用于移动通信系统的4天线闭环发射分集方法

摘要

用于移动通信系统的4天线闭环发射分集方法，属无线移动通信技术领域，由发射机和接收机实现，发射机的发射天线采用4天线扩展正交空时编码方式。本发明从联合优化闭环EOSTBC方案的功率分配和符号相位调整入手，构建了一种新的4天线闭环发射分集方案，并给出了相应的接收机反馈参数获得方法。本发明不仅可以提供更好的发射分集性能，而且接收机的线性译码复杂度并没有受影响；另外所提反馈参数具有显式数学表达式，相对于迭代优化算法，可以大大简化接收机实现的复杂度；反馈参数仅为四个实变量，并与接收天线数目无关，这对简化闭环反馈开销具有明显优势。

权利要求

1.一种用于移动通信系统的4天线闭环发射分集方法，由发射机和接收机实现，发射机的发射天线为4根，采用4天线扩展正交空时编码方式，并联合采用功率分配和符号相位调整，发射机和接收机之间的信号传输载体为空口链路，反馈链路是接收机为实施信息反馈而由发射机为其提供的反馈传输资源，其中发射机由编码调制模块、闭环EOSTBC发射模块与中频和射频发射模块顺序连接而成；接收机由中频和射频接收模块、闭环EOSTBC接收模块与解调解码模块顺序连接而成；发射机闭环EOSTBC发射模块包括EOSTBC编码子模块、加权因子计算子模块和编码符号加权子模块；接收机闭环EOSTBC接收模块包括信道估计子模块、EOSTBC解码子模块和反馈参数计算与反馈子模块，该方法步骤如下：

(1)接收机通过信道估计子模块进行信道估计，获得信道估计信息；

(2)接收机中的反馈参数计算与反馈子模块根据信道估计信息计算反馈信息；反馈信息具体包括发射功率调整参数 与符号相位调整参数φ1(0≤φ1≤2π)、φ2(0≤φ2≤2π)；

(3)接收机中的反馈参数计算与反馈子模块对计算所得反馈信息进行量化并实施反馈，其中对每个反馈信息实施大于2比特的量化即可获得满意的闭环发射分集效果；

(4)发射机通过反馈链路获得反馈信息，由加权因子计算子模块根据反馈信息计算加权因子；加权因子计算方式为：a1=cos(θ1)、a2=cos(θ2)、a3=sin(θ1)exp(jφ1)和a4=sin(θ2)exp(jφ2)，其中，a1、a2、a3和a4分别标识对应发射天线1、2、3和4的加权因子，用于发射功率和符号相位调整；

(5)发射机经编码调制模块处理后的调制信号进入闭环EOSTBC发射模块，由EOSTBC编码子模块进行扩展正交空时编码（EOSTBC），然后利用加权因子计算子模块获得的加权因子分别对EOSTBC编码后的符号进行加权处理，经加权处理后的发送符号矩阵可表达为其中矩阵行代表发送时隙，列代表发送天线；x1，x2分别表示待发送的两个调制复信号； 代表EOSTBC编码后的输出调制符号矩阵；

*

(·) 表示对参变量取共轭运算；处理后的信号送入中频和射频发射模块进行信号发射之前的上变频、功率放大处理，然后再送入发射天线阵列发射。

2.如权利要求1所述的一种用于移动通信系统的4天线闭环发射分集方法，其中步骤(2)所述的接收机中的反馈参数计算与反馈子模块根据信道估计信息计算反馈信息，包括：(a)符号相位调整参数φ1和φ2的计算，其计算方法为：

其中， 为第i(1≤i≤4)个发射天线到第j(1≤j≤N)个接收天线之间的信道增益估计值，angle(·)表示对参变量求角度运算；

(b)功率调整参数θ1和θ2的计算，其计算方法为：

其中，arctan(·)表示正切反函数，并且

说明书

用于移动通信系统的4天线闭环发射分集方法

技术领域

[0001] 本发明属于无线移动通信领域，涉及一种多天线闭环发射分集方法，特别涉及一种基于4天线扩展正交空时编码（EOSTBC——Extended-Orthogonal Space-Time Block Coding）的发射机闭环发射分集实现方法及接收机反馈参数获得方法。

背景技术

[0002] 多输入多输出（MIMO）技术通过在发射机和接收机采用多根天线，能够有效减少信号的衰减，提升无线网络的传输效率。MIMO技术已被公认为未来无线移动通信系统的核心竞争技术之一。

