CN101043242A - 控制发射天线功率的方法、装置及收发信机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术，特别提供一种多输入多输出***中控制发射天线功率的方法、装置及收发信机，以解决现有技术中当Me＝Mt时，采用虚拟天线进行映射的功率分配方式在各发射天线之间会产生较大功率方差，导致Flashlight效应明显的问题。所述方法包括：接收端确定并反馈当前发射时间间隔TTI所需要的虚拟天线数量；发射端判断所述虚拟天线数量是否等于本端实际发射天线数量，如果是则根据调制方式直接分配各天线在下一个TTI的发射功率，否则根据虚拟天线的映射关系和调制方式分配各发射天线在下一个TTI的发射功率。所述装置及收发信机主要包括：信息解析单元、判断单元和功率控制单元。

Description

控制发射天线功率的方法、装置及收发信机

技术领域

本发明涉及通信技术，特别涉及一种多输入多输出***中控制发射天线功率的方法、装置及收发信机。

背景技术

MIMO(Multi-Input Multi-Output，多输入多输出)技术在无线通信***中的应用越来越受到重视，无论是从增加***容量的角度还是改善***性能的角度，MIMO都有其不可替代的优越性。MIMO主要分为两大类，一类是以最大化分集增益为目的的空间分集技术，另一类则是以最大化数据速率为目的的空分复用技术，其中，基于MIMO的空分复用技术典型地可以分为以下两种结构：

1、单码字SCW(Single Code Word)模式

如图1所示，待发送的数据流首先经过信道编码、交织及星座图映射等操作，然后分路为M路相同速率的数据流分别经不同的天线发射出去(M为发射天线的数目)。根据***所采用的多址方式的不同，这M个发射天线的数据占用相同的信道码或频率或时间等信道资源，例如，对码分多址(CDMA)***，M个发射天线使用相同的信道码，对正交频分多址(OFDMA)***，M个发射天线使用相同的一组子载波等，图1中信道化处理即根据***所采用的多址方式将相应天线的信号进行扩频(对CDMA***)、子载波映射(对OFDMA***)等相应的处理。

2、多码字MCW(Multiple Code Word)模式

如图2所示，待发送的数据流首先分路为M路与M个发射天线相对应的不同速率的数据流，然后分别经过独立的信道编码、交织及星座图映射等操作，最后分别由相应的发射天线发射出去。同样地，根据***所采用的多址方式的不同，这M个发射天线的数据占用相同的信道码或频率或时间等信道资源，例如，对CDMA***，M个发射天线使用相同的信道码，对OFDMA***，M个发射天线使用相同的一组子载波等。

同时，MIMO技术通常又是和自适应编码调制AMC技术结合在一起的，其中，自适应编码调制技术是指接收端将测量的信道质量等信息反馈给发射端，发射端根据接收端提供的信道质量等反馈信息选择合适的信道编码及调制等方式，典型地如编码类型、编码速率、调制方式(QPSK/16QAM等)，这样一方面提高了***的吞吐量，另一方面由于发射功率在不停地相应变化，所以也增加了发射天线上不同用户之间的干扰，即Flashlight效应。为了在保持这种闭环控制优点的同时，还能减少Flashlight效应，所以要使用一些预编码的技术，使得用户的发射功率在各个发射天线上尽量均匀分布。

现有技术提出了虚拟天线的概念，接收端根据其自身能力确定可以同时接收的天线数量，该天线数量称为虚拟天线，接收端将虚拟天线数量返回发射端，发射端根据虚拟天线的数量、映射关系和调制方式重新分配各物理天线的发射功率。在MCW模式时，接收端还需要同时反馈虚拟天线的序号信息。虚拟天线能有效的减少Flashlight效应，原因在于接收端无论反馈回来的虚拟天线数目为多少，发射端都能通过排序矩阵P和酉变换矩阵U，保证每个物理天线上每个符号周期都存在发射信号，并将发射信号的能量较为平均地分配到各个发射天线上，尽量使得在每个TTI(Transmission Timing Interval)周期内每个发射天线有相同或者相近的平均功率。

采用虚拟天线的方案可以这样描述，假设某个***有Mt个发射天线和Mr个接收天线，那么不管反馈提示要采用多少个发射天线，通过虚拟天线的映射关系，可以使得这Mt个发射天线上的功率较为均匀的分布在各个发射天线上并保持总功率不变。对于SCW模式传输的情况，发射端直接根据虚拟天线的数目分配发射功率，对于MCW模式传输的情况，接收端还需要先根据反馈的虚拟天线序号信息决定采用采用哪些物理天线作为虚拟天线的接口进行映射。

