CN101006658A - 用于时空频率分组编码以提高性能的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了在具有三个发送(Tx)天线的发射机中的时空频率分组编码装置和方法。使用从接收机接收的反馈信息或者使用具有规则性的所选择的发送矩阵，按照设置方法通过三个发送天线而发送输入码元序列，以便改进STFBC的性能。

Description

用于时空频率分组编码以提高性能的装置和方法

技术领域

本发明一般地涉及在具有三个发送(Tx)天线的发射机中的时空频率分组编码装置(space-time-frequency block coding apparatus)，具体上涉及使用从接收机接收的反馈信息来通过三个天线而发送输入码元序列以便改善时空频率分组编码(STFBC)的性能的装置。

背景技术

在通信中的基本问题是如何在信道上有效地和可靠地发送数据。由于未来一代的多媒体移动通信要求能够在聚焦于语音的业务之外发送包括视频和无线数据的多种信息的高速通信系统时，因此重要的是通过使用适合于所述系统的信道编码方法来提高系统效率。

在移动通信系统的无线信道环境中，与有线信道环境相反，由于诸如多径干扰、阴影、波衰减、时变噪声和衰落之类的几个因素，发送信号不可避免地经历丢失。信息丢失引起发送信号的严重失真，使得整体系统性能变差。为了减少信息丢失，通常采用许多误差控制技术来提高系统可靠性。这些技术之一是使用纠错码。

在无线通信系统中，通过使用分集技术来降低多径衰落。所述分集技术是时间分集、频率分集和天线分集。

天线分集使用多个天线。这种分集方案被进一步划分为使用多个Rx天线的接收(Rx)天线分集、使用多个Tx天线的Tx天线分集和使用多个Tx天线和多个Rx天线的多输入多输出(MIMO)。

MIMO是通过经由按照所设置的编码方法而编码的信号的多个Tx天线的发送来将时域的编码扩展到空间域的时空编码(STC)的特殊情况，其目的是实现较低的误差率。

V.Tarokh等提出时空分组编码(STBC)来作为有效地应用天线分集的方法之一(参见‘Space-Time Block Coding from Orthogonal Designs’，IEEE Trans.OnInfo.，Theory，Vo1.45，pp.1456-1457，July 1999)。Tarokh的STBC方案是S.M.Alamouti的发送天线分集方案的扩展(参见‘A Simple Transmit DiversityTechnique for Wireless Communications’，IEEE Journal on Selected Area inCommunications，Vol.16，pp.1451-1458，October 1988)，用于两个或者多个发送天线。

图1是在使用传统的Tarokh的STBC方案的移动通信系统中的发射机的方框图。所述发射机包括调制器100、串行到并行(S/P)转换器102、STBC编码器104和四个发送天线106、108、110和112。

参见图1，调制器100按照调制方案来调制输入信息数据(或者编码的数据)。所述调制方案可以是二相相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)、正交调幅(QAM)、脉冲幅度调制(PAM)和相移键控(PSK)之一。

S/P转换器102并行化从调制器100接收的串行调制码元s₁、s₂、s₃、s₄。STBC编码器104通过STBC编码四个调制码元s₁、s₂、s₃、s₄来建立8个码元组合，并且通过四个发送天线106-112来依序发送它们。用于产生所述8个码元组合的编码矩阵被表达为

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

其中，G₄表示通过四个发送天线106-112而发送的码元的编码矩阵，并且s₁、s₂、s₃、s₄表示输入的四个码元。所述编码矩阵的列的数量等于发送天线的数量，并且行的数量对应于发送所述四个码元所需要的时间。因此，在8个时间间隔上通过所述四个发送天线来发送所述四个码元。

具体上，对于第一时间间隔，通过第一发送天线106来发送s₁，通过第二发送天线108来发送s₂，通过第三发送天线110来发送s₃，并且通过第四发送天线112来发送s₄。以这种方式，在第八时间间隔期间，分别通过第一到第四发送天线106-112来发送-s₄ ^*，-s₃ ^*，s₂ ^*，-s₁ ^*。即，STBC编码器104向第i个发送天线依序提供在编码矩阵中的第i列的码元。

如上所述，STBC编码器104使用所述四个输入码元、它们的共轭和负值来产生所述8个码元序列，并且在8个时间间隔上通过四个发送天线106-112来发送它们。因为相应的发送天线的码元序列，即编码矩阵的列相互正交，因此可以获得等于分集数量级(diversity order)的分集增益。

图2是在使用传统STBC方案的移动通信系统中的接收机的方框图。所述接收机是在图1中图解的发射机的对应方。

接收机包括多个接收天线200-202、信道估计器204、信号组合器206、检测器208、并行到串行(P/S)转换器210和解调器212。

参见图2，第一到第P接收天线200-202向信道估计器204和信号组合器206提供从在图1中图解的发射机的四个发送天线接收的信号。所述信道估计器204使用从第一到第P接收天线200-202接收的信号来估计用于表示从发送天线106-112到接收天线200-202的信道增益的信道系数。信号组合器206以预定方法来将从第一到第P接收天线200-202接收的信号与所述信道系数组合。检测器208通过将组合码元乘以信道系数而产生假设码元(hypothesissymbol)，使用所述假设码元来计算从发射机发送的所有可能码元的确定统计，并且通过阈值检测来检测实际发送的码元。P/S转换器210串行化从检测器208接收的并行码元。解调器212按照解调方法来解调串行码元序列，由此恢复原始信息比特。

