CN101496332B - 用哈达玛变换改进多载波mimo信道性能的方法和设备 - Google Patents

Abstract

在多载波MIMO系统中使用哈达玛变换来将数据在发送之前展开到数据块内。这样，可减少不良副载波簇(即，由于衰落而具有低传输系数的副载波)所引起的负面影响。在至少一种实施例中，在接收机中使用MAP类型检测方案来从接收信号提取比特可靠性。

Description

用哈达玛变换改进多载波MIMO信道性能的方法和设备

技术领域

一般来说，本发明涉及无线通信，更具体来说，涉及用于改进无线信道通信性能的技术。

背景技术

多载波通信是一种用于传送数据的技术，它将数据分为多个部分然后经由多个独立窄带载波并行传送这些部分。在多载波信道中，多径衰落可导致与一个或多个副载波关联的传输系数很低，而与其它副载波关联的传输系数很高。对于这些副载波，这些低传输系数可在接收机中导致不良质量信号(例如，低信噪比(SNR))，这可降低接收机对相应数据进行可靠解调和解码的能力。在许多情况下，遭到不良衰落的副载波将成簇出现。

一种用于减小多径衰落影响的技术称作多输入多输出、即MIMO。MIMO是一种无线通信技术，它在通信信道的各端(或者至少一端)使用多个天线以提供多个空间信道，信号可通过这些空间信道传播。MIMO可通过将信号展开到具有相对独立衰落特性的若干信道而减少衰落的负面影响。但是，即使使用MIMO，由于同时影响部分或全部信道的脉冲或频率噪声，误比特率可能仍然很高。需要用于在基于MIMO的系统中有效处理衰落的新技术。

发明内容

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的示例无线发射机系统的框图；

图2和图3是示出根据本发明实施例将发送向量的符号分为块的两种方式的简图；

图4是示出根据本发明实施例的示例无线接收机系统的框图；

图5是示出根据本发明实施例生成所估计接收信号的列表以用于解调接收信号的示例流程的简图；

图6是示出根据本发明实施例使用所估计接收信号的列表生成接收信号的比特概率的示例流程的简图；

图7是示出根据本发明实施例用于在多载波系统中处理数据以供到MIMO信道的传送的示例方法的流程图；以及

图8是示出根据本发明实施例用于在接收机中处理接收信号的示例方法的流程图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参照以说明方式示出可实施本发明的具体实施例的附图。充分详细地描述这些实施例，使本领域技术人员能够实施本发明。要理解，本发明的各种实施例虽然有所不同，但不一定相互排斥。例如，在没有脱离本发明的精神和范围的情况下，本文中结合一种实施例所述的特定特征、结构或特性可在其它实施例中实现。另外，要理解，在没有脱离本发明的精神和范围的情况下，可修改每个公开实施例中各个单元的位置或布置。因此，以下详细描述不是限制性的，本发明的范围仅由适当解释的随附权利要求书以及权利要求书所涵盖的全部等效范围来定义。附图中，相似的标号在若干视图中表示相同或相似的功能。

本发明涉及通过利用哈达玛变换(Hardamardtransform)来执行MIMO信道的多载波通信的技术。哈达玛变换允许将数据展开到定义框之内的多个副载波。变换是正交的，因此始终可取回数据。如上所述，多径衰落通常成簇影响副载波。哈达玛变换的使用通过以已知方式将数据展开到副载波组可增加从不良副载波提取数据的可能性。还提供用于在接收机中对哈达玛变换信号进行解调和解码的有效技术。本发明的技术和结构可用于任何多载波MIMO信道。在至少一种实施例中，在使用称作正交频分复用(OFDM)或者相关正交频分多址(OFDMA)的多载波通信的形式的无线网络中实现这些技术。

