CN1741437B - 用于在多重输入多重输出系统中反馈天线重组信息的方法 - Google Patents

Abstract

在使用分层空时块编码技术的多重输入多重输出(MIMO)系统中反馈发送信号的组合信息的方法中，与发送信号的组合信息片段相关地计算均方误差值。反馈具有所述均方误差值之中的最小均方误差值的组合的索引。

Description

用于在多重输入多重输出系统中反馈天线重组信息的方法

技术领域

本发明一般涉及一种多重输入多重输出(MIMO)系统，并且，更具体地，涉及一种用于在使用分层空时块编码技术、或双空时发送分集(DSTTD)技术的MIMO系统中反馈天线重组(shuffling)信息的方法。

背景技术

正在用于提供可发送高质量、高速和高容量数据的多媒体服务的无线移动通信系统领域中进行大量研究。无线移动通信系统的无线信道环境与有线信道环境不同，并且实际上接收由于诸如多径干扰、屏蔽、无线电波衰减、以及时变噪声和干扰的各种因素而造成的失真的发送信号。由于多径干扰而造成的衰落与反射对象或用户、以及用户终端的移动性密切关联。在出现由于多径干扰而造成的衰落时，接收到由与干扰信号相混合的真实的发送信号构成的信号。接收信号与原始发送信号相比是严重失真的，导致移动通信系统的整体性能恶化。因为衰落的影响可使接收信号的振幅和相位失真，所以在无线信道环境中，它是干扰高速数据通信的重要因素。为防止衰落影响，目前正在进行大量研究。为高速发送数据，移动通信系统必须根据移动通信信道的特性，而使损耗以及任何逐个用户的干扰最小化。为补偿损耗并克服干扰，已提出了很多种多重输入多重输出(MIMO)技术。

可根据所使用的数据发送方法以及信道信息反馈的存在情况，而将MIMO技术划分为各类技术。

根据数据发送方法，将MIMO技术划分为诸如空间多路复用(SM)和空间分集(SD)技术的类别。SM技术在发送端和接收端使用多个天线，而同时发送不同数据片段，由此，在不增加系统带宽的情况下高速发送数据。SD技术利用多个发送(Tx)天线或发送码元次数，而发送同样的数据，由此得到发送分集。

还根据在接收端中的信道信息反馈的存在情况，而将MIMO技术划分为诸如开环和闭环技术的类别。

闭环技术为奇异值分解(SVD)技术。SVD技术可在理论上得到最优性能，但所具有的缺点在于：由于接收端必须将所有信道值反馈到发送端，所以，计算的数目会增加。

根据数据发送方法，将开环技术划分为诸如空时块编码(STBC)、贝尔实验室分层空时(BLAST)和分层STBC(L-STBC)技术的类别。已提出了STBC技术来支持Tx天线分集功能。然而，当Tx天线的数目增加时，分集增益减小。根据BLAST技术，数据速率很高，但由于分集增益不足而使性能恶化。在BLAST技术中，接收(Rx)天线的数目必须大于或等于Tx天线的数目。为克服STBC和BLAST技术的缺点，已提出了L-STBC技术。L-STBC技术是STBC和BLAST技术的组合，并且，与STBC和BLAST技术相比，提高了分集增益和数据速率，并得到分集增益和多路复用增益两者。

将通过参照图1和2来描述传统的MIMO通信系统的结构。

图1涉及以下文章：N.Prasad和M.Varanasi，标题为“Optimum EfficientlyDecodable Layered Space-Time Block Codes”，Signals，System and Computers，2001.Conference Record of the Thirty-Fifth Asilomar Conference，vol.1，pp.227-231，2001。图2涉及以下文章：E.N.Onggosanusi，A.G.Dabak和T.M.Schmidl，标题为“High Rate Space-Time Block Coded Scheme：Performance andImprovement in Correlated Fading Channels”，WCNC2002-IEEE WirelessCommunications and Networking Conference，vol.3，no.1，March2002，pp.161-166。

图1为图解传统的L-STBC系统的方框图。

参照图1，使用L-STBC技术的发送和接收系统具有开环结构。也就是说，接收端不将信道信息反馈到发送端，并且，发送端不识别信道信息。因而，发送端不根据信道状态而执行自适应调制。由于接收端必须从发送端所发送的信号中依次消除噪声分量，所以，由于频繁的重复而造成复杂度增加。

图2为图解用于反馈加权矩阵的使用双空时发送分集(DSTTD)技术的传统系统的方框图。

参照图2，传统DSTTD系统具有用于将加权矩阵从接收端反馈到发送端的闭环结构。接收加权矩阵的发送端将STBC信号乘以加权值，并将乘以加权值的STBC信号发送到接收端，以便可从相关信道得到STBC分集性能。然而，得到最优加权矩阵所需的计算数目非常大。在FDD系统中，加权矩阵的计算对接收端施加了沉重的负担。因而，接收端仅断续地反馈加权矩阵的信息。

然而，从接收端反馈的加权矩阵的信息量也是沉重的负担。因而，在假定独立、同等分布(i.i.d.)信道环境中，DSTTD系统用置换矩阵来取代加权矩阵并使用天线重组。然而，对相关信道最佳的加权矩阵不具有接近闭环结构的等式。最初在发送端设置的、由图2中的接收端反馈的加权矩阵是通过很多仿真而产生的结果值。

