CN100459480C - 用于频率选择性信道的对角分层的多天线传输 - Google Patents

Abstract

公开一种解决层间符号间干扰的方法和系统。对角分层的多天线传输应用于建议的方法和系统。将已知的码字插入不同层之间的间隙以消除层间和符号间的干扰。本系统依赖一种改进的方法来传输多个数据流(数据层)。本发明描述了一种方法，利用频率选择性信道以一种有效且巧妙的方式来通过多重天线传输数据流。通过改变数据流的发射天线，在现有的系统中，我们就能解决关于不同数据流间的层间符号间干扰的方法问题。本发明的应用将不会在不同层之间产生新的符号间干扰。

Description

用于频率选择性信道的对角分层的多天线传输

技术领域

本发明涉及使用多址接入方案的移动蜂窝通信网络，尤其涉及一种从多个发射天线上发射多个数据流的方法。

背景技术

移动蜂窝通信网络利用多址接入方案，其中符号间干扰必须通过均衡来消除。明显的实施例是基于GSM(全球移动电话系统)的TDMA(时分多址)，现在已演化为增强数据速率的GSM，GSM/EDGE无线接入网络(GERAN)，和基于UTRA-TDD(UMTS陆地无线接入时分双工)TD-CDMA(时分码分多址)网络。以下的叙述将用GSM术语来示例本发明。本发明尤其与在多输入多输出的频率选择性信道中传输的多层信号的编解码有关。

频谱已成为在移动蜂窝无线通信网中一种有限而昂贵的资源。所以，人们大量的关注放在了提高频率利用效率上。一种增容但不增加带宽的方法就是发射机和接收机都应用多个天线。在发射机和接收机间的信道是多输入多输出(MIMO)的信道。相对于只有单发射单接收天线的信道，这样一个多输入多输出的信道确实会提供更大的信道容量。

目前，人们提出了几种应用多输入多输出信道来增加容量的技术。在应用多输入多输出信道这些更加引人注目的技术中，有些技术是将数据划分为分离的层，在这些层同时发射，在接收端，每一层会被单独地解调和解码。由G.J.Foschini提出的适于多元素天线阵的空时分层体系目前经常被人们称为单调衰减信道系统设计的BLAST(贝尔实验室空时分层体系)。这种BLAST方法可以被分为两小类：对角BLAST(D-BLAST)和垂直BLAST(V-BLAST)。这两种方法将在图1中示出，它是一个具有双发射天线的传输系统。在Foschini的另一篇论文中，提到“用对角分层，某些空时将会在每个脉冲的首末端被浪费掉。”但是，当为不同层而改变发射天线时，这并不涉及避免码间干扰的问题。相反，他们得出结论：在一个无线电脉冲的始末端，随着编码算法和解码算法的应用，容量会出现衰减。

在D-BLAST中，数据流将会被去复用成几个小的子流，或几个数据层，每一层都会被独立地编码和映射成符号。在给定的时间里，每一层都会被单独的天线发射。在发射端，被一层耦合的天线定时地变化。在脉冲中，一层改变发射天线的那个位置，就可以简化的认为是两层间的界限。一层的发射天线将以循环的方式转换，这样，每一层从所有天线将会被传输相同的时间长度。这些层能以和图1中所示一样慢的速度来变换天线，也可以快到以每一个符号的速度变换。这种方式可以保证对一个完整的脉冲而言，所有层都不会经历最糟糕的传输路径。如果传输路径中的某一个因为衰减而丢失，传输依然是可能的，因为从多个天线都进行发射，也因为可以通过纠错信道编码(像卷积码)来恢复该层。

当然，对于V-BLAST，数据流将会被去复用成几个数据层，每一层都会被独立地编码和调制。但与D-BLAST不同的是，在整个脉冲中，每一层都与一个发射天线相关联。这意味着，如果一个发射天线由于衰减之类的原因失灵，则从该天线传出的整个层的数据都将会丢失。

