CN101651642B - 利用接收机功能的传送处理 - Google Patents

Abstract

数据是在一码分多址通讯系统中传输。一信道响应是按照一信道响应矩阵H所提供，该信道响应矩阵近似于该数据在传输的后会遇到的信道。该数据被扩展，并且会使用该信道响应矩阵H来处理该扩展的数据。传输该扩展且处理的数据。从该所传输的扩展且处理的数据来接收及还原该数据。

Description

利用接收机功能的传送处理

本申请是国际申请日为2003年3月27日、申请号为03807020.0的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及无线扩频通信系统。特别地，本发明涉及此类通信系统中的数据传输与接收。

背景技术

在码分多址(CDMA)通信系统中，可在共享频谱上同时发送多个通信。每个通信都是藉由用于传输所述通信的编码来区别。

在一些CDMA通信系统中，为了更好地利用共享频谱，会将频谱以分时方式分割成具有预先确定数量的时隙（例如，十五个时隙）的帧。此类型系统被称为混合式CDMA/时分多址(TDMA)通信系统。一种这样的系统是时分双工通信(TDD)系统，其将上行链路通信及下行链路通信限制在特定的时隙。

用于接收在共享频谱内传输的多个通信的一种方法是联合检测（jointdetection)。在联合检测中，会一起确定来自多个通信的数据。在接下来的说明中，大写符号X表示矩阵，而符号

表示列向量。通常会按方程式1来建模联合检测：

$\stackrel{\→}{r}=A\stackrel{\→}{d}+\stackrel{\→}{n};$ 方程式1

接收到的信号向量

是系统传输矩阵A、传送数据向量

和噪声向量

的函数。该系统传输矩阵A包含单独用户的贡献(contribution)，如方程式2所示：

方程式2

其中A^(k)表示用户k对系统传输矩阵A的贡献。每个用户系统传输矩阵都是信道脉冲响应和该用户的扩展码的函数，如方程式3所示：

A^(k)=H^(k)C^(k)方程式3

其中H^(k)表示信道响应矩阵，而C^(k)表示用户k的编码矩阵。

数据向量的最小均方误差(Minimum Mean Square Error；MMSE)是从方程式4求得：

$\widehat{\stackrel{\→}{d}}={\left(A^H{R_n}^{-1}A\right)}^{-1}{A}^H{R_n}^{-1}\stackrel{\→}{r}$ 方程式4

其中R_n是噪声的协方差矩阵(covariance matrix)。当噪声是白噪声时，R_n是对角矩阵，而数据的MMSE估计是按方程式5A和5B求得：

$\widehat{\stackrel{\→}{d}}={(A^{H}A+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{A}^H\stackrel{\→}{r}$ 方程式5A

或者，可将方程式5A写成：

$\widehat{\stackrel{\→}{d}}=A^H{({\mathrm{AA}}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}\stackrel{\→}{r}$ 方程式5B

可使用矩阵反转辅助定理(matrix inversion lemma)将方程式5A和5B互换。

同样地，强制零(zero forcing；ZF)估计是从方程式6A和6B求得：

$\widehat{\stackrel{\→}{d}}={\left(A^{H}A\right)}^{-1}{A}^H\stackrel{\→}{r}$ 方程式6A

可将方程式6A写成：

$\widehat{\stackrel{\→}{d}}=A^H{\left({\mathrm{AA}}^H\right)}^{-1}\stackrel{\→}{r}$ 方程式6B

可使用矩阵反转辅助定理(matrix inversion lemma)将方程式6A和6B互换。

在CDMA系统中，当所有编码都通过同一传播信道时(如在典型的下行链路传输的情况中)，或当一个上行链路用户独占时隙(H^(k)=H)时，扩展符号的传输向量是从方程式7求得：

$\stackrel{\→}{s}=C\stackrel{\→}{d}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{C}^{\left(k\right)}{\stackrel{\→}{d}}^{\left(k\right)}$

方程式7

接收到的信号使用方程式8来建模：

$\stackrel{\→}{r}=H\stackrel{\→}{s}+\stackrel{\→}{n};$ 方程式8

扩展符号

的MMSE估计是按方程式9A和9B求得：

$\widehat{\stackrel{\→}{s}}={(H^{H}H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{H}^H\stackrel{\→}{r}$ 方程式9A

或等价地：

$\widehat{\stackrel{\→}{s}}=H^H{({\mathrm{HH}}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}\stackrel{\→}{r}$ 方程式9B

