CN1871805A

CN1871805A - 用于低散射环境的mimo发射机和接收机

Info

Publication number: CN1871805A
Application number: CNA2004800310110A
Authority: CN
Inventors: 保罗·马泰森; 莫里斯·R·博尔曼
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2006-11-29
Also published as: WO2005039095A1; EP1678857A1; KR20060093332A; US20070082623A1; JP2007510329A; TW200525928A

Abstract

一种发射机(Tx₁、Tx₂)，用于同时发送至少第一个(s’₁)和第二个(s’₂)信号。第一个信号(s’₁)被根据第一个调制星座图进行调制，而第二个信号(s’₂)被根据第二个调制星座图进行调制。该发射机用于通过第一个调制星座图的修改对至少第一个信号(s’₁)进行预编码，以防止在至少第一个(s’₁)和第二个(s’₂)同时发送的信号之间的相关。

Description

用于低散射环境的MIMO发射机和接收机

技术领域

本发明涉及用于同时发送至少第一个和第二个信号的发射机。本发明进一步涉及用于同时接收至少第一个和第二个信号的接收机。此外，本发明涉及包含这样的发射机的收发机、无线设备和电信系统。

本发明应用于使用多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术的无线电信或数据通信的系统或设备。本发明特别适用于需要较高阶调制方式和其中传输介质具有随机特性的电信或数据通信系统。这样的例子有蓝牙设备、无线局域网(LAN)设备和诸如移动电话或个人数字助理这样的无线设备。

背景技术

在美国专利申请US-2002/0181509A1中公开了这样的电信系统。所示出的是一种多输入多输出电信系统，其具有一个发射机，该发射机将来自一个数据源的数据编码成几个并行数据流，这些并行数据流随后被利用多个发射天线在一个无线电信道上发送。此外，该电信系统包括一个接收机，该接收机具有多个接收天线以用于接收多个数据流。该接收机进一步包括用于把多个数据流合并成单一(数字)数据流的解码器。然而，这样的MIMO系统通常在高散射环境下运行良好，而在低散射环境下可能会出现故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种将改进在低散射环境下MIMO系统性能的发射机。为此目的，该发射机同时发送至少第一个和第二个信号，第一个信号被根据第一个调制星座图进行调制，第二个信号被根据第二个调制星座图进行调制，其中该射机被用于通过第一个调制星座图的修改来对至少第一个信号进行预编码，以防止在同时发送的至少第一个和第二个信号之间的相关。

本发明基于此见解，即MIMO系统通常在高散射环境下工作良好，诸如在非视距(non-line-of sight)情况下，其中通信信道保证发送的信号的正交性。然而在低散射环境下，诸如视距(line-of-sight)情况，编码的数据流之间的正交性可能全部地丢失。或者换句话说，数据流能够变得相关。所以，接收机不能够分辨出同时发送的数据流，导致对发送的信号的检测可能部分失效。本发明进一步基于这样的见解，即从系统的观点来看，并行流的正交性是由通信信道的性态(behavior)提供或是由发射机本身提供的并不重要。所以，通过对基带信号进行预编码，是发射机而不是通信信道提供了正交性。这提供了这样的优点，即MIMO系统即使在不利的传播条件下仍然能够运行。

在根据本发明的发射机的一个实施例中，对至少第一个信号进行的预编码包括使第一个调制星座图旋转第一个角度。至少两个同时发送的信号中的每一个信号都被根据一个调制星座图进行编码，也就是比特被映射成符号。在接收机一侧，这两个调制星座图合并成一个(解)调制星座图，其阶数等于第一个和第二个调制星座图的阶数之和。然而在不利的传输条件下，发送的信号变得相关。因此，接收机上的(解)调制星座图显示出重叠点。所以，(解)调制星座图的阶数受到影响，使得接收方可能不能再成功地对同时发送的信号进行解调。通过旋转至少一个调制星座图，是发射机而不是信道提供了至少两个同时发送的信号之间所需的正交性。因此，至少两个发送的信号的调制星座图合并成一个具有非重叠点的(解)调制星座图。通过这样，即使在差的传播环境下，也可以保证成功地对所述至少两个同时发送的信号进行解调。

在根据本发明的接收机的另一个实施例中，对至少第一个信号进行的预编码包括第一个调制星座图的阶数的改变。在差的接收环境下，可能不能维持某一数据率。在这样的情况下，发射机可以考虑降低至少第一个信号的调制星座图的阶数以降低至少第一个信号的可达到的比特率。然而，一旦传输条件改善，可以再次提高该调制星座图的调制阶数。

