CN101185268A - 多天线通信装置和多天线通信系统 - Google Patents

Abstract

提供一种多天线通信系统，包括：确定单元(116)，计算STBC(Space Time Block Code)内的各个资源块的信道特性之间的相关值，确定相关最高的组合模式；连接分配单元(103)，根据所述确定单元确定的组合模式，将使用STBC编码的发送数据分别映射到时域、频域和空域；发送天线(107)，通过多个天线发送与各自的天线对应的信号；接收天线(108)，通过多个天线接收所述发送天线发送的信号；以及连接复用单元(113)，根据所述确定单元所确定的组合模式，从映射到时域、空域和频域的信号中，提取属于同一个STBC的信号而合成数据块。

Description

多天线通信装置和多天线通信系统

技术领域

本发明涉及多天线通信装置，特别涉及MIMO-OFDM通信系统中的时间-空间-频率编码方法。

背景技术

随着无线网络和因特网的融合，人们对无线通信业务的种类和质量的需求越来越高。为了满足无线多媒体和以高传输速率来传输数据的需求，需要开发新的无线通信系统。特别是MIMO技术受到人们的关注，在MIMO系统中，发送端利用多个天线发送信号，接收端利用多个天线接收信号。

与以往的单天线传输方法相比，MIMO技术可以显著地提高信道容量，从而能够提高信息传输速率。另外，最近的研究表明，MIMO系统中所使用的发送和接收天线数愈多，信息传输速率就愈高。与时域相比，空域的资源几乎是无限可利用的，因此MIMO技术能够实现以往技术中难以实现的问题，成为了下一代无线通信系统的核心技术。

在多天线的MIMO系统中，近年来人们提出了使用空时码(STC：Space-Time Code)的新的编码技术。若对使用空时码的编码技术进行详细分类，有基于STBC(Space Time Block Code)、STTC(Space Time TrellisCode)以及STTTC(Space Time Trellis Turbo Code)等的编码方法。另外，与上述其他的空时码相比，使用STBC的编码装置的结构是简单且与其对应的解码方法也简单，所以STBC具有易于适用于编码装置的好处。例如，实际上，使用STBC的Alamouti编码方法目前已采用于3GPP。图1表示使用STBC的编码器的输入和输出。

使用STBC的编码器(以下，称为STBC编码器)的输入以向量x^b来表示，其输出以向量X^b来表示。其中，上标b为编码前/编码后的数据序列的序号。第b个编码前的数据序列x^b以下面的式(1)的向量来表示，各自的元素表示调制后的码元。

[x₁ ^b，x₂ ^b，...，x_m ^b]…式(1)

第b个编码后的输出x^b以(n_T×L)的矩阵来表示，n_T为MIMO系统的发送天线的总数。如图1所示，使用STBC的编码器进行从x到X的线性变换，在编码之后输出矩阵X^b，将x^b中的第一行的所有元素(1，：)从第一个天线发送，将第二行的所有元素(2，：)从第二个天线发送。

与其他的空时码相比，易于适用STBC的理由为，在使用STBC进行编码时，可以通过设定从x到X的映射关系而得到所谓的正交STBC(OSTBC)。Alamouti编码是使用OSTBC的最简单的编码方法，OSTBC满足下面的式(2)。

XX^H＝aI…式(2)

由此，复杂的非线性的最大似然(ML)解码可以通过简单的线性方法来实现。例如，己提出了如下面的式(3)所示的使用OSTBC的编码方法，其中，发送天线数目n_T＝4，编码率R＝1/2(L＝8)。

$x=[x_1,x_2,x_3,x_4]\→X=\left[\begin{array}{cccccccc}{x}_1& -x_2& -x_3& -x_4& x_1^{*}& -x_2^{*}& -x_3^{*}& -x_4^{*}\\ x_2& x_1& x_4& -x_3& x_2^{*}& x_1^{*}& x_4^{*}& -x_3^{*}\\ x_3& -x_4& x_1& x_2& x_3^{*}& -x_4^{*}& x_1^{*}& x_2^{*}\\ x_4& x_3& -x_2& x_1& x_4^{*}& x_3^{*}& -x_2^{*}& x_1^{*}\end{array}\right]...$ 式(3)

