CN1941661A - 多天线输入和输出系统中的全复用分集方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种多天线输入和输出无线通信系统中的全复用分集方法，包括步骤：对系统内的所有用户进行分组；对每个用户的数据比特进行信道编码和调制，并对得到的结果进行串/并转换；对经过串/并转换后的符号采用不同的扩频码扩频，乘以不同的系数，叠加到各个天线发送。本发明针对闭环系统的特点，把多个用户的接收端作为一个整体来考虑，通过预编码，使得从系统的角度来看，各单天线用户具有多天线的效果。从而，不需额外的码道资源，在用户只有一个接收天线的前提下，实现了空间复用。通过与CDMA系统相结合设计发送序列，在复用的基础上，实现了分集传输。本发明利用闭环系统的特性，通过空分多址，实现码道资源在用户间的共享。

Description

多天线输入和输出系统中的 全复用分集方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高吞吐率的复用多天线系统及复用分集方法，特别是针对闭环下的全复用分集多天线输入和输出(MIMO)系统的分集方法及装置，通过将CDMA系统和空间分集与复用系统的结合，使得码道资源能够在用户间被共享，可适用于各种小区体制下的高速无线通信系统，及高吞吐量无线局域网系统。

背景技术

空间复用多天线系统利用接收和发送端的多个天线传输符号，具有较高的吞吐率，图1示出了空间复用多天线系统的原理图。如图1所示，在同一符号周期，将不同的符号序列S₁，S₂，...，S_N通过各个发送天线同时发送出去。在接收端，利用各收发天线间信道的独立性，检测出同时发送的各个符号。为了检测出在同一时刻所发送的不同数据，空间复用系统要求接收端的天线应不少于发射天线。否则，在平衰落环境下，接收端得到是一个欠定方程组，无法求得发送符号序列的唯一解。

Nortel为3GPP提出了多径分集(Multi-path Diversity：MPD)的建议，例如，见Nortel发表的“Multi-paths diversity for MIMO(MPD)”，3GPP TSG RAN WG1，R1-030565；“Multi-paths diversity for MIMO(MPD)”，3GPP TSG RAN WG1，NY，R1-030760；“Further results on Multi-PathsDiversity for MIMO(MPD))”，3GPP TSG RAN WG1，NY，R1-031102；和“RateControl for MPD”，3GPP TSG RAN WG1，NY，R1-031316。根据Nortel的建议，基于开环MIMO系统，通过码片(chip)级的处理，使得接收端利用一个接收天线分辨出同时发射的若干符号，其发送方式如图2所示。首先，串并转换单元21对来自数据源的数据进行串并变换，得到两个符号流，即第一符号流s₁和第二符号流s₂。

接下来，上述的第一符号流s₁和第二符号流s₂被分支，其中的一个分支通过第一归一化单元22，进行归一化处理。例如，把第一符号流和第二符号流的符号乘以常数1/√2，使得发送出去的符号的功率为1。然后在第一扩频单元23中对归一化的符号流进行扩频处理，例如，用特定的扩频码与要扩频的符号相乘，输出第一路的第一扩频序列和第二扩频序列。

另一分支的符号流进入STTD编码单元24，在这里进行如下的处理：

$\left(\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\end{array}\right)\⇒\left(\begin{array}{c}{-s}_2^{*}\\ s_1^{*}\end{array}\right)---\left(1\right)$

输出经过空时发射分集(STTD)编码的数据流-s₂ ^*和s₁ ^*，然后在第二归一化单元25，对上述s的数据流-s₂ ^*和s₁ ^*进行归一化处理，例如，乘以常数1/√2。

经过归一化处理之后，输出的数据流在第二扩频单元26中进行扩频处理，用特定的扩频码与要扩频的数据流相乘，输出第二路的第一扩频序列和第二扩频序列。

然后，第二路的第一扩频序列和第二扩频序列在延迟单元27中被延迟一个码片(chip)。此后，在合并单元28中，延迟后的第二路的第一扩频序列和第二扩频序列分别与扩频后的第一路的第一扩频序列和第二扩频序列相加，然后通过两个天线发送出去。

