CN1706133A - 多载波mimo系统传输方案 - Google Patents

Abstract

用于多载波MIMO系统中的能够支持空间复用和发射分集的功率自适应环(PAC)传输方案，拥有许多理想特性，包括能够：发射可变数目的多个符号流，为每个发射符号流提供发射分集，支持接收机端编码干扰估计技术，且功率利用率高。一种方法中，从多个天线接收到在多个子波段上传输的至少一个符号流。该至少一个符号流经过复用，使得：(1)每个流中的符号从多个天线发射(比如：以对角线方式横跨各个子波段和天线)；(2)该至少一个符号流在同一子波段内开始发射。对应于每个天线形成一个复用符号流，并进一步对其进行处理，该符号流以该天线可用的全部功率发射。

Description

多载波MIMO系统传输方案

相关申请交叉引用

本申请要求2002年10月16日提交的序列号为60/419319的美国临时专利申请和2003年3月17日提交的序列号为60/456031的美国临时专利申请的权益，并将其全部内容并入此处，作为参考。

发明领域

本发明一般涉及数据通信，尤其涉及一种多载波多输入多输出(MIMO：Multiple Input Multiple Output)通信系统的传输方案。

技术背景

MIMO系统使用多个(N_T)发射天线和多个(N_R)接收天线进行数据传输。由N_T个发射天线和N_R个接收天线组成的MIMO信道，可以分解为N_S个独立的信道，它们也被称为空间信道，其中N_S≤min{N_T，N_R}。N_S个独立信道中的每一个信道相当于一维。如果利用多个发射和接收天线所创建的额外维数，那么MIMO系统就能够提供改善的性能(比如：更高的吞吐量和/或更高的可靠性)。

多载波MIMO系统使用多个载波进行数据传输。通过正交频分复用(OFDM)或者其它结构可以获得这些多载波。OFDM可有效地将整个系统带宽划分为若干(N_F)个正交的子波段，也被称为音调(tone)、频带(frequency bin)和频率子信道。采用OFDM方式，每个子波段与承载了调制数据的各自载波相关联。对于采用OFDM技术的MIMO系统(即MIMO-OFDM系统)，对应于N_F个子波段中的每一个子波段的MIMO信道可以分解为N_S个独立信道，因此系统总共有N_SN_F个独立信道。

在无线通信系统中，起初，待发射的数据经过处理(如编码和调制)形成符号流。然后，将该符号流上变频到射频(RF)，以产生更适合无线信道传输的RF调制信号。对于MIMO系统来说，最大可产生N_T个RF调制信号，并可从N_T个发射天线并行发射这N_T个信号。这N_T个发射信号可经由多个传播路径到达N_R个接收天线，并且可能经历由不同的衰落和多径效应产生的不同效应信道。此外，对于MIMO-OFDM系统，每个发射信号的N_F个子波段可能经历不同效应的信道。因此，N_T个发射信号可与不同的复信道增益和在N_F个子波段上互不相同的接收信噪比(SNR)相关联。

空间复用可以用来并行地从N_T个发射天线发射多个符号流。下面详细描述了空间复用的几个传输方案。为了获得高吞吐量，最好并行发射尽可能多的符号流。然而，能够并行发射的符号流个数和发射这些符号流所使用的速率一般取决于信道状况。

可以采用发射分集方式从N_T个发射天线发射单一符号流。如果需要符号流具有较高可靠性，或者信道状况较差以致最好使用所有可用的发射功率来发射单一符号流，则可以使用发射分集。可用的发射分集的多种传输方案包括：(1)S.M.Alamouti在题为“A SimpleTransmit Diversity Technique for Wireless Communications(一种用于无线通信的简单发射分集技术)”(IEEE JSAC 1998年10月)的论文中描述的“空间-时间分集”方案和(2)B.Raghothaman等于2000年第34届Asilomar Conference on Signals，Systems and Computers(Asilomar信号、系统和计算机会议上)发表的题为“Performance ofClosed Loop Transmit Diversity with Feedback Delay(带反馈延迟的闭环发射分集性能)”的论文中描述的“延迟分集”方案。通过使用N_T个发射天线(以及N_R个接收天线)发射单一符号流来实现该符号流的分集。

为了获得高性能，将MIMO-OFDM系统设计为能够支持一种或多种空间复用传输方案和一种或多种发射分集传输方案。对于这样的MIMO-OFDM系统，在任何给定时间段中，可依据信道状况和预期结果(如更高的吞吐量或更高的可靠性)，选择一项具体的传输方案。然而，传统的空间复用传输方案与传统发射分集方案非常不同。因此，如果要求系统中的发射机和接收机能够支持设计上迥异的空间复用和发射分集的多种发射方案，那么这将会大大增加该发射机和接收机的复杂性。

因而，在现有技术中需要一种能够“完美地”同时支持多载波MIMO系统(如MIMO-OFDM系统)的空间复用和发射分集的传输方案。

发明内容

本发明提出了一种能够同时支持多载波MIMO系统的空间复用和发射分集的功率自适应环(PAC：Power Adaptive Circular)传输方案。PAC传输方案拥有许多理想的特性，包括能够：(1)发射可变数目的多个符号流，因此适用于速率自适应系统中；(2)为每个发射符号流提供发射分集；(3)支持在接收机端(下文描述)应用编码干扰估计技术，而不会造成任何内在的低效率；(4)允许将每个发射天线可用的全部功率用于数据传输，而不必考虑发射符号流的个数，这样功率利用率高；和(5)可运行在低信噪比和高信噪比的环境中。

在一个实施例中，提供了一种多载波MIMO系统中发射符号流的方法。依照此方法，接收至少一个符号流，以便从多个天线且在多个子波段上发射。对该至少一个符号流进行复用，以满足：(1)每个流中的符号都从多个天线发射出去(比如：以横跨各个子波段和天线的对角线方式)；和(2)该至少一个符号流在同一子波段内开始发射。对应于每一个天线产生一个复用符号流，并对其进一步进行处理，然和以该天线可用的全部功率发射该复用符号流。

