CN1947371A - 自适应mimo无线通信系统 - Google Patents

Abstract

一种由一个接收机执行的用于多入多出(MIMO)系统的通用多入多出－联合检测(GMIMO－JD)方法，包括步骤：接收来自一个发射机发送的无线信号；估计该无线信号传输信道的质量；根据该估计结果，向该发射机发送一个反馈信息，以使得该发射机根据该反馈信息选择并重配一个适合该传输信道的通用多入多出(GMIMO)结构；根据该估计结果，重配一个适合该接收机的通用联合检测(GJD)结构；利用该选择的GJD结构，对接收的来自该发射机的无线信号进行处理。

Description

自适应MIMO无线通信系统

发明领域

本发明涉及一种通信方法和装置，尤其涉及一种用于多入多出(MIMO)无线通信系统中的通用联合检测(GJD)方法和装置。

技术背景

在无线通信过程中，当信号在复杂的无线信道中传播时，同一传输信号将会沿两个或多个路径传播，并以微小的时间差到达接收机。这些历经多个传播路径到达的信号彼此干涉，造成接收信号的衰落，这种衰落就是多径衰落。

多入多出系统是在发射机和接收机中采用多天线或阵列天线来收发数据。由于多天线在不同的空间位置上，衰落特性不尽相同，因而只要MIMO系统中用于收发信号的相邻天线间的间隔足够大，就可近似认为相邻天线的接收信号完全不相关。多入多出系统正是充分利用了多径信道的这一空间特性来实现空间上的分集发射与接收。

图1示出了一个由M个发射天线和J个接收天线构成的简单MIMO系统。如上所述，为了保证信号的空间非相关性，图1示出的MIMO系统的发射天线和接收天线的天线间隔距离一般都比较大。如图1所示，在发射机中，首先，MIMO结构单元101将一路待发送数据码流转换成M路并行的子数据流；然后，在多址(multiple access)变换单元102中完成复用处理；最后由对应的M个发射天线103将信号同时发射到无线空间。其中，MIMO结构单元101可以是空时格码(STTC：Space Time Trellis Code)，空时块码、空时Turbo编码，以及贝尔实验室分层时空(BLAST：Bell Layered Space Time)编码等MIMO处理方法中的一种。而多址变换单元102则既可以是时分复用、频分复用，或码分多址变换中的一种。

M路发射信号经由多径信道(即，MIMO衰落信道)到达接收机时，每个接收天线104所接收的信号都相当于M个发射信号的叠加，例如图1中实线箭头所示。由图1可见，在发射机与接收机之间，存在着以任意一个发射天线和一个接收天线为端点的无线信道。假设从发射天线i到接收天线j的信道的冲激响应表示为h_ji(i＝1，2...M，j＝1，2...J，其中，M和J分别为发射天线和接收天线的个数)，那么第j个接收天线所接收的时间离散的接收信号r可以表示为：

$r_{j,t}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{E_i}{h}_{j,i}\mathrm{\Φ}\left(s_{i,t}\right)+n_{j,t}---\left(1\right)$

其中，E_i是每个符号在第i个发射天线处发射的能量。将所有M个天线的发射功率叠加在一起，即为总的发射功率E₀， $\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i=E_0.$ 式(1)中s_i，t为待发射符号。Φ(.)是多址变换函数，例如，在CDMA系统中，多址变换就是将待发射的符号乘上扩频码。n_j，t是具有N₀/2方差的附加高斯白噪声的复数形式，其中N₀为噪声的功率谱密度值。由(1)式不难看出，每个接收天线上所收到的信号不仅是M个发射天线信号的叠加，同时还包含有M*J个无线衰落信道的信道特性h_ji。

为了能够无误地恢复出发射机发送的数据，接收机在对接收信号进行多址逆变换105后，必须利用无线信道中的非相关性来区分各个发射天线发来的子数据流，这就是MIMO检测单元106所完成的工作。同时MIMO检测106还需将解出的M路子数据流合并成一路，从而恢复出原发送的数据。

在图1示出的MIMO系统中，M个子数据流经过相同的多址变换后，同时发送到无线空间，因此各发射信号占用同一频带。同时，由于各发射、接收天线间的信道相互独立，相当于在收、发设备之间构造了多个并行的空间信道。因此，MIMO技术实际上是在不增加系统带宽的前提下，大大提高了频谱的利用率，且其通信容量可以随着发射天线和接收天线个数的增加而线性增加。MIMO技术的这一特点使之被认为是新一代移动通信系统的关键技术。

MIMO技术凭借其容量大速率高的优点，已经应用于各种无线通信系统中。例如，MIMO技术可以应用于各种多址方式的无线通信系统，如时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)或正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexed，OFDM)等。MIMO技术与具体多址方式相结合，就构成了相应的如MIMO TDMA、MIMOCDMA、MIMO OFDM等具体的MIMO系统。

无论是上述MIMO CDMA系统还是其他多址方式的MIMO无线通信系统，都不可避免地存在着系统干扰。在MIMO系统中，与其他系统一样，也存在由多径衰落信道中的无线传输引起的多址干扰(Multiple Access Interference，MAI)和符号间干扰(Inter SymbolInterference，ISI)，此外，还存在由MIMO本身的多天线结构造成的干扰称为共天线干扰(Co-Antenna Interference，CAI)。这些干扰因素的存在降低了MIMO系统的处理能力。

为了改善系统性能，现有技术已经采用了多种方法来消除MAI、ISI和CAI所造成的影响。例如，在MIMO TDMA系统中，发射机使用空时格码作为MIMO结构，即，将原有的格码调制(TCM：TrellisCode Modulation)扩展到空间域，分别由不同的天线发送编码后的码字。这样，在接收机中，则可利用空时解码(如采用最大似然序列法)来削弱CAI的影响，同时利用均衡方法(如，采用最大似然序列检测器，或最大后验概率的符号检测器)来削弱ISI的干扰。但是，由于空时格码方法在发射信号中加入了大量冗余信息，当信道质量良好时，就不能充分体现MIMO系统增容的特点。

