CN101053229A - 使用空间－时间块编码发射和接收数据的装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于具有四个发射天线的发射机的STFBC编码装置。在该发射机中，编码器通过以预定的编码方法编码输入码元序列来产生编码码元向量。分组块通过将所述编码码元向量乘以根据预定的次序从预定的置换天线分组模式中选出的置换天线分组模式，来置换所述编码码元向量的元素，并且将该置换的编码码元向量作为分组码元向量输出。Alamouti类型编码器以Alamouti类型方案编码所述分组码元向量并且通过所述四个发射天线发射该Alamouti类型编码的码元。

Description

使用空间-时间块编码发射和接收数据的装置和方法

技术领域

本发明通常涉及在有四个发射(Tx)天线的发射机中的空间-时间-频率块(space-time-frequency block)编码装置，并且具体地，涉及用于为了提高空间-时间-频率块代码(STFBC)的性能而根据预定的使用从接收机接收的反馈信息或使用所选择的具有正则性(regularity)的发射(transmission)矩阵的方法通过四个发射天线发射输入码元序列的装置和方法。

背景技术

在通信(communication)中的基本问题是在信道上发射(transmit)数据的效率和可靠性。由于未来一代的多媒体移动通信要求能够传输除了单独的语音(voice)信息之外的包括视频和无线数据的多种信息的高速通信系统，通过使用合适的信道编码方法来增加系统的效率非常重要。

通常地，在移动通信系统的无线信道环境中，不同于有线信道环境，发射信号由于诸如多径干扰、遮蔽、波衰减、时变噪声和衰落的几个因素而不可避免地经历损失。

信息损失导致发射信号的严重失真，降低(degrading)了整个系统的性能。为了减少信息损失并且提高系统可靠性，经常采用许多错误控制技术。纠错码的使用通常被采用。

在无线通信系统中通过分集技术(diversity technique)减轻多径衰落。分集技术包括时间分集、频率分集和天线分集。

天线分集使用多个天线。这个分集方案进一步被划分为使用多个接收(Rx)天线的接收天线分集、使用多个发射天线的发射天线分集、以及使用多个发射天线和多个接收天线多输入多输出(MIMO)。

MIMO是空间-时间编码(STC)的特殊例子，该空间-时间编码为了达到更低的错误率，通过多个发射天线发射以预定的编码方法编码的信号而将时域的编码扩展到空间域(space domain)。

V.Tarokh等提出了用于有效地应用天线分集的空间-时间块编码(STBC)(参见“Space-Time Block Coding from Orthogonal Designs”，IEEE Trans.OnInfo.，Theory，Vol.45，pp.1456-1467，July 1999)。Tarokh的STBC方案是S.M.Alamouti的发射天线分集方案(参见“A Simple Transmit DiversityTechnique for Wireless Communication”，IEEE Journal on Selected Area inCommunication，Vol.16，pp.1451-1458，October 1988)的用于2个或者更多个发射天线的扩展。

图1是在移动通信系统中的使用传统Tarokh STBC方案的发射机的方框图。该发发射机包括调制器100、串并(S/P)转换器102、STBC编码器104和四个发射天线106、108、110和112。

参考图1，调制器100以预定的调制方案调制输入信息数据(或者编码的数据)，该调制方案可以是二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)、正交幅度调制(QAM)、脉冲幅度调制(PAM)或者相移键控(PSK)。

S/P转换器102将从调制器100接收的串行调制码元s₂、s₂、s₃、s₄转换为并行码元。STBC编码器104通过STBC编码(STBC-encoding)这四个调制码元s₁、s₂、s₃、s₄创建8个码元组合，并且顺序地通过四个发射天线106到112将它们发射。用于产生8个码元组合的编码矩阵如等式(1)所示：

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

其中G₄表示用于通过四个发射天线106到112发射的码元的编码矩阵，s₁、s₂、s₃、s₄表示将被发射的输入的四个码元。编码矩阵的列表示发射天线，而行表示被要求发射四个码元的时间。所以，四个码元在8个时间间隔通过四个发射天线被发射。

具体而言，在第一时间间隔，s₁通过第一发射天线106被发射，s₂通过第二发射天线108被发射，s₃通过第三发射天线110被发射，并且s₄通过第四发射天线112被发射。以这样的方式，

