CN101103552B - 用于在通信系统中减轻多天线相关效应的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例提供了用于通过多天线发射机来发射多个调制符号流的方法和系统。一方面，用于通过多天线发射机来发射多个调制符号流的方法包括的动作有：把第一数量个符号流变换成第二数量个符号流，该第一数量小于该第二数量；并且通过具有第二数量个天线的发射机来发射该第二数量个符号流。

Description

用于在通信系统中减轻多天线相关效应的方法和装置

技术领域

本发明通常涉及无线通信，并且更具体地涉及用于在多天线无线通信系统中减轻相关效应的技术。 

背景技术

MIMO系统使用多个(N_T)发射天线和多个(N_R)接收天线来传输数据。可以把由N_T个发射天线和N_R个接收天线形成的MIMO信道分解成N_S个独立的信道，该N_S个独立信道还称为空间信道。该N_S个独立信道中的每一个对应于一个维数。如果使用了由该多个发射和接收天线创建的额外的维数，那么MIMO系统可以提供改善的性能(例如，更高的吞吐量和/或更大的可靠性)。 

多载波MIMO系统使用多个载波进行数据传输。可以通过正交频分复用(OFDM)或其它构造来提供这些多个载波。OFDM高效地将总系统带宽划分成多个(N_F)正交子带，该正交子带又称为音调、频率仓(bin)、以及频率子信道。通过OFDM，把每个子带关联到各自的载波，在该载波上对数据进行调制。对于使用OFDM的MIMO系统(即MIMO-OFDM系统)，可以将N_F个子带中的每一个的MIMO信道分解成N_S个独立信道，从而导致独立信道的总数为N_SN_F。 

在无线通信系统中，最初对要发射的数据进行处理(例如，编码和调制)，以形成符号流。然后把该符号流上变换到射频(RF)，以生成更适合经由无线信道发射的RF调制信号。对于MIMO系统，可以并行地生成和从N_T个发射天线发射多达N_T个RF调制信号。N_T个发射信号可能经由多条传播路径到达N_R个接收天线，并且由于不同的衰落和多径效应可能经历不同的有效信道。此外，对于MIMO-OFDM系统，每个发射信号的N_F个子带也可以经历不同的 有效信道。因此，N_T个发射信号可以关联到在N_F个子带上可变的不同的复信道增益和接收信噪比(SNR)。 

通信系统广泛的用于提供各种通信服务，例如语音、分组数据，等等。这些系统可以是时分多址、频分多址和/或码分多址系统，它们能够通过共享可用的系统资源来同时支持多个用户的通信。这些多址系统的实例包括码分多址(CDMA)系统、多载波CDMA(MC-CDMA)、宽带CDMA(W-CDMA)、高速下行链路分组接入(HSDPA)、时分多址(TDMA)系统、频分多址(FDMA)系统、以及正交频分多址(OFDMA)系统。 

因此在本领域内需要减轻在多天线无线通信系中的相关效应。 

发明内容概要 

本公开的实施例提供了用于通过多天线发射机来发射多个调制符号流的方法和系统。一方面，用于通过多天线发射机来发射多个调制符号流的方法包括的动作有：把第一数量个符号流变换成第二数量个符号流，该第一数量小于或等于该第二数量；并且通过具有该第二数量个天线的发射机来发射该第二数量个符号流。 

附图说明

通过以下所述的详细描述，并结合以附图，本发明的特征和本质会变得更加明显，其中在附图中相同的参考标号始终一致地对应，其中： 

图1A和1B示出了通过多天线发射机来发射调制符号流的两个实施例； 

图2示出了对通过图1A或1B的多天线发射机所发射的调制符号流进行变换的一个实施例； 

图3A和3B示出了用于实现向量旋转的实施例； 

图4示出了发射机系统和接收机系统的方框图；以及 

图5示出了图4的发射机中的发射机单元的方框图。 

具体实施方式

此处用词语“示例性的”来表示“用来作为示例、例子或例证”。此处所述的任何实施例或设计都是“示例性的”，无须解释为优选于或优于其它实施例或设计。 

在一个实施例中，在MIMO系统中，通过多天线发射机来发射并通过多天线接收机来接收多个符号流。MIMO系统的模型可以表示为： 

y(s)＝H(s)x(s)+n(s)，s∈S    方程(1) 