再比如，在MIMO CDMA系统中，发射机使用BLAST技术来生成并行的多个子数据码流。BLAST技术的特点是BLAST处理仅仅是在空间域和时间域对信号进行重新构造，并不加入冗余信息，因而可以充分利用MIMO系统所构造的多路并行无线信道，从而提高系统的数据处理速率。但在接收机中也只能利用MIMO信道的非相关性来解调出所有发射天线上的信号，为此接收机中的接收天线个数不得少于发射天线的个数。在现有的接收机中，通常利用BLAST检测来削弱CAI，再利用多用户检测(如迫零ZF、最小均方差MMSE、串行干扰消除(SIC)、并行干扰消除(PIC)、判决反馈均衡DFE等)来抑制MAI和ISI的干扰。因此BLAST技术虽然具有处理高速率数据的能力，但只有在信道质量较好的情况下才能充分发挥其特点。

由以上所述的两个例子可见，目前已经提出的MIMO结构及检测方法虽然在干扰消除方面获得了一定的效果，但都是针对一个特定的多址系统设计的，并且，不论信道质量如何都只能采用所选定的唯一的处理方法，其结果是在不同信道条件下，系统性能起伏不定，这大大降低了系统的适应性。此外，在通常情况下，现有技术总是将对CAI、MAI和ISI的干扰消除分离开来，一一进行处理的。这样的结果是降低了整个系统的性能。

为此，在实际应用中需要一种适合于各种多址方式的MIMO系统的通用多入多出-联合检测方法来提高整个系统的性能。

发明内容

本发明目的之一是提出一种用于MIMO无线通信系统的通用多入多出-联合检测方法和装置，使之可以自适应地根据传输信道质量选择相应的GMIMO-JD结构，从而提高数据传输速率，改善通信质量。

本发明的目的之二是提出一种用于MIMO无线通信系统的通用多入多出-联合检测(GMIMO-JD)方法和装置，使之可以适用于各种类型的多址方式，例如，TDMA、CDMA、OFDM等。

本发明的目的之三是提出一种用于MIMO无线通信系统的通用多入多出-联合检测(GMIMO-JD)方法和装置，使之既可以同时消除，也可以分布式地消除CAI、MAI和ISI的干扰，从而改善系统性能。

按照本发明的一种由一个接收机执行的用于多入多出(MIMO)系统的通用多入多出-联合检测(GMIMO-JD)方法，包括步骤：接收来自一个发射机发送的无线信号；估计该无线信号传输信道的质量；根据该估计结果，向该发射机发送一个反馈信息，以使得该发射机根据该反馈信息选择一个适合该传输信道的通用多入多出(GMIMO)结构(architecture)；根据该估计结果，重配一个适合该接收机的通用联合检测(GJD)结构；利用该选择的GJD结构，对接收的来自该发射机的无线信号进行处理。

按照本发明的一种由一个发射机执行的用于多入多出(MIMO)无线通信系统的通用多入多出-联合检测(GMIMO-JD)方法，包括步骤：发送一个无线信号；接收来自一个接收机的一个反馈信息，该反馈信息是该接收机对该无线信号的传输信道的质量进行估计得到的；根据该反馈信息，重配一个适合该传输信道的通用多入多出(GMIMO)结构(architecture)；利用该GMIMO结构，对欲发送的无线信号进行处理；发送经过该GMIMO结构处理的无线信号。

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其他目的及结果将更加明白及易于理解。

附图简述

以下将通过参考附图和结合实施例对本发明进行更加详细地解释和说明，其中：

图1是一般MIMO通信系统的结构示意图；

图2是按照本发明的实施例提出的支持GMIMO-JD的发射机和接收机的总体结构框图；

图3是按照本发明的实施例提出的GMIMO-JD方法中的反馈信息的传递过程；

图4是按照本发明的实施例提出的GMIMO-JD方法中用来传递反馈信息的消息封装格式；

图5是按照本发明的实施例提出的GMIMO-JD模式选择列表；

图6是当GMIMO-JD模式为反馈模式时，发射机的MIMO结构和接收机中联合检测结构的框图；

图7是当GMIMO-JD模式为并行模式时，发射机的MIMO结构和接收机的联合检测结构的框图；

图8是当GMIMO-JD模式为优选模式时，发射机的MIMO结构和接收机的联合检测结构的框图；

图9是在UMTS FDD系统中应用本发明的GMIMO-JD方法后的信令传递过程；

图10是在UMTS FDD系统中，按照本发明提出的GMIMO-JD方法，用来传递信道冲激响应的信息封装格式；

图11是在UMTS FDD系统中，当GMIMO-JD模式为反馈模式时，发射机的MIMO结构框图；

图12是在UMTS FDD系统中，当GMIMO-JD模式为优选模式时，发射机的MIMO结构框图；

图13是在UMTS FDD系统中，当GMIMO-JD模式为并行模式时，发射机的MIMO结构框图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

发明详述

本发明提出的GMIMO-JD方法的核心思想是：接收端的接收机根据接收信号中的已知信号，估计出自发射端到接收端的无线信道的质量，并将信道质量的估计结果反馈给发射端的发射机；然后，发射端的发射机和接收端的接收机，根据信道质量的估计结果，分别选择最适合当前信道条件的多入多出结构和联合检测方法来对数据进行处理，从而最优地实现自发射端到接收端的数据传输。

这里还需指出，由于在时分复用(TDD)模式下，信道估计在建立上行链路过程中就已执行，因而基站发射机不需上行反馈就可以了解到下行信道特性信息。然而，TDD模式只有在用户终端移动速度相对较低情况下才有较好的性能，其应用范围受到一定的限制，所以在本发明的实施例中，MIMO系统采用适用范围更广的频分复用(FDD)方式。