下文将进一步详细描述本发明的各个不同方面和诸多实施例。

附图简述

根据以下结合附图所给出的详细描述，本发明的特征、性质和优点将会更显而易见，且附图中相同的附图标记在各图中彼此相应，其中：

图1是连续干扰消除(SIC)接收机处理技术的流程图；

图2A示出基于“垂直”传输方案的一种符号发射方式；

图2B和2C示出基于“对角线”传输方案的两种符号传输方式；

图3A至3D示出基于PAC传输方案的四种符号传输方式；

图4是发射机系统和接收机系统方框图；

图5是发射机系统内发射单元方框图；和

图6是实现了SIC技术的接收机系统内RX空间/数据处理器的方框图。

发明详述

这里提出了一种用于多载波MIMO系统的支持空间复用和发射分集的传输方案。该传输方案可以用于采用多载波传输数据的多种类型的多载波MIMO系统中。清楚起见，这里所描述的该传输方案专门针对MIMO-OFDM系统。

对于MIMO-OFDM系统而言，对应于N_F个子波段中的每一个子波段，由N_T个发射天线和N_R个接收天线形成MIMO信道，且该MIMO信道可以分解为N_S个独立信道，其中N_S≤min{N_T，N_R}。每个子波段的独立信道个数由用于该子波段的MIMO信道的本征模式数量确定，该数目进而依赖于描述该子波段上N_T个发射天线与N_R个接收天线间响应的信道响应矩阵 H(k)。为了简单起见，下面的描述假定：N_T≤N_R，信道响应矩阵 H(k)为满秩(即N_S＝N_T≤N_R)，且所有N_F个子波段均用于数据传输(即没有保护子波段)。在这些假定条件下，每个符号周期内，在N_F个子波段上从N_T个发射天线并行发射N_TN_F个符号。

MIMO-OFDM系统模型可以表达为：

y(k)＝ H(k)x(k)+ n(k)  其中k∈K                   公式(1)

其中 x(k)为{N_T×1}“发射”向量，具有N_T个项(entry)，其对应于在子波段k上从N_T个发射天线发射的N_T个符号；

y(k)为{N_R×1}“接收”向量，具有N_R个项，其对应于在子波段k上从N_R个接收天线接收的N_R个符号；

H(k)为在子波段k上的{N_R×N_T}信道响应矩阵；

n(k)为加性高斯白噪声(AWGN)向量；且

K为用于数据传输的子波段集合(比如：K＝{1...N_F})。

假定向量 n(k)的均值为零，协方差矩阵 Λ _n＝σ² I，其中 I为对角线上值为1而其它值均为零的单位矩阵，σ²为噪声的方差。

由于传播环境中的散射，从N_T个发射天线发射的N_T个符号流在接收机处互相干扰。从一给定发射天线发射的一个符号流可被N_R个接收天线以不同的幅度和相位接收到。每个接收到的信号可能包括N_T个发射符号流中的每一个符号流的成份。接收到的N_R个信号将总体上包括分散在该N_R个接收信号中的所有N_T个发射符号流。

在接收机端，可用采用不同的处理技术来处理N_R个接收信号，以便检测出N_T个发射符号流。这些接收机处理技术可以分为两大类：

●空间和空-时接收机处理技术，也称为均衡技术；和

●连续置零/均衡和干扰消除接收机处理技术，也称为“连续干扰消除”(SIC)技术。

通常，在接收机端采用均衡技术可分离各个发射的符号流。每个发射符号流可用通过以下方法进行“检测”：(1)基于信道响应的估计，将包括在N_R个接收信号中的此发射符号流的不同成份合并。并且(2)消除由其它发射符号流引起的干扰。均衡技术能够：(1)去除各发射符号流的相关性，从而使得来自其它发射符号流的干扰被消除，或者(2)在存在噪声和来自其它符号流的干扰的情况下，使每个检测符号流的SNR最大化。每个检测符号流是相应的发射符号流的估计值，并且对该检测符号流进行进一步处理(比如：解调、去交织和解码)以恢复该符号流的数据。

SIC技术处理N_R个接收符号流，以连续地一次恢复一个发射符号流。在每个发射符号流被恢复之后，估计该符号流对剩余未恢复的符号流的干扰，并将该干扰从该接收符号流中消除。然后处理“修正”符号流，以恢复另一发射符号流。如果由每个恢复符号流引起的干扰都能被准确地估计出来并加以消除，这需要对该符号流进行无误或者低错误率的恢复，那么随后恢复出的符号流将会经受较少的干扰，并能够达到较高的SNR。一般SIC技术胜过均衡技术。

为简单起见，下面对SIC技术的描述假定从每个发射天线发射一个符号流。而且，描述中采用了下述术语(也参见图6)：

●“发射”符号流-从N_T个发射天线发射的符号流；

●“接收”符号流-对SIC接收机第一级中的空间处理器的输入；

●“修正”符号流-对SIC接收机的每个后续级中的空间处理器的输入；

●“检测”符号流-来自每级中空间处理器的输出(第λ级最多可以检测到N_T-λ+1个符号流)；和

●“恢复”符号流-在接收机处译码的符号流(每一级仅恢复一个检测符号流)。

图1示出采用SIC技术对N_R个接收符号流进行操作以恢复N_T个发射符号流的程序100的流程图。对于第一级(λ＝1)，接收机对N_R个接收符号流进行均衡，以试图分离N_T个发射符号流(步骤112)。可以基于线性滤波器进行均衡，该滤波器可以实现为迫零(ZF)滤波器、最小均方误差(MMSE)滤波器、或者一些其它类型的线性滤波器。ZF滤波器也称为信道相关矩阵倒置(CCMI：Channel CorrelationMatrix Inversion)滤波器。或者，也可以基于非线性滤波器进行均衡，该滤波器可以实现为MMSE线性均衡器(MMSE-LE)、判决反馈均衡器(DFE)、或者一些其它类型非线性滤波器。ZF和MMSE滤波器，MMSE-LE和DFE在题为“Multiple-Access Multiple-InputMultiple-Output Communication System(多址多输入多输出通信系统)”且于2001年11月6日提交的序列号为09/993087的美国专利申请中有详细描述，此专利转让给本申请的受让人，并且并入此处作为参考。该均衡是对N_F个子波段的每个子波段独立进行的。

