用多天线接收机进行无线通信的方法
【专利摘要】本发明涉及在配有M≥1个发射天线的发射机与配有N≥2个接收天线的接收机之间发射数据的方法，其中该数据通过包括L≥1个子载波的OFDM/OQAM调制编码。本发明通过时间反转将具体编码/解码与预编码结合。对于高速无线电通信的应用。
【专利说明】用多天线接收机进行无线通信的方法
[0001] 本发明涉及无线通信，尤其是涉及根据IEEE 802. 11、IEEE 802. 16、3GPP LTE Advanced(3GPP LTE演进）和DVB标准的无线电通信。
[0002] 更精确地，本发明涉及一种数据发射系统，该数据发射系统包括配有一个或多个 发射天线的发射机、和配有至少两个接收天线的接收机。当系统仅包括单个发射天线时这 种系统被称为SIM0("单输入多输出（Single Input Multiple Output)"的英文缩写）， 当系统包括若干个发射天线时这种系统被称为ΜΙΜ0("多输入多输出（Multiple Input Multiple Output) " 的英文缩写）。
[0003] 相对于包括单个发射天线和单个接收天线的SIS0("单输入单输出（Single Input Single Output)"的英文缩写）系统，SM0/MIM0系统的优点在于，凭借传播信道的空间分 集，通过减少对于给定发射功率的发射错误率改善数据发射的质量。由此回顾，所谓的"空 间分集"技术的主要部分在于，在一个或多个发射天线上同时发射一个且相同的消息，随后 适当地结合每个接收天线上接收到的相应的信号。
[0004] 此外，据回顾，所谓的0FDM( "正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing)"的英文缩写）调制有效地减少了数据符号之间的干扰。此外，OFDM的实现 相对不复杂；特别是，0FDM信号调制可以通过反向快速傅里叶变换（IFFT)以有效的方式实 现，并且0FDM信号的解调可以通过直接快速傅里叶变换（FFT)以有效的方式实现。然而， 0FDM调制表现出频谱效率相当低的缺点（因为"循环前缀"的使用）。
[0005] 因此已提出了被称为"0FDM/0QAM"的另一种调制，其表现出频谱高效的优点（因 为相比于0FDM，其不需要任何循环前缀），但（如0FDM那样）以不复杂的方式绕过符号之 间的干扰（0QAM 是"（Offset Quadrature Amplitude Modulation)" 的英文缩写）。
[0006] 特别是，在Ρ· Siohan、C. Siclet和Ν· Lacaille的名为"基于滤波器组理论的 0FDM/0QAM 系统的分析和设计（Analysis and Design of 0FDM/0QAM Systems Based on Filterbank Theory) "（关于信号处理的IEEE期刊，第50卷第5号，第1170至1183页， 2002年5月）的文章中说明了其如何也能够通过IFFT实现0FDM/0QAM调制和通过FFT实 现0FDM/0QAM解调。遗憾的是，这篇文章中介绍的技术具体涉及SIS0系统，并且因此其不 能够受益于SM0/MM0系统的空间分集。
[0007] 本发明因此涉及通过配有Μ个发射天线的发射机发射适用于配有N个接收天线的 接收机的数据的无线发射方法，其中数据通过包括L个子载波的0FDM/0QAM调制发射，其中 Ν彡2，Μ彡1并且L彡1。发射方法的显著性在于，
[0008] 对于整数1(其中，0彡1彡L-1)中的至少一个值，发射机实施Ν个步骤（其中，Ρ =0,1，. . .，Ν-1)，第ρ个步骤包括以下子步骤：
