CN101053190A - 多输入多输出正交频分复用系统中的链路自适应系统以及其方法 - Google Patents

多输入多输出正交频分复用系统中的链路自适应系统以及其方法 Download PDF

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Abstract

提供MIMO－OFDM系统中的链路自适应系统。在该系统中，V－BLAST处理单元(308)进行V－BLAST处理，该V－BLAST处理为与发送装置的多个天线相对应地将接收信号分离为数据流的处理。矢量信息输出单元(312)将由V－BLAST处理得到的反馈矢量信息发送给发送装置。自适应比特分配单元(304)基于反馈矢量信息，对由不同的天线发送的每个副载波，自适应地控制所分配的比特数目。自适应功率分配单元(306)基于反馈矢量信息，对每个天线自适应地分配功率。

Description

多输入多输出正交频分复用系统中的链路自适应系统以及其方法
技术领域
本发明涉及在使用正交频分复用(OFDM)的多输入多输出(MIMO)通信系统中的链路自适应系统以及其方法。
背景技术
在使用多个(NT)发送天线和多个(NR)接收天线的MIMO通信系统中，实行多个数据流的同时发送。信号从发送天线发送并经过多个路径而前进，在到达接收天线之前受到反射和扩散。MIMO系统的主要特点在于具有以下能力：有效地利用多径传播，使其有益于用户。这样的优点之一为通过利用空间复用的而增加系统容量，一般而言，该优点通过由个别的发送链路发送独立的数据来实现。
在非专利文献1中论述了通过空间复用实现数据速率的高速化的众所周知的技术。
最初，MIMO技术是考虑窄带无线系统，即假设平坦衰落信道而被设计出来的。所以，在具有频率选择性信道中难以获得良好的效果。因此，为了解决无线环境中出现的频率选择性信道的问题，将OFDM与MIMO系统协同起用。
通过使用快速傅立叶逆变换(IFFT)，OFDM能够将频率选择性信道变换为独立且平行的、具有一定频率间隔的多个子信道的组。由于这些子信道各自的频率正交而且互相重叠，所以能够提高频谱效率并使载波间干扰最小。通过在OFDM码元中附加循环前缀(Cyclic Prefix)，能够进一步地降低多径的影响。
一般而言，存在于发送天线和接收天线之间的多个通信信道随时发生变化而处于彼此不同的链路状态。具有反馈功能的MIMO系统将信道状态信息(CSI)提供给发送装置，并且为了提供更高水平的性能，使链路自适应技术(linkadaptation)和注水法(water filling)等方法的使用成为可能。
在各种各样的技术论文中，围绕OFDM系统中的自适应比特加载(adaptive bit loading)进行了论述。自适应比特加载的目的在于：通过改变分配给OFDM副载波的比特数目，使数据速率最佳化而不降低系统的质量。该技术基于彼此不同的副载波具有随着信道状态的变化而变化的变动性衰减度的事实而发挥作用。一般而言，根据每个副载波的信道状态信息(CSI)和信噪比(SNR)等特定的反馈信息来进行分配的确定。
链路自适应的另外一个例子为自适应调制/编码方式(AMC)。以往的系统中，发送装置从预先定义的电平(level)的组中确定应使用的调制方式和编码方式(MCS)电平。一般而言，通过比较由接收装置测定的检测后SNR和与每个MCS电平对应的阈值来作出该确定。该方法虽然能够正确地选择MCS电平，但是由于需要对每个接收码元计算SNR，所以处理复杂度较高。而且，由于信号反馈的开销(overhead)也较高，会对有限的可利用的无线资源造成负担。
专利文献1中提出了能够降低处理复杂度和较高反馈开销的技术。上述文献所述的技术中，基于定期性的特定反馈消息以及肯定响应(ACK)和否定响应(NACK)，来确定MCS电平。
非专利文献1：″V-BLAST：an architecture for realising very high data ratesover the rich-scattering wireless channel″by P W Wolniansky et al in thepublished papers of the 1998 URSI International Symposium on Signals，Systemsand Electronics，Pisa，Italy，Sep.29 to Oct.2，1998.
专利文献1：“A mobile communication system and method for adaptivemodulation and coding，combining pilot-aided and ACK/NACK based decision onthe employed modulation and coding scheme level”by Cho Myeon-gyun andKim Ho-jin，patent number EP 1289181，filed 5th March 2003.
