CN101044708A - 操作mimo系统的方法和系统 - Google Patents

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CN101044708A CNA2005800361704A CN200580036170A CN101044708A CN 101044708 A CN101044708 A CN 101044708A CN A2005800361704 A CNA2005800361704 A CN A2005800361704A CN 200580036170 A CN200580036170 A CN 200580036170A CN 101044708 A CN101044708 A CN 101044708A
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Abstract

一种MIMO系统，包括：发射站(10)，用于发送多个编码数据流；接收站(12)，用于接收编码数据流和对其进行解码，接收机的性能取决于所收到的编码数据流的解码次序，其中，发射站确定解码次序的有关信息并将其传送到接收站。

Description

操作MIMO系统的方法和系统
发明领域
本发明涉及MIMO系统(多输入多输出)以及操作MIMO系统的方法。
技术背景
通常，在MIMO系统中，在发射机处使用多个天线发送的多个数据流将会在接收机处由多个天线进行接收。通常，多个数据流由存在于各对发射和接收天线之间的不同传递函数进行解码。
EE492M Final Project Report“MIMO Capacity and PerformanceComparison between D-Blast and V-Blast”by Zhang Rui(可获于http://www.stanford.edu/～engp9824/Websites/EE492M％20Final％20Project％20Report.pdf)，叙述了在发射机和接收机处使用多元阵列(MEA)的无线通信系统可以在高度散射的环境中实现高频谱利用率。基于在发射机处不能获得信道信息的假设，对发射机处的代码结构进行了设计，以实现信息论承诺的大部分高频谱利用率。G.J.Foschini在“Layered Space-Time Architecture for Wireless Communication in aFading Environment when using Multi-Element Antennas”，Bell LabsTech.J.，pp.41-59，Autumn 1996中提出的两种已知的编码方案被称为D-BLAST和V-BLAST。在这两种方案中，总的信息速率被划分成具有相等速率的平行的一维子流，对其分别进行编码和调制，以进行发送。D-BLAST和V-BLAST之间的主要不同在于，在V-BLAST中，指定各子流对应于一个固定的发射天线，而在D-BLAST中，各子流使用跳流旋转器(stream hopping rotator)分配的周期性跳时图案而在所有天线上进行发送。D-BLAST利用各子流信号的多天线发射的空间分集，因此提供了比V-BLAST更高的中断率容量(OutageCapacity)。如果信道是随机波动的但在一个码字的持续时间内是固定的，则中断率容量是有意义的。可以粗略地将中断率容量理解成这样一种速率：低于它时，对于预定的信道实现百分率，任意可靠传输都是可能的。
在接收机处D-BLAST和V-BLAST的解码处理具有明显的不同之处。对于V-BLAST来说，可以找到对各接收到的子流数据进行解码的最佳次序，而对于D-BLAST来说，在接收机处的解码次序已经由发射机处的流旋转器(stream rotator)确定了。除此之外，D-BLAST和V-BLAST具有很多类似之处：各子流是独立进行解码的(使用最小均方差(MMSE)或迫零算法)，然后从接收信号中减去它，从而降低对解码后续子流的干扰。在V-BLAST中，各子流可以仅仅拥有固定的解码次序。因此，在V-BLAST中可实现的中断率容量受到具有最差平均信号与干扰加噪声比(SINR)的子流的限制。相反，D-BLAST中的各子流包含数据的相等部分，其具有所有可能的解码次序。这导致在解码各子流时产生SINR平均化效果，因此，可以实现比V-BLAST更高的中断率容量。因为D-BLAST中的各子流的解码次序由发射机流旋转器确定，所以需要将解码的最佳次序反馈到发射机，如果需要进一步提高ZF检测的话。
