用於解碼在多天線系統中的信號的方法，對應的計算機軟體產品和解碼裝置的製作方法

2023-05-20 20:43:41

專利名稱：用於解碼在多天線系統中的信號的方法，對應的計算機軟體產品和解碼裝置的製作方法
技術領域：
本發明的領域涉及無線通信。更具體來說，本發明涉及在實施一個或一個以上接 收器天線的ΜΙΜ0(多輸入多輸出)系統的背景中的信號的接收。本發明可尤其適用於移動無線電通信的領域中。
背景技術：
在包括多個天線的系統中進行發射的技術具有許多優點。具體來說，這些技術使得可能通過在發送時使用空間/時間代碼而在發射信道中 增大頻譜效率來實現增加的發射容量。這些空間/時間代碼可特別用於在信道的不同自由 度上分布經調製的符號。圖1提供在多天線系統中的發射方案的更精確說明。在發送側，將要發送的二進位源信號10經歷源編碼11且接著經歷信道編碼12。其 接著經過經設計以將二進位元素轉換為複數符號的調製模塊13 此類模塊因此將屬於(例 如QAM類型的)群集的複數信號與位的群組相關聯。接著，執行K個符號的每一群組的空 間/時間編碼14，且接著在MIMO類型發射背景中在nt個發送天線M1至15nt上發送這些 符號。信號接著通過發射信道傳送且接著在~個接收器天線Ie1至16m上接收。每一接 收器天線接收在 個發送天線中的每一者上發送的符號的線性組合。所接收的信號首先 在空間/時間解碼模塊17中解碼，所述空間/時間解碼模塊17應用對應於在發送時應用 的空間/時間編碼的逆轉的處理操作。接著將空間/時間解碼塊17的輸出處的均衡信號饋入到解調模塊18，且使其經歷 信道解碼19和源解碼20的操作，從而傳遞經估計的二進位信號。不幸地是，由於使用若干個天線，所以所接收信號的解碼尤其複雜。實際上，為了獲得高解碼性能，有必要在解碼模塊17中的最大似然解碼方面使用 最佳解碼技術，例如球形解碼或施諾爾-歐確那(Schnorr-Euchner)算法解碼。現在，這些技術的複雜性依據天線的數目和調製狀態的數目而大大增加。一些技術設置超時機制來限制解碼給定塊並宣布塊擦除所花費的時間。接著實施 特定塊檢索算法，且將另一解碼器用以替換有缺陷的解碼器。原理在於在特定的複雜度之後停止解碼器，且通過另一方法來完成解碼。這不是 自適應解碼，因為解碼器最初固定，且隨後而並非初始使用可能取決於信道的停止準則以 便選擇解碼器。因此需要一種用於在實施若干發送和/或接收天線的系統中接收信號的新穎且 較不複雜的技術。

發明內容
本發明以一種用於解碼由發送器通過發射信道發送且由包括一個或一個以上接收 天線的接收器接收的信號的方法的形式來呈現沒有這些現有技術缺點的新穎的解決方案。根據本發明，此方法包括-用於在所述接收器中可用的至少兩種技術中選擇表示在發送時實施的空間/時 間編碼的解碼技術的步驟，所述用於選擇的步驟考慮到至少一個選擇準則；-實施所述選定解碼技術的用於解碼所述信號的步驟。因此，本發明依賴於新穎且具發明性的方法以解碼在多天線系統中所接收的信 號，從而能夠在接收器處可用的若干技術中選擇解碼技術。所選擇的解碼技術表示在發送模式中實施的空間/時間編碼。換句話說，其為空 間/時間解碼技術。因此，可能在考慮到例如發射信道的質量或多天線系統的規範的情況下使解碼技 術適應於情形。具體來說，所述選擇和解碼步驟是適應性地、周期性和/或根據所述發射信道的 變化而應用的。因此，所使用的解碼技術可在發射期間、周期性和/或根據所述發射信道的變化 而改變。本發明所提出的自適應方案還提供較不複雜的解碼方案。本發明所提出的自適應 方案還呈現另一優點。實際上，此方案給出對於不同的信噪比且還對於不同的信道實施例 恆定的平均解碼複雜性。對於複雜性取決於信噪比的其它方案，情況並非如此。具體來說，其設法優化解碼的性能或複雜性或在整個發射時間中在這兩個變量之 間實現折衷。根據本發明的一個特定方面，可用解碼技術包括在最大似然(ML)解碼方面的至 少一種最佳解碼技術和至少一種次佳解碼技術。