专利名称：用于具有符号扩展的空间复用的系统，器件，和方法
技术领域：
本发明涉及用于具有符号扩展旋转的空间复用的系统，器件，和方法，从而在MIM0系统中获得更高阶的分集，同时保持频镨效率。在下一代无线通信系统中，空间复用(SMX)(或MIMO)令人特别 感兴趣，因为它能通过釆用多样的发射和多接收天线来利用充分散射 的信道环境。同时，它可以使频谱效率得到显著的提高。分集一般用于无线通信系统以提高系统的性能。虽然空间复用能 获得高频谱效率，但是接收天线的数量必须增加以保留高分集阶数。由于实现这种类型的系统是不切实际的，所以需要一种不同类型 的分集来提高SMX系统的性能。本发明的系统，器件，和方法提供了一种获得更高SMX分集的技 术，该技术采用符号扩展旋转，其能够被认为是一种基于信号空间分 集的潜在解决方法。优选实施例的单个天线系统的最优旋转提供了满 调制分集，同时使最小乘积距离最大化，参见J.BouTros和E. ViTerbo 的"Signal space diversity: a power- and bandwidth-efficient diversity technique for the Rayleigh fading channel, " IEEE Trans. InformaTion Theory, Vol. 44，第1453—1467页，1998年7月。对于QAM 星座图，实旋转矩阵与SMX系统相结合以增加它的分集阶数，同时保 持相对低的计算复杂度。
图1显示了本发明增强的性能； 图2显示了根据本发明的方法；图3显示了画SE接收机，作为每一个信道的T个单独,SE解映 射器，其后有联合线性组合；和图4显示了一个包含图3的接收机的系统框架。对于本领域普通技术人员来讲，应理解提供以下描述的目的是说 明而非限制。技术人员知道在发明的精神和附加权利范围内存在许多变化。已知的功能和结构的非必需的细节可能在本描述中省略从而避 免使本发明难以理解。一个优选的实施例应用于在快速Rayleigh平坦衰落信道上的多 输入多输出(MIMO)单载波系统。在一个可替换的优选实施例中，相 同的系统被视为其相干带宽比信道带宽低得多的MIM0多载波系统，例 如0FDM-UWB系统。该系统有M个发射机天线和N个接收机天线。该NxM 信道矩阵记为Ht，这里t是快速衰落情况下的瞬时时间或0FDM情况下 的子栽波指数。分别定义发射符号向量x,，接收符号向量乂 ，噪音向量w,，和NxM 信道矩阵//,，如下<formula>formula see original document page 7</formula>然后，通用SMX系统模型可描述如下<formula>formula see original document page 7</formula>这里T是模块数量或子载波数量。目标是通过组合这T个连续符 号向量来提供某种分集。T越大意味着分集阶数越高。TxT扩展旋转矩 阵R被用于这T连续的原始符号向量，以使得<formula>formula see original document page 7</formula>接着新的发射系统能被容易描述为<formula>formula see original document page 7</formula>但是原始符号被线性导入(thread)到新的发射符号从而获得更 高阶的分集。例如，采用QPSK调制且T-2的新的2x2SMX系统为<formula>formula see original document page 7</formula>这里采用了扩展旋转矩阵R对于以上例子，公式中的4x4旋转矩阵可被改变为统一矩阵0 夸 -孕0女 0 # i -夸 0L —丄该同一矩阵能够真实地最大化从单一天线系统的信号空间分集方面归纳 的最小乘积MIMO-符号距离，如在J. BouTros和E. ViTerbo的"Signal Space DiversiTy: A Power- and Bandwidth-Efficient Diversity Technique For the Rayleigh Fading Channel," IEEE Trans, Information Theory, Vol. 44，第453—1467页，1998年7月中所述。 