專利名稱：用于mimo系統(tǒng)的信道隨機化和時間分集的制作方法
用于MIMO系統(tǒng)的信道隨機化和時間分集
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2006年10月27日提交的美國專利申請系第60/855,014號 和2007年8月17日提交的美國申請第11/840,788號的權(quán)益。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般地涉及用于改善通信系統(tǒng)性能的方法，并且更具體地涉及 通過將發(fā)送信號與一組時變復(fù)數(shù)乘數(shù)相乘而人為地將準(zhǔn)靜態(tài)信道衰落改變 為時變信道衰落條件以改善通信系統(tǒng)性能的方法。
在通信系統(tǒng)中，術(shù)語"衰落" 一般是指由傳輸媒介或路徑所引起的接 收信號在時間上的劣化。衰落一般是由在從源傳送到接收機的同時已經(jīng)經(jīng) 歷了衰減、延遲和相位偏移的發(fā)送信號的多個副本的疊加而引起的。它也 有可能是由信號的衰減引起的。
多徑衰落或小尺度衰落是一種由于運動物體或障礙物的小運動而發(fā)生 的衰落。例如，蜂窩電話可能經(jīng)歷接收信號的瞬間衰落，并且信號劣化的 原因是該信號的多個反射副本與該信號自身相重疊的破壞性干擾。應(yīng)對衰 落的方式是確保同一信號的多個版本被發(fā)送、被接收并被相千合成。這通 常被稱為分集，并且有時通過多個天線獲得。
描述該衰落現(xiàn)象的信道模型是由描述接收信號和發(fā)送信號之間的關(guān)系 的等式來表示的。接收信號是被乘以一組依賴時間的系數(shù)的發(fā)送信號與時 變隨機噪聲的和。這組依賴時間的系數(shù)被建模為隨機變量。
在通信系統(tǒng)中，如果數(shù)據(jù)分組經(jīng)歷無線信道的時變性質(zhì)，則性能可以 被提高。這僅僅是因為這樣的事實從長期來看，具有時變信道特性的無 線電信道比具有準(zhǔn)靜態(tài)信道特性的無線電信道具有更低的誤比特率。如果 該無線電信道是在時變多徑衰落環(huán)境中進行操作的，則信道編碼方案等方 法可以改善通信系統(tǒng)的性能。
4如果信道特性不是時變的，例如在準(zhǔn)靜態(tài)衰落條件下，則即使信道編 碼方案也不能恢復(fù)由無線電環(huán)境的損害所引起的比特錯誤，這是因為數(shù)據(jù) 分組經(jīng)歷了同一種比特錯誤。準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道模型是一種其信道模型中的 信道系數(shù)對于至少一個數(shù)據(jù)分組間隔保持不變的信道模型。如果一個信道 的信道系數(shù)對于一個數(shù)據(jù)分組以上并且在一幀以內(nèi)保持相同，則稱這樣的 信道為塊衰落信道。
因此，期望提供這樣的方法通過人為地創(chuàng)建時變發(fā)送信號來提供時 間分集而人為地將準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道改變?yōu)闀r變衰落信道以提高信道編碼的 性能。此外，結(jié)合附圖和前述技術(shù)領(lǐng)域和背景技術(shù)，從隨后的詳細說明和 所附權(quán)利要求，本發(fā)明其它期望的特征和特性將變得顯而易見。

發(fā)明內(nèi)容
考慮以上所述，本發(fā)明涉及適用于任何MIMO數(shù)字通信系統(tǒng)的方法。
本發(fā)明實施例是要通過向諸如準(zhǔn)靜態(tài)衰落或塊衰落信道模型之類的相對靜 態(tài)信道條件提供時間分集來改善通信系統(tǒng)性能。
根據(jù)本發(fā)明示例性實施例，描述了能夠在發(fā)射機處使用信道隨機數(shù)發(fā)
生器(randomizer)系數(shù)改善多輸入多輸出(MIMO)天線系統(tǒng)、正交頻分 復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)或正交頻分多址(OFDMA)系統(tǒng)的性能的方法。本 發(fā)明實施例和傳統(tǒng)方法不同在于它們不限于僅上行鏈路或僅下行鏈路， 并且每個基站能夠不用考慮其它基站而執(zhí)行所提出的方法。通過執(zhí)行本發(fā) 明，實現(xiàn)了用于多徑衰落的增益和性能改善，這在諸如在發(fā)射機處隨機跳 相(randomphase-ho卯ing)的傳統(tǒng)方法中是不可能實現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明示例性實施例，公開了用于在MIMO通信系統(tǒng)中提供快衰 落信道的方法。該方法包括對一串源數(shù)據(jù)進行編碼以產(chǎn)生第一組多個經(jīng) 編碼的輸出信號并且將所述第一組多個經(jīng)編碼的輸出信號乘以多個隨機復(fù) 數(shù)以產(chǎn)生第二組多個經(jīng)編碼的輸出信號。該方法還包括經(jīng)由相應(yīng)的多個 天線發(fā)送所述第二組多個經(jīng)編碼的輸出信號，其中發(fā)送信號獨立于信道條 件在時間和頻率上變化。
