CN105991178A - 二维天线阵列的sfbc发送分集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种二维天线阵列的SFBC发送分集方法，二维天线阵列的水平方向和垂直方向的天线端口个数为M和N，该方法包括：将用户数据分为M层，对M层数据进行加入垂直预编码处理的SFBC编码操作，编码操作结果映射到所有天线端口，加入垂直预编码处理的SFBC编码操作用下式表示：W为M²×2M的M端口SFBC编码矩阵；P是一个列向量，P＝[x₀ x₁ ... x_N-1]^T,q∈{0,1,...,Q-1},k＝0,1,...,N-1，Q为大于等于N的正整数，W与P做Kronecker积。

Description

二维天线阵列的SFBC发送分集方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种二维天线阵列的SFBC发送分集方法。

背景技术

在长期演进***(Long-Term Evolution)的R8版本中，有多种下行发送模式，其中TM2发送模式采用一种SFBC(Space Frequency Block Code，空频分组编码)的发送分集方法，这种方法的操作原理框图如图1所示，首先将数据分为M层(M为端口个数)，然后对M层数据进行M端口的SFBC编码，编码结果映射到M个天线端口，SFBC编码过程用下式来表示：

$\left[\begin{array}{c}y(i,0)\\ y(i,1)\\ ...\\ y(i,M-1)\end{array}\right]=W\left[\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(x^{\left(0\right)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Re}\left(x^{\left(1\right)}\left(i\right)\right)\\ ......\\ \mathrm{Re}\left(x^{(M-1)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Im}\left(x^{\left(0\right)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Im}\left(x^{\left(1\right)}\left(i\right)\right)\\ ......\\ \mathrm{Im}\left(x^{(M-1)}\left(i\right)\right)\end{array}\right]$

其中，x^(v)(i)表示分层得到的第v层数据，v＝0,1,...,M-1， 为每层中的数据符号个数，W为大小为M²×2M的SFBC编码矩阵，y(i,b)＝[y⁽⁰⁾(Mi+b) y⁽¹⁾(Mi+b) ... y^(M-1)(Mi+b)]^T,b＝0,...,M-1，y^(h)(Mi+b)表示第h个天线端口输出的第(Mi+b)个数据(即对应于M层数据输入的第i个数据，第h个天线端口输出的第b个数据)，h＝0,1,...,M-1，b＝0,1,...,M-1，y(i,b)表示所有M个天线端口的第(Mi+b)个数据组成的列向量，共有M个这样的列向量，则每个天线端口的数据符号个数是的M倍。

目前LTE的R8版本仅支持2端口及4端口的发送分集，具体方法如下。

2端口的发送分集：

当发射端有2根发送天线端口，分别表示为天线0和天线1。数据首先分为二层x(i)＝[x⁽⁰⁾(i) x⁽¹⁾(i)]^T，然后进行SFBC编码，如下式，SFBC编码后0端口和1端口的数据矢量为[y⁽⁰⁾(l) y⁽¹⁾(l)]^T，

$\left[\begin{array}{c}{y}^{\left(0\right)}\left(2i\right)\\ y^{\left(1\right)}\left(2i\right)\\ y^{\left(0\right)}(2i+1)\\ y^{\left(1\right)}(2i+1)\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cccc}1& 0& j& 0\\ 0& -1& 0& j\\ 0& 1& 0& j\\ 1& 0& -j& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(x^{\left(0\right)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Re}\left(x^{\left(1\right)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Im}\left(x^{\left(0\right)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Im}\left(x^{\left(1\right)}\left(i\right)\right)\end{array}\right]$

如图2所示，一个数据序列{S₀,S₁,S₂,S₃,...}，分为二层x⁽⁰⁾(i)和x⁽¹⁾(i)，x⁽⁰⁾(i)＝{S₀,S₂,...}，x⁽¹⁾(i)＝{S₁,S₃,...}，经过SFBC编码后，在天线0上的发送序列为{S₀,S₁,S₂,S₃,...}，在天线1上的发送序列为