[0003] 空时编码技术，作为一种有效而实用的多天线发射分集技术，可以显著提高系统的容量和传输性能，目前，在主流的移动通信标准（如LTE，WiMAX等）中，都已采用了空时编码发射分集技术，但在实现形式上以2天线的正交空时编码（OSTBC）为主，少见支持更多天线的发射形式。究其原因是因为同时具备全分集增益和满额传输速率的正交空时编码只有在发射天线数目为2的情况下成立，从而限制了正交空时编码在更多天线配置下的实际应用。为此，科研人员也一直在努力寻找其他形式的准正交空时编码形式。扩展正交空时编码（EOSTBC）就是一种准正交空时编码形式，它通过将2天线的正交空时编码方案进行简单组合，从而实现4天线的分集发射传输，其优点是可以采用类似于2天线正交空时编码方案的简单线性译码方法，但是它的缺点也很明显，因为对于每个发射符号，在同一个符号传输时间内，总有两根天线在同时传输，反映在接收机，该符号对应的复合信道增益是分别对应两根发射天线的实际信道增益的叠加，而这种没有控制的叠加，其结果有可能是正面的，也有可能是负面的，从而影响了空时编码的分集性能。改进措施之一就是在发射机引入加权因子，通过调整各发射天线间的发射功率和符号相位，提高空时编码的分集性能。这正是本发明所关注的核心问题。

[0004] 目前，针对扩展正交空时编码（EOSTBC）闭环发射分集的研究，可见J.Akhtar和D.Gesbert于2004年11月 发表 在IEEE Trans.Wireless.Com第3卷 上 的文 献“Extendingorthogonal block codes with partial feedback”报道，文中提出了一种基于GCC（group-coherent codes）的扩展正交空时编码方法，可以获得满发射分集增益，但是该方法由于组合系数仅限定于+1或-1，因此会损失一定的天线间联合处理增益，即空时编码增益；又可见由N.M.Eltayeb等人发表在IEEE VTC2007-Spring上的文献“A Phase Feedback Based Extended Space-Time Block Code for Enhancement of Diversity”报道，文中提出了一种基于相位反馈的扩展正交空时编码方法，不仅可以获得满发射分集增益，同时由于反馈相位是一实数量，可以一定程度上克服上述基于GCC（group-coherent codes）的扩展正交空时编码方法在进行+1或-1组合时所带来的编码增益损失，然而，本方法仅仅限于符号相位调整，而不涉及天线间的功率优化配置，因此也会存在空时编码增益的损失；而进行天线间的功率优化配置的扩展正交空时编码方法可见由Ilhwan Choi和Jong-Kyu Kim等人于2009年10月份发表在IEEE Communications Letters第13卷的文献“Alamouti-codes based four-antenna transmission schemes with phase feedback”报道，但是本方法仅仅限于天线间的功率优化配置，而缺少符号间的相位调整，因此也会存在空时编码增益的损失。

发明内容

[0005] 针对目前4天线闭环EOSTBC发射分集方法的不足，为进一步提高闭环EOSTBC发射分集性能，本发明从联合优化闭环EOSTBC方案的功率分配和符号相位调整入手，构建了一种新的4天线闭环发射分集方案，并给出了相应的接收机反馈参数获得方法。

[0006] 本发明方法的技术方案如下：

[0007] 一种用于移动通信系统的4天线闭环发射分集方法，由发射机和接收机实现，发射机的发射天线为4根，采用4天线扩展正交空时编码方式，并联合采用功率分配和符号相位调整，发射机和接收机之间的信号传输载体为空口链路，反馈链路是接收机为实施信息反馈而由发射机为其提供的反馈传输资源，其中发射机由编码调制模块、闭环EOSTBC发射模块与中频和射频发射模块顺序连接而成；接收机由中频和射频接收模块、闭环EOSTBC接收模块与解调解码模块顺序连接而成；发射机闭环EOSTBC发射模块包括EOSTBC编码子模块、加权因子计算子模块和编码符号加权子模块；接收机闭环EOSTBC接收模块包括信道估计子模块、EOSTBC解码子模块和反馈参数计算与反馈子模块，该方法步骤如下：

[0008] (1)接收机通过信道估计子模块进行信道估计，获得信道估计信息；

[0009] (2)接收机中的反馈参数计算与反馈子模块根据信道估计信息计算反馈信息；反馈信息具体包括发射功率调整参数 与符号相位调整参数φ1(0≤φ1≤2π)、φ2(0≤φ2≤2π)；

[0010] (3)接收机中的反馈参数计算与反馈子模块对计算所得反馈信息进行量化并实施反馈，其中对每个反馈信息实施大于2比特的量化即可获得满意的闭环发射分集效果；