基于以上假设，下面将以FDD MIMO系统中基站发射机和用户终端接收机为例，首先结合附图2-4描述本发明的总体构想，然后再详细描述本发明提出的三种GMIMO-JD模式的具体实施例，最后给出在UMTS FDD系统中，本发明所提出的GMIMO-JD方法如何通过信令来实现。

图2所示是支持GMIMO-JD方法的基站(发射端)发射机300和用户终端(接收端)的接收机400的结构框图。如图所示，基站发射机300和用户终端(UE)接收机400都具有多付天线，分别是M个发射天线341和J个接收天线441。

在基站发射机300中，用户数据码流，首先需要经过前向纠错编码器(FEC)311、交织编码器312和符号映射器313的处理，得到待发送的原始数据码流。这三部分的处理也可以作为一个整体来看待，即视为一个信道编码单元310。

用户数据码流经过信道编码单元310处理后，送入通用多入多出(GMIMO：Generalized MIMO)结构(architecture)320中。GMIMO结构320可以具有若干种可供选择的MIMO功能模块，如空时格码、空时分组码或BLAST等。GMIMO 320根据用户终端经由上行链路发送来的反馈信息350，选择并重配一种与反馈信息350中所指示的内容相对应的MIMO结构，并对欲发送的原始数据码流进行处理，从而将一路串行的数据码流转换为并行的经过空时格码处理或空时分组码处理或BLAST处理的M个子数据码流。

接着，这M个子数据码流送入到多址处理单元330中，进行各个支路的多址变换，例如完成CDMA、OFDM等复用处理。最后，M个支路信号在分别经过脉冲成形器340的滤波处理之后，经由对应的M个发射天线341发射到无线空间。

M个发射信号经由下行链路到达用户终端接收机400，由J个接收天线441接收下来。与图1所示情况相同，用户终端接收机400的每个接收天线所接收的信号都相当于经由不同路径传播的M个发射信号的总和。J个天线的接收信号分别在对应的匹配滤波和采样单元440中完成滤波和采样处理，从而得到J路时间离散信号，其中，在第j个接收天线上(j＝1，2，...J，J是接收天线的总个数)的接收信号可以用公式(1)的 $r_{j,t}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{E_i}{h}_{j,i}\mathrm{\Φ}\left(s_{i,t}\right)+n_{j,t}$ 来表示。

随后，信道估计单元430根据得到的J路时间离散信号中的导频信号来估计各个下行无线信道的特性(信道路径如图1所示)，也就是根据导频信号计算并得出公式(1)中给出各个信道的冲激响应函数h_ji，以及用于评价信道优劣的信干噪声比SINR和SINR随时间的变化量ΔSINR。

信道估计单元430可以直接将信道估计结果SINR和ΔSINR作为反馈信息发送给基站，但是这样处理的缺点是使得反馈信息负荷过重，同时还增加了基站发射机的复杂度。在本发明实施例中，反馈信息主要包括通用多入多出-联合检测(GMIMO-JD)模式信息，分别包括：反馈模式、并行模式和优选模式(这三种模式将在下文结合具体实施例进行详细说明)。这里所说的三种GMIMO-JD模式是由基站和用户终端预先设定的，用来标识在特定信道质量条件下，发射机中的MIMO结构和接收机中的联合检测方法的一一对应关系。也就是说，一旦确定了GMIMO-JD模式，发射机中的MIMO结构和接收机中的联合检测方法也就唯一地确定下来。

因此，接下来，信道估计单元430可以根据SINR和ΔSINR的数值选择适合的GMIMO-JD模式，并将所选的GMIMO-JD模式信息作为反馈信息350，经由从用户终端到基站的上行链路发送给基站发射机。这样，在发射机中就可以依据GMIMO-JD模式选择对应的MIMO结构。而在接收机中，信道估计单元430也将所选的GMIMO-JD模式信息传送给包含有多种联合检测处理模块的通用联合检测单元(GJD：General Joint Detection)420。通用联合检测单元420根据所选模式，选择并重配与之对应的GJD结构，对收到的J路离散时间信号进行处理(例如，最大似然法检测处理或迫零-线性块均衡等处理)，以消除信号中的MAI、ISI和CAI等干扰。

GJD单元420在完成对信号的处理后，将J个并行支路信号转换成一路串行码流，输出给信道单元410。在信道解码单元410中，码流依次经过符号解映射器413、解交织器412，最后传递到FEC解码器411中做最终的数据纠错，从而恢复出所需的用户数据。

以上所述的基站发射机和用户终端接收机结构，通过反馈信息350联系在一起，从而可以共同根据当前信道质量选择最为适合的信号处理方法。因而，反馈信息的获得和传递是GMIMO-JD方案的关键。

图3中总结了GMIMO-JD方法中传递反馈信息的一般过程。如图3所示，首先，用户终端接收机400接收到基站发射机300中经由各个发射天线341发送的导频信号(步骤S310)；用户终端接收机400中的信道估计单元430按照传统方法对接收到的导频信号进行信道特性估计，并计算出信道的SINR和ΔSINR，同时估计出各传输信道的冲激响应h_ji(步骤S320)。接着，用户终端接收机400根据SINR和ΔSINR的大小，如根据图5所示的模式选择列表，选择一种适合的GMIMO-JD模式，并将其构造成反馈信息350经由上行链路发送给基站发射机300(步骤S330)。其中，反馈信息350在传递过程中的消息封装格式如图4所示。用于承载反馈信息350的消息的主要部分是GMIMO-JD模式指示信息，此外在特定的GMIMO-JD模式下，还可以包含传输信道信息，即传输信道的冲激响应h_ji。最后，基站发射机300收到反馈信息350后，立即选择一种与所选GMIMO-JD模式对应的MIMO结构，并利用该MIMO结构对欲发送数据进行处理和发射(步骤S340)。用户终端接收机在得知基站已经配置好该MIMO结构之后，立即配置自身的联合检测结构，这样收发两端就共同构建了适合当前信道特性的数据处理方法。