图1是示出根据本发明实施例的示例无线发射机系统10的框图。无线发射机系统10可用于例如使用多输入多输出(MIMO)技术的多载波无线网络。在至少一种实施例中，无线发射机系统10用于无线网络的基站，但是还存在许多其它应用。如图所示，发射机系统10包括：编码器12、调制器14、哈达玛变换器16、映射器18、空时编码器20、第一和第二导频(pilot)插入器22和24、第一和第二离散傅立叶逆变换26和28、第一和第二循环前缀单元30和32、以及第一和第二射频(radiofrequency：RF)发射器34和36。一个或多个天线38、40可与RF发射器34、36的每个RF发射器关联，以便帮助将信号发送到无线信道。可使用任何类型的天线，包括例如双极、曲面、螺旋天线和/或其它天线。在所示实施例中，使用两个发射天线38、40。在其它实施例中，在发射系统内使用3个或3个以上天线。在至少一种实施例中，仅使用单个发射天线。

编码器12接收输入数据比特流，并使用前向纠错(FEC)码对比特进行编码。可使用任何纠错码。在某些实施例中，不使用FEC编码。调制器14接收编码比特(或者在不使用FEC编码时的未编码比特)，并按照预定调制方案(例如二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)、16正交幅度调制(16QAM)、64QAM等)使用这些比特来形成符号。调制器14可输出大小N的符号向量X＝(x₁，x₂，...，x_N)，该向量中各个符号将经由多载波信号的一个副载波传送。

哈达玛变换器16从调制器14接收向量X，并将其符号分为大小M的块。然后，哈达玛变换器16使用M×M哈达玛矩阵对各个块执行哈达玛变换。对大小M的块B执行哈达玛变换产生相同大小的变换块。然后，哈达玛变换器16可将各变换块的元素放置到从其中取出对应原始块的符号的向量X的相同位置。然后，映射器18可把从哈达玛变换器16所接收的符号映射到多载波信号的频率(tone)。

空时编码器20接收映射器18所输出的信号，并使用它们来执行基于空时编码的MIMO。空时编码是一种以在没有明显增加所需带宽条件下实现增强分集的方式将待发送的信息分布于空间(即多个天线)和时间的技术。在所示实施例中，发射机系统10包括两个发射天线38、40，因此空时编码器20将使用预计用于2个天线的空时码。在其它实施例中，额外的发射天线可与对应空时码配合使用。在某些实施例中，不使用空时编码。导频插入器22、24将导频(pilottone)插入将通过发射天线38、40的每个天线所发送的多载波信号。导频可由接收机用于进行估计和同步。导频可按频率分布于多载波符号。

IDFT26、28从导频插入器22、24接收频域已调副载波(数据副载波和导频(pilot)副载波)，并将它们转换成时域表示以供传输。然后，可将时域表示从并行形式转换成串行形式。可使用任何类型的IDFT，包括例如快速傅立叶逆变换(IFFT)等等。循环前缀单元30、32将循环前缀添加到时域信号，用于减小信道中的符号间干扰(intersymbolinterference：ISI)和载波间干扰(intercarrierinterference：ICI)。然后，所得信号由RF发射器34、36进行上变频和放大，并且传递到发射天线38、40以供到MIMO信道的发送。应当理解，图1示出根据本发明的一种可能的发射机体系结构。备选地，可使用其它体系结构。

如上所述，在至少一种实施例中，哈达玛变换器16的第一任务是将符号X的向量分为一个或多个大小M的块。然后使用M×M哈达玛矩阵对各个块实施哈达玛变换。M可以是等于向量X的大小的任何整数值，哈达玛矩阵因该向量而存在。一般来说，使用的M值越大，则执行变换所涉及的计算复杂度就越高。因此，如果缺乏计算能力，则可能希望使用较小的M值。但是，所使用的M值应当足够大以至于用降低解调/解码问题的可能性的方式来分散低传输系数副载波簇的影响。

根据本发明的实施例，向量X的符号可通过各种不同方式分为块。图2和图3示出在使用块长度4的系统中形成块的两种方式50、60。如图2所示，在一种可能的方式中，把与多载波符号52的副载波关联的符号按照与它们在符号中最初出现的相同顺序分为块。因此，与多载波符号52的前四个副载波关联的符号形成第一块54，与多载波符号52的随后四个副载波关联的符号形成第二块56，与在那之后的下四个副载波关联的符号形成第三块58。在另一种可能的方式中，如图3所示，与原始多载波符号62的副载波关联的符号以循环类型的方式分配到块64、66、68。也就是说，将与多载波符号62的第一副载波关联的符号分配到第一块64，将与第二副载波关联的样本分配到第二块66，将与第三副载波关联的样本分配到第三块68，将与第四副载波关联的样本分配到第一块64，将与第五副载波关联的样本分配到第二块66，依此类推。由于不良信道通常被成簇分组，如前面所述，所以这种技术在将相互远离的副载波放置到各块时是合乎需要的。备选地，可使用形成块的其它技术。接收机应当知道从原始向量X形成块的方式。

