CN1973472A - 利用星座子集映射的数据流调制 - Google Patents

Abstract

在一种用于编码至少两个数据流(p₁…p_n)的方法中，以预定次序将至少两个数据流(p₁…p_n)中每一个的比特序列映射到符号上，该符号是调制星座的至少两个子集(I，II，I_a，I_b，II_a，II_b)之一的一部分。通过考虑了已经用于编码前述数据流(p₁…p_n)的比特序列的符号(s₁…s₁₆)的编码规则来确定至少两个子集(I，II，I_a，I_b，II_a，II_b)之一。

Description

利用星座子集映射的数据流调制

本发明涉及一种用于编码至少两个数据流的方法，并涉及一种使用这种编码方法的发射机。本发明还涉及一种用于解码至少两个数据流的方法。另外，本发明涉及一种包括这种发射机和或接收机的电信系统。这种发射机或接收机例如可以是移动网络中的基站、移动电话或个人数字助理(PDA)。可选地，这种发射机和或接收机可以被内嵌到个人计算机中，或者它可以是能够插入到(便携式)个人计算机中的网络接口卡(NIC)。

从公布的美国专利申请US 2003/0043929 A1可以得知这种方法。所显示的是一种包括发射机和接收机的电信系统，每个均具有用于信号发射和接收的多个天线。根据该美国专利，可以通过预处理发射信号来优化传输。该方法包括生成表示天线相关性的代表性相关矩阵。该天线相关性可以在接收机处确定，并可以反馈给发射机。然而，反馈增加了系统复杂性，这是不希望有的。

因此，本发明的目的是提供一种编码至少两个数据流的方法，所述至少两个数据流可以被同时被发送给接收机而不需要反馈，根据本发明可以通过使用一种编码至少两个数据流的方法来实现该目的，其中通过以预定次序将至少两个数据流中每一个的比特序列映射到符号上来编码至少两个数据流，该符号是调制星座的至少两个子集之一的一部分，其中通过考虑了已经用于编码前述数据流的比特序列的符号的编码规则来确定至少两个子集之一。

本发明基于这样的理解，即数据流通过其从发射机传播到接收机的通信信道在衰减和相位旋转上不同。由于通信信道的衰减的差别，所以所发送的数据流以不同的信噪比来接收。而且，具有最低信噪比的流在很大程度上确定了整个系统性能。该问题可以通过在具有最差SNR的信道上发送较少数据、并在最佳信道上发送最大量的数据来加以补救。然而，这仍将需要从接收机到发射机的反馈，这显然是不希望有的。根据本发明，通过使用一种调制方案有可能实现相同的目标，其中(1)数据流以预定次序进行编码，以及(2)利用调制星座的子集来编码至少两个数据流中每一个的比特序列，该子集根据特定(编码)规则来确定，该特定(编码)规则使用先前编码的比特序列的符号来作为输入。这允许数据流更可靠的解调，因为由于子集的使用，降低了用于解映射数据流(即确定哪个符号已经被发送)的选择自由度。

在解码至少两个数据流的方法的实施例中，该方法包括以下步骤：

-确定用于解码所编码的至少两个数据流中每一个的次序；以及

-通过使用调制星座的至少两个子集之一将至少两个数据流中每一个的符号解映射为比特，以该解码次序来解码至少两个数据流中的每一个，其中通过考虑了已经解映射的前述数据流的符号的解码规则来确定至少两个子集之一。使用该解码规则，接收机能够计算出哪些子集已经用来编码至少两个数据流中的每一个。由于每个子集均包括比调制星座自身更少的符号，因此在流的解调期间对于接收机而言降低了选择自由度，这提高了它们的可靠性。

在解码至少两个数据流的方法的另一实施例中，通过至少两个信号中每一个的信噪比来确定解码次序。这样可以确保首先解码最可靠的信号。

借助于下列附图将进一步阐明本发明的这些和其他方面。

图1示出QPSK调制星座。

图2示出16QAM调制星座及其两个主子集。

图3示出16QAM调制星座的第一主子集及其对应的两个次子集。

图4示出16QAM调制星座的第二主子集及其对应的两个次子集。

图5示出被布置用于编码根据本发明的比特序列的发射机的实施例。

图6示出接收根据本发明进行编码的信号的接收机的实施例。

下列关系给出了MIMO系统的传输模型：

r＝ H. x+ n                          (1)

