CN101138185B - Mimo发送装置及mimo系统中的数据重传方法 - Google Patents

Mimo发送装置及mimo系统中的数据重传方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种MIMO发送装置，对重传的数据和新发送的数据进行重排，由此能够使用HARQ技术提高系统传输的可靠性，同时能够增加系统的吞吐量，并能够提高整个数据传输的效率。在该装置中，重传数据选择单元(400)暂时存储数据，同时基于被反馈的信息输出判断为需要重传的数据作为重传数据。数据交织单元(404)在交织控制单元(408)的控制下，进行数据交织。交织控制单元(408)基于被反馈的信息对交织进行控制。

Description

MIMO发送装置及MIMO系统中的数据重传方法
技术领域
本发明涉及MIMO发送装置及MIMO系统中的数据重传方法，尤其涉及移动通信系统中的多天线传输技术，更具体地，涉及多天线系统中进行数据重传的MIMO发送装置及MIMO系统中的数据重传方法。
背景技术
目前，随着理论和技术的发展，移动通信中出现了许多新技术和新应用，象OFDM、MIMO等。这些新技术能够大大提高移动通信系统的性能，满足人们对无线多媒体和高速率数据传输的要求。多入多出(MIMO)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。MIMO技术指的是数据的发送和接收都采用了多根天线。研究表明，利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。MIMO系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发送端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，MIMO技术对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力，是新一代移动通信系统采用的关键技术。
通信的发展对数据业务量的需求正日益增加，各种支持高速数据业务量的方案也纷纷被提出。这些方案一般都使用高阶调制技术，如8PSK、16QAM等等。虽然高阶调制技术可以提高系统的数据传输速率，但是高阶调制要求较高的信噪比，这限制了高阶调制的使用。高阶调制技术是将n个编码比特按照一定的星座图映射成一个高阶调制的码元。在高阶调制技术中，高阶调制的阶数越大，在星座图中的相邻点之间的欧式距离越小。这样，高阶调制技术中，在相同信噪比的条件下，越是高阶调制，码元差错率就越大。高阶调制的码元差错率与星座中的最小欧式距离有关。另一方面，高阶调制的码元差错率与星座图中每个编码比特的映射关系无关。但是在高阶调制码元中的编码比特差错率与星座图中各编码比特的映射关系密切相关。因此，对高阶调制码元中的编码比特差错率而言，通过使映射不同，能够得到n个编码比特种的不同的编码比特差错率。
数据业务量对传输差错率的要求很高，如误帧率为0.1％。因此，为了在恶劣的无线信道环境中要达到这样的高性能，需要采用信道编码和纠错技术。目前比较常用的一种技术是混合请求重传(HARQ)技术。该技术结合了自动请求重传(ARQ)技术和前向纠错(FEC)技术来检测并纠正错误。目前有三种混合请求重传技术：第一类，接收端丢弃无法正确接收的分组，并通过返回信道通知发送端重传原分组的拷贝。然后，接收端对新收到的分组独立地进行解码。第二类，接收端不丢弃错误的分组，而是与重传的信息相结合进行解码。第三类，接收端不丢弃错误的分组，而是与重传的信息相结合进行解码。此时，重传的分组包括为了正确接收数据而需要的全部信息。
使用HARQ进行信道的纠错时，首先发送端将编码后的信息发送到接收端。然后，接收端收到信息后对所接收的信息进行纠错解码。如果接收端正确地接收了数据，则在接收信息的同时向发送端发送ACK确认信息；相对于此，如果接收端无法纠正错误，则向发送端发送NACK信息，由此要求发送端重传数据。然后，接收端再根据接收的重传数据进行解码。
图1是表示传统的MIMO+HARQ系统的结构的图。
