专利名称：在双时空发送分集系统中确定混洗模式的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及双时空发射分集(DSTTD)系统，特别涉及一种在将数据流进行混洗传输的DSTTD系统中选择混洗模式的方法和装置。
背景技术：
随着无线通信市场的快速增长以及无线环境中各种多媒体业务需求的增多，因而以较高速率传送大幅数据量的各种方法正在不断的探测研究中。因此，有限频率资源的充分利用问题已成为当务之急。一种利用多天线技术的新型发送方案应运而生，3G移动通信系统的标准化工作组，3GPP(3rdGeneration Partnership Project)正在积极的利用MIMO(多输入与多输出)技术，即在移动通信环境中通过设置多发射/接收天线发送和接收数据来研究新型数据传输方案。
图1释义了一个传统MIMO系统的简化传输模型，参照图1，MIMO系统设置了M个发射天线10和M个接收天线20。‘s’代表从M个发射天线10发射的一个(M×1)信号矢量，‘H’表示矩阵，代表了将发射信号矢量传送到接收机中无线信道15的特性。通过N个接收天线收到的接收信号矢量r确定如下r＝Hs+w.....(1)这里信道矩阵H是一个(N×M)阶矩阵，因为发送端和接收端各用了M个发射天线和N个接收天线，发射信号以不同的路径30到达接收天线20。W为高斯噪声，因为在每个接收天线端都会引入所以它是一个(N×1)的矢量。
3GPP提出的一种较受关注的MIMO技术为DSTTD。利用两个基于传统的STTD编码的STTD编码器实现发射分集，这使得DSTTD对那些需要基于分集技术进行性能改善的情况是可行的。
图2是典型DSTTD系统的示意性方框图，参照图2，发射机31包含两个STTD编码器(ENC)32和34。每个编码器与四个发射天线36中的两个相连接，同时接收机40包含STTD译码器(DEC)44、46、48和50，每对都和N个接收天线42(当N≥2时)中的一个相连接。
具有上述配置特征的DSTTD的系统实现了每两个符号的一个DSTTD的合并和信号检测。因此，与利用四个发射天线的STTD系统相比，系统处理速度加倍同时系统复杂性也随之降低。
天线混洗(antenna shuffling)是在具有高的天线相关性的无线信道环境中改善DSTTD性能的一种技术。通过天线混洗，来自基于四个发射天线36的两个STTD编码器32和34的符号将区分优先顺序，也就是说，天线混洗线性地改变了信道。一种天线混洗模式由接收机依据空间信道相关性可以确定下来。
通过估计信道特性后，接收机从信道估计信息中提取出一个空间相关性矩阵，该矩阵代表了发射机与接收机之间的一种相关性，并确定一种使相关性最小化的最优混洗模式。尽管相关性矩阵必须是单位矩阵以保持信道的完全独立性，但是在实际运行中由于噪声和干扰将产生非正交项。因此，接收机确定使非正交项最小化的混洗模式并将其通知给发射机的编码器。
但是，传统的DSTTD系统只基于将传送数据流的信道之间的空间相关性最小化的信息来选择一种混洗模式，并未考虑到在接收机处SNR(信号噪声比)对BER(比特差错率)的影响。另外，考虑到相关性矩阵由二维计算获得，而不是来自于信道矩阵的一维计算，这种只利用相关性矩阵估计实现最优化接收性能的混洗模式存在着局限性。
发明内容
因此，本发明的一个目标是至少实质性的解决上述的问题或劣势，并提供至少下面的优势。据此，本发明的一个目标是提供一种在DSTTD系统中确定最优化接收性能的混洗模式同时最小化接收机复杂度的方法和装置。
本发明的另一个目标是提供一种在DSTTD系统中基于信道估计信息确定最小化差错概率的混洗模式的方法和装置。
本发明的再一个目标是提供一种在DSTTD系统中直接从信道估计信息中确定使最小接收SNR最大化的混洗模式的方法和装置。
在DSTTD系统中通过提供确定混洗模式的方法和装置即可实现上述和其他目标。
依照本发明的一个方面，提供一种在双时空发射分集系统中确定混洗模式的方法，在双时空发射分集系统中，双时空发射分集编码数据流在发射之前以混洗模式进行混洗，包括步骤从多束发射天线到多束接收天线估计信道特性；以及基于所估计的信道特性，选择最大化接收信噪比的一种最优混洗模式。