对于第一级，均衡可以提供N_T个发射符号流的估计值，即N_T个检测符号流。然后，选择其中一个检测符号流以进行恢复(步骤114)。如果事先已知待恢复的发射符号流的特性(identity)，那么进行均衡可仅获得所需的检测符号流。任何情况下，对所选择的检测符号流进行进一步的处理，可获得译码数据，该译码数据是刚恢复出的该符号流的发射数据的估计值(步骤116)。

接着，判断是否已经恢复出所有发射符号流(步骤118)。如果判断结果为是，那么接收机处理结束。否则，使用特殊的干扰估计技术来估计由刚恢复出的符号流对N_R个接收符号流中的每一个符号流的干扰(步骤120)。

对未编码的干扰估计技术，可以通过将所选择的检测符号流与信道响应向量集合 h _j(k)(其中k∈K)进行卷积，来估计由刚恢复出的符号流引起的干扰，以获得由刚恢复出的符号流引起的N_R个干扰成份。在每个子波段的基础上进行卷积运算，从而将第k个子波段的检测符号与该子波段的向量 h _j(k)进行卷积。向量 h _j(k)为信道响应矩阵 H(k)的第j列，且对应用于发射此检测符号的第j个发射天线。向量 h _j(k)包括第k个子波段上第j个发射天线和N_R个接收天线之间信道响应的N_R个元素。

对编码的干扰估计技术，由刚恢复出的符号流引起的干扰，可以通过首先对该译码数据进行再编码，接着对该再编码的数据进行交织，并对该交织的数据进行符号映射(采用与此符号流的发射机单元相同的编码、交织和调制方案)来进行估计。该结果为“再调”符号流，它是刚恢复出的发射符号流的更准确的估计值。然后，使再调符号流与信道响应集合向量 h _j(k)(其中k∈K)进行卷积，以获得由刚恢复出的符号流引起的N_R个干扰成份。

无论如何，随后，将N_R个干扰成份从N_R个接收符号流中减去，以获得N_R个修正符号流(步骤122)。假设干扰消除非常有效，这些修正符号流代表在刚恢复出的符号流未被传输的条件下应当接收到的流。

对N_R个修正符号流重复执行步骤112至116，以恢复另外一个发射符号流。如果还有另外一个待恢复的发射符号流，那么执行步骤120至122。该程序将继续执行直到恢复出所有发射符号流。对于每个后续级，本级的输入符号流为来自前一级的N_R个修正符号流。

在上述序列号为09/993087的美国专利申请中，以及2002年3月1日提交的题为“Data Transmission with Non-Uniform Distributionof Data Rates for a Multiple-Input Multiple-Output(MIMO)System(多输入多输出系统中数据速率非一致分布数据传输)”、序列号为10/087503的美国专利申请中详细描述了SIC技术，后一专利转让给本申请的受让人，且并入此处作为参考。

可用采用各种不同的传输方案在N_T个发射天线的N_F个子波段上发射符号。每种传输方案为发射符号流提供不同的性能。简单起见，下面的描述假定使用4个发射天线(即：N_T＝4)、16个子波段(即：N_F＝16)进行数据传输。

图2A为“垂直”传输方案，其中从每个发射天线发射一个符号流。该方案也称为“水平”传输方案，因为每个码字在每个天线的各个子波段上水平扩展。在图2A中，x_m，n代表第m个符号流中的第n个符号。对垂直传输方案而言，每个符号流中的各个符号均在相关联的发射天线的N_F个子波段上发射。特别地，第一个符号流{x₁}的符号在发射天线1的N_F个子波段上顺序发射，第二个符号流{x₂}的符号在发射天线2的N_F个子波段上顺序发射，以此类推。该四个符号流从四个发射天线并行发射。

在接收机端，这四个发射符号流可通过采用图1描述的SIC技术进行恢复。为了恢复第一个发射符号流，对N_R个接收符号流进行均衡，以提供四个检测符号流。然后恢复出一个检测符号流。对由刚恢复出的符号流引起的干扰进行估计，并从N_R个接收符号流中减去该干扰的估计值，从而对N_R个修正符号流进行进一步处理以恢复下一个发射符号流。

对于垂直传输方案而言，由每个符号流取得的性能依赖于恢复各个符号流的顺序。第一个恢复出的符号流受到来自其它三个符号流的干扰，其分集阶数为(N_R-N_T+1)。如果能够准确估计出第一个恢复出的符号流引起的干扰并将其消除，那么第二个恢复出的符号流仅仅受到来自两个符号流(不是第一个恢复出的符号流，因为其干扰已经被消除了)，且其分集阶数为(N_R-N_T+2)。这样，每个后续恢复出的符号流经受的干扰将会不断减少，并可达到较高的SNR。也可以看出，每个后来恢复出的符号流的分集阶数是递增的。

垂直传输方案有一个主要缺点——缺少发射分集。如图2A所示，每个符号流仅从一个发射天线发射。在衰落环境中这是非常不理想的。

图2B为“对角线”传输方案，其中每个符号流以对角线方式从所有N_T个发射天线发射出去。通常地，对角线传输方案以所有符号流获得类似的平均性能的方式发射N_T个符号流。这要求在每帧的帧起始部分(三角212)和帧末尾部分(三角214)填充多个零。与一帧对应的一组符号将在一个符号周期内在所有N_T个发射天线的所有N_F个子波段上发射。

