CN100350759C - 组合的空间多路复用和时空编码方法和发射机 - Google Patents

Abstract

本发明建议了合并时空编码和空间多路复用。同时，正交变换矩阵的使用被建议，这确保了每一比特流贡献于每一天线上的信号。

Description

组合的空间多路复用和时空编码方法和发射机

发明领域

本发明涉及用于执行无线信道的分层时空编码的系统和方法。

发明背景

随着对无线互联网业务需要的爆发，已经发展了许多竞争解决方案。UMTS(通用移动陆上服务)标准化已导致了3Gpp标准，该标准每一扇区提供一个2Mbps数据速率。在一个更高速度分组数据接入变体HSPDA(高速数据接入)上的工作正在进行中。IS95演变的IS-2000提供HDR(高速数据速率)和1XEV(1X演变)，其允许无线互联网每一扇区以7.2Mbps的速率进行浏览。尽管有这些解决方案，但是仍然需要把速率推向更高。

近来，已经建议使用BLAST(Bell Labs Layered Space Time)作为一个无线数据解决方案，BLAST是一种分层时空编码方法。参见图1，在此分层时空编码方法后面的基本概念包括在发射侧的一个去复用器10，该去复用器10把一个主数据流11去复用成为相等速率的M个数据子流。M个数据流的每一个然后分别在各自的编码/调制块12(12A，12B，..，12M)中被编码并被调制以便产生各自的已编码已调制的数据流13(13A，13B，...，13M)。这里有M个发射天线14(14A，14B，...，14M)。一个交换机16周期性地循环已调制数据流13A，13B，...，13M和天线14A，14B，...，14M之间的关联。在接收侧，有M个天线18(18A，18B，...，18M)，其馈送到一个射束形成/空间分开/基础块20中，该射来形成/空间分开/基础块20执行一个空间射束形成/零信号(零压力)过程来分开个体的编码流并且将这些馈送给分别的个体解码器22(22A，22B，...，22M)。解码器22A，22B，...22M的输出被馈送给一个多路复用器24，多路复用器24把信号进行多路复用从而产生一个输出25，该输出25是主数据流11的一个估计。

在此结构上有许多演变。其中一个演变是修改接收机天线预处理来执行MMSE(最小均方误差)射束形成而不是零信号，从而以些许增加的ISI(相互间的码元干扰)作为代价改善期望信号SNR(信噪比)。MMSE和零信号方法两者通常都有这样的缺点：在射束形成处理中必定牺牲接收机天线阵列的一些分集。为了克服这个问题，接收机处理的分层可以被如此使用以使在最强信号已经被解码(通常使用维特比MLSE(最大似然序列估计)算法)之后从接收天线信号中减去之，从而去掉该最强信号。此过程被向下重复直到最弱信号的检测根本不须零信号时为止，并且它的分集性能因此被最大化。此分层方法的一个缺点与所有减法多用户检测方案相同，即，错误的减法可能引起差错传播。

这里有好些类型的分层时空编码结构，包括：水平BLAST(HBLAST)、对角线BLAST(D-BLAST)和垂直BLAST。它们对于最佳线性和非线性的接收机都具有完全相同的性能——假定差错控制编码未被使用在这些系统中。对于最佳线性接收(线性最大似然)，由于这些结构只具有单个发射天线和单个接收天线，所以这些结构具有相同的SNR性能，但是却提供改良频谱效率的优点。

为了达到改良的频谱性能，在这些系统中拥有大量的发射和接收天线(例如每个有四个)将是有利的。可是，虽然这对于诸如膝上型计算机之类较大无线电设备可能是实际的，可是它对于较小掌上型设备是不切实际的，因为不可能使天线分开得足够远以保证它们的独立。因此，对于掌上型设备，一个实际的局限可能是两个发射和两个接收天线。同时，限制实际天线数目的另外一个因素是成本。典型情况下，基站收发信机成本的大约三分之二是在功率放大器加天线，于是，如果增加更多天线，则这成本将增加。这些因素使得只有一个二乘二系统在商业上是实际的。

作为示例，考虑在一个频率无选择、迟缓衰落的信道中一个具有M个发射和N个接收天线的系统。被抽样的基带相等的信道模型通过

Y＝HS+η

来给出。在此，H∈CNxM是具有第(i，j)单元的复数信道矩阵，第(i，j)单元是在第i接收和第j发射天线之间的随机衰落。η∈CN是加性噪声源并且被模拟为一个具有统计独立单元的零平均圆形对称的复数高斯随机矢量，即为