其中 H表示具有元素h_ij的信道转移矩阵， x表示所发送的数据流。x是大小为Ntx×1的向量。Ntx表示所发送数据流的数目。 n表示噪声向量，以及 r表示所接收的数据流。 r是大小为Nrx×1的向量，其中Nrx表示所接收的数据流的数目。

在数字传输系统中，将比特映射到符号x_i上，i＝1…Ntx。根据本发明，以这样的方式进行映射过程，即每个数据流的映射均对其余数据流具有影响。根据本发明，这可以通过使用编码每一个流的调制星座的子集来实现。原则上，由已经选择用于编码先前流的符号来确定用于解码其中一个流的子集的选择。根据本发明，根据发射机和接收机二者都知道的一组预定规则来选择子集。另外，以特定次序来编码可发送的数据流。本发明可以通过使用任何使用多于两个的符号的调制星座例如QAM或M进制PSK来实现。将借助于大量非限制性实例来说明本发明的原理。

图1示出了包括4个符号{s₁，s₂，s₃，s₄}的QPSK调制星座，用于编码2位比特序列00、01、10、11。根据该实例，必须编码两个流。首先要编码第一个流。假设第一对比特是子集I＝{s₂，s₄}的一部分，则第二个流可以通过使用子集II＝{s₁，s₃}进行编码。由于子集2只包含两个符号，所以对于第二个流而言一次只有1比特可以进行编码，即0或1。然而，如果第一个流的比特是子集II的一部分，则应当借助于来自子集I的符号来编码第二个流的比特。同样有可能设计不同的规则，例如，如果第一个流的比特是子集I的一部分，那么也应当根据相同的子集来编码第二个流的比特。或者，如果第一个流的比特是第二子集的一部分，那么也应当根据该相同的子集来编码第二子集。在每种情况下，可以发送最大量的树比特(tree bit)，即在第一个流上2比特以及在第二个流上1比特。

图2示出了适于16QAM调制的更精细的调制星座。与图1类似，可以将该星座再分为两个主子集I＝{s₁，s₃，s₆，s₈，s₉，s₁₁，s₁₄，s₁₆}和II＝{s₂，s₄，s₅，s₇，s₁₀，s₁₂，s₁₃，s₁₅}。再次，第一个流可以选择调制星座的任何符号来编码四位比特序列。假设所选择的符号是主子集I的一部分，则应当借助于主子集II来编码来自第二个流的比特。主子集II包括8个符号。因此，对于第二个流而言，每一符号只有三位可以进行编码。然而，如果借助于作为第二主子集一部分的符号来编码第一个流的比特，那么也将使用第一主子集的符号来编码第二个流的比特。如前所述，也有可能设计一种规则，通过该规则，可以根据与第一个流相同的主子集来编码第二个流。通常，在各个流的符号之间保持最大的编码距离将是可取的。显然该编码方案可以容易地扩展到编码多于2个的比特流。以下给出了用于编码3个流的编码方案的例子。对于前两个流的编码，如前所述再次将调制星座再分为两个主子集I和II。第一个流可以选择调制星座的任何符号来编码4个比特。所选择的符号或者是第一主子集I的一部分，或者是第二主子集II的一部分。举例来说，假设通过使用包括第一个流的所选符号的主子集来编码第二个流。第二个流自由地选择该主子集中包含的任何一个符号。由于每个子集只包括8个符号，所以第二个流可以编码每一符号3位的最大值。为了编码第三个流，需要主子集的进一步再分。将第一主子集I再分为次子集I_a＝{s₁，s₃，s₉，s₁₁}和I_b＝{s₆，s₈，s₁₄，s₁₆}(参见图3)，将第二主子集II进一步再分为次子集II_a＝{s₂，s₄，s₅，s₇}、II_b＝{s₁₀，s₁₂，s_l3，s₁₅}(参见图4)。通过为编码第一和第二个流而选择的符号来确定用于解码第三个流的次子集。或者更确切地，次子集I_a、I_b、II_a、II_b中的哪个包括这些符号。可以设计以下一组规则来编码第三个流。