如图2B所示，对第一个符号流{x₁}，符号x_1，1在发射天线1的子波段1上发射，符号x_1，2在天线2的子波段2上发射，符号x_1，3在天线3的子波段3上发射，符号x_1，4在天线4的子波段4上发射，符号x_1，5在天线1的子波段5上发射(绕转回来(wrap around))，以此类推。如图2B所示，以类似方式对角地将其它三个符号流发射出去。

在接收机端，可采用SIC技术恢复这四个发射符号流。为了恢复第一个发射符号流{x₁}，对子波段1的N_R个接收符号流进行均衡以获得一个检测符号 该检测符号为子波段1上发射的符号x_1，1的估计值。因为该检测符号

是该子波段上唯一发射的符号，因而该检测符号获得最大分集阶数N_R。接着，对子波段2的N_R个接收符号流进行均衡以获得一个检测符号

该检测符号为该子波段上发射的符号x_1，2的估计值。符号x_2，1为在检测到x_1，2时除去的干扰。检测符号 获得分集阶数N_R-1。接着，对子波段3进行均衡以获取检测符号 该检测符号为该子波段上发射的符号x_1，3的估计值。符号x_2，2和x_3，1为在检测到符号x_1，3时除去的干扰。符号 获得分集阶数N_R-2。对子波段4的均衡可提供检测符号 该检测符号为符号x_1，4的估计值，并且获得分集阶数N_R-3。

为恢复第二个发射符号流{x₂}，估计由检测符号

引起的干扰，并将其从子波段2的N_R个接收符号中消除。接着对子波段2的N_R个修正符号进行均衡以提供一个检测符号 (因为符号

已被消除)，它是第二个符号流在子波段2上发射的符号x_2，1的估计值。因此，检测符号 获得分集阶数N_R，该分集阶数与第一个符号流的检测符号的分级阶数相同。类似地，对由检测符号

引起的干扰进行估计，并将其从子波段3的N_R个接收符号中消除。接着，对子波段3的N_R个修正符号进行均衡以获得两个检测符号

和

(因为符号

已被消除)。这样，检测符号 获得分集阶数N_R-1，这与第一个符号流的检测符号 的分集阶数相同。类似的，获得子波段4和5上第二个符号流的检测符号

和

其分别获得分集阶数N_R-2和N_R-3。

从上面对角线传输方案的描述，通过在每帧的帧起始部分和帧末尾部分填充0，每个符号流的分集阶数在N_R，N_R-1，N_R-2和N_R-3间循环、然后再次回到N_R，等等。该对角线传输方案提供两个主要优点：(1)所有发射符号流有相似的平均性能，和(2)经由从所有N_T个发射天线的发射实现每个符号流的发射分集。

然而，对角线传输方案有一个主要的缺点——为了获得此方案所能提供的性能，而在每帧的帧起始部分和帧末尾部分填充零，从而导致效率低。如下描述，如果采用编码干扰估计技术将会导致低效率进一步恶化。

为了使用SIC技术来提供理想性能，假定能够准确地估计由每个恢复出的符号流引起的干扰，并可将其从接收符号流中消除。该干扰估计的准确性依赖于正确检测/恢复每个符号流的能力。通常地，垂直传输方案和对角线传输方案中都可采用未编码干扰估计技术。

对于未编码干扰估计技术，基于检测符号得到干扰估计，这些检测符号一般由于无线信道中的噪声和其它影响(artifact)而导致失真。检测符号中的错误直接导致该干扰估计中的错误，这将作为后续恢复出的每个符号流的加性噪声。这种现象称为错误传播(EP：ErrorPropagation)。如果错误传播足够严重，那么SIC技术将会完全失效。

编码干扰估计技术使用信道编码的纠错能力限制错误传播。基于信道编码对每个恢复出的符号进行译码以提供译码数据，由于译码过程能够纠正错误(达到极限)，译码数据一般为发射数据的准确估计值。接着，对译码数据进行再次编码和符号映射以提供对该发射符号更为准确的估计，该估计值继而被用于进行干扰估计。一般对数据块进行编码和译码。每个数据块经常称为一个码字。信道编码的应用可降低错误传播的恶化效应，但却导致对角线传输方案的低效率，如下所述。

图2C为采用对角线传输方案的符号传输，并且以允许接收机端采用编码干扰估计技术的方式传输。简单起见，下面的描述中，一个码字横跨8个符号。每个码字仅能够横跨这些发射天线的一个对角线，并且出于下面描述的原因不能绕转回来。

对于第一个符号流的第一个码字，符号x_1，1和x_1，2分别在发射天线1的子波段1和2上发射，符号x_1，3和x_1，4分别在发射天线2的子波段3和4上发射，符号x_1，5和x_1，6分别在发射天线3的子波段5和6上发射，符号x_1，7和x_1，8分别在发射天线4的子波段7和8上发射。如图2B所示，对于其它三个符号流的每个符号流而言，每个码字的符号在沿着发射天线1、2、3和4上的各自两个子波段的对角波段上发射。为了简单起见，尽管在图2C中没有示出，另外一个码字可在图2B所示最后一个对角波段后的对角波段上发射。

在接收机端，可采用SIC技术来恢复该四个发射符号流。具体地，为了恢复第一个发射符号流的第一个码字，对子波段1和子波段2的每个子波段的N_R个接收符号流进行均衡，以获得两个检测符号 和

