CN1706114A - 静态mimo信道的数据编码 - Google Patents

Abstract

一种供采用多个发射天线的发射器使用的信道加扰器，所述加扰器包括：用于输入信号的至少两个信号输入端，和对每个输入信号应用时变加扰矩阵，从而产生加扰信号的处理器。提供一个输出级，用于把每个加扰信号输出给天线。对于信道块的每个符号周期，加扰矩阵最好是不同的。

Description

静态MIMO信道的数据编码

技术领域

本发明涉及其中接收器从多个发射天线接收信号的通信系统中的编码设备、方法和计算机程序代码。

背景技术

在采用具有一个以上发射天线的发射器的通信链路中产生特殊的问题，因为从不同发射天线接收的信号相互干扰。这导致所谓的多流干扰(MSI)，并导致解码困难。不过，潜在的优点是对于这样的通信链路，吞吐量大大增大(即，位速率更高)。在这种MIMO(多进多出)通信链路中，(给矩阵信道的)“输入”由发射器的多个发射天线提供，(来自矩阵信道的)“输出”由多个接收天线提供。从而，每个接收天线从发射器的发射天线接收必须被译出的信号的组合。

典型的无线网络包含多个移动终端(MT)，每个移动终端与网络的接入点(AP)或基站无线电通信。接入点还与中央控制器(CC)通信，中央控制器又可具有与其它网络，例如固定以太网的连接。直到最近，投入大量的工作来设计系统，以便减轻认识到的多路径传播的有害影响，尤其是在在无线LAN(局域网)和其它移动通信环境中流行的多路径传播的影响。但是，G.J.Foschini和M.J.Gans的“On limits ofwirelesss communications in fading enviroment when using multipleantennas”Wireless Personal Communications vol.6，no.3，pp.311-335，1998已说明通过在发射器和接收器利用多天线体系结构(所谓的多进多出(MIMO)体系结构)，大大增大的信道容量是可能的。另外已开始注意把空-时编码技术(在OFDM中，空-频编码)用于宽带信道。一般通过训练序列获得这种编码的最大似然检测的信道状态信息(CSI)，所得到的CSI估计值随后被提供给Viterbi解码器。

图1表示了典型的MIMO通信系统100。信息源101在时间1把信息符号s(1)提供给空-时编码器102，空-时编码器102把符号编码成N个代码符号c₁(1)，c₂(1)，...，c_N(1)，同时从发射天线104之一发射每个代码符号。M个接收天线106分别接收信号r₁(1)，...，c_M(1)，这些信号被输入接收器108。接收器108在输出端110提供编码的发射符号(1)的估计值(1)。在发射天线和接收天线之间存在多个信道，例如所有信道具有两个发射天线和两个接收天线。

第三代移动电话网络使用CDMA(码分多址访问)扩频信号跨越移动站和基站之间的无线电接口通信。这些3G网络由国际移动电信IMT-2000标准(www.ituint)包含。总起来说，3G网络的无线电接入部分被称为UTRAN(通用陆地无线电接入网络)，包含UTRAN接入网络的网络被称为UMTS(通用移动通信系统)网络。UMTS系统是第三代伙伴计划(3GPP，3GPP2)产生的标准的主题，有关其的技术规范可在www.3gpp.org找到。第四代移动电话网络(虽然还未被定义)可要用基于MIMO的技术。

在实际的数据通信系统中，信道内的多路径导致符号间干扰(ISI)，通常利用均衡和前向差错编码的组合来校正符号间干扰。例如，改线均衡器有效地卷积接收的数据和信道脉冲响应的倒数，从而在基本除去ISI的情况下产生数据估计。最佳的均衡器可采用最大似然(ML)序列估计或最大先验估计(MAP)，例如利用Viterbi算法。

常规的MIMO系统采用信道编码器，信道交错器和空-时解码器。接收器通常包含空-时解码器，信道解交错器和信道解码器。有时信道可以是这样的，以致在接收器难以分离信号。如果信道矩阵的各列几乎线性相关，那么会发生这种情况。如果信道也随着时间而变化，那么可减轻这种问题，因为这在接收器形成时间分集。

但是，如果在信道编码块内，信道基本恒定，即，几乎不随时间而变化，那么不能获得时间分集。如果如同前一段中所述，该基本恒定的信道“不良”，那么编码将不会提供许多优点。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种供采用多个发射天线的发射器使用的信道加扰器，加扰器包含用于输入信号的至少两个信号输入端，对每个信号应用时间变化，从而产生加扰信号的处理器，和把每个加扰信号输出给天线的输出级。最好通过对每个信号应用时变加扰矩阵来实现所述时间变化。

时变矩阵有效地产生代替恒定信道的人工衰落，随时间变化的有效信道。这意味着接收器“看见的”信道随着时间而变化，从而它有时好于原始信道，有时坏于原始信道。这些变化可被信道解码器使用，在信道解码器，强信号将帮助弱信号，从而降低出错概率。在发射器不需要了解信道。