对SCW，当Me＜Mt的时候，虚拟天线概念的引入确实使得发射功率在发射天线上相对均匀地分布，减少了Flashlight效应，Me越小，改进越明显，尤其是Me＝1的时候，由于虚拟天线的方案把功率较为平均的分配到Mt个发射天线上，所以可以认为这时候已经消除了Flashlight效应。考察MCW也能得到基本相同的结论：在Me＜Mt的时候，虚拟天线降低了发射天线之间的功率方差。

采用虚拟天线进行映射的方法只能实现较为均匀的分配，Me越小均匀度越好，但是当Me＝Mt的时候，继续采用虚拟天线进行映射的功率分配方式却在各发射天线之间产生了较大的功率方差，导致Flashlight效应反而更为明显。

发明内容

本发明提供一种多输入多输出***中控制发射天线功率的方法、装置及收发信机，以解决现有技术中在Me＝Mt时，采用虚拟天线进行映射的功率分配方式在各发射天线之间会产生较大功率方差，导致Flashlight效应明显的问题。

本发明技术构思通过如下技术方案实现：

一种多输入多输出***中控制发射天线功率的方法，包括如下步骤：

A、接收端确定当前发射时间间隔TTI所需要的虚拟天线数量，并将该虚拟天线数量反馈回发射端；

B、发射端判断所述虚拟天线数量是否等于本端实际发射天线数量，如果是则根据调制方式直接分配各天线在下一个TTI的发射功率，否则根据虚拟天线的映射关系和调制方式分配各天线在下一个TTI的发射功率。

所述虚拟天线数量为接收端可以准确接收的发射天线数量。

当采用单码字SCW传输模式时，所述步骤B中，发射端在本端实际发射天线中随机选择相应数量的天线进行虚拟天线映射。

当采用多码字MCW传输模式时：所述步骤A中，发射端同时反馈虚拟天线的序号信息；以及所述步骤B中，发射端选择所述序号信息对应的实际天线进行虚拟天线映射。

所述步骤B中，在进行虚拟天线映射时，根据离散傅立叶DFT变换和调制方式确定各天线上的发射信号功率。

所述步骤B中还包括，对各天线上的发射信号相位进行调整的步骤。

一种多输入多输出***中控制发射天线功率的装置，包括：

信息解析单元，用于从接收的信息中解析出与发射天线功率控制相关的反馈信息，该反馈信息中包括虚拟天线数量；

判断单元，连接所述信息解析单元，用于判断所述虚拟天线数量是否等于本端实际发射天线数量并输出相应的控制信号；

功率控制单元，分别连接所述判断单元和天线，用于根据所述控制信号分配发射天线下一个发射时间间隔TTI的发射功率，其中，如果判断结果为是则根据调制方式直接分配各天线在下一个TTI的发射功率，否则根据虚拟天线的映射关系和调制方式分配各天线在下一个TTI的发射功率。

一种多输入多输出***中的收发信机，包括用于收发信息的至少两个天线，该收发信机还包括：

信息解析单元，连接所述天线，用于从接收的信息中解析出与发射天线功率控制相关的反馈信息，该反馈信息中包括虚拟天线数量；

判断单元，连接所述信息解析单元，用于判断所述虚拟天线数量是否等于本端实际发射天线数量并输出相应的控制信号；

功率控制单元，连接所述判断单元，用于根据所述控制信号分配发射天线下一个发射时间间隔TTI的发射功率，其中，如果判断结果为是则根据调制方式直接分配各天线在下一个TTI的发射功率，否则根据虚拟天线的映射关系和调制方式分配各天线在下一个TTI的发射功率。

所述信息解析单元同时从所述反馈信息中解析出可以接收的天线的序号信息并输出给功率控制单元用于发射功率的分配。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案在Me＝Mt时，发射端根据调制方式直接分配各天线在下一个TTI的发射功率，从而消除了采用虚拟天线进行映射的功率分配方式在各发射天线之间产生的较大功率方差，减小了Flashlight效应。