发明内容
发明要解决的问题
然而，目前尚未公开将链路自适应适用于MIMO-OFDM系统的技术。
本发明旨在提供一种链路自适应系统以及其方法，在MIMO-OFDM系统中能够将处理复杂度抑制得较低，并且能够在降低信号反馈的开销的同时进行最佳的比特分配。
解决问题的方案
本发明基于由接收装置端的V-BLAST处理单元提供的反馈信息，自适应地控制对由不同的天线发送的每个副载波所分配的比特数目以及每个发送天线的功率。此外，本发明在接收装置端依据ACK/NACK信息，来确定在下一个帧的发送中每个发送天线的AMC电平的提高/降低，并依据通过V-BLAST处理得到的一组链路质量信息，来确定AMC电平的增加/减少量。
发明效果
根据本发明，在MIMO-OFDM系统中能够将处理复杂度抑制得较低，并且能够在降低信号反馈的开销的同时进行链路自适应。
附图说明
图1是MIMO-OFDM通信系统的发送装置的方框图；
图2是MIMO-OFDM通信系统的接收装置的方框图；
图3是表示本发明的以链路自适应为目的而采用的闭环系统的一个实施例的图；
图4是表示本发明的一个实施例中的V-BLAST信号处理方法以及取得信息的流程图；
图5是表示以不发生错误传播为前提的每个发送层的检测处理的性能的图；
图6是表示以本发明的链路自适应为目的而采用的闭环系统的另外一个实施例的图；以及
图7是表示在七个等级的AMC电平之间互相不同的调制方式和编码率的组合的例子的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。
图1是使用正交频分复用的多输入多输出通信系统(即，MIMO-OFDM系统)中的发送装置100的方框图。图2是该系统的接收装置200的方框图。虽然两幅图中表示了使用两根发送天线和两根接收天线的系统，但是，本发明可以扩展到使用多根(NT)发送天线和多根(NR)接收天线的系统。
发送装置100中，对每个单独的天线链进行数据的处理。由每根发送天线发送独立数据的互相不同的流。输入数据首先由CRC附加单元102附加循环冗余校验(CRC)码。然后，由编码单元104进行卷积编码、Turbo编码等的信道编码。继而，由交织单元106对编码后的数据进行交织，以便减少数据中的突发差错。由映射单元108对交织后的数据进行多阶调制星座码元映射。由导频插入单元110对映射后的信号插入导频信号。通过插入导频信号，有助于进行接收装置中的信道评估。
在进行OFDM调制之前，由S/P变换单元112将串行数据流变换成并行数据流。IFFT单元114使所生成的副载波互相正交。由P/S变换单元116将并行数据变换成串行数据之后，由CP附加单元118在OFDM码元中附加用于降低多径影响的循环前缀(cyclic prefix)。在进行发送之前，由D/A变换单元120将数字信号变换成模拟信号。经过各个发送装置链的各种处理之后，每个信号成为可由各自所分配到的发送天线122发送的状态。
接收装置200中，对来自接收天线202的接收信号进行与上述处理相反的处理，即，从模拟到数字的变换(A/D变换单元204)、循环前缀的去除(CP去除单元206)、串/并行变换(S/P变换单元208)、快速傅立叶变换(FFT单元210)以及并行/串行变换(P/S变换单元212)等处理。由于接收信号由来自多根发送天线的互相重叠的信号而构成，所以需要将该信号分离为各个独立的流。此时，为了实现该功能而使用V-BLAST解码器214，该V-BLAST解码器使用迫零(zero forcing，ZF)或最小均方差(minimum mean square error，MMSE)等技术。
继而，在进行解映射(解映射单元216)、解交织(解交织单元218)以及解码(解码单元220)等处理之后，对每个分组进行循环冗余校验(CRC处理单元222)，由此确认该数据为正确的数据。如果校验出的分组被判定为没有差错，则将肯定响应(ACK)发送给发送装置，发送装置不重发该分组。如果存在差错，则将否定响应(NACK)发送到发送装置100，以请求重发。
图3是表示本发明的以链路自适应为目的而采用的闭环系统的图。图3所示的系统采用包括了发送装置端的自适应比特分配单元304和自适应功率分配单元306的结构。
输入数据由Turbo编码单元302进行Turbo编码。通过Turbo编码生成出的系统比特和奇偶校验比特被输出给自适应比特分配单元304。
