CN101030833B - 自适应空时编码调制方法及使用其的发射机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应空时编码调制方法及使用其的发射机，该方法包括：在发射端通过仿真或实际测量，获得对应调制方式、空时码的编码方式、反映信号传输质量的参数、和信噪比的曲线，以保证预定信号传输质量的信噪比界值为准则，制作信噪比与调制方式和空时码的编码方式相对应的对应表；通过测量或通过反馈信道，获取当前接收端信噪比，并根据所述对应表，将获得的信噪比与信噪比界值进行比较，选择对应的调制方式和空时码的编码方式，或选择对应的调制方式、信道编码码率和空时码的编码方式；以及根据选择结果，进行信号调制和空时编码，或进行信号调制、信道编码和空时编码。从而达到高的频谱效率，并获得较好的系统稳健性。

Description

自适应空时编码调制方法及使用其的发射机

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及自适应空时编码调制方法及使用其的发射机。

背景技术

自适应调制即根据信道条件自适应的改变调制方式，如低信噪比时采用BPSK，信噪比逐渐增加时可分别采用QPSK，16QAM，64QAM，等等。采用高阶调制可增加系统数据传输效率，并提高系统的频谱利用率。

为保证采用高价调制时系统的稳健性，又可进一步采用自适应编码。如加入码率为1/2的Turbo码或码率为3/4的Turbo码。加入自适应编码后，由于编码的码率小于1，因此降低了数据传输效率，但它大大提高了数据传输的稳健性。在时变，多径和衰落的无线通信信道中，稳健的数据传输非常重要。

如上所述，由于自适应编码调制能提高系统传输数据效率，且能提高系统传输的稳健性，所以自适应编码调制已经成为现代通信系统的重要组成部分。

另外，作为现代通信技术的趋势，MIMO技术能大大提高系统容量或降低数据传输的误码率(BER)，同时增强无线通信系统性能。在使用MIMO的通信系统中，自适应编码调制同样能提高其数据传输速率和系统稳健性。其中，MIMO系统采用的空时编码主要可分为两类，主要获得分集增益的空时码和主要获得复用增益的空时码。

空时码的主要思想是，利用空间和时间上的编码，实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。现有MIMO系统下自适应编码调制采用的空时码的结构固定，一般而言，空时码选择空时块码(Space-time block code，STBC)以获得分集增益，或采用垂直分层空时结构(Vertical-Bell Labs SpaceTime，VBLAST)获得复用增益。然后再采用自适应编码调制进一步提高其数据传输速率和稳健性。

然而，在MIMO系统中，在保证一定信号传输质量的前提下获得更高的频谱效率，当信噪比较低时，分集增益起主要作用，此时如果采用具有大的分集增益的空时码将取得较好的系统性能；当信噪比较大时，复用增益的优势逐渐显露，此时使用具有较大复用增益的空时码将会取得较大的频谱效率。因而，如果只是简单的将结构固定的空时码和自适应编码调制相结合，并不能获得最优的效果。

最近，业界提出了同时具有复用-分集增益的空时编码，其复用-分集增益可调，且相应的空时码可达到较优的复用-分集折衷。使用这种空时编码的常规自适应编码调制仅仅调节外码(如Turbo码，LDPC码)码率，调制方式(BPSK、QPSK、16QAM)，而空时码的结构是固定的，此时不能获得最优的系统性能。

因此，有必要设计一种自适应编码调制方法，其可以同时调节调制方式，空时码的编码方式(改变空时码的结构)和/或信道编码的码率，从而达到高的频谱效率，并获得较好的系统稳健性。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种自适应编码调制方法，其可通过调节空时码的编码方式达到高的频谱效率，并获得较好的系统稳健性。