在上述结构中，在发送端，待发送的数据首先经过串/并变换单元101分成nT个数据子流。每个数据子流对应一根发送天线。在发送之前，CRC编码单元102对这些数据子流进行CRC编码。编码和调制单元103进行编码和调制。然后，由nT根天线104传输调制后的数据。由反馈信道111反馈的信息表示数据的接收状况。而且，发送端根据接收情况决定是否将数据重传。
在接收端，首先由nR根接收天线105将空间全部信号接收下来。然后，信道估计单元106根据该接收信号中的导频信号或采用其他方法进行信道估计。然后，信道估计单元106求出当前的信道特性矩阵H。对MIMO系统而言，其信道特性可以用矩阵来描述。最后，MIMO检测单元107根据信道特性矩阵H对各个发送数据子流进行检测。然后，CRC校验单元108对检测后的数据进行CRC校验。反馈信息处理单元110利用关于是否已正确解码的信息生成反馈信息。然后，接收端通过反馈信道111将反馈信息送到发送端。正确接收的数据经过并/串变换单元109，最终恢复为原始数据。
发明内容
发明要解决的问题
然而，在上述的传统的MIMO系统中存在如下问题：由于数据业务量对传输差错率的要求非常高，因此为了使用HARQ技术而提高系统传输的可靠性并增加系统的吞吐量，会出现限制。
本发明的目的在于，提供一种MIMO发送装置以及MIMO系统中的数据重传方法，对重传的数据和新发送的数据进行重排，由此能够使用HARQ技术提高系统传输的可靠性，同时能够增加系统的吞吐量，并能够提高整个数据传输的效率。
解决问题的方案
本发明的MIMO发送装置的结构包括：重传数据选择单元，基于在通信对象中的接收质量，选择需要重传的数据即重传数据；数据重排单元，根据基于一个码元中的各比特位置的差错率、配置在所述各比特位置的所述重传数据的数目以及新发送的数据的数目，对所述重传数据和所述新发送的数据进行重排；以及发送单元，将经所述数据重排单元重排的所述重传数据和所述新发送的数据，通过对每个子流不同的天线发送，其中，配置在一个码元中差错率较高的比特位置的所述重传数据的数目为，配置在一个码元中所述差错率较高的比特位置以外的差错率较低的比特位置的所述新发送的数据的数目以下时，所述数据重排单元在所述子流间进行所述重排，以使配置在所述差错率较高的比特位置的所述重传数据与配置在所述差错率较低的比特位置的所述新发送的数据交换位置。
本发明的对重传数据和新发送的数据进行发送的MIMO发送装置中的数据重传方法包括以下步骤：重传数据选择步骤，基于在通信对象中的接收质量，选择需要重传的数据即重传数据；数据重排步骤，根据一个码元中的各比特位置的差错率、配置在所述各比特位置的所述重传数据的数目以及新发送的数据的数目，对所述重传数据和所述新发送的数据进行重排；以及发送步骤，将在所述数据重排步骤中重排后的所述重传数据和所述新发送的数据，通过对每个子流不同的天线发送，其中，在所述数据重排步骤中，配置在一个码元中差错率较高的比特位置的所述重传数据的数目为，配置在一个码元中所述差错率较高的比特位置以外的差错率较低的比特位置的所述新发送的数据的数目以下时，在所述子流间进行所述重排，以使配置在所述差错率较高的比特位置的所述重传数据与配置在所述差错率较低的比特位置的所述新发送的数据交换位置。
发明效果
根据本发明，对重传的数据和新发送的数据进行重排，由此能够使用HARQ技术提高系统传输的可靠性，同时能够增加系统的吞吐量，并能够提高整个数据传输的效率。
附图说明
图1是表示传统的MIMO+HARQ系统的结构的图。
图2是表示采用格雷(Gray)映射的16QAM的星座的图。
图3是表示采用格雷映射的8PSK的星座的图。
图4A是表示本发明实施方式的MIMO系统发送端的结构的图。
图4B是表示本发明实施方式的MIMO系统接收端的结构的图。
图5A是表示本发明实施方式的发送端和接收端的传输处理的流程图。
图5B是表示本发明实施方式的发送端和接收端的传输处理的流程图。
图6是表示本发明实施方式的交织处理的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明的优选实施方式。
(实施方式)
图2为表示采用格雷映射的16QAM的星座的图。
