CN101326753A - 用于具有符号扩展的空间复用的***，器件，和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于空间复用(SMX)传输方案的***，器件，和方法，该空间复用传输方案使用预定的矩阵R与符号扩展和旋转相组合，其能在UWB***中的快速Rayleigh平坦衰落信道或高频选择信道下大大提高***性能，而不需要附加的带宽或功率消耗。由于基于网格的结构，采用球解码以降低ML解码的复杂度同时保持接近的ML性能。另一方面，由于发射机上***的结构，也可以采用ZF和MMSE接收机。

Description

用于具有符号扩展的空间复用的***，器件，和方法

本发明涉及用于具有符号扩展旋转的空间复用的***，器件，和方法，从而在MIMO***中获得更高阶的分集，同时保持频谱效率。

在下一代无线通信***中，空间复用(SMX)(或MIMO)令人特别感兴趣，因为它能通过采用多样的发射和多接收天线来利用充分散射的信道环境。同时，它可以使频谱效率得到显著的提高。

分集一般用于无线通信***以提高***的性能。虽然空间复用能获得高频谱效率，但是接收天线的数量必须增加以保留高分集阶数。

由于实现这种类型的***是不切实际的，所以需要一种不同类型的分集来提高SMX***的性能。

本发明的***，器件，和方法提供了一种获得更高SMX分集的技术，该技术采用符号扩展旋转，其能够被认为是一种基于信号空间分集的潜在解决方法。优选实施例的单个天线***的最优旋转提供了满调制分集，同时使最小乘积距离最大化，参见J.BouTros和E.ViTerbo的″Signal space diversity：a power-and bandwidth-efficientdiversity technique for the Rayleigh fading channel，″IEEE Trans.InformaTion Theory，Vol.44，第1453-1467页，1998年7月。对于QAM星座图，实旋转矩阵与SMX***相结合以增加它的分集阶数，同时保持相对低的计算复杂度。

图1显示了本发明增强的性能；

图2显示了根据本发明的方法；

图3显示了MMSE接收机，作为每一个信道的T个单独MMSE解映射器，其后有联合线性组合；和

图4显示了一个包含图3的接收机的***框架。

对于本领域普通技术人员来讲，应理解提供以下描述的目的是说明而非限制。技术人员知道在发明的精神和附加权利范围内存在许多变化。已知的功能和结构的非必需的细节可能在本描述中省略从而避免使本发明难以理解。

一个优选的实施例应用于在快速Rayleigh平坦衰落信道上的多输入多输出(MIMO)单载波***。在一个可替换的优选实施例中，相同的***被视为其相干带宽比信道带宽低得多的MIMO多载波***，例如OFDM-UWB***。该***有M个发射机天线和N个接收机天线。该NxM信道矩阵记为H_t，这里t是快速衰落情况下的瞬时时间或OFDM情况下的子载波指数。

分别定义发射符号向量x_t，接收符号向量y_t，噪音向量n_t，和NxM信道矩阵II_t，如下：

$x_t=\left[\begin{array}{c}{x}_{t1}\\ x_{t2}\\ .\\ .\\ .\\ x_{\mathrm{tM}}\end{array}\right],$ $y_t=\left[\begin{array}{c}{y}_{t1}\\ y_{t2}\\ .\\ .\\ .\\ y_{\mathrm{tN}}\end{array}\right],$ $n_t=\left[\begin{array}{c}{n}_{t1}\\ n_{t2}\\ .\\ .\\ .\\ n_{\mathrm{tN}}\end{array}\right],$ 和

然后，通用SMX***模型可描述如下

y_t＝H_t·x_t+n_t，t＝1，2，...T。

这里T是模块数量或子载波数量。目标是通过组合这T个连续符号向量来提供某种分集。T越大意味着分集阶数越高。TxT扩展旋转矩阵R被用于这T连续的原始符号向量，以使得

$s_t=\left[\begin{array}{c}{s}_{t1}\\ s_{t2}\\ .\\ .\\ .\\ s_{\mathrm{tM}}\end{array}\right],$ 其中每一个分量 $\left[\begin{array}{c}{s}_{1i}\\ s_{2i}\\ .\\ .\\ .\\ s_{\mathrm{Ti}}\end{array}\right]=R\·\left[\begin{array}{c}{x}_{1i}\\ x_{2i}\\ .\\ .\\ .\\ x_{\mathrm{Ti}}\end{array}\right]$ 对t＝1，2，...T，以及i＝1，2，...M。