如上所述，Alamouti STBC技术提供了下述益处：通过仅仅经由两个发送天线而发送复合码元获得等于发送天线的数量的分集数量级、即全分集数量级，而不牺牲数据率。

从Alamouti STBC方案扩展的Tarokh STBC方案使用具有正交列的矩阵的形式的STBC来获得全分集数量级，如参见图1和2所述。但是，因为在8个时间间隔上发送四个复合码元，因此Tarokh STBC方案使得数据率降低一半。另外，因为需要8个时间间隔来完全地发送具有四个复合码元的一个分组，因此，由于在快速衰落信道上的分组内的信道改变，接收性能变差。换句话说，通过四个或者更多发送天线发送复合码元需要2N个时间间隔用于N个码元，引起更长的等待时间和数据率的降低。

为了在通过三个或者更多发送天线而发送复合信号的MIMO系统中获得全速率。Giannakis组使用在复数域(complex field)的星座旋转来提供用于四个发送天线的全分集全速率(FDFR)STBC。

图3是在使用传统的Giannakis STBC方案的移动通信系统中的发射机的方框图。如图3中所示，发射机包括调制器300、预编码器302、时空映射器304和多个发送天线306、308、310和312。

参见图4，调制器300按照诸如BPSK、QPSK、QAM、PAM或者PSK之类的调制方案来调制输入信息数据(或者编码的数据)。预编码器302预编码从调制器300接收的N_t个调制码元d₁、d₂、d₃、d₄，以便在信号空间中发生信号旋转，并且输出作为结果产生的N_t个码元。为了表示简单，假定有四个发送天线。以d来表示来自调制器300的四个调制码元的序列。预编码器302通过使用等式(2)计算所述调制码元序列d来产生复矢量r。

$r=\mathrm{\Θd}=\left[\begin{array}{cccc}1& {\mathrm{\α}}_0^1& {\mathrm{\α}}_0^2& {\mathrm{\α}}_0^3\\ 1& {\mathrm{\α}}_1^1& {\mathrm{\α}}_1^2& {\mathrm{\α}}_1^3\\ 1& {\mathrm{\α}}_2^1& {\mathrm{\α}}_2^2& {\mathrm{\α}}_2^3\\ 1& {\mathrm{\α}}_3^1& {\mathrm{\α}}_3^2& {\mathrm{\α}}_3^3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{d}_1\\ d_2\\ d_3\\ d_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2\\ r_3\\ r_4\end{array}\right].....\left(2\right)$

其中，Θ表示预编码矩阵。Giannakis组使用单式Vandermonde矩阵来作为预编码矩阵。在所述预编码矩阵中，α_i被给出为

α_i＝exp(j2π(i+1/4)/4)，i＝0，1，2，3

                               .....(3)

Giannakis STBC方案使用四个发送天线，并且容易被扩展到超过四个发送天线。时空映射器304按照下面的方法来STBC编码预编码的码元。

$s=\left[\begin{array}{cccc}{r}_1& 0& 0& 0\\ 0& r_2& 0& 0\\ 0& 0& r_3& 0\\ 0& 0& 0& r_4\end{array}\right].....\left(4\right)$

其中，S是用于通过四个发送天线306-312而发送的码元的编码矩阵。编码矩阵的列的数量等于发送天线的数量，并且行的数量对应于发送所述四个码元所需要的时间。即，在四个时间间隔上通过四个发送天线而发送所述四个码元。

具体上，对于第一时间间隔，通过第一发送天线306来发送r₁，并且不通过其他的发送天线308、310和312来发送信号。对于第二时间间隔，通过第二发送天线308来发送r₂，并且不通过其他的发送天线306、310和312来发送信号。对于第三时间间隔，通过第三发送天线310来发送r₃，并且不通过其他的发送天线306、308和312来发送信号。对于第四时间间隔，通过第四发送天线310来发送r₄，并且不通过其他的发送天线306、308和310来发送信号。

当对于所述四个时间间隔在一个无线信道上接收到四个码元时，接收机(未示出)通过使用最大似然性(ML)解码来恢复调制码元序列d。

与Giannakis STBC相比较，Tae-Jin Jung和Kyung-Whoon Cheun在2003年提出了预编码器和具有良好编码增益的级联码。它们通过级联AlamoutiSTBC而不是使用由Giannakis组提出的对角矩阵来增强编码增益。为了方便，这个STBC将被称为“Alamouti FDFR STBC”。

图4是在使用传统的A1amouti FDFR STBC和四个发送天线的移动通信系统中的发射机的方框图。如图4中所示，所述发射机包括预编码器400、映射器402、延迟器404、两个Alamouti编码器406和408以及四个发送天线410、412、414和416。