-s₄ ^*，-s₃ ^*，s₂ ^*，-s₁ ^*

在8个时间间隔分别地通过第一到第四发射天线106到112被发射。即，STBC编码器104顺序地将在编码矩阵中第i列的码元提供给第i发射天线。

如上所述，STBC编码器104使用输入的四个码元以及它们的共轭(conjugate)和负数(negative)产生8个码元序列，并在8个时间间隔通过四个发射天线将它们发射。由于对于各个发射天线的码元序列是相互正交的，获得的分集增益(gain)和分集阶数一样高。

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。接收机是图1所示的发射机的对应部分(counterpart)。

接收机包括多个接收天线200到202、信道估计器204、信号组合器206、检测器208、并串(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到202将从图1所示的发射机的四个发射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利用从第一到第P接收天线200到202接收的信号，估计表示从发射天线106到112至接收天线200到202的信道增益的信道系数。

信号组合器206以预定的方法将从第一到第P接收天线200到202接收的信号与所述信道系数相组合。

检测器208通过将组合的码元乘以信道系数来产生假定(hypothesis)码元，使用该假定码元计算对于来自发射机的所有可能的发射的码元的决策统计，并通过阈值检测来检测实际发射的码元。

P/S转换器210将从检测器208接收的并行码元转换成串行码元。解调器212以预定的解调方法解调该串行码元序列，由此恢复原始的信息比特。

如更早些所述的，Alamouti STBC技术通过仅两个发射天线发射复数(complex)码元提供获得与发射天线数目一样高的分集阶数(即，全分集阶数)的收益(benefit)而不牺牲数据率。

同时，如参考图1和图2所描述的，Tarokh STBC方案以具有正交列的矩阵的形式使用STBC实现了完全的分集阶数。然而，由于四个复数码元在8个时间间隔被发射，Tarokh STBC方案导致了数据率降低一半。另外，由于它占用了8个时间间隔来完整地发射一个具有四个复数码元的块(block)，在一个快速衰落信道上接收性能因为块内的信道变化而被减小。换句话说，通过四个或者更多个发射天线发射复数码元，N个码元需要2N个时间间隔，导致更长的等待时间和数据率的降低。

为了在通过3个或者更多个发射天线发射复数信号的MIMO系统中实现完全速率，Giannakis组提出了一种用于四个发射天线的在复数域上使用星座(constellation)旋转的全分集、全速率(FDFR)的STBC。

图3是在移动通信系统中的使用传统Giannakis STBC方案的发射机的方框图。该发射机包括调制器300、预编码器302、空间-时间映射器304、以及多个发射天线306、308、310和312。

参考图3，调制器300以预定的诸如BPSK、QPSK、QAM、PAM、或PSK的调制方案调制输入信息数据(或编码的数据)。

预编码器302预先编码N_t个从调制器300接收的调制码元d₁、d₂、d₃、d₄以使在信号空间产生信号旋转，并且输出作为结果的N_t个码元。为标记简单起见，假定为四个发射天线。码元d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)计算调制信号序列d产生复数向量r。

$r=\mathrm{\Θd}=\left[\begin{array}{cccc}1& a_0^1& a_0^2& a_0^3\\ 1& a_1^1& a_1^2& a_1^3\\ 1& a_2^1& a_2^2& a_2^3\\ 1& a_3^1& a_3^2& a_3^3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{d}_1\\ d_2\\ d_3\\ d_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2\\ r_3\\ r_4\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，Θ表示预编码矩阵。Giannakis组使用单位Vandermonde矩阵作为预编码矩阵。在预编码矩阵中，α_i以等式(3)给出：

α_i＝exp(j2π(i+1/4)/4)，i＝0，1，2，3

                                      .....(3)

Giannakis STBC方案使用四个发射天线，并且同样容易地被扩展到多于四个发射天线。空间-时间映射器304以STBC方式编码在下述等式(4)的矩阵中的预编码的码元：

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

其中S为用于通过四个发射天线306到312发射的码元的编码矩阵。编码矩阵的列数等于发射天线的数目，且行数对应于要求发射四个码元的时间。即，四个码元在四个时间间隔通过四个发射天线被发射。

具体而言，在第一时间间隔，r₁通过第一发射天线306被发射。在第二时间间隔，r₂通过第二发射天线308被发射。在第三时间间隔，r₃通过第三发射天线310被发射。在第四时间间隔，s₄通过第四发射天线312被发射。

当接收到在四个时间间隔的无线信道上的四个码元时，接收机(未示出)通过最大似然性(ML)解码来恢复调制码元序列d。

2003年，Tae-Jin Jung和Kyung-Whoon Cheun提出了和Giannakis STBC相比具有优秀的编码增益的预编码器和级联码(concatenated code)。他们通过级联Alamouti STBC而不是使用由Giannakis组提出的对角矩阵来提高编码增益。为方便起见，将他们的STBC称为“Alamouti FDFR STBC”。