上已述及GMIMO-JD模式标识的是一种MIMO结构和联合检测方法的对应关系，根据前文对各种MIMO结构和MIMO检测方法的介绍可知，针对不同的信道特点这种对应关系的选择可以各式各样。以下，将分别描述针对三种特定信道质量的GMIMO-JD模式：反馈模式(模式I)、优选模式(模式II)和并行模式(模式III)。然而，本发明所提出的GMIMO-JD方法并不局限于这三种模式，还可以根据具体的信道情况选择其他的GMIMO-JD组合方式。

MIMO系统根据信道估计单元430中测得的导频信号的SINR和ΔSINR来确定选择反馈模式、优选模式还是并行模式，具体对照关系如图5所示。

1、当SINR和ΔSINR均较低时，GMIMO-JD模式选择模式I——反馈模式(见图5)：

此时，SINR偏小表示当前无线信道的质量不是很好，信号的误帧率相对较高。同时，ΔSINR很低，则说明用户终端的运动速度缓慢，虽然信道质量不理想，但信道特性比较稳定。因而，在用户终端接收机内，信道估计单元430中估计出的传输信道的冲激响应可以在一段时间内保持有效性。此外，由于尺寸、成本和功耗的严格限制，用户终端内通常只能有一个接收天线(J＝1)，所以无法利用接收端的分集增益。基于以上特点，为了提高接收分集增益，GMIMO-JD模式选择为反馈模式，即将下行链路各信道的冲激响应反馈给基站发射机。选择反馈模式可以在有限的条件下比较理想地提高天线的分集增益。

在反馈模式下，用户终端接收机400中测量得到的传输信道的冲激响应h_ji作为反馈信息350的一部分，按照图4所示的格式，装载到反馈信息350的传输信道信息部分，发送给基站发射机。反馈模式下，基站发射机和用户终端接收机的具体结构由图6示出。

如图6所示，基站发射机300中的串/并转换单元610首先将待发送信息符号码流S_i转换成多路并行信号，再送入多址变换处理单元620中完成复用处理。接着，根据反馈信息350中的各传输信道冲激响应h_i(由于在此模式下接收机中只有一个接收天线，所以冲激响应h_ji中用来区分不同接收天线的脚标j可以省去，简化为h_i，其中下脚标i标识的是不同的发射天线。)，对每个支路符号进行预加权(pre-weighting)处理。也就是，每一路并行待发送符号都乘上归一化后的信道冲激响应的共轭量h_i ^*/ρ，其中 $\mathrm{\ρ}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_i\right|}^2},$ 这里的上标^*是指复共轭。由图6中不难看出，从基站发射机300的每个发射天线发出的信号都带有对应信道特性的共轭成份。这里，可以将串/并转换单元610和对各支路符号进行预加权处理的部分视为反馈模式下的GMIMO结构。

M路发射信号经由MIMO衰落信道传到用户终端。由公式(1)可知，用户终端接收机400中接收天线所收到的信号为发射信号和信道冲激响应的乘积，且为多个发射信号的线性叠加，加之用户终端接收机400只有一个接收天线，所以此时的接收信号自然为一路串行信号，表示为：

$r_t=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{E_i}{h}_i\mathrm{\Φ}\left(s_{i,t}\right)*h_i^{*}/\mathrm{\ρ}+n_t---\left(2\right)$

由公式(2)可见，信道冲激响应部分与其共轭部分相乘后得到h_i的幅度的平方值，再经简单计算即可得到接收信号r_t实际为ρΦ(s_i)。这样，由传输信道所造成的影响就已经转化为多天线的分集增益，效果是提高了接收信号的能量。因此，在用户终端接收机中，GJD结构630中只需完成多址逆变换Φ^-1(.)，和一些与单发射天线系统相同的干扰消除操作就可以恢复出原信息符号。比如，在OFDM系统中，GJD结构630可以是快速傅立叶变化(FFT)，再加上一些必要的干扰消除方法，如串行干扰消除等；而在CDMA系统中，GJD结构630只需完成联合检测或其他多用户检测就可以消除MAI或ISI。

2、当SINR较高而ΔSINR较低时，GMIMO-JD模式选择模式III——并行模式(见图5)：

此时，由于SINR较高，无线信道的质量很好(如室内准静态衰落情况)，且由于ΔSINR较低，信道特性非常稳定，可以确保误帧率理想，因此无需通过反馈信道冲激响应来提高系统性能。然而，由于诸如网页浏览和连续动态视频播放等应用服务对高速数据传输的要求永无止境，所以在信道质量良好的情况下，实现较高速率的数据传输成为系统选择GMIMO-JD模式的期望目标。为此，在这种信道条件下最为适合的GMIMO-JD模式为并行模式，即，利用BLAST技术，来提高系统处理数据的速率。

利用BLAST技术的GMIMO-JD的具体结构如图7所示。图7中，基站发射机300中的BLAST处理单元710可以视为并行模式下的GMIMO结构，该BLAST处理单元710将待发送的串行符号转换为多路并行信号，再经过多址变换单元720的复用处理，最后经由多个发射天线发射出去。多路发射信号经由MIMO衰落信道到达用户终端接收机400，多付接收天线将接收到的信号送入GJD 730中进行信号的判决恢复。

为了便于描述通用联合检测的处理过程，将公式(1)给出的接收信号改用矢量形式表示，为：

                   r＝As+n                         (3)

其中， $A=\sqrt{E_0}\mathrm{\ΦH};$ E₀是能量矩阵；Φ是多址变换矩阵；H是通过对接收的导频信号进行估计得出的MIMO衰落信道的信道响应矩阵；s是待发送的符号矢量；n是复数形噪音矢量。

如前所述在现有接收机中，通常将对MAI的消除和BLAST解调处理分成两步依次完成。然而，在MIMO系统中，MAI的消除和BLAST的解调在方法上是相似的，因此，这种先消除干扰，再执行BLAST检测的方法使得系统总体性能下降。