发明内容

不将信道信息从接收端反馈到发送端的传统MIMO系统存在的问题在于：由于发送端不识别信道信息，所以，发送端不使用自适应调制方案，并且，在对信号进行解码时，接收端的复杂性增加。此外，因为使用了由简单仿真产生的加权矩阵，所以，反馈加权矩阵的传统MIMO系统不适于相关信道应用。

因而，已设计了本发明来解决在现有技术中出现的至少以上和其它问题。因此，本发明的目的在于：提供一种用于在使用分层空时块编码(L-STBC)技术的多重输入多重输出(MIMO)系统中提高信道性能的方法。

本发明的另一个目的在于：提供一种用于在使用分层空时块编码(L-STBC)技术的多重输入多重输出(MIMO)系统中反馈信道信息的方法。

根据本发明的一个方面，可通过用于在使用分层空时块编码(L-STBC)技术的多重输入多重输出(MIMO)系统中反馈发送信号的组合信息的方法，而实现以上和其它目的。该方法包括：与发送信号的组合信息片段相关地计算均方误差值；以及反馈具有所述均方误差值之中的最小均方误差值的组合的索引。

根据本发明的另一个方面，可通过用于在使用分层空时块编码(L-STBC)技术的多重输入多重输出(MIMO)系统中发送信号的方法，而实现以上和其它目的。该方法包括：从接收端接收发送信号的组合索引；根据所述组合索引而组合要发送的信号，并将组合的信号分配给天线；以及将分配的信号发送到接收端。

附图说明

根据下面与附图相结合的详细描述，本发明的以上和其它目的、特征和其它优点将被更清楚地理解，其中：

图1为图解传统的分层空时块编码(L-STBC)系统的方框图；

图2为图解用于反馈加权矩阵的传统双空时发送分集(DSTTD)系统的方框图；

图3为图解根据本发明的实施例的4×2L-STBC多重输入多重输出(MIMO)系统的方框图；

图4为图解根据本发明的实施例的由L-STBC的接收端执行的重组信息获取过程的流程图；以及

图5为图解在根据本发明的实施例的L-STBC技术和传统的L-STBC技术之间的比较结果的图。

具体实施方式

现在，在此，下面将通过参照附图来描述本发明的实施例。在下面的描述中，为了简练起见，将省略对合并于此的公知功能和配置的详细描述。

本发明提出了一种用于在多重输入多重输出(MIMO)系统中将信道信息从接收端反馈到发送端的方法(实际上，本发明不取决于接收技术，也不取决于发送技术，即，多重空时块编码系统)。更具体地，使用L-STBC技术的传统的MIMO系统不将信道信息从接收端反馈到发送端。然而，本发明的接收端反馈信道信息(即，发送(Tx)天线的重组信息)，以便使接收信号的均方误差(MSE)最小化，由此提高性能。由发送端接收的从接收端反馈的发送信号的组合信息被称为天线重组信息。

(1)用于在基于L-STBC的接收端中获取天线重组信息的方法

将通过参照图3来描述根据本发明的实施例的4×2L-STBC MIMO系统。

图3为图解根据本发明的实施例的4×2L-STBC MIMO系统的方框图。

当发送端具有T个Tx天线、并为STBC而使用T个Tx天线中的B个Tx天线时，传统上，发送端执行到T/B(＝L)个分层信号的空间多路复用，以发送多路复用的结果。接收端必须具有L个或更多个接收天线，并可利用贝尔实验室分层空时(BLAST)技术来检测每个分层信号。因此，可将本发明应用于具有多重空时块编码的、使用T×L个发送/接收天线的任意MIMO系统。然而，为了便于解释，将描述根据本发明的优选实施例的4×2MIMO系统。

参照图3和4，根据本发明的实施例的L-STBC MIMO和双空时发送分集(DSTTD)系统分别利用串行到并行(S/P)转换器302，而将要发送到接收端的串行信号转换为并行信号，并将并行信号输出到STBC-1单元304和STBC-2单元306，用于信号调制。STBC-1单元304在时刻t＝2n和时刻t＝2n+1对信号x₁(2n)和x₁(2n+1)执行STBC操作。STBC-2单元306在时刻t＝2n和时刻t＝2n+1对信号x₂(2n)和x₂(2n+1)执行STBC操作。将信号x₁(2n)、x₁(2n+1)、x₂(2n)和x₂(2n+1)输出到四个Tx天线。当发送端存储从接收端接收的重组索引信息时，其将与重组索引信息相对应的发送信号分配到Tx天线，并将所述信号发送到接收端。然而，由于在发送初始信号时不存在重组索引信息，所以，重组单元308不考虑重组索引信息而传递要发送的信号。

