采用用户集群的协作多路接入和空时频编码技术用于较高可靠性接收

摘要

多个无线用户设备协作地动作，以通过MIMO信道与远程目的节点相通信。在至少一个实施例中，形成用户设备协作集群，该协作集群使用垂直编码技术来实现增强的通信性能。

说明书

技术领域

概括地说，本发明涉及无线通信，具体地说，本发明涉及用于在无线 通信系统中提供多路接入的技术。

背景技术

无线通信系统正经历着爆炸性的普遍增长，并且对无线服务的需求也 正在增长。因此，可以想象的到，将来无线系统的数据速率必须要显著增 长。已经在无线系统中成功使用的一种性能提高技术是多输入多输出或 MIMO。在MIMO系统中，在无线通信链路的每一侧使用多个天线。这样， 发射设备使用多个发射天线向接收设备发送数据，接收设备使用多个接收 天线来接收所发送的数据。通过分别提供空间复用增益、分集增益和阵列 增益，使用MIMO技术能够改善系统中的频谱效率、链路可靠性和功率效 率。然而，如上所述，MIMO通常需要系统中的每一个设备都具有多个天 线。在一些系统中，在每一个通信设备内提供多个天线是不切实际的。因 此，需要一种技术，该技术允许在系统中使用单天线设备来实现MIOM的 优点。

附图说明

图1是示出传统的多用户无线网络安排的框图；

图2是示出根据本发明实施例的示例性协作多路接入安排的框图；

图3是示出采用水平编码的示例性MIOM发射器安排的框图；

图4是示出采用垂直编码的示例性MIOM发射器安排的框图；

图5是示出根据本发明实施例的示例性协作多路接入无线网络安排的 框图；

图6是示出根据本发明实施例的示例性发射器系统的框图；

图7是示出根据本发明实施例的示例性分割程序的框图，其中该分割 程序在无线用户设备中应用于编码比特流；

图8是示出根据本发明实施例的示例性接收器系统的框图，其中该接 收器系统能够接收来自于协作集群的传输；

图9是示出根据本发明实施例的示例性方法的流程图，其中该方法用 于在协作多路接入模式下运行无线用户设备。

具体实施方式

下面结合附图进行详细描述，并且附图示出了本发明可以付诸实施的 特定实施例。对这些实施例进行了足够详细地描述，使得本领域普通技术 人员能够实现本发明。应当理解的是，本发明的各种实施例尽管不同，但 是并不互相排斥。例如，在不脱离本发明的精神和保护范围的前提下，本 文描述与一个实施例有关的特定特征、结构或者特点也可以在其它实施例 中实现。另外，应当理解的是，在不脱离本发明的精神和保护范围的前提 下，可以修改每一个公开实施例内单个元件的位置或安排。因此，下文的 详细描述不能看作是限制性的，而本发明的保护范围仅由权利要求书及其 等同物来界定。在附图中，相同的附图标号表示贯穿几个视图的相同或相 似的功能。

本发明涉及用于在网络内的多个无线设备之间提供协作操作的技术， 以增加天线的数量，其中该天线用于将数据发送到远程无线实体。利用这 种方式，多个单天线设备可以相互协作，表现为单个多天线设备，从而实 现MIMO操作的诸多益处。本发明的技术可以通过单天线设备和多天线设 备二者来实现。另外，本发明的技术可以用于无线局域网(LAN)、无线广 域网(WAN)、无线城域网(MAN)、本地多点分配服务(LMDS)系统、 多信道多点分配服务(MMDS)系统、无线蜂窝电话网络、陆地无线通信 网络、人造卫星通信网络和/或其它类型的无线系统和网络内。

图1是示出传统的多用户无线网络安排10的框图。如图所示，利用多 路接入关系，第一无线用户设备12和第二无线用户设备14各自与接入点 (或基站)16相通信。AP 16在服务于用户时具有有限的可用通信资源，并且 必须在多个当前用户之间分配这些资源。在多路接入系统中，可以采用多 种不同的方式分配这些资源。用于分配资源的一些技术包括：时分多址 (TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)、正交频分多址 (OFDMA)、空分多址(SDMA)和载波侦听多路存取/冲突检测 (CSMA-CA)，其中在TDMA中将一个或多个时隙分配给每一个激活用户， 在FDMA中将一个或多个频道分配给每一个用户，在CDMA中将一个或多 个扩频码分配给每一个用户，在OFDMA中将子载波的子组分配给每一个 用户，在SDMA中只要空间分开的天线波束用于两个用户，则将共用资源 同时分配给两个不同的用户，在CSMA-CA中用户首先检查介质当前是否 繁忙，如果不繁忙则进行发送，如果发生冲突则进行重发。也可使用上述 技术的组合。所有这些技术都要求不同的用户为可用资源而“竞争”。

