專利名稱：用于低散射環(huán)境的mimo發(fā)射機和接收機的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及用于同時發(fā)送至少第一個和第二個信號的發(fā)射機。本發(fā)明進一步涉及用于同時接收至少第一個和第二個信號的接收機。此外，本發(fā)明涉及包含這樣的發(fā)射機的收發(fā)機、無線設備和電信系統(tǒng)。
本發(fā)明應用于使用多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技術(shù)的無線電信或數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)或設備。本發(fā)明特別適用于需要較高階調(diào)制方式和其中傳輸介質(zhì)具有隨機特性的電信或數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。這樣的例子有藍牙設備、無線局域網(wǎng)(LAN)設備和諸如移動電話或個人數(shù)字助理這樣的無線設備。
背景技術(shù)：
在美國專利申請US-2002/0181509A1中公開了這樣的電信系統(tǒng)。所示出的是一種多輸入多輸出電信系統(tǒng)，其具有一個發(fā)射機，該發(fā)射機將來自一個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)編碼成幾個并行數(shù)據(jù)流，這些并行數(shù)據(jù)流隨后被利用多個發(fā)射天線在一個無線電信道上發(fā)送。此外，該電信系統(tǒng)包括一個接收機，該接收機具有多個接收天線以用于接收多個數(shù)據(jù)流。該接收機進一步包括用于把多個數(shù)據(jù)流合并成單一(數(shù)字)數(shù)據(jù)流的解碼器。然而，這樣的MIMO系統(tǒng)通常在高散射環(huán)境下運行良好，而在低散射環(huán)境下可能會出現(xiàn)故障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種將改進在低散射環(huán)境下MIMO系統(tǒng)性能的發(fā)射機。為此目的，該發(fā)射機同時發(fā)送至少第一個和第二個信號，第一個信號被根據(jù)第一個調(diào)制星座圖進行調(diào)制，第二個信號被根據(jù)第二個調(diào)制星座圖進行調(diào)制，其中該射機被用于通過第一個調(diào)制星座圖的修改來對至少第一個信號進行預編碼，以防止在同時發(fā)送的至少第一個和第二個信號之間的相關(guān)。
本發(fā)明基于此見解，即MIMO系統(tǒng)通常在高散射環(huán)境下工作良好，諸如在非視距(non-line-of sight)情況下，其中通信信道保證發(fā)送的信號的正交性。然而在低散射環(huán)境下，諸如視距(line-of-sight)情況，編碼的數(shù)據(jù)流之間的正交性可能全部地丟失?；蛘邠Q句話說，數(shù)據(jù)流能夠變得相關(guān)。所以，接收機不能夠分辨出同時發(fā)送的數(shù)據(jù)流，導致對發(fā)送的信號的檢測可能部分失效。本發(fā)明進一步基于這樣的見解，即從系統(tǒng)的觀點來看，并行流的正交性是由通信信道的性態(tài)(behavior)提供或是由發(fā)射機本身提供的并不重要。所以，通過對基帶信號進行預編碼，是發(fā)射機而不是通信信道提供了正交性。這提供了這樣的優(yōu)點，即MIMO系統(tǒng)即使在不利的傳播條件下仍然能夠運行。
在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射機的一個實施例中，對至少第一個信號進行的預編碼包括使第一個調(diào)制星座圖旋轉(zhuǎn)第一個角度。至少兩個同時發(fā)送的信號中的每一個信號都被根據(jù)一個調(diào)制星座圖進行編碼，也就是比特被映射成符號。在接收機一側(cè)，這兩個調(diào)制星座圖合并成一個(解)調(diào)制星座圖，其階數(shù)等于第一個和第二個調(diào)制星座圖的階數(shù)之和。然而在不利的傳輸條件下，發(fā)送的信號變得相關(guān)。因此，接收機上的(解)調(diào)制星座圖顯示出重疊點。所以，(解)調(diào)制星座圖的階數(shù)受到影響，使得接收方可能不能再成功地對同時發(fā)送的信號進行解調(diào)。通過旋轉(zhuǎn)至少一個調(diào)制星座圖，是發(fā)射機而不是信道提供了至少兩個同時發(fā)送的信號之間所需的正交性。因此，至少兩個發(fā)送的信號的調(diào)制星座圖合并成一個具有非重疊點的(解)調(diào)制星座圖。通過這樣，即使在差的傳播環(huán)境下，也可以保證成功地對所述至少兩個同時發(fā)送的信號進行解調(diào)。
