CN101171785B

CN101171785B - 用于mimo传输的数据流的独立交织

Info

Publication number: CN101171785B
Application number: CN2006800153937A
Authority: CN
Inventors: 莫尼莎·高希; 李鹏
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-05-04
Filing date: 2006-05-03
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2026-05-03
Also published as: CN101171785A; US8050349B2; WO2006117764A1; JP2008541539A; US20090041137A1; EP1880499A1

Abstract

总体来说，本发明提供了一种交织器和交织方法，能够在有效实现竞争设计目的的同时满足后向兼容的需要。根据本发明的一个方面，利用多于预期接收天线的数目的多个发射天线来发送数据。至少形成一对发射天线(ant’_1，ant’_N)，并由第一数据流形成多个第二数据流(610a，610u)，将所述第一数据流中的连续比特分配到不同的所述第二数据流中。对所述多个第二数据流(610a，610u)各自分别进行块交织。在连续的发送间隔(617)期间，将发射天线对用于发送不同的所述第二数据流中的一对数据符号，之后发送数据符号的等效变换对。

Description

用于MIMO传输的数据流的独立交织

技术领域

本发明涉及无线数字通信。

背景技术

图1示出了一典型802.11a/g发射机的方框图。这样的发射机是一种单输入单输出(SISO)系统。要传送的比特被施加到前向纠错(FEC)编码器101，之后是交织器103。符号映射器105(例如，QAM映射器)对交织器103的输出比特在信号平面内进行分组和映射以形成符号。随后是IFFT运算117，将符号映射到一系列子载波频率(即，频点(frequency bin))上，并对符号进行变换以获得一系列时间采样。执行循环扩展运算107(等效于插入保护符号)，得到结果的OFDM符号。然后，执行脉冲成形109和IQ调制111，以获得RF输出信号113。

典型的802.11a/g系统具有块交织器(例如，块交织器103)，可以利用以下参数，以第一置换(permutation)和之后的第二置换的方式予以说明：

N_CBPS是交织器的大小，即每符号的编码比特个数

k是输入比特的索引

i是第一置换之后的索引

j是第二置换之后的索引

第一和第二置换如下所示：

第一置换

i＝(N_CBPS/16)(k mod 16)+floor(k/16)，k＝0，1，...，N_CBPS-1

存在16列和N_CBPS/16行

比特逐行写入并逐列读出

第二置换

j＝s*floor(i/s)+(i+N_CBPS-floor(16*i/N_CBPS))mod s，i＝0，1，...，N_CBPS-1

其中，s＝max(N_BPSC/2，1)，N_CBPS是OFDM子载波中每个符号的比特数。对于不同列，改变有效位索引，以使相邻比特不总是被映射到任意符号的相同索引。

前述置换用图2的方框201和203表示。

随着802.11a/b/g无线网络巨大的市场成功，802.11n工作组于2003年成立，该工作组旨在为高吞吐量的无线LAN制定标准。在所建议的标准中，最大数据速率高达720Mbps，覆盖范围达802.11a/b/g的2倍以上。基本技术被称为多输入多输出(MIMO)，该技术的本质是采用多个天线以利用无线介质中的多径分集。当讨论MIMO系统时，M×N表示M根发射天线和N根接收天线。

多个天线使得能够采用被称为空时块编码(STBC)的编码类型，STBC的一个实例是Alamouti编码。在STBC中，对信息块进行编码，利用多天线(空间)并在多个符号周期内(时间)进行发送。

希望802.11n(MIMO)系统至少与802.11a/g(SISO)系统后向兼容。特别是对于交织，需要交织装置在满足竞争设计目的(例如，体积小、低功耗以及通信健壮性)的同时支持后向兼容。