本发明的第二目的是提供一种使用自适应编码调制方法的发射机，其可通过调节空时码的编码方式达到高的频谱效率，并获得较好的系统稳健性。

根据本发明的第一目的，提供一种自适应空时编码调制方法，包括：步骤A：在发射端通过仿真或实际测量，获得对应调制方式、空时码的编码方式、反映信号传输质量的参数、和信噪比的曲线，以保证预定信号传输质量的信噪比界值为准则，制作信噪比与调制方式和空时码的编码方式相对应的对应表，或者获得对应调制方式、信道编码码率、空时码的编码方式、反映信号传输质量的参数、和信噪比的曲线，以保证预定信号传输质量的信噪比界值为准则，制作信噪比与调制方式、信道编码码率和空时码的编码方式相对应的对应表；步骤B：通过测量或通过反馈信道，获取当前接收端信噪比，并根据所述对应表，将获得的信噪比与信噪比界值进行比较，选择对应的调制方式和空时码的编码方式，或选择对应的调制方式、信道编码码率和空时码的编码方式；以及步骤C：根据步骤B的选择结果，进行信号调制和空时编码，或进行信号调制、信道编码和空时编码。

根据本发明的第二目的，提供一种使用根据第一目的的自适应空时编码调制方法的发射机，包括：制作对应表模块，其通过仿真或实际测量，获得对应调制方式、空时码的编码方式、反映信号传输质量的参数、和信噪比的曲线，以保证预定信号传输质量的信噪比界值为准则，制作信噪比与调制方式和空时码的编码方式相对应的对应表，或者获得对应调制方式、信道编码码率、空时码的编码方式、反映信号传输质量的参数、和信噪比的曲线，以保证预定信号传输质量的信噪比界值为准则，制作信噪比与调制方式、信道编码码率和空时码的编码方式相对应的对应表；获取及选择模块，其通过测量或通过反馈信道，获取当前接收端信噪比，并根据所述对应表，将获得的信噪比与信噪比界值进行比较，选择对应的调制方式和空时码的编码方式，或选择对应的调制方式、信道编码码率和空时码的编码方式；以及编码调制模块，其根据获取及选择模块的选择结果，进行信号调制和空时编码，或进行信号调制、信道编码和空时编码。

本发明的有益效果为：依照本发明的自适应编码调制方法、以及使用该方法的发射机，通过优化空时码的结构，提高系统的频谱利用率，从而可获得高的频谱效率和好的系统稳健性。并可根据接收端的反馈，动态调整对应表，更灵活的进行自适应编码调制。

附图说明

图1显示了依照本发明的实施例1的发射机1的结构模块图；

图2显示了4发4收的MIMO系统下采用本发明进行仿真时获得的性能曲线；

图3显示了依照本发明的自适应调制方法与传统方法在相同信噪比下的性能比较示意图；以及

图4显示了依照本发明的自适应调制方法与传统方法的信噪比-频谱效率的性能比较示意图。

具体实施方式

本发明提供一种用于MIMO系统的、与空时编码结合的自适应编码调制方法、以及使用该方法的发射机。

该自适应编码调制方法主要是将调制方式和空时码编码，或者将调制方式、信道编码和空时码编码有机结合在一起，通过对上述两种结合方式进行调节，从而可以取得更高的频谱效率和较好的系统稳健性。

其中，与现有空时码编码不同之处在于，本发明的自适应编码调制方法使用公知的信道利用率可调节的空时码，例如线性散射空时码(LD码)，螺纹代数空时码(TAST)和格码(Lattice码)，但是空时码的结构随信道变化而改变。这样，在仍使用同一空时码(只是其结构随信道变化而变化)的情况下，由于解码方法相同，从而可进一步降低接收机的复杂度，不需设计两种解码方法(空时块码和VBLAST)。

下面，在具体介绍本发明的自适应编码调制方法、以及使用该方法的发射机之前，将首先以螺纹代数空时码为例说明本发明中空时码的编码方式(结构变化)。

定义空时码编码速率为每根天线在每一时隙传输数据符号数，也可以用信道利用率(PCU—per channel use)表示。当编码速率为1时，螺纹代数空时码的编码矩阵为