为了对符号块执行哈达玛变换，可首先将符号排列到长度M的向量列中，如下所示：

B＝(b₁…b_M)^T

其中，b₁...b_M是符号。变换则可按下式来执行：

$\hat{B}={({\hat{b}}_1\·\·\·{\hat{b}}_M)}^T=\frac{1}{\sqrt{M}}\·H_M\·B$

其中H_M是大小M的哈达玛矩阵。上述变换可对每个定义块执行。如前面所述，可将各变换块的元素放置到从其中取出对应源块B的符号的向量X的相同位置，以便形成变换向量哈达玛矩阵可定义为满足下式的n×n矩阵：

$H_n{H}_n^T={\mathrm{nI}}_n$

其中，I_n是n×n的单位矩阵。通常按照以下形式来表示4×4哈达玛矩阵：

$H_4=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& 1& -1& -1\\ 1& -1& -1& 1\end{array}\right]$

但是，该矩阵所使用的形式无关紧要，只要该矩阵具有正交性的属性。

又参照图1，空时编码器20从映射器18接收符号，并使用空时码对它们进行编码，以供从发射机系统10的发射天线38、40的发送。在至少一种实施例中，Alamouti码用作空时码。将Alamouti码用于二元天线系统，空时编码器20将首先接收两个符号S₀、S₁，它们需要使用天线38和天线40发送给远程接收机。在第一符号时间，空时编码器20将使S₀从天线38发送，使S₁从天线40发送。在随后的符号时间，空时编码器20将使-S₁ ^*从天线38发送，使S₁ ^*从天线40发送(其中^*表示复共轭)。对于接收机中的各接收天线，在第一和第二符号时间的接收信号为：

r₀＝h₀s₀+h₁s₁+n₀

$r_1=-h_0{s}_1^{*}+h_1{s}_0^{*}+n_1$

其中，r₀和r₁分别是在第一和第二符号时间的接收信号；h₀和h₁分别是与天线38和天线40关联的信道传输系数；n₀和n₁分别是在第一和第二符号时间在信道中的高斯噪声。然后，接收机中的组合器可按照下式重构发射信号：

${\hat{s}}_0=h_0^{*}{r}_0+h_1{r}_1^{*}=({\left|h_0\right|}^2+{\left|h_1\right|}^2)s_0+h_0^{*}{n}_0+h_1{n}_1^{*}$

${\hat{s}}_1=h_1^{*}{r}_0+h_0{r}_1^{*}=({\left|h_0\right|}^2+{\left|h_1\right|}^2)s_1-h_0{n}_1^{*}+h_1{n}_0$

来自所有接收天线的组合信号是来自各个接收天线的组合信号之和。在其它实施例中，可使用与Alamouti码不同的空时码(或者非空时码)。

在发送之后，哈达玛变换块通过MIMO信道传播到接收机。然后，接收机必须处理接收信号，以便提取其中承载的用户数据。图4是示出根据本发明实施例可用于处理这些接收信号的示例无线接收机系统70的框图。无线接收机系统70可用于例如使用MIMO技术的多载波无线网络。在至少一种实施例中，无线接收机系统70用于无线网络的订户台，但是还存在其它应用。如图所示，接收机系统70包括：第一、第二和第三RF接收器72、74、76；第一、第二和第三循环前缀去除器78、80、82；第一、第二和第三离散傅立叶变换(DFT)84、86、88；第一、第二和第三信道估计器90、92、94；组合器96；解映射器/哈达玛解调器98；以及解码器100。另外，第一、第二和第三RF接收器72、74、76可各自与一个或多个接收天线102、104、106耦合，以便帮助从MIMO信道接收信号。任何类型的天线可用于接收天线，包括例如双极、曲面、螺旋天线等等。虽然示为具有三个接收天线102、104、106，但是应当理解，任何数量的接收天线(即两个或两个以上)可用于接收机系统70。