在图1中，输入到STBC编码器的数据序列x^b(b＝1，2，…)通过上述的映射方法而被编码后，变成矩阵x^b(b＝1，2，…)而被输出。从式(3)可知，编码后的输出x^b为二维信号，其横轴方向表示时域信号，其纵轴方向表示空域信号。矩阵x^b的时域信号在时域上传输，空域信号在空域上传输。也就是说，矩阵x^b的每一行对应一个天线，每一列对应一个时刻。通过采用OSTBC，可以大幅降低接收端的解码的复杂度。

但是，为了得到OSTBC中的完全正交性，需要满足 $H_1^b=H_2^b=...=H_L^b,$ 即，需要将传输矩阵x^b时的信道特性保持不变。H_j ^b表示在发送矩阵x^b的第j列信号时的MIMO系统的信道特性，其中，j＝1，2，…，L。H_j ^b为n_R×n_T的矩阵，n_R表示接收天线数，n_T表示发送天线数。一般在MIMO单载波系统中，假设信道变动缓慢时，可以为 $H_1^b=H_2^b=...=H_L^b.$

上述的MIMO系统和使用STBC的编码方法，在对窄带通信或者单载波通信中的适用被局限，但作为未来的无线通信系统，一定需要宽带的高速通信系统，所以OFDM技术将会成为实现宽带的高速通信系统的主流技术。OFDM的原理为，将要传输的高速数据利用许多个正交副载波来传输，各自的副载波的数据传输速率相对较低。与通常的FDM系统相比，通过OFDM系统中的副载波的正交复用，能够提高系统的频率利用效率。在OFDM中，将整个带宽划分为多个较窄的副载波频带，由于每个副载波带宽小于信道的相干带宽，从而在副载波内的衰落平坦。因此，与单载波相比，OFDM不易受到频率选择性衰落的影响。

考虑到上述的背景，关于使用STBC的编码的近年的研究重点正由MIMO单载波转移到MIMO-OFDM。MIMO-OFDM与MIMO单载波的最大不同之处在于，除了在时域和空域上之外，还在频域上也进行编码。也就是说，MIMO-OFDM中的STBC是包括空域、时域以及频域的三维系统。使用MIMO-OFDM系统中的STBC的编码方法主要分为如下的两种。

(1)利用空时(ST)码的编码方法

该方法为，将使用单载波系统中的STBC的编码方法直接适用于MIMO-OFDM系统中，并在每个副载波独立用STBC进行编码的方法。换句话说，将编码后的输出即矩阵x^b的空域信号在空域上进行传输，将时域信号在时域上进行传输。

图2是表示MIMO-OFDM系统中的ST码的编码方法的图。具体而言，横轴表示时域，纵轴表示频域。然后，所有编码对象的编码后的输出即矩阵X^b的各个行的集合S₁，...，Sn_T，即，第一行的集合S₁与天线1相对应，第n_T行的集合Sn_T与天线n_T相对应。图示的方形(方格)的每一个表示资源块，由椭圆形圈起来的资源块表示时域信号在时域上的映射位置。

在该方法中，在每个副载波上分别独立地用STBC进行编码，并且编码后的数据被分别映射到时域和空域。也就是说，数据的空域信号在空域上被传输，时域信号在时域上被传输。

(2)利用空间-频率(SF)码的编码方法

该编码方法与上述(1)的编码方法的不同之处在于，编码后的输出x^b的时域信号在MIMO-OFDM系统的频域(不是时域)上被传输。图3表示MIMO-OFDM系统中的SF码的编码方法。

如图3所示，MIMO-OFDM系统中的SF码的编码方法的特征为，时域上每个OFDM码元独立用STBC进行编码，同一个编码对象的行的信号被映射到空域，列的信号被映射到频域而传输。

