专利名称：多输入多输出系统中的符号解映射方法
技术领域：
本发明的要点涉及数据通信，更具体地说，涉及多输入多输出(MIMO)系统中的接收设备和符号解映射方法。
背景由于对无线通信业务日益增长的需要，系统开发商不断力求增大无线系统的容量。例如，在蜂窝电话系统和无线局域网(WLAN)系统中情况尤为如此。为了增大系统容量，正在为蜂窝电话和广域网用途开发多输入多输出(MIMO)技术。
在MIMO系统中，MIMO发射机包括多根发射天线，用于数据发射，而MIMO接收机包括多根接收天线，用于数据接收。当通过彼此相隔大于相干距离的多根天线同时发射信号时，这些信号将每一个都具有截然不同的空间标记。所述相干距离是对于独立的衰落的天线的最小空间间隔，而其数值取决于到达或离开天线阵列的多个通路的角度伸展。MIMO系统通过利用天线阵列内多根天线之间的空间差异，与已知的技术相比，可以提供增大的系统容量和/或提高质量。MIMO系统开发商继续尝试通过发展能产生可以接受的系统性能的MIMO处理技术增大系统容量。
附图的简短说明后附的权利要求书详细地指出这里描述的本发明要点的不同的实施例。但是，当与附图相联系地进行考虑时，所述详细说明使本发明要点的不同的实施例得到更完全的理解。在所有附图中类似的标号指类似的项目
图1是图解说明按照本发明实施例的MIMO发射机和MIMO接收机之间多径通信的简化示意图；
图2是按照本发明实施例的能够利用空间多路复用技术调制和发射符号流的MIMO装置的简化方框图；图3是按照本发明实施例的能够接收、解调和解映射空间多路复用射频信号的MIMO装置的简化方框图；图4图解说明四点QPSK(正交相移键控)星座图案；图5图解说明16QAM(正交振幅调制)星座图案；图6图解说明64QAM星座图案；图7图解说明按照本发明实施例在16 QAM星座内单一接收矢量元素的位层次MIMO解映射；图8是按照本发明实施例用于执行位层次MIMO解映射的程序的流程图；以及图9是描述可以包含在本发明不同的实施例中的本发明树搜索算法的树形图的实例。
详细说明这里描述的本发明要点的不同的实施例包括解映射和解调多输入多输出(MIMO)符号用的方法和设备。本发明要点的实施例在这里可以个别和/或集体地用术语″发明″称呼。这一术语的使用仅仅为了方便，并且在公开一个以上的发明或发明概念时，不是用来自愿地把本申请的范围限于任何单一发明或发明概念。
可以把本发明的实施例包括于其中的不同的电子系统和器件的实例包括(举几个例子，但不限于)无线局域网(WLAN)系统、蜂窝电话系统、无线电网络、计算机(例如，台式机、膝上计算机、手持式计算机、服务器等)和无线通信装置(例如，蜂窝电话、寻呼机、无线电台等)。本发明的实施例可以用于其它类型的系统和/或装置，而且根据这里的描述对本专业的技术人员将是显而易见的。这里描述的本发明要点不打算限于这里描述的那些系统和器件。
图1是图解说明按照本发明实施例的MIMO装置102、106之间多径通信的简化示意图。尽管只图解说明两个装置102、106，但是MIMO系统可以包括多个装置102、106。装置102、106可以是移动的、便携式或静止的。一个或多个装置102、106可以包括在网络接入点、便携式计算机或静止计算机(例如，膝上计算机、台式机或服务器计算机)、蜂窝电话、手持式无线电台或许多其它类型的具有通过无线介质与其它装置进行单工或双工通信的能力的装置内。
每一个装置102、106可以包括发射机、接收机或两者。其中装置102、106既包括发射机又包括接收机，可以支持双工通信。为了便于描述，装置102在下文中是指发射机，而装置106指接收机。但是，要明白，装置102、106还可以分别包括一个或多个接收机和发射机。这里详细的描述讨论以发射机102和接收机106之间的点到点链路的单用户通信模型的实例。
如前面讨论的，MIMO系统利用它的天线阵列内的空间差异来增大系统容量和/或提高信号质量。在所述实例中，在图1中图解说明系统发射机102备有数目nT的发射天线104，而接收机106备有数目nR的接收天线108。发射天线的数目和接收天线的数目可以相等或不相等。
发射机102通过″信道″，一般包括自由空间介质向接收机106发射射频(RF)信号110、112、114。所述nR×nT矩阵信道的输入-输出关系由如下方程式(1)表达Y＝Hx+N (1)其中Y＝[y0y1...ynR-1]T是nR×1接收信号矢量，H是nR×nT信道转移矩阵，x＝[x0x1...xnT-1]T是nT×1发射信号矢量，和N是噪音矢量。
在发射机102中信道转移矩阵往往是未知的，但是在接收机106中它可以是几乎完善地已知的和跟踪的。发射机102上的信道知识可以通过接收机反馈和/或使用发射-接收，基于双工的信道映射方法获得。
用来增大系统容量的一种MIMO技术称作″空间多路复用″。空间多路复用的想法是在发射机和接收机上使用多根天线，结合传播环境中丰富的散射，在相同的频带内打开多根数据管道。在发射机上，把输入符号流分为多根独立的低速率子流。调制这些子流，以便形成一些截然不同的信号，这些截然不同的信号在分开的各发射天线上发射。
若这些发射天线空间间隔足够大，而且若所述无线信道具有足够的多径特性，则每一个发射符号子流都会在接收机天线阵列上诱生不同的空间标记。若在接收机上诱生的信号的空间标记充分隔开，则接收机可以分离出多个发射信号，来产生子流的估计。然后重新结合所述子流，形成原符号流的估计。空间多路复用的使用在容量上产生潜在的线性(亦即，按天线的数目)增大。
所述调制符号一般映射至标准星座，诸如BPSK(双极性相移键控)或矩形QAM(正交振幅调制)星座。矩形QAM星座包括例如QPSK(正交相移键控)、16 QAM、64 QAM、256 QAM等等。利用矩形QAM调制，发射信号矢量x和接收信号矢量Y是复数调制符号的矢量。