可使用矩阵反转辅助定理(matrix inversion lemma)将方程式9A和9B互换。

的ZF估计(从方程式6推导出)是按方程式10A和10B求得：

$\widehat{\stackrel{\→}{s}}={\left(H^{H}H\right)}^{-1}{H}^H\stackrel{\→}{r}$ 方程式10A

或等价地：

$\widehat{\stackrel{\→}{s}}=H^H{\left({\mathrm{HH}}^H\right)}^{-1}\stackrel{\→}{r}$ 方程式10B

可使用矩阵反转辅助定理(matrix inversion lemma)将方程式10A和10B互换。

扩展符号

的估计之后可以跟随编码匹配滤波器(Matched Filter；MF)，以恢复数据符号。

当在接收机处使用多个天线时，方程式1也可表示接收到的向量。所涉及的向量和矩阵的定义被修改，以表示来自不同天线的贡献，如方程式11所示：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{r}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{\→}{r}}_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ .\\ .\\ .\\ A_N\end{array}\right]\stackrel{\→}{d}+\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{n}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{\→}{n}}_N\end{array}\right]$ 方程式11

其中

A_i和

是与接收天线元件i相关联的项(term)。按方程式3使用不同信道响应来建构每个天线的A_i，并且A具有与K个用户中的每一用户相关联的分量，如方程式12所示：

A=[A⁽¹⁾,A⁽²⁾,…,A^(K)]方程式12

当在发射机处使用多个发射天线元件时(例如，m个发射元件)，方程式1也可表示接收到的向量

所涉及的向量和矩阵的适当定义在方程式13中表示：

$\stackrel{\→}{r}=[A_1^{\′}\·\·\·A_M^{\′}]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{d}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{\→}{d}}_M\end{array}\right]+\stackrel{\→}{n}$ 方程式13

其中

是合成的接收到的信号，而A′_m(m=1，2，…，M)是从第m个发射元件至接收机的信号传输的系统传输矩阵，

是从第m个发射元件传输的数据向量。

由第i个天线元件所导致的A的分量被标示为A_i′。每个A_i′分量都具有来自所有K个用户的贡献，如方程式14所示：

方程式14

每个用户对每个天线元件的贡献是信道脉冲响应与扩展码(从方程式3推导出)的函数，如方程式15所示：

A′^(k)＝H′^(k)C^(k) 方程式15

位于发射机与接收机处的多个天线被称为多输入多输出(Multiple InputMultiple Output；MIMO)通信系统。方程式11所表示的MIMO系统的接收到的信号可被重写为方程式16。

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{r}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{\→}{r}}_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ .\\ .\\ .\\ A_N\end{array}\right][A_1^{\′}\·\·\·A_M^{\′}]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{d}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{\→}{d}}_M\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{n}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{\→}{n}}_N\end{array}\right]$ 方程式16

其中N是接收天线的数量；M是发射天线的数量；A_n(n=1，2，…，N)是用于接收的传输矩阵；及A′_m(m=1，2，…，M)是用于传输的传输矩阵。通过采用所涉及的向量和矩阵的适当定义，可将以方程式16重写为方程式17：

$\stackrel{\→}{r}=\mathrm{\Λ}\stackrel{\→}{d}+\stackrel{\→}{n};$ 方程式17

其中Λ是发射和接收的合成系统传输矩阵。方程式5中所示的数据向量的MMSE估计是由方程式18A和18B表示：

$\widehat{\stackrel{\→}{d}}={({\mathrm{\Λ}}^H\mathrm{\Λ}+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{\mathrm{\Λ}}^H\stackrel{\→}{r}$ 方程式18A

或等价地：

$\widehat{\stackrel{\→}{d}}={\mathrm{\Λ}}^H{({\mathrm{\Λ\Λ}}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}\stackrel{\→}{r}$ 方程式18B

可使用矩阵反转辅助定理(matrix inversion lemma)将方程式18A和18B互换。

可从方程式19A和19B求得ZF估计：

$\widehat{\stackrel{\→}{d}}={\left({\mathrm{\Λ}}^H\mathrm{\Λ}\right)}^{-1}{\mathrm{\Λ}}^H\stackrel{\→}{r}$ 方程式19A

或等价地：

$\widehat{\stackrel{\→}{d}}={\mathrm{\Λ}}^H{\left(\mathrm{\Λ}{\mathrm{\Λ}}^H\right)}^{-1}\stackrel{\→}{r}$ 方程式19B

