CN101010889A - 针对两个发送天线进行满分集满速率时空块编码的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了在利用两个Tx天线的发送器中进行满分集满速率时空块编码的装置和方法。其中，按预定方法STBC编码和通过两个Tx天线发送输入码元序列。

Description

针对两个发送天线进行满分 集满速率时空块编码的装置和方法

技术领域

本发明一般涉及无线通信系统中的发送器的时空块编码(STBC)装置和方法，尤其涉及在利用两个发送(Tx)天线的移动通信系统中使编码效益(或编码增益)达到极大和达到满分集和满速率的STBC装置和方法。

背景技术

无线通信的基本课题是如何有效和可靠地在信道上发送数据。随着人们越来越需要既能够处理和发送传统语音服务又能够处理和发送视频和无线数据的高速通信系统，现在正在积极研究之中的新一代多媒体移动通信系统利用适当信道编码方案提高系统效率。

一般说来，在移动通信系统的无线信道环境下，与有线信道环境不同，由于像多路干扰、遮蔽、波衰减、时变噪声、和衰落那样的几种因素，传送信号不可避免地遭受损失。

信息损失使实际发送信号严重失真，从而使整个系统性能变差。为了减少信息损失，根据信道的特性采用了许多错误控制技术，以便提高系统可靠性。基本的错误控制技术是使用纠错码。

在无线通信系统中多路衰落是通过分集技术来减轻的。分集技术分类成时间分集、频率分集、和天线分集。

天线分集技术使用多个天线。这种分集方案进一步分成利用数个Rx天线的接收(Rx)天线分集、利用数个Tx天线的Tx天线分集、和利用数个Tx天线和数个Rx天线的多输入多输出(MIMO)。

MIMO是通过数个Tx天线发送用预定编码方法编码的信号，将时间域中的编码推广到空间域的时空块编码(STBC)的特殊情况，其目的在于实现较低出错率。

V.Tarokh等人建议将STBC作为有效实现天线分集的方法之一(参见：′Space-Time Block Coding from Orthogonal Designs′，IEEE Trans.On Info.，Theory，Vol.45，pp.1456-1467，July 1999)。Tarokh的STBC方案是S.M.Alamout i的Tx天线分集方案(参见：′A Simple Transmit DiversityTechnique for Wireless Communications′，IEEE Journal on Selected Areain Communications，Vol.16，pp.1451-1458，October 1988)对两个或更多个Tx天线的推广。另外，目的在于提高数据速率的空间多路复用(SM)的使用导致与Tx天线的数量成正比的能力。

图1是利用由Tarokh建议的传统STBC方案的移动通信系统中的发送器的方块图。发送器由调制器100、串并行(S/P)转换器102、STBC编码器104、和四个Tx天线106、108、110和112组成。

参照图1，调制器100以预定调制方案调制输入信息数据(或编码数据)。调制方案可以是二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)、正交调幅(QAM)、脉冲调幅(PAM)、和相移键控(PSK)之一。

S/P转换器102将从调制器100接收的串行调制码元s₁、s₂、s₃、s₄并行化。STBC编码器104通过STBC编码四个调制码元s₁、s₂、s₃、s₄创建八个码元组合，和通过四个Tx天线106-112依次发送它们。用于生成八个码元组合的编码矩阵通过方程1表达：

$G_4=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& s_2& s_3& s_4\\ {-s}_2& s_1& {-s}_4& s_3\\ {-s}_3& s_4& s_1& {-s}_2\\ {-s}_4& {-s}_3& s_2& s_1\\ s_1^{*}& s_2^{*}& s_3^{*}& s_4^{*}\\ {-s}_2^{*}& s_1^{*}& -s_4^{*}& s_3^{*}\\ {-s}_3^{*}& s_4^{*}& s_1^{*}& -s_2^{*}\\ {-s}_4^{*}& {-s}_3^{*}& s_2^{*}& s_1^{*}\end{array}\right]......\left(1\right)$