[0009] -将具有Ν个实分量的数据矢量Χ(1)编码成编码的数据矢量W(1'p) = Π (ρ) (Αω. Χω) 的编码步骤（Ε1_ρ)，其中Α(1)是具有Ν个非零分量的预定编码矢量，标记"U. V"表示具有相 同长度的两个矢量U和V的逐项相乘的结果，Π (p) (U)表示矢量U的分量的r个位置的圆形 排列，其中r = p+c或r = -p+c,并且c是预定的相对整数；以及
[0010]-通过时间反转预编码在子载波1上的Μ个发射天线中的每一个上发射编码的数 据矢量W(1'p)的发射步骤（E2_p)，其中时间反转预编码使用将发射机链接至用于子载波1的 接收机的MMO信道的转换矩阵的估值fid)，并且将编码的数据矢量W(1'p)的第η分量聚焦 在第η接收天线上，其中η = 1，2, . . .，Ν。
[0011] 相关地，本发明涉及通过配有Ν个接收天线的接收机的无线接收方法，其中，接收 到的数据已通过包括L个子载波的0FDM/0QAM调制发射，其中Ν彡2并且L彡1。该接收方 法的显著性在于，对于整数1(其中,0彡1彡L-1)中的至少一个值：
[0012] a)接收机首先实施Ν个步骤，第ρ个步骤（其中，ρ = 0,1，. . .，Ν-1)包括以下子 步骤：
[0013] -在0FDM/0QAM解调和实部的提取后，确定具有N个实分量的接收到的矢量Y(1'p) 的确定步骤（R1_P)，其第η分量与在第η接收天线上接收到的子载波1相关联的符号等同， 其中η = 1，2, ...，Ν;以及
[0014] -将接收到的矢量Υ(1'ρ)编码成编码的接收到的矢量Ζ(1' ρ) = Α(1). (π(ρ) (Υ(1'ρ)))的 编码步骤（R2_p)，其中Α(1)是具有Ν个非零分量的预定编码矢量，标记"U.V"表示具有相同 长度的两个矢量U和V的逐项相乘的结果，Π (p) (U)表示矢量U的分量的r个位置的圆形排 列，其中r = p+c或r = -p+c,并且c是预定的相对整数；
[0015] b)接收机计算（R3)可解码矢量_ = 以及
[0016] c)接收机以如下方式计算（R4)解码的数据矢量Τ(1):
[0017] T(1) = S(1) · F(1)，其中S(1) = (R(1)r，并且R(1)是发射机与用于子载波1的接收机 之间的等效ΜΜ0信道的矩阵，该矩阵由F(1) = R(1) · X(1)+B(1)定义，其中B(1)是热噪声项。
[0018] 本发明也涉及无线通信方法，该无线通信方法包括如上文中简单描述的发射方法 的步骤和如上文中简单描述的接收方法的步骤，并且其中所述第P个步骤（其中，P = 0， 1，...，N-1)在发射机与接收机之间同步。
[0019] 当然，可以看出如上文中简单描述的、所获得的解码的数据矢量τα)(在不存在信 道失真的情况下）与旨在由发射机向接收机发射的数据矢量χ (1)等同。
[0020] 因此，上文中简单描述的方法通过时间反转将本发明指定的编码/解码与预编码 结合。根据本发明的该结合使得能够受益于0FDM/0QAM调制的优点，尤其是受益于其频谱 效率；应注意，包括Ν个实分量的矢量Χ (1)的Ν个不同的编码被连续发射以便平均每次发射 和每个子载波发射了数据的一个实项。此外，本发明使得能够利用ΜΜ0系统的空间分集。 最后，有利地，对于接收机的水平，接收方法的实施仅要求相对低的复杂性，而与发射天线 或接收天线的数量无关；尤其是，待被进行的数学运算具有低复杂性（矩阵的循环、矩阵的 乘法、以及一只是偶尔地 -矩阵反转）。