在根据本发明的发射机的另一个实施例中，预编码进一步包括同时发送的信号的数量的改变。调制星座图用于把比特流映射成符号，因此，调制星座图的阶数的修改会对最大可达到的比特率有影响。比如说，降低调制星座图的阶数会自动引起最大可达到的比特率的降低，同时阶数的增加引起最大可达到的比特率的增加。如对本领域的技术人员显而易见的，MIMO发射机用于把单个数据流编码成同时发送的几个(并行)数据流。原则上，能够根据所需的比特率，确定(并行)数据流的数量以及从而确定同时发送的信号的数量。因此，修改发送的信号的数量可以抵消由于修改调制星座图的阶数而产生的影响。例如，至少一个星座图的阶数的降低可以通过增加发送的信号的数量来抵消，当然，反之亦然。

在根据本发明的发射机的另一个实施例中，发射机用于在从至少第一个和第二个同时发送的信号的接收机接收到一个第一信号之后，对至少第一个信号进行预编码。本领域的技术人员明白，只有接收机可以确定同时发送的信号是否保持不相关。通过向发射机发送所述一个第一信号，接收机向发射机通知接收的信号的质量。例如，该信号可以包括命令发射机对至少一个发送的信号进行预编码的指令，或者该信号可以是诸如误比特率(BER)这样的适当的质量指示器。所述一个第一信号可以是独立地发送的(广播的)信号，或者它可以被并入到(现有的)通信协议中，使用该通信协议来建立和维持发射机和接收机之间的通信链路。

在根据本发明的发射机的一个实施例中，发射机用于向至少第一个和第二个同时发送的信号的接收机发送一个第二信号，以便向接收机通知对所述至少两个信号中的至少第一个信号进行的预编码。本领域的技术人员明白，除非接收机被通知有关预编码的细节，否则接收机不能自治地对预编码信号进行解码。作为选择，例如，所述一个第二信号可以包括对所述一个第一信号的接收的确认。所述一个第二信号可以是独立地发送的信号，或作为选择，它可以被并入到(现有的)通信协议中，需要该通信协议来建立和维持发射机和接收机之间的通信链路。对本领域的技术人员将显而易见的是，所述一个第一和一个第二信号中包括的消息的格式很大程度地取决于建立在发射机和接收机中的智能(intelligence)。

附图说明

将通过下列附图来阐明根据本发明的这些和其它方面。

图1示出根据现有技术的多输入多输出电信系统。

图2示出现有技术的QPSK调制星座图。

图3示出现有技术的MIMO系统技术的调制星座图。

图4示出现有技术的具有相关的通信信道的MIMO系统的调制星座图。

图5示出根据本发明的调制星座图，其中至少一个星座图被旋转了一个角度。

图6示出BPSK调制星座图。

图7示出根据本发明的一个电信系统。

具体实施方式

图1示出根据现有技术的2×2多输入多输出电信系统。该电信系统包括信号处理模块14，其用所谓的调制星座图把比特流d1和d2映射成符号。图2示出了QPSK调制星座图的一个例子。应用QPSK，根据下列的一组规则，比特被以成对的方式映射成符号。

00 → (1+j)/√2 或者 exp(j₁)

01 → (-1+j)/√2 或者 exp(j₂)

11 → (-1-j)/√2 或者 exp(j₃)

10 → (1-j)/√2 或者 exp(j₄)

因此，每个符号能够表示成I-Q平面的一个(标准化的)向量或者表示成exp(j_x)。利用映射操作，比特流d1和d2被转换成信号s₁和s₂，利用RF部件12，把每个信号s₁、s₂调制成信号s’₁和s’₂，并且随后发送到系统的接收端。由于发射机T_x1、T_x2和接收机R_x1、R_x2之间的(多个)通信信道的性态，信号s’₁和s’₂被接收成为r’₁和r’₂。每个接收机R_x1、R_x2包括用于把信号r’₁、r’₂解调成为信号r₁、r₂的RF部件11。发送的信号 S＝(s₁，s₂)和接收的信号 R＝(r₁，r₂)之间的关系由R＝ H. S给出，其中 H＝(h₁₁，h₁₂；h₂₁，h₂₂)通常被称为转换矩阵(transfermatrix)。转换矩阵 H的系数h_ij规定了发射机和接收机之间通信信道的性态。例如，系数h₁₁涉及天线10和16之间的通信信道，而h₁₂涉及天线10和15之间的信道。因此，信号r₁、r₂可以被表示为r₁＝h₁₁.s₁+h₁₂.s₂和r₂＝h₂₁.s₁+h₂₂.s₂。由于本领域的技术人员可以容易地导出 H，因此接收机的信号处理模块13利用关系 S＝ R. H ^-1，能够容易地对发送的信号进行估计。加入的噪声的影响将导致有噪声向量加入到接收的信号 R中，为了简洁，忽略了这一点。一旦在接收端估计了发送的信号，该发送的信号被逆映射，以将估计的发送的信号r₁、r₂的符号转换成比特流d’₁和d’₂。在适当的工作条件下，比特流d’₁和d’₂对应于原始发送的比特流d₁和d₂。如对本领域的技术人员显而易见的，如果转换矩阵可以求逆，也就是DET( H)＜＞0，那么将仅可能恢复发送的信号。本领域的技术人员明白，对于数学上的条件DET( H)＜＞0，其前提是发射机T_x1、T_x2和接收机R_x1、R_x2之间的通信信道必须保持互不相关，或者换句话说，在传播过程中，发送的信号s₁、s₂必须保持正交。公知的是，MIMO系统在高散射环境下工作良好，但是例如在视距环境下可能工作失败。利用图3和图4更详细地阐明了这一点。尽管图3和图4只涉及r₁，但是所阐明的效果对r₂也有效，这对本领域的技术人员来说将是显而易见的。假设信号s₁和s₂被根据星座图31和32进行QPSK编码。由于QPSK星座图用四个可能的符号对比特流d₁、d₂进行编码，因此显而易见的是，r₁采用的符号达到16个。图3的例子对应于高散射环境，其中，h₁₁＝1并且h₁₂＝exp(-jπ/4)。因此，r₁等于r₁＝s₁+exp(-jπ/4).s₂。由于h₁₂，从天线9发送到天线16的信号将经历45度相移以提供发送的信号s₁、s₂之间所需的正交性。假定s₁、s₁采用QPSK调制，接收机R_x1可以检测出如在图3的(旋转的16-QAM)星座图30中显示的16个符号中的任意一个。

