CN1620776B - 自动重复请求发送分集方案的星座重排 - Google Patents

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Abstract

一种无线通信系统中发送数据的自动重复请求(ARQ)发送(重发)方法，其中根据重复请求使用第一发送和第二发送从发射机向接收机发送数据分组。该方法包括步骤：在发射机处使用第一信号星座模式调制数据以获得第一数据码元。使用第一分集支路将所述第一数据码元作为第一发送向接收机发送。此外，在发射机处使用第二信号星座模式调制数据以获得第二数据码元。然后，通过第二分集支路将所述第二数据码元作为第二发送向接收机发送。最后，所接收的第一和第二数据码元在接收机处进行分集组合。本发明还涉及具体执行本发明的方法的发射机和接收机。

Description

自动重复请求发送分集方案的星座重排
技术领域
本发明一般涉及无线通信系统中的ARQ发送(重发)技术，尤其涉及一种使用发送分集方案的方法、发射机和接收机，其中根据重复请求、使用第一和第二发送来发送数据分组，以及对于不同的发送分集支路不同地执行位到码元的映射。本发明尤其可应用到具有不可靠的和随时间改变信道条件的系统，从而在避免发送错误上改进了性能。
背景技术
现有几种众所周知的发送分集技术，其中按“缺省”在几个(至少两个)分集支路上发送涉及相同数据的一种或几种冗余版本(version)，而没有明确地进一步请求(通过反馈信道)分集支路(如在通过请求重新发送的ARQ方案中所作的)。例如，考虑下列方案作为发送分集。
站点分集：所发送的信号源自不同的站点，例如，在蜂窝环境中的不同基站。
天线分集：所发送的信号源自不同的天线，例如，多天线基站的不同的天线。
极化分集：所发送的信号被映射到不同的极化上。
频率分集：所发送的信号例如映射到不同的载波频率上或不同的跳频序列上。
时间分集：所发送的信号例如映射到不同的交织序列上。
多代码分集：在例如CDMA(码分多址访问)系统中，所发送的信号映射到不同的代码上。
现有几种分集组合技术。下列三种技术是最普遍的技术。
选择组合：对于解码，选择具有最高SNR的分集支路，忽略其余分集支路。
相等增益组合：组合多个接收分集支路且忽略接收的SNR中的差。
最大比率组合：考虑接收的每个分集支路的SNR以组合接收分集支路。能够在位级(例如，LLR)或在调制码元级执行该组合。
此外，用于检错/纠错的普通技术是基于与向前纠错(FEC)一起的自动重复请求(ARQ)方案，称做混合ARQ(HARQ)。如果通过循环冗余校验(CRC)在分组内检测到错误，则接收机请求发射机发送附加信息(重发)以提高对错误分组进行正确解码的概率。
在WO-02/067491A1中，公开了一种混合ARQ发送的方法，该方法通过信号星座重排的手段来平均在连续地请求重发上的位可靠性。
如在WO-02/067491A1中所示，当使用高阶调制格式(例如，具有log2(M)＞2的M-QAM和M-PSK)时，其中多于2的位被映射到一个调制码元上，则位具有不同的可靠性取决于所选择的映射。这与输入较均等分布的位可靠性相比，对大多数FEC(例如，Turbo代码)方案来说致使解码器性能降低。
在传统的通信系统中，不考虑位可靠性中调制从属的变化，因此，通常在接收机处组合所述分集支路之后，保留了所述变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进与发送错误相关的性能的ARQ发送(重发)的方法、发射机和接收机。所述目的通过如在独立权利要求中提出的方法、发射机和接收机来实现。