其中，G₄表示通过四个Tx天线106-112发送的码元的编码矩阵，和s₁、s₂、s₃、s₄表示要发送的四个输入码元。编码矩阵的列数等于Tx天线的个数，和行数对应于发送四个码元所需的时间。因此，在八个时间间隔内通过四个Tx天线发送四个码元。

具体地说，在第一时间间隔内，通过第一Tx天线106发送s₁，通过第二Tx天线108发送s₂，通过第三Tx天线110发送s₃，和通过第四Tx天线112发送s₄。同样，在第八个时间间隔内，分别通过第一到第四Tx天线106-112发送：

-s₄ ^*、-s₃ ^*、s₂ ^*、-s₁ ^*

也就是说，STBC编码器104依次将编码矩阵中的第i列的码元提供给第i个Tx天线。

如上所述，STBC编码器104利用四个输入码元和它们的共轭和负数生成八个码元序列，并且，在八个时间间隔内通过四个Tx天线106-112发送它们。由于输出到各自Tx天线的码元序列，即，编码矩阵的列相互正交，所以获得了与分集阶一样高的分集增益。

图2是利用传统STBC方案的移动通信系统中的接收器的方块图。该接收器是例示在图1中的发送器的配对物。

该接收器由数个Rx天线200-202、信道估计器204、信号组合器206、检测器208、并串行(P/S)转换器210、和解调器212组成。第1到第P Rx天线200一202将从例示在图1中的发送器的四个Tx天线接收的信号提供给信道估计器204和信号组合器206。信道估计器204利用从第1到第P Rx天线200-202接收的信号估计代表从Tx天线106-112到Rx天线200-202的信道增益的信道系数。信号组合器206按预定方法将从第1到第P Rx天线200-202接收的信号与信道估计器209估计的信道系数组合在一起。检测器208将组合码元乘以信道系数生成假设码元，利用假设码元为来自发送器的所有可能发送码元计算判决统计，和通过阈值检测来检测实际发送码元。P/S转换器210将从检测器208接收的并行码元串行化。解调器212按预定解调方法解调串行码元序列，从而恢复原始信息位。

如前所述，Alamouti的STBC技术只通过两个Tx天线发送复码元而不会牺牲数据速率地提供了达到与Tx天线的个数一样高的分集阶，即，满分集阶的好处。

如参照图1和图2所述，作为Alamouti STBC方案的一种推广的TarokhSTBC方案利用具有正交列的矩阵形式的时空块码达到满分集阶。但是，由于在八个时间间隔内发送四个复码元，Tarokh STBC方案使数据速率降低了一半。另外，由于花费八个时间间隔完全发送具有四个复码元的一个块，所以接收性能因越过快速衰落信道在该块内的信道变化而变差。换句话说，对于N个码元，通过四个或更多个Tx天线发送复码元需要2N个时间间隔，从而使等待时间更长和使数据速率下降。

图3是用于提高数据速率的传统SM发送器的方块图。参照图3，S/P转换器303垂直地将在调制器301中调制的信号分配给Tx天线305加以发送。使用如此配置的发送器要求(Rx)天线的个数等于或大于Tx天线305的个数。虽然在例示的情况中使用了四个Tx天线，但SM技术可应用于任意数量的Tx天线。尤其，根据S/P转换和接收器配置，可以使用Diagonal Bell LabsLayered Space Time(D-BLAST)和Vertical-BLAST(V-BLAST)处理技术。这些时空处理技术将连续干扰消除(SIC)应用于接收器。它们是次最佳解决方案。

从上面对传统技术的描述中可清楚看出，必须开发出针对两个Tx天线同时达到满分集和满速率的STBC装置和方法。在利用两个Tx天线的移动通信系统中，满分集是[2×Rx天线的个数](2是Tx天线的数个)和满速率是2。使用两个Tx天线提高了数据速率，并且，使该提高加倍，这可用在单输入单输出(SISO)系统中。