$\left(\begin{array}{cccc}{S}_1& {\mathrm{\φ}}^{3/4}{S}_4& {\mathrm{\φ}}^{2/4}{S}_3& {\mathrm{\φ}}^{1/4}{S}_2\\ {\mathrm{\φ}}^{1/4}{S}_2& S_1& {\mathrm{\φ}}^{3/4}{S}_4& {\mathrm{\φ}}^{2/4}{S}_3\\ {\mathrm{\φ}}^{2/4}{S}_3& {\mathrm{\φ}}^{1/4}{S}_2& S_1& {\mathrm{\φ}}^{3/4}{S}_4\\ {\mathrm{\φ}}^{3/4}{S}_4& {\mathrm{\φ}}^{2/4}{S}_3& {\mathrm{\φ}}^{1/4}{S}_2& S_1\end{array}\right)$

上式中φ为Diophantine数，用于保证空时码的全分集。此编码矩阵在4个时隙共传输数据符号S₁～S₄(4个)。

当编码速率为2时，其编码矩阵为

$\left(\begin{array}{cccc}{S}_{11}& {\mathrm{\φ}}^{3/4}{S}_{42}& {\mathrm{\φ}}^{2/4}{S}_{31}& {\mathrm{\φ}}^{1/4}{S}_{22}\\ {\mathrm{\φ}}^{1/4}{S}_{21}& S_{12}& {\mathrm{\φ}}^{3/4}{S}_{41}& {\mathrm{\φ}}^{2/4}{S}_{32}\\ {\mathrm{\φ}}^{2/4}{S}_{31}& {\mathrm{\φ}}^{1/4}{S}_{22}& S_{11}& {\mathrm{\φ}}^{3/4}{S}_{42}\\ {\mathrm{\φ}}^{3/4}{S}_{41}& {\mathrm{\φ}}^{2/4}{S}_{32}& {\mathrm{\φ}}^{1/4}{S}_{21}& S_{12}\end{array}\right)$

此编码矩阵在4个时隙共传输数据符号S₁₁～S₄₂(8个)。当编码速率为4时，其编码矩阵为

$\left(\begin{array}{cccc}{S}_{11}& {\mathrm{\φ}}^{3/4}{S}_{42}& {\mathrm{\φ}}^{2/4}{S}_{33}& {\mathrm{\φ}}^{1/4}{S}_{24}\\ {\mathrm{\φ}}^{1/4}{S}_{21}& S_{12}& {\mathrm{\φ}}^{3/4}{S}_{43}& {\mathrm{\φ}}^{2/4}{S}_{34}\\ {\mathrm{\φ}}^{2/4}{S}_{31}& {\mathrm{\φ}}^{1/4}{S}_{22}& S_{13}& {\mathrm{\φ}}^{3/4}{S}_{44}\\ {\mathrm{\φ}}^{3/4}{S}_{41}& {\mathrm{\φ}}^{2/4}{S}_{32}& {\mathrm{\φ}}^{1/4}{S}_{23}& S_{14}\end{array}\right)$

此编码矩阵在4个时隙共传输数据符号S₁₁～S₄₄(16个)。

在保证信号传输质量的前提下为获得高的频谱效率，在信噪比较低时，由于分集作用起支配地位，编码可以选择较小的PCU；当信噪比增加时，复用渐渐起重要作用，此时可逐渐增加PCU的值。由此，本发明中的空时码编码方式通过调整编码速率(信道利用率)，可调节系统数据传输率。

实施例1

图1显示了依照本发明的实施例1的发射机1的结构模块图。

如图1所示，依照本发明的实施例1的发射机1包括制作对应表模块11、获取及选择模块12、和编码调制模块13。

制作对应表模块11通过仿真或实际测量，获得对应调制方式、空时码的编码方式、反映信号传输质量的参数、和信噪比的曲线，以得到保证预定信号传输质量时的信噪比界值；并以保证预定信号传输质量的信噪比界值为准则，制作信噪比与调制方式和空时码的编码方式相对应的对应表。

其中，反映信号传输质量的参数包括误码率、误帧率、误符号率等等。信噪比界值的设定也可根据实际通信要求任意设置。

获取及选择模块12通过测量信道状态或通过反馈信道(接收机反馈的信噪比)，获取当前接收端的信噪比，并根据制作对应表模块11制作的对应表，将获得的信噪比与信噪比界值进行比较，如果获得的信噪比在某一信噪比界值范围内，则选择该信噪比界值对应的调制方式和空时码的编码方式。