在图2中，格雷映射保证在星座中两个相邻点的四个编码比特(S3S2S1S0)中只有一编码比特不同。因此，格雷映射能够尽量减少编码比特中的差错率。在四个编码比特(S3S2S1S0)中，S3和S1的编码比特差错率比S2和S0的编码比特差错率要小。即，S3和S1的编码比特的信噪比比在S2和S0的编码比特的信噪比要大。为了提高在重传时数据的传输差错性能，本发明中将重传的数据比特分配在编码比特差错率较小的位置上。这里，四个编码比特(S3S2S1S0)构成一个码元。
图3为表示采用格雷映射的8PSK的星座的图。
在8PSK码元的三个编码比特(S2S1S0)中，S2和S1编码比特差错率比S0的编码比特差错率要小。即，S2和S1编码比特的信噪比比S0的编码比特的信噪比要大。这里，三个编码比特(S2S1S0)构成一个码元。
在一般的MIMO系统中，如果数据出错，则发送端对出错的数据重新进行编码和调制之后，通过天线发送数据。
在本发明中，发送端在编码单元和调制单元之间具有数据交织单元，其进行将数据重排的处理即交织。然后，发送端通过数据交织单元对编码后的数据进行交织之后，通过解调单元进行码元映射。进而，发送端最后对数据进行调制，同时将调制后的数据分配到多根天线上进行数据传输。
如果接收端无法正确接收数据，则发送端重传数据。重传数据时，发送端根据所采用的调制方式，对重传的数据子流与新发送的数据子流进行交织。交织后的数据确保重传的数据比特在进行调制的步骤中能够映射到比特误码性能良好的位置的比特位置。调制后的数据分配到多根天线上进行传输。
接收端在接收到数据后，首先进行信道估计和MIMO检测。然后，接收端对数据进行解调，对解调后的数据进行解交织。进而，接收端恢复出原始的数据子流，然后进行解码。
图4A是表示本发明实施方式的MIMO系统发送端的结构的图。
如图4A所示，发送端包括：重传数据选择单元400、串/并变换单元401、CRC编码单元402、信道编码单元403、数据交织单元404、调制单元405、天线406、反馈信道407以及交织控制单元408。在图4A中数据暂时存储在重传数据选择单元400中。另外，在基于被反馈的信息判断为需要重传时，数据从重传数据选择单元400作为重传数据被输出。然后，从重传数据选择单元400输出的数据在串/并变换单元401进行串/并变换。而且，串/并变换后的数据在CRC编码单元402进行CRC编码。而且，CRC编码后的数据在信道编码单元403进行信道编码。然后，在交织控制单元408的控制下，信道编码后的数据通过数据交织单元404进行数据交织。交织控制单元408根据通过反馈信道407反馈回来的信息来对交织进行控制。数据交织单元404和交织控制单元408构成数据重排部件。
如果没有重传的数据，则数据经过信道编码单元403后，不进行交织而在调制单元405进行调制。
如果需要重传数据，假设对重传的数据进行编码后配置在编码比特差错率较高的比特位置的重传的数据的比特数目为N(需要置换的比特数)，而新发送的数据中配置在编码比特差错率较低的比特位置的新发送的数据的比特数目为M(可以置换的比特数)。这里有N＜M和N＞M的两种情况。
首先说明N＜M的情况。如果N＜M，则发送端对重传数据中的位于编码比特差错率较高的比特位置的N个重传数据的比特与新发送的数据中的位于编码比特差错率较低的比特位置的M个新发送的数据的比特位置进行置换。例如假设在有四根发送天线，也即有四个数据子流时，其中有一个数据子流无法正确解码，需要重传。假设调制采用格雷映射的16QAM的调制方式，其码元的四个编码比特为(S3S2S1S0)，则S3和S1的编码比特的信噪比比在S2和S0的编码比特的信噪比要大。所以，发送端需要把重传的数据比特映射到S3和S1的位置。如果对一个数据子流进行编码后的比特数目为2N，则位于编码比特差错率较高位置的比特数据有N个。而对其他数据子流进行编码后，位于编码比特差错率较低位置的比特数目总共有3N个。此时，需要置换的比特数目总共为N个，发送端将这N个比特平均分配到其它三个数据子流中。分配时，第一个数据子流置换
Figure DEST_PATH_GSB00000028188300031
个比特(记号
