本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種融合智能天線的mimo數(shù)據(jù)傳輸方法及裝置。

背景技術(shù)：

mimo(multiple-inputmultiple-output)和智能天線(smartantenna，sa)兩種多天線技術(shù)是伴隨著開發(fā)空域資源應(yīng)運(yùn)而生的，它們都是未來無線通信物理層的核心技術(shù)。

mimo是指在發(fā)送端和接收端同時使用多個天線傳送和接收信號的無線通信技術(shù)。它利用無線信道的多徑傳播，在不增加帶寬與發(fā)射功率的情況下成倍提高無線通信的質(zhì)量與數(shù)據(jù)速率，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下可達(dá)到數(shù)十bit/hz/s。mimo系統(tǒng)具有減輕多徑衰落、有效抑制或消除共信道干擾、提高頻譜利用率、增加發(fā)射效率、減小空間電磁干擾及增大系統(tǒng)容量等優(yōu)點(diǎn)，有效地提高了系統(tǒng)性能。

但是，mimo系統(tǒng)的性能嚴(yán)重依賴于信道的空間特性，無論是系統(tǒng)的可靠性還是有效性，都和子信道的空間獨(dú)立性有關(guān)，空間相關(guān)將導(dǎo)致低分集指數(shù)和信道矩陣低秩，從而降低mimo系統(tǒng)的誤碼性能和信道容量。尤其在室外環(huán)境，如城區(qū)街道環(huán)境，信號沿著街道傳播，基站與用戶之間存在一條能量集中的視距路徑，因此mimo信道相關(guān)性增強(qiáng)，mimo的技術(shù)優(yōu)勢難以發(fā)揮。因此，空間相關(guān)是影響mimo性能的一個關(guān)鍵因素。由于mimo的天線陣元一般為普通全向天線，因此僅能以空間布局來獲得空間子信道的不相關(guān)性或弱相關(guān)性(要求天線陣元間隔足夠大，至少為幾個波長)。

智能天線是一種具有空間定位和波束賦形能力的天線陣列，它利用數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使波束主瓣對準(zhǔn)期望用戶信號到達(dá)方向(directionofarrival,doa)，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，從而達(dá)到充分利用移動用戶信號，并刪除或抑制干擾信號的目的。同時，智能天線采用空分復(fù)用(sdma)方式，利用信號在傳播方向上的差異，將同頻率、同時隙的信號區(qū)分開來。它可以成倍地擴(kuò)展通信容量，并和其他復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，最大限度地有效利用頻譜資源。智能天線是僅在無線鏈路的一端采用陣列天線捕獲與合并信號的處理技術(shù)。隨著城區(qū)環(huán)境的復(fù)雜性，多徑越來越豐富，而智能天線不能充分利用多徑，發(fā)揮的空間縮小。

為此，人們考慮將mimo和智能天線兩種多天線技術(shù)進(jìn)行融合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的性能。但在現(xiàn)有的融合方案中，各智能天線利用自適應(yīng)技術(shù)獨(dú)立進(jìn)行波束成形，這些波束在空間上有很大的重疊，導(dǎo)致各波束間的強(qiáng)相關(guān)性。這樣的融合方案雖能發(fā)揮智能天線在空間分辨力上的優(yōu)勢，卻無法在小間距條件下有效降低mimo子信道的空間相關(guān)性。另一方面，由于智能天線尺寸較大，相對于普通天線較難有數(shù)倍波長的間隔，對工程布天線是個大的挑戰(zhàn)。因此，現(xiàn)有的融合方案在小間距條件下降低了mimo子信道的空間相關(guān)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對上述存在的問題，提供一種融合智能天線的mimo數(shù)據(jù)傳輸方法。不同于已有的利用智能天線技術(shù)的mimo數(shù)據(jù)傳輸方法，本發(fā)明方法在接收端通過多徑波達(dá)角估計和角度選擇來控制每個智能天線的波束指向，以有效降低波束間的相關(guān)性，并在智能天線間距較小的情況下保證mimo子信道的并行性，從而進(jìn)一步提高了通信的可靠性和有效性。本發(fā)明的另一個目的是提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的通信裝置。

