CN101286823A - 用于多输入多输出***的数据传输方法及数据传输*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多输入多输出***的数据传输方法和一种数据传输***。其中，该用于多输入多输出***的数据传输方法包括以下步骤：S102，数据发送端对需要发送的数据进行空时编码；S104，数据发送端对信道进行估计并获取信道矩阵，以及获取信道矩阵的特征值；S106，数据发送端利用特征值对至少一个天线上的数据进行波束形成并将波束形成后的数据发送至数据接收端；以及S108，数据接收端接收数据并根据特征值进行空时译码，以获取数据。通过本发明，可以提高传输效率、降低发送功率，同时可以抑制不同用户间的干扰。

Description

用于多输入多输出***的数据传输方法及数据传输***

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地涉及一种用于多输入多输出***的数据传输方法及一种数据传输***。

背景技术

近年来，空时编码作为一种有效克服和改善无线通信环境中所存在的多径衰落和接收信号性能的方法而倍受关注。在文献[Asimple transmit diversity technique for wireless communications[J].IEEE J.Select.Areas Commun，1998，16(10)：1451-1458，Oct.]中，Alamouti提出了一种基于两根发射天线的空时编码方法，该方法通过简单线性复杂度的最大似然译码算法可实现最大可能的分集增益。空时编码综合了空间分集和时间分集的优点，但它要求不同天线的信道衰落相关性很小，当信道衰落之间存在相关性时，空时编码的性能会变差。现有的关于空时编码的研究大都假设发射机未知信道信息，并且任意收发天线之间的信道衰落是相互独立的。而在实际的无线通信环境中，由于基站通常都架设得比较高，基站天线之间的间距也不大，所以不同收发天线之间的信道衰落具有相关性，不再满足相互独立的条件。因此，单独采用空时编码的***在实际应用中性能会变得较差。

波束形成正是利用信道的相关性，选择合适的权值，在发射端对不同天线的发射信号进行加权，通过分配不同天线的传输功率来提高接收端的信噪比。这样既能提高传输效率，降低发送功率，又能减少不同用户间的干扰。

发射机若利用接收机反馈的比较精确的信道信息来进行经典的波束形成，则***能达到性能最优。但是，当路径数目较大时，需要准确估计每一条路径的方向角，***会因复杂度过高难以实现。特别是当信道处于快速时变条件下时，通过反馈对信道进行估计是不现实也是没有意义的，因为反馈得到的信道信息会滞后于变化的信道。

由上可见，需要提供一种新的用于多输入多输出***的数据传输方法及一种数据传输***。

发明内容

鉴于以上的一个或多个问题，本发明提供了一种新的用于多输入多输出***的数据传输方法及一种数据传输***。

根据本发明的用于多输入多输出***的数据传输方法包括以下步骤：S102，数据发送端对需要发送的数据进行空时编码；S104，数据发送端对信道进行估计并获取信道矩阵，以及获取信道矩阵的特征值；S106，数据发送端利用特征值对至少一个天线上的数据进行波束形成并将波束形成后的数据发送至数据接收端；以及S108，数据接收端接收数据并根据特征值进行空时译码，以获取数据。

其中，步骤S106包括：S1062，数据发送端获取特征值对应的特征向量，并将特征向量作为权向量；S1064，数据发送端利用权向量对至少一个天线上的数据进行加权；以及S1066，将加权后的数据发送至数据接收端。

其中，步骤S108包括：S1082，数据接收端对信道进行估计并获取信道矩阵的特征值；S1084，数据接收端根据特征值获取对应的特征向量；以及S1086，数据接收端根据特征向量对所接收到的数据进行空时译码。

其中，数据发送端的发射天线数目与数据接收端的接收天线数目相等。根据本发明的数据传输方法用于时分双工***。

根据本发明的数据传输***包括：数据发送装置，具有至少一个发射天线，数据发送装置用于对需要发送的数据进行空时编码，对信道进行估计并获取信道矩阵以及信道矩阵的特征值，利用特征值对至少一个天线上的数据进行波束形成并将波束形成后的数据发送至数据接收装置；以及数据接收装置，具有至少一个接收天线，数据接收装置用于接收数据，对信道进行估计并根据信道的特征值进行空时译码，以获取数据。

