CN102067496A - 用于使用mimo解码器对空时编码信号进行解码的方法和系统 - Google Patents

Abstract

可以在发射机处应用在空间维度和时间维度均添加冗余信息的空时编码(STC)。在接收机处，可以使用例如基于最小均方误差(MMSE)算法或者最大似然(ML)算法的空间复用MIMO解码对接收的STC信号进行解码。选择性STC解码器可以将常规的最大比合并(MRC)解码方案和MIMO解码方案二者均并入。例如，可以根据估计的信道状况选择STC解码方案中的一种，以便实现差错率性能和计算复杂度之间的折衷。可以关闭用于未选择的方案的组件。

Description

用于使用MIMO解码器对空时编码信号进行解码的方法和系统

优先权申请

本申请要求于2008年6月24日提交的、题目为“Methods and Systemsfor STC Signal Decoding using MIMO Decoder”的美国临时专利申请No.61/075,320的优先权，该临时申请以引用方式完整地并入本文以用于所有目的。

技术领域

概括地说，本发明涉及通信，具体地说，本发明涉及用于在MIMO无线通信系统中的接收机处进行空时信号解码的方法和系统。

背景技术

多输入多输出(MIMO)通信系统使用多付(N_T付)发射天线和多付(N_R付)接收天线来进行数据传输。由N_T付发射天线和N_R付接收天线形成的MIMO信道可以分解成N_S个独立信道，其中N_S≤min{N_T，N_R}。这N_S个独立信道中的每个信道还称为MIMO信道的空间子信道，并且该信道对应于一个维度。如果使用由多付发射天线和接收天线创建的附加维度，则与单输入单输出(SISO)通信系统相比，MIMO系统可以提供改善的性能(例如，增加的传输容量)。

一般情况下，宽带MIMO系统经历频率选择性衰落，该频率选择性衰落意味着在系统带宽中具有不同的衰减量。该频率选择性衰落造成符号间干扰(ISI)，其中，该ISI是接收信号中的每个符号表现为此接收信号中的后续符号的畸变的现象。这种畸变由于影响了对所接收的符号进行正确检测的能力，而使性能降低。因此，ISI是不可忽略的噪声分量，其中，该噪声分量可以对设计为在高信号与噪声加干扰比(SNR)水平下操作的系统(例如，MIMO系统)的整体SNR造成较大影响。在这些系统中，可以在接收机处使用均衡来抵制ISI。然而，一般情况下，对于大多数应用而言，执行均衡所需要的计算复杂度是很大的或者是不容许的。

可以在不使用计算量很大的均衡的情况下使用正交频分复用(OFDM)来抵制ISI。OFDM系统将系统带宽有效地划分成若干个(N_F个)频率子信道，其中该频率子信道可称为子带或频段。每个频率子信道与可以在其上调制数据的各子载波频率相关联。根据发射天线和接收天线之间传播路径的特性(例如，多径分布)，OFDM系统的频率子信道可能经历频率选择性衰落(即，对于不同的频率子信道，经历不同的衰减量)。如本领域所公知的，对于OFDM，可以通过重复每个OFDM符号的一部分(即，给每个OFDM符号添加循环前缀)，来抵制由于频率选择性衰落造成的ISI。因此，MIMO系统可以有利地使用OFDM来抵制ISI。

为了增加系统的传输数据速率和频谱效率，可以在发射机处应用空间复用，即，在多个空间子信道上传输不同的且独立的数据流。在该情况下，由于强多址干扰(从不同天线发射的数据流的干扰)的缘故，接收机的检测准确性可能急剧下降。此外，空间子信道和频率子信道可能经历不同的信道状况(例如，衰落和多径效应)，并且可以达到不同的SNR。此外，信道状况还可能随时间变化。

可以在发射机处应用空时编码(STC)，以便通过在空间域和时域均增加冗余来改善通过无线信道传输的信息信号的差错保护。在接收机处，STC解码可以随同外部MIMO信道解码一起被执行，以便重建发射的信号。一般情况下，如果在STC符号持续时间期间空间子信道是相互正交的，则STC信号解码器使用最大比合并(MRC)算法。这通常是用户的移动性较低且在发射机处应用低阶调制类型的情况。另一方面，如果空间子信道不是相互正交的，则MRC解码可能遭受差错率性能下降。

因此，本领域需要在用户的移动性较高且在发射机处应用高阶调制类型时改进STC信号解码的方法和系统。

发明内容

本发明的某些实施例提供了一种用于对使用空时编码(STC)方案在无线多信道通信系统中发送的数据进行解码的方法。该方法通常包括：接收使用STC方案通过多个信道发送的STC信号；将STC信号建模成如同作为空间复用的多输入多输出(MIMO)信号来进行发送；以及使用MIMO解码方案对接收信号的第一序列进行解码。例如，MIMO解码方案可以包括基于最小均方误差(MMSE)或者最大似然(ML)的解码方案。

本发明的某些实施例提供了一种用于无线通信的方法。该方法通常包括：至少根据一个或多个参数，在用于对空时编码(STC)信号进行解码的多输入多输出(MIMO)解码器和最大比合并(MRC)解码器之间进行选择；以及使用所选择的解码器对STC信号进行解码。

本发明的某些实施例提供了一种用于对使用空时编码(STC)方案在无线多信道通信系统中发送的数据进行解码的装置。该装置通常包括：用于接收使用STC方案通过多个信道发送的STC信号的逻辑；用于将STC信号建模成如同作为空间复用的多输入多输出(MIMO)信号来进行发送的逻辑；以及用于使用MIMO解码方案对接收信号的第一序列进行解码的逻辑。MIMO解码方案可以包括例如基于最小均方误差(MMSE)或者最大似然(ML)的解码方案。

本发明的某些实施例提供了一种用于无线通信的装置。该装置通常包括用于执行以下操作的逻辑：至少根据一个或多个参数，在用于对空时编码(STC)信号进行解码的多输入多输出(MIMO)解码器和最大比合并(MRC)解码器之间进行选择；以及使用所选择的解码器对STC信号进行解码。