本發(fā)明的一種融合智能天線的mimo數(shù)據(jù)傳輸方法，具體步驟如下：

步驟1.發(fā)送端的處理：

101.生成數(shù)據(jù)子流：對待發(fā)送的數(shù)據(jù)流(發(fā)送端數(shù)據(jù))進(jìn)行空時編碼，形成m個數(shù)據(jù)子流，其中m為預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)子流數(shù)目。

102.將m個數(shù)據(jù)子流轉(zhuǎn)換為射頻信號，并通過m副全向天線同時發(fā)射到無線信道中。

步驟2.接收端的處理：

201.波達(dá)角估計：首先利用主智能天線接收到的多徑信號完成多徑波達(dá)角估計，得到不同路徑信號的波達(dá)角估計值。本步驟中，可用music和esprit等高分辨譜估計算法估計出不同路徑信號的到達(dá)角。

202.角度選擇：從步驟201得到的波達(dá)角估計值中給每個智能天線選擇一個角度作為波束指向，也即確定智能天線的接收路徑。在角度選擇時，需要統(tǒng)一考慮n個波束的指向，以最大限度地降低波束間的相關(guān)性，其中n為接收端的智能天線數(shù)目。例如，選擇n個間隔最大的波達(dá)角估計值，基于不同的分配方式，波束相關(guān)性不同，在滿足波束相關(guān)性最小的條件下，將n個間隔最大的波達(dá)角估計值分配給n個智能天線，得到各智能天線的波束指向。

203.數(shù)字波束成形：根據(jù)每個智能天線的陣列結(jié)構(gòu)和波束指向θi，計算各智能天線的加權(quán)系數(shù)。設(shè)第i個智能天線的加權(quán)系數(shù)為((·)^t表示矩陣轉(zhuǎn)置，ki為每個智能天線的陣元數(shù)，wi1為每個陣元的加權(quán)系數(shù))，則

wi＝a(θi),i＝1,2,...,n

其中，(d為智能天線的陣元間距，λ表示載波波長，j為虛數(shù)單位，e為自然常數(shù))表示第i個智能天線在波束指向θi(方向)上的導(dǎo)向矢量。

相應(yīng)地，第i個數(shù)字波束成形器的方向圖為：

pi(θ)＝wi^ha(θ)＝a(θi)^ha(θ)，i＝1,2,...,n

204.波束定向接收：在完成智能天線波束賦形之后，各智能天線波束按照指定的方向接收空間信號。接收的時候，波束主瓣對準(zhǔn)期望路徑信號，波束旁瓣或零陷對準(zhǔn)其它路徑信號，從而達(dá)到提高期望路徑信號的信噪比，并抑制其它路徑信號的目的。

例如，第i個數(shù)字波束成形器的輸出為：

其中，xi(n)表示第i個智能天線的陣列接收矢量。

205.恢復(fù)發(fā)送端信息：首先，對n個空間波束接收的信息(yi(n))分別進(jìn)行檢測或空時譯碼，得到n路譯碼數(shù)據(jù)。然后，對n路譯碼數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，完成譯碼數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換，從而最終恢復(fù)出發(fā)送端數(shù)據(jù)，即發(fā)送端的原始信息。

本發(fā)明同時提供了一種實(shí)現(xiàn)上述方法的通信裝置，具體通過如下方案來實(shí)現(xiàn)：

一種通信裝置：包括多天線陣列、多通道射頻發(fā)信機(jī)、多通道射頻收信機(jī)、空時編碼模塊、多徑波達(dá)角估計模塊、角度選擇模塊、波束成形模塊和空時譯碼模塊。

