CN101933279B - 在mimo网络中发送符号块的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于在多输入多输出网络中发送符号块的方法,所述多输入多输出网络包括具有发送天线组的发送器和具有接收天线组的接收器。利用第一代码对符号块进行编码以产生被发送和接收的第一块。如果所述第一块的解码不正确,则利用所述第一代码接着利用不同于所述第一代码的第二代码对所述符号块进行编码,以产生第二块。所述第二块被发送、接收并与所述第一块组合以恢复所述符号块。
Description
技术领域
本发明一般地涉及无线通信领域,更具体地涉及在多输入多输出(MIMO)网络中使用混合自动重传请求(HARQ)来重发数据。
背景技术
MIMO网络
在移动蜂窝通信网络中,多输入多输出(MIMO)发送技术的使用变得越来越普遍。全球微波接入互操作性(WiMAX)论坛以及第3代伙伴计划(3GPP)已发布利用MIMO来提高发送能力和可靠性的标准规范。
MIMO网络通过利用通常称为空间复用(SM)的技术同时使用多个天线来发送和接收符号而增加容量。MIMO接收器可以使用先进的信号处理和信道特性来检测和解码符号。为了提高可靠性,MIMO网络可以按照通常称为空时编码(STC)的技术从多个天线发送符号的副本。IEEE802.16标准“Part 16:Air interface for Broadband Wireless Access Systems,”WiMAX基于802.16。WiMAX采用SM和STC两种技术。
除了MIMO,标准还规定了混合自动重传请求(HARQ)。和在常规的自动重传请求(ARQ)中一样,接收器请求重发解码不正确的消息。但是,利用HARQ,保留原来被破坏的消息,并将被破坏的消息与重发消息组合以提高成功解码消息和恢复符号的概率。
在MIMO网络中的另一问题是由于利用多个天线进行发送和接收而导致的自干扰。随着天线数量的增加,自干扰增加。还希望消除自干扰。
发明内容
本发明的实施方式提供一种在多输入多输出(MIMO)网络中将空时编码(STC)与混合自动重传请求(HARQ)相组合以增加空间复用MIMO发送的可靠性的方法。
另外,本发明的实施方式提供可与例如4个或更多个发送和接收天线的较高等级MIMO配置一起使用的空时码,并提供消除了数据流间的自干扰的空间复用(SM)。
附图说明
图1是根据本发明实施方式的MIMO发送器的框图;
图2A是根据本发明实施方式的MIMI网络的示意图;
图2B是根据本发明实施方式的两个符号块的框图;
图3是在MIMO网络中的常规HARQ操作的定时图;
图4是根据本发明实施方式的MIMO网络中的具有STC的HARQ的定时图;和
图5是根据本发明实施方式的MIMO网络中的具有SICC的HARQ的定时图。
具体实施方式
具有空间复用的MIMO-OFDM
发送器
图1示出具有两个发送天线106的多输入多输出(MIMO-OFDM)发送器310。该发送器包括用于将调制数据符号(S1、S2)111编码为第一块的源101。编码使用例如前向纠错码(FEC)的第一代码,诸如turbo码、卷积码、低密度奇偶校验(LDPC)码等。发送器还包括解复用器(DeMUX)102和两个OFDM链103。每个OFDM链包括对各输入符号S1和S2执行和快速傅立叶逆变换(IFFT)104、接着滤波、放大和将时域信号转换为RF块105处的通带载波频率的OFDM调制器。
发送器还包括编码器350。在HARQ操作期间使用编码器来将重发符号重新编码为第二块,该第二块使用一附加码,该附加码未用于编码针对第一发送的符号。即,编码器350只能用于重发,并且最初发送的符号绕过351编码器350。
发送器310使用空间复用(SM),其中经由两个天线106发送调制符号序列111。即,对于两个符号S1和S2,由于第一天线发送符号S1,同时第二天线发送符号S2以使发送速率加倍,所以只需要一个信道。一般来说,该发送为:
接收器
接收器通常需要具有至少与发送器同样多的天线,来实现对由两个发送天线106发送的符号的检测和解码以恢复符号。已知多个接收器类型。
最优接收器包括最大似然检测器。次优接收器可以使用最小均方误差(MMSE)和迫零(ZF)。本发明的实施方式可以在具有大量天线并且其中使用空间复用(SM)和混合自动重传请求(HARQ)的发送器和接收器中使用。
信道矩阵
图2A示出具有发送器310和接收器320的MIMO网络。发送器具有多个发送天线201,而接收器具有多个接收天线202,天线之间具有无线信道210。我们首先描述SM与HARQ组合的情况。我们将每个OFDM副载波的MIMO信道表示为矩阵H。矩阵H是:
其中元素hi,j是从第j发送天线到第i接收天线的信道系数。两个天线处的接收信号可以是如下面的矩阵形式:
这等同于R=HS+n,其中n是加性高斯白噪声向量,而S是发送信号的向量。
如图2B所示,为了HARQ操作的目的,向量S是符号向量,而非单独的调制符号。块是从输入符号序列111得到的调制波形。因而,向量S是这样的符号向量,该符号向量表示具有连续发送的调制符号的整个块(或分组)。
图2B示出分别具有50个符号的两个块221、222。首先发送符号S1和S50,而不是符号S2等。接着解码全部块以确定是否需要重发这些块。
块S的元素取决于时间索引k。
但是我们略去时间索引标志以简化该描述。下标表示在发送中使用哪一个天线。
在各接收器天线处的接收信号可以通过将矩阵方程式扩展为下面的方程式而表示:
r1=h1,1s1+h1,2s2+n1
r2=h2,1s1+h2,2s2+n2
HARQ
图3示出常规HARQ的操作。发送器310发送第一符号块S(1)301。接收器320对向量R进行操作以检测接收块S(1)302,接收块S(1)302存储在接收器处的存储器中。接收器还具有用于检测块S的信道矩阵H。接收器可以实现诸如MMSE或ZF的解码方案,以恢复和估计接收信号如果正确地解码该块并且恢复符号,则不需要进一步的处理或重发。如果接收信号的解码不正确,即,估计不等于向量S,则开始HARQ操作。接收器存储接收信号R的第一块302,并发送重发请求303。
响应于重发请求303,发送器发送第一块的精确副本作为第二块S(2)304,其中上标表示第二次发送尝试。即,在常规HARQ中,不存在编码器350,并且任何重发与初始发送等同。
因而,两次连续发送是S(1)和S(2),其中S(1)≡S(2)。在接收到重发信号后,接收器具有接收信号R(1)和R(2)两个副本。这些可以表示为:
项rj (i)表示归因于第i次发送的第j天线处的信号,并且nj (i)是与第i次发送相关联的第j天线处的噪声。应该注意,nj (i),{j=1,2,i=1,2}是具有方差σ2的独立同分布(i.i.d.)的高斯分布。
组合接收信号的副本以提高进行解码306以恢复符号成功的概率。组合305接收信号R(1)和R(2)的一个通常方式是求这两个向量的平均值以获得:
应该注意,HARQ可以被重复多次,并且求平均包括多个重发块。
组合操作305以因子2来降低噪声方差和功率,并且改善解码306以正确地恢复符号。但是在每个天线处对于接收信号仍存在干扰项,这通过将R’表示为下式而可以看到:
自干扰
项h1,2s2和h2,1s1分别是来自发送天线2的在接收天线1处的、以及来自发送天线1的在接收天线2处的干扰项。
该类型的干扰通常称为自干扰,因为这是由于来自多个天线的多个流的发送。因而,这两次发送降低了噪声功率但并不消除自干扰。应该注意,随着天线数量的增加,自干扰增大。因此,消除了自干扰的本发明的实施方式在具有较多数量(例如,4个或更多)的天线的MIMO收发器中是重要的。
具有STC的HARQ
为了消除自干扰,我们在使用不同于第一代码的第二代码的重发期间利用不同于第一代码的第二代码来执行附加编码350。
如图4所示,针对一个实施方式,第二代码是空时编码(STC)。一个STC是公知的Alamouti码,其具有一般形式:
第一列中的符号首先被由下标所指示的天线来发送,随后在下一时间区间中由颠倒顺序的天线发送符号的复共轭(*)。在该情况下,按照使接收器能够消除自干扰的方式来编码该重发。
第一块401的第一次重发是常规的
如果解码失败,则接收器存储接收信号R(1)402,并且请求重发403。发送器310发送下面的编码信号组404作为第二块:
这是通过编码器350进行空时编码的结果。因而,用于重发的编码不同于用于初始发送的编码。
在接收器320处,矩阵R(1,2)表示在两个天线处的接收信号是归因于第一块S(1)发送的第一列以及归因于块S(2)重发的第二列,即
接收器处的信号可以被组合405,并根据下面的等式而被解码406,以获得
针对S1
针对S2
其中
利用该组合方案,天线之间的自干扰完全被消除,从而可以恢复符号。本来,如果我们对重发信号重新编码并在接收器处使用稍更复杂的组合,我们将消除自干扰。
在组合405后,接收器尝试对发送的符号块S进行解码406。因为组合的信号不再包含任何自干扰,正确解码406和恢复符号的概率增大。
应该注意,附加的重发是可能的,其中每个重发通过编码器350重新编码。
具有SICC的HARQ
在编码器350中可以使用其他编码以消除针对HARQ发送的自干扰。另一第二代码是自干扰消除码(SICC),如图5所示。这类似于HARQ重发的STC编码,但实现更简单,并且是基于Hadamard矩阵,一种公知的广义离散傅立叶变换矩阵。
我们具有2x2天线网络,并且我们指定S=[S1 S2]T,作为从两个发送天线发送501的信号向量(符号块)。在接收到信号R=HS+n502以及解码失败后,开始HARQ处理并且将针对重发的请求503发送到发送器。重发504根据下面第二代码被编码350:
其中仅对从第二天线发送的信号求反。
在接收器320处,两个接收信号是:
R(1,2)=H[S(1) S(2)]+n(1,2)
扩展R(1,2),我们获得:
针对SICC的组合505开始于接收矩阵(R(1,2))与2×2 Hadamard矩阵相乘,产生:
因而,矩阵R(1,2)’的信号分量包含两列,其中第一列只取决于信号S1并且第二列只取决于信号S2。我们通过将矩阵R(1,2)’的第一列与向量[h11 *h21 *]T相乘以及将矩阵R(1,2)’的第二列与向量[h12 *h22 *]T相乘而可以组合信号。这些运算将得到:
其中
因而,SICC组合产生已消除自干扰的信号,因而,正确解码506的概率相对于具有SM的常规HARQ有所提高。
如果在初始HARQ重发S(2)后,接收器仍检测到在对信号S1和S2’解码中的差错,则可以请求附加重发。指定S(j)作为第j个HARQ发送,在接收器处,得到:
通过针对SICC的相同组合方案,我们以重复的Hadamard矩阵来处理到达每个天线处的信号,
其中,上标表示接收第二块的情况,并且
其中
在MIMO网络中用于大天线配置的编码
通过对初始发送组合SICC和STC方案,我们可以获得针对具有大量天线的收发器消除自干扰的新的MIMO代码。下面,我们假设4个发送天线和4个接收天线。但是,应该理解,通过相应地改变下面描述的矩阵,发送天线和接收天线的数量可以更少或更多。
我们针对每个调制符号进行处理,而不是针对符号块的全部信号进行处理。即,发送信号S=[S1 S2 S3 S4]T表示单独符号的向量,而不是通过上述各个天线发送的符号块。转置算子是T。另外,例如针对4个发送天线和4个接收天线,我们假设接收器具有信道矩阵H:
在每个符号的发送期间,我们使用STC编码和SICC编码来获得下面的矩阵:
这里矩阵S的每列表示在每个发送区间发送的符号,并且下标指示天线组。矩阵S的头两列的结构可以看作为关于通过天线1和2发送的符号S1和S2的“Alamouti类型”码,以及关于通过天线3和4发送的符号S3和S4的第二Alamouti类型码。后面两列重复Alamouti码,但是,仅对天线3和4的符号求反,和在上述的SICC码中一样。