发明内容

发明需要解决的问题

然而，在MIMO-OFDM系统中，无论采用基于ST码或者SF码的STBC的编码方法，能够获得的系统性能与期望值之间仍存在一定程度的差。这是因为在MIMO单载波系统中，可以设想同一个STBC内的信道特性是一定的，但在MIMO-OFDM系统中，在同一个STBC中信道特性不一定不变。具体而言，在MIMO-OFDM系统中的ST码的编码中，一个STBC跨越L个OFDM码元，一个OFDM码元的时间长度往往比一般的单载波系统中的一个码元的时间长度长很多，因此难以保证在L个OFDM码元内的信道特性不变。同样，在MIMO-OFDM系统中的SF码元的编码中，也是一个STBC跨越L个副载波，从而即使选择最优的频率信道(副载波)也很难保证在L个副载波内的信道特性不变。

也就是说，在MIMO-OFDM系统中存在以下的问题，即，在同一个STBC内信道特性产生变化，所以在STBC之间的正交性产生不良影响，由此产生的码元内干扰使系统的性能降低。

本发明的目的是提供在MIMO-OFDM系统中，能够提高STBC之间的正交性而提高系统性能的多天线通信装置。

解决该问题的方案

本发明的多天线通信系统所采用的结构包括：确定单元，计算STBC(Space Time Block Code)内的各个资源块的信道特性之间的相关值，确定相关最高的组合模式；连接分配单元，根据所述确定单元所确定的组合模式，将使用STBC所编码的发送数据分别映射到时域、空域和频域；发送单元，通过多个天线发送与各自的天线对应的信号；接收单元，通过多个天线接收所述发送单元发送的信号；以及连接复用单元，根据所述确定单元所确定的组合模式，从映射到时域、空域和频域的信号中，提取属于同一个STBC的信号而合成数据块。

发明的有益效果

根据本发明，通过将使用MIMO-OFDM系统中的STBC进行编码后的时域信号，映射到信道特性上彼此具有高的相关性的资源块的组合并传输，能够抑制因STBC内的信道特性的变动引起的干扰，从而能够使STBC之间的正交性高，提高传输速率和吞吐量。

附图说明

图1是表示使用STBC的编码器的输入和输出的图。

图2是表示MIMO-OFDM系统中的ST编码方法的图。

图3是表示MIMO-OFDM系统中的ST编码方法的图。

图4是表示本发明实施方式的MIMO-OFDM系统的结构的方框图。

图5是本发明实施方式的空间-时间-频率编码方法的流程图。

图6是表示实施方式的各个资源块的频域上的信道特性的相关值的表。

图7是表示实施方式的时域-频域的二维空间上的资源块组合的一例的图。

图8是对本实施方式的方法和以往方法之间的性能进行比较的坐标图。

具体实施方式

以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。

(实施方式)

图4是表示本发明实施方式的MIMO-OFDM系统的结构的方框图。该MIMO-OFDM系统具有多天线发送装置100和多天线接收装置150。

多天线发送装置100由编码调制单元101、STBC编码单元102、连接分配单元103、IFFT单元104、P/S变换单元105、CP插入单元106以及发送天线107构成。

另一方面，多天线接收装置150由接收天线108、CP除去单元109、S/P变换单元110、FFT单元111、信道估计单元112、连接复用单元113、STBC解码单元114、解调解码单元115以及确定单元116构成。

另外，IFFT单元104～CP插入单元106与n_T个发送天线107的各个天线对应而存在n_T系统，另外CP除去单元109～FFT单元111也与n_R个接收天线108的各个天线对应而存在n_R系统。

首先，说明多天线发送装置100。

编码调制单元101对要发送的数据(Tx data)进行码纠错。而且，还进行BPSK、QPSK、16QAM等的调制处理后，将所获得的码元序列输出到STBC编码单元102。

STBC编码单元102对所输入的码元序列使用STBC进行编码，并将由空域和时域的二维码元构成的矩阵所表示的数据，输出到连接分配单元103。

连接分配单元103将STBC编码单元102所编码的数据，分别分配给时域、空域和频域(即，映射到时域-空域-频域)，并输出到IFFT单元104。具体而言，基于从确定单元116反馈来的资源块的组合模式，将来自STBC编码单元102的数据，映射到相对应的时域(各个OFDM码元)、频域(各个副载波)和空域(各个发送天线)。与各个发送天线对应的n_T个数据被分别输出到相对应的各个IFFT单元104。例如，与第一个发送天线对应的数据被输出到与该发送天线对应的IFFT单元104。