[0021] 通过比较的方式，将能够引用C. L616、Ρ. Siohan和R. Legouable的名为"用 CDMA-0FDM/0QAM 的 Alamouti 方案（The Alamouti Scheme with CDMA-0FDM/0QAM) " 的文 章（关于信号处理的发展的 Eurasip 杂质（Eurasip Journal on Advances in Signal Processing)，第8号，2010)，该文章建议了 0FDM/0QAM调制对于包括两个发射天线和单个 接收天线的MIS0("多输入单输出（Multiple Input Single Output)"的英文缩写）系统的 应用。该技术基于称为"Alamouti码"的特定代码。现在，该技术造成符号之间的干扰（更 精确地说，这允许了实域中的符号之间的正交性，但不允许虚域中的符号之间的正交性）， 并且这种干扰的消除不能够以简单的方式进行。通过大量接收天线（MMO的情况），消除由 该技术造成的干扰所需的处理将会更复杂。
[0022] 现在，非常有利地，根据本发明的具体编码/解码（完全不同于Alamouti码）与 预编码通过时间反转的结合使得能够避免解码后获得的符号之间的干扰，并且与发射天线 或接收天线的数量无关。
[0023] 根据特定特征，编码矢量A(1)是其所有分量彼此等同的编码矢量。作为变型，在接 收天线的数量为偶数的情况下，编码矢量A (1)是其偶数指数的分量彼此等同、并且其奇数指 数的分量彼此等同且与偶数指数的分量相反的编码矢量。
[0024] 凭借这些规定，在上述的两种变型中，等效信道R(1)的矩阵是循环矩阵，因此，其反 转可以以不复杂的方式进行。
[0025] 相关地，本发明涉及不同的装置。
[0026] 首先，本发明由此涉及配有Μ个发射天线的无线发射机，所述无线发射机包括用 于通过包括L个子载波的0FDM/0QAM调制发射适用于配有Ν个接收天线的接收机的数据的 装置，其中Μ彡1，L彡1，Ν彡2。无线发射机的显著性在于，对于整数1 (其中，0彡1彡L-1) 中的至少一个值，其还包括：
[0027] -对于p = 0，1，. . .，Ν_1，用于将具有Ν个实分量的数据矢量Χ(1)编码成编码的数 据矢量= Π ω(Αω.χω)的装置，其中Αω是具有ν个非零分量的预定编码矢量，标记 "U. V"表示具有相同长度的两个矢量U和V的逐项相乘的结果，Π (p) (U)表示矢量U的分量 的r位置的圆形排列，其中r = p+c或r = -p+c,并且c是预定的相对整数；以及
[0028] -对于p = 0,1，...，Ν-l,用于通过时间反转预编码在子载波1上在Μ个发射天 线中的每一个上发射编码的数据矢量W(1' p)的装置，其中时间反转预编码使用将发射机链接 至用于子载波1的接收机的ΜΜ0信道的转换矩阵的估值_?,并且将编码的数据矢量W (1' P)的第η分量（其中，n= 1，2，...，N)聚焦在第η接收天线上。
[0029] 其次，本发明还涉及配有Ν个接收天线的无线接收机，所述无线接收机包括用于 接收已通过包括L个子载波的0FDM/0QAM调制发射的数据的装置，其中Ν彡2, L彡1。所 述无线接收机的显著性在于，对于整数1(其中，〇 < 1 < L-1)中的至少一个值，其还包括：
[0030] -对于p = 0，1，. . .，Ν-1，用于在0FDM/0QAM解调和实部的提取后确定具有Ν个实 分量的接收到的矢量γ(1' ρ)的装置，所述接收到的矢量γ(1'ρ)的第η分量与在第η接收天线 (其中，η = 1，2, ...，Ν)上接收到子载波1相关联的符号等同；
[0031] -对于ρ = 〇，1，...，Ν-1，用于将接收到的矢量Υ(1'ρ)编码成编码的接收到的矢 量 ζα'Ρ) =Αω. (ΓΤω(γα'，）的装置，其中Αω是具有ν个非零分量的预定编码矢量，标记 "U. V"表示具有相同长度的两个矢量U和V的逐项相乘的结果，Π (p) (U)表示矢量U的分量 的r位置的圆形排列，其中r = p+c或r = -p+c，并且c是预定的相对整数；
[0032] -用于计算可解码矢量F(1) = 的装置；以及
[0033] -用于通过如下方式计算解码的数据矢量Τ(1)的装置：T(1) = S(1) *F(1)，其中S(1)= (R(1)r，并且R(1)是发射机与用于子载波1的接收机之间的等效ΜΜ0信道的矩阵，该矩阵 由F (1) = R(1) · X(1)+B(1)定义，其中B(1)是热噪声项。