参见图4，预编码器400预编码四个输入调制码元d₁、d₂、d₃、d₄，以便在信号空间中发生信号旋转。对于输入的所述四个调制码元的序列d，预编码器400通过下面的计算来产生复矢量r

$r=\mathrm{\Θd}=\left[\begin{array}{cccc}1& {\mathrm{\α}}_0^1& {\mathrm{\α}}_0^2& {\mathrm{\α}}_0^3\\ 1& {\mathrm{\α}}_1^1& {\mathrm{\α}}_1^2& {\mathrm{\α}}_1^3\\ 1& {\mathrm{\α}}_2^1& {\mathrm{\α}}_2^2& {\mathrm{\α}}_2^3\\ 1& {\mathrm{\α}}_3^1& {\mathrm{\α}}_3^2& {\mathrm{\α}}_3^3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{d}_1\\ d_2\\ d_3\\ d_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2\\ r_3\\ r_4\end{array}\right].....\left(5\right)$

其中，

a_i＝exp(j2π(i+1/4)/4)，i＝0，1，2，3

映射器402将所述四个预编码的码元以2个为一组进行分组，并且分别向Alamouti编码器406和延迟器404发送其中每个包括两个元素的两个矢量[r₁，r₂]^T和[r₃，r₄]^T。延迟器404将第二矢量[r₃，r₄]^T延迟一个时间间隔。因此，在第一时间间隔中向Alamouti编码器406提供第一矢量[r₁，r₂]^T，并且在第二时间间隔中向Alamouti编码器408提供第二矢量[r₃，r₄]^T。Alamouti编码器指的是以Alamouti STBC方案工作的编码器。Alamouti编码器406编码[r₁，r₂]^T，以便在第一和第二时间间隔期间通过第一和第二发送天线410和412来发送它。Alamouti编码器408编码[r₃，r₄]^T，以便在第三和第四时间间隔期间通过第三和第四发送天线414和416来发送它。用于通过多个天线从映射器402发送所述四个码元的编码矩阵是

$s=\left[\begin{array}{cccc}{r}_1& r_2& 0& 0\\ {-r}_2^{*}& r_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& r_3& r_4\\ 0& 0& {-r}_4^{*}& r_3^{*}\end{array}\right].....\left(6\right)$

不像在等式(4)中图解的编码矩阵那样，上述的编码矩阵被设计为Alamouti STBC而不是对角矩阵。Alamouti STBC方案的使用提高了编码增益。

但是，这个Alamouti FDFR STBC具有增大编码复杂度的显著缺点，因为发射机需要在预编码矩阵的所有元素和输入矢量之间进行计算，以进行预编码。例如，对于四个发送天线，因为在预编码矩阵的元素中不包括0，因此必须对于16个元素执行计算。而且，接收机需要以大量的计算来执行ML解码，以便解码由发射机发送的信号d。

为了降低这样的高复杂度，三星电子的Chan-Byoung chae等提出了一种新颖的STBC。

其中，Θ是任意偶数个发送天线的预编码矩阵。以与在Cheun的组中相同的方式来执行后序的操作。但是，与FDFR Alamouti STBC方案相比较，Chae的方案通过一系列操作、即删截和移位显著地降低了在接收机处的ML解码复杂度。

但是，如上所述的所有手段相对于允许所发送的码元的线性解码的Alamouti方案要忍受高解码复杂度，因此，已经进行了持续的工作来进一步降低解码复杂度。在这种环境中，教授Sundar Rajan的组(以下称为SundarRajan组)提出了允许线性解码的FDFR STBC。

对于Sundar Rajan组的STBC，在等式(6)中图解的编码矩阵的每个值r_i被乘以e^jθ(即在复平面上的旋转)，并且重新生成作为结果产生的新值x_i+jy_i的实部和虚部。以这种方式而产生的编码矩阵被表达为

$s=\left[\begin{array}{cccc}{x}_1+{\mathrm{jy}}_3& x_2+{\mathrm{jy}}_4& 0& 0\\ -{(x_2+{\mathrm{jy}}_4)}^{*}& {(x_1+{\mathrm{jy}}_3)}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& x_3+{\mathrm{jy}}_1& x_4+{\mathrm{jy}}_2\\ 0& 0& -{(x_4+{\mathrm{jy}}_2)}^{*}& {(x_3+{\mathrm{jy}}_1)}^{*}\end{array}\right].....\left(8\right)$

等式(8)的使用允许在接收机的线性解码，因此降低了解码复杂度。教授Sundar Raian使用固定相位旋转角θ。在此，θ＝(1/2)atan2。

使用Sundar Rajan组的STBC方案的移动通信系统采用具有在图5中所示的配置的发射机。信息码元s₁、s₂、s₃、s₄在预编码器500中被乘以exp(jθ)，然后在映射器502中重新生成。

更具体而言，映射器502将预编码的码元c_i＝x_i+jy_i重新生成为c₁′＝x₁+jy₃、c₂′＝x₂+jy₄、c₃′＝x₃+jy₁和c₄′＝x₄+jy₂，并且将重新生成的码元成对分组为矢量[c₂′c₁′]和[c₄′c₃′]。矢量[c₂′c₁′]和[c₄′c₃′]通过它们对应的Alamouti编码器506和508来发送。延迟器504用于延迟[C₄′C₃′]矢量。