对于信号的信道块的长度来说，可以是伪随机矩阵的加扰矩阵最好随时间而变化。加扰矩阵可以在一个符号周期是固定的，在每个后续符号周期发生变化。

加扰矩阵最好是旋转矩阵，可采取Q_k＝P^k的形式，这里P是旋转矩阵，k是表示符号周期的时间指数，它可以在1一直到块中的符号间隔的数目之间变化。P最好是单位矩阵(unitary)。

本发明还提供一种包括如上所述的信道加扰器和用于发射加扰信号的至少两个发射天线的发射器。

根据本发明的第二方面，提供一种在采用具有至少一个接收天线的接收器和具有多个发射天线的发射器的通信系统中，对数据编码的方法，所述方法包括准备用于从发射天线发射的信号，对准备的信号应用时变信道加扰矩阵，从而产生时间加扰信号，并从发射天线发射加扰信号。

附图说明

下面将参考附图，举例说明本发明的一些优选实施例，其中：

图1表示已知的MIMO空-时编码通信系统；

图2表示包括信道加扰器的MIMO通信系统；

图3表示包含信道加扰的系统的模拟结果。

具体实施方式

图2图解说明具有发射器201和接收器202的MIMO通信系统。如同平常那样，发射器201包括信道编码器203，信道交错器204，和空-时编码器205。数据通过信道208，从两个天线206、207被发射给安装在接收器201上的天线209、210。接收器包括空-时解码器211，信道解交错器212和信道解码器213。

在窄带信道中，接收信号和发射信号之间的输入-输出关系通常可被写成

r_k＝Hx_k+v_k

这里r_k∈C^N×1是接收的信号，H∈C^N×M是信道，x_k∈C^M×1是发射的信号，v_k∈C^N×1是信道噪声，k表示时间指数。

在图2中所示的例子中，发射器还包括信道加扰器214，在数据已被空-时编码器205编码之后，但是在数据被天线206、207发射到信道208中之前，信道加扰器214作用于所述数据。信道加扰器把时变分量引入发射的信号中，现在图2的结构的输入-输出关系为

r_k＝HQ_kx_k+v_k

这里，k，H，r_k，x_k和v_k如上定义，Q_k∈C^M×M是信道加扰器214。信道加扰器Q_k的引入有效地产生新的等同信道 ${\tilde{H}}_k=H{Q}_k,$ 即使信道H是恒定的，所述等同信道 也是时变的。从而如果信道H“不良”，意味着在接收器难以分离信号，新的伪随机信道

的提供将帮助信道解码器。要认识到该技术将适用于宽带信道，以及图解说明的窄带信道。

产生信道加扰器Q_k的可能途径有几种。一种简单的方法涉及对每个符号应用一次的旋转矩阵P的使用。这产生信道加扰器Q_k＝P^k，k＝1...N_sym，这里N_sym是块中的符号间隔的数目。如果P是单位矩阵，那么对于所有k，P^k也将是单一的。可按照关于线性预编码的相同方式，例如Y.Xin，Z.Wang和G.Giannakis在“Space-timeconstellation-rotating codes maximizing diversity and coding gains”，Globecom 2001，vol.1，pp.455-459，2001(其目的是在所有天线内扩展(spread)数据符号，以便获得最大分集)中说明的方式设计矩阵P。但是，在本申请中，始终应用相同的矩阵P，即Q_k＝P，k＝1...N_sym，从而不实现信道的伪随机加扰。

下面说明信道加扰器214的一个操作例子。考虑具有由 $H=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 0.9\end{array}\right)$ 描述的信道矩阵的MIMO系统。

该矩阵的各列(表示接收器如何看见不同的发射符号)是相当类似的。这两列之间的归一化相关性是 $\frac{1\×1+1\×0.9}{\sqrt{1^2+1^2}\×\sqrt{1^2+{0.9}^2}}=0.9986.$ 这意味着在接收器很难分离信号。

现在假定在发射之前，对数据应用如上所述的信道加扰器，由下述矩阵给出

$P=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right)$

现在等同的信道为

$\tilde{H}=\mathrm{HP}=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\φ}-\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\φ}+\cos \mathrm{\φ}\\ \cos \mathrm{\φ}-0.9\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\φ}+0.9\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right)$

该等同信道具有和带有这些值的真实信道相同的效果。

如果角度由＝2π×0.38给出，那么等同的信道矩阵是

$\tilde{H}=\left(\begin{array}{cc}-1.4135& -0.0444\\ -1.3451& 0.0285\end{array}\right)$

它具有下述相关性

$\frac{-1.4135\×-0.0444-1.3451\×0.0285}{\sqrt{{(-1.4135)}^2+{(-1.3451)}^2}\×\sqrt{{(-0.0444)}^2+{0.0285}^2}}=0.2379$