在根據(jù)本發(fā)明的接收機的另一個實施例中，對至少第一個信號進行的預編碼包括第一個調(diào)制星座圖的階數(shù)的改變。在差的接收環(huán)境下，可能不能維持某一數(shù)據(jù)率。在這樣的情況下，發(fā)射機可以考慮降低至少第一個信號的調(diào)制星座圖的階數(shù)以降低至少第一個信號的可達到的比特率。然而，一旦傳輸條件改善，可以再次提高該調(diào)制星座圖的調(diào)制階數(shù)。
在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射機的另一個實施例中，預編碼進一步包括同時發(fā)送的信號的數(shù)量的改變。調(diào)制星座圖用于把比特流映射成符號，因此，調(diào)制星座圖的階數(shù)的修改會對最大可達到的比特率有影響。比如說，降低調(diào)制星座圖的階數(shù)會自動引起最大可達到的比特率的降低，同時階數(shù)的增加引起最大可達到的比特率的增加。如對本領域的技術(shù)人員顯而易見的，MIMO發(fā)射機用于把單個數(shù)據(jù)流編碼成同時發(fā)送的幾個(并行)數(shù)據(jù)流。原則上，能夠根據(jù)所需的比特率，確定(并行)數(shù)據(jù)流的數(shù)量以及從而確定同時發(fā)送的信號的數(shù)量。因此，修改發(fā)送的信號的數(shù)量可以抵消由于修改調(diào)制星座圖的階數(shù)而產(chǎn)生的影響。例如，至少一個星座圖的階數(shù)的降低可以通過增加發(fā)送的信號的數(shù)量來抵消，當然，反之亦然。
在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射機的另一個實施例中，發(fā)射機用于在從至少第一個和第二個同時發(fā)送的信號的接收機接收到一個第一信號之后，對至少第一個信號進行預編碼。本領域的技術(shù)人員明白，只有接收機可以確定同時發(fā)送的信號是否保持不相關(guān)。通過向發(fā)射機發(fā)送所述一個第一信號，接收機向發(fā)射機通知接收的信號的質(zhì)量。例如，該信號可以包括命令發(fā)射機對至少一個發(fā)送的信號進行預編碼的指令，或者該信號可以是諸如誤比特率(BER)這樣的適當?shù)馁|(zhì)量指示器。所述一個第一信號可以是獨立地發(fā)送的(廣播的)信號，或者它可以被并入到(現(xiàn)有的)通信協(xié)議中，使用該通信協(xié)議來建立和維持發(fā)射機和接收機之間的通信鏈路。
在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射機的一個實施例中，發(fā)射機用于向至少第一個和第二個同時發(fā)送的信號的接收機發(fā)送一個第二信號，以便向接收機通知對所述至少兩個信號中的至少第一個信號進行的預編碼。本領域的技術(shù)人員明白，除非接收機被通知有關(guān)預編碼的細節(jié)，否則接收機不能自治地對預編碼信號進行解碼。作為選擇，例如，所述一個第二信號可以包括對所述一個第一信號的接收的確認。所述一個第二信號可以是獨立地發(fā)送的信號，或作為選擇，它可以被并入到(現(xiàn)有的)通信協(xié)議中，需要該通信協(xié)議來建立和維持發(fā)射機和接收機之間的通信鏈路。對本領域的技術(shù)人員將顯而易見的是，所述一個第一和一個第二信號中包括的消息的格式很大程度地取決于建立在發(fā)射機和接收機中的智能(intelligence)。


將通過下列附圖來闡明根據(jù)本發(fā)明的這些和其它方面。
圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多輸入多輸出電信系統(tǒng)。
圖2示出現(xiàn)有技術(shù)的QPSK調(diào)制星座圖。
圖3示出現(xiàn)有技術(shù)的MIMO系統(tǒng)技術(shù)的調(diào)制星座圖。
圖4示出現(xiàn)有技術(shù)的具有相關(guān)的通信信道的MIMO系統(tǒng)的調(diào)制星座圖。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的調(diào)制星座圖，其中至少一個星座圖被旋轉(zhuǎn)了一個角度。
圖6示出BPSK調(diào)制星座圖。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明的一個電信系統(tǒng)。
具體實施例方式
圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的2×2多輸入多輸出電信系統(tǒng)。該電信系統(tǒng)包括信號處理模塊14，其用所謂的調(diào)制星座圖把比特流d1和d2映射成符號。圖2示出了QPSK調(diào)制星座圖的一個例子。應用QPSK，根據(jù)下列的一組規(guī)則，比特被以成對的方式映射成符號。
00 → (1+j)/√2 或者 exp(j1)01 → (-1+j)/√2 或者 exp(j2)11 → (-1-j)/√2 或者 exp(j3)10 → (1-j)/√2 或者 exp(j4)因此，每個符號能夠表示成I-Q平面的一個(標準化的)向量或者表示成exp(jx)。利用映射操作，比特流d1和d2被轉(zhuǎn)換成信號s1和s2，利用RF部件12，把每個信號s1、s2調(diào)制成信號s’1和s’2，并且隨后發(fā)送到系統(tǒng)的接收端。由于發(fā)射機Tx1、Tx2和接收機Rx1、Rx2之間的(多個)通信信道的性態(tài)，信號s’1和s’2被接收成為r’1和r’2。每個接收機Rx1、Rx2包括用于把信號r’1、r’2解調(diào)成為信號r1、r2的RF部件11。發(fā)送的信號S＝(s1，s2)和接收的信號R＝(r1，r2)之間的關(guān)系由R＝H.S給出，其中H＝(h11，h12；h21，h22)通常被稱為轉(zhuǎn)換矩陣(transfermatrix)。轉(zhuǎn)換矩陣H的系數(shù)hij規(guī)定了發(fā)射機和接收機之間通信信道的性態(tài)。例如，系數(shù)h11涉及天線10和16之間的通信信道，而h12涉及天線10和15之間的信道。因此，信號r1、r2可以被表示為r1＝h11.s1+h12.s2和r2＝h21.s1+h22.s2。由于本領域的技術(shù)人員可以容易地導出H，因此接收機的信號處理模塊13利用關(guān)系S＝R.H-1，能夠容易地對發(fā)送的信號進行估計。加入的噪聲的影響將導致有噪聲向量加入到接收的信號R中，為了簡潔，忽略了這一點。一旦在接收端估計了發(fā)送的信號，該發(fā)送的信號被逆映射，以將估計的發(fā)送的信號r1、r2的符號轉(zhuǎn)換成比特流d’1和d’2。在適當?shù)墓ぷ鳁l件下，比特流d’1和d’2對應于原始發(fā)送的比特流d1和d2。如對本領域的技術(shù)人員顯而易見的，如果轉(zhuǎn)換矩陣可以求逆，也就是DET(H)＜＞0，那么將僅可能恢復發(fā)送的信號。本領域的技術(shù)人員明白，對于數(shù)學上的條件DET(H)＜＞0，其前提是發(fā)射機Tx1、Tx2和接收機Rx1、Rx2之間的通信信道必須保持互不相關(guān)，或者換句話說，在傳播過程中，發(fā)送的信號s1、s2必須保持正交。公知的是，MIMO系統(tǒng)在高散射環(huán)境下工作良好，但是例如在視距環(huán)境下可能工作失敗。利用圖3和圖4更詳細地闡明了這一點。盡管圖3和圖4只涉及r1，但是所闡明的效果對r2也有效，這對本領域的技術(shù)人員來說將是顯而易見的。假設信號s1和s2被根據(jù)星座圖31和32進行QPSK編碼。由于QPSK星座圖用四個可能的符號對比特流d1、d2進行編碼，因此顯而易見的是，r1采用的符號達到16個。圖3的例子對應于高散射環(huán)境，其中，h11＝1并且h12＝exp(-jπ/4)。因此，r1等于r1＝s1+exp(-jπ/4).s2。由于h12，從天線9發(fā)送到天線16的信號將經(jīng)歷45度相移以提供發(fā)送的信號s1、s2之間所需的正交性。假定s1、s1采用QPSK調(diào)制，接收機Rx1可以檢測出如在圖3的(旋轉(zhuǎn)的16-QAM)星座圖30中顯示的16個符號中的任意一個。
圖4對應于最差的情況，例如在視距條件下，其中傳播信道不提供任何的相移(h11＝h12＝1)。因此，r1變成r1＝s1+s2。此外假設s1、s2采用QPSK調(diào)制，r1能夠采用圖40所示的任意一個符號。由于通信信道的性態(tài)，圖40中的一些符號是重疊點(開圓)，使得接收機只能無誤地檢測出16個符號中的4個。通過以下的例子可以容易地闡明符號的重疊r1等于0，不止是對于s1＝1+j和s2＝-1-j，而且是對于s1＝-1-j和s2＝1+j。根據(jù)本發(fā)明，通過對至少一個發(fā)送的信號進行預編碼可以容易地克服通信信道的不足。既然從系統(tǒng)的觀點來看，正交性是由信道提供還是由映射處理提供這無關(guān)緊要，則該預編碼能夠例如通過旋轉(zhuǎn)至少一個星座圖來實現(xiàn)。這例如在圖5中闡明，其中，星座圖50被旋轉(zhuǎn)了45度?；旧希@相當于用exp(-jπ/4)乘以s2的映射的符號，因此r1等于r1＝h11.s1+h12.exp(-jπ/4).s2。