本发明的某些实施例提供了一种用于对使用空时编码(STC)方案在无线多信道通信系统中发送的数据进行解码的装置。该装置通常包括：用于接收使用STC方案通过多个信道发送的STC信号的单元；用于将STC信号建模成如同作为空间复用的多输入多输出(MIMO)信号来进行发送的单元；以及用于使用MIMO解码方案对接收信号的第一序列进行解码的单元。MIMO解码方案可以包括例如基于最小均方误差(MMSE)或者最大似然(ML)的解码方案。

本发明的某些实施例提供了一种用于无线通信的装置。该装置通常包括用于执行以下操作的单元：至少根据一个或多个参数，在用于对空时编码(STC)信号进行解码的多输入多输出(MIMO)解码器和最大比合并(MRC)解码器之间进行选择；以及使用所选择的解码器对STC信号进行解码。

本发明的某些实施例通常包括一种用于对使用空时编码(STC)方案在无线多信道通信系统中发送的数据进行解码的计算机程序产品，该计算机程序产品包括在其上存储有指令的计算机可读介质，这些指令可由一个或多个处理器执行。这些指令通常包括用于执行以下操作的指令：接收使用STC方案通过多个信道发送的STC信号；将STC信号建模成如同作为空间复用的多输入多输出(MIMO)信号来进行发送；以及使用MIMO解码方案对接收信号的第一序列进行解码。MIMO解码方案可以包括例如基于最小均方误差(MMSE)或者最大似然(ML)的解码方案。

本发明的某些实施例通常包括一种用于无线通信的计算机程序产品，该计算机程序产品包括在其上存储有指令的计算机可读介质，这些指令可由一个或多个处理器执行。这些指令通常用于执行以下操作的指令：至少根据一个或多个参数，在用于对空时编码(STC)信号进行解码的多输入多输出(MIMO)解码器和最大比合并(MRC)解码器之间进行选择；以及使用所选择的解码器对STC信号进行解码。

附图说明

为了能够详细理解本发明的上述特征，可以参照实施例对以上简要概括作出更具体的描述，这些实施例中的一些在附图中示出。然而，应当注意的是，由于该描述准许其它等效的实施例，故这些附图仅仅示出了本发明的某些典型实施例，并因此不应被认为限制本发明的保护范围。

图1示出了根据本发明的某些实施例的示例性无线通信系统。

图2示出了根据本发明的某些实施例的示例性无线网络环境。

图3示出了根据本发明的某些实施例的示例性MIMO OFDM系统。

图4示出了根据本发明的某些实施例的第一示例性STC系统模型。

图5示出了根据本发明的某些实施例的第二示例性STC系统模型。

图6示出了根据本发明的某些实施例的使用MRC的示例性STC信号解码器。

图7示出了根据本发明的某些实施例的使用MMSE的示例性STC信号解码器。

图8示出了根据本发明的某些实施例的Max-Log-MAP ML解码的示例性实现。

图9示出了根据本发明的某些实施例的选择性STC解码的过程。

图9A示出了能够执行图9中所示的操作的示例性组件。

图10示出了根据本发明的某些实施例的示例性的选择性STC解码器。

图11示出了根据本发明的某些实施例的、相对于分组差错率(PER)为10^-2的基于MRC的STC解码，以分贝(dB)为单位的ML/MMSE性能增益。

具体实施方式

本发明提供了应用MIMO解码方案(例如，基于ML和MMSE的MIMO解码方案)对STC信号进行解码的技术。对于某些实施例，可以使用基于MRC的解码算法或者基于MIMO的算法对STC信号进行选择性地解码。可以根据诸如信道正交性之类的信道状况选择解码算法。

本申请使用的“示例性的”一词意味着“用作例子、例证或说明”。本申请中描述为“示例性的”的任何实施例不应被解释为比其它实施例更优选或更具优势。

示例性无线通信系统

本申请描述的技术可以用于各种宽带无线通信系统，这些宽带无线通信系统包括基于正交复用方案的通信系统。这种通信系统的例子包括：正交频分多址(OFDMA)系统、单载波频分多址(SC-FDMA)系统等等。OFDMA系统使用正交频分复用(OFDM)，其中OFDM是一种将全部系统带宽划分成多个正交的子载波的调制技术。这些子载波还可以称为音调、频段等等。对于OFDM，每个子载波可以用数据进行独立地调制。SC-FDMA系统可以使用交织式FDMA(IFDMA)在分布于系统带宽中的子载波上进行发射，可以使用局部式FDMA(LFDMA)在一组相邻子载波上进行发射，或者可以使用增强型FDMA(EFDMA)在多组相邻子载波上进行发射。通常，在频域中使用OFDM发送调制符号，而在时域中使用SC-FDMA发送调制符号。

某些公开的实施例还可以与诸如单输入单输出(SISO)、单输入多输出(SIMO)、多输入单输出(MISO)和多输入多输出(MIMO)传输之类的各种天线布置一起使用。单输入是指一付发射天线用于数据发送，而多输入是指多付发射天线用于数据发送。单输出是指一付接收天线用于数据接收，而多输出是指多付接收天线用于数据接收。

无线互联网和通信的快速增长已造成对无线通信服务领域中的高速数据速率的需求日益增加。如今OFDM/OFDMA系统被视为最有前途的研究领域之一，并且被视作下一代无线通信的关键技术。这是由于这样的事实，即，与常规的单载波调制方案相比，OFDM/OFDMA调制方案可以提供诸如调制效率、频谱效率、灵活性和较强的多径抗扰性之类的多种优势。

图1示出了根据本申请所述的某些实施例的示例性无线通信系统100。无线通信系统100可以是宽带无线通信系统。术语“宽带无线”是指至少提供无线、音频、视频、语音、互联网和/或数据网络接入的技术。无线通信系统100为一个或多个小区102提供通信，其中这些小区中的每一个由基站104进行服务。基站104可以是与该基站104所服务的小区102中的用户终端106进行通信的固定站。基站104可以替代地称为接入点、节点B或其它术语。

如图1所示，各个用户终端106散布于整个无线通信系统100中。用户终端106可以是固定的(即，静止的)或移动的，也可以是既能固定又能移动的。用户终端106可以替代地称为远程站、接入终端、终端、用户单元、移动站、站、用户设备等等。用户终端106可以是个人无线设备，例如，蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、手持设备、无线调制解调器、音频/视频播放器、膝上型计算机、个人计算机、其它手持型通信设备、其它手持型计算设备、卫星无线设备、全球定位系统等等。多种算法和方法可以用于基站104和用户终端106之间的无线通信系统100中的传输。例如，可以根据OFDM/OFDMA技术在基站104和用户终端106之间发送信号和接收信号。如果是这种情况，则无线通信系统100可以称为OFDM/OFDMA系统100。

有助于从基站104向用户终端106进行传输的通信链路可以称为下行链路108，而有助于从用户终端106向基站104进行传输的通信链路可以称为上行链路110。或者，下行链路108可以称为前向链路或前向信道，而上行链路110可以称为反向链路或反向信道。可以将小区102划分成多个扇区112。扇区112是小区102中的物理覆盖区域。OFDM/OFDMA系统100中的基站104可以使用将功率流集中在小区102的特定扇区112中的天线。这些天线可以称为定向天线。

在某些实施例中，系统100可以是多输入多输出(MIMO)通信系统。此外，系统100可以使用基本上任意类型的双工技术(例如，FDD、TDD等等)来划分通信信道(例如，前向链路108、反向链路110等等)。可以提供这些信道，以便在移动设备106和各个基站104之间传输控制数据。

图2示出了根据本申请所述的某些实施例的示例性无线网络环境200。为了简洁起见，无线网络环境200描绘了一个基站210和一个移动设备250。然而，可以预期的是，系统200可以包括一个或多个基站和/或一个或多个移动设备，其中，附加的基站和/或移动设备可以基本上类似于或者不同于本申请所描述的所示基站210和所示移动设备250。此外，可以预期的是，基站210和/或移动设备250可以使用本申请所描述的系统、技术、配置、实施例、方面和/或方法，以便有助于它们之间的无线通信。

在基站210处，从数据源212向发射(TX)数据处理器214提供若干数据流的业务数据。在某些实施例中，每个数据流可以通过相应的天线和/或通过多付天线来进行发送。TX数据处理器214根据为业务数据流选定的特定编码方案对该数据流进行格式化、编码和交织，以便提供编码数据。

例如，可以使用正交频分复用(OFDM)技术将每个数据流的编码数据与导频数据进行复用。另外或替代地，导频符号可以是频分复用(FDM)的、时分复用(TDM)的或码分复用(CDM)的。通常，导频数据是以已知方式处理的已知数据模式，并且可以在移动设备250处使用导频数据来估计信道响应或者其它通信参数和/或特性。可以根据为每个数据流选定的特定调制方案(例如，二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)、M元相移键控(M-PSK)、M-正交幅度调制(M-QAM)等等)对该数据流的经复用的导频和编码数据进行调制(例如，符号映射)，以便提供调制符号。可以通过由处理器230执行或提供的指令来确定每个数据流的数据速率、编码和调制。

可以向TX MIMO处理器220提供这些数据流的调制符号，其中，TXMIMO处理器220可以进一步处理这些调制符号(例如，用于OFDM)。然后，TX MIMO处理器220向N_T个发射机(TMTR)222a至222t提供N_T个调制符号流。在某些实施例中，TX MIMO处理器220应用诸如空间复用、分集编码或预编码之类的某些多天线技术(即，波束成形，其中对数据流的调制符号和发射该符号的天线应用权重)。

每个发射机222接收和处理相应的调制符号流，以便提供一个或多个模拟信号，并进一步调节(例如，放大、滤波、上变频等等)这些模拟信号以便提供适合于在MIMO信道上传输的调制信号。此外，分别从N_T付天线224a至224t发射来自发射机222a至222t的N_T个调制信号。

在移动设备250处，由N_R付天线252a至252r接收所发射的调制信号，并将从每付天线252接收的信号提供给相应的接收机(RCVR)254a至254r。每个接收机254调节(例如，滤波、放大、下变频等等)相应的信号，对经调节的信号进行数字化以便提供采样，并进一步处理这些采样以便提供相应的“接收的”符号流。

接收(RX)数据处理器260可以从N_R个接收机254接收N_R个接收的符号流，并根据特定的接收机处理技术对该符号流进行处理，以便提供N_T个“检测的”符号流。RX数据处理器260可以对每个检测的符号流进行解调、解交织和解码等等，以便恢复该数据流的业务数据，并将该业务数据提供给数据宿262。在某些实施例中，对于移动设备250，RX数据处理器260所执行的处理与基站210处的TX MIMO处理器220和TX数据处理器214所执行的处理是互补的。

如上所述，处理器270可以定期地确定要使用哪个预编码矩阵。此外，处理器270可以形成反向链路消息，该消息包括矩阵索引部分和秩值部分。反向链路消息可以包括关于通信链路和/或所接收的数据流的各种类型的信息。反向链路消息可以由TX数据处理器238进行处理，由调制器280进行调制，由发射机254a至254r进行调节，并被发送回基站210，其中，TX数据处理器238还从数据源236接收若干数据流的业务数据。

在基站210处，来自移动设备250的调制信号由N_R付天线224进行接收，由相应的N_R个接收机222进行调节，由解调器240进行解调，由RX数据处理器242进行处理，以便提取出由移动设备250发送的反向链路消息，并将该反向链路消息提供给数据宿244。此外，处理器230可以处理所提取的消息，以便确定使用哪个预编码矩阵来确定波束成形权重。

处理器230和270可以分别指导(例如，控制、协调、管理等等)基站210和移动设备250处的操作。处理器230和270可以分别与存储程序代码和数据的存储器232和272相关联。处理器230和270还可以分别执行计算，以便分别得出上行链路和下行链路的频率和冲激响应估计。可以在处理模块之间或之中转移所有的“处理器”功能，使得在某些实施例中可以不存在某些处理器模块，或者可以存在本申请未示出的附加处理器模块。

存储器232和272(如本申请所公开的所有数据存储器)可以是易失性存储器或非易失性存储器，或者可以包括易失性部分和非易失性部分二者，并且存储器232和272可以是固定的、可移动的，或者可以包括固定部分和可移动部分二者。通过举例而非限制的方式，非易失性存储器可以包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦PROM(EEPROM)或者闪存。易失性存储器可以包括用作外部高速缓冲存储器的随机存取存储器(RAM)。通过举例而非限制的方式，RAM有多种可用形式，例如同步RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双倍数据速率SDRAM(DDR SDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、Synchlink^TM DRAM(SLDRAM)和直读式Rambus^TM RAM(DRRAM)。本发明某些实施例的存储器308旨在包括，但不限于，这些类型的存储器和任何其它适当类型的存储器。

示例性MIMO-OFDM系统模型

图3示出了具有N_T付发射天线和N_R付接收天线的通用多输入多输出(MIMO)OFDM无线通信系统的框图。第k个子载波(频率子信道)的系统模型可以使用线性方程表示：

y_k＝H_kx_k+n_k，k＝1，2，...，N_FFT，                (1)

其中，N_FFT是MIMO-OFDM系统中正交子载波(频段)的数量。

为了简单起见，在下面公式和相应公开内容中，省略了子载波索引k。因此，该系统模型可以用简单符号重写为：

y＝Hx+n                                (2)

$y={\left[\begin{array}{cccccc}{y}_1& y_2& .& .& .& y_{N_R}\end{array}\right]}^T---\left(3\right)$

$H=\left[\begin{array}{cccccc}{h}_1& h_2& .& .& .& h_{N_T}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{h}_{11}& h_{12}& .& .& .& h_{{1N}_T}\\ & .& .& .& & \\ h_{N_{R}1}& h_{N_{R}2}& .& .& .& h_{N_R{N}_T}\end{array}\right]---\left(4\right)$

$x={\left[\begin{array}{cccccc}{x}_1& x_2& .& .& .& x_{N_T}\end{array}\right]}^T---\left(5\right)$

其中，y是[N_R×1]接收符号向量，H是[N_R×N_T]信道矩阵，并且h_j是该信道矩阵的第j列向量，其中该向量包含发射天线j和所有N_R付接收天线之间的信道增益，x是[N_T×1]发射符号向量，n是具有协方差矩阵E(nn^H)的[N_R×1]复噪声向量。

列向量h_j与从第j付天线发射的第j个空间数据流相对应。该列向量表示第j个空间子信道，其中该第j个空间子信道可以被定义为第j付发射天线和所有接收天线之间的信道，并且该列向量可以并入发射天线j和所有N_R付接收天线之间的多个信道增益。如果满足下式，则MIMO无线系统的空间子信道(或者等同地，传输信道)在传输期间是相互正交的：

$h_i^H\·h_j=0$ $\∀i,j,$ i≠j                        (7)

如图3所示，发射信号可以首先由MIMO信道编码器310进行编码。因此，可以包括冗余，以便在有噪声的无线信道上进行传输期间保护信息数据。然后，可以将编码信号分成N_T个空间数据流

如图3所示。可以通过使用快速傅里叶逆变换(IFFT)单元

将多个空间数据流转换到时域。然后，这些信号可以被上变频到期望的传输频带，并且在N_R·N_T个单输入单输出(SISO)信道上从N_T付发射天线

进行发射。

在接收机处使用N_R付接收天线

可以通过使用快速傅里叶变换(FFT)单元

将接收的数据流转换回频域。可以将频域信号输入到MIMO检测器320，该MIMO检测器320针对在多个空间子信道上发送的编码比特生成可靠性消息。可靠性消息表示特定的所发送编码比特是比特“0”还是比特“1”的概率。该信息可以传送到外部MIMO信道解码器322，并且当去除在发射机处包括的冗余之后，多个空间子信道(发射天线)的估计信息数据是可用的。

示例性空时编码信号模型

图4示出了根据本发明的某些实施例的空时编码(STC)系统模型。图4中的STC系统模型还可以用线性方程(2)来表示。

对于两个连续的发射/接收时间间隔的情况，并且对于具有两付发射天线和两付接收天线的示例性无线系统，可以使用以下符号：

$y={\left[\begin{array}{cccc}{y}_{a1}& y_{a2}^{*}& y_{b1}& y_{b2}^{*}\end{array}\right]}^T---\left(8\right)$

$H=\left[\begin{array}{cc}{h}_{a11}& h_{b11}\\ h_{b12}^{*}& {-h}_{a12}^{*}\\ h_{a21}& h_{b21}\\ h_{b22}^{*}& {-h}_{a22}^{*}\end{array}\right]---\left(9\right)$

x＝[x₁ x₂]^T                                        (10)

n＝[n₁ n₂ n₃ n₄]^T                                  (11)

其中，x_n是第n个发射符号；信道系数h_jit与发射天线412_j、接收天线414_i以及发射时间间隔“t”相对应；接收信号y_mt与接收天线414_m和接收时间间隔“t”相对应。图4示出了两个连续的发射/接收时间间隔：t＝t₁和t＝t₂。

可以从图4中看出，在第二发射时间间隔t₂期间，可以从天线

发送在第一时间间隔t₁期间从天线412₁发送的信号的共轭值(如果N_T＝2)。并且，在第二发射时间间隔t₂期间，可以从天线412₁发送在第一时间间隔t₁期间从天线发送的信号的负共轭值(如果N_T＝2)。

图5示出了根据本发明的某些实施例的另一示例性STC系统模型。对于两个连续的发射/接收时间间隔，并且对于具有两付发射天线和两付接收天线的示例性无线系统，可以使用以下符号：

$y={\left[\begin{array}{cccc}{y}_{a1}& y_{b1}^{*}& y_{a2}& y_{b2}^{*}\end{array}\right]}^T---\left(12\right)$

$H=\left[\begin{array}{cc}{h}_{a11}& h_{a12}\\ h_{b12}^{*}& {-h}_{b11}^{*}\\ h_{a21}& h_{a22}\\ h_{b22}^{*}& {-h}_{b21}^{*}\end{array}\right]---\left(13\right)$