依据本发明的另一方面，提供一种在双时空发射分集系统中确定混洗模式的装置，在此系统中双时空发射分集编码数据流在发射之前以混洗模式进行混洗，该装置包括信道估计器，用于在多束发射天线和多束接收天线中估计出信道特性；混洗模式选择器，用于依据信道估计特性，选择能够最大化接收信噪比的最优混洗模式；多个译码器，用于在多个接收天线端，对接收自多个发射天线的信号进行译码，并在最优混洗模式下对译码信号解混洗；以及检波器，用于从解混洗信号中检测出数据符号。
通过结合附图对本发明的优选实施方式进行详细描述，本发明的上述和其它目的、特性、优点将变得更加清楚，附图中图1释义了传统MIMO系统的一个简化的传送模型；图2为传统DSTTD系统的示意性方框图；图3为依据本发明的实施例在支持混洗的DSTTD系统中的发射机框图；图4为依据本发明的实施例在支持混洗的DSTTD系统中的接收机框图；图5释义了依据本发明的实施例在支持混洗的DSTTD系统中的混洗实例；图6为一流程图，释义了依据本发明的实施例确定混洗模式的操作流程；和图7、8和9说明了所有可利用的混洗模式的BER性能。
具体实施例方式
下面参照附图我们将对本发明的优选实施例进行详细描述。在下面的描述中，对于现有的功能和结构将不会展开详尽描述，因为这些部分在不必要的细节上将会模糊本发明。
下面所述的本发明关于一种在支持混洗的DSTTD系统的接收机处基于信道估计信息来确定能够使得最小接收信噪比最大化的混洗模式的方法，最小接收信噪比对BER特性将会有直接影响。
图3为依据本发明的实施例支持混洗的DSTTD系统的发射机框图，参照图3，多路信号分离器(DEMUX)110将一串包含多个调制数据符号的数据流分成两路不同的数据流并将其分别输入到STTD编码器120和122。STTD编码器120和122对于每路数据流的输入各自产生两路数据流的输出。从而它们一起输出了四路数据流。
对于天线混洗来说，混洗器130依据由混洗控制器160提供的混洗模式将接收到的来自基于天线STTD编码器120和122的四路信号进行混洗。天线混洗将线性地改变从发射机到接收机的信道，接收机确定一种混洗模式，这在后面将详细描述。
扩频器140、142、144和146将收到的来自混洗器130的四路经混洗的数据流利用多个扩频码进行扩频，并将扩频信号分别分配到发射天线150、152、154和156上。
分配到第一束和第二束发射天线150和152的信号由于STTD编码而相互正交。同样，分配到第三束和第四束天线154和156的也是正交的。每一个天线发射的信号都受到来自其他STTD编码器信号的干扰。因此，对于每个数据符号来说实现了发射分集。
图4为依据本发明的实施例在支持混洗的DSTTD系统的接收机框图。参照图4，解扩器220将通过N个接收天线210到212接收的信号分别进行解扩，每一对STTD译码器232到238对每个天线实现直接时空rake合并。
经DSTTD编码并通过信道矩阵H传送、在第n束接收天线接收到的信号表示为[rn(0)rn(1)]=12[hn1hn2hn3hn4]s1s2-s2*s1*s3s4-s4*s3*+[Wn(0)Wn(1)]---(2)]]>这里hni为第i个符号时间的信道系数，sj为第j个发射符号，wn(.)为高斯噪声。
信道估计器260通过接收天线收到的信号估计从发射天线到接收天线之间的信道特性，从而决定最优的混洗模式W，并向译码器232到238以及发射机提供。译码器232到238依据混洗模式W将合成信号以最初顺序解混洗。
每一个DSTTD合成信号都要受到来自与其他的STTD编码器相连接的两个发射天线所生成的信号的干扰。因此，检波器240利用消除干扰的算法设计来检测数据符号，例如对从译码器232到238输出的信号利用迭代的MMSE(最小均方误差)。并串变换器(P/S)将数据符号转换成串行符号序列并将其送至解调器(图中未显示)。
如果每个天线的信道系数为hn＝[hn1hn2hn3hn4]T....(3)天线混洗以后新的信道系数为h~n=WThn]]>.....(4)这里W是4×4阶置换矩阵(permutation matrix)，代表了混洗模式，上角标T代表转置矩阵。
图5示意了在混洗模式(1、3、2、4)下一种示范性混洗，如图5所示，混洗器130将第二个数据流交换与第三个数据流进行了交换。