RF接收器72、74、76处理通过对应接收天线102、104、106从MIMO信道所接收的信号。RF接收器72、74、76例如可放大接收信号，并将信号下变频成基带表示。下变频信号还可进行模数变换。循环前缀去除逻辑78、80、82从接收信号去除循环前缀。在去除了循环前缀之后，DFT84、86、88将信号从时域表示转换成频域表示。可使用任何类型的DFT，包括例如快速傅立叶变换(FFT)和/或其它傅立叶变换。可在DFT84、86、88的输入端执行串并转换。信道估计器90、92、94可使用接收信号中的导频(pilottone)生成对应信道的信道估计。然后，组合器96可通过预定方式组合来自所有接收天线的接收信号。如果在发射机中使用了空时编码，则可使接收信号的组合适应所使用的特定空时码。

随后，可把组合信号输入解映射器/哈达玛解调器98。解映射器/哈达玛解调器98对从发射机所接收的符号进行解映射和解调。除了组合信号之外，解映射器/哈达玛解调器98还接收信道估计器90、92、94所生成的信道信息。在至少一种实施例中，解映射器/哈达玛解调器98使用最大后验(MAP)检测技术对组合信号进行解调并从该信号提取比特可靠性。作为预备步骤，解映射器/哈达玛解调器98可通过与发射机对向量X的符号进行分组所用的相似的方式将接收符号Y＝(y₁...y_N)分组成大小M的块。对于各个块，解映射器/哈达玛解调器98可执行以下流程。首先，符号的块可表示为列向量：

$\hat{C}={({\hat{c}}_1\·\·\·{\hat{c}}_M)}^T$

对于包含源样本值Z＝(z₁...z_M)^T的长度M的每个可能向量Z，解映射器/哈达玛解调器98可根据从其中取出当前块的符号的副载波的信道估计来计算所估计接收向量。然后可形成所估计接收向量的列表。源向量Z的所估计接收向量可按照下式计算：

其中，μ₁是对应子信道的平方幅度系数。

每个块将由M个变换符号组成。因此，各个块将携带pM个比特，其中p是对应调制方案的每符号比特数(例如，对于16QAM，p＝4)。对于用来形成初始向量的各个比特，解映射器/哈达玛解调器98搜索列表两次，以便查找在欧几里德距离(Euclideandistance)与接收块最接近的向量。第一次搜索限于在原始比特序列的相关比特位置中具有0的所估计接收向量，而第次二搜索限于在原始比特序列的相关比特位置中具有1的所估计接收向量。产生于第一次搜索的最低欧几里德距离可标记为d₀，产生于第二次搜索的最低欧几里德距离可标记为d₁。相应比特的可靠性则可以(d₀-d₁)计算。可对各个比特位置生成比特可靠性值。然后，可根据所用比特-信号映射来对比特可靠性值进行解映射。所述过程根据对数似然比(LLR)来产生MAP的近似值，它适用于在解码器100中进一步处理。在其它实施例中，可使用其它解调和检测技术。

图5是示出用于生成上述所估计接收信号的列表的示例过程110的简图。如图所示，过程110可开始于可发送的所有可能源比特序列的列表112。各个比特序列对应于符号(z₁...z₄)的块114。如前面所述，然后可使用哈达玛变换来变换这些块，以便形成变换块116。然后，信道估计信息可用于估计在发送每个变换块时将产生的接收信号(即所接收变换块)118。

图6是示出根据本发明实施例使用所估计接收信号的列表来生成接收块的比特概率的示例过程120的简图。该过程开始于例如在图5的过程110中所生成的那一个的列表122。对于各比特位置，列表可分为两个部分：具有在那个比特位置为0的比特序列的一部分124和具有在那个比特位置为1的比特序列的另一部分126。然后，接收块可与这两个列表122、124的每个列表中的所估计接收传输块进行比较。在第一列表124的各个条目中找到具有离接收块128最近的欧几里德距离d₀的条目。类似地，在第二列表126的各个条目中找到具有离接收块128最近的欧几里德距离d₁的条目。然后对于那个比特位置，以r＝d₀-d₁计算比特可靠性130。然后，可对各个比特位置重复进行该过程。