图3示出了多径分集(MPD)接收系统的结构方框图。从接收天线接收的信号输入到解扩单元31中，进行解扩处理。换句话说，利用相应的扩频码向量和接收到的符号中码片向量做内积。

但是，由于MPD采用了码片级的延迟分集，破坏了扩频码的正交性，使得解扩信号中残留较多其它用户的干扰信号，降低了解扩信号的信干噪比(SINR)。另外，由于延迟的影响，即使在平衰落环境中，解扩后的信号仍然会存在码间串扰。为了降低解扩信号中的干扰，MPD系统必须进行干扰抵消(Interference Canceller：IC)处理。

因此，在干扰对消单元32中，进行上述的对消处理，以消除其它用户的干扰和码间的串扰。然后，在解调单元33中对消除了干扰的符号流进行解调处理，例如，采用最小均方误差(MMSE)方法进行解调。输出第一符号流s₁和第二符号流s₂。接下来，在并串转换单元34进行并串转换，最后输出符号流，用于进行后续的处理。

由于分集MIMO系统和复用MIMO系统具有完全不同的特性，通常的MIMO系统很难两方面兼顾。MPD通过延迟叠加，使得系统具有分集的能力。然而，由于MPD采用了码片级的延迟分集，破坏了扩频码的正交性，解扩信号中残留较多其它用户的干扰信号和码间串扰，降低了解扩信号的信干噪比。为了降低解扩信号中的干扰，MPD系统必须进行干扰抵消(Interference Canceller：IC)处理。同传统的STTD解码算法相比，这极大地增加了接收端的复杂度。

Panasonic公司对MPD的方法进行了改进，提出了STTD扩频法，它从码片的角度出发，设计空时发送序列，保证发送序列在码片级上的正交性，降低了接收端由于码片级的延迟所带来的码间串扰和用户间干扰。由于STTD扩频的扩频序列具有正交性，这使得检测复杂度大大地降低。与MPD系统相同，STTD扩频系统也是具有分集能力的空分复用系统。

然而，无论是MPD还是STTD扩频，它们都是基于开环系统的。我们知道，3GPP中的MIMO系统包括开环系统和闭环系统。开环系统发射端不需知道下行的信道状态信息(Channel State Information：CSI)。而闭环系统在发射信号时，要利用已知的下行CSI向各个用户发射信息。为此，闭环系统的接收端需要将CSI反馈回发送端，闭环系统的原理图如图4所示。其中空时接收器对接收的数据进行检测，将检测结果送到解调单元(未示出)进行解调输出。而且，空时接收器要测量自己信道质量，并通过反馈信道发送给基站。

闭环MIMO系统和开环MIMO系统具有不同的特点，本发明针对闭环空间分集系统，利用闭环系统已知CSI(信道状态信息)的特性，通过预编码，将各个用户的接收信号作为一个整体来考虑，使得从系统的角度来看，每个单天线用户具有多个天线，各用户在只有一个接收天线的前提下，实现了复用，而系统可容纳的总用户数不降低。同时，利用CDMA的扩频特性，使系统具有了分集的能力，其检测不需像MPD系统那样需进行复杂的干扰对消处理，复杂度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种闭环下的全复用分集多天线输入和输出系统的方法及装置，能够使用户共享码道资源，有效地提高了系统的容量。

为了实现本发明的目的，根据本发明的一个方面，提供一种多天线输入和输出无线通信系统中的全复用分集方法，包括步骤：对系统内的所有用户进行分组；对每个用户的数据比特进行信道编码和调制，并对得到的结果进行串/并转换；对经过串/并转换后的符号采用不同的扩频码扩频，乘以不同的系数，叠加到各个天线发送。

根据本发明的另一个方面，提供一种多天线输入和输出无线通信系统中的全复用分集装置，包括：分组单元，用于对系统中的所有用户用户进行分组，串/并转换单元，用于对用户数据进行串/并转换；分集单元，用于经过串/并转换后的符号采用不同的扩频码扩频，乘以不同的系数，叠加到各个天线发送。