发射信号向量x可以用与式(10)相同的方式来表示，而两个连续时间间隔的接收机噪声的向量可以用与式(11)相同的方式来表示。

图5中的信道系数h_tij可以与发射时间间隔“t”、接收天线514_i和发射天线512_j相对应。接收信号y_ti可以与接收时间间隔“t”和接收天线514_i相对应。图5示出了两个连续的发射/接收时间间隔：t＝t₁和t＝t₂。可以假定应用于图4所示的示例性系统模型的相同空时编码方案也应用于图5所示的示例性系统模型。

示例性基于最大比合并的STC信号解码

为了对STC信号进行解码，可以在接收机处使用基于最大比合并(MRC)的STC解码。MRC空时解码可以表示为：

$\tilde{x}=H^{H}y---\left(14\right)$

其中，H^H是信道矩阵的厄密(共轭转置)形式，而是经解码的符号向量，其表示发射符号向量x的MRC估计量。

图6示出了基于常规MRC的STC信号解码器的示例性框图。对于两付发射天线的说明性示例，可以在单元610应用式(14)之后得到符号x_e1和x_e2。这些符号表示在STC符号持续时间间隔期间分别从第一天线和第二天线发送的MRC估计量。然后，单元620可以使用这些MRC符号估计量来计算所发送编码比特的对数似然比(LLR)。单元620表示如图6所示的单输入单输出(SISO)单元，这是因为可以使用所发送调制符号的单个估计量来计算相应编码比特的LLR。外部MIMO信道解码器630可以使用计算出的LLR来对所发送信息比特进行解码。

基于MRC的STC解码算法的计算并不是非常复杂的，如果在STC符号持续时间期间空间子信道(即，单个发射天线和所有接收天线之间的信道)相互正交(如式(7)所定义的)，则该算法提供优良的差错率性能。然而，在某些情况下，空间子信道可能并不正交，例如，在高多普勒频率(活动用户的高移动性)、发射机和接收机之间的不完全频率和时间同步、MIMO无线信道的长延迟扩展、发射机处应用的高阶调制类型等情况下。因此，对于某些信道状况来说，基于MRC的解码方案可能造成差错率性能下降，并且可能需要在接收机处应用更复杂的解码算法。

示例性基于MIMO的STC信号解码

如果空间子信道不正交，则本发明提出基于最小均方误差(MMSE)算法或最大似然(ML)算法的STC解码，以便改进常规MRC解码的差错率性能。然而，MMSE算法和ML算法的计算复杂度都明显高于MRC算法的计算复杂度。本发明提出了选择性的STC解码器，该解码器并入了MRC解码和基于MIMO的解码(即，MMSE解码或ML解码)二者。然后，可以根据发射机和接收机工作的信道环境选择适当的STC解码算法。

图7示出了所提出的基于MMSE的STC信号解码器的示例性框图。MMSE解码器710可以被设计为对使用空间复用(SM)生成的发射信号进行解码，其中，空间复用(SM)假定针对每付发射天线可以生成独立的数据流。

对于具有两付发射天线和两付接收天线的示例性无线系统，考虑由式(8)-(11)或者式(12)-(13)表示的STC信号模型，可以看出，STC信号可以表示为有效大小为4乘2的无线系统(即，在接收机处具有增加的有效维度的无线系统)中的空间复用的信号。如式(9)和式(13)所示，有效信道矩阵的大小是((N_R+N_T)×N_T)，其中，该大小对应于具有(N_R+N_T)付有效接收天线而不是N_R付物理天线的无线系统。

由于接收机处增加的有效维度，所以可以通过使用表示成下式的MMSE信道均衡器来对STC信号进行成功解码：

$\tilde{x}={(H^{H}H+{\mathrm{\σ}}_n^{2}I)}^{-1}{H}^{H}y,---\left(15\right)$

其中，H是式(9)或式(13)中的大小为((N_R+N_T)×N_T)的有效信道矩阵，

是传输信道的噪声方差，I表示大小为[N_T×N_T]的单位矩阵。通过在具有增加数量的有效接收天线的发射机处应用基于MMSE检测的空间复用，可以预期，与MRC检测相比，能实现改进的差错率性能，特别是当在STC符号持续时间期间空间子信道不正交时(如式(7)所定义的)。

然后，可以在单元720中使用在应用式(15)之后获得的符号估计量来计算所发送编码比特的LLR。单元720还表示如图7所示的单输入单输出(SISO)单元，这是因为可以使用所发送调制符号的单个估计量来计算相应的所发送编码比特的LLR。外部信道解码器730可以使用LLR来提供经解码的信息比特

在本发明中还提出了基于最大似然的MIMO检测器，该MIMO检测器可以用于对STC信号进行解码。高斯概率密度函数可以与发射符号向量x相关联。在该情况下，发射信号向量x的第k个比特的LLR，即L(b_k)，可以计算为：

$L\left(b_k\right)=\mathrm{LLR}\left(b_k\right|y)$

$=\log \left[\frac{\underset{x:b_k=0}{\mathrm{\Σ}}p\left(y\right|x)}{\underset{x:b_k=1}{\mathrm{\Σ}}p\left(y\right|x)}\right]$

$\≈\log \left[\frac{\underset{x:b_k=0}{\max }p\left(y\right|x)}{\underset{x:b_k=1}{\max }p\left(y\right|x)}\right]---\left(16\right)$

$=\log \left[\frac{\underset{x:b_k=0}{\max }\exp (-d\left(x\right))}{\underset{x:b_k=1}{\max }\exp (-d\left(x\right))}\right]$

$=\underset{x:b_k=1}{\min }d\left(x\right)-\underset{x:b_k=0}{\min }d\left(x\right)$

其中，表达式“x:b_k＝0”表示第k个信息比特等于“0”的候选发射比特x的集合，表达式“x:b_k＝1”表示第k个信息比特等于“1”的候选发射比特x的集合，p(x)是假设x的概率密度函数，并且假定所有假设x是均匀分布的。可以将度量d(x)表示为：

$d\left(x\right)=d(x_1,...x_j...,x_{N_t})$

$=\frac{{\left|\right|y-\mathrm{Hx}\left|\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2}---\left(17\right)$

