CN100379175C - 提高快衰落信道下差分正交时空码性能的发射机和接收机 - Google Patents

Abstract

本发明提高快衰落信道下差分正交时空码性能的发射机及相应的接收机，特征是该发射机在多输入多输出天线发送数据的时候，被发送矩阵的每一列不是连续发送的，而是列与列间隔给定的时间间隔发送，列与列之间的信道是变化的，即信道是快衰落；该相应的接收机，各列数据都经过了不同的衰落，经过重新组合组成时间上连续发射矩阵各个列所接收到的矩阵，最后经过最大似然译码，恢复出原始数据。对每个被发送矩阵来说其各个列经过的信道都是不同的，并有相应的接收机对其进行处理，因此本发明的发射机及相应的接收机降低了差分正交时空码在快衰落信道下的误比特率，提高了系统的性能。

Description

提高快衰落信道下差分正交时空码性能的发射机和接收机

技术领域：

本发明属于移动通信多输入多输出(MIMO)天线技术领域，特别是涉及快衰落信道下，即允许信道在发送一个矩阵的内部是可以变化的情况下，提高差分正交时空编码调制(Differential Unitary Space-Time Modulation：DUSTM)性能的发射机和接收机。

背景技术：

在多输入多输出天线技术中运用时空码是目前移动通信领域广泛研究的，但是对多输入多输出系统进行信道估计是非常困难的，因此不需要信道估计的差分时空编码调制技术得到了广泛的应用，其中以差分正交时空编码调制技术应用最为广泛，目前对差分正交时空编码调制技术的研究都是在平坦衰落信道下进行的，如何降低差分正交时空码在快速衰落信道下的平均误比特率(Bit Error Rate：BER)，是提高系统性能的关键。

《美国电气与电子工程师协会信息理论杂志》(IEEE Transactions on InformationTheory，Vol.46，No.7，pp.2567-2578，Nov.2000)介绍了一种基于群的、在平坦瑞利(FlatRayleigh)信道下的差分正交时空编码调制的方法，并且给出了最优的对角正交码群(cyclicunitary group code)。该方法在发送矩阵时，把矩阵的各个相邻列连续发送，要求发送相邻的两个矩阵的信道状况保持不变，这次要发送的矩阵由上次的矩阵和当前的输入正交阵差分调制来产生，在不同天线上进行时空编码。这样，接收方机把上次接收的数据作为这次的信道估计，用最大似然译码，求出这次发送的数据。因为该方法把矩阵的各个相邻列连续发送，因此要求信道状况在发送相邻两个矩阵时保持不变，但这种要求在现实中很难满足，特别对于快速移动的环境来说显然是不实际的。

技术内容：

本发明提出一种基于群的差分正交时空码设计的发射机和相应的接收机，以减少差分正交时空码在快衰落信道下的误码率，提高系统的性能。

本发明的提高快衰落信道下差分正交时空码性能的发射机，包括：将输入数据1经过映射模块2得到映射数据3；然后根据调制方式找到最优的对角正交码群，时空编码模块4根据映射数据3在对角正交码群里选择正交矩阵5；差分调制模块6把上次发送的矩阵乘以正交矩阵5，得到这次的发送矩阵7，由各个天线发射出去；

其特征在于：

发送矩阵7的列与列间隔给定时间间隔L发送；对于M×M的编码矩阵，L个矩阵X₀，X₁，...，X_L-1为一组，X₀＝I_M×M是单位矩阵，这些矩阵在L×M个连续的抽样时间间隔里发射出去，它们之间满足：

X_k＝X_k-1G_k，k＝1，...，L    (1)

