CN101079685B - 一种用于多天线通讯系统的自动重传请求方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于多天线系统的自动重传请求方法，可用于无线局域网、宽带无线接入、移动通信、地面数字电视广播等系统和标准。基于无线信道的广播特征，每幅接收天线端能获得从所有发射天线端传送的数据分组；然后，每幅接收天线端除了恢复出来自源天线的目的数据分组之外，还将检测并保存来自其他天线端的数据分组。当分组重传时，把发送端所有待重传的分组进编码为复合分组后从任一幅天线发射，其余天线可用作发送其他数据分组，从而提高了MIMO系统吞吐量。

Description

一种用于多天线通讯系统的自动重传请求方法

技术领域

一种用于多天线系统的自动重传请求方法，可用于无线局域网、宽带无线接入、移动通信、地面数字电视广播等系统和标准。

背景技术

随着无线网络、多媒体技术和Internet的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信系统，且它将广泛采用一些新技术，如多天线(MIMO)等。

MIMO系统是指在发送和接收端使用多元天线阵列，它能显著提高系统容量和无线传输链路质量。利用MIMO技术提高系统容量和传输质量的方式包括两类：空分复用和空间分集。空分复用的典型应用是Bell实验室提出的分层空时结构(BLAST)，它把整个数据流分解成若干个单独的子数据流从多副天线并行发送；在接收天线大于或等于发送天线数时，BLAST的信道容量与发送天线数成线性关系。空间分集是利用发送、接收天线间的多径传播而提高传输鲁棒性，它包括接收分集和发送分集，如空时格码和空时分组码等。

虽然MIMO相对于单天线系统提高了频谱效率，但各天线支路传送信号受到信道衰落的影响而降低了吞吐量。采用基于混合自动重复请求(HARQ)的链路自适应技术能提高MIMO传输可靠性。HARQ是自动重复请求(ARQ)和前向纠错(FEC)相结合的纠错方法。FEC的优点是只有一个信道，传输效率高，等于码速率；当译码错误时，错误的信息也送给用户，故可靠性不高，为获得高的系统可靠性必须选用长码和纠错能力强的码组，使得译码电路复杂度高。ARQ技术比FEC简单、可靠，但它必须设置一个反馈信道，且当信道变差时系统经常处于请求状态而使传输效率较低。

HARQ是在ARQ中引入FEC技术，利用FEC纠正经常出现的错误，以减少重传次数，使得只有在极少出现的错误才请求重传，即增加了系统可靠性和传输效率。MIMO系统中HARQ的工作原理为：每幅发射天线支路比特流加入循环冗余校验(CRC)比特、调制形成一数据分组后发射到信道，经信道传播后，接收天线端利用检测算法恢复各天线支路的数据分组，并利用CRC检验是否出错。若某天线支路的数据帧出错，则从该天线端对应的源发射天线重发该数据分组。数据分组发送时，由于无线信道的广播特征，使得所有接收端天线均可收到该分组。一般的MIMO ARQ技术中，接收天线端仅利用来自源发射天线的分组数据信息，而把来自其他天线的数据帧信息作为干扰而删除，如图2(b)所示。从信息论的角度来看，这种处理方法存在信息损失，没有完全利用有效信息。同时，数据重传时，只要任一幅天线支路端的数据出现差错，则均需要从这些天线支路端发送数据分组，这耗费MIMO链路的传输效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能提高MIMO系统吞吐量的混合自动重复请求发射方法，该方法能够提高MIMO系统吞吐量。

本发明的思想是基于无线信道的广播特征，即每个接收天线端能获得从所有发射天线端传送的数据分组；在接收天线端除了恢复来自源天线的目的数据分组之外，还将检测并保存来自其他天线端的数据分组，如图2(a)。当分组重传时，把所有待重传的分组进行编码为复合分组后从任一幅天线发射，其余天线可用作发送其他数据分组，这将提高MIMO系统传输效率。

本发明采取了如下技术方案。多天线通讯系统主要包括有发射端、接收端和反馈信道，发射端和接收端分别安装有N幅天线，接收端的每幅天线均能接收到来自发射端的N幅天线的数据分组；输入的信息流被分成N个数据分组D₁，D₂，…，D_N，N个数据分组D₁，D₂，…，D_N分别被送到发射天线的1，…，N端发射，经无线信道传输后被接收端的接收天线1，…，N端接收；其特征在于：

1)接收端的接收天线1，…，N用信号检测方法恢复来自源天线的目的数据分组，并把检测出的来自其他N-1个发射天线的数据分组用信号检测方法恢复后暂时保存到每幅接收天线端；