Figure DEST_PATH_GSB00000028188300032
表示上取整)。第二个数据子流置换
Figure DEST_PATH_GSB00000028188300033
个比特(记号
Figure DEST_PATH_GSB00000028188300034
表示下取整)。第三个数据子流置换
Figure DEST_PATH_GSB00000028188300035
个比特。在第一个数据子流上，位于编码比特差错率较低位置的比特数据有N个。发送端从这N个比特中平均选出
Figure DEST_PATH_GSB00000028188300041
个比特与重传的数据比特进行置换。例如，发送端从这些比特中每隔两个地选出一个比特与重传的数据比特进行置换。这里，上取整是指在大于参数值的整数内取最小值。而且，下取整是指在小于参数值的整数内取最大值。例如，在上取整时，
Figure DEST_PATH_GSB00000028188300042
以及
Figure DEST_PATH_GSB00000028188300043
而在下取整时，
Figure DEST_PATH_GSB00000028188300044
以及
Figure DEST_PATH_GSB00000028188300045
如果调制采用了格雷映射的8PSK的调制方式，码元的三个编码比特为(S2S1S0)。此时，发送端则需要把重传的数据比特映射到S2和S1的位置。这是因为S2和S1编码比特的信噪比比S0的编码比特的信噪比要大。
然后说明N＞M的情况。当N＞M时，由于出错的数据较多，因此重传时发送端采用与前一次传输时不同的天线。发送端选择天线时可以根据从接收端反馈回来的各数据子流的SINR值，选择一个SINR值较大的天线。另外，发送端也可以随机选择一个与上次不同的发送天线。然后，发送端对重传的数据子流的编码比特进行位置置换，即对位于星座图中编码比特差错率较小的比特位置上的新发送的数据的比特和位于星座图中编码比特差错率较大的位置上的重传数据的比特进行位置置换。另外，发送端使每个传输子流的传输比特的信噪比平均。由此，能够提高信息接收的准确性。如果重传的数据子流中的位于编码比特信噪比较低的比特位置的重传数据的比特数目K为位于编码比特信噪比较高位置的新发送的数据的比特数目L以下，则发送端对位于编码比特信噪比较低的比特位置的重传数据的比特均等地与位于编码比特信噪比较高位置的新发送的数据的比特进行位置置换。否则，即K＞L时，则发送端从位于编码比特信噪比较低的比特位置的重传数据的比特中均等地选出L个比特。然后，发送端对所选择的L个比特与位于编码比特信噪比较高的比特位置的新发送的数据的比特进行位置置换。
概括起来，具体的置换包括以下各个步骤。
在步骤1，发送端计算重传的数据子流中需要置换的数据比特数目N。然后，发送端将计算出的比特数目N与新发送的数据子流中可以置换的数据比特数目M进行比较。N为重传的数据中位于编码比特差错率较大的比特位置上的比特的数目。而M为新发送的数据中位于编码比特差错率较小的比特位置上的总的比特数目。如果N＜M，发送端执行第2步骤。否则，发送端执行第3步骤。
在步骤2，发送端对重传的数据子流中需要置换的数据比特与其它的数据子流的数据比特进行置换。假设新发送的数据子流的数目为k个，则第一个数据子流中需要置换的数据比特数目为
Figure S2006800079322D00081
个。而且，第二个数据子流中需要置换的数据比特数目为
Figure S2006800079322D00082
个。再者，第三个和第四个数据子流中需要置换的数据比特数目分别为个、个。进而，最后第k个数据子流中需要置换的数据比特数目为
Figure S2006800079322D00085
个。其中l1为置换
Figure S2006800079322D00086
个比特的数据子流的数目。而且，l2为置换
Figure S2006800079322D00087
个比特的数据子流的数目。置换后，重传数据的部分比特平均分配到新发送的数据子流中。而新发送的数据子流的部分比特分配到重传的数据子流中。然后，发送端从步骤2的处理转到步骤4的处理。