S∈CM的第i单元是在第i发射天线处发射的码元Y∈CN的第i单元是在第i接收天线处接收的码元。该模型如图2所示。

通过注意数据码元Sm仅被一个天线发射并且在其他发射天线完全取销的情况下，则可以解释这样一个系统在SNR性能方面没有改善，这种系统的模型如图3所示。在这种情况下，有一个发射天线和N个接收天线。因此，对于码元sm没有编码增益。

具有一个分层时空编码结构将是有利的，它提供改良的频谱性能但是它同时也提供改良的SNR性能。

发明内容

本发明的实施例提供特征为合并的时空编码和空间多路复用的编码增益系统和方法，以及适合包括这些功能的发射机。时空编码引入一个编码增益，并且使得码元更不受衰落影响，因为在每一空间输出中每个信息成分被设法表示。在某些实施例中，时空编码包括一个分层时空结构。有利地，这些解决方案顺从具有两个发射天线和两个接收天线的实施，适合于掌上型设备的一个结构。

根据一个宽广的方面，本发明提供适合于发送M多个码元子流的一个编码增益系统。编码增益系统具有一个适合来产生M个时空编码流的时空编码功能，M个码元子流的每一码元在所有M个时空编码流中并且在不同的时刻处出现。在某些实施例中，本发明提供的编码增益能够被认为是包括M个发射天线，和/或去复用和编码功能，每一个天线适合来发射M个时空编码流中相应的一个，去复用和编码功能适合来从一个主输入流中产生M个码元子流。

在某些实施例中，时空编码功能具有适合来产生M个正交输出的一个正交变换，每一输出是M个子流的一个函数；并且具有延迟元件，该延迟元件适合来在M个正交输出中插入延迟成为产生的M个延迟的正交输出，如此以使M个延迟正交输出的每一个是不同时刻处M个子流每一个的一个给定单元的函数。例如，延迟元件可以适合于在第m个正交输出中引入m-1个码元周期的一个延迟，在此m＝1，...，M。

在另一实施例中，时空编码功能具有延迟元件，该延迟元件适合来在M个子流的每一个中插入M-1个码元周期的一个延迟，一个正交变换适于产生M个正交输出，第m个正交输出是在延迟元件中被延迟m-1个码元周期的M个子流的一个函数。

在某些实施例中，M个子流是非二进制的码元。在其他实施例中，M个子流是比特流。在这些实施例中，正交转换包括正交码元映射，例如M 2^MQAM或MPSK映射函数，其每一个适合来产生具有第m个2^MQAM映射函数的M-ary码元的相应M-ary码元序列，第m个2^MQAM映射函数的M-ary码元是在所述延迟元件中被延迟m-1比特周期的M个子流的一个函数。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的优选实施例，附图中：

图1是一个已知时空编码系统的框图；

图2是图1系统的一个信道模型；

图3是图1系统的单个天线输出的一个信道模型；

图4是表征由本发明实施例提供的一个编码增益系统的发射机框图；

图5是表征由本发明另一实施例提供的一个编码增益系统的发射机框图；

图6是表征由本发明另一实施例提供的一个编码增益系统的发射机框图；

图7是表征由本发明另一实施例提供的一个编码增益系统的发射机框图；和

图8是图7的16 QAM Gray映射的一个星座图。

最佳实施方式

本发明实施例提供一种分层时空结构，其具有与时空编码一起提供的附加增益。为了获得此目的，每个信息码元Sm被安排来以便在所有M个发射天线上被表示。时空编码的一个算法被发展用于一个发射机，并且算法被聚集用于M个发射机，因此传统BLAST结构预期的频谱效率被保持。

编码增益方法/系统和发射机的一个范围被提供，其合并了时空编码和空间多路复用。首先参见图4，示出了一个时空编码器/多路复用器编码增益系统，其包括：一个1∶M去复用器29，具有单个主输入27并且具有M个输出，其每一个在各自的编码器/调制器块31A，...，31M中被编码并被调制，以便产生已编码的子流s1，s，...，sM。这里有一个正交变换块30和若干延迟块32(仅仅两个被示出，32m-1，32M-1)，其输出被连接到各自的发射天线34A，...，34M。正交变换块30使M个已编码已调制的子流s1，s2，...，sM作为它的输入。正交变换块30以每一码元间隔在输入子流上执行下列矩阵转换：

