CN1489303A - 在通信系统中传输数据的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在通信系统中经无线接口(V)在至少一个发射台(BS)和至少一个接收台(MS1,...MS4...MSk)之间传输符号的方法,所述的发射台具有多个在空间上隔开的天线(A1,A2,...A4,...,An),所述的符号尤其是数据的形式,其中需发送的符号在发射之前利用代码进行编码。为了提高传输质量,建议:至少两个需要在一个时间点上被发送的符号根据所述的编码(H;WHC(A4))而分别被明确地分配给所述在空间上隔开的天线中的至少一个(A4),并且在该时间点上同时只通过该天线(A4)进行发射。由此执行一种空间编码。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有如权利要求1的前序部分所述的特征的在通信系统中传输数据的方法和用于执行该方法的装置。
背景技术
已经公知譬如遵照GSM(全球移动通信系统)或UMTS(通用移动通信系统)标准的无线通信系统,其中多个用户台通过无线接口与网络方的发射接收台进行通信。另外也公知例如遵照HiperLAN标准的数据通信网,其中移动的数据台与网络方的无线电台进行联系。
对于在发射方采用了许多信道以把数据传输给许多不同的接收台的数据传输,由于多径传播而存在严重的问题。例如,从天线发出的信号一方面通过一个直接的路径到达接收方的天线,另一方面还在物体的反射之后在该直接路径的侧面以一个时间延迟而在反射后到达接收天线。如果需传输的符号(尤其被理解成单个的比特或数据分组)的时延大于所述可以通过均方根杂散所确定出的延迟,则所选的传输信道被视为非频选的或平坦衰落的。在后一种情况下,所述的信道同时相当于一个子载波,而且不具有多个子载波用于传输符号。相反,在符号时延小于平均延迟杂散的情况下,所述的信道将被视为频选衰落的。这将产生符号间干扰(ISI),当不采用补偿方法时该干扰将会影响到传输帧差错方面的功能性。
计划应该在第三代用户数据速率的情况下采用移动通信系统,该数据速率在蜂窝环境中大于20Mbps。在约“1Bit/s Hz/小区” 的谱效率的情况下,所需的总带宽最高达20MHz。因此比特时延约为50ns。在宏蜂窝中的典型的平均延迟展宽(均方根延迟展宽)最大为10μs的情况下,一个传输符号将会干扰接下来的200个符号,这会带来较大的信号处理费用。因此研制了一些为更好地满足上述要求而设计的接入方法。一种可能的选择方案是所谓的OFDM(正交频分多路复用),其中需发送的数据在被发射之前被多路复用到一个频带内的相应子载波的不同传输频率上,且所述的各个子载波相互正交。OFDM的缺点在于:高的尖峰/平均-功率比;需要载波同步;由于在各个数据块之间需要保护时间而带来容量浪费;以及需要对每个子载波或对某个数量的子载波进行信道评估。
从UMTS标准的WCDMA(宽带码分多址)也公开了频选的衰落信道,在该标准中对发送的数据进行宽带的划分和编码。但该系统中的多径传播干扰了扩展码的正交性。瑞克接收机可以被用来建设性地组合多径成分。
在采用多个发射天线时,在接收方接到一个叠加信号,该信号经过了相应多数量的传播路径。这在接收方会导致不利的干扰。
发明内容
本发明的任务在于研制一种方法和一种执行该方法的装置,其可以实现数据传输的替代方案。
该任务通过具有独立权利要求所述的特征的、用于在通信系统中传输数据的方法和用于执行该方法的装置来解决。本发明的改进方案由从属权利要求给出。
因此优选的是一种在通信系统中经无线接口在至少一个发射台和至少一个接收台传输符号的方法,所述的发射台具有多个在空间上隔开的天线,所述的符号尤其是数据的形式,其中需发送的符号在发射之前利用代码进行编码,多个、至少两个需要在一个时间点上被发送的符号根据所述的编码而分别被分配给所述在空间上隔开的天线中的至少一个,并且在该时间点上同时通过该天线进行发射。这种根据代码把单个的天线分配给需要被发送的符号(尤其是单个的数据、比特或编码值)便产生了一种空间编码。在此,天线也可以被理解为复合地构成的天线中的在空间上隔开的天线元件等等。作为替换方案,也可以把到达的符号分配给许多天线中的多个,这至少比采用所有天线要减少干扰。