″Asymptotical Analysis of the Outage Capacity of Rate-TailoredBLAST″Hao Zhang and Tommy Guess，IEEE Global CommunicationsConference，Dec 1-5，2003，San Francisco，CA将Rate Tailored(RT)-BLAST与V-BLAST和BLAST的另一种变体(称为H-BLAST)做了比较。其中提及，RT-BLAST较H-BLAST的一个优势在于接收机具有较低的计算复杂度，因为它不需要执行最佳的排序。此外，该文章提及到RT-BLAST和H-BLAST之间的两点主要区别在于：发射天线的子信道速率不需要彼此相等；实际上，对于RT-BLAST而言，这些速率得到了最优化；并且，来自K层的解码次序在接收处是固定的；这意味着RT-BLAST比H-BLAST具有较低的复杂度，H-BLAST具有确定对层进行解码的最佳次序的开销。RT-BLAST和H-BLAST均利用了所有子信道上的一维代码，每个发射天线对应着一个代码。
通常，假设信道状态在接收机处是已知的(例如，接收机天线处的信道传递函数和噪声与干扰等级)，但在发射机处的情况并不如此。
假设信道状态信息在发射机端不可用，那么，将数据流映射到各天线并将来自各天线的信号特征设置成相类似是适当的，例如，就功率和数据速率而言。数据流也可以在所有天线上有序地轮流循环。
通过使有限的信道状态信息可以在发射机处获得，则可以相应地调整来自各天线的信号特征。例如，如果某一特定发射天线的信道传递函数显示出较低的增益，那么，可以调整一个或多个功率、调制和编码方案，以使性能最优化。一个最佳标准可以将用于给定的全部发射功率的数据速率最大化。这种方案的一个实例被称为PARC(每天线速率控制)。另一种普遍化的实例被称为S-PARC(选择性PARC)，其中，可以禁用来自一个或多个发射机的输出。通常，所禁用的天线将会是仅能够支持低速率数据流的天线。
如果在发射机处可获得详细的信道状态信息，那么，可以使用一种空间复用方式，其中，通过用从各数据流导出的信号的加权副本供给各发射天线而创建许多空间传输流。导出发射机加权值可以考虑：(1)信道传递函数；(2)各接收天线处的噪声等级；以及(3)在接收处假设要使用的处理。例如，可以根据来自各接收机天线的信号的线性组合而形成接收流。也可以针对各空间传输流选择不同的数据速率。一种可能性是选择发射机和接收机加权值，从而创建正交的空间传输流。另一种可能性是选择将发射和接收信号之间的均方误差最小化的加权值。
除了线性技术之外，也可以执行诸如连续干扰消除(SIC)之类的非线性技术。这将会降低发射数据流之间的干扰影响。通常，选择一个数据流(通常具有最高信噪比(SNR)或信干比(SIR)和相关信道传递函数的数据流)进行解码，所产生的信息用于对与该数据流相对应的接收波形做出估计。然后，可以从各天线接收的信号中减去这些波形。然后，对另一个数据流进行解码，并且，重复该过程，直到将所有数据解码完为止。这种方案是有效的，假设未(或非常少)出现解码差错。因此，该过程是迭代性的，其目标是校正在前一次迭代中发生的解码差错。或者，也可以减去接收波形的模糊(soft)估计，这降低了差错传播影响。
通常，发射机处的格式依赖于在接收处假设的处理。例如，对于SIC来说，如果各数据流的解码次序是已知的，或者，至少如果用于选择次序的接收机算法是已知的，则发射机可以更好地使性能最优化。因此，解码次序可以预先确定，或者，可以以SIR为基础。通常，接收机可以通过测试所有的可能性来确定最佳的解码次序。
在一般情况下，可将在接收机处确定最佳解码次序的问题视为等效于确定应该解码码字(或者码字部分)的次序。
在某些情况下，例如，对于SIC来说，接收机确定最佳解码次序可能是很复杂的计算任务。在某些情况下，计算任务将会导致高功耗，这对于移动站而言，将会缩短电池寿命。
发明内容
本发明的目的是将在MIMO接收机中的解码次序最优化。