于是，存在需要在利用两个Tx天线的移动通信系统中开发出满分集满速率STBC装置和方法。

还存在需要在利用两个Tx天线的移动通信系统中开发出使编码增益达到极大的STBC装置和方法。

发明内容

本发明的一个目的是至少基本上解决上述问题和/或缺陷，和至少提供如下所述的优点。于是，本发明的一个目的是在利用两个Tx天线的移动通信系统中提供满分集满速率时空块码。

本发明的另一个目的是在利用两个Tx天线的移动通信系统中提供满分集满速率STBC装置和方法。

本发明的进一步目的是在利用两个Tx天线的移动通信系统中提供使编码增益达到极大的创建相位值为θ的时空块码的满分集满速率时空STBC装置和方法。

上述目的是通过在利用Tx天线的发送器中提供进行满分集满速率时空块编码的装置和方法达到的。

根据本发明的一个方面，在发送器中，时空块编码器通过如下方程时空编码输入信息码元：

$C=\left[\begin{array}{cc}a\×s_1+j\×b\×s_4& b\×s_2+a\×s_3\\ a\×s_2-b\×s_3& j\×b\×s_1+a\×s_4\end{array}\right]$

其中，C是编码矩阵，s₁、s₂、s₃、s₄是输入信息码元，和a和b是满足关系a²+b²＝1/2的常数。两个天线发送时空编码码元。

根据本发明的另一个方面，在含有两个发送天线的发送器中的发送方法中，利用如下方程时空编码输入信息码元：

$C=\left[\begin{array}{cc}a\×s_1+j\×b\×s_4& b\×s_2+a\×s_3\\ a\×s_2-b\×s_3& j\×b\×s_1+a\×s_4\end{array}\right]$

其中，C是编码矩阵，s₁、s₂、s₃、s₄是输入信息码元，和a和b是满足关系a²+b²＝1/2的常数。通过两个发送天线发送时空编码码元。

附图说明

通过结合附图对本发明的优选实施例进行如下详细描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将更加显而易见，在附图中：

图1是移动通信系统中的传统STBC发送器的方块图；

图2是移动通信系统中的传统STBC接收器的方块图；

图3是移动通信系统中的传统SM发送器的方块图；

图4是例示在设计时空块码时传统最小编码效益(增益)随相角θ变化的图形；

图5是例示根据本发明在设计STBC时平均编码效益(增益)随相角θ变化的图形；

图6是根据本发明的利用满分集满速率STBC方案的移动通信系统中的发送器的方块图；

图7是根据本发明的利用满分集满速率STBC方案的移动通信系统中的发送操作的方块图；和

图8是例示本发明的位错率(BER)性能的图形。

具体实施方式

下文参照附图描述本发明的优选实施例。在如下的描述中，将不对众所周知的功能或结构作详细描述，因为它们会使本发明埋没在不必要的细节之中。

本发明在按预定方法STBC编码和通过两个相应Tx天线发送输入信息码元的通信系统中提供了用于利用两个Tx天线的发送器的STBC装置和方法，从而达到满分集和满速率。

本发明还在按预定方法STBC编码和通过两个相应Tx天线发送输入信息码元的通信系统中提供了用于利用两个Tx天线的发送器的STBC装置和方法，从而使编码增益达到极大。

图4是例示在设计时空块码时传统最小编码增益随相角θ变化的图形。图5是例示根据本发明在STBC时平均编码增益随相角θ变化的图形。在描述图4和图5的图形之前，下面首先参照图6描述根据本发明的STBC装置的配置，图6是利用满分集满速率STBC方案的移动通信系统中的发送器的方块图。

参照图6，在通过两个Tx天线602和604发送之前，STBC编码器600STBC编码从调制器接收的调制信息码元s₁、s₂、s₃、和s₄。用于STBC编码的编码矩阵由方程2给出：