来进行差分调制，其中G_k是正交码群里选出的正交矩阵5；发送矩阵7上的数据分别调制到M个发射天线，在不同时刻发射，发送矩阵7表示如下：

矩阵的每一列

i＝1，...，M，是在M个天线上同一个时刻发射的，并且

是在

发出后隔时间L再发射。用s_i(m)表示在时刻m由天线i发送的信号，则s_i((k-1)L+n)＝(x_ik)_n，表示发送矩阵X_n的第k列第i个元素在时刻(k-1)L+n由第i个天线发射，i＝1，...，M，是矩阵X的行数也是天线数，k＝1，...，M，是矩阵的列数，n＝0，...，L-1，表示矩阵数；X₀矩阵的第一列[(x₁₁)₀(x₂₁)₀…(x_M1)₀]^T在时刻0发送；第二列[(x₁₂)₀(x₂₂)₀…(x_M2)₀]^T在时间L发送；…；第M列[(x_1M)₀(x_2M)₀…(x_MM)₀]^T在时间L×(M-1)发送，其中(·)^T表示转置。

本发明的提高快衰落信道下差分正交时空码性能的接收机，包括：把接收到的信号经过重新组合模块8重组成符合解码要求的重组矩阵9；最大似然译码模块10把重组矩阵9和上次接收到的矩阵进行最大似然译码得出正交矩阵11；解序模块12根据正交矩阵11在对角正交码群里的排列次序得出映射数据13；映射数据13经过解格雷映射模块14即得到发送端发射的数据15；

其特征在于：

设Ω是M×M的最优对角正交码群(G⁺G＝GG⁺＝I，G∈Ω，I是单位矩阵，(·)⁺表示转置其轭)，接收到的信号表示为：

$y_j\left(n\right)=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{M}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{ji}}\left(n\right)s_i\left(n\right)+w_j\left(n\right)---\left(2\right)$

ρ是每个接收天线上的信噪比(SNR)，s_i(n)是第i个发射天线发出的第n个信号，i＝1，...，M，h_ji(n)是从发射天线i到接收天线j的复信道增益，w_j(n)是加性高斯白噪声，服从均值为0，方差为1正态分布；重新组合模块8把y_j(n)重组成时间上连续发射矩阵X_i所接收到的重组矩阵R_i，i＝0，...，L-1；联合上次重组矩阵R_i-1用最大似然译码模块10进行译码得出正交矩阵11：

$G_n=\arg \underset{G\∈\mathrm{\Ω}}{\max }\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{|{\left(r_{\mathrm{ji}}\right)}_n-{\left(r_{\mathrm{ji}}\right)}_{n-1}\left(g_{\mathrm{ii}}\right)|}^2---\left(3\right)$

其中g_ii是正交对角矩阵G的第i行第i列的元素，r_ji是重组矩阵R_i的第j行第i列个元素。

现有技术都是假设在慢衰落信道下采用差分正交时空编码调制，即假设在发送相邻的两个矩阵的时候信道保持不变；对于快速移动环境，即信道快衰落的时候，这种传统的差分正交时空编码技术就不再适用了，因而性能受到影响。本发明提高快衰落信道下的差分正交时空码性能的发射机，把发送数据先经过映射，然后到正交码群里选出要发送的正交矩阵，再经过差分调制得到要发送的矩阵，把矩阵的各个相邻的列相隔给定的时间间隔L发射出去，列与列之间的信道是变化的，即信道是快衰落的；而现有技术把矩阵的各个相邻列连续发送，要求信道在两个连续发送矩阵时保持不变，或要求信道变化比较慢，当信道变化快的时候，现有技术就不再适合，性能会变差。因此，采用本发明的提高快衰落信道下的差分正交时空码性能的发射机，比现有技术更适用于快衰落信道，在快衰落信道里面取得更好的性能。

本发明的提高快衰落信道下的差分正交时空码性能的接收机，各接收天线把来自个发射天线的信号合并后，经过重新组合成时间上连续发射矩阵各个列所接收到的矩阵。对每个矩阵R_i，R_i-1相当于它的信道估计，就达到了差分调制的效果，省去了信道估计，这里解码时只要求R_i和R_i-1相应的列的信道状况不变，即R_i-1的每一列看作R_i相应列的信道估计，因此允许列与列之间的信道变化。最后经过最大似然译码，恢复出原始数据。这样，对每个被发送矩阵来说其各个列经过的信道都是不同的，对于现有技术这显然是做不到的。因此，采用提高快衰落信道下差分正交时空码性能的接收机，在快衰落信道下的性能更胜过现有技术，比现有技术更适用于快衰落信道。