总体来说，本发明提供了一种交织器和交织方法，能够在有效实现竞争设计目标的同时满足后向兼容的需要。根据本发明的一个方面，利用多于预期接收天线的数目的发射天线来发送数据。至少形成一对发射天线，并由第一数据流形成多个第二数据流，将所述第一数据流中的连续比特分配到不同的所述第二数据流中。多个所述第二数据流的块交织各自独立执行。在连续的发送间隔期间，发射天线对用于发送不同的所述第二数据流中的数据符号，之后发送数据符号的等效变换对。根据发明的另一个方面，可以利用单根天线或多根天线发送数据。当利用单根天线发送数据时，在发送前利用第一种交织方法对数据进行块交织；当利用多根天线发送数据时，由第一数据流形成多个第二数据流，将所述第一数据流中的连续比特分配到不同的所述第二数据流中。，利用本质上与所述第一种交织方法相同的交织方法，执行多个所述第二数据流的块交织。[操作C]。根据发明的另一个方面，利用多于预期接收天线的数目的发射天线发送数据。形成一组发射天线，并由第一数据流形成多个第二数据流，包括针对每根天线的第二数据流，将所述第一数据流中的连续比特分配到不同的第二数据流中。对多个所述第二数据流各自分别执行块交织。在连续的发送间隔期间，从不同的所述天线依次输出各个非零符号以便进行发送，从而在给定发送间隔期间，只将一个非零符号分配给天线组中的一根天线，而将零符号分配给天线组中的其他天线。

附图说明

根据下面的说明，结合附图，可进一步理解本发明。在附图中：

图1为已知SISO通信发射机的方框图。

图2为图1中交织器的更详细的方框图。

图3为MIMO通信发射机的一部分的方框图。

图4为通信发射机的一部分的方框图，其中通信发射机针对两根天线采用频率交织信号。

图5为根据本发明一个方面的通信发射机的一部分的方框图，其中通信发射机针对两根天线采用频率交织信号。

图6为根据本发明一个方面的通信发射机的一部分的方框图，其中通信发射机针对两根天线采用频率交织信号。

图7为通信发射机的一部分的方框图，其中通信发射机采用Alamouti编码。

图8为通信发射机的一部分的方框图，其中通信发射机采用OFDM技术和Alamouti编码。

图9为根据本发明一个方面的通信发射机的一部分的方框图，其中通信发射机采用Alamouti编码。

图10为根据本发明一个方面的通信发射机的一部分的方框图，其中通信发射机采用OFDM和Alamouti编码。

具体实施方式

在下面的说明中，作为N根发射天线更一般的情况，示出了两根天线的典型情况，。如本领域技术人员所理解的，本发明的原理可以很容易地由两天线情况扩展至多于两天线的情况。

对于802.11n，需要多个空间流。由于802.11n系统要与802.11a/g系统后向兼容，因此必须引入802.11a/g的交织器。本发明的方法是设计基于802.11a/g交织器的新型交织器。即，将输入比特解析(parse)为两个流，并对于每个流使用802.11a/g交织器。

下面参考图3，图3示出了MIMO通信发射机的方框图。单个信息流被施加到比特解析器301。比特解析器根据传输模式生成单个信息流或两个分离的信息流。在SISO模式下，比特解析器将输入的信息流导入交织器310的上分支311。交织器的上分支可以采用与图2交织器相同的结构。即，块交织操作313之后是有效位索引调整器(shuffler)315组成。在MIMO模式下，比特解析器将输入信息流的交替比特交替地输出到交织器的上分支311和交织器的下分支312，从而形成两个分离的信息流。

交织器的下分支最好包括与交织器上分支相对应的方框314和316。此外，交织器下分支还包括方框316c(操作C)，并可以有选择地包括方框316b(操作B)或方框a(操作A)。

希望分离的相邻比特(目前在不同的空间流中)在频域上分开得越大越好。实现此目标的一种简单方法是以N_CBPS的整数倍循环旋转方框316的输出(操作C)。操作C可以被看作是将交织块缓冲在一个线性缓冲器中，并以N_CBPS的整数倍对其进行循环旋转。利用实际的系统模型，示出了对于一个2×2，40MHz的系统，循环旋转57*N_CBPS，即在频分复用中循环旋转57个频点，将得到相对于给定SNR的最低PER(误包率)。对于一个2×2，20MHz的系统，适当的循环旋转为25*N_CBPS。应当注意，在操作C中有效位索引尚未改变。

