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，MISO)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)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)，ST Turbo Code(Space Time Turbo Code)，STBC(Space Time Block Coding)，差分STBC(DSTBC)等等。Alamouti方案是STBC的一个简单而经典的例子。
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+v1ri2=-hi1a2*+hi2a1*+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。
上述现有技术方案中，每一个发射天线都是在一个时刻的功率是P，而在下一个时刻的功率变成0，功率的变化范围比较大，这样对发射天线所使用的功率放大器的动态范围要求比较高，同时对其它用户的干扰也比较大。
发明内容
本发明提供一种，用以解决现有技术中存在的发射天线功率的变化范围较大的问题。
本发明方法包括一种多天线通信中发射信号的方法，发射端通过发射天线发送Alamouti空时分组码，包括发射端将发射信号经预编码矩阵进行预编码变换，并将变换后的结果经发射天线发射到接收端。
所述Alamouti空时分组码，为在一个符号周期发射两个符号，每个符号周期将所述两个符号经预编码矩阵进行预编码变换。
所述发射端将发射信号经预编码矩阵进行预编码后，每个物理天线所发射信号为所述两个符号各乘一个复常数，再相加所得的结果。
所述的两个复常数的相位差取固定值。
所述的固定值，是 或者 所述Alamouti空时分组码，为在一个符号周期发射两个符号，所述两个符号的调制方式可以相同或者不同。
所述的两个符号，第二个符号所使用的调制方式，是把第一个符号所使用的调制方式的星座图旋转一个固定角度后得到的调制方式。
所述的固定角度，是 或者 所述的预编码矩阵为正交矩阵。
所述的预编码矩阵为4×4的离散傅里叶变换矩阵。
本发明系统包括一种多天线通信中发射信号的系统，包括设置有发射天线的发射端，和设置有接收天线的接收端，所述发射端通过发射天线发送Alamouti空时分组码，所述发射端还设置有
预编码单元，用于对发射信号进行预编码变换，并将变换后的调制数据经发射天线发射到接收端。
本发明将预编码技术应用到使用Alamouti空时分组码传输信号的MIMO系统中，使得每一个发射天线功率的变化范围尽可能的小，这样对发射天线所使用的功率放大器的动态范围要求比较小，同时对其它用户的干扰也比较小。
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
。
现有技术中，每一个发射天线都是在一个时刻的功率是P，而在下一个时刻的功率变成0，功率的变化范围比较大，这样对发射天线所使用的功率放大器的动态范围要求比较高，同时对其它用户的干扰也比较大。
本发明通过使用预编码(precoding)技术应用到使用Alamouti空时分组码传输信号的MIMO系统中，使得每一个发射天线功率的变化范围尽可能的小，这样对发射天线所使用的功率放大器的动态范围要求比较小，同时对其它用户的干扰也比较小。
本发明在发射端将发射信号经预编码矩阵进行预编码变换，将所述发射信号与预编码矩阵相乘后，获取结果向量值，并将变换后的结果向量的各项分别经过各个发射天线发射到接收端。
本发明方案中的预编码矩阵U，为正交矩阵，现在常用的有DFT矩阵即离散傅里叶变换矩阵。4×4的DFT矩阵为
DFT=11111-1i-1+1i1-11-11+1i-1-1i,]]>通常取U=12DFT,]]>我们使用如下MIMO模式A′1=sisi+100-si+1*si*00si+20si+30-si+3*0si+2*0si+400si+5-si+5*00si+4*0si+6si+700-si+7*si+6*00si+80si+90-si+9*0si+8*00si+10si+1100-si+11*si+10*]]>使用预编码矩阵U后，接收信号、发射信号与信道的关系表示如下r=(H·U)*x=H~*x]]>其中x＝(A′1)T，这里T表示矩阵的转置。
假设U=u11u12u13u14u21u22u23u24u31u32u33u34u41u42u43u44]]>假设在A′1中使用天线1和3发射信号，则传输的符号如下s00s10-s1*0s0*0T=s0-s1*00s1s0*00.]]>此时的U*x，即各个物理天线发射的信号如下
u11u13u21u23u31u33u41u43s0-s1*s1s0*---(2)]]>设各个物理天线在符号0的时刻发射的信号为ti，i＝1，2，3，4表示不同的物理天线，而各个物理天线在符号1的时刻发射的信号为yi，i＝1，2，3，4，则有ti＝ui1s0+ui3s1，而yi=ui1(-s1*)+ui3s0*.]]>上述矩阵的各行的各项绝对值平方和仍然相同，即各个|ui1|2+|ui3|2都相同。每一个时刻，ti的能量为titi*=(ui1s0+ui3s1)(ui1s0+ui3s1)*=|ui1|2|s0|2+|ui3|2|s1|2+ui1s0(ui3s1)*+(ui1s0)*ui3s1]]>=|ui1|2|s0|2+|ui3|2|s1|2+ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1]]>yiyi*=(-ui1s1*+ui3s0*)(-ui1s1*+ui3s0*)*=|ui1|2|s1|2+|ui3|2|s0|2+ui1s1*(ui3s0*)*+(ui1s1*)*ui3s0*]]>=|ui1|2|s1|2+|ui3|2|s0|2+ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1]]>在使用Alamouti空时分组码传输信号时，最常用的调制方式是QPSK，此时可以把发射信号简写为si=exp(jkiπ2),]]>而ki＝0，1，2，3。此时，本发明方案的目标是让各个物理天线的发射功率在不同时刻的波动尽可能小。