本发明的提高快衰落信道下差分正交时空码性能的发射机及相应的接收机，通过在发射机发送矩阵的不连续性，使各个列都经过了不同的衰落，列与列间隔L发送，L的取值根据系统的时延要求和系统能量开销要求确定，对于M×M的编码矩阵，系统时延为L×M，能量开销为

当系统时延L×M要求比较小时，L取值比较小，但这时系统能量开销

就比较大；当系统对能量开销

要求比较小时，L取值比较大，但这时系统时延L×M比较大；应该根据系统具体要求在L×M和

二者之间取折衷；该相应的接收机，经过重新组合成时间上连续发射矩阵各个列所接收到的矩阵，经过最大似然译码，恢复出原始数据；而现有技术把矩阵的各个相邻列连续发送，要求信道在两个连续发送矩阵时保持不变，或要求信道变化比-慢，当信道变化快的时候，现有技术就不再适合，性能会变差。因此本发明的发射机及相应的接收机降低了差分正交时空码在快衰落信道下的误比特率，提高了系统的性能。

附图说明：

图1是本发明的提高快衰落信道下差分正交时空码性能的发射机工作原理示意图；

图2是本发明相应的接收机的工作原理示意图。

图3是在多普勒频移为0.02下，比较现有技术和本发明的成对差错概率的示意图；

图4是在多普勒频移为0.05下，比较现有技术和本发明的成对差错概率的示意图。

图5是两个发射天线一个接收天线时，比较现有技术和本发明的误比特率的示意图；

图6是两个发射天线两个接收天线时，比较现有技术和本发明的误比特率的示意图。

具体实施方式：

以下结合附图说明本发明的实施例。

实施例1：

本实施例以一个格雷映射、设有32个对角正交阵、两发射天线的发射机和两接收天线的接收机为例来进行说明，信道采用常用的Clarke模型。要求系统时延不大于40，系统能量开销不大于5％。

本实施例的提高快衰落信道下差分正交时空码性能的发射机如图1所示：将输入数据1，5个一组，经过格雷映射模块2得到数据3，取值0～31；时空编码模块4根据数据3在32个对角正交码群里选择正交矩阵5；差分调制模块6把上次发送的矩阵乘以这次的正交矩阵，得到要发送的矩阵7；矩阵7上的数据分别调制到各个天线的不同时刻发送。

本实施例中的最优的32个对角正交码群在现有技术中可以找到，为Ω＝{G⁰，G¹，...，G³¹}，其中基元

根据系统时延要求L×M≤40，又M＝2，所以L≤20，系统能量开销要求 $\frac{1}{L}\×100\%\≤5\%,$ L≥20，所以L＝20。以数据3的值等于1为例，经过模块4得到对应的正交阵5为

这里数据3的值1就决定了G的上标1，同样当数据3的值为31时经过模块4得到对应的正交阵5为依次类推；则差分调制模块6把上次发送的矩阵乘以这次的正交矩阵得到这次要发射的矩阵7： $X_i=X_{i-1}{G}^1=\left[\begin{array}{cc}{x}_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{array}\right];$ 如果在时刻1在天线1上发射x₁₁，在第二个天线上发射x₂₁；则在时刻1+L＝21，第一个天线上发x₁₂，第二个天线上发x₂₂，对于所有的数据2依次类推。

本实施例的提高快衰落信道下差分正交时空码性能的相应的接收机如图2所示：把接收到的信号经过重新组合模块8重组成符合解码要求的矩阵9；模块10把矩阵9和上次接收到的矩阵进行最大似然译码得出正交矩阵11；模块12根据正交矩阵11在对角正交码群里的排列次序得出数据13；数据13经过解格雷映射模块14即得到发送端发射的数据15；

接收机把天线1和2在不同时刻接收到的信号y(n)经过重新组合模块8组合成符合解码要求的矩阵9，即把其重组成时间上连续发射矩阵X_i所接收到的矩阵R_i，i＝0，...，L-1，

