专利名称：一种空时发射分集方法
技术领域：
本发明涉及无线通信传输技术，特别是关于一种空时发射分集方法。
背景技术：
空时发射分集技术是指，在空间上采用多发射天线的空间分集，在时间上采用同一信号以不同形式、在不同的时间段内发射的时间分集，接收端可进行相应的空时分集接收，从而改善无线通信系统的信道传播特性，提高通信系统的容量和可靠性。第三代移动通信标准化组织(3GPP，Third GenerationParternership Project)的物理层技术规范中采用了三种空时分集发射方法。这三种方法分别是基于空时分组码的开环下行发射分集技术(STTD，Space TimeTransmit Diversity)、基于反馈各发射天线调整系数的闭环发射分集模式(TxAA1，Transmit Adaptive Arrays 1)和闭环发射分集模式2(TxAA2)。
不论是TxAA1、TxAA2还是STTD方式，这三种方式都采用两根发射天线来发射信号，而且两发射天线上的基本公共导频信道(CPICH)都是正交的，也就是说，两根发射天线的信号在空间传播时经过各自独立的衰落信道到达接收机，接收机得到不同传输空间的信道特征。接收端对每个信号的恢复也可以用其在不同时间和空间的传播形式，抵消一些无线衰落信道的影响，获得时间分集和空间分集的增益，从而提高系统性能。
图1为STTD方式发射分集技术示意图。其中，S1和S2为两个相邻的待发射信号，两个相邻信号S1和S2经过STTD编码后分为两组，在第一根发射天线(TxAnt1)上仍然为连续的S1和S2符号，在第二根发射天线(Tx Ant2)上S1和S2的时间顺序和表示形式做了变换，成为-S2*和S1*，然后，两路发射天线分别将S1和S2与-S2*和S1*两路信号经过无线衰落信道特征h1和h2发射，接收天线将接收到不同表现形式的同一信号。从图1可以看出STTD方式的特点可概括为两点，一是引入了空时分组编码，二是不需接收端反馈信息的开环分集。STTD作为一种开环方式，不需耗费上行资源，只要两路发射天线信号经历的空间信道有独立性，长时间内这种方法总是可以获得分集增益的，所以该方法性能稳健性比较好。但由于其获得增益是长时间平均意义上的，因此该方法的缺点是不能根据信道的实时变化特性得到局部时间段内的优化。
如图2所示，专用物理控制信道(DPCCH)和专用物理数据信道(DPDCH)时分复用而成专用物理信道(DPCH，dedicated physical channel)，在码分多址的通信系统中，DPCH信道的信号经过扩频和加扰之后对应于两根发射天线，分为两路相同的信号，分别乘以接收方反馈的权值因子w1和w2。两根发射天线发送不同的公共导频信道CPICH1和CPICH2，使接收机能够区分来自不同天线的无线信道衰落特性。公共导频信道和扩频后的DPCH之间以不同的正交扩频码区分，叠加在一起到发射天线，使接收机能够根据该正交特性区分出CPICH和DPCH信号。
从上面的分析可知，闭环发射分集模式(TxAA)通过空间分集和对衰落信道的预先纠正从而获得分集增益，而且与STTD两种方式之间存在明显不同，主要表现在(1)DPCH信号没有经过空时分组编码，因此两根发射天线上的DPCH信号是完全相同的；(2)两个发射天线上的用户数据信号要与各自的权值w1和w2相乘后才被发射，而w1和w2为来自上行信道的反馈，因此TxAA方式是闭环控制的。而TxAA1和TxAA2的区别仅在于，在TxAA1中反馈权值w1和w2只包括相位调整信息；在TxAA2中反馈权值w1和w2不仅包括相位调整信息，而且还包括幅度信息，这种方式可以通过调整两天线发射功率的分配获得更大增益。
虽然，闭环发射方式通过反馈可以根据信道的即时特点在每一时刻都能获得最优。但是，无线系统中的反馈存在风险大、稳健性差的问题。比如，用户设备(UE)的上行反馈信号可能传错，如果传送错误，基站将从用最好的发射天线变成了用最差的天线，这样一来代价很大；有些时候两天线的信道质量很接近，而反馈存在时延的情况下，可能在真正发射数据时刻被选择天线的信道质量变得不好；如果当前移动台移动速度很快，反馈周期跟不上信道快速时变特性时，将导致接收机对反馈天线的选择相对于实际信道变化没有什么参考意义，也可能出现越调越差的现象。