下面将描述Alamouti FDFR STBC。图4是在使用传统Alamouti FDFRSTBC的移动通信系统中的用于四个发射天线的发射机的方框图。如图4所示，该发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以及四个发射天线410、412、414和416。

参考图4，预编码器400预编码输入的四个调制码元d₁、d₂、d₃、d₄以使在信号空间发生信号旋转。对于输入的四个调制码元的序列d，预编码器400通过根据等式(5)进行计算来产生一复数向量r：

$r=\mathrm{\Θd}=\left[\begin{array}{cccc}1& a_0^1& a_0^2& a_0^3\\ 1& a_1^1& a_1^2& a_1^3\\ 1& a_2^1& a_2^2& a_2^3\\ 1& a_3^1& a_3^2& a_3^3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{d}_1\\ d_2\\ d_3\\ d_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2\\ r_3\\ r_4\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中，α_i＝exp(j2π(i+1/4)/4)，i＝0，1，2，3。

映射器402将四个预编码的码元成对地分组，并且输出两个各自包含两个元素的向量[r₁，r₂]^T和[r₃，r₄]^T分别到Alamouti编码器406和延迟器404。

延迟器404使第二向量[r₃，r₄]^T延迟一个时间间隔。所以，第一向量[r₁，r₂]^T在第一时间间隔被提供给Alamouti编码器406，而第二向量[r₃，r₄]^T在第二时间间隔被提供给Alamouti编码器408。Alamouti编码器是指在Alamouti STBC方案中操作的编码器。

Alamouti编码器406编码[r₁，r₂]^T以便它在第一和第二时间间隔通过第一和第二发射天线410和412被发射。Alamouti编码器408编码[r₃，r₄]^T以便它在第三和第四时间间隔通过第三和第四发射天线414和416被发射。下面是用来通过多个天线发射来自映射器402的四个码元的编码矩阵，如在等式(6)中所述：

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

不同于在等式(4)中示出的编码矩阵，上面的编码矩阵被设计为Alamouti STBC矩阵而不是对角矩阵。使用Alamouti STBC方案提高了编码增益。第i行表示第i个时间间隔，而第j列表示第j个发射天线。

所以，

r₁和r₂

在第一时间间隔分别通过第一和第二发射天线410和412被发射，并且

-r₂ ^*和r₁ ^*

在第二时间间隔分别通过第一和第二发射天线410和412被发射。

r₃和r₄

在第三时间间隔分别通过第三和第四发射天线414和416被发射，并且

-r₄ ^*和r₃ ^*

在第四时间间隔分别通过第三和第四发射天线414和416被发射。

然而，这种Alamouti FDFR STBC具有明显的编码复杂度增加的缺点，因为发射机必须在预编码矩阵的所有元素和输入向量之间执行预编码计算。例如，由于在预编码矩阵的元素中不包含0，计算必须在用于四个发射天线的16个元素上完成。并且，为了解码由发射机发射的信号d，接收机必须执行具有大量计算的ML解码。为了减少这样高的复杂度，三星电子的Chan-Byoung Chae等人提出了下述等式(7)的矩阵：

其中，Θ是用于任意偶数个发射天线的预编码矩阵。随后的操作以和在Cheun中执行的同样的方式被执行；然而，和FDFR Alamouti STBC方案相比，Chae的方案通过一系列的删余(puncturing)和移位(shifting)操作显著地减少了在接收机的ML解码复杂度。

所有上述的方法遭受相对于允许对发射码元线性解码的Alamouti方案的高解码复杂度。所以，已经进行持续的努力来进一步减少解码复杂度。在这样的背景下，来自印度的Sundar Rajan教授的组(下文中称为Sundar Rajan组)提出了可以允许线性解码的FDFR STBC。

在这个STBC中，在等式(6)中示出的编码矩阵的每个值r_i都被乘以e^jθ(即，在复数平面上的旋转)，并且作为结果的新的值x_i+jy_i的实数部分和虚数部分被重建。作为结果的编码矩阵如下面在等式(8)中所示：

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

使用等式(8)允许在接收机线性解码，所以减少了解码复杂度。SundarRajan组使用固定的相位旋转角度θ。这里，θ＝(1/2)atan2。

使用Sundar Rajan组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在预编码器中被乘以exp(jθ)，然后在映射器中被重建。

