一種基于星座旋轉的多天線傳輸方法和系統的制作方法

專利名稱：一種基于星座旋轉的多天線傳輸方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及MIMO系統中的信號傳輸技術。特別是，涉及一種基于星座旋轉的多天線傳輸方法和系統。
背景技術：
隨著無線網絡和因特網的逐漸融合，人們對無線通信業務的類型和質量的要求越來越高。為滿足無線多媒體和高速率數據傳輸的要求，需要開發新一代無線通信系統。其中多天線輸入和輸出(MIMO)技術越來越受到人們的關注。
在MIMO系統中，發送端利用多根天線進行信號的發送，接收端利用多根天線進行信號的接收。研究表明，相比于傳統的單天線傳輸方法，MIMO技術可以顯著地提高信道容量，從而提高信息傳輸速率。另外，MIMO系統采用的發送和接收天線數愈多，其可提供的信息傳輸速率就愈高。我們知道，空間的天線資源相比較于時頻資源幾乎是無限可利用的，因此MIMO技術有效突破了傳統研究中的瓶頸，成為了下一代無線通信系統的核心技術之一。
從發送方法上來看，MIMO系統可以粗略的分為兩大類空間復用MIMO發送和空間分集MIMO發送。在空間復用MIMO發送系統中，發送端各天線上發送的數據相互獨立，即是一種全速率(即各天線上發送符號間無冗余)的發送方式。但其缺點是只能獲得空間分集，無法獲得時間分集。而對于空時分集MIMO發送來說，其先對發送數據進行空時編碼再將其發送出去。通過空時分集，使得發送符號間引入信息冗余，從而在性能上既可以空間分集，亦可以獲得時間分集。然而，該發送方法也有一個缺點傳輸效率會有損失，即無法實現全速率發送。
圖1所示為傳統的空間復用MIMO系統結構示意圖。
在該結構中，發送端和接收端分別采用nT和nR個天線進行信號的發送和接收。在發送端，待發送的數據首先經過信道編碼101和星座調制102，再經過串/并變換103分成nT路數據子流，然后將每個數據子流從其對應的一個發送天線上發送出去。在接收端，首先由nR個接收天線111將空間全部信號接收下來。然后，由信道估計單元113根據該接收信號中的導頻信號或采用其他方法進行信道估計，估計出當前的信道轉移函數矩陣H(對于MIMO系統來說，其信道特性可以用一個nR×nT的矩陣來描述)。接下來，MIMO檢測單元112根據信道特性矩陣H，對各個發送數據子流進行檢測。最終得到原始的發送數據。
對于MIMO檢測單元112來說，在實現中可以采用多種方法，包括(1)最大似然檢測(MLD)；(2)線性檢測方法，如迫零(ZF)，最小均方誤差(MMSE)等；(3)干擾抵消檢測方法，如串行干擾抵消(SIC)，并行干擾抵消(PIC)等。
前面提到，對于傳統的如圖1所示的空間復用MIMO發送來說，其優點是可以實現全速率發送，即獲得最大的傳輸效率。但由于其在每個時刻發送的數據相互獨立，因此從MIMO檢測性能上來說，只能獲得空間分集，而無法獲得時間分集(MIMO檢測時每個時刻獨立檢測，沒有也無需時間上的聯合檢測)。為此，如何能設計一種能同時獲得空間和時間分集，又能實現全速率發送的MIMO傳輸方式是實現未來寬帶無線通信所要解決的一個重要課題。

發明內容
本發明的目的在于提供了一種高性能的、全速率的MIMO傳輸方法。
根據本發明的第一方案，提出了一種基于星座旋轉的多天線傳輸方法，包括以下步驟；對待發送數據進行信道編碼、星座調制和串/并變換，得到M路并行調制符號流，M為自然數；針對每一路調制符號流，并行地執行組塊、星座旋轉、正交分離、交織、正交合并操作；根據時間順序，依次選取M路調制符號流，每次將一路調制符號流中的nT個符號一一映射到nT個發射天線上，在同一時刻進行發送，循環進行這種選擇映射發送；通過nR個接收天線，nR大于或等于nT，接收多個間隔時刻上的全部空間信號；對所接收到的、具有空間和時間分布的信號進行合并，恢復出調制符號塊，同時，進行信道估計，構造出與上述調制符號塊相對應的等效信道矩陣；以及根據等效信道矩陣，對調制符號塊進行空時聯合檢測，恢復出原始的發送數據。
優選地，針對每一路調制符號流所執行的組塊、星座旋轉、正交分離、交織、正交合并操作為按照輸入時間順序，根據發射天線的個數nT，以NnT個符號長度為塊長，對調制符號流進行分塊，在每個調制符號塊中，包括N個長度為nT個符號的子塊，nT為自然數，N為大于或等于2的自然數；將每個調制符號旋轉預先確定的星座旋轉角度θ；將每個旋轉后的調制符號分離為相互正交的兩路分量；在每個調制符號塊NnT中，對分離后的兩路分量中的至少一路進行交織，生成交織后的兩路分量；以及作為上述正交分離步驟的逆操作，對交織后的兩路分量進行合并，生成一路待映射符號流。
優選地，在每個調制符號塊NnT中，對分離后的兩路分量中的至少一路進行交織，使交織后的分量與交織前相比，在同一個子塊內，不存在相同的元素。
優選地，所述方法還包括根據信道狀態，自適應地選取M的數值，當信道時變較快時，選擇較小的M值，以及當信道時變較慢時，選擇較大的M值。還優選地，根據信道的最大多普勒頻移fd與發送時間間隔T的乘積，來選取M的數值。
根據本發明的第二方案，提出了一種基于星座旋轉的多天線傳輸方法，包括以下步驟對待發送數據進行串/并變換，得到M路并行數據流，M為自然數；針對每一路數據流，并行地執行自適應調制和編碼、組塊、星座旋轉、正交分離、交織、正交合并操作；根據時間順序，依次選取M路調制符號流，每次將一路調制符號流中的nT個符號一一映射到nT個發射天線上，在同一時刻進行發送，循環進行這種選擇映射發送；通過nR個接收天線，nR大于或等于nT，接收多個間隔時刻上的全部空間信號；對所接收到的、具有空間和時間分布的信號進行合并，恢復出調制符號塊，同時，進行信道估計，構造出與上述調制符號塊相對應的等效信道矩陣；以及根據等效信道矩陣以及通過反饋信道確定的、自適應調制和編碼所采用的參數，對調制符號塊進行空時聯合檢測，恢復出原始的發送數據。
根據本發明的第三方案，提出了一種多天線傳輸系統，包括信道編碼裝置，對待發送數據進行信道編碼；星座調制裝置，對編碼后的數據進行星座調制；串/并變換裝置，對星座調制后的數據進行串/并變換，得到M路并行調制符號流，M為自然數；M個組塊裝置，分別針對每一路調制符號流，對所述調制符號流進行組塊操作；M個預處理裝置，分別針對每一路調制符號流，并行地執行星座旋轉、正交分離、交織、正交合并操作；選擇映射裝置，根據時間順序，依次選取M路調制符號流，每次將一路調制符號流中的nT個符號一一映射到nT個發射天線上，在同一時刻進行發送，循環進行這種選擇映射發送；選擇合并裝置，通過nR個接收天線，nR大于或等于nT，接收多個間隔時刻上的全部空間信號，對所接收到的、具有空間和時間分布的信號進行合并，恢復出調制符號塊；信道估計和等效信道構建裝置，進行信道估計，構造出與上述調制符號塊相對應的等效信道矩陣；以及空時聯合檢測裝置，根據等效信道矩陣，對調制符號塊進行空時聯合檢測，恢復出原始的發送數據。
優選地，所述M個組塊裝置中的每一個按照輸入時間順序，根據發射天線的個數nT，以NnT個符號長度為塊長，對調制符號流進行分塊，在每個調制符號塊中，包括N個長度為nT個符號的子塊，nT為自然數，N為大于或等于2的自然數。
還優選地，所述M個預處理裝置中的每一個包括星座旋轉裝置，將每個調制符號旋轉預先確定的星座旋轉角度θ；正交分離裝置，將每個旋轉后的調制符號分離為相互正交的兩路分量；交織裝置，在每個調制符號塊NnT中，對分離后的兩路分量中的至少一路進行交織，生成交織后的兩路分量；正交合并裝置，作為上述正交分離裝置的對應裝置，對交織后的兩路分量進行合并，生成一路待映射符號流。
根據本發明的第四方案，提出了一種多天線傳輸系統，包括串/并變換裝置，對待發送數據進行串/并變換，得到M路并行數據流，M為自然數；M個自適應調制和編碼裝置，分別針對每一路數據流，并行地執行自適應調制和編碼，生成調制符號流；M個組塊裝置，分別針對每一路數據流，并行地對所述調制符號流進行組塊操作；M個預處理裝置，分別針對每一路數據流，并行地執行星座旋轉、正交分離、交織、正交合并操作；選擇映射裝置，根據時間順序，依次選取M路調制符號流，每次將一路調制符號流中的nT個符號一一映射到nT個發射天線上，在同一時刻進行發送，循環進行這種選擇映射發送；選擇合并裝置，通過nR個接收天線，nR大于或等于nT，接收多個間隔時刻上的全部空間信號，對所接收到的、具有空間和時間分布的信號進行合并，恢復出調制符號塊；信道估計和等效信道構建裝置，進行信道估計，構造出與上述調制符號塊相對應的等效信道矩陣；以及空時聯合檢測裝置，根據等效信道矩陣，對調制符號塊進行空時聯合檢測，恢復出原始的發送數據。
本發明公開了一種基于星座旋轉的多天線傳輸方法和系統。其中，發送端并行發送M路調制符號流，對每路符號流依次進行組塊、星座旋轉、IQ路分離、Q路交織、IQ路合并、選擇映射，然后將其發送出去。在接收端，首先對接收信號進行選擇合并，得到發送端每路符號塊經信道后所對應的接收信號，然后對其進行空時聯合MIMO檢測。
本發明通過星座旋轉和Q路交織，將同一調制符號映射到2個時刻上進行傳輸。同時，對于同一符號塊內的信號采取間隔時間發送的方法，有效地降低了同一塊內傳輸信道的相關性。因此，本發明可以在獲得空間分集的同時獲得時間分集，從而得到性能的提高。


下面將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述，其中圖1為傳統的空間復用MIMO系統結構示意圖；圖2為根據本發明實施例的MIMO系統結構示意圖；圖3為根據本發明實施例的發送端預處理單元203的詳細示意圖；圖4為根據本發明實施例的發送端選擇映射單元204的詳細示意圖；圖5為根據本發明實施例中發送端對每個符號流的操作流程圖；圖6為星座旋轉示意圖；圖7為優化交織圖案的選取流程圖；圖8為優化交織的示例的示意圖；圖9為選擇映射流程圖；圖10為選擇映射輸入和輸出的示意圖；圖11為選擇映射結果的示例的示意圖；
圖12為I路交織的示意圖；圖13為IQ同時交織的示意圖；圖14為根據本發明實施例中接收端的操作流程圖；圖15為選擇合并單元211的詳細示意圖；圖16為選擇合并輸入和輸出的示意圖；圖17為本發明在自適應MIMO系統中的應用示意圖；圖18為本發明與傳統方法的性能比較曲線圖。
具體實施例方式
下面結合

本發明的具體實施方式
。應該指出，所描述的實施例僅是為了說明的目的，而不是對本發明范圍的限制。所描述的各種數值并非用于限定本發明，這些數值可以根據本領域普通技術人員的需要進行任何適當的修改。
圖2所示為根據本發明實施例的MIMO系統結構的示意圖。
在該結構中，發送端和接收端分別采用nT和nR個天線進行信號的發送和接收。在發送端，首先對待發送的數據進行信道編碼101，星座調制102和串/并變換201。串/并變換201之后，得到M路(M為自然數)并行調制符號流。接下來，并行地對每路符號流進行組塊202和預處理203操作。組塊單元202將其輸入的串行符號流按輸入時間順序分成若干符號塊，每個符號塊包含NnT個(N為大于或等于2的自然數)調制符號。最后，對M路經預處理203后的符號塊進行選擇映射204，之后從nT個發送天線104上發送出去。
在接收端，首先由nR個接收天線111將若干間隔時刻上的全部空間信號接收下來。然后，由選擇合并單元211對這些時間和空間上的信號進行選擇合并，恢復出發送端每路符號塊經MIMO信道后所對應的接收信號。同時，需要根據該接收信號中的導頻信號或采用其他方法進行信道估計，估計出這些接收時刻上的MIMO信道轉移函數矩陣H。接下來，由等效信道矩陣構建單元213構建出與每一路符號塊相對應的等效信道矩陣，并由聯合MIMO檢測單元212根據該等效信道特性矩陣，依次對每個塊內數據進行空時聯合檢測，最終得到原始的發送數據。
就發送端而言，本發明的方法與傳統方法有三點不同
(1)發送端并行發送M路調制符號流，而非傳統方法中并行發送nT路符號流，也就是說這里并行發送的符號流數不需限制在與發送天線數一樣。相對應地，串/并單元201的輸出為M路并行符號流，這里M值大小由系統給定，可以采用固定值或自適應選取的方法，文中后面將給出示例。
(2)對串/并單元201輸出的M路并行符號流，進行組塊202和預處理203操作。
(3)對M路經預處理203后的符號塊，在發送之前進行選擇映射204。
相應地，在本發明的接收端與現有技術的不同之處包括(1)選擇合并操作211，即接收端對間隔時刻上接收到的所有空間信號進行選擇合并，恢復出發送端每路符號塊經MIMO信道后所對應的接收信號。
(2)空時聯合MIMO檢測212。傳統方法中對每個時刻上的接收信號進行獨立MIMO檢測，而本發明中對間隔時刻上的接收信號進行聯合檢測。
具體說來，圖2中的預處理單元203和選擇映射單元204可以進一步詳細地如圖3和圖4所示構成。
圖3所示為發送端預處理單元203的詳細示意圖。
圖4所示為發送端選擇映射單元204的詳細示意圖。
圖3中，其輸入信號為圖2中每路符號流經組塊操作202后的輸出，即長度為NnT的符號塊。圖3所示的預處理單元203的操作包括星座旋轉301，IQ路分離302，Q路交織303，以及IQ路合并304。
圖4中，其輸入信號為圖2中M路經組塊和預處理后的輸出符號流。圖4所示的選擇映射單元204包括子流選取401和串/并變換402兩個單元。
更進一步，本發明中的發送端對圖2中串/并變換201輸出的每個符號流的操作可以用圖5所示的流程圖來描述。
圖5所示為本發明中的發送端對每個符號流的操作流程圖。
(1)組塊操作，如S501所示。參考圖2，在圖2中的串/并變換201之后，首先對輸出的并行符號流進行組塊操作202。組塊操作202對其輸入的串行符號流按輸入時間順序進行分塊，每個符號塊包含NnT個調制符號。我們將串/并變換201后第m路符號流經分塊后的信號，即第m路符號塊用Sm={sm,0,sm,1,sm,2,...,sm,NnT-1}]]>來表示，其中m＝0，1，...，M-1。
(2)星座旋轉操作，如S502所示。從實現上看，星座旋轉即是對輸入的每個調制符號的相位旋轉θ弧度，對于第m路符號塊Sm={sm,0,sm,1,sm,2,...,sm,NnT-1}]]>來說，經星座旋轉后其輸出為S^m={s^m,0,s^m,1,s^m,2,...,s^m,NnT-1},]]>其中m，i＝sm，iejθ，i＝0，1，...，NnT。θ值一般由系統初始設定。
圖6所示為星座旋轉示意圖。
其中圖中左邊的部分為星座旋轉前的QPSK調制星座，圖中右邊的部分為星座旋轉后的QPSK調制星座。
(3)IQ路分離操作，如S503所示。通信系統中一般以復數的形式來描述基帶的調制信號。對于一個復符號s來說，IQ路表示其相應的同相和正交分量，即實部和虛部。經IQ路分離后，復符號s的I路為R(s)，Q路為I(s)，其中R(.)和I(.)分別表示復數的實部和虛部，同時有s＝R(s)+jI(s)。由此，星座旋轉后的第m路符號塊S^m={s^m,0,s^m,1,s^m,2,...,s^m,NnT-1}]]>經IQ路分離后，其I路輸出為R(S^m)={R(s^m,0),R(s^m,1),R(s^m,2),...,R(s^m,NnT-1)},]]>其Q路輸出為I(S^m)={I(s^m,0),I(s^m,1),I(s^m,2),...,I(s^m,NnT-1)}.]]>(4)Q路交織，如S504所示。在這一步驟里，對Q路信號進行交織時交織長度等于塊長NnT，交織方法有兩種一般交織和優化交織。
對于一般交織來說，即是采用任一種傳統的交織方法對Q路信號進行交織。假設這里采用的交織圖案為P＝{k0，k1，k2，...，kNnT-1}，P為序列{0，1，2，...，nT-1}的一種置亂結果。則經一般交織后，Q路輸出由I(S^m)={I(s^m,0),I(s^m,1),I(s^m,2),...,I(s^m,NnT-1)}]]>變為P{I(S^m)}={I(s^m,k0),I(s^m,k1),I(s^m,k2),...,I(s^m,k(NnT-1))}.]]>優化交織與一般交織的不同之處在于，在交織前增加了對交織圖案P的選取過程，其選取的準則是交織后與交織前相比，同子塊內不存在相同元素。這里相鄰的nT個元素為一子塊。
圖7所示為優化交織圖案的選取流程圖。
初始時，已知參數N和nT，其含義同前。已知自然順序序列P0，其長度為NnT，即有P0＝{0，1，2，...，NnT-1}，如S701。在圖7所示的優化交織圖案選取中，首先產生長度為NnT的交織圖案P，其可以是任一種傳統交織下的交織圖案，如步驟S702所示。然后，將交織圖案P劃分為N個子塊，相鄰nT個元素為一子塊，如步驟S703所示。接下來，比較P與P0中的相應子塊，如兩者存在相同元素，則認為P非優化交織圖案，需要重新選取；如果P與P0中相對應子塊均不存在相同元素，則認為P為優化交織圖案，整個選取過程結束。如步驟S704～708所示。
關于對交織圖案P的選取過程，說明如下假設N＝3，nT＝3，即塊長為9。假設交織前的序列下標為P0＝{0，1，2，3，4，5，6，7，8}，交織后的序列下標為P＝{k0，k1，k2，k3，k4，k5，k6，k7，k8}。在考察交織圖案P是否滿足優化準則時首先對該序列進行分子塊。P0經分子塊后變為{(0，1，2)，(3，4，5)，(6，7，8)}，P0經分組后變為{(k0，k1，k2)，(k3，k4，k5)，(k6，k7，k8)}，其中子塊的個數為N，子塊長為nT。此時，若P中某一子塊與P0中相對應子塊存在相同元素，則認為該交織圖案不符合優化準則，需要重新選取。
圖8所示為優化交織示例。
圖8中，給出以下兩個例子。
例一若P＝{(5，7，8)，(4，2，6)，(1，3，0)}，其中第一子塊(5，7，8)與P0中第一子塊(0，1，2)不存在相同元素，第三子塊(1，3，0)與P0中第三子塊(6，7，8)也不存在相同元素，但第二子塊(4，2，6)與P0中第二子塊(3，4，5)存在相同元素4，則認為該交織圖案P不符合優化準則，需要重新選取。
例二若P＝{(5，7，8)，(1，2，6)，(4，3，0)}，可見此時P中任一子塊與P0中相應子塊都不存在相同元素，因此滿足優化準則，可以使用。
(5)IQ路合并操作，如S505所示。IQ路合并是IQ路分離S503的逆操作。經IQ合并，得到S′m=R(S^m)+jP{I(S^m)}]]>={s′m,0,s′m,1,...,s′m,NnT-1}]]>={R(s^m,0)+jI(s^m,k0),R(s^m,1)+jI(s^m,k1),...,R(s^m,NnT-1)+jI(s^m,k(NnT-1))}]]>(6)選擇映射和發送步驟，如S506和S507所示。參考圖4，如前所述，圖4所示的選擇映射單元包括子流選取401和串/并變換402兩個單元。具體說來，子流選取單元401在時間上依次對輸入的M路信號進行選取，每次選取長度為nT的信號輸出送給串/并變換單元402。所述的對發送符號塊的選擇映射中，選擇映射單元將所有M路信號(每塊長NnT)共MNnT個符號映射到時間上連續的MN個時刻上發送出去，每個時刻發送nT個符號，在映射時，要求同一塊的數據映射到間隔的時刻上，即在間隔的時刻上發送，比如，塊0上的NnT個符號在時刻0，M，2M，...，(N-1)M上發送，每個時刻發送nT個符號；塊1上的NnT個符號在時刻1，M+1，2M+1，...，(N-1)M+1上發送，每個時刻發送nT個符號；依此類推。
圖9所示為選擇映射的流程圖。
其中，依次選取M個子流(循環進行)，對其進行串/并變換然后輸出，如S801～S806。其中，每次選取、串/并變換的長度為nT。
圖10所示為選擇映射輸入和輸出示意圖。
圖10中，假設系統參數為M＝4，N＝2，nT＝3，選擇映射的輸入有M＝4路信號，每路符號塊長為NnT＝6，其中第1路符號塊表示為{A0，A1，...，A5}，第2路符號塊表示為{B0，B1，...，B5}，第3路符號塊表示為{C0，C1，...，C5}，第4路符號塊表示為{D0，D1，...，D5}。在進行選擇映射時，子流選取單元401首先選取第1路信號的前nT＝3個符號{A0，A1，A2}，然后將其進行串/并變換輸出至各個發送天線；然后選取第2路信號的前nT＝3個符號{B0，B1，B2}，然后將其進行串/并變換輸出；再選取第3路信號的前nT＝3個符號{C0，C1，C2}，然后將其進行串/并變換輸出；再選取第4路信號的前nT＝3個符號{D0，D1，D2}，然后將其進行串/并變換輸出；接下來重新選取第1路信號的后nT＝3個符號{A3，A4，A5}，然后將其進行串/并變換輸出；依此類推。由此，最后各個時刻、各個天線上的發送信號形式如圖10中右邊的部分所示。
考慮一般參數情況，選擇映射所要完成的操作便是將所有M路信號(每塊長NnT)共MNnT個符號映射到時間上連續的MN個時刻上發送出去，每個時刻發送nT個符號。在映射時，要求同一塊的數據映射到間隔的時刻上，即在間隔的時刻上發送。比如，塊0上的NnT個符號在時刻0，M，2M，...，(N-1)M上發送，每個時刻發送nT個符號；塊1上的NnT個符號在時刻1，M+1，2M+1，...，(N-1)M+1上發送，每個時刻發送nT個符號；依此類推。
考慮如下系統參數M＝4，N＝2，nT＝2。其中第m路符號塊表示為Sm＝{sm，0，sm，1，sm，2，sm，3}，其中m＝0，1，2，3。該信號依次經星座旋轉，IQ路分離，Q路交織，IQ路合并后得到S′m＝{R(m，0)+jI(m，k0)，R(m，1)+jI(m，k1)，R(m，2)+jI(m，k2)，R(m，3)+jI(m，k3)}。那么，經S506選擇映射操作后，以如圖8所示的方式發送。即第0時刻發送第0塊的前2(即nT)個符號，第1時刻發送第1塊的前2個符號，第2時刻發送第2塊的前2個符號，第3時刻發送第3塊的前2個符號；第4時刻發送第0塊的后2個符號，第5時刻發送第1塊的后2個符號，第6時刻發送第2塊的后2個符號，第7時刻發送第3塊的后2個符號。
圖11所示為選擇映射結果示例。
以上給出了發明方法中發送端對每個符號塊的操作流程。其中，關于M和N數值的選取，一般由系統初始設定。另外，M值也可以采用自適應選取的方法。另外，在實際系統中，Q路交織也可以用I路交織代替，其余IQ分離，IQ合并，以及交織方法不變，或者采用I和Q路同時交織的方法。
圖12所示為I路交織示意圖。
圖13所示為IQ同時交織示意圖。
可以將發送端第m路符號塊表示為S′m＝{S′m(0)，S′m(1)，...，S′m(N-1)}，其中S′m(n)為S′m中第n個長度為nT的子塊，即S′m(n)＝{S′m(nnT)，S′m(nnT+1)，...，S′m(nnT+nT-1)}。在接收端，根據前面所述的發送時的選擇映射特點，可以將連續MN個時刻上的接收信號表示為Y＝{Y0(0)，Y1(0)，...，YM-1(0)，Y0(1)，Y1(1)，...，YM-1(1)，...}，其中Ym(n)對應為發送S′m(n)時的接收向量，其為一nR*1向量。
可以將這MN個時刻上的發送信號與接收信號的關系用如下的矩陣形式描述Y＝H S+N (1)其中，Y＝[Y0(0)，Y1(0)，...，YM-1(0)，Y0(1)，Y1(1)，...，YM-1(1)，...]為接收信號矩陣，其維數為nR*(MN)；H＝[H(0)，H(1)，...，H(MN-1)]表示這MN時刻上的MIMO信道矩陣，其維數為nR*(nTMN)，其中H(j)表示第j時刻的信道特性矩陣；S＝[(S′0(0))T，(S′1(0))T，...，(S′M-1(0))T，(S′0(1))T，(S′1(1))T，...，(S′M-1(1))T，...]為發送信號矩陣，其維數為nT*(MN)，()T表示轉置；N表示接收端的加性高斯白噪聲(AWGN)，其維數為nR*(MN)。
接收端將空間信號接收下來以后，對接收信號的處理過程可以用圖14所示的流程圖描述。
圖14所示為本發明中接收端的操作流程。
接收端的操作具體包括(A)選擇合并，如S901。
該步驟即是對應圖2中選擇合并單元211的操作。簡單說來，該步驟的操作是對發送端選擇映射過程的逆操作，即是從所有接收信號中將屬于同一塊的信號重新組合起來，以便于接下來對每一塊的聯合檢測。圖2的選擇合并單元211可以如圖10詳細所示。
圖15所示為選擇合并單元211細化示意圖。
圖15中，選擇合并單元211包括并/串變換單元1001和解復接單元1002。其中，首先由并/串變換單元1001對接收天線接收的nR路并行信號進行并/串轉換，然后由解復接單元1002在時間上依次對并/串變換單元1001的輸出進行解復接操作。具體說來，解復接單元1002每次收集長度為nT的信號，然后依次在各輸出支路輸出，解復接單元對應輸出分支數為M。比如，第1個長度為nT的信號塊在支路1上輸出，第2個長度為nT的信號塊在支路2上輸出，依此類推。
圖16所示為選擇合并輸入和輸出示意圖。
圖16中，假設系統參數為M＝4，N＝2，nR＝3。接收端在連續MN＝8個時刻上，從nR＝3個接收天線上接收到的信號如圖16中左邊的部分所示，其中橫軸為時間軸，縱軸為空間軸。在進行選擇合并時，將時刻0上的接收信號{A0，A1，A2}解復接到其第1個分支上輸出；將時刻1上的接收信號{B0，B1，B2}解復接到其第2個分支上輸出；將時刻2上的接收信號{C0，C1，C2}解復接到其第3個分支上輸出；將時刻3上的接收信號{D0，D1，D2}解復接到其第4個分支上輸出。然后繼續重復操作，即將將時刻4上的接收信號{A3，A4，A5}解復接到其第1個分支上輸出；依此類推。由此，最后選擇合并單元輸出的信號形式如圖16中右邊所示。
從數學形式上來說，選擇合并的操作即是將式(1)中接收信號Y＝[Y0(0)，Y1(0)，...，YM-1(0)，Y0(1)，Y1(1)，...，YM-1(1)，...]按發送符號塊的不同區分開來。由此，得到第m塊發送符號的接收信號為
(2)其中Ym＝[(Ym(0))T，(Ym(1))T，...，(Ym(N-1))T]T為在所有MN個時刻上抽取的發送信號為第m塊符號S′m＝{S′m(0)，S′m(1)，...，S′m(N-1)}時的接收信號。
(B)求等效信道，如S902。
這里，雖然由式(2)已經求出了針對第m塊符號S′m＝{S′m(0)，S′m(1)，...，S′m(N-1)}的信道特性矩陣 但由于這里的發送符號塊S′m＝{S′m(0)，S′m(1)，...，S′m(N-1)}是經過一系列變換后的符號流，而非原始的調制符號流，因此這里無法直接利用上面的信道矩陣Hm進行MIMO檢測。
這一步里，希望將式(2)變換為式(3)的形式Y‾m=Ym(0)Ym(1)···Ym(N-1)=HeffS+N‾m---(3)]]>其中Heff即為與原始符號序列S相對應的，可直接用于MIMO檢測的等效信道矩陣。
要得到等效信道矩陣Heff，對式(2)中的第m塊發送符號S′m＝{S′m(0)，S′m(1)，...，S′m(N-1)}進行變換，有
(S′m)T=[S′m(0),S′m(1),...,S′m(N-1)]T]]>=[s′m,0,s′m,1,...,s′m,NnT-1]T]]>=R([s′m,0,s′m,1,...,s′m,NnT-1]T)+jI([s′m,0,s′m,1,...,s′m,NnT-1]T)]]>=R([s^m,0,s^m,1,...,s^m,NnT-1]T)+jP^I([s^m,0,s^m,1,...,s^m,NnT-1]T)]]>=ejθ{R([sm,0,sm,1,...,sm,NnT-1]T)+jP^I([sm,0,sm,1,...,sm,NnT-1]T)}]]> 其中， 為與發送端Q路交織相對應的置換矩陣，INnT為NnT維的單位陣。
將式(4)代入式(2)，則式(3)變為Y‾m=Ym(0)Ym(1)···Ym(N-1)=HeffR(sm,0)···R(sm,NnT-1)I(sm,0)···I(sm,NnT-1)+N‾m---(5)]]>(4)其中，等效信道矩陣為 (C)聯合MIMO檢測，如S903。
在此步驟里，利用上面所得的等效信道矩陣，采用傳統MIMO檢測方法對式(5)中的調制符號向量[R(sm，0)，…，R(sm，NnT-1)，I(sm，0)，…，I(sm，NnT-1)]進行檢測。
前面描述的從(B)到(C)的操作只是針對單個符號塊進行的，因此對于選擇合并單元輸出的M個符號塊，需要重復(B)到(C)的過程，即逐塊進行MIMO檢測。當所有符號塊檢測完畢之后，進行解調和譯碼最后得到原始發送信息。
對于圖2中所示的本發明的MIMO系統結構，在實際系統中也可以有所變化。考慮MIMO中采用自適應調制和編碼(AMC)的情況，即不同符號流采用不同的調制和編碼參數的情況。圖2中的發明方法可以變化為圖17所示。
圖17所示為本發明在自適應MIMO系統中的應用示意圖。
與圖2相比，圖17的不同之處僅在于，此時并行的M個符號流采用AMC而非圖2中的固定的編碼和調制。相應的，接收端增加了自適應參數選取單元及反饋信道。
此外，前面提到在實際系統中，M和N數值一般由系統初始設定。同時，M值也可以采用自適應選取的方法。其基本思想是對于信道時變較快的情況，選取較小的M值；對于信道時變較慢的情況，選取較大的M值。在實際系統中，可以根據實際的fd和T大小進行查表選取相應的M值，其中fd為最大多普勒頻移，T為MIMO發送時間間隔。
表1所示為根據系統參數自適應選取M值示例。
表1

圖18所示為本發明所采用的方法與傳統方法的性能比較。
仿真中給出了采用傳統MIMO傳輸方法與本發明方法下的BER性能比較。其中，發送天線數nT為2，接收天線數nR為2。信道采用平坦MIMO信道，天線間信道獨立，N為2，M值足夠大(使得時域上間隔M個發送時刻的信道間不相關)。傳統和發明方法均采用方形QPSK調制，MIMO檢測為最大似然(ML)檢測。另外，星座旋轉角度θ為26.6°。從圖18的仿真結果可見，發明方法可以獲得更優的BER性能。我們認為，發明方法中性能提高的原因有四點(1)星座旋轉使得旋轉后的I路和Q路都包含原先的兩路(I路和Q路)信息；(2)Q路交織使得一個復符號擴展到兩個信道上傳輸；(3)發送延遲消除信道時域相關性；(4)接收端采用時域和空域上的聯合MIMO檢測。
盡管已經針對典型實施例示出和描述了本發明，本領域的普通技術人員應該理解，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，可以進行各種其他的改變、替換和添加。因此，本發明不應該被理解為被局限于上述特定實例，而應當由所附權利要求所限定。
權利要求
1.一種基于星座旋轉的多天線傳輸方法，包括以下步驟對待發送數據進行信道編碼、星座調制和串/并變換，得到M路并行調制符號流，M為自然數；針對每一路調制符號流，并行地執行組塊、星座旋轉、正交分離、交織、正交合并操作；根據時間順序，依次選取M路調制符號流，每次將一路調制符號流中的nT個符號一一映射到nT個發射天線上，在同一時刻進行發送，循環進行這種選擇映射發送；通過nR個接收天線，nR大于或等于nT，接收多個間隔時刻上的全部空間信號；對所接收到的、具有空間和時間分布的信號進行合并，恢復出調制符號塊，同時，進行信道估計，構造出與上述調制符號塊相對應的等效信道矩陣；以及根據等效信道矩陣，對調制符號塊進行空時聯合檢測，恢復出原始的發送數據。
2.根據權利要求1所述的多天線傳輸方法，其特征在于針對每一路調制符號流所執行的組塊、星座旋轉、正交分離、交織、正交合并操作為按照輸入時間順序，根據發射天線的個數nT，以NnT個符號長度為塊長，對調制符號流進行分塊，在每個調制符號塊中，包括N個長度為nT個符號的子塊，nT為自然數，N為大于或等于2的自然數；將每個調制符號旋轉預先確定的星座旋轉角度θ；將每個旋轉后的調制符號分離為相互正交的兩路分量；在每個調制符號塊NnT中，對分離后的兩路分量中的至少一路進行交織，生成交織后的兩路分量；以及作為上述正交分離步驟的逆操作，對交織后的兩路分量進行合并，生成一路待映射符號流。
3.根據權利要求2所述的多天線傳輸方法，其特征在于所述接收步驟為根據發送端設置的M和N，通過nR個接收天線，接收N個間隔時刻上的全部空間信號，所述N個間隔時刻兩兩間隔M-1個時刻。
4.根據權利要求3所述的多天線傳輸方法，其特征在于所述等效信道矩陣構造步驟包括進行信道估計，估計出在上述N個間隔時刻上傳輸信道的轉移函數矩陣；以及根據傳輸信道的轉移函數矩陣，構造出與上述調制符號塊相對應的等效信道矩陣。
5.根據權利要求2所述的多天線傳輸方法，其特征在于在每個調制符號塊NnT中，對分離后的兩路分量中的至少一路進行交織，使交織后的分量與交織前相比，在同一個子塊內，不存在相同的元素。
6.根據權利要求1所述的多天線傳輸方法，其特征在于還包括根據信道狀態，自適應地選取M的數值，當信道時變較快時，選擇較小的M值，以及當信道時變較慢時，選擇較大的M值。
7.根據權利要求6所述的多天線傳輸方法，其特征在于根據信道的最大多普勒頻移fd與發送時間間隔T的乘積，來選取M的數值。
8.一種基于星座旋轉的多天線傳輸方法，包括以下步驟對待發送數據進行串/并變換，得到M路并行數據流，M為自然數；針對每一路數據流，并行地執行自適應調制和編碼、組塊、星座旋轉、正交分離、交織、正交合并操作；根據時間順序，依次選取M路調制符號流，每次將一路調制符號流中的nT個符號一一映射到nT個發射天線上，在同一時刻進行發送，循環進行這種選擇映射發送；通過nR個接收天線，nR大于或等于nT，接收多個間隔時刻上的全部空間信號；對所接收到的、具有空間和時間分布的信號進行合并，恢復出調制符號塊，同時，進行信道估計，構造出與上述調制符號塊相對應的等效信道矩陣；以及根據等效信道矩陣以及通過反饋信道確定的、自適應調制和編碼所采用的參數，對調制符號塊進行空時聯合檢測，恢復出原始的發送數據。
9.根據權利要求8所述的多天線傳輸方法，針對每一路調制符號流所執行的組塊、星座旋轉、正交分離、交織、正交合并操作為按照輸入時間順序，根據發射天線的個數nT，以NnT個符號長度為塊長，對調制符號流進行分塊，在每個調制符號塊中，包括N個長度為nT個符號的子塊，nT為自然數，N為大于或等于2的自然數；將每個調制符號旋轉預先確定的星座旋轉角度θ；將每個旋轉后的調制符號分離為相互正交的兩路分量；在每個調制符號塊NnT中，對分離后的兩路分量中的至少一路進行交織，生成交織后的兩路分量；以及作為上述正交分離步驟的逆操作，對交織后的兩路分量進行合并，生成一路待映射符號流。
10.根據權利要求9所述的多天線傳輸方法，其特征在于所述接收步驟為根據發送端設置的M和N，通過nR個接收天線，接收N個間隔時刻上的全部空間信號，所述N個間隔時刻兩兩間隔M-1個時刻。
11.根據權利要求10所述的多天線傳輸方法，其特征在于所述等效信道矩陣構造步驟包括進行信道估計，估計出在上述N個間隔時刻上傳輸信道的轉移函數矩陣；以及根據傳輸信道的轉移函數矩陣，構造出與上述調制符號塊相對應的等效信道矩陣。
12.根據權利要求2所述的多天線發送方法，其特征在于在每個調制符號塊NnT中，對分離后的兩路分量中的至少一路進行交織，使得交織后的分量與交織前相比，在同一個子塊內，不存在相同的元素。
13.根據權利要求1所述的多天線發送方法，其特征在于還包括根據信道狀態，自適應地選取M的數值，當信道時變較快時，選擇較小的M值，以及當信道時變較慢時，選擇較大的M值。
14.根據權利要求13所述的多天線發送方法，其特征在于根據信道的最大多普勒頻移fd與發送時間間隔T的乘積，來選取M的數值。
15.一種多天線傳輸系統，包括信道編碼裝置，對待發送數據進行信道編碼；星座調制裝置，對編碼后的數據進行星座調制；串/并變換裝置，對星座調制后的數據進行串/并變換，得到M路并行調制符號流，M為自然數；M個組塊裝置，分別針對每一路調制符號流，對所述調制符號流進行組塊操作；M個預處理裝置，分別針對每一路調制符號流，并行地執行星座旋轉、正交分離、交織、正交合并操作；選擇映射裝置，根據時間順序，依次選取M路調制符號流，每次將一路調制符號流中的nT個符號一一映射到nT個發射天線上，在同一時刻進行發送，循環進行這種選擇映射發送；選擇合并裝置，通過nR個接收天線，nR大于或等于nT，接收多個間隔時刻上的全部空間信號，對所接收到的、具有空間和時間分布的信號進行合并，恢復出調制符號塊；信道估計和等效信道構建裝置，進行信道估計，構造出與上述調制符號塊相對應的等效信道矩陣；以及空時聯合檢測裝置，根據等效信道矩陣，對調制符號塊進行空時聯合檢測，恢復出原始的發送數據。
16.根據權利要求15所述的多天線傳輸系統，其特征在于所述M個組塊裝置中的每一個按照輸入時間順序，根據發射天線的個數nT，以NnT個符號長度為塊長，對調制符號流進行分塊，在每個調制符號塊中，包括N個長度為nT個符號的子塊，nT為自然數，N為大于或等于2的自然數。
17.根據權利要求16所述的多天線傳輸系統，其特征在于所述M個預處理裝置中的每一個包括星座旋轉裝置，將每個調制符號旋轉預先確定的星座旋轉角度θ；正交分離裝置，將每個旋轉后的調制符號分離為相互正交的兩路分量；交織裝置，在每個調制符號塊NnT中，對分離后的兩路分量中的至少一路進行交織，生成交織后的兩路分量；正交合并裝置，作為上述正交分離裝置的對應裝置，對交織后的兩路分量進行合并，生成一路待映射符號流。
18.一種多天線傳輸系統，包括串/并變換裝置，對待發送數據進行串/并變換，得到M路并行數據流，M為自然數；M個自適應調制和編碼裝置，分別針對每一路數據流，并行地執行自適應調制和編碼，生成調制符號流；M個組塊裝置，分別針對每一路數據流，并行地對所述調制符號流進行組塊操作；M個預處理裝置，分別針對每一路數據流，并行地執行星座旋轉、正交分離、交織、正交合并操作；選擇映射裝置，根據時間順序，依次選取M路調制符號流，每次將一路調制符號流中的nT個符號一一映射到nT個發射天線上，在同一時刻進行發送，循環進行這種選擇映射發送；選擇合并裝置，通過nR個接收天線，nR大于或等于nT，接收多個間隔時刻上的全部空間信號，對所接收到的、具有空間和時間分布的信號進行合并，恢復出調制符號塊；信道估計和等效信道構建裝置，進行信道估計，構造出與上述調制符號塊相對應的等效信道矩陣；以及空時聯合檢測裝置，根據等效信道矩陣，對調制符號塊進行空時聯合檢測，恢復出原始的發送數據。
19.根據權利要求18所述的多天線傳輸系統，其特征在于所述M個組塊裝置中的每一個按照輸入時間順序，根據發射天線的個數nT，以NnT個符號長度為塊長，對調制符號流進行分塊，在每個調制符號塊中，包括N個長度為nT個符號的子塊，nT為自然數，N為大于或等于2的自然數。
20.根據權利要求19所述的多天線傳輸系統，其特征在于所述M個預處理裝置中的每一個包括星座旋轉裝置，將每個調制符號旋轉預先確定的星座旋轉角度θ；正交分離裝置，將每個旋轉后的調制符號分離為相互正交的兩路分量；交織裝置，在每個調制符號塊NnT中，對分離后的兩路分量中的至少一路進行交織，生成交織后的兩路分量；正交合并裝置，作為上述正交分離裝置的對應裝置，對交織后的兩路分量進行合并，生成一路待映射符號流。
全文摘要
本發明公開了一種基于星座旋轉的多天線傳輸方法。該方法中，發送端并行發送M路調制符號流，對每路符號流依次進行組塊、星座旋轉、IQ路分離、Q路交織、IQ路合并、選擇映射，然后將其發送出去。在接收端，首先對接收信號進行選擇合并，得到發送端每路符號塊經信道后所對應接收信號，然后對其進行空時聯合MIMO檢測。本發明中通過星座旋轉和Q路交織，將同一調制符號映射到2個時刻上進行傳輸。同時，對于同一符號塊內的信號采取間隔時間發送的方法，有效地降低了同一塊內傳輸信道的相關性。因此，本發明可以在獲得空間分集的同時獲得時間分集，從而得到性能的提高。
文檔編號H04L1/06GK101039135SQ20061005916
公開日2007年9月19日 申請日期2006年3月15日 優先權日2006年3月15日
發明者佘小明, 李繼峰 申請人:松下電器產業株式會社