这两个检测符号获得最大分集阶数N_R。接着，对子波段3和4的每个子波段的N_R个接收符号进行均衡，以获得这些子波段的两对检测符号(

和

)以及(

和

)。检测符号

和 分集阶数均为N_R-1。对子波段5和6的每个子波段进行均衡，可提供两个检测符号

和

其分集阶数均为N_R-2。对子波段7和8的每个子波段进行均衡，可提供两个检测符号 和

其分集阶数均为N_R-3。现在可以恢复出与第一个符号流中第一个码字对应的八个检测符号

至

为了恢复第二个发射符号流的第一个码字，对由检测符号

和引起的干扰进行估计，并分别将其从子波段3和4的N_R个接收符号中消除。接着，对子波段3和4的每个子波段的N_R个修正符号进行均衡，以提供检测符号 和

(因为符号 和

已经被消除)。对第二个符号流的处理与上面的描述方法类似。

可以从图2C看出，每个码字需要从一个对角线发射且不能绕转回来。这是因为绕转回来的符号不允许不同的流达到相等的分集阶数。如图2C所示，需要在每帧起始部分填充零，填充零的个数取决于码字的长度。通常最好使用较长的码字，因为一般长码字效率更高且可以提供更好的编码性能。然而，更长码字也需要为每帧填充更多的零，这会导致更为严重的低效率。

根据码字长度、子波段个数和其它因素，可以表明为了支持在接收机端使用编码干扰估计技术而由于填充零而导致开销非常大(比如：高达50％)。这样大的开销大大抵销了对角线传输方案的优点，并且不能实际应用在一些MIMO-OFDM系统中。

这里提出了一种能够支持空间复用和发射分集的功率自适应环(PAC)的传输方案。如下所述，PAC传输方案提供了垂直和对角线传输方案的许多关键优点，而且进一步支持接收机端使用编码干扰估计技术，而不会有填充零导致的内在的效率问题。

图3A为空间复用模式的PAC传输方案，其中以对角线方式从所有N_T个发射天线发射N_T个符号流。对于第一个符号流{x₁}，首先四个符号x_1，1，x_1，2，x_1，3和x_1，4分别在发射天线1，2，3和4的子波段1，2，3，4上发射。接着的四个符号x_1，5，x_1，6，x_1，7和x_1，8绕转回来，分别在发射天线1，2，3和4的子波段5，6，7，8上发射。对于第二个符号流{x₂}，首先四个符号x_2，1，x_2，2，x_2，3和x_2，4分别在发射天线2，3，4，和1的子波段1，2，3和4上发射。接着的四个符号x_2，5，x_2，6，x_2，7和x_2，8绕转回来，并分别在发射天线2，3，4和1的子波段5，6，7，8上发射。类似的，其它两个符号流的每个符号流在N_T个发射天线上发射，且根据需要符号流可多次绕转回来。如图3A所示，四个符号流在同一子波段(子波段1)开始发射且不必在每帧的起始部分和末尾部分填充零。

在接收机端，可采用SIC技术来恢复这四个发射符号流。可以选择四个符号流中的任何一个符号流用来首先进行恢复。举例来说，按照图2A描述的类似方法，对第一个发射符号流{x₁}进行检测和恢复。由第一个符号流引起的干扰可利用编码干扰估计技术进行估计，并将其从N_R个接收符号流中减掉。接着，处理N_R个修正符号流以恢复随后的发射符号流。

一般而言，四个发射符号流可以按照任何顺序加以恢复。举例来说，可首先恢复第一个符号流，接着恢复第二个符号流，然后恢复第三个符号流，最后恢复第四个符号流。也可以按照其它顺序恢复这些符号流。

对于PAC传输方案，每个符号流达到的性能取决于该符号流被恢复的顺序，这与垂直传输方案相类似。首先恢复出的符号流受到来自其它三个符号流干扰，且拥有的分集阶数为(N_R-N_T+1)。第二个发射符号流受到来自其它两个符号流的干扰，且拥有的分集阶数为(N_R-N_T+2)。每个后续恢复出的符号流受到的干扰将不断减少，并能够达到较高的SNR。

四个发射符号流的每个符号流均可使用相同量的发射功率。可将每个发射天线可用的全部功率P_ant在四个符号流之间进行分配，从而使得每个符号流从每个发射天线接收P_ant/4功率且从所有四个发射天线接收P_ant功率。这样，四个符号流可采用不同速率，其中可部分基于符号流恢复顺序来确定此速率。在前述的序列号为10/087503的美国专利申请和2002年6月20日提交的序列号为10/176567、题为“RateControl for Multi-Channel Communication Systems(多信道通信系统速率控制)”的美国专利申请中描述了各个符号流使用不同速率的情况，后一专利已转让给本发明的受让人，且将其内容并入此处作为参考。

或者，四个发射符号流可采用不同量的发射功率。举例来说，将发射功率P₁至P₄分配给四个符号流，选择功率以满足在接收机端四个检测符号流达到近似相同的SNR。这样可允许所有发射符号流使用相同的速率。为使各个符号流达到相同的SNR而确定发射功率的方法在上述序列号为10/087503的美国专利申请中亦有描述。

通常地，将垂直传输方案和对角线传输方案均设计成使得发射固定速率的符号流(即，所有符号流具有相同的速率)。而且，对正常系统操作而言，这两种传输方案需要较高的SNR。这是因为这些传输方案意图与非编码干扰估计技术一起使用，这要求较高的SNR以限制错误传播的恶化效应。

PAC传输方案非常适于速率自适应MIMO系统，且支持从1到N_T个可变数目的符号流传输。在一定条件下，也期望传输少于N_T个符号流(比如：对于某些信道状况和/或为了获得更高的可靠性)。

图3B示出采用PAC传输方案以对角线方式从所有四个发射天线发射三个符号流的情况。三个符号流{x₁}、{x₂}和{x₃}按照上述图3A描述的方法发射。在曾经用于发射第四个符号流的子波段/天线上发射零信号值。如图3B所示，三个符号流在同一子波段(子波段1)内开始发射，且在这些符号流的帧起始部分或帧末尾部分不必填充零。为充分利用每个天线可用的全功率P_ant，这三个符号流的每个符号流的发射功率可4/3倍于图3A中四个符号流中每个符号流所用的发射功率。