IFFT单元104对连接分配单元103所映射到各个发送天线的信号分别进行高速傅立叶逆变换(IFFT)，从频域变换到时域，将所获得的时域信号输出到P/S变换单元105。

P/S变换单元105对高速傅立叶逆变换后的信号进行并行/串行(P/S)变换，将所获得的串行信号输出到CP插入单元106。

CP插入单元106通过将P/S变换后的信号的末尾的复制插入到开头，从而插入CP，并将插入CP后的信号分别从天线107发送。

接着，说明多天线接收装置。

CP除去单元109从接收天线108所接收到的各个信号中，分别除去所插入的CP，并将除去CP后的各个信号输出到S/P变换单元110。

S/P变换单元110对除去CP后的信号进行串行/并行(S/P)变换，并将所获得的信号输出到FFT单元111。

FFT单元111对S/P变换后的信号进行高速傅立叶变换(FFT)，从时域变换到频域，并将所获得的频域信号输出到信道估计单元112。

信道估计单元112基于接收信号中所包含的导频信号，估计表示现在的信道特性的信道转移函数矩阵H，并将其输出到确定单元116。另外，信道估计也可通过其他的方法来进行。

连接复用单元113基于从确定单元116提供的组合模式，从来自FFT单元111的映射到时域-空域-频域的信号中，提取属于同一个STBC码元的信号，将这些信号汇集而合成数据块，并输出到STBC解码单元114。

STBC解码单元114使用信道估计单元112所获得的矩阵H，对连接复用单元113所合成的数据块使用STBC进行解码，并将所获得的数据块输出到解调解码单元115。

解调解码单元115对所获得的数据块通过QPSK等进行解调并进行纠错解码，从而获得原来的数据(Rx data)。

确定单元116计算STBC内的各个资源块的信道特性之间的相关值，基于计算出的相关值，确定相关性最高的组合模式。确定单元116将该确定的组合模式提供给连接复用单元113，同时通过本实施方式的MIMO-OFDM系统的反馈信道CH1，反馈给多天线发送装置100的连接分配单元103。

使用图5～7具体说明本实施方式的MIMO-OFDM系统中的时间-空间-频率编码方法。图5是编码方法的流程图。图6是表示各个资源块的频域上的信道特性的相关性数据的一例的图。图7是表示本实施方式的时域-频域的二维空间上的资源块的组合的图。

在开始确定单元116中的处理时，首先计算MIMO-OFDM系统中的各个资源块的频域上的信道特性之间的相关性(S501)。通过下面的式(4)所示的计算式计算相关性。

$r_H[n,k]=r_t\left(\mathrm{nT}\right)\left(\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}^l{e}^{-j2\mathrm{\πk\Δf}{\mathrm{\τ}}_1}\right)$ ...式(4)

其中，r_H[n，k]表示在时域上相差n个OFDM码元(各自的OFDM码元的时间长度为T)、在频域上相差k个副载波时的资源块在频域上的信道特性之间的相关值。Δf表示OFDM中的副载波各自的带宽，σ₁ ²和τ₁分别表示多路径信道模式中的第一个路径的单位时间功率和延迟。另外，在上述的式(4)中，r_t(nT)＝J₀(2πnTf_d)，J₀(x)表示第一类零阶贝塞尔函数，f_d表示最大多普勒频移。一般而言，通过上述的式(4)获得的相关值为复数，使用其实部作为表示最终获得的相关性的数值。

另外，信道特性之间的相关性是一个长时间的统计数据，也就是说，可以认为在短时间内无变化。移动台的移动速度产生变化时，以及通信环境(例如，室内与室外，在城区、郊区与山区)产生变化等时，信道特性之间的相关性产生变化。因此，相关性的计算也可间隔一定的时间来计算。对于具体的时间间隔，也可对应于实际使用系统的环境而预先设定。

另外，在计算信道特性的相关性时，不必计算任意的两个资源块之间的所有组合的相关值，计算与某一个固定的资源块(可以预先决定)的信道特性之间的相关值即可，例如，在图6中，仅计算各自的资源块与右上角的资源块之间的相关性数值。这是因为，由上述的相关性的计算式可知，相关性数值仅被n和k的值左右，即，仅根据两个资源块的时域和频域上的间隔来决定，而与具体的位置无关。