其中，数据发送装置还包括：编码模块，用于需要发送的数据进行空时编码；第一信道估计模块，用于对信道进行估计并获取信道矩阵以及信道矩阵的特征值；波束形成模块，用于获取特征值对应的特征向量，并将特征向量作为权向量，以及利用权向量对至少一个天线上的数据进行加权，并通过至少一个天线将加权后的数据发送至数据接收端。

其中，数据接收装置包括：第二信道估计模块，用于对信道进行估计并获取信道矩阵的特征值；译码模块，用于根据特征值获取对应的特征向量，并根据特征向量对所接收到的数据进行空时译码。

其中，数据发送装置的发射天线数目与数据接收端的接收天线数目可以为相等。根据本发明的数据传输***可以用于时分双工***。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的用于多输入多输出***的数据传输方法的流程图；

图2是根据本发明另一实施例的用于多输入多输出***的数据传输方法的流程图；

图3是图1和图2所示的实施例的仿真效果图；以及

图4是根据本发明实施例的数据输出***的框图。

具体实施方式

下面参考附图，详细说明本发明的具体实施方式。

参考图1，说明根据本发明实施例的用于多输入多输出***的数据传输方法。如图1所示，该数据传输方法包括以下步骤：S102，数据发送端对需要发送的数据进行空时编码；S104，数据发送端对信道进行估计并获取信道矩阵，以及获取信道矩阵的特征值；S106，数据发送端利用特征值对至少一个天线上的数据进行波束形成并将波束形成后的数据发送至数据接收端；以及S108，数据接收端接收数据并根据特征值进行空时译码，以获取数据。

其中，步骤S106包括：S1062，数据发送端获取特征值对应的特征向量，并将特征向量作为权向量；S1064，数据发送端利用权向量对至少一个天线上的数据进行加权；以及S1066，将加权后的数据发送至数据接收端。

其中，步骤S108包括：S1082，数据接收端对信道进行估计并获取信道矩阵的特征值；S1084，数据接收端根据特征值获取对应的特征向量；以及S1086，数据接收端根据特征向量对所接收到的数据进行空时译码。

从上述的描述中可以看出，根据本发明实施例的用于多输入多输出***的数据传输方法中应用了空时编码结合波束形成方法。而时分双工(Time Division Duplex，简称TDD)***的最大特点在于上下行信道存在互易性，所以可以利用上行信道得到的信道信息来选择合适的权值，在发射端对不同天线的发射信号进行加权，通过分配不同天线的传输功率来提高接收端的信噪比。这样既能提高传输效率、降低发送功率，又能减少不同用户间的干扰。

例如，当发射端和接收端的天线个数相等(设为N)时，信道矩阵H是一个方阵。对信道矩阵H进行特征值分解，可以得到由H的特征值组成的对角阵Λ＝diag(λ₁，λ₂…λ_N)和以对应特征值的特征向量为列元素组成的矩阵U＝[u₁，u₂…u_N]。其中，在U中选取λ₁，λ₂…λ_N中最大的两个不相等的特征值(不妨记为λ₁，λ₂)所对应的特征向量作为权向量W＝(ω₁，ω₂]

${\mathrm{\ω}}_1=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,1}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,2}}\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ω}}_{1,N}\end{array}\right],$ ${\mathrm{\ω}}_2=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,1}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,2}}\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ω}}_{2,N}\end{array}\right]$

经过Alamouti方案编码后的矩阵为

$[s_1,s_2]\→\left[\begin{array}{cc}{s}_1& -{s_2}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}\end{array}\right]$

这里只考虑前两个子载波上发送符号 $\left[\begin{array}{cc}{s}_1& -{s_2}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}\end{array}\right]$ 的传输情况，其它的重复该情况。