1)如果流1和流2发送来自I_a的符号，则流3使用I_a。

2)如果流1发送来自I_a的符号并且流2发送来自I_b的符号，则流3使用I_b。

3)如果流1使用来自I_b的符号并且流2使用来自I_a的符号，则流3使用I_a。

4)如果流1和流2发送来自II_a的符号，则流3使用II_a。

5)如果流1发送来自II_a的符号并且流2发送来自II_b的符号，则流3使用II_b。

6)如果流1发送来自II_b的符号并且流2发送来自II_a的符号，则流3使用II_a。

下述对于本领域有经验的读者而言将是显而易见的，每个次子集均包括四个符号，以使在第三个流上只能发送2个比特。对于所有流来说这将总计产生9个比特。下述对于本领域技术人员而言也将是显而易见的，也可以设计其他规则。另外，有可能选择调制星座的其他子集。例如，次子集II_a和II_b现在分别包括符号{s₂，s₄，s₅，s₇}和{s₁₀，s₁₂，s₁₃，s₁₅}(参见图4)。然而，在替代配置中，次子集II_a和II_b可以分别包括{s₂，s₄，s₁₀，s₁₂}和I_b＝{s₅，s₇，s₁₃，s₁₅}。这将增加子集II_a和II_b的符号之间的距离(编码距离)，其可以在接收机处产生更可靠的符号检测。

对于流的解调而言，最重要的是已知所接收流的信噪比。该信噪比将部分地取决于所使用的解调原理。例如，如果不使用进一步的信号处理，并且在接收机处使用最大似然检测方案，则由下式给出信噪比：

$\mathrm{SNRj}=\underset{j=1}{\overset{\mathrm{Nrx}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{i,j}\right|}^{2}j=1,....\mathrm{Nrx}---\left(2\right)$

在该公式中，Ntx表示接收机的数目，以及h_ij是信道矩阵的系数。然而，在线性均衡器用来解调该流的情况下，在均衡器输出端的信噪比相应地发生变化，并可以通过信道矩阵H和均衡器系数来计算。举例来说，对于迫零均衡器，可以根据下式从信道矩阵H来得出包含系数f_ij的均衡器矩阵F：

F＝H^-1                                (3)

在均衡所接收的信号 r之后，得到下述信号；

F. r.＝F.H. x+F. n＝ x+ z                  (4)

其中 z表示均衡的噪声信号n。由下式给出在均衡器的输出端每个流的信噪比：

${\mathrm{SNR}}_j=A\·P_T/\left(N_o\underset{j=1}{\overset{\mathrm{Nrx}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|f_{i,j}\right|}^2\right),i=1,....\mathrm{Ntx}---\left(5\right)$

在该公式中，P_T是发送功率，A是信道衰减，以及N_o表示噪声信号的功率。为了决定接收到最大信号能量的信道，并不需要知道A、Pt或N_o的值。不过所需要知道的是传播信道的知识，其基本上表示矩阵H的知识。

首先解调具有最高信噪比的流。另外，接收机必须检测已经发送了调制星座的哪个符号。给定该符号，接收机就可以减少用于检测具有次佳SNR的流的符号的一组可能选项。一旦已经检测到该第二个流的符号，则甚至可以进一步减少用于剩余一个流(多个流)的组，这将允许甚至在所接收流具有差信噪比的条件下符号的容易的检测。假设发送了已经使用例如图1所示的QPSK星座进行调制的两个比特流。假设流1使用符号s₁进行调制，以及第二个流根据下述规则进行调制：在使用符号s₁来调制第一个流的情况下，使用符号s₁或s₃中的任何一个来调制第二个流。根据该实例，选择符号s₃来调制第二个流的比特序列。另外，假设第二个流具有两个流当中最高的信噪比，因此发射机将首先解调它。显然，接收机不知道在第二个流上已经发送了BPSQ星座的哪个符号。因此，接收机必须确定已经发送了这些符号{s₁，s₂，s₃，s₄}中的哪一个。假设对于第二个流正确地检测到符号s₃，由此自动地可见，在这种情况下，符号s₁或s₃中的任何一个必须在第一个流中发送。注意在这种情况下，这组可能的选项从4减少到2。

图5示出了被布置用于编码根据本发明的比特序列seq₁的发射机的实施例。待发送的这些比特首先通过信道编码器10进行编码，并被分布(复用)到大量并行流p₁…p_n中。每个流均被耦合到调制器M₁-M_n上，这些调制器将这些比特映射到调制星座(例如16QAM)的符号上。每个调制器M₁-M_n均被布置为使用由前述调制器M₁-M_n的输出确定的调制星座的子集来将比特映射到符号上。根据本发明，尽管可以自由地确定次序，但是必须以固定次序对流进行编码。然而，接收机当然必须知道编码器所使用的次序。假设M₁要调制第一个流，它自由地选取调制星座(的子集)的任何符号。每个调制器M₁-M_n均被耦合至前端14，该前端14将这些符号转换成RF信号，并通过天线16将它们发送给相应的接收机。

