合发射所述发射信号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述TTI中，采用CNM个M个发射天线组合发射所述发射信号。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括A1、在第一符号周期，选取M个发射天线的第一组合发射一组alamouti空时分组码；B1、在随后的若干个符号周期，以M个天线的第一组合以外的CNM-1个发射天线组合分别发射多组alamouti空时分组码，直至所述第一CNM-1个发射天线组合遍历完毕，返回步骤A。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的发射天线N＝4，选取M＝2个发射天线进行组合。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，所述符号周期，为频率域周期或者时间域周期。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的发射天线可以为物理发射天线，也可以为虚拟发射天线。
8.一种多天线通信中发射信号的系统，包括多个发射天线，其特征在于，还包括第一发射天线组合选取单元，用于对发射天线组合进行选取，选取至少3个不同的M个发射天线组合，并由被选取的第一发射天线组合将第一信号发射出去。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述的发射天线可以为物理发射天线，也可以为虚拟发射天线。
全文摘要
本发明公开了一种多天线通信中发射信号的方法及系统。在一个TTI中采用N个发射天线发射信号，包括在所述TTI中，采用至少3个不同的M个发射天线组合发射所述发射信号。本发明还公开了一种多天线通信中发射信号的系统。本发明方案，可以消除信道矩阵各项的排列改变所造成的有效信噪比的值的波动，从而减小各个数据包的有效信噪比的波动，取得更好的误包率性能。
文档编号H04L1/00GK101043297SQ20061006779
公开日2007年9月26日 申请日期2006年3月20日 优先权日2006年3月20日
发明者杜颖刚, 朱胡飞, 李斌 申请人:华为技术有限公司