CN101277138B

CN101277138B - 基于层交换的多天线复用装置数据发送、及接收方法

Info

Publication number: CN101277138B
Application number: CN2007100906158A
Authority: CN
Inventors: 郝东来; 王衍文
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: CN101277138A

Abstract

本发明公开了一种基于层交换的多天线复用装置、及通过其实现的数据发送方法和数据接收方法。其中，该多天线复用装置包括：发射机，用于根据接收机反馈的V矩阵对码流进行处理和预编码，并将预编码后的码流通过至少一个天线发送至接收机；以及接收机，用于对来自发射机的码流进行处理和分析，获取需要反馈的V矩阵和进行预处理的U矩阵，并将V矩阵反馈至发射机。通过本发明，可以使得通信系统能在性能和吞吐率两方面获得这种，从而提高通信系统的整体性能。

Description

基于层交换的多天线复用装置数据发送、及接收方法

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地涉及基于层交换的多天线复用装置、数据发送方法、及数据接收方法。

背景技术

在对下一代无线通信的研究中，随着多媒体业务和一些娱乐和游戏的开发，我们发现2Mbps的WCDMA R99传输速率、14.4Mbps的R5HSDPA的峰值速率可能还不能够满足人们未来的需求。国际标准化组织3GPP在经过认真的讨论后提出了新的挑战，那就是在2007年实现峰值速率100Mbps的数据传输。这是一个巨大的挑战，也就是说必须在两年之内设计出7～50倍于当前系统传输速率的新技术，并且具有很好的向下兼容性，以保护现有的投资。这一新的系统被称作E3G或LTE(Long Term Evolution)。从LTE制定的目标需求可以看出，100Mbps的传输能力已远不是3G所能比的，那么其使用的技术也必将有较大的提高。目前的主要技术按照双工方式可分为FDD和TDD两大类，按照无线链路的调制方式或多址方式主要可分为CDMA和OFDMA两大类。3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术，即下行OFDMA；上行SC(单载波)-FDMA。

多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，简称MIMO)系统由于有效地提高了信道容量而成为LTE的研究中一项倍受人们关注的技术。在MIMO方面，LTE的基本MIMO模型是下行2×2、上行1×2个天线，但同时也正在考虑更多的天线配置(最多4×4)。正在被考虑的MIMO技术包括空间复用(SM)、空分多址(SDMA)、预编码(Pre-coding)、秩自适应(Rank adaptation)、以及开环发射分集等。上行将采用一种特殊的SDMA技术(即，已被WiMAX采用的虚拟MIMO技术)。

目前在公开的文献中，关于下行链路OFDMA业务信道中进行数据传输时的多天线空间复用方案主要采用V-BLAST、PARC、PGRC等方案。在这几种方案中，V-BLAST一般只能发送一个流，并且对环境要求比较严格，PARC最初是从HSDPA系统中引进的，它对每一根发射天线的数据流分开编码，使得每根发射天线的发射功率相同而数据率不同，并且，接收机包含一个空时MMSE线性滤波器(该滤波器紧跟在基于后译码的干扰抵消符号后面)，那么可以在开环MIMO中达到Shannon容量的极限。但是它要求CQI的反馈开销比较大，并且对信道环境要求较高。PGRC(每组速率控制)相比PARC来讲，降低了反馈开销，而且性能和PARC基本接近，但是对流的数目有一定的局限，同样信道的环境也是影响其性能的一个重要因素。

因此，需要一种更为合理的多天线空间复用方案，以在提高吞吐率的同时不影响系统的性能和增加开销。

发明内容

鉴于上述一个或多个问题，本发明提供了一种基于层交换的多天线复用装置、一种数据发送方法、及一种数据接收方法。

根据本发明的基于层交换的多天线复用装置包括：发射机，用于根据接收机反馈的V矩阵对码流进行处理和预编码，并将预编码后的码流通过至少一个天线发送至接收机；以及接收机，用于对来自发射机的码流进行处理和分析，获取需要反馈的V矩阵和进行预处理的U矩阵，并将V矩阵反馈至发射机。

其中，发射机包括：信道编码模块，用于对需要发送的码流进行纠错编码和交织；符号映射模块，用于将处理后的数据比特按照预定方式映射成符号；虚拟天线层交换模块，用于对映射后的符号进行层交换；预编码模块，用于根据接收机反馈的V矩阵对码流进行处理；以及OFDMA调制模块，用于将处理后的码流调制到天线上发送至接收机。