4端口的发送分集：

当发射端有4根发送天线端口，分别表示为天线0、天线1、天线2和天线3。数据首先分为四层x(i)＝[x⁽⁰⁾(i) x⁽¹⁾(i) x⁽²⁾(i) x⁽³⁾(i)]^T，然后进行SFBC编码，如下式，SFBC编码后0～3端口的数据矢量为[y⁽⁰⁾(l) y⁽¹⁾(l) y⁽²⁾(l) y⁽³⁾(l)]^T， $l=\mathrm{0,1},...,M_{\mathrm{symb}}^{\mathrm{ap}}-1,M_{\mathrm{symb}}^{\mathrm{ap}}={4M}_{\mathrm{symb}}^{\mathrm{layer}}.$

如图3所示，一个数据序列{S₀,S₁,S₂,S₃,...}，分为四层x⁽⁰⁾(i)、x⁽¹⁾(i)、x⁽²⁾(i)和x⁽³⁾(i)，x⁽⁰⁾(i)＝{S₀,S₄,...}，x⁽¹⁾(i)＝{S₁,S₅,...}，x⁽²⁾(i)＝{S₂,S₆,...}，x⁽³⁾(i)＝{S₃,S₇,...}，经过SFBC编码后，在天线0上的发送序列为{S₀,S₁,0,0,...}，在天线1上的发送序列为{0,0,S₂,S₃,...}，在天线2上的发送序列为在天线3上的发送序列为

目前上述SFBC发送分集方法最大可支持的端口个数为4，并且该方法受限于SFBC编码过程，仅适用于单用户数据，无法支持多用户的发送分集。

在第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，简称3GPP)LTE65次会议中已经针对全维度多输入多输出技术(Full-Dimension MIMO，简称为FD-MIMO)立项，用于研究二维天线阵列支持更多天线端口的下行发送方式。二维天线阵列一方面可提供更多的发送端口，进一步支持更高阶的单用户发送分集，以提高用户性能；另一方面可以通过垂直维度的预编码保证不同用户之间的类正交，提供了多用户发送分集的可能性，可以提升下行***吞吐量。

发明内容

本发明提出一种二维天线阵列的SFBC发送分集方法，所述二维天线阵列的水平方向和垂直方向的天线端口个数分别为M和N，所述方法包括：

将用户的数据分为M层，对M层数据进行加入垂直预编码处理的SFBC编码操作，编码操作结果映射到所有天线端口，所述加入垂直预编码处理的SFBC编码操作用下式来表示：

$\left[\begin{array}{c}{Y}^0\left(i\right)\\ Y^1\left(i\right)\\ ......\\ Y^{N-1}\left(i\right)\end{array}\right]=(W\⊗P)\left[\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(x^{\left(0\right)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Re}\left(x^{\left(1\right)}\left(i\right)\right)\\ ......\\ \mathrm{Re}\left(x^{(M-1)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Im}\left(x^{\left(0\right)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Im}\left(x^{\left(1\right)}\left(i\right)\right)\\ ......\\ \mathrm{Im}\left(x^{(M-1)}\left(i\right)\right)\end{array}\right],$

其中，x^(v)(i)表示分层得到的第v层数据，v＝0,1,...,M-1， 为每层中的数据符号个数；

W为大小为M²×2M的M端口SFBC编码矩阵；

P是一个列向量，

P＝[x₀ x₁ ... x_N-1]^T,q∈{0,1,...,Q-1},k＝0,1,...,N-1，Q为大于等于N的正整数，W与P做Kronecker积；

Y^a(i)＝[y^a(i,0) y^a(i,1) ... y^a(i,M-1)]^T，a＝0,...,N-1，y^a(i,b)＝[y^(a·M)(Mi+b) y^(a·M+1)(Mi+b) ... y^(a·M+M-1)(Mi+b)]^T,b＝0,...,M-1，其中，所有天线端口分为N组，每组包含M个天线端口，y^(a·M+r)(Mi+b)表示第a组的第r个天线端口的第(Mi+b)个符号，r＝0,...,M-1。

优选的，将用户的数据分为多组，每组数据均分为M层，对每组数据分别进行所述加入垂直预编码处理的SFBC编码操作，得到各组的各个天线端口的数据矢量，然后将各个端口的所述多组的数据矢量进行叠加并发送，各组的数据采用相同的W矩阵，不同组的数据采用不同的q值，所述多组的数量小于等于N。

优选的，对于多个用户，将各用户的数据分为M层，对各用户的M层数据分别进行所述加入垂直预编码处理的SFBC编码操作，得到各用户的各个天线端口的数据矢量，然后将各个端口的所述多个用户的数据矢量进行叠加并发送，各用户的数据采用相同的W矩阵，不同用户的数据采用不同的q值，所述多个用户的个数小于等于N。