接着新的发射***能被容易描述为

y_t＝H_t·s_t+n_t，t＝1，2，...T

但是原始符号被线性导入(thread)到新的发射符号从而获得更高阶的分集。例如，采用QPSK调制且T＝2的新的2×2SMX***为

$\left[\begin{array}{c}{y}_{11}\\ y_{12}\\ y_{21}\\ y_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{11}^1& h_{12}^1& 0& 0\\ h_{21}^1& h_{22}^1& 0& 0\\ 0& 0& h_{11}^2& h_{12}^2\\ 0& 0& h_{21}^2& h_{22}^2\end{array}\right]\·\frac{1}{\sqrt{5}}\left[\begin{array}{cc}{2I}_2& I_2\\ I_2& -2I_2\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_{11}\\ x_{12}\\ x_{21}\\ x_{22}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_{11}\\ n_{12}\\ n_{21}\\ n_{22}\end{array}\right],$

这里采用了扩展旋转矩阵 $R=\frac{1}{\sqrt{5}}\left[\begin{array}{cc}2& 1\\ 1& -2\end{array}\right]$ 且I₂是2×2单位矩阵。

对于以上例子，公式中的4×4旋转矩阵可被改变为统一矩阵

$U=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0& \frac{\sqrt{2}}{2}\\ -\frac{1}{2}& \frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{2}}{2}& 0\\ 0& \frac{\sqrt{2}}{2}& \frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ -\frac{\sqrt{2}}{2}& 0& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\end{array}\right]$

该同一矩阵能够真实地最大化从单一天线***的信号空间分集方面归纳的最小乘积MIMO-符号距离，如在J.BouTros和E.ViTerbo的″SignalSpace DiversiTy：A Power-and Bandwidth-Efficient DiversityTechnique For the Rayleigh Fading Channel，″IEEE Trans.Information Theory，Vol.44，第453-1467页，1998年7月中所述。然而，两个矩阵都有简单的计算的旋转DFT-矩阵，参见Wei Zhang；Xiang-Gen Xia；Ching，P.C.；Haiquan Wang的″Rate two full-diversityspace-frequency code design for MIMO-OFDM″，Signal ProcessingAdvances in Wireless CommunicaTions，2005 IEEE 6Th Workshop onJune 2-8，2005，第303-307页，和余弦矩阵，参见Soo Ki Choi；SeungYoung Park；Chung Gu Kang的″Rotated Multidimensional ModulationFor Spatial Multiplexing Systems″，Vehicular TechnologyConference，2003.VTC 2003-Fall.2003 IEEE 58^Th，6-9 OcT.2003，第246-250页，Vol.1。

扩展旋转矩阵在这里用于为T＝3和T＝4的QPSK星座图和T＝2的16QAM提供附加分集。例如，T＝2的新3×1SMX***和16QAM为

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{h}_{11}^1& h_{12}^1& h_{13}^1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& h_{11}^2& h_{12}^2& h_{13}^2\end{array}\right]\·\frac{1}{\sqrt{17}}\left[\begin{array}{cc}4I_3& I_3\\ I_3& -4I_3\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_{11}\\ x_{12}\\ x_{13}\\ x_{21}\\ x_{22}\\ x_{23}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_{11}\\ n_{12}\\ n_{13}\\ n_{21}\\ n_{22}\\ n_{23}\end{array}\right],$

这里采用了3×3扩展旋转矩阵 $R=\frac{1}{\sqrt{17}}\left[\begin{array}{cc}4& 1\\ 1& -4\end{array}\right]$ 且I₃是3×3单位矩阵。

