專利名稱：：利用不對等調制和編碼方案實現空時處理的發射機和接收機的制作方法
技術領域：
：本實用新型涉及無線通信系統。更具體說，本實用新型涉及一種用于利用不對等(unequal)調制和編碼方案(MCS)來實現空間處理的設備。技術背景IEEE802.11n聯合提案組當前正提議將混合空時分組碼(STBC)和空分復用(SDM)技術用于下一代高性能無線網絡。這種混合STBC/SDM方案產生了針對數據流的不平衡的服務質量，數據流在接收機的輸出轉換成較低的殘留信噪比(SNR)。在傳統系統中，對所有空間流應用對等MCS。然而，這對于STBC預編碼所承載的空間流導致了在分集增益上的利益損失。因此，期望提供一種方法和設備用于在執行空間處理(例如STBC)的同時應用不對等的MCS或流相關(stream-dependent)的MCS。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種用于在執行空間處理(例如STBC)的同時應用不對等的MCS或流相關(stream-dependent)的MCS的設備。根據本實用新型一方面提供一種利用不對等的調制和編碼方案(MCS)實現空時處理的發射機，其特點是該發射機包括空間處理器，用于對多個數據流的至少一個執行空間處理，針對每個數據流的MCS被獨立地選擇；以及多個發射天線，用于發射所述數據流。根據本實用新型的另一方面提供一種利用不對等的調制和編碼方案(MCS)實現空時處理的接收機，其特點是該接收機包括至少一個接收天線，用于接收多個空間流，在發射機處針對映射到所述空間流的每個數據流而獨立選擇MCS;信道估計器，用于執行信道估計以產生信道矩陣；以及空間解碼器，用于利用所述信道矩陣對所接收到的空間流進行解碼。本實用新型的利用不對等MCS或流相關的MCS來實現空間處理的設備包括上述的發射機和接收機，可以將輸入數據解析為多個數據流，并且對該數據流執行空間處理以產生多個空間流。針對每個數據流而獨立地選擇MCS。然后，經由多個發射天線發射所述空間流。STBC、空頻分組編碼(SFBC)、準正交Alamouti編碼、時逆空時分組編碼、線性空間處理和循環延遲分集中的其中至少一種可以在數據/空間流上執行。然后，可以對空間流應用天線映射矩陣。然后經由多個發射天線將所得空間流發射出去。可以基于與所述數據流相關聯的每個空間流的SNR來確定針對每個數據流的MCS。附國說明通過以示例方式給出的、能夠結合附圖來理解的優選實施方式的下列描述，可以獲得對本實用新型更詳細的理解，其中圖1是根據本實用新型配置的發射機的框圖；圖2是根據本實用新型配置的接收機的框圖；圖3是配置以執行STBC和/或線性空間映射的示例性空間處理單元的框圖；以及圖4和圖5示出了利用3X2天線配置和線性最小均方誤差(LMMSE)接收機的針對IEEE802.11n信道E和B的模擬結果。具體實施方式根據本實用新型，將不對等MCS或流相關的MCS應用到不同的空間流。本實用新型可應用于正交頻分復用(OFDM)—多輸入多輸出(MIMO)系統、多載波碼分多址(MC-CDMA)系統、CDMA系統等。不對等MCS被應用到不同的數據流以利用針對數據流的不對等SNR。例如，較高級別的MCS可以應用到具有分集編碼的空間流，而較低級別的MCS可以應用到不具有分集編碼的空間流，從而減少總自發干擾。利用不對等MCS或流相關MCS，可以由于減少的總自發干擾而使用更簡單的接收機算法(例如線性最小均方誤差(LMMSE))。圖1是根據本實用新型配置的發射機100的框圖。發射機100包括信道編碼器102、速率匹配單元104、空間解析器106、多個交織器108a-108Nss、多個星座映射器110a-110Nss、多個復用器116a-118Nss、空間處理單元120、多個快速傅立葉逆變換(IFFT)單元122a-122Nte、多個循環前綴插入單元124a-124Ntx以及多個發射天線126-126Ntx。應當注意的是，圖1所示的配置僅作為示例而不作為限制來提供，并且元件所執行的處理可以由更多或更少個元件來實現，并且處理的順序可以發生改變。信道編碼器102對輸入數據101進行編碼。使用自適應調制和編碼(AMC)并且可以使用任何編碼速率和任何編碼方案。例如，編碼速率可以是1/2、1/3、1/5、3/4等等。編碼方案可以是Turbo編碼、巻積編碼、分組編碼、低密度校驗(LDPC)編碼等等。可以由速率匹配單元104對編碼后數據103進行標刻(puncture)。速率匹配105之后的編碼后數據被空間解析器106解析為多個(Nss)空間流107a-107Nss。每個數據流107a-107Nss上的數據比特優選地由交織器108a-108Nss進行交織。然后，交織109a-109Nss之后的數據比特由星座映射器110a-110Nss根據所選擇的調制方案映射到符號Illa-111NSS。所述調制方案可以是正交相移鍵控(QPSK)、8PSK、16正交幅度調制(QAM)、64QAM等等。控制數據112a-112Nss和/或導頻114a-114N^由復用器116a-U6N^與符號llla-lllNss進行復用。然后，符號117a-117Nss(包括復用的控制數據112a-112Nss和/或導頻114a-114Nss)由空間處理單元120進行處理。可替換地，可以在信道編碼之前來劃分輸入數據101，并且劃分后的多個輸入數據可以由兩個或更多單獨的編碼器進行編碼。可替換地，替代性地或額外地，將一個數據流解析為多個數據流，可以對屬于一個或多個用戶的若干個輸入數據流進行處理以經由若干個空間天線進行發射。空間處理單元120基于信道狀態信息118而選擇性地對符號117a-117Nss執行空間處理，并輸出Nn個數據流121a-121Ntx。空間處理可以是空時編碼(STC)、空間復用(SM)、線性空間映射或發射波束成形。對于STC,可以使用包括STBC、SFBC、用于四個(4)發射天線的準正交Alamouti、時逆STBC(TR-STBC)、CDD等的任何形式的STC。信道狀態信息118可以是用于每個副載波的V矩陣、SNR、信道矩陣秩、信道條件號、延遲擴散、或短期和/或長期信道統計中的至少一個。所述V矩陣是從所估計的信道矩陣的奇異值分解中獲得的酉矩陣(unitarymatrix)。所述信道條件號與信道矩陣的秩有關。異常條件的信道可以是秩虧。低秩或異常條件的信道將利用諸如STBC之類的分集方案展現出較好的強健性，因為該信道將沒有足夠的自由度來支持具有發射波束成形的SM。高秩的信道將利用具有發射波束成形的SM來支持較高數據速率。可以利用傳統技術，例如直接信道反饋(DCFB)來獲取信道狀態信息U8。由輸出時域數據123a-123I^的IFFT單元122a-122Ntx來處理來自空間處理單元120的數據流121a-121Ntx。由CP插入單元124a-124Nj各CP添加至每個時域數據123a-123Ntx。然后經由發射天線126a-126Ntx來發射具有CP125a-125N^的時域數據。圖2是根據本實用新型配置的接收機200的框圖。該接收機200包括多個接收天線202a-202N^信道估計器205、噪聲估計器206、信道相關性矩陣計算器208、SNR標稱常數計算器210、多個OFDM處理單元212a-212Nra、空間解碼器214、多個星座去映射器216a-216Nss、多個SNR歸一化單元218a-218Nss、多個去交織器220a-220Nss、空間去解析器222和解碼器224。應當注意的是，圖2中所示的配置僅作為示例而不作為限制來提供，并且元件所執行的處理可以由更多或更少個元件來實現，并且處理的順序可以發生改變。將多個接收到的數據流203a-203N^輸入到信道估計器204、噪聲估計器206以及OFDM處理單元212a-212Nra。信道估計器204利用傳統方法執行信道估計以產生信道矩陣205。噪聲估計器206計算噪聲方差207。信道相關性矩陣計算器208從信道矩陣205中產生相關性矩陣209，這將在后文中進行詳述。SNR標稱常數計算器210從相關性矩陣209和噪聲方差207中計算SNR標稱常數211a-211N^，這將在后文中進行詳述。每個OFDM處理單元212a-212N^從所接收到的數據流203a-203N^中去除CP，并且執行快速傅立葉變換(FFT)以輸出頻域數據213a-213Nra。空間解碼器214對來自OFDM處理單元212a-212N^的輸出213a-213N^進行處理。該空間解碼器214可以是最小均方誤差(MMSE)解碼器、MMSE連續千擾消除(SIC)解碼器或最大似然(ML)解碼器。在空間解碼之后，星座去映射器216a-216Nss對解碼后數據215a-215NfX進行處理以產生比特流217a-217Nss。SNR歸一化單元218a-218Nss基于SNR標稱常數211a-211Nss對比特流217a-217Nss進行歸一化。然后，去交織器220a-220Nss對歸一化比特流219a-219Nss進行處理。空間去解析器222將去交織后的比特221a-221N^合并到一個數據流223中。然后解碼器224對該數據流223進行處理以恢復輸入數據225。在下文中，將參考作為代表性實例的STBC來描述在發射機100和接收機200處的空間處理。將使用下列定義7V^發射天線的數量；空間天線的數量；A^.ra:STBC之后的流的數量；^，"符號時間W處的數據向量；SM:符號時間w處STBC之后的向量；A，"符號時間W處圖3中戶矩陣之后的向量；以及W，"符號時間w處的接收到的向量。圖3是配置為執行STBC和/或線性空間映射的示例性空間處理單元120的框圖。空間處理單元120可以包括STBC單元302、CDD單元304以及天線映射單元306。符號117a-117Nss中的每個符號是復數流。在OFDM符號n的副載波k的空間流i上發射的復數符號表示為dk，，，n。來自STBC單元302的、OFDM符號2m和2m+l的副載波k的輸出空時流is^上的輸出符號表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>、其中在表i中定義了f和f。表i<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>可以由CDD單元304和天線映射單元306在來自STBC單元302的輸出符號上執行線性空間處理。如果沒有執行STBC，那么s"u"并且A^re=A^。線性空間處理被定義為在給定副載波上待發射的符號的向量的旋轉序列。CDD單元304和天線映射單元306所進行的處理表示如下其中，sM…是在ofdm符號n的副載波k上待發射的調制符號的A^向量。CcD。a)是A^XA^對角線循環延遲矩陣，其表示頻域中的循環延遲。該對角線值由[CcDD("'"-exP(—""^^)給出。[P服p("1^是^^xA^s矩陣，該矩陣包括NTxXNTx酉天線映射矩陣P,(k)的前Nsts列。這對于直接映射操作來說可以使單位矩陣，對于空間擴展操作來說是映射矩陣，或者是信道專用導引矩陣(例如信道特征向量的集合)。x^是OFDM符號n的副載波k中發射的符號的^W向量。信道矩陣Heff是由向量看到的有效信道，從而<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>等式(3)在接收機中，"，^和n，^+l結合成單個向量，如下:使用等式(3)和等式(4)，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>等式(4)等式(5)在向量乂^和氣^"中，在它們任意一個中出現的數據值在二者中將表現為共軛或不共軛。這允許將等式(5)寫為簡單的矩陣形式，如隨后的特定實例所示。考慮Ntx=3并且Nss=2的情況(即由空間解析器106從輸入數據中產生兩個(2)空間流，并且在發射機100處從空間處理單元120中產生三個數據流)。三個數據流中的其中一個用于如下所示的發射分集的空間解析器106的一個數據流的修改副本中產生。對于Ntx=3并且Nss=2的情況，從表1中可以看到氣2,2w=-^t,l，2/M+l;以及從而，《，1，2ffj+l而且氣l，2m+l="A:,1，2m+1-從而A，l，2/n等式(6)等式(7)并且<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>等式(8)利用等式(6)和等式(8)，可以將等式(5)重新表示為標準矩陣等式，包括下列四個數據值^，1，2、《1，2+1，A，2，2m，《2，2/n+l(星號表示共軛，而不是埃爾米特共軛)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>等式(9)現在其處于標準MIMO格式，但具有各種組好^列組合的信道矩陣<接收機200對數據向量d進行解調MMSE解調器可用于等式(10)中的數據向:矩陣表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>等式(10)讓等式(9)中的信道<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>等式(11)MMSE求解如下(丟棄指數k并將符號"+"用于埃爾米特共軛):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>等式(12)或等同于<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula等式(13)等式(9)可表示為如下將等式(14)代入等式(12)得出等式(14)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>等式(15)使用等式(11)，相關性矩陣#+#成為如下:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>等式(16)在MMSE接收機處理之后，針對等式(9)中第k個數據流的有效SNR為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>等式(n)其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>對于高SNR，等式(17)成為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>等式(18)矩陣#+身具有下列形式:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>'等式(19)可以從#+#的表達式中很容易找出等式(19)中參數的定義。使用針對逆矩陣的一般公式，如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(J).可以示出(#+#)—'的對角線元素給出如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>等式(20)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>等式(21)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>等式(22)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>等式(23)以及<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>等式(24)使用等式(18)，針對每個數據流的SNR得出如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>等式(25)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>等式(26)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>等式(27)以及纖4"、+4|2—一卩)等式(2S)對于以上任何信道實現，d的前兩個分量(應用有STBC編碼的分量)具有相同的SNR，而另外兩個也具有對等的SNR。第二個通常小于第一個(D的編碼過的分量的SNR與未編碼過分量的SNR之間的比率為膽1,2XHe#(:,l)+"e#(:,2)鍾3,4z&#(:，3)等式(29)假設好^的三個列具有相似的特性，那么SNR將比STBC編碼的符號的平均高3dB。在實現STBC時，可以經由相同頻率或不同頻率來發射一對隨后的符號。為了評估，在這里考慮最簡單的情況iVtt=2和A^5=l，假設在接收機處僅有一個接收天線。該有效信道矩陣表示為1X2矩陣，如下等式(30)并且數據向量變為如下.《1,2w+l等式(31)當相同的頻率用于連續符號時，^^對于兩個符號來說是相同的，并且等式(5)變為如下.々,1,2怖+1.+等式(32)如果使用了迫零接收機，那么第一步驟是將"與信道矩陣的埃爾米特矩陣相乘<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>等式(33)信號部分中的對角線矩陣元素^f+^l2表示由STBC編碼獲得的二級分當不同的頻率用于連續符號時，針對兩個符號的有效信道如下對于第一符號來說，^^=[~以及對于第二符號來說，，好^=[&。在此情況下，修改后的等式(5)變為如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>等式(34)并且獲得下列等式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>等式(35)以及<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>等式(36)信號部分中的對角線矩陣元素1^2+1"|2表示由STBC編碼獲得的二級分集。在此情況中，對角線元素仍然表示二級分集。然而，非^角線元素將產生干擾(即非正交性)。對于表1的2X1情況，等式(5)變成如下糾并且&一/2/2力l&-力2《1,2;n+l+等式(37)等式(38)在此情況下，d的MMSE估計值如下:等式(39)等式(40)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>等式(41)等式(40)成為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>可替換地，可以利用""，然后利用力M+i并將它們相加而找到"^和^m+i的MMSE估計算子。對第一符號應用該方案<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>等式(44)并且來自第一符號的數據向量的MMSE估計是<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>等式(45)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>等式(46)對第二符號應用該方案:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>等式(47)并且來自第二符號的數據向量的MMSE估計是:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>等式(4S)或<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>等式(49)使用等式(47)和(49)，將^w的兩個估計相加，如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>等式(50)該結果與等式(43)中獲得的結果相同。對Aw"的估計求和也將導致與來自等式(43)的相同。因此，在簡單的2xlAlamouti方案中，這兩種解碼技術是一致的。然而，在表1的3X2情況中，其可以不同。圖4和圖5示出了利用3X2天線配置和線性最小均方誤差(LMMSE)接收機的針對IEEE802.11n信道E和B的模擬結果。該模擬結果示出的是，利用64QAM和QPSK的不對等調制方案的情況在分組1i差率(PER)方面比使用針對信道E(信道B)的16QAM和16QAM的對等調制方案的情況好出約1.5dB(0.8dB)發射機和接收機可以是無線發射/接收單元(WTRU)或基站。術語"WTRU"包括但不限于用于設備(UE)、移動臺、固定或移動用戶單元、尋呼機、蜂窩電話、個人數字助理(PDA)、計算機或能夠在無線環境中操作的任何其他類型的用戶裝置。術語"基站"包括但不限于節點B、站點控制器、接入點(AP)或能夠在無線環境中操作的任何其他類型的接口連接裝置。盡管以特定的組合在優選的實施方式中對本實用新型的特征利進行了描述，但每個特征或元素可以在沒有優選實施方式的其他特征g^'的情況下單獨使用，或者可以在具有或沒有本實用新型的其他特征或元素的多種組合中單獨使用。本實用新型中描述的方法或流程圖可以實現在由通用目的計算機或處理器來執行的計算機程序、軟件、可觸摸地實施在計算機可讀存儲介質中的固件里。計算機可讀存儲介質的實例包括只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、寄存器、緩存器、半導體存儲裝置、諸如內部硬盤和可移動盤片之類的磁性介質、磁光介質以及諸如CF-ROM盤以及數字多用途盤(DVD)之類的光學介質。合適的處理器包括，例如，通用目的處理器、專用目的處理器、傳統處理器、數字信號處理器(DSP)、多個微處理器、與DSP核心相關聯的一個或多個微處理器、控制器、微控制器、專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)、任何集成電路和/或狀態機。與軟件相關聯的處理器可用于實現射頻發射機，可在無線發射機受單元(WTRU)、用戶設備(UE)、終端、基站、無線電網絡控制器(RNC)或任何主機中使用。WTRU可以與實現為硬件和/或軟件的模塊結合使用，例如相機、視頻相機模塊、視頻電話、揚聲器電話、振動裝置、揚聲器、麥克風、電視收發機、免手持耳機、鍵盤、藍牙模塊、調頻(FM)無線電單元、液晶顯示器(LCD)顯示單元、有機發光二極管(OLED)顯示單元、數字音樂播放器、媒體播放器、視頻游戲播放器模塊、因特網瀏覽器和/或無線局域網(WLAN)模塊。權利要求1.一種利用不對等的調制和編碼方案(MCS)實現空時處理的發射機，其特征在于該發射機包括空間處理器，用于對多個數據流的至少一個執行空間處理，針對每個數據流的MCS被獨立地選擇；以及多個發射天線，用于發射所述數據流。2.—種利用不對等的調制和編碼方案(MCS)實現空時處理的發射機，其特征在于該發射機包括空間處理器，用于對多個數據流的一部分執行空間處理，執行空間處理的數據流的MCS是不同于未執行空間處理的數據流的MCS;以及多個發射天線，用于發射所述數據流。3.—種利用不對等的調制和編碼方案(MCS)實現空間處理的發射機，其特征在于該發射機包括空間處理器，用於為對多個數據流的至少一個執行以下的至少一種空時分組編碼(STBC)、空頻分組編碼(SFBC)、準正交Alamouti編碼以及時逆空時分組編碼，對每個數據流的MCS是被獨立地選擇；多個發射天線，用于發射所述數據流。4.一種利用不對等的調制和編碼方案(MCS)實現空時處理的接收機，其特征在于該接收機包括至少一個接收天線，用于接收多個空間流，在發射機處針對映射到所述空間流的每個數據流而獨立選擇MCS;信道估計器，用于執行信道估計以產生信道矩陣；以及空間解碼器，用于利用所述信道矩陣對所接收到的空間流進行解碼。專利摘要本實用新型公開一種利用不對等調制和編碼方案(MCS)或流獨立MCS來實現空間處理的設備。可以將輸入數據解析為多個數據流，并且對該數據流執行空間處理以產生多個空間流。針對每個數據流而獨立地選擇MCS。然后，經由多個發射天線發射該空間流。空時分組編碼(STBC)、空頻分組編碼(SFBC)、準正交Alamouti編碼、時逆空時分組編碼、線性空間處理和循環延遲分集中的其中至少一種技術可以在數據/空間流上執行。然后，可以對空間流應用天線映射矩陣。然后經由多個發射天線將所得空間流發射出去。可以根據與該數據流相關聯的每個空間流的SNR來確定針對每個數據流的MCS。文檔編號H04L1/06GK201045756SQ20072000221公開日2008年4月9日申請日期2007年1月11日優先權日2006年1月11日發明者呂宜泰,彼得·J·佛茨,戴坤元,楊永文,愛爾戴德·M·萊爾,羅伯特·L·奧勒森,蔡坤如,谷章修申請人:美商內數位科技公司