術語「次佳解碼技術」被理解為特定表示並未給出ML類型技術的性能的解碼技 術。此次佳解碼技術因此較不複雜且要求比最佳技術少的資源。舉例來說，解碼技術屬於包括以下技術的群組-「迫零」(Zero-Forcing，ZF)線性解碼技術；-「最小均方誤差」(MMSE)線性解碼技術；-「迫零-決策反饋均衡」(ZF-DFE)解碼技術；-「最小均方誤差-決策反饋均衡」(MMSE-DFE)解碼技術；-球形解碼技術；-基於施諾爾_歐確那算法的解碼技術；-法諾順序解碼(Fanosequential decoding)技術或此技術的任何修改形式；-順序堆疊解碼器技術或此技術的任何修改形式。還可使用其它解碼技術。因此，在本發明的此方面中，可能選擇考慮到例如發射信道的質量或多天線系統 的規範等至少一個選擇準則的最佳解碼技術或次佳解碼技術。根據第一實例，至少一個選擇準則考慮到發射信道中運轉中斷的概率。
更具體來說，此運轉中斷概率對應於發射信道的瞬間容量小於或等於發射速率的 概率，其中發射速率對應於每個信道使用所發射的位的數目(即，以位表示的頻譜功效)。此選擇信道準則因此考慮到發射信道的條件。舉例來說，此選擇步驟被認為在所述發射信道的瞬間容量在每個信道使用的位方 面低於發射速率時選擇次佳解碼技術，以及在所述發射信道的所述瞬間容量在每個信道使 用的位方面大於或等於所述發射速率時選擇最佳解碼技術。因此，如果發射信道具有高質量，那麼可能選擇在最大似然解碼方面最佳的解碼 技術，其在誤差率方面具有高性能。如果發射信道的質量在發射期間變壞，那麼所述解碼技 術可通過選擇在誤差率方面具有較低性能但在數學運算方面具有降低的複雜性的次佳解 碼技術來適應。接著，當發射信道的質量改進時返回最佳解碼技術是可能的。當然，可在同一個發射期間應用各種最佳解碼技術，例如使用球形解碼、施諾 爾_歐確那算法、順序法諾解碼、順序堆疊解碼或堆疊解碼器的任何修改形式等。類似地，可在相同發射期間應用各種次佳技術，例如ZF線性解碼或MMSE、ZF-DFE 決策反饋解碼或MMSE-DFE決策反饋解碼、或具有不同於0的偏壓b的順序解碼等。具體來說，順序解碼器可在其展示偏壓b等於0時應用最佳解碼技術或在其展示 不同於0的偏壓b時應用次佳解碼技術。換句話說，堆疊解碼器或此解碼器的任何修改形式 具有介於ZF-DFE解碼器的性能特性到最大似然意義上的解碼器的性能特性之間的性能特 性。此類解碼器特別由A. D.穆盧幹(Murugan)、H. El加麥爾(Gamal)、M. 0.達蒙(Damen) 和G.凱耳(Caire)在「樹形搜索解碼的統一框架重新發現順序解碼器(A Unified Framework for Tree Search Decoding !Rediscovering the Sequential Decoder)，，(2005 年5月13日)中描述。因此，通過僅修改此解碼器的參數b (即，不添加實施接收器中的補充硬體資源)， 可能應用最佳解碼技術和次佳解碼技術兩者。在第二實例中，至少一個選擇準則考慮到隨著信噪比而變的至少一個目標誤差率。此選擇準則因此考慮到發射系統的規範。更具體來說，此第二實例需要界定必須遵守不同的信噪比的最大誤差率(目標誤 差率)。可能界定遵守所有信噪比的單個目標誤差率Petogrt，或者各自對應於一信噪比或對 應於一信噪比範圍的不同的目標誤差率Petawt。因此可能預先選擇一個或一個以上解碼技術來用於遵守此目標誤差率或這些目
標誤差率。具體來說，如果若干解碼技術用於實現此或這些目標誤差率，那麼選擇步驟可在 預先選擇的技術中選擇具有最低誤差率的解碼技術。根據另一變型，選擇步驟可在預先選 擇的技術中選擇具有最低複雜性的解碼技術。在第三實例中，選擇步驟考慮到若干選擇準則。舉例來說，其考慮到發射條件和發 射系統的規範兩者。在此實例中，解碼方法實施考慮到隨著信噪比而變的至少一個目標誤差率的第一 選擇準則以便界定至少兩個信噪比範圍，且對於所述範圍中的每一者，所述解碼方法實施 考慮到在所述範圍中的信道的運轉中斷概率的第二選擇準則。