可通过下面的等式1和2来表示由接收端的两个接收(Rx)天线接收的信号x₁(2n)、x₁(2n+1)、x₂(2n)和x₂(2n+1)。

Y′＝Hx′+v′

$\left[\begin{array}{cc}{y}_1\left(2n\right)& y_1(2n+1)\\ y_2\left(2n\right)& y_2(2n+1)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{\mathrm{1,1}}& h_{\mathrm{1,2}}& h_{\mathrm{1,3}}& h_{\mathrm{1,4}}\\ h_{\mathrm{2,1}}& h_{\mathrm{2,2}}& h_{\mathrm{2,3}}& h_{\mathrm{2,4}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{x}_1\left(2n\right)& {-x}_1^{*}(2n+1)\\ x_{\text{1}}(2n+1)& x_1^{*}\left(2n\right)\\ x_2\left(2n\right)& {-x}_2^{*}(2n+1)\\ x_2(2n+1)& x_2^{*}\left(2n\right)\end{array}\right]+v^{\′}...\left(1\right)$

y＝Sx+v

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\left(2n\right)\\ y_1^{*}(2n+1)\\ y_2\left(2n\right)\\ y_2^{*}(2n+1)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{\mathrm{1,1}}& h_{\mathrm{1,2}}& h_{\mathrm{1,3}}& h_{\mathrm{1,4}}\\ h_{\mathrm{1,2}}^{*}& {-h}_{\mathrm{1,1}}^{*}& h_{\mathrm{1,4}}^{*}& {-h}_{\mathrm{1,3}}^{*}\\ h_{\mathrm{2,1}}& h_{\mathrm{2,2}}& h_{\mathrm{2,3}}& h_{\mathrm{2,4}}\\ h_{\mathrm{2,2}}^{*}& {-h}_{\mathrm{2,1}}^{*}& h_{\mathrm{2,4}}^{*}& {-h}_{\mathrm{2,3}}^{*}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(2n\right)\\ x_1(2n+1)\\ x_2\left(2n\right)\\ x_2(2n+1)\end{array}\right]+v...\left(2\right)$

在上面的等式1和2中，h_i，j，j为第j个Tx天线和第i个Rx天线之间的信道增益值。 $y={\left[\begin{array}{cccc}{y}_1\left(2n\right)& y_1^{*}(2n+1)& y_2\left(21n\right)& y_2^{*}(2n+1)\end{array}\right]}^T$ 为接收信号。x＝[x₁(2n)x₁(2n+1)x₂(2n)x₂(2n+1)]^T为发送信号。 $v={\left[\begin{array}{cccc}{v}_1\left(2n\right)& v_1^{*}(2n+1)& v_2\left(2n\right)& v_2^{*}(2n+1)\end{array}\right]}^T$ 为噪声向量。向量v的元素为具有N～(0，σ²)的分布的法向(normal)噪声分量。(·)^*表示复共轭，而(·)^T表示转置操作。在上面的等式1和2中，信号x₁(2n)、x₁(2n+1)、x₂(2n)和x₂(2n+1)在时刻t＝2n和时刻t＝2n+1分别为一个STBC码元。由于两个STBC码元经过的信道相互正交，所以，接收端可以STBC码元为单位来执行检测操作。

假定信道矩阵S＝[s₁s₂s₃s₄]。通过下面的等式3来给出基于垂直贝尔实验室分层空时(V-BLAST)检测过程的标记加权矩阵G＝[g₁g₂g₃g₄]^H。

G_ZF＝{S^HS}^-1S^H＝[g₁g₂g₃g₄]_ZF

G_MMSE＝{S^HS+σ²I}^-1S^H＝[g₁g₂g₃g₄]_MMSE                 ...(3)

在上面的等式3中，{·}^H表示厄密(Hermitian)转置。I表示T维单位矩阵。ZF表示迫零(zero forcing)。MMSE表示最小均方误差。

通过下面的等式4来给出与加权向量相关联的均方误差(MSE)。

${\left\{{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\σ}}_2^2{\mathrm{\σ}}_3^2{\mathrm{\σ}}_4^2\right\}}_{\mathrm{ZF}}=\mathrm{diag}\left\{{\left(S^{H}S\right)}^{-1}\right\}$

${\left\{{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\σ}}_2^2{\mathrm{\σ}}_3^2{\mathrm{\σ}}_4^2\right\}}_{\mathrm{MMSE}}=\mathrm{diag}\left\{{(S^{H}S+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}\right\}...\left(4\right)$

在上面的等式4中，diag{·}表示矩阵的对角分量。这里，从信道矩阵S得到MSE。由于STBC信道之间的正交性，所以由同一STBC编码的信号的MSE值相同。也就是说， ${\mathrm{\σ}}_1^2={\mathrm{\σ}}_2^2,$ 且 ${\mathrm{\σ}}_3^2={\mathrm{\σ}}_4^2$ 。由 $\mathrm{\λ}=\{{\mathrm{\σ}}_1^2,{\mathrm{\σ}}_3^2\}$ 来定义表示STBC信号的MSE的集合。表示与STBC-1单元304相关联的MSE，而

表示与STBC-2单元306相关联的MSE。可从下面的等式5得到要通过V-BLAST技术来检测的STBC层l的次序。

选择k_m＝ls.t.