图2是按照本发明实施例能够利用空间多路复用技术编码、调制和发射符号流的MIMO装置200的简化方框图。在一个实施例中，装置200包括信息位源202、编码器204、多路分解器206和多个天线子系统208、210、212。尽管在图2中图解说明3个天线子系统208、210、212，但是在其他实施例中，可以包括较多或较少的天线子系统。
信息位源202产生位流230。信息位源202可以处于通信体系结构较高的层次上(例如，介质访问控制(MAC)层)或另一种类型的位源。信息位源202可以包括例如一个或多个通用或专用的处理器、专用集成电路(ASIC)、多芯片模块、它们的组合或其它装置。
位流230可以是连续的或间歇的。位流230可以包括各种各样不同类型的信息，和所述信息可以是不压缩的或压缩的，不加密或加密的，和/或以前经受了任何若干分组化和/或处理技术。在一个实施例中，例如，位流230可以包括用于多用户应用的时分多路(TDMA)帧。
位流230由编码器204接收，编码器204把冗余项加到信息位上，以便允许在接收机上检测和校正位差错。例如，除了其它编码技术之外，编码器204可以进行前向纠错(FEC)编码。编码器206产生编码的位序列232。
编码的位序列232由多路分解器206接收。多路分解器206产生nT个(亦即，发射天线的数目)空间信道234、236、238，它们是所述编码的位序列232的子流。这些子流234、236、238中间每一个都可以包括不同的信息。把子流234、236、238分别提供给多个天线子系统208、210、212。
天线子系统208、210、212调制并且同时在同一频带内发射子流234、236、238内的信息。天线子系统208、210、212可以使用各种各样不同的调制技术，举几个例子，包括(但是不限于)窄带调制、OFDM(正交频分多址)和码分多址(CDMA)。
在一个实施例中，每一个发射天线子系统208、210、212都包括交织器214、位-符号映射器216、调制器218和天线220。在另一个实施例中，交织器和/或位-符号映射器在发射机内可以包括在编码器204和多路分解器206之间，而不是在每一个天线子系统208、210、212内。
交织器214从多路分解器206接收编码的子流234。然后交织器214排列位的次序，以便使发射的信号更强健。
位-符号映射器216接收交错后的子流，并把子流的位映射到一系列符号。每一个符号对应于一个或多个位的一组，而每一个符号都可以用一个符号矢量表示。映射处理取决于所用符号星座的类型和星座内的点数。在一个实施例中，符号矢量是复矢量，所述复矢量利用BPSK或各种各样矩形QAM技术包括(但是不限于)QPSK、16QAM、64QAM、256QAM等中的一个编码。在一个替代的实施例中，符号矢量是简单的矢量，利用PAM(脉冲振幅调制)技术编码。下面按照图4-6描述不同的符号星座的实例。
在一个实施例中，符号矢量用复数表达，其中每一个都具有相位和振幅分量。这些复数符号矢量送到调制器218。调制器218把符号矢量值转换为RF波形。相应地，调制器218使用调制程序(例如，OFDM或CDMA)，把调制后的信号转换为模拟时域(例如，利用快速富里叶逆变换(FFT))，进行不同的滤波和放大程序，并把信号升频变换为RF频率。
调制器体系结构的至少一部分取决于所使用的调制技术。例如，若用OFDM来调制符号，则每一个调制器218都可以包括串-并(S-to-P)转换器(未示出)，它们从输入符号矢量流取出若干矢量并产生与施加于IFFT(逆FFT)的OFDM子带信道对应的多个输出符号，以便建立时域信号。对于CDMA系统，调制符号是调制在编码波形上的。对于其它调制技术，可以使用其它调制器体系结构，如根据这里的描述本专业的技术人员显而易见的。
调制器218产生的RF波形被提供给天线220，天线220通过空气界面发射RF信号240。其它天线子系统210、212中的每一个也都产生和通过空气界面发射F信号242、244。信号240、242、244占用相同的频带(亦即，它们是同信道的信号)。若这些发射天线(例如，天线220)适当隔开，则信号240、242、244中每一个都将有截然不同的空间标记。
结合图3更详细地描述的MIMO接收机包括多根接收天线。每一根接收天线都观测nT个发射的信号240、242、244的不同的噪音重叠的衰落的版本。MIMO通信的一部分复杂性来自这样一个事实，在所述接收机上，多数据管道之间可能存在数量相当大的串音。在空间多路复用系统中，所述接收机确定成分符号子流，而成分符号子流产生原符号流的估计。
为了达到把接收的信号矢量变换为发射的符号流的估计的目的，存在几个不同类型的线性和非线性MIMO接收机。这些接收机类型包括强制归零接收机、最小均方差(MMSE)接收机、相继干扰抵消(SIC)接收机(例如，Bell试验室LAyered空间-时间(BLAST)和V-BLAST)、最大可能性(ML)接收机和减少复杂性的ML接收机，诸如球形译码器。
每一种类型的接收机都具有不同的性能-复杂性折衷。例如，线性强制归零和MMSE接收机有噪音严重增强的问题，因而这些类型的接收机在MIMO系统得不到广泛使用。下面简要地讨论非线性ML和SIC接收机的原理，因为这些类型的接收机可以更有利地完成MIMO设置。
ML接收机应用″ML规则″对一组重叠的MIMO符号进行解调。ML规则用方程式(2)表达如下x^=argmin||Y-Hx||2x---(2)]]>其中x^=[x^0x^1...x^nT-1]T]]>是nT×1发射信号矢量的估计，Y＝[y0y1...ynR-1]T是nR×1接收信号矢量，H是nR×nT信道转移矩阵，而x＝[x0x1...xnT-1]T是nT×1发射信号矢量。利用QAM调制， Y和x是复数调制符号的矢量。