本发明涉及一种技术，本文将该技术称为协作多路接入。协作多路接 入使得多个用户形成协作集群，该协作集群作为单个实体与远程目的设备 (例如基站、接入点等)相通信。通过相互协作，集群中的设备不再为通 信资源互相竞争。相反地，为协作设备指定他们可以协作使用的单资源分 配，就好像他们是单个设备似的。即使协作设备是单天线设备，协作安排 也允许设备实现基于MIMO的无线操作的诸多益处(例如空间复用增益、 分集增益、阵列增益等)。集群内的协作设备可以包括所有的单天线设备、 所有的多天线设备或者单天线设备与多天线设备的组合。

图2是示出根据本发明实施例的示例性协作多路接入安排20的框图。 如图所示，第一无线用户设备22和第二无线用户设备24已经相互关联为 协作集群26，以便与远程无线接入点16相通信。如下文的详细描述，协作 设备22和24可以经由群内无线链路28相互通信。集群26可以作为单个 MIMO式单元经由MIMO信道将数据发送到AP 16。这种技术可以称为 MIMO-单用户(MIMO-SU)。集群26可以使用通过AP 16分配(资源分配 技术，例如可以使用OFDMA、OFDM-TDMA和/或其它技术)的共同时/ 频资源。在接收之后，AP 16可以对来自集群26的数据进行解调和解码， 并且分离出与每一个协作设备22和24相关联的数据。在至少一个实施例 中，AP 16内的接收器采用传统的MIMO接收器设计。AP 16能够在支持协 作集群26的同时支持其它非协作无线设备和/或其它集群。如下文较详细的 描述，在本发明的至少一个实施例中，提供一种协作多路接入方案，该协 作多路接入方案在无线网络安排内使用垂直编码技术来执行空时频编码。

在基于MIMO的系统中，通常以两种方式之一执行信道编码：如水平 编码或垂直编码。这两种技术使用的空间维数不同。例如，水平编码首先 将输入比特流解复用成多路子流，然后在将比特映射至符号并进行发送之 前，对个别子流执行时频编码和交织。另一方面，垂直编码首先对输入比 特流进行时频编码和交织，然后将该流解复用成多个子流。将所述子流映 射至符号，然后通过相应的天线进行发送。因此，垂直编码通过空时频维 为数据提供更多的编码保护，而采用水平编码只能通过时频编码保护数据。 另一方面，因为每一个数据流都是分别解码的，所以水平编码使得接收器 内执行的接收处理简化。垂直编码通常需要很复杂的接收处理，因为它通 常需要联合解码。然而，因为每一个数据比特都能够扩展横跨所有的发射 天线，所以垂直编码能够改善分集增益。在两种方案的接收中，相对简单 的线性接收器可以用在RF前端，以分离空间耦合的接收信号，例如最小均 方误差(MMSE)接收器或迫零接收器。

图3是示出采用水平编码的示例性MIOM发射器安排40的框图。如图 所示，发射器安排40包括：解复用器42、第一时频编码器/交织器44与第 二时频编码器/交织器46、第一符号映射器48与第二符号映射器50以及第 一射频(RF)发射器52与第二射频(RF)发射器54。第一RF发射器52 与第二RF发射器54可各自具有与其相耦合的一个或多个发射天线56和 58，以便有助于发送信号到无线介质上。解复用器42接收输入比特流并且 将其解复用成两个分别的子流。将每一个子流传送到相应的时频编码器/交 织器44和46中，以便进行时频编码和交织。然后，基于预定的调制方案 (例如BPSK、QPSK、16QAM等)，将通过第一时频编码器/交织器44与 第二时频编码器/交织器46输出的编码流中的比特分别映射至第一符号映 射器48与第二符号映射器50内的符号。然后，可通过第一RF发射器52 与第二RF发射器54发射符号。