综上所述，现有的三种空时分集发射技术中，开环发射模式具有稳定性的特点，但它获得的增益是长时间平均意义上的，不能根据信道的时变特性得到局部时间段内的优化；闭环模式下的两种发射技术，可以根据信道的即时特点在每一时刻都能获得最优，但稳健性相对较差。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种空时发射分集方法，使发射分集在性能优化的同时保证系统的稳健性。
一种空时发射分集方法，该方法是这样实现的。
一种空时发射分集方法，该方法包括以下步骤A.发射方将用户数据信号进行空时编码后，分成两路数字信号，每路数字信号都是全部用户数据信号的不同表现形式，该两路数字信号分别承载在发射方的发射天线1和发射天线2上；所述发射天线1和发射天线2分别发射不同的导频序列，且导频序列的发射功率在两发射天线间平均分配；B.将接收方收到的两路发射信号的接收质量与预先设定的接收质量阈值进行比较，从发射天线1的权值为1、发射天线2的权值为0，发射天线1的权值为0、发射天线2的权值为1，两根发射天线的权值相等且等于 的三种组合中确定一种权值组合；C.根据步骤B所确定的权值组合分配发射天线的功率。
步骤B中所述接收方收到的两路信号的接收质量用每个发射天线的当前信道特征或每个发射天线的信干噪比测量值表示。
步骤B中所述接收方收到的发射信号的接收质量用两个发射天线的衰落信道特征表示时，步骤B进一步包括判断两个衰落信道特征的模之差的绝对值是否小于等于预先设定的接收质量阈值，如果是，则每根发射天线的权值相等且等于 否则，衰落信道特征的模大的发射天线对应的权值为1，衰落信道特征的模小的发射天线对应的权值为0。
步骤B中所述接收方收到的发射信号的接收质量用两路发射信号的信干噪比表示时，步骤B进一步包括判断两根发射天线的信干噪比之差的绝对值是否小于等于预先设定的接收质量阈值，如果是，则每根发射天线的权值相等且等于 否则，信干噪比大的发射天线的权值为1，信干噪比小的发射天线权值为0。
所述方法进一步包括发射方在发射信号之前，预先设定接收质量阈值。
步骤B中所述预先设定的接收质量阈值根据移动台的移动速度来调整。
步骤B中所述权值的确定由接收方完成，然后接收方将所确定的权值反馈至发射方。
所述接收方反馈权值由一个信息比特和不连续发送(DTX)信号来实现。
所述接收方反馈权值由一个以上的信息比特编码来实现。
所述接收方反馈权值进一步包括接收方向发射方反馈权值，发射方判决收到的权值，得到判决结果的可靠性值对数似然比(LLR)，然后判断LLR绝对值是否小于预先设定的LLR门限值，如果小于，则将信号发射修正为两根天线均分功率发射，否则不作修正。
在时分双工(TDD)无线通信系统中，所述步骤B进一步包括接收方向发射方反馈发射天线的接收质量值，发射方收到发射天线的接收质量值后，判断被选择的天线是否为接收质量最好的天线，如果是，则选择有效，否则将发射方式修正为两天线均分功率一起发射。
本发明是将闭环空时发射分集和开环空时发射分集相结合，在两发射天线接收质量之差高于预先设定的接收质量的阈值时，选择质量高的天线进行发射，在两发射天线接收质量之差小于预先设定接收质量的阈值时，则选择两天线平均功率一起发射的方式，从而保证在收发信号时系统既具有稳健性又具有性能优化特征。
图1为传统的开环空时分集发射技术(STTD)示意图；图2为传统的闭环空时分集发射模式示意图；图3为本发明进行空时分集发射模式示意图。
具体实施例方式
本发明的核心内容是将选择性能最优的天线发射与选择最稳健的两天线均分功率发射相结合，用户数据信号经过发射方空时分组编码后分为两路信号，然后将当前每路信号的接收质量与预先设定接收质量的阈值进行比较，从而确定发射功率该如何分配。