附图说明

图1为单码字模式MIMO结构；

图2多码字模式MIMO结构；

图3、图4为QPSK调制方式示意图；

图5、图6为16QAM调制方式示意图；

图7为SCW模式时，16QAM的调制方式下仿真的采用虚拟天线前后的天线功率方差比较，其中：Me＝Mt＝4；

图8为MCW模式时，16QAM的调制方式下仿真的采用虚拟天线前后的天线功率方差比较，其中：Me＝Mt＝4

图9为本发明实施例一所述方法的流程示意图；

图10为本发明实施例二所述功率控制装置的结构示意图；

图11为本发明实施例三所述带有功率控制装置的收发信机结构示意图；

图12为SCW模式仿真的采用虚拟天线前后的天线功率方差比较，其中：Mt＝4，Me＝1，2，3；

图13为MCW模式仿真的采用虚拟天线前后的天线功率方差比较，其中：Mt＝4，Me＝1，2，3。

具体实施方式

现有技术中，当Me＝Mt的时候，继续采用虚拟天线进行映射的功率分配方式却在各发射天线之间产生了较大的功率方差，导致Flashlight效应反而更为明显。究其原因在于采用虚拟天线进行映射的方法只能实现较为均匀的分配，并且Me越小，各天线上分配的发射功率之间的平衡效果越好，反之Me越大，则平衡效果越不明显，特别当Me＝Mt的时候，说明各发射天线的发射功率已经达到了较理想的均衡，如果还采用虚拟天线进行映射的功率分配方式，由于DFT矩阵的引入，反而破坏了已经形成的均衡分配，导致Flashlight效应更为明显。

例如SCW中调制方式为QPSK时，如图3和图4所示，调制的作用是把比特流转化为符号流，发射天线根据调制后符号的实部和虚部的值分配相应的功率进行发射，图3中S1和S₀为调制前的比特表示，m_I(i)和m_Q(i))分别为调制后符号的实部与虚部，其中D＝1/，图4为各个符号在复坐标系中的位置，不难看出，QPSK中各个符号的幅度都一致，即功率一致，因此不需要再根据虚拟天线重新分配。

16QAM的调制方式见图5和图6，图5中S₃、S₂、S₁和S₀为调制前的比特表示，m_I(i)和m_Q(i))分别为调制后符号的实部与虚部，其中 $A=1/\sqrt{10},$ 图6为各个符号在复坐标系中的位置，可以看出，16QAM中各个符号的幅度并不一致，即功率不一致，可分为三类：0111、1111、0101和1101的功率为18A²，0010、1010、0000和1000的功率为2A²，其他为10A²。但是通过仿真发现，在Me＝Mt的时候同样不需要用虚拟天线，Me＝Mt的16QAM调制方式的仿真数据如图7、图8所示，图7为SCW模式的仿真结果，图8为MCW模式的仿真结果，可以清楚看到，当Me＝Mt，在16QAM的调制方式如果继续采用虚拟天线重新分配各个天线上的发射功率，功率方差同样会变大。

鉴于此，本发明在Me＝Mt时，将虚拟天线等价为物理天线，直接根据调制方式分配各天线在下一个TTI的发射功率，不再采用虚拟天线进行映射的方法，从而保持了已经形成的均衡分配状态；当Me＜Mt时，采用虚拟天线进行映射的功率分配方式，使各天线的发射功率趋于平衡。

下面以具体实施例并结合附图详细说明本发明所述技术方案：

实施例一

如图9所示，本发明所述一种多输入多输出***中控制发射天线功率的方法，包括如下步骤：

S101、接收端确定当前TTI的反馈信息；

反馈信息中包括虚拟天线数量，接收端根据当前接收能力，将可以正确接收的天线数量作为虚拟天线数量，如果是MCW传输模式，反馈信息中还包括能够正确接收的天线的序号信息。

