CN101282152B - 一种多入多出空时分组编码调制的数据发送装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多入多出空时分组编码调制的数据发送方法，应用于数据传输系统的数据发送装置，包括：将待发送的信息进行多入多出空时分组码串行级联格形编码，并根据最大化最小的跨度为2的错误事件长度，调整信号星座图星座点位置；将编码后的信号映射到信号星座图上，发送出去。本发明还公开了一种多入多出空时分组编码调制的数据发送装置。本发明能够获得大的编码增益，同时节省发射机的发射功率。

Description

一种多入多出空时分组编码调制的数据发送装置及方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域，尤其涉及一种使用多入多出(multiple-inputmultiple-output，MIMO)空时分组码串行级联格形编码调制(trellis codedmodulation，TCM)编码调制的数据发送装置及方法。

背景技术

近年来空时编码作为一种有效的克服和改善无线通信环境中所存在的多径衰落和接收信号性能的方法而倍受关注。在文献[A simple transmitdiversity technique for wireless communications[J].IEEE J.Select.AreasCommun，1998，16(10)：1451-1458，Oct.]中，Alamouti提出了一种基于两根发射天线的空时编码方法，该方法通过简单的线性复杂度的最大似然译码算法可实现最大可能的分集增益。此后，该方法被推广到任意数目的发射天线的情况，并将这类具有正交发射矩阵的空时编码方案统称为空时分组码(STBC)。但空时分组码的缺陷是无法提供编码增益。目前针对这个问题的比较好的解决方案就是将STBC作为内码与卷积码或格形编码调制(TCM)等外部码级联，从而在保持满分集增益的同时获得高的编码增益。

在传统的数字传输系统中，纠错编码与调制是各自独立设计并实现的，译码和解调也是如此。纠错编码需要冗余度，编码增益是依靠降低信息传输率来获得的。在功率受限信道中，功率利用率可以用频带利用率换取。在限带信道中，则可通过加大调制信号集合来为纠错编码提供所需的冗余度，以避免信息传输速率因为编码冗余而降低。但若调制和编码仍按传统的相互独立的方法设计，则不能得到令人满意的结果。Ungerboeck等在文献[Channelcoding with multilevel/phase signals[J].IEEE Trans.Inform.Theory，1982，28(1)：55-67.]提出了利用码率为R＝k/(k+1)的卷积码，将每一码段映射为具有2^k+1个调制信号集中的一个信号。在接收端，信号解调后经过反映射，变换为卷积码的码序列，并送入VITERBI译码器译码。这是一种调制与编码相结合的方法。这种方法在不增加带宽和相同的信息速率下可以获得3～6dB的功率增益。

MIMO空时分组码串行级联对称TCM编码方法的主要过程如下：

交织器的交织单位设为2个码元宽度(2T)，交织后的发射信号序列在连续的2T码元符号内，信道的衰落系数保持不变，而在2T符号间，信道的衰落系数是独立不相关的。假设发射的调制符号序列为：

$C=\{c_1,c_2,-c_2^{*},c_1^{*},c_3,c_4^{*},c_3^{*},\·\·\·,c_{2L-1},c_{2L},-c_{2L}^{*},c_{2L-1}^{*}\}---\left(1\right)$

接收端最大似然译码器的错误判决序列为：

$\tilde{C}=\{{\tilde{c}}_1,{\tilde{c}}_2,-{\tilde{c}}_2^{*},{\tilde{c}}_1^{*},{\tilde{c}}_3,{\tilde{c}}_4,-{\tilde{c}}_4^{*},{\tilde{c}}_3^{*},\·\·\·,{\tilde{c}}_{2L-1},{\tilde{c}}_{2L},-{\tilde{c}}_{2L}^{*},{\tilde{c}}_{2L-1}^{*}\}---\left(2\right)$

根据chernoff界理论，可得到成对错误概率：

$p(C\→\tilde{C})\≤\underset{t=\mathrm{1,3,5}\·\·\·}{\overset{2L-1}{\∏}}{[1+\frac{E_s}{{4N}_0}({|c_t-{\tilde{c}}_t|}^2+{|c_{t+1}-{\tilde{c}}_{t+1}|}^2)]}^{-2}---\left(3\right)$