这个新SMX方案的分集阶数是T×N。图1比较了未编码的SMX***和根据用于两个发射天线和两个接收天线的具有符号扩展(T＝2)的优选实施例的SMX***的误码率性能。对于QPSK映射，在高SNR情况下，与传统的SMX***相比本发明的性能得到了大大的提升。BER为1e-4时，在传统SMX方案中采用本发明的符号扩展几乎有6dB的增益。在相同的4biTs/sec/Hz频谱效率下，当BER为1e-5时本发明的优选实施例比16-QAM Alamouti方案大约好2dB，其也在图1中显示出。

最大似然(ML)检测复杂度随分集阶数T呈指数增长。在一个优选实施例中，为了减少ML检测的计算量采用球解码，因为球解码可以在多项式复杂度T上获得接近的最大似然(ML)性能。球解码是可能的，因为本发明基本上是基于网格的编码。球解码只在位于接收向量中心的某一超球的格点处执行近点搜索。关于球解码的讨论请参见例如，H.Vikalo and B.Hassibi的″Maximum-Likelihood SequenceDetection of Multiple Antenna Systems over dispersive Channelsvia Sphere Decoding，″EUROSIP Jour.Appl.Sig.Proc 2002：5，第525-531页。

由于扩展旋转矩阵R的正交结构，MMSE接收机可以容易地推导为每个信道的T个单独的MMSE解映射器或ZF解映射器，最后加上与R的联合线性组合。例如，上面带有符号扩展的2×2SMX***的MMSE解映射器可以推导如下

${\left[\begin{array}{c}{\hat{x}}_1\\ {\hat{x}}_2\end{array}\right]}_{\mathrm{MMSE}}=\frac{1}{\sqrt{5}}\left[\begin{array}{cc}2I_2& I_2\\ I_2& -2I_2\end{array}\right]\·{(\left[\begin{array}{cc}{H}_1^h{H}_1& 0\\ 0& H_2^h{H}_2\end{array}\right]+{\mathrm{\σ}}^2{I}_4)}^{-1}\left[\begin{array}{cc}{H}_1^h& 0\\ 0& H_2^h\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]$

$=\frac{1}{\sqrt{5}}\left[\begin{array}{cc}2I_2& I_2\\ I_2& -2I_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{(h_1^h{H}_1+{\mathrm{\σ}}^2{I}_2)}^{-1}{H}_1^h\·y_1\\ {(H_2^h{H}_2+{\mathrm{\σ}}^2{I}_2)}^{-1}{H}_2^h\·y_2\end{array}\right]$

相似地，相同***的ZF解映射器可被推导如下

${\left[\begin{array}{c}{\hat{x}}_1\\ {\hat{x}}_2\end{array}\right]}_{\mathrm{ZF}}=\frac{1}{\sqrt{5}}\left[\begin{array}{cc}2I_2& I_2\\ I_2& \text{-2}{I}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\left(H_1^h{H}_1\right)}^{-1}{H}_1^h\·y_1\\ {\left(H_2^h{H}_2\right)}^{-1}{H}_2^h\·y_2\end{array}\right]$

由于与ML接收机相比MMSE和ZF接收机的次优属性，将会有一些性能损失。可以看出这个方案没有增加MMSE或ZF接收机的解码复杂度。图3显示了具有T个单独MMSE空间解映射器301的接收机，其在T个不同的MIMO信道205上接收T个块，并且在联合线性组合中组合这T个单独的MMSE空间解映射器301的输出和R302，该组合通过信道解码器304解码并输出为估计比特305。图4显示了为增加SMX通信***的分集在收发器***400中将图2的发射机200和图3的接收机300相结合。

为了使用带有符号扩展的SMX方案的优选实施例，执行缓冲203编码的输入信息比特201的映射的QAM符号向量202的步骤，直到T个块被接受并且接着用扩展矩阵204乘以每个块，最后在不同T个独立的MIMO信道205上传输由此输出的符号向量。图2显示了这个方法的流程图。