有益的是,所说的编码把许多符号映射到尤其为单个的待发送的编码符号上,使得总是只有一个天线在一个资源上(譬如频率)进行发射,从而避免了干扰。替换地,但也可以进行以下编码,其中映射到有限数量的可用天线上。
在分配所述的天线以便发送编码符号时,优选地采用一个哈达马矩阵,该矩阵总是满足模-2-加等于0这个条件。因此,在分配所述的天线以便发送编码符号时,优选地根据需同时传输的符号的值而明确地分配一个沃尔什-哈达马-码。
在分配所述的天线以便发送编码符号时,可以简单地采用一个具有多个符号的矩阵与所述哈达马矩阵的乘积,其中矩阵的行由满足模-2-加等于0这个条件的符号组成。在确定天线时,给由矩阵乘法得出的结果矩阵的对角元素分别分配一个天线,其中利用符号矩阵和哈达马矩阵的模-2-条件,在矩阵乘法之后只有一个对角元素不等于0。结果是,许多天线中只有一个单独的天线进行发射,由此产生空间编码。
在所述的优选实施例中,设置的条件是符号矩阵的各行的模-2-加等于0,但也可以设定其它的值,其中需要对代码或代码矩阵作相应的改变。
优选地,在分配所述的天线或有限数量的天线以便发送编码符号时,采用一个具有多个符号的矩阵与一个代码矩阵的乘积。由矩阵乘积得出的矩阵表示了一个就所述矩阵的符号一一对应的映射。从而以完全通用的方式提供了一个从需要发送的不同符号到天线群的各个天线之间的映射。在此可以有利地实现不同的组合。于是,多个到达的符号可以被映射到需要传输的单个符号上,然后该单个的符号通过单个的天线进行发射。作为替换方案,所述的符号也可以通过多个选定的天线进行发射。但也可以在一个或多个到达的符号和两个或多个需传输的符号之间形成一一对应的映射,然后通过不同的天线传输这些符号。最终具有决定性意义的是,在接收方或由接收台获悉所采用的代码或代码矩阵,并另外得知所采用的发射天线,使得从被接收的单个或多个符号中可以一一对应地重构原来的符号。
在接收台中,可以借助关于在发送时所采用的编码、尤其是关于哈达马矩阵的知识而简单地对接收的编码符号进行反变换。为了在接收台内能够在对符号进行反变换时使用在发射时所采用的天线知识,尤其通过测量接收信号的接收方向来提供一种自主的确定,例如采用普通的估测方法。但作为替代方案,即便是不利的,也可以利用广播信道等让所采用的发射天线进行直接传输。
不仅可以把一系列需编码的符号传输给多个不同的接收台,而且也可以把由多个符号组成的一个数据流传输给单个的接收台。尤其也可以对它们进行组合,也即传输多个符号,其中有多个分别被传输给同一个电台,而其它的则被传输给一个或多个其它的电台。
由于在接收方总是只通过多个不同传播路径中的一个进行接收的,所以通过确定天线来发送数据值、数据块或符号是有利的。因此避免了否则可能因为由不同的天线同时向尤其为单个的接收机发送一个信号而带来的干扰。所以,为了代替已知的扩展到频带内的不同的频选子载波上,或者除了这种扩展之外,在此处执行了一种空间编码。
有益的是,确定天线以便发送数据均是每个数据符号或每个比特地进行的,这样,在传输单个语音元素被丢失不是太紧要的语音数据时,可以再生非常高质量的接收信号。
有益的是,对于执行这种方法的装置,尤其是网络方的发射和接收设备以及用户台,其除了具有足够规格的控制和处理设备之外还具有一个存储器,其中寄储了合适的哈达马矩阵以及用于执行该方法的算法。
附图说明
下面借助附图来讲述实施例。图中:
图1示出了一个通信系统的发射和接收装置的布置以及在发射方根据所示的公式被分配给发射天线的数据部分,其中需要传输的是不同接收台的数据,以及
图2示出了这样一种布置,其中需要传输的是单个接收台的不同数据。