具体而言，映射器重建预编码的码元c_i＝ x_i+jy_i到c₁′＝x₁+jy₃、c₂′＝x₂+jy₄、c₃′＝x₃+jy₁和c₄′＝x₄+jy₂，并且重建的码元成对地分组到向量[c₂′c₁′]和[c₄′c₃′]。向量[c₂′c₁′]和[c₄′c₃′]通过它们对应的Alamouti编码器被发射。

但是，上面描述的编码方法普遍地在实现具有四个发射天线的FDFR系统中增加接收机的复杂度。

因此，需要可以提高性能而不增加接收机复杂度的系统。所以IEEE802.16系统使用在如图4所示的预编码器中被描述为单位矩阵(identitymatrix)的STC。在这种情况下，尽管在具有四个发射天线的系统中分集增益不大于2，现有的Alamouti接收机能够依然被使用。

然而，这种系统需要在性能上进一步提高以用于更精确的通信。因此，存在用于提高使用表示为用于四个发射天线的单位矩阵的STC的通信系统的比特错误率(BER)/帧错误率(FER)性能的装置和方法的需要。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于在具有四个发射天线的移动通信系统中提高BER/FER性能的使用STBC方案的发射装置和方法。

本发明的另外一个目的是提供一种使用STBC方案的发射装置和方法，该发射装置和方法通过基于来自接收机的反馈信道信息选择天线分组模式、将码元向量乘以该天线分组模式、在具有多个发射天线的移动通信系统中通过四个发射天线发射作为结果的分组码元向量来提高BER/FER性能。

本发明的进一步的目的是提供一种STBC编码装置和方法，该编码装置和方法通过将码元向量乘以预定的置换(permute)天线分组模式并且在具有多个发射天线的移动通信系统中通过四个发射天线发射作为结果的分组码元向量来提高BER/FER性能。

通过提供用于使用STBC方案发射和接收信号的装置和方法实现上述的目的。

根据本发明的一个方面，在通信系统中的具有四个发射天线的发射机中，编码器通过以预定的编码方法编码输入码元序列来产生编码码元向量。分组块通过将所述编码码元向量乘以根据预定的次序从预定的置换天线分组模式中选出的置换天线分组模式来置换所述编码码元向量的元素，并且将置换的编码码元向量作为分组码元向量输出。Alamouti类型编码器以Alamouti类型方案编码所述分组码元向量，并且通过所述四个发射天线发射该Alamouti类型编码的码元。

根据本发明的另一个方面，在通信系统中的用于四个发射天线的发射方法中，通过在预定编码方法中编码输入码元序列产生编码码元向量。根据预定的次序选择预定的置换天线分组模式中的一个，通过将所述编码码元向量乘以所述选出的置换天线分组模式来置换所述编码码元向量的元素，并且将所述置换的编码码元向量作为分组码元向量输出。分组码元向量被以Alamouti类型方案编码并且通过所述四个发射天线被发射。

附图说明

根据下面结合附图对本发明的详细说明，本发明的上述及其他目的、特征和优点将变得更为明显，在附图中：

图1是在使用传统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是在使用传统的具有四个发射天线的Alamouti FDFR STBC方案的移动通信系统中的发射机的方框图；

图5是根据本发明的实施例在使用STBC方案的移动通信系统中的发射机的方框图；

图6是根据本发明的实施例在使用STFBC方案的移动通信系统中的发射机的方框图；

图7是根据本发明的实施例在使用STBC方案的移动通信系统中的接收机的方框图；

图8示出了根据本发明在使用STBC方案的移动通信系统中的发射操作的流程图；

图9示出了根据本发明在使用STBC方案的移动通信系统中接收机的接收操作的流程图；

图10为根据本发明使用STBC方案的移动通信系统的未编码BER性能的曲线图；以及

图11为根据本发明使用STBC方案的移动通信系统的编码BER/FER性能的曲线图。

具体实施方式

在本文中下面将参考附图描述本发明的优选实施例。在下面的描述中，对众所周知的功能或者结构不详细地描述，因为在不必要的细节中它们可能使本发明不明显。

本发明是用来提供通过使用预期用于减少接收机复杂度的单位矩阵或从关于STC的单位矩阵衍生的其他矩阵分组发射天线来提高性能的技术，所述矩阵如在通信系统中被描述为下述等式(9)中的矩阵A或者在图5和图6中的发射机中被图示：

$A=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& {{-s}_2}^{*}& 0& 0\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& {{-s}_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