換句話說，針對如上文參考第二實例描述的不同範圍的信噪比界定將遵守的若干 目標誤差率Petoget。舉例來說，針對介於0到15之間的信噪比界定目標誤差率1，針對介於 15到20之間的信噪比界定目標誤差率0. 1，且針對大於20的信噪比界定目標誤差率0.01。接著，針對每一信噪比範圍，應用第二選擇準則，其考慮到如上文參考第一實例所 界定的範圍中的信道的運轉中斷概率。本發明的另一方面涉及一種可從通信網絡下載和/或記錄在計算機可讀載體上 和/或可由處理器執行的計算機軟體產品，其包括用於實施上文描述的解碼方法的程序代 碼指令。在另一實施例中，本發明涉及一種用於解碼由發送器通過發射信道發送且由包括 一個或一個以上接收天線的接收器接收的信號的裝置。此裝置包括-用於在所述接收器中可用的至少兩種技術中選擇表示在發送時實施的空間/時 間編碼的解碼技術的構件，所述用於選擇的構件考慮到至少一個選擇準則；-實施所述選定解碼技術的用於解碼所述信號的構件。此解碼裝置尤其適合於應用上述解碼技術。其可集成到包括一個或一個以上接收 天線的MIMO系統的接收器中。此裝置當然可包括涉及本發明的解碼方法的不同特性。


將從藉助說明性且非詳盡實例給出的特定實施例的以下描述以及從附圖中了解 本發明的實施例的其它特徵和優點，附圖中圖1已參考現有技術進行評論，其呈現MIMO系統的發射方案；圖2說明根據本發明的解碼方法的主要步驟；圖3A至3D、4A和4B說明在應用兩個發送天線和兩個接收天線的MIMO系統中本 發明相對於現有技術解決方案的性能特性；圖5呈現應用本發明的解碼方法的解碼裝置的結構。
具體實施例方式5. 1 一般原理本發明的一般原理依賴於在接收器中從若干可用技術中選擇空間/時間解碼技 術，從而在MIMO發射的情況下對於所考慮的應用特別地實現最佳可能適應。具體來說，本發明可用以在最大似然(ML)解碼方面選擇最佳解碼技術，或選擇次 佳技術，即在考慮到至少一個選擇準則的情況下不允許實現ML性能的技術。可能特別地想到ZF、MMSE, ZF-DFE, MMSE-DFE和其它類型的次佳解碼技術具有低 複雜性但展示普通的性能。相反，例如球形解碼器、基於施諾爾-歐確那算法的解碼器、法諾(Fano)解碼器、 堆疊解碼器等最佳解碼技術實現ML性能，但以極大複雜性為代價，其增加了發射系統的天 線數目。因此，根據本發明，可使解碼技術適應於情形，且可改變在發射期間選擇的解碼技術以便使用最佳適合的技術。圖2說明根據本發明的用於解碼由包括一個或一個以上接收天線的接收器接收 的信號的方法的主要步驟。這些步驟可實施在如圖1中說明的空間/時間解碼模塊17中。更具體來說，在不同接收天線處接收信號Y之後，從接收器中可用的至少兩種技 術中選擇21表示在發射中應用的空間/時間編碼的解碼技術(此解碼技術也稱為空間/ 時間解碼技術)。此選擇步驟21考慮至少一個選擇準則。接著，通過應用在選擇步驟21期間所選擇的解碼技術來解碼22接收的信號Y。接 著將在空間/時間解碼模塊的輸出處均衡的信號饋入到解調模塊中。可注意到，本發明的方法可用許多方式來應用，具體來說以硬體形式或以軟體形 式應用。具體來說，接收器可含有包括可變偏壓的順序解碼器。實際上，此解碼器可用以通 過偏壓的簡單調整來實現最佳或次佳性能。因此，應用根據本發明的解碼方法的接收器不 必比經典接收器在結構上更複雜，因為其可能使用單一解碼器的硬體資源來通過修改偏壓 的值而實現最佳解碼技術和次佳解碼技術。在下文中，描述可被考慮用於選擇解碼技術的各種選擇準則。當然，這些實例並非 限制性的，且可提出其它選擇準則。5. 2第一選擇準則我們考慮例如第一選擇準則，其考慮到發射信道的質量和信道在發射期間的變 化。