可使用矩阵反转辅助定理(matrix inversion lemma)将方程式19A和19B互换。

实施这些方法的接收机有效地执行高度复杂的矩阵反转。为了减少复杂度，使用近似Cholesky分解或快速傅立叶变换。虽然这些方法减少了接收机复杂度，但是希望具有替代方法来简化数据的传输与接收。

发明内容

在本发明系统中，信道响应被确定为信道响应矩阵H，该信道响应矩阵近似于数据在传输之后将会遇到的无线信道。将被传输的数据被扩展，并且使用信道响应矩阵H来处理所扩展的数据。接着，传输所扩展且被处理后的数据。数据被接收并从所传输的扩展且处理后数据来恢复数据。

附图说明

图1是利用使用接收机功能的传输处理的优选发射机和接收机的简化图。

图2是使用接收机功能的传输的流程图。

具体实施方式

结合CDMA系统的时分双工(TDD)模式(例如，第三代合伙伙伴计划(3GPP)宽带CDMA系统的所建议TDD模式)来描述本发明的系统。然而，本发明能够应用于任何扩频通信系统，例如，频分双工(FDD)系统或时分同步码分多址(time division synchronous code division multiple access；TD-SCDMA)系统。

图1是在使用接收机功能的发射处理中使用的优选简化发射机10和接收机12的图示。该发射机10可以位于基站、用户设备(UE)或两者处，而该接收机12可以位于用户设备(UE)、基站或两者处。将从发射机10传输至接收机12的数据被输入至扩展调制装置14及预均衡器15。数据可以是至单个接收机的单编码传输、至单个接收机的多编码传输、至多个接收机的单编码传输、至多个接收机的多编码传输、或者至多个接收机的单编码传输和多编码传输的组合。

数据通过使用适当编码而被扩展，被预均衡以补偿无线无线电接口18的预期信道响应及被调制(例如，通过使用正交相移键控(quadrature phaseshift keying；QPSK)、M-ary正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation；QAM)或其它调制机制)，以及上变频成射频。天线或M元件天线阵列161到16_M通过无线无线电接口18发射射频信号。

位于接收机12处的天线或N元件天线阵列20₁至20_N接收具有其它信号和噪声的所辐射信号，作为接收到的向量

数据检测器22处理接收到的向量以恢复数据

由于发射机10处的预均衡，所以数据检测器22的结构优选比典型联合检测接收机更简化，例如，藉由编码匹配滤波器来实施。

在传输之前，发射机10有效地补偿信道失真。因此，接收到的向量

近似为所扩展数据向量

预均衡利用在接收机12处可用的信道和编码信息来来恰当地处理传输向量，以便当那个信号在接收机12处被接收到时，其已经被补偿了信道损衰减。信道信息可以从接收机12被传递，可以从在相同频谱内在发射机10处接收到的信号推导出。举例说明，对于具有TDD/CDMA通信系统的基站，可以在上行链路时隙中收集用于随后下行链路传输时隙的信道信息。

当在发射机10处使用处理时，从方程式20A求得接收到的信号：

$\stackrel{\→}{r}=[A_1^{\′}\·\·\·A_M^{\′}]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{d}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{\→}{d}}_M\end{array}\right]+\stackrel{\→}{n}$ 方程式20A

就信道和编码矩阵而论，该方程式20A变成方程式20B：

方程式20B

编码矩阵C₁到C_M可以依据传输机制而有所不同。一种此类系统是空间编码传输分集(space code transmit diversity；SCTD)，其中每个天线被分配了不同的传输码。在一些传输分集机制中，每个天线可使用相同的编码矩阵。一种此类机制是发射自适应天线(TxAA)。虽然使用接收机功能的发射处理是结合用于传送相同编码矩阵C的每个天线来描述，但是其同样适用于编码矩阵因使用类似方法的天线而改变的系统。

在一些系统中，传输数据比特

到

可以依据传输机制而不同，特别地依据是否使用传输分集。虽然类似的方法可以应用于每个天线具有不同数据向量的系统，但是接下来的说明是结合每个天线传输相同数据向量就从每个天线传输相同的数据和编码矩阵的系统而言，按方程式21来建模该系统：

$\stackrel{\→}{r}=[A_1^{\′}\·\·\·A_M^{\′}]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{d}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{\→}{d}}_M\end{array}\right]+\stackrel{\→}{n}$