编码调制模块13根据获取及选择模块12的选择结果，进行信号调制和空时编码。

同时，制作对应表模块11和获取及选择模块12也将其分别获得的对应表以及选择结果发送给接收机，使得接收机能通过现有解调解码技术正确解调解码接收信号，在此不再详述。

下面举例说明制作对应表模块11如何制作对应表。

图2显示了在4发4收的MIMO系统下制作对应表模块11获得的对应调制方式、空时码的编码方式、反映信号传输质量的参数(BER)、和信噪比的仿真曲线。其横坐标为信噪比，其纵坐标为误码率(BER)。

此时，制作对应表模块11可根据实际通信要求，以预定的BER＝10^-4为准则，选择2dB、6.5dB、9.6dB、14.5dB、21.5dB为信噪比界值(也可以选择其它数值)，则在图2所示的仿真曲线图上，根据BER＝10^-4和信噪比界值两者所对应的仿真曲线，可获得BER＝10^-4和信噪比界值两者所对应的调制方式和空时码编码方式(空时编码的信道利用率)，从而获得表一所示的对应表。

其中，这里是将BER＝10^-4和仿真曲线的交叉点所对应的横坐标(SNR值，2dB等)选择作为信噪比界值，当然，也可按照通信的实际经验设定信噪比界值。

表一依照本发明实施例1的制作对应表模块11制作的对应表

由表一可知，在实施例1中，随信噪比不同，不但调制方式变化，空时码的编码方式也在自适应变化。比如在低信噪比时选择具有低信道利用率(PCU，per channel use)的空时码以获得好的误码率性能；在信噪比较大时逐步增大空时码的信道利用率，以在保证一定信号传输质量的前提下提高系统的频谱利用率，从而可获得高的频谱效率。

实施例2

依照本发明的实施例2的发射机与实施例1的发射机结构相同，包括制作对应表模块11、获取及选择模块12、和编码调制模块13。

制作对应表模块11通过仿真或实际测量，获得对应调制方式、信道编码码率、空时码的编码方式、反映信号传输质量的参数、和信噪比的曲线，以得到保证预定信号传输质量时的信噪比界值；并以保证预定信号传输质量的信噪比界值为准则，制作信噪比与调制方式、信道编码码率和空时码的编码方式相对应的对应表。其中，反映信号传输质量的参数包括误码率、误帧率、误符号率等等。信道编码码率为外码(如Turbo码，LDPC码)的码率。

获取及选择模块12通过测量或通过反馈信道，获取当前信噪比，并根据制作对应表模块11制作的对应表，将获得的信噪比与信噪比界值进行比较，如果获得的信噪比在某一信噪比界值范围内，则选择该信噪比界值对应的调制方式、信道编码码率和空时码的编码方式。

编码调制模块13根据获取及选择模块12的选择结果，进行信号调制、信道编码和空时编码。

同时，制作对应表模块11和获取及选择模块12也将其分别获得的对应表以及选择结果发送给接收机，使得接收机能通过现有解调解码技术正确解调解码接收信号，在此不再详述。

表二显示了依照本发明实施例2的制作对应表模块11制作的对应表的实例。

在4发4收的MIMO系统下，制作对应表模块11在仿真或实际测量后，按误码率为10^-3设计对应表。

表二依照本发明实施例2的制作对应表模块11制作的对应表

根据表二，若获取及选择模块12测量或根据反馈信道获得的信噪比为8dB，则查表可选择当前的自适应编码调制应采用调制方式为QPSK，信道编码码率为2/3，空时编码的信道利用率为4。此时可获得的对应的频谱效率为16/3bits/s/Hz。

在本实施例中，由于信道编码的速率也可调，使得本发明的自适应编码调制方法具有很好的灵活性。

由表二可知，在实施例实施例2中，随信噪比不同，不但调制方式变化，信道编码码率和空时编码方式也在自适应变化。比如通过适当的变化信道编码码率，为在保证一定信号传输质量的前提下获得更高的频谱效率，在信噪比较低时，分集作用起支配地位，此时选择较小PCU和较小的调制阶数；当信噪比增加时，复用渐渐起重要作用，此时可逐渐增加PCU的值，适当选取调制阶数(这里，BPSK为低阶调制方式，16QAM为高阶调制方式)，以取得较好的BER性能和数据传输速率；当PCU已达到最大值时，通过调节调制阶数来增加数据传输速率，以在保证一定信号传输质量的前提下获得高的频谱效率，提高系统的频谱利用率，从而可获得高的频谱效率和好的系统稳健性，并更灵活的实现自适应编码调制。