在接收端，典型地要考虑分段解调和解码，每一层都会被单独地解调和解码。在实际中，这需要接收端也具有多个天线。一般，接收端的天线数要至少和发射端的一样多。这就要求接收端要从所接收的信号中保留有效信号抑制其他信号。在这层信号被解调和解码后，该层信号就会从所接收的信号中删除。另一种方法，就是在这层信号被解调后但解码前，该层信号就将从所接收的信号中删除。这种方法可能会更可取，因为如果采用的是高编码速率的编码，或者如果一层是在几个传输脉冲进行编码，在这种情况下，接收端将必须在解调和解码开始之前，收集齐所有脉冲(层信号是编码在这些脉冲里的)。

在美国新近的一项专利中，描述了一种接收机算法，其中应用多接收天线来抑制同信道干扰，然后用“Viterbi均衡器”来解决符号间干扰ISI。但是，这种专利只涉及了一种特殊的接收算法而没有提及任何的应用于传输的方法。

如果接收机能决定哪一层拥有最好的传输质量，然后就首先解调且解码或者只解调该层，那么V-BLAST的性能将会改善。

解决的问题

对于需要均衡来解决符号间干扰的移动蜂窝无线通信网络(比如GERAN)，对于多天线传输系统(该系统在一个脉冲中变换发射天线比如D-BLAST)的问题也出现了。

图2示出了拥有两个传输和两个接收天线的传输系统的传播路径。一个符号序列由发射天线Tx1发射，通过信道h11，由接收天线Rx1接收，通过信道h12，由接收天线Rx2接收。相似地，一个符号序列由发射天线Tx2发射，通过信道h21，由接收天线Rx1接收，通过信道h22，由接收天线Rx2接收。如果信道h11，h12，h21，h22是时间离散的，则接收信号将会被码间干扰所破坏。消除码间干扰需要均衡。

对于那种通过几个发射天线来发射层的多个天线传输系统，一层中紧靠另一层边界的符号易受到符号间干扰的影响，这种影响不仅与同一层的符号有关，也与相邻层的符号有关。这种来自相邻层的符号间干扰可以简化地称为层间符号间干扰(层间ISI)。图3示出了这一问题，双层D-BLAST在三抽头信道(拥有记忆双字符特性的信道)中传输。两层间边界上任何一边的字符都会受到层间干扰ISI的破坏。图3中，标有“层间重叠”的区域，显示的是受层间符号间干扰破坏的字符。这将会给成功解调解码层数据的接收机带来一定难度，因为对于好的均衡性能，当均衡第一层数据时，来自第二层的符号同样需要考虑。

对于类似ISI方案的V-BLAST系统，解决符号间干扰没有特别的困难。因为在整个脉冲周期内，每层数据都是从同一发射天线上发射的。但是V-BLAST系统就像它的传输原理一样，不会有任何的传输分集，因为每一层数据都仅从一个发射天线上发射。

发明内容

公开一种消除层间符号间干扰的方法和系统。这一方法和系统应用了对角分层多重天线传输。已知的符号被插入到不同层的边界，以消除层间和符号间的干扰。这个系统基于一种新的方法来发射多个数据流(层)。当是频率选择性信道时，本发明描述了一种在多重天线上以一种高效率、有成本效益的、强大的传输数据流的方法。当改变数据流的发射天线时，通过本发明的方法，就可以消除不同数据流间的层间符号间干扰。本发明所应用的对角分层多重天线传输不会引起不同层间的符号间干扰。

根据本发明的消除层间符号间干扰的方法，包括如下步骤：使用对角分层多天线传输，该传输使用了许多层；将每一层的符号分为第一数目的层部分，其数目是层数的倍数；将这些层部分与第二数目的发射天线相关联，这样所有的天线就可以为每一层都传输相同数目的部分。还包括步骤：为每一个发射天线在部分间插入已知的符号，已知符号的数目至少要等于符号间隔信道抽头数减一，以消除层间符号间干扰。

根据本发明的避免层间符号间干扰的系统，所述系统包括：用于发射一个对角分层多天线传输的装置，该传输使用了多个层；用于将每一层的符号分为第一数目的层部分的装置，所述数目是层数的倍数；以及用于将这些层部分与第二数目的发射天线相关联的装置，这样所有的天线就发射每一层相同数目的部分。所述系统还包括：用于在每一个发射天线的部分间的边界处插入已知符号的装置，已知符号的数目至少要等于符号间隔信道抽头数减一，以消除层间符号间干扰。