$C=\left[\begin{array}{cc}a\×s_1+j\×b\×s_4& b\×s_2+a\×s_3\\ a{\×s}_2-b\×s_3& j\×b\×s_1+a\×s_4\end{array}\right]......\left(2\right)$

其中，s₁、s₂、s₃、s₄是调制之后的信息码元。信息码元指的是在调制器中调制信息数据创建的码元。利用上述编码矩阵STBC编码，然后通过两个Tx天线发送这些信息码元。

在方程2中，用于设计新时空块码的参数a和b定义在方程3中。

$a=\mathrm{Re}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{j\θ}}\right)$

$b=\mathrm{Im}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{j\θ}}\right)......\left(3\right)$

其中，a是方程3中上面方程的括号中的算符的实数，和b是下面方程的括号中的算符的虚数。应该注意到，a和b满足关系a²+b²＝1/2。θ是用于提高时空块码的编码增益、代表复平面上相角的参数。乘以e^jθ相当于在复平面上旋转θ。

在上面方程2的STBC编码矩阵中，行代表Tx天线，和列代表时间间隔。更具体地说，在第一时间间隔内通过第一Tx天线发送

a×s₁+j×b×s₄

这样，在两个时间间隔内通过两个Tx天线发送矩阵C的所有四个元素。在这种操作期间，由于矩阵元包含s₁、s₂、s₃、s₄，所以发送信息码元s₁、s₂、s₃、s₄。在两个时间间隔内发送四个信息码元导致数据速率为2。

此外，每个码元经历了两个Tx天线生成的所有信道，因此，导致满分集。由于矩阵元素含有实数和虚数，这是可能的。

下面将对如何获得与生成参数a和b有关的参数θ以便使编码增益达到极大加以描述。

1977年，Tarokh在他的论文中为时空格状码提出两种设计规则。将时空格状码的成对出错概率(PEP)定义成方程4：

$p(c\→e)\≤{\left(\underset{n=1}{\overset{r}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_n\right)}^{-M}{\left(\frac{E_s}{4N_0}\right)}^{-\mathrm{rM}}......\left(4\right)$

其中，r是c→e矩阵的秩，M是Rx天线的个数，λ是c-e对角项，E_s是码元能量，和N₀是噪声。方程4右边的右和左项分别描述如下定义的代表编码增益的行列式判据和代表分集增益的秩判据：

1)行列式判据：行列式判据是使编码增益达到极大。对于高编码增益，应该使λ₁...λ_r的乘积达到极大。

2)秩判据：秩判据是使分集增益达到极大。它保证了时空块码给出满秩。

对于当前时空块码，到目前为止，多数情况下都应用Tarokh的行列式判据。根据这个判据，应该使两个不同信号向量c和e之差(c-e)的N×N矩阵A(c，e)的非零本征值的乘积的最小值达到极大。虽然不需要大量计算，但人们发现，在精确检测使编码增益达到极大的值时，Tarokh的行列式判据是无效的。

现在参照图4，图4示出了例示在设计时空块码时传统最小编码增益随相角θ变化的图形。该图形示出了基于Tarokh行列式判据的θ从0°到45°的最小编码效益(增益)。当θ处在45°到90°的范围中时，最小编码增益相对于45°是对称的，当θ是90°或更大时，可以获得相同的最小编码增益。也就是说，范围0°≤θ≤45°内的第一值、等于θ+45°的第二值、和第一值和90n(n是整数)和第二值和90n之和都将导致相同的最小编码增益。从图4中可以看出，对于大约32°的相位最小编码增益达到极大。但是，用设置成大约32°的相角去模拟却表明性能变差了，而不是改善了。

为了解决这个问题和精确地检测相位θ的最佳值，将平均编码增益用在方程5中：

$\arg \underset{\mathrm{\θ}}{\max }\mathrm{mean}(C.A.)......\left(5\right)$

其中，C.A.代表编码效益(即，编码增益)。利用方程5，人们可以利用所有可能编码增益和它们的情况数计算平均编码增益，和求出使平均编码增益达到极大的相角θ的值。已经证明，这个最佳相角θ可以提高编码增益。