根据本发明的第一方面，提供一种无线通信系统中的自动重复请求发送方法，其中，根据重复请求，使用高阶调制方案来将数据分组从发射机发送到接收机，在所述高阶调制方案中，根据对于第一发送和至少第二发送所选择的调制方案，映射到数据码元上的数据位具有不同的数据位可靠性，该方法包括步骤：在发射机处使用第一调制方案调制数据分组，以获得第一数据码元；在发射机处使用第二调制方案调制所述数据分组，以获得第二数据码元；通过在第一分集支路上将所述第一数据码元发送到接收机以及在第二分集支路上将第二数据码元发送到接收机来执行第一发送；通过在至少一个另外的分集支路上将使用第三调制方案调制之后的所述数据码元发送到接收机来执行第二发送；在接收机处分别使用所述第一至第三调制方案来对所接收的第一至第三数据码元进行解调；以及分集组合所解调的、在第一和第二以及至少一个另外的分集支路上接收的数据。
根据本发明的第二方面，提供一种用于在无线通信系统中自动重复请求发送数据的发射机，其中根据从接收机接收的重复请求，使用高阶调制方案来将数据分组发送给接收机，在所述高阶调制方案中，根据对于第一发送和至少第二发送所选择的调制方案，映射到数据码元上的数据位具有不同的数据位可靠性，该发射机包括：映射单元，用于使用第一调制方案来调制数据分组，以获得第一数据码元，并且使用第二调制方案来调制所述数据分组，以获得第二数据码元；发送单元，用于通过在第一分集支路上将所述第一数据码元发送到接收机以及通过在第二分集支路上将第二数据码元发送到接收机来执行第一发送，所述发送单元通过在至少一个另外的分集支路上发送使用第三调制方案调制之后的所述数据分组来执行所述第二发送。
根据本发明的第三方面，提供一种作为自动重复请求无线通信系统一部分的接收机，用于接收数据分组，所述数据分组是根据来自接收机的重复请求、使用第一发送和至少第二发送从发送机发送的，所述接收机包括：接收单元，用于分别在第一和第二分集支路上接收包括使用第一和第二调制方案调制的数据分组的第一发送，在所述第一调制方案和第二调制方案中，根据所选择的调制方案，映射到数据码元上的数据位具有不同的数据位可靠性；所述接收单元在至少一个另外的分集支路上接收包括使用第三调制方案调制的数据分组的第二发送；去映射单元，用于使用第一至第三调制方案分别对所接收的第一至第三数据码元进行解调；以及组合单元，用于分集组合所解调的数据分组。
本发明基于通过将不同的信号星座映射应用到可获得的可区分的发送分集支路上并通过应用ARQ发送(重发)来提高接收机处性能的概念。该发明可应用到多于2的位被映射到一个调制码元上的调制格式，因为这意味着映射到信号星座上的位的可靠性的变化。该变化取决于使用的映射和实际发送的位的内容。
根据所用的调制格式和实际映射到单个调制码元上的位数，对于所给的任意可获得的分集支路的数量(N＞1)，平均处理的品质是不同的.在本发明意义上的平均理解为减少在数据码元的不同的位中的平均组合位可靠性差的处理.尽管能够仅在使用几个分集支路或路径后实现没有剩余差的理想平均，然而在上下文中平均意味着朝着减少平均组合位可靠性差的方向中的任何处理步骤.假设对于所有可获得的分集支路平均相等的SNR，需要16-QAM的4映射(4个分集支路)，以便所有映射在任何码元上的位的可靠性理想地达到平均.然而，如果例如仅仅2个分支是可获得的，则理想的平均是不可能的.因此，如以下示例所示，随后的所述平均以最大的努力来执行.