人们应用插入到不同层边界的已知符号的目的是为了做比如信道估计。这些已知符号也许可以组成一个训练序列。典型地，对于一个有第一和第二发射天线的系统，一个脉冲的结构包括在脉冲中间的一个训练序列和在其任意一边的数据域，就像比如GSM和UTRA/TDD那样，这样一个脉冲结构可以应用到对角分层中。在第一个发射天线上，第一层从左边的数据域发射，第二层从右边的数据域发射，而在第二个发射天线上，第一层从右边的数据域发射，第二层从左边的数据域传输，这样，不用减少传输的符号数目，就可以通过将已知的训练序列分离两层来消除层间符号间干扰。

优选地，本发明的系统中，该用于发射一个对角分层多天线传输的装置可以根据调制原理或外部信道编码的码速，来适当地在一个或几个天线的分层之间进行调整。

附图说明

参考附图及其描述，可以更好地理解本发明以及本发明的目的与优势。其中：

图1示出了用于两个发射天线的D-BLAST与V-BLAST多天线传输方案。其中数据分为两个独立的层，对于D-BLAST，每一个天线都发射相等数目的符号，而对于V-BLAST，每一层都只能从一个天线上发射；

图2示出了具有双发射双接收天线系统的传播路径；

图3示出了由于信道受符号间干扰破坏的D-BLAST系统，其中每层受层间ISI影响的符号被标出，而且在3抽头信道中，边界任意一边的两个符号都受到了影响。

图4示出了适于符号间干扰信道的一个对角分层双天线传输方案。该方案中已知符号被插到两层的边界处来消除层间符号间干扰，对于3抽头信道，每个发射天线用两个已知符号就够了。

图5示出了GSM无线电脉冲。

图6示出了一个四天线的传输，其中发射天线分成两个子集，每个子集中有两个发射天线，且每个子集中都用了对角分层。

图7示出了一个发射机的示范性基带结构图。

图8示出了根据现有技术的主要步骤。

具体实施方式

对角分层多天线传输原理如D-BLAST，具有比V-BLAST更大的容量潜力，因为相对于每一层数据仅从一个发射天线发射，它的每一层数据都是从几个发射天线发射的。本发明同样可以使对角分层多天线传输原理应用到受符号间干扰的通信网络上，而不会引起层间符号间干扰。可以通过在不同层间的每个边界上将已知符号插入从每个天线发射的序列中来消除层间符号间干扰(见图4)。如果已知符号的数目至少和信道的存储器(信道抽头数减1)一样，则不同层间将不会存在符号间干扰。这意味着可被传输的用户数据的量将会减少，因为数据符号的数量减少了。但是已知的符号也可以用作其他目的，比如信道评估和同步。

对于两发射天线的特殊情况，应用在GSM和UTRA/TDD的脉冲结构可以被利用。在那些网络中，一个脉冲由数据的两个域组成，而这两个域的数据被用以信道评估(见图5)的已知符号的训练序列分开。这种情况下，对于第一发射天线，在训练序列左边的数据域中发射第一层，在训练序列右边的数据域中发射第二层。在另一个发射天线上，第二层在左边的数据域中被传输，第一层在右边数据域中被传输。因为训练序列比信道的脉冲响应长，所以将不会有层间符号间干扰。由于对角分层的多天线传输原理，可以避免现有的脉冲结构层间ISI而不用减少传输的数据量。

在Lindskog和Paulraj的一个文件里，他们提出了一种适用于双发射天线的空时块码，而这类似于本发明中考虑的编码。作为空时块码的码块，他们定义了一个无线电脉冲，其中左边数据域是空时块码中的一个符号，右边数据域是第二空时块编码。这些成对的空时块码符号从两个发射天线发射，并且在时间上被训练序列分离。但是，相对于本发明(在本发明中，独立数据的多重分层可以提高比特速率)Lindskog和Paulraj的方法只是在两个发射天线上发射了相同的数据，所以没有增加比特速率，只是增加了分集。另外，通过应用训练序列来分离空时块编码的符号，可以确保空时码区的正交性(正交性能确保空时码解码的低复杂性)，而本发明可使多层中每一层都有单独检测能力。

