CN101267234A - 空时分组码编解码的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在多发送天线系统的发射机中用于对待编码符号进行编码的方案，首先获取该多发送天线系统的信道补偿相关信息；然后根据所述信道补偿相关信息对多个待编码的符号进行空时编码处理，以获得相应的多个空时分组码；以及在接收机中相应的解码方法和装置，根据信道估计得到一个等效的信道响应，根据该等效的信道响应对所接收到的空时分组码进行解码。通过使用本发明的方法和装置，可得到全分集和全符号发送速率，并且最大似然解码简单。

Description

空时分组码编解码的方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信中的多发送天线系统，尤其涉及无线通信多发送天线系统中的空时分组码的编解码方法及装置。

背景技术

由Alamouti(参考文献1：S.Alamouti，“A simple transmit diversitytechnique for wireless communication systems，”IEEE J. Select AreasCommun.，1998，16(8)：1451-1458)和Tarokh等人(参考文献2：V.Tarokh，H.Jafarkhani，et al.，“Space-time block codes from orthogonaldesigns，”IEEE Trans.Inform.Theory，1999，45(7)：1456-1467)所提出的正交设计的空时分组码(O-STBC)方案，由于具有快速最大似然(ML)解码和全分集的特点，而受到极大的关注。但是对于三发送天线和四发送天线复正交分组码，最大的符号传输速率只有3/4，而且很难去构造一个符号速率高于1/2的发送天线多于四天线的复正交空时分组码(O-STBC)(参考文献3：X.Liang，“A high-rate orthogonal space-timeblock code，”IEEE Commun.Lett.，2003，7(5)：222-224)。

最近Jafarkhani(参考文献4：H.Jafarkhani，“A quasi-orthogonalspace-time block code，”IEEE Trans.Commun.，2001，49(1)：1-4)提出了准正交空时分组码(QO-STBC)，其较宽松的准正交约束可以提供更快的符号传输速率。QO-STBC可以采用一个简化的最大似然解码(只需要成对地搜索发送符号)，但是没有获得全分集增益。为了提高QO-STBC的性能，Sharma等人(参考文献5：N.Sharma，C.Papadias，“Improved quasi-orthogonal codes through constellation rotation，”IEEETrans.Commun.，2003，51(3)：332-335)提出了采用星座旋转的QO-STBC(CR-QO-STBC)，Su等人(参考文献6：W.Su，X.Xia，“Signal constellations for quasi-orthogonal space-time block codes with fulldiversity，”IEEE Trans.Inform.Theory，2004，50(10)：2331-2347)给出了一些常用的星座图的最佳旋转角。

尽管CR-QO-STBC无论在高信噪比还是低信噪比的情况下，性能都优于O-STBC，但是它们的最大似然解码复杂度却要比O-STBC高很多，特别是对于高阶调制(如16QAM)，这是因为CR-QO-STBC发送的符号必须被成对地检测。

发明内容

现有技术中的STBC通常是开环设计，开环的意思就是说发射机并不知道或者不利用信道的信息。如果发射机预先获知信道信息(比如时分双工(TDD)系统)或者通过接收来自接收机的反馈信息以获取全部/部分的信道信息(比如在频分双工(FDD)系统)，从而能够实现一个全符号发送速率(或称作全符号速率)的闭环空时分组码传输方案。这里全符号发送速率的意思是对于多天线发送系统，平均每个时刻发送1个符号。本发明的目的正是通过让发射机获取全部或部分信道信息以实现一个全符号发送速率的闭环空时分组码传输的技术方案。

根据本发明的第一个方面，提供一种在多发送天线系统的发射机中用于对待编码符号进行编码的方法，首先获取该多发送天线系统的信道补偿相关信息；然后根据所述信道补偿相关信息对多个待编码的符号进行加权的空时编码处理，以获得相应的多个空时分组码。

根据本发明的第二个方面，提供一种在多发送天线系统的发射机中用于对待编码符号进行空时编码的装置，该装置包括获取装置，用于获取该多发送天线系统的信道补偿相关信息；以及相关编码装置，用于根据所述信道补偿相关信息对多个待编码的符号进行加权的空时编码处理，以获得相应的多个空时分组码。

根据本发明的第三个方面，还提供了一种在多发送天线系统的接收机中用于空时分组码解码的方法，其特征在于，利用与发射端相同的信道补偿相关信息对所接收到的空时分组码进行解码。

根据本发明的第四个方面，还提供了一种在多发送天线系统的接收机中用于空时分组码解码的解码装置，其特征在于，利用与发射端相同的信道补偿相关信息对所接收到的空时分组码进行解码。

现有的复O-STBC方案具有低复杂度的最大似然解码和全分集，但是对于四发送天线而言，符号发送速率只有3/4.现有的CR-QO-STBC方案虽然可以做到全符号速率和全分集，但是发送符号必须被成对地检测，因而最大似然解码相当复杂，特别是对高阶调制而言，如16QAM。本发明提供的编解码方案具有全符号速率和全分集增益，并且具有简单的最大似然解码。

