CN107017933A - 一种融合智能天线的mimo数据传输方法及装置 - Google Patents

一种融合智能天线的mimo数据传输方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明针对现有天线融合方案存在的问题，公开了一种融合智能天线的MIMO数据传输方法。不同于已有的利用智能天线技术的MIMO数据传输方法，本发明方法在接收端通过多径波达角估计和角度选择来控制每个智能天线的波束指向，以有效降低波束间的相关性，并在智能天线间距较小的情况下保证MIMO子信道的并行性，从而进一步提高了通信的可靠性和有效性。本发明同时还公开了一种实现上述方法的通信装置。通过发送端和接收端的配合，本发明的MIMO数据传输方法及装置充分发挥了智能天线的波束指向性优势，同时也保持了空间并行子信道的独立性，能够获得高的分集增益或复用增益，进一步了提高通信的可靠性和有效性。

Description

一种融合智能天线的MIMO数据传输方法及装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种融合智能天线的MIMO数据传输方法及装置。
背景技术
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)和智能天线(Smart Antenna，SA)两种多天线技术是伴随着开发空域资源应运而生的，它们都是未来无线通信物理层的核心技术。
MIMO是指在发送端和接收端同时使用多个天线传送和接收信号的无线通信技术。它利用无线信道的多径传播，在不增加带宽与发射功率的情况下成倍提高无线通信的质量与数据速率，在实验环境下可达到数十bit/Hz/s。MIMO***具有减轻多径衰落、有效抑制或消除共信道干扰、提高频谱利用率、增加发射效率、减小空间电磁干扰及增大***容量等优点，有效地提高了***性能。
但是，MIMO***的性能严重依赖于信道的空间特性，无论是***的可靠性还是有效性，都和子信道的空间独立性有关，空间相关将导致低分集指数和信道矩阵低秩，从而降低MIMO***的误码性能和信道容量。尤其在室外环境，如城区街道环境，信号沿着街道传播，基站与用户之间存在一条能量集中的视距路径，因此MIMO信道相关性增强，MIMO的技术优势难以发挥。因此，空间相关是影响MIMO性能的一个关键因素。由于MIMO的天线阵元一般为普通全向天线，因此仅能以空间布局来获得空间子信道的不相关性或弱相关性(要求天线阵元间隔足够大，至少为几个波长)。
智能天线是一种具有空间定位和波束赋形能力的天线阵列，它利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使波束主瓣对准期望用户信号到达方向(Direction ofArrival,DOA)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而达到充分利用移动用户信号，并删除或抑制干扰信号的目的。同时，智能天线采用空分复用(SDMA)方式，利用信号在传播方向上的差异，将同频率、同时隙的信号区分开来。它可以成倍地扩展通信容量，并和其他复用技术相结合，最大限度地有效利用频谱资源。智能天线是仅在无线链路的一端采用阵列天线捕获与合并信号的处理技术。随着城区环境的复杂性，多径越来越丰富，而智能天线不能充分利用多径，发挥的空间缩小。