其中，信道H表示大小为((N_R+N_T)×N_T)的有效信道矩阵，并且接收信号向量y可以由式(8)或式(12)给出。

该方法通常称为Max-Log-MAP ML检测算法。Max-Log-MAP ML算法可以实现最佳的检测准确性，这是因为该算法对可以发送的所有调制符号的似然性进行了评估，如表达式(16)所示。然而，Max-Log-MAP ML检测的操作复杂度可能是巨大的。该复杂度与

成比例，其中M是等于2^B的调制阶数，B是可以用于表示单个M-QAM调制符号的比特的数量。如式(17)所示，LLR的计算可以基于平方后的范数

假定接收机处的有效噪声的一元方差(例如，在预白化之后)，则式(16)和(17)中的第c个度量d_c可以表示为：

d_c＝l₂ ²＝‖v‖₂ ²                         (18)

其中，v＝y-Hx， $c=\mathrm{1,2},...,M^{N_t}$

图8示出了Max-Log-MAP ML检测的典型实现的框图。可以提供有效信道矩阵H和接收采样y的所有元素作为单元810的输入。可以假设可从N_T付天线发射的所有可能的

个向量符号x假设。因此，可以如式(18)所指定来计算

个平方后的范数

此后，对于比特k等于比特“0”的所有假设x，并且对于比特k等于比特“1”的所有假设x，单元820可以基于范数来针对每个发射比特k＝1、2、...、N_T·B执行对最小度量的搜索。因此，该搜索算法的计算复杂度可以与成比例。

根据针对每个发射比特k＝1、2、...、N_T·B找到的最小度量，可以在单元830中基于式(16)计算比特LLR。然后，可以将针对在单个频率子带的多个空间子信道上发送的所有N_T·B个编码比特而计算出的LLR传送给外部信道解码器840，其中，该外部信道解码器840生成经解码的空间数据流。

示例性的选择性STC解码

与基于MIMO的解码(MMSE解码和ML解码)相比，基于MRC的STC解码的一个特定优点是其更低的计算复杂度，这可能导致更低的动态功率消耗。另一方面，当在STC符号持续时间期间传输空间子信道不是相互正交时，与MRC算法相比，所提出的基于MIMO的STC解码方案可以提供更佳的差错率性能。为了利用基于MRC的解码方案和基于MIMO的解码方案，可以实现并入这两种方法的选择性STC解码，并且在本发明中提出了这种选择性STC解码。

图9示出了根据本发明的某些实施例的选择性STC解码的过程，而图10示出了根据本发明的某些实施例的选择性STC解码器的示例性框图。在910，可以使用接收的导频信号来执行信道估计。一旦估计出信道系数，则可以根据在发射机处使用的空时编码方案形成有效的STC信道矩阵，如针对两付发射天线的示例性情况用式(9)和(13)表示的。这在图10中也由单元1020示出。

在920，单元1030根据估计出的多普勒频率和在发射机处应用的调制类型来评估信道正交性。根据估计得到的信道正交性，可以选择适当的STC解码算法。在930，如果在STC符号持续时间期间传输空间子信道是相互正交的，则可以选择基于MRC的STC解码器1042。当信道环境具有低多普勒状况(活动用户的低移动性)且在发射机处应用低阶调制类型时，上述情况通常成立。在该情况下，在基于MRC的STC解码算法和基于MIMO的STC解码算法之间通常不存在差错率性能差异，但如果选择了MRC算法，则可以显著地减少在接收机处消耗的动态功率。

如在930所确定的，如果在STC符号持续时间期间这些空间子信道不正交(对于具有较高的多普勒频率的信道环境通常如此)，则可以选择基于MIMO的STC解码算法。在940，单元1042可以根据MMSE算法或者ML算法执行MIMO STC解码。或者，如果这些空间子信道是相互正交的，则在950，单元1044可以执行基于MRC的STC解码。

如图10所示，解码单元1042和1044可以是选择性STC解码器单元1040的组成部分。当选择这两个解码方案中的任意一个时，可以关闭没有被选择的解码单元(单元1042或者单元1044)，以便防止动态功率的消耗。通过选择适当的STC解码算法，可以实现消耗的动态功率和差错率性能之间的折衷。

在选择性STC解码器1040的输出端，可以以对数似然比(LLR)的形式得到关于所发送编码比特的可靠性信息。在960，可以将发送的编码比特的LLR传送给外部MIMO信道解码器1050，以便对发送的信息数据进行解码。

示例性仿真结果

可以进行本发明中的示例性仿真，以便在具有各种多普勒效应并且在发射机处应用不同调制类型的信道环境中评估所提出的STC检测方案的差错率性能。图11示出了相对于分组差错率(PER)为10-2的基于MRC的STC解码，以分贝(dB)为单位的ML/MMSE差错率性能增益。假定在接收机处实现理想的同步和理想的信道状态信息。

针对不同的SNR范围，可以使用三种不同的调制类型。QPSK调制可以用于范围在2dB和14dB之间的SNR，16-QAM调制可以用于范围在2dB和20dB之间的SNR，而64-QAM调制可以用于范围在6dB和24dB之间的SNR。针对所有使用的调制类型，可以应用用于测量PER性能的0.5dB单位的分辨率步长。在这些示例性仿真中可以实现两种不同的编码方案：编码率为1/2、2/3和3/4的咬尾卷积码(TBCC)以及编码率为1/2、2/3、3/4和5/6的卷积Turbo码(CTC)。在这些示例性仿真中可以使用10000个编码块。如图11所示，可以使用不同的移动用户速度(不同的多普勒频率)来评估不同的衰落情况。可以使用2.3GHz的载波频率，并且可以考虑具有两付发射天线和两付接收天线的示例性无线系统。

ML检测还可以并入基于QR分解的预处理，以便减少传输假设的数量。这是本领域所公知的QRML检测。MMSE检测算法和QRML检测算法均可以将MIMO无线信道建模成有效的(N_R+N_T)×N_T＝4×2个信道，这是因为在发射机处应用的空间和时间冗余(空时编码)使得接收机处的有效维度从N_R增加到(N_R+N_T)。

