CN101227249B - 一种信道编码和空时编码级联发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多输入多输出频分复用系统中信道编码和空时编码级联发射方法。本发明方法先由发端对信源输出的信息比特进行信道编码，得到信息比特位和校验比特位；发端再根据发送天线数量n和每个子带需要导频的平均数量确定是否需要进行二次删余并根据交织方式确定一次删余、二次删余和交织的顺序；发端再对得到的二进制序列进行调制，得到调制符号；发端再对所述调制符号进行串并变换，并进行空时编码，得到编码后码字；最后发端将所述码字和导频映射到不同子载波上，通过所述n根发送天线进行发射。利用本发明能使MIMO+OFDM系统既可最大程度的获得信道编码的编码增益，又能获得空时编码的分集增益。

Description

一种信道编码和空时编码级联发射方法 

技术领域

本发明涉及系统编码发射方法，尤其涉及一种多输入多输出正交频分复用系统中信道编码和空时编码级联发射方法。 

背景技术

多天线(MIMO)是近几年发展起来的一种高效的无线传输技术，是指在发射端和接收端，分别使用多个发射天线和接收天线。传统的通信系统是单进单出SISO系统，基于发射分集和接收分集的多进单出MISO方式和单进多出SIMO方式也是MIMO的特殊情况。MIMO的基本思想是在发射、接收或收发双端采用多个天线，通过空时处理技术，充分利用信道之间的独立衰落特性，提高频谱利用率，通信质量和系统容量。例如：贝尔实验室的Foschini等人，提出了一种分层空时结构(BLAST)，它将信源数据分成几个子数据流，独立进行编码/调制。分层空时编码系统在21dB的平均信噪比下可以达到42b/s/Hz的带宽利用率，这样的带宽利用率对于单天线发射单天线接收系统是不可想象的。 

OFDM在频域把频谱分成若干个正交的子信道，各子信道的载波相互重叠，提高了频谱利用率。由于各子信道的带宽相对较窄，因此对整个发射带宽信号来讲频率选择性信道对于各个子信道信号是平坦衰落的，均衡可对每个子载波分别进行，大大简化了接收机结构。由于OFDM具有频谱利用率高、均衡简单的优点，非常适合于高速的有线和无线传输，因此得到了广泛研究。 

为了充分保证MIMO+OFDM系统的性能，某些MIMO+OFDM的通信系统采用信道编码和空时编码级联的方式，提高整个系统的通信质量。 

但是，MIMO+OFDM系统中的信道编码和空时编码级联的发送方案，却有一些有待于解决的问题。由于目前的空时编码技术，多采用空时 分组编码、空时分层编码和空时网格编码以及空时频编码。由于每根发送天线的导频必须正交，跟单天线相比，两天线的导频数量会减半，四天线如果要保证像两天线一样的导频数量的话，则导频载波的数量会加倍，其它发送数目依次类推。目前16e协议多天线发送时，因为导频载波的增多，空时编码后需要进行二次删余，如图1所示，避免不了会删余掉部分携带信息比特的符号，造成CTC译码性能的严重下降。 

目前有多天线OFDM系统中的发送分集，发射机处理每一对数据码元以得出两对发送码元，用于在(1)对于空时发送分集的两个OFDM码元周期内或者(2)对于空频发送分集的两个子带上，从一对天线发出。数据传输使用了N_T·(N_T-1)/2个不同的天线对，为相邻的子带使用不同的天线对，其中N_T是天线数目。系统可以支持多个OFDM码元尺寸。为不同的OFDM码元尺寸使用相同的编码、交织和调制方案来简化发射机和接收机处理。发射机按照所选的OFDM码元尺寸对每根天线的发送码元流进行OFDM调制。接收机执行相反的处理。并没有给出信道编码与空时编码级联进行空时发送的方案。还有一种正交频分复用(OFDM)系统中发射空时码的方法，该系统包括n根发射天线，其中n为至少为3的正整数，该方法包括以下步骤：对信源输出的信息比特进行调制，得到调制符号，并对调制符号进行空时编码，以得到编码后码字；将码字映射到正交频分复用符号的至少两个子载波上，并且在n根发射天线上发射码字。这样，通过在时间和子载波上完成发射空时码的操作，虽然使得完成发射空时码所需要的发射周期减少，从而降低了信道相关时间对空时码发送的影响，避免了由于信道衰落系数在一次空时编码操作内发生变化而给空时码发送带来的性能损失，但同样也没有涉及信道编码与空时编码级联进行空时发送的方案。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多输入多输出正交频分复用无线系统中的信道编码与空时编码级联发射方法，即提供一种MIMO+OFDM通信系统中编码、删余、交织和空时发送的二次删余(根 据交织方式顺序可能不同)、空时编码、空时编码码字和导频的多天线发送。从而使得MIMO+OFDM系统既能够最大程度的获得信道编码的编码增益，又能获得空时编码的分集增益。 