实施例3

依照本发明的实施例3的发射机与实施例1和实施例2的发射机结构相同，包括制作对应表模块11、获取及选择模块12、和编码调制模块13。

与实施例1或2相同的是，制作对应表模块11首先制作信噪比与调制方式和空时码的编码方式相对应的对应表，或制作信噪比与调制方式、信道编码码率和空时码的编码方式相对应的对应表。

获取及选择模块12通过测量或通过反馈信道，获取当前信噪比，并选择该信噪比界值对应的调制方式和空时码的编码方式，或选择该信噪比界值对应的调制方式、信道编码码率和空时码的编码方式。

编码调制模块13根据获取及选择模块12的选择结果，进行信号调制和空时编码，或进行信号调制、信道编码和空时编码。

同时，制作对应表模块11和获取及选择模块12也将其分别获得的对应表以及选择结果发送给接收机，使得接收机能通过现有解调解码技术正确解调解码接收信号。

与实施例1和实施例2不同之处在于，如果接收机根据发射机发送的对应表和选择结果对接收信号解调解码时，并不能获得作为该对应表制作准则的信号传输质量(例如，误码率)，则接收机将解调解码后获得的反映信号传输质量的参数等信息反馈给发射机。

发射机中的制作对应表模块11进一步根据接收机的反馈信息，重新调整所述对应表或重新选择。

例如，制作对应表模块11首先按照误码率10^-3制作对应表，且制作对应表模块11和获取及选择模块12将对应表和选择结果(例如对应于5dB)发送给接收机，接收机在对接收信号进行解调解码时，获得误码率10^-2，则接收机将误码率10^-2和信噪比(当前为4dB)等信息反馈给发射机，发射机中的制作对应表模块11将对应表中与接收机反馈的信噪比(4dB)对应的调制方式等进行改变，即改变调制方式(降低调制方式阶数，原为QPSK，现为BPSK)和/或改变空时码的编码方式(降低空时编码的信道利用率)。

如果接收机获得的误码率不大于10^-3，则发射机无需进行对应表的动态调整。

从而依照实施例3的发射机可动态调整对应表，更灵活的进行自适应编码调制。

图3显示了依照本发明的自适应调制方法与传统方法的性能比较示意图。如图3所示，假定传统自适应调制方法采用TAST空时码，其结构固定(分别为PCU＝1、PCU＝2、PCU＝4)，在目标误码率为10^-3，和准静态，独立同分布的瑞利衰落信道下，依照实施例1的发射机使用的自适应调制方法与传统方法相比较可知，在相同信噪比下，本发明具有更大的频谱效率(斜划线表示传统方法无法工作)。

图4显示了依照本发明的自适应调制方法与传统方法的性能比较示意图。如图4所示，假定传统自适应调制方法采用TAST空时码，其结构固定(PCU＝1)，依照实施例1的发射机使用的自适应调制方法与传统方法相比较可知，在相同信噪比下，本发明具有更大的频谱效率；或在相同的频谱效率时本发明具有更小的信噪比。

综上所述，依照本发明的自适应编码调制方法、以及使用该方法的发射机，通过优化空时码的结构，在保证一定的信号传输质量前提下提高系统的频谱利用率，从而可获得高的频谱效率和好的系统稳健性。并可根据接收端的反馈，动态调整对应表，更灵活的进行自适应编码调制。

对该技术领域的普通技术人员来说，根据以上实施类型可以很容易的联想到其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实施例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员可以根据上述具体实施例通过各种等同替换所得到的技术方案，但是这些技术方案均应该包含在本发明的权利要求的范围及其等同的范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应空时编码调制方法，包括：