本發(fā)明實施例適用于使用具有或不具有OFDM/OFDMA發(fā)送的MIMO系統(tǒng)的各種信道編碼。時間分集可以通過簡單的時變復(fù)數(shù)乘數(shù)的使用而容 易地獲得。由于在接收機處已知隨機化序列，所以不會在接收機處導(dǎo)致用 來估計信道系數(shù)的額外負荷。
在本說明書中所述的特征和優(yōu)點不是包括全部的，并且特別地，考慮 本發(fā)明的附圖、說明書和權(quán)利要求，許多其他特征和優(yōu)點將對本技術(shù)領(lǐng)域 技術(shù)人員顯而易見。然而，結(jié)合附圖進行閱讀，從以下具體實施例的說明 中，將最好地理解本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和操作方法和本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點。


結(jié)合以下圖進行考慮，通過參考詳細說明和權(quán)利要求可以描述對本發(fā) 明的更完整的理解，其中，相似的標(biāo)號是指圖中相似的元件。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例用于一般多天線系統(tǒng)的信道隨機 化技術(shù)的簡圖2是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例在OFDM調(diào)制之后用于多天線系 統(tǒng)的信道隨機化的簡圖3是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例在OFDM調(diào)制之前用于多天線系 統(tǒng)的信道隨機化的簡具體實施例方式
以下詳細說明本質(zhì)上僅僅是示例性的并且不意欲限制本發(fā)明或本申請 和本發(fā)明的使用。并且，不意欲被在之前的技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi) 容或以下詳細說明中的任何所表述或暗示的原理限制。
本發(fā)明涉及用于改善通信系統(tǒng)性能的方法，并且更具體地涉及用于通 過人為創(chuàng)建時間分集而人為地將準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道改變?yōu)闀r變衰落信道以提 高通信系統(tǒng)的性能的方法。
衰落或者衰落信道是指經(jīng)過載波調(diào)制的通信信號通過某一傳播媒介所 經(jīng)歷的失真的數(shù)學(xué)模型。最普通的衰落類型包括慢衰落和快衰落。無線信 道的多徑信號以兩種空間尺度變化大尺度衰落和小尺度衰落。如所應(yīng)用 于移動無線電環(huán)境的，慢衰落或大尺度衰落是一種由移動臺或障礙在傳播
6環(huán)境內(nèi)的大運動所引起的衰落。在自由空間，無線電信號的功率與1/一成 正比衰減，其中，r表示源與目的地之間的距離，接收功率可因距離和障 礙而衰減得更快。快衰落是指小尺度多徑衰落，小尺度多徑衰落是一種由 于移動臺或障礙物的小運動而發(fā)生的衰落。多徑衰落是由發(fā)送波的建設(shè)性 和破壞性干擾引起的。
如以下進一步描述的，本發(fā)明可以適用于任何MIMO數(shù)字通信系 統(tǒng)。目的是通過向諸如準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道或塊衰落信道之類的相對靜態(tài)信道 提供時間分集來改善通信系統(tǒng)的性能。準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道模型是一種衰落系 數(shù)對于至少一個數(shù)據(jù)分組間隔保持不變的衰落信道模型。