附图说明
参考附图，根据下列优选实施例的详细描述，将更容易地理解本发明。
图1是用于16-QAM信号星座的示例；
图2是用于16-QAM信号星座的不同映射的示例；
图3A和3B是两个进一步的16-QAM信号星座的示例；
图4是根据本发明的通信系统的示例性实施例；和
图5是用于存储多个信号星座模式的详情表。
具体实施方式
描述在此的方法实现了考虑发送分集支路的位可靠性的组合平均。下列详细描述示出了具有格雷(Gray)映射的平方16-QAM。然而，在不丧失一般性的情况下，所示的示例可扩展到其他M-QAM和M-PSK(具有log2(M)＞2)格式。此外，示例示出了在支路和所有的HARQ发送上发送相同的位序列的发送分集和HARQ方案(单冗余版本方案)的示例。而且，能够实现在分集支路和HARQ发送上仅发送部分相同位的扩展发送分集和HARQ方案。在共同待审的2001年11月16日提交的EP 01127244中描述了使用多冗余版本方案的系统的示例。假设一个Turbo编码器，与奇偶校验位比较，系统位能够在较高级上被平均。
尽管下列示例给出具有特定混合ARQ(HARQ)情况的详细实施方式，然而应该注意：对于本发明，为了显示性能增进，包括FEC代码不是必要的。然而，通过使用HARQ能够实现最好的性能增进。
下列示例说明了用于两个分集支路和HARQ的方法。
第1发送：
假设用两个生成的分集支路和相同冗余版本的发送的发送分集方案，通常在应用FEC解码器之前在接收机处组合接收的分集支路，所述分集支路在接收机处是可区分的(例如，通过在CDMA系统中不同的扩码或扰码)。一般的组合技术是最大比率组合，其能够通过相加从每个接收的分集支路计算的对数似然性比率LLR而获得。
以下定义了作为从接收的调制码元r＝x+jy解调的位b的可靠性的软量度的对数似然性比率LLR：
LLR ( b ) = ln [ Pr { b = 1 | r } Pr { b = 0 | r } ] - - - ( 1 )
如图1所示(条线表示相应的位为1的行和列)，在信号星座上的同相分量位和正交分量位的映射是正交的(对于M-PSK，LLR的计算不能够通过分成复合分量而简化，然而位可靠性平均的一般步骤是类似的)。所以，针对同相分量位i1和i2是足够的。然后同样的结论适用于q1和q2。
假设图1的映射1应用于第1分集支路的位到码元的映射，最高有效位(MSB)i1和最低有效位(LSB)i2的对数似然性比率LLR形成下列对于高斯(Gaussian)信道的等式：
LLR ( i 1 ) = ln [ e - K ( x + x 0 ) 2 + e - K ( x + x 1 ) 2 e - K ( x - x 0 ) 2 + e - K ( x - x 1 ) 2 ] - - - ( 2 )
LLR ( i 2 ) = ln [ e - K ( x - x 1 ) 2 + e - K ( x + x 1 ) 2 e - K ( x - x 0 ) 2 + e - K ( x - x 0 ) 2 ] - - - ( 3 )
其中x表示标准化(normalized)接收的调制码元r的同相分量，K是正比于信噪比的系数比例。在假设均衡(uniform)信号星座(x1＝3x0)的条件下，如在S.Le Goff，A.Glavieux，C.Berrou的“Turbo-Codes and High SpectralEfficiency Modulation”，IEEE SUPERCOMM/ICC’94，Vol.2，pp.645-649，1994和Ch.Wengerter，A.Golitschek Edler von Elbwart，E.Seidel，G.Velev，M.P.Schmitt的“Advanced Hybrid ARQ Technique Employing a Signal ConstellationRearrangement”，IEEE Proceedings of VTC 2002 Fall，Vancouver，Canada，September 2002中所示，等式(2)和(3)能够相当好的近似为下列等式：
LLR(i1)≈-4Kx0x            (4)
LLR(i2)≈-4Kx0(2x0-|x|)    (5)