接着，确定相关性最高的资源块的组合模式(S502)。

确定从STBC编码单元102输出的所有编码后信号的时域信号在MIMO-OFDM系统的时域-频域的二维空间上的映射位置，也就是说，确定映射到那些资源块的组合而进行传输。步骤502包括以下的两个子步骤(1)和(2)。

(1)确定一个信道特性之间的相关性最高的资源块的组合。

例如，信道特性为ITU M.1225信道模型B、信道带宽B＝10MHz、副载波总数Nc＝1024、最大多普勒频移f_d＝200Hz。由此，通过步骤501的相关值的计算，能够获得如图6所示的相关值表。另外，假设MIMO发送天线的总数为4，利用R＝1/2(即L＝8)的OSTBC编码。在该子步骤中的处理，从图6的相关值表中，选取资源块的信道特性之间的相关性最高的L个资源块作为最佳组合。也就是说，与其他的组合相比，所选取的组合中的L个资源块的信道特性之间的相关值的最小值最大。如图6所示，实线所包围的L个资源块是满足上述条件的最佳的资源块组合。

(2)确定其他的资源块的组合模式。

在所述子步骤(1)中，由于确定了包含L个资源块的最佳的资源块的组合模式，所以对于其他的资源块的组合，也利用信道特性的相关性而确定组合模式即可。如前面所述，资源块的信道特性之间的相关性仅根据n和k的值来决定，也就是说，仅与两个资源块的时域和频域上的间隔有关，而与具体的位置无关。例如，在子步骤(1)的例子中，图6所示的最佳的资源块的组合包括同一个副载波的时域上相邻的5个资源块，以及相邻的副载波的时域上相邻的3个资源块。基于相关性的特征，能够获得整个时域-频域的二维空间上的资源块的最佳的资源块的组合模式。

在图6中，每个方格表示资源块，横轴表示时域，纵轴表示频域。方格内的数值是与该资源块的最右上角的资源块之间的信道特性相关值。该相关值为信道特性相关性的统计数据，能够评估信道特性之间的近似程度。也就是说，意味着相关值越大，两个资源块的信道特性越近似。

如图6所示，在L＝8的情况下，无论是基于以往的ST码的编码方法，即，将使用STBC编码的信号的时域信号映射到时域上相邻的L个资源块的方法，或者是基于以往的SF码的编码方法，即，将使用STBC编码的信号的时域信号映射到频域上相邻的L个资源块的方法，都无法使在同一个STBC内L个资源块的信道特性最大近似。如图6所示，对使用以往的ST码所映射的L个资源块的信道特性之间的相关性与使用SF码所映射的L个资源块的信道特性之间的相关性进行比较，在实线框内的L个资源块的信道特性之间的相关性较高。

因此，在MIMO-OFDM系统中，基于当前的信道特性，对使用STBC所编码的信号的时域信号在MIMO-OFDM系统的时域-频域上的映射位置进行最优化，只要将编码后信号的时域信号映射到信道特性的相关性最高的L个资源块并传输，即可抑制信道特性的变动造成的干扰，所以能够有效地提高STBC之间的正交性而提高传输速率和吞吐量。另外，由于使用系统的环境的变化，MIMO-OFDM系统的时域-频域的各个资源块的信道特性之间的相关性产生变化时，因为所述最优化过程是缓慢地自适应的过程，所以系统能够对使用STBC编码的信号在时域-频域上的映射位置自适应地进行调整。

其中，如图7所示的时域-频域的二维空间上的资源块的组合模式不一定是唯一的，但所有资源块的组合有共通的特征。换言之，包括同一个副载波的时域上相邻的5个资源块以及相邻的副载波的时域上相邻的3个资源块。

最后，将从STBC编码单元102输出的时域信号映射到资源块的组合并传输(S503)。

将步骤S502中所确定的资源块的组合模式，通过系统的反馈信道CH1反馈给连接分配单元103，并使用于实际的发送。连接分配单元103基于反馈来的资源块的组合模式，进行从STBC编码单元102输出的编码后信号的连接分配处理，即，将使用STBC编码的信号的时域信号映射到资源块的组合，并将空域信号映射到空域上。然后，将所映射的信号从天线107发送后，处理结束。