在步骤3，发送端将重传的数据分配到与第一次传输不同的天线，也即不同的数据子流上。然后，发送端对重传的数据子流的编码比特的比特位置进行置换。即，发送端对位于星座图中编码比特差错率较小的比特位置上的比特和位于星座图中编码比特差错率较大的比特位置上的比特进行位置置换。然后，发送端使重传数据子流的编码比特的信噪比平均。由此提高信息接收的准确性。
在步骤4，发送端结束交织步骤。
数据的交织后，调制单元405对数据进行调制。然后，调制后的数据通过发送天线406发送出去。
图4B是表示本发明实施方式的MIMO系统的接收端的结构的图。
如图4B所示，接收端包括：多根接收天线410、信道估计单元411、MIMO检测单元412、解调单元413、解交织单元(数据重新配置单元)414、解码单元415、CRC校验单元416、并/串变换单元417、反馈信息处理单元418和反馈信道419。在接收端，多根接收天线410接收到数据。另外，信道估计单元411根据接收信号中的导频信号或采用其他方法进行信道估计。另外，信道估计单元411估计出当前的信道特性矩阵H。然后，MIMO检测单元412根据信道特性矩阵H对各个发送数据子流进行数据的检测。另外，解调单元413对检测后的数据进行解调。然后，解交织单元414使用反馈信息执行解交织操作。如果没有重传的数据，解交织单元414则不进行解交织步骤。数据解交织后，恢复原来的数据子流。然后，解码单元415进行解码。另外，CRC校验单元416进行CRC校验。关于是否正确接收的信息在反馈信息处理单元418进行处理。反馈信息处理单元418生成反馈信息。然后，接收端通过反馈信道419将所生成的反馈信息反馈回发送端。另外，正确解码的数据在并/串变换单元417中进行并/串变换。由此，接收端得到原始的发送数据。
图5A和图5B是表示本发明实施方式的发送端和接收端的传输处理的流程图。
发送端接收到从接收端反馈的信息(步骤501)。然后，发送端判断反馈信息是肯定确认(ACK)还是否定确认(NACK)(步骤502)。然后，如果数据正确接收，则发送端发送新的数据。发送端对新的数据子流进行编码(步骤504)。然后，发送端对编码后的新的数据子流直接进行调制(步骤506)。然后，发送端发送调制后的新的数据子流(步骤507)。如果需要对数据进行重传，则发送端对重传数据和新发送的数据分别进行编码(步骤503)。然后，发送端对编码后的重传数据比特与新发送的数据比特按照一定的方式进行交织(步骤505)。然后，发送端对交织后的重传数据比特与新发送的数据比特进行调制(步骤506)。然后，发送端将调制后的重传数据比特与新发送的数据比特映射到码元。然后，发送端将调制后的重传数据比特与新发送的数据比特分配到不同的天线上发送出去(步骤507)。
接收端接收到从发送端发送的数据(步骤510)。然后，接收端进行信道估计(步骤511)。另外，接收端估计出当前的信道特性矩阵。然后，接收端根据信道特性矩阵H对各个发送数据子流进行数据的检测(步骤512)。然后，接收端对检测后的数据进行解调(步骤513)。然后，接收端将码元恢复成数据比特。然后，如果不包含重传的数据(步骤514)，则接收端直接进行解码(步骤516)。另一方面，如果有重传的数据，则接收端进行解交织(步骤515)。然后，接收端恢复出原始的数据子流，并对数据进行解码(步骤516)。如果数据能够正确接收(步骤517)，则接收端生成肯定的确认消息即ACK(步骤518)。相反，如果数据不能正确被接收，则接收端生成否定的确认消息即NACK(步骤519)。，然后，接收端将反馈信息发送出去(步骤520)。
图6是表示本发明实施方式的交织处理的流程图。
在图6中，如果有重传的数据，发送端在编码后需要对发送数据进行交织。交织步骤开始后(步骤601)，发送端先比较需要置换的比特数目N和可以置换的比特数目M的大小(步骤602)。这里，需要置换的比特数目是指重传的数据中位于编码比特差错率较高的比特位置上的比特数目。而且，可以置换的比特数目为新发送的数据中位于编码比特差错率较低的比特位置上的总的比特数目。如果N≤M，则发送端确定每个数据子流的需要置换的比特数目(步骤603)。如果新发送的数据子流数目为k个，则第一个数据子流中的需要置换的比特数目为