[0034] 通过这些装置提供的优点与通过上文中简单记载的相关方法提供的优点基本相 同。
[0035] 应注意，这些装置能够以软件指令的情况和/或电子电路的情况实现。
[0036] 本发明还涉及无线通信系统，该无线通信系统包括如上文中简单描述的无线发射 机和上文中简单描述的无线接收机，所述发射机和所述接收机能够彼此同步。
[0037] 本发明还针对可从通信网络下载和/或存储在计算机可读的和/或微处理器可执 行的介质上的计算机程序。该计算机程序的显著性在于，当其在计算机上执行时，其包括用 于执行上文中简单记载的无线发射方法、无线接收方法、或无线通信方法中的任一个的步 骤的指令。
[0038] 通过计算机程序提供的优点与通过相对应的方法提供的优点基本相同。
[0039] 通过阅读下文中以非限制性示例的方式给出的特定实施方式的详细描述，本发明 的其他方面和优点将变得明确。描述将参照伴随该描述的附图进行，在附图中：
[0040] 图la示出根据现有技术的0FDM/0QAM复用的调制/发射的方法的第一步骤；
[0041] 图lb示出根据现有技术的0FDM/0QAM复用的调制/发射的方法的第二步骤；
[0042] 图lc示出根据现有技术的0FDM/0QAM复用的调制/发射的方法的第三步骤；
[0043] 图2总结图la、lb和lc中示出的步骤；
[0044] 图3a示出根据现有技术的0FDM/0QAM复用的接收/解调的方法的第一步骤；
[0045] 图3b示出根据现有技术的0FDM/0QAM复用的接收/解调的方法的第二步骤；
[0046] 图3c示出根据现有技术的0FDM/0QAM复用的接收/解调的方法的第三步骤；
[0047] 图4总结图3a、3b和3c中示出的步骤；
[0048] 图5示意性示出由本发明使用的圆形排列；
[0049] 图6示意性示出根据本发明的实施方式的用以获得编码的数据矢量的、与0FDM/ 0QAM复用的子载波相关联的数据矢量的编码；
[0050] 图7示出根据本发明的第一变型的所述编码的数据矢量通过由时间滤波器执行 的时间反转预编码在子载波和整组发射天线上的发射；
[0051] 图8示出根据本发明的第二变型的所述编码的数据矢量通过由频率滤波器执行 的时间反转预编码在发射天线和整组子载波上的发射；
[0052] 图9示出根据本发明的实施方式的对于0FDM/0QAM复用的每个子载波通过接收机 确定具有N个实分量的接收到的矢量；
[0053] 图10示出根据本发明的实施方式的用以获得编码的接收到的矢量的、通过接收 机对在0FDM/0QAM复用的子载波上接收到的矢量进行编码；以及
[0054] 图11不出根据本发明的变型的对于0FDM/0QAM复用的子载波对发射机和接收机 之间的等效ΜΙΜΟ信道的矩阵进行的计算。
[0055] 本发明涉及无线通信系统，该无线通信系统包括配有Μ个发射天线的发射机和配 有Ν个接收天线的接收机，其中M3 1，Ν32。数据的发射使用包括随机数量L的子载波 的0FDM/0QAM调制，其中L彡1。
[0056] 我们首先将回顾0FDM/0QAM调制的原理。
[0057] 首先让我们考虑包括偶数Q个子载波的0FDM调制。在每个子载波和每符号时间 T0= 1/F。发射复杂的 QAM(表示"正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation)"的 英文缩写）数据符号的发射信号s(t)随后对于每对连续的子载波以如下方式排列，该方式 包括：
[0058] -在这些子载波中的一个子载波上，等于给定QAM符号的虚部上的L/2的时间偏 移（"时移（temporal shift)"）；以及