其中，接收机包括：OFDMA解调模块，用于对来自发射机的码流进行解调；信道估计和预编码模块，用于对解调后的码流进行信道估计并获取U矩阵和V矩阵；虚拟天线层交换恢复模块，用于对经过信道估计的码流进行层交换恢复，将信道质量信息、一组虚拟天线索引号和V矩阵反馈至发射机，并将恢复后的码流传输至MMSE检测模块；MMSE检测模块，用于对码流进行检测并将检测后的码流传输到至少一个符号映射模块；至少一个符号解映射模块，用于分别对码流进行解映射，并将解映射后的符号分别传输至对应的解交织模块；至少一个解交织模块，用于对符号进行解交织，并将解交织后的符号分别传输至对应译码器；以及至少一个译码器，用于对解交织后的符号进行译码。

其中，虚拟天线层交换模块通过循环移位的方式进行层交换。虚拟天线层交换恢复模块将对信道矩阵进行估计得到的码本作为V矩阵。多天线复用装置用于多输入多输出的无线通信系统。

通过根据本发明的多天线复用装置实现的数据发送方法包括以下步骤：S402，发送端的发射机对将要发送的码流进行编码和交织，并对交织后的码流进行符号映射；S404，发送端的发射机对经过符号映射的码流进行层交换；S406，根据接收端反馈的虚拟天线索引号选择将码流映射到的虚拟天线，并根据接收端反馈的V矩阵对经过天线层交换后的码流进行预编码；以及S408，发送端的发射机将经过预编码的码流进行调制并发送至接收端。其中，层交换采用循环移位的方式。

通过根据本发明的多天线复用装置实现的数据接收方法包括以下步骤：S502，接收端的接收机对来自发送端的发射机的码流进行解调，并对解调后的码流进行信道估计，并从码流获取U矩阵；S504，接收端的接收机对经过信道估计的码流进行层交换恢复，将信道质量信息、一组虚拟天线索引号和V矩阵反馈至发射机，并将恢复后的码流传输至MMSE检测模块；S506，接收端的接收机对码流进行检测并将检测后的码流传输到至少一个符号映射模块，分别对码流进行解映射，并将解映射后的符号分别传输至对应的解交织模块；S508，接收端的接收机对符号进行解交织并对解交织后的符号进行译码。其中，将对信道矩阵进行估计得到的码本作为V矩阵。

通过本发明实现的复用方式与现有的复用方式相比，与PARC具有相近的吞吐率性能，但由于采用了虚拟天线层交换技术，从而使得由于预编码处理带来的流与流之间的差异从统计上来讲有所缩小，并且降低了反馈的开销，在性能和开销间取得了折中，提高了系统的整体性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的基于层交换的多天线复用装置的框图；

图2是根据本发明实施例的基于层交换和预编码的空间复用方案的发射机的框图；

图3是根据本发明实施例的基于层交换和预编码的空间复用方案的接收机的框图；

图4是通过根据本发明实施例的基于层交换的多天线复用装置实现的数据发送方法的流程图；

图5是通过根据本发明实施例的基于层交换的多天线复用装置实现的数据接收方法的流程图；

图6是根据本发明实施例的层交换的原理图；

图7是未加预编码和层交换时的性能仿真曲线；

图8是加预编码但未加层交换时的性能仿真曲线；以及

图9是加预编码和层交换时的性能仿真曲线。

具体实施方式

下面参考附图，详细说明本发明的具体实施方式。

参考图1，说明根据本发明实施例的基于层交换的多天线复用装置。如图1所示，该基于层交换的多天线复用装置包括：发射机102，用于根据接收机反馈的V矩阵对码流进行处理和预编码，并将预编码后的码流通过至少一个天线发送至接收机；以及接收机104，用于对来自发射机的码流进行处理和分析，获取需要反馈的V矩阵和进行预处理的U矩阵，并将V矩阵反馈至发射机。

其中，如图2所示，除了信源以外，发射机102包括：信道编码模块1022，用于对需要发送的码流进行纠错编码和交织；符号映射模块1024，用于将调制后的数据比特按照预定方式映射成符号；虚拟天线层交换模块1026，用于对映射后的符号进行层交换(例如，进行移位重排)；预编码模块1028，用于根据接收机反馈的V矩阵对码流进行处理，以克服信道的相关性；以及OFDMA调制模块1030，用于对处理后的码流进行调制(例如，进行IFFT变换)，然后通过天线发送至接收机。