$x_1={\mathrm{\ω}}_1{s}_1+{\mathrm{\ω}}_2{s}_2=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,1}}{s}_1+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,1}}{s}_2\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,2}}{s}_1+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,2}}{s}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ω}}_{1,N}{s}_1+{\mathrm{\ω}}_{2,N}{s}_2\end{array}\right]$

$x_2=-{\mathrm{\ω}}_1{s_2}^{*}+{\mathrm{\ω}}_2{s_1}^{*}=\left[\begin{array}{c}{-\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,1}}{s_2}^{*}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,1}}{s_1}^{*}\\ {-\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,2}}{s_2}^{*}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,2}}{s_1}^{*}\\ .\\ .\\ .\\ -{\mathrm{\ω}}_{1,N}{s_2}^{*}+{\mathrm{\ω}}_{2,N}{s_1}^{*}\end{array}\right]$

写成矩阵的形式：

$X=[x_1,x_2]=[{\mathrm{\ω}}_1{s}_1+{\mathrm{\ω}}_2{s}_2,-{\mathrm{\ω}}_1{s_2}^{*}+{\mathrm{\ω}}_2{s_1}^{*}]=[{\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2]\left[\begin{array}{cc}{s}_1& -{s_2}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}\end{array}\right]$

假设在这两个相邻的子载波上信道保持不变，则经过信道H后，在接收端的这两个子载波上的信号在频域可以写为

$R_1=H*x_{1_1}+n_1=H({\mathrm{\ω}}_1{s}_1+{\mathrm{\ω}}_2{s}_2)+n_1=\mathrm{HW}\left[\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\end{array}\right]+n_1$

$R_2=H*x_{1_1}+n_1=H*({-\mathrm{\ω}}_1{s_2}^{*}+{\mathrm{\ω}}_2{s_1}^{*})+n_2=\mathrm{HW}\left[\begin{array}{c}-{s_2}^{*}\\ {s_1}^{*}\end{array}\right]+n_2$

其中，n₁、n₂为噪声向量。于是，等效信道

可以写为：

$\tilde{H}=\mathrm{HW}=H*\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,1}}& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,1}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,2}}& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,2}}\end{array}\right]$

根据特征值和特征向量的性质可以得到

$H*U=U*\mathrm{\Λ}\⇒H*[{\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2]=[{\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2]*\mathrm{diag}({\mathrm{\λ}}_1,{\mathrm{\λ}}_2)$

根据不同的特征值对应的特征相量线性无关的性质可知等效矩阵H*[ω₁，ω₂]的两个列项量不相关。也就是经过SFBC编码后的两个数据流经过的信道是无关的，这就提高了SFBC的分集性能。

参考图2，说明根据本发明另一实施例的用于多输入多输出***的数据传输方法。如图2所示，该方法包括以下步骤：

S202，对调制后的数据流[s₁，s₂]进行STBC空时编码，得到 $\left[\begin{array}{cc}{s}_1& -{s_2}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}\end{array}\right],$ 其中的调制和调制前的相关操作与传统方式相同，不再给出。

S204，估计信道矩阵，求信道矩阵的特征根。假设信道矩阵H的特征值组成的对角阵为Λ＝diag(λ₁，λ₂…λ_N)，以对应特征值的特征向量为列元素组成的矩阵为U＝[u₁，u₂…u_N]。

S206，构造权值并进行波束形成。这里以2发2收方式为例，在U中选取λ₁，λ₂…λ_N中最大的两个不相等的特征值(不妨记为λ₁，λ₂)所对应的特征向量作为权向量W＝[ω₁，ω₂]。这里只考虑前两个子载波上发送符号 $\left[\begin{array}{cc}{s}_1& -{s_2}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}\end{array}\right]$ 的传输情况，其它的重复该情况，则两天线的发射信号分别为