代表无线信道环境最坏情况的最小接收SNR是直接决定接收机BER性能的主要因素。因此，混洗模式选择器270将检测到一种使最小接收SNR最大化的混洗模式。
在DSTTD系统中接收机利用ZF(破零)或MMSE检测算法从每个数据流中检测数据，通过此算法检测到的第k个数据流的接收信噪比确定如下SNRk=ρM1[(HHH)-1]k,k]]>.....(5)这里ρ为发射信号的总SNR，M为发射天线的数量，H为信道矩阵，上角标H代表厄密共轭矩阵，下角标k，k代表数据流的索引号。
H为信道特性矩阵，随DSTTD系统而变化，也就是说，在发射机混洗后信道特性将会出现。对于四个发射天线和两个接收天线来说，H关于时间扩展后等式(2)扩展为
r1(0)r1(1)r2(0)r2(1)=12h11-h12h13-h14h12*h11*h14*h13*h21-h22h23-h24h22*h21*h24*h23*s1s2*s3s4*+w1(0)w1(1)w2(0)w2(1)]]>.....(6)从等式(6)中，最小接收SNR表示为SNRmin=ρM1max[(HHH)-1]k,k]]>≥ρM1λmax((HHH)-1)]]>=ρMλmin(HHH)]]>.....(7)这里λmax(.)和λmin(.)分别是信道矩阵最大特征值和最小特征值的计算函数。
因此，在最大化等式(7)时，混洗模式Wmin就被检测出来，对于信道矩阵H，依混洗而变化。混洗模式可以如下表示Wmin＝argmaxw[λmin(WHHHHW)].....(8)这里W是一矩阵，可以认定为混洗模式。由于系统的对称结构，所有可利用的混洗模式如下面的等式(9)所示。
W1234=1000010000100001]]>W1243=1000010000010010]]>W1324=1000001001000001]]>W1342=1000001000010100]]>W1423=1000000101000010]]>W1432=1000000100100100]]>.....(9)混洗模式选择器270从上述混洗模式中选择一个满足等式(8)的wmin，并将所选择的混洗模式信息反馈给发射机。
图6为一流程图，释义了依据本发明的实施例确定混洗模式的操作流程。这一操作流程发生在DSTTD系统的接收机中，在DSTTD系统中，DSTTD编码数据流在发射之前由预先确定的混洗模式进行混洗。
参照图6，在步骤310中接收机从多束发射天线到多束接收天线中估计信道特性，在步骤320中基于所估计的信道特性为所有可利用的混洗模式中每一个计算出最小SNR。在步骤330中，接收机选择一种能够最大化最小SNR的混洗模式作为最优混洗模式。在步骤340中，接收机将所选择的混洗模式信息反馈到发射机。
利用创新性的混洗模式确定算法的接收机性能在具有不同信道相关性的环境下进行仿真后，仿真结果如下所示。
H=HRRX1/2HiidRTX1/2]]>.....(10)仿真在M个发射天线和N个接收天线的条件下进行。在等式(10)中，Hiid为N×M阶i.i.d(独立同分布)具有零均值和单位方差的复高斯信道矩阵。同时RRX和RTX分别为N×N阶接收相关性矩阵和M×M阶发射相关性矩阵。
应用于仿真的信道相关性模型如下表1所示。通常接收机周围存在足够的散射空间，因此接收天线之间信道的相互独立性就可以保证，也就是说没有接收相关性存在，因此RRX＝1(表1)
对于信道S1，没有接收相关性和带有发射相关性的信道是由一个簇产生的。AOD(角度漂移)和AOS(角度扩展)分别是π/2和π/30。对于S1来说最优的天线混洗模式为(1、4、3、2)。图7说明了对于信道S1而言所有可利用的混洗模式所能达到的BER性能。
表2列出了在信道S1可利用的混洗模式下最小SNR和信道相关性。最小SNR为一种在本发明中用于选择最优化混洗模式的标准，这里信道相关性是传统技术中的标准。
(表2)
依照表2，本发明选择拥有最大化最小SNR、0.8021的混洗模式(1、4、3、2)，而拥有最小信道相关性0.0004的混洗模式(1、3、4、2)在传统方法中被采纳。在本发明中选择是基于最优接收SNR特性而确定的，因此由仿真产生的相同的混洗模式(1、4、3、2)成为本发明的选择。