本发明将各个用户作为一个整体来考虑，使得码道资源可以在用户间共享，有效地提高了系统的容量。该系统通过将CDMA系统扩频特性与闭环空间分集系统结合，在不降低系统吞吐率的基础上，实现了分集，可对抗空间选择性衰落。本发明的复杂度主要集中在发射端，接收端的检测算法较为简单。

附图说明

通过下面结合附图说明本发明的优选实施例，将使本发明的上述及其它目的、特征和优点更加清楚，其中：

图1是现有技术的空间复用系统的原理示意图；

图2是MPD系统的发射端的简化结构示意图；

图3是MPD系统的接收端的简化结构示意图；

图4是闭环MIMO系统的简化结构示意图；

图5是多个用户情况下的闭环MIMO系统的示意图；

图6是根据本发明实施例的M个用户的全复用分集系统的发射端结构示意图；

图7是根据本发明实施例的用户k的全复用分集系统发射端的结构示意图，其中系统有N个用户，该图只包含对用户k所发送信号的发射端的设计；

图8是根据本发明的全复用分集系统的接收端的简化结构示意图；

图9是根据本发明的闭环全复用分集系统的接收端的操作流程图；

图10是根据本发明的全复用分集系统推广到多个发射天线的示意图；

图11是表示不同扩频增益下，全复用分集系统的性能的示意图；和

图12是表示两用户信道相关情况下，全复用分集系统的性能的示意图；

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施例进行详细的说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。

为了清楚起见，本发明的实施例以2根发送天线的系统为例，来说明本发明的工作原理。可以理解，本发明不限于此，在具体实施方式中，可以将本发明的方法推广到多个发射天线的情况。本发明的实施例中所列举的2个发射天线的实施方式并不是对本发明的限制。另外，本发明对接收天线的个数也没有约束。为了使描述简洁起见，在本实施例中，以1个接收天线为例进行说明。

如果基站在一个周期发送两个符号的内容，那么接收端必须得到两个或两个以上不相关的方程。对于一个平衰落系统来说，要满足这一条件，接收端的分集天线应不小于2，这样才能够保证接收到的符号可解。对于CDMA系统，可以为每个用户分配两个扩频码。在接收端利用两个扩频码的正交性，可以解得同时发出的两个符号。然而，由于这个用户占用了两个扩频码，将会同其他用户使用的扩频码产生冲突。

图5示出了多个用户的情况下闭环MIMO系统的示意图。如果系统有N个用户，由于这N个用户所在的空间位置不同，用户间的空间信道是相互独立的，那么这N个用户的接收端可以得到N个相互独立的方程。如果将这N个方程联立处理，将整个系统作为一个整体来考虑，那么系统的方程数就比每个用户分别进行信号检测增加了N倍。也就是说，N个用户的空间位置的不同，使得各个用户可以共享相同的码道资源。由于各个用户无法得到其它用户接收到的信号，为此，可以利用闭环MIMO系统已知信道信息的特性，将这N个方程联立的过程在基站端实现。

本发明的下行发射端系统的结构如图6所示。系统首先在分组单元601中对用户进行分组，然后利用串并转换单元602对用户数据进行串并转换。最后，在分集单元603中，对每一个用户的发射信号，进行全复用分集设计。然后，将向各用户发射的信号相叠加，通过各个天线发射出去。各用户的全复用分集如图7所示，在进行全复用分集时需要利用组内另一用户的信道信息进行预编码，求得用户k的α_k和β_k(具体内容将在后面描述)。

为了提高系统的传输速率，系统将串/并变换后的符号s₁和s₂利用一个符号周期分别由天线1和天线2发送出去。为了对抗空间选择性衰落，根据本实施方式，将s₂的信息叠加到天线1上，s₁的信息叠加到天线2上，两个发射天线都传送了s₁和s₂的内容，使得系统具有了空间分集的能力。

本发明的接收端的简化构成如图8所示。首先，解扩单元801对天线接收的信号进行解扩，然后输入到复系数去除单元802，由复系数去除单元802去除解扩的数据中包含的复系数。解调单元803对复系数去除单元802提供的数据进行解调，得到发送的数据比特。