利用ML规则，可能的MIMO符号x的数目等于MnT，其中M是所述调制星座中点数。例如，4×4 16 QAM系统(亦即，带有nT＝nR＝4的16QAM系统)有164＝65,536个可能的MIMO符号值。利用完全的ML搜索，符号值的数目与求解所执行的计算次数成正比。因此，完全ML解调的一个重大缺点是，为了解调已经利用高阶调制方案调制的符号，要求大量的计算。
ML解映射的替代方案是利用SIC算法的解映射，诸如BLAST或V-BLAST算法(集体地称作″BLAST算法″)。BLAST算法基于强制归零或MMSE估算器，但有修改。利用BLAST算法技术，估计最强的符号(亦即，估计误差方差最低的符号)。然后对所述符号进行解映射(亦即，所述估计矢量与最近的星座点相关，并求出与所述点对应的数据位)。然后将所得数据位解映射至调制符号，并把所述信道矩阵H应用于重新调制后的信号。从接收矢量Y减去所得矢量。于是，x的尺寸缩小，删除H列，对次最强的符号重复处理，直到所有重叠的符号都解映射为止。
与利用ML解映射相反，利用BLAST算法求解需要进行的计算较少。但是，与ML解映射相比，BLAST算法的误差传播特性会造成性能下降。
本发明的实施例包括比完全ML解映射计算复杂性较少的解调和解映射方法。另外，本发明的实施例包括解调和解映射方法，可以比BLAST算法解调技术完成得较好。在这里不同的实施例的解调和解映射方法称作″位层次″(BH)MIMO解映射方法。在这里使用术语″位层次″，是因为本发明的实施例利用某些调制的层次性特征，就是调制能以对所述分层结构的自然顺序，分解为基本调制的层次性序列。本发明的一个实施例可以应用于QAM，以QPSK作为基本调制。但是，本发明的另一个实施例可以应用于PAM，以BPSK作为基本调制。BHMIMO解映射方法，按照所述不同的实施例，在包括MIMO接收机的MIMO装置内进行。
图3是按照本发明实施例的能够对空间多路复用的RF信号进行接收和解调的MIMO装置300的简化方框图。在一个实施例中，装置300包括信息位目的地302、信道解码器304、多路复用器306和多天线子系统308、310、312。尽管图解说明了3个接收天线子系统308、310、312，但是在其他实施例中，可以包括较多或较少的天线子系统。
nR个天线子系统308、310、312中的每一个都接收RF信号322、324、326，RF信号322、324、326包括nT个发射信号(例如，图2信号240、242、244)的不同的噪音重叠的衰落版本。然后，按照不同的实施例，每一个接收天线子系统308、310、312解调所接收的信号322、324、326，并应用BH MIMO解映射技术。
在一个实施例中，每一个接收天线子系统308、310、312都包括天线314、解调器316、符号解映射器318和去交织器320。在另一个实施例中，符号解映射器和/或去交织器可以包括在接收机中解码器304和多路复用器306之间，而不是在每一个天线子系统308、310、312内。下面描述通过一个天线子系统308进行的信号处理。要明白，其它天线子系统310、312可以同时进行类似的处理。
天线314从无线信道接收RF信号。解调器316放大RF信号，将该信号从RF频率降频变换为中频或基带。解调器316还把所述信号从模拟域转换为数字域(例如，利用FFT)。也可以执行不同的滤波程序。
解调器316进一步把数字信号转换为一系列接收符号矢量表示。解调器体系结构的这一部分取决于所使用的调制技术。例如，若用OFDM来解调所述符号，则每一个解调器316都可以包括串-并(S-to-P)转换器(未示出)，所述串-并转换器施加多个输入样值至FFT，产生OFDM子带信道，产生若干矢量作为输出矢量流。对于其它调制技术，诸如CDMA，例如，可以使用其它解调器体系结构，如根据这里的描述本专业的技术人员显而易见的。
符号解映射器318是符号处理元件，它接收所述接收符号矢量。按照下面详细描述的本发明的不同实施例，根据这些矢量，符号解映射器318进行BH MIMO解映射。BH MIMO解映射产生nTX 1发射信号矢量，该发射信号矢量表示为x^=[x^0x^1...x^nT-1].]]>在一个实施例中，符号解映射器318进一步对估计的信号矢量进行切片，以便获得与切片矢量中的每一个对应的数据位。这些关于数据位值的″硬判决″被送到去交织器320并最后送到解码器304。
在另一个实施例中，符号解映射器318代之以产生关于数据位值的″软判决″，而且把这些软判决以一组每位对数似然函数比率(LLR)、LLR的近似值或其它软判决指示符的形式存储在寄存器内。这些软判决值可以提供给解码器304，后者进行最后的位值确定。下面结合图7-9详细提供关于在不同实施例的BH MIMO解映射方法的细节。
在一个实施例中，去交织器320从符号解映射器318接收数据位值或软数据位值。然后去交织器320反转由所述发射机执行的交错处理。去交错后的数据位值作为子流328被送到多路复用器306。
多路复用器306以一种与发射机所执行的多路分解一致的方式把从不同的接收天线子系统308、310、312接收的多个子流328，330，332组合起来。结果得出数据位334的串行流，送到解码器304。
在一个实施例中，解码器304接收串行位流334。在一个替代的实施例中，解码器304接收软判决值(例如，LLR、LLR的近似值或其它软判决值)。解码可以包括例如FEC解码和/或其它解码技术。解码器304执行的处理取决于数据通过信道发射之前，在发射机中是如何编码的(例如，图2发射机200)。