图4对应于最差的情况，例如在视距条件下，其中传播信道不提供任何的相移(h₁₁＝h₁₂＝1)。因此，r₁变成r₁＝s₁+s₂。此外假设s₁、s₂采用QPSK调制，r₁能够采用图40所示的任意一个符号。由于通信信道的性态，图40中的一些符号是重叠点(开圆)，使得接收机只能无误地检测出16个符号中的4个。通过以下的例子可以容易地阐明符号的重叠：r₁等于0，不止是对于s₁＝1+j和s₂＝-1-j，而且是对于s₁＝-1-j和s₂＝1+j。根据本发明，通过对至少一个发送的信号进行预编码可以容易地克服通信信道的不足。既然从系统的观点来看，正交性是由信道提供还是由映射处理提供这无关紧要，则该预编码能够例如通过旋转至少一个星座图来实现。这例如在图5中阐明，其中，星座图50被旋转了45度。基本上，这相当于用exp(-jπ/4)乘以s₂的映射的符号，因此r₁等于r₁＝h₁₁.s₁+h₁₂.exp(-jπ/4).s₂。让h₁₁＝h₁₂＝1简化方程式等于r₁＝s₁+exp(-jπ/4).s₂，这相当于图3所示的例子。尽管给定的例子涉及2×2系统，但是对于本领域的技术人员显而易见的是，本发明能够被容易地扩展到更大的N×M系统。无疑地，本发明需要发射机和接收机之间的同步，这是因为只有接收机可以检测接收的信号r₁和r₂之间的相关程度，而只有发射机能够旋转调制星座图。取决于电信系统，旋转星座图的旋转的发起可以来自任一方。例如，可行的是，当接收机检测到不可接受的相关程度后，其指示发射机对星座图进行旋转，或者接收机仅能够向发射机发送诸如误比特率这样的质量指示器，而因此发射机可以自治地决定旋转星座图。例如，从接收机到发射机的指令可以包括用某一步长增加或降低角度的命令，或者可以包括旋转某一(给定的)角度的指令。同样地，发射机必须向接收机通知或确认(即将进行的)旋转。例如，通过这类握手协议对接收到接收的消息做出确认，或者通过向接收机通知星座图即将进行的变化。对于本领域的技术人员显而易见的是，可以根据系统的需求或可能性设计发射机和接收机之间各种合适的协议。可以用合适但任意的技术来交换发射机和接收机之间的消息。例如，通过把消息嵌入到发射机和接收机之间已经存在的协议中，或者通过在发射机和接收机之间建立专用的通信链路。

预编码的另一个选择是降低s₁和s₂的调制星座图的调制阶数，例如，从QPSK到BPSK。图6示出的BPSK星座图具有值+1和-1，用于映射二进制的0和1。假设r₁有同样的关系，也就是r₁＝s₁+s₂，很明显，r₁的四个可能的符号中，两个符号重叠。然而，检测正确符号的机会仍旧是50％，而采用QPSK只能正确地检测出16个可能的符号中的4个(25％)。因此，降低阶数允许更简单的符号检测。因为低阶调制通常需要较低的信噪比，所以降低较高阶星座图的阶数增加了电信系统的覆盖范围。另外，降低星座图的阶数导致电信系统数据吞吐量的降低。因此，根据本发明，为了增加或维持MIMO系统的可达到的吞吐量，如果需要，可能要通过多于两个天线来发送数据。图7示出了一种可能的实现。图7中，复用器73在发射机T_x1至T_xn之前，而解复用器74在接收机之后。这样，数据流75可以被方便地映射成子流x₁至x_n。这些x₁至x_n子流中的每一个随后被通过发射机T_x1至T_xn发送，并由接收机R_x1至R_xn接收。那里，它们被逆映射成子流y₁至y_n，并且被利用复用器74复用回单个的数据流76。显然，利用复用器73，可以方便地把数据流75分割成如要求所需的多个数据流。