其中矩阵A的列表示时间，而行表示发射天线。

图5是根据本发明的实施例在使用STBC方案的移动通信系统中的发射机的方框图。作为例子示出的该发射机具有四个发射天线。

参考图5，矩阵A编码器510位于分组块(grouping block)520之前，用于产生被表示为矩阵A的STC。分组块520接收来自矩阵A编码器510的STC码元序列和从接收机反馈的CQI(信道质量信息)或分组索引(grouping index)。分组索引指示分组模式，通过该分组模式将特定的天线分组且映射到Alamouti编码器。接收机根据等式(11)选择单位矩阵AG₁和其他矩阵AG₂及AG₃中的一个。这些矩阵AG₁、AG₂和AG₃表示如在图5和图6所示的天线分组模式。在发射机接收到反馈CQI的情况下，它通过计算等式(11)选择矩阵AG₁、AG₂和AG₃中的一个。

分组块520根据CQI或者分组索引选择矩阵AG₁、AG₂和AG₃中的一个，将矩阵A乘以所选择的矩阵，并且将作为结果的矩阵的码元映射到四个发射天线。例如，如果反馈分组索引指示第一和第二发射天线分组被映射到第一Alamouti编码器并且第三和第四发射天线分组被映射到第二Alamouti编码器，一些输入码元在t1和t2时间通过第一和第二发射天线被发射而其他的输入码元在t3和t4时间通过第三和第四发射天线被发射，其中矩阵A的列代表时间并且行代表发射天线。

在图5中，当接收到来自接收机的反馈CQI或者反馈分组索引时，分组块520将矩阵A乘以天线分组矩阵AG₁、AG₂和AG₃中的一个，并且Alamouti编码器530和540编码从分组块520接收的码元。Alamouti编码码元被表示为矩阵A1、A2和A3中的一个，其将在稍后描述。

图6是根据本发明的另一个实施例在使用STFBC方案的移动通信系统中的发射机的方框图。矩阵A编码器610位于分组块620之前。如等式(9)所表示的矩阵A的行代表发射天线而列代表时间和频率。最前两列的数据以频率f1被发射，最后两列的数据以频率f2被发射。在每一对中的第一列的数据在时间t1被发射且第二列的数据在时间t2被发射。这种矩阵可以被用于正交频分复用(OFDM)系统。

分组块620基于从接收机接收的CQI或者分组索引将输入信息码元映射到四个发射天线。例如，如果反馈分组索引指示第一和第二发射天线分组被映射到第一Alamouti编码器并且第三和第四发射天线分组被映射到第二Alamouti编码器，则输入码元根据等式(9)被发射。即，最前两列被映射到f1并且在t1和t2时间通过第一和第二发射天线被发射，同时最后两列被映射到频率f2并且在t1和t2时间通过第三和第四发射天线被发射。

在图6，天线分组被应用于STFBC，并且随后的过程如在图5中所示的发射机中以同样的方式被执行。

图7是根据本发明的在使用STBC方案的移动通信系统中的接收机的方框图。为了标记的简洁起见，假定接收机具有单个接收天线。

参考图7，在接收机中的信道估计器702执行在通过接收天线700所接收的信号上的信道估计，并且输出作为结果的信道系数作为CQI。所接收的信号经过在检测器704、并串(P/S)转换器706和解调器708中处理后，然后被解码。同时，反馈发射器710将作为CQI的信道系数，或者指示天线分组模式的分组索引发射到发射机的分组块。

如上所描述的，接收机将由信道估计产生的CQI或者指示天线分组模式的分组索引发射到发射机。

(1)CQI的反馈

当从接收机收到CQI(即，信道系数或者信道值)时，发射机的分组块计算等式(10)：

arg min|ρ₁-ρ₂|

                              ……(10)

其中，ρ₁＝|h_i|²+|h_j|²并且ρ₂＝|h_m|²+|h_n|²

(i，j，m，n取值从1到4)。分组块接收在发射天线和接收天线之间的信道h₁、h₂、h₃和h₄的反馈CQI，并且检测满足等式(10)的(i，j)和(m，n)对，从而选择天线分组模式。分组块将如在等式(9)中描述的矩阵A乘以从天线分组模式AG₁、AG₂和AG₃中选择的一个模式。作为结果的矩阵是下面等式(11)中矩阵A₁、A₂和A₃中的一个：

$A_1=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& {{-s}_2}^{*}& 0& 0\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& {{-s}_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_2=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& {{-s}_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& {{-s}_4}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_3=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& {{-s}_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& {{-s}_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\end{array}\right]---\left(11\right)$