其中，如图3所示，接收机104包括：OFDMA解调模块1042，用于对来自发射机的码流进行解调(例如，进行FFT变换)；信道估计和预编码模块1044，用于通过导频对解调后的码流通过的无线信道进行信道估计，并从估计出的信道矩阵中分解出需要反馈给发射机的V矩阵和需要进行预处理的U矩阵；虚拟天线层交换恢复模块1046，用于对经过信道估计的码流进行层交换恢复，将信道质量信息、一组虚拟天线索引号和V矩阵反馈至发射机，并将恢复后的码流传输至MMSE检测模块；MMSE检测模块1048，用于对码流进行检测并将检测后的码流传输到至少一个符号映射模块；至少一个符号解映射模块1050，用于分别对码流进行解映射，并将解映射后的符号分别传输至对应的解交织模块；至少一个解交织模块1052，用于对符号进行解交织，并将解交织后的符号分别传输至对应译码器；以及至少一个译码器1054，用于对解交织后的符号进行译码。

其中，发送的码流可在1到M之间选择，其中，M小于等于天线的个数。对各码流分别进行编码和调制，并将经过信道编码和调制后的M个码字送入虚拟天线层交换模块进行层交换，层交换的方式为循环移位的方式，第一组M个调制符号在第一个子载波的第1到M个虚拟天线上进行传送，第二组M个调制符号在第2到M+1个虚拟天线上进行传送。为了克服信道的相关性，将经过虚拟天线层交换之后的MT路信号送入预编码模块进行处理。为降低反馈的开销，可以采用基于码本设计的预编码V矩阵。由于虚拟天线的层交换模块是循环移位处理的，所以会将由预编码引起的各码流之间的差异从统计的角度降到最低。经过预编码处理的信息分别经过OFDM调制后映射到发送天线上进行发送。根据本发明实施例的多天线复用装置可用于多输入多输出的无线通信系统。

在发射机和接收机中的各功能模块中，用于进行层交换的模块和用于进行预编码的模块是根据本发明实施例的多天线复用装置的主要模块，它们的具体操作方法如下：接收机根据预编码处理以及信干噪比的结果，向发送端反馈一个M组虚拟天线的索引号；发射机根据终端反馈的索引号选择需要将信号映射到哪一组虚拟天线上；通过预编码矩阵V，从经过虚拟天线层交换的符号流得到经过预编码的码流，此时码流个数与发送天线数一致；将预编码后的码流进行调制映射到实际的发送天线上；在接收端进行信道估计，并将得到的信道矩阵进行SVD分解，找到相应的码本反馈给发送端作为发送端生成V矩阵的依据，同时也为虚拟天线索引号的反馈提供依据；以及将经过预编处理的信道矩阵和数据送入检测模块，分离出符号流。

参考图4，说明通过根据本发明实施例的基于层交换的多天线复用装置实现的数据发送方法。如图4所示，该数据发送方法包括以下步骤：S402，发送端的发射机对将要发送的码流进行编码和交织，并对交织后的码流进行符号映射；S404，发送端的发射机对经过符号映射的码流进行层交换；S406，根据接收端反馈的虚拟天线索引号选择将码流映射到的虚拟天线，并根据接收端反馈的V矩阵对经过天线层交换后的码流进行预编码；以及S408，发送端的发射机将经过预编码的码流进行调制并发送至接收端。其中，层交换采用循环移位的方式。

参考图5，说明通过根据本发明实施例的基于层交换的多天线复用装置实现的数据接收方法。如图5所示，该数据接收方法包括以下步骤：S502，接收端的接收机对来自发送端的发射机的码流进行解调，并对解调后的码流进行信道估计，并从码流获取U矩阵；S504，接收端的接收机对经过信道估计的码流进行层交换恢复，将信道质量信息、一组虚拟天线索引号和V矩阵反馈至发射机，并将恢复后的码流传输至MMSE检测模块；S506，接收端的接收机对码流进行检测并将检测后的码流传输到至少一个符号映射模块，分别对码流进行解映射，并将解映射后的符号分别传输至对应的解交织模块；S508，接收端的接收机对符号进行解交织并对解交织后的符号进行译码。其中，将对信道矩阵进行估计得到的码本作为V矩阵。

如图6所示，为验证上述方案的性能，我们对发射机和接收机系统进行简化，信源采用随机产生的两个数据流，对其进行仿真，天线配置为4×4方式，调制方式采用QPSK调制，为简化分析，未采用信道编码，信道采用高斯白噪声信道，理想信道估计和同步，接收机检测算法采用MMSE-SIC算法。帧长为1000，帧数为100帧，分以下几种情况处理：

情况一：对两个流直接进行串并变换分到四个天线上，通过信道后经过理想信道估计直接进行检测，得到如图7所示的曲线；

情况二：对两个流通过预编码分到四个天线上，通过信道后经过理想信道估计然后再经过预处理后进行检测，得到如图8所示的曲线；

情况三：先对两个码流进行层交换，然后再通过预编码分到四个天线上，通过信道后经过理想信道估计然后再经过预处理后并将层交换恢复后进行检测，得到如图9所示的曲线；

比较图7和图8的曲线可以看出，经过预编码后的总的误码性能比未加预编码的情况大约有5dB的增益，而通过图8和图9的对比可以看出，增加了层交换功能后，本来有一定性能差异的两个流性能非常相近，而且总的性能曲线大约有1～2dB的增益。