图4是示出采用垂直编码的示例性MIOM发射器安排60的框图。如图 所示，发射器安排60包括：时频编码器/交织器62、解复用器64、第一符 号映射器66与第二符号映射器68以及第一RF发射器70与第二RF发射 器72。如前所述，第一RF发射器70与第二RF发射器72可各自具有与其 相耦合的一个或多个发射天线74和76，以便有助于发送信号到无线介质上。 在解复用之前，时频编码器/交织器62对输入比特流进行时频编码和交织。 然后，解复用器64将该比特流解复用成两个子流。然后，将每一个子流映 射至对应的符号映射器66和68中的符号，并且通过RF发射器70和72发 射所述符号。如下文较详细的描述，在本发明的至少一个实施例中，在协 作集群内提供用于实现垂直编码的技术作为协作多路接入方案的部分。

在上面讨论的实例中，示出了包括两个天线的MIMO式设备。应当理 解的是，设备(或集群)可以包括大于一个的任意数量的天线，以支持MIMO 运行。另外，可将任意数量的设备集合到协作集群内。然而，可能会出现 这样一种状况：将更多用户设备添加到集群中而没有得到额外的性能增益。 集群内的设备各自可以具有一个或多个天线。

图5是示出根据本发明实施例的示例性协作多路接入无线网络安排80 的框图。如图所示，安排80包括多个无线用户设备82、84、86和88，所 述多个无线用户设备共同充当协作集群90。集群90通过MIMO信道与远 程无线目的节点100相通信。目的节点100可以包括，例如无线接入点(AP)、 基站(BS)或同时与多个外部无线设备相通信的任意其它类型的无线设备 或系统。目的节点100包括多个天线102和104。可使用任意数量的天线。 除了集群90之外，目的节点100也可以同时与其它设备和/或集群相通信。 并入集群内的任意类型的无线用户设备包括：例如具有无线能力的计算机、 具有无线能力的个人数字助理(PDA)、蜂窝电话以及其它手持式无线通信 设备和/或其它设备。另外，在至少一个实施例中，单个协作集群可以包括 不同类型的无线用户设备。例如，集群可包括蜂窝电话和PDA，所述蜂窝 电话和PDA相协作以发送数据到远程基站。集群90内的每一个无线用户 设备82、84、86和88包括至少一个相应的天线92、94、96和98。使用的 任意类型的天线包括，例如偶极天线、贴片天线、螺旋天线和/或其它天线。

在集群90能够与目的节点100通信之前，必须先形成集群。如前所述， 协作集群内的设备将使用群内无线链路相互通信。这些群内链路应为高品 质链路(例如高信噪比(SNR)等)，具有相对高的数据速率。当协作的用 户之间存在高品质链路时，用户能够在功率和带宽方面以很小的成本来交 换数据包。因此，在至少一个实施例中，只允许能够相互支持高品质链路 的无线用户设备形成集群。例如，如果与用户设备相关的信道品质参数满 足预定条件(例如介于该设备与集群内其它设备之间的信道的信道系数大 于门限值)，那么只允许将该用户设备加入特定的集群。在一种可行的方法 中，可以将一个用户设备指定为集群的主机，以控制群组的形成。例如， 该设备可以是用于显示形成集群期望的第一个设备。如果其它设备取得资 格，则主机设备就允许他们加入集群。对集群内每一个其它设备的每一个 候选设备的信道品质进行测量。在一些实施例中，存在允许加入集群的设 备最大数量。作为另一种选择，可以使用建立集群的其它技术。

通常，集群内的设备相互之间设置地比集群内的设备与目的节点之间 近得多(例如D_c<<D_n，其中D_c是集群内设备的最大距离，而D_n是集群内 的设备与目的节点之间的最小距离)。当集群内的无线链路为高品质链路 时，介于集群与远程无线目的节点100之间的信道可能受到如下影响：例 如路径损耗、遮蔽衰落以及多径衰落。假定对于网络安排内的所有设备都 存在准静态信道条件。也就是说，所有链路的信道相干时间远大于帧持续 时间，并且信道相干带宽在量级上与发射信号带宽是相当的。

图6是示出根据本发明实施例的示例性发射器系统110的框图。例如， 发射器系统110可以用于无线用户设备，其中该无线用户设备加入协作多 路接入系统的协作集群(例如图5中的设备86等)。与集群内的其它设备 相协作，发射器系统110能够支持在无线网络的协作集群内的垂直编码。 如图所示，发射器系统110包括：比特流合并器112、时频编码器和交织器 114、分流器116、符号映射器118以及RF发射器120。RF发射器120可 以耦合到一个或多个天线122，以便有助于发射信号到无线信道上。