[0011] (4)发射机通过反馈链路获得反馈信息，由加权因子计算子模块根据反馈信息计算加权因子；加权因子计算方式为：a1=cos(θ1)、a2=cos(θ2)、a3=sin(θ1)exp(jφ1)和a4=sin(θ2)exp(jφ2)，其中，a1、a2、a3和a4分别标识对应发射天线1、2、3和4的加权因子，用于发射功率和符号相位调整；

[0012] (5)发射机经编码调制模块处理后的调制信号进入闭环EOSTBC发射模块，由EOSTBC编码子模块进行扩展正交空时编码（EOSTBC），然后利用加权因子计算子模块获得的加权因子分别对EOSTBC编码后的符号进行加权处理，经加权处理后的发送符号矩阵可表达为 其中矩阵行代表发送时隙，列代表发送天线；x1，x2分别表示待发送的两个调制复信号； 代表EOSTBC编码后的输出调制符号
*
矩阵；(·) 表示对参变量取共轭运算；处理后的信号送入中频和射频发射模块进行信号发射之前的上变频、功率放大处理，然后再送入发射天线阵列发射。

[0013] 本发明的闭环EOSTBC发射分集方案的构造原理描述如下：

[0014] 以x1，x2分别表示待发送的两个基带复信号，则EOSTBC编码后的输出符号矩阵为：

[0015]

[0016] 在接收机，接收天线i(1≤i≤N)（N为接收天线数）对应的基带接收信号为：

[0017]

[0018] 其中，ri,1和ri,2表示第i接收天线分别在第一和第二时隙的基带接收信号；h1，i，h2，i，h3,i和h4,i分别表示4根发送天线和第i接收天线之间的实际信道增益；矩阵右上标T表示矩阵转置。

[0019] 上述公式可进一步变化为：

[0020]

[0021] 从而使得4天线的EOSTBC发射分集可等效为2天线的STBC发送形式，因此接收机可以采用简单的线性译码形式实现。但是h1，i+h3，i和h2,i+h4,i的非控制性叠加，结果可能会影响到实际系统的发射分集性能。为了进一步提高EOSTBC的发射分集性能，本发明采用闭环发射模式。为描述清楚起见，定义对应第i接收天线的等价信道传输矩阵为：

[0022]

[0023] 那么，可通过对等价信道矩阵He,i的两个独立元素he1，i和he2，i分别进行加权处理而获得分集性能的提高，这也是本发明所述符号加权技术的初衷。具体加权处理过程为：

[0024]

[0025]

[0026] 其中，f(·)为加权映射函数； 和 为发射功率调整参数，φ1(0≤φ1≤2π)和φ2(0≤φ2≤2π)为符号相位调整参数，四个参数构成了本发明的具体反馈参数，可知反馈参数与接收天线序号没有任何关系。并且对应发射机侧的4根发射天线，所述步骤（5）中的加权因子分别为a1=cos(θ1)、a2=cos(θ2)、a3=sin(θ1)exp(jφ1)和a4=sin(θ2)exp(jφ2)。至此，所述闭环EOSTBC发射分集方案实现的核心问题转化为接收机如何确定反馈参数θ1、θ2、φ1和φ2，从而使发射机获得发射分集性能的提高。

[0027] 上述一种用于移动通信系统的4天线闭环发射分集方法，其中步骤(2)所述的接收机中的反馈参数计算与反馈子模块根据信道估计信息计算反馈信息，包括：

[0028] (a)符号相位调整参数φ1和φ2的计算，其计算方法为：

[0029]

[0030]

[0031] 其中， 为第i(1≤i≤4)个发射天线到第j(1≤j≤N)个接收天线之间的信道增益估计值，angle(·)表示对参变量求角度运算；

[0032] (b)功率调整参数θ1和θ2的计算，其计算方法为：

[0033]

[0034]

[0035] 其中，arctan(·)表示正切反函数，并且

[0036]

[0037]

[0038]

[0039]

[0040] 所述方法(a)和(b)是通过建立描述闭环发射分集增益的目标优化函数，优化变量为发射功率调整变量 与符号相位调整变量 通过最优化理论求解获得具体的反馈参数：即
发射端的发射功率调整参数 与符号相位调整参数
φ1(0≤φ1≤2π)和φ2(0≤φ2≤2π)，具体优化目标函数为：

[0041]

[0042] 其中， 为对应接收天线i的等价加权信道估计矩阵，具体表达式为：

[0043]

[0044] 本发明提出的4天线闭环EOSTBC发射分集方案可以提供更好的发射分集性能。所提方案可以用于目前的主要移动通信系统。由上述分析过程可知，本发明不仅可以提供更好的发射分集性能，而且接收机的线性译码复杂度并没有受影响；另外所提反馈参数具有显式数学表达式，相对于迭代优化算法，可以大大简化接收机实现的复杂度；反馈参数仅为四个实变量，并与接收天线数目无关，这对简化闭环反馈开销具有明显优势。