其中，發(fā)送端包括多天線陣列、多通道射頻發(fā)信機(jī)和空時編碼模塊。接收端包括多天線陣列、多通道射頻收信機(jī)、多徑波達(dá)角估計模塊、角度選擇模塊、波束成形模塊和空時譯碼模塊。

發(fā)送端的多天線陣列為包含m個陣元的均勻線陣，且陣元間距必須為多個波長(即發(fā)送端的陣元間距大于或等于2個載波波長)，以確保發(fā)送端的各個陣元發(fā)射的信號互不相關(guān)。

所述空時編碼模塊根據(jù)mimo的工作方式(主要是兩種：空間分集和空間復(fù)用)，選擇不同的空時編碼方案。基于選擇的空時編碼，對待發(fā)送的數(shù)據(jù)流進(jìn)行空時編碼，形成m個數(shù)據(jù)子流。

所述多通道射頻發(fā)信機(jī)用于將m個數(shù)據(jù)子流轉(zhuǎn)換為射頻信號，即用來對多個數(shù)字基帶信號進(jìn)行數(shù)模(d/a)轉(zhuǎn)換、上變頻和濾波等操作；

接收端的多天線陣列由n個智能天線線性排列而成，其中智能天線間的間距必須大于0.5個波長，各智能天線是陣元間距為0.5個波長的均勻線陣。其中位于中央，陣元數(shù)最多的是主智能天線，用于多徑波達(dá)角估計和波束成形，其它n-1個智能天線只用于波束成形。智能天線如果將每個智能天線對應(yīng)的智能天線波束看成是一個接收通道，則發(fā)送端和接收端在空間上構(gòu)成了一個“m×n”維的mimo結(jié)構(gòu)。

所述多通道射頻收信機(jī)用于將多個接收信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即用來對多個射頻信號進(jìn)行濾波、下變頻和模數(shù)(a/d)轉(zhuǎn)換等操作。

所述多徑波達(dá)角估計模塊基于主智能天線接收的信號進(jìn)行波達(dá)角估計，估計出不同路徑信號的波達(dá)角估計值；

所述角度選擇模塊從多徑波達(dá)角估計模塊估計出的波達(dá)角估計值中，為每個智能天線選擇一個角度(波達(dá)角估計值)作為波束指向。在角度選擇時，需要統(tǒng)一考慮n個波束指向，以最大限度地降低波束間的相關(guān)性；

所述波束成形模塊包括權(quán)值計算單元和天線數(shù)字加權(quán)電路，其中權(quán)值計算單元根據(jù)每個智能天線的陣列結(jié)構(gòu)和波束指向θi，計算各智能天線的加權(quán)系數(shù)，天線數(shù)字加權(quán)電路基于智能天線的加權(quán)系數(shù)對陣列接收矢量進(jìn)行加權(quán)處理，得到n個空間波束接收的信息yi(n)，i＝1,2,...,n。

所述空時譯碼模塊用于對n個空間波束接收的信息(yi(n))分別進(jìn)行空時譯碼，得到n路譯碼數(shù)據(jù)，并對n路譯碼數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，完成譯碼數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換，恢復(fù)出發(fā)送端數(shù)據(jù)。

本發(fā)明首先在接收端用主智能天線估計不同時延路徑信號的波達(dá)角，然后根據(jù)獲得的這些波達(dá)角估計為智能天線的波束選擇不同的接收方向，進(jìn)而確定每個智能天線的加權(quán)系數(shù)。最后對每個智能天線波束接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并譯碼。通過發(fā)送端和接收端的配合，本發(fā)明的mimo數(shù)據(jù)傳輸方法及裝置充分發(fā)揮了智能天線的波束指向性優(yōu)勢，同時也保持了空間并行子信道的獨(dú)立性，能夠獲得高的分集增益或復(fù)用增益，進(jìn)一步了提高通信的可靠性和有效性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置的陣列結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例基站端的陣列結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4是本發(fā)明方法的工作流程圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例和比較實(shí)施例的信道容量累積概率分布圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合實(shí)施方式和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例的多天線陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，移動端是一個包括m＝3個陣元、陣元間距為的5個波長均勻線陣?；径税╪＝3個智能天線，它的陣列排布如圖2所示，3個智能天線線性排列，每個智能天線的陣元間距均為0.5個波長。中央的主智能天線有6個陣元，其他兩個智能天線均為3個陣元。移動端的陣元和基站端的智能天線波束在空間構(gòu)成了一個“3×3”的mimo結(jié)構(gòu)。