对于给定的发送调制码元，i1和i2的平均LLR产生表1中给出的值(用Λ代替4Kx0 2)。在这个意义上的平均涉及给定发送星座点的平均接收值精确地匹配该发送星座点。当然根据参数K，各个抽样要经历噪声。然而，对于高斯信道，噪声处理的平均值为0。在发送调制码元0q11q2和1q11q2的情况下，其中q1和q2是任意的，平均LLR(i1)的大小高于平均LLR(i2)的大小。这意味着对于MSBi1的LLR取决于LSBi2的内容，例如，在图1中，在i2的逻辑值等于1(最左和最右的列)的情况下，i1有较高的平均可靠性。因此，假设发送的调制码元均衡分布，平均起来MSBi1的50％有大约三倍于i2的LLR的大小。
表1.对于图1中的映射1，根据等式(4)和(5)在信号星座的同相分量上映射的位的平均LLR。
现在，如果增加发送例如相同位序列的第2发送分集支路，则现有技术方案将使用与第1分集支路相同的映射，此时，建议使用根据图2的第2信号星座映射(映射2)，其生成表2中所给的平均LLR。
    码元(i<sub>1</sub>q<sub>1</sub>i<sub>2</sub>q<sub>2</sub>)     x平均值     平均LLR(i<sub>1</sub>)     平均LLR(i<sub>2</sub>)
    0q<sub>1</sub>0q<sub>2</sub>     X<sub>0</sub>     -Λ     -3Λ
    0q<sub>1</sub>1q<sub>2</sub>     X<sub>1</sub>     -Λ     3Λ
    1q<sub>1</sub>0q<sub>2</sub>     -X<sub>0</sub>     Λ     -Λ
    1q<sub>1</sub>1q<sub>2</sub>     -X<sub>1</sub>     Λ     Λ
表2.对于图2中的映射2，在信号星座的同相分量上映射的位的平均LLR。
现在，将应用星座重排(映射1+2)和应用相同映射(映射1+1，现有技术)的接收的分集支路的软组合LLR进行比较，能够从表3中观察到用应用星座重排的组合平均LLR具有更均衡的分布(大小：4×4Λ和4×2Λ，而不是2×6Λ和6×2Λ)。对于大部分FEC解码器(例如，Turbo代码和卷积代码)，这将使解码性能更好。研究已经表明：尤其是Turbo编码/解码系统展示出极好的性能。应该注意到，所选择的映射并非是全部的映射，能够得到更多完成相同要求的映射组合。
表3.当使用映射1和2时以及当使用2次映射1时，对于分集支路，映射在信号星座的同相分量上的位的平均LLR(每个支路)和组合平均LLR.
第2和进一步的发送：
在还没有成功地对第1发送解码的情况下，接收机请求重发(第2发送)。假设第2发送也有2个发送分集支路可获得，2个附加的映射(图3中的映射3和映射4)用来进一步改进平均位可靠性，如表4中所示。在该示例中(假设对于所有接收的信号有相等的SNR)，在接收2个分集支路的2次发送之后，理想地执行所述平均(能够使用4个不同的映射-对于16-QAM是足够的)。表4将具有和没有应用建议的星座重排的LLR进行比较。注意看组合的LLR，能够发现对于星座重排的应用，所有位可靠性的大小都是6Λ。
应该再一次注意到，所选择的映射并非是全部的，能够得到更多完成相同要求的映射组合。
Figure G028280814D00081
表4.当使用映射1至4时和当使用4次映射1时，对于分集支路和发送(重发)，映射在信号星座的同相分量上的位的平均LLR(每个支路)和组合平均LLR。
如果通过使用不同的映射方案执行星座重排，在使用许多(如给定在图1、图2和图3中的)不同的映射中重排结束。如果对所有发送分集支路应保持相同的映射器(例如，图1)，则例如，能够通过下列操作从映射1获得映射2。
●交换最初的位i1和i2的位置
●交换最初的位q1和q2的位置
●最初的位i1和q1的逻辑位取反(inversion)
换而言之，也能够对那些在位置1和2结束的位取反(形成具有相同的位可靠性特征的不同的映射)。
所以，下列表提供怎样获得映射1至4的示例(或者对于i1、i2、q1和q2具有相等位可靠性的映射)，其中所述位总是涉及第一发送，以及在字符上方的长线表示该位的逻辑位取反。
  映射号   交织器和反相器功能
  1   i<sub>1</sub>q<sub>1</sub>i<sub>2</sub>q<sub>2</sub>