为解决上述技术问题，本发明一种多输入多输出频分复用系统中信道编码和空时编码级联发射方法，包括步骤： 

(1)发端对信源输出的信息比特进行信道编码，得到信息比特位和校验比特位； 

(2)发端根据发送天线数量n和每个子带需要导频的平均数量确定是否需要进行二次删余并根据交织方式确定一次删余、二次删余和交织的顺利，进行一次删余、二次删余和交织，得到二进制比特；所述交织方式是指是否对信息比特位和校验比特位分别进行交织； 

(3)发端对步骤(2)中得到的二进制比特进行调制，得到调制符号； 

(4)发端对所述调制符号进行串并变换，并进行空时编码，得到编码后码字； 

(5)发端将所述码字和导频映射到不同子载波上，通过所述n根发送天线进行发射。 

进一步，所述步骤(1)中的信道编码包括系统编码。 

进一步，所述步骤(2)中每个子带需要导频载波的平均数量由多天线发送导频的方式和要求每根天线上实际发送导频的数量决定。 

进一步，所述步骤(2)中一次删余、二次删余是对校验比特位进行。 

进一步，所述步骤(2)中对信源输出的信息比特进行系统编码后，包含系统的信息比特位和校验比特位。 

进一步，所述步骤(4)中的空时编码包括空时分组编码、空时分层编码、空时网格编码和空时频编码。 

进一步，所述步骤(5)根据空时编码的方式和相应发送天线数目的物理层的帧结构，将空时编码后的码字按一定的规则分别映射到不同发送天线的数据子载波上，插入导频到不同发送天线的相应导频子载波位置上进行发射。 

再进一步，所述步骤(4)中进行空时分组编码时； 

所述步骤(5)将同一个空时编码器在同一时刻发送到不同天线上的数据符号映射到各处正交频分复用符号的同一个数据子载波上。 

再进一步，所述发送天线数量n为2； 

如果交织方式是信息比特位与校验比特位分别进行交织时，则依次进行一次删余、交织或者交织、一次删余，得到调制前的二进制比特序列； 

如果交织方式是信息比特位与校验比特位联合进行时，则依次进行一次删余、交织，得到调制前的比特序列。 

再进一步，所述发送天线数量n大于2； 

如果交织方式是信息比特位与校验比特位分别进行交织时，则依次进行一次删余、二次删余、交织，或者一次删余、交织、二次删余，或者交织、一次删余、二次删余，得到调制前的二进制比特序列； 

如果交织方式是信息比特位与校验比特位联合进行时，则依次进行一次删余、二次删余、交织，得到调制前的比特序列。 

再进一步，所述步骤(2)中，根据每根发送天线上发送的导频必须正交，在两天线发送的数据符号来发送导频的数量来确定需要进行二次删余的比特数目。 

本发明中的信道编码，包括系统编码，编码后，包括包含系统的比特位(即原始的信息位)和校验位。根据编码速率进行打孔和删余，包括对校验比特位进行的，这样可以提高编码速率。 

从上述的技术方案可以看出，在本发明中，首先对信源输出的信息比特进行编码，得到校验比特。其次根据发送天线的数目进一步判断是否需要进行二次删余，如果不需要二次删余，进一步判断交织的方式，如果是信息比特位与校验比特位分别进行交织，则直接进行交织、一次删余(二者顺序可换)后得到调制前的二进制序列； 