附图说明

图1为根据本发明的一个具体实施方式在多发送天线系统的发射机中的空时分组码的加权编码方法流程图；

图2为根据本发明的一个具体实施方式在多发送天线系统的发射机中的空时分组码的加权编码装置的结构框图；

图3为根据本发明的一个具体实施方式在多发送天线系统的接收机中的空时分组码的解码方法流程图；

图4为根据本发明的一个具体实施方式在多发送天线系统的接收机中的空时分组码的解码装置的结构框图；

图5为多发送天线系统包括四个发送天线和一个接收天线，每次信道使用发送2比特的情况下，三种空时分组码方案的性能比较示意图；

图6为多发送天线系统包括四个发送天线和一个接收天线，每次信道使用发送3比特的情况下，四种空时分组码方案的性能比较示意图。

具体实施方式

现有的STBC通常工作在开环的模式下，除两发送天线的情况外，都只有部分符号发送速率。

而在本发明中，我们采用了闭环的STBC编码方案，在此，闭环的意思是使得发射机知晓并利用全部或部分信道的信息。换言之，本发明的原理在于：在多发送天线系统的发射机中，通过获知该系统的信道信息，并结合该信道信息对待编码符号进行编码处理，从而实现该闭环的STBC方案。本发明提供的编码方案具有全符号速率和全分集增益，并且具有简单的最大似然解码。

考虑一个具有Nt个发送天线和Nr个接收天线的无线链路，STBC编码器将长度为L的输入符号矢量编码成一个T×Nt的矩阵S，其中T是空时分组码使用信道的次数，所以，符号发送速率是L/T。接收的信号模型由R＝S·A+V给出，其中A是一个Nt×Nr的复信道矩阵，V是一个T×Nr复噪声矩阵。

这里我们以每个分组中待编码的符号个数L＝4的情形，来对本发明的一种编码方式的推导过程进行说明。本领域的技术人员可以理解，对于分组中待编码的符号个数L为6、8、10、12等情况可以参照L＝4的情形进行类似的推导。

参考文献2中给出了符号速率为3/4的O-STBC编码矩阵，如以下公式(1)所示：

$S_1=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& 0& s_2& {-s}_3\\ 0& s_1& s_3^{*}& s_2^{*}\\ {-s}_2^{*}& {-s}_3& s_1^{*}& 0\\ s_3^{*}& {-s}_2& 0& s_1^{*}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其他的编码矩阵也可以得到3/4的符号速率，如以下公式(2)所示：

$S_2=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& 0& s_3& 0\\ {-s}_2^{*}& s_1^{*}& 0& s_3\\ {-s}_3^{*}& 0& s_1^{*}& {-s}_2\\ 0& {-s}_3^{*}& s_2^{*}& s_1\end{array}\right]---\left(2\right)$

公式(1)所示矩阵S₁和公式(2)所示矩阵S₂有一个共同的特性，就是S^HS＝(|s₁|²+|s₂|²+|s₃|²)·I，其中I是4×4的单位矩阵，上标H表示共轭转置运算符。相应地，可以对上述O-STBC编码矩阵中的符号s₁，s₂和s₃进行单独的最大似然解码。

QO-STBC和CR-QO-STBC使用了相同的编码矩阵(见参考文献3-6)，如公式(3)所示

$S_3=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& s_2& s_3& s_4\\ {-s}_2^{*}& s_1^{*}& {-s}_4^{*}& s_3^{*}\\ s_3& s_4& s_1& s_2\\ {-s}_4^{*}& s_3^{*}& -s_2^{*}& s_1^{*}\end{array}\right]---\left(3\right)$

很明显，公式(3)所示矩阵S₃的符号发送速率是1，该矩阵包含了两组Alamouti方案。QO-STBC和CR-QO-STBC的区别是，前者方案中s₁，s₂，s₃和s₄取自单个的星座图集

，但在后者方案里，s₁和s₂是来自单个的星座图集合

，但s₃和s₄是来自旋转星座图集合e^jθ

，这个最佳旋转角度θ根据具体的星座图确定(参考文献6)。通过公式(3)所示的矩阵简单运算得到

$S_3^H{S}_3=\left[\begin{array}{cccc}a& 0& b& 0\\ 0& a& 0& b\\ b& 0& a& 0\\ 0& b& 0& a\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中a＝|s₁|²+|s₂|²+|s₃|²+|s₄|²， $b=s_1{s}_3^{*}+s_3{s}_1^{*}+s_2{s}_4^{*}+s_4{s}_2^{*},$ 上标*是复共轭运算符，由于参数b通常不为0，所以QO-STBC和CR-QO-STBC方案的最大似然解码必须以符号对方式处理，即(s₁，s₃)和(s₂，s₄)一起处理。由于是穷举搜索所有可能的符号对，最大似然解码相当复杂，特别是对高阶调制。另外，如果a＝b，则编码矩阵S₃的秩是2，这样QO-STBC只取得了分集阶数2Nr。通过星座旋转，CR-QO-STBC使得a≠b，这样可获得全分集阶数4Nr。

除了公式(3)以外，QO-STBC和CR-QO-STBC方案也可有其它的编码矩阵，如以下公式(5)：

$S_4=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& s_2& s_3& s_4\\ {-s}_2^{*}& s_1^{*}& {-s}_4^{*}& s_3^{*}\\ {-s}_3^{*}& {-s}_4^{*}& s_1^{*}& s_2^{*}\\ s_4& {-s}_3& {-s}_2& s_1\end{array}\right]---\left(5\right)$

