专利名称：无线网络上的多媒体组播传输方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及高速的视频、数据和语音的无线传输，具体地，涉及一种无线网络中的多媒体组播传输方法和设备。
背景技术：
近年来，开始深入地研究怎样提供视频、数据和语音的高速可靠移动无线传输。
在PCT申请号PCT/EP01/01878(公开号WO 01/65848，下面称为D1)中公开了一种用于改善在无线网络上的视频传输的已知系统和方法。如所公开的，D1适用于解决RF波段的视频传输问题，并且提出的系统局限于单天线系统。
Michael B.Pursley开发了一种在将多媒体消息组播发射到不同能力的接收机中使用非均匀M相位移键控(M-PSK)星座图的方法(Michael B.Pursley，John M.Shea，″NonuniformPhase-Shift-Key Modulation for Multimedia MulticastTransmission in Mobile Wireless Networks，″IEEEJournal on Selected Area in Communications，VOL.17，No.5，May 1999)。该系统基于一根发射机天线和一根接收机天线。因此，其频谱利用率和性能是有限的。
Erik G.Larsson提出了一种使用分层源编码的、适用于点到多点或者广播通信的新的差分空时代码(Erick G.Larrson，″Nonuniform Unitary Space-time Codes for LayeredSource Coding，″IEEE Trans.On Wireless Communications，VOL.3，No.3，May 2004)。附加消息的传输会导致性能下降，并且信号星座图的选择受限。
一种在无线宽带信道上获得高速率的公知方式是使用多个发射机和/或接收机天线。多输入多输出(MIMO)技术显著地提高了系统性能。使用正确的空时编码，可以使用MIMO信道的自由度来提高吞吐量并且抗衰落。近来在3G蜂窝标准(例如CDMA2000和WCDMA)中采用了空时编码和调制策略，并且也针对无线本地回路(朗讯的BLAST项目)和广域分组数据接入(AT&T的增强蜂窝因特网服务)提出了空时编码和调制策略。然而，多天线配置需要多个RF链。
应该注意到另一个事实，不同的接收机具有不同的解码消息的能力，这表示发射的信号应该包括对于重构消息具有不同重要程度的多个分量。因此，出现了分层源编码和多级调制的概念。分层源编码是一种现在在多种多媒体标准中采用的成熟技术。例如，图像编码标准JPEG-2000和有时被称为″精细粒度可缩放性″的视频编码标准MPEG-4，MPEG-4可以在无误数据吞吐量和重构图像或视频序列的质量之间实现缓和折衷。这种改进的源编码方法已经在可以用数据速率换取质量的多种因特网应用中使用，并且期望它们有助于下一代无线标准，以便可以在任何地方访问因特网以及各种流视频和音频源。在一些现有应用中，假设基本消息是语音消息或必须传递到多个无线设备的控制消息。
还需要开发一些链路的附加能力，以便同时将数据传递给具有更高复杂度的更高能力的接收机。即，存储转发网络中的更高能力的无线设备可以被用于在处理语音消息的同时将数据分组推进到其目的地，或者可以在正在发送网络控制分组的同时将语音分组转发到更高能力的无线设备。
因此，现有技术需要不仅在RF波段而且更有利地在基带中使用的改进系统和方法，还需要可以采用相干接收机和非相干接收机的改进系统和方法。
在这些情况下，可以理解到，衰落条件改变非常快，使得难以进行信道估计或者需要过多的训练符号。因此，希望避免信道估计以便减少成本和手持机的复杂度。
还希望开发一种新的无线通信方法，实现更高频谱利用率(每单位带宽的数据速率)，并且以给定功率消耗有效地传递图像。
发明内容
在本发明的一个方面中，提出了一种无线通信系统中的多媒体组播发射方法。该发射方法包括(a)使用酉空时编码方案来编码基本消息；(b)使用空时编码方案来编码附加消息；(c)使(b)中的结果延迟T个符号周期；(d)将(b)中的结果与(c)中的结果相组合；(e)将(a)中的结果与(d)中的结合相组合；(f)对(e)中的结果进行后处理，以便使信号准备好发射；以及(g)使用至少一个发射机天线来发射(f)中的结果。
根据本发明，(e)满足以下方程S(k)=TBp(k)Dq(k),k=1,2,....]]>其中，T是被延迟的信号周期数，Bp是(a)中的结果，Dq是(b)中的结果，并且S是(e)中的结果。