塊衰落信道是一種信道特性對于大小為常量的塊固定的信道。如果信 道系數(shù)對于一個數(shù)據(jù)分組間隔以上但在一幀以內(nèi)保持相同，則認(rèn)為該信道 是塊衰落信道。
一般，以以下等式描述塊衰落信道的輸出Y『S,Xij+Nij，其中，Xg 和Yij分別表示第j個塊中的第i個信道輸入和信道輸出，信道系數(shù)S表示 衰落幅度，其中^是獨立的隨機變量，并且Ng表示第i個信道并且第j個 塊處的隨機噪聲。如以上在該等式中所指出的，信道輸出Yij是信道輸入 S,X^和噪聲Ntj的和。假定噪聲N,j是獨立于信號S《,j的，并且如果隨機噪 聲的方差(variance)為零，則接收機非常好地接收發(fā)送信號。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例用于一般多天線系統(tǒng)的信道隨機 化技術(shù)的簡圖。如圖1中所示，源數(shù)據(jù)首先由MIMO信道編碼器101進 行編碼，MIMO信道編碼器101具有一般的結(jié)構(gòu)并且可以是信道編碼和 MIMO信令方案的級聯(lián)，例如空時編碼、空間復(fù)用或者波束賦形。在階段 103，來自MIMO信道編碼器101的輸出的每一個輸出被乘以偽隨機復(fù) 數(shù)，使得每個輸出信號在被發(fā)送之前具有自己的經(jīng)過隨機化的幅度和相 位，經(jīng)過隨機化的幅度和相位是通過將經(jīng)過編碼的信號乘以相應(yīng)的隨機化 系數(shù)A而產(chǎn)生的。所得到的輸出信號在被N個不同天線107發(fā)送之前被饋 送進發(fā)送電路105。
在接收臺，由M個接收天線接收從N個不同天線發(fā)送的所有信號。 由于隨機化系數(shù)^ (hl，2,…n)的存在，有效的信道系數(shù)將是被乘以相應(yīng)
7的隨機化系數(shù)的實際信道系數(shù)。因為隨機化信道系數(shù)％比無線電信道的 信道特性改變得更快，所以獲得了人為的快衰落信道。只要經(jīng)過調(diào)制的信
號在被發(fā)送之前被乘以偽隨機復(fù)標(biāo)量(scalar)，就可以使用任何類型調(diào) 制方案，如PSK、 QAM或OFDM。
信道系數(shù)％是復(fù)數(shù)值并且在每個發(fā)送時間被偽隨機地選出。用于一個 幀的",.的序列可以為接收機所知或不為接收機所知。在后一種情況中，接
收機估計被乘以信道隨機化系數(shù)q的有效信道系數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意接收機可 以通過內(nèi)置的導(dǎo)頻信號追蹤全體信道系數(shù)和信道隨機化系數(shù)。必須小心以 使得導(dǎo)頻信號可以追蹤有效的信道改變而不損壞通信系統(tǒng)的性能。
各個發(fā)送天線處的輸出功率可以在各個發(fā)送時間改變。各個復(fù)數(shù)信道 隨機化系數(shù)a,.的相位將改變各個發(fā)送天線處的輸出信號的相位，同時在各 個發(fā)送時間，各個復(fù)數(shù)信道隨機化系數(shù)C^的幅度將改變各個天線的輸出功 率。 一般，存在對最大輸出功率的限制，必須考慮這個限制以確定信道隨 機化系數(shù)"i。然而，在許多應(yīng)用中，發(fā)送機并不以最大功率工作，并且在
工作功率和峰值功率之間存在差距(gap)。因此，可以設(shè)置平均發(fā)送功 率以使得不會超過平均功率目標(biāo)。
如上所述，各個實際信道系數(shù)被乘以相應(yīng)的信道隨機化系數(shù)",.以形成 等效的時變快衰落信道。該方法可以用在不同信道環(huán)境中，而不論各個信 道是否已知、未知或部分已知。
如圖2所示，本發(fā)明實施例也可以適用于使用正交頻分復(fù)用 (OFDM)的系統(tǒng)。OFDM是數(shù)字多載波調(diào)制方案，其使用大量空間鄰近 的正交子載波。正交頻分多址(OFDMA)是流行的OFDM數(shù)字調(diào)制方案 的多用戶版本。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例在OFDM調(diào)制之后用于多天線 系統(tǒng)的信道隨機化的簡圖。在圖2中，參考圖1所述的類似技術(shù)被應(yīng)用于 使用OFDM調(diào)制方案的系統(tǒng)。在由MIMO編碼器201進行編碼并且由 OFDM調(diào)制器203進行調(diào)制之后，在階段205處，各個OFDM信號被乘 以隨機化復(fù)數(shù)系數(shù)"i以使得各個信道具有時變幅度和相位，MIMO編碼器 201具有和圖1中說明的MIMO信道編碼器101 —樣的一般結(jié)構(gòu)。