由于无线信道是变化的，在闭环情况下要选择质量强的天线发射时，可能经过反馈延迟后，选定的信号质量已经不如另外一根天线了。因此本发明引入了接收质量阈值的概念，阈值即门限值，是预先设定的，其取值与系统对发射天线分集增益的要求以及反馈信号的接收质量有关，并受衰落信道变化快慢等因素的影响，而且也要根据移动台的移动速度进行调整。当两天线发射质量之差高于接收质量阈值时，选择发射质量高的天线进行空时发射分集；当两天线发射质量接近，或反馈周期跟不上信道变化，或发射方认为反馈信息不可靠，可以采用平均分配两天线的发射功率。
为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
以图1为例，接收天线上接收到的连续的两个符号分别满足
其中，r1，r2分别是先后接收到的两个连续符号，h1，h2是两个发射天线所经历的信道，而S1，S2则是需要发射的符号，n1，n2是先后接收的噪声信号。采用图2的加权方式，则有 其中，w1，w2满足|w1|2+|w2|2＝1。令a1＝w1h1，a2＝w2h2，接收时则有 接收的信噪比为SNR=(|a1|2+|a2|2)2ES(|a1|2+|a2|2)σ2=(|a1|2+|a2|2)ESσ2----(4)]]>其中，σ2是噪声n1，n2的能量，ES是发射符号S1，S2的能量。在发射功率一定的前提下，当|a1|2+|a2|2取得最大值时，接收的信干噪比最高。而|a1|2+|a2|2＝|w1|2|h1|2+|w2|2|h2|2≤max{|h1|2，|h2|2}(5)当且仅当w1，w2其中一个取零时，公式(5)中等号成立。
从这里可以看出，在两发射天线进行功率分配时，只选择信道条件好的发射天线进行发射，接收方可以获得最大的信噪比。因此，在w1＝1，w2＝0或w1＝0，w2＝1时，接收方获得的信噪比最大，进而最优的功率分配也就是将所有功率分配给当时信道条件最好的发射天线。
根据以上分析可知，在两根天线的接收质量相差比较大时，选择两天线中接收质量高的进行发射，在两根天线的接收质量相差不大时，选择两天线均功率发射。
因此，本发明实现空时分集发射的系统(RASTTD)如图3所示，该实现空时分集发射的系统包括空时编码器、具有两根发射天线的发射天线阵、权值反馈通道、权值选值模块和接收机。其中，两根发射天线分别发射不同的导频序列，使接收方能够区分来自两发射天线的导频，获得两天线的无线信道特征，而且导频序列的发射功率在两发射天线间平均分配。
两个相邻的待发射信号S1和S2经过发射方空时编码器进行空时分组编码之后分为两路，且每一路信号都是全部用户数据信号的不同表现形式。其中，一路保持与输入单元块相同，即输出(S1，S2)，另一路为输入单元块共轭的逆序，且第一个输出符号取反，即输出(-S2*，S1*)，这两路信号分别乘以各自的权值，经过发射天线Tx Ant1和Tx Ant2发射出去，接收机在接收端接收两路不同表现形式的数据信号。
接收方将当前每根天线上信号的接收质量与预先设定的接收质量阈值进行比较，确定发射方每根天线的权值w1，w2。其中，w1，w2满足w12+w22=1,w1,w2∈{0,1,2/2},]]>因此w1，w2有三种可能的取值组合w1＝1，w2＝0；w1＝0，w2＝1；w1=w2=2/2,]]>这三种情况分别对应天线1发射，天线2发射和两天线均分功率同时发射。
在这里，信号接收质量既可以是用户终端接收机通过对导频的处理所估计出两天线的衰落信道特征 和 也可以是两天线信号与干扰和噪声的比值SINR1与SINR2。而且，权值确定既可以由接收机向发射机报告信道特征 和 或信干噪比SINR1与SINR2的测量值后由发射机完成，也可以是接收机根据信道质量测量值后直接确定发射机的天线权值，再向发射机反馈该权值。