根据本发明的一方面，提供了一种MIMO系统，包括：第一装置，其具有用于发送多个编码数据流的模块；第二装置，其具有用于接收所述编码数据流的模块和用于对所述编码数据流进行解码的模块，所述第二装置的性能取决于所接收到的编码数据流的解码次序；还包括：位于所述第一装置中的用于确定解码次序有关信息的模块和用于将所确定的信息发送给所述第二装置的模块；位于所述第二装置中的用于响应从所述发射装置接收到的解码次序有关信息而选择解码次序的模块。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于操作MIMO系统的方法，包括：第一装置发送多个编码数据流；第二装置接收所述编码数据流并对所述编码数据流进行解码，所述第二装置的性能取决于所接收到的数据流的解码次序；还包括：所述第一装置确定解码次序有关信息并将所述信息传送给所述第二装置；所述第二装置响应于接收到所述解码次序有关信息而选择解码次序。
通过发射站确定解码次序并将解码次序传送到接收站，从而降低了接收机的功耗，因此延长了电池寿命。
解码次序的有关信息可以是说明性的，并可以有助于确定解码次序。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于在MIMO系统中发送数据的装置，包括：用于向接收装置发送多个编码数据流的模块；用于确定所述数据流的解码次序有关信息的模块；用于将所确定的信息发送给所述接收装置的模块。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于在MIMO系统中从发射装置接收的装置，包括：用于接收多个编码数据流的模块；解码模块，用于对所述多个编码数据流进行解码，其中，所述解码模块的性能取决于所述编码数据流的解码次序；用于响应从所述发射装置接收到的解码次序有关信息而选择解码次序的模块。
附图说明
现在将参照附图以举例方式描述本发明，其中：
图1的示意图示出了在MIMO系统中的相等数量的发射和接收天线之间的传输路径；
图2是根据本发明做出的MIMO系统的一个实施例的示意性框图；以及
图3是根据本发明做出的MIMO系统的第二正交频分复用(OFDM)实施例的示意性框图。
在这些附图中，相同的标号用于识别对应的特征。
具体实施方式
参照图1，所描述的系统包括具有四个发射天线TxA1至TxA4的发射站10和具有四个接收天线RxA1至RxA4的接收站12，它们空间上是相互分开的。各发射天线TxA1至TxA4发送不同的相应数据流，标为S1至S4，它们由接收天线RxA1至RxA4进行接收。为了方便起见，将接收信号的版本标为Sij，其中，“i”是发射站天线，而“j”表示接收站天线。四个天线RxA1至RxA4的S1的接收版本分别为S11、S12、S13、S14。同样，S2的接收版本为S21、S22、S23、S24，S3的接收版本为S31、S32、S33、S34，以及，S4的接收版本为S41、S42、S43、S44。因此，在图1中，各接收天线的全部接收信号如下：
天线RxA1＝S11+S21+S31+S41
天线RxA2＝S12+S22+S32+S42
天线RxA3＝S13+S23+S33+S43
天线RxA4＝S14+S24+S34+S44
通常，接收站12将在各接收天线RxA1至RxA4处拥有用于确定将发射信号与其接收版本相关的信道传递函数的模块，即，将S1与S11、S12、S13、S14相关，将S2与S21、S22、S23、S24相关，将S3与S31、S32、S33、S34相关，并且，将S4与S41、S42、S43、S44相关。这使得接收站12通过代数方式恢复出相应的数据流，因为，例如对于平坦衰落，有4个联立方程式和四个未知方程式。简要地说，在一种方法中，获取一个数据流的最佳估计，并重建符号。然后，通过使用SIC技术，从接收信号中减去该符号的影响。这提高了剩余信号估计的信噪比，并且，使用下一个最佳SNR的估计重复该过程。重复该循环，直到恢复出所有符号为止。
虽然示出了相等数量的发射天线和接收天线，但这并不是必要的，因为发射天线的数量在联立方程式中定义了未知天线的数量。但为了解这些联立方程式，必须有相等数量的接收天线的最小值，虽然在移动环境中拥有较多的接收天线以防某个接收天线由于传播问题而变得不可用是有优点的。