在本发明中，由于系统具有较强的处理能力，因而可以根据信道估计单元测定的信道特性矩阵，直接将传统的联合检测算法，例如迫零-分块线性均衡(ZF-BLE)和最小均方差-分块线性(MMSE-BLE)均衡等，应用到GJD 730中。例如，如果使用ZF-BLE，s的判决矢量可以表示为：

$\hat{s}={\left(A^{\′}A\right)}^{-1}{A}^{\′}r---\left(4\right)$

如果使用MMSE-BLE，s的判决矢量可以表示为：

$\hat{s}={(A^{\′}A+N_{0}I/2)}^{-1}{A}^{\′}r---\left(5\right)$

其中，上标’是指共轭转置；-1是准逆变换。

采用这种联合检测方法的优势在于：GJD 730可以同时进行BLAST检测和对MAI和ISI的干扰消除，即将MAI、ISI、CAI同时消除，从而提高了系统性能。

3、ΔSINR较高时，无论SINR高低如何，GMIMO-JD模式选择模式II——优选模式(见图5)：

此时，由于ΔSINR较高，表明信道特性随时间变化剧烈，无线信道可能受到严重的多径衰落的影响。因而在这种信道质量下，很难确保测量出的信道特性在反馈到发射机时依然有效，所以不能使用反馈信道冲激响应的方法。但却可以通过一些预先完成的必要测量(诸如对导频信号的估计)得知无线信道的统计特性，如符合瑞利衰落信道特性。然后，在基站发射机的MIMO结构中选择符合该信道统计特性的MIMO结构，在用户终端接收机中也使用适合该信道统计特性的检测方法。这样，虽然无法获得准确的信道特性信息，却可以基于无线信道的统计特性来设计MIMO结构和联合检测方法，从而实现最优的信道传输。此外，为了达到较好的性能，还需要尽量提高收发双方的天线分集增益。因而，为了提高接收分集增益，最好能够降低对用户终端的尺寸、成本和功耗的限制，使用多个接收天线来接收信号。

例如，如果经过预先的估计得出信道统计特性为瑞利/莱斯衰落信道时，则可将空时格码作为MIMO TDMA系统中的MIMO结构。当然，该结构也可以推广应用到其他多址系统中，例如CDMA、OFDM等。

图8给出了利用空时格码的GMIMO-JD结构。如图8所示，基站发射机300首先在空时格码编码器810中进行编码处理，从而将串行信号转换为多路并行信号，再通过多址变换单元820的复用处理，最后经由多个发射天线将信号发射出去。

信号经由MIMO衰落信道到达用户终端接收机400。在用户终端接收机400中，多付接收天线将接收到的信号送入MIMO最大似然检测器830中完成信号的判决恢复。此过程中，接收天线处的接收信号可由公式(1)表示，为了便于分析，这里仍以矢量形式来表示接收信号，则公式(1)转换为：

$r=\sqrt{E_s}\mathrm{CHs}+n---\left(6\right)$

其中，r为接收信号矢量；E_s是每个发射符号的能量；C是扩频码矩阵；H是预先通过估计得到的信道统计特性，该信道统计特性表示为将共天线效应和多径效应考虑在内的信道响应矩阵。s是待发射符号的矢量；n是复数形噪声矢量。用户终端接收机400所采用的通用联合检测方法是MIMO最大似然检测算法。研究表明，最大似然解码器在解码时，将发射符号矢量s中出现的符号错判为

的成对误判概率具有一个上限，可由下式表示：

$P(s\→\hat{s}|H)\≤\exp (-D^2(s,\hat{s})\·E_s/4N_0)---\left(7\right)$

其中， $D^2(s,\hat{s})=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|\mathrm{CH}\left(l\right)(s-\hat{s})\left|\right|}^2,$ 且L是符号s的编码长度。由公式(7)不难看出，只要让 $P(s\→\hat{s}|H)$ 最小化，就可得到最小的误判概率，这样STTC在进行编码设计时，需要使得

最大化。为此，可以根据信道统计特性H，选择最佳的STTC的编码方式，从而设计出满足最大化要求的最佳STTC编码方案，使得误判概率最小，也就是同时消除了各种类型的干扰。

在具体实施时，用户终端的接收机通过对导频信号的检测得知当前信道的质量，如果此时信道的ΔSINR较高时，则通过反馈消息告知基站当前GMIMO-JD模式为模式II。基站发射机则按照预先设计好的针对瑞利/莱斯衰落信道的空时格码编码方法处理待发送数据，并将其发送出去。用户终端接收机则利用最大似然法检测接收到的数据。

以上不仅从总体上描述了GMIMO-JD的实现方法，还在图6-8中详细介绍了图5中列出的三种信道条件下，GMIMO-JD的处理方法，在实际应用中还可以根据具体的无线环境使用其他MIMO结构和MIMO检测方法。此外，如上所述，由于GMIMO-JD方法并不局限于某一种多址方式，因而可以应用于各种无线通信系统中，只不过各自的具体实现过程存在一定的差异，例如对于FDD系统而言，用户终端可根据导频信道信号来估计信道质量，而对于TD-SCDMA系统而言，用户终端则要通过对训练序列信号的估计来获得信道质量信息。再比如，用来承载反馈信息350的物理信道和上层信令的传递过程也会有所不同。

以下就以UMTS FDD无线通信系统协议为基础，依然以基站发射机和用户终端(UE)接收机为例，具体给出在UMTS FDD系统中GMIMO-JD方法是如何实现的，其中着重探讨信令的传递过程和物理层中消息封装格式。

UMTS FDD系统中，UE与UMTS陆地无线接入网(UTRAN)之间实现通用多入多出-联合检测的信令传递过程如图9所示，图中Uu是节点B(基站)与UE之间的无线接口，I_ub是节点B与服务无线网络控制器(SRNC)之间的接口。以下，就结合附图9详细描述UE与UTRAN之间实现通用多入多出-联合检测的完整过程。