$\arg \underset{l}{\min }\left\{{\mathrm{\λ}}_1\right\}...\left(5\right)$

在上面的等式5中，假定l为2，则k₁＝2。首先检测STBC-1单元304的信号。在此情况中，MSE。

通过下面的等式6而消除所选层的STBC码元。

$\left[\begin{array}{c}{\hat{x}}_2\left(2n\right)\\ {\hat{x}}_2(2n+1)\end{array}\right]=\mathrm{decision}\left\{\left[\begin{array}{c}{g}_3^H\\ g_4^H\end{array}\right]y\right\}...\left(6\right)$

如在下面的等式7中所示出的，使用由上面的等式6检测的信号和

来从接收信号中消除干扰。

$y\′=y-\left[\begin{array}{cc}{S}_3& S_4\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\hat{x}}_2\left(2n\right)\\ {\hat{x}}_2(2n+1)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_3& S_4\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\hat{x}}_2\left(2n\right)\\ {\hat{x}}_2(2n+1)\end{array}\right]+v\′\′...\left(7\right)$

当如上面的等式7所示从接收信号中消除干扰时，将判定的信号的信道值设置为如下面的等式8所示的0向量。

S₂＝[s₁s₂]            ...(8)

在上面的等式8中，

为这样的信道矩阵，对于第(m+1)个顺序检测，从该信道矩阵中消除了第k_m层的STBC信号的信道。这里，第k_m层的STBC信号为在先前的第m∈{0，1，...，L-1}个顺序检测中检测的信号。初始值 $S_{{\stackrel{\‾}{k}}_0}=S.$ 。在这一点上，当精确地检测出STBC信号(也就是说， ${\hat{x}}_2\left(2n\right)=x_2\left(2n\right)$ 且 ${\hat{x}}_2(2n+1)=x_2\left(2n+1\right))$ 时，可将上面的等式7写为下面的等式9。

$y\′=S_{\stackrel{\‾}{2}}\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(2n\right)\\ x_1(2n+1)\end{array}\right]+v\′\′...\·\left(9\right)$

由于在上面的等式9中k₁＝2，所以从其中消除了第二层的信号的信道的新信道矩阵得到新的加权矩阵S₂＝[s₁s₂]。在将新的加权矩阵乘以y′时，消除剩余的STBC信号。在检测出STBC-2信号时，因为在上面的等式7中必须从消除了干扰的新的信号模型中消除STBC信号，所以MSE与不同。在使用ZF方案时， ${\{{\mathrm{\σ}}_5^6,{\mathrm{\σ}}_6^2\}}_{\mathrm{ZF}}=\mathrm{diag}\left\{{\left(S_{\stackrel{\‾}{2}}^H{S}_{\stackrel{\‾}{2}}\right)}^{-1}\right\}$ 。在使用MMSE技术时， ${\{{\mathrm{\σ}}_5^6,{\mathrm{\σ}}_6^2\}}_{\mathrm{MMSE}}=\mathrm{diag}\left\{{(S_{\stackrel{\‾}{2}}^H{S}_{\stackrel{\‾}{2}}+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}\right\}$ 。如上所述，由于不考虑MSE值的改变而置换每个STBC块，所以 ${\mathrm{\σ}}_5^2={\mathrm{\σ}}_6^2$ 。在逐层执行顺序检测时，MSE根据通过从接收信号中消除干扰而得到的增益而逐渐递减。由顺序信号检测过程而得到的噪声功率为 $\mathrm{\λ}=\{{\mathrm{\λ}}_1={\mathrm{\σ}}_3^2,{\mathrm{\λ}}_2={\mathrm{\σ}}_5^2\}$ 。

将MSE重写为下面的等式10。

${\mathrm{\λ}}_1\stackrel{\mathrm{ZF}}{=}\min \mathrm{diag}\left\{{\left(S_{{\stackrel{\‾}{k}}_1}^H{S}_{{\stackrel{\‾}{k}}_1}\right)}^{-1}\right\}$

$\stackrel{\mathrm{MMSE}}{=}\min \mathrm{diag}\left\{{(S_{{\stackrel{\‾}{k}}_1}^H{S}_{{\stackrel{\‾}{k}}_1}+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}\right\}...\left(10\right)$

在上面的等式10中，元素S为由接收端预测的准静态信道值，且为常量。如果发送端将当前块编码的信号分配并发送到与先前发送的信号的Tx天线不同的Tx天线，则置换信道矩阵H的列，使得S元素的位置变化，并由此，通过上面的等式10而计算的MSE也变化。这意味着接收端中的MSE值根据在发送端中发送空时块编码的信号的天线而变化。在信道是准静态的假定下(也就是说，信道状态在某帧时间期间不变)，接收端计算与STBC分配相关联的MSE，并将MMSE的重组索引信息反馈到发送端。

例如，当在L-STBC系统中存在T数目的Tx天线和T/2数目的Rx天线时，具有不同MSE的重组分配组合的数目Q为当Tx天线的数目为4时，产生6个重组分配组合，即[1234]、[1243]、[1324]、[1342]、[1423]、以及[1432]。例如，下面的表1示出了4×2系统中的重组表。将详细描述下面的表1。可通过下面的等式11来表示基于组合的信道。

表1

 

重组组合	[1234]	[1243]	[1324]	[1342]	[1423]	[1432]
							索引q	1	2	3	4	5	6
反馈位	001	010	011	100	101	110