注意的是，上述的实施例是在说明而不是限制本发明，本领域的技术人员将能够设计很多可选的实施例，而不背离所附权利要求的范围。“包括”一词并不排除存在除了权利要求中列出的元件和步骤以外的元件和步骤。元件之前的“一个”一词不排除存在多个这样的元件。在相互不同的从属权利要求中列举出某些措施这一事实并不能指示这些措施的组合不具有优势。

Claims

1、发射机(Tx₁、Tx₂)，用于同时发送至少第一个(s’₁)和第二个(s’₂)信号，所述第一个信号(s’₁)被根据第一个调制星座图进行调制，所述第二个信号(s’₂)被根据第二个调制星座图进行调制，其中所述发射机用于通过所述第一个调制星座图的修改对至少所述第一个信号(s’₁)进行预编码，以防止在所述至少第一个(s’₁)和第二个(s’₂)同时发送的信号之间的相关。

2、根据权利要求1所述的发射机(Tx₁、Tx₂)，其中所述对至少所述第一个信号(s’₁)进行的预编码包括使所述第一个调制星座图旋转第一个角度。

3、根据权利要求1所述的发射机(Tx₁、Tx₂)，其中所述对至少所述第一个信号(s’₁)进行的预编码包括所述第一个调制星座图的阶数的改变。

4、根据权利要求3所述的发射机(Tx₁、Tx₂)，其中所述预编码还包括同时发送的信号(s’₁、s’₂)的数量的改变。

5、根据权利要求1所述的发射机(Tx₁、Tx₂)，其中所述发射机用于在从所述至少第一个(s’₁)和第二个(s’₂)同时发送的信号的接收机(Rx₁、Rx₂)接收到一个第一信号之后，对至少所述第一个(s’₁)信号进行预编码。

6、根据权利要求1所述的发射机(Tx₁、Tx₂)，其中所述发射机用于向所述至少第一个(s’₁)和第二个信号(s’₂)的接收机(Rx₁、Rx₂)发送一个第二信号，以便向所述接收机通知所述对至少所述第一个(s’₁)信号进行的预编码。

7、根据权利要求1、2、3和4所述的发射机(Tx₁、Tx₂)，其中所述第一个和第二个调制星座图是M-ary QAM调制星座图。

8、接收机(Rx₁、Rx₂)，用于同时接收来自发射机(Tx₁、Tx₂)的至少第一个(s’₁)和第二个(s’₂)信号，所述第一个接收的信号(s’₁)被根据第一个调制星座图进行调制，所述第二个接收的信号(s’₂)被根据第二个调制星座图进行调制，其中通过所述第一个调制星座图的修改对至少所述第一个接收的信号(s’₁)进行预编码，以防止在所述至少第一个(s’₁)和第二个(s’₂)同时接收的信号之间的相关。

9、根据权利要求8所述的接收机(Rx₁、Rx₂)，其中对所述第一个(s’₁)接收的信号进行的预编码包括所述第一个调制星座图的旋转。

10、根据权利要求8所述的接收机(Rx₁、Rx₂)，其中对所述第一个(s’₁)接收的信号进行的预编码包括所述第一个调制星座图的阶数的改变。

11、根据权利要求8所述的接收机(Rx₁、Rx₂)，其中所述预编码还包括同时接收的信号(s’₁、s’₂)的数量的改变。

12、根据权利要求8所述的接收机(Rx₁、Rx₂)，其中所述接收机用于向所述发射机发送一个第一信号，作为响应，所述发射机用于对至少所述第一个(s’₁)信号进行预编码。

13、根据权利要求8所述的接收机(Rx₁、Rx₂)，其中所述接收机用于接收来自所述发射机(Tx₁、Tx₂)的一个第二信号，作为对所述发射机对至少所述第一个信号(s’₁)进行预编码的响应。

14、根据权利要求8、9、10、和11所述的接收机(Rx₁、Rx₂)，其中所述第一个和第二个调制星座图是M-ary QAM调制星座图。

15、收发机，包括根据权利要求1所述的发射机。

16、根据权利要求15所述的收发机，还包括根据权利要求8所述的接收机。

17、无线设备，包括根据权利要求1所述的发射机。

18、电信系统，包括根据权利要求1所述的发射机。