另外，还希望改变两个流之间的有效位索引。有多种方法可以实现此目标。一种方法是改变操作2(方框316)，例如改变所述第二置换中s的定义。或者，由于现有置换随列索引改变，可通过按不同列索引(如列索引+1)执行置换，来实现改变有效位索引的目的。

为了避免修改操作2(比如，考虑到硬件的重用)，可以在电路的不同位置(如比特解析器301、操作A或操作B)实现等效效果。比如，实现操作B的一种简单方法是循环旋转(例如，循环旋转1位)第二比特流的符号中的比特。在存在第三比特流的情况下，将符号中的比特循环旋转2位，等等。

操作A可采取另一种交织器的形式，例如，被设计成实现不同的有效位索引调整。此外，还可以将操作A与比特解析方框301进行合并。

还可以作为操作C的一部分来进行不同的有效位索引调整(即，除已用来实现频率分离以外的部分)。实现此目的的一种简单方法是在第二比特流中移动一位以上，在第三比特流中移动两位以上，等等。

在MIMO-OFDM系统中，当发射天线数多于接收天线数时，数据流数必须少于发射天线数。然而，众所周知，额外的发射天线可以提供额外的空间分集，并因而进一步改善系统性能。这样做的一种方法是使用空间扩展，该方法利用由其他天线的信号循环延迟的信号。

这样做的另一种方法是针对两根天线使用频率交织的信号，如图4所示。在图4中，方框401、403和405总体上对应于方框101、103和105。方框407以如下方式执行频率交织。

在频域中，

ant1＝[a1，0，a3，0，...]

ant2＝[0，a2，0，a4，...]

即，形成一对天线，在特定的符号周期内，只使用通过该天线对中一根天线发送的OFDM符号内的一半频率，而不使用另一半频率。在其他天线的情况下，调换特定频率的使用和未用状态。由于只是简单的交替方案，这种简单的频率交织无法充分利用频分复用信号中的频率分集。

参考图5，假设有N根天线，但只有一个流。单个信息流先被施加到FEC编码器501，之后被施加比特解析器503。比特解析器将输入信息流的比特依次输出到不同的分支510a，......510n。各分支均包括交织器511，之后是比特符号映射器513和频率交织方框515。按如下所示方式利用频率分集：

ant_1＝[a1，0，...0，a_N+1，0，...]

ant_2＝[0，a2，0，...0，a_N+2，0，...]

ant_N＝[0，...，0，a_N-1，0，a_N+N，0，...]

可以调整交织器深度以满足等待时间的需要。

参考图6，相同结构可用于STBC，其中STBC(方框617)在频率交织后使用。

对于2×1系统，STBC的一个特定变体是Alamouti编码。Alamouti编码将两个相邻符号映射到两根发射天线并同时发射。为了充分利用Alamouti编码(AC)的优势，通常在Alamouti编码前使用交织器。参考图7，将要发送的数据施加到FEC编码器701，之后依次是交织器703、OFDM映射器705以及符号解析器707。符号解析器产生多个符号流，所述符号流被施加到AC方框709。

在如图8所示的OFDM系统中，在AC方框809后为每个分支加入IFFT 806。

对于4×1系统，可以将Alamouti编码推广为4×1的空时分组编码(STBC)。以下是目前常见方案的处理方式：

s1(k)-s2*(k)repeat

s2(k)s1*(k)repeat

s3(k)-s4*(k)repeat

s4(k)s3*(k)repeat

每行表示两个连续符号周期期间一根特定天线所发送的符号。更具体地，在两个连续符号周期的第一符号周期内，在天线1至天线4发送不同的符号。在下一个连续符号周期内，发送等效但变换后的符号。因此，在天线1发送天线2前一符号周期发送符号的负共轭，在天线2发送天线1前一符号周期发送符号的共轭，等等。不断重复如上所示的模式(即，对天线1而言，接下去发送s1(k+1)，(-s2*(k+1))。