在图11中对仿真结果进行了总结，该图示出了与常规的基于MRC的STC解码器相比，所提出的基于MIMO的STC解码器(即，MMSE解码器或ML解码器)的相对增益。对于低多普勒状况并且对于低阶调制类型(例如，具有QPSK调制的步行信道(pedestrian channel))，MRC算法、QRML算法和MMSE算法显示出几乎相同的PER性能。在具有高多普勒状况的信道环境中并且对于高阶调制类型，QRML算法和MMSE算法可以提供相同的PER性能，并且与QRML算法和MMSE算法相比，PER等于10^-2的MRC解码可能经历0.1dB和6dB之间的差错率性能下降。当在STC符号持续时间期间空间子信道并不相互正交时，则可以在接收机处选择QRML/MMSE解决方案，以便实现优良的解码准确性，但与MRC解码相比，功率消耗可能增加。

上文所述方法的各个操作可以由与附图中所示的单元加功能框相对应的各种硬件和/或软件组件和/或模块来执行。例如，图9中示出的框910-960与图9A中示出的单元加功能框910A-960A相对应。更普遍地，在附图中示出的方法具有相应配对的单元加功能框附图的情况下，这些操作框与具有相似编号的单元加功能框相对应。

使用被设计为执行本申请所述功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列信号(FPGA)或其它可编程逻辑器件(PLD)、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件或者其任意组合，可以实现或执行结合本申请描述的各种说明性的逻辑框、模块和电路。通用处理器可以是微处理器，或者，该处理器也可以是任何市场有售的处理器、控制器、微控制器或者状态机。处理器还可以实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP内核的结合，或者任何其它此种结构。

结合本申请描述的方法或者算法的步骤可以直接实现在硬件、由处理器执行的软件模块或二者组合中。软件模块可以位于本领域已知的任何形式的存储介质中。可以使用的存储介质的一些示例包括：随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM等等。软件模块可以包括单个指令或多个指令，并且可以分布在一些不同的代码段上、分布在不同的程序中、以及分布在多个存储介质中。存储介质可以耦合到处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，并且可向该存储介质写入信息。或者，存储介质也可以是处理器的组成部分。

本申请所公开方法包括用于实现所述方法的一个或多个步骤或动作。在不偏离权利要求的范围的情况下，这些方法步骤和/或动作可以相互交换。换言之，除非指定特定顺序的步骤或动作，否则在不偏离权利要求的范围的情况下可以修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用。

本申请所述的功能可以用硬件、软件、固件或其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能作为一个或多个指令存储在计算机可读介质上。存储介质可以是能够由计算机进行存取的任何可用介质。通过示例而非限制的方式，这种计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机进行存取的任何其它介质。如本申请所使用的，磁盘和光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光盘、数字通用光碟(DVD)、软盘和蓝

光盘，其中，磁盘通常以磁的方式复制数据，而光盘用激光以光的方式复制数据。

软件或指令还可以在传输介质上进行传输。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤光缆、双绞线、数字用户线(DSL)或者诸如红外线、无线电和微波之类的无线技术从网站、服务器或其它远程源发送的，那么同轴电缆、光纤光缆、双绞线、DSL或者诸如红外线、无线电和微波之类的无线技术被包括在传输介质的定义中。

此外，应当理解的是，用于执行本申请所述的方法和技术的模块和/或其它适当单元可以根据具体情况由用户终端和/或基站进行下载和/或获得。例如，这种设备可以耦合到服务器，以便有助于对用于执行本申请所述方法的单元进行传送。或者，本申请所述的各种方法可以通过存储单元(例如，RAM、ROM、诸如压缩光盘(CD)或软盘之类的物理存储介质等等)来提供，使得当用户终端和/或基站将存储单元耦合到或提供给该设备时，它们可以获得各种方法。此外，还可以使用用于向设备提供本申请所述的方法和技术的任何其它适当技术。

应当理解的是，本发明并不受限于上文示出的精确配置和组件。在不偏离权利要求的范围的情况下，可以对上文所述方法和装置的排列、操作和细节做出各种修改、改变和变化。

Claims (44)

1.一种用于对使用空时编码(STC)方案在无线多信道通信系统中发送的数据进行解码的方法，包括：

接收使用STC方案通过多个信道发送的STC信号；

将所述STC信号建模成如同作为空间复用的多输入多输出(MIMO)信号来进行发送；以及

使用MIMO解码方案对接收信号的第一序列进行解码。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MIMO解码方案不假定所述多个信道是正交的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，将信号的所述第一序列建模成如同作为空间复用的多输入多输出(MIMO)信号来进行发送的步骤包括：

将所述STC信号建模成如同作为空间复用的MIMO信号，来在数量与实际用于发送所述STC信号的信道相比更大的信道上进行发送。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MIMO解码方案包括：

基于最小均方误差(MMSE)的解码方案。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MIMO解码方案包括：

基于最大似然(ML)的MIMO解码方案。

6.一种用于无线通信的方法，包括：

至少根据一个或多个参数，在用于对空时编码(STC)信号进行解码的多输入多输出(MIMO)解码器和最大比合并(MRC)解码器之间进行选择；以及

使用所选择的解码器对所述STC信号进行解码。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述一个或多个参数包括多普勒频率和调制类型中的至少一个。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述MIMO解码器是4乘2的空间复用MIMO解码器。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述MIMO解码器包括：

基于最小均方误差(MMSE)的MIMO解码器。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述MIMO解码器包括：

基于最大似然(ML)的MIMO解码器。

11.根据权利要求6所述的方法，还包括：

关闭未被选择的所述解码器的组件。

12.一种用于对使用空时编码(STC)方案在无线多信道通信系统中发送的数据进行解码的装置，包括：

用于接收使用STC方案通过多个信道发送的STC信号的逻辑；

用于将所述STC信号建模成如同作为空间复用的多输入多输出(MIMO)信号来进行发送的逻辑；以及

用于使用MIMO解码方案对接收信号的第一序列进行解码的逻辑。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述用于使用MIMO解码方案对接收信号的所述第一序列进行解码的逻辑不假定所述多个信道是正交的。

14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述用于将所述STC信号建模成如同作为空间复用的MIMO信号来进行发送的逻辑配置为：