所產(chǎn)生的輸出在被N個不同的天線209發(fā)送之前被饋送進發(fā)送電路207。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實施例在OFDM調(diào)制之前用于多 天線系統(tǒng)的信道隨機化的簡圖。在圖3中，參考圖1或圖2所述的類似技 術(shù)被應(yīng)用于使用OFDM調(diào)制方案的系統(tǒng)。在由MIMO編碼器301進行編 碼后，在階段303，各個經(jīng)過編碼的信號被乘以隨機化復(fù)向量(vector) 系數(shù)a,.使得各個信道具有變化的幅度和相位，MIMO編碼器301具有和圖 1中說明的MIMO信道編碼器101 —樣的一般結(jié)構(gòu)。所得到的輸出在被N 個不同天線309發(fā)送之前被饋送進OFDM調(diào)制器305和發(fā)送電路307。
圖3示出在OFDM符號內(nèi)實現(xiàn)快衰落的實施例，這在經(jīng)過編碼的幀 的一部分位于在諸如WiMAX的應(yīng)用中所使用的一個OFDM符號中時特 別有用。以這種方式，OFDM符號內(nèi)的子載波可以被改為提供時間和頻率 上更快的衰變信道特性。應(yīng)注意在圖3中，各個a,.是大小達到 OFDM/OFDMA調(diào)制器中的音調(diào)(tone)數(shù)的向量，并且各個向量a,.可以 基于某些時間基準(zhǔn)進一步被改變。因此，除了時變信道條件之外，所提出 的信道隨機化技術(shù)還將提供人為的頻變信道條件。并且，"i具有一般的形 式并且可以逐個音調(diào)變化，或者可以對一個音調(diào)的子集具有相同的值，而 對另 一音調(diào)的子集具有一不同的值。
雖然前述詳細說明中已經(jīng)描述至少一個示例性實施例，但是應(yīng)當(dāng)理
解存在大量變化。還應(yīng)當(dāng)理解所述一個或多個示例性實施例僅僅是示 例，并且不意欲以任何方式限制本發(fā)明的范圍、應(yīng)用或配置。并且，前述 詳細說明將為本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員提供實現(xiàn)所述一個或多個示例性實施例 的方便的指導(dǎo)圖。應(yīng)當(dāng)理解在不偏離所附權(quán)利要求和其法律等同物中所 述的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對元件的功能和布置作出各種更改。
權(quán)利要求
1. 一種用于在多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)中提供快衰落信道的方法，包括對一串源數(shù)據(jù)進行編碼，以產(chǎn)生第一組多個經(jīng)編碼的輸出信號；將所述第一組多個經(jīng)編碼的輸出信號乘以多個偽隨機復(fù)數(shù)，以產(chǎn)生第二組多個經(jīng)編碼的輸出信號；并且經(jīng)由相應(yīng)的多個天線發(fā)送所述第二組多個經(jīng)編碼的輸出信號，其中發(fā)送信號獨立于信道條件在時間和頻率上變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多個偽隨機復(fù)數(shù)隨時間變化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將所述第一組多個經(jīng)編碼的輸 出信號乘以所述多個偽隨機復(fù)數(shù)把所述發(fā)送信號隨機化并且向具有相對靜 態(tài)信道條件的無線信道提供時間分集。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法還包括在將所述第一 組多個經(jīng)編碼的輸出信號乘以所述多個偽隨機復(fù)數(shù)之前對所述第一組多個 經(jīng)編碼的輸出信號進行調(diào)制。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述第一組多個經(jīng)編碼的輸出 信號被通過PSK、 QAM或OFDM調(diào)制技術(shù)調(diào)制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多個偽隨機復(fù)數(shù)是在各個 發(fā)送時間產(chǎn)生的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，將所述第一組多個經(jīng)編碼的輸 出信號乘以所述多個偽隨機復(fù)數(shù)提供快時變信道條件。