图6示出了相应接收机的例子，该接收机用于接收和解调已经根据本发明进行调制的一组RF信号。这些RF信号由耦合至前端22的天线20接收，以便获得一系列的流p’₁…p’_n，这些流被耦合至计算信道转移矩阵H的信道估计器24。一旦已知了信道估计，就可以在单元26中例如通过公式4来计算信噪比。根据这些信噪比，决定首先解调这些流中的哪一个。为此，接收机包括大量选择器SEL₁…SEL_n，用于将流p’₁…p’_n耦合至解调器D₁…D_n。解调次序由所接收信号的信噪比来确定。即首先解调具有最高信噪比的信号p’₁…p’_n，接下来是具有次佳信噪比的信号p’₁…p’_n，等等。首先解调的符号确定如何解调下一个流。然后，将检测到的符号传递给信道解码器30。显然，解调器必须知道哪些子集已经可以用于解调各个单独接收的信号p’₁…p’_n。

如果白高斯噪声已被添加到通信信道上，这会妨碍在接收机处符号的正确检测，那么应当选择最接近所接收信号的一组相关符号来作为最可能发送的符号。然而，如果在接收机处错误地解调了第一个流，那么会有可能随后的流也被错误地解调，因为接收机推导出错误的子集。尽管如此，由于在接收机处可以容易地测量解调的可靠性，所以有可能将正确符号的搜索扩展到星座的所有符号上，而不是使用子集。由于该编码方案，只有有限数量的符号星座是可能的。由于星座的限制，在可能星座之间的距离得以增加，从而检测变得更加可靠。此外，例如可以通过所接收信号与最接近星座点的距离来估计符号的可靠性。有可能在解码期间对该可靠性信息加以考虑。

应当注意，上述实施例是说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替代实施例而不脱离所附权利要求书的范围。在上述实施例中示出的所有信号处理都可以在模拟域和数字域中执行。本发明不仅适用于2×2系统，而且可以用于M×N系统。词“包括”并不排除不同于权利要求所列的元件或步骤的存在。在元件之前的词“一”或“一个”并不排除多个这种元件的存在。仅仅在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的事实，并不表示这些措施的组合不能被有利地利用。

Claims (8)

1.用于通过以预定次序将至少两个数据流(p₁…p_n)中每一个的比特序列映射到符号上来编码至少两个数据流(p₁…p_n)的方法，该符号是调制星座的至少两个子集(I，II，I_a，I_b，II_a，II_b)之一的一部分，其中通过考虑了已经用于编码前述数据流(p₁…p_n)的比特序列的符号(s₁…s₁₆)的编码规则来确定至少两个子集(I，II，I_a，I_b，II_a，II_b)之一。

2.发射机(50)，其被布置为同时发送已经根据权利要求1所述的方法进行了调制的至少两个数据流。

3.用于解码已经根据权利要求1所述的方法进行了编码的至少两个数据流(p’₁…p’_n)的方法，该方法包括以下步骤：

-确定用于解码至少两个数据流(p’₁…p’_n)中每一个的解码次序；以及

-通过使用调制星座的至少两个子集(I，II，I_a，I_b，II_a，II_b)之一将至少两个数据流(p’₁…p’_n)中每一个的符号解映射为比特，从而以该解码次序来解码至少两个数据流(p’₁…p’_n)中的每一个，其中通过考虑了已经解映射的前述数据流(p’₁…p’_n)的符号(s₁…s₁₆)的解码规则来确定至少两个子集(I，II，I_a，I_b，II_a，II_b)之一。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述解码次序由至少两个数据流(p’₁…p’_n)中每一个的信噪比来确定。

5.根据权利要求4所述的方法，其中首先解码具有最高信噪比的至少两个数据流(p’₁…p’_n)中的第一个。

6.接收机(60)，其被布置为接收至少两个同时发送的信号，其中所接收的至少两个同时发送的信号根据权利要求3、4、5所述的方法进行解调。

7.包括根据权利要求2所述的发射机的电信系统。

8.根据权利要求7所述的电信系统，还包括根据权利要求7所述的接收机。

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