尽管公式(5)和公式(3)形式上不同，但是公式(5)中的编码矩阵S₄与公式(3)中的编码矩阵S₃具有如上文描述的类似于公式(4)的相同属性。对于低复杂度最大似然解码来说，主要考虑的是如何分别检测4个发送的符号。为此，可以设计编码矩阵S，S满足S^HS＝al。也可设计等效信道矩阵H(根据信道估计得到信道矩阵)，满足H^HH＝ρl，其中a和ρ可以是任意的正实数。由于不可能去改变传输信道，我们设计了如下公式(6)所示的编码矩阵：

$S=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{{\mathrm{j\φ}}_1}{s}_1& e^{{\mathrm{j\φ}}_1}{s}_2& e^{{\mathrm{j\φ}}_2}{s}_3& e^{{\mathrm{j\φ}}_2}{s}_4\\ {-e}^{{\mathrm{j\φ}}_1}{s}_2^{*}& e^{{\mathrm{j\φ}}_1}{s}_1^{*}& {-e}^{{\mathrm{j\φ}}_2}{s}_4^{*}& e^{{\mathrm{j\φ}}_2}{s}_3^{*}\\ e^{{\mathrm{j\φ}}_1}{s}_3& e^{{\mathrm{j\φ}}_1}{s}_4& e^{{\mathrm{j\φ}}_2}{s}_1& e^{{\mathrm{j\φ}}_2}{s}_2\\ {-e}^{{\mathrm{j\φ}}_1}{s}_4^{*}& e^{{\mathrm{j\φ}}_1}{s}_3^{*}& {-e}^{{\mathrm{j\φ}}_2}{s}_2^{*}& e^{{\mathrm{j\φ}}_2}{s}_1^{*}\end{array}\right]---\left(6\right)$

典型地，我们可以取φ₁＝0和φ₂＝φ，相对旋转角φ是由信道信息所决定的。公式(6)所示的编码矩阵源于公式(3)所示的编码矩阵，但可以直接推广到其它的编码矩阵，如公式(5)所示的编码矩阵。

假设信道是准静态的，并且满足信道矩阵A在每一个大小为T＝4的块中保持不变(注意，这是现有的O-STBC，QO-STBC和CR-QO-STBC方案都共有的一个要求)。分别用列向量h_m，y_m和v_m表示A，R和V的第m行的转置，这样每个接收天线接收到的信号可以被重写成如下公式(7)所示的形式：

y＝Hs+n           (7)

其中， $y={\left[\begin{array}{cccc}{y}_1& y_2^{*}& y_3& y_4^{*}\end{array}\right]}^T,$ s=[s₁ s₂ s₃ s₄]^T， $n={\left[\begin{array}{cccc}{v}_1& v_2^{*}& v_3& v_4^{*}\end{array}\right]}^T,$ 上标T代表转置运算符，

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_1& h_2& e^{\mathrm{j\φ}}{h}_3& e^{\mathrm{j\φ}}{h}_4\\ h_2^{*}& {-h}_1^{*}& e^{-\mathrm{j\φ}}{h}_4^{*}& -e^{-\mathrm{j\φ}}{h}_3^{*}\\ e^{\mathrm{j\φ}}{h}_3& e^{\mathrm{j\φ}}{h}_4& h_1& h_2\\ e^{-\mathrm{j\φ}}{h}_4^{*}& {-e}^{-\mathrm{j\φ}}{h}_3^{*}& h_2^{*}& {-h}_1^{*}\end{array}\right]---\left(8\right)$

其中，h₁、h₂、h₃和h₄分别为四个发送天线到一个接收天线之间的信道估计值。在公式(7)的两边分别左乘以H^H，得到z＝H^Hy＝H^HHs+H^Hn，其中H^HH具有和公式(4)的右边相同的形式，同时a＝‖h₁‖²+‖h₂‖²+‖h₃‖²+‖h₄‖²， $b=h_1^{*}{h}_3{e}^{\mathrm{j\φ}}+h_1{h}_3^{*}{e}^{-\mathrm{j\φ}}+h_2{h}_4^{*}{e}^{-\mathrm{j\φ}}+h_2^{*}{h}_4{e}^{\mathrm{j\φ}}.$ 在本发明中， ${\left|\right|h_i\left|\right|}^2=h_i^H{h}_i,$ 表示欧几里得范数的平方值。显然，如果我们选择：

$\mathrm{\φ}=0.5\mathrm{\π}\·\mathrm{sign}\left(\mathrm{angle}(h_1^{*}{h}_3+h_2^{*}{h}_4)\right)-\mathrm{angle}(h_1^{*}{h}_3+h_2^{*}{h}_4)---\left(9\right)$

其中sign(·)是正负运算符，angle(·)是角度运算符，angle(e^jθ)＝θ，则参数b＝0，最佳旋转角度(9)和编码矩阵(6)给出了一个闭环STBC方案。

本发明的STBC方案有全符号传输速率1和全分集4Nr。根据公式(7)，最大似然解码最小化下面的代价函数：

由于H的正交性，以上的最大似然解码等效于求解下列公式(11)-(14)所示的4个子方程：

其中a＝‖h₁‖²+‖h₂‖²+‖h₃‖²+‖h₄‖²。从公式(11)-(14)可以看出，在新的闭环方案里，最大似然解码独立地分别检测四个发送的符号。因此，即使是高阶调制，复杂度也很低。