上述所有方法中，q可以为固定值，也可以为动态值，可以由eNB根据UE反馈的垂直信道状态信息动态调整q值。

优选的，M＝2，W采用LTE R8版本中的2端口的SFBC编码矩阵。

优选的，M＝4，W采用LTE R8版本中的4端口的SFBC编码矩阵。

本发明的发送方法在二维天线阵列情形下，支持单用户更多天线端口的发送分集，同时支持多用户的发送分集。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是背景技术的SFBC发送分集方法的操作原理框图；

图2是背景技术的2端口的发送分集方法的输入输出示意图；

图3是背景技术的4端口的发送分集方法的输入输出示意图；

图4是本发明的SFBC发送分集方法的操作原理框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所有实施例均为二维天线阵列场景，M为二维天线阵列的水平方向的端口个数，N为二维天线阵列的垂直方向的端口个数。

实施例1

本发明方法的操作原理框图如图4所示，首先将数据分为M层，然后对M层数据进行加入垂直预编码处理的SFBC编码操作，编码结果映射到M*N个天线端口。该方法能够通过垂直波束成形进一步提高单用户的发送分集增益。本实施例以M＝2、单用户的情形为例具体说明本发明的SFBC发送分集方法，加入垂直预编码处理的SFBC编码操作用下式来表示：

$\left[\begin{array}{c}{y}^{\left(0\right)}\left(2i\right)\\ y^{\left(1\right)}\left(2i\right)\\ y^{\left(0\right)}(2i+1)\\ y^{\left(1\right)}(2i+1)\\ ......\\ y^{(2N-2)}\left(2i\right)\\ y^{(2N-1)}\left(2i\right)\\ y^{(2N-2)}(2i+1)\\ y^{(2N-1)}(2i+1)\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{2}}(\left[\begin{array}{cccc}1& 0& j& 0\\ 0& -1& 0& j\\ 0& 1& 0& j\\ 1& 0& -j& 0\end{array}\right]\⊗P)\left[\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(x^{\left(0\right)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Re}\left(x^{\left(1\right)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Im}\left(x^{\left(0\right)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Im}\left(x^{\left(1\right)}\left(i\right)\right)\end{array}\right]$

上式中的W采用LTE R8版本中的2端口的SFBC编码矩阵。

P＝[x₀ x₁ ... x_N-1]^T,q∈{0,1,...,Q-1},k＝0,1,...,N-1。

Q为大于等于N的正整数，当Q等于N时，P向量为DFT向量；当Q大于N时，P向量为过采样的DFT向量。

q取{0,1,...,Q-1}范围内的一个任意值，q可以为固定值也可以为动态值。

例如，当q为固定值时，假设q＝1，则 $P={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{Q}}& ...& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{Q}(N-1)}\end{array}\right]}^T.$

当q为动态值时，eNB每次选择{0,1,...,Q-1}中的一个值做为发送分集的权值q，并且告知UE。UE收到发送分集的权值q后，得到当前发送分集的加入垂直预编码处理的SFBC编码矩阵，从而恢复出原始序列。

当N＝2时，P＝[1 x],q∈0,1,...,Q-1。此时，二维天线阵列为2*2大小的发送天线端口，分别表示为天线0、天线1、天线2和天线3，所有天线分为2组，第1组包含天线0和天线1，第2组包含天线2和天线3。一个数据序列{S₀,S₁,S₂,S₃,...}，分为二层x⁽⁰⁾(i)和x⁽¹⁾(i)，x⁽⁰⁾(i)＝{S₀,S₂,...}，x⁽¹⁾(i)＝{S₁,S₃,...}。经过加入垂直预编码处理的SFBC编码后，对于第1组天线端口：在天线0上的发送序列为{S₀,S₁,S₂,S₃,...}，在天线1上的发送序列为对第2组天线端口：在天线2上的发送序列为在天线3上的发送序列为

