CN103262453A

CN103262453A - 用于mimo信道的稀疏码以及用于稀疏码的检测器备选

Info

Publication number: CN103262453A
Application number: CN2011800590681A
Authority: CN
Inventors: 萨哥·德哈卡; 阿里雷扎·巴耶斯特; 史蒂夫·哈拉尼洛维奇; 阿明·莫巴谢尔; 托马斯·塞克斯顿
Original assignee: Research in Motion Ltd
Current assignee: Maliki Innovation Co ltd
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2031-10-07
Also published as: CA2813769C; EP2625807A1; US9231677B2; CN103262453B; EP2625807C0; US20130182791A1; EP2625807B1; CA2813769A1; WO2012048218A1

Abstract

公开了用于对使用多输入多输出(MIMO)通信设备所发送的信息进行编码和解码的改进系统和方法的实施例。基于压缩采样的原理来实现结构稀疏码。还公开了用于实现基追踪的改进检测器和具有次优检测技术的基追踪。

Description

用于MIMO信道的稀疏码以及用于稀疏码的检测器备选

相关申请的交叉引用

根据35.U.S.C.§119(e)，本申请要求题为“Sparse Codes for MIMOChannel and Detector Alternatives for Sparse Code”的于2010年10月7日提交的美国临时申请No.61/390,815的优先权。美国临时申请No.61/390,815包括示例性系统和方法，并且通过其完整引用而合并到此。

技术领域

本发明通常涉及通信系统以及用于操作所述通信系统的方法。更具体地说，本发明实施例提供用于对使用多输入多输出(MIMO)通信设备所发送的信息进行编码和解码的改进系统和方法。

背景技术

正交空时分组码(OSTBC)传统上已经用于在MIMO通信信道中实现完全分集增益。用于OSTBC的最大似然解码需要接收信号的线性处理。如本领域技术人员已知，Alamouti码是一种用于具有两个发送天线的信道的有效OSTBC。Alamouti码可以使用以下在矩阵1中所示的码结构在两个符号持续时间中从两个天线发送两个独立符号。

(\begin{matrix} a_{1} & - a_{2}^{*} \\ a_{2} & a_{1}^{*} \end{matrix})

矩阵1

在以上符号结构中，符号a₁和a₂在第一符号时间期间分别从天线Tx1和Tx2发送，符号和

在第二符号时间期间分别从发送天线Tx1和Tx2发送。Alamouti码的信息速率当符号a₁和a₂属于星座集合A时是每传输log₂|A|比特，并且|A|是集合A中的元素的数量。仅在处理在两个符号时间上接收到的信号之后才进行检测判断，产生两个符号时间解码延迟。

对于大数量的发送天线，OSTBC码结构是复数的，并且不能够实现完全信息速率。用于四个发送天线的一种公知的OSTBC(在此被称为OSTBC-4)具有以下矩阵2中所示的码结构。

(\begin{matrix} a_{1} & - a_{2}^{*} & - a_{3}^{*} & 0 \\ a_{2} & a_{1}^{*} & 0 & - a_{3}^{*} \\ a_{3} & 0 & a_{1}^{*} & a_{2}^{*} \\ 0 & a_{3} & - a_{2} & a_{1} \end{matrix})

矩阵2

在以上码中，需要四个符号周期来发送三个符号，因此需要每次传输

比特的信息速率。矩阵2所示的码的另一缺点在于，信道对于四个符号块应保持恒定，因此码可能在高多普勒信道中具有受限的应用性。此外，对于矩阵2所示的码结构的解码延迟也是四个符号周期。

当前用于实现矩阵1和矩阵2中的上述编码的编码器和解码器是相对处理器密集的，并且导致明显解码延迟。因此，将期待实现在使得处理器资源的使用最小化并且还使得解码延迟最小化的同时提供高精确度的码结构。在此公开了用于对使用多输入多输出(MIMO)通信设备所发送的信息进行编码和解码的改进系统和方法，以满足前述需求。

附图说明

当结合以下附图考虑以下详细描述时，可以理解本发明及其大量目的、特征和所获得的优点，其中：

图1描述了实现本发明的示例性系统；

图2示出包括客户端节点实施例的启用无线的通信环境；

图3是包括数字信号处理器(DSP)的示例性客户端节点的简化框图；

图4是DSP可以实现的软件环境的简化框图；

图5是被配置用于MIMO信道中的稀疏码传输的接入节点和客户端节点的框图说明；

图6是具有每赫兹三比特的谱效率的码的字错误率(WER)性能的图线说明；

图7是用于包括六比特/s/Hz的1-稀疏码和4.5比特/s/Hz的OSTBC-4的字错误率性能的图线说明；

图8是用于具有不同谱效率的1-稀疏码的字错误率性能的图线说明；以及

图9是在具有0.1dB步长中每点20,000个字的基本情况下用于多个检测器的字错误率针对信噪比的图线说明。

具体实施方式

现将详细参照附图描述本发明各个说明性实施例。虽然在以下描述中阐述各种细节，但应理解，可以在没有这些细节的情况下实践本发明，并且可以对在此所描述的本发明进行大量实现特定判断，以实现将对于实现方式而彼此改变的发明人的具体目标(例如与处理技术的一致性或设计有关的约束)。虽然这些开发努力可能是复杂并且耗时的，但这将绝不是具有本发明的利益的本领域技术人员从事的常规工作。以框图或流程图形式而不是详细地示出所选方面，以免限制或模糊本发明。此外，关于对计算机存储器内的数据的算法或运算来呈现在此所提供的详细描述的某些部分。这些描述和表述由本领域技术人员用于描述他们的工作的实质并且将其传达给其它本领域技术人员。

如在此使用的那样，术语“组件”、“系统”等意图指代与计算机有关的实体、硬件、硬件和软件的组合、软件、或执行中的软件。例如，组件可以是在处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行、执行的线程、程序和/或计算机，但不限于此。通过说明的方式，在计算机上运行的应用或计算机自身都可以是组件。一个或多个组件可以驻留在执行的进程或线程内，组件可以位于计算机上或分布在两台或更多台计算机之间。