在本发明的另一个方面中，提出了一种无线通信系统中的多媒体组播接收方法。该接收方法包括(a)接收信号；(b)预处理接收信号，以便使其准备好解码；(c)使用非相干或相干解码方案来解码基本消息；(d)使(b)中的结果延迟T个符号周期；(e)使(c)中的结果延迟T个符号周期；以及(f)根据(b)、(c)、(d)和(e)中的结果，使用差分解码方案来解码附加消息。
根据本发明，(c)满足以下方程B^p(k)=argmaxBl∈ΩBtr{Y+(k)(Bp)l(Bp)l+Y(k)}]]>而(f)满足以下方程D^q(k)=argminAql∈ΩA||B^p+(k)Y(k)-(Aq)lB^p+(k-1)Y(k-1)||]]>其中，Y是(b)中的结果， 是(c)中的结果，Bp属于基本消息集， 是(f)中的结果，并且Aq属于附加消息集。
在本发明的另一个方面中，提出了一种无线通信系统中的多媒体组播发射设备。该发射设备包括使用酉空时编码方案的基本消息编码器；使用多天线差分编码方案的至少一个附加消息编码器；用于使任意输入消息延迟T个符号周期的至少一个延迟器；用于通过乘法和加法来组合任意输入消息的至少一个运算器件；用于处理从所述运算器件输出的组合信号以便使组合信号准备好发射的后处理器；以及至少一个发射机天线。
根据本发明，运算器件满足以下方程S(k)=TBp(k)Dq(k),k=1,2,....]]>其中，T是被延迟的信号周期数，Bp是基本消息编码器的输出，Dq是附加消息编码器的输出，并且S是运算器件的输出。
在本发明的另一个方面中，提出了一种无线通信系统中的多媒体组播接收设备。该接收设备包括用于接收信号的至少一个接收机天线；用于处理接收信号以便使之准备好解码的预处理器；使用非相干或相干解码方案的基本消息解码器；使用差分解码方案的至少一个附加消息解码器；用于使任何输入消息延迟T个符号周期的至少一个延迟器。
根据本发明，基本消息解码器满足以下方程B^p(k)=argmaxBl∈ΩBtr{Y+(k)(Bp)l(Bp)l+Y(k)}]]>而附加消息解码器满足以下方程D^q(k)=argminAql∈ΩA||B^p+(k)Y(k)-(Aq)lB^p+(k-1)Y(k-1)||]]>其中，Y是预处理器的输出， 是基本消息解码器的输出，Bp属于基本消息集， 是附加消息解码器的输出，并且Aq属于附加消息集。
图1是示出了根据本发明的发射设备的示意结构的方框图；图2是示出了根据本发明的接收设备的示意结构的方框图；图3是示出了M＝1发射机天线的瑞利平坦衰落信道的性能的示意图；图4是示出了M＝2发射机天线的瑞利平坦衰落信道的性能的示意图；
图5是示出了根据本发明的多媒体组播传输的发射方法的流程图；以及图6是示出了根据本发明的多媒体组播传输的接收方法的流程图。
具体实施例方式
现在参考实施例来进一步描述本发明的技术特征。实施例仅仅是优选实施例，而不是限制本发明。通过下面的详细说明，结合附图，可以更好地理解本发明。
根据本发明的一个实施例，提出了一种应用于移动无线网络中的多媒体组播的新信令方案。可以在多输入多输出(下面称为MIMO)系统以及单输入单输出(下面称为SISO)系统中使用该方案。
1.多速度传输考虑在瑞利平坦衰落环境中工作的包括M个发射机天线和N个接收机天线的通信链路。每一个接收机天线通过在2T个符号周期上恒定的静态独立衰落系数来响应每一个发射机天线。衰落系数根据例如Jakes(W.C.Jakes，Microwave Mobile Communications，Piscataway，NJIEEE Press，1993)的模型来持续地改变。接收的信号由于在N个接收机和T个符号周期上静态独立的加性噪声而变坏。该系统能够发送基本信息比特和附加信息比特。
首先，将p基本层信息比特映射至作为矩阵信号的酉空时(UST)信号Bp。
其次，将q增强层信息比特映射至矩阵信号Aq。差分传输方案发送如下矩阵Dq(k)＝Aq(k)Dq(k-1)Dq+(0)Dq(0)＝IM第三，差分信号乘以酉空时调制信号。
S(k)=TBp(k)Dq(k),k=1,2,...]]>最终，在T个符号间隔上通过M个发射机天线来发射矩阵信号S(T×M)。参考图1，110是基本消息源，120是将每p个比特的基本消息比特信息映射至一个Bp矩阵的基本消息编码器，130是附加消息源，140是将每q个比特的附加消息比特信息映射至一个Aq矩阵的附加消息编码器，150是执行矩阵乘法运算的运算器件，160是T符号周期延迟器，矩阵Aq与前一矩阵Dq(k-1)相乘，并且获得当前所需的矩阵Dq，然后在预处理器170中处理矩阵信号Dq中的每一项，并通过天线180来发射。本领域的技术人员可以理解，结构是灵活的，并且可以适应所有速率和任意数目的天线。