如圖3所示，本實(shí)施例的移動端還包括垂直分層空時編碼(v-blast)模塊、一個3通道射頻發(fā)信機(jī)；基站端還包括一個6通道射頻收信機(jī)、兩個3通道射頻收信機(jī)、波達(dá)角估計模塊、角度選擇模塊、3個波束成形模塊和mmse(最小均方誤差)檢測模塊。

基于本實(shí)施例的移動端和基站端完成數(shù)據(jù)(高速數(shù)據(jù))傳輸?shù)墓ぷ髁鞒倘鐖D4所示：

步驟1.生成數(shù)據(jù)子流：在移動端，首先通過垂直分層空時編碼(v-blast)將待發(fā)送的高速數(shù)據(jù)流映射成3個數(shù)據(jù)子流。

步驟2.發(fā)送數(shù)據(jù)子流：將移動端產(chǎn)生的3個數(shù)據(jù)子流從基帶調(diào)至射頻段，并通過3副全向天線同時發(fā)射到無線信道中。

步驟3.波達(dá)角估計：在基站端，首先利用主智能天線采集不同時延路徑的到達(dá)信號，并用高分辨的esprit算法(旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)估計信號參數(shù))估計出每條路徑的波達(dá)角，即多徑波達(dá)角估計值。

步驟4.角度選擇：從步驟3得到的多徑波達(dá)角估計值中，選擇3個間隔最大的角度作為3個智能天線的波束指向θ1、θ2和θ3(θ2為主智能天線的波束指向)。

步驟5.數(shù)字波束成形：根據(jù)3個智能天線的陣列結(jié)構(gòu)和波束指向θ1、θ2和θ3，計算相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)：

w1＝a(θ1),w2＝a(θ2),w3＝a(θ3)，

其中，

相應(yīng)地，3個數(shù)字波束成形器的方向圖分別為：

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).

步驟6.波束定向接收：在完成波束賦形之后，3個天線波束按照約定的方向接收信號。接收的時候，其波束主瓣對準(zhǔn)期望路徑信號的到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)其它路徑信號的到達(dá)方向，從而達(dá)到提高期望路徑信號的信噪比，并抑制其它路徑信號的目的。

3個數(shù)字波束成形器的輸出分別為：

其中，x1(n)、x2(n)和x3(n)分別表示3個智能天線的陣列接收矢量。

步驟7.恢復(fù)移動端信息：對3個波束接收的數(shù)據(jù)做mmse檢測，合并3路檢測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換，從而最終恢復(fù)出移動端的原始信息。

比較實(shí)施例

比較實(shí)施例和實(shí)施例采用相同的多天線陣列，最大的區(qū)別是接收端智能天線的波束控制不同。比較實(shí)施例中沒有波達(dá)角估計和角度選擇模塊，轉(zhuǎn)而采用自適應(yīng)波束成形技術(shù)進(jìn)行波束控制。

通過matlab仿真實(shí)驗(yàn)，對本發(fā)明實(shí)施例、比較實(shí)施例和獨(dú)立同分布(independentidenticallydistributed，iid)信道條件下的信道容量上限。圖5表示累積概率-信道容量比較圖。從圖5中可以看出，本發(fā)明實(shí)施例可能達(dá)到的信道容量明顯超過了比較實(shí)施例可能達(dá)到的信道容量，而且和獨(dú)立同分布信道條件下可能達(dá)到的信道容量比較接近。顯然，本發(fā)明方法降低了子信道的空間相關(guān)性，大大提高了通信容量。