然而，两个矩阵都有简单的计算的旋转DFT-矩阵，参见Wei Zhang; Xiang—Gen Xia; Ching， P. C.; Haiquan Wang的"Rate two full-diversity space-frequency code design for MIMO-OFDM"， Signal Processing Advances in Wireless CommunicaTions， 2005 IEEE 6Th Workshop on June 2-8， 2005，第303-307页，和余弦矩阵，参见Soo Ki Choi; Seung Young Park; Chung Gu Kang的"Rotated Multidimensional Modulation For Spatial Multiplexing Systems", Vehicular Technology Conference, 2003. VTC 2003 -Fall. 2003 IEEE 58Th， 6-9 OcT. 2003，第 246-250页，Vol.l。扩展旋转矩阵在这里用于为T=3和T=4的QPSK星座图和T=2的 16QAM提供附加分集。例如，T=2的新3xlSMX系统和16QAM为<formula>formula see original document page 8</formula>这里采用了 3x3扩展旋转矩阵W:且/,是3x3单位矩阵,这个新SMX方案的分集阶数是TxN。图1比较了未编码的SMX系统 和根据用于两个发射天线和两个接收天线的具有符号扩展(T=2 )的优 选实施例的SMX系统的误码率性能。对于QPSK映射，在高SNR情况下，与传统的SMX系统相比本发明的性能得到了大大的提升。BER为le-4 时，在传统SMX方案中采用本发明的符号扩展几乎有6dB的增益。在 相同的4biTs/sec/Hz频谱效率下，当BER为le-5时本发明的优选实 施例比16-QAM Alamouti方案大约好2dB，其也在图1中显示出。最大似然(ML)检测复杂度随分集阶数T呈指数增长。在一个优 选实施例中，为了减少ML检测的计算量采用球解码，因为球解码可以 在多项式复杂度T上获得接近的最大似然(ML)性能。球解码是可能 的，因为本发明基本上是基于网格的编码。球解码只在位于接收向量 中心的某一超球的格点处执行近点搜索。关于球解码的讨论请参见例 如，H.Vikalo and B.Hassibi 的"Maximum-Likelihood Sequence Detection of Multiple Antenna Systems over dispersive Channels via Sphere Decoding," E画SIP Jour. Appl. Sig-Proc 2002: 5，第 525-531页。由于扩展旋转矩阵R的正交结构，匪SE接收机可以容易地推导为 每个信道的T个单独的醒SE解映射器或ZF解映射器，最后加上与R 的联合线性组合。例如，上面带有符号扩展的2x"MX系统的廳SE解 映射器可以推导如下淑犯 —丄<formula>formula see original document page 9</formula>相似地，相同系统的ZF解映射器可被推导如下<formula>formula see original document page 9</formula>由于与ML接收机相比MMSE和ZF接收机的次优属性，将会有一些 性能损失。可以看出这个方案没有增加醒SE或ZF接收机的解码复杂 度。图3显示了具有T个单独醒SE空间解映射器301的接收机，其在 T个不同的MIM0信道205上接收T个块，并且在联合线性组合中组合这 T个单独的画SE空间解映射器301的输出和R302，该组合通过信道解 码器304解码并输出为估计比特305。图4显示了为增加SMX通信系统 的分集在收发器系统400中将图2的发射机200和图3的接收机300 相结合。为了使用带有符号扩展的SMX方案的优选实施例，执行緩冲203 编码的输入信息比特201的映射的QAM符号向量202的步骤，直到T 个块被接受并且接着用扩展矩阵204乘以每个块，最后在不同T个独 立的MIMO信道205上传输由此输出的符号向量。图2显示了这个方法 的流程图。本发明的一个优选实施例能使现有技术的SMX系统获得高分集， 同时保持相同的传输率。