2.多媒体组播传输中的低功率和低复杂度设计在发射机处，可以通过索引查找表来完成编码过程，这可以简化编码器设计。通常，可以构造结构化信号星座图，例如在以下参考文献中公开的对角星座图●B.M.Hochwald and T.L.Marzetta，″Unitaryspace-time modulation for multiple-antennacommunication in Rayleigh flat fading，″IEEETrans.Inform Theory.Vol46，Mar2000543～564●B.M.Hochwald and W.Sweldens，″Differentialunitary space-time modulation，″IEEE Trans.Communication，Vol48，Dec，20002041～2052●Brian L.Hughes，″Differential Space-TimeModulation，″IEEE Trans.Information Theory，Vol.46，No.7Nov.20002567～2578● A.Shokrollahi，B.Hassibi，B.M.Hochwald andW.Sweldens，″Representation Theory forHigh-Rate Multiple-Antenna Code Design，″IEEETrans on Inform Theory，Vol.47，No.6，Sept.20012335～2367●B.M.Hochwald，T.L.Marzetta，T.J.Richardson，W.Sweldens and Rudiger，″Systematic Design ofUnitary Space-time Constellations，″IEEETrans.Inform Theory，Vol 46，Sept.20001962～1973因此，在任意给定时间仅有一个天线进行发射。在实施方式中，可以仅使用一个功率放大器或M个放大器。如果仅使用一个功率放大器，则可以在多个天线之间切换该放大器。但是，该放大器必须接通M次以便发射矩阵信号。可以清楚地理解，按照这种方式大大地节约了硬件成本。另一个方法是使用同时驱动其它天线的M个放大器的阵列。因此，与放大器阵列相比，该放大器需要具有更大的线性工作范围。具有较大线性范围的放大器通常在设计和生产上都较为昂贵。因此，有时希望使所有M个天线以较低功率水平同时发射。
因此，可以在信道系数矩阵H未知时采用最大似然(下面称为ML)接收机，并且为了进行比较，在接收机已知H时(发射机永远不知道H)采用最大似然接收机。习惯上将前一种接收机称为非相干的，并且将后一种接收机称为相干的。此时，关注于图2所示的非相干接收机。由接收机天线210接收信号。在预处理器220中处理接收信号Y(k)。然后，将其传递给基本消息解码器230。延迟器250使信号延迟T个符号周期，以便获得信号Y(k-1)。基本消息解码器230解码接收信号，并且获得基本消息 来自预处理器220的处理消息还被传递到另一个延迟器250。延迟器250使 延迟T个符号周期，并且获得延迟信息 解码的基本消息 延迟的解码基本消息 接收信息Y(k)和延迟的接收信息Y(k-1)被输入到附加消息解码器260。然后，附加消息解码器260输出解码的附加消息 对于非相干接收机，可以获得如下操作过程首先，根据ML准则来解码接收信号，以便估计基本消息。
B^p(k)=argmaxBl∈ΩBtr{Y+(k)(Bp)l(Bp)l+Y(k)}]]>其次，附加消息的ML解调器是D^q(k)=argminAql∈ΩA||B^p+(k)Y(k)-(Aq)lB^p+(k-1)Y(k-1)||]]>假设估计的基本消息 是正确的，并因此可以估计附加消息 因为基本消息可以是控制消息或比附加消息更重要的消息，该假设是合理的。本领域的技术人员可以理解，在相干接收机设计中可以使用传统的解码算法。
3.移动无线网络中的高性能该方案可被应用于MIMO系统以及SISO系统。MIMO技术显著地提高了系统性能。使用正确的空时编码，可以使用MIMO信道的自由度来增加吞吐量并且抗衰落。
提出的这种方案有效地组合了USTM和差分空时调制。USTM在移动无线环境中实现了高性能，即使没有训练序列或者传播矩阵的知识。例如，在持续时间T＝16的单个相干间隔内，对于M＝7的发射机天线和N＝4的接收机天线，以及18dB预期SNR，理论上可以以小于10-9的块误差概率来传输总共80比特。差分空时调制是从酉空时调制中推导出的，并且也可以实现良好性能。