[0059] -在其他子载波上，在相同的QAM符号的实部上的L/2的一个且相同的时间偏移。
[0060] 该发射信号可被写成如下形式：
[0061]
【权利要求】
1. 一种通过配有Μ个发射天线的发射机发射适用于配有N个接收天线的接收机的数 据的无线发射方法，其中所述数据通过包括L个子载波的OFDM/OQAM调制发射，其中N > 2， Μ彡1并且L彡1，其特征在于， 对于整数1中的至少一个值，其中0 < 1 < L-1，所述发射机实施Ν个步骤，第ρ个步骤 包括以下子步骤，其中Ρ = 〇, 1，...，Ν-1 : -将具有Ν个实分量的数据矢量Χ(1)编码成编码的数据矢量W(1'p) =Π (ρ)(Αα).Χα))的 编码步骤（Ε1_ρ)，其中Α(1)是具有Ν个非零分量的预定编码矢量，标记"U.V"表示具有相同 长度的两个矢量U和V的逐项相乘的结果，Π (p) (U)表示矢量U的分量的r个位置的圆形 排列，其中r = p+c或r = -p+c,并且c是预定的相对整数；以及 -通过时间反转预编码在所述子载波1上在Μ个发射天线中的每一个上发射所述编码 的数据矢量W(1'p)的步骤（Ε2_ρ)，其中所述时间反转预编码使用将所述发射机链接至用于 所述子载波1的所述接收机的ΜΜΟ信道的转换矩阵的估值fiW，并且将所述编码的数据矢 量W (1'p)的第η分量聚焦在第η接收天线上，其中n = 1，2，...，N。
2. 如权利要求1所述的无线发射方法，其特征在于，所述编码矢量A(1)是其所有分量彼 此等同的编码矢量。
3. 如权利要求1所述的无线发射方法，其特征在于，所述接收天线的数量N为偶数，并 且所述编码矢量A(1)是其偶数指数的分量彼此等同、并且其奇数指数的分量彼此等同且与 所述偶数指数的分量相反的编码矢量。
4. 一种通过配有N个接收天线的接收机的无线接收方法，其中，接收到的数据已通过 包括L个子载波的OFDM/OQAM调制发射，其中N彡2并且L彡1，其特征在于， 对于整数1中的至少一个值，其中0彡1彡L-1 : a) 所述接收机首先实施N个步骤，第ρ个步骤包括以下子步骤，其中ρ = 0,1，...， N-1 ： -在OFDM/OQAM解调和实部的提取后，确定具有N个实分量的接收到的矢量Y(1'p)的确 定步骤（Rl_p)，所述接收到的矢量Υ(1'ρ)的第η分量与在第η接收天线上接收到的子载波1 相关联的符号等同，其中η = 1，2，...，1^;以及 -将所述接收到的矢量Υ(1'ρ)编码成编码的接收到的矢量ζ(1' ρ) = Α(1). (Π (ρ)(Υα'ρ))) 的编码步骤（R2_p)，其中Α(1)是具有Ν个非零分量的预定编码矢量，标记"U. V"表示具有相 同长度的两个矢量U和V的逐项相乘的结果，Π (p) (U)表示矢量U的分量的r个位置的圆 形排列，其中r = p+c或r = -p+c,并且c是预定的相对整数； b) 所述接收机计算（R3)可解码矢量
以及 c) 所述接收机以如下方式计算（R4)解码的数据矢量T(1): Τ⑴=s(1) · F(1)，其中s⑴=(Ra)r，并且R(1)是发射机与用于所述子载波1的所述接 收机之间的等效MMO信道的矩阵，所述矩阵由F(1) = R(1) · X(1)+B(1)定义，其中B(1)是热噪 声项。
5. 如权利要求4所述的无线接收方法，其特征在于，所述编码矢量A(1)是其所有分量彼 此等同的编码矢量。
6. 如权利要求4所述的无线接收方法，其特征在于，所述接收天线的数量N为偶数，并 且所述编码矢量A(1)是其偶数指数的分量彼此等同、并且其奇数指数的分量彼此等同且与 所述偶数指数的分量相反的编码矢量。
7. -种无线通信方法，其特征在于，所述无线通信方法包括如权利要求1所述的发射 方法的步骤和如权利要求4所述的接收方法的步骤，并且所述第p个步骤在发射机与接收 机之间同步，其中P = 0,1，...，N-1。