具体实施方式
如图1所示,通信系统由多个不同类型的设备构成。在网络方它们是许多天线A1,A2,A3,..An,这些天线作为天线群被分配给网络方的发射和/或接收设备BS。该发射和/或接收设备优选地具有用于寄存工作所需的数据及算法的存储器M,以及还具有一个用于执行所需的工作过程的控制设备C。控制设备C和存储器M可以优选地被用来执行下面所讲述的方法。通常,所述的发射和/或接收设备BS被直接或间接地连接到其它的网络方设备上,例如连接到基站控制设备、运维中心或通向其它通信网的接口上,在此,为简化图示而没有画出这些设备。
另外,所述的通信系统还具有许多移动的或静止的用户台MS1,MS2,...MS(k-1),例如移动无线电设备或移动数据终端。这些用户台MS1,MS2,...MS(k-1)同样具有存储器M和控制设备C,它们被用来运行这些电台和执行下面所述的方法。
由此,所示的装置包括n个天线A1,A2,...,An和k-1个用户台MS1,...MS(k-1),这些天线被视为下述方法的发射元件,而这些用户台被视为下述方法的接收元件、接收电台或接收装置。该方法也可以被相反地运用,其中在各个用户台之间优选地设立协调和相应的数据及信息交换。
在下面所讲述的方法中,采用了新型传输方案的空间维数。在此,需传输的数据或信息利用哈达马矩阵被多路复用。该多路复用将产生不同的信号。这些信号被输入到天线群A1,...,An。这便导致数据在空间方面的编码。另外附加地或者作为替换方案,该编码可以在频域或时域进行扩展。被多路复用和被传输的是可以被理解为数据和信息形式的符号,尤其是单个数据比特、数据比特组和/或其被编码的部分。
符号时延可能受到天线A1,...,An的数量的影响。通常,这种方式类似于在公知的OFDM方法中利用不同的子载波进行时间上的扩展。在此,迄今的宽带系统被用于数字广播发射或支持无线电的本地数据网。在该系统中,首先采用OFDM及其变换。迄今还没有使用具有高数据速率的蜂窝宽带系统。这类系统是所谓的第四代通信系统的目标。下面所述的方法也可以应用于老的系统,但尤其被用于该第四代系统。
图1的左边部分示出了被输入到发射和接收设备BS或基站之内的数据,该数据将经过天线A1,...,An和接口V被传输给接收台MS1,...,MS(k-1)。可以看出,数据例如应该被传输给k-1个作为接收台的用户台MS1,...,MS(k-1)。在此,所示的符号应该例如分别由一个数据比特组成。另外还传输一个辅助符号,这样一共传输k个符号。在图中还辅助地把该代码划分成i个子周期c1 MS1,c2 MS1,...,ci MS1,其中示出了分别被用于多个所示的电台MS1,...,MS(k-1)的子周期和辅助符号。在此,每个子周期具有时延tsub,该时延等于符号的总时延tbit除以符号的数量。因此,总符号时延tbit取决于为对数据比特等进行编码所采用的子周期的数量。子周期的数量等于天线A1,...,An的数量,其中k=n。
作为替换方案,也可以象图2那样给单个的用户台MS1提供连续的符号或数据,而不是给多个不同的用户台MS1,...,MS(k-1)传输符号。显然也可以采用这两种数据提供方式的混合形式。
因此在图1和2中示出了k-1个符号或数据以便被传输给k-1个用户台MS1,...,MS(k-1),或把3个符号传输给单个的这种用户台MS1。符号时延tbit被划分成i个子周期。每个用户台MS1,...,MS(k-1)的第一、第二...第i个子周期构成了一个长度为k-1的符号。
如图1的中间区域的公式所示,各个子周期c1,c2,...,ci被布置成矩阵S的形式。为此,包括辅助符号在内,由k个需要被传输的符号组成一个行矢量s。然后该行矢量被增加k倍以形成一个k×k矩阵S。如此产生和排列的k个符号或行矢量s分别与一个沃尔什-哈达马-码WHC(A1),...,WHC(An)相乘,其中n=k。这在数学上便得到矩阵S与代码或哈达马矩阵H的相乘,所述的哈达马矩阵由各个沃尔什-哈达马-码WHC(A1),...,WHC(An)组成。该乘法将得出一个结果矩阵T。