可以通过选择不同的星座图来控制所提出的系统的误差概率。不需要任何训练和传播矩阵的知识。
为了评价所提出的系统的性能，执行模拟。结果证明新的信令方案可以在SISO和MIMO系统中良好工作。可以独立地解调基本层消息。增强层消息的传输不会降低基本层消息的性能。如果在MIMO系统中使用所提出的信令方案，发射分集和编码增益会改进系统性能。假设信道模型是最大非定向多普勒频率(以循环每采样周期为单位)是fd＝0.01循环/采样，并且发射的信号的平均预期功率等于1。
具体地，来看M＝1和2发射机天线并且N＝1接收机天线。此时，选择以下代码基本层消息的速率是1比特/s/Hz并且附加消息的速率是3/8比特/s/Hz。因此，总频谱利用率是11/8。酉空时信号星座图如下构成如果发射机天线的数目是M＝1，B8=Θ1l1Θ2l2Θ3l3Θ4l4(B8)0]]>Θi＝diag(exp(j2πu1/Li)，…exp(j2πut/Li))，0≤u1，…ut≤Li-1，i＝1，…4(B8)0=1811111111T]]>([u1…ut])1＝[1 0 0 0 1 0 3 1]([u1…ut])2＝
([u1…ut])3＝
([u1…ut])4＝
按照8-DPSK信号来编码增强层消息。计算在不同SNR下基本层消息、增强层消息和总消息的BER。图3中示出了结果。在该模拟中，基本层消息与基本消息相对应，而增强层消息与附加消息相对应。当SNR从5dB变化到30dB时，与基本层消息的解码器相比，增强层消息的解码器可以实现更低的BER。并且随着SNR增加，增强层消息的解码器远优于基本层消息的解码器。
如果发射机天线的数目是M＝2，B8=Θ1l1(B8)0]]>Θi＝diag(exp(j2π7/257)，…exp(j2π60/257))，exp(j2π79/257)，exp(j2π187/257)，exp(j2π125/257))，exp(j2π198/257)，exp(j2π154/257)对附加消息进行差分编码。
A8={1001,-100-1,j00-j,-j00j,]]>0jj0,0-j-j0,01-10,0-110}]]>图4示出了在不同SNR下计算的基本层消息、增强层消息和总消息的BER。在该模拟中，基本层消息与基本消息相对应，而增强层消息与附加消息相对应。可以注意到，由于发射分集和编码增益，与图3相比，改进了性能。
图5示出了根据本发明一个实施例的多媒体组播传输的发射方法。如图所示，在步骤510中使用酉空时编码方案来编码基本消息。在步骤520中使用多天线编码方案来编码附加消息。在步骤530中使编码的附加消息的输出延迟T个符号周期。在步骤540中，组合编码的附加消息和延迟的编码附加消息。步骤520～540的处理组成了多天线差分编码方案，可以容易地理解，该方案独立于步骤510的处理。即，步骤520～540的处理并不是基于步骤510的结果，反之亦然。此外，可以在步骤510之前、与步骤510同时或者在步骤510之后执行步骤520～540。在步骤550中使用乘法和加法来组合编码的基本消息和步骤540中的结果。然后，在步骤560中对信号进行后处理。后处理包括但不局限于映射、D/A、上转换等。在步骤570中，使用M个天线来发射信号。
图6示出了根据本发明一个实施例的多媒体组播传输系统中的接收方法。如图所示，在步骤610中在接收机一侧使用N个天线来接收信号。然后，在步骤620中预处理该信号。所述预处理包括但不局限于下转换、A/D、解映射等。在步骤630中使处理信号延迟T个符号周期。与步骤630的处理相独立地，在步骤640中使用非相干或相干解码来解码处理信号。在步骤650中使解码的基本消息延迟T个符号周期。根据预处理信号、解码的基本消息和延迟的解码基本消息，在步骤660中使用差分解码方案来解码附加消息。显而易见的是，根据上述方法，在将基本消息与附加消息相组合之后，未增加组合消息的大小。因此，与传统方法相比，更有效地使用了传输能力。
利用上面规定的实现方式，试图解调制基本层消息的所提出的接收机不需要知道是否包括增强层消息。这种接收机可以在甚至不知道是否包含增强层消息的情况下解调制分组的主体。设计信号星座图，使得在不同类型的符号错误的概率中提供差异性，并且采用该差异性来在将组播消息传递给所有目的接收者的同时，将附加数据发送到更高能力的接收机。根据本发明一个实施例的放大星座图可以将每个符号中的一些比特用于传递控制或基本消息，并且将每个符号中的一些比特用于传递附加消息，因此通过将数据信息与控制消息一起传递给相同的接收机，提高了传输质量。
如所公知的，要求3G和超前技术工作在非常高的移动速度上。在这种情况下，精确的信道估计非常困难而复杂。另一个优点在于新的信令方案使接收机可以在多媒体传输的发射机或者在接收机处没有任何信道知识的情况下来解调制信号。