图5是例示根据本发明在设计STBC时平均编码增益随相角θ的各种值变化的图形。从图5中可以观察到，在12.2°达到最高平均编码增益。

在实际实现中，可用如下相角。

根据方程5，当0°≤θ≤90°时，可用12°≤θ≤13°或77°≤θ≤78°，和当90°＜θ时，可用12 °+90n≤θ≤13°+90n或77 °+90n≤θ≤78 °+90n。这里，n是整数。

图7是根据本发明的利用满分集满速率STBC方案的移动通信系统中的发送操作的方块图。参照图7，STBC编码器600在步骤700中从调制器接收信息码元S₁、S₂、S₃、S₄，和在步骤720中利用方程2和方程3STBC编码该信息码元。在步骤740中，在两个时间间隔内通过两个天线602和604发送该编码码元。

在发送操作中，使用这样的θ，即，在0°≤θ≤90°的范围内，26°≤θ≤27°或61°≤θ≤62°，和在90°＜θ的范围内，26 °+90n≤θ≤27 °+90n或61 °+90n≤θ≤62 °+90n(n是整数)。

图8是例示本发明的位错率(BER)性能的图形。MIMO QPSK2/3代表传统SM的性能曲线，En_MIMO代表本发明的性能曲线。本发明的性能曲线揭示了对于0.001的编码BER，存在大约1.5dB的增益。

按照如上所述的本发明，STBC编码器利用方程3STBC编码输入信息码元和通过两个Tx天线发送编码码元，从而能够满分集和满速率地进行移动通信。

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式和细节上对其作各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.一种发送器，包含：

时空块编码器，用于通过如下方程时空编码输入信息码元：

$C=\left[\begin{array}{cc}a\×s_1+j\×b\×s_4& b\×s_2+a\×s_3\\ a\×s_2-b\×s_3& j\×b\×s_1+a\×s_4\end{array}\right]$

其中，C是编码矩阵，s₁、s₂、s₃、s₄是输入信息码元，和a和b是满足关系a²+b²＝1/2的常数，和用于输出时空编码码元；以及

两个天线，用于发送时空编码码元。

2.根据权利要求1所述的发送器，其中，参数a和b由如下方程定义：

$a=\mathrm{Re}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{j\θ}}\right)$

$b=\mathrm{Im}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{j\θ}}\right)$

其中，θ是相角。

3.根据权利要求2所述的发送器，其中，相角θ通过如下方程计算：

arg max mean(C.A.)

     θ

其中，C.A.代表编码效益，即编码增益。

4.根据权利要求2所述的发送器，其中，相角θ满足：

在0°≤θ≤90°的范围内，12°≤θ≤13°或77 °≤θ≤78°。

5.一种发送器，包含：

时空块编码器，用于通过如下方程时空编码输入信息码元：

$C=\left[\begin{array}{cc}a\×s_1+j\×b\×s_4& b\×s_2+a\×s_3\\ a\×s_2-b\×s_3& j\×b\×s_1+a\×s_4\end{array}\right]$

其中，C是编码矩阵，s₁、s₂、s₃、s₄是输入信息码元，和a和b被定义成：

$a=\mathrm{Re}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{j\θ}}\right)$

$b=\mathrm{Im}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{j\θ}}\right)$

其中，θ代表满足如下范围的相角：在90°≤θ的范围内，12 °+90n≤θ≤13°+90n或77°+90n≤θ≤78°+90n，n是正整数，和用于输出时空编码码元；以及

两个天线，用于发送时空编码码元。

6.包括和含有两个发送天线的发送器中的一种时空块编码器发送方法，该方法包含：

通过如下方程时空编码输入信息码元：

$C=\left[\begin{array}{cc}a\×s_1+j\×b\×s_4& b\×s_2+a\×s_3\\ a\×s_2-b\×s_3& j\×b\×s_1+a\×s_4\end{array}\right]$

其中，C是编码矩阵，s₁、s₂、s₃、s₄是输入信息码元，和a和b是满足关系a²+b²＝1/2的常数，和通过两个发送天线发送时空编码码元。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，a和b由如下方程定义：

$a=\mathrm{Re}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{j\θ}}\right)$

$b=\mathrm{Im}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{j\θ}}\right)$

其中，θ是相角。

8.根据权利要求7所述的时空决编码器，其中，相角θ通过如下方程计算：

arg max mean(C.A.)