本发明的一个直接应用是下一代(千兆位) 多波段(MB) OFDMUWB系统。本发明的一个优选实施例能够实现1Gbps 模式，其与现有技术相比有更长的范围。本发明的一个优选实施例还 可以作为多重块上的解码方案用于快速平坦衰落信道。虽然已经图示说明并描述了本发明的优选实施例，但是本领域的 技术人员将会理解这里描述的系统，器件和方法是说明性的，并且可 以进行各种变化和修改，以及可用等价物替代其元件而不偏离本发明 的真实范围。此外，可以进行许多修改以使本发明的教导适应特定的 情形而不偏离本发明的中心范围。因此，这里的意图是本发明不限于 作为考虑用于实现本发明的最佳模式所公开的特定实施例，而是本发 明包括在附加权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种系统(400)，用于具有分集的空间复用(SMX)通信系统，包括接收机器件(300)，接收并解码(304)从T个不同的独立信道上收到的T个扩展符号向量；和发射机器件(200)，扩展T个符号向量，然后在T个不同的独立信道(205)上发射这T个扩展向量，其中增加了SMX通信系统的分集并且保持了通信系统的频谱效率和功率消耗的至少之一。
2. 权利要求1所述的系统，其中SMX通信系统是一个多波段正交 频分复用超宽带(MB OFDM UWB)系统。
3. 权利要求1所述的系统(400 )，其中T个不同的独立信道是多 输入多输出(MIMO)信道(205 )。
4. 权利要求1所述的系统"00)，其中T个不同的独立信道是快 速平坦衰落信道。
5. 权利要求1所述的系统(400 ),其中发射机进一步包括 緩冲模块(203 )，接收映射符号(202 )并接着积累并输出T个符号向量块，每个所述映射符号包括编码的信息比特(201);和扩展模块(204 )，扩展每一个块，所述扩展模块被耦合于緩冲模 块(203 )以接收緩沖模块输出的已积累的T个块，并且用预先指定的 TxT扩展旋转矩阵R乘以每个块。
6. 权利要求1所述的系统(400 )，其中接收机器件进一步包括N》 1个接收天线；和发射机器件进一步包括M21个发射天线，并采用TxT扩展旋转矩 阵R来扩展并旋转所述T个符号向量从而该通信系统的分集阶数被增 加至TxN。
7. 权利要求6所述的系统(400 )，其中接收机器件进一步包括T个独立的解映射器(301 ),对于每个信道(205 )与扩展旋转矩 阵R进行联合线性组合(302 ),以创建组合的输出；和 信道解码器(304 )，接收并解码所述组合的输出。
8. 权利要求7所述的系统(400 )，其中解映射器(301)都选自最 大均方误差(應SE)空间解映射器和ZF解映射。
9. 权利要求7所述的系统(400 )，其中解码器是球解码器(304 )。
10. 权利要求7所述的系统(400 ),其中发射机进一步包括 緩冲模块(203 )，接收映射符号(202 )，并接着积累并输出T个符号向量块，每个所述映射符号包括编码的信息比特(201);和扩展模块(204 )，扩展每一个块，所述扩展模块被耦合于緩冲模 块(203 )以接收緩冲模块(203 )输出的已积累的T个块，并且用扩 展旋转矩阵R乘以每个块。
11. 权利要求IO所述的系统，其中SMX通信系统是一个多波段正 交频分复用超宽带(MB OFDM UWB)系统。
12. 权利要求IO所述的系统(400 )，其中T个不同的独立信道是 多输入多输出(MIMO)信道(205 )。
13. 权利要求IO所述的系统(400 )，其中T个不同的独立信道是 快速平坦衰落信道。
14. 一种用于增加空间复用(SMX)通信系统的分集的方法，包括 步骤通过将每个块和预先指定的TxT扩展旋转矩阵R相乘来扩展和旋转包括编码信息比特的映射符号向量的T个块；和在T个不同的独立信道(205 )上发射T个扩展并旋转的向量， 其中，增加了 SMX通信系统的分集并且保持了通信系统的频谱效率和功率消耗。
15. 权利要求14所述的方法，其中SMX通信系统是一个多波段正 交频分复用超宽带(MB OFDM UWB)系统。
16. 权利要求14所述的方法，其中T个不同的独立信道是多输入 多输出(MIMO)信道(205 )。
17. 权利要求14所述的方法，其中T个不同的独立信道是快速平 坦衰落信道。
18. 权利要求14所述的方法，进一步包括步骤为提供N^1个接收天线和M21个发射天线，从而该SMX通信系统的 分集阶数被增加至TxN。