当应用OFDM技术时，相邻编码比特在时域和频域上应尽量分开。尽管可以设计出能够实现此目的的交织器，利用现有交织器不可能来升级系统。另外，对于M＞2的M×1系统来说，现有重复方案无法完全利用不同种类的空间分集。

为了更好地利用不同种类的空间分集，可以形成多个信息流，然后对信息流独立地进行交织。参考图9，方框901、903、911a、911b、913a和913b总体上对应于方框501、503、511a、511b、513a和513b。AC方框915接收结果流(独立交织过)，并以已知方式对其进行Alamouti编码。此装置可以被称为独立交织Alamouti编码(I2AC)。

在如图10所示的OFDM系统中，在AC方框后为每个分支加入一个IFFT 1006。

对于M＞2，除I2AC外还可以应用空间旋转。例如，对于4×2的情况，比特解析后产生四个流。每个流被进行独立交织并被映射为QAM符号。此时，按如下方式进行AC编码：

s1(k)-s2*(k)s1(k+1)-s3*(k+1)s1(k+2)-s4*(k+2)

s2(k)s1*(k)s2(k+1)-s4*(k+1)s2(k+2)-s3*(k+2)

s3(k)-s4*(k)s3(k+1)s1*(k+1)s3(k+2)s2*(k+2)

s4(k)s3*(k)s4(k+1)s2*(k+1)s4(k+2)s1*(k+2)

因此，在四根天线上逐对地对流进行STBC(可能的三对为((1，2)(3，4))，((1，3)，(2，4))，((1，4)，(2，3)))。这可以用如下的两种方法予以实现：

选项1：

在六个连续的OFDM符号周期内，按如下方式进行Alamouti编码：前两个OFDM符号在所有频率上采用(1，2)、(3，4)的组合，随后的两个OFDM符号在所有频率上采用(1，3)、(2，4)的组合，最后两个OFDM符号在所有频率上采用(1，4)、(2，3)的组合，接着对后面六个OFDM符号重复所述形式。这种方法的缺点在于每个频点的信道矩阵随时间改变。

令aij、bij、cij和dij表示第i个OFDM分组中的第j个数据符号，并用a、b、c、d表示四个流。令每个OFDM分组包含N个数据符号。方括号[]之间的一组符号表示一个OFDM符号。此时，AC方框执行的操作可以表示为如下形式：

输入：到STBC(AC)方框

[a11 a12....a1N][a21 a22....a2N][a31 a32....a3N].....................

[b11 b12....b1N][b21 b22....b2N][b31 b32....b3N].....................

[e11 c12....c1N][c21 c22....c2N][c31 c32....c3N]....................

[d11 d12....d1N][d21 d22....d2N][d31 d32....d3N].....................

空时分组编码方框的输出：

[a11 a12....a1N][-b11*-b12....-b1N*][a21 a22....a2N][-c21*c22....-c2N*][a31 a32....a3N][-d31*-d32...-d3N*].....................

[b11 b12....b1N][a11*a12*....a1N*][b21 b22....b2N][-d21*d22....-d2N*][b31 b32....b3N][-c31*c32....-c3N*].....................

[c11 c12....c1N][-d11*-d12*...-d1N*][c21 c22....c2N][a21*a22*....a2N*][c31 c32....c3N][b31*b32*....b3N*].....................

[d11 d12....d1N][c11*c12*....c1N*][d21 d22....d2N][b21*b22*....b2N*][d31 d32....d3N][a31*a32*....a3N*]....................