$x_1={\mathrm{\ω}}_1{s}_1+{\mathrm{\ω}}_2{s}_2=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,1}}{s}_1+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,1}}{s}_2\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,2}}{s}_1+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,2}}{s}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ω}}_{1,N}{s}_1+{\mathrm{\ω}}_{2,N}{s}_2\end{array}\right]$

$x_2=-{\mathrm{\ω}}_1{s_2}^{*}+{\mathrm{\ω}}_2{s_1}^{*}=\left[\begin{array}{c}{-\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,1}}{s_2}^{*}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,1}}{s_1}^{*}\\ {-\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,2}}{s_2}^{*}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,2}}{s_1}^{*}\\ .\\ .\\ .\\ -{\mathrm{\ω}}_{1,N}{s_2}^{*}+{\mathrm{\ω}}_{2,N}{s_1}^{*}\end{array}\right]$

写成矩阵的形式：

$X=[x_1,x_2]=[{\mathrm{\ω}}_1{s}_1+{\mathrm{\ω}}_2{s}_2,-{\mathrm{\ω}}_1{s_2}^{*}+{\mathrm{\ω}}_2{s_1}^{*}]=[{\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2]\left[\begin{array}{cc}{s}_1& -{s_2}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}\end{array}\right]$

S208，接收端空时译码。假设在这两个相邻的子载波上信道保持不变，则经过信道H后，在接收端这两个子载波上的信号在频域可以写为：

$Y_1=H*x_{1_1}+n_1=H({\mathrm{\ω}}_1{s}_1+{\mathrm{\ω}}_2{s}_2)+n_1=\mathrm{HW}\left[\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\end{array}\right]+n_1$

$Y_2=H*x_{1_1}+n_1=H*({-\mathrm{\ω}}_1{s_2}^{*}+{\mathrm{\ω}}_2{s_1}^{*})+n_2=\mathrm{HW}\left[\begin{array}{c}-{s_2}^{*}\\ {s_1}^{*}\end{array}\right]+n_2$

其中，n₁、n₂为噪声向量。于是，等效信道可以写为：

$\tilde{H}=\mathrm{HW}=H*\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,1}}& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,1}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,2}}& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,2}}\end{array}\right]$

根据特征值和特征向量的性质可以得到：

$H*U=U*\mathrm{\Λ}\⇒H*[{\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2]=[{\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2]*\mathrm{diag}({\mathrm{\λ}}_1,{\mathrm{\λ}}_2).$

如图3所示，假设接收端能得到信道的确切信息，则比较只使用STBC的方法和使用STBC+beamforming(简称STBC+BF)方法，由误比特率和信噪比的关系曲线可以看出，当信噪比比较低时，STBC+BF的性能与只使用STBC相比，改善不是太大。当信噪比为4dB左右时，前者比后者性能好大约2dB。当信噪比比较高时，STBC+BF的性能就比STBC提高了很多。当信噪比在10dB左右时，前者比后者性能提高了4dB。显然，STBC+BF的性能要优于只使用STBC的***。

参考图4，说明根据本发明实施例的数据输出***。如图4所示，该数据传输***包括：数据发送装置402，具有至少一个发射天线，数据发送装置用于对需要发送的数据进行空时编码，对信道进行估计并获取信道矩阵以及信道矩阵的特征值，利用特征值对至少一个天线上的数据进行波束形成并将波束形成后的数据发送至数据接收装置；以及数据接收装置404，具有至少一个接收天线，数据接收装置用于接收数据，对信道进行估计并根据信道的特征值进行空时译码，以获取数据。

其中，数据发送装置402包括：编码模块4022，用于需要发送的数据进行空时编码；第一信道估计模块4024，用于对信道进行估计并获取信道矩阵以及信道矩阵的特征值；波束形成模块4026，用于获取特征值对应的特征向量，并将特征向量作为权向量，以及利用权向量对至少一个天线上的数据进行加权，并通过至少一个天线将加权后的数据发送至数据接收端。

其中，数据接收装置404包括：第二信道估计模块4042，用于对信道进行估计并获取信道矩阵的特征值；译码模块4044，用于根据特征值获取对应的特征向量，并根据特征向量对所接收到的数据进行空时译码。