当N＝4时，P＝[x₀ x₁ x₂ x₃],q∈0,1,...,Q-1。此时，二维天线阵列为2*4大小的发送天线端口，分别表示为天线0、天线1、天线2、天线3、…天线7，所有天线分为4组，第1组包含天线0和天线1，第2组包含天线2和天线3，第3组包含天线4和天线5，第4组包含天线6和天线7。一个数据序列{S₀,S₁,S₂,S₃,...}，分为二层x⁽⁰⁾(i)和x⁽¹⁾(i)，x⁽⁰⁾(i)＝{S₀,S₂,...}，x⁽¹⁾(i)＝{S₁,S₃,...}。经过加入垂直预编码处理的SFBC编码后，对于第1组天线端口：在天线0上的发送序列为{S₀,S₁,S₂,S₃,...}，在天线1上的发送序列为对于第2组天线端口：在天线2上的发送序列为在天线3上的发送序列为对于第3组天线端口：在天线4上的发送序列为在天线5上的发送序列为对于第3组天线端口：在天线6上的发送序列为在天线7上的发送序列为

实施例2

本实施例以M＝4、单用户的情形为例具体说明本发明的SFBC发送分集方法，加入垂直预编码处理的SFBC编码操作用公式1-1来表示：

其中的W采用LTE R8版本中的4端口的SFBC编码矩阵。

此时，二维天线阵列为4*N大小的发送天线端口，分别表示为天线0、天线1、天线2、天线3、…天线4N-1，所有天线分为N组，第1组包含天线0、天线1、天线2和天线3，第2组包含天线4、天线5、天线6和天线7，其它组依次类推。一个数据序列{S₀,S₁,S₂,S₃,...}，分为四层x⁽⁰⁾(i)、x⁽¹⁾(i)、x⁽²⁾(i)和x⁽³⁾(i)，x⁽⁰⁾(i)＝{S₀,S₄,...}，x⁽¹⁾(i)＝{S₁,S₅,...}，x⁽²⁾(i)＝{S₂,S₆,...}，x⁽³⁾(i)＝{S₃,S₇,...}。经过加入垂直预编码处理的SFBC编码后，对于第1组天线端口：在天线0上的发送序列为{S₀,S₁,0,0,...}，在天线1上的发送序列为{0,0,S₂,S₃,...}，在天线2上的发送序列为在天线3上的发送序列为同理，对于第k组天线端口，k＝0,1,...,N-1：在天线4k上的发送序列为在天线4k+1上的发送序列为在天线4k+2上的发送序列为在天线4k+3上的发送序列为 $\{\mathrm{0,0},{-e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{Q}\mathrm{kq}}\·S_3^{*},e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{Q}\mathrm{kq}}\·S_2^{*},...\}.$

公式1-1

实施例3

在实施例1和实施例2中，用户数据均被分为M层，而本实施例进一步说明如何支持更多层数的用户数据的发送分集。本实施例首先将用户分为T组，每组数据再分为M层，用户数据实际上就被分为了M*T层。

对每组数据分别进行加入垂直预编码处理的M端口的SFBC编码操作，得到各组的各个天线端口的数据矢量，然后将各个端口的所述多组的数据矢量进行叠加并发送，其中每组数据均采用相同的W矩阵，每组数据进行SFBC编码操作时采用的P向量组成一个矩阵P，具体如下：

$P=\left[\begin{array}{cccc}{x}_{00}& x_{01}& ...& x_{0(T-1)}\\ x_{10}& x_{11}& ...& x_{1(T-1)}\\ ...& ...& ...& ...\\ x_{(N-1)0}& x_{(N-1)1}& ...& x_{(N-1)(T-1)}\end{array}\right],$

q_j∈0,1,...,Q-1,k＝0,1,...,N-1,j＝0,1,...,T-1，

第j个组选择P矩阵的第j列做为自己的P向量，并且不同组的数据采用不用的q值，用q_j表示，这样通过不同列向量之间的弱相关性，就可以区分不同组的波束。为了保证组之间的正交性或弱相关性，组的个数T必须小于等于N，即最多可支持N组数据的发送分集。同样的，q_j可以取固定值或动态值。

本实施例通过选择T个不同的q值实现T个不同的垂直预编码，可保证不同组间数据的正交或类正交，使单用户支持更多层数的发送分集，可调度更大块长数据，提高单用户的吞吐量。