H_q＝HP_q，q∈{1，2，...，6}         ...(11)

在上面的等式11中，P_q为基于置换组合索引q(1～6)的列置换矩阵。可通过下面的等式12来表示列置换矩阵P_q。

$P_1=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$ $P_2=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right],$ $P_3=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

$P_4=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right],$ $P_5=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 1& 0& 0\end{array}\right],$ $P_6=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0\end{array}\right]$ …(12)

在上面的等式12中，假定其中通过置换矩阵P_q而置换行的新信道矩阵为H_q。可从H_q产生新信道矩阵S_q。当发送端以第q索引组合来发送信号并且接收端对第l层执行V-BLAST检测操作时，可通过下面的等式13来表示MSE。

${\mathrm{\λ}}_{q,l}\stackrel{\mathrm{ZF}}{=}\min \left[\mathrm{diag}\left\{{\left(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_1}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_1}\right)}^{-1}\right\}\right]$

$\stackrel{\mathrm{MMSE}}{=}\min \left[\mathrm{diag}\left\{{(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_1}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_1}+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}\right\}\right],q\∈\{\mathrm{1,2},\·\·\·,Q\},l\∈\{\mathrm{0,1},\·\·\·,L-1\}$ …(13)

在上面的等式13中，L＝T/B，L为层数，T为Tx天线的数目，B为STBC块大小，而Q为重组组合的数目。

可从下面的等式14得到最优重组索引。

选择天线重组索引qs.t.

$\underset{q}{\min }\left(\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\max }\left[\min \left[\mathrm{diag}\left\{{\left(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_1}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_1}\right)}^{-1}\right\}\right]\right]\right),\left(\mathrm{ZF}\right)\∀q,\∀l.$

$\underset{q}{\min }\left(\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\max }\left[\min \left[\mathrm{diag}\left\{{(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_1}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_1}+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}\right\}\right]\right]\right),\left(\mathrm{MMSE}\right)\∀q,\∀l...\left(14\right)$

根据上面的等式14，可将用于在接收端中得到最优重组信息的算法分为两个步骤。

步骤1.接收端估算上面等式2的信道矩阵S。

步骤2.检索可根据发送/接收天线的数目、对于所有重组组合q和所有层l而满足上面的等式14的q和l的值。

基于上面的等式14，根据本发明的第一实施例的接收端根据所有层l的所有重组组合q而检测信号。然而，当在用于从接收信号中顺序消除干扰分量并检测真信号的BLAST技术中重复用于消除每层的干扰分量的过程时，MSE值的平均值减小。

在第二实施例中，不产生所有层之间的MMSE。通过下面的等式15来表示用于仅得到第一层MMSE的准最优重组信息方法。

选择天线重组索引qs.t.

$\underset{q}{\min }\left(\min \left[\mathrm{diag}\left\{{\left(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_0}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_0}\right)}^{-1}\right\}\right]\right),{\left(\mathrm{ZF}\right)}^{\∀q\·}$

$\underset{q}{\min }\left(\min \left[\mathrm{diag}\left\{{(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_0}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_0}+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}\right\}\right]\right),{\left(\mathrm{MMSE}\right)}^{\∀q\·}$ …(15)

可以看出，上面的等式15所需的计算的数目小于上面的等式14所需的计算的数目。

(2)重组组合的数目和表生成方法

当Tx天线的数目为T时，重组组合的数目为T！。也就是说，当Tx天线的数目为4时，重组组合的总数为4！，即[1234]、[1243]、[1324]......[4312]、和[4321]。组合的数目根据与MSE相关联的以下特性而减小。

特性1：置换的STBC块具有相同的MSE值。

例如，当在重组信息[1234]中使用括号来表示用于STBC信号的天线时，[(12)(34)]的MSE值与[(34)(12)]的MSE值相同。

特性2：即使同时对所有STBC块内的码元进行置换，MSE值也相同。

例如，当在重组信息[1234]中使用括号来表示用于STBC信号的天线时，[(12)(34)]的MSE值与[(21)(43)]的MSE值相同。

重组组合的总数Q为例如，如上面的表1所示，当Tx天线的数目为4时，重组组合的数目为6。接收端以表的形式生成与每个组合相对应的索引，以反馈如在上面的等式14和15中示出的重组信息，并发送与该索引相对应的反馈位。这可根据上面的表1而容易地理解。

当Tx天线的数目为4时，MSE组合的数目为6。然而，当Tx天线的数目增加时，反馈位的数目s为log₂Q。也就是说，当Tx天线的数目为6时，MSE组合的数目为60，而当Tx天线的数目为8时，MSE组合的数目为840。例如，将通过参照下面的表2来描述接收端在6×3系统中执行反馈操作的情况。

表2

 

重组组合	[123456]	[123465]	[124356]	[124365]	[123546]	[123564]	[125346]	[125364]	[123645]	[123654]	[126345]	[126354]
													索引q	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12

 

重组组合

[132456]

[132465]

[134256]

[134265]

[132546]

[132564]

[135246]

[135264]

[132645]

[132654]

[136254]

[136245]

索引q

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

重组组合

[142356]

[142365]

[143256]

[143265]