步骤A：在发射端通过仿真或实际测量，获得对应调制方式、可调节的空时码的信道利用率、反映信号传输质量的参数、和信噪比的曲线，以保证预定信号传输质量的信噪比界值为准则，制作信噪比与调制方式和空时码的信道利用率相对应的对应表，或者

获得对应调制方式、信道编码码率、空时码的信道利用率、反映信号传输质量的参数、和信噪比的曲线，以保证预定信号传输质量的信噪比界值为准则，制作信噪比与调制方式、信道编码码率和空时码的信道利用率相对应的对应表，其中，空时码的信道利用率的调节是通过改变空时码的编码矩阵的结构而获得的；

步骤B：通过测量或通过反馈信道，获取当前接收端信噪比，并根据所述对应表，将获得的信噪比与信噪比界值进行比较，选择对应的调制方式和空时码的信道利用率，或选择对应的调制方式、信道编码码率和空时码的信道利用率；以及

步骤C：根据步骤B的选择结果，进行信号调制和空时编码，或进行信号调制、信道编码和空时编码。

2.如权利要求1所述的自适应空时编码调制方法，其中，

反映信号传输质量的参数包括误码率、误帧率、或误符号率；

该空时码为信道利用率可调的空时码，其包括线性散射空时码、螺纹代数空时码、或格码。

3.如权利要求2所述的自适应空时编码调制方法，其中，

所述空时码的信道利用率不固定，所述信道利用率随信道变化而变化。

4.如权利要求3所述的自适应空时编码调制方法，其中，

在所述对应表中，低信噪比对应于低信道利用率的空时码和低阶调制方式，高信噪比对应于较大信道利用率的空时码和高阶调制方式。

5.如权利要求1-4中任一项所述的自适应空时编码调制方法，进一步包括，

步骤D：发射端将所述对应表和选择结果发送给接收端，用于对接收信号进行解调解码，在接收端检测不能达到预定信号传输质量的情况下，反馈发射端，重新执行步骤B，或者按照降低调制方式和/或降低空时码的信道利用率的原则，重新调整所述对应表。

6.一种使用权利要求1-5中任一项的自适应空时编码调制方法的发射机，包括：

制作对应表模块，其通过仿真或实际测量，获得对应调制方式、可调节的空时码的信道利用率、反映信号传输质量的参数、和信噪比的曲线，以保证预定信号传输质量的信噪比界值为准则，制作信噪比与调制方式和空时码的信道利用率相对应的对应表，或者

获得对应调制方式、信道编码码率、空时码的信道利用率、反映信号传输质量的参数、和信噪比的曲线，以保证预定信号传输质量的信噪比界值为准则，制作信噪比与调制方式、信道编码码率和空时码的信道利用率相对应的对应表，其中，空时码的信道利用率的调节是通过改变空时码的编码矩阵的结构而获得的；

获取及选择模块，其通过测量或通过反馈信道，获取当前接收端信噪比，并根据所述对应表，将获得的信噪比与信噪比界值进行比较，选择对应的调制方式和空时码的信道利用率，或选择对应的调制方式、信道编码码率和空时码的信道利用率；以及

编码调制模块，其根据获取及选择模块的选择结果，进行信号调制和空时编码，或进行信号调制、信道编码和空时编码。

7.如权利要求6所述的发射机，其中，

反映信号传输质量的参数包括误码率、误帧率、或误符号率；

该空时码为信道利用率可调的空时码，其包括线性散射空时码、螺纹代数空时码、或格码。

8.如权利要求7所述的发射机，其中，

所述空时码的信道利用率不固定，其信道利用率随信道变化而变化。

9.如权利要求8所述的发射机，其中，

在所述对应表中，低信噪比对应于低信道利用率的空时码和低阶调制方式，高信噪比对应于较大信道利用率的空时码和高阶调制方式。

10.如权利要求6-9中任一项所述的发射机，其中，

发射端将所述对应表和选择结果发送给接收端，用于对接收信号进行解调解码，在接收端检测不能达到预定信号传输质量的情况下，反馈发射端，制作对应表模块按照降低调制方式和/或降低空时码的信道利用率的原则，重新调整所述对应表。

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