为此，人们考虑将MIMO和智能天线两种多天线技术进行融合，发挥各自的优势，进一步提高通信***的性能。但在现有的融合方案中，各智能天线利用自适应技术独立进行波束成形，这些波束在空间上有很大的重叠，导致各波束间的强相关性。这样的融合方案虽能发挥智能天线在空间分辨力上的优势，却无法在小间距条件下有效降低MIMO子信道的空间相关性。另一方面，由于智能天线尺寸较大，相对于普通天线较难有数倍波长的间隔，对工程布天线是个大的挑战。因此，现有的融合方案在小间距条件下降低了MIMO子信道的空间相关性。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种融合智能天线的MIMO数据传输方法。不同于已有的利用智能天线技术的MIMO数据传输方法，本发明方法在接收端通过多径波达角估计和角度选择来控制每个智能天线的波束指向，以有效降低波束间的相关性，并在智能天线间距较小的情况下保证MIMO子信道的并行性，从而进一步提高了通信的可靠性和有效性。本发明的另一个目的是提供一种实现上述方法的通信装置。
本发明的一种融合智能天线的MIMO数据传输方法，具体步骤如下：
步骤1.发送端的处理：
101.生成数据子流：对待发送的数据流(发送端数据)进行空时编码，形成M个数据子流，其中M为预设的数据子流数目。
102.将M个数据子流转换为射频信号，并通过M副全向天线同时发射到无线信道中。
步骤2.接收端的处理：
201.波达角估计：首先利用主智能天线接收到的多径信号完成多径波达角估计，得到不同路径信号的波达角估计值。本步骤中，可用MUSIC和ESPRIT等高分辨谱估计算法估计出不同路径信号的到达角。
202.角度选择：从步骤201得到的波达角估计值中给每个智能天线选择一个角度作为波束指向，也即确定智能天线的接收路径。在角度选择时，需要统一考虑N个波束的指向，以最大限度地降低波束间的相关性，其中N为接收端的智能天线数目。例如，选择N个间隔最大的波达角估计值，基于不同的分配方式，波束相关性不同，在满足波束相关性最小的条件下，将N个间隔最大的波达角估计值分配给N个智能天线，得到各智能天线的波束指向。
203.数字波束成形：根据每个智能天线的阵列结构和波束指向θi，计算各智能天线的加权系数。设第i个智能天线的加权系数为((·)T表示矩阵转置，Ki为每个智能天线的阵元数，wi1为每个阵元的加权系数)，则
Wi＝a(θi),i＝1,2,...,N
其中，(d为智能天线的阵元间距，λ表示载波波长，j为虚数单位，e为自然常数)表示第i个智能天线在波束指向θi(方向)上的导向矢量。
相应地，第i个数字波束成形器的方向图为：
Pi(θ)＝Wi Ha(θ)＝a(θi)Ha(θ)，i＝1,2,...,N
204.波束定向接收：在完成智能天线波束赋形之后，各智能天线波束按照指定的方向接收空间信号。接收的时候，波束主瓣对准期望路径信号，波束旁瓣或零陷对准其它路径信号，从而达到提高期望路径信号的信噪比，并抑制其它路径信号的目的。
例如，第i个数字波束成形器的输出为：
其中，Xi(n)表示第i个智能天线的阵列接收矢量。
205.恢复发送端信息：首先，对N个空间波束接收的信息(yi(n))分别进行检测或空时译码，得到N路译码数据。然后，对N路译码数据进行合并，完成译码数据的并串转换，从而最终恢复出发送端数据，即发送端的原始信息。
本发明同时提供了一种实现上述方法的通信装置，具体通过如下方案来实现：
一种通信装置：包括多天线阵列、多通道射频发信机、多通道射频收信机、空时编码模块、多径波达角估计模块、角度选择模块、波束成形模块和空时译码模块。
其中，发送端包括多天线阵列、多通道射频发信机和空时编码模块。接收端包括多天线阵列、多通道射频收信机、多径波达角估计模块、角度选择模块、波束成形模块和空时译码模块。
发送端的多天线阵列为包含M个阵元的均匀线阵，且阵元间距必须为多个波长(即发送端的阵元间距大于或等于2个载波波长)，以确保发送端的各个阵元发射的信号互不相关。
所述空时编码模块根据MIMO的工作方式(主要是两种：空间分集和空间复用)，选择不同的空时编码方案。基于选择的空时编码，对待发送的数据流进行空时编码，形成M个数据子流。
所述多通道射频发信机用于将M个数据子流转换为射频信号，即用来对多个数字基带信号进行数模(D/A)转换、上变频和滤波等操作；