当信号接收质量是用户终端接收机估计出的两天线上衰落信道特征 和 时，确定权值的具体过程如下判断两个衰落信道特征的模之差的绝对值是否小于等于预先设定的接收质量阈值，如果小于，则两根发射天线的权值相等且等于 否则，衰落信道特征的模大的发射天线对应的权值为1，衰落信道特征的模小的发射天线对应的权值为0。
当信号接收质量是两发射天线上信号与干扰和噪声的比值SINR1与SINR2时，权值确定的具体过程如下判断两根发射天线的信干噪比之差的绝对值是否小于等于接收质量阈值，如果是，则每根发射天线的权值相等且等于 否则，信干噪比大的发射天线的权值为1，信干噪比小的发射天线权值为0。
如果上述过程是由接收机直接确定的，那么接收机向发射机反馈权值时，可以由一个信息比特及不连续发送(DTX，Discontinuous Transmission)信号来实现。也就是说，信息比特取0和取1都表示该位置有发射功率，对应接收机可以解调出一个比较强的正向或负向信号，如果在该信息比特的位置不发射功率时，即采用DTX不连续发射技术，在该位置暂时关闭发射，这时则接收机可能收到的是非常弱的位于0附近的信号，也即对于接收机来说，此时收到的是背景噪声。因此可以用取0、取1或不发射功率来表示三种权值。如该信息比特取“0”表示选择发射天线1，取“1”表示选择发射天线2，如果该信息比特位置不发射功率，则表示选择两发射天线一起发射。为了提高基站接收信号的可靠性，也可以用多比特的适当编码来实现接收机反馈权值，如“00”表示选择发射天线1，“11”表示选择发射天线2；“01”或“10”表示选择两发射天线一起发射。
并且，由于信道的时变特性会随移动速度的增加而加剧，时变太快会引起天线权值反馈的准确性，因此，可以根据移动台的移动速度来调整接收质量阈值。移动台的移动速度越快，选择两发射天线均分功率发射的概率越大。发射机或接收机的任何一方都可测得移动台的相对移动速度，并视具体实现方式在本端直接调整接收质量阈值或将接收质量阈值调整信息通知对端。
另外，发射机可以通过对反馈权值的判决和修正来进一步保证反馈机制的性能。在接收机向发射机反馈权值的情况下，发射机收到来自接收机的发射天线权值信息时，将判决出所取的权值w1，w2，同时得到判决结果的可靠性度量一对数似然比(LLR)，LLR的绝对值越大，表明所接收的权值信息越可靠。
发射机通过LLR来判决和修正权值的具体过程如下预先设定非负的门限LLRTHRESHOLD，在w1＝1，w2＝0或w1＝0，w2＝1，选择一根发射天线进行发射的情况下，当接收机向发射机反馈权值时，发射机将判决出收到的权值，得到判决结果的可靠性值对数似然比(LLR)，然后判断该LLR的绝对值是否小于预先设定LLR的门限值，如果小于，则将信号发射修正为两根发射天线均功率发射，即w1=w2=2/2.]]>在时分双工(TDD)无线通信系统中，由于上下行无线信道的对称性，所以可以利用发射机对接收机上报时信道质量的测量进一步修正天线选择结果。比如，如果被选择的发射天线正好是接收质量好的天线，则选择有效；如果相反，则将选择结果修正为两个发射天线一起发射。
本发明将闭环功率分配调整为性能最优的两发射天线选择其一发射与最稳健的两发射天线等功率发射相结合。当两发射天线发射质量接近时，或反馈周期跟不上信道变化时，或发射方认为反馈信息不可靠时，都可以从选择一根发射天线回到采用两发射天线平均分配发射功率，即开环空时发射分集。开环分集是稳健性最好的，能保证得到分集增益，使由于选择发射天线错误引起的系统性能恶化的概率降到最低。因此本发明使发射分集在性能优化的同时保证了系统的稳健性。
权利要求