2)接收端的接收天线1，…，N分别校验接收到的来自源天线发射的数据分组，若正确，则通过反馈信道发送确认信息数据ACK到其发射端；否则，发送非确认信息数据NACK给发射端；

3)发射端的发射天线根据各自接收到的反馈信息数据判断是否需要重新发送数据分组，若收到确认信息数据则无需重发数据分组，若收到非确认信息数据则需要重发数据分组；

4)发射端把所有需要重发的数据分组编码后通过发射端的发射天线1，…，N中的任一幅天线发射；

5)接收端的接收天线1，…，N分别接收到编码后的数据，每幅接收天线利用暂存的其他天线的数据分组数据对接收到的数据进行译码恢复发射分组。

所述的数据分组编码和译码的方法为模二加(XOR)方法。本发明的分组编码、译码采用模二加方式，而接收端收到需要重发的复合分组后，各接收天线利用已保存的数据分组对重发的复合分组进行模二加译码可恢复发射信息，下面以接收天线1为例来说明分组编码、译码操作的原理：

设从天线1，…，N发送的数据分组分别为D₁，D₂，…，D_N，接收端的N个天线接收的数据均需要重传，则需要重传的数据在接收端采用模二加的分组编码后的复合分组为(D₁⊕D₂⊕…⊕D_N)，接收天线1端接收到重传的复合分组后，利用暂存的数据分组对其进行译码，暂存的数据分组为(D₂⊕…⊕D_N)，则译码输出为(D₁⊕D₂⊕…⊕D_N)⊕(D₂⊕…⊕D_N)＝D₁。

所述的接收端的信号检测方法为迫零法或者为最大似然法。

采用本发明提出的方法，所有待重发的数据分组从一幅天线发射，而其他天线可发送额外的数据分组，从而提高MIMO系统的吞吐量。

附图说明

图1MIMO ARQ示例

图2本发明和现有的接收端操作比较

图3本发明中的编码分组发射

图4本发明的流程图

图5迫零检测方法流程图

图6(a)第一次发送示意图

图6(b)提出的第二次发送示意图

图6(c)传统的第二次发送示意图

具体实施方式

下面结合图2～6详细说明本实施例。

本实施例中的一种用于多天线通信系统的自动重传请求方法，其中多天线通讯系统主要包括有发射端、接收端和反馈信道，发射端和接收端分别安装有N幅天线，接收端的每幅天线能接收到来自发射端的所有天线的数据分组；输入的信息流被分成N个数据分组D₁，D₂，…，D_N，N个数据分组D₁，D₂，…，D_N分别被送到发射天线的1，…，N端发射，经无线信道传输后被接收端的接收天线1，…，N端接收；

1)接收端的接收天线1，…，N用信号检测方法恢复来自源天线的目的数据分组，并把检测出的来自其他N-1幅发射天线的数据分组用信号检测方法恢复后暂时保存到每幅接收天线端；

2)接收端的接收天线1，…，N分别校验接收到的来自源天线的目的数据分组，若正确，则通过反馈信道发送确认信息数据到其发射端；否则，发送非确认信息数据NACK给发射端；

3)发射端的发射天线根据各自接收到的反馈信息数据判断是否需要重新发送数据分组，若收到确认信息数据则无需重发数据分组，若收到非确认信息数据则需要重发数据分组；

4)发射端把所有需要重发的数据分组编码后通过发射端的发射天线1，…，N中的任一幅天线发射；

5)接收端的接收天线1，…，N分别接收到编码后的重发数据，每幅接收天线利用暂存的其他天线的编码后的数据分组数据对接收到的重发数据进行译码。

下面分别以发射天线和接收天线分别是两幅和三幅为例，对本方法作进一步的说明：

以两幅发射天线和两幅接收天线组成的MIMO系统为例说明。在第一次发送过程中，天线TX1和TX2分别发射数据分组data1和data2；在接收端，天线RX1和RX2检测对应的数据data1和data2，这可通过一般的迫零、最大似然检测等方法来实现。下面以迫零检测算法为例说明。

设发送信号d＝「datat1 data2]^T，接收信号为r＝[r₁ r₂]，其中r₁、r₂分别为天线1、2端的接收数据，信道增益系数 $H=\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right],$ h_ij分别表示发送、接收天线之间的信道衰落，接收天线端噪声向量w＝[w₁ w₂]，其中w₁、w₂分别为接收天线1、2端的噪声，则可得