以上推导了空时分组码分组大小L＝4时的编码情形。由于本发明主要讨论具有全符号发送速率编码的情况，所以当分组中符号个数L＝4时，生成的编码矩阵为4×4的矩阵。对于分组大小L为6、8、10、12等其他情形，可以根据上述推导过程进行类似的推导。

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1示出了根据本发明的一个具体实施方式在多发送天线系统的发射机中的编码方法的流程图。

首先，在步骤S101中，获取该多发送天线系统的信道补偿相关信息。在上下行信道对称(又称对等或互惠)的情况下，如时分双工系统，可以由发射机进行信道估计并计算信道估计的相关信息，在信道不对称的情况下，如频分双工系统，由接收机反馈信道补偿相关信息给发射机，作为空时分组码编码的基础。所述信道补偿相关信息用于对多发送天线系统的信道传输特性进行补偿，以使得代表经补偿后的信道传输特性的等效信道矩阵为正交矩阵。

然后根据所述信道补偿相关信息对多个待编码的符号进行空时编码处理，以获得相应的多个空时分组码。该过程具体包括步骤S102、S103和S104。

首先，在步骤S102中将所述多个待编码符号分为多组待编码符号，其中，每组待编码符号包括L个待编码符号，这里待编码的符号一般为经过如QAM或QPSK调制后的符号，优选地，L为4，但不限于此。

然后，根据所述信道补偿相关信息分别对所述每组待编码符号进行加权的空时编码处理，以获得同所述多组待编码符号相对应的多组加权的空时分组码。

在步骤S103中，先对所述多个待编码符号中的各组待编码符号进行空时分组码编码处理，以获得同该组符号相对应的一组空时分组码。

然后，在步骤S104中，利用所述的信道补偿相关信息所确定的一组加权因子来对所述一组空时分组码的相应码元进行加权处理，以获得同该组空时分组码相对应的一组加权空时分组码。

步骤S103与S104所完成的加权的空时分组码编码处理过程也可以另外一种替换方式来实现：

具体地，在步骤S103’中，先利用所述信道补偿相关信息所确定的一组加权因子对每组待编码符号及其共轭形式进行加权处理，以获得一组加权后的待编码符号；

然后，在步骤S104’中，对所述一组加权后的待编码符号进行空时分组编码，以获得同该组待编码符号相对应的一组加权空时分组码。

为简明起见，在图中未示出步骤S103’与S104’。

上述两种实现方式实质上是一样的，不过是具体实现时编码和加权的先后次序不同而已。

针对步骤S102至S104，简单起见，我们以发射天线个数为4、接收天线个数为1的多天线系统为例，采用前述的闭环STBC方案，给出本发明的编码方法的一个典型实施例。

首先，获取信道估计值h₁，h₂，h₃，h₄，然后根据公式(9)计算出信道补偿相关信息，即角度值φ。

其次，将待编码符号分为若干组，每个分组中有4符号。

然后，对每个分组中的4符号进行空时编码，获得如前述公式(3)所示的编码矩阵。当然也可以选择如前述公式(5)所示的编码矩阵。

最后，将前面根据公式(9)获得的信道补偿相关信息，即角度值φ的e^jφ分别去乘以前述公式(3)中的矩阵的第3、4列，获得如前述公式(6)所示的矩阵形式，从而完成本发明的编码过程。

当然，也可先用e^jφ去乘以每个分组中的各个符号及其共轭，然后按前述公式(3)中的矩阵形式进行空时编码，得到如前述公式(6)所示的矩阵，同样完成本发明的编码过程。

需要说明的是，上述典型实施例中获取信道补偿相关信息的步骤和对符号进行分组的步骤在实际操作中并无必然的先后关系，两个步骤可以同时进行，也可以对符号先进行分组，然后再去获取所述信道补偿相关信息。

另外需要说明的是，本发明的编码方法不限于上述典型实施例中所述的发送天线个数为4，接收天线个数为1的多发送天线系统，本发明中的编码方法可应用至一般的多发送天线系统。

如果采取M×M的空时编码矩阵，如当M＝4时，典型地，发送天线为4个，这样可获得全符号发送速率1和全分集，但是实际应用时，当发送天线的个数多于四时，可采取天线选择和循环延时分集等技术以扩展使用本发明的方案。以发送天线选择技术为例，它根据最大化分集增益或最大化容量等准则从所有的发送天线中选择四个天线来发送信号。以循环延时分集技术为例，它在四个发送天线发送信号的同时，其他的发送天线用于发送上述四个天线中的某一路或者某几路发送信号的经过一定时间延迟或在频域经过一定的相位旋转的信号，接收机将某路信号及其时间延迟或频域相位旋转的信号当作多径信号来处理。

由于接收机对每个接收天线分别做解码处理，因此本发明的编码方法可应用至任意个数的接收天线。

图2示出了根据本发明的一个具体实施方式在多发送天线系统的发射机中空时编码装置框图。

该空时编码装置1包括获取装置101和相关编码装置102，该相关编码装置102包括分组装置1021和加权编码装置1022，该加权编码装置1022包括加权装置10221和编码装置10222。

首先获取装置101获取信道补偿相关信息。在上下行信道对称的情况下，如时分双工系统，获取装置101可以根据发射机进行的信道估计计算出信道估计的相关信息，在信道不对称的情况下，如频分双工系统，获取装置101直接接收来自接收机反馈信道补偿相关信息，作为空时分组码编码的基础。所述信道补偿相关信息用于对多发送天线系统的信道传输特性进行补偿，以使得代表经补偿后的信道传输特性的等效信道矩阵为正交矩阵