S102、接收端将反馈信息发送给发射端；

接收端通过反馈信道将反馈信息发送给发射端。

S103、发射端接收并解析反馈信息；

发射端接收到反馈信息后，从中解析出携带的虚拟天线数量，或者还包括能够正确接收的天线的序号信息。

S104、发射端判断虚拟天线数量是否等于实际天线数量，如果是执行步骤S105；否则执行步骤S106；

S105、发射端根据虚拟天线的映射关系和调制方式分配各发射天线在下一个TTI的发射功率；

这里，假设反馈需要Me个有效天线(也即虚拟天线)时，根据虚拟天线的映射关系分配各发射天线功率的方法具体包括：

发射端：假设H(t)是M_r×M_t的MIMO信道，令x(t)为在Me个也即虚拟天线上发射的M_e×1的发射信号向量，那么虚拟天线映射后的发射向量表示为公式1：

$\tilde{x}\left(t\right)=U\·P\·x\left(t\right)---\left(1\right)$

这里 $U=[u^{\left(1\right)},u^{\left(2\right)}...u^{\left(M_t\right)}]$ 为一个M_t×M_t的酉矩阵，它满足每一行的模平方的和为相等的常数，保证每一个天线上的发射信号能量趋于一致，并且通过选择常数保证发射总功率不变；令I为M_t×M_t的单位阵矩阵，P为其中的Me列，表示从Mt个虚拟天线中选取Me个，相应的列号即为虚拟天线端口号，如果是SCW传输模式，随机选取其中的Me列作为当前Me个虚拟天线的接口，如果是MCW传输模式，根据反馈的天线序号信息选取特定的Me列作为当前的虚拟天线接口。

U为一组满足公式2的矩阵：

             U＝Δ·W                           (2)

其中： $\mathrm{\Δ}=\mathrm{diag}[e^{j{\mathrm{\θ}}_1},e^{j{\mathrm{\θ}}_2}...e^{{\mathrm{j\θ}}_{M_t}}]$ 为对角矩阵，θ_i，i＝1...M_t，为随机相位，用于调整各发射天线的相位，W是M_t×M_t的离散傅立叶变换DFT矩阵，发射信号向量x(t)通过离散傅立叶变换进行分解为能量较为平均的t个离散信号向量，然后分别在Mt个天线上发射。

接收端：接收信号可以表示为公式3：

$r\left(t\right)=(H\left(t\right)\·U\·P)*x\left(t\right)=\tilde{H}\left(t\right)*x\left(t\right)---\left(3\right)$

这里 $\tilde{H}\left(t\right)=[H\left(t\right)\·{\tilde{u}}^{\left(1\right)},H\left(t\right)\·{\tilde{u}}^{\left(2\right)}...H\left(t\right)\·{\tilde{u}}^{\left(M_e\right)}],$ $\{{\tilde{u}}^{\left(1\right)},{\tilde{u}}^{\left(2\right)}...{\tilde{u}}^{\left(M_e\right)}\}\⊆\{u^{\left(1\right)},u^{\left(2\right)}...u^{\left(M_t\right)}\}.$

这样，接收端通过Mr个天线分别接收后，利用公式3进行合并处理，MIMO***有效地转化为M_r×M_e的***。

S106、发射端根据调制方式直接分配各天线在下一个TTI的发射功率。

当Me＝Mt时，本发明保留了上述方法的表示形式，还是采用虚拟天线的概念，但在W的选取中，加入一个新的选项，即单位矩阵I，在***的实际应用中，发射端根据接收端的反馈和资源调度情况，决定要采用的有效天线数目Me，根据公式4选取W：

或者也可以采用类似的做法，根据公式5选取U：

$U=\left\{\begin{array}{cc}I,& M_e=M_t\\ \mathrm{\&Delta;}\&CenterDot;W,& M_e<M_t\end{array}\right.---\left(5\right)$

这是因为，Δ矩阵为对角相位旋转矩阵，所以只影响相位而不影响U矩阵各个元素的幅度，因此不影响各天线的功率分布，而是直接采用了信号的功率调制结果。

通过上述优化，在Me＝Mt的时候，也能保证很小的Flashlight。

实施例二

如图10所示，为实现实施例一所述方法，本发明还提供一种多输入多输出***中控制发射天线功率的装置，包括：

信息解析单元，用于从接收的信息中解析出与发射天线功率控制相关的反馈信息，该反馈信息中包括虚拟天线数量；

判断单元，连接所述信息解析单元，用于判断所述虚拟天线数量是否等于本端实际发射天线数量并输出相应的控制信号；

功率控制单元，连接所述判断单元，用于根据所述控制信号分配发射天线下一个发射时间间隔TTI的发射功率，其中，如果所述虚拟天线数量等于本端实际发射天线数量则根据调制方式直接分配各天线在下一个TTI的发射功率，否则根据虚拟天线的映射关系和调制方式分配各发射天线在下一个TTI的发射功率。