对于信道S2，带有发射相关性的信道是由两个簇产生的。它们的AOD和AOS分别为π/6&π/2以及π/30&π/20。图8说明了对于信道S2所有可利用的混洗模式的仿真结果。表3列出了在对于信道S2所有可利用的混洗模式中，本发明所选择的最优混洗模式的数据以及传统方法所选择的最优模式的数据。
(表3)
图8表明在混洗模式(1、2、4、3)或(1、3、4、2)中S2提供了最好的BER性能。参照表3，本发明选择具有最大化的最小SNR、1.1321的混洗模式(1、3、4、2)，而传统方法选择具有最小信道相关性0.0018的混洗模式。
对于信道S3，发射相关性被强制设定并且发射相关性矩阵为RTX＝toeplitz(1 0.75 0.5 0.25)。图9说明了对于信道S3所有可利用的混洗模式的仿真结果。表4列出了对于信道S2所有可利用的混洗模式中，本发明所选择的最优混洗模式的数据以及传统方法所选择的最优模式的数据。
(表4)
参照表4，本发明选择的是具有最大化最小SNR，0.7952的混洗模式(1、4、2、3)。
仿真表明，传统的方法对于具有相似性能的w1324w1423w1342和w1432的混洗模式不能提供一种统一的判断标准，而在本发明中对于这些混洗模式提供了统一的判断标准。因此，结论得出，即在选择最优混洗模式时本发明与传统方法相比更客观。
依照本发明，在支持混洗的DSTTD系统中有效的确定了最优的混洗模式。在本发明里确定混洗模式的算法中，接收机估计信道并从信道估计信息中计算接收SNR，该接收SNR直接影响接收机的BER性能，并不需要建立空间信道相关性矩阵。因此，接收性能得以改善。
尽管参照本发明的特定优选实施例对本发明进行了上述图示和描述，但本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的各种修改。
权利要求
1.一种在双时空发射分集系统中确定混洗模式的方法，在双时空发射分集系统中，双时空发射分集编码数据流在发射之前以混洗模式进行混洗，包括步骤从多束发射天线到多束接收天线估计信道特性；以及基于所估计的信道特性，选择最大化接收信噪比的一种最优混洗模式。
2.如权利要求1所述的方法，其中选择最优混洗模式的步骤包括对所有可利用的混洗模式中的每一个计算最小接收信噪比；以及选择具有最大的最小接收信噪比的混洗模式作为最优混洗模式。
3.如权利要求2所述的方法，在选择最优混洗模式的步骤中，最优的混洗模式将使下式最大化Wmin＝arg maxW[λmin(WHHHHW)]其中λmin为最小特征值的计算函数，W是表示所有可利用的混洗模式的置换矩阵，H是代表信道特性的信道矩阵。
4.一种在双时空发射分集系统中确定混洗模式的装置，在此系统中双时空发射分集编码数据流在发射之前以混洗模式进行混洗，该装置包括信道估计器，用于从多束发射天线到多束接收天线估计信道特性；混洗模式选择器，用于依据估计的信道特性，选择最大化接收信噪比的最优混洗模式；多个译码器，用于在多个接收天线端，对接收自多个发射天线的信号进行译码，并在最优混洗模式下对译码信号解混洗；以及检波器，用于从解混洗信号中检测出数据符号。
5.如权利要求4所述的装置，其中混洗模式选择器对所有可利用的混洗模式中的每一个计算最小接收信噪比，并选择具有最大的最小接收信噪比的混洗模式作为最优混洗模式。
6.如权利要求5所述的装置，其中混洗模式选择器所选择的最优的混洗模式将使下式最大化Wmin＝arg maxW[λmin(WHHHHW)]其中λmin为最小特征值的计算函数，W是表示所有可利用的混洗模式的置换矩阵，H是代表信道特性的信道矩阵。
7.如权利要求4所述的装置，其中混洗模式选择器将关于最优混洗模式的信息反馈给发射机。
全文摘要
本发明公开了一种在DSTTD系统中确定混洗模式的方法和装置。在该装置中，信道估计器从多束发射天线到多束接收天线中估计出信道特性。混洗模式选择器对所有可利用的混洗模式中的每一个计算最小接收SNR，并选择最大化最小接收SNR的混洗模式作为最优混洗模式。这种有效的混洗模式选择方法在接收机处直接改善了BER性能。
文档编号H04B7/26GK1581725SQ20041004785
公开日2005年2月16日 申请日期2004年5月31日 优先权日2003年8月7日
发明者申熙浚, 郑在学, 黄讃洙, 李忠容 申请人:三星电子株式会社, 延世大学校