对于两个或者多个接收天线，下面的操作被首先执行。假定两个接收天线，在四个发射天线和两个接收天线之间定义了8个信道。这些信道被归纳为

h_i＝(|h_1i|²+|h_2i|²)/2

其中h_1i和h_2i分别地指示在发射天线i和接收天线1之间以及在发射天线i和接收天线2之间的信道值。所以，h₁₁和h₂₁分别地指示在发射天线1和接收天线1之间以及在发射天线1和接收天线2之间的信道值，并且

h₁＝(|h₁₁|²+|h₂₁|²)/2

以同样的方式，计算出h₁到h₄并且通过使用h₁到h₄计算等式(10)获得天线分组模式。

(2)分组索引反馈

从系统实现的观点，许多限制被强加于将在接收机所接收的所有信道的CQI发射到发射机。因此，接收机通过等式(10)计算分组索引并且将分组索引反馈到发射机以便发射机的分组块基于由分组索引指示的天线分组模式将发射天线分组。分组索引占用2个比特来代表在图5和图6中示出的天线分组模式AG₁、AG₂和AG₃。

图8示出了根据本发明在使用STBC方案的移动通信系统中的发射操作的流程图。当在步骤802中接收到发射数据流(即，矩阵A)时，发射机使用在步骤806中从接收机接收的CQI通过等式(10)计算天线分组模式，或者根据在步骤816中从接收机接收的分组索引选择天线分组模式。也就是说，根据本发明，接收机反馈CQI或者分组索引到发射机。在步骤808中，发射机将天线分组模式乘以数据流(矩阵A)并且产生两个各自具有两个码元的码元向量。然后发射机在步骤810中通过Alamouti编码将两个向量映射到在空间-时间-频率平面的发射天线，并且在步骤812中通过相应的发射天线将映射的信号发射。

图9示出了根据本发明在使用STBC方案的移动通信系统中接收机的接收操作的流程图。当在步骤902中接收到发射数据流时，接收机在步骤904中对所接收的信号执行信道估计并且在步骤914中将作为结果的CQI反馈到发射机。在这种情况下，发射机通过等式(9)基于CQI计算天线分组模式。可替换地，当在发射机和接收机之间取得一致时，接收机通过等式(10)计算天线分组模式而没有CQI反馈，并且将指示天线分组模式的分组索引发射到发射机。特别地，在发射机自己计算天线分组模式的情况下，发射机通知接收机计算出的天线分组模式来增加通信的准确度(accuracy)。即，当在发射机中计算出的天线分组模式和在接收机中获得的不同时，发射机在公共信道上将指示天线分组模式的分组索引发射到接收机，因此提高数据发射准确度。然后接收机在步骤906中基于从信道估计所产生的信道系数检测接收到的信号，在步骤908中将检测到的信号转换为串行信号，并且在步骤910中解调该串行信号。

图10为根据本发明使用STBC方案的移动通信系统的未编码BER性能的曲线图。如在图10中所示，本发明和仅使用没有天线分组的矩阵A的传统方法相比，在10^-3BER处提供了3dB或者更高的增益。在图10中，w表示具有而wo表示不具有。在图10中示出的性能曲线是在Rayleigh平坦衰落(flat fading)信道-QPSK环境下仿真得出。

图11为根据本发明使用STBC方案的移动通信系统的编码BER/FER性能的曲线图。从图11应当注意到本发明优于仅使用没有天线分组的矩阵A的传统方法。图11中示出的性能曲线是在具有QPSK和速率1/2卷积Turbo编码的IEEE 802.16系统中仿真得出。对于IEEE 802.16a系统定义了子信道结构、波段AMC和子信道的完全用法(FUSC)。在该仿真中，使用了波段AMC。

在本发明应用到作为OFDM系统的IEEE 802.16系统中，每个具有N个副载波的子信道的平均信道值被反馈以减少反馈信息的数量。在这种情况下，发射机基于平均信道值计算天线分组模式并且将计算出的天线分组模式通知接收机，因此准确地进行双向通信。

可替换地，接收机反馈分组索引到发射机，并且发射机选择对应于该分组索引的STBC编码器。

例如，在下面表1中示出的，当在CQI信道(CQICH)从接收机收到“0b110001”时，发射机发射在等式(11)中描述的A₁。当在CQI信道从接收机收到“0b110010”时，发射机发射A₂。而当在CQI信道从接收机收到“0b110011”时，发射机发射A₃。