相关编码装置102根据由获取装置101所获得的信道补偿相关信息对多个待编码的符号进行空时编码处理，以获得相应的多个空时分组码。其中，首先由分组装置1021将所述多个待编码符号分为多组待编码符号，其中，每组待编码符号包括L个待编码符号，这里待编码的符号一般为经过如QAM或QPSK调制后的符号，优选地，L为4，但不限于此。

然后，加权编码装置1022根据由获取装置101所获得的信道补偿相关信息分别对所述每组待编码符号进行加权的空时编码处理，以获得同所述多组待编码符号相对应的多组加权的空时分组码。其中，可以先由编码装置10221对所述多个待编码符号中的各组待编码符号进行空时编码处理，以获得同该组符号相对应的一组空时分组码，然后由加权装置10222根据由获取装置101所获得的信道补偿相关信息所确定的一组加权因子来对所述一组空时分组码的相应码元进行加权处理，以获得同该组空时分组码相对应的一组加权空时分组码。

也可先由加权装置10222根据所述信道补偿相关信息所确定的一组加权因子对每组待编码符号进行加权处理，以获得一组加权后的待编码符号，然后由编码装置10221对所述一组加权后的待编码符号进行空时分组编码，以获得同该组待编码符号相对应的一组加权空时分组码。

上述两种实现方式实质上是一样的，不过是具体实现时编码和加权的先后次序不同而已。

为了简单起见，我们以发射天线个数为4、接收天线个数为1的多天线系统为例，采用前述的STBC方案，给出本发明的编码装置1的一个典型实施例。

首先，获取装置101获取信道估计值h₁，h₂，h₃，h₄，然后根据公式(9)计算出信道补偿相关信息，即角度值φ。

其次，分组装置1021将待编码符号分为若干组，每组中有4符号。

然后，编码装置10221对每个分组中的4符号进行空时编码，获得如前述公式(3)所示的编码矩阵。当然也可以选择如前述公式(5)所示的编码矩阵。

最后，加权装置10222将获取装置101获得的角度值φ的e^jφ分别去乘以前述公式(3)中的矩阵的第3、4列，获得如前述公式(6)所示的矩阵形式，从而完成本发明的编码过程。

当然，也可先由加权装置10222用e^jφ去乘以每个分组中的各个符号及其共轭，然后编码装置10221按前述公式(3)中的矩阵形式进行空时编码，得到如前述公式(6)所示的矩阵，同样完成本发明的编码过程。

需要说明的是，上述典型实施例中获取装置101获取信道补偿相关信息的过程和分组装置1021对符号进行分组的过程在实际操作中并无必然的先后关系，两个过程可以同时进行，也可以由分组装置1021对符号先进行分组，然后再由获取装置101获取所述信道补偿相关信息。

另外需要说明的是，本发明的空时编码装置1不限于上述典型实施例中所述的发送天线个数为4，接收天线个数为1的多发送系统，本发明中的空时编码装置1可应用至一般的多发送天线系统

如果采取M×M的空时编码矩阵，如当M＝4时，优选地，发送天线为4个，这样可获得全符号发送速率1和全分集，但是实际应用时，当发送天线的个数多于四时，可采取天线选择和循环延时分集等技术扩展使用本发明的方案。以发送天线选择技术为例，它根据最大化分集增益或最大化容量等准则从所有的发送天线中选择四个天线来发送信号。以循环延时分集技术为例，它在四个发送天线发送信号的同时，其他的发送天线用于发送上述四个天线中的某一路或者某几路发送信号的经过一定时间延迟或在频域经过一定的相位旋转的信号，接收机将某路信号及其时间延迟或相位旋转的信号当作多径信号来处理。

由于接收机对每个接收天线分别做解码处理，因此本发明的编码装置1可应用至任意个数的接收天线。

对于多发送天线系统，当发射机采取本发明中所述的编码方案时，相应地接收机中要采取与编码相应的解码方法对接收到的空时分组码进行解码。下面将结合图3对多天线系统的发射机中运用本发明的编码方式时，接收机中采取的相应的解码的一个具体实施方式进行说明。

首先，在步骤S201中，基于信道估计确定信道补偿相关信息，并且当上下行信道不对称时，如频分双工系统中，还需要将所述信道补偿相关信息反馈给发射机。所述信道补偿相关信息用于对多发送天线系统的信道传输特性进行补偿，以使得代表经补偿后的信道传输特性的等效信道矩阵为正交矩阵。

然后，在步骤S202中，根据所述信道补偿相关信息对多发送天线系统的信道传输特性进行补偿，以获得代表经补偿后的信道传输特性的等效信道矩阵。

最后，在步骤S203中，根据该等效的信道矩阵对接收到的空时分组码进行解码。

我们仍以发射天线个数为4、接收天线个数为1的多天线系统为例，并且发射机采用前述编码方法中的典型实施例的编码方法，即待编码符号分成若干个组，每个分组中符号个数为4，编码采取如公式(6)所示的编码矩阵，下面给出接收机中相应的解码方法的一个典型实施例。

首先，接收机根据信道估计值h₁，h₂，h₃，h₄和公式(9)确定所述角度值φ，本领域的普通技术人员可以知晓如何获得信道估计h₁，h₂，h₃，h₄，本发明这里不再赘述。