其中x(s)是{N_T×1}“发射”向量，其具有N_T项，对应于从N_T个发射天线所发射的N_T个符号或数据流； 

y(s)是{N_R×1}“接收”向量，其具有N_R项，对应于从N_R个接收天线所接收的N_R个符号或数据流； 

H(s)是{N_R}×{N_T}信道响应矩阵； 

n(s)是加性高斯白噪声(AWGN)向量；以及 

s可能对应于时分复用(s表示时间样本)、频分复用(s表示频率样本)、时频分复用(s表示时频空间中的样本)或码分复用(s表示码值)算法。 

假设向量n(s)具有零均值以及协方差矩阵Λ _n＝σ² I，其中I是单位矩阵，其沿对角线方向的值都是1，其它任何地方都是零，并且σ²是噪声的方差。 

信道响应矩阵H(s)并非对于所有的样本s都具有满秩。假设H(s)的秩是“r”，其可以由发射机和/或接收机来确定，则可以通过r个天线来发射r个调制符号流。在这个情况下，令H(s)＝[h₁(s)h₂(s)...h_Nt(s)]表示对于给定样本s的信道响应矩阵，h_i表示对应于发射天线i和所有接收天线的{N_T×1}信道响应向量，在给定的样本s，例如时间、频率、时频、或代码，接收信号定义为： 

$r\left(s\right)=\underset{t=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{h}_t\left(s\right)x_t\left(s\right)+n\left(s\right).$ 方程(2) 

取决于h_i(s)的方向，符号SNR可以显著地变化。例如，如果所选的用于在给定样本s上进行发射的r个天线具有两个或多个高度相关的h_i，那么对应的SNR将会过于低。在另一个极端，如果h_i接近正交，该SNR将会变高。因此，取决于信道特性，一些分组和/或符号可能享有高的SNR，而其它的可能遭受低的SNR。此外，如果一个分组跨越多个符号，则不同的符号可能遇到相同的SNR。 

在一个实施例中，不是选择r个天线来发射r个调制符号，而是通过N_T个天线来发射r个调制信号，因为由于发射天线的相关效应，选择r个天线来发射r个调制符号会导致很差的SNR。在这种情况下，通过例如维数为N_T×r的正交向量旋转矩阵Θ(s)来随机旋转r×1向量x(s)。即，新的维数为{N_T×1}的向量将会是： 

$\tilde{x}\left(s\right)=\mathrm{\Θ}\left(s\right)x\left(s\right).$ 方程(3) 

Θ(s)的作用是随机化用于接收每个符号x_i(s)的方向。因此，以向量的形式，所接收符号将会是： 

$r\left(s\right)=H\left(s\right)\mathrm{\Θ}\left(s\right)x\left(s\right)+n\left(s\right)=\tilde{H}\left(s\right)x\left(s\right)+n\left(s\right)=\underset{i=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{h}}_i\left(s\right)x_i\left(s\right)+n\left(s\right).$ 方程(4) 

在这种情况下，不考虑天线间的相关性，按照随机方向接收调制符号。此外，对于相同的样本s，不同的调制符号遇到不同的有效信道响应 

这种方向随机化防止了多个发射天线之间的强相关。 

图1示出了通过N_T个天线来发射r个调制符号流的两个实施例。在图1A中，例如，通过发射机来选择第一数量(例如r)个比特流，用于通过N_T个天线来发射。如上所讨论，可以基于信道响应矩阵 H(k)的秩(r)来进行这种选择。在一个实施例中，可以通过编码器102和映射器104来对该选择的调制符号流进行处理，并且经由向量旋转器106将r个调制符号流变换成N_T个符号流，用于通过N_T个天线108来发射。可替换地，如图1B所示，发射机可以通过编码器110和映射器112来处理一个或多个数据比特流，并且经由串并转换器114将调制符号流变换成r个调制符号流。在一个实施例中，可以经由向量旋转器116将该r个调制符号流变换成N_T个符号流，用于通过N_T个天线118来发射。 