另一个优点在于根据本发明一个实施例的增强层消息可以载有对于传输消息的重构不如基本层消息重要的信息。
本发明可以被应用于广播传输以及组播传输，例如DVB-T、ATSC8-VSB系统。还可以被用于多程序操作或者作为点到多点的传输。
尽管在上述说明书中描述了本发明的优选实施例和方面，本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明的情况下，可以在设计或结构细节上进行多种改变。本发明延及独立地公开的以及在所有可能变换和组合中公开的所有特征。
权利要求
1.一种无线通信系统中的多媒体组播发射方法，包括(a)使用酉空时编码方案来编码基本消息；(b)使用空时编码方案来编码附加消息；(c)使(b)中的结果延迟T个符号周期；(d)将(b)中的结果与(c)中的结果相组合；(e)将(a)中的结果与(d)中的结合相组合；(f)对(e)中的结果进行后处理，以便使信号准备好发射；以及(g)使用至少一个发射机天线来发射(f)中的结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，(e)满足以下方程S(k)=TBp(k)Dq(k),k=1,2,....]]>其中，T是被延迟的信号周期数，Bp是(a)中的结果，Dq是(b)中的结果，并且S是(e)中的结果。
3.一种无线通信系统中的多媒体组播接收方法，包括(a)接收信号；(b)预处理接收信号，以便使其准备好解码；(c)使用非相干或相干解码方案来解码基本消息；(d)使(b)中的结果延迟T个符号周期；(e)使(c)中的结果延迟T个符号周期；以及(f)根据(b)、(c)、(d)和(e)中的结果，使用差分解码方案来解码附加消息。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，(c)满足以下方程B^p(k)=argmaxBl∈ΩBtr{Y+(k)(Bp)l(Bp)l+Y(k)}]]>而(f)满足以下方程D^q(k)=argminAql∈ΩA||B^p+(k)Y(k)-(Aq)lB^p+(k-1)Y(k-1)||]]>其中，Y是(b)中的结果， 是(c)中的结果，Bp属于基本消息集， 是(f)中的结果，并且Aq属于附加消息集。
5.一种无线通信系统中的多媒体组播发射设备(100)，包括使用酉空时编码方案的基本消息编码器(120)；使用多天线差分编码方案的至少一个附加消息编码器(140)；用于使任意输入消息延迟T个符号周期的至少一个延迟器(160)；用于通过乘法和加法来组合任意输入消息的至少一个运算器件(150)；用于处理从所述运算器件(150)输出的组合信号以便使组合信号准备好发射的后处理器(170)；以及至少一个发射机天线(180)。
6.根据权利要求5所述的发射设备，其中，所述运算器件满足以下方程S(k)=TBp(k)Dq(k),k=1,2,....]]>其中，T是被延迟的信号周期数，Bp是基本消息编码器的输出，Dq是附加消息编码器的输出，并且S是运算器件的输出。
7.一种无线通信系统中的多媒体组播接收设备(200)，包括用于接收信号的至少一个接收机天线(210)；用于处理接收信号以便使之准备好解码的预处理器(220)；使用非相干或相干解码方案的基本消息解码器(230)；使用差分解码方案的至少一个附加消息解码器(260)；用于使任何输入消息延迟T个符号周期的至少一个延迟器(250)。
8.根据权利要求7所述的接收设备，其中，所述基本消息解码器满足以下方程B^p(k)=argmaxBl∈ΩBtr{Y+(k)(Bp)l(Bp)l+Y(k)}]]>而所述附加消息解码器满足以下方程D^q(k)=argminAql∈ΩA||B^p+(k)Y(k)-(Aq)lB^p+(k-1)Y(k-1)||]]>其中，Y是预处理器的输出， 是基本消息解码器的输出，Bp属于基本消息集， 是附加消息解码器的输出，并且Aq属于附加消息集。
全文摘要
提出了一种移动无线网络中的多媒体组播系统和方法，其可以被应用于多天线系统以及单天线系统中。同时传输基本消息和附加消息。具有不同能力并且具有不同复杂度的接收机被用于解调制不同的消息。为了设计低复杂度的接收机，可以非相干地解调制信号用于多媒体传输。
文档编号H04N7/24GK1909512SQ20061010095
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月2日 优先权日2005年8月3日
发明者邹黎, 王传铭 申请人:汤姆森许可贸易公司