1、UE确定GMIMO-JD模式

本领域技术人员都了解，在UMTS FDD系统中，公共导频信道(CPICH)伴随其他公共下行信道传送，以提供这些下行信道的相位参考，因而，无论是否与UTRAN建立连接，UE总可以在接收系统广播信息的同时，通过接收CPICH的信号来检测下行信道的质量。

基于这一点，在应用了GMIMO-JD的UMTS FDD系统中，当UE启动RRC连接过程来发起呼叫或响应寻呼时，首先通过物理层的信道估计单元检测CPICH信道的质量。UE的信道估计单元可以估计出CPICH中信号的SINR和ΔSINR。同时该信道估计单元还需要估计出下行信道的信道冲激响应，以便在如前所述的GMIMO-JD模式I——反馈模式下，可将该信道冲激响应作为反馈信息发送给UTRAN。然后，UE的物理层将估计出的下行信道质量信息封装在物理信道测量消息中发送给UE的无线资源控制(RRC)层(步骤S900)。该物理信道测量消息中包括：下行传输信道的数目、下行传输信道的SINR和ΔSINR、以及下行信道冲激响应(CIR)。

UE的RRC层(网络层)(简称UE-RRC)从物理信道测量消息中获得当前最近一次的信道测量信息后，根据信道质量，即SINR和ΔSINR的大小，例如按照图5所示的GMIMO-JD模式对照关系，选择相应的GMIMO-JD模式，如反馈模式、优选模式或并行模式。当然，在实际应用中还可以针对信道质量的不同使用其他的模式，或使用其他GMIMO结构和联合检测结构的组合方式来处理数据。

UE-RRC确定了GMIMO-JD模式后，将GMIMO-JD模式信息包含在物理信道配置请求中，发送给网络侧SRNC的RRC层(简称为SRNC-RRC)，以指示节点B选择适合的MIMO结构(步骤S910)。该物理信道配置请求属于RRC层间交互的消息，可由物理层的上行专用物理控制信道(DPCCH)承载。也就是说，GMIMO-JD模式信息是由DPCCH来承载的。

其中当GMIMO-JD模式确定为反馈模式时，还需要将信道冲激响应(CIR)装载到DPCCH中发送给UTRAN。这里，CIR的封装格式将在下文中结合图10进行说明。

2、UTRAN配置GMIMO结构

SRNC-RRC接收到UE发来的物理信道配置请求后，从该物理信道配置请求中分离出GMIMO-JD模式信息，如果GMIMO-JD模式为反馈模式，则还需分离出CIR信息。然后，SRNC-RRC向节点B的物理层发送物理信道建立请求消息(步骤S920)，例如通过网络层与物理层之间的控制原语CPHY-RL-Setup-REQ来传递该消息。该物理信道建立请求中，不仅包含常规的用来配置物理信道的信息，如时隙结构、传输格式集、传输格式组合集，还特别包括GMIMO-JD模式信息，此外，当GMIMO-JD模式为反馈模式时，还包括信道冲激响应信息。

节点B的物理层接收到SRNC-RRC发送的物理信道建立请求后，立即根据请求中所配置的无线资源配置物理信道，同时根据GMIMO-JD模式信息配置发射机中用于处理待发送数据(如专用物理信道(DPDCH)的数据)的GMIMO结构。

其中，节点B发射机中的GMIMO结构可以针对不同的GMIMO-JD模式采用不同的数据处理方法。这里仍以附图5中列出的三种GMIMO-JD模式为例。在UMTS FDD系统中，对应反馈模式、优选模式以及并行模式的GMIMO结构是如何处理DPDCH中的数据信息的，将在下文中结合图11-13进行说明。

接着，节点B在按照上述三种结构成功配置了发射机中的GMIMO结构之后，启动物理层数据的发射和接收(步骤S930)。最后，节点B的物理层向SRNC-RRC发送物理信道建立确认消息(步骤S940)，以告知SRNC-RRC该物理信道已经配置完成并可以使用。

SRNC-RRC收到物理信道建立确认消息后，立即向发起RRC连接建立请求的UE的RRC层发送物理信道配置响应消息，作为对UE所发出的物理信道配置请求的应答(步骤S950)。

3、UE配置GJD并建立与UTRAN的RRC连接。

UE-RRC接收到物理信道配置响应后，通过向物理层发送物理信道建立请求(步骤S960)，利用节点B分配的无线资源来配置自身的物理信道。该请求可以使用物理层与网络层之间的控制原语CPHY-RL-Setup-REQ来传递消息。其中，该物理信道建立请求的参数与UTRAN侧相似，不仅包括时隙结构、传输格式设置、传输格式组设置，还特别包括GMIMO-JD模式信息。UE在配置物理信道的同时，按照GMIMO-JD模式信息设置通用联合检测的具体结构。例如，当GMIMO-JD模式为反馈模式时，UE可选择与单天线情况相同的干扰消除方法来完成信号的恢复检测。当GMIMO-JD模式为优选模式时，UE可选择最大似然法来处理接收信号。当GMIMO-JD模式为并行模式时，利用如迫零-分块线性均衡(ZF-BLE)或最小均方差-分块线性(MMSE-BLE)均衡等方法来恢复数据。

UE的物理层在成功完成物理信道配置之后，启动物理层的信息发射与接收(步骤S970)。这样，UE与UTRAN之间物理层的链接就建立起来(步骤S980)。随后，UE物理层向UE-RRC发送物理信道建立确认消息，以告知物理连接建立成功(步骤S990)。

最后，UE-RRC向SRNC-RRC发送物理信道配置完毕消息，告知RRC连接已经成功建立(步骤S995)，可以进行通话。

由以上所描述的UMTS FDD系统中RRC连接建立过程中不难看出，GMIMO-JD模式信息都是通过控制原语CPHY-RL-Setup-REQ来传递的。此外，在上述过程中，确定GMIMO-JD模式的步骤还可以在UE的物理层，而不是RRC层中完成，这样，UE的物理层就不必向RRC层发送用于衡量信道质量的SINR等信息，而只需发送GMIMO-JD模式信息即可，从而简化了信息传递的负荷。