在一个实施例中，通过向量旋转矩阵Θ，将该r个调制符号流变换成N_T个符号流，其中可能包括离散傅立叶变换(DFT)操作并紧接着移相操作。图2示出了用于对r个调制符号流{X₁，X₂，…，Xr}进行变换以通过具有N_T个天线的发射机108、118来发射的实施例。如202所示，在一个实施例中，可以用足够数量(例如N_T-r)个已知导频符号(例如“0”项)来扩充r个调制符号流，以便把N_T个输入提供给离散傅立叶变换(DFT)单元204。在一个实施例中，通过如图3A所示的N_T×N_T酉方阵，来实现/表示离散傅立叶变换204，该酉方矩阵重复如下： 

方程(5) 

在一个实施例中，通过相位旋转器206来对DFT单元204的N_T个输出进行移相。在一个实施例中，通过如图3B所示的N_T×N_T对角酉方阵来实现/表示相位旋转，该对角酉方阵重复如下： 

方程(6) 

其中θ_i∈[-π，π]可以是均匀分布的随机变量。可以从“种子”生成该随机变量θ_i，该“种子”可以实时地或在预定时间被传送到接收机端，用于生成同样的随机变量，以重构向量旋转矩阵Θ(s)。 

在一个实施例中，向量旋转器矩阵Θ(s)的实现如下： 

Θ(s)＝ΛD    方程(7) 

其中D是如以上方程(5)所定义的N_T点DFT酉矩阵，以及Λ是如方程(6)所定义的N_T点对角酉方阵。选择这种Θ(s)可以便于其在接收机端实现，例如，当发射天线的数量(N_T)是2的幂，或者至少可以把N_T分解成两个素数的时候，可以用高效FFT技术来实现Θ(s)。 

本公开的实施例可以应用于以下任何技术或其组合：码分多址(CDMA)系统、多载波CDMA(MC-CDMA)、宽带CDMA(W-CDMA)、高速下行链路分组接入(HSDPA)、时分多址(TDMA)系统，频分多址(FDMA)系统、以及正交频分多址(OFDMA)系统。 

图4示出了例如在OFDMA环境中，MIMO系统400中的发射机系统410和接收机系统450的实施例的方框图。在发射机系统410，通过数据源412来提供一个或多个流的数据，通过发射(TX)数据处理器414来对该数据进行编码，通过调制器420来对该数据进行调制以提供调制信号。可以通过控制器430所提供的控制来对每个流的数据速率、编码和调制进行确定。随后对所有流的调制符号和导 频符号进行复用并进一步处理，以提供N_T个符号流，进一步通过N_T个发射机(TMTR)422a到422T来对该N_T个符号流进行处理，以提供N_T个RF调制信号，然后从N_T个天线424a到424T来发射该N_T个RF调制信号。 

在接收机系统450，通过N_R个天线452a到452R来接收N_T个发射信号。每个接收机(RCVR)454对从关联天线452接收到的信号进行处理，以提供对应的接收符号流。接收(RX)空间/数据处理器460随后对该从N_R个接收机454所接收的N_R个符号流进行处理，以提供N_T个检测的符号流，并且进一步对每个检测的符号流进行处理，以获得该流的解码数据。 

RX空间/数据处理器460(例如基于导频符号)还对每个用于数据发射的子带，导出N_T个发射和N_R个接收天线之间的信道响应的估计。该信道响应估计可以用来在接收机中进行均衡。RX空间/数据处理器460进一步可以估计检测到的符号流的SNR。控制器470可以提供关于MIMO信道和/或接收符号流的信道状态信息(CSI)(例如接收到的该符号流的SNR或速率)。然后通过TX数据处理器478处理、通过调制器480调制、通过发射机454a到454R来调节(condition)该CSI，并将该CSI发送回发射机系统410。 