讓h11＝h12＝1簡化方程式等于r1＝s1+exp(-jπ/4).s2，這相當于圖3所示的例子。盡管給定的例子涉及2×2系統(tǒng)，但是對于本領域的技術(shù)人員顯而易見的是，本發(fā)明能夠被容易地擴展到更大的N×M系統(tǒng)。無疑地，本發(fā)明需要發(fā)射機和接收機之間的同步，這是因為只有接收機可以檢測接收的信號r1和r2之間的相關(guān)程度，而只有發(fā)射機能夠旋轉(zhuǎn)調(diào)制星座圖。取決于電信系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)星座圖的旋轉(zhuǎn)的發(fā)起可以來自任一方。例如，可行的是，當接收機檢測到不可接受的相關(guān)程度后，其指示發(fā)射機對星座圖進行旋轉(zhuǎn)，或者接收機僅能夠向發(fā)射機發(fā)送諸如誤比特率這樣的質(zhì)量指示器，而因此發(fā)射機可以自治地決定旋轉(zhuǎn)星座圖。例如，從接收機到發(fā)射機的指令可以包括用某一步長增加或降低角度的命令，或者可以包括旋轉(zhuǎn)某一(給定的)角度的指令。同樣地，發(fā)射機必須向接收機通知或確認(即將進行的)旋轉(zhuǎn)。例如，通過這類握手協(xié)議對接收到接收的消息做出確認，或者通過向接收機通知星座圖即將進行的變化。對于本領域的技術(shù)人員顯而易見的是，可以根據(jù)系統(tǒng)的需求或可能性設計發(fā)射機和接收機之間各種合適的協(xié)議?？梢杂煤线m但任意的技術(shù)來交換發(fā)射機和接收機之間的消息。例如，通過把消息嵌入到發(fā)射機和接收機之間已經(jīng)存在的協(xié)議中，或者通過在發(fā)射機和接收機之間建立專用的通信鏈路。
預編碼的另一個選擇是降低s1和s2的調(diào)制星座圖的調(diào)制階數(shù)，例如，從QPSK到BPSK。圖6示出的BPSK星座圖具有值+1和-1，用于映射二進制的0和1。假設r1有同樣的關(guān)系，也就是r1＝s1+s2，很明顯，r1的四個可能的符號中，兩個符號重疊。然而，檢測正確符號的機會仍舊是50％，而采用QPSK只能正確地檢測出16個可能的符號中的4個(25％)。因此，降低階數(shù)允許更簡單的符號檢測。因為低階調(diào)制通常需要較低的信噪比，所以降低較高階星座圖的階數(shù)增加了電信系統(tǒng)的覆蓋范圍。另外，降低星座圖的階數(shù)導致電信系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量的降低。因此，根據(jù)本發(fā)明，為了增加或維持MIMO系統(tǒng)的可達到的吞吐量，如果需要，可能要通過多于兩個天線來發(fā)送數(shù)據(jù)。圖7示出了一種可能的實現(xiàn)。圖7中，復用器73在發(fā)射機Tx1至Txn之前，而解復用器74在接收機之后。這樣，數(shù)據(jù)流75可以被方便地映射成子流x1至xn。這些x1至xn子流中的每一個隨后被通過發(fā)射機Tx1至Txn發(fā)送，并由接收機Rx1至Rxn接收。那里，它們被逆映射成子流y1至yn，并且被利用復用器74復用回單個的數(shù)據(jù)流76。顯然，利用復用器73，可以方便地把數(shù)據(jù)流75分割成如要求所需的多個數(shù)據(jù)流。
注意的是，上述的實施例是在說明而不是限制本發(fā)明，本領域的技術(shù)人員將能夠設計很多可選的實施例，而不背離所附權(quán)利要求的范圍。“包括”一詞并不排除存在除了權(quán)利要求中列出的元件和步驟以外的元件和步驟。元件之前的“一個”一詞不排除存在多個這樣的元件。在相互不同的從屬權(quán)利要求中列舉出某些措施這一事實并不能指示這些措施的組合不具有優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.發(fā)射機(Tx1、Tx2)，用于同時發(fā)送至少第一個(s’1)和第二個(s’2)信號，所述第一個信號(s’1)被根據(jù)第一個調(diào)制星座圖進行調(diào)制，所述第二個信號(s’2)被根據(jù)第二個調(diào)制星座圖進行調(diào)制，其中所述發(fā)射機用于通過所述第一個調(diào)制星座圖的修改對至少所述第一個信號(s’1)進行預編碼，以防止在所述至少第一個(s’1)和第二個(s’2)同時發(fā)送的信號之間的相關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射機(Tx1、Tx2)，其中所述對至少所述第一個信號(s’1)進行的預編碼包括使所述第一個調(diào)制星座圖旋轉(zhuǎn)第一個角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射機(Tx1、Tx2)，其中所述對至少所述第一個信號(s’1)進行的預編碼包括所述第一個調(diào)制星座圖的階數(shù)的改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)射機(Tx1、Tx2)，其中所述預編碼還包括同時發(fā)送的信號(s’1、s’2)的數(shù)量的改變。