采用哈达马矩阵H的优点在于,通过假定所有符号的“模-2-加”等于0,结果矩阵T的主对角线上只有一个元素不等于0。
在上述从矩阵乘法得到的矩阵T中,各个对角元素T1,1,T2,2,...Ti,k分别被分配给发射和/或接收设备BS的一个天线A1,A2,...或An,其中n=k。通过对多个需被传输的符号进行预编码和采用哈达马矩阵H将得到以下优点:总是只有一个对角元素T1,1,T2,2,...Ti,k不等于值“0”。相应地,总是只有一个单独的天线A1,...An被输入一个发射信号,使得既在空间上也在时间上分隔开所述被发射的k个符号或k-1个有用数据符号。因此,在一个符号周期tbit内只有一个单独的天线A1,...An进行发射。符号时延tbit与用于一个用户台的情况是相同的,但传输k个符号,其中原本需要传输的符号或原本需要传输的数据值与k-1个其它的符号进行编码。这将导致谱效率的提高。
在接收方、也即在用户台MS1,...MS(k-1)那里需要以下信息:在k个不同的天线A1,...An(n=k)中已经有哪些发射了所接收的数据符号或所接收的数据。该知识可以通过经广播信道并行地传输一个相应的信息来获得,或者优选地通过空间上的处理、例如通过所谓的射束整形或天线特有的特征波整形来获得。如果发射天线A1,...Ak和接收信号已被正确地测定,则可以通过将接收信号乘以哈达马矩阵H的第j列而恢复被接收的一个或多个符号,其中j对应于发射天线A1,...Ak的天线编号。
相应地,在进行接收的用户台MS1,...MS(k-1)中必须也存在在发射方采用的哈达马矩阵H。该哈达马矩阵H被临时或持久地寄存在各个用户台MS1,...MS(k-1)的存储器M中。临时寄存的优点是,哈达马矩阵H可以在每次注册到新的通信系统或该通信系统的新小区时被传输给用户台MS1,...MS(k-1),因此可以随时更新。
为了得到满足一个行或一个行矢量s的所有符号的“模-2-加”等于0这个条件的矩阵S,譬如可以定义一个辅助信道,该辅助信道在当前由辅助信号占用。这譬如可以通过比特填充或奇偶校验码来实现。如果例如象图2那样可以采用4个天线A1,...,A4,则可以多路用由有用数据构成的三个符号。第四个符号位置被用作辅助信道,由它来确保“模-2-加”等于0。借助以下具有数据序列的表格来阐明该辅助信道的功能性:
符号n | 符号n+1 | 符号n+2 | |
信道1 | 0 | 1 | 1 |
信道2 | 1 | 1 | 1 |
信道3 | 1 | O | 1 |
辅助信道 | 0 | 0 | 1 |
在此,根据其上方的数字和是否满足所述的“模-2-加”条件而在辅助信道的字段内总是选择性地设置一个0或1。由该辅助信道产生过载,在该情形下是1/4=25%的过载。该过载将随着所采用的天线A1,...,An的数量增加而下降,并且与信道特性无关。在10个天线的情况下该过载例如只有10%。相比之下,在OFDM系统中,由于保护时间的缘故,该过载将依赖于信道特性和位于15%~30%。
在建立这种表格以用作四个天线A1,...A4的基础的情况下,理论上存在24=16种组合可能性,这种可能性因为采用了辅助信道而被减少为23。该辅助信道被用来寻找奇数个的1,如果包括其自身的字段在内所述的列具有一个奇数值,则在其相应的字段内更换该比特。由此满足“模-2-条件”。根据还剩余4种线性无关的组合这个特性,这些组合将恰好对应于哈达马矩阵H的组合。这种特性将在此处所讲述的方案中加以利用。
信号的多径传播不会影响沃尔什-哈达马-码的正交性,因为多径用户信号在传输之前进行了组合,也即与沃尔什-哈达马-码相乘,而且符号时延tbit保持不变。相比之下,在CDMA系统中,空中接口上的、其码片时延远远小于符号时延的多用户信号相互进行累加。