将所述STC信号建模成如同作为空间复用的MIMO信号，来在数量与实际用于发送所述STC信号的信道相比更大的信道上进行发送。

15.根据权利要求12所述的装置，其中，所述用于使用MIMO解码方案对接收信号的所述第一序列进行解码的逻辑配置为：

执行基于最小均方误差(MMSE)的解码方案。

16.根据权利要求12所述的装置，其中，所述用于使用MIMO解码方案对接收信号的所述第一序列进行解码的逻辑配置为：

执行基于最大似然(ML)的MIMO解码方案。

17.一种用于无线通信的装置，包括：

用于至少根据一个或多个参数，在用于对空时编码(STC)信号进行解码的多输入多输出(MIMO)解码器和最大比合并(MRC)解码器之间进行选择的逻辑；以及

用于使用所选择的解码器对所述STC信号进行解码的逻辑。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述一个或多个参数包括多普勒频率和调制类型中的至少一个。

19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述MIMO解码器是4乘2的空间复用MIMO解码器。

20.根据权利要求17所述的装置，其中，所述MIMO解码器包括：

基于最小均方误差(MMSE)的MIMO解码器。

21.根据权利要求17所述的装置，其中，所述MIMO解码器包括：

基于最大似然(ML)的MIMO解码器。

22.根据权利要求17所述的装置，还包括：

用于关闭未被选择的所述解码器的组件的逻辑。

23.一种用于对使用空时编码(STC)方案在无线多信道通信系统中发送的数据进行解码的装置，包括：

用于接收使用STC方案通过多个信道发送的STC信号的单元；

用于将所述STC信号建模成如同作为空间复用的多输入多输出(MIMO)信号来进行发送的单元；以及

用于使用MIMO解码方案对接收信号的第一序列进行解码的单元。

24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述用于使用MIMO解码方案对接收信号的所述第一序列进行解码的单元配置为：

不假定所述多个信道是正交的。

25.根据权利要求23所述的装置，其中，所述用于将STC信号建模成如同作为空间复用的多输入多输出(MIMO)信号来进行发送的单元配置为：

将所述STC信号建模成如同作为空间复用的MIMO信号，来在数量与实际用于发送所述STC信号的信道相比更大的信道上进行发送。

26.根据权利要求23所述的装置，其中，所述用于使用MIMO解码方案对接收信号的所述第一序列进行解码的单元配置为：

执行基于最小均方误差(MMSE)的解码方案。

27.根据权利要求23所述的装置，其中，所述用于使用MIMO解码方案对接收信号的所述第一序列进行解码的单元配置为：

执行基于最大似然(ML)的MIMO解码方案。

28.一种用于无线通信的装置，包括：

用于至少根据一个或多个参数，在用于对空时编码(STC)信号进行解码的多输入多输出(MIMO)解码器和最大比合并(MRC)解码器之间进行选择的单元；以及

用于使用所选择的解码器对所述STC信号进行解码的单元。

29.根据权利要求28所述的装置，其中，所述一个或多个参数包括多普勒频率和调制类型中的至少一个。

30.根据权利要求28所述的装置，其中，所述MIMO解码器是4乘2的空间复用MIMO解码器。

31.根据权利要求28所述的装置，其中，所述MIMO解码器包括：

基于最小均方误差(MMSE)的MIMO解码器。

32.根据权利要求28所述的装置，其中，所述MIMO解码器包括：

基于最大似然(ML)的MIMO解码器。

33.根据权利要求28所述的装置，还包括：

用于关闭未被选择的所述解码器的组件的单元。

34.一种用于对使用空时编码(STC)方案在无线多信道通信系统中发送的数据进行解码的计算机程序产品，包括其上存储有指令的计算机可读介质，所述指令可由一个或多个处理器执行，并且所述指令包括：

用于接收使用STC方案通过多个信道发送的STC信号的指令；

用于将所述STC信号建模成如同作为空间复用的多输入多输出(MIMO)信号来进行发送的指令；以及

用于使用MIMO解码方案对接收信号的第一序列进行解码的指令。

35.根据权利要求34所述的计算机程序产品，其中，所述用于使用MIMO解码方案对接收信号的所述第一序列进行解码的指令不假定所述多个信道是正交的。

36.根据权利要求34所述的计算机程序产品，其中，所述用于将所述STC信号建模成如同作为空间复用的多输入多输出(MIMO)信号来进行发送的指令包括：

用于将所述STC信号建模成如同作为空间复用的MIMO信号，来在数量与实际用于发送所述STC信号的信道相比更大的信道上进行发送。

37.根据权利要求34所述的计算机程序产品，其中，所述用于使用MIMO解码方案对接收信号的所述第一序列进行解码的指令包括：

用于执行基于最小均方误差(MMSE)的解码方案的指令。

38.根据权利要求34所述的计算机程序产品，其中，所述用于使用MIMO解码方案对接收信号的所述第一序列进行解码的指令包括：

用于执行基于最大似然(ML)的MIMO解码方案的指令。

39.一种用于无线通信的计算机程序产品，包括其上存储有指令的计算机可读介质，所述指令可由一个或多个处理器执行，并且所述指令包括：

用于至少根据一个或多个参数，在用于对空时编码(STC)信号进行解码的多输入多输出(MIMO)解码器和最大比合并(MRC)解码器之间进行选择的指令；以及

用于使用所选择的解码器对所述STC信号进行解码的指令。

40.根据权利要求39所述的计算机程序产品，其中，所述一个或多个参数包括多普勒频率和调制类型中的至少一个。

41.根据权利要求39所述的计算机程序产品，其中，所述MIMO解码器是4乘2的空间复用MIMO解码器。

42.根据权利要求39所述的计算机程序产品，其中，所述MIMO解码器包括：

基于最小均方误差(MMSE)的MIMO解码器。

43.根据权利要求39所述的计算机程序产品，其中，所述MIMO解码器包括：

基于最大似然(ML)的MIMO解码器。

44.根据权利要求39所述的计算机程序产品，其中，所述指令还包括：用于关闭未被选择的所述解码器的组件的指令。

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