信息位目的地302接收译码的位流336，它消耗、修改、存储所述信息，和/或将其发送到一个或多个不同的处理元件或装置。信息位目的地302可以是(但不限于)例如装置的MAC层。信息位目的地302可以包括例如一个或多个通用或专用的处理器、专用IC、多芯片模块、它们的组合或其它装置。
按照不同的实施例，图3接收机的体系结构可以用来执行BH MIMO解调和解映射。解调和解映射可以针对不同的调制星座类型进行。例如(但不限于)不同的实施例可以用来对调制为PAM星座(例如，BPSK)或矩形QAM星座的数据进行解调和解映射，包括(但是不限于)QPSK、16 QAM、64 QAM、256 QAM等等。图4-6分别图解说明QPSK、16 QAM和64 QAM星座。这些图不打算把不同的实施例的应用限于图解说明的星座，包括在此只是为了便于说明本发明的要点。
利用BPSK或QPSK调制，载波信号的相位根据要发射的数据值而改变。例如，可以通过在载波中产生180度相移来发射二进制1，而可以用0度相移来表示二进制0。在″正交振幅调制″和″正交相移键控″中术语″正交″来自根据要发射的数据的位值载波相移至四种可能的相位范围(亦即，0-90度、90-180度、180-270度和270-360度)中的一个的能力。
图4图解说明四点QPSK星座图案400。所述图案中每一个点都驻留在四个象限402、404、406、408，而且每个点都可以用复数符号矢量表示。因为所述星座包括四个点，所以，所述星座可以用来将四个双位的组合编码。对应于一个特定的点的双位组合可以通过映射/解映射处理确定。例如，驻留在象限402的星座点可以对应于双位值″00″，如在图4图解说明的。图4中与每一个星座点相关地图解说明其它2位映射实例。
图5图解说明16 QAM星座图案500。16 QAM调制使用不同的相移和振幅组合来产生图案500，图案500包括每象限502，504，506，508.四个点。总共16个点中的每一个都可以映射至特定的4位组合。在图5中图解说明与每一个星座点相关联的不同的4位映射。
图6图解说明64 QAM星座图案600。64 QAM调制使用相移和振幅的不同的组合来产生图案60O，图案600包括每个象限602，604，606，608的16个点。在这种情况下，64个点中的每一个都可以映射至特定的6位组合。在图6中，图解说明与每一个星座点相关联的不同的6位映射。
下面将结合矩形QAM调制(例如，QPSK、16 QAM、64 QAM等)来描述各种不同实施例的方法和设备，尽管所述方法和设备也可以应用于BPSK调制。参数m在这里用来指示调制次序。信号星座点数是4M。因而，m＝1是QPSK，m＝2是16 QAM，m＝3是64 QAM等等。
一个MIMO符号将发送nT4m位。可以按照方程式(3)把这些位排序为2m个矢量ik=ik,0···ik,nTand,qk=qk,0···qk,nT,k=0,...,m-1---(3)]]>按照方程式(4)定义QPSK矢量
xk(ik,qk)=(2ik,0-1)+j(2qk,0-1)···(2ik,nT-1-1)+j(2qk,nT-1-1)---(4)]]>在一个实施例中，QPSK矢量元素中的每一个都是±1±j。因此，所述QAM MIMO符号可以写成方程式(5)x(i0，q0，...，im-1，qm-1)＝2m-1Δx0(i0，q0)+2m-2Δx1(i1，q1)+...+Δxm-1(im-1，qm-1)(5)其中2Δ是QAM星座的自由欧几里得距离(就是说，最近近邻星座点之间的距离)。可以把各种不同的星座写成这样的格式，尽管实际的位映射涉及向i和q矢量的转换。
各种不同实施例的方法包括一序列判决，后跟干扰抵消。但是，不像先有技术的SIC算法(它顺序地解映射调制符号)，所述各种不同实施例的方法执行顺序的元素搜索(例如，QPSK搜索)，以便解映射基本的调制符号x0，x1，x2...，(例如，QPSK符号)的解映射矢量。换句话说，所述各种不同实施例的方法解调所有调制符号的高位，抵消干扰，以便降低调制阶数，并重复所述处理直到调制阶数减小至元素星座为止。
可以用以下伪代码来表示本发明的各种不同的实施例的基本方法for(k＝-0；k＜m；k++){Y~k=12(Y~k-1-x~k-1);---(7)]]>x^k=argminQPSK vectors x||Y~k-Hx||2;---(8)]]>}将Y~-1=(2m-1Δ)-1Yandx^-1=0;---(6)]]>初始化。
其中 是在每一个搜索层次k上的接收信号矢量的缩放版本， 是在每一个搜索层次k上的QPSK矢量，H是信道转移矩阵，而x是发射信号矢量。如下面将要更详细描述的，方程式(6)代表初始化处理，方程式(7)抵消高次干扰和按比例缩放接收信号矢量数据，而方程式(8)代表层次k的QPSK搜索。
如上述算法所指出的，为了到达一定结果的搜索点数比利用完全的ML搜索时的搜索点数少得多。对于方程式(6-8)给出的基本算法，搜索点数大致是m4nT，相反完全的ML搜索的是4mnT。例如，对于nT＝4和m＝2(亦即，16 QAM)，完全的ML搜索将搜索65,536点。按照本发明实施例的基本搜索完成这一搜索将大致搜索512点。因此，利用本发明的不同的实施例的方法达到大大减少搜索点数的目的。
图7图解说明按照本发明实施例的16 QAM星座700内单个接收矢量元素的BH MIMO解映射。尽管图7是二维星座表示，但是应该明白，所述图描述将接收信号矢量Y的一个元素解映射的实例。