如果是信息比特位与校验比特位联合进行，则进行一次删余、交织(二者顺序不可换)； 

如果需要二次删余，进一步判断交织方式，如果是信息比特位与校验 比特位分别进行交织，则进行一次删余、二次删余、交织(顺序可换)后就可以得到调制前的二进制比特序列； 

如果是信息比特位与校验比特位联合进行交织，则先进行一次删余、二次删余后再进行交织，得到调制前的比特序列。 

然后进行调制，得到调制符号，并对调制符号进行串并变换后进行空时编码，以得到编码后码字；最后根据空时编码的方式和相应发送天线数目的物理层的帧结构，将空时编码后的码字按照一定的规则分别映射到不同发送天线的数据子载波上，插入导频到不同的发送天线的相应的导频子载波位置上进行发射。如果是空时分组编码，则要求将同一个空时编码器，在同一时刻发送到不同天线上的数据符号映射到各自OFDM符号的同一个数据子载波上，这样可以避免频率选择性对空时译码性能的影响。 

应用本发明后，可以避免多天线发送在空时编码后进行二次删余时，可能将携带信息比特位的符号给删掉，导致整个MIMO+OFDM系统的抗干扰能力严重下降，甚至不如只有空时编码的性能。在本发明中没有增加发送系统的复杂度，而是如果需要二次删余，将二次删余的位置做了一些调整，以避免将携带信息比特的符号删余掉，最大程度的保证了系统编码的编码增益，从而能够提高系统的性能。 

附图说明

图1为现有技术中关于二次删余处理的处理流程示意图； 

图2为本发明MIMO+OFDM中信道编码与空时编码级联的发送方法示意图； 

图3为本发明实施例MIMO+OFDM中信道编码与空时编码级联的发送方法示意图； 

图4为本发明实施例MIMO+OFDM中信道编码与空时分组编码级联的发送方法示意图； 

图5为现有技术中数据删余的位置和过程示意图； 

图6为本发明实施例中数据删余的位置和过程示意图；

图7为信息比特和校验比特分别进行交织时的流程示意图； 

图8为比特和校验比特联合进行交织时的流程示意图； 

图9为本发明实施例四天线发送的导频和数据子载波映射示意图。 

图10为本发明实施例OFDM中信道编码与空时分层编码级联的发送方法示意图； 

具体实施方式

以下结合附图，将对本发明的具体实施例进行较为详细的说明。 

图1为现有技术中关于二次删余处理的处理流程示意图。 

图2为本发明的MIMO+OFDM中信道编码与空时分组编码级联的发送方案的示意图。包括以下步骤： 

(1)发端对信源输出的信息比特进行编码，得到信息比特位和校验比特位； 

(2)发端根据发送天线数量n和每个子带需要导频的平均数量确定是否需要进行二次删余并根据交织方式确定一次删余、二次删余和交织的顺序； 

(3)发端对信道编码后的信号进行调制，得到调制符号； 

(4)发端对所述调制符号进行串并变换，并进行空时编码，得到编码后码字； 

(5)发端将所述码字和导频映射到不同子载波上，通过所述n根发送天线进行发射。 

图3为本发明实施例的流程图。现有的技术中，在空时编码后，对由于天线数目的增加，导致二次删余时会将携带有信息比特信息的符号给删余掉，本发明在系统编码结束时提前进行二次删余，会避免出现这个问题，从而会最大程度的保证减小二次删余对译码性能的影响，另外如果是空时分组编码也可以克服频率选择性衰落对译码空时译码性能的影响。 

图4为本发明实施例MIMO+OFDM中信道编码与空时分组编码级 联的发送方法示意图。 

首先，在步骤401中，所述的信道编码需要产生一个原始的信源序列，首先进行加扰处理，然后进行码率为1/3的CTC编码(卷积Turbo编码Convolution Turbo Code)，对子块进行交织，根据协议规定码率进行删余。本实施例以IEEE802.16e，QPSK，1/2CTC编码，4天线下行的PUSC符号结构为例。由于在4天线时，每个簇的导频数目倍增(由原先的4个导频变为8个)，从而使得每个时频资源块(两个簇)中有用数据子载波的实际数目由原来的48个变为40个。协议规定，每个时频资源块中的最后8个数据被删余掉。假设对于一个CTC-1/2，QPSK调制的系统，信道编码块的级联的数目为10个时频资源块的数据的数目，即每个信道编码块有10个slot，则被删余掉的数据的位置和过程如示意图5所示： 