同样如在此使用的那样，术语“节点”广义地指代通信环境(例如网络)的连接点(例如再度分配点或通信端点)。相应地，这些节点指代能够在通信信道上发送、接收或转发信息的有源电子设备。这些节点的示例包括数据电路端接设备(DCE)(例如调制解调器、集线器、桥或交换机)和数据终端设备(DTE)(例如手机、打印机或主机计算机(例如路由器、工作站或服务器))。局域网(LAN)或广域网(WAN)节点的示例包括计算机、分组交换机、缆线调制解调器、数据订户线路(DSL)调制解调器和无线LAN(WLAN)接入点。互联网或内部网节点的示例包括互联网协议(IP)地址所识别的主机计算机、桥和WLAN接入点。同样，蜂窝通信中的节点的示例包括基站、中继器、基站控制器、无线电网络控制器、归属位置寄存器、网关GPRS支持节点(GGSN)、服务GPRS支持节点(SGSN)、服务网关(S-GW)和分组数据网络网关(PDN-GW)。

节点的其它示例包括客户端节点、服务器节点、对等节点和接入节点。如在此使用的那样，客户端节点可以指代无线设备，例如移动电话、智能电话、个人数字助理(PDA)、手持设备、便携式计算机、平板计算机以及相似的设备或具有通信能力的其它用户设备(UE)。这些客户端节点可以同样指代移动、无线设备，或反之，指代通常并非便携的具有相似能力的设备(例如台式计算机、机顶盒或传感器)。同样，服务器节点如在此使用的那样指代执行其它节点所提交的信息处理请求的单个信息处理设备(例如主机计算机)或一系列信息处理设备。同样如在此所使用的那样，对等节点可以有时充当客户端节点，而在另外时间充当服务器节点。在点对点覆盖网络中，主动路由用于其它联网设备以及自身的数据的节点可以被称为超级节点。

接入节点如在此使用的那样指代提供客户端节点对通信环境的接入的节点。接入节点的示例包括蜂窝网络基站和无线宽带(例如WiFi、WiMAX、LTE等)接入点，其提供对应小区和WLAN覆盖区域。如在此所使用的那样，宏小区通常用于描述传统蜂窝网络小区覆盖区域。典型地在郊区、沿着高速路或在人口较少的区域中发现这些宏小区。同样如在此所使用的那样，微小区指代具有比宏小区更小的覆盖区域的蜂窝网络小区。这些微小区典型地用在人口密集的城市区域中。同样，如在此所使用的那样，微微小区指代比微小区更小的蜂窝网络覆盖区域。微微小区的覆盖区域的示例可以是大型办公室、购物商场或火车站。毫微微小区如在此使用的那样当前指代最小的普遍接受的蜂窝网络覆盖的区域。作为示例，毫微微小区的覆盖区域对于家庭或小型办公室是足够的。

通常，小于两公里的覆盖区域典型地与微小区对应，200米或更小针对微微小区，在10米量级针对毫微微小区。同样如在此所使用的那样，与关联于宏小区的接入节点通信的客户端节点被称为“宏小区客户端”。同样，与关联于微小区、微微小区或毫微微小区的接入节点通信的客户端节点分别被称为“微小区客户端”、“微微小区客户端”或“毫微微小区客户端”。

在此所使用的术语“制造物”(或另外，“计算机程序产品”)意图包括可从任何计算机可读设备或介质存取的计算机程序。例如，计算机可读介质可以包括磁存储设备(例如硬盘、软盘、磁带等)、光盘(例如压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD))、智能卡以及闪存设备(例如卡、棒等)，但不限于此。

词“示例性”在此用于表示充当示例、实例或说明。在此描述为“示例性”的方面或设计不一定理解为优于或利于其它方面或设计。本领域技术人员应理解，在不脱离所要求的主题内容的范围、精神或意图的情况下，可以对该配置进行很多修改。此外，可以使用用于产生软件、固件、硬件或其任何组合以控制基于计算机或处理器的设备来实现在此详述的各方面的标准编程和工程技术来将本发明的主题内容实现为系统、方法、装置或制造物。

图1示出适合于实现在此所公开的一个或多个实施例的系统100的示例。在各个实施例中，系统100包括处理器110(其可以被称为中央处理单元(CPU)或数字信号处理器(DSP))、网络连接性接口120、随机存取存储器(RAM)130、只读存储器(ROM)140、辅助存储器150和输入/输出(I/O)设备160。在一些实施例中，这些组件中的一些可以不出现或可以在与彼此或与另外未示出的组件的各个组合中被组合。这些组件可以位于单个物理实体中或多于一个的物理实体中。处理器110所承担的在此描述的任何动作可以由处理器110单独承担或由处理器110结合图1中示出或未示出的一个或多个组件承担。

处理器110执行其可以从网络连接性接口120、RAM130或ROM140存取的指令、代码、计算机程序或脚本。虽然仅示出一个处理器110，但可以存在多个处理器。因此，虽然指令可以被讨论为由处理器110执行，但指令可以同时地、顺序地或另外由实现为一个或多个CPU芯片的一个或多个处理器110执行。

在各个实施例中，网络连接性接口120可以采取以下形式：调制解调器、调制解调器组、以太网设备、通用串行总线(USB)接口设备、串行接口、令牌环设备、光纤分布式数据接口(FDDI)设备、无线局域网(WLAN)设备、无线电收发机设备(例如码分多址(CDMA)设备、全球移动通信系统(GSM)无线电收发机设备、长期演进(LTE)无线电收发机设备、全球微波互连接入(WiMAX)设备)和/或用于连接到网络(包括个域网(PAN))的其它已知设备(例如蓝牙)。这些网络连接性接口120可以使得处理器110能够与互联网或一个或多个通信网络或处理器110可以接收信息或处理器110可以输出信息的其它网络进行通信。

网络连接性接口120也可以能够以电磁波形式(例如射频信号或微波频率信号)无线地发送和/或接收数据。网络连接性接口120所发送或接收的信息可以包括已受处理器110处理的数据或待由处理器110执行的指令。如对于处理或生成数据或者发送或接收数据可期望的那样，可以根据不同顺序来对数据进行排序。