本发明的一个优选实施例能使现有技术的SMX***获得高分集，同时保持相同的传输率。本发明的一个直接应用是下一代(千兆位)多波段(MB)OFDM UWB***。本发明的一个优选实施例能够实现1Gbps模式，其与现有技术相比有更长的范围。本发明的一个优选实施例还可以作为多重块上的解码方案用于快速平坦衰落信道。

虽然已经图示说明并描述了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员将会理解这里描述的***，器件和方法是说明性的，并且可以进行各种变化和修改，以及可用等价物替代其元件而不偏离本发明的真实范围。此外，可以进行许多修改以使本发明的教导适应特定的情形而不偏离本发明的中心范围。因此，这里的意图是本发明不限于作为考虑用于实现本发明的最佳模式所公开的特定实施例，而是本发明包括在附加权利要求范围内的所有实施例。

Claims (34)

1.一种***(400)，用于具有分集的空间复用(SMX)通信***，包括：

接收机器件(300)，接收并解码(304)从T个不同的独立信道上收到的T个扩展符号向量；和

发射机器件(200)，扩展T个符号向量，然后在T个不同的独立信道(205)上发射这T个扩展向量，

其中增加了SMX通信***的分集并且保持了通信***的频谱效率和功率消耗的至少之一。

2.权利要求1所述的***，其中SMX通信***是一个多波段正交频分复用超宽带(MB OFDM UWB)***。

3.权利要求1所述的***(400)，其中T个不同的独立信道是多输入多输出(MIMO)信道(205)。

4.权利要求1所述的***(400)，其中T个不同的独立信道是快速平坦衰落信道。

5.权利要求1所述的***(400)，其中发射机进一步包括：

缓冲模块(203)，接收映射符号(202)并接着积累并输出T个符号向量块，每个所述映射符号包括编码的信息比特(201)；和

扩展模块(204)，扩展每一个块，所述扩展模块被耦合于缓冲模块(203)以接收缓冲模块输出的已积累的T个块，并且用预先指定的TxT扩展旋转矩阵R乘以每个块。

6.权利要求1所述的***(400)，其中接收机器件进一步包括N≥1个接收天线；和

发射机器件进一步包括M≥1个发射天线，并采用TxT扩展旋转矩阵R来扩展并旋转所述T个符号向量从而该通信***的分集阶数被增加至TxN。

7.权利要求6所述的***(400)，其中接收机器件进一步包括：

T个独立的解映射器(301)，对于每个信道(205)与扩展旋转矩阵R进行联合线性组合(302)，以创建组合的输出；和

信道解码器(304)，接收并解码所述组合的输出。

8.权利要求7所述的***(400)，其中解映射器(301)都选自最大均方误差(MMSE)空间解映射器和ZF解映射。

9.权利要求7所述的***(400)，其中解码器是球解码器(304)。

10.权利要求7所述的***(400)，其中发射机进一步包括：

缓冲模块(203)，接收映射符号(202)，并接着积累并输出T个符号向量块，每个所述映射符号包括编码的信息比特(201)；和

扩展模块(204)，扩展每一个块，所述扩展模块被耦合于缓冲模块(203)以接收缓冲模块(203)输出的已积累的T个块，并且用扩展旋转矩阵R乘以每个块。

11.权利要求10所述的***，其中SMX通信***是一个多波段正交频分复用超宽带(MB OFDM UWB)***。

12.权利要求10所述的***(400)，其中T个不同的独立信道是多输入多输出(MIMO)信道(205)。

13.权利要求10所述的***(400)，其中T个不同的独立信道是快速平坦衰落信道。

14.一种用于增加空间复用(SMX)通信***的分集的方法，包括步骤：

通过将每个块和预先指定的TxT扩展旋转矩阵R相乘来扩展和旋转包括编码信息比特的映射符号向量的T个块；和

在T个不同的独立信道(205)上发射T个扩展并旋转的向量，

其中，增加了SMX通信***的分集并且保持了通信***的频谱效率和功率消耗。