19. 权利要求14所述的方法，进一步包括步骤为提供T个独立的解映射器(301)，每个信道(205 ) —个解映射 器，解映射器与扩展旋转矩阵R联合线性组合(302 )从而根据T个信道上所接收的T个信号来创建组合的解映射输出；使用所提供的联合组合的T个独立的解映射器(301 )来解映射并组号；和 ^、 4用解码器解码(304 )解映射的解扩展并解旋转的信号。
20. 权利要求19所述的方法，其中解码器是球解码器。
21. 权利要求19所述的方法，其中解映射器(301)都是一种选自 最大均方误差(MMSE)空间解映射器和ZF解映射器的器件。
22. —种用于具有分集的空间复用(SMX)通信系统的发射机(200 )， 包括扩展器，扩展和旋转T个符号向量；向量解析器，将T个扩展和旋转的向量分配在T个不同的独立信 道(205 )上，用于在其上进行传输，其中，增加了 SMX通信系统的分集，并且保持了通信系统的频谱 效率和功率消耗的至少之一。
23. 权利要求22所述的发射机(200 ),其中SMX通信系统是一个 多波段正交频分复用超宽带(MB OFDM UWB)系统。
24. 权利要求22所述的发射机(200 )，其中T个不同的独立信道 是多输入多输出(MIM0)信道(205 )。
25. 权利要求22所述的发射机(200 )，其中T个不同的独立信道是快速平坦衰落信道。
26. 权利要求22所述的发射机(200 )，进一步包括 緩沖模块(203 )，接收映射符号(202 )并接着积累并输出T个符号向量块，每个所述映射符号包括编码的信息比特(201);和扩展模块(204 )，扩展并旋转每个块，所述扩展模块被耦合于緩 沖模块(203 )以接收緩冲模块(203 )输出的已积累的T个块，并且 用预先指定的TxT扩展旋转矩阵R乘以每个块。
27. 权利要求22所述的发射机(200 )，其中发射机器件进一步包 括1个发射天线并采用TxT扩展旋转矩阵R来扩展和旋转T个符号 向量，从而通信系统的分集阶数增加到TxN，这里N是接收机的接收天 线的数量，该接收机接收由发射机(200 )在T个信道(205 )上发射 的扩展并旋转的T个符号。
28. —种用于接收具有分集的空间复用(SMX)通信系统的个 扩展并旋转的信号的接收机(300 ),包括T个独立的空间解映射器，对已经由矩阵R扩展和旋转并在T个不 同的独立信道(205 )上由个接收天线接收的T个符号向量进行 解映射；组合器，从T个独立的空间解映射器接收T个解映射的符号向量 并进行联合线性组合；和解码器(304 ),接收和解码所述组合的输出，其中，增加了 SMX通信系统的分集，并且保持了通信系统的频谱 效率和功率消耗的至少之一。
29. 权利要求28所述的接收机(300 )，其中解映射器(301)都 是一种选自最大均方误差(應SE )空间解映射器和ZF解映射器的器件。
30. 权利要求29所述的接收机(300 )，其中解码器是球解码器 (304 )。
31. 权利要求30所述的接收机(300 )，其中SMX通信系统是一个 多波段正交频分复用超宽带(MB OFDM UWB)系统。
32. 权利要求30所述的接收机(300 )，其中T个不同的独立信道 是多输入多输出(MIMO)信道(205 )。
33. 权利要求30所述的接收机(300 )，其中T个不同的独立信道是快速平坦衰落信道。
34. 权利要求30所述的接收机(300 )，其中R是TxT扩展旋转矩 阵并且SMX通信系统的分集阶数被增加到TxN。
全文摘要
本发明提供了一种用于空间复用(SMX)传输方案的系统，器件，和方法，该空间复用传输方案使用预定的矩阵R与符号扩展和旋转相组合，其能在UWB系统中的快速Rayleigh平坦衰落信道或高频选择信道下大大提高系统性能，而不需要附加的带宽或功率消耗。由于基于网格的结构，采用球解码以降低ML解码的复杂度同时保持接近的ML性能。另一方面，由于发射机上系统的结构，也可以采用ZF和MMSE接收机。
文档编号H04L1/06GK101326753SQ200680045989
公开日2008年12月17日 申请日期2006年12月5日 优先权日2005年12月8日
发明者J·杨, M·戈什 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司