自适应比特分配单元304自适应地控制对由不同的天线发送的每个副载波所分配的比特数目。自适应功率分配单元306对每个天线自适应地分配功率。所分配的比特数目和功率量依赖于从之前的发送得到的天线状态。该信息由V-BLAST处理单元308提供，存储于矢量信息输出单元312，并经由无差错信道(error-free channel)310发送给发送装置。
V-BLAST处理单元308进行V-BLAST处理，该V-BLAST处理是将接收信号与发送装置的多个天线相对应地分离为数据流的处理。解映射单元314对V-BLAST处理后的各比特进行解映射。
图4是表示本发明的一个实施例中的V-BLAST信号处理方法以及取得信息的流程图。根据由V-BLAST处理得到的信息，对天线的SNR的进行排序。以下说明使用ZF准则(ZF criterion)的V-BLAST技术和天线排序的步骤。
每个接收天线所接收到的信号由来自各发送天线的信号的混合而成。因此，V-BLAST以检测混合信号并分离成适当的数据流为目的。V-BLAST技术是对由所有接收天线得到的码元的各列(将其称为接收矢量)进行的。V-BLAST处理上还需要与每个接收矢量对应的、由信道评估得到的信道矩阵。
设定了与接收矢量(ri)对应的信道矩阵(Hi)的组之后的第一个步骤为，计算Hi的伪逆矩阵以便得到矩阵Gi的组(步骤404)。
得到信道矩阵的伪逆矩阵之后，计算Gi的每一行的范数(步骤406)。该步骤的目的在于选择第一个检测对象层。如果在表示最大的检测后信噪比(SNR)的层首先进行检测的话，则能够得到更良好的性能，这一事实已经得到证明。这相当于检测具有最小范数的Gi的行。
因此，作为零化矢量(wk)，选择具有最小范数的Gi的行(步骤408)。该矢量使由kth发送的信号以外的所有信号零化(无效)。V-BLAST处理单元308通过在内部生成接收矢量(ri)和加权矢量(wk)，对由kth发送天线发送的码元进行检测(步骤410)。
移动(slicing)检测出的码元，使其成为信号星座内的最接近的值，并重新进行映射(步骤412)。由此，能够高效率地进行用于在下一步骤执行的信号消除的评估处理。
如果检测出一个层，则能够高效率地进行以后的层的检测处理。通过从接收信号的矢量减去检测出的信号的部分(步骤414)，可减少下一步骤中的零化对象层的数目。该消除处理相当于将接收信号矢量修正为扰动信号分量降低了的矢量。同时降低检测的复杂度。
因为对应于此消除Hi的kth列(步骤416)，所以还需要修正信道矩阵。
反复进行所有的处理，直到所有的层的检测成功为止(步骤418)。另外，对接收矢量的其它组，也继续进行V-BLAST检测处理。
由于范数为每个发送层的检测后SNR的指示值，所以本发明利用该信息对天线进行排序。在接收装置内部，作为矢量存储对帧中的各码元的检测顺序。然后，接收装置经由无差错信道将信息矢量反馈给发送装置。发送装置将该矢量用于下一个发送帧的链路自适应。以希望的周期反复进行上述存储和反馈的过程。这两个步骤既可以对接收装置接收到的每个帧进行，又可以对希望的每m个帧进行。作为常规的准则，如果是变动较快的无线信道，以更短的周期进行反馈。另一方面，在变动较慢的信道设为以更长的间隔更新信息，以便节约资源并将复杂度保持在最小水平。
图5是表示以在V-BLAST检测中不发生错误传播为前提的每个发送层的性能的图。图5中，横轴为Eb/No，纵轴为比特差错率(Bit Error Rate，BER)。图5中表示在具有4根发送天线的发送装置和具有4根接收天线的接收装置之间进行通信时，依次对从发送天线1(Tx1)的信号到发送天线4(Tx4)的信号进行分离时的差错曲线。
理论上而言，检测第一个检测对象层时的分集电平最低。对于检测出的每个层，由于每个接收天线恒定而检测出的层却被消除，所以作为结果系统的分集电平随着层的增多而增加。这一事实由图5清楚地表示出来。在第一解码步骤检测出的天线1的差错曲线，随着SNR的增加而缓慢地下降(天线1的分集电平)。天线2、3和4的差错曲线比天线1的差错曲线更为急剧地下降。通过获得以前检测出的码元被消除的优势，在后续的层中分集电平将增加到4。作为4根接收天线的检测对象仅剩下一个信号时，就发生电平4。因此，作为从该观测例得到的结论为，排序后的第一个检测对象层虽然具有最高的检测后SNR，但是其性能低于后来检测的其它发送层。因此，对于成为第一检测对象层的天线，自适应比特分配单元304和自适应功率分配单元306应该提供更少的比特数目和/或更高的发送功率，以便提高该特定的天线链的性能。