$\left[\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{data}1\\ \mathrm{data}2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{w}_1\\ w_2\end{array}\right]---\left(1\right)$

写作矢量形式为

r＝Hd+w                     (2)

对上式求H的逆矩阵，可获得data1和data2的估计值

实现该方法的流程如图5，描述如下：

第一步：存储接收数据信号r；

第二步：估计信道向量H和噪声w；

第三步：计算接收信号与噪声的差(r-w)；

第四步：利用信道矩阵的逆计算

获得发射信号的估值

假设接收端的接收天线RX1和RX2均未正确接收到各自的目的分组data1和data2，但都侦听到来自其他发射天线的数据并保存这些数据分组data2和data1，如图6(a)。通过反馈信道把NACK命令传送到发射端后，需要重发数据data1和data2。

这时，在发送端对分组data1和data2进行比特级的编码形成编码数据分组后，从TX1和TX2天线中选择任一幅天线发射到信道，而另一幅天线可发送额外数据data3。编码采用模二加(异或)方式，即data1⊕data2，编码后发送的复合数据分组为(data1⊕data2)。若接收天线RX1能正确收到数据(data1⊕data2)，则利用已保存的数据data2对其译码，译码操作也采用异或方式即(data1⊕data2)⊕data2＝data1，由此可恢复发射信号data1。若接收天线RX2能正确收到数据(data1⊕data2)，则利用已保存的数据data1对其译码，译码操作也采用异或方式即(data1⊕data2)⊕data1＝data2，由此可恢复发射信号data2，如图6(b)。为了比较，图6(c)示出了采用一般方法的操作示意图，它分别从TX1和TX2重发分组data1和data2。

类似地，对有三幅发射天线和三幅接收天线组成的MIMO系统，假设接收端的接收天线RX1、RX2和RX3均未正确接收到各自的目的分组data1、data2和data3，但都侦听到来自其他发射天线的数据并保存这些数据分组(data2、data3)，(data1、data3)和(data1、data2)。通过反馈信道把NACK命令传送到发射端后，需要重发数据data1、data2和data3。

这时，在发送端对分组data1、data2和data3进行比特级的编码形成编码数据分组(data1⊕data2⊕data3)后，从TX1、TX2和TX2天线中选择任一幅天线发射到信道，而另外两幅天线可以发送额外数据data4、data5。若接收天线RX1能正确收到数据(data1⊕data2⊕data3)，则利用已保存的数据(data2、data3)对其译码。译码操作时，先对暂存数据编码为(data2⊕data3)，然后采用异或方式译码，即(data1⊕data2⊕data3)⊕(data2⊕data3)＝data1，由此可恢复发射信号data1。其他天线端的译码操作类似，不再赘述。

可以看到，采用本发明提出的方法，数据重传过程中在同一时刻传送了三个数据分组，而采用传统方法只能传送两个分组，从而提高了MIMO系统的吞吐量。

Claims (2)

1.一种用于多天线通信系统的自动重传请求方法，多天线通讯系统主要包括有发射端、接收端和反馈信道，发射端和接收端分别安装有N幅天线，接收端的每幅天线能接收到来自发射端的所有天线的数据分组；输入的信息流被分成N个数据分组D₁，D₂，…，D_N，N个数据分组D₁，D₂，…，D_N分别被送到发射天线的1，…，N端发射，经无线信道传输后被接收端的接收天线1，…，N端接收；其特征在于：

1)接收端的接收天线1，…，N用信号检测方法恢复来自源天线的目的数据分组，并把检测出的来自其他N-1幅发射天线的数据分组用信号检测方法恢复后暂时保存到每幅接收天线端；

2)接收端的接收天线1，…，N分别校验接收到的来自源天线的目的数据分组，当接收端的所有接收天线均未正确接收到各自的目的分组、但都侦听到并保存了来自其他发射天线的数据，则接收端通过反馈通道发送非确认信息数据NACK给发射端；

3)发射端的发射天线收到非确认信息数据后则重发数据分组；

4)发射端把所有需要重发的数据分组编码后通过发射端的发射天线1，…，N中的任一幅天线发射；

5)接收端的接收天线1，…，N分别正确接收到所有编码后的重发数据，每幅接收天线利用暂存的其他天线的编码后的数据分组数据对接收到的重发数据进行译码；

所述的数据分组编码和译码的方法为模二加方法。

2.根据权利要求1所述的一种用于多天线通信系统的自动重传请求方法，其特征在于：所述的接收端的信号检测方法为迫零或者最大似然法。

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