  2   i<sub>2</sub>q<sub>2</sub>i<sub>1</sub>q<sub>1</sub>或i<sub>2</sub>q<sub>2</sub>i<sub>1</sub>q<sub>1</sub>
  3   i<sub>2</sub>q<sub>2</sub>i<sub>1</sub>q<sub>1</sub>或i<sub>2</sub>q<sub>2</sub>i<sub>1</sub>q<sub>1</sub>
  4   i<sub>1</sub>q<sub>1</sub>i<sub>2</sub>q<sub>2</sub>或i<sub>1</sub>q<sub>1</sub>i<sub>2</sub>q<sub>2</sub>
表5.通过对映射在调制码元上的位进行交织(码元内交织)和逻辑取反的星座重排的另一实现。
通常对于N＞1的分集支路应该使用至少2个不同的映射，其中映射的顺序和选择是不相关的，只要维持位可靠性平均处理(即减少位可靠性中的差)。
根据使用的映射的数量的优选实现：
M-QAM
●使用log2(M)个不同的映射
●使用log2(M)/2个不同的映射
M-PSK
●使用log2(M)个不同的映射
●使用log2(M)/2个不同的映射
●使用2log2(M)个不同的映射
对于在发射机处的调制以及在接收机处的解调，所应用的信号星座映射需要对每个发送分集支路进行匹配。这能够通过将表示应用在分集支路和HARQ发送的合适映射和映射组合的参数的合适信令来实现。换而言之，应用于发送分集支路和HARQ发送的映射的定义可以是系统预定义的。
图4示出了根据本发明的通信系统的示例性实施例。尤其，所述通信系统包括通过由多个分集支路40A、40B和40C组成的通信信道进行通信的发射机10和接收机20。尽管在图中图解说明了三个分集支路，但是可以选择任意数量的支路，这对本领域的技术人员是清楚的。数据分组从数据源11提供给FEC编码器12，最好是FEC Turbo解码器，其中附加冗余位来纠错。从FEC解码器输出的位随后提供给充当调制器的映射单元13，以便输出根据作为星座模式存储在表15中的应用调制方案后形成的码元。随后，所述数据码元应用到发送单元30以在支路40A-C上发送。接收机20通过接收单元35接收数据分组。然后将位输入到充当解调器的去映射单元21，该解调器使用在这些位的调制期间所使用的、存储在表15中的相同信号星座模式。
将在一个分集支路上接收的所解调的数据分组存储在临时缓冲器22中，以便随后在组合单元23中与在至少一个其他分集支路上接收的数据分组进行组合。
通过由错误检测器(未示出)发出的自动重复请求来启动重发，结果是从发射机10发送相同的数据分组。在组合单元23中，将先前接收的错误数据分组与重发的数据分组进行软组合。然后解码器对位进行解码并输出发送品质的测度，例如，位错率(bit-error-rate)BER。
如在图5中所说明的，表15存储多个信号星座模式#0...#n，对于根据预定方案在各个分集支路和HARQ发送上的各个发送，选择所述多个信号星座模式#0...#n。所述方案，即，用于调制/解调的信号星座模式的序列或是预先存储在发射机和接收机中或是在使用前通过发射机向接收机进行信号发送而得到的。

Claims (22)

1.一种无线通信系统中的自动重复请求发送方法，其中，根据重复请求，使用高阶调制方案来将数据分组从发射机发送到接收机，在所述高阶调制方案中，根据对于第一发送和至少第二发送所选择的调制方案，映射到数据码元上的数据位具有不同的数据位可靠性，该方法包括步骤：
在发射机处使用第一调制方案调制数据分组，以获得第一数据码元；
在发射机处使用第二调制方案调制所述数据分组，以获得第二数据码元；
通过在第一分集支路上将所述第一数据码元发送到接收机以及在第二分集支路上将第二数据码元发送到接收机来执行第一发送；
通过在至少一个另外的分集支路上将使用第三调制方案调制之后的所述数据码元发送到接收机来执行第二发送；
在接收机处分别使用所述第一至第三调制方案来对所接收的第一至第三数据码元进行解调；
分集组合所解调的、在第一和第二以及至少一个另外的分集支路上接收的数据。
2.如权利要求1所述的方法，其中，将要发送的数据分组包括至少一个包含多个数据位的数据分组，在调制之前，使用向前纠错方案对所述多个数据位进行编码。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所使用的编码方案是Turbo编码方案。