在MIMO系统中，接收信号矢量Y包括等于发射天线的数目的若干矢量元素。在本发明一个实施例中，BH MIMO解映射方法涉及识别一个或多个象限，其内定位了接收信号矢量Y的多个矢量元素。因此，实际的星座表示会具有多个复数尺寸，而图7所示的只有一个复数尺寸。为描述清晰起见，以两个实数尺寸和一个复数信号矢量元素图解说明图7。本专业的技术人员会明白，根据这里的描述，如何在概念上把图7中的描写扩展到应用于多元素解映射。
应该明白，根据这里的描述，方程式(8)的QPSK矢量搜索包括寻找多维MIMO符号空间内被信道矩阵H改变的最接近的QPSK矢量，而不仅仅一个元素的或元素间的最接近的QPSK矢量(例如，如在SIC中)。事实上，由于信道矩阵H中的串音元素，元素间的最小距离结果不大可能与方程式(8)的QPSK矢量解一致。本发明的要点想要包括多维星座空间内接收信号矢量Y多个元素的解映射。尽管如此，图7对于理解本发明要点的基本概念是有用的。
参见图7，图中示出16 QAM星座700，初始原点702大致示于星座的中心。所述星座被分成多个象限(例如，象限716)。用一些点(例如，点718)表示所述星座的符号。在一个实施例中，符号在垂直和水平方向上被2Δ的自由欧几里得距离704隔开。在其他实施例中，符号可以被不同的水平和/或垂直距离隔开。2Δ的值是为说明举出的，不是限制。
接收信号矢量由箭头706表示。为了便于描述，接收信号矢量706对应于接收信号矢量Y的一个元素。如图7图解说明的，矢量706指示位于接近符号718的数据点。
在一个实施例中，在BH MIMO解映射方法的第一次叠代过程中，进行第一层次QPSK搜索，以便确定紧靠接收信号矢量706的至少一个象限。对于第一层次QPSK搜索，″+″标记708，710，712，714表示第一层次QPSK矢量2Δxo。在图解说明的实例中，认为与″+″标记708对应的QPSK矢量与所述第一层次搜索的结果一致。″+″标记708标识象限716。
然后，在一个实施例中，收缩所述搜索空间，以便减小包括所述识别的象限716内定位的星座点的搜索空间720。减小的搜索空间可以用QPSK星座720表达，QPSK星座720具有位于所述星座720中心的新原点722。因为所述星座已经缩小为QPSK星座，所述星座点现在对应于QPSK矢量2Δx1。在一个实施例中，将这些矢量归一化。
在一个实施例中，将接收信号矢量变换到新的原点722。向新原点的转换对应于上述伪代码方程式(7)的操作。另外，缩放接收信号矢量，以便使QPSK矢量归一化。变换和缩放后的矢量表示为矢量724。
根据减小的搜索空间720以及变换和缩放后的矢量724，进行更低层次的QPSK搜索，以便确定紧靠矢量724的至少一个子象限。在图解说明的实例中，认为与星座点726对应的QPSK矢量与较低层次搜索的结果一致。因为这是最低层次的搜索(亦即，对应于QPSK矢量的星座点)，所以星座点726被标识为解映射符号。
星座点726表示在减小的搜索空间720内存在的一个点。因此，为了在全星座内识别实际的符号，作出判断，在原来的16 QAM星座700内，星座点726对应于所述符号。在图解说明的实例中，星座点726对应于符号718。因此，可以把接收信号矢量解映射至符号718。
如上面所描述的，图7图解说明16 QAM星座内的BH MIMO解映射。所述实例可以扩展至较低层次或较高水平的星座。例如，在64 QAM星座中，对于单一接收的矢量元素的第一层次QPSK搜索可以识别带有16星座点的象限。缩小所述搜索空间以便识别象限，识别新的原点，变换和缩放数据，以及进行第二层次的搜索。第二层次QPSK搜索可以识别带有4个星座点的子象限。再一次把搜索空间缩小为识别的子象限，识别另一个新的原点，再一次变换和缩放数据，完成第三层次的QPSK搜索。第三层次QPSK搜索产生对最后的星座点的识别。确定原来的星座内最后的点和符号之间的对应关系，而所接收的矢量元素解映射到所识别的符号。根据这里的描述，如何把本发明要点扩展到甚至更高层次的星座(例如，256QAM和更大)，对本专业的技术人员是显而易见的。
上述搜索操作的序列只取决于QAM星座点的层次性属性，而不取决于到那些点的位映射。但是，对于某些特定的位至调制符号映射，诸如在图4-6中图解说明的那些，在层次性搜索的每一层判定可以直接识别特定的位。
图8是按照本发明实施例的进行BH MIMO解映射的程序的流程图。尽管把图8的程序的各个操作图解说明和描述为单独的操作，但是可以同时进行所述各个操作中的一个或多个。另外，不一定要以图解说明的顺序进行所述操作。
在方框802通过进行设置计算来开始所述方法。所述设置计算是H的函数。所述设置计算可以是一次性计算，在在对连续的MIMO矢量符号进行解映射时，可能不重复所述设置计算，而且实际上可能不取决于有噪音的接收信号矢量Y。例如，在方程式(8)中，Hx值对于通过相同的信道H发射的所有符号和对于所有层次性搜索的所有层次都是相同的。因而，这些Hx值可以是一次算出并存储以备重新使用。另外，方程式(8)中基本欧几里得距离的数学操作导致所述表达式的替换的但等效的形式，这可以导致更有效的实现方案。方框802的设置计算可以支持这样的变型。
在方框804中，多天线接收机(例如，MIMO接收机)产生复数解调符号的接收信号矢量Y，其中Y的每一个元素都对应于截然不同的接收天线，每一个元素都指出nT个发射信号的衰落版本的重叠。
在方框806中，循环变量k被初始化到0值。循环变量k用来通过QPSK搜索的各种不同层次，并用来指示何时应该结束所述循环(例如，当完成最低层次的QPSK搜索时)。
另外，在方框806，通过定义顶层QPSK矢量x^k=0]]>来把第一QPSK搜索的搜索空间初始化至顶层分层结构。在一个实施例中，顶层分层结构包括全星座。例如，若发射矢量x的各元素对应于16 QAM星座，则把搜索空间初始化到16 QAM星座，其原点大致在星座的中心。