在发射机系统410，通过天线424来接收、通过接收机422来调节、通过解调器440来解调、并通过RX数据处理器442来处理来自接收机系统450的调制信号，以恢复由接收机系统发送的CSI。然后将该CSI提供给控制器430，并且该CSI可以用于(1)确定要发射的符号流的数量，(2)确定每个符号流所使用的速率、编码以及调制方案，(3)生成对于TX数据处理器414和调制器420的各种控制，以及(4)并且如上所述，对符号流进行DFT和相位旋转。 

控制器430和470分别控制发射机和接收机系统的操作。存储器单元432和472分别对控制器430和470所使用的程序代码和数据提供存储。 

图5示出了对应于图1A的发射机单元500的方框图，该发射机单元500是图4的发射机系统410的发射机部分的实施例。在这个 实施例中，TX数据处理器414a包括解复用器510、N_D个编码器512到512D、N_D个信道交织器514a到514D(即，每个流对应一个编码器和信道交织器组)。解复用器510将数据解复用成N_D个数据流，其中N_D可以是从1到N_T的整数，例如秩“r”。通过各自的编码器512和信道交织器514组对每个数据流进行编码和交织。然后把N_D个编码数据流提供给调制器420a。 

在这个实施例中，调制器420a包括N_D个符号映射元件522a到522D、向量旋转器524，以及N_T个(OFDM)调制器。每个OFDM调制器包括快速傅立叶反变换(IFFT)单元526和循环前缀生成器528。通过各自的符号映射元件522对N_D个编码数据流中的每一个进行符号映射，以提供各自的调制符号流，该调制符号流被称为发射符号流。然后向量旋转器524进行DFT和移相，并把N_T个符号流提供给N_T个OFDM调制器。 

在每个OFDM调制器中，对于每个符号周期，通过IFFT单元526来对N_F个子载波的N_F个符号进行变换，以获得对应的包括N_F个抽样的时域“变换的”符号。为了抵抗频率选择性衰落，循环前缀生成器528将每个变换符号的一部分进行重复，以获得对应的OFDM符号。对每个发射天线形成OFDM符号流，并且进一步通过关联的发射机422处理该OFDM符号流，以获得RF调制信号。并行生成和从N_T个发射天线发射N_T个RF调制信号。 

可以用各种装置来实现此处所述的信号发射技术。例如，可以用硬件、软件或其组合来实现这些技术。对于硬件实现，该用于处理(例如压缩和编码)信号的处理单元可以用一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、其它被设计来执行此处所述功能的电子单元、或它们的组合来实现。还可以用一个或多个ASIC、DSP等等来实现用于解码和解压缩该信号的处理器单元。 

对于软件实现，可以把用于执行此处所述功能的模块(例如程序和函数等等)用来实现信号传输技术。可以把软件代码存储到存储器 单元(例如图4中的存储器单元432和472)中，并且通过处理器(例如控制器430或470)来执行该软件代码。可以在处理器内部或外部实现该存储器单元。 

提供了前述关于本公开的实施例的描述，使得本领域的技术人员能够制造和使用本发明。对本领域技术人员而言，对于这些实施例的各种修改是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神和范围的前提下，此处所定义的总原则可应用于其它实施例。因此，本发明不限于此处所示的实施例，而是应该给予本发明与此处所公开的原理和新颖特征相一致的最广的范围。 

Claims (17)

1.一种用于在无线通信网络中，通过多天线发射机来发射多个调制符号流的方法，所述方法包括：

将第一数量个调制符号流变换成第二数量个符号流，所述第一数量小于所述第二数量；

通过包含第二数量个天线的发射机，来发射所述第二数量个符号流；以及

其中，所述变换包括通过向量旋转操作来对所述第一数量个调制符号流进行操作，并且其中，所述向量旋转操作进一步包括离散傅立叶变换以及对所述离散傅立叶变换的第二数量个输出进行移相，并且其中所述通过所述向量旋转操作来对所述第一数量个调制符号流进行操作进一步包括通过增加第三数量个已知导频符号，将所述第一数量个调制符号流增加为所述第二数量个符号流作为所述离散傅立叶变换的输入，以及对所述第二数量个符号流进行所述离散傅立叶变换，其中，所述第二数量等于所述第一数量与所述第三数量的和。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述离散傅立叶变换用维数等于所述第二数量的酉方阵来表示。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述酉方阵的定义为：

