多输入多输出系统中的符号解映射方法

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16QAM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。在图1图解说明的所述示例系统中，发射机102备有数目ητ的发射天线 104，而接收机106备有数目ηκ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ηκΧητ矩阵信道的输入-输出关系由如下方程式(1)表达Y = Ηχ+Ν (1)其中Y = [γοΥι. . . y^J1是ηκΧ 1接收信号矢量，H是ηκΧητ信道转移矩阵，χ = [XtlX1. . . xnT_JT是nTxl发射信号矢量，以及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。若在接收机天线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9々11星座包括例如0 31((正交相移键控)、160411、640411、2560八1 等等。利用矩形QAM调制，发射信号矢量χ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， 并且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ητ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RF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ητ个发射的信号240、242、244的不同的衰落版本的噪音重叠。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* = arg min||Y - Hxf(2)
χ其中文=Uof1. . . LtJ^iitXI发射信号矢量的估计，Y=[猫· · · yjτ是ηκΧ1接收信号矢量，H是ηκΧητ信道转移矩阵，而χ = [X0X1. . . xnT_JT是nTX 1发射信号矢量。利用QAM调制，jf , Y和χ是复数调制符号的矢量。利用ML规则，可能的MIMO符号χ的数目等于ΜηΤ，其中M是所述调制星座中点数。 例如，4x416QAM系统(亦即，带有ητ = ηκ = 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
7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，χ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。BH MIMO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。nE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ητ个发射信号(例如，图2信号240、242、244)的不同的衰落版本的噪 音重叠。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ητ X 1发射信号矢量的估计，该发射信号矢量的估计表示为
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)9 31(、160411、640411、2560411等等。图 4-6 分别图解说明 QPSK、16QAM 和 64QAM 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中的一个，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16QAM星座图案500。16QAM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64QAM星座图案600。64QAM调制使用相移和振幅的不同的组合来
产生图案600，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、16QAM、64QAM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16QAM，m = 3是64QAM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
权利要求
1.一种接收机，包括接收机电路，配置成通过多根接收天线来接收多个接收信号；以及符号处理电路，所述符号处理电路配置成对包括与所述多个接收信号相对应的多个元素的接收信号矢量进行第一搜索，其中第 一搜索是在第一搜索空间内进行的并产生识别的矢量；把所述接收信号矢量变换到与所述识别的矢量相对应的新原点，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搜索，其中所述后续搜索是在由所述识别的矢 量定义的缩小的搜索空间内进行的，并且其中所述后续搜索产生下一个识别的矢量，其中，所述接收机电路产生多个元素中的每一个元素来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。
2.如权利要求1所述的接收机，其中所述符号处理电路进一步配置成把树搜索算法 引入到所述第一搜索和所述后续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矢量。
3.如权利要求1所述的接收机，其中所述符号处理电路进一步配置成产生包括供解 码器用的至少一个软判决的搜索结果。
4.如权利要求1所述的接收机，其中所述符号处理电路进一步配置成产生包括与被 识别为最低层次搜索结果的矢量相对应的解映射的位值的搜索结果。
5.一种用于解映射通过多根天线接收的符号的方法，包括对包括多个元素的接收信号矢量进行第一搜索，其中第一搜索是由符号处理电路在第 一搜索空间内进行的并产生识别的矢量；由所述符号处理电路把所述接收信号矢量变换到与所述识别的矢量相对应的新原点， 产生变换后的接收信号矢量；对所述变换后的接收信号矢量进行后续搜索，其中所述后续搜索是由所述符号处理电 路在由所述识别的矢量定义的缩小的搜索空间内进行的，并且其中所述后续搜索产生下一 个识别的矢量；以及由所述符号处理电路产生包括与被识别为最低层次搜索结果的矢量相对应的解映射 的位值的搜索结果。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括产生所述接收信号矢量，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。
7.如权利要求5所述的方法，进一步包括在进行所述后续搜索之前，按比例缩放所述 变换后的接收信号矢量。
8.如权利要求5所述的方法，进一步包括对所述变换后的接收信号矢量进行重复变 换；以及重复进行所述后续搜索，直到所述后续搜索产生对应于星座点的下一个识别的矢 量为止。
9.如权利要求5所述的方法，进一步包括把树搜索算法引入到所述第一搜索和所述 后续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矢量。
10.一种无线通信装置，包括接收机电路，配置成通过多根接收天线来接收多个接收信号；以及符号处理电路，所述符号处理电路配置成对包括与所述多个接收信号相对应的多个元素的接收信号矢量进行第一搜索，其中第 一搜索是在第一搜索空间内进行的并产生识别的矢量；把所述接收信号矢量变换到与所述识别的矢量相对应的新原点，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搜索，其中所述后续搜索是在由所述识别的矢 量定义的缩小的搜索空间内进行的，并且其中所述后续搜索产生下一个识别的矢量，其中，所述接收机电路产生多个元素中的每一个元素来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。
全文摘要
本发明的名称是“多输入多输出系统中的符号解映射方法”。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H04L27/38GK102118331SQ201110037820
公开日2011年7月6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