以下，将结合图10描述在上述步骤S910中，当GMIMO-JD模式为反馈模式时，将信道冲激响应CIR装载到DPCCH中发送给UTRAN时的CIR的封装格式。如图10所示，CIR的封装格式可以与用于闭环发射分集的反馈信息(FBI)的D字段的格式相似，FSMpo部分，即：CIR的幅度大小，占用低位比特(LSB)，用于发送功率设置，FSMph部分，即：CIR的相位信息，占用高位比特(MSB)，用于发送相位设置。UE-RRC将各个下行信道的信道冲激响应都按照图10所示的格式封装并发送给UTRAN。

以下，将结合图11-13来描述，当SRNC-RRC在上述步骤S920中向节点B的物理层发送物理信道建立请求消息后，节点B的物理层如何根据该物理信道建立请求中包括的GMIMO-JD模式信息配置相应的GMIMO结构。

当GMIMO-JD模式为反馈模式时，UMTS FDD系统中MIMO结构如图11所示，其基本功能与图6所示的GMIMO结构相似，都是将反馈信息中的CIR作为权重因子对各天线的待发射信号进行预加权处理。不同之处在于，在UMTS FDD中，DPDCH数据首先经过扩频和加扰处理，也就是图6中的多址变换处理之后，再送入串/并转换单元510中，实现一路串行信号到多路并行信号的转换。多路并行信号分别经过预加权处理后，还需要在各合并单元520中加入与各天线对应的CPICH_i，以便在UE中估计下行信道质量的变化。最后将各路信号分别从对应的发射天线发射出去。

当GMIMO-JD模式为优选模式时，节点B发射机中的MIMO结构与图8示出的GMIMO结构相似，都是使用空时格码方法，具体结构如图12所示。由图12可见，DPDCH信道的数据首先经过空时编码处理，将一路串行数据编码为多路并行数据流。各个并行数据流分别经过包括扩频和加扰的多址处理后，同样还要加入CPICH信号，才能经由对应的发射天线将各支路信号发射到无线空间。

当GMIMO-JD模式为并行模式时，节点B发射机中的MIMO结构与图7所示的GMIMO结构相似，都采用BLAST技术来处理待发送数据，具体结构如图13所示。由图13可见，与前面两种模式相同，在UMTS FDD系统中，通过对DPDCH数据进行扩频和加扰来完成多址变换，并添加上对应于各支路的CPICH信号，才可由对应的发射天线发送到无线空间。

这里需要指出，在本发明实施例中虽然都是以DPDCH中的数据作为GMIMO结构的处理对象，但在实际应用中，GMIMO结构还可以处理其他信道的数据，并且处理方式并不局限于以上所介绍的三种方式。

以上以UMTS FDD系统为例详细描述了本发明所提出的GMIMO-JD方法在具体无线通信系统中的实现过程，当然，本发明所提出的方法还可以应用于其他类型的系统之中，并不会因为系统类型的改变而影响系统的性能。

此外，本发明所提出的方法并不局限于在基站发射机和用户终端接收机中应用，还可以用于改善用户终端与基站之间的上行链路质量，甚或进一步扩展到一般意义的发射机和接收机中。

有益效果：

由以上对本发明及其实施例的描述不难看出：本发明提出的应用于MIMO无线通信系统的通用多入多出联合检测方法和装置，通过由用户终端接收机向基站发射机反馈信道质量估计结果(即GMIMO-JD模式)的方法，可以自适应地在该接收机和发射机中选择并重配适当的GMIMO-JD结构，以适应不同信道质量条件下系统的需求。同时本发明所提出的通用多入多出-联合检测方法和装置并不局限于某种多址方式的系统，而是广泛地适用于诸如CDMA、TDMA或OFDM等各种系统，方便灵活。此外，在并行模式和优选模式下，GMIMO-JD结构能够以集成的方式一次性地消除CAI、MAI和ISI的干扰，从总体上提高了系统的性能。由本发明在UMTS FDD系统中的实现过程可见，本发明提出的反馈机制可以方便地嵌入到现有系统的信令中，并不会对现有系统做过多的改变，却可以从总体上改善通信质量，提高传输速度，尤其是使系统具良好的适应性。

本领域的技术人员应当理解，对上述本发明所公开的通用多入多出-联合检测方法和装置，还可以在不脱离本发明的内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (26)

1、一种由一个接收机执行的用于多入多出(MIMO)无线通信系统的通用多入多出-联合检测(GMIMO-JD)方法，包括步骤：

(a)接收来自一个发射机发送的无线信号；

(b)估计该无线信号传输信道的质量；

(c)根据该估计结果，向该发射机发送一个反馈信息，以使得该发射机根据该反馈信息选择一个适合该传输信道的通用多入多出(GMIMO)结构(architecture)；

(d)根据该估计结果，重配一个适合该接收机的通用联合检测(GJD)结构；

(e)利用该选择的GJD结构，对接收的来自该发射机的无线信号进行处理。

2、如权利要求1所述的通用多入多出-联合检测方法，其中步骤(c)包括：

(c1)根据所述估计结果，确定相应的GMIMO-JD模式；

(c2)将该确定的GMIMO-JD模式作为所述反馈信息，发送给所述发射机。

3、如权利要求2所述的通用多入多出-联合检测方法，其中步骤(d)包括：根据所述GMIMO-JD模式，重配所述GJD结构。

4、如权利要求3所述的通用多入多出-联合检测方法，其中所述估计结果包括：接收信号的信干噪声比(SINR)和信干噪声比随时间的变化量(ΔSINR)。

5、如权利要求4所述的通用多入多出-联合检测方法，其中步骤(b)包括：

根据所述无线信号中的导频信号，估计该无线信号传输信道的质量。

6、如权利要求5所述的通用多入多出-联合检测方法，其中：

若所述SINR和ΔSINR均低于一个预定数值，则所述GMIMO-JD模式是反馈模式，且所述反馈信息还包括对所述传输信道进行估计得到的信道冲激响应。

7、如权利要求6所述的通用多入多出-联合检测方法，其中，若所述GMIMO-JD模式是反馈模式，则在所述接收机中的所述GJD结构中，对所述接收的来自所述发射机的无线信号执行多址逆变换处理。