然后，根据所述角度值φ以及信道估计值h₁，h₂，h₃，h₄，可以确定如公式(8)所示的等效的信道传输矩阵。

最后，采取最大似然解码，根据公式(10)得到公式(11)至(14)，再根据公式(11)至(14)对分组中的每个符号单独进行解码，因此，解码复杂度很低。

图4示出了根据本发明的一个具体实施方式在多发送天线系统的接收机中的空时解码装置框图。

该空时解码装置2包括第一确定装置201，第二确定装置202，等效解码装置203和发送装置204。

首先，第一确定装置201根据接收机的信道估计确定信道补偿相关信息，并且当上下行信道不对称时，如频分双工系统中，还需要将所述信道补偿相关信息由接收装置204反馈给发射机。所述信道补偿相关信息用于对多发送天线系统的信道传输特性进行补偿，以使得代表经补偿后的信道传输特性的等效信道矩阵为正交矩阵。

然后，第二确定装置202根据第一确定装置201确定的信道补偿相关信息，对多发送天线系统的信道传输特性进行补偿，以获得代表经补偿后的信道传输特性的等效信道矩阵。

最后，等效解码装置203根据由第二确定装置202确定的等效信道矩阵对接收到的空时码进行解码。一种优选的解码方案是采取最大似然解码方案。

我们仍以发射天线个数为4、接收天线个数为1的多天线系统为例，发射机采用前述编码装置1的典型实施例的编码方式，即待编码符号分成若干个组，每个分组中符号个数为4，编码采取如公式(6)所示的编码矩阵，下面给出接收机中相应的解码装置2的一个典型实施例。

首先，第一确定装置201根据信道估计值h₁，h₂，h₃，h₄和公式(9)确定所述角度值φ，本领域的普通技术人员可以知晓如何获得信道估计值h₁，h₂，h₃，h₄，本发明这里不再赘述。

然后，第二确定装置202根据所述角度值φ以及信道估计h₁，h₂，h₃，h₄，可以确定如公式(8)所示的等效信道矩阵。

最后，等效解码装置203采取最大似然解码，根据公式(10)得到公式(11)至(14)，再根据公式(11)至(14)对分组中的每个符号单独进行解码，因此，解码复杂度很低。

以上对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，下面将结合O-STBC、QO-STBC和CR-QO-STBC最大似然解码过程，对本发明的优点进行进一步说明。

O-STBC最大似然解码

为了便于比较，我们以编码矩阵(1)为例，得出如下相应的最大似然解码算法：

其中a＝‖h₁‖²+‖h₂‖²+‖h₃‖²+‖h₄‖²。

QO-STBC和CR-QO-STBC解码

为了便于比较，我们以编码矩阵(3)为例，得出如下相应的最大似然解码算法：

$+{\left|\right|(h_1^{*}{y}_1+y_2^{*}{h}_2+h_3^{*}{y}_3+y_4^{*}{h}_4)-s_1\left|\right|}^2$

$+{\left|\right|(h_1^{*}{y}_3+y_4^{*}{h}_2+h_3^{*}{y}_1+y_2^{*}{h}_4)-s_3{e}^{\mathrm{j\θ}}\left|\right|}^2---\left(18\right)$

$+{\left|\right|({-y}_2^{*}{h}_1+h_2^{*}{y}_1-y_4^{*}{h}_3+h_4^{*}{y}_3)-s_2\left|\right|}^2$

$+{\left|\right|(-y_4^{*}{h}_1+h_2^{*}{y}_3-y_2^{*}{h}_3+h_4^{*}{y}_1)-s_4{e}^{\mathrm{j\θ}}\left|\right|}^2---\left(19\right)$

其中a＝‖h₁‖²+‖h₂‖²+‖h₃‖²+‖h₄‖²， $b=h_1^{*}{h}_3+h_3^{*}{h}_1+h_2^{*}{h}_4+h_4^{*}{h}_2,$ θ是CR-QO-STBC的旋转角(对于QO-STBC来说θ＝0)，根据公式(18)和(19)，两组符号对(s1，s3)和(s2，s4)可以被分别检测出来。然而，由于要穷举搜索符号对的所有可能性，所以最大似然解码仍然非常复杂，尤其对于高阶调制来说，更加复杂。

四种STBC方案的解码复杂度比较

对一个普通的星座集合中的符号，上述四种STBC方案的最大似然解码的复杂度如表1所列，为了更好地了解本发明的高效性，表2分别给出了一个接收天线情况下的四种STBC方案4QAM，8QAM，16QAM和64QAM的解码运算量。对于4QAM而言，可以利用它的恒模属性来简化最大似然解码。

表14种STBC方案每个符号的解码复杂度

其中Nr是接收天线的数量，M是星座的大小，×代表实数乘的运算次数，+代表实数加的运算次数。

表2Nr＝1的情况下，四种STBC方案每个符号的解码运算量

图5示出了每次信道使用发送2比特时，QO-STBC、CR-QO-STBC和本发明的STBC的BER(误比特率)性能，星座集合是4QAM，CR-QO-STBC的旋转角度取π/4(参考文献6)。

图6示出了每次信道使用发送3比特时，O-STBC，QO-STBC，CR-QO-STBC和本发明的STBC方案BER性能。其中，现有的O-STBC采用16QAM星座集合，而其它三种方案采用8QAM星座集合。CR-QO-STBC的旋转角是π/4。