1.一种空时发射分集方法，其特征在于，该方法包括以下步骤A.发射方将用户数据信号进行空时编码后，分成两路数字信号，每路数字信号都是全部用户数据信号的不同表现形式，该两路数字信号分别承载在发射方的发射天线1和发射天线2上；所述发射天线1和发射天线2分别发射不同的导频序列，且导频序列的发射功率在两发射天线间平均分配；B.将接收方收到的两路发射信号的接收质量与预先设定的接收质量阈值进行比较，从发射天线1的权值为1、发射天线2的权值为0，发射天线1的权值为0、发射天线2的权值为1，两根发射天线的权值相等且等于 的三种组合中确定一种权值组合；C.根据步骤B所确定的权值组合分配发射天线的功率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中所述接收方收到的两路信号的接收质量用每个发射天线的当前信道特征或每个发射天线的信干噪比测量值表示。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤B中所述接收方收到的发射信号的接收质量用两个发射天线的衰落信道特征表示时，步骤B进一步包括判断两个衰落信道特征的模之差的绝对值是否小于等于预先设定的接收质量阈值，如果是，则每根发射天线的权值相等且等于 否则，衰落信道特征的模大的发射天线对应的权值为1，衰落信道特征的模小的发射天线对应的权值为0。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤B中所述接收方收到的发射信号的接收质量用两路发射信号的信干噪比表示时，步骤B进一步包括判断两根发射天线的信干噪比之差的绝对值是否小于等于预先设定的接收质量阈值，如果是，则每根发射天线的权值相等且等于 否则，信干噪比大的发射天线的权值为1，信干噪比小的发射天线权值为0。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括发射方在发射信号之前，预先设定接收质量阈值。
6.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，步骤B中所述预先设定的接收质量阈值根据移动台的移动速度来调整。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中所述权值的确定由接收方完成，然后接收方将所确定的权值反馈至发射方。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述接收方反馈权值由一个信息比特和不连续发送(DTX)信号来实现。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述接收方反馈权值由一个以上的信息比特编码来实现。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述接收方反馈权值进一步包括接收方向发射方反馈权值，发射方判决收到的权值，得到判决结果的可靠性值对数似然比(LLR)，然后判断LLR绝对值是否小于预先设定的LLR门限值，如果小于，则将信号发射修正为两根天线均分功率发射，否则不作修正。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在时分双工(TDD)无线通信系统中，所述步骤B进一步包括接收方向发射方反馈发射天线的接收质量值，发射方收到发射天线的接收质量值后，判断被选择的天线是否为接收质量最好的天线，如果是，则选择有效，否则将发射方式修正为两天线均分功率一起发射。
全文摘要
本发明公开了一种空时发射分集方法，该方法包括发射方将用户数据信号空时编码后，分成两路数字信号，每路信号都是全部用户数据信号的不同表现形式，这两路数字信号分别承载在发射天线1和发射天线2上；所述发射天线1和发射天线2分别发射不同的导频序列，且导频序列的发射功率在两发射天线间平均分配；将接收方收到的两路信号的接收质量与预先设定的接收质量阈值比较，从发射天线l权值为1、发射天线2权值为0，发射天线1权值为0、发射天线2权值为1，两根发射天线权值相等且等于
文档编号H04L1/06GK1507167SQ0215538
公开日2004年6月23日 申请日期2002年12月11日 优先权日2002年12月11日
发明者周雷, 陈月华, 雷 周 申请人:华为技术有限公司