在方框808，进行层次k的QPSK搜索以便找出 在一个实施例中，按照上面方程式(8)进行层次k的QPSK搜索。至少暂时性存储所述搜索的结果。
然后在方框810确定，是否k＝m-1，其中m是调制阶数(例如，QPSK为m＝1，16 QAM为m＝2，16 QAM为m＝等)。然后如果不是这样，则在方框812把接收信号矢量Y内的数据元素变换至新的原点并进行缩放，以便对应于基本上包括在方框808识别的一个或多个象限的缩小的搜索空间。使所述数据矢量归一化，以便利用±1符号进行下一个QPSK搜索。结果得出缩放后的接收信号矢量 在方框814，循环变量k加一，并且所述程序叠代。具体地说，重复方框808，在其过程中在所述缩小了的搜索空间内完成层次k的QPSK搜索以找出新的 重复方框808，810，812和814，直到在方框810确定k＝m-1为止。此刻，在方框816，所述搜索的结果是根据所进行的最低层次的QPSK搜索产生的，于是所述方法结束。
在一个实施例中，搜索结果包括″硬判决″。硬判决对应于特定的指示，其中位值对应于最低层次的QPSK搜索中识别的符号。
在另一个实施例中，产生″软判决″，它由解码器(例如，图3的304)用来产生所述位值的最后确定。
在一个实施例中，软判决包括一组LLR或LLR的近似值(例如，下面描述的差异最小距离规则(difference-min-distance rule)或等效的计算)。
近似于精确(对数-映射(log-MAP))LLR计算是称作″差异最小差异″规则的规则。所述近似值是在应用精确的对数似然函数公式时从所谓log-MAX近似值推演出来的。对于给定的位bx，所述规则由方程式(9)给出LLR(bx)=12σn2{argminx:bx=0||Y-Hx||2-argmin||Y-Hx||2x:bx=1}---(9)]]>其中σn是矢量Y每元件的相加性噪音方差。
按照本实施例，求出argminx:bx=0/1||Y-Hx||2]]>值并且将其作为QPSK子搜索的一部分存储(例如，在寄存器中)。所述结果是，应用于方程式(9)的一些最后值是真实的QAM星座点，而有些是来自高阶QPSK的搜索结果。但是，最低层次的搜索检查最近近邻点。因此，可以在最近近邻替代LLR上提高这些实施例的准确性。当位值替换不是最近近邻时，所述LLR值较大，而在这些情况下，解码处理对近似误差不敏感。
图8的流程图表示按照一个实施例的基本BH MIMO解映射方法。在所述层次性搜索的每一层，进行单一QPSK矢量搜索。在其他实施例中，所述算法扩展到包括若干种树搜索技术中的任何一种，其中可以在叠代过程中进行多次QPSK搜索。
树搜索算法是已知的，尽管它们没有应用在本发明要点的上下文中。在一个实施例中，把M算法树搜索包括在QPSK搜索的一个或多个层次，在其过程中识别″M″个最佳QPSK矢量，因为包括在所述后续叠代(有的话)的缩小了的搜索空间中；就是说，所述M个QPSK矢量带有最小欧几里得距离值‖Y-Hx‖。在另一个实施例中，把T算法树搜索引入到QPSK搜索的一个或多个层次中，认为在其过程中那些其欧几里得距离值落在最佳QPSK的阈值T范围内的QPSK矢量包括在用于后续叠代(有的话)的缩小了的搜索空间中。
图9是树形图900的实例，它描述可以包括在本发明的不同的实施例的树搜索算法。树形图900包括3个层次902，904，906。在树的根910，进行最高层次QPSK搜索，以便相对于接收的搜索矢量Y识别W个可能的QPSK搜索值。W表示在每一层可能的搜索值的数目或″分支″的数目。因此，对于层次902上初始的QPSK搜索，W＝4nT。例如，若有nT＝3个发射天线，则所述树上每节点有64条分支。图9图解说明每个节点只有4条分支的情况。
在层次904，初始的QPSK搜索结果存储在节点911、912、913、914上。每一个节点对应于缩放后的QPSK星座的一个象限。在每个象限内，按照不同的实施例，有可能进行较低层次的QPSK搜索。因此，四分支从每一个节点911、912、913、914扩展，而且在所述层次上树宽度W＝16。
此刻，有可能″修剪″所述分支以减少搜索。对于M算法，例如，有可能选择M个最佳的节点。对于T算法，选定的节点包括带有最佳值的节点，而任何节点都具有落在最佳节点值的阈值T内的值。对与选定节点对应的分支继续所述搜索，并修剪剩余的分支(亦即，在相应的象限内不继续搜索)。
例如，若以M＝2进行M算法树搜索，而节点912和913包括两个最佳值，则搜索空间缩小为两个相应的象限。在这些象限中间每一个内，利用已经相应地变换和缩放的数据进行另外的QPSK搜索。产生八个搜索结果值，它们存储在节点915，916，917，918，919，920，921和922。假定这是最低层搜索，则可以确定最佳结果。
利用树搜索技术，可以对在任何或所有搜索层次上的较低层次QPSK搜索维持一个或多个分支。分别对于M算法和T算法搜索，在每一个搜索层次上所述M或T的值可能是相同的，或它可以在每一层次上改变。例如，利用M算法，在最高层次QPSK搜索过程中M的值可以等于2，而且对于每一个后续的较低层次的搜索，所述数值可以减少至1。在其他实施例中，可以把其它类型的树搜索算法包括在所述搜索算法中，如根据这里的描述本专业的技术人员显而易见的。
可以在数学上描述按照各种不同实施例的扩展的算法。令 表示层次k的搜索的有序结果，如方程式(10)给出的||Y~k-Hx^k(0)||2≤||Y~k-Hx^k(1)||2≤...---(10)]]>然后在层次k+1上对所有层次k的解 进行QPSK搜索，以满足方程式(11)||Y~k-Hx^k(l)||2≤γ||Y~k-Hx^k(l)||2---(11)]]>其中y是在T算法中使用的宽度参数。增大y的值就会展宽搜索空间。这展宽后的算法可以看作是树搜索，包括跳转和修剪方面。