在本发明的至少一个实施例中，在通过协作集群将数据发送到目的节 点之前，集群内的设备会交换他们希望发送到目的节点的数据消息。在该 数据交换之后，集群内的每一个设备都具有集群内其它设备的消息。位于 特定设备内的比特流合并器112将协作集群内其它设备的比特流与该特定 设备本身的比特流进行合并，以形成合并的比特流。协作集群内的每一个 其它设备也以相同的方式一起合并比特流。可以建立优先级方案，使得每 一个设备知道合并比特流的顺序。接着，通过时频编码器和交织器114处 理所合并的比特流，时频编码器和交织器114将时频编码和交织应用于该 流，以生成经编码的比特流。虽然以单个实体示出，但是应当理解的是， 在至少一个实施例中，可分开执行时频编码和交织。在这一阶段，协作集 群内的每一个设备都应用同样的时频码。

分流器116获取经编码的比特流，并将它分成多个部分。多个部分中 的一个部分通过发射器系统110进行发送，而其它部分被丢弃。类似地， 协作集群内的每一个其它用户设备中的分流器也可以采用相同的方式分割 相应的经编码的比特流。然而，其它用户设备可各自发射经分割的流的不 同部分并丢弃剩余的部分。图7是示出根据本发明实施例在具有两个协作 设备的协作集群中操作无线用户设备的分流器116的框图。如上所述，无 线用户设备首先生成经编码的比特流124。然后，将经编码的比特流124分 成两部分126和128。无线用户设备发射第一部分126，而丢弃第二部分128。 集群中的另一个无线用户设备也生成相同的经编码的比特流124，并且执行 分割。然而，另一个设备发射第二部分128而丢弃第一部分126。这两个无 线用户设备可同时发射其各自的部分。对具有大于两个无线用户设备的集 群可采用类似的方法。在至少一个实施例中，经编码的比特流所分成的部 分数量等于协作集群内的用户设备数量。作为一种选择，可使用其它分割 经编码的比特流的技术。

返回到图6，符号映射器118接收要被发射的编码比特流的部分，并且 根据预定调制方案将比特映射至符号。然后，将符号传送到RF发射器120， 在将符号供给天线122用于发射到无线信道上之前，RF发射器120将这些 符号上变频并放大。

在本发明的至少一个实施例中，上述讨论的比特流合并以及时频编码 和交织是在集群内的单个设备中执行的。然后，将得到的经编码的比特流 发射(例如广播等)到集群内的所有设备。然后，如上所述，集群内的个 别设备执行其对应的分割和发射操作。在一种实现方式中，使用额外的编 码来保护群内链路上的编码流，使得每一个设备接收经编码的比特的正确 版本。

图8是示出根据本发明实施例的示例性接收器系统130的框图，该接 收器系统能够接收来自协作集群的传输。接收器系统130是传统的MIMO 接收器，也能够接收来自于单个MIMO式用户设备的垂直编码信号，单个 MIMO式用户设备具有多个发射天线。如图所示，接收器系统130包括： 第一RF接收器132和第二RF接收器134、第一符号解映射器136和第二 符号解映射器138、复用器140以及解交织器和时频解码器142。第一RF 接收器132和第二RF接收器134可以各自耦合到对应的接收天线144和 146，以便有助于接收来自无线介质的信号。当协作集群向接收器系统130 发射信号时，第一RF接收器132和第二RF接收器134接收信号，并且将 信号转换成基带表示。然后，第一符号解映射器136和第二符号解映射器 138将信号解映射至软比特。然后，复用器140将信号解映射器136和138 的输出复用为单个流。然后，在解交织器和时频解码器142内对单个流进 行解交织与时频解码，以生成经解码的比特流。经解码的比特流可以是合 并的比特流，该合并的比特流包括与发起端协作集群内的每一个用户设备 相关联的部分。接收器系统130也可以包括如下功能：用于将合并的比特 流分成与每一个协作用户相关联的个别流。当单个MIMO式设备向接收器 系统130发送数据时，基本上可以执行相同的处理，除了不需要分开合并 流。

图9是示出根据本发明实施例的示例性方法150的流程图，其中该方 法用于在协作多路接入模式下操作用户设备。首先，用户设备建立或加入 协作用户设备集群，该协作用户设备集群需要将数据上行连接到远程目的 节点(方框152)。任意数量的设备(例如两个或多个)可以为集群的组成 部分。在形成该集群之后，用户设备将其需要发送到目的节点的数据消息 传输到集群内的协作设备(方框154)。类似地，用户设备可以接收来自集 群内其它协作设备中的一个或多个(或者全部)协作设备的至少一个数据 消息，其中至少一个数据消息需要传送到目的节点(方框156)。这些协作 节点之间的数据传输可以使用群内无线链路来执行。