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射機(Tx1、Tx2)，其中所述發(fā)射機用于在從所述至少第一個(s’1)和第二個(s’2)同時發(fā)送的信號的接收機(Rx1、Rx2)接收到一個第一信號之后，對至少所述第一個(s’1)信號進行預編碼。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射機(Tx1、Tx2)，其中所述發(fā)射機用于向所述至少第一個(s’1)和第二個信號(s’2)的接收機(Rx1、Rx2)發(fā)送一個第二信號，以便向所述接收機通知所述對至少所述第一個(s’1)信號進行的預編碼。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3和4所述的發(fā)射機(Tx1、Tx2)，其中所述第一個和第二個調(diào)制星座圖是M-ary QAM調(diào)制星座圖。
8.接收機(Rx1、Rx2)，用于同時接收來自發(fā)射機(Tx1、Tx2)的至少第一個(s’1)和第二個(s’2)信號，所述第一個接收的信號(s’1)被根據(jù)第一個調(diào)制星座圖進行調(diào)制，所述第二個接收的信號(s’2)被根據(jù)第二個調(diào)制星座圖進行調(diào)制，其中通過所述第一個調(diào)制星座圖的修改對至少所述第一個接收的信號(s’1)進行預編碼，以防止在所述至少第一個(s’1)和第二個(s’2)同時接收的信號之間的相關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接收機(Rx1、Rx2)，其中對所述第一個(s’1)接收的信號進行的預編碼包括所述第一個調(diào)制星座圖的旋轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接收機(Rx1、Rx2)，其中對所述第一個(s’1)接收的信號進行的預編碼包括所述第一個調(diào)制星座圖的階數(shù)的改變。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接收機(Rx1、Rx2)，其中所述預編碼還包括同時接收的信號(s’1、s’2)的數(shù)量的改變。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接收機(Rx1、Rx2)，其中所述接收機用于向所述發(fā)射機發(fā)送一個第一信號，作為響應，所述發(fā)射機用于對至少所述第一個(s’1)信號進行預編碼。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接收機(Rx1、Rx2)，其中所述接收機用于接收來自所述發(fā)射機(Tx1、Tx2)的一個第二信號，作為對所述發(fā)射機對至少所述第一個信號(s’1)進行預編碼的響應。
14.根據(jù)權(quán)利要求8、9、10、和11所述的接收機(Rx1、Rx2)，其中所述第一個和第二個調(diào)制星座圖是M-ary QAM調(diào)制星座圖。
15.收發(fā)機，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射機。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的收發(fā)機，還包括根據(jù)權(quán)利要求8所述的接收機。
17.無線設備，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射機。
18.電信系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射機。
全文摘要
一種發(fā)射機(Tx
文檔編號H04L1/06GK1871805SQ200480031011
公開日2006年11月29日 申請日期2004年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月21日
發(fā)明者保羅·馬泰森, 莫里斯·R·博爾曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司