表1

值	描述
		0b110000	闭环自适应速率SM和邻近副载波置换
0b110001	用于速率1的天线组A1用于3天线BS。见8.4.8.3.4用于4天线BS。见8.4.8.3.5
		0b110010	用于速率1的天线组A2
0b110011	用于速率1的天线组A3
		0b110100	用于速率2的天线组B1
用于3天线BS。见8.4.8.3.4

	用于4天线BS。见8.4.8.3.5
		0b110101	用于速率2的天线组B2
0b110110	用于速率2的天线组B3
		0b110111	用于速率2的天线组B4(仅用于4天线BS)
0b111000	用于速率2的天线组B5(仅用于4天线BS)
		0b111001	用于速率2的天线组B6(仅用于4天线BS)
0b111010	用于速率3的天线组C1(仅用于4天线BS)见8.4.8.3.5
		0b111011	用于速率3的天线组C2(仅用于4天线BS)
0b111100	用于速率3的天线组C3(仅用于4天线BS)
		0b111101	用于速率3的天线组C4(仅用于4天线BS)
0b111110	闭环预编码和邻近副载波置换
		0b110001	保留
0b111111	保留

如上所述，接收机反馈CQI或者分组索引到接收机。

在没有来自接收机的反馈信息(即，用户站(subscriber station))时，本发明的主题仍然可以被实现。在没有来自接收机的反馈信息的开环系统中，通过在发射机(即，基站)的分组块中以预定的顺序使用下面的天线分组模式以使分组码元向量如在等式(12)中所示被置换(permute)，实现同样的性能改善：

A＝[A₁|A₂|A₃]

$A_1=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& {{-s}_2}^{*}& 0& 0\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& {{-s}_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_2=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& {{-s}_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& {{-s}_4}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_3=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& {{-s}_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& {{-s}_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\end{array}\right]---\left(12\right)$

天线分组模式序列的及时置换导致没有信道反馈的系统性能提高。天线分组模式可以按A₁、A₂和A₃顺序的次序或者任意的其他次序被使用。

在OFDMA通信系统中，通过等式(13)确定副载波的置换次序：

Ak：k＝mod(floor(Nc-1)/2，3)+1

                                          .....(13)

其中Nc表示逻辑数据副载波数目，Nc＝{1，2，3，...，副载波总数目}。逻辑数据副载波数目对应于在OFDM FFT中的副载波数目。在等式13中，A₁施加到逻辑数据副载波#1和#2，A₂施加到逻辑数据副载波#3和#4，并且A₃施加到逻辑数据副载波#5和#6。用于其他副载波的天线分组模式也通过等式(13)决定。

如上面所描述的，本发明提供了用于具有四个发射天线的发射机的STFBC编码装置。基于从接收机接收的反馈信息或者选择的具有正则性的矩阵，输入码元序列通过四个发射天线以预定的方法被发射。因此，改善了STFBC的性能。

虽然本发明参考本文的一些优选实施例被示出和描述，本领域的技术人员将理解在其中可以在形式和细节上进行各种改变而不脱离如权利要求书所定义的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种在通信系统中的具有四个发射天线的发射机，包括：

编码器，用于通过以预定的编码方法编码输入码元序列来产生编码码元向量；

分组块，用于通过将所述编码码元向量乘以根据预定的次序从预定的置换天线分组模式中选出的置换天线分组模式，来置换所述编码码元向量的元素以产生置换的编码码元向量，并且将该置换的编码码元向量作为分组码元向量输出；以及

Alamouti类型编码器，用于以Alamouti类型方案编码所述分组码元向量并且通过所述四个发射天线发射该Alamouti类型编码的码元。

2.如权利要求1所述的发射机，其中所述发射机用于具有四个发射天线的空间-时间块编码(STBC)通信系统。

3.如权利要求1所述的发射机，其中所述发射机用于具有四个发射天线的空间-时间-频率块编码(STFBC)通信系统。

4.如权利要求1所述的发射机，其中所述编码码元向量被表示为如下矩阵：

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

其中该矩阵的列代表时间，而行代表四个发射天线。

5.如权利要求1所述的发射机，其中所述预定的置换天线分组模式被表示为如下矩阵：

A＝[A₁|A₂|A₃]

$A_1=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_2=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_3=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\end{array}\right]$