[142536]

[142563]

[145236]

[145263]

[142635]

[142653]

[146235]

[146253]

索引q

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

重组组合

[152346]

[152364]

[153246]

[153264]

[152436]

[152463]

[154236]

[154263]

[152634]

[152643]

[156234]

[156243]

索引q

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

重组组合

[162345]

[162354]

[163245]

[163254]

[162435]

[162453]

[164235]

[164253]

[162534]

[162543]

[165234]

[165243]

 

索引q

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

本发明可通过考虑硬件复杂性或反馈位的数量，而部分地比较MSE组合。

如上面的表2所示，当Tx天线的数目为6时，重组组合的总数为60。因而，当发送和接收端根据协商而将反馈位的数目预置为3时，仅比较基于索引1至8的组合，以便可显著减小系统的计算负载。

(3)基于L-STBC的发送端中的天线重组

如上所述，发送端接收从接收端反馈的重组索引信息，并从存储的表中检索与索引信息相对应的重组组合信息。图3中示出的重组单元308接收发送数据流，根据重组组合信息而组合信号，将组合的信号分配给天线，并将组合的信号发送到接收端。

将描述根据本发明的第三实施例的4×2L-STBC MIMO系统中的重组信息获取方法。

已通过参照上面的等式14和15而描述了用于在接收端中获取最优或准最优重组信息的方法。将描述比上面的等式14和15需要更少的计算的用于获取重组信息的方法。

首先，从上面的等式4中导出λ∝|h_1，1h_2，2-h_1，2h_2，1+h_1，3h_2，4-h_1，4h_2，3|，并且可从上面的等式11来定义下面的等式16。

H_q＝HP_q＝[H_q，1H_q，2]，q∈{1，2，...，6}           ...(16)

在上面的等式16中，矩阵H具有2×2的大小，而矩阵P_q具有4×4的大小。因而，在所导出的λ∝|h_1，1h_2，2-h_1，2h_2，1+h_1，3h_2，4-h_1，4h_2，3|中，可利用H_q，1来判别h_1，1h_2，2-h_1，2h_2，1，而利用H_q，2来判别h_1，3h_2，4-h_1，4h_2，3。在T＝4时，可通过下面的等式17来简化表示上面的等式15。

选择天线重组索引qs.t.

$\underset{q}{\min }\left\{\mathrm{abs}[\det \left(H_{q,1}\right)+\det \left(H_{q,2}\right)]\right\},{\left(\mathrm{ZF}\right)}^{\∀q\·}...\left(17\right)$

在上面的等式17中，abs表示绝对值，det表示行列式，而ZF表示迫零。

当将上面的等式17应用于4×2L-STBC MIMO系统时，不需要计算上面等式15中的矩阵的逆矩阵和矩阵积。也就是说，在使用上面的等式15时，该系统约执行170次复数计算，而在使用上面的等式17时，执行10次复数计算。

接下来，将通过参照图4来描述根据本发明的实施例的在L-STBC MIMO系统的接收端中获取重组信息的方法。

图4为图解根据本发明的实施例的由L-STBC系统的接收端执行的重组信息获取过程的流程图。

参照图4，在步骤402中，接收端通过Rx天线而从发送端接收L-STBC信号，并前进到步骤404。在步骤404中，接收端基于如上面的等式4所示的ZF或MMSE方案而计算加权矩阵，并前进到步骤406。在步骤406中，接收端使用与估算出的信道矩阵(S)相关的上面的等式13，而选择具有MMSE以及所有q值的层，并前进到步骤408。在步骤408中，接收端使用上面的等式14或15，而估算并检测所选层的STBC码元，并前进到步骤410。在步骤410中，接收端使用上面的等式7，而从通过上面的等式6检测出的接收信号中消除干扰分量，并前进到步骤412。在步骤412中，接收端校正信道，以将如上面的等式8所示的从中消除了干扰分量的接收信号的信道状态值设置为0向量，并前进到步骤414。在步骤414中，接收端得到新加权矩阵，以估算并检测剩余层的STBC码元，并从步骤404开始重复该过程。接收端判定满足最优或准最优MSE值的重组组合，并将判定的重组组合反馈到发送端。

将通过参照图5来描述比较根据本发明的实施例的仿真结果和传统的仿真结果的例子。

图5为图解在根据本发明的实施例的L-STBC技术和传统的L-STBC技术之间的比较结果的图。

图5的仿真环境如下：

(1)发送/接收天线的数目：4×2

(2)调制模式：QPSK

(3)信道码：无

(4)信道：相关/非相关瑞利衰落信道

(5)发送端：2×2STBC使用

(6)接收端：V-BLAST检测(MMSE方案)

参照图解用虚线或实线表示的相关或不相关信道的图5，可以看出，与图1和2的技术相比，本发明所提出的技术在减小计算数目的同时具有优异的性能或类似的性能。

如上所述，根据本发明，接收端将天线重组组合信息发送到发送端。发送端响应于重组组合信息，而对要发送的信号进行重组。因而，信道之间相关性较低，并且由此可提高性能。此外，接收端可通过减小反馈到发送端的信息量而减小系统负载。更具体地，可有效地获取可应用于4×2L-STBC系统的最优重组信息。