在MCW传输模式时，所述信息解析单元同时从所述反馈信息中解析出可以接收的天线的序号信息并输出给功率控制单元用于发射功率的分配。

功率控制单元中，各天线发射功率的具体分配方法如实施例一所述，这里不再赘述。

实施例三

如图11所示，应用实施例二所述装置的一种多输入多输出***中的收发信机包括：

至少两个天线，用于收发信息；

信息解析单元，连接所述天线，用于从接收的信息中解析出与发射天线功率控制相关的反馈信息，该反馈信息中包括虚拟天线数量；

判断单元，连接所述信息解析单元，用于判断所述虚拟天线数量是否等于本端实际发射天线数量并输出相应的控制信号；

功率控制单元，连接所述判断单元，用于根据所述控制信号分配发射天线下一个发射时间间隔TTI的发射功率，其中，如果所述虚拟天线数量等于本端实际发射天线数量则根据调制方式直接分配各天线在下一个TTI的发射功率，否则根据虚拟天线的映射关系和调制方式分配各发射天线在下一个TTI的发射功率。

在MCW传输模式时，所述信息解析单元同时从所述反馈信息中解析出可以接收的天线的序号信息并输出给功率控制单元用于发射功率的分配。

功率控制单元中，各天线发射功率的具体分配方法如实施例一所述，这里不再赘述。

可以进一步利用仿真数据进行效果说明，以Mt＝4个发射天线为例，图12所示为对SCW模式进行的仿真，图13为对MCW模式进行的仿真，根据虚拟天线的设计目的，采用每个TTI内每个天线平均功率之间的方差作为表征量，如图12和图13中的锯齿线，对SCW采用16-QAM调制，对MCW采用16-QAM和QPSK两种调制而且确保两种调制方式，在Me＜Mt的时候，参阅图12和图13，采用虚拟天线可以有效地降低功率方差，因此现有技术对Flashlight效应有非常明显的消除效果。Me＝Mt时，16-QAM调制方式的仿真效果仍参见图7和图8。

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。

Claims (10)

1、一种多输入多输出***中控制发射天线功率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、接收端确定当前发射时间间隔TTI所需要的虚拟天线数量，并将该虚拟天线数量反馈回发射端；

B、发射端判断所述虚拟天线数量是否等于本端实际发射天线数量，如果是则根据调制方式直接分配各天线在下一个TTI的发射功率，否则根据虚拟天线的映射关系和调制方式分配各天线在下一个TTI的发射功率。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟天线数量为接收端可以准确接收的发射天线数量。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，当采用单码字SCW传输模式时，所述步骤B中，发射端在本端实际发射天线中随机选择相应数量的天线进行虚拟天线映射。

4、如权利要求2所述的方法，其特征在于，当采用多码字MCW传输模式时：

所述步骤A中，发射端同时反馈虚拟天线的序号信息；以及

所述步骤B中，发射端选择所述序号信息对应的实际天线进行虚拟天线映射。

5、如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，在进行虚拟天线映射时，根据离散傅立叶DFT变换和调制方式确定各天线上的发射信号功率。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤B中还包括，对各天线上的发射信号相位进行调整的步骤。

7、一种多输入多输出***中控制发射天线功率的装置，其特征在于，包括：

信息解析单元，用于从接收的信息中解析出与发射天线功率控制相关的反馈信息，该反馈信息中包括虚拟天线数量；

判断单元，连接所述信息解析单元，用于判断所述虚拟天线数量是否等于本端实际发射天线数量并输出相应的控制信号；

功率控制单元，分别连接所述判断单元和天线，用于根据所述控制信号分配发射天线下一个发射时间间隔TTI的发射功率，其中，如果判断结果为是则根据调制方式直接分配各天线在下一个TTI的发射功率，否则根据虚拟天线的映射关系和调制方式分配各天线在下一个TTI的发射功率。

8、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述信息解析单元同时从所述反馈信息中解析出可以接收的天线的序号信息并输出给功率控制单元用于发射功率的分配。

9、一种多输入多输出***中的收发信机，包括用于收发信息的至少两个天线，其特征在于，该收发信机还包括：

信息解析单元，连接所述天线，用于从接收的信息中解析出与发射天线功率控制相关的反馈信息，该反馈信息中包括虚拟天线数量；

判断单元，连接所述信息解析单元，用于判断所述虚拟天线数量是否等于本端实际发射天线数量并输出相应的控制信号；

功率控制单元，连接所述判断单元，用于根据所述控制信号分配发射天线下一个发射时间间隔TTI的发射功率，其中，如果判断结果为是则根据调制方式直接分配各天线在下一个TTI的发射功率，否则根据虚拟天线的映射关系和调制方式分配各天线在下一个TTI的发射功率。

10、如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述信息解析单元同时从所述反馈信息中解析出可以接收的天线的序号信息并输出给功率控制单元用于发射功率的分配。

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