为了说明可以进一步改善Sundar Rajan组的STBC的性能，下面提供对于标准正交时空代码和正交时空代码的简述。

为了解调由Tarokh等提出的标准正交时空代码S，将S乘以其厄密共轭(Hermitian)S^H。因此。

${\mathrm{SS}}^H=\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{\ρ}& 0& 0& 0\\ 0& \mathrm{\ρ}& 0& 0\\ 0& 0& \mathrm{\ρ}& 0\\ 0& 0& 0& \mathrm{\ρ}\end{array}\right].....\left(9\right)$

其中，ρ是常数。如果时空代码满足等式(9)，则发现可以获得的全速率是

$R_{\max }=\frac{a+1}{2^a}.....\left(10\right)$

发送天线的数量N＝2^a。因此，对于具有四个发送天线的系统，a＝2，并且R_max＝3/4。

Sundar Rajan组证明其正交时空码也获得全分集。在这种情况下，

${\mathrm{SS}}^H=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\ρ}}_1& 0& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\ρ}}_1& 0& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\ρ}}_2& 0\\ 0& 0& 0& {\mathrm{\ρ}}_2\end{array}\right].....\left(11\right)$

其中

ρ₁＝|h₁|²+|h₂|²

并且

ρ₂＝|h₃|²+|h₄|²

(h是信道系数)。在此要注意的是这个正交时空码导致速率

$R_{\max }=\frac{2a}{2^a}.....\left(12\right)$

这个等式揭示，可以对于具有四个发送天线的系统实现R_max＝1，因为N＝2^a。即，正交时空码的使用获得全分集和全速率。

为了在具有三个发送天线的正交频分复用(OFDM)系统中实现全分集和全速率，Sundar Rajan组提出了下述：

$A=\left[\begin{array}{cccc}{S}_1& {-S}_2^{*}& 0& 0\\ S_2& S_1^{*}& S_3& {-S}_4^{*}\\ 0& 0& S_4& S_3^{*}\end{array}\right].....\left(13\right)$

发明内容

技术问题

上面的编码矩阵A包含频率和时间作为具有三个发送天线的通信系统的变量。编码矩阵A的行表示相应的发送天线。前两列(在第一行的s₁和-s₂ ^*)被映射到第一频率，并且最后两列(在第一行中的0和0)被映射到第二频率。在所述两个列对的每个中的在前的列(在第一行中的s₁)被映射到第一时间间隔，并且在后的列(在第一行中的-s₂ ^*)被映射到第二时间间隔。因此，通过第二天线以第二频率在第二时间间隔发送的码元是s₁ ^*，并且通过第三天线以第二频率在第一时间间隔发送的码元是s₄。

技术方案

但是，为了更精确的通信，需要改善上述的STFC的性能。

本发明的一个目的是实质地解决至少上述问题和/或缺点，并且至少提供下面的优点。因此，本发明的一个目的是提供时空频率分组编码装置和方法，用于改善具有三个发送天线的移动通信系统的性能。

本发明的另一个目的是提供时空频率分组编码装置和方法，用于改善具有三个发送天线的移动通信系统的性能，其中，在发送之前，在复平面上旋转矢量码元，并且重新生成作为结果产生的新码元x_i+jy_i的实部和虚部。

本发明的另一个目的是提供时空频率分组编码装置和方法，用于通过选择传输矩阵来改善在使用多个天线的移动通信系统中的性能，其中，在发送之前，在复平面上旋转矢量码元，并且重新生成作为结果产生的新码元x_i+jy_i的实和虚部。

通过在具有三个发送天线的通信系统中提供时空频率分组编码装置和方法来实现上述的目的。

按照本发明的一个方面，在使用时空频率分组编码方案的通信系统中的具有三个发送天线的发射机中，预编码器通过将输入码元序列的码元矢量乘以e^jθ来预编码所述码元矢量。θ是相位旋转角。STFBC映射器根据从接收机接收的反馈CQI来选择STFBC，按照所选择的STFBC将预编码的码元映射到发送天线，并且通过发送天线来发送被映射的码元。

按照本发明的另一个方面，在使用时空频率分组编码方案的通信系统中的具有三个发送天线的发射机中，预编码器通过将输入码元序列的码元矢量乘以e^jθ来预编码所述码元矢量。θ是相位旋转角。STFBC映射器根据从接收机接收的STBC指数(index)来选择STFBC，按照所选择的STFBC将预编码的码元映射到发送天线，并且通过发送天线来发送被映射的码元。

附图说明

通过下面结合附图的详细说明，本发明的上述和其他目的和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是在使用传统的STBC方案的移动通信系统中的发射机的方框图；

图2是在使用传统的STBC方案的移动通信系统中的接收机的方框图；

图3是在使用传统的Giannakis STBC方案的移动通信系统中的发射机的方框图；

图4是在使用由Tae-Jin Jung和Kyung-Whoon Cheun提出的具有四个发送天线的传统Alamouti FDFR STBC方案的移动通信系统中的发射机的方框图；