     θ

其中，C.A.代表编码效益，即编码增益。

9.根据权利要求7所述的时空块编码器，其中，相位θ满足：在O°≤θ≤9O°的范围内，12°≤θ≤13°或77°≤θ≤78°，和在90°＜θ的范围内，12°+90n≤θ≤13°+90n或77°+90n≤θ≤78°+90n，n是正整数。

10.在含有两个发送天线的发送器中的一种发送方法，包含如下步骤：

通过如下方程时空编码输入信息码元：

$C=\left[\begin{array}{cc}a\×s_1+j\×b\×s_4& b\×s_2+a\×s_3\\ a\×s_2-b\×s_3& j\×b\×s_1+a\×s_4\end{array}\right]$

其中，C是编码矩阵，s₁、s₂、s₃、s₄是输入信息码元，和a和b是满足关系a²+b²＝1/2的常数，和输出时空编码码元；以及

通过两个发送天线发送时空编码码元。

11.根据权利要求10所述的发送方法，其中，a和b由如下方程定义：

$a=\mathrm{Re}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{j\θ}}\right)$

$b=\mathrm{Im}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{j\θ}}\right)$

其中，θ是相角。

12.根据权利要求11所述的发送方法，其中，相角θ满足：在0°≤θ≤90°的范围内，12°≤θ≤13°或77°≤θ≤78°。

13.在含有两个发送天线的时空块编码发送器中的一种发送方法，包含如下步骤：

通过如下方程时空编码输入信息码元：

$C=\left[\begin{array}{cc}a\×s_1+j\×b\×s_4& b\×s_2+a\×s_3\\ a\×s_2-b\×s_3& j\×b\×s_1+a\×s_4\end{array}\right]$

其中，C是编码矩阵，s₁、s₂、s₃、s₄是输入信息码元，和a和b被定义成：

$a=\mathrm{Re}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{j\θ}}\right)$

$b=\mathrm{Im}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{j\θ}}\right)$

其中，θ代表满足如下的相角：在90°≤θ的范围内，12°+90n≤θ13°+90n或77°+90n≤θ≤78°+90n，n是正整数；和通过两个发送天线发送时空编码码元。

14.在含有两个发送天线的发送器中的一种时空块编码方法，包含如下步骤：

通过如下方程时空编码输入信息码元：

$C=\left[\begin{array}{cc}a\×s_1+j\×b\×s_4& b\×s_2+a\×s_3\\ a\×s_2-b\×s_3& j\×b\×s_1+a\×s_4\end{array}\right]$

其中，C是编码矩阵，s₁、s₂、s₃、s₄是输入信息码元，和a和b是满足关系a²+b²＝1/2的常数；以及

输出时空编码码元。

15.根据权利要求14所述的时空块编码方法，其中，a和b由如下方程定义：

$a=\mathrm{Re}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{j\θ}}\right)$

$b=\mathrm{Im}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{j\θ}}\right)$

其中，θ是相角。

16.根据权利要求15所述的时空块编码方法，其中，相角θ通过如下方程计算：

arg max mean(C.A.)

     θ

其中，C.A.代表编码效益，即编码增益。

17.根据权利要求15所述的时空块编码方法，其中，相位θ满足：在0°≤θ≤90°的范围内，12°≤θ≤13°或77°≤θ≤78°，和在90°＜θ的范围内，12°+90n≤θ≤13°+90n或77°+90n≤θ≤78°+90n，n是正整数。

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