下面结合图7说明本发明的全复用分集系统发送端的发射机制。

可以假设系统有N个用户，对于某一个用户k，本发明的下行发射端处理如图7所示。在第n个符号周期，通过输入符号框输入的数据经过串并变换，得到输出符号s_k，2n-1和s_k，2n，在扩频器c和扩频器p分别用扩频码c和p对其扩频，可以得到两个符号的扩频序列

         s_k，2n-1c₁，s_k，2n-1c₂，……，s_k，2n-1c_N      (2)

         s_k，2np₁，s_k，2np₂，……，s_k，2np_N          (3)它们将分别从天线1和天线2发送出去。为了使系统对抗空间选择性衰落，扩频后的符号s_k，2n-1也将通过天线2发送出去，而扩频后的符号s_k，2n-1将通过天线1发送出去。

为了区分这两个同时发送的符号内容，系统为用户k分配了两个扩频码c和p。这使得整个系统可容纳的用户数减半。为了保证系统可同时通话的用户数不减少，系统将为另一用户l也分配扩频码c和p。在第n个符号周期，经过串并变换，得到用户l的输出符号s_l，2n-1和s_l，2n，分别用扩频码c和p对其扩频，可以得到两个符号的扩频序列

        s_l，2n-1c₁，s_l，2n-1c₂，……，s_l，2n-1c_N         (4)

        s_l，2np₁，s_l，2np₂，……，s_l，2np_N             (5)

这样，用户k对接收到的信号解扩后，得到的信号中包括对用户l所发射的信号。采用扩频序列c和p解扩后，用户k只得到了两个方程，而在第n个符号周期，未知的符号有4个：s_k，2n-1，s_k，2n，s_l，2n-1，s_l，2n。用户k无法利用两个方程解得4个未知数。

为了解决这一问题，可以利用用户k和用户l的空间位置不同来求解。由于用户k和用户l的信道衰落相互独立，用户l对接收信号解扩后得到的方程和用户k的不同，即用户l的方程不是用户k的方程的线性组合。因此，从整个系统的角度来看，如果把用户k和用户l接收到信号联立，便可得到4个方程，从而得到发送符号的唯一解。由于用户l和用户k没有办法得到相互的信息，因此联立方程的过程在基站端通过预编码实现，对用户k的信号预编码后，便得到图7中的α_k和β_k。接收端用户k进行接收检测时，在一个天线的条件下，利用对用户l的预编码α_l和β_l的信息便可去除用户l的干扰。由于α_k，β_k，α_l和β_l的值与接收端的检测算法有关，因此有关α_k，β_k，α_l和β_l具体实现将在接收端处理部分介绍。

图9示出了闭环全分集复用系统的流程图。在步骤901，首先，发送端通过反馈信道得到接收端反馈的所有用户的信道状态信息(CSI)。接下来，在步骤902，求解每两个用户之间的信道相关性。此后，在步骤903，根据天线个数和分集增益来确定每组用户的数量。然后，在步骤904，根据使用户之间的相关性最小原则对用户进行分组。在步骤905，设定对用户分组的总的组数，以及每组中用户的数量。例如，可以设定用户的总组数为G，令g＝1，每个组中有U个用户。接下来，在步骤906按照上面图7的过程对用户数据进行扩频处理(在该实施例中，包括两个天线，每组有两个用户)。在扩频处理中，对每组的用户采用相同一组扩频码，不同组的用户使用不同的扩频码。在步骤907中，确定所选定的组中的第一个用户，即u＝1。然后，在步骤908，利用另一个用户的CSI，求解用户u的发射系数α_g，u和β_g，u。例如，采用迫零法，在两个发射天线，每组两个用户的情况下，则α_u和β_u分别为，