选项2：

在两个OFDM符号周期内，按如下方式进行Alamouti编码：第一个频点采用(1，2)，(3，4)的组合，第二个频点采用(1，3)，(2，4)的组合，三个频点采用(1，4)，(2，3)的组合，接着不断重复该模式。因此，对于每个频点Alamouti编码利用了来自不同天线的符号。但是，每个频点的信道矩阵不随时间变化。

空时分组编码方框的输入：

[a11 a12 a13 a14....a1N]

[b11 b12 b13 b14....b1N]

[c11 c12 c13 c14....c1N]

[d11 d12 d13 d14....d1N]

空时分组编码方框的输出：

[a11 a12 a13 a14 a15 a16....a1N][-b11*-c12*-d13*-b14*-c15*-d16*............]

[b11 b12 b13 b14 b15 b16....b1N][a11*-d12*-c13*a14*-d15*-c16*............]

[c11 c12 c13 c14 c15 c16....c1N][-d11*a12*b13*-d14*a15*b16*............]

[d11 d12 d13 d14 d15 d16....d1N][c11*b12*a13*c14*b15*a16*............]

相同的原理适用于任意2p×p空时分组编码系统。

本领域的技术人员可以理解，本发明能够以其他具体形式实施而不背离其精神或本质特征。因此，所演示的实施例旨在对各方面进行解释性而非限制性的说明。本发明的范围不受说明书的限定，而由所附权利要求书限定，并且所附权利要求书意图覆盖属于其等价物的精神和范围内的一切修改。

Claims

1.一种利用多于预期接收天线的数目的多个发射天线来发送数据的方法，所述方法包括：至少形成一对发射天线 (ant’_1，ant’_N)；由第一数据流形成多个第二数据流(610a，610u)，将所述第一数据流中的连续比特分配到不同的所述第二数据流中；对多个所述第二数据流(610a，610u)各自分别进行块交织；以及在连续的发送间隔(617)期间，所述发射天线对用于发送从不同的所述第二数据流中所获取的一对数据符号，之后发送数据符号的等效变换对。

2.根据权利要求1的方法，包括对所述第一数据流进行编码。

3.一种发射天线的数目多于预期接收天线的数目的数据发射机，该发射机包括：至少一对发射天线：由第一数据流形成多个第二数据流的装置，将所述第一数据流中的连续比特分配到不同的所述第二数据流中：对多个所述第二数据流各自分别进行块交织的装置；以及发送装置，用于在连续的发送间隔期间，利用所述发射天线对，发送从不同的所述第二数据流中所获取的一对数据符号，之后发送数据符号的等效变换对。

4.根据权利要求3所述的数据发射机，包括对所述第一数据流进行编码的装置。

5.一种利用多于预期接收天线的数目的多个发射天线来发送数据的方法，该方法包括：由第一数据流形成多个第二数据流，将所述第一数据流中的连续比特分配到不同的所述第二数据流中；对多个所述第二数据流各自分别进行块交织；由所述第二数据流各自形成OFDM符号；在连续的发送间隔期间，通过以下方式来重新设置所述OFDM符号的频点信息：在OFDM符号的一个频点内，从一根天线发送取自不同的所述第二数据流的频点信息，再发送等效变换后的频点信息。

6.根据权利要求5的方法，包括对所述第一数据流进行编码。

7.根据权利要求5的方法，其中，对于每一个OFDM符号，该OFDM符号的频点信息取自一个单独的所述第二数据流。

8.根据权利要求5的方法，其中，对于所述OFDM符号中的至少一些，用于特定OFDM符号的频点信息取自大于2的偶数个所述第二数据流。

9.一种发射天线的数目多于预期接收天线的数目的数据发射机，该发射机包括：形成至少一对天线的装置：由第一数据流形成多个第二数据流的装置，将所述第一数据流中的连续比特分配到不同的所述第二数据流中；对多个所述第二数据流各自分别进行块交织的装置；由所述第二数据流各自形成符号的装置；以及形成OFDM符号的装置，使得在连续的发送间隔期间，一对天线发送取自不同的所述第二数据流的OFDM符号，之后发送等效变换后的OFDM符号。

10.根据权利要求9的数据发射机，包括对所述第一数据流进行编码的装置。