8. -种配有Μ个发射天线的无线发射机，所述无线发射机包括用于通过包括L个子 载波的OFDM/OQAM调制发射适用于配有Ν个接收天线的接收机的数据的装置，其中Μ > 1， L彡1，Ν彡2,其特征在于，对于整数1中的至少一个值，其中0彡1彡L-1，所述无线发射 机还包括： -对于Ρ = 0,1，. . .，Ν-1，用于将具有Ν个实分量的数据矢量Χ(1)编码成编码的数据 矢量= Π ω(Αω.χω)的装置，其中Αω是具有ν个非零分量的预定编码矢量，标记 "U. V"表示具有相同长度的两个矢量U和V的逐项相乘的结果，Π (p) (U)表示矢量U的分量 的r个位置的圆形排列，其中r = p+c或r = -p+c,并且c是预定的相对整数；以及 -对于P = 0,1，. ..，N-1，用于通过时间反转预编码在所述子载波1上在Μ个发射天线 中的每一个上发射所述编码的数据矢量W(1'p)的装置，其中所述时间反转预编码使用将所述 无线发射机链接至用于子载波1的所述接收机的MMO信道的转换矩阵的估值并且将 所述编码的数据矢量W (1'p)的第η分量聚焦在第η接收天线上，并且其中η = 1，2, . . .，N。
9. 一种配有Ν个接收天线的无线接收机，所述无线接收机包括用于接收已通过包括L 个子载波的OFDM/OQAM调制发射的数据的装置，其中Ν彡2, L彡1，其特征在于，对于整数1 中的至少一个值，其中0彡1彡L-1，所述无线接收机还包括： -对于Ρ = 0,1，. . .，Ν-1，用于在OFDM/OQAM解调和实部的提取后确定具有Ν个实分量 的接收到的矢量Υ(1'Ρ)的装置，所述接收到的矢量Υ(1'Ρ)的第η分量与在第η接收天线上接 收到子载波1相关联的符号等同，其中η = 1，2, . . .，Ν ; -对于Ρ = 0,1，...，Ν-1，用于将所述接收到的矢量Υ(1'ρ)编码成编码的接收到的矢量 = Αω. (π ω(γα'，）的装置，其中是具有ν个非零分量的预定编码矢量，标记 "U. V"表示具有相同长度的两个矢量U和V的逐项相乘的结果，Π (p) (U)表示矢量U的分量 的r个位置的圆形排列，其中r = p+c或r = -p+c，并且c是预定的相对整数； -用于计算可解码矢量
lp)的装置；以及 -用于通过如下方式计算解码的数据矢量T(1)的装置： Τ⑴=s(1) · F(1)，其中s⑴=(Ra)r，并且R(1)是发射机与用于所述子载波1的所述无 线接收机之间的等效MMO信道的矩阵，所述矩阵由F(1) = R(1) · X(1)+B(1)定义，其中B(1)是 热噪声项。
10. -种无线通信系统，所述无线通信系统包括如权利要求8所述的无线发射机和如 权利要求9所述的无线接收机，所述无线发射机和所述无线接收机能够彼此同步。
11. 一种用于存储数据的不可移除、或可部分或可完全移除的装置，所述装置包括用于 执行如权利要求1所述的无线发射方法的步骤的计算机程序代码指令、或如权利要求4所 述的无线接收方法的步骤的计算机程序代码指令、或如权利要求7所述的无线通信方法的 步骤的计算机程序代码指令。
12. -种可从通信网络下载和/或存储在计算机可读的和/或微处理器可执行的介质 上的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序包括用于执行如权利要求1所述的无线发 射方法的步骤的指令、或用于执行如权利要求4所述的无线接收方法的步骤的指令、或用 于执行如权利要求7所述的无线通信方法的步骤的指令。
【文档编号】H04B7/06GK104254984SQ201380022272
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年4月16日 优先权日:2012年4月27日
【发明者】蒂因·塞·潘胡 申请人:奥林奇实验室