其中，数据发送装置的发射天线数目与数据接收端的接收天线数目可以为相等。根据本实施例的数据传输***可以用于时分双工***。

由上可见，当发射机能通过反馈获知信道的二阶统计信息时，数据传输***可以利用信道估计的快拍数据计算信道的协方差矩阵，而发射端可以利用协方差矩阵的信息进行波束形成，接收端可以利用协方差矩阵的信息来合成新的等效信道，用Alautimo方案的最大似然解码算法进行解码，所以可以大大降低数据传输***的复杂度。

综上所述，本发明中的空时编码结合波束形成方式，综合了空间分集和时间分集的优点及波束方向性的特点，不需要额外开销，结构简洁；并且运算量小，易于工程实现。另外，本发明与单纯的确空时处理或波束形成技术相比，具有更好的稳健性，同时可以抑制不同用户间的干扰，适用于多种应用场景。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1. 一种用于多输入多输出***的数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S102，数据发送端对需要发送的数据进行空时编码；

S104，所述数据发送端对信道进行估计并获取信道矩阵，以及获取所述信道矩阵的特征值；

S106，所述数据发送端利用所述特征值对至少一个天线上的数据进行波束形成并将波束形成后的数据发送至数据接收端；以及

S108，所述数据接收端接收所述数据并根据所述特征值进行空时译码，以获取所述数据。

2. 根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述步骤S106包括：

S1062，所述数据发送端获取所述特征值对应的特征向量，并将所述特征向量作为权向量；

S1064，所述数据发送端利用所述权向量对所述至少一个天线上的数据进行加权；以及

S1066，将加权后的数据发送至所述数据接收端。

3. 根据权利要求2所述的数据传输方法，其特征在于，所述步骤S108包括：

S1082，所述数据接收端对所述信道进行估计并获取信道矩阵的特征值；

S1084，所述数据接收端根据所述特征值获取对应的特征向量；以及

S1086，所述数据接收端根据所述特征向量对所接收到的数据进行空时译码。

4. 根据权利要求1至3中任一项所述的数据传输方法，其特征在于，所述数据发送端的发射天线数目与所述数据接收端的接收天线数目相等。

5. 根据权利要求4所述的数据传输方法，其特征在于，所述数据传输方法用于时分双工***。

6. 一种数据传输***，其特征在于包括：

数据发送装置，具有至少一个发射天线，所述数据发送装置用于对需要发送的数据进行空时编码，对信道进行估计并获取信道矩阵以及所述信道矩阵的特征值，利用所述特征值对所述至少一个天线上的数据进行波束形成并将波束形成后的数据发送至数据接收装置；以及

数据接收装置，具有至少一个接收天线，所述数据接收装置用于接收所述数据，对所述信道进行估计并根据所述信道的特征值进行空时译码，以获取所述数据。

7. 根据权利要求6所述的数据传输***，其特征在于，所述数据发送装置还包括：

编码模块，用于需要发送的数据进行空时编码；

第一信道估计模块，用于对信道进行估计并获取信道矩阵以及所述信道矩阵的特征值；以及

波束形成模块，用于获取所述特征值对应的特征向量，并将所述特征向量作为权向量，以及利用所述权向量对所述至少一个天线上的数据进行加权，并通过所述至少一个天线将加权后的数据发送至所述数据接收端。

8. 根据权利要求7所述的数据传输***，其特征在于，所述数据接收装置包括：

第二信道估计模块，用于对所述信道进行估计并获取信道矩阵的特征值；

译码模块，用于根据所述特征值获取对应的特征向量，并根据所述特征向量对所接收到的数据进行空时译码。

9. 根据权利要求6至8中任一项所述的数据传输***，其特征在于，所述数据发送装置的发射天线数目与所述数据接收端的接收天线数目相等。

10. 根据权利要求9所述的数据传输***，其特征在于，所述数据传输方法用于时分双工***。

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