图5是在使用Sundar Rajan组的STBC方案的移动通信系统中的发射机的方框图；

图6是使用按照本发明的STFBC方案的移动通信系统中的发射机的方框图；

图7是使用按照本发明的STFBC方案的移动通信系统中的接收机的方框图；

图8图解了在图6中图解的STFBC映射器的操作；

图9是图解在使用按照本发明的STFBC方案的移动通信系统中的发射机的发送操作的流程图；以及

图10是图解在使用按照本发明的STFBC方案的移动通信系统中的接收机的接收操作的流程图。

具体实施方式

下面在此参见附图来说明本发明的优选实施例。在下面的说明中，不详细说明公知的功能或者结构，因为它们将在不必要的细节上混淆本发明。

本发明意欲提供一种时空频率分组编码方案，用于在使用FDFR正交STFBC的系统中改善性能。

图6是在使用按照本发明的STFBC方案的移动通信系统中的发射机的方框图。假定所述发射机使用三个发送(Tx)天线。

参见图6，预编码器600将输入信息码元s₁、s₂、s₃、s₄的每个乘以e^jθ，即将s₁、s₂、s₃、s₄在复平面上旋转θ，产生被表达为x_i+jy_i的新码元c₁、c₂、c₃、c₄。STFBC映射器602通过根据来自接收机的反馈信道信息或者根据在接收机计算的STFBC指数选择STFBC来将码元c₁、c₂、c₃、c₄分组。映射器604向发送天线606、608和610映射被分组的码元以进行发送。STFBC映射器602和映射器604可以被并入单个器件中。

图7是在使用按照本发明的STFBC方案的移动通信系统中的接收机的方框图。为了表示简单，假定接收机具有一个接收(Rx)天线。

参见图7，信道估计器702对于通过接收天线700接收的信号执行信道估计。在信道估计后，按照解码方法来解码所接收的信号。反馈发射机710向所述发射机的STFBC映射器602发送从信道估计器702接收的信道质量指示符(CQI)。或者，接收机计算STFBC指数，并且通过反馈发射机710将其发送到发射机。下面将详细说明反馈发射机710的操作。

按照本发明，接收机向发射机反馈所有的信道的CQI，或者向发射机发送STFBC指数以在STFBC映射器中使用。

1)所有信道信息的反馈

在接收到在接收机估计的信道系数时，STFBC映射器602计算下述：

select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

                                            .....(14)

其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的CQI。

2)STFBC指数的发送

接收机向发射机反馈所有所接收的信道的CQI是不实际的。因此，接收机向发射机的STFBC映射器602反馈通过等式(14)而计算的STFBC指数。

现在将参考图8描述STFBC映射器602的操作。图8描述了用于3个发送天线的STFBC。由于使用3个发送天线，因此可获得下面的3个STFBC

$A=\left[\begin{array}{cccc}{S}_1& {-S}_2^{*}& 0& 0\\ S_2& S_1^{*}& S_3& {-S}_4^{*}\\ 0& 0& S_4& S_3^{*}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{cccc}{S}_1& {-S}_2^{*}& S_3& {-S}_4^{*}\\ S_2& S_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& S_4& S_3^{*}\end{array}\right]$

$C=\left[\begin{array}{cccc}{S}_1& -S_2^{*}& 0& 0\\ 0& 0& S_3& {-S}_4^{*}\\ S_2& S_1^{*}& S_4& S_3^{*}\end{array}\right].....\left(15\right)$

在此，行表示对应的天线的码元，列表示使用副载波而映射的码元。

在所图解的情况下，在矩阵A的环境中执行STFBC映射。按照矩阵A来映射预编码的码元c₁、c₂、c₃、c₄。在图8中，在矩阵A中的s对应于c。STFBC映射器602使用矩阵A、B和C之一来向发送天线映射所述码元。在本发明中，根据从接收机的反馈发射机710接收的反馈信息来选择提供最佳性能的矩阵A、B和C之一。如果第一天线处于最佳的信道条件，则选择矩阵B来通过第一天线而发送多个码元。如果第二天线处于最佳的信道条件，则选择矩阵A来通过第二天线而发送多个码元。如果第三天线处于最佳的信道条件，则选择矩阵C来通过第三天线而发送多个码元。可以将所述自适应矩阵选择表达为

if CQI_antl＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

   use Matrix B

if CQI_ant2＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

   use Matrix A

if CQI_ant3＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

   use Matrix C

                                        .....(16)

图9是图解在使用按照本发明的STFBC方案的移动通信系统中的发射机的发送操作的流程图。

参见图9，当在步骤902中接收到数据流s₁、s₂、s₃、s₄时，预编码器在步骤904预编码所述数据流。即，预编码器将数据流s₁、s₂、s₃、s₄乘以exp(jθ)，重新生成作为结果产生的码元，并且输出预编码的码元c₁、c₂、c₃、c₄(c₁＝x₁+jy₃，c₂＝x₂+jy₄，c₃＝x₃+jy₁和c₄＝x₄+jy₂)。在步骤910发射机根据通过等式(16)从接收机接收的CQI或者根据从接收机接收的STFBC指数来选择STFBC。STFBC映射器在步骤906按照所选择的STFBC来映射预编码的码元，并且在步骤908通过它们对应的发送天线来发送被映射的码元。