对于图2所示的方案,下面示例地考察一个具有四个天线A1...A4和四个需传输的符号s的系统,其中该四个需传输的符号s譬如被连续地传输给三个不同的用户台,或者象附图所示的那样被传输给单个的这种电台MS1。
在时延tbit内应该传输四个符号,其中在通过实施“模-2-加”进行预编码之后,根据下面的说明和图2可以表示该序列的次序s={-1 11 -1}。开始三个位置对应于需要传输的有用符号或有用数据比特。第四个位置对应于辅助比特或辅助符号,该辅助比特或辅助符号被如此设置,使得矢量的“模-2-加”等于0。由四个这种符号或次序所组成的序列s以行的形式被增加四倍而组成符号矩阵S:
天线A1....A4的哈达马矩阵H由作为列矢量的四个沃尔什-哈达马-码组成:
针对需要传输的符号以及在产生沃尔什-哈达马-码时,已经采用数字“0”和“1”作为值,但为了经无线接口V进行传输而采用了一种再编码,其中为了替代不定的状态值“0”,传输一个被定义为负的值“-1”,并且在建立矩阵时采用该值。通过把矩阵S和矩阵H相乘而得出矩阵T:
可以看出,在结果矩阵T中对角线上只有单个的元素不等于0,此处是最后的对角元素T4,4。在该情形下,该对角元素T4,4被分配给天线群A1...A4中的第四个天线A4。通过天线A4相应地发送一个负值-4,或者在标准化之后发送一个负值-1。
在接收台MS1的解码过程中,利用了第四个天线A4已经发射这个知识。被分配给第四个天线A4的沃尔什-哈达马-码WHC(A4)是第四个列矢量h={1 -1 -1 1}。因此,接收方的信号重构的最终结果是-4(或-1).{1 -1 -1 1}={-4 4 4 -4},这在标准化之后由天线数{-1 1 1 -1}得出。这恰好对应于需传输的次序。由此,在接收方借助所采用的哈达马矩阵的知识以及借助天线群A1...A4中的哪个天线元件或天线A4已经进行了发射这个知识,可以反变换到这个结果。由此,尽管只进行了一次符号传输,但在接收台MS1内将出现三个具有有用数据的符号。第四个被重构的符号对应于作为过载的原始辅助符号,因此不足为证。
通过借助支持无线电的通信的多天线技术进行空间编码的组合,这种采用哈达马矩阵H的多路复用方法实现了经无线接口V的高数据速率的传输。该优点类似于通过已知的OFDM方法所获得的优点,但有利地避免了该OFDM方法的上述缺点。
该方案尤其可以有利地应用于下行方向DL的传输,具体地说,首先可以用于在采用不同数据速率的不同类型的业务时的情况。同时,在目前技术的发展过程中,希望将来支持无线电的数据业务在上行链路和下行链路上具有不同的业务量,因为利用少的数据分组将要求得到通常具有大量数据范围的信息。对此,下行方向通常被视为通信容量有限的弱点。例如可以提及所谓的Web浏览,由于文件下载等缘故,目前的下行方向容量已远远高于上行方向容量。
但是,纯粹从原理上讲,当在用户台MS1...MS(k-1)执行相应的编程时,也可以应用于上行方向。尤其在彼此相连或通信的用户台或在可通过多个信道进行发射的用户台的情况下,采用上述方案在原则上也是可能的。相应地,可一般地称之为用于以下情况的方法,即在该情况下采用了多个发射设备或天线来传输不同的符号或数据。在接收方有利地也同样提供多个接收设备、尤其是用户移动台。
上述的向最多k-1个接收台进行传输只是为了更好地阐明和区分开数据符号和辅助符号。显然,通过采用普通的方法把信号传输给不同的多个电台,也可以利用这里所讲述的方法向多于k-1个的接收台进行传输。
也可以采用具有多于n=k个天线或天线元件的天线装置。于是便可以实现利用一个与需同时传输的符号相对应的天线数量进行空间编码。但天线数量越多,发射方和接收方的计算花费就越高。另一方面,随着所采用的天线数量的增多,将可以改善有效负载比,这些天线最终表示了空间码元。