时刻1天线1收到 $y_{11}\left(11\right)=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2}}{h}_{11}\left(11\right)x_{11}+w_1\left(11\right)+\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2}}{h}_{12}\left(11\right)x_{21}+w_2\left(11\right);$

时刻1天线2收到 $y_{21}\left(21\right)=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2}}{h}_{21}\left(21\right)x_{11}+w_1\left(21\right)+\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2}}{h}_{22}\left(21\right)x_{21}+w_2\left(21\right);$

时刻2天线1收到 $y_{12}\left(12\right)=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2}}{h}_{11}\left(12\right)x_{12}+w_1\left(12\right)+\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2}}{h}_{12}\left(12\right)x_{22}+w_2\left(12\right);$

时刻2天线2收到 $y_{22}\left(22\right)=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2}}{h}_{21}\left(22\right)x_{12}+w_1\left(22\right)+\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2}}{h}_{22}\left(22\right)x_{22}+w_2\left(22\right);$

则重组成的 $R_i=\left[\begin{array}{cc}{y}_{11}\left(11\right)& y_{12}\left(12\right)\\ y_{21}\left(21\right)& y_{22}\left(22\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{r}_{11}& r_{12}\\ r_{21}& r_{22}\end{array}\right],$ 将此矩阵带入模块10运用公式(3)进行最大似然译码，即可解出对应的正交矩阵11：

模块12根据它在32个矩阵里面的排列，解出相应的输入数据13，取值0～31；模块14对数据13进行解格雷映射得到发送端发射的数据。

本实施例可以推广到A＝2^B(B是正整数)个正交阵的情况，任意个数发射天线的发射机和任意个数接收天线的接收机；而且A越大，效果越明显。

图3为在Clarke模型下，采用格雷映射，多普勒频移f_d＝0.02时，32个正交矩阵(A＝32)，两天线发射、一天线接收的系统，从计算机仿真和理论计算上比较了本发明和传统的差分正交时空码的信噪比(SNR)与成对差错概率(PEP)之间关系的4条仿真曲线。图中横坐标为用dB表示的平均信噪比，纵坐标为接收信号的平均成对差错概率(PEP)，曲线从上到下依次标号为1、2、3、4，上面两条虚线1和2代表传统方法的理论计算和计算机仿真结果，可以看出两条曲线非常接近；下面两条实线3和4代表本发明的理论计算和计算机仿真结果，这两条曲线也非常接近。

根据图3中曲线，可归纳出以下特征：

1.随着SNR的增加，PEP减小。

2.传统方法的理论计算和计算机仿真结果非常吻合。

3.本发明的理论计算和计算机仿真结果非常吻合。

4.本发明的PEP曲线比传统方法的要低的多，充分体现了本发明在快衰落信道下的优势。

图4和图3的不同在于图4是在多普勒频移为0.05的情况下做的曲线。曲线从上到下依次标号为5、6、7、8，上面两条虚线5和6代表传统方法的理论计算和计算机仿真结果，可以看出两条曲线非常接近；下面两条实线7和8代表本发明的理论计算和计算机仿真结果，这两条曲线也非常接近。由图3和图4可以看出本发明的理论计算和计算机仿真结果吻合的很好，而且在相同的SNR下，本发明的PEP远低于传统方法；而且信道变化越快，即多普勒频移越大，本发明的优势就越显现出来，比传统方法性能也就越好。

图5为在Clarke模型下，多普勒频移f_d＝0.02，f_d＝0.05时，32个正交矩阵(A＝32)，两天线发射、一天线接收的系统，从计算机仿真上比较了本发明和传统的差分正交时空码的信噪比(SNR)与误比特率(BER)之间关系的4条仿真曲线，由上到下是A、B、C、D。图中横坐标为用dB表示的平均信噪比，纵坐标为接收信号的平均误比特率，曲线A是传统方法在多普勒频移为0.05时SNR和BER的关系；曲线B是本发明在多普勒频移为0.05时SNR和BER的关系；曲线C是传统方法在多普勒频移为0.02时SNR和BER的关系；曲线D是本发明在多普勒频移为0.02时SNR和BER的关系。