图8是对本实施方式的编码方法和以往的编码方法之间的性能进行比较的坐标图。

在仿真中，假设发送天线数为4，接收天线数为1。信道特性为ITUM.1225信道模型B、信道带宽B＝10MHz、副载波总数Nc＝1024、最大多普勒频移f_d＝200Hz。使用R＝1/2(即L＝8)的OSTBC编码和QPSK调制。在图8中，分别表示在使用基于以往的ST和SF的编码方法的情况下的BER性能，以及使用本实施方式的编码方法的情况下的BER性能。如图所示，与以往的编码方法相比，使用本实施方式的编码方法的系统能够获得更好的BER性能。

如上所述，说明了典型的实施方式，但在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行其他的各种变更、替换和追加。例如，在实施方式中，以多天线发送装置和多天线接收装置是各自不同的结构为例进行了说明，但多天线通信装置不一定需要装载多天线发送装置和多天线接收装置双方的装置。

本说明书基于2005年5月26日申请的中国专利申请第200510073893.3号。其内容全部包含于此。

工业实用性

本发明的多天线通信装置可适用于MIMO-OFDM系统。

Claims (8)

1.一种多天线通信系统，包括：

确定单元，计算空时分组码(STBC；Space Time Block Code)内的各个资源块的信道特性之间的相关值，确定相关最高的组合模式；

连接分配单元，根据所述确定单元所确定的组合模式，将使用空时分组码编码的发送数据分别映射到时域、空域和频域；

发送单元，通过多个天线发送与各自的天线对应的信号；

接收单元，通过多个天线接收所述发送单元所发送的信号；以及

连接复用单元，根据所述确定单元所确定的组合模式，从映射到时域、空域和频域的信号中，提取属于同一个空时分组码的信号而合成数据块。

2.一种多天线发送装置，在权利要求1的多天线通信系统中所使用的多天线发送装置，包括：

空时分组码编码单元，对发送数据使用空时分组码进行编码；

连接分配单元，根据所述确定单元所确定的组合模式，将所述使用空时分组码编码的信号，分别映射到时域、空域和频域；以及

发送单元，通过多个天线发送与各自的天线对应的信号。

3.一种多天线接收装置，在权利要求1的多天线通信系统中所使用的多天线接收装置，包括：

确定单元，计算空时分组码内的各个资源块的信道特性之间的相关性，确定相关性最高的组合模式；

接收单元，通过多个天线接收发送单元所发送的信号；

连接复用单元，基于所述确定单元所确定的组合模式，从映射到时域、空域和频域的信号中，提取属于同一个空时分组码的信号而合成数据块；以及

解码单元，基于信道估计单元所估计出的信道特性，对所述连接复用单元所合成的空时分组码块进行解码。

4.如权利要求2所述的多天线发送装置，其中，

所述空时分组码编码单元进行正交空时分组编码。

5.如权利要求2所述的多天线发送装置，其中，

在时域、空域和频域中，将所述确定单元所确定的组合的各个资源块的时域信号，利用多时隙(Multi-slot)发送，将空域信号利用多天线发送，将频域信号利用多频率发送。

6.如权利要求3所述的多天线接收装置，其中，

所述确定单元预先决定时间间隔，每隔规定的时间计算相关性。

7.如权利要求3所述的多天线接收装置，其中，

所述确定单元通过使同一个资源块组合中的各个资源块的信道特性之间的相关性最高，确定相关性最高的组合模式。

8.一种多输入多输出-正交频分复用(MIMO-OFDM)系统中的编码方法，包括：

计算空时分组码内的各个资源块的信道特性之间的相关性，确定相关性最高的组合模式的步骤；

对发送数据使用空时分组码进行编码的步骤；

根据所述确定的组合模式，将使用空时分组码进行了编码的信号分别映射到时域、空域和频域的步骤；

通过多个天线发送与各自的天线对应的信号的步骤；

通过多个天线接收所述发送的信号的步骤；

基于所述确定的组合模式，从映射到时域、空域和频域的信号中，提取属于同一个空时分组码的信号而合成数据块的步骤；以及

基于估计出的信道特性，对所述连接复用单元所合成的空时分组码块进行解码的步骤。

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