接收端的多天线阵列由N个智能天线线性排列而成，其中智能天线间的间距必须大于0.5个波长，各智能天线是阵元间距为0.5个波长的均匀线阵。其中位于中央，阵元数最多的是主智能天线，用于多径波达角估计和波束成形，其它N-1个智能天线只用于波束成形。智能天线如果将每个智能天线对应的智能天线波束看成是一个接收通道，则发送端和接收端在空间上构成了一个“M×N”维的MIMO结构。
所述多通道射频收信机用于将多个接收信号转换为数字信号，即用来对多个射频信号进行滤波、下变频和模数(A/D)转换等操作。
所述多径波达角估计模块基于主智能天线接收的信号进行波达角估计，估计出不同路径信号的波达角估计值；
所述角度选择模块从多径波达角估计模块估计出的波达角估计值中，为每个智能天线选择一个角度(波达角估计值)作为波束指向。在角度选择时，需要统一考虑N个波束指向，以最大限度地降低波束间的相关性；
所述波束成形模块包括权值计算单元和天线数字加权电路，其中权值计算单元根据每个智能天线的阵列结构和波束指向θi，计算各智能天线的加权系数，天线数字加权电路基于智能天线的加权系数对阵列接收矢量进行加权处理，得到N个空间波束接收的信息yi(n)，i＝1,2,...,N。
所述空时译码模块用于对N个空间波束接收的信息(yi(n))分别进行空时译码，得到N路译码数据，并对N路译码数据进行合并，完成译码数据的并串转换，恢复出发送端数据。
本发明首先在接收端用主智能天线估计不同时延路径信号的波达角，然后根据获得的这些波达角估计为智能天线的波束选择不同的接收方向，进而确定每个智能天线的加权系数。最后对每个智能天线波束接收到的数据进行合并译码。通过发送端和接收端的配合，本发明的MIMO数据传输方法及装置充分发挥了智能天线的波束指向性优势，同时也保持了空间并行子信道的独立性，能够获得高的分集增益或复用增益，进一步了提高通信的可靠性和有效性。
附图说明
图1是本发明装置的阵列结构示意图；
图2是本发明实施例基站端的阵列结构示意图；
图3是本发明装置的结构框图；
图4是本发明方法的工作流程图；
图5是本发明实施例和比较实施例的信道容量累积概率分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
实施例的多天线阵列结构如图1所示。其中，移动端是一个包括M＝3个阵元、阵元间距为的5个波长均匀线阵。基站端包括N＝3个智能天线，它的阵列排布如图2所示，3个智能天线线性排列，每个智能天线的阵元间距均为0.5个波长。中央的主智能天线有6个阵元，其他两个智能天线均为3个阵元。移动端的阵元和基站端的智能天线波束在空间构成了一个“3×3”的MIMO结构。
如图3所示，本实施例的移动端还包括垂直分层空时编码(V-BLAST)模块、一个3通道射频发信机；基站端还包括一个6通道射频收信机、两个3通道射频收信机、波达角估计模块、角度选择模块、3个波束成形模块和MMSE(最小均方误差)检测模块。
基于本实施例的移动端和基站端完成数据(高速数据)传输的工作流程如图4所示：
步骤1.生成数据子流：在移动端，首先通过垂直分层空时编码(V-BLAST)将待发送的高速数据流映射成3个数据子流。
步骤2.发送数据子流：将移动端产生的3个数据子流从基带调至射频段，并通过3副全向天线同时发射到无线信道中。
步骤3.波达角估计：在基站端，首先利用主智能天线采集不同时延路径的到达信号，并用高分辨的ESPRIT算法(旋转不变技术估计信号参数)估计出每条路径的波达角，即多径波达角估计值。
步骤4.角度选择：从步骤3得到的多径波达角估计值中，选择3个间隔最大的角度作为3个智能天线的波束指向θ1、θ2和θ3(θ2为主智能天线的波束指向)。
步骤5.数字波束成形：根据3个智能天线的阵列结构和波束指向θ1、θ2和θ3，计算相应的加权系数：
W1＝a(θ1),W2＝a(θ2),W3＝a(θ3)，
其中，
相应地，3个数字波束成形器的方向图分别为：
P1(θ)＝W1 Ha(θ)＝a(θ1)Ha(θ),
P2(θ)＝W2 Ha(θ)＝a(θ2)Ha(θ),
P3(θ)＝W3 Ha(θ)＝a(θ3)Ha(θ).