图7是示出根据本发明实施例用于处理数据以供到多载波系统MIMO信道的发送的示例方法140的流程图。首先，使用FEC码对输入数据比特进行编码(框142)。可使用大量代码的任意代码。然后，使用预定调制方案对编码比特进行调制以生成符号(框144)。在至少一种实施例中，不使用FEC编码，而是对原始未编码比特进行调制以形成符号。符号分组为大小M的块(框146)。对各个块执行哈达玛变换以形成变换块(框148)。以与原始块相同的方式排列变换块(框150)。然后，使用MIMO技术将变换块发送到多载波MIMO信道(框152)。在至少一种实施例中，空时编码用于在将变换块发送到信道之前对它们进行处理。在一些别的实施例中，没有使用空时编码。

图8是示出根据本发明实施例用于在接收机中处理接收信号的示例方法160的流程图。首先，从多载波MIMO信道接收向量Y(框162)。然后将接收向量Y的符号分组为大小M的块，其中M是对应发射机所使用的哈达玛矩阵的大小(框164)。然后，可选取第一块以供处理(框166)。对源样本值的长度M的每个可能向量Z，可根据与当前块关联的副载波(即，承载往接收机的当前块内的符号的副载波)的信道估计来计算所估计接收向量(框168)。使用所估计接收向量信息来形成列表。

对于各个比特位置，可检查该列表，以便对在其比特序列的相关比特位置中具有0的列表条目查找具有与实际接收块的最低欧几里德距离(d₀)的所估计接收向量(框170)。对于各个比特位置，还可检查该列表，以便对在其比特序列的相关比特位置中具有1的列表条目查找具有与实际接收块的最低欧几里德距离(d₁)的所估计接收向量(框172)。然后可使用d₀和d₁的相应值来计算各个比特位置的比特可靠性(框174)。例如，在至少一种实施例中，以r＝d₀-d₁计算比特可靠性，但是备选地可使用其它计算技术。

在这里，如果存在要处理的更多块(框176的“是”)，则可选取下一块以供处理(框178)。然后，方法160可返回到框168重复进行。在已经处理了所有相关块(框176的“否”)之后，可对比特概率进行解映射(框180)。然后可对解映射比特概率进行解码，以完成有用数据的提取。在上述方法160中，串行(一个接一个)处理各个块。在其它实施例中，可并行或者以某种别的方式来处理这些块。

本文所使用的术语“MIMO”并不局限于利用多个发射天线和多个接收天线的信道，而是还适用于利用单个发射天线和多个接收天线的信道。根据本发明实施例，哈达玛变换仍然可用于这类信道，但在这些实施例中通常不使用空时编码。

本发明的特征可与在多载波环境中利用MIMO的任何无线组网标准结合使用。例如，在至少一种实现中，发明的特征用于按照IEEE802.16x无线组网标准的网络中。

本发明的技术和结构可通过各种不同形式的任意种形式来实现。例如，本发明的特征可在下列各项中体现：具有无线功能的膝上型计算机、掌上计算机、台式计算机和平板计算机；具有无线功能的个人数字助理(PDA)；蜂窝电话和其它手持无线通信装置；寻呼机；卫星通信装置；具有无线功能的相机；具有无线功能的音频/视频装置；网络接口卡(NIC)和其它网络接口结构；基站；无线接入点；集成电路；作为机器可读介质上存储的指令和/或数据结构；和/或以其它格式。可使用的不同类型的机器可读介质的示例包括软盘、硬盘、光盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字视频光盘(DVD)、蓝光(Blu-ray)盘、磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、磁卡或光卡、闪速存储器和/或适合于存储电子指令或数据的其它类型的介质。本文所使用的术语“逻辑”可示例包括软件或硬件和/或软件和硬件的组合。