尽管已为了说明的目的而公开了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员将理解，在不背离本发明的范围的情况下，各种修改、添加、以及替换是有可能的。因此，本发明不限于上面描述的实施例，而是由以下权利要求连同其等价物的全部范围一起定义。

Claims (12)

1.一种用于在多重输入多重输出MIMO系统中反馈天线重组信息的方法，包括以下步骤：

与多个天线重组组合中的预置数目的天线重组组合相关地计算均方误差值；以及

反馈具有所述均方误差值之中的最小均方误差值的天线重组索引，

其中，通过以下等式来确定与预置数目的天线重组组合相关联的最小均方误差值：

${\mathrm{\λ}}_{q,l}\stackrel{\mathrm{ZF}}{=}\min \left[\mathrm{diag}\right\{{\left(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}\right)}^{-1}\left\}\right]$

$\stackrel{\mathrm{MMSE}}{=}\min \left[\mathrm{diag}\right\{{(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}\left\}\right],$ q∈{1，2，...，Q}，l∈{0，1，...，L-1}

其中，diag表示对角矩阵，S表示信道矩阵，L＝T/B，L表示层数，T表示发送天线的数目，B表示STBC块大小，Q表示天线重组组合的数目，H表示厄密转置，ZF表示迫零，I表示T维单位矩阵，q表示与最小均方误差值对应的天线重组索引，k₁表示层k₁，σ²表示MSE均方误差，1表示第1层，而MMSE表示最小均方误差。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述多个天线重组组合的数目对应于发送天线的数目。

3.如权利要求1所述的方法，其中，通过以下等式来确定具有在计算出的均方误差值中的最小均方误差值的天线重组索引：

选择天线重组索引q，使得

$\underset{q}{\min }\left(\min \right[\mathrm{diag}\left\{{\left(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_0}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_0}\right)}^{-1}\right\}\left]\right),\left(\mathrm{ZF}\right)\∀q$

$\underset{q}{\min }\left(\min \right[\mathrm{diag}\left\{{(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_0}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_0}+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}\right\}\left]\right),\left(\mathrm{MMSE}\right)\∀q$

其中，diag表示对角矩阵，S表示信道矩阵，ZF表示迫零，I表示T维单位矩阵，T表示发送天线的数目，q表示与最小均方误差值对应的天线重组索引，H表示厄密转置，σ²表示MSE，k₀表示层k₀，k_n表示层k_n，而MMSE表示最小均方误差。

4.如权利要求1所述的方法，其中，通过以下等式来确定具有在计算出的均方误差值中的最小均方误差值的天线重组索引：

选择天线重组索引q，使得

$\underset{q}{\min }\left(\underset{{\mathrm{\λ}}_l}{\max }\right[\min \left[\mathrm{diag}\right\{{\left(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}\right)}^{-1}\left\}\right]\left]\right),\left(\mathrm{ZF}\right)\∀q,\∀l$

$\underset{q}{\min }\left(\underset{{\mathrm{\λ}}_l}{\max }\right[\min \left[\mathrm{diag}\right\{{\left(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}{\mathrm{\σ}}^{2}I\right)}^{-1}\left\}\right]\left]\right),\left(\mathrm{MMSE}\right)\∀q,\∀l$

其中，diag表示对角矩阵，S表示信道矩阵，ZF表示迫零，q表示与最小均方误差值对应的天线重组索引，I表示T雏单位矩阵，L＝T/B，L表示层的数目，T表示发送天线的数目，B表示STBC块尺寸，H表示厄密转置，σ²表示MSE，1表示第1层，λ₁表示根据第1层的STBC的MSE值，k₁表示层k₁，而MMSE表示最小均方误差。

5.如权利要求1所述的方法，其中，在MIMO系统中，当发送天线的数目为4且接收天线的数目为2时，通过以下等式来确定具有在计算出的均方误差值中的最小均方误差值的天线重组索引：

选择天线重组索引q，使得

$\underset{q}{\min }\left\{\mathrm{abs}\right[\det \left(H_{q,1}\right)+\det \left(H_{q,2}\right)\left]\right\},\left(\mathrm{ZF}\right)\∀q.$

其中，αbs表示绝对值，det表示行列式，H表示厄密转置，q表示与最小均方误差值对应的天线重组索引，ZF表示迫零，H_q，1是其中通过置换矩阵来置换行的新信道矩阵的第一元素，而H_q，2是该新信道矩阵的第二元素。

6.一种用于在多重输入多重输出MIMO系统中发送和接收信号的方法，包括以下步骤：

接收端与多个天线重组组合中的预置数目的天线重组组合相关地计算均方误差值；

接收端反馈具有所述均方误差值之中的最小均方误差值的天线重组索引；

发送端从接收端接收天线重组索引；

发送端根据所述天线重组索引而组合要发送的信号；

发送端将组合的信号分配给天线；以及

发送端将分配的信号发送到接收端，

其中，通过以下等式来确定与预置数目的天线重组组合相关联的最小均方误差值：

${\mathrm{\λ}}_{q,l}\stackrel{\mathrm{ZF}}{=}\min \left[\mathrm{diag}\right\{{\left(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}\right)}^{-1}\left\}\right]$