在各个实施例中，RAM130可以用于存储处理器110所执行的易失性数据和指令。图1所示的ROM140可以同样用于存储在执行指令期间所读取的指令。辅助存储器150典型地包括一个或多个盘驱动器或带驱动器，并且可以用于数据的非易失性存储，或如果RAM130并非足够大得保存所有工作数据，则作为溢出数据存储设备。辅助存储器150可以同样用于存储当选择程序以用于执行时加载到RAM130的所述程序。I/O设备160可以包括液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、投影仪、电视、触摸屏显示器、键盘、小键盘、开关、拨号盘、鼠标、轨迹球、语音识别器、读卡器、纸带读取器、打印机、视频监视器或其它公知的输入/输出设备。

图2示出包括本发明实施例中所实现的客户端节点的实施例的启用无线的通信环境。虽然示出为移动电话，但客户端节点202可以采用各种形式，包括无线手机、寻呼机、智能电话或个人数字助理(PDA)。在各个实施例中，客户端节点202也可以包括便携式计算机、平板计算机、膝上型计算机或可操作为执行通信操作的任何计算设备。很多合适的设备组合一些或所有这些功能。在一些实施例中，客户端节点202不是例如便携式计算机或平板计算机的通用计算设备，而是例如车辆中所安装的通信设备的专用通信设备。客户端节点202也可以同样是设备，包括设备，或包括于具有相似能力但不可便携的设备(例如台式计算机、机顶盒或网络节点)中。在这些和其它实施例中，客户端节点202可以支持专用活动，例如游戏、存货控制、工作控制和/或任务管理功能等。

在各个实施例中，客户端节点202包括显示器204。在这些和其它实施例中，客户端节点202可以同样包括触敏表面、键盘或通常用于用户进行输入的其它输入键206。输入键206可以同样是完全或缩减字母数字键盘(例如QWERTY、Dvorak、AZERTY以及顺序键盘类型)或具有与电话小键盘关联的字母表字符的传统数字小键盘。输入键206可以同样包括轨迹轮、退离(exit)或退出键、轨迹球以及可以向内按下以提供另外输入功能的其它导航或功能键。客户端节点202可以同样呈现用于用户选择的选项、用于用户激励的控件和用于用户指引的光标或其它指示符。

客户端节点202可以进一步从用户接受包括用于拨号的数字或用于配置客户端节点202的操作的各个参数值的数据项。客户端节点202可以进一步响应于用户命令而执行一个或多个软件或固件应用。这些应用可以将客户端节点202配置为响应于用户交互而执行各个定制功能。此外，客户端节点202可以是所编程或配置的空中传输(OTA)，例如从无线网络接入节点“A”210到“n”216(例如基站)、服务器节点224(例如主机计算机)或对等客户端节点202。

在客户端节点202可执行的各个应用当中是web浏览器，其使得显示器204能够显示网页。可以通过与无线网络220的无线连接从服务器节点224获得网页。如在此使用的那样，无线网络220广义地指代使用其节点中的两个之间的至少一个无线连接的任何网络。可以同样通过对无线网络220或任何其它启用无线的通信网络或系统的连接从对等客户端节点202或其它系统获得各个应用。

在各个实施例中，无线网络220包括多个无线子网(例如具有对应覆盖区域的小区)“A”212至“n”218。如在此使用的那样，无线子网“A”212至“n”218可以分别包括移动无线接入网络或固定无线接入网络。在这些和其它实施例中，客户端节点202发送并且接收通信系统，其分别通过无线网络天线“A”208至“n”214(例如小区塔)传送去往以及来自无线网络节点“A”210至“n”216。在以下所描述的各个实施例中，接入节点可以同时使用多个天线来将数据发送到客户端节点，客户端节点同时使用多个天线来接收所述数据。进而，无线网络接入节点“A”210至“n”216使用通信信号来建立与客户端节点202的无线通信会话。如在此使用的那样，网络接入节点“A”210至“n”216广义地指代无线网络的任何接入节点。如图2所示，无线网络接入节点“A”210至“n”216分别耦合到子网“A”212至“n”218，其进而连接到无线网络220。

在各个实施例中，无线网络220耦合到物理网络222(例如互联网)。经由无线网络220和物理网络222，客户端节点202具有对各个主机(例如服务器节点224)上的信息的接入。在这些和其它实施例中，服务器节点224可以提供可以在显示器204上显示或由客户端节点处理器110用于其操作的内容。或者，在中继类型或跳转类型的连接中，客户端节点202可以通过充当中间体的对等客户端节点202来接入无线网络220。作为另一备选，客户端节点202可以被附连(tether)并且从所链接的连接到无线网络220的设备获得其数据。本领域技术人员应理解，很多这样的实施例是可能的，并且前述实施例并非意图限制本发明的精神、范围和意图。

图3描述根据本发明实施例的以数字信号处理器(DSP)所实现的示例性客户端节点的框图。虽然描述客户端节点202的各个组件，但客户端节点202的各个实施例可以包括所列出的组件未列出的附加组件的子集。如图3所示，客户端节点202包括DSP302和存储器304。如所示那样，客户端节点202可以还包括天线和前端单元306、射频(RF)收发机308、模拟基带处理单元310、麦克风312、听筒扬声器314、耳机端口316、总线318(例如系统总线或输入/输出(I/O)接口总线)、可移除存储器卡320、通用串行总线(USB)端口322、短距离无线通信子系统324、告警器326、小键盘328、液晶显示器(LCD)330(其可以包括触敏表面)、LCD控制器332、电耦合器件(CCD)摄像机334、摄像机控制器336以及全球定位系统(GPS)传感器338以及可操作地耦合到功率存储单元(例如电池342)的功率管理模块340。在各个实施例中，客户端节点202可以包括不提供触敏屏幕的另一种显示器。在一个实施例中，DSP302直接与存储器304进行通信，而不通过输入/输出接口318。

在各个实施例中，DSP302或某种另外形式的控制器或中央处理单元(CPU)操作为根据存储器304或在DSP302自身内所包含的存储器中所存储的嵌入式软件或固件来控制客户端节点202的各个组件。除了嵌入式软件或固件之外，DSP302还可以执行存储器304中所存储的或经由信息载体介质(例如便携式数据存储介质，比如可移除存储器卡320)或经由有线或无线网络通信而使得可用的其它应用。应用软件可以包括将DSP302配置为提供期望功能的编译机器可读指令集，或应用软件可以是待由解释器或编译器处理以间接配置DSP302的高级软件指令。

可以提供天线和前端单元306以在无线信号与电信号之间进行转换，使得客户端节点202能够从蜂窝网络或某另外可用的无线通信网络或从对等客户端节点202发送并且接收信息。在实施例中，天线和前端单元106可以包括多个天线，用于支持波束成型和/或多输入多输出(MIMO)操作。如本领域技术人员所知，MIMO操作可以提供空间分集，其可以用于克服困难的信道状况或增加信道吞吐量。同样，天线和前端单元306可以包括天线调谐或阻抗匹配组件、RF功率放大器或低噪声放大器。

在各个实施例中，RF收发机308提供频率转变，将所接收到的RF信号转换到基带，并且将基带发送信号转换到RF。在一些描述中，无线电收发机或RF收发机可以理解为包括其它信号处理功能，例如调制/解调、编码/解码、交织/解交织、扩频/解扩、快速傅里叶逆变换(IFFT)/快速傅里叶变换(FFT)、循环前缀附加/移除以及其它信号处理功能。为了清楚，在此的描述将该信号处理的描述与RF和/或无线电级分离，并且在构思上将该信号处理分配给模拟基带处理单元310和/或DSP302或另外中央处理单元。在一些实施例中，可以在一个或多个处理单元和/或专用集成电路(ASIC)中组合RF收发机308、天线和前端部分306以及模拟基带处理单元310。

模拟基带处理单元310可以提供输入和输出的各种模拟处理，例如来自麦克风312和耳机316的输入以及去往听筒314和耳机316的输出的模拟处理。为此，模拟基带处理单元310可以具有用于连接到内建麦克风312和听筒扬声器314的端口，其使得客户端节点202能够用作蜂窝电话。模拟基带处理单元310可以还包括用于连接到耳机或另外免提麦克风和扬声器配置的端口。模拟基带处理单元310可以提供在一个信号方向上的数模转换以及在相反信号方向上的模数转换。在各个实施例中，可以通过数字处理组件(例如DSP302或其它中央处理单元)来提供模拟基带处理单元310的至少一些功能。

DSP302可以执行调制/解调、编码/解码、交织/解交织、扩频/解扩、逆快速傅里叶变换(IFFT)/快速傅里叶变换(FFT)、循环前缀附加/移除以及与无线通信关联的其它信号处理功能。在实施例中，例如在码分多址(CDMA)技术应用中，对于发射机功能，DSP302可以执行调制、编码、交织以及扩频，而对于接收机功能，DSP302可以执行解扩、解交织、解码以及解调。在另一实施例中，例如在正交频分多址(OFDMA)技术应用中，对于发射机功能，DSP302可以执行调制、编码、交织、逆快速傅里叶变换以及循环前缀附加，而对于接收机功能，DSP302可以执行循环前缀移除、快速傅里叶变换、解交织、解码和解调。在其它无线技术应用中，DSP302可以执行其它信号处理功能以及信号处理功能的组合。

DSP302可以经由模拟基带处理单元310与无线网络进行通信。在一些实施例中，通信可以提供互联网连接，使得用户能够获取对互联网上的内容的访问并且发送以及接收电子邮件或文本消息。输入/输出接口318互连DSP302以及各个存储器和接口。存储器304和可移除存储器卡320可以提供用于配置DSP302的操作的软件和数据。在接口中可以是USB接口322和短距离无线通信子系统324。USB接口322可以用于对客户端节点202充电，并且也可以使得客户端节点202运作为用于与个人计算机或另外计算机系统交换信息的外围设备。短距离无线通信子系统324可以包括红外端口、蓝牙接口、IEEE802.11一致无线接口或任何另外短距离无线通信子系统，其可以使得客户端节点202能够与其它附近客户端节点和接入节点无线地进行通信。

输入/输出接口318可以进一步将DSP302连接到告警器326，其当触发时使得客户端节点202例如通过响铃、播放旋律或振动来将通知提供给用户。告警器326可以充当用于对于特定呼叫方通过无声地振动或通过播放特定预先分配的旋律来向用户告警任何各种事件(例如来电、新文本消息和约会提醒器)的机构。

小键盘328经由I/O接口318耦合到DSP302，以提供用于用户进行选择、输入信息以及另外提供对客户端节点202的输入的一个机构。键盘328可以是完全或缩减字母数字键盘(例如QWERTY、Dvorak、AZERTY以及顺序类型)或具有与电话小键盘关联的字母表字符的传统数字小键盘。输入键可以同样包括轨迹滚轮、退离(exit)或退出键、轨迹球以及可以向内按下以提供另外输入功能的其它导航或功能键。另一输入机构可以是LCD330，其可以包括触摸屏能力并且还向用户显示文本和/或图片。LCD控制器332将DSP302耦合到LCD330。

如果配备，则CCD摄像机334使得客户端节点202能够拍摄数字图片。DSP302经由摄像机控制器334与CCD摄像机336进行通信。在另一实施例中，可以采用根据除了电荷藕合器件摄像机之外的技术操作的摄像机。GPS传感器338耦合到DSP302，以对全球定位系统信号或其它导航信号进行解码，由此使得客户端节点202能够确定其位置。也可以包括各种其它外设以提供附加功能，例如无线电和电视接收。

图4示出数字信号处理器(DSP)可以实现的软件环境402。在该实施例中，图3所示的DSP302执行操作系统404，操作系统404提供其余软件操作的平台。操作系统404同样向客户端节点202硬件提供对应用软件可访问的标准化接口(例如驱动)。操作系统404同样包括应用管理服务(AMS)406，其在客户端节点202上运行的各应用之间传递控制。图4还示出web浏览器应用408、媒体播放器应用410和Java小程序412。web浏览器应用408将客户端节点202配置为操作为web浏览器，允许用户将信息输入到表单并且选择用于检索并且浏览网页的链接。媒体播放器应用410将客户端节点202配置为检索并且播放音频或视听媒体。Java小程序412将客户端节点202配置为提供游戏、实用性和其它功能。组件414可以提供在此所描述的功能。在各个实施例中，图2所示的客户端节点202、无线网络节点“A”210至“n”216以及服务器节点224可以同样包括能够执行与上述动作有关的指令的处理组件。

图5是使用以上结合图1-图4所讨论的通信组件的备选实施例的通信系统的实施例的说明。在图5所示的实施例中，用户数据比特流由发射机节点502接收，并且由比特流划分器503处理，以生成天线索引比特流和星座元素索引比特流。这两个比特流然后由发射处理逻辑504处理，发射处理逻辑504包括稀疏码生成器506，其可操作为使用PSI矩阵508来处理天线索引比特流和星座索引元素比特流，以生成信号矢量f，用于通过多个天线510进行传输。信号矢量f通过信道矩阵[H]经过自由空间而得以发送，并且由接收机514中的多个天线512接收。接收机514没有f的先验知识。所接收到的到来信号作为信号矢量y而被接收，信号矢量y由接收处理逻辑516处理，以生成检测的用户数据。更具体地说，接收机处理逻辑516包括稀疏码检测器518，其可操作为使用关系式y＝[H]f+w根据以下所讨论的处理步骤来处理到来信号矢量y，其中，w是多个天线512检测到的高斯噪声。

现将公开在上述通信系统的各个实施例中用于对通信信号进行编码和解码的多个实施例。更具体地说，使用稀疏编码技术来实现在此所公开的实施例。为了示出本发明实施例中所实现的技术，将首先考虑当在Ψ∈C^n×n基下扩展时具有非零分量的信号矢量f∈Cⁿ。本领域技术人员应理解，可以通过以下关系式来表示稀疏编码信号(即s稀疏)。

f＝Ψx， (1)

其中，x是f的s稀疏版本。根据压缩采样理论，已知可以通过仅测量f与K小常数的元素的随机线性组合来精确地重构f。更具体地说，测量y∈C^m是：

y＝Φf， (2)

其中，Φ∈C^m×n是随机测量(或子采样器)矩阵，并且m＜＜n。在子采样器Φ对于基Ψ是非相干的情况下，可以通过凸优化来实现从m维观测y最佳重构n维信号f。在此所公开的实施例实现了用于提供用于在欠定(under-determined)多输入多输出(MIMO)信道中发送信息的稀疏码的压缩采样技术。

具有m个接收天线和n＞m个发送天线的MIMO信号可以由以下关系式来表示：

y＝Hf+ω， (3)

其中，f是发送信号，H是iid复数高斯信道，ω是复数高斯白噪声，y是接收的信号。本领域技术人员应理解，公式(3)中的信道H类似于公式(2)中的随机采样器Φ。此外，由于无线信道是随机高斯的，因此H对于任何正交基Ψ总是以高概率非相干的。因此，如果在Ψ下发送信号f是稀疏的，则可以通过实现压缩采样从y构建f。通过使用公式(1)构建稀疏码x并且选择跨越发送信号f的正交基Ψ来完成该操作。然后，可以通过观测y来检测具有H和Ψ的知识的接收机。应注意，公式(2)与(3)之间的差别是公式(3)中存在降低检测概率的AWGN分量。

通过以下项来定义稀疏码本：(i)s稀疏码矢量x的集合；(ii)基矩阵Ψ以及(iii)字母表星座x的非零元素属于设

表示该码本。

中的码字的总数由乘积给出，其中，

(\begin{matrix} n \\ s \end{matrix})

项表示唯一地定位大小为n的任何矢量中的非零元素的可能性，

表示从基数

的星座分配唯一符号的可能性。因此，熵由下式给出：

其也是公式(3)中的f与y之间的互信息的上界。清楚的是，通过在码的非零元素的位置中插入不确定性，码稀疏性增加了每个码的信息内容。稀疏码检测器应不仅检测正确的发送星座符号，而且还检测x中的符号的位置。压缩采样理论确保这些检测器的存在性；由此使得能够将所提出的高熵稀疏码用作OSTBC的备选。

已经大体上讨论了稀疏码，现将公开1-稀疏码的设计和性能。具体地说，以下讨论将涉及具有n＝4个发送天线和m＝2个接收天线的MIMO信道。对于s＝1，1-稀疏码本

具有以下结构：

(\begin{matrix} a \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}),

(\begin{matrix} 0 \\ a \\ 0 \\ 0 \end{matrix}),

(\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ a \\ 0 \end{matrix})

和

(\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ a \end{matrix}),

对于所有

例如，如果

是QPSK星座，则构成十六个1-稀疏码字的以下集合给出为：

{(\begin{matrix} &PlusMinus; e^{&PlusMinus; i \frac{π}{4}} \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}), (\begin{matrix} 0 \\ &PlusMinus; e^{&PlusMinus; i \frac{π}{4}} \\ 0 \\ 0 \end{matrix}), (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ &PlusMinus; e^{&PlusMinus; i \frac{π}{4}} \\ 0 \end{matrix}), (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ &PlusMinus; e^{&PlusMinus; i \frac{π}{4}} \end{matrix})} - - - (6)

所有码字均等可能地出现，x提供每次传输的四个比特的熵。使用Ψ来变换码字以获得通过信道

H = (\begin{matrix} h_{11} & h_{12} & h_{13} & h_{14} \\ h_{21} & h_{22} & h_{23} & h_{24} \end{matrix}) - - - (7)

所发送的信号f。

使用两类基函数：

(a)单位矩阵基Ψ＝I：在该表达式中，f＝x，产生具有三个零以及一个非零元素的f。仅需要打开用于与f的非零元素对应的发送天线的一个功率放大器；

(b)傅立叶基

在该变换下，f的所有元素是非零的，因此，所有四个发送天线在每个符号位置中辐射能量。例如，如果

X = (\begin{matrix} a \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}),

则f是符号a所标定的

的第一列。

在本发明各个实施例中，假设接收机已知最佳信道信息。最大似然(ML)检测器可以用于OSTBC以及稀疏码检测。在ML检测中，在码本内执行穷举搜索，以找寻在L2空间中最接近于所接收到的信号的码。在OSTBC-4具有四个符号周期的解码延迟以及

个符号的搜索空间的同时，对于Alamouti码的检测需要两个符号周期的延迟以及

个符号的搜索空间。在具有四个发送天线的1-稀疏码中，ML搜索空间是

个符号，解码延迟是1个符号周期。

以下是用于对于

生成、发送并且检测稀疏码的处理步骤的总结：

1.对于给定的稀疏性索引s＝1，2，...n，列出所有可能的矢量，分别具有s个1和(n-s)个零。存在从而s稀疏矢量；

2.从字母表选择字，并且通过将该字放在来自步骤1的s稀疏矢量的非零位置中来构建所有唯一排列。存在x所表示的

很多s稀疏码矢量；

3.使用基矩阵Ψ，以使用公式(1)来构建f；

4.通过从与f中的非零元素对应的天线辐射能量而通过无线信道来发送f。

5.测量所有接收天线上的信号，以形成观测y。

6.使用最大似然测试来从y中检测x。

已经使用关于原始字错误率的仿真来估计稀疏码的性能，并且其与OSTBC-4和Alamouti码的性能进行比较。由于所有三个码具有不同的信息速率，因此良好比较需要对于每个编码方案选择适当的星座，从而谱效率对于所有方案都相同。用于Alamouti码和OSTBC-4的信息速率分别是每次成功传输

和

比特。另一方面，1-稀疏码具有每次成功传输

比特的信息速率。(额外2比特来自x(1)的非零元素的位置中的不确定性)。因此，在图6中，分别使用16QAM、8PSK和BPSK的OSTBC-4、Alamouti码和1-稀疏码具有3比特/s/Hz的谱效率。可以观测到，在0至12dB的范围中，1-稀疏码执行得更好。从性能曲线可见，在中等SNR区域中，3比特1-稀疏码胜过3比特Alamouti码和3比特OSTBC码。

图7是用于包括六比特/s/Hz的1-稀疏码和4.5比特/s/Hz的OSTBC-4的字错误率性能的图线说明。在图7中可见，比OSTBC-4更高谱效率的1-稀疏码也具有高达20dB SNR的更好的WER性能。相似地，在图8中，示出用于具有不同谱效率的1-稀疏码的WER性能。

上文中所讨论的稀疏码实施例基于以下假设：

1.信道状态信息(CSI)假设如下。接收机具有信道H的知识，发射机没有H的知识。

2.信道H不表现多径。

3.系统包括单个发射机和单个接收机。

4.信道是复高斯的，独立块衰落。

5.所接收到的信号被加性高斯白噪声破坏。

6.其中，未对定时误差、频率偏移、非线性、量化、多普勒效应和信道校正进行建模。

本发明各个实施例中所使用的信号模型基于以下公式(8)所示的关系式。

y＝HΨx+n (8)

如果表达式矩阵Ψ是单位矩阵，则信号模型简化为公式9所给出的形式。

y＝Hx+n (9)

x是包含非零元素的N元素矢量，也就是说，x是C^N的s稀疏元素。其中，C是复数集合。

对于该研究的基本示例目前如此：x中的s＝1个非零元素，N＝4个发送天线以及M＝2个接收天线。在基本情况下，H具有4列，每个列保存两个复数。第一列表示为h₁，第二列表示为h₂，第三列表示为h₃，第四列表示为h₄。“x”的非零元素在位置“i”处，并且具有值“q”，其中，“q”选自集合Ω_q。

接收机514中的稀疏码检测器518被提供N、M、H、Ω_q和S。检测器被提供输出位置i和符号q。Ω_q的基数是LΩ_q，位置的数量是N。不同x个矢量的数量于是为LΩq*N。该x个矢量的集合被称为Ωx。

在本发明一个实施例中，最大似然或“ML”检测器用于生成位置“i”和符号“q”的估计。ML检测器对于每个可能“x”预测候选无噪声接收矢量，其中，这些候选的集合被称为Ωy。对于一个候选“x”存在一个候选“y”，从而Ωy的大小与Ωx的大小相同。ML检测器通过Ωy穷举地搜索，以找寻最接近于接收数据矢量y的候选。术语“最接近于”表示在L2或2范数的意义上。当找到最接近的候选时，检测器输出对应候选x矢量，其将具有在位置i处的符号q的估计(对于S＝1的情况，x的其它元素是0)。

使用ML检测器所生成的结果示出，对于4x2码，检测器可以将s的值用作边信息，检测器可以是“基追踪”类型的。此外，Ψ矩阵可以是没有性能损失的单位矩阵。

基追踪(Basis Pursuit)是这样的技术，其中，检测器在预定基(例如矩阵H的各列)上表示“y”。以下是基追踪中所实现的步骤的总结：

1.设置r0＝y

2.设置ΩH0＝H＝{h₁，h₂，h₃，h₄}的各列。

3.在迭代i，通过计算内积dj＝<ri，.(ΩHi)j>来对ri与ΩHi的元素中的每一个进行比较，其中，.(ΩHi)j表示集合ΩHi的第j元素。Ji＝argmax dj

4.以配对dJi，Ji来扩展y的表达式。

5.通过从集合.(ΩHi)移除矢量(ΩHi)j来创建ΩHi+1。

6.计算新的残差ri+1＝ri-dJi*.(ΩHi)j。

7.返回步骤3，除非y的表达式足够或所发现的矢量的数量等于S。

在该实施例中，仅找寻单个矢量。然而，可能的是，以下所讨论的基追踪将导致因为噪声而选择错误的单个矢量。在此情况下，可以通过在第一轮上实现步骤1、2、3、4、5和7(没有步骤6)然后在第二轮上实现步骤3和4来对于s＝1实现“次优”方法。因此，可以通过进行两次迭代来找寻次矢量(如果并非对于噪声，则其将是“主”)。

在第二迭代中，处理步骤在进入迭代“i”之前减少集合ΩHi(如前)，但保持残差不变(也就是说，ri’＝ri)。以此方式，“主矢量”作为选项而得以移除，检测器生成次矢量作为输出。然后通过针对Ωq的元素切分dJi和dJi’(即进行最接近于其的点的ML搜索)，以各个切分器结果(即q_l(Ji)和q_l(Ji’)，其中，l(k)是基于软输入dk而选择的进入Ωq的索引)来重新调制矢量h_Ji和h_Ji’并且对所得y个候选(即ql(Ji)hJi和ql(Ji’)hJi’)与观测噪声“y”进行比较来比较这两个矢量。在L2的意义上更接近y的重新调制的矢量的q和h的索引提供扩展基追踪算法(我们称为基追踪次优)的输出。对于4x2QPSK的情况，对于总共4比特，q的索引提供2比特的信息，h的索引提供2比特的信息。

在H.Zhu and G. Giannakis，“Sparsity-Embracing Multiuser Detectorfor CDMA Systems with Low Activity Factor，”IEEE ISIT，2009，pp.164-168，particularly pg.166中描述了在用户信号检测中使用Lasso的示例。根据前面的参考，确定基追踪可以有时在迭代i从求解的基压缩或消除在迭代i接近次矢量的主矢量。因为主矢量的这种消除，所以次矢量不再具有带有其余残差ri+1的强内积。

以下是用于实现上述具有“次优”的基追踪的步骤的总结。

1.设置r0＝y

2.ΩH0＝H的列＝{h₁，h₂，h₃，h₄}。

3.在迭代i，通过计算内积dj＝<ri，.(ΩHi)j>来对ri与ΩHi的元素中的每一个进行比较，其中，.(ΩHi)j表示集合ΩHi的第j元素。Ji＝arg maxdj

4.在Ωq内执行穷举搜索，以查看哪个元素最接近于dJi，表示最接近的元素ql(Ji)。

5.通过从集合.(ΩHi)移除矢量(ΩHi)j来创建ΩHi’。

6.通过计算内积dj’＝<ri，.(ΩHi’)j>来对ri(即与步骤3中所使用的相同的值)与ΩHi’的元素中的每一个进行比较，其中，.(ΩHi’)j表示集合ΩHi’的第j元素。Ji’＝arg max dj

7.在Ωq内执行穷举搜索，以查看哪个元素最接近于dJi’，表示最接近的元素q_l(Ji’)。

8.重新调制。计算q_l(Ji)h_Ji和q_l(Ji’)h_Ji’，以查看哪个最接近于ri。如果是前者，则输出q_l(Ji)和Ji；如果是后者，则输出ql_(Ji’)和Ji’。表示获胜列的索引Ji_winner。

9.通过从集合.(ΩHi)移除矢量(ΩHi)Ji_winner来创建ΩHi+1。

10.计算新的残差ri+1＝ri-q(1(Ji_winner))*.(ΩHi)Ji_winner。

11.返回步骤3，除非y的表达式足够或所发现的矢量的数量等于S。

对于s＝1，在步骤8之后完成处理。图9是在此所描述的ML、基追踪和加上次优检测器的基追踪的字错误率性能的图线说明。

可以使用以下代码集合1和代码集合2中的计算机代码来实现本发明各个实施例，其出于所有目的通过引用合并到此。

代码集合1基追踪Matlab代码

代码集合2基追踪次优Matlab代码

总之，基于压缩采样的原理，对于具有比接收天线更多数量的发送天线的多输入多输出(MIMO)信道提出具有稀疏结构的新一类分组码。稀疏码是具有发射天线的数量的大小的矢量。其具有属于有限字母表集合的非常少的非零元素。所接收到的信号是受噪声干扰的MIMO信道矩阵的各列的线性组合。使用所接收到的信号，稀疏码检测器需要检测非零字母表以及所发送的稀疏矢量中的字母表的位置。对于欠定MIMO信道，这种恢复可能看起来是不可能的，其中，接收机空间小于发射机空间。然而，对于稀疏码的关键启发来自压缩采样(CS)理论，其声明来自稀疏信号的子Nyquist采样足以完美地以强势概率来重构初始稀疏信号。此外，CS重构要求采样器对于初始稀疏信号的基是非相干的。应注意，随机高斯无线信道对于任何正交基是非相干的。因此，可能的是，将欠定MIMO信道关联到所发送的稀疏码的子Nyquist采样器，并且援引CS理论，以用于设计稀疏码检测器。

s稀疏码本由稀疏码矢量的集合定义，发送天线的数量n的长度中的每一个，分别具有s个数量的非零元素。我们注意到，存在唯一定位大小n的矢量中的s个非零元素的

(\begin{matrix} n \\ s \end{matrix})

可能性。此外，每个稀疏矢量的s个非零元素取自具有q个唯一字母表的集合。清楚的是，我们可以从字母表集合形成q^s数量的s元组的唯一组合。因此，s稀疏码本中的码字的总数由乘积

(\begin{matrix} n \\ s \end{matrix}) q^{s}

给出。在此意义上，通过在码的非零元素的位置中插入不确定性，稀疏性已经增加了每个码的信息内容。例如，对于4发送天线系统使用QPSK字母表的1-稀疏码本具有以下十六个1-稀疏码字：

{(\begin{matrix} &PlusMinus; e^{&PlusMinus; j \frac{π}{4}} \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}), (\begin{matrix} 0 \\ &PlusMinus; e^{&PlusMinus; j \frac{π}{4}} \\ 0 \\ 0 \end{matrix}), \begin{matrix} (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ &PlusMinus; e^{&PlusMinus; j \frac{π}{4}} \\ 0 \end{matrix}), (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ &PlusMinus; e^{&PlusMinus; j \frac{π}{4}} \end{matrix})} \end{matrix}

稀疏码检测器应不仅检测正确发送的s元组字母表，而且还应检测所发送的码矢量中的字母表。可能的是，估计使得接收机空间中的L2距离度量最小化的最大似然检测器(MLD)的性能以选择所发送的码字。用于稀疏码的MLD的计算复杂度是组合的。因此，有可能实现利用码的稀疏结构来进行检测判断的被称为基追踪检测器(BPD)的备选检测器。虽然BPD具有线性计算复杂度，但在存在噪声的情况下，其性能与MLD相比严重降级。受此所激励，我们设计具有带有类似BPD计算复杂度的类似MLD性能的加上次优检测器(BRD)的基追踪。通过允许次优列，甚至在当信道矩阵的非发送列与噪声高度相关时的情况下，BRD检测器也避免检测故障。

虽然在此参照管理隐藏节点干扰来描述所描述的示例性实施例，但本发明并不一定受限于示出可应用于各种认证算法的本发明的发明性方面的示例性实施例。因此，以上所公开的特定实施例仅是说明性的，并且不应看作对本发明的限制，本发明可以通过由具有在此的教导的利益的本领域技术人员明显的不同但等效的方式而修改并且实践。相应地，前面的描述并非意图将本发明限制为所阐述的特定形式，而是相反，意图覆盖所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内可以包括的这些替换、修改和等同物，从而本领域技术人员应理解，在不脱离本发明最宽泛形式的的其精神和范围的情况下，他们可以进行各种改变、替换和改动。

Claims

1.一种将输入比特流编码为稀疏码字以用于在多天线系统上进行传输的方法，所述方法包括：

将所述输入比特流划分为第一比特集合和第二比特集合；

将第一比特集合映射为具有稀疏性S的唯一稀疏矢量，其中，所述稀疏矢量的元素的数量等于所述多天线系统中的发送天线的数量N：

将所述第二比特集合映射为S个星座符号，以生成稀疏空间码字；以及

将所述S个星座符号与所述稀疏矢量中的S个非零元素的位置进行关联。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述N个发送天线中的S个发送天线上发送所述非零符号。

3.如权利要求1所述的方法，其中，通过将所述稀疏空间码字乘以基函数Psi来对所述稀疏空间码字进行预编码，以生成与调制用户数据对应的复矢量，用于在N个发送天线上进行传输。

4.一种通信方法，包括：

在M个接收天线处接收与发送的稀疏空间码字对应的复矢量y；

处理接收的复矢量和多个候选接收的稀疏空间码字，其中，所述处理包括：计算所接收的矢量在维度M的复空间中的位置，并且计算在所述复空间中所接收的复矢量的位置与每个候选接收的稀疏空间码字的位置之间的距离。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述接收的复矢量的处理包括：通过对与长度为N的所有已知S-稀疏矢量配对的S个星座符号的所有可能组合进行排列来构建候选发送稀疏空间码字集合，其中，每个已知S稀疏矢量中的非零元素的位置被每个可能组合所占据；通过使用信道估计矩阵来映射所述候选发送码字集合而生成所述候选接收稀疏空间码字集合。

6.如权利要求4所述的方法，其中，所述复矢量码字的处理包括：生成与MxN信道估计矩阵对应的矩阵数据，其中，M与接收天线的数量对应，并且N与发送天线的数量对应。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

对所述候选中的每一个进行归一化；

计算所接收的码字与每个归一化候选的内积；

按量值从最大到最小对所述内积进行排序；

将所述发送码字中的非零位置识别为产生最高排序内积的归一化候选的索引；

以产生最高排序的信道估计矩阵的列h来增大估计基；

使用所述基来估计与所识别的列h相关联的复标量；以及

将所述复标量与所有可能的星座符号进行比较，以识别选择的星座符号x。

8.如权利要求7所述的方法，还包括：

通过从当前工作值y减去h乘以x来形成新工作值y；

对y进行运算以识别所述信道估计矩阵中除了增大所述基的h之外的列；以及

以增大的基对y进行运算，以识别第二选择的星座符号。

9.如权利要求7所述的方法，还包括：

将所述发送码字中的非零位置识别为产生次最高排序的次优列的索引；

以所述次优列增大估计基；

使用所述基来估计与所述次优列相关联的复标量；以及

将所述复标量与所有可能的星座符号进行比较，以识别次优星座符号。

10.一种将输入比特流编码为稀疏码字以用于在多天线系统上进行传输的通信设备，所述通信设备包括：

处理逻辑，被配置为：

将所述输入比特流划分为第一比特集合和第二比特集合；

将第一比特集合映射为具有稀疏性S的唯一稀疏矢量，其中，所述稀疏矢量的元素的数量等于所述多天线系统中的发送天线的数量N；

11.如权利要求10所述的通信设备，其中，在所述N个发送天线中的S个发送天线上发送所述非零符号。

12.如权利要求10所述的通信设备，其中，通过将所述稀疏空间码字乘以基函数Psi来对所述稀疏空间码字进行预编码，以生成与调制用户数据对应的复矢量，用于在N个发送天线上进行传输。

13.一种通信设备，包括：

处理逻辑，被配置为：

处理所接收的复矢量和多个候选接收稀疏空间码字，其中，所述处理包括：计算所接收的矢量在维度M的复空间中的位置，并且计算在所述复空间中所接收的复矢量的位置与每个候选接收稀疏空间码字的位置之间的距离。

14.如权利要求13所述的通信设备，其中，所述接收的复矢量的处理包括：通过对与长度为N的所有已知S-稀疏矢量配对的S个星座符号的所有可能组合进行排列来构建候选发送稀疏空间码字集合，其中，每个已知S稀疏矢量中的非零元素的位置被每个可能组合所占据；通过使用信道估计矩阵来映射所述候选发送码字集合而生成所述候选接收稀疏空间码字集合。

15.如权利要求13所述的通信设备，其中，所述复矢量码字的处理包括：生成与MxN信道估计矩阵对应的矩阵数据，其中，M与发送天线的数量对应，并且N与接收天线的数量对应。

16.如权利要求15所述的通信设备，其中，所述处理逻辑还被配置为：