当解码信号时，知道优选的解码次序是有优势的，这样可减低所涉及的计算量，因此节省接收机的功率。根据本发明的方法涉及，发射站基于信道状态信息(CSI)确定应当解码数据流的次序，从而给出最佳的性能，例如，就码字差错率而言。在本发明的一个实施例中，接收站确定CSI，并将其中继到发射站。在一个可选实施例中，具有以时分双工(TDD)模式操作的收发机并具有在上行链路和下行链路传输之间快速转向的发射站可以至少原理上通过其接收的信号来测量信道，并针对其下一个传输而将信道测量视为有效。
参照图2，发射站10包括与复用器14的输入端相连的数据源14。复用器16的输出信号路径的数量对应于发射天线TxA1至TxA4的数量，在这种情况下为四个。在编码器C1至C4中对各信号路径中的相应比特率信号流进行纠错编码，并将其调制到相应的调制器M1至M4的相同频率载波上，以生成相应的符号速率信号。将这些信号应用于相应的发射天线TxA1至TxA4。
处理器18控制着包括编码器C1至C4和调制器M1至M4的发射站10的操作。例如，处理器18可以响应于相应的无线信道的质量而调整相应的调制器中的每符号比特量，例如，好的信道可以具有较高阶调制，相反，差的信道可以具有较低阶调制。另外，处理器18可以在接收站处涉及确定解码次序。后面将对这进行更加详细地描述。
接收站12包括四个接收天线RxA1至RxA4，每个接收天线与解调器DM1至DM4和解码器DC1至DC2的相应系列的连接排列相连。处理器20具有多个输入端，其中的四个分别与解码器DC1至DC4的输出端相连。处理器20用于解开信号，并使用SIC做出解码决定。在执行这些功能时，需要考虑各传输信道状态的相关信息和发射站建议的解码次序。
信道状态估计器30监视影响相应无线信道的标准，如信号强度测量结果，并周期性更新信道信息存储器32中保存的信息。可以使用发射站在下行链路上发送的训练数据或诸如同步码字之类的码字来估计信道状态。信道信息存储器32的输出端34与处理器20相连。
处理器20具有四个输出端35至38，其分别对发射站10的复用器16的输出端的四个数据流中各数据流进行估计。将这些估计提供给具有数据输出端44的解复用器42的相应输入端。
无线信道质量的相关信息，如传递函数和各无线路径的SIR，由信道信息存储器32提供给调制器/解调器(DEMOD)46，其中，将这些信息调制在载波上，并由收发机48的发射机部分将其发送到发射站10。
信道状态信息由收发机50的接收部分进行接收和解调。将收发机50的输出端应用于处理器18的输入端。处理器18根据预先存储的软件计算接收数据，并将输出提供给级52，其确定接收站12的解码次序。该信息由收发机48进行接收，在DEMOD46中进行解调，并作为“解码次序”信号提供给处理器20，当确定解码次序时处理器20使用该信号。相反，处理器20使用该解码次序信号，正如以受任何局部确定的因素影响的优选解码次序暗示的那样。
收发机48接收的信息可以包括部分信息，接收站使用该部分信息以帮助它确定解码次序或一组可能的解码次序，例如，指定可能的码字的一个子集，其应当在各步骤中考虑用来进行解码。
如果没有信道状态信息，则处理器18将所有的信道视为相同。
在图3所示的OFDM系统的实施例中，在多个子载波上从相应的天线发送各数据流。OFDM系统的子载波的数量可以很大，并通常是2的幂，如64(26)、128(27)...1024(210)。所示的系统包括参照图2所述类型的多个发射单元101、102至10n，其中，n是整数，但不同之处在于，数据源14与复用器54相连，复用器54的输出端分别与各发射单元101、102至10n的复用器相连。在操作时，各发射单元101、102至10n在不同的子载波上生成数据流。发射单元的相应编号的输出端与相同的发射天线TxA1至TxA4相连。
同样，存在参照图2所述类型的相应多个接收单元121至12n，其中，n是整数，它们的相应输入端分别与天线RxA1至RxA4相连。
在本发明未描述的实施例中，可以在时间上和在多个子载波上分发码字。
在本说明书和权利要求书中，部件前面的“一个”、“一种”等冠词并不排除存在多个这种部件的可能性。此外，“包括”一词并不排除所列部件或步骤之外还存在其它部件或步骤的可能性。
在权利要求书中，圆括号内包含的附图标记旨在帮助理解，而不具有限制性意味。
通过阅读本申请文件，其它变通对于本领域普通技术人员来说也将是显而易见的。这些变通可能涉及无线通信领域中在设计、制造和使用MIMO系统方面已知的其它特征以及相应的零部件，可以用这些其它特征替代本申请中描述的特征，或者，除了使用本申请中描述的特征外，还可以再使用这些其它特征。

Claims (16)