从而在发射器的加扰矩阵的使用导致各列的解相关。

由于在发射器不了解信道，当然可想到加扰实际会增大相关性。但是，在下一符号间隔，加扰矩阵P已变成P²，从而相关性将再次不同。不同的加扰矩阵随后被用于每个后续的符号间隔。

从而，将至少存在信道的变化将显著改进解码，向信道解码器213提供更好的输入信号的一些情况。对于多数信道来说，在存在和不存在加扰矩阵的情况下编码的数据之间将不存在任何差别。但是，对于恒定的“不良”信道，即各列之间具有高相关性的信道来说，加扰矩阵将产生大的差异。

数据由接收器按照标准方式解码。接收器202将知道信道加扰器214应用的加扰矩阵Q_k。如果信道H也被接收器已知(通常就是这样)，那么对于接收器来说，确定有效信道 ${\tilde{H}}_k=H{Q}_k$ 并仿佛其是数据经过的实际信道似的对数据解码是一件简单的事情。

所述系统在多数环境中将提高性能，但是在准静态环境，例如室内和办公室内特别有用。另外还特别适合于发射器和接收器不能长时间地彼此相对移动的系统，例如无线局域网(LAN)。复杂性很低，因为在发射器和接收器，每个符号间隔只涉及一个额外的矩阵乘法。另外，如上所述，信道估计器的操作不受信道加扰的影响，使系统复杂性的整体影响降至最小。

图3表示具有信道加扰的系统的模拟结果。该系统是图2中所示的那种系统，在利用贝尔实验室分层空时体系结构(BLAST)，具有5和7次多项式的比率1/2卷积码和10000位的块长度的空间多路复用方案中，具有两个发射天线和两个接收天线。接收器使用具有四次迭代的迭代解码方案，来自卷积解码器的非本征信息被反馈给后验概率(APP)空时解码器。可看出和当不使用加扰时(302)相比，使用加扰时(301)，误码率较低。

要认识到对上述实施例的变化仍然落在本发明的范围之内。例如，上面关于具有两个发射天线和两个接收天线的系统说明了信道加扰器，但是信道加扰器将应用于具有任意数目的天线和信道抽头的系统。类似地，信道加扰器可被用于具有多个天线的任何应用，不论是宽带应用还是窄带应用。

Claims (19)

1、一种供采用多个发射天线的发射器使用的信道加扰器，所述加扰器包括：

用于输入信号的至少两个信号输入端；

对每个信号应用时间变化，从而产生加扰信号的处理器；和

把每个加扰信号输出给天线的输出级。

2、按照权利要求1所述的信道加扰器，其中处理器被这样安排，以致通过对每个信号应用时变加扰矩阵，对每个信号应用所述时间变化。

3、按照权利要求2所述的信道加扰器，其中对于每个输入信号的信道块的长度，加扰矩阵随着时间而变化。

4、按照权利要求2或3所述的信道加扰器，其中加扰矩阵在一个符号周期是固定的，在每个后续符号周期发生变化。

5、按照权利要求4所述的信道加扰器，其中加扰矩阵是旋转矩阵。

6、按照权利要求5所述的信道加扰器，其中加扰矩阵采取Q_k＝P^k的形式，其中P是旋转矩阵，k是表示符号周期的时间指数。

7、按照权利要求6所述的信道加扰器，其中k在1一直到块中的符号间隔的数目之间变化。

8、按照权利要求6或7所述的信道加扰器，其中P是单位矩阵。

9、按照权利要求2、3或4所述的信道加扰器，其中加扰矩阵是伪随机矩阵。

10、一种包括按照权利要求1-9任意之一所述的信道加扰器和用于发射加扰信号的至少两个发射天线的发射器。

11、一种在采用具有至少一个接收天线的接收器和具有多个发射天线的发射器的通信系统中对数据编码的方法，所述方法包括：

准备用于从发射天线发射的信号；

对准备的信号应用时变信道加扰矩阵，从而产生时间加扰信号；和

从发射天线发射加扰信号。

12、按照权利要求11所述的方法，其中对于每个输入信号的信道块的长度，加扰矩阵随着时间而变化。

13、按照权利要求11或12所述的方法，其中加扰矩阵在一个符号周期内是固定的，在每个后续符号周期内发生变化。

14、按照权利要求13所述的方法，其中加扰矩阵是旋转矩阵。

15、按照权利要求14所述的方法，其中加扰矩阵采取Q_k＝P^k的形式，其中P是旋转矩阵，k是表示符号周期的时间指数。

16、按照权利要求15所述的方法，其中k在1一直到块中的符号间隔的数目之间变化。

17、按照权利要求15或16所述的方法，其中P是单位矩阵。

18、按照权利要求11、12或13所述的方法，其中加扰矩阵是伪随机矩阵。

19、按照权利要求11-18任意之一所述的方法，还包括发射加扰信号。