步骤6.波束定向接收：在完成波束赋形之后，3个天线波束按照约定的方向接收信号。接收的时候，其波束主瓣对准期望路径信号的到达方向，旁瓣或零陷对准其它路径信号的到达方向，从而达到提高期望路径信号的信噪比，并抑制其它路径信号的目的。
3个数字波束成形器的输出分别为：
其中，X1(n)、X2(n)和X3(n)分别表示3个智能天线的阵列接收矢量。
步骤7.恢复移动端信息：对3个波束接收的数据做MMSE检测，合并3路检测数据，实现数据的并串转换，从而最终恢复出移动端的原始信息。
比较实施例
比较实施例和实施例采用相同的多天线阵列，最大的区别是接收端智能天线的波束控制不同。比较实施例中没有波达角估计和角度选择模块，转而采用自适应波束成形技术进行波束控制。
通过MATLAB仿真实验，对本发明实施例、比较实施例和独立同分布(IndependentIdentically Distributed，IID)信道条件下的信道容量上限。图5表示累积概率-信道容量比较图。从图5中可以看出，本发明实施例可能达到的信道容量明显超过了比较实施例可能达到的信道容量，而且和独立同分布信道条件下可能达到的信道容量比较接近。显然，本发明方法降低了子信道的空间相关性，大大提高了通信容量。

Claims (3)

1.一种融合智能天线的MIMO数据传输方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1.发送端的处理：
101.生成数据子流：对待发送的数据流进行空时编码，形成M个数据子流，其中M为预设的数据子流数目；
102.将M个数据子流转换为射频信号，并通过M副全向天线同时发射到无线信道中；
步骤2.接收端的处理：
201.波达角估计：对主智能天线的不同时延路径接收信号进行波达角估计，得到各路径的波达角估计值；
202.角度选择：从波达角估计值中，为每个智能天线选择一个角度作为波束指向，在角度选择时，统一考虑接收端的所有智能天线的波束指向，最大限度降低波束间的相关性；
203.数字波束成形：根据每个智能天线的阵列结构和波束指向θi，计算各智能天线的加权系数Wi＝a(θi)，其中，下标i为智能天线标识符，表示智能天线i在波束指向θi上的导向矢量，j为虚数单位，d为智能天线的阵元间距，λ表示载波波长，Ki为智能天线i的阵元数；
204.波束定向接收：各智能天线的波束按照步骤202选择的波束指向接收空间信号，得到智能天线的阵列接收矢量Xi(n)，其中下标i为智能天线标识符；在接收时，波束主瓣对准期望路径信号，波束旁瓣或零陷对准非期望路径信号；
由智能天线的加权系数Wi与阵列接收矢量Xi(n)的乘积得到空间波束接收的信息yi(n)；
205.恢复发送端数据：对N个空间波束接收的信息yi(n)分别进行检测或空时译码，得到N路译码数据；再对N路译码数据进行合并，完成译码数据的并串转换，终恢复出发送端数据，其中N为接收端的智能天线数目。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤202中，从波达角估计值中选择N个间隔最大的波达角估计值作为智能天线的波束指向，在满足波束相关性最小的条件下得到各智能天线的波束指向。
3.一种通信装置，包括多天线阵列、多通道射频发信机、多通道射频收信机、空时编码模块、多径波达角估计模块、角度选择模块、波束成形模块和空时译码模块，其特征在于：
发送端包括多天线阵列、多通道射频发信机和空时编码模块；接收端包括多天线阵列、多通道射频收信机、多径波达角估计模块、角度选择模块、波束成形模块和空时译码模块；
发送端的多天线阵列为包含M个阵元的均匀线阵，且阵元间距必须为多个波长；
所述空时编码模块根据MIMO的工作方式选择不同的空时编码方案，并基于选择的空时编码对待发送的数据流进行空时编码，形成M个数据子流；
所述多通道射频发信机用于将M个数据子流转换为射频信号；
接收端的多天线阵列由N个智能天线线性排列而成，其中智能天线间的间距大于0.5个波长，各智能天线是阵元间距为0.5个波长的均匀线阵，其中位于N个智能天线线性排列的中央且阵元数最多的是主智能天线；
所述多通道射频收信机用于将多个接收信号转换为数字信号；
所述多径波达角估计模块基于主智能天线接收的不同时延路径的信号进行波达角估计，估计出不同时延路径信号的波达角估计值；
所述角度选择模块从多径波达角估计模块估计出的波达角估计值中，为每个智能天线选择一个波达角估计值作为波束指向θi，其中下标i为智能天线标识符；
在选择波束指向时，统一考虑N个波束指向，最大限度降低波束间的相关性；
所述波束成形模块包括权值计算单元和天线数字加权电路，其中权值计算单元根据每个智能天线的阵列结构和波束指向θi，计算各智能天线的加权系数Wi＝a(θi)，其中，下标i为智能天线标识符，表示智能天线i在波束指向θi上的导向矢量，j为虚数单位，d为智能天线的阵元间距，λ表示载波波长，Ki为智能天线i的阵元数；
天线数字加权电路基于智能天线的加权系数对阵列接收矢量进行加权处理，得到N个空间波束接收的信息yi(n)＝Wi HXi(n)；
所述空时译码模块用于对N个空间波束接收的信息yi(n)分别进行空时译码，得到N路译码数据，并对N路译码数据进行合并，完成译码数据的并串转换，恢复出发送端数据。
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