应当理解，本文的框图中所示的各个框实际上可以是功能性的，而不一定对应于分立硬件单元。例如，在至少一种实施例中，在一个或多个数字处理装置中通过软件来实现简图中的两个或两个以上的框。数字处理装置可包括例如通用微处理器、数字信号处理器(DSP)、简化指令集计算机(RISC)、复杂指令集计算机(CISC)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)和/或其它装置，还包括上述各项的组合。可使用硬件、软件、固件及混合实现。

在前面的详细描述中，为了简化本公开的目的，本发明的各种特征集中在一个或多个单独的实施例中。这种公开方法不应解释为反映了所主张的发明要求比各个权利要求明确记载更多的特征的意图。相反，如随附权利要求所反映的那样，发明的方面可在于少于各公开实施例的全部特征。

虽然结合某些实施例描述了本发明，但是如本领域技术人员所理解的，可在未脱离本发明精神和范围的情况下进行各种修改和变更。这类修改和变更被认为落入本发明以及所附权利要求书的权限和范围之内。

Claims (8)

1.一种用于在接收机中处理接收信号的方法，包括：

从多载波MIMO信道接收向量Y，所述向量Y具有多个符号；

将所述向量Y的所述符号分组为大小M的多个块，其中M是在对应发射机中对源块进行哈达玛变换所使用的哈达玛矩阵的大小；以及

对所述多个块中的第一块执行以下步骤：

计算源符号的长度M的每个可能向量的所估计接收向量；

生成具有所述所估计接收向量的列表；以及

使用所述列表来生成比特可靠性以用于对所述向量Y进行解码，

其中，使用所述列表包括对比特序列的第一比特位置执行以下步骤：

首先检查所述列表，以便在对应源比特序列的所述第一比特位置中具有0的所述列表的向量之中查找具有与所述第一块的最低欧几里德距离d₀的所估计接收向量；

其次检查所述列表，以便在对应源比特序列的所述第一比特位置中具有1的所述列表的向量之中查找具有与所述第一块的最低欧几里德距离d₁的所估计接收向量；以及

使用d₀和d₁来计算所述第一比特位置的比特可靠性。

2.如权利要求1所述的方法，其中，使用所述列表还包括：

对所述比特序列的除所述第一比特位置以外的比特位置重复首先检查、其次检查和计算。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：

对所述多个块中除所述第一块之外的块执行以下步骤：

计算源符号的长度M的每个可能向量的所估计接收向量；

生成具有所述所估计接收向量的列表；以及

使用所述列表来生成比特可靠性以用于对所述向量Y进行解码。

4.如权利要求1所述的方法，其中：

计算所估计接收向量包括使用与所述第一块关联的副载波的信道估计。

5.如权利要求1所述的方法，其中：

计算所述第一比特位置的比特可靠性包括计算d₀与d₁之差。

6.一种接收机设备，包括：

组合器，组合由多个接收天线从多载波MIMO信道所接收到的信号，以生成具有多个符号的接收向量Y；以及

包括以下逻辑的解映射器/解调器：

将所述接收向量Y的所述符号分为长度M的多个块的逻辑，其中M是在对应发射器中所使用的哈达玛矩阵的大小；以及

对所述多个块中的第一块计算源符号的长度M的每个可能向量的所估计接收向量、生成具有所述所估计接收向量的列表并使用所述列表生成比特可靠性的逻辑，

其中，使用所述列表生成比特可靠性的所述逻辑包括：

第一逻辑，检查所述列表，以在对应源比特序列的第一比特位置中具有0的所述列表的向量之中查找具有与所述第一块的最低欧几里德距离d₀的所估计接收向量；

第二逻辑，检查所述列表，以在对应源比特序列的所述第一比特位置中具有1的所述列表的向量之中查找具有与所述第一块的最低欧几里德距离d₁的所估计接收向量；以及

第三逻辑，使用d₀和d₁计算所述第一比特位置的比特可靠性。

7.如权利要求6所述的接收机设备，其中：

所述解映射器/解调器还包括对所述多个块中的其它块计算源符号的长度M的每个可能向量的所估计接收向量、生成具有所述所估计接收向量的列表并使用所述列表生成比特可靠性的逻辑。

8.如权利要求6所述的接收机设备，其中：

所述第三逻辑包括确定d₀与d₁之差的逻辑。