这里需要注意|si|2＝1，同时|ui1|＝|ui3|＝1/2得到ui1=12exp(jθi1),]]>ui3=12exp(jθi3).]]>容易看到在调制方式QPSK的情况下，为了保证titi*-yiyi*最小，则只需要保证最小化ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1-(-ui1ui3*s0s1*-ui1*ui3s0*s1)即可，它就是2(ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1)=4*Re{ui1ui3*s0s1*}=]]>Re{exp(j(θi1-θi3))·exp(j(k0-k1)π2)}=Re{exp(j((θi1-θi3)+(k0-k1)π2))}]]>如果θi1-θi3=π4,3π4,5π4]]>或者 则保证上面总是±(1/2)sqrt(2)最小，否则会在±1之间波动。titi*=|ui1|2|s0|2+|ui3|2|s1|2+ui1ui3*s0s1*+ui1*ui3s0*s1,]]>而前面的|ui1|2|s0|2+|ui3|2|s1|2≡14(|s0|2+|s1|2)=12,]]>这就相当于后面的变量在±(1/4)sqrt(2)之间波动，所以整个titi*在±(1/4)sqrt(2)之间波动。
为了保证θi1-θi3=π4,3π4,5π4]]>或者 使得发射信号的功率的波动最小，则需要对U做变换(注意U=12DFT]]>)，U=u11u12u13u14u21u22u23u24u31u32u33u34u41u42u43u44]]>Δ=diag[ejθ1,ejθ2...ejθMt]]]>W=U·Δ=u11ejθ1u12ejθ2u13ejθ3u14ejθ4u21ejθ1u22ejθ2u23ejθ3u24ejθ4u31ejθ1u32ejθ2u33ejθ3u34ejθ4u41ejθ1u42ejθ2u43ejθ3u44ejθ4]]>只要保证θ1-θ3=π4,3π4,5π4]]>或者 即可。
把本发明的预编码方案与原方案A′整合非常简单，W=U·Δ=u11u12ejπ4u13u14ejπ4u21u22ejπ4u23u24ejπ4u31u32ejπ4u33u34ejπ4u41u42ejπ4u43u44ejπ4]]>就可以满足我们的要求。
如果采用如下MIMO模式
B1′=sisi+1titi+1-si+1*si*-ti+1*ti*si+2ti+2si+3ti+3-si+3*-ti+3*si+2*ti+2*si+4ti+4ti+5si+5-si+5*ti+5*-ti+4*si+4*ti+6si+7si+6ti+7-ti+7*si+6*-si+7*ti+6*ti+8ti+9si+8si+9-ti+9*ti+8*-si+9*si+8*ti+10si+10ti+11si+11-ti+11*-si+11*ti+10*si+10*]]>则稍微复杂一些，这里W=U·Δ=u11u12ejπ4u13u14ejπ4u21u22ejπ4u23u24ejπ4u31u32ejπ4u33u34ejπ4u41u42ejπ4u43u44ejπ4]]>可以用于B1′中使用序号相邻的两个天线的场合，即使用3种天线组合12，23，34的场合，而W=U·Δ=u11u12u13ejπ4u14ejπ4u21u22u23ejπ4u24ejπ4u31u32u33ejπ4u34ejπ4u41u42u43ejπ4u44ejπ4]]>使用序号不相邻的两个天线的场合即使用3种天线组合发射天线1和3，发射天线2和4以及发射天线1和4组合的场合。实质就是所使用的两列的相位差是 或者 实际实现的时候，可以是r＝(H·W)*x＝(H·U·Δ)*x＝H·U·(Δ*x)这里的(Δ*x)表示对各个发射信号分别做相位调整，而所使用的U不变。
上述说明中titi*+yiyi*是常数，也就是两个符号的功率和不变，从而各个物理天线上一个TTI内的平均功率(各个符号的功率的均值)也保持不变。
而在使用方形的16QAM或64QAM的情况下，实质也是所使用的两列的相位差是 或者 各个物理天线的发射功率的波动最小，仿真的结果已经证明了这一点。原理与先前的分析类似，也是要使得4*Re{ui1ui3*s0s1*}的最大值尽可能的小。4*Re{ui1ui3*s0s1*}取最大值的时候，s0和s1的模必然取最大值。而对于使用方形的16QAM或64QAM的情况，s0和s1的模取最大值的时候，其角度必然是 或者 从而4*Re{ui1ui3*s0s1*}=Re{exp(j(θi1))·(exp(j(θi3)))*·exp(j(k1π2+π4))·(exp(j(k0π2+π4)))*}]]>=Re{exp(j((θi1-θi3)+(k0-k1)π2))}]]>从而如果θi1-θi3=π4,3π4,5π4]]>或者 则保证上面总是±(1/2)sqrt(2)最小。
针对16QAM和64QAM，因为星座图上各个符号不是等功率的，各个时刻之间必然有功率的偏差，这是不可避免的。但功率的偏差在各个发射天线上的分布相同即可，甚至分布不同，但保证在各个时刻的偏差的范围内，也可以。