15.权利要求14所述的方法，其中SMX通信***是一个多波段正交频分复用超宽带(MB OFDM UWB)***。

16.权利要求14所述的方法，其中T个不同的独立信道是多输入多输出(MIMO)信道(205)。

17.权利要求14所述的方法，其中T个不同的独立信道是快速平坦衰落信道。

18.权利要求14所述的方法，进一步包括步骤为：

提供N≥1个接收天线和M≥1个发射天线，从而该SMX通信***的分集阶数被增加至TxN。

19.权利要求14所述的方法，进一步包括步骤为：

提供T个独立的解映射器(301)，每个信道(205)一个解映射器，解映射器与扩展旋转矩阵R联合线性组合(302)从而根据T个信道上所接收的T个信号来创建组合的解映射输出；

使用所提供的联合组合的T个独立的解映射器(301)来解映射并组合T个所接收的扩展并旋转的信号以生成解映射的解扩展并解旋转的信号；和

用解码器解码(304)解映射的解扩展并解旋转的信号。

20.权利要求19所述的方法，其中解码器是球解码器。

21.权利要求19所述的方法，其中解映射器(301)都是一种选自最大均方误差(MMSE)空间解映射器和ZF解映射器的器件。

22.一种用于具有分集的空间复用(SMX)通信***的发射机(200)，包括：

扩展器，扩展和旋转T个符号向量；

向量解析器，将T个扩展和旋转的向量分配在T个不同的独立信道(205)上，用于在其上进行传输，

其中，增加了SMX通信***的分集，并且保持了通信***的频谱效率和功率消耗的至少之一。

23.权利要求22所述的发射机(200)，其中SMX通信***是一个多波段正交频分复用超宽带(MB OFDM UWB)***。

24.权利要求22所述的发射机(200)，其中T个不同的独立信道是多输入多输出(MIMO)信道(205)。

25.权利要求22所述的发射机(200)，其中T个不同的独立信道是快速平坦衰落信道。

26.权利要求22所述的发射机(200)，进一步包括：

缓冲模块(203)，接收映射符号(202)并接着积累并输出T个符号向量块，每个所述映射符号包括编码的信息比特(201)；和

扩展模块(204)，扩展并旋转每个块，所述扩展模块被耦合于缓冲模块(203)以接收缓冲模块(203)输出的已积累的T个块，并且用预先指定的TxT扩展旋转矩阵R乘以每个块。

27.权利要求22所述的发射机(200)，其中发射机器件进一步包括M≥1个发射天线并采用TxT扩展旋转矩阵R来扩展和旋转T个符号向量，从而通信***的分集阶数增加到TxN，这里N是接收机的接收天线的数量，该接收机接收由发射机(200)在T个信道(205)上发射的扩展并旋转的T个符号。

28.一种用于接收具有分集的空间复用(SMX)通信***的T≥1个扩展并旋转的信号的接收机(300)，包括：

T个独立的空间解映射器，对已经由矩阵R扩展和旋转并在T个不同的独立信道(205)上由N≥1个接收天线接收的T个符号向量进行解映射；

组合器，从T个独立的空间解映射器接收T个解映射的符号向量并进行联合线性组合；和

解码器(304)，接收和解码所述组合的输出，

其中，增加了SMX通信***的分集，并且保持了通信***的频谱效率和功率消耗的至少之一。

29.权利要求28所述的接收机(300)，其中解映射器(301)都是一种选自最大均方误差(MMSE)空间解映射器和ZF解映射器的器件。

30.权利要求29所述的接收机(300)，其中解码器是球解码器(304)。

31.权利要求30所述的接收机(300)，其中SMX通信***是一个多波段正交频分复用超宽带(MB OFDM UWB)***。

32.权利要求30所述的接收机(300)，其中T个不同的独立信道是多输入多输出(MIMO)信道(205)。

33.权利要求30所述的接收机(300)，其中T个不同的独立信道是快速平坦衰落信道。

34.权利要求30所述的接收机(300)，其中R是TxT扩展旋转矩阵并且SMX通信***的分集阶数被增加到TxN。

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