1、一种MIMO系统，包括：
第一装置(10)，其具有用于发送多个编码数据流的模块(M1-4)；以及
第二装置(12)，其具有用于接收所述编码数据流的模块(DM1-4)和用于对所述编码数据流进行解码的模块(DC1-4)，所述第二装置(12)的性能取决于所接收到的编码数据流的解码次序；
还包括：
位于所述第一装置(10)中的用于确定解码次序有关信息的模块(52)和用于将所确定的信息发送给所述第二装置(12)的模块(50)；以及
位于所述第二装置(12)中的用于响应从所述发射装置(10)接收到的解码次序有关信息而选择解码次序的模块(20)。
2、如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述第二装置(12)具有用于向所述第一装置(10)传送信道信息的发射机(48)；以及
在所述第一装置(10)中，用于确定解码次序有关信息的模块(52)针对所述第二装置(12)发送的信道信息做出响应。
3、如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
所确定的信息是部分信息；以及
用于选择解码次序的模块(20)使用所述部分信息来确定一个解码次序或一组可能的解码次序。
4、一种用于操作MIMO系统的方法，包括：
第一装置(10)发送多个编码数据流；以及
第二装置(12)接收所述编码数据流并对所述编码数据流进行解码，所述第二装置(12)的性能取决于所接收到的数据流的解码次序；
还包括：
所述第一装置(10)确定解码次序有关信息并将所述信息传送给所述第二装置(12)；以及
所述第二装置(12)响应于接收到所述解码次序有关信息而选择解码次序。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述第二装置(12)向所述第一装置(10)传送信道信息；以及
所述第一装置(10)根据所述信道信息确定解码次序有关信息。
6、如权利要求4或5所述的方法，其特征在于：
所确定的信息是部分信息；以及
所述第二装置(12)使用所述部分信息来确定一个解码次序或一组可能的解码次序。
7、一种用于在MIMO系统中发送数据的装置(10)，包括：
用于向接收装置(12)发送多个编码数据流的模块(M1-4)；
用于确定所述数据流的解码次序有关信息的模块(52)；以及
用于将所确定的信息发送给所述接收装置(12)的模块(50)。
8、如权利要求7所述的装置(10)，其特征在于：
所确定的信息是部分信息。
9、如权利要求7或8所述的装置(10)，其特征在于：
用于确定所述数据流的解码次序有关信息的模块(52)针对从所述接收装置(12)接收到的信道信息做出响应。
10、如权利要求7、8或9所述的装置(10)，其特征在于：
所述发送模块(101，102至10n)用于将所述编码数据流作为OFDM信号进行发送。
11、如权利要求7、8、9或10所述的装置(10)，包括：
用于在时间上和在多个子载波上分发码字的模块(C1-4，M1-4)。
12、一种用于在MIMO系统中从发射装置(10)进行接收的装置(12)，包括：
用于接收多个编码数据流的模块(DM1-4)；
解码模块(DC1-4)，用于对所述多个编码数据流进行解码，其中，所述解码模块(DC1-4)的性能取决于所述编码数据流的解码次序；以及
用于响应从所述发射装置(10)接收到的解码次序有关信息而选择解码次序的模块(20)。
13、如权利要求12所述的装置(12)，其特征在于：
解码次序有关信息是部分信息；以及
用于选择解码次序的模块(20)使用所述部分信息来选择一个解码次序或一组可能的解码次序。
14、如权利要求12或13所述的装置(12)，其特征在于：
发射机(48)，用于向所述第一装置(10)传送信道信息。
15、如权利要求12、13或14所述的装置(12)，其特征在于：
用于对码字进行解码的模块(DC1至DC4)；以及
用于估计因为该码字而收到的信号的模块(20)；以及
连续干扰消除模块(20)，用于重建因为该码字而收到的信号，并将因为该码字而收到的信号从总接收信号中减去。
16、如权利要求12、13、14或15所述的装置(12)，用于在多个子载波上将所述编码数据流作为OFDM信号进行接收。
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