图6表示本发明另外一个实施例。该实施例中使用AMC。除了V-BLAST信息之外，系统还利用CRC信息，以便容易地进行AMC处理。发送装置602内的复用CRC附加单元604对由每个天线链608发送的信号附加CRC比特。因此，在接收装置612中，对分别由各单独的接收天线接收到、并由解调解码器616解调的每个帧，由复用CRC检测单元618进行CRC以便检测差错。
AMC选择单元624由复用CRC检测单元618得到CRC的结果(ACK/NACK)。AMC选择单元624根据对于由每个接收天线610接收到的信号的ACK/NACK信息，确定在下一个帧的发送中提高或者降低在发送装置602的每个天线608上的AMC电平。AMC选择单元624根据当前的发送，在下一个帧的发送时，增加接收到ACK的天线的AMC电平，而减少接收到NACK的天线的AMC电平。
另外，AMC选择单元624依据由V-BLAST解码器614得到的一组链路质量信息，确定AMC电平的增加/减少量。所生成的范数信息被用作为确定每个天线的链路状态的评估的方法。通过使用上述天线排序的概念，AMC选择单元624对差错几率较小的天线大幅度地增加该天线的AMC电平，在需要减少AMC电平时，使差错几率较大的天线被更大幅度地减少该天线的AMC电平。
基于ARQ和链路质量的两种信息，AMC选择单元624选择适当的AMC电平，并通过反馈信道626反馈该选择。在此希望引起注意的是，由接收装置进行所有的运算和选择处理。结果是减少需要发送给发送装置的开销和信号信息量。
发送装置602内的复用AMC单元606使用这种反馈信息，能够对每个发送天线高效率地分配AMC电平。通过基于之前发送时确定的链路信息对每个天线分配适当的AMC电平，从而系统能够有效地利用信道状态的差和变化来进一步提高整个系统的性能。
SNR测定单元622使用由每个发送天线608发送的接收导频信号来测定SNR。AMC选择单元624基于测定出的SNR来评价每个发送天线608的信道状态，并根据作为基准值发送的导频信号的检测后SNR，定期地将AMC电平复位。另外，AMC选择单元624在初始设定期间进行AMC电平的基于SNR的分配。由此，能够防止由上述方法所分配的AMC电平大幅脱离系统可支持的实际的AMC电平的范围。
图7表示各种不同的AMC电平的例子。这里存在七个的等级，其中调制方式从QPSK变动到64QAM，而编码率变动为1/4、1/2、3/4。所分配的AMC电平越高，则数据率越高。为了将差错率抑制在允许限度内并得到较高数据率，使信号的SNR总是高于与每个AMC电平相对应的阈值。
另外，尽管以上说明可以视为本发明的优选实施例，但是本发明并不限于所提出的实施例，而可以以各种各样的实施方式和实施例来实现，因此，本发明的范围应参照权利要求及其等效替换来决定。
工业实用性
本发明适用于使用正交频分复用(OFDM)的多输入多输出(MIMO)通信系统。

Claims (16)

1、一种链路自适应系统，用于使用正交频分复用(OFDM)的多输入多输出(MIMO)通信系统，该链路自适应系统中，
接收装置包括：
V-BLAST信号处理单元，进行V-BLAST处理，该V-BLAST处理将接收信号与发送装置的多个天线相对应地分离为数据流；以及
矢量信息输出单元，将由V-BLAST处理得到的反馈矢量信息发送给发送装置；
所述发送装置包括比特分配单元，该单元对由不同天线发送的每个副载波，基于所述反馈矢量信息，自适应地控制所分配的比特数目。
2、如权利要求1所述的系统，其中，
所述发送装置还包括功率分配单元，基于所述反馈矢量信息，对每个天线自适应地分配功率。
3、如权利要求1所述的系统，其中，
所述接收装置将表示具有最高的检测后SNR的天线位置的信息，作为所述反馈矢量信息发送给所述发送装置；
所述发送装置的比特分配单元对所述反馈矢量信息的天线分配更少的比特数目。
4、如权利要求2所述的系统，其中，
所述接收装置将表示具有最高的检测后SNR的天线位置的信息，作为所述反馈矢量信息发送给所述发送装置；
所述发送装置的功率分配单元对所述反馈矢量信息的天线分配更高的发送功率。
5、一种链路自适应系统，用于使用正交频分复用(OFDM)的多输入多输出(MIMO)通信系统，该链路自适应系统中，