接着，在用户设备内合并来自多个协作设备的数据消息，以形成合并 的比特流(方框158)。例如，合并可以采用预定方式连接多种比特流来执 行。可以在每一个其它的协作设备内执行同样的消息合并，以生成相同的 合并的比特流。然后，在用户设备内对合并的比特流进行时频编码和交织， 从而生成经编码的比特流(方框160)。也可以采用相同的时频编码和交织 方案在其它的协作设备内对合并的比特流进行编码。将经编码的比特流在 用户设备内分成多个部分(方框162)。然后，将其中一个部分映射至符号， 并发射到无线信道中(方框164)。协作集群内的其它用户设备也可以将经 编码的比特流分成多个部分，但是它们各自发射不同的部分到无线信道中。 每一个协作设备内的分割操作想要实现与图4的MIMO发射器安排60中的 解复用器64相似的功能(使用垂直编码)，但是利用分配方式实现的。在 至少一个实施例中，来自协作集群内的所有用户设备的结果传输与通过具 有等量天线的单个MIMO式设备的传输基本相同。

在至少一个实施例中，群内无线链路使用的频带与至目的设备的 MIMO信道使用的不同。采用这种方式，群内通信将不会在主要的通信网 络内生成带宽损失。例如，在一种可行的实现方法中，集群内的每一个无 线用户设备可以包括IEEE 802.11a无线装置和蓝牙无线装置二者。当IEEE 802.11a无线装置与远程目的节点相通信时，蓝牙无线装置可以用来支持群 内链路。使用蓝牙无线装置的通信不会在IEEE 802.11a网络内生成带宽损 失。在其它的实施例中，用于主要网络的相同频带可用于群内链路。例如， 在一种可行的实现方法中，每一个协作设备可以仅包括IEEE 802.11a无线 装置。然后，设备可以使用这个无线装置进行群内通信以及与远程目的节 点的通信。应当理解的是，可以使用多种不同的替代方法来支持群内通信。

本发明的技术和结构可以以多种不同的形式来实现。例如，可以在如 下设备内体现本发明的特征：具有无线能力的膝上式计算机、掌上式计算 机、台式计算机和平板式计算机；具有无线能力的个人数字助理(PDA)； 蜂窝电话以及其它手持式无线通信设备；寻呼机；人造卫星通信设备；具 有无线能力的照相机；具有无线通信能力的音频/视频设备；网络接口卡 (NIC)和其它网络接口结构；基站；无线接入点；集成电路；存储于机器 可读介质上的指令和/或数据结构；和/或其它的格式。可以使用的不同类型 的机器可读介质的实例包括：软盘、硬盘、光盘、光盘只读存储器 (CD-ROM)、数字化视频光盘(DVD)、蓝光盘、磁光盘、只读存储器 (ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电 可擦除可编程ROM(EEPROM)、磁卡或光卡、闪存和/或适合存储电子指 令或数据的其他类型的介质。在至少一种形式中，本发明体现为一组在载 波上调制的指令，用于在发射介质上进行发射。通过举例说明，本文使用 的术语“逻辑”可以包括软件或硬件和/或软硬件组合。

应当理解的是，本文的框图中示出的单个方框实质上是功能性的，并 不必对应于离散的硬件元件。例如，在至少一个实施例中，框图中的两个 或多个方框在单个数字处理设备的软件中实现。例如，数字处理设备可以 包括通用微处理器、数字信号处理器(DSP)、精简指令集计算机(RISC)、 复杂指令集计算机(CISC)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路 (ASIC)和/或包括上述组合的其它设备。可以使用硬件、软件、固件及其 混合实施方式。

在前文的详细描述中，为了简单起见，将本发明的多个特征集中到一 个或多个个别实施例中。这种公开方法不应被理解为反映如下动机：本申 请的实施例需要比每项权利要求明确列举的特征多。确切而言，如权利要 求所反映的那样，本发明各方面可以体现在比单个公开实施例的所有特征 少的特征中。

虽然结合一些实施例描述了本发明，但是应当理解的是，本领域普通技术人 员显然明白，在不脱离本发明的精神和保护范围的前提下，可以进行修改 和变化。这种修改和变化认为是在本发明和所附的权利要求的界定和范围 内。