由此可见本发明将预编码技术应用到使用Alamouti空时分组码传输信号的MIMO系统中，使得每一个发射天线功率的变化范围尽可能的小，这样对发射天线所使用的功率放大器的动态范围要求比较小，同时对其它用户的干扰也比较小。
本发明方案中，预编码矩阵U，可以是任意的正交矩阵，比如除了用DFT矩阵以外，还可以使用哈达马(Hadamard)矩阵。4×4的哈达马矩阵为Hadamard=11111-11-111-1-11-1-11;]]>
通常取U=12Hadamard,]]>容易看到，在Alamouti空时分组码传输信号，如果使用在标准中最常用的调制方式，如QPSK，方形的16QAM或方形的64QAM的情况，那么实质也是所使用的两列的相位差是 或者 各个物理天线的发射功率的波动最小。
把本发明的预编码方案与原方案A′整合，方法也是W=U·Δ=u11u12ejπ4u13u14ejπ4u21u22ejπ4u23u24ejπ4u31u32ejπ4u33u34ejπ4u41u42ejπ4u43u44ejπ4.]]>如果与B1′中交替的方案整合，稍微复杂一些，为W=U·Δ=u11u12ejπ4u13u14ejπ4u21u22ejπ4u23u24ejπ4u31u32ejπ4u33u34ejπ4u41u42ejπ4u43u44ejπ4]]>可以用于A′1中使用序号相邻的两个天线的场合，即使用3种发射天线组合发射天线1、2，发射天线2、3，发射天线3、4的场合。而W=U·Δ=u11u12u13ejπ4u14ejπ4u21u22u23ejπ4u24ejπ4u31u32u33ejπ4u34ejπ4u41u42u43ejπ4u44ejπ4]]>使用序号不相邻的两个天线的场合即使用3种天线组合13，24，14的场合，实质就是所使用的两列的相位差是 或者 实际实现的时候，可以是r＝(H·W)*x＝(H·U·Δ)*x＝H·U·(Δ*x)
这里的(Δ*x)表示对各个发射信号分别做相位调整，而所使用的U不变。这就等效于x里面的同一个符号周期的两个符号中，第二个符号所使用的调制方式，是把第一个符号使用的调制方式在星座图旋转一个固定的角度后，所得到的调制方式。
接收端和发射端约定好Δ的变化方式，也就是说接收端预先知道当前的符号周期的Δ的取值，很容易通过相应的处理，正确检测x。比如，得到y＝Δ*x的估计 再对 乘以Δ的逆矩阵Δ-1，所得到的乘积 就是x的估计 如图2所示，是本发明多天线通信中发射信号的系统，包括设置有发射天线的发射端，和设置有接收天线的接收端，所述发射端通过发射天线发送Alamouti空时分组码，本发明在所述发射端还设置有预编码单元101，用于对发射信号进行预编码变换，并将变换后的调制数据经发射天线发射到接收端。
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，发射端通过发射天线发送Alamouti空时分组码，其特征在于，包括发射端将发射信号经预编码矩阵进行预编码变换，并将变换后的结果经发射天线发射到接收端。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Alamouti空时分组码，为在一个符号周期发射两个符号，每个符号周期将所述两个符号经预编码矩阵进行预编码变换。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发射端将发射信号经预编码矩阵进行预编码后，每个物理天线所发射信号为所述两个符号各乘一个复常数，再相加所得的结果。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的两个复常数的相位差取固定值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的固定值，是 或者
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Alamouti空时分组码，为在一个符号周期发射两个符号，所述两个符号的调制方式可以相同或者不同。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的两个符号，第二个符号所使用的调制方式，是把第一个符号所使用的调制方式的星座图旋转一个固定角度后得到的调制方式。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的固定角度，是 或者
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的预编码矩阵为正交矩阵。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的预编码矩阵为4×4的离散傅里叶变换矩阵。
11.一种多天线通信中发射信号的系统，包括设置有发射天线的发射端，和设置有接收天线的接收端，所述发射端通过发射天线发送Alamouti空时分组码，其特征在于，所述发射端还设置有预编码单元，用于对发射信号进行预编码变换，并将变换后的调制数据经发射天线发射到接收端。
全文摘要
本发明涉及一种多天线通信中发射信号的方法及系统。包括发射端将发射信号经预编码矩阵进行预编码变换，并将变换后的结果经发射天线发射到接收端。本发明还公开了一种多天线通信中发射信号的系统。本发明将预编码技术应用到使用Alamouti空时分组码传输信号的MIMO系统中，使得每一个发射天线功率的变化范围尽可能的小，这样对发射天线所使用的功率放大器的动态范围要求比较小，同时对其它用户的干扰也比较小。
文档编号H04L1/00GK101043298SQ20061007130
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
发明者朱胡飞 申请人:华为技术有限公司