如果在单个符号基础上、而不是在上述块基础上进行编码,则发送器将矩阵S的4列作为流进行发送。即,在希望来自发送器的反馈之前顺序发送全部4列。本质上,矩阵S表示在没有HARQ协议时使用的空时码。
另外,在尝试检测和解码向量S=[S1,S2,S3,S4]T(其中T是转置算子)之前,接收器等待,直到接收到全部4列为止。
在已发送矩阵S的全部4列后,接收信号是:
其中噪声n是:
如果我们设置
则来自每个天线的符号的组合可以针对第一符号S1表示为:
针对第二符号S2表示为
针对第三符号S3表示为
针对第四符号S4表示为
该组合产生不包含自干扰项的4个符号,因而可以应用简单的检测方案来估计发送符号。
针对具有Hadamard和Alamouti编码的4×4 STC+SICC
4个发送天线和4个接收天线。
针对SICC的具有分集阶数4+4+4+4和复用率1的2×2STC 4分组情况,
在接收器处,接收信号为:
其中
这解码为:
针对S1,
针对S2,
针对S3,
针对S4,
针对S5,
针对S6,
针对S7,
针对S8,
要理解的是,在本发明的精神和范围内可以做出各种其他修改和变型。因此,所附的权利要求的目的是覆盖落入本发明的真正精神和范围内的所有这样的变化和变型。
Claims (6)
1.一种用于在多输入多输出网络中发送符号块的方法,所述多输入多输出网络包括具有发送天线组的发送器和具有接收天线组的接收器,该方法包括以下步骤:
在所述发送器中利用第一代码对符号块进行编码以产生第一块;
发送所述第一块;
在所述接收器中接收所述第一块;
在所述接收步骤后对所述第一块进行解码,并且如果所述解码不正确,则执行以下步骤:
在所述发送器中利用所述第一代码、接着利用不同于所述第一代码的第二代码对所述符号块进行编码,以产生第二块;
发送所述第二块;
在所述接收器中接收所述第二块;以及
将所述第一块和所述第二块组合以恢复所述符号块;
其中,所述第一代码是前向纠错码,而所述第二代码是空时码STC;
针对所述第二块S的所述STC是:
其中,下标表示所述发送天线,S表示按照列顺序发送的符号,*表示复共轭;
所述组合是根据下面的公式以获得:
针对S1
针对S2
其中元素hi,j是从第j发送天线到第i接收天线的信道系数,并且n是表示为下式的加性高斯白噪声向量:
2.一种用于在多输入多输出网络中发送符号块的方法,所述多输入多输出网络包括具有发送天线组的发送器和具有接收天线组的接收器,该方法包括以下步骤:
在所述发送器中利用第一代码对符号块进行编码以产生第一块;
发送所述第一块;
在所述接收器中接收所述第一块;
在所述接收步骤后对所述第一块进行解码,并且如果所述解码不正确,则执行以下步骤:
在所述发送器中利用所述第一代码、接着利用不同于所述第一代码的第二代码对所述符号块进行编码,以产生第二块;
发送所述第二块;
在所述接收器中接收所述第二块;以及
将所述第一块和所述第二块组合以恢复所述符号块;
其中,所述第一代码是前向纠错码,而所述第二代码是自身干扰消除码SICC;
所述SICC是基于Hadamard矩阵;
其中,针对所接收的第二块的所述Hadamard矩阵是:
其中上标表示接收所述第二块的情况,并且
其中,下标i、j分别表示所述接收天线和所述发送天线,S表示所述符号,h表示信道系数,而噪声表示为:
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中,所述发送和所述接收使用空间复用。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其中,所述接收器包括最大似然检测器。
5.根据权利要求1或2所述的方法,其中,所述接收器使用最小均方误差和迫零。
6.根据权利要求1或2所述的方法,其中,所述组合消除自干扰。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |