專利名稱：用于具有符號(hào)擴(kuò)展的空間復(fù)用的系統(tǒng)，器件，和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于具有符號(hào)擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)的空間復(fù)用的系統(tǒng)，器件，和方法，從而在MIM0系統(tǒng)中獲得更高階的分集，同時(shí)保持頻鐠效率。在下一代無線通信系統(tǒng)中，空間復(fù)用(SMX)(或MIMO)令人特別 感興趣，因?yàn)樗芡ㄟ^釆用多樣的發(fā)射和多接收天線來利用充分散射 的信道環(huán)境。同時(shí)，它可以使頻譜效率得到顯著的提高。分集一般用于無線通信系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的性能。雖然空間復(fù)用能 獲得高頻譜效率，但是接收天線的數(shù)量必須增加以保留高分集階數(shù)。由于實(shí)現(xiàn)這種類型的系統(tǒng)是不切實(shí)際的，所以需要一種不同類型 的分集來提高SMX系統(tǒng)的性能。本發(fā)明的系統(tǒng)，器件，和方法提供了一種獲得更高SMX分集的技 術(shù)，該技術(shù)采用符號(hào)擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)，其能夠被認(rèn)為是一種基于信號(hào)空間分 集的潛在解決方法。優(yōu)選實(shí)施例的單個(gè)天線系統(tǒng)的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)提供了滿 調(diào)制分集，同時(shí)使最小乘積距離最大化，參見J.BouTros和E. ViTerbo 的"Signal space diversity: a power- and bandwidth-efficient diversity technique for the Rayleigh fading channel, " IEEE Trans. InformaTion Theory, Vol. 44，第1453—1467頁，1998年7月。對(duì)于QAM 星座圖，實(shí)旋轉(zhuǎn)矩陣與SMX系統(tǒng)相結(jié)合以增加它的分集階數(shù)，同時(shí)保 持相對(duì)低的計(jì)算復(fù)雜度。

圖1顯示了本發(fā)明增強(qiáng)的性能； 圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的方法；圖3顯示了畫SE接收機(jī)，作為每一個(gè)信道的T個(gè)單獨(dú),SE解映 射器，其后有聯(lián)合線性組合；和圖4顯示了一個(gè)包含圖3的接收機(jī)的系統(tǒng)框架。對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，應(yīng)理解提供以下描述的目的是說 明而非限制。技術(shù)人員知道在發(fā)明的精神和附加權(quán)利范圍內(nèi)存在許多變化。已知的功能和結(jié)構(gòu)的非必需的細(xì)節(jié)可能在本描述中省略從而避 免使本發(fā)明難以理解。一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例應(yīng)用于在快速Rayleigh平坦衰落信道上的多 輸入多輸出(MIMO)單載波系統(tǒng)。在一個(gè)可替換的優(yōu)選實(shí)施例中，相 同的系統(tǒng)被視為其相干帶寬比信道帶寬低得多的MIM0多載波系統(tǒng)，例 如0FDM-UWB系統(tǒng)。該系統(tǒng)有M個(gè)發(fā)射機(jī)天線和N個(gè)接收機(jī)天線。該NxM 信道矩陣記為Ht，這里t是快速衰落情況下的瞬時(shí)時(shí)間或0FDM情況下 的子栽波指數(shù)。分別定義發(fā)射符號(hào)向量x,，接收符號(hào)向量乂 ，噪音向量w,，和NxM 信道矩陣//,，如下<formula>formula see original document page 7</formula>然后，通用SMX系統(tǒng)模型可描述如下<formula>formula see original document page 7</formula>這里T是模塊數(shù)量或子載波數(shù)量。目標(biāo)是通過組合這T個(gè)連續(xù)符 號(hào)向量來提供某種分集。T越大意味著分集階數(shù)越高。TxT擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)矩 陣R被用于這T連續(xù)的原始符號(hào)向量，以使得<formula>formula see original document page 7</formula>接著新的發(fā)射系統(tǒng)能被容易描述為<formula>formula see original document page 7</formula>但是原始符號(hào)被線性導(dǎo)入(thread)到新的發(fā)射符號(hào)從而獲得更 高階的分集。例如，采用QPSK調(diào)制且T-2的新的2x2SMX系統(tǒng)為<formula>formula see original document page 7</formula>這里采用了擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)矩陣R對(duì)于以上例子，公式中的4x4旋轉(zhuǎn)矩陣可被改變?yōu)榻y(tǒng)一矩陣0 夸 -孕0女 0 # i -夸 0L —丄該同一矩陣能夠真實(shí)地最大化從單一天線系統(tǒng)的信號(hào)空間分集方面歸納 的最小乘積MIMO-符號(hào)距離，如在J. BouTros和E. ViTerbo的"Signal Space DiversiTy: A Power- and Bandwidth-Efficient Diversity Technique For the Rayleigh Fading Channel," IEEE Trans, Information Theory, Vol. 44，第453—1467頁，1998年7月中所述。 然而，兩個(gè)矩陣都有簡(jiǎn)單的計(jì)算的旋轉(zhuǎn)DFT-矩陣，參見Wei Zhang; Xiang—Gen Xia; Ching， P. C.; Haiquan Wang的"Rate two full-diversity space-frequency code design for MIMO-OFDM"， Signal Processing Advances in Wireless CommunicaTions， 2005 IEEE 6Th Workshop on June 2-8， 2005，第303-307頁，和余弦矩陣，參見Soo Ki Choi; Seung Young Park; Chung Gu Kang的"Rotated Multidimensional Modulation For Spatial Multiplexing Systems", Vehicular Technology Conference, 2003. VTC 2003 -Fall. 2003 IEEE 58Th， 6-9 OcT. 2003，第 246-250頁，Vol.l。擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)矩陣在這里用于為T=3和T=4的QPSK星座圖和T=2的 16QAM提供附加分集。例如，T=2的新3xlSMX系統(tǒng)和16QAM為<formula>formula see original document page 8</formula>這里采用了 3x3擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)矩陣W:且/,是3x3單位矩陣,這個(gè)新SMX方案的分集階數(shù)是TxN。圖1比較了未編碼的SMX系統(tǒng) 和根據(jù)用于兩個(gè)發(fā)射天線和兩個(gè)接收天線的具有符號(hào)擴(kuò)展(T=2 )的優(yōu) 選實(shí)施例的SMX系統(tǒng)的誤碼率性能。對(duì)于QPSK映射，在高SNR情況下，與傳統(tǒng)的SMX系統(tǒng)相比本發(fā)明的性能得到了大大的提升。BER為le-4 時(shí)，在傳統(tǒng)SMX方案中采用本發(fā)明的符號(hào)擴(kuò)展幾乎有6dB的增益。在 相同的4biTs/sec/Hz頻譜效率下，當(dāng)BER為le-5時(shí)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí) 施例比16-QAM Alamouti方案大約好2dB，其也在圖1中顯示出。最大似然(ML)檢測(cè)復(fù)雜度隨分集階數(shù)T呈指數(shù)增長。在一個(gè)優(yōu) 選實(shí)施例中，為了減少M(fèi)L檢測(cè)的計(jì)算量采用球解碼，因?yàn)榍蚪獯a可以 在多項(xiàng)式復(fù)雜度T上獲得接近的最大似然(ML)性能。球解碼是可能 的，因?yàn)楸景l(fā)明基本上是基于網(wǎng)格的編碼。球解碼只在位于接收向量 中心的某一超球的格點(diǎn)處執(zhí)行近點(diǎn)搜索。關(guān)于球解碼的討論請(qǐng)參見例 如，H.Vikalo and B.Hassibi 的"Maximum-Likelihood Sequence Detection of Multiple Antenna Systems over dispersive Channels via Sphere Decoding," E畫SIP Jour. Appl. Sig-Proc 2002: 5，第 525-531頁。由于擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)矩陣R的正交結(jié)構(gòu)，匪SE接收機(jī)可以容易地推導(dǎo)為 每個(gè)信道的T個(gè)單獨(dú)的醒SE解映射器或ZF解映射器，最后加上與R 的聯(lián)合線性組合。例如，上面帶有符號(hào)擴(kuò)展的2x"MX系統(tǒng)的廳SE解 映射器可以推導(dǎo)如下淑犯 —丄<formula>formula see original document page 9</formula>相似地，相同系統(tǒng)的ZF解映射器可被推導(dǎo)如下<formula>formula see original document page 9</formula>由于與ML接收機(jī)相比MMSE和ZF接收機(jī)的次優(yōu)屬性，將會(huì)有一些 性能損失。可以看出這個(gè)方案沒有增加醒SE或ZF接收機(jī)的解碼復(fù)雜 度。圖3顯示了具有T個(gè)單獨(dú)醒SE空間解映射器301的接收機(jī)，其在 T個(gè)不同的MIM0信道205上接收T個(gè)塊，并且在聯(lián)合線性組合中組合這 T個(gè)單獨(dú)的畫SE空間解映射器301的輸出和R302，該組合通過信道解 碼器304解碼并輸出為估計(jì)比特305。圖4顯示了為增加SMX通信系統(tǒng) 的分集在收發(fā)器系統(tǒng)400中將圖2的發(fā)射機(jī)200和圖3的接收機(jī)300 相結(jié)合。為了使用帶有符號(hào)擴(kuò)展的SMX方案的優(yōu)選實(shí)施例，執(zhí)行緩沖203 編碼的輸入信息比特201的映射的QAM符號(hào)向量202的步驟，直到T 個(gè)塊被接受并且接著用擴(kuò)展矩陣204乘以每個(gè)塊，最后在不同T個(gè)獨(dú) 立的MIMO信道205上傳輸由此輸出的符號(hào)向量。圖2顯示了這個(gè)方法 的流程圖。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例能使現(xiàn)有技術(shù)的SMX系統(tǒng)獲得高分集， 同時(shí)保持相同的傳輸率。本發(fā)明的一個(gè)直接應(yīng)用是下一代(千兆位) 多波段(MB) OFDMUWB系統(tǒng)。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)1Gbps 模式，其與現(xiàn)有技術(shù)相比有更長的范圍。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還 可以作為多重塊上的解碼方案用于快速平坦衰落信道。雖然已經(jīng)圖示說明并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的 技術(shù)人員將會(huì)理解這里描述的系統(tǒng)，器件和方法是說明性的，并且可 以進(jìn)行各種變化和修改，以及可用等價(jià)物替代其元件而不偏離本發(fā)明 的真實(shí)范圍。此外，可以進(jìn)行許多修改以使本發(fā)明的教導(dǎo)適應(yīng)特定的 情形而不偏離本發(fā)明的中心范圍。因此，這里的意圖是本發(fā)明不限于 作為考慮用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式所公開的特定實(shí)施例，而是本發(fā) 明包括在附加權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)(400)，用于具有分集的空間復(fù)用(SMX)通信系統(tǒng)，包括接收機(jī)器件(300)，接收并解碼(304)從T個(gè)不同的獨(dú)立信道上收到的T個(gè)擴(kuò)展符號(hào)向量；和發(fā)射機(jī)器件(200)，擴(kuò)展T個(gè)符號(hào)向量，然后在T個(gè)不同的獨(dú)立信道(205)上發(fā)射這T個(gè)擴(kuò)展向量，其中增加了SMX通信系統(tǒng)的分集并且保持了通信系統(tǒng)的頻譜效率和功率消耗的至少之一。
2. 權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中SMX通信系統(tǒng)是一個(gè)多波段正交 頻分復(fù)用超寬帶(MB OFDM UWB)系統(tǒng)。
3. 權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(400 )，其中T個(gè)不同的獨(dú)立信道是多 輸入多輸出(MIMO)信道(205 )。
4. 權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)"00)，其中T個(gè)不同的獨(dú)立信道是快 速平坦衰落信道。
5. 權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(400 ),其中發(fā)射機(jī)進(jìn)一步包括 緩沖模塊(203 )，接收映射符號(hào)(202 )并接著積累并輸出T個(gè)符號(hào)向量塊，每個(gè)所述映射符號(hào)包括編碼的信息比特(201);和擴(kuò)展模塊(204 )，擴(kuò)展每一個(gè)塊，所述擴(kuò)展模塊被耦合于緩沖模 塊(203 )以接收緩沖模塊輸出的已積累的T個(gè)塊，并且用預(yù)先指定的 TxT擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)矩陣R乘以每個(gè)塊。
6. 權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(400 )，其中接收機(jī)器件進(jìn)一步包括N》 1個(gè)接收天線；和發(fā)射機(jī)器件進(jìn)一步包括M21個(gè)發(fā)射天線，并采用TxT擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)矩 陣R來擴(kuò)展并旋轉(zhuǎn)所述T個(gè)符號(hào)向量從而該通信系統(tǒng)的分集階數(shù)被增 加至TxN。
7. 權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)(400 )，其中接收機(jī)器件進(jìn)一步包括T個(gè)獨(dú)立的解映射器(301 ),對(duì)于每個(gè)信道(205 )與擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)矩 陣R進(jìn)行聯(lián)合線性組合(302 ),以創(chuàng)建組合的輸出；和 信道解碼器(304 )，接收并解碼所述組合的輸出。
8. 權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)(400 )，其中解映射器(301)都選自最 大均方誤差(應(yīng)SE)空間解映射器和ZF解映射。
9. 權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)(400 )，其中解碼器是球解碼器(304 )。
10. 權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)(400 ),其中發(fā)射機(jī)進(jìn)一步包括 緩沖模塊(203 )，接收映射符號(hào)(202 )，并接著積累并輸出T個(gè)符號(hào)向量塊，每個(gè)所述映射符號(hào)包括編碼的信息比特(201);和擴(kuò)展模塊(204 )，擴(kuò)展每一個(gè)塊，所述擴(kuò)展模塊被耦合于緩沖模 塊(203 )以接收緩沖模塊(203 )輸出的已積累的T個(gè)塊，并且用擴(kuò) 展旋轉(zhuǎn)矩陣R乘以每個(gè)塊。
11. 權(quán)利要求IO所述的系統(tǒng)，其中SMX通信系統(tǒng)是一個(gè)多波段正 交頻分復(fù)用超寬帶(MB OFDM UWB)系統(tǒng)。
12. 權(quán)利要求IO所述的系統(tǒng)(400 )，其中T個(gè)不同的獨(dú)立信道是 多輸入多輸出(MIMO)信道(205 )。
13. 權(quán)利要求IO所述的系統(tǒng)(400 )，其中T個(gè)不同的獨(dú)立信道是 快速平坦衰落信道。
14. 一種用于增加空間復(fù)用(SMX)通信系統(tǒng)的分集的方法，包括 步驟通過將每個(gè)塊和預(yù)先指定的TxT擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)矩陣R相乘來擴(kuò)展和旋轉(zhuǎn)包括編碼信息比特的映射符號(hào)向量的T個(gè)塊；和在T個(gè)不同的獨(dú)立信道(205 )上發(fā)射T個(gè)擴(kuò)展并旋轉(zhuǎn)的向量， 其中，增加了 SMX通信系統(tǒng)的分集并且保持了通信系統(tǒng)的頻譜效率和功率消耗。
15. 權(quán)利要求14所述的方法，其中SMX通信系統(tǒng)是一個(gè)多波段正 交頻分復(fù)用超寬帶(MB OFDM UWB)系統(tǒng)。
16. 權(quán)利要求14所述的方法，其中T個(gè)不同的獨(dú)立信道是多輸入 多輸出(MIMO)信道(205 )。
17. 權(quán)利要求14所述的方法，其中T個(gè)不同的獨(dú)立信道是快速平 坦衰落信道。
18. 權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括步驟為提供N^1個(gè)接收天線和M21個(gè)發(fā)射天線，從而該SMX通信系統(tǒng)的 分集階數(shù)被增加至TxN。
19. 權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括步驟為提供T個(gè)獨(dú)立的解映射器(301)，每個(gè)信道(205 ) —個(gè)解映射 器，解映射器與擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)矩陣R聯(lián)合線性組合(302 )從而根據(jù)T個(gè)信道上所接收的T個(gè)信號(hào)來創(chuàng)建組合的解映射輸出；使用所提供的聯(lián)合組合的T個(gè)獨(dú)立的解映射器(301 )來解映射并組號(hào)；和 ^、 4用解碼器解碼(304 )解映射的解擴(kuò)展并解旋轉(zhuǎn)的信號(hào)。
20. 權(quán)利要求19所述的方法，其中解碼器是球解碼器。
21. 權(quán)利要求19所述的方法，其中解映射器(301)都是一種選自 最大均方誤差(MMSE)空間解映射器和ZF解映射器的器件。
22. —種用于具有分集的空間復(fù)用(SMX)通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)(200 )， 包括擴(kuò)展器，擴(kuò)展和旋轉(zhuǎn)T個(gè)符號(hào)向量；向量解析器，將T個(gè)擴(kuò)展和旋轉(zhuǎn)的向量分配在T個(gè)不同的獨(dú)立信 道(205 )上，用于在其上進(jìn)行傳輸，其中，增加了 SMX通信系統(tǒng)的分集，并且保持了通信系統(tǒng)的頻譜 效率和功率消耗的至少之一。
23. 權(quán)利要求22所述的發(fā)射機(jī)(200 ),其中SMX通信系統(tǒng)是一個(gè) 多波段正交頻分復(fù)用超寬帶(MB OFDM UWB)系統(tǒng)。
24. 權(quán)利要求22所述的發(fā)射機(jī)(200 )，其中T個(gè)不同的獨(dú)立信道 是多輸入多輸出(MIM0)信道(205 )。
25. 權(quán)利要求22所述的發(fā)射機(jī)(200 )，其中T個(gè)不同的獨(dú)立信道是快速平坦衰落信道。
26. 權(quán)利要求22所述的發(fā)射機(jī)(200 )，進(jìn)一步包括 緩沖模塊(203 )，接收映射符號(hào)(202 )并接著積累并輸出T個(gè)符號(hào)向量塊，每個(gè)所述映射符號(hào)包括編碼的信息比特(201);和擴(kuò)展模塊(204 )，擴(kuò)展并旋轉(zhuǎn)每個(gè)塊，所述擴(kuò)展模塊被耦合于緩 沖模塊(203 )以接收緩沖模塊(203 )輸出的已積累的T個(gè)塊，并且 用預(yù)先指定的TxT擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)矩陣R乘以每個(gè)塊。
27. 權(quán)利要求22所述的發(fā)射機(jī)(200 )，其中發(fā)射機(jī)器件進(jìn)一步包 括1個(gè)發(fā)射天線并采用TxT擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)矩陣R來擴(kuò)展和旋轉(zhuǎn)T個(gè)符號(hào) 向量，從而通信系統(tǒng)的分集階數(shù)增加到TxN，這里N是接收機(jī)的接收天 線的數(shù)量，該接收機(jī)接收由發(fā)射機(jī)(200 )在T個(gè)信道(205 )上發(fā)射 的擴(kuò)展并旋轉(zhuǎn)的T個(gè)符號(hào)。
28. —種用于接收具有分集的空間復(fù)用(SMX)通信系統(tǒng)的個(gè) 擴(kuò)展并旋轉(zhuǎn)的信號(hào)的接收機(jī)(300 ),包括T個(gè)獨(dú)立的空間解映射器，對(duì)已經(jīng)由矩陣R擴(kuò)展和旋轉(zhuǎn)并在T個(gè)不 同的獨(dú)立信道(205 )上由個(gè)接收天線接收的T個(gè)符號(hào)向量進(jìn)行 解映射；組合器，從T個(gè)獨(dú)立的空間解映射器接收T個(gè)解映射的符號(hào)向量 并進(jìn)行聯(lián)合線性組合；和解碼器(304 ),接收和解碼所述組合的輸出，其中，增加了 SMX通信系統(tǒng)的分集，并且保持了通信系統(tǒng)的頻譜 效率和功率消耗的至少之一。
29. 權(quán)利要求28所述的接收機(jī)(300 )，其中解映射器(301)都 是一種選自最大均方誤差(應(yīng)SE )空間解映射器和ZF解映射器的器件。
30. 權(quán)利要求29所述的接收機(jī)(300 )，其中解碼器是球解碼器 (304 )。
31. 權(quán)利要求30所述的接收機(jī)(300 )，其中SMX通信系統(tǒng)是一個(gè) 多波段正交頻分復(fù)用超寬帶(MB OFDM UWB)系統(tǒng)。
32. 權(quán)利要求30所述的接收機(jī)(300 )，其中T個(gè)不同的獨(dú)立信道 是多輸入多輸出(MIMO)信道(205 )。
33. 權(quán)利要求30所述的接收機(jī)(300 )，其中T個(gè)不同的獨(dú)立信道是快速平坦衰落信道。
34. 權(quán)利要求30所述的接收機(jī)(300 )，其中R是TxT擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)矩 陣并且SMX通信系統(tǒng)的分集階數(shù)被增加到TxN。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于空間復(fù)用(SMX)傳輸方案的系統(tǒng)，器件，和方法，該空間復(fù)用傳輸方案使用預(yù)定的矩陣R與符號(hào)擴(kuò)展和旋轉(zhuǎn)相組合，其能在UWB系統(tǒng)中的快速Rayleigh平坦衰落信道或高頻選擇信道下大大提高系統(tǒng)性能，而不需要附加的帶寬或功率消耗。由于基于網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)，采用球解碼以降低ML解碼的復(fù)雜度同時(shí)保持接近的ML性能。另一方面，由于發(fā)射機(jī)上系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，也可以采用ZF和MMSE接收機(jī)。
文檔編號(hào)H04L1/06GK101326753SQ200680045989
公開日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2006年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者J·楊, M·戈什 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司