8. —種用于在MIMO通信系統(tǒng)中提供快衰落信道的方法，包括 對一連串源數(shù)據(jù)進行編碼，以產(chǎn)生第一組多個經(jīng)編碼的輸出信號； 對所述第一組多個經(jīng)編碼的輸出信號進行調(diào)制，以產(chǎn)生第一組多個經(jīng)OFDM調(diào)制的信號；將所述第一組多個經(jīng)OFDM調(diào)制的信號乘以多個偽隨機復(fù)數(shù)，以產(chǎn)生 第二組多個經(jīng)OFDM調(diào)制的信號；并且經(jīng)由相應(yīng)的多個天線發(fā)送所述第二組多個經(jīng)OFDM調(diào)制的信號，其中發(fā)送信號獨立于信道條件在時間和頻率上變化。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述多個偽隨機復(fù)數(shù)隨時間變化。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，將所述第一組多個經(jīng)OFDM 調(diào)制的信號乘以所述多個偽隨機復(fù)數(shù)把發(fā)送信號隨機化并且向具有靜態(tài)信 道條件的無線信道提供時間分集。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述多個偽隨機復(fù)數(shù)是在各 個發(fā)送時間產(chǎn)生的。
12. —種用于在MIMO通信系統(tǒng)中提供快衰落信道的方法，包括 對一串源數(shù)據(jù)進行編碼，以產(chǎn)生第一組多個經(jīng)編碼的輸出信號； 將所述第一組多個經(jīng)編碼的輸出信號乘以多個偽隨機復(fù)數(shù)，以產(chǎn)生第二組多個經(jīng)編碼的輸出信號；對所述第二組多個經(jīng)編碼的輸出信號進行調(diào)制，以提供第二組多個經(jīng) 調(diào)制的信號；并且經(jīng)由相應(yīng)的多個天線發(fā)送所述第二組多個經(jīng)調(diào)制的信號，其中發(fā)送信 號獨立于信道條件在時間和頻率上變化。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，所述多個偽隨機復(fù)數(shù)隨時間變化。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，將所述第一組多個經(jīng)編碼的輸出 信號乘以所述多個偽隨機復(fù)數(shù)把發(fā)送信號隨機化并且向具有靜態(tài)信道條件 的無線信道提供時間分集。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，所述第一組多個經(jīng)編碼的輸出信 號被通過PSK、 QAM或OFDM調(diào)制技術(shù)調(diào)制。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，所述多個偽隨機復(fù)數(shù)是在各個發(fā) 送時間產(chǎn)生的。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，將所述第一組多個經(jīng)編碼的輸出 信號乘以所述多個偽隨機復(fù)數(shù)提供快時變信道條件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于在MIMO通信系統(tǒng)中提供快衰落信道的方法。該方法包括對一串源數(shù)據(jù)進行編碼以產(chǎn)生第一組多個經(jīng)編碼的輸出信號并且將所述第一組多個經(jīng)編碼的輸出信號乘以多個隨機復(fù)數(shù)以產(chǎn)生第二組多個經(jīng)編碼的輸出信號，并且經(jīng)由相應(yīng)的多個天線發(fā)送所述第二組多個經(jīng)編碼的輸出信號，其中發(fā)送信號獨立于信道條件在時間和頻率上變化。
文檔編號H04B1/00GK101523735SQ200780032431
公開日2009年9月2日 申請日期2007年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者杭·金, 穆罕默德·加納尼, 阿姆安德雷扎·赫德亞特 申請人:思科技術(shù)公司