方程式21

$=[H_1^{\′}\·\·\·H_M^{\′}]\left[\begin{array}{c}C\stackrel{\→}{d}\\ .\\ .\\ .\\ C\stackrel{\→}{d}\end{array}\right]+\stackrel{\→}{n}$

方程式22显示传输向量：

$\left[\begin{array}{c}C\stackrel{\→}{d}\\ .\\ .\\ .\\ C\stackrel{\→}{d}\end{array}\right]$ 方程式22

方程式右方的H的伪反转是H^H(HH^H)^-1。处理后的数据信号是使用此伪反转进行传输。因此，方程式23显示所传输的信号

${\stackrel{\→}{t}}^{\′}=H^H{\left({\mathrm{HH}}^H\right)}^{-1}C\stackrel{\→}{d};$ 方程式23

方程式24显示产生的接收到的向量：

$\stackrel{\→}{r}={\mathrm{HH}}^H{\left({\mathrm{HH}}^H\right)}^{-1}C\stackrel{\→}{d}$

$=C\stackrel{\→}{d}$ 方程式24

如果预均衡是理想的，则会在接收机12处接收到干净的信号，而不需要进一步的处理。然而，实际上，由于噪声和信道状况的变化，通常接收到的信号会出现一些恶化。然而，去除恶化的必要处理被大大减小了，从而进一步增加了接收机12的必要复杂度。

MMSE或ZF型接收机的优点之一为，MMSE或ZF电路通常会在发射机10端处。距离说明，基站通常具有MMSE型接收机。因此，在基站处可使用单个MMSE电路来处理接收到的数据和所传输的数据。因此，接收机12的电路及使用接收机功能来实施发射处理的发射机10可以被合并到UE或基站中，从而其他通信单元具有简化电路。

例如，基站可使用预均衡发射机10和MMSE接收机。可以藉由相同电路来执行矩阵或有效矩阵反转。因此，用户设备(UE)处的接收机电路可被简化，例如，单个编码匹配滤波器或编码匹配滤波器群组。简化的接收机电路还可以延长接收机12处的电池寿命。

常用的电路不限于MMSE或ZF接收机电路，但是其是通用的，因为能够执行矩阵运算并计算矩阵反转的任意接收机12结构都适合于执行发射机10处的处理。预均衡的其它优点为，所传输信号被会聚到接收机12。尤其就下行链路信号而言，对其他用户的干扰被减少了。

请参阅图2，图中显示根据本发明的方法30。该方法从获得无线信道信息开始，该无线信道信息最好是信道脉冲响应H的形式(步骤32)。接着，使用信道响应矩阵H来预均衡用于传输的数据(步骤34)。透过无线无线电接口来传输预均衡后的数据(步骤36)，并且在接收机处被接收为接收到的向量(步骤38)。接着，从接收到的向量来恢复数据，例如，通过使用编码匹配滤波器(步骤40)。

Claims (4)

1.一种用于在码分多址通信中传输数据的方法，该方法包括：

在上行链路时隙中收集传送自接收机的用于随后下行链路传输时隙的无线信道信息；

使用多个编码来扩展数据，并通过用所述无线信道信息预均衡所扩展的数据来处理所扩展的数据，以在传输之前补偿信道响应；以及

传送所扩展并预均衡后的数据，以便所扩展并预均衡后的数据由所述接收机接收并恢复，而不需进行均衡来补偿所述信道响应；

其中：

通过将所扩展的数据乘以H^H(HH^H+σ²I)^-1来执行所述预均衡，其中σ²是噪声方差，且I是单位矩阵。

2.如权利要求1所述的方法，其中从在与传输所扩展且处理后的数据的频谱相同的频谱中接收到的信号中提供所述无线信道信息。

3.如权利要求1所述的方法，其中在发射机处评估所述无线信道信息。

4.一种被配置成在码分多址通信中传输数据的发射机，该发射机包括：

扩展调制装置，被配置为使用多个编码来扩展数据；以及

预均衡器，被配置为通过用在所述发射机处接收到的无线信道信息预均衡所扩展的数据来处理所扩展的数据，以在传输之前补偿期望的信道响应；

其中所述发射机还被配置为：

传送预均衡后的数据；

其中所述预均衡器被配置为通过将所述数据乘以H^H(HH^H+σ²I)^-1来执行所述预均衡，其中σ²是噪声方差，且I是单位矩阵。

Images