图3C显示采用PAC传输方案以对角线方式从所有四个发射天线发射两个符号流的情况。按照上述图3A描述的方法发射两个符号流{x₁}和{x₂}。在曾经发射第三个和第四个符号流的子波段/天线上发射零信号值。如图3C所示，两个符号流在同一子波段(子波段1)开始发射，且这些符号流的帧起始部分或帧末尾部分不必填充零。再者，为充分利用每个天线可用的全部功率P_ant，这两个符号流中的每个符号流的发射功率可2倍于图3A中四个符号流中每个符号流所使用的发射功率。

图3D显示采用PAC传输方案以对角线方式从所有四个发射天线发射单个符号流的情况。按照上述图3A描述的方法发射符号流{x₁}。在曾经用于发射第二个、第三个和第四个符号流的子波段/天线上发射零信号值。四个发射天线的全部可用功率可全部用于此单个符号流，其功率可4倍于图3A中四个符号流中每个符号流的发射功率。

图3A至3D示出以对角线方式在所有N_T个发射天线和N_F个子波段上发射符号流的情况。也可使用一些其它复用模式(代替对角线模式)在各个发射天线上发射该符号流，并且这些方式也包含在本发明的范围中。PAC传输方案拥有下列关键特性：

●在保持关键特性同时能够发射可变数目的符号流(从1个到N_T)，从而适用于速率自适应系统中；

●为每个发射符号流提供发射分集；

●在接收机端支持使用编码干扰估计技术，而不会导致内在的低效率(不必填充零)。

●允许将每个发射天线可用的全部功率用于发射而不考虑发射符号流的个数，因此功率效率高；且

●可以工作在低SNR和高SNR环境中。

下面具体描述上述每个特性。

如图3A至3D所示，PAC传输方案能完美地支持空间复用(发射多个符号流)和发射分集(发射单个符号流)。由于PAC传输方案的基本结构不随发射符号流数目的变化而变化，因而发射机端和接收机端地处理过程本质上是相同的，而不用考虑发射符号流的个数。为了发射更多符号流可能需要SIC接收机的附加级(或者由硬件执行的附加迭代运算)，但是基本的处理在本质上是相同的。使用支持空间复用和发射分集的PAC传输方案可简化发射机和接收机的处理过程。

PAC传输方案为每个发射符号流提供发射分集。如图3A至3D所示，不管发射符号流的个数，每个符号流可从所有N_T个发射天线发射出去。而且，为了获得频率分集，每个符号流也可在所有N_F个子波段上发射。

PAC传输方案支持接收机端使用编码干扰估计技术而不会招致填充零带来的低效率。如图3A所示，无需在帧起始部分或帧末尾部分填充零，就可从四个发射天线发射四个符号流。而且，对码字长度或每个码字的发射没有具体的要求，这正如图2C所示的对角线传输方案。对于PAC传输方案，每个码字可根据需要多次绕转回来，并甚至可跨越多个帧。码字的长度可能影响发射机和接收机端的内存和处理要求，但是不会影响符号传输的效率。

PAC传输方案的功率效率高，且允许将每个发射天线可用的全部功率用于数据传输，而不必考虑发射符号流的个数。如果信道恶化且仅支持少于N_T个符号流，那么每个发射天线可用的全部功率可在这些较少数目的符号流间重新分配。比如：如图3B所示，如果只发射三个符号流，那么每个符号流的发射功率可能增加4/3倍的因子，从P_ant到4P_ant/3。若如图3D所示仅发射一个符号流，那么所有发射天线可用的所有功率将用于发射此单个符号流。使用全部功率发射符号可导致在接收机端达到较高的SNR，这能够提高可靠性和/或者支持较高速率。

当发射少于N_T个符号流时，发射功率的重新分配不会影响功率谱密度(PSD)。这是因为不论发射符号流的个数如何，所有发射天线的每个子波段的总功率保持不变。举例说，倘若如图3B所示发射3个符号流，那么从三个发射天线的每个子波段上发射三个符号。因此，尽管这三个符号流以4/3倍的图3A所示发射功率发射，但是所有四个发射天线的每个子波段的总功率保持与图3A相同。如果系统运行在一个每MHz受限和总功率受限的频带中，那么此特性是重要的。

PAC传输方案也适合使用在低SNR和高SNR环境中。这一点部分取决于其能够根据信道状况发射不同数目符号流的能力。而且，使用编码干扰估计技术可允许系统运行在低SNR环境中(在传统的使用未编码干扰估计技术的垂直和对角线传输方案中是不可能的)。

图4所示为MIMO-OFDM系统400中发射机系统410和接收机系统450的实施例框图。发射机系统410中，由数据源412提供一个或多个数据流，该数据流由发射(TX)数据处理器414编码，并由调制器420进行调制，从而提供调制符号。每个流的数据速率、编码和调制根据由控制器430提供的控制而确定。接着对所有流的调制符号和导频符号进行复用，且进一步对其进行处理以提供N_T个OFDM符号流。这N_T个OFDM符号流经N_T个发射机(TMTR)422a至422t进一步处理得到N_T个RF调制信号，这些调制信号从N_T个天线424a至424t发射出去。

在接收机系统450中，N_T个发射信号被N_R个天线452a至452t接收。每个接收机(RCVR)454处理从相关天线452接收的信号，以提供一个相应的接收符号流。接着，接收(RX)空间/数据处理器460处理从N_R个接收机454接收的N_R个符号流，以提供N_T个检测符号流，并进一步处理每个检测符号流以从流中获得译码数据。