${\mathrm{\α}}_u=\frac{h_{l,2}}{\sqrt{h_{l,1}^2+h_{l,2}^2}},$

${\mathrm{\β}}_u=\frac{{-h}_{l,1}}{\sqrt{h_{l,1}^2+h_{l,2}^2}}$

其中，h_l，1和h_l，2为与用户u同组的另一用户的信道衰落分别。接下来，在步骤909，选定该组中的下一个用户，并在步骤910判断所选定的用户是否是该组中的最后一个用户。如果不是该组中的最后一个用户，流程则返回步骤908，继续对新选定的用户求解发射系数。如果在步骤910判断所选定的用户是该组中的最后一个用户，流程则进行的步骤911，确定下一个用户分组，在步骤912判断是否选定了所有用户用户分组。如果仍有新选定的用户分组，则对新选定的用户分组进行从步骤906到911的处理。如果在步骤912判断已经选定了所有用户分组，则结束该处理过程。

下面说明接收端的处理。在本实施例中，以平衰落环境下的接收算法为例。可以假设MIMO系统有1个接收天线。设基站的两个发射天线到用户k的信道衰落为h₁和h₂，到用户l的信道衰落为q₁和q₂。

在第n个符号周期里，用户k接收到的信号包括了N个用户的信息，利用扩频码的正交性，可以去除N-2用户的信息。由于用户k和用户l采用了一对相同的扩频码，用户k对接收到的信号扩频后，仍可能包含发送给用户l的符号。在用户k接收到的信号中，不妨只考虑用户k和l的信号，解扩前，在第n个符号周期，用户k接收到N个码片的信号r_k(n)为r_k(n)＝h₁(α_ks_k，2n-1c+α_ks_k，2np)+h₂(β_ks_k，2n-1c+β_ks_k，2np)+h₁(α_ls_l，2n-1c+α_ls_l，2np)+h₂(β_ls_l，2n-1c+β_ls_l，2np)

                                                   (6)其中r_k(n)为一个N维向量。利用扩频序列c解扩后，得到解扩后的符号为

 x₁(n)＝N_Gh₁(α_ks_k，2n-1)+N_Gh₂(β_ks_k，2n-1)

 +N_Gh₁(α_ls_l，2n-1)+N_Gh₂(β_ls_l，2n-1)

                                                    (7)

其中N_G为扩频码的长度。从(7)式中可以看出，用户k对接收信号解扩后，所得符号x₁(n)中即包括了发给用户k的信号，还包含了发给用户l的信号。在(7)式中，α_l和β_l是对发送给用户l的符号预编码，通过发射端合理地设置α_l和β_l，可从(7)式去除用户l的符号。可以设定

${\mathrm{\α}}_l=\frac{h_2}{\sqrt{h_1^2+h_2^2}}$

${\mathrm{\β}}_l=\frac{{-h}_1}{\sqrt{h_1^2+h_2^2}}$

则(7)式可表示为

       x₁(n)＝N(h₁α_l+h₂β_l)s_l，2n-1             (8)从而，从用户k的解扩信号中，去除了用户l的信号。同样，利用扩频序列p解扩后，得到

       x₂(n)＝N(h₁α_l+h₂β_l)s_l，2n    (9)按照同样的方法，可以得到对α_k和β_k预编码。在(8)式和(9)式中，要去除复系数h₁α_l+h₂β_l的影响，否则会造成解调的相位模糊，由于用户l并不知道α_l和β_l的内容，可以利用通信信号的FA特性可以去除复系数的影响，从而得到复用发射符号的解。

上面以两个发射天线，一个接收天线为例描述了本发明的闭环全分集复用系统的流程。本发明的方法可推广到多个发送天线的情况，图10示出了多天线情况下的实现框图。

首先对发射天线分组，每两个发射天线一组，每组天线所采用的编码和扩频方式与前面所述的相同，仍然基于全复用分集的发送方式。需要指出的是，为了保证空间分集的性能，在分组时，最好将距离较远的两个天线分为一组，这样做的目的是为了充分利用MIMO系统空间分集的特性，最大可能地保证传输同一个符号两个天线不同时处于深度衰落。从理论上讲，实现天线组合最佳标准依据天线信道衰落的统计特性，系统可求解一段时间中，每两个天线信道衰落的相关性，选取总体相关性最低的作为天线分组方式。