4.如权利要求1所述的方法，其中，第一至第三调制方案是log2(M)＞2的M-PSK，或者第一至第三调制方案是log2(M)＞2的M-QAM。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一至第三调制方案是16QAM，并且，多个log2(M)调制方案被使用。
6.如权利要求1所述的方法，其中，选择用于第一、第二和至少一个另外的分集支路的调制方案，以便在组合数据分组的位之后，减小组合后的位数据可靠性的幅度差异。
7.如权利要求1所述的方法，其中，使用具有相同数据位序列的单冗余版本方案来发送用于发送的数据。
8.如权利要求1所述的方法，其中，使用部分相同的位的多冗余版本方案来发送用于发送的数据。
9.如权利要求1所述的方法，其中，将第一至第三调制方案预先存储在存储器表中。
10.如权利要求1所述的方法，其中，将第一至第三调制方案发信号通知给接收机。
11.如权利要求1所述的方法，其中，通过对映射到数据码元上的位的位置进行交织和/或对映射到数据码元上的位的位值取反，来获得第一至第三调制方案。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述交织用导致码元内交织的数据码元来执行。
13.如权利要求1所述的方法，其中，数据用多种冗余版本发送，并且所发送的位包括系统位和奇偶校验位，其中在每种冗余版本中包括所述系统位。
14.如权利要求13所述的方法，其中，对于系统位的组合的平均数据位可靠性高于奇偶校验位的组合的平均数据位可靠性。
15.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二发送还包括使用第四调制方案以及在第二个另外的分集支路上发送使用第四调制方案调制的数据码元。
16.一种用于在无线通信系统中自动重复请求发送数据的发射机(10)，其中根据从接收机接收的重复请求，使用高阶调制方案来将数据分组发送给接收机(20)，在所述高阶调制方案中，根据对于第一发送和至少第二发送所选择的调制方案，映射到数据码元上的数据位具有不同的数据位可靠性，该发射机包括：
映射单元(13)，用于使用第一调制方案来调制数据分组，以获得第一数据码元，并且使用第二调制方案来调制所述数据分组，以获得第二数据码元，
发送单元(30)，用于通过在第一分集支路上将所述第一数据码元发送到接收机以及通过在第二分集支路上将第二数据码元发送到接收机来执行第一发送，所述发送单元(30)通过在至少一个另外的分集支路上发送使用第三调制方案调制之后的所述数据分组来执行所述第二发送。
17.如权利要求16所述的发射机，还包括表装置(15)，用于预先存储第一至第三调制方案。
18.如权利要求16所述的发射机，还包括用于对映射到数据码元上的位的位置进行交织的交织器和/或用于将映射到数据码元上的位的位值取反的反相器，以便获得第一至第三调制方案。
19.如权利要求16至18中的任一个所述的发射机，还包括向前纠错编码器(12)，用于在调制之前对数据进行编码。
20.一种作为自动重复请求无线通信系统一部分的接收机，用于接收数据分组，所述数据分组是根据来自接收机的重复请求、使用第一发送和至少第二发送从发送机发送的，所述接收机包括：
接收单元(35)，用于分别在第一和第二分集支路上接收包括使用第一和第二调制方案调制的数据分组的第一发送，在所述第一调制方案和第二调制方案中，根据所选择的调制方案，映射到数据码元上的数据位具有不同的数据位可靠性；
所述接收单元(35)在至少一个另外的分集支路上接收包括使用第三调制方案调制的数据分组的第二发送；
去映射单元(21)，用于使用第一至第三调制方案分别对所接收的第一至第三数据分组进行解调；
组合单元(23)，用于分集组合所解调的数据分组。
21.如权利要求20所述的接收机，还包括存储器装置(22)，用于在组合所接收的数据分组之前存储所接收的数据分组。
22.如权利要求20或21所述的接收机，还包括向前纠错解码器(24)，用于在分集组合后，对第一至第三数据分组的组合进行解码。
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