图5中的曲线具有以下特征：

1、相同的SNR时，A＞B＞C＞D，这说明了无论多普勒频移为0.02还是0.05，本发明的BER都低于传统方法，因此本发明在快衰落信道下优于传统方法。

2、多普勒频移为0.02时的性能曲线C、D都在多普勒频移为0.05时的性能曲线A、B下面，因此无论是本发明还是传统方法，多普勒频移小的性能要比多普勒频移大的好。

图6和图5的不同在于图6是两个发射天线、两个接收天线情况下做的4条曲线E、F、G、H。曲线E是传统方法在多普勒频移为0.05时SNR和BER的关系；曲线F是本发明在多普勒频移为0.05时SNR和BER的关系；曲线G是传统方法在多普勒频移为0.02时SNR和BER的关系；曲线H是本发明在多普勒频移为0.05时SNR和BER的关系。由图5和图6可以看出：在相同的SNR下，本发明的BER远低于传统方法；在多普勒频移小的信道下的性能要比在多普勒频移大的信道下的好，而且性能随着接收天线个数的增加而提高。

本发明的提高快衰落信道下差分正交时空码性能的发射机及相应的接收机，通过在发射机发送矩阵的不连续性，使各个列都经过了不同的衰落，列与列间隔L发送，L的取值根据系统的时延要求和系统能量开销要求确定，对于M×M的编码矩阵，系统时延为L×M，能量开销为当系统时延L×M要求比较小时，L取值比较小，但这时系统能量开销就比较大；当系统对能量开销

要求比较小时，L取值比较大，但这时系统时延L×M比较大；应该根据系统具体要求在L×M和

二者之间取折衷；该相应的接收机，经过重新组合成时间上连续发射矩阵各个列所接收到的矩阵，经过最大似然译码，恢复出原始数据；而现有技术把矩阵的各个相邻列连续发送，要求信道在两个连续发送矩阵时保持不变，或要求信道变化比较慢，当信道变化快的时候，现有技术就不再适合，性能会变差。因此本发明的发射机及相应的接收机降低了差分正交时空码在快衰落信道下的误比特率，提高了系统的性能。

Claims (1)

1.一种提高快衰落信道下差分正交时空码性能的发射机，包括：将输入数据(1)经过映射模块(2)得到映射数据(3)；然后根据调制方式找到最优的对角正交码群，时空编码模块(4)根据映射数据(3)在对角正交码群里选择正交矩阵(5)；差分调制模块(6)把上次发送的矩阵乘以正交矩阵(5)，得到这次的发送矩阵(7)，由各个天线发射出去；

其特征在于：

发送矩阵(7)的列与列间隔给定时间间隔L发送；对于M×M的编码矩阵，L个矩阵X₀，X₁，...，X_L-1为一组，X₀＝I_M×M是单位矩阵，这些矩阵在L×M个连续的抽样时间间隔里发射出去，它们之间满足：

X_k＝X_k-1G_k，k＝1，...，L    (1)

来进行差分调制，其中G_k是正交码群里选出的正交矩阵(5)；发送矩阵(7)上的数据分别调制到M个发射天线，在不同时刻发射，发送矩阵(7)表示如下：

矩阵的每一列i＝1，...，M，是在M个天线上同一个时刻发射的，并且

是在

发出后隔时间L再发射，用s_i(m)表示在时刻m由天线i发送的信号，则s_i((k-1)L+n)＝(x_ik)_n，表示发送矩阵X_n的第k列第i个元素在时刻(k-1)L+n由第i个天线发射，i＝1，...，M，是矩阵X的行数也是天线数，k＝1，...，M，是矩阵的列数，n＝0，...，L-1，表示矩阵数；X₀矩阵的第一列[(x₁₁)₀(x₂₁)₀…(x_M1)₀]^T在时刻0发送；第二列[(x₁₂)₀(x₂₂)₀…(x_M2)₀]^T在时间L发送；…；第M列[(x_1M)₀(x_2M)₀…(x_MM)₀]^T在时间L×(M-1)发送，其中(·)^T表示转置。

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