对于对角分层的多天线传输，如果是两个以上发射天线的符号间干扰，在所有天线上分层会要求大量已知符号的传输。一个可选的方案是，将发射天线和层都分为子集，每个子集包括多个发射天线和相应的层子集，层中包括和发射天线数相等的层。在每个子集中，层被对角地在发射天线上分层。图4描述了一个子集中双天线的特例，其中在子集中两个层被已知的符号分离。但是属于不同子集的天线上不会分层，如图6所示的4天线传输方案。在以后的应用中，在子集中使用两个以上的天线将会更加可能，即使这里我们简单地认为实施例是一个子集只有两个天线。在不同的子集中，有不同数目的天线和有不同数目的层也是可能的。可以以每无线脉冲的频率动态地将天线和层划分为子集，不同的用户可以有不同的子集划分。

使用本发明提出的对角分层的多天线传输原理，可以消除不同层间的符号间干扰。这可使接收机顺序地解调和解码这些层。在从接收信号中消除一个层之前，该整个层都被解调(包括均衡)和解码。然后是下一层数据被解调和解码，等等。不考虑层间符号间干扰而应用对角分层，接收机将不会在删除这层之前将其完整地解调和解码。在这种情况下，从一个天线上发射的完整的符号序列不得不被解调然后被删除。这意味着每一层只有一部分数据在删除之前被解调，而解码是在删除之后进行的。在删除之前解码可以降低差错量，从而降低差错传播(当被消除的层含有评估错误时，会出现差错)的效果。

另一种方法是应用如多天线传输方案的V-BLAST，这没有层间符号间干扰的风险。但是，特别是对那些应用了低速率信道编码的层来说，可以改善性能的传输分集并没有这样一个原理。另外，为了在一个如多天线传输原理的V-BLAST中得到高性能，重要的是决定哪一层有最好的传输质量并从那层开始。而这对于对角分层的多天线传输原理则没有必要，因为，在所有的天线上所有的层都被均等地传输。这意味着如果不同的层有不同的码速，则可以得到额外的增益。被先解调和解码的层可以得到一个较低的码速，因为这一层从分集中得到的最少。通过改善这一层，后续层的性能也会得到改善。但是需要指出的是，这种方法将不限于任何一种特殊的接收算法。

图7以一个简化的基带方框图的形式阐明了一个对角分层的多天线传输原理的标准的实施例，其中一个数据流被去复用为两个单独的层，每一层都单独编码、交织并映射到符号上。然后，基于对角分层的方法，把这些层映射到两个发射天线上。

图8描述了根据现行公开的方法来形成一个对角分层的多天线传输的主要步骤。

那些熟悉本领域的人会理解：本发明在不离开思想和范围(由所附权利要求定义)的前提下也允许有各种各样的修改和变化。

参考文献

[1]G.J.Foschini与M.J.Gans，“当使用多天线时在衰减环境下无线通信的限制”，无线个人通信.1998，6(3)，pp 311-335

[2]EP-817401，G.J.Foschini“具有采用多元天线的分层空时结构的无线通信系统”，1998

[3]G.J.Foschini“当使用多天线时在衰减环境下用于无线通信的分层空时结构”，贝尔实验室技术杂志.，1996年秋，pp.41-59

[4]P.W.Wolniansky，G.J.Foschini，G.D.Golden与R.A.Valenzuela，“V-BLAST：在高散射无线信道中达到超高数据速率的一种结构”proc.ISSSE-98，比萨，意大利，1998

[5]G.J.Foschini等，“应用多元阵列对高频效无线通信进行简化处理”，在通信方面选定领域的IEEE杂志，1999.11，第17卷，第11号

[6]美国专利第6,314,147号，梁等，“在时分复用蜂窝网络中应用空时处理的两阶段CCI/ISI减小”，2001

[7]E.Lindskog与A.Paulraj，“用于有符号间干扰的信道的传输分集方案”ICC 2000，皮斯卡塔韦，新泽西，美国，2000，第1卷，pp.307-11