附图说明

[0045] 图1为本发明系统的结构示意框图。其中：1、发射机，2、空口链路，3、接收机，4、反馈链路，5、编码调制模块，6、闭环EOSTBC发射模块，7、中频和射频发射模块，8、中频和射频接收模块，9、闭环EOSTBC接收模块，10、解调解码模块。

[0046] 图2为本发明闭环EOSTBC发射模块的结构示意框图。其中：11、EOSTBC编码子模块，12、加权因子计算子模块，13、编码符号加权子模块。

[0047] 图3为本发明闭环EOSTBC接收模块的结构示意框图。其中：14、信道估计子模块，15、反馈参数计算与反馈子模块，16、EOSTBC解码子模块。

[0048] 图4为本发明方法的流程框图，其中（1）-（5）是其各个步骤。

[0049] 图5为本发明所应用一种典型蜂窝移动通信场景。其中每个六边形为其中一个蜂窝小区17，小区1中心的BS表示无线通信系统基站18，小区1内部的MS表示移动台19。

具体实施方式

[0050] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

[0051] 实施例：

[0052] 本发明实施例如图1-4所示，由发射机1和接收机3实现，发射机1的发射天线为4根，采用4天线扩展正交空时编码方式，并联合采用功率分配和符号相位调整，发射机1和接收机3之间的信号传输载体为空口链路2，反馈链路4是接收机1为实施信息反馈而由发射机1为其提供的反馈传输资源，其中发射机1由编码调制模块5、闭环EOSTBC发射模块6与中频和射频发射模块7顺序连接而成；接收机3由中频和射频接收模块8、闭环EOSTBC接收模块9与解调解码模块10顺序连接而成；发射机1闭环EOSTBC发射模块6包括EOSTBC编码子模块11、加权因子计算子模块12和编码符号加权子模块13；接收机3闭环EOSTBC接收模块9包括信道估计子模块14、EOSTBC解码子模块16和反馈参数计算与反馈子模块
15，该方法步骤如下：

[0053] (1)接收机通过信道估计子模块进行信道估计，获得信道估计信息；此处，以 作为第i(1≤i≤4)个发射天线到第j(1≤j≤N)个接收天线之间的信道增益估计值；

[0054] (2)接收机中的反馈参数计算与反馈子模块根据信道估计信息计算反馈信息；包括：

[0055] (b)符号相位调整参数φ1和φ2的计算，其计算方法为：

[0056]

[0057]

[0058] 其中，angle(·)表示对参变量求角度运算；

[0059] (b)功率调整参数θ1和θ2的计算，其计算方法为：

[0060]

[0061]

[0062] 其中，arctan(·)表示正切反函数，并且

[0063]

[0064]

[0065]

[0066]

[0067] (3)接收机中的反馈参数计算与反馈子模块对计算所得反馈信息进行量化并实施反馈，其中对每个反馈信息实施大于2比特的量化即可获得满意的闭环发射分集效果；

[0068] (4)发射机通过反馈链路获得反馈信息，由加权因子计算子模块根据反馈信息计算加权因子；加权因子计算方式为：a1=cos(θ1)、a2=cos(θ2)、a3=sin(θ1)exp(jφ1)和a4=sin(θ2)exp(jφ2)，其中，a1、a2、a3和a4分别标识对应发射天线1、2、3和4的加权因子，用于发射功率和符号相位调整；

[0069] (5)发射机经编码调制模块处理后的调制信号进入闭环EOSTBC发射模块，由EOSTBC编码子模块进行扩展正交空时编码（EOSTBC），然后利用加权因子计算子模块获得的加权因子分别对EOSTBC编码后的符号进行加权处理，经加权处理后的发送符号矩阵可表达为 其中矩阵行代表发送时隙，列代表发送天线；x1，x2分别表示待发送的两个调制复信号； 代表EOSTBC编码后的输出调制符号
矩阵；(·)*表示对参变量取共轭运算；处理后的信号送入中频和射频发射模块进行信号发射之前的上变频、功率放大处理，然后再送入发射天线阵列发射。

[0070] 本发明能够提供更好的发射分集性能，有望在主要的无线移动通信系统中获得应用。图5给出了本发明的一种典型蜂窝移动通信应用场景，其中，本发明技术方案将主要用于BS到MS的下行链路传输，因为从实际应用考虑，在基站侧装备多个天线和射频单元，而MS仅拥有一根天线是合理的，当然本发明并不限制接收天线的数目。