X＝FS，

在此，在一个给定瞬时处S＝(s1，s2，..sM)，X＝(x1，x2，...，xM)∈CM是正交变换块30的输出；而F∈CMxM是定义该正交变换的一个复数矩阵。在一个实施例中，F的第(i，m)单元被定义为：

$f_{\mathrm{im}}=\left(\mathrm{Had}(i,m)\right)\·e^{j\left(\mathrm{\π}(m,1)\right)/\left(2M\right)/\left(\sqrt{M}\right)}$

在此，Had(i，m)∈(1；-1)是Hadamard矩阵的第(i，m)单元。对于M＝2，此矩阵为

可是，此变换矩阵不是唯一的，这仅仅是一个适当正交变换的一个示例。最佳变换矩阵的最优化和/或搜索取决于初始码元sm的调制以及天线M的数目。重要的是：正交变换的每一输出是所有瞬时输入的一个函数。换言之，x1＝f1(s1，s2，...，sM)，...，xm＝fm(s1，s2，...，sM)，...，xM＝fM(s1，s2，...sM)。

现在，为了获得在时间上的分离，第m个正交变换输出xm被延迟一个等于(m-1)T的时间周期，在此，T是码元持续时间，如此以使第一输出x1不被延迟，而第M个输出xM被延迟(M-1)T。延迟块32的输出包括要在天线34上发射的码元z1，...，zM。正交变换30加上延迟块32的结果是第m个输入码元sm在所有m个输出流中但是在不同时刻处被表示。

现在参见图5，本发明另一实施例被提供，其中，已编码和已调制的码元sm通过各自的延迟组40(40A，...，40M)而被馈送，每一延迟组包括M-1个延迟元件。具有相等延迟的每个码元被馈送给共同的一个换算块42。因此，所有未延迟的码元s1...，sM被馈送给第一换算块42a，被延迟(m-1)T的码元s1，...，sM被馈送给第m个换算块42m等等。每个换算块42m通过各自的复数乘法器乘以它的每个输入，并且其结果在各自的加法器44m中被总计，各自加法器的输出是第m个发射码元zm。这实际上算术地等于图4的实施例，因为每一输出码元zm同样是在一个给定瞬时但是在不同时间处的所有输入码元的一个函数。有效地，延迟块和正交变换功能已经按照逆序被执行。

从时空编码过程的输入包括由编码器/调制器块输出的码元的角度看，图4和5的示例两者都以感测的形式执行码元级时空编码，即。现在参见图6，本发明另一实施例被提供，其中，比特级时空编码被执行。在这个实施例中，一个1∶M去复用器59从输入比特流58中产生M个比特子流u1，...，uM，它们全部被馈送到延迟元件60A，...，60M-1中，每一延迟元件增加上一个进一步的比特周期T延迟。未延迟的比特u1，...，uM，和每一延迟元件60A，...，60M-1输出的比特被馈送给分别的码元映射函数62a，..，62M，在该说明实施例中它们是QAM函数。每一QAM映射函数62A，...，62M把它M个输入比特映射到由相应天线64A，...，64M输出的一个相应输出码元zm上。在一个实施例中，QAM映射被如此设计以使它们彼此正交。

现在参见图7，图6实施例的一个特定示例被示出，这是一个非常实际的实施例，并且其中使用与图6相同的编号方案。在这种情况下，假定去复用器59是一个1∶4去复用器，它产生四个比特子流u1，u2，u3，u4，它们全部被无延迟馈送给第一16 QAM映射62A，并且全部被馈送给延迟元件60，延迟元件60把一个延迟T引入到子流中并且把延迟的子流输出到第二16 QAM映射62B中。两个QAM映射62A、62B具有馈送给相应的发射天线64A、64B的输出z1、z2。一个示例接收机的细节被示出，其中，有一个2M状态MLSE解码器80，该解码器被连接到两个接收天线82A、82B。应该理解，许多不同的接收机结构可以被使用，并且这对本发明来说并不重要。此实施适用于在手持型设备中的有效实施，因为这里仅有两个发射和两个接收天线。

16QAM映射函数62A、62B的一个建议映射如图8所示。第一映射被示出用于第一天线64A，通常由90表示。第二映射被示出用于第二天线64B，通常由92表示。每一映射示出了由它们在水平(实部)和垂直(虚部)轴上的位置定义的16个16QAM星座点如何映射到输入比特组合u1、u2、u3、u4(0000到1111)的相应十进制形式(0到15)。