Claims (16)

1.一种消除层间符号间干扰的方法，包括如下步骤：

使用对角分层多天线传输，该传输使用了许多层；

将每一层的符号分为第一数目的层部分，其数目是层数的倍数；

将这些层部分与第二数目的发射天线相关联，这样所有的天线就可以为每一层都传输相同数目的部分；

其特征在于还包括步骤：

为每一个发射天线在部分间插入已知的符号，已知符号的数目至少要等于符号间隔信道抽头数减一，以消除层间符号间干扰。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于应用这些插入的已知符号的目的也包括信道估计或者同步。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于进一步使每一层的层部分具有相同的大小。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于进一步将已知的符号组成一个训练序列。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于进一步在一个具有第一和第二发射天线以及一个脉冲结构的系统里，所述脉冲结构包括在一个脉冲串中间的训练序列和这个训练序列两边的数据域，从第一发射天线，在左边数据域发射层一和在右边数据域发射层二，同时，从第二发射天线，在右边数据域发射层一和在左边数据域发射层二，并且从每个发射天线，用所述训练序列将两层分开，以消除层间符号间干扰。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于进一步根据调制原理或/和外部信道编码的码速，来适当地调整在一个或几个天线的分层间使用的发射机算法。

7.根据权利要求1-6任意之一的方法，其特征在于以下步骤：

将一个发射天线阵分为一些发射天线子集，每一个子集包括任意数目的发射天线；

将层划分为层的子集，每个层子集对应于发射天线的一个子集；

在一个层子集中对角分层，但不允许跨不同发射天线子集的分层。

8.根据权利要求1到6中任意之一的方法，其特征在于进一步建立一个包括偶数个分立天线的发射天线阵，发射天线阵分成两个分立天线的子集，其中一个子集中的层是对角分层的，但不允许跨不同天线子集来分层。

9.一个避免层间符号间干扰的系统，所述系统包括：

用于发射一个对角分层多天线传输的装置，该传输使用了多个层；

用于将每一层的符号分为第一数目的层部分的装置，所述数目是层数的倍数；以及

用于将这些层部分与第二数目的发射天线相关联的装置，这样所有的天线就发射每一层相同数目的部分；

其特征在于所述系统还包括：

用于在每一个发射天线的部分间的边界处插入已知符号的装置，已知符号的数目至少要等于符号间隔信道抽头数减一，以消除层间符号间干扰。

10.根据权利要求9的系统，其特征在于不同层间边界上插入的已知符号用于信道估计或者同步的目的。

11.根据权利要求10的系统，其特征在于每一层的层部分具有相同的大小。

12.根据权利要求11的系统，其特征在于该已知符号组成一个训练序列。

13.根据权利要求12的系统，具有第一和第二发射天线，以及一个在脉冲串中间包括一个训练序列和在训练序列的两边都有数据域的脉冲结构，其特征在于，所述系统还包括：

用于从第一发射天线在左边数据域中发射层一和在右边数据域中发射层二的装置，以及

用于从第二发射天线在右边数据域中发射层一和在左边数据域中发射层二的装置，由此用该训练序列将两层分开，以消除层间符号间干扰。

14.根据权利要求9的系统，其特征在于所述用于发射一个对角分层多天线传输的装置可以根据调制原理或外部信道编码的码速，来适当地在一个或几个天线的分层之间进行调整。

15.根据权利要求9到14任意之一的系统，其特征在于：

一个发射天线阵被分为一些发射天线子集，每一个子集包括任意数目的发射天线；

层被分为若干层的子集，每一个层的子集都与发射天线的子集对应；并且

在一个层子集中的各层被对角分层，但不允许跨越不同发射天线子集分层。

16.根据权利要求9到14任意之一的系统，其特征在于具有偶数个分立天线的发射天线阵被建立，发射天线阵分成了两个分立天线的子集，其中一个子集数据中的层是对角分层的，但不允许跨不同天线子集来分层。

Images