实施例4

本实施例以多用户的情形为例具体说明本发明的SFBC发送分集方法。本实施例的基本思想与实施例3类似，共有T个用户，首先将各个用户的数据分为M层，对各个用户的M层数据分别进行加入垂直预编码处理的M端口的SFBC编码操作，得到各用户的各个天线端口的数据矢量，然后将各个端口的所述多个用户的数据矢量进行叠加并发送，其中各用户均采用相同的W矩阵，每个用户的数据进行SFBC编码操作时采用的P向量组成一个矩阵P，具体如下：

$P=\left[\begin{array}{cccc}{x}_{00}& x_{01}& ...& x_{0(T-1)}\\ x_{10}& x_{11}& ...& x_{1(T-1)}\\ ...& ...& ...& ...\\ x_{(N-1)0}& x_{(N-1)1}& ...& x_{(N-1)(T-1)}\end{array}\right],$

q_j∈0,1,...,Q-1,k＝0,1,...,N-1,j＝0,1,...,T-1，

第j个用户选择P矩阵的第j列做为自己的P向量，并且不同用户的数据采用不用的q值，用q_j表示，这样通过不同列向量之间的弱相关性，就可以区分不同用户的波束。为了保证用户之间的正交性或弱相关性，用户的个数T必须小于等于N，即最多可支持N个用户的发送分集。同样的，q_j可以取固定值或动态值。

本实施例通过选择T个不同的q值实现T个不同的垂直预编码，可保证不同用户间数据层的正交或类正交，从而支持多用户的发送分集，提高***吞吐量。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.二维天线阵列的SFBC发送分集方法，所述二维天线阵列的水平方向和垂直方向的天线端口个数分别为M和N，所述方法包括：

将用户的数据分为M层，对M层数据进行加入垂直预编码处理的SFBC编码操作，编码操作结果映射到所有天线端口，所述加入垂直预编码处理的SFBC编码操作用下式来表示：

$\left[\begin{array}{c}{Y}^0\left(i\right)\\ Y^1\left(i\right)\\ ......\\ Y^{N-1}\left(i\right)\end{array}\right]=(W\⊗P)\left[\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(x^{\left(0\right)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Re}\left(x^{\left(1\right)}\left(i\right)\right)\\ ......\\ \mathrm{Re}\left(x^{(M-1)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Im}\left(x^{\left(0\right)}\left(i\right)\right)\\ \mathrm{Im}\left(x^{\left(1\right)}\left(i\right)\right)\\ ......\\ \mathrm{Im}\left(x^{(M-1)}\left(i\right)\right)\end{array}\right],$

其中，x^(v)(i)表示分层得到的第v层数据，v＝0,1,...,M-1，i＝0,1,..., 为每层中的数据符号个数；

W为大小为M²×2M的M端口SFBC编码矩阵；

P是一个列向量，

P＝[x₀ x₁ ... x_N-1]^T，q∈{0,1,...,Q-1},k＝0,1,...,N-1，Q为大于等于N的正整数，W与P做Kronecker积；

Y^a(i)＝[y^a(i,0) y^a(i,1) ... y^a(i,M-1)]^T，a＝0,...,N-1，y^a(i,b)＝[y^(a·M)(Mi+b) y^(a·M+1)(Mi+b) ... y^(a·M+M-1)(Mi+b)]^T,b＝0,...,M-1，其中，所有天线端口分为N组，每组包含M个天线端口，y^(a·M+r)(Mi+b)表示第a组的第r个天线端口的第(Mi+b)个符号，r＝0,...,M-1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

将用户的数据分为多组，每组数据均分为M层，对每组数据分别进行所述加入垂直预编码处理的SFBC编码操作，得到各组的各个天线端口的数据矢量，然后将各个端口的所述多组的数据矢量进行叠加并发送，各组的数据采用相同的W矩阵，不同组的数据采用不同的q值，所述多组的数量小于等于N。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

对于多个用户，将各用户的数据分为M层，对各用户的M层数据分别进行所述加入垂直预编码处理的SFBC编码操作，得到各用户的各个天线端口的数据矢量，然后将各个端口的所述多个用户的数据矢量进行叠加并发送，各用户的数据采用相同的W矩阵，不同用户的数据采用不同的q值，所述多个用户的个数小于等于N。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于：q为固定值。

5.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于：q为动态值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：eNB根据UE反馈的垂直信道状态信息动态调整q值。

7.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于：M＝2，W采用LTE R8版本中的2端口的SFBC编码矩阵。

8.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于：M＝4，W采用LTE R8版本中的4端口的SFBC编码矩阵。