$\stackrel{\mathrm{MMSE}}{=}\min \left[\mathrm{diag}\right\{{(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}\left\}\right],$ q∈{1，2，...，Q}，l∈{0，1，...，L-1}

其中，diag表示对角矩阵，S表示信道矩阵，L＝T/B，L表示层数，T表示发送天线的数目，B表示STBC块大小，Q表示天线重组组合的数目，H表示厄密转置，ZF表示迫零，I表示T维单位矩阵，q表示与最小均方误差值对应的天线重组索引，k₁表示层k₁，σ²表示MSE均方误差，1表示第1层，而MMSE表示最小均方误差。

7.如权利要求6所述的方法，其中，将与所述天线重组索引相对应的天线重组信息预先存储在发送端中。

8.一种多重输入多重输出MIMO系统，包括：

发送端，用于从接收端接收天线重组索引，并根据所述天线重组索引而组合要发送的信号，并将组合的信号分配给天线；和

该接收端，用于与多个天线重组组合中的预置数目的天线重组组合相关地计算均方误差值，并反馈具有所述均方误差值之中的最小均方误差值的天线重组索引，

其中，通过以下等式来确定与预置数目的天线重组组合相关联的最小均方误差值：

${\mathrm{\λ}}_{q,l}\stackrel{\mathrm{ZF}}{=}\min \left[\mathrm{diag}\right\{{\left(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}\right)}^{-1}\left\}\right]$

$\stackrel{\mathrm{MMSE}}{=}\min \left[\mathrm{diag}\right\{{(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}\left\}\right],$ q∈{1，2，...，Q}，l∈{0，1，...，L-1}

其中，diag表示对角矩阵，S表示信道矩阵，L＝T/B，L表示层数，T表示发送天线的数目，B表示STBC块大小，Q表示天线重组组合的数目，H表示厄密转置，ZF表示迫零，I表示T维单位矩阵，q表示与最小均方误差值对应的天线重组索引，k₁表示层k₁，σ²表示MSE均方误差，1表示第1层，而MMSE表示最小均方误差。

9.如权利要求8所述的系统，其中该发送端存储与所述天线重组索引相对应的天线重组信息。

10.如权利要求8所述的系统，其中，通过以下等式来确定具有在计算出的均方误差值中的最小均方误差值的天线重组索引：

选择天线重组索引q，使得

$\underset{q}{\min }\left(\min \right[\mathrm{diag}\left\{{\left(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_0}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_0}\right)}^{-1}\right\}\left]\right),\left(\mathrm{ZF}\right)\∀q$

$\underset{q}{\min }\left(\min \right[\mathrm{diag}\left\{{(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_0}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_0}+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}\right\}\left]\right),\left(\mathrm{MMSE}\right)\∀q$

其中，diag表示对角矩阵，S表示信道矩阵，ZF表示迫零，q表示与最小均方误差值对应的天线重组索引，I表示T维单位矩阵，T表示发送天线的数目，H表示厄密转置，σ²表示MSE，k₀表示层k₀，k_n表示层k_n，而MMSE表示最小均方误差。

11.如权利要求8所述的系统，其中，通过以下等式来确定具有在计算出的均方误差值中的最小均方误差值的天线重组索引：

选择天线重组索引q，使得

$\underset{q}{\min }\left(\underset{{\mathrm{\λ}}_l}{\max }\right[\min \left[\mathrm{diag}\right\{{\left(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}\right)}^{-1}\left\}\right]\left]\right),\left(\mathrm{ZF}\right)\∀q,\∀l$

$\underset{q}{\min }\left(\underset{{\mathrm{\λ}}_l}{\max }\right[\min \left[\mathrm{diag}\right\{{\left(S_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}^H{S}_{q,{\stackrel{\‾}{k}}_l}{\mathrm{\σ}}^{2}I\right)}^{-1}\left\}\right]\left]\right),\left(\mathrm{MMSE}\right)\∀q,\∀l$

其中，diag表示对角矩阵，S表示信道矩阵，ZF表示迫零，q表示与最小均方误差值对应的天线重组索引，MMSE表示最小均方误差，I表示T维单位矩阵，L＝T/B，L表示层的数目，T表示发送天线的数目，B表示STBC块尺寸，H表示厄密转置，σ²表示MSE，1表示第1层，λ₁表示根据第1层的STBC的MMSE值，k₁表示层k₁。

12.如权利要求8所述的系统，其中，在MIMO系统中，当发送天线的数目为4且接收天线的数目为2时，通过以下等式来确定具有在计算出的均方误差值中的最小均方误差值的天线重组索引：

选择天线重组索引q，使得

$\underset{q}{\min }\left\{\mathrm{abs}\right[\det \left(H_{q,1}\right)+\det \left(H_{q,2}\right)\left]\right\},\left(\mathrm{ZF}\right)\∀q.$

其中，αbs表示绝对值，det表示行列式，ZF表示迫零，H表示厄密转置，q表示与最小均方误差值对应的天线重组索引，H_q，1是其中通过置换矩阵来置换行的新信道矩阵的第一元素，而H_q，2是该新信道矩阵的第二元素。

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