纯粹从原理上讲,也可以采用同时有两个或多个天线进行发射的天线装置,从而一个代码被分配给每个天线式样而不是天线编号。虽然由此增加了可供使用的代码的多样性,并同时增加了随发射过程所传输的符号,但是,只要不采用不同的频率,便存在应被降低的干扰危害,而这些干扰原本是能够和需要由上述方法来克服的。另外,接收台必须能够把两个或多个信号同时和明确地分配给接收天线和发射天线。
Claims (13)
1、在通信系统中经无线接口(V)从至少一个发射台(BS)向至少一个接收台(MS1,...MS4,...MSk)传输符号的方法,所述的发射台具有多个在空间上隔开的天线(A1,A2,...A4,...,An),所述的符号尤其是数据的形式,其中
-需发送的符号在发射之前利用代码进行编码,其特征在于:
-至少两个需要在一个时间点上被发送的符号根据所述的编码(H;WHC(A4))而分别被明确地分配给所述在空间上隔开的天线中的至少一个(A4),并且在该时间点上通过该天线(A4)进行发射。
2、按权利要求1的方法,其中:
由所述的编码(WHC(A4))把多个符号映射到一个单独的需发送的编码符号(TL,K;T4,4)上。
3、按权利要求2的方法,其中:
在分配所述的天线(A4)以便发送编码符号时,采用一个满足以下条件的矩阵、尤其是哈达马矩阵(H),该条件是模-2-加必须等于0。
4、按权利要求2或3的方法,其中:
在分配所述的天线(A4)以便发送编码符号时,根据需同时传输的符号的值而明确地分配一个沃尔什-哈达马-码(WHC(A4))。
5、按权利要求3或4的方法,其中:
在分配所述的天线(A4)以便发送编码符号时,采用一个具有多个符号的矩阵(S)与所述哈达马矩阵(H)的乘积,其中矩阵(S)的行满足模-2-加等于0这个条件。
6、按权利要求1或2的方法,其中:
在分配所述的天线(A4)或有限数量的天线以便发送编码符号时,采用一个具有多个符号的矩阵(S)与一个代码矩阵(H)的乘积,其中由矩阵乘积得出的矩阵(T)表示了一个就所述矩阵(S)的符号一一对应的映射。
7、按权利要求5或6的方法,其中:
在确定所述的天线(A4)或有限数量的天线时,分别给由矩阵乘积得出的结果矩阵(T)的对角元素分配一个有限选定数量的、特别是单个的天线(A1...An)。
8、按权利要求6或7的方法,其中:
在矩阵乘法之后,所述结果矩阵(T)的对角元素只有一个不等于0。
9、按上一权利要求、尤其是按权利要求4-8之一的方法,其中:
在接收台(MS1,...,MS3;MS1)中,借助关于在发射时所采用的编码、尤其是关于哈达马矩阵(H)的知识对所接收的编码符号进行反变换。
10、按上一权利要求、尤其是按权利要求9的方法,其中:
在接收台(MS1,...,MS3;MS1)中确定所述天线(A4)或有限数量的天线中的哪一个已经发射了一个被接收的编码符号,并且在对符号进行反变换时采用该知识。
11、按上一权利要求的方法,其中:
把一系列需编码的符号分配给多个不同的接收台(MS1,...,MS(k-1)),和/或把符号的一个数据流分配给单个的接收台(MS1)。
12、在通信系统中经无线接口(V)通过多个在空间上隔开的天线(A1,A2,...A4,...,An)向至少一个接收台(MS1,...MS4,...MS(k-1))传输符号的发射装置,其中所述的发射装置具有一个控制装置(C)和一个用于存储代码矩阵、尤其是用于存储哈达马矩阵(H)的存储器(M),该发射装置被用来执行如权利要求1-11之一所述的方法。
13、用于接收在通信系统中经无线接口(V)从发射台(BS)的一个天线(A4)或数量有限的多个在空间上隔开的天线(A1,A2,...A4,...,An)传输来的符号的接收装置,其中所述的接收装置(MS1,...MS(k-1))具有一个用于驱动该接收装置的控制装置(C)和一个用于存储至少一个代码矩阵、尤其是用于存储哈达马矩阵(H)的存储器(M),该接收装置被用来执行如权利要求1-11之一所述的方法。
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