图10是图解在使用按照本发明的STFBC方案的移动通信系统中的接收机的接收操作的流程图。

参见图10，当在步骤1002从发射机接收到数据流时，在步骤1004信道估计所述数据流，并且在步骤1014将CQI作为信道信息发送到发射机。在这种情况下，发射机计算要由等式(16)使用的STFBC。或者，接收机通过等式(16)来计算STFBC代码，而不是向发射机发送信道系数，并且将其指数发送至发射机。

在信道信息的直接反馈的情况下，发射机向接收机通知由发射机选择的STFBC的指数，以便提高通信精度。在发射机选择的STFBC与接收机的不同时，在公共信道上向接收机发送发射机选择的STFBC的指数使得在它们之间的数据发送更精确。

其后，以与在现有系统中相同的方式来执行在步骤1006的检测、在步骤1008的P/S转换和在步骤1010的解调。

为了更好地理解本发明，将以实际系统作为一个示例。在基于IEEE.802.16标准的正交频分多址(OFDMA)系统中，接收机计算包括N个副载波的每个子信道的平均信道值，以便减少反馈信息的数量。发射机根据子信道的平均信道值来选择STFBC。所述发射机然后向接收机通知所选择的STFBC。这种双向通信保证了通信精度。

作为另一个实施例，发射机可以按照设置的规则来分组发送天线，而不使用来自接收机的反馈信息。天线分组可以被表达为

$D=\left[\begin{array}{cccccccccccc}{S}_1& {-S}_2^{*}& 0& 0& S_5& {-S}_6^{*}& S_7& {-S}_8^{*}& S_9& {-S}_{10}^{*}& 0& 0\\ S_2& S_1^{*}& S_3& {-S}_4^{*}& S_6& S_5^{*}& 0& 0& 0& 0& S_{11}& {-S}_{12}^{*}\\ 0& 0& S_4& S_3^{*}& 0& 0& S_8& S_7^{*}& S_{10}& S_9^{*}& S_{12}& S_{11}^{*}\end{array}\right].....\left(17\right)$

上述的矩阵D是在等式(15)中图解的矩阵的组合[A|B|C]。它是通过可以被自由地设置的矩阵的次序(order)而定义的。因此，可以利用下面的矩阵D：

D＝[A|B|C]，D＝[A|C|B]，D＝[B|A|C]，D＝[B|C|A]，D＝[C|A|B]，D＝[C|B|A]，

在矩阵D中，与等式(13)中的矩阵A类似，行表示发送天线。将列依序分组为对。因此，第一和第二列被映射到第一副载波，第三和第四列被映射到第二副载波，剩余的列以这种方式被映射到第三到第六副载波。在每个列对中的第一和第二码元被映射到副载波，并且分别表示第一和第二码元时间。

分别以A₁、A₂和A₃来表示矩阵A、B和C。在OFDMA通信系统中，通过下式来改变副载波的次序

A_k:k＝mod(floor((N_c-1)/2)，3)+1

                                  .....(18)

其中，N_c是逻辑数据副载波的指数。N_c＝{1，2，3，...，副载波的总数}。逻辑数据副载波指数指的是在OFDM中的快速傅立叶变换(FFT)的副载波指数。按照等式(18)，具有指数1和2的逻辑数据副载波以天线分组模式A₁被映射到发送天线，具有指数3和4的逻辑数据副载波以天线分组模式A₂被映射到发送天线，具有指数5和6的逻辑数据副载波以天线分组模式A₃被映射到发送天线。以这种方式，通过等式(18)来确定用于剩余的副载波的天线分组模式。

如上所述，在按照本发明的通信系统的发射机中、用于按照一种方法来通过多个发送天线而发送输入码元序列的时空频率分组编码装置中，根据从接收机接收的反馈信道信息或者根据在发射机计算的STFBC而选择具有规则性的适当发送矩阵，由此提高STFBC性能。

虽然已经参见其特定的优选实施例示出和说明了本发明。但是本领域内的技术人员可以明白，在不脱离所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (40)

1.一种在使用时空频率分组编码方案的通信系统中的具有三个发送天线的发射机，包括：

预编码器，用于通过将输入码元序列的码元矢量乘以e^jθ来预编码所述码元矢量，θ是相位旋转角；和

时空频率分组编码(STFBC)映射器，用于根据从接收机接收的反馈信道质量指示符(CQI)来选择STFBC，按照所选择的STFBC将预编码的码元映射到发送天线，并且通过发送天线来发送被映射的码元。

2.按照权利要求1的发射机，其中，所述STFBC映射器包括映射器，用于按照所选择的STFBC来向发送天线映射预编码的码元，并且通过发送天线来发送被映射的码元。

3.按照权利要求1的发射机，其中，STFBC映射器通过下述方式根据反馈CQI来选择STFBC：

if CQI_ant1＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix B

if CQI_ant2＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix A

if CQI_ant3＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix C

其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的CQI，并且矩阵A、B和C被给出为

$A=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& {-s}_2^{*}& 0& 0\\ s_2& s_1^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$C=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