可首先想到香農(Shannon)在1948年所著的關於信息理論的著作(「通信的數學 理論(Mathematical Theory of Communication)」)可用於推導發射系統的極限。具體來 說，一個主要參數是信道的容量。此值用以確定可在沒有誤差的情況下在信道中發射的信 息的量。舉例來說，對於快速衰落的MIMO信道，對應於(如泰拉塔爾E (Talatar E)的「多 天線高斯信道的容量(Capacity of Multi-Antenna Gaussian channels) 」，國際技術報告， 貝爾實驗室，1995中所定義的)最大交互信息的遍歷容量可如下表述其中-H是信道的轉移矩陣；-nt是發送天線的數目；-nr是接收天線的數目；以及-ρ是每個接收天線的信噪比。對於塊衰落的MIMO信道，如香農所定義的嚴格容量是零。我們因此用以下形式來 定義瞬間容量C(H)
信道的運轉中斷的概率對應於瞬間容量C(H)低於用位表示的發射速率R(其對應 於每個信道使用所發射的位的數目)的概率Pout (R) = Pr {C (H) < R}換句話說-如果C(H)< R 那麼發射信道具有過分差的質量且其不可能正確解碼所發射的 數據；-如果C(H)^ R 那麼發射信道具有良好的質量且能夠正確解碼所發射的數據。根據本發明的第一實施例，此運轉中斷概率被考慮以從接收器處可用的若干解碼 技術中選擇一種解碼技術。更具體來說，如果C(H) < R，即如果這是溢出情形，且將不可能準確解碼所發射的 消息，那麼選定的解碼技術是次佳技術，例如ZF或ZF-DFE。相反，如果C(H) ^ R，即如果我們不在溢出情形下且所發射消息因此可被準確解 碼，那麼選定的解碼技術如在最大似然方面所理解是最佳技術，例如球形解碼——使用施 諾爾-歐確那算法或堆疊解碼器的技術，其中偏壓b等於0。具體來說，發射信道將在通信期間變化是可能的，例如在接收器為移動的情況下。接著可能選擇新的解碼技術，其可更好地適應於發射信道。實際上，可根據本發明 的一個特定方面、周期性地和/或根據發射信道的變化來適應性地實施選擇和解碼步驟。舉例來說，如果發射信道具有高質量，那麼選定的解碼技術是最佳的。其例如是具 有零偏壓(b = 0)的順序解碼技術。接著，如果信道的質量變壞，那麼解碼技術可通過轉為 次佳技術而改變。舉例來說，為了改變解碼技術，修改偏壓(b興0)。如果信道再次變為高 質量信道，那麼可能通過再次修改偏壓的值(b = 0)而返回到最佳解碼技術。圖3A至3D特別說明在使用16-QAM調幅的MIMO系統中本發明相對於現有技術解 決方案的性能特性。更具體來說，圖3A和3B在實施兩個發送天線和兩個接收天線的系統中分別比較 隨著以dB表示的信噪比(SNR)而變的每個字的誤差率與隨著以dB表示的信噪比(SNR)而 變的運算的數目(乘法的數目)的複雜性，且所述系統使用-根據現有技術的ZF-DFE類型次佳解碼技術31A、31B；-根據現有技術的ML類型最佳解碼技術32a、32b；-本發明的應用考慮到運轉中斷概率的選擇準則的解碼技術33a、33b。圖3C和3D在實施四個發送天線和四個接收天線的系統中分別比較隨著以dB表 示的信噪比(SNR)而變的每個字的誤差率與隨著以dB表示的信噪比(SNR)而變的運算(乘 法)的數目的複雜性，且所述系統使用-根據現有技術的ZF-DFE類型次佳解碼技術31。、31d；-根據現有技術的ML類型最佳解碼技術32c、32d；-本發明的應用考慮到運轉中斷概率的選擇準則的解碼技術33c、33d。在這些性能曲線中可注意到，基於運轉中斷概率的第一選擇準則顯著降低了解碼 的複雜性(在乘法數目方面)，同時保留了高性能(在誤差率方面損耗小於2dB)。舉例來說，下表說明在實施兩個發送天線和兩個接收天線且使用16-QAM調製的 多天線系統中針對用於發射的不同信噪比的次佳解碼技術(例如ZF-DFE)和最佳解碼技術(例如ML)的選擇的比率。此表還說明複雜性的增益和在ML解碼方面相對於最佳技術的性能損耗(以dB表 示)°舉例來說，可注意到，對於IOdB的信噪比，複雜性增益接近90%，且相對於最大似 然解碼器的性能的誤差率的損耗小於2dB。