在上述的一个示例中，接收机是一个2M状态MLSE解码器。正如先前指出的，特定的接收机设计并不重要。它可以是一个维特比解码器、一个迭代解码器或者其它类型的解码器。

在上面的实施例中，对于码元级时空编码，假设时空功能的输入包括已编码已调制的码元流。在另一实施例中，编码和调制与时空编码集成。

根据上面的教义，则本发明的许多修改和变化是可能的。因此应该理解，在附加权利要求的范围内，除了在此明确描述的之外本发明还可以被实践。

Claims (13)

1.一种发射机，适合处理M个码元子流，所述发射机包括：

一个时空编码功能单元，其适合来对于M个码元的每个输入组产生M个时空编码码元，M个码元的每个输入组包括每一码元子流一个码元，M个时空编码元的每一个被包括在M个时空编码流的相应一个中，其中M个码元子流中的每个码元被表示在全部M个时空编码流中，并且每个码元在M个时空编码流的每一个中的表示的时间各不相同；

M个发射天线，每一天线适合来发射M个时空编码流中相应的一个。

2.根据权利要求1的发射机，进一步包括：去复用和编码功能单元，而所述去复用和编码功能单元包括一个具有M个输出的去复用器，和M个编码器/调制器，所述M个编码器/调制器中的每一个产生M个码元子流中相应的一个，M个编码器/调制器的每一个被连接来接收相应的一个多路去复用器输出。

3.根据权利要求2的发射机，其中，去复用和编码功能单元适合从一个输入流中产生M个码元子流。

4.根据权利要求3的发射机，其中，所述时空编码功能单元包括：

一个正交变换单元，其适合来产生M个正交输出，其每一输出是M个子流的一个函数；

延迟元件，其适合在M个正交输出的M-1中插入各自不同的延迟，以便产生M个时空编码流。

5.根据权利要求4的发射机，其中，所述延迟元件适合于在第m个正交输出中引入m-1个码元周期的一个延迟，在此m＝1，...，M。

6.根据权利要求1的发射机，其中，所述时空编码功能单元包括：

延迟元件，其适合在M个子流的每一个中插入M个码元周期的一个延迟；

一个正交变换，所述正交变换适合来产生M个正交输出，所述第m个正交输出是在所述延迟元件中延迟m-1个码元周期的M个子流的一个函数。

7.根据权利要求6的发射机，其中，M个子流是比特流，并且其中该正交转换包括M个M-ary映射函数，其每个函数适合来产生一个相应的M-ary码元序列，其中第m个M-ary映射函数的M-ary码元是在所述延迟元件中被延迟m-1比特周期的M个子流的一个函数。

8.根据权利要求1的发射机，还包括与时空编码功能单元集成的编码器/调制器功能单元。

9.一种组合的空间多路复用和时空编码方法，包括：

把一个输入码元流去复用成为M个码元子流；

对所述M个码元子流的每一个执行编码和调制；

执行一个时空编码功能，其适合对于M个码元的每个输入组产生M个时空编码码元，M个码元的每个输入组包括每一码元子流的一个码元，M个时空编码码元中的每一个被包括在M个时空编码流的相应一个中，其中M个码元子流中的每个码元被表示在全部M个时空编码流中，并且每个码元在M个时空编码流的每一个中的表示的时间各不相同；

在相应的天线上发射所述M个时空编码流。

10.根据权利要求9的方法，其中，执行所述时空编码功能包括：

执行一个正交变换来产生M个正交输出，其每一输出是M个子流的一个函数；

把所述M个正交输出延迟，以产生M个延迟的正交输出，如此以使M个延迟正交输出的每一个在不同时刻是M个子流每一个的一个给定单元的函数。

11.根据权利要求10的方法，其中，第m个正交输出被延迟m-1个码元周期，在此，m＝1，...，M。

12.根据权利要求9的方法，其中，执行所述时空编码功能包括：

M个子流的每一个被延迟M个码元周期；

执行一个正交变换，所述正交变换适合产生M个正交输出，所述第m个正交输出是被延迟m-1个码元周期的M个子流的一个函数。

13.根据权利要求10的方法，其中，M个子流是比特流，并且其中该正交转换包括M个M-ary映射函数，其每个函数适合来产生一个相应的M-ary码元序列，第m个M-ary映射函数的M-ary码元是在所述延迟元件中被延迟m-1比特周期的M个子流的一个函数。

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