Figure S2006800079322D00101
。而且，第二个数据子流中的需要置换的比特数目为
Figure S2006800079322D00102
。再者，在第三个和第四个数据子流中分别为
Figure S2006800079322D00103
。进而，最后第k个数据子流中的需要置换的数据比特为
Figure S2006800079322D00104
个。其中，l1为置换比特的数据子流的数目。而l2为置换比特的数据子流的数目。确定每个数据子流需要置换的比特数目后，发送端就将需要置换的重传数据比特均等地与新的数据子流的数据比特进行置换(步骤604)。如果N＞M，则发送端先改变重传的数据子流的发送天线(步骤605)。改变发送天线时，发送端可以根据从接收端反馈回来的各个数据子流的SINR值，选择一个SINR值较大的天线。另外，发送端也可以随机选择与上次发送时不同的发送天线。然后，发送端对重传的数据子流的比特进行位置置换(步骤606)，即对配置在星座图中编码比特差错率较小的比特位置上的新发送的数据的比特和配置在星座图中编码比特差错率较大的比特位置上的重传数据的比特进行位置置换。另外，发送端使整个传输数据子流的传输比特的信噪比平均。由此提高信息接收的准确性。然后，发送端结束整个交织步骤(步骤607)。
尽管如上结合优选实施方式说明了本发明。但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改、替换和改变来实施。
工业实用性
本发明的MIMO发送装置以及在MIMO系统中的数据重传方法适合于在MIMO系统中进行数据的重传。

Claims (4)

1.一种MIMO发送装置，包括：
重传数据选择单元，基于在通信对象中的接收质量，选择需要重传的数据即重传数据；
数据重排单元，根据基于一个码元中的各比特位置的差错率、配置在所述各比特位置的所述重传数据的数目以及新发送的数据的数目，对所述重传数据和所述新发送的数据进行重排；以及
发送单元，将经所述数据重排单元重排的所述重传数据和所述新发送的数据，通过对每个子流不同的天线发送，其中，
配置在一个码元中差错率较高的比特位置的所述重传数据的数目为，配置在一个码元中所述差错率较高的比特位置以外的差错率较低的比特位置的所述新发送的数据的数目以下时，所述数据重排单元在所述子流间进行所述重排，以使配置在所述差错率较高的比特位置的所述重传数据与配置在所述差错率较低的比特位置的所述新发送的数据交换位置。
2.如权利要求1所述的MIMO发送装置，其中，
所述数据重排单元决定基于调制方式的所述差错率较高的比特位置和所述差错率较低的比特位置，并进行所述重排。
3.一种MIMO接收装置，与权利要求1所述的MIMO发送装置进行通信，
所述MIMO接收装置包括：
接收单元，通过多根天线接收多个子流；
数据再配置单元，对包含在所述接收单元所接收的子流中的所述重传数据和所述新发送的数据进行重排，以使其成为在所述数据重排单元重排之前的数据配置；以及
解码单元，对所述数据再配置单元重排的所述重传数据和所述新发送的数据进行解码，获取所述重传数据和所述新发送的数据。
4.一种对重传数据和新发送的数据进行发送的MIMO发送装置中的数据重传方法，包括：
重传数据选择步骤，基于在通信对象中的接收质量，选择需要重传的数据即重传数据；
数据重排步骤，根据基于一个码元中的各比特位置的差错率、配置在所述各比特位置的所述重传数据的数目以及新发送的数据的数目，对所述重传数据和所述新发送的数据进行重排；以及
发送步骤，将在所述数据重排步骤中重排后的所述重传数据和所述新发送的数据，通过对每个子流不同的天线发送，其中，
在所述数据重排步骤中，配置在一个码元中差错率较高的比特位置的所述重传数据的数目为，配置在一个码元中所述差错率较高的比特位置以外的差错率较低的比特位置的所述新发送的数据的数目以下时，在所述子流间进行所述重排，以使配置在所述差错率较高的比特位置的所述重传数据与配置在所述差错率较低的比特位置的所述新发送的数据交换位置。
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