由上可见，通过本发明实现的复用方式与现有的复用方式相比，与PARC具有相近的吞吐率性能，但由于采用了虚拟天线层交换技术，从而使得由于预编码处理带来的流与流之间的差异从统计上来讲有所缩小，并且降低了反馈的开销，在性能和开销间取得了折中，提高了系统的整体性能。

本领于技术人员将很容易了解到本发明其它优点和修改。因此，本发明更广泛的方面并不限于本文中示出以及描述的特定细节和典型实施例。因此，可在不脱离由权利要求及其等效物所限定的本发明的精神或范围的条件下做出各种修改。

Claims

1.一种基于层交换的多天线复用装置，其特征在于包括：

发射机，用于根据接收机反馈的V矩阵对码流进行处理和预编码，并将预编码后的码流通过至少一个天线发送至所述接收机；以及

所述接收机，用于对来自所述发射机的码流进行处理和分析，获取需要反馈的V矩阵和进行预处理的U矩阵，并将所述V矩阵反馈至所述发射机；

其中，所述发射机包括：

信道编码模块，用于对需要发送的码流进行纠错编码和交织；

符号映射模块，用于将处理后的数据比特按照预定方式映射成符号；

虚拟天线层交换模块，用于对映射后的所述符号进行层交换；

预编码模块，用于根据所述接收机反馈的V矩阵对所述码流进行处理；以及

OFDMA调制模块，用于将处理后的码流调制到所述天线上发送至所述接收机。

2.根据权利要求1所述的多天线复用装置，其特征在于，所述接收机包括：

OFDMA解调模块，用于对来自所述发射机的码流进行解调；

信道估计和预编码模块，用于对解调后的码流进行信道估计并获取U矩阵和V矩阵；

虚拟天线层交换恢复模块，用于对经过信道估计的码流进行层交换恢复，将信道质量信息、一组虚拟天线索引号和V矩阵反馈至所述发射机，并将恢复后的码流传输至MMSE检测模块；

所述MMSE检测模块，用于对所述码流进行检测并将检测后的码流传输到至少一个符号映射模块；

所述至少一个符号解映射模块，用于分别对码流进行解映射，并将解映射后的符号分别传输至对应的解交织模块；

所述至少一个解交织模块，用于对所述符号进行解交织，并将解交织后的符号分别传输至对应译码器；以及

所述至少一个译码器，用于对解交织后的符号进行译码。

3.根据权利要求1所述的多天线复用装置，其特征在于，所述虚拟天线层交换模块通过循环移位的方式进行层交换。

4.根据权利要求2所述的多天线复用装置，其特征在于，所述虚拟天线层交换恢复模块将对信道矩阵进行估计得到的码本作为所述V矩阵。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的多天线复用装置，其特征在于，所述多天线复用装置用于多输入多输出的无线通信系统。

6.一种使用权利要求1至5中任一项所述的多天线复用装置的数据发送方法，其特征在于，包括以下步骤：

S402，发送端的发射机对将要发送的码流进行编码和交织，并对交织后的码流进行符号映射；

S404，所述发送端的发射机对经过符号映射的码流进行层交换；

S406，根据接收端的接收机反馈的虚拟天线索引号选择将码流映射到的虚拟天线，并根据所述接收端反馈的V矩阵对经过天线层交换后的码流进行预编码；以及

S408，所述发送端的发射机将经过预编码的码流进行调制并发送至所述接收端。

7.根据权利要求6所述的数据发送方法，其特征在于，所述层交换采用循环移位的方式。

8.一种使用权利要求1至5中任一项所述的多天线复用装置的数据接收方法，其特征在于，包括以下步骤：

S502，接收端的接收机对来自发送端的发射机的码流进行解调，并对解调后的码流进行信道估计并获取U矩阵和V矩阵；

S504，所述接收端的接收机对经过信道估计的码流进行层交换恢复，将信道质量信息、一组虚拟天线索引号和V矩阵反馈至所述发射机，并将恢复后的码流传输至MMSE检测模块；

S506，所述接收端的接收机对所述码流进行检测并将检测后的码流传输到至少一个符号映射模块，分别对码流进行解映射，并将解映射后的符号分别传输至对应的解交织模块；

S508，所述接收端的接收机对符号进行解交织并对解交织后的符号进行译码。

9.根据权利要求8所述的数据接收方法，其特征在于，将对信道矩阵进行估计得到的码本作为所述V矩阵。