其中该矩阵的列代表时间，而行代表四个发射天线。

6.如权利要求1所述的发射机，其中所述置换天线分组模式A_k(k＝1，2或者3)通过下式被选择：

A_k：k＝mod(floor(逻辑数据副载波数目-1)/2，3)+1

其中逻辑数据副载波数目＝{1，2，3，...，副载波总数目}。

7.如权利要求1所述的发射机，其中所述分组码元向量为下列矩阵中的一个：

$A_1=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_2=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_3=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\end{array}\right]$

其中该矩阵的列代表时间，而行代表四个发射天线。

8.一种在通信系统中的用于四个发射天线的发射方法，包括步骤：

通过以预定的编码方法编码输入码元序列来产生编码码元向量；

根据预定的次序从预定的置换天线分组模式中选择置换天线分组模式；

通过将所述编码码元向量乘以所述选出的置换天线分组模式来置换所述编码码元向量的元素以产生置换的编码码元向量，并且将所述置换的编码码元向量作为分组码元向量输出；以及

以Alamouti类型方案编码所述分组码元向量并且通过所述四个发射天线发射该Alamouti类型编码的码元。

9.如权利要求8所述的发射方法，其中所述发射方法用于具有四个发射天线的空间-时间分组编码(STBC)通信系统。

10.如权利要求8所述的发射方法，其中所述发射方法用于具有四个发射天线的空间-时间-频率分组编码(STFBC)通信系统。

11.如权利要求8所述的发射方法，其中所述编码码元向量被表示为如下矩阵：

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

其中该矩阵的列代表时间，而行代表四个发射天线。

12.如权利要求8所述的发射方法，其中所述预定的置换天线分组模式被表示为如下矩阵：

A＝[A₁|A₂|A₃]

$A_1=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_2=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_3=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\end{array}\right]$

其中该矩阵的列代表时间，而行代表四个发射天线。

13.如权利要求8所述的发射方法，其中所述置换天线分组模式选择步骤包括以下式选择所述置换天线分组模式A_k(k＝1，2或者3)：

A_k：k＝mod(floor(逻辑数据副载波数目-1)/2，3)+1

其中逻辑数据副载波数目＝{1，2，3，...，副载波总数目}。

14.如权利要求8所述的发射方法，其中所述分组码元向量为下列矩阵中的一个：

$A_1=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_2=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_3=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\end{array}\right]$

其中该矩阵的列代表时间，而行代表四个发射天线。

15.一种在通信系统中的用于四个发射天线的发射方法，包括步骤：

通过以预定的编码方法编码输入码元序列来产生编码码元向量；

根据预定的公式从预定的置换矩阵中选择置换矩阵，通过将所述编码码元向量映射到所述选出的置换矩阵来置换所述编码码元向量的元素，并且输出所置换的编码码元向量；以及

在Alamouti类型方案中编码所述置换的编码码元向量，并且通过四个发射天线发射该Alamouti类型编码的码元。

16.如权利要求15所述的发射方法，其中所述选出的置换矩阵为下列矩阵中的一个：

$A_1=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_2=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_3=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\end{array}\right]$

其中在该矩阵中四个发射天线被水平地表示，而时间被垂直地表示。

17.如权利要求15所述的发射方法，其中所述预定的公式为通过下式选择置换矩阵中的一个置换矩阵A_k(k＝1，2或者3)：

A_k：k＝mod(floor(逻辑数据副载波数目-1)/2，3)+1

其中逻辑数据副载波数目＝{1，2，3，...，副载波总数目}。

18.一种在通信系统中的具有四个发射天线的发射机，包括：

编码器，用于通过以预定的编码方法编码输入码元序列来产生编码码元向量；

置换块，用于通过将所述编码码元向量映射到根据预定公式从预定的置换矩阵中选出的置换矩阵来置换所述编码码元向量的元素，并且输出所述置换的编码码元向量；以及

Alamouti类型编码器，用于以Alamouti类型方案编码所述置换的编码码元向量，并且通过所述四个发射天线发射该Alamouti类型编码的码元。

19.如权利要求18所述的发射机，其中所述选出的置换矩阵为下列矩阵中的一个：

$A_1=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_2=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right]$

$A_3=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& 0& 0\\ 0& 0& s_3& -{s_4}^{*}\\ 0& 0& s_4& {s_3}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& 0& 0\end{array}\right]$

其中该矩阵的列代表时间，而行代表四个发射天线。

20.如权利要求18所述的发射机，其中所述预定的公式为通过下式选择置换矩阵中的一个置换矩阵A_k(k＝1，2或者3)：

A_k：k＝mod(floor(逻辑数据副载波数目-1)/2，3)+1

其中逻辑数据副载波数目＝{1，2，3，...，副载波总数目}。

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