其中，行表示对应的天线的码元，列表示使用副载波而映射的码元。

4.按照权利要求2的发射机，其中，STFBC映射器通过下面的方式根据反馈CQI来选择STFBC：

if CQI_ant1＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix B

if CQI_ant2＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix A

if CQI_ant3＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix C

其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的CQI，并且矩阵A、B和C被给出为

$A=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ s_2& s_1^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$C=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

其中，行表示对应的天线的码元，列表示使用副载波而映射的码元。

5.按照权利要求1的发射机，其中，STFBC映射器根据

select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

基于反馈CQI来选择STFBC，以便可以通过具有最高CQI的发送天线来发送更多个码元，其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的CQI。

6.按照权利要求2的发射机，其中，STFBC映射器根据

select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

基于反馈CQI来选择STFBC，以便可以通过具有最高CQI的发送天线来发送多个码元，其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的CQI。

7.按照权利要求1的发射机，其中，向接收机发送所选择的STFBC。

8.按照权利要求2的发射机，其中，向接收机发送所选择的STFBC。

9.按照权利要求1的发射机，其中，每一个反馈CQI都是多个副载波的平均信道信息。

10.按照权利要求2的发射机，其中，每一个反馈CQI都是多个副载波的平均信道信息。

11.一种在使用时空频率分组编码方案的通信系统中的具有三个发送天线的发射机，包括：

预编码器，用于通过将输入码元序列的码元矢量乘以e^jθ来预编码所述码元矢量，θ是相位旋转角；

时空频率分组编码(STFBC)映射器，用于根据从接收机接收的STBC指数来选择STFBC，按照所选择的STFBC将预编码的码元映射到发送天线，并且通过发送天线来发送被映射的码元。

12.按照权利要求11的发射机，其中，所述STFBC映射器包括映射器，用于按照所选择的STFBC来向发送天线映射预编码的码元，并且通过发送天线来发送被映射的码元。

13.按照权利要求11的发射机，其中，通过下述方式在接收机获得STFBC指数：

if CQI_ant1＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix B

if CQI_ant2＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix A

if CQI_ant3＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix C

其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的信道质量指示符(CQI)，并且矩阵A、B和C被给出为

$A=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ s_2& s_1^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$C=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

其中，行表示对应的天线的码元，列表示使用副载波而映射的码元。

14.按照权利要求12的发射机，其中，通过下述方式在接收机获得STFBC指数：

if CQI_ant1＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix B

if CQI_ant2＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix A

if CQI_ant3＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix C

其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的信道质量指示符(CQI)，并且矩阵A、B和C被给出为

$A=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ s_2& s_1^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$C=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

其中，行表示对应的天线的码元，列表示使用副载波而映射的码元。

15.按照权利要求11的发射机，其中，按照

select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

在接收机获得STFBC指数，以便发射机通过具有最高CQI的发送天线来发送多个码元，其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的CQI。

16.按照权利要求12的发射机，其中，根据

select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

在接收机获得STFBC指数，以便发射机通过具有最高CQI的发送天线来发送多个码元，其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的CQI。

17.按照权利要求11的发射机，其中，向接收机发送所选择的STFBC。

18.按照权利要求12的发射机，其中，向接收机发送所选择的STFBC。

19.一种在使用时空频率分组编码方案的、具有三个发送天线的通信系统中的接收机，包括：

信道估计器，用于信道估计通过接收天线而接收的信号，并且输出信道质量指示符(CQI)；和

反馈发射机，用于向发射机的时空频率分组编码(STFBC)映射器发送CQI。

20.按照权利要求19的接收机，其中，每个所述CQI都是多个副载波的平均信道信息。

21.一种在使用时空频率分组编码方案的、具有三个发送天线的通信系统中的接收机，包括：

信道估计器，用于信道估计通过接收天线而接收的信号，并且输出信道质量指示符(CQI)；和

反馈发射机，用于向发射机的STFBC映射器发送使用CQI获得的时空频率分组编码(STFBC)指数。

22.按照权利要求21的接收机，其中，通过

if CQI_ant1＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix B

if CQI_ant2＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix A

if CQI_ant3＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix C

来获得STFBC指数，

其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的信道质量指示符(CQI)，并且矩阵A、B和C被给出为

$A=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ s_2& s_1^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$C=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

其中，行表示对应的天线的码元，列表示使用副载波而映射的码元。

23.一种在使用时空频率分组编码方案的通信系统中的具有三个发送天线的发射机，包括：

预编码器，用于预编码输入码元序列的码元矢量；和

时空频率分组编码(STFBC)映射器，用于根据从接收机接收的反馈信道质量指示符(CQI)来选择STFBC，按照所选择的STFBC将预编码的码元映射到发送天线，并且通过发送天线来发送被映射的码元。