因而，已经描述了用于解调和解映射MIMO符号的方法和设备的不同的实施例。本发明要点可以在不同的实施例中，在若干种不同类型的系统中实现，包括WLAN系统、其它无线网络、地面蜂窝电话、卫星蜂窝电话、无线电台系统、寻呼系统及其他类型的系统。对于本专业的普通技术人员，其它实施例将是显而易见的。
本发明要点不应解释为限于任何特定的体系结构或功能元素的组合或集成电路。本发明要点的使用是极其灵活的，容易适合于用来实现其优点的任何电子系统。附图中描绘的系统和装置仅仅是可以使用本发明要点的电子系统和装置的实例而已。
利用本公开，本专业的技术人员将明白附图中出现的设备简图的许多变型。例如，尽管描述和图解说明在使用4×4 16 QAM调制的系统中所述实施例的应用，但是本发明的实施例也可以用于使用许多其它调制方案的系统中。例如，所述信号可以是PAM调制或M-PSK调制的。
本发明要点的不同的结构可以按照本专业的技术人员已知的任何不同的元件和方法实现。在两个图解说明结构之间可能会有中间的结构(例如，放大器、衰减器、混频器、多路复用器、反相器、缓冲区等)或信号。某些导体可能不是连续的，如图解说明的，但是它们可以是通过中间结构断开的。附图中框的边缘只是为了便于图解说明而给出的。实际的装置不会包括这样定义的边界。另外，图解说明的元素的相对布局并不暗示实际的相对布局。
这里描述的不同的程序可以用硬件、固件或软件实现。软件实现可以使用微代码、汇编语言代码或较高级语言代码。在执行过程中或在其它时间，所述代码可以存储在一个或多个易失性或非易失性计算机可读介质上。这些计算机可读介质可以包括硬盘、可换磁盘、可换光盘、盒式磁带、闪存存储器卡、数字视频盘、Bernoulli磁带盒、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等等。
上面对具体的实施例的描述充分地揭示本发明要点的一般属性，使其他人在不脱离所述一般概念的情况下，可以通过应用当前的知识，容易地改变和/或使之适应不同的用途。因此，这样的适应和修改都在所公开的实施例的意义和等效范围内。在这里使用的措词或术语都是为了描述的目的，而不是限制性的。因此，本发明要点显然只受权利要求书及其等效物限制。
要强调，摘要是遵循37C.F.R.§1.72(b)提供的，它要求摘要能使读者确定本技术公开的属性和要点。摘要是在理解它不会被用来理解或限制权利要求书的范围或意义的情况下提交的。
在以上的详细描述中，往往把不同的特征一起分在单一实施例中，达到使本公开合理化的目的。这种公开方法不要被解释为反映这样一个意图，即要求保护的要点的实施例需要比每一个权项中明确指出的更多的特征。而是，如以下权利要求书所反映的，本发明要点在于少于公开的单一实施例的所有特征。因而，把以下权利要求书包括在详细说明中，每个权项都是作为单独的推荐实施例独立自主的。
权利要求
1.一种方法包括对包括多个元素的接收信号矢量的最高阶基本调制进行第一次基本搜索，其中在第一搜索空间内进行所述第一次基本搜索并产生基本调制符号的识别矢量；把所述接收信号矢量变换到对应于所述识别的矢量的新原点，产生变换后的接收信号矢量；以及对所述变换后的接收信号矢量进行后续基本搜索，其中在由所述识别的矢量定义的缩小的搜索空间内进行所述后续基本搜索，并且其中所述后续基本搜索产生基本的调制符号的下一个识别矢量。
2.如权利要求1所述的方法，其中利用正交振幅调制对所述接收信号矢量进行调制，而正交相移键控是基本调制。
3.如权利要求1所述的方法，其中利用脉冲振幅调制对所述接收信号矢量进行调制，而二进制相移键控是基本调制。
4.一种方法包括对包括多个元素的接收信号矢量进行第一正交相移键控(QPSK)搜索，其中所述第一QPSK搜索是在第一搜索空间内进行的并产生识别的QPSK矢量；把所述接收信号矢量变换为对应于所述识别的QPSK矢量的新原点，产生变换后的接收信号矢量；以及对所述变换后的接收信号矢量进行后续QPSK搜索，其中所述后续QPSK搜索是在由所述识别的QPSK矢量定义的缩小的搜索空间内进行的，并且其中所述后续QPSK搜索产生下一个识别的QPSK矢量。
5.如权利要求4所述的方法，其中还包括产生接收信号矢量，其中所述多个元素中的每一个对应于由多输入多输出接收天线阵列的多根接收天线之一接收的信号。
6.如权利要求4所述的方法，其中还包括在进行所述后续QPSK搜索之前，按比例缩放所述变换后的接收信号矢量。
7.如权利要求4所述的方法，其中还包括重复变换所述变换后的接收信号矢量的步骤；以及重复进行所述后续QPSK搜索的步骤，直到所述后续QPSK搜索产生对应于星座点的下一个识别的QPSK矢量为止。
8.如权利要求4所述的方法，其中还包括把树搜索算法引入到所述第一QPSK搜索和所述后续QPSK搜索中的任一个或两个中，以便产生用来定义所述缩小的搜索空间的多个识别的QPSK矢量。
9.如权利要求8所述的方法，其中引入所述树搜索算法的步骤包括把M算法树搜索引入到QPSK搜索中。
10.如权利要求8所述的方法，其中引入所述树搜索算法的步骤包括把T算法树搜索引入到QPSK搜索中。
11.如权利要求4所述的方法，其中还包括产生包括供解码器使用的至少一个软判决的搜索结果。
12.如权利要求11所述的方法，其中产生所述搜索结果的步骤包括以一组对数似然函数比率或对数似然函数比率的近似值的形式产生所述至少一个软判决。
13.如权利要求4所述的方法，其中还包括产生包括对应于被识别为最低层次搜索结果的QPSK矢量的各解映射的位值的搜索结果。