接收装置包括：
V-BLAST信号处理单元，进行V-BLAST处理，该V-BLAST处理将接收信号与发送装置的多个天线相对应地分离为数据流；
CRC检测单元，对每个数据流进行检错；以及
AMC选择单元，对所述发送装置的每个发送天线，依据检错结果确定自适应调制/编码方式(AMC)电平的提高/降低，并依据由V-BLAST处理得到的链路质量信息，确定AMC电平的增加/减少量；
所述发送装置包括：
CRC附加单元，对发送信号附加用于检错的比特；以及
复用AMC单元，基于所述AMC选择单元的结果，对每个发送天线分配AMC。
6、如权利要求5所述的系统，其中，
所述接收装置的AMC选择单元对于在当前的发送中接收到肯定响应(ACK)的天线，在下一个帧的发送时提高该天线的AMC电平，而对于接收到否定响应(NACK)的天线，在下一个帧的发送时降低该天线的AMC电平。
7、如权利要求5所述的系统，其中，
所述接收装置的AMC选择单元在需要增加AMC电平时对差错几率相对较小的天线越大幅度地增加该天线的AMC电平，而在需要减少AMC电平时对差错几率相对较大的天线越大幅度地减少该天线的AMC电平。
8、如权利要求5所述的系统，其中，
所述接收装置还包括SNR测定单元，该单元使用从所述发送装置的每个发送天线发送的接收导频信号来测定信噪比(SNR)；所述AMC选择单元，基于测定出的SNR评估每个发送天线的信道状态，并根据SNR定期地将AMC电平复位。
9、一种链路自适应方法，用于使用正交频分复用(OFDM)的多输入多输出(MIMO)通信系统，该链路自适应方法中，
在接收装置中包括：
进行V-BLAST处理的步骤，该V-BLAST处理将接收信号与发送装置的多个天线相对应地分离为数据流；以及
将由V-BLAST处理得到的反馈矢量信息发送给发送装置的步骤；
在所述发送装置中包括：
对由不同的天线发送的每个副载波，基于所述反馈矢量信息，自适应地控制所分配的比特数目的步骤。
10、如权利要求9所述的链路自适应方法，其中，
在所述发送装置中还包括：
基于所述反馈矢量信息，对每个天线自适应地分配功率的步骤。
11、如权利要求9所述的链路自适应方法，其中，
在所述接收装置中，将表示具有最高的检测后SNR的天线位置的信息，作为所述反馈矢量信息发送给所述发送装置；并且
在所述发送装置中，对所述反馈矢量信息的天线分配更少的比特数目。
12、如权利要求10所述的链路自适应方法，其中，
在所述接收装置中，将表示具有最高的检测后SNR的天线位置的信息，作为所述反馈矢量信息发送给所述发送装置；并且
在所述发送装置中，对所述反馈矢量信息的天线分配更高的发送功率。
13、一种链路自适应方法，用于使用正交频分复用(OFDM)的多输入多输出(MIMO)通信系统，该链路自适应方法中，
在接收装置中包括：
进行V-BLAST处理的步骤，该V-BLAST处理将接收信号与发送装置的多个天线相对应地分离为数据流；
对每个数据流进行检错的步骤；以及
对所述发送装置的每个发送天线，依据检错结果确定自适应调制/编码方式(AMC)电平的提高/降低，并依据由V-BLAST处理得到的链路质量信息确定AMC电平的增加/减少量的步骤；
在所述发送装置中包括：
在发送信号中附加用于检错的比特的步骤；以及
基于所述AMC电平的确定结果，对每个发送天线分配AMC电平的步骤。
14、如权利要求13所述的链路自适应方法，其中，
在所述接收装置中，对于在当前的发送中接收到肯定响应(ACK)的天线，在下一个帧的发送时提高该天线的AMC电平，而对于接收到否定响应(NACK)的天线，在下一个帧的发送时降低该天线的AMC电平。
15、如权利要求13所述的链路自适应方法，其中，
在所述接收装置中，在需要增加AMC电平时对差错几率相对较小的天线越大幅度地增加该天线的AMC电平，而在需要减少AMC电平时对差错几率相对较大的天线越大幅度地减少该天线的AMC电平。
16、如权利要求13所述的链路自适应方法，其中，
在所述接收装置中还包括：
使用从所述发送装置的每个发送天线发送的接收导频信号来测定信噪比(SNR)的步骤；并且
基于测定出的SNR评估每个发送天线的信道状态，并根据SNR定期地将AMC电平复位。
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