8、如权利要求5所述的通用多入多出-联合检测方法，其中：

若所述SINR高于一个预定数值，而所述ΔSINR低于一个预定数值时，则所述GMIMO-JD模式是并行模式。

9、如权利要求8所述的通用多入多出-联合检测方法，其中，若所述GMIMO-JD模式是并行模式，则在所述接收机中的所述GJD结构中，对所述接收的来自所述发射机的无线信号执行迫零-线性块均衡处理和最小均方差-线性块均衡处理之中任意一种。

10、如权利要求5所述的通用多入多出-联合检测方法，其中：

若所述ΔSINR高于一个预定数值，则所述GMIMO-JD模式是优选模式。

11、如权利要求10所述的通用多入多出-联合检测方法，其中，若所述GMIMO-JD模式是优选模式，则在所述接收机中的所述GJD结构中，对所述接收的来自所述发射机的无线信号执行最大似然检测处理。

12、如权利要求5所述的通用多入多出-联合检测方法，其中，所述导频信号在UMTS FDD(通用移动通信系统频分双工)系统中是公共导频信道(CPICH)中传输的信号。

13、如权利要求12所述的通用多入多出-联合检测方法，其中，所述步骤(c)包括：

经由上行专用物理控制信道(DPCCH)，所述发送机发送所述反馈信息。

14、如权利要求13所述的通用多入多出-联合检测方法，其中，所述步骤(c)还包括：

在RRC(无线资源控制器)在通信连接建立过程中使用的物理信道配置请求信令中，嵌入所述反馈信息。

15、一种由一个发射机执行的用于多入多出(MIMO)无线通信系统的通用多入多出-联合检测(GMIMO-JD)方法，包括步骤：

(a)发送一个无线信号；

(b)接收来自一个接收机的一个反馈信息，该反馈信息是该接收机对该无线信号的传输信道的质量进行估计得到的；

(c)根据该反馈信息，重配一个适合该传输信道的通用多入多出(GMIMO)结构(architecture)；

(d)利用该GMIMO结构，对欲发送的无线信号进行处理；

(e)发送经过该GMIMO结构处理的无线信号。

16、如权利要求15所述的通用多入多出-联合检测方法，其中，所述反馈信息至少包括GMIMO-JD模式，且该GMIMO-JD模式是所述接收机通过对所述无线信号的传输信道的质量进行估计而确定的。

17、如权利要求16所述的通用多入多出-联合检测方法，其中，若所述GMIMO-JD模式是反馈模式，则所述反馈信息中还包括所述传输信道的冲激响应，且所述步骤(d)包括：

将欲发送的一路信号转换成多路并行信号；

根据该传输信道的冲激响应，分别对该多路并行信号进行加权处理。

18、如权利要求17所述的通用多入多出-联合检测方法，其中，若所述GMIMO-JD模式是并行模式，则所述步骤(d)包括：

对所述欲发送的无线信号进行分层空时编码处理。

19、如权利要求18所述的通用多入多出-联合检测方法，其中，若所述GMIMO-JD模式是优选模式，则所述步骤(d)包括：

对所述欲发送的无线信号进行空时格码编码处理。

20、如权利要求16-19中任意一个权利要求所述的通用多入多出-联合检测方法，其中所述发送的无线信号中还包括一个导频信号，以供所述接收机对所述无线信号的传输质量进行估计。

21、一种接收机，能够在多入多出(MIMO)无线通信系统中执行通用多入多出-联合检测(GMIMO-JD)方法，该接收机包括：

一个接收单元，用于接收来自一个发射机发送的无线信号；

一个信道估计单元，用于估计该无线信号传输信道的质量，并将估计结果作为一个反馈信息，发送给该发射机，以使得该发射机根据该反馈信息能够选择一个适合该传输信道的通用多入多出(GMIMO)结构(architecture)；

一个通用联合检测(GJD)处理单元，用于根据该估计结果，重配一个适合该接收机的GJD结构，以对接收的来自该发射机的无线信号进行处理。

22、如权利要求21所述的接收机，其中，所述信道估计单元根据所述估计结果确定相应的GMIMO-JD模式，并将确定的GMIMO-JD模式作为所述反馈信息，发送给所述发射机，并且所述估计结果包括：接收信号的信干噪声比(SINR)和信干噪声比随时间的变化量(ΔSINR)。

23、如权利要求22所述的接收机，其中，所述信道估计单元根据所述无线信号中的导频信号，估计该无线信号传输信道的质量。

24、如权利要求23所述的接收机，其中，所述通用联合检测处理单元，根据所述GMIMO-JD模式所重配的所述GJD结构，对来自所述发射机的无线信号执行多址逆变换处理、迫零-线性块均衡处理、最小均方差-线性块均衡处理和最大似然检测处理中的任意一种。

25、一种发射机，能够在多入多出(MIMO)无线通信系统中执行通用多入多出-联合检测(GMIMO-JD)方法，该发射机包括：

一个发送单元，用于发送一个无线信号；

一个通用多入多出(GMIMO)处理单元，用于接收来自一个接收机的一个反馈信息，并根据该反馈信息，重配一个适合该无线信号的传输信道的GMIMO结构(architecture)，和利用该GMIMO结构，对欲发送的无线信号进行处理；

其中：

该发送单元，发送经过该GMIMO结构处理的无线信号；

该反馈信息是该接收机对该无线信号的传输信道的质量进行估计得到的。

26、如权利要求25所述的发射机，其中，所述GMIMO处理单元利用选择的所述GMIMO结构，对欲发送的无线信号执行串并转换和加权处理、分层空时编码处理、空时格码编码处理中的任意一种。

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