对于这4种STBC方案，我们可以得出以下结论：

就最大似然解码来说，本发明的STBC相对于现有的O-STBC，有相似的复杂度；QO-STBC和CR-QO-STBC方案比以上两种STBC方案更复杂，尤其对于高阶调制。另外QO-STBC和CR-QO-STBC需要更多的存储空间。

在发送速率相同的情况下，本发明的STBC方案性能最好，其次是CR-QO-STBC方案，QO-STBC在低SNR(信噪比)的情况下比QO-STBC的性能要好一些，但是在高SNR的情况下，由于QO-STBC的部分分集的原因，QO-STBC要比现有的O-STB性能差。

现有的O-STBC，QO-STBC，和CR-QO-STBC方案都是开环设计，而本发明的STBC方案是闭环设计，同时旋转角依赖于传输信道。对于时分双工系统，这个旋转角可以根据信道估计直接计算出来。对于频分双工系统，接收机首先计算信道补偿相关信息，然后反馈给发射机。因此，如何在频分双工系统里及时和精确地反馈信道补偿相关信息，是本发明的一个关键点，特别在高移动性的情况下。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (30)

1. 一种在多发送天线系统的发射机中用于对待编码符号进行编码的方法，该方法包括以下步骤：

i.获取该多发送天线系统的信道补偿相关信息；

ii.根据所述信道补偿相关信息对多个待编码的符号进行加权的空时编码处理，以获得相应的多个空时分组码。

2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤ii包括以下步骤：

a.将所述多个待编码符号分为多组待编码符号，其中，每组待编码符号包括L个待编码符号；

b.根据所述信道补偿相关信息分别对所述每组待编码符号进行加权的空时编码处理，以获得同所述多组待编码符号相对应的多组加权的空时分组码。

3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述的每组待编码符号中符号的个数L优选为4。

4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述步骤b包括以下步骤：

-对所述多个待编码符号中的各组待编码符号进行空时编码处理，以获得同该组符号相对应的一组空时分组码；

-利用根据所述信道补偿相关信息所确定的一组加权因子来对所述一组空时分组码的相应码元进行加权处理，以获得同该组空时分组码相对应的一组加权空时分组码。

5. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述步骤b包括以下步骤：

-利用根据所述信道补偿相关信息所确定的一组加权因子对每组待编码符号进行加权处理，以获得一组加权后的待编码符号；

-对所述一组加权后的待编码符号进行空时分组编码，以获得同该组待编码符号相对应的一组加权空时分组码。

6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述步骤i还包括：

-接收来自接收机反馈的信道补偿相关信息。

7. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述步骤i还包括：

-根据发射机所作的信道估计来获取信道补偿相关信息。

8. 根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述信道补偿相关信息用于对多发送天线系统的信道传输特性进行补偿，以使得代表经补偿后的信道传输特性的等效信道矩阵为正交矩阵。

9. 根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述加权的空时编码处理采取的编码矩阵包括以下矩阵：

$S=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_1}{s}_1& e^{j{\mathrm{\φ}}_1}{s}_2& e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_3& e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_4\\ -e^{{\mathrm{j\φ}}_1}{s}_2^{*}& e^{j{\mathrm{\φ}}_1}{s}_1^{*}& -e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_4^{*}& e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_3^{*}\\ e^{j{\mathrm{\φ}}_1}{s}_3& e^{j{\mathrm{\φ}}_1}{s}_4& e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_1& e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_2\\ {-e}^{j{\mathrm{\φ}}_1}{s}_4^{*}& e^{j{\mathrm{\φ}}_1}{s}_3^{*}& -e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_2^{*}& e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_1^{*}\end{array}\right]$

其中，s₁、s₂、s₃和s₄为待编码的符号，φ₂为所述信道补偿相关信息，上标^*是复共轭运算符，φ₁＝0， ${\mathrm{\φ}}_2=0.5\mathrm{\π}\·\mathrm{sign}\left(\mathrm{angle}(h_1^{*}{h}_3+h_2^{*}{h}_4)\right)-\mathrm{angle}(h_1^{*}{h}_3+h_2^{*}{h}_4),$ sign(·)是正负运算符，angle(·)是角度运算符，angle(e^jθ)＝θ，h₁、h₂、h₃和h₄为信道估计值。