其中，N_T是所述第二数量，P是所述酉方阵的列号，以及q是所述酉方阵的行号。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述移相进一步包括通过酉对角方阵，来对所述离散傅立叶变换的第二数量个输出进行操作。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述酉对角方阵的定义为：

其中，N_T是所述第二数量，θ_i∈[-π，π]是均匀分布的随机变量，其中，i=1~N_T。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述无线通信网络包括OFDMA空中接口。

7.一种用于在无线通信网络中，通过多天线发射机来发射多个调制符号流的装置，所述装置包括：

用于将第一数量个调制符号流变换成第二数量个符号流的装置，所述第一数量小于所述第二数量；

用于通过包含第二数量个天线的发射机来发射所述第二数量个符号流的装置；以及

其中，用于变换的装置进一步包括用于通过向量旋转操作来对所述第一数量个调制符号流进行操作的装置，并且其中，用于进行操作的装置进一步包括用于执行离散傅立叶变换的装置以及用于对所述离散傅立叶变换的第二数量个输出进行移相的装置，并且其中所述用于进行操作的装置进一步包括用于通过增加第三数量个已知导频符号，将所述第一数量个调制符号流增加为所述第二数量个符号流作为所述离散傅立叶变换的输入的装置，以及用于对所述第二数量个符号流进行所述离散傅立叶变换的装置，其中，所述第二数量等于所述第一数量与所述第三数量的和。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述离散傅立叶变换用维数等于所述第二数量的酉方阵来表示。

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述酉方阵的定义为：

其中，N_T是所述第二数量，P是所述酉方阵的列号，以及q是所述酉方阵的行号。

10.如权利要求7所述的装置，其中，用于进行移相的装置进一步包括用于通过酉对角方阵来对所述离散傅立叶变换的所述第二数量个输出进行操作的装置。

11.如权利要求10所述的装置，其中，所述酉对角方阵的定义为：

其中，N_T是所述第二数量，θ_i∈[-π，π]是均匀分布的随机变量，其中，i=1~N_T。

12.如权利要求7所述的装置，其中，所述无线通信网络包括OFDMA空中接口。

13.一种用于在无线通信网络中，通过多个天线来发射多个调制符号流的发射机单元，包括：

向量旋转器单元，用于对第一数量个调制符号流进行操作，并生成第二数量个符号流，所述第一数量小于所述第二数量，其中，所述向量旋转器单元进一步包括离散傅立叶变换单元，并且所述操作进一步包括通过增加第三数量个已知导频符号，将所述第一数量个调制符号流增加为所述第二数量个符号流作为所述离散傅立叶变换单元的输入，以及对所述第二数量个符号流进行所述离散傅立叶变换，其中，所述第二数量等于所述第一数量与所述第三数量的和；以及

相位旋转器单元，用于对被进行了所述离散傅立叶变换的第二数量个符号流进行操作，以通过所述第二数量个天线来发射。

14.如权利要求13所述的发射机单元，其中，所述离散傅立叶变换用维数等于所述第二数量的酉方阵来表示。

15.如权利要求14所述的发射机单元，其中，所述酉方阵的定义为：

其中，N_T是所述第二数量，P是所述酉方阵的列号，以及q是所述酉方阵的行号。

16.如权利要求13所述的发射机单元，其中，所述相位旋转器单元进行的所述操作进一步包括通过酉对角方阵来对所述离散傅立叶变换的所述第二数量个输出进行操作。

17.如权利要求16所述的发射机单元，其中所述酉对角方阵的定义为：

其中，N_T是所述第二数量，θ_i∈[-π，π]是均匀分布的随机变量，其中，i=1~N_T。

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