MPD和STTD扩频针对开环系统，利用一个接收天线实现了空间复用，本发明针对闭环系统的特点，利用闭环系统已知信道信息的特性，将各个用户作为一个整体来考虑，使得码道资源可以在用户间共享，有效地提高了系统的容量。该系统通过将CDMA系统扩频特性与闭环空间分集系统巧妙结合，在不降低系统吞吐率的基础上，实现了分集，可对抗空间选择性衰落。本发明的复杂度主要集中在发射端，接收端的检测算法较为简单。

图11和图12示出了全复用分集系统的Monte Carlo仿真结果，实验次数为300000次。噪声为零均值高斯白噪声，能量可变，MIMO系统有2个发射天线，1个接收天线，各个发射天线到接收天线间信道衰落相互独立。图11为两个用户情况下，扩频增益为4，8和16时误码率随信噪比变化曲线，多用户系统为同步多用户系统。图12为扩频增益为8时，2个用户的无线信道存在一定相关性和相互独立时，误码率随信噪比变化的对比曲线。图中最上面的曲线为信道的相关性ρ＝0.5时的误码率曲线，根据3GPP的SCM(3GPP TR 25.996，“Spatial channel model for multipleinput multiple output simulation”)中有关信道相关性的参数，大多数基站分集天线的相关性均小于0.5。从图中可以看出，本发明在相关情况下，其性能曲线接近相互独立情况下的性能，具有较好地对抗相关的能力。

本发明针对闭环系统的特点，把多个用户的接收端作为一个整体来考虑，通过预编码，使得从系统的角度来看，各单天线用户具有多天线的效果。从而，不需额外的码道资源，在用户只有一个接收天线的前提下，实现了空间复用。通过与CDMA系统相结合设计发送序列，在复用的基础上，实现了分集传输。本发明利用闭环系统的特性，通过空分多址，实现码道资源在用户间的共享。

至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不应该被理解为被局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (14)

1.一种多天线输入和输出无线通信系统中的全复用分集方法，包括步骤：

对系统内的所有用户进行分组；

对每个用户的数据比特进行信道编码和调制，并对得到的结果进行串/并转换；

对经过串/并转换后的符号采用不同的扩频码扩频，乘以不同的系数，叠加到各个天线发送。

2.根据权利要求1所述的方法，其中对系统内的所有用户进行分组的步骤是按照使用户的总相关性最小的方式对用户进行分组，并且码道资源在一组内的所有用户之间共享。

3.根据权利要求1所述的方法，其中对所有用户进行分组的步骤包括对每组内的用户采用相同的扩频码扩频，对不同组的用户采用不同的扩频码扩频。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括对串/并转换后的符号做相应的扩频处理，乘以不同的系数预编码，并分别通过各个天线发送。

5.根据权利要求4所述的方法，其中预编码是对同一组内地用户进行的。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括当系统中有多个发射天线时，对发射天线进行分组，将经过串/并转换和扩频处理的数据叠加到各个天线分组发射。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括利用另一个用户的信道状态信息，计算用户的发射系数的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在接收端对接收到的信号解扩后，去除解扩的数据中包含的复系数，从而得到发送的数据比特的步骤。

9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括当系统中具有多个接收天线时，对每个接收天线的接收信号进行检测，按照分集合并方式将检测结果合并，并解调发送的数据比特的步骤。

10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括计算每两个用户之间的信道的相关性的步骤。

11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括根据天线的数量和分集增益确定每组的用户数量的步骤。

12.一种多天线输入和输出无线通信系统中的全复用分集装置，包括：

分组单元，用于对系统中的所有用户用户进行分组，

串/并转换单元，用于对用户数据进行串/并转换；

分集单元，用于经过串/并转换后的符号采用不同的扩频码扩频，乘以不同的系数，叠加到各个天线发送。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述分集单元包括多个扩频器，用于对每组内的用户采用相同的扩频码扩频，对不同组的用户采用不同的扩频码扩频。

14.根据权利要求12所述的装置，其中在接收端包括：

解扩单元，用于对接收端天线接收的信号进行解扩；

复系数去除单元，用于去除解扩的数据中包含的复系数；

解调单元，用于对复系数去除单元提供的数据进行解调，以得到发送的数据比特。

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