權利要求
一種用於解碼由發送器通過發射信道發送且由包括至少一個接收天線的接收器接收的信號的方法，其特徵在於其包括用於在所述接收器中可用的至少兩種技術中選擇(21)表示在發送時實施的空間/時間編碼的解碼技術的步驟，所述用於選擇的步驟考慮到至少一個選擇準則；實施所述選定解碼技術的用於解碼(22)所述信號的步驟，且特徵在於適應性地、周期性和/或根據所述發射信道的變化而實施所述用於選擇(21)和解碼(22)的步驟。
2.根據權利要求1所述的解碼方法，其特徵在於所述可用解碼技術包括在最大似然 (ML)方面的至少一種最佳解碼技術，和至少一種次佳解碼技術。
3.根據權利要求1和2中任一權利要求所述的解碼方法，其特徵在於所述至少一個選 擇準則考慮到所述發射信道的運轉中斷概率。
4.根據權利要求2和3所述的方法，其特徵在於所述用於選擇的選擇步驟在所述發射 信道的瞬間容量在每個信道使用的位方面低於發射速率時選擇次佳解碼技術，且在所述發 射信道的所述瞬間容量在每個信道使用的位方面大於或等於所述發射速率時選擇最佳解 碼技術。
5.根據權利要求1到4中任一權利要求所述的解碼方法，其特徵在於至少一個選擇準 則考慮到隨著信噪比而變的至少一個目標誤差率。
6.根據權利要求5所述的解碼方法，其特徵在於所述用於選擇的步驟預先選擇遵守目 標誤差率的一種或一種以上解碼技術。
7.根據權利要求6所述的解碼方法，其特徵在於所述用於選擇的步驟在所述預先選擇 的解碼技術中選擇具有最低誤差率的解碼技術。
8.根據權利要求1到7中任一權利要求所述的解碼方法，其特徵在於其應用考慮到隨 著信噪比而變的至少一個目標誤差率的第一選擇準則以便界定至少兩個信噪比範圍，且對 於所述範圍中的每一者，其應用考慮到在所述範圍中的所述發射信道的運轉中斷概率的第 二選擇準則。
9.根據權利要求1到9中任一權利要求所述的解碼方法，其特徵在於所述解碼技術屬 於包括以下技術的群組「迫零」(ZF)線性解碼技術；「最小均方誤差」(MMSE)線性解碼技術；「迫零_決策反饋均衡」(ZF-DFE)解碼技術；「最小均方誤差_決策反饋均衡」(MMSE-DFE)解碼技術；球形解碼技術；基於施諾爾_歐確那算法的解碼技術； 法諾順序解碼技術； 順序堆疊解碼技術； 具有偏壓的順序解碼技術。
10.一種可從通信網絡下載和/或記錄在計算機可讀載體上和/或可由處理器執行的 計算機軟體產品，其特徵在於其包括當其在計算機上執行時用於實施根據權利要求ι到9中至少一項權利要求所述的解碼方法的程序代碼指令。
11. 一種用於解碼由發送器通過發射信道發送且由包括至少一個接收天線的接收器接 收的信號的裝置，其特徵在於其包括用於在所述接收器中可用的至少兩種技術中選擇(21)表示在發送時實施的空間/時 間編碼的解碼技術的構件，所述用於選擇的構件包括用於考慮到至少一個選擇準則的構 件；用於解碼(22)所述信號的構件，其包括用於實施所述選定解碼技術的構件， 且特徵在於其包括用於適應性地、周期性和/或根據所述發射信道的變化而實施所述 用於選擇(21)的構件和用於解碼(22)的構件的構件。
全文摘要
本發明涉及一種用於解碼由包括至少一個接收天線的接收器接收的信號的方法。根據本發明，該方法包括用於在所述接收器中可用的至少兩種技術中選擇(21)表示在發送時實施的空間/時間編碼的解碼技術的步驟，所述用於選擇的步驟考慮到至少一個選擇準則；實施所述選定解碼技術的用於解碼(22)所述信號的步驟。
文檔編號H04L1/06GK101971543SQ200980107288
公開日2011年2月9日 申請日期2009年2月2日 優先權日2008年2月4日
發明者卡耶·雷卡亞-本·奧斯曼, 讓-克勞德·貝爾菲奧裡, 雷恩·維塔尼 申請人:法國電信教育集團/巴黎電信學院