24.按照权利要求23的发射机，其中，STFBC映射器根据

select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

基于反馈CQI来选择STFBC，以便可以通过具有最高CQI的发送天线来发送多个码元，其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的CQI。

25.一种在使用时空频率分组编码方案的通信系统中的具有三个发送天线的发射机，包括：

预编码器，用于预编码输入码元序列的码元矢量；和

时空频率分组编码(STFBC)映射器，用于根据从接收机接收的STFBC指数来选择STFBC，按照所选择的STFBC将预编码的码元映射到发送天线，并且通过发送天线来发送被映射的码元。

26.按照权利要求25的发射机，其中，按照

select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

在接收机获得STFBC指数，以便发射机通过具有最高CQI的发送天线来发送多个码元，其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的CQI。

27.一种在具有三个发送天线的发射机中的时空频率分组编码方法，包括步骤：

通过将输入码元序列的码元矢量乘以e^jθ来预编码所述码元矢量，θ是相位旋转角；和

根据从接收机接收的反馈信道质量指示符(CQI)来选择时空频率分组编码(STFBC)，用于映射预编码的码元。

28.按照权利要求27的时空频率分组编码方法，还包括步骤：按照所选择的STFBC来向发送天线映射预编码的码元，并且通过发送天线来发送被映射的码元。

29.按照权利要求27的时空频率分组编码方法，其中，STFBC选择步骤包括步骤：通过，

if CQI_ant1＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix B

if CQI_ant2＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix A

if CQI_ant3＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix C

基于反馈CQI来选择STFBC，

其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的CQI，并且矩阵A、B和C被给出为

$A=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ s_2& s_1^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$C=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

其中，行表示对应的天线的码元，列表示使用副载波映射的码元。

30.按照权利要求28的时空频率分组编码方法，其中，所述STFBC选择步骤包括：通过下面的内容根据反馈CQI来选择STFBC，

if CQI_ant1＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix B

if CQI_ant2＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix A

if CQI_ant3＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix C

其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的CQI，并且矩阵A、B和C被给出为

$A=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ s_2& s_1^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$C=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

其中，行表示对应的天线的码元，列表示使用副载波而映射的码元。

31.按照权利要求27的时空频率分组编码方法，其中，STFBC选择步骤包括步骤：按照

select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

基于反馈CQI来选择STFBC，以便可以通过具有最高CQI的发送天线来发送多个码元，其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的CQI。

32.按照权利要求27的时空频率分组编码方法，其中，每一个反馈CQI都是多个副载波的平均信道信息。

33.按照权利要求28的时空频率分组编码方法，其中，每一个反馈CQI都是多个副载波的平均信道信息。

34.一种在具有三个发送天线的发射机中发送时空频率分组编码(STFBC)的方法，包括步骤

通过将输入码元序列的码元矢量乘以ejθ来预编码所述码元矢量，θ是相位旋转角；以及

根据从接收机接收的STBC指数来选择STFBC。

35.按照权利要求34的方法，还包括步骤：按照所选择的STFBC来向发送天线映射预编码的码元，并且通过发送天线来发送被映射的码元。

36.一种在使用时空频率分组编码方案的、具有三个发送天线的通信系统中接收时空频率分组编码的码元的方法，包括步骤：

信道估计通过接收天线而接收的信号，并且输出信道质量指示符(CQI)；和

向发射机的时空频率分组编码(STFBC)映射器发送CQI。

37.一种在使用时空频率分组编码方案的、具有三个发送天线的通信系统中接收时空频率分组编码的码元的方法，包括步骤：

信道估计通过接收天线而接收的信号，并且输出信道质量指示符(CQI)；和

向发射机的STFBC映射器发送使用CQI获得的时空频率分组编码(STFBC)指数。

38.按照权利要求37的方法，其中，通过

if CQI_ant1＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix B

if CQI_ant2＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix A

if CQI_ant3＝select max(CQI_ant1，CQI_ant2，CQI_ant3)

use Matrix C

来获得STFBC指数，

其中，CQI_ant1、CQI_ant2、CQI_ant3分别表示第一、第二和第三发送天线的CQI，并且矩阵A、B和C被给出为

$A=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ s_2& s_1^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

$C=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -s_2^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -s_4^{*}\\ s_2& s_1^{*}& s_4& s_3^{*}\end{array}\right]$

其中，行表示对应的天线的码元，列表示使用副载波而映射的码元。

39.一种在具有三个发送天线的发射机中发送时空频率分组编码(STFBC)的方法，包括步骤：

预编码输入码元序列的码元矢量；和

根据从接收机接收的时空频率分组编码(STFBC)来选择STFBC，按照所选择的STFBC将预编码的码元映射到发送天线，并且通过发送天线来发送被映射的码元。

40.一种在使用时空频率分组编码方案的通信系统中的具有三个发送天线的发射机中发送STFBC的方法，包括步骤：

预编码输入码元序列的码元矢量；以及

根据从接收机接收的反馈信道质量指示符(CQI)来选择STFBC，按照所选择的STFBC将预编码的码元映射到发送天线，并且通过发送天线来发送被映射的码元。

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