如果信息bit为a₁，a₂，…a₄₈₀，编码后的bit为a₁，a₂，…a₄₈₀b₁，b₂，…b₄₈₀，其中a¹，a²，…a₄₈₀为信息位，b₁，b₂，…b₄₈₀为校验位。则经过QPSK映射后的复信号为c₁，c₂，…c₄₈₀，其中c₁，c₂，…c₂₄₀由a₁，a₂，…a₄₈₀映射得到，c₂₄₁，c₂，…c₄₈₀由b₁，b₂，…b₄₈₀映射得到。这样一个信道编码块经过如图的二次删余后，携带信息位和校验位的符号都有可能被删余掉。导致CTC译码的性能下降。本发明的思路为对于编码后的a₁，a₂，…a₄₈₀，b₁，b₂，…b₄₈₀(已经经过CTC编码本身的删余)，在校验位上对数据进行二次删余，这样可以保证信息位不被删余掉。对于一个信道编码块，在其末端删余掉的bit数目为10*8/R，其中R为1/2时为160。即进入星座映射调制模块的bit流为a₁，a₂，…a₄₈₀，b₁，b₂，…b₃₂₀。这样的bit流经过QPSK调制前的个数为800，调制后的复信号流个数为400＝40*10。此种方法最大程度的降低了二次删余对CTC译码的影响，保证了CTC的编码增益。因此在调制前，进一步对CTC的校验位进行相应大小的二次删余。具体位置和删余过程如示意图6所示。 

图7为信息比特和校验比特分别进行交织时的流程示意图；图8为比特和校验比特联合进行交织时的流程示意图。 

接着在步骤302中，所述的调制，是指对经过信道编码处理后的码字进行调制，得到调制后的复数星座图的符号。 

接着在步骤303中，所述的串并变换，是指对经过调制后的符号，根 据四天线空时分组编码器的需要进行串并变换 

接着在步骤304中，所述的空时分组编码可以包括两天线、三天线、四天线以及更多根发送天线，此处以四根发送天线为例。对调制后的符号进行空时分组编码后，得到码字矩阵为 

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

接着，在步骤305中，按照图9所示，根据不同发送天线的导频和数据的位置进行导频和数据的映射。 

所述的空时编码，可以包括空时分组编码、空时分层编码、空时网格编码，图10为本发明实施例OFDM中信道编码与空时编码级联发送，其中空时编码是空时分层编码的情形。

Claims (11)

1.一种多输入多输出频分复用系统中信道编码和空时编码级联发射方法，其特征在于，包括步骤：

(1)发端对信源输出的信息比特进行信道编码，得到信息比特位和校验比特位；

(2)发端根据发送天线数量n和每个子带需要导频的平均数量确定是否需要进行二次删余并根据交织方式确定一次删余、二次删余和交织的顺序，进行一次删余、二次删余和交织，得到二进制比特；

(3)发端对步骤(2)中得到的二进制比特进行调制，得到调制符号；

(4)发端对所述调制符号进行串并变换，并进行空时编码，得到编码后的码字；

(5)发端将所述编码后的码字和导频映射到不同子载波上，通过所述n根发送天线进行发射。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的信道编码包括系统编码。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中每个子带需要导频载波的平均数量由多天线发送导频的方式和要求每根天线上实际发送导频的数量决定。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中一次删余、二次删余是指对校验比特位进行删余。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中的空时编码包括空时分组编码、空时分层编码、空时网格编码或空时频编码。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)根据不同发送天线的导频和数据的位置，将空时编码后的码字按一定的规则分别映射到不同发送天线的数据子载波上，插入导频到不同发送天线的相应导频子载波位置上进行发射。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：

所述步骤(4)中进行空时分组编码；

所述步骤(5)将同一个空时编码器在同一时刻发送到不同天线上的数据符号映射到各处正交频分复用符号的同一个数据子载波上。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

所述发送天线数量n为2时，确定不进行二次删余，这种情况下：

如果交织方式是信息比特位与校验比特位分别进行交织时，则依次进行一次删余、交织或者交织、一次删余，得到调制前的二进制比特序列；

如果交织方式是信息比特位与校验比特位联合进行时，则依次进行一次删余、交织，得到调制前的比特序列；

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

所述发送天线数量n大于2，确定进行二次删余，这种情况下：

如果交织方式是信息比特位与校验比特位分别进行交织时，则依次进行一次删余、二次删余、交织，或者一次删余、交织、二次删余，或者交织、一次删余、二次删余，得到调制前的二进制比特序列；

如果交织方式是信息比特位与校验比特位联合进行时，则依次进行一次删余、二次删余、交织，得到调制前的比特序列。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的二次删余，包括：根据时频资源块数目、导频数量及编码率来确定需要进行二次删余的比特数目。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中包括加扰处理。

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