RX空间/数据处理器460也可得到用于数据传输的每个子波段的N_T个发射天线和N_R个接收天线间的信道响应的估计值(比如基于导频符号)。信道响应的估计值可以用于在接收机中执行均衡。RX空间/数据处理器460也可以进一步估计检测符号流的SNR。控制器470可提供关于MIMO信道和/或接收符号流(比如接收的SNR或符号流速率)的信道状态信息(CSI：Channel State Information)。随后，TX数据处理器478处理CSI，调制器480对该CSI进行调制，发射机454a至454t对其进行调节，并将信息发送回发射机系统410。

发射机系统410中，来自接收机系统450的调制信号被天线424接收，接收机422对其进行调节，并由解调器440进行解调，且由RX数据处理器442进行处理以恢复由接收机系统发送的CSI。接着，将CSI提供给控制器430，并可用于：(1)确定发射符号流的个数，(2)确定每个符号流的速率、编码和调制方案，以及(3)生成用于TX数据处理器414和调制器420的不同控制。

控制器430和470分别指导发射机和接收机的运行。内存单元432和472分别存储控制器430和470的程序代码及所用数据。

图5为发射机单元500的方框图，它是图4所示发射机系统410的发射机部分的实施例。在此实施例中，TX数据处理器414a包括解复用器510、N_T个编码器512a至512t和N_T个信道交织器514a至514t(即，每个流对应一套编码器和信道交织器)。解复用器510将数据解复用为N_D个数据流，其中N_D可为1至N_T的任意整数。每个数据流由各自的编码器512进行编码、各自的交织器514进行交织。接着将N_D个编码数据流提供给调制器420a。

在此实施例中，调制器420a包括N_T个符号映射元件522a至522t、一个复用器/解复用器(Mux/Demux)524和N_T个OFDM调制器。每个OFDM调制器包括快速傅立叶逆变换(IFFT：Inverse Fast FourierTransform)单元526、循环前缀生成器528。N_D个编码数据流中的每一个都由各自的符号映射元件522进行符号映射，以提供各自的调制符号流，也被称为发射符号流。Mux/Demux 524对N_D个流的调制符号进行复用并在适当的子波段和发射天线上将其发射出去。举例来说，可如图3A至3D所示进行复用，或者按照其它一些方案进行复用。Mux/Demux 524提供N_T个复用符号流给N_T个OFDM调制器。

每个OFDM调制器中，对于每个符号周期，IFFT单元528对N_F个子波段的N_F个符号进行转换，以获得包括N_F个抽样的对应时域“转换”符号。为对抗频率选择性衰落，循环前缀生成器528重复每个转换符号的一部分以获得相应的OFDM符号。为每个发射天线形成一个OFDM符号流，而且由相关的发射机422对其进行进一步处理，得到一个RF调制信号。生成N_T个RF调制信号且从N_T个发射天线并行发射。

图6为实现了SIC技术的RX空间/数据处理器460a的方框图，也是图4中RX空间/数据处理器460的一个实施例。RX空间/数据处理器460a包括多个连续(即，级联)的接收机处理级610a至610t，每一级用于每个待恢复的发射符号流。每个接收机处理级610(除了最后一级610t)包括一个空间处理器620、一个RX数据处理器630和一个干扰消除器640。最后一级610t仅包括空间处理器620t和RX数据处理器630t。

对于第一级610a，空间处理器620a对N_R个接收符号流进行均衡(标记为向量 y ¹)以提供多达N_T个的检测符号流，这些检测符号流为发射符号流的估计值。空间处理器620a执行由Mux/Demux 524进行的子波段/天线复用的相反处理。一个检测符号流 被选择用于对其进行恢复，RX数据处理器630a处理这个检测符号流以获得这个流的译码数据。空间处理器620a可进一步提供该信道响应的估计值，该信道响应估计值被用于执行所有级的均衡。

对于第一级610a，干扰消除器640a接收并处理(比如编码、交织和符号映射)刚恢复出的符号流的译码数据，以获得再调符号流 该符号流经进一步处理获得由刚恢复出的符号流引起的干扰成份。将这些干扰成份从第一级输入符号流 y ¹中减去，从而获得N_R个修正符号流(标记为向量 y ²)，然后将其提供给下一级。

对于从第二级610b至最后一级610t的每级而言，本级的空间处理器接收并处理来自前一级干扰消除器的N_R个修正符号流，以获得本级的一个或者多个检测符号流。对于每级而言，选择一个检测符号流，并由RX数据处理器对其进行处理，以获得该流的译码数据。对于从第二级至倒数第二级的每级而言，本级的干扰消除器接收来自前一级干扰消除器的N_R个修正符号流和同级RX数据处理器的译码数据，得到由本级恢复出的符号流引起的干扰成份，且为下一级提供N_R个修正符号流。

尽管SIC技术可提供改善的性能，PAC传输方案也可以和不使用SIC技术的接收机(即没有干扰消除)一起使用。

这里描述的PAC传输方案可以多种方式在发射机和接收机端实现。例如，PAC传输方案的处理过程可以通过硬件、软件或者软硬件相结合的方式实现。对硬件实现来说，发射机和接收机的处理单元可以用一块或多块专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、其它设计用来实现本文描述功能的电子单元或者这些器件的组合来实现。

对于软件实现而言，PAC传输方案的处理过程可用执行本文描述功能的模块(比如程序、函数、等等)实现。软件代码可以存储在内存单元中(比如：图4中的内存单元432和472)，并由处理器(比如控制器430和470)执行该软件代码。每个内存单元可以在处理器内部或者外部实现，这种情况下可采用现有技术中公知的各种方法将其耦合到处理器中。

以上提供了对所揭示的实施例的描述，以便使得任何本领域技术人员都可以做出或使用本发明。在不脱离本发明宗旨或范围的基础上做出的对这些实施例的各种变型，对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，本发明并不仅限于这里所揭示的各个实施例，而是将与这里揭示的原理和新特征相一致的最大范围赋予本发明。

Claims (25)