14.一种方法包括对包括多个元素的接收信号矢量Y进行第一正交相移键控(QPSK)搜索，其中所述第一QPSK搜索是在第一搜索空间内进行的并产生识别的QPSK矢量；以及根据所述识别的QPSK矢量抵消高次干扰并且根据Y~k=12(Y~k-1-x^k-1)]]>按比例缩放所述接收信号矢量内的多个元素，其中 是在搜索层次k上所述接收信号矢量的按比例缩放的版本，而 是在搜索层次k上的QPSK矢量，并且按照下式进行层次k的QPSK搜索x^k=argminQPSK vectors x||Y~k-Hx||2]]>其中H是信道转移矩阵，而x是发射信号矢量，直到缩小的搜索空间对应于QPSK星座为止。
15.如权利要求14所述的方法，其中还包括把树搜索算法引入到所述第一QPSK搜索和所述层次k的QPSK搜索中的任一个或两个，以便产生用来定义所述缩小的搜索空间的多个识别的QPSK矢量。
16.如权利要求14所述的方法，其中还包括产生包括供解码器使用的至少一个软判决的搜索结果。
17.如权利要求16所述的方法，其中产生所述搜索结果的步骤包括以一组对数似然函数比率或对数似然函数比率的近似值的形式产生所述至少一个软判决。
18.如权利要求14所述的方法，其中还包括产生包括对应于被识别为最低层次搜索结果的QPSK矢量的各解映射的位值的搜索结果。
19.一种计算机可读介质，具有存储于其上的用于执行一种方法的程序指令，当在多输入多输出装置内执行所述方法时，所述方法产生以下结果对包括多个元素的接收信号矢量进行第一正交相移键控(QPSK)搜索，其中所述第一QPSK搜索是在第一搜索空间内进行的并产生识别的QPSK矢量；把所述接收信号矢量变换到对应于所述识别的QPSK矢量的新原点，产生变换后的接收信号矢量；以及对所述变换后的接收信号矢量进行后续QPSK搜索，其中所述后续QPSK搜索是在由所述识别的QPSK矢量定义的缩小的搜索空间内进行的，并且其中所述后续QPSK搜索产生下一个识别的QPSK矢量。
20.如权利要求19所述的计算机可读介质，其中执行所述方法还产生以下结果把树搜索算法引入到所述第一QPSK搜索和所述后续QPSK搜索中的任一个或两个，以便产生用来定义所述缩小的搜索空间的多个识别的QPSK矢量。
21.如权利要求19所述的计算机可读介质，其中执行所述方法还产生以下结果产生包括供解码器使用的至少一个软判决的搜索结果。
22.如权利要求19所述的计算机可读介质，其中执行所述方法还产生以下结果产生包括对应于被识别为最低层次搜索结果的QPSK矢量的各解映射的位值的搜索结果。
23.一种设备包括可以用来接收多个接收信号的多根接收天线；以及符号处理单元，所述符号处理单元可以用来对包括与所述多个接收信号对应的多个元素的接收信号矢量进行第一正交相移键控(QPSK)搜索，其中所述第一QPSK搜索是在第一搜索空间内进行的并产生识别的QPSK矢量；把所述接收信号矢量变换到对应于所述识别的QPSK矢量的新原点，产生变换后的接收信号矢量；以及对所述变换后的接收信号矢量进行后续QPSK搜索，其中所述后续QPSK搜索是在由所述识别的QPSK矢量定义的缩小的搜索空间内进行的，并且其中所述后续QPSK搜索产生下一个识别的QPSK矢量。
24.如权利要求23所述的设备，其中所述符号处理单元还可以用来把树搜索算法引入到所述第一QPSK搜索和所述后续QPSK搜索中的任一个或两个，以便产生用来定义所述缩小的搜索空间的多个识别的QPSK矢量。
25.如权利要求23所述的设备，其中所述符号处理单元还可以用来产生包括解码器用的至少一个软判决的搜索结果。
26.如权利要求23所述的设备，其中所述符号处理单元还可以用来产生包括对应于被识别为最低层次搜索结果的QPSK矢量的各解映射的位值的搜索结果。
27.一种多输入多输出通信装置包括可以用来接收多个接收信号的多根接收天线；以及符号处理单元，可以用来对包括对应于所述多个接收信号的多个元素的接收信号矢量进行第一正交相移键控(QPSK)搜索，其中所述第一QPSK搜索是在第一搜索空间内进行的并产生识别的QPSK矢量；把所述接收信号矢量变换到对应于所述识别的QPSK矢量的新原点，产生变换后的接收信号矢量；以及对所述变换后的接收信号矢量进行后续QPSK搜索，其中所述后续QPSK搜索是在由所述识别的QPSK矢量定义的缩小的搜索空间内进行的，并且其中所述后续QPSK搜索产生下一个识别的QPSK矢量。
28.如权利要求27所述的多输入多输出通信装置，其中所述符号处理单元还可以用来把树搜索算法引入到所述第一QPSK搜索和所述后续QPSK搜索中的任一个或两个，以便产生用来定义所述缩小的搜索空间的多个识别的QPSK矢量。
29.如权利要求27所述的多输入多输出通信装置，其中所述符号处理单元还可以用来产生包括供解码器使用的至少一个软判决的搜索结果。
30.如权利要求27所述的多输入多输出通信装置，其中所述符号处理单元还可以用来产生包括对应于被识别为最低层次搜索结果的各解映射的位值的搜索结果。
全文摘要
在多输入多输出(MIMO)系统中，多根接收天线产生接收信号矢量Y，接收信号矢量Y包括每一个接收天线中的元素。在MIMO接收机内进行的解映射方法的实施例中，在包括符号点的全星座的搜索空间内进行正交相移键控(QPSK)搜索。根据QPSK搜索的结果，搜索空间被缩小到小于全部象限，并将接收信号矢量数据按比例缩放并将其变换到所述缩小了的搜索空间。进行较低层次的QPSK搜索并重复所述过程，直到调制阶数缩小到QPSK星座为止。然后可以把与所述搜索结果对应的硬或软判决传送给解码器。
文档编号H04L27/34GK1902867SQ200480039175
公开日2007年1月24日 申请日期2004年12月24日 优先权日2003年12月31日
发明者J·萨多夫斯基 申请人:英特尔公司