10. 一种在多发送天线系统的发射机中用于对待编码符号进行空时编码的空时编码装置，该装置包括：

获取装置，用于获取该多发送天线系统的信道补偿相关信息；

相关编码装置，用于根据所述信道补偿相关信息对多个待编码的符号进行加权的空时编码处理，以获得相应的多个空时分组码。

11. 根据权利要求10所述的空时编码装置，其中，所述相关编码装置包括：

分组装置，用于将所述多个待编码符号分为多组待编码符号，其中，每组待编码符号包括L个待编码符号；

加权编码装置，用于根据所述信道补偿相关信息分别对所述每组待编码符号进行加权的空时编码处理，以获得同所述多组待编码符号相对应的多组加权的空时分组码。

12. 根据权利要求11所述的空时编码装置，其中，所述的每组待编码符号中符号的个数L优选为4。

13. 根据权利要求10至12中任一项所述的空时编码装置，其中，所述加权编码装置包括：

编码装置，用于对所述多个待编码符号中的各组待编码符号进行空时编码处理，以获得同该组符号相对应的一组空时分组码；

加权装置，用于利用根据所述信道补偿相关信息所确定的一组加权因子来对所述一组空时分组码的相应码元进行加权处理，以获得同该组空时分组码相对应的一组加权空时分组码。

14. 根据权利要求13所述的空时编码装置，其中，

所述加权装置还用于利用根据所述信道补偿相关信息所确定的一组加权因子对每组待编码符号进行加权处理，以获得一组加权后的待编码符号；

所述编码装置还用于对所述一组加权后的待编码符号进行空时分组编码，以获得同该组待编码符号相对应的一组加权空时分组码。

15. 根据权利要求10至14中任一项所述的空时编码装置，其中，所述获取装置还用于接收来自接收机反馈的信道补偿相关信息。

16. 根据权利要求10至14中任一项所述的空时编码装置，其中，所述获取装置还用于根据发射机所作的信道估计来获取信道补偿相关信息。

17. 根据权利要求10至16中任一项所述的空时编码装置，其中，所述信道补偿相关信息用于对多发送天线系统的信道传输特性进行补偿，以使得代表经补偿后的信道传输特性的等效信道矩阵为正交矩阵。

18. 根据权利要求10至17中任一项所述的空时编码装置，其中，所述加权的空时编码处理的编码矩阵包括以下矩阵：

$S=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_1}{s}_1& e^{j{\mathrm{\φ}}_1}{s}_2& e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_3& e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_4\\ -e^{{\mathrm{j\φ}}_1}{s}_2^{*}& e^{j{\mathrm{\φ}}_1}{s}_1^{*}& -e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_4^{*}& e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_3^{*}\\ e^{j{\mathrm{\φ}}_1}{s}_3& e^{j{\mathrm{\φ}}_1}{s}_4& e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_1& e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_2\\ {-e}^{j{\mathrm{\φ}}_1}{s}_4^{*}& e^{j{\mathrm{\φ}}_1}{s}_3^{*}& -e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_2^{*}& e^{j{\mathrm{\φ}}_2}{s}_1^{*}\end{array}\right]$

其中，s₁、s₂、s₃和s₄为待编码的符号，φ₂为所述信道补偿相关信息，上标^*是复共轭运算符，φ₁＝0， ${\mathrm{\φ}}_2=0.5\mathrm{\π}\·\mathrm{sign}\left(\mathrm{angle}(h_1^{*}{h}_3+h_2^{*}{h}_4)\right)-\mathrm{angle}(h_1^{*}{h}_3+h_2^{*}{h}_4),$ sign(·)是正负运算符，angle(·)是角度运算符，angle(e^jθ)＝θ，h₁、h₂、h₃和h₄为信道估计值。

19. 一种在多发送天线系统的接收机中用于空时分组码解码的方法，其特征在于，利用与发射端相同的信道补偿相关信息对所接收到的空时分组码进行解码。

20. 根据权利要求19所述的方法，其中，所述利用与发射端相同的信道补偿相关信息对所接收到的空时分组码进行解码的步骤包括以下步骤：

s.根据所述信道补偿相关信息对多发送天线系统的信道传输特性进行补偿，以获得代表经补偿后的信道传输特性的等效信道矩阵；

t.利用该等效信道矩阵对所接收到的空时分组码进行解码。

21. 根据权利要求20所述的方法，其中，还包括以下步骤：

-基于信道估计来确定所述信道补偿相关信息；

-将所述信道补偿相关信息发送给所述发射机。

22. 根据权利要求20或21所述的方法，其中，所述步骤t包括：

-利用该等效信道矩阵，并采用最大似然解码方案来对所接收到的空时分组码进行解码。

23. 根据权利要求19至22中任一项所述的方法，其中，所述信道补偿相关信息用于对多发送天线系统的信道传输特性进行补偿，以使得代表经补偿后的信道传输特性的等效信道矩阵为正交矩阵。

24. 一种在多发送天线系统的接收机中用于空时分组码解码的空时解码装置，其特征在于，利用与发射端相同的信道补偿相关信息对所接收到的空时分组码进行解码。

25. 根据权利要求24所述的空时解码装置，其中，包括：

第二确定装置，用于信道补偿相关信息对多发送天线系统的信道传输特性进行补偿，以获得代表经补偿后的信道传输特性的等效信道矩阵；

等效解码装置，用于根据所述等效信道矩阵用于对所接收到的空时分组码进行解码。

26. 根据权利要求24或25所述的空时解码装置，其中，还包括：

第一确定装置，用于基于信道估计来确定所述信道补偿相关信息；

发送装置，用于将所述信道补偿相关信息发送给所述发射机。

27. 根据权利要求25或26所述的空时解码装置，其中，所述等效解码装置还用于利用该等效信道矩阵，并采用最大似然解码方案来对所接收到的空时分组码进行解码。

28. 根据权利要求24至27中任一项所述的空时解码装置，其中，所述信道补偿相关信息用于对多发送天线系统的信道传输特性进行补偿，以使得代表经补偿后的信道传输特性的等效信道矩阵为正交矩阵。

29. 一种多发送天线系统中的发射机，包括如权利要求10至18中任一项所述的空时编码装置。

30. 一种多发送天线系统中的接收机，包括如权利要求24至28中任一项所述的空时解码装置。

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