1、一种多载波多输入多输出(MIMO)通信系统中发射符号的处理方法，包括：

接收至少一个符号流，该至少一个符号流用于在多个子波段上从多个天线发射出去；

对该至少一个符号流进行复用，从而使得该至少一个流中的每一个流的符号从该多个天线发射出去，并且使得该至少一个流均在同一子波段内开始发射；以及

为该多个天线中的每个天线形成一个复用的符号流。

2、如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个流中的每一个流的符号以对角线方式在所述多个子波段和所述多个天线上发射。

3、如权利要求1所述的方法，其中对N_T个符号流进行复用以形成对应于N_T个天线的N_T个复用符号流，其中N_T为大于1整数。

4、如权利要求1所述的方法，其中对一个符号流进行复用以形成对应于N_T个天线的N_T个复用符号流，其中N_T为大于1整数。

5、如权利要求1所述的方法，其中对N_D个符号流进行复用以形成对应于N_T个天线的N_T个符号流，其中N_T为大于1整数并且N_D是小于或等于N_T的整数。

6、如权利要求1所述的方法，其中将对应于每个天线的所述复用符号流以该天线可用的全部功率发射出去。

7、如权利要求1所述的方法，其中将所述至少一个流中的每一个流以所述多个天线中的一个天线的全部功率的N_T/N_D倍发射出去，其中N_D是符号流个数，N_T是天线个数。

8、如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个符号流中的每一个流使用相同量的发射功率。

9、如权利要求1所述的方法，其中所述多个子波段中的每一个子波段在所述多个天线上使用相同的总功率。

10、如权利要求1所述的方法，其中基于信道状况发射可变个数的多个符号流。

11、如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个流的每一个流与一个速率相关联，该速率是至少部分基于该流的接收信号质量来确定的。

12、如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个符号流中的每一个流与一个速率相关联，该速率是至少部分基于在接收机端恢复所述至少一个流的顺序而确定。

13、如权利要求1所述的方法，其中在所述至少一个流中的流的一个码字在所述多个天线间绕转。

14、一种多载波多输入多输出(MIMO)通信系统中发射符号的方法，包括：

接收至少一个符号流，该至少一个符号流用于在多个子波段上从多个天线发射出去；

对所述至少一个符号流进行复用，从而使得所述至少一个符号流中的每一个流以对角线方式在所述多个子波段和多个天线上发射，并且使得所述至少一个流在同一子波段内开始发射；

为所述多个天线中的每一个天线形成一个复用符号流；以及

以每个天线可用的全部功率发射对应于该天线的所述复用符号流。

15、一种多载波多输入多输出(MIMO)通信系统中的发射机装置包括：

接收装置，用于接收至少一个符号流，该至少一个符号流用于在多个子波段上从多个天线发射出去；

复用装置，用于对所述至少一个符号流进行复用，使得所述至少一个符号流中的每一个流的符号从多个天线发射出去，并且使得所述至少一个符号流在同一子波段内开始发射；和

形成装置，用于为所述多个天线的每一个天线形成一个复用符号流。

16、如权利要求15所述的发射机装置，还包括：

发射装置，用于以每个天线可用的全部功率发射对应于该天线的所述复用符号流。

17、一种多载波多输入多输出(MIMO)通信系统中的发射机单元，包括：

至少一个符号映射元件，用于对数据进行编码，以提供在多个子波段上并从多个天线发射的至少一个符号流；以及

一个复用器，用于对所述至少一个符号流进行复用，从而使得所述至少一个流中的每一个流的符号从该多个天线发射出去，且使得所述至少一个流在同一子波段内开始发射，而且为所述多个天线中的每一个天线形成一个复用符号流。

18、如权利要求17所述的发射机单元，还包括：

与所述多个天线相关联的多个发射机，每个发射机用于以所关联的天线可用的全部功率发射各自的复用符号流。

19、一种多载波多输入多输出(MIMO)通信系统中的接收符号处理方法，包括：

获得对应于多个接收天线的多个接收符号流，其中多个接收符号流中的每一个流包括从相关接收天线的多个子波段上接收的符号，而且其中所述多个接收符号流包括至少一个已复用的发射符号流，该复用操作使得所述至少一个符号流中的每一个流的发射符号从该多个发射天线发射，并且所述至少一个流在同一子波段内开始发射；以及

处理所述多个接收符号流以恢复所述至少一个发射符号流。

20、如权利要求19所述的方法，其中所述处理包括：

对所述多个接收符号流进行均衡，以检测所述至少一个发射符号流；并且

对每个检测到的发射符号流进行恢复。

21、如权利要求19所述的方法，其中所述处理是基于连续干扰消除(SIC)技术的。

22、如权利要求19所述的方法，其中所述处理包括：

对所述多个接收符号流进行均衡，以检测所述至少一个符号流中的第一个发射符号流；

对所述检测到的发射符号流进行恢复；

对由该恢复出的发射符号流引起的干扰进行估计；以及

从所述多个接收符号流中消除所述估计干扰，以获得多个修正符号流；以及

其中，对所述多个修正符号流重复执行所述均衡和恢复步骤，以从所述至少一个流中恢复出第二个发射符号流。

23、如权利要求22所述的方法，其中所述干扰是基于编码干扰估计技术估计出的。

24、如权利要求19所述的方法，还包括：

基于估计出的所述流的接收信号质量来确定所述至少一个流中的每一个流的速率。

25、一种多载波多输入多输出(MIMO)通信系统的接收机装置包括：

用于获得对应于多个接收天线的多个接收符号流的装置，其中所述多个接收符号流中的每一个流包括从相关接收天线的多个子波段上接收的符号，并且其中所述多个接收符号流包括至少一个已复用的发射符号流，该复用操作使得所述至少一个符号流中的每一个流的发射符号从所述多个发射天线发射出去，并且所述至少一个符号流在同一子波段内开始发射；和

用于处理所述多个接收符号流以恢复所述至少一个发射符号流的装置。

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