其中E_s表示符号级的信号功率，N₀是噪声功率。

在高信噪比条件下

(4)式可化为：

$p(C\→\tilde{C})\≤\underset{t=\mathrm{1,3,5}\·\·\·}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Π}}}{[1+\frac{E_s}{{4N}_0}({|c_t-{\tilde{c}}_t|}^2+{|c_{t+1}-{\tilde{c}}_{t+1}|}^2)]}^{-2}=-\frac{1}{{\left[{\left(\frac{E_x}{{4N}_0}\right)}^{l_{\mathrm{\η}}}{d}_p\left(l_{\mathrm{\η}}\right)\right]}^2}---\left(4\right)$

其中l_η表示满足或

的t的数目，

表示在长度为l_η上的错误事件的乘积距离。

在低信噪比条件下，式(4)可写为：

$p(C\→\tilde{C})\≤{[1+\frac{E_s}{{4N}_0}{\underset{t=1}{\overset{2L}{\mathrm{\Σ}}}|c_t-{\tilde{c}}_t|}^2+o\left(\frac{E_s}{4N_0}\right)]}^{-2}$

其中

表示所有高阶的累加项。

一般在Rayleigh衰落信道及高信噪比条件下，交织空时分组码级联TCM方案的码字设计准则是：

1)最大化最小的跨度为2的错误事件长度l_η；

2)最大化在最小l_η上的最小乘积距离d_p(l_η)；

这种方法获得的编码增益有限，且难以保证某些特殊低能耗发射机的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是提供一种多入多出空时分组编码调制的数据发送装置及方法，来获得更大的编码增益。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种多入多出空时分组编码调制的数据发送方法，应用于数据传输系统的数据发送装置，包括如下步骤：

(1)将待发送的信息进行多入多出空时分组码串行级联格形编码，并根据最大化最小的跨度为2的错误事件长度，调整信号星座图星座点位置；

(2)将编码后的信号映射到信号星座图上，发送出去。

进一步地，所述步骤(1)中，根据最大化最小的跨度为2的错误事件长度，调整信号星座图星座点位置，包括如下步骤：

(a)确定错误事件的最小乘积距离与旋转角度的关系；

(b)确定最大可旋转角度θ；

(c)将信号星座图的奇数星座点逆时钟旋转角度θ，而偶数星座点的位置仍保持不变。

进一步地，所述步骤(a)中，在8PSK的情况下，跨度为2的最短错误事件l_η＝1上的最小乘积距离d_p(l_η)由下式决定：

$d_p\left(l_{\mathrm{\η}}\right)={\mathrm{\δ}}_1^2+{\mathrm{\δ}}_4^2=\mathrm{4,586}{E}_s;$

l_η＝1的错误事件的最小乘积距离与旋转角度θ的关系为：

${\mathrm{\δ}}_1^{+2}\left(\mathrm{\θ}\right)+{\mathrm{\δ}}_4^2=4{\sin }^2(\frac{\mathrm{\π}}{8}+\frac{\mathrm{\θ}}{2})+4.$

进一步地，所述步骤(b)中，在8PSK的情况下，最大的可旋转角度θ满足： ${\mathrm{\δ}}_1^{+2}\left(\mathrm{\θ}\right)+{\mathrm{\δ}}_4^2={\mathrm{\δ}}_2^2+{\mathrm{\δ}}_3^{-2}\left(\mathrm{\θ}\right);$

根据步骤(a)中得到的

进而可以得到θ。

进一步地，所述步骤(1)中，调整信号星座图星座点位置，在8PSK的情况下，为将信号星座图的奇数星座点逆时钟旋转角度π/12，而偶数星座点的位置仍保持不变。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种多入多出空时分组编码调制的数据发送装置，包括：

TCM编码模块，用于将待发送的信息进行多入多出空时分组码串行级联格形编码调制；

发射天线，用于将处理后的数据发送出去；

空时处理模块，用于接收TCM编码模块的数据，对多路数据进行空时处理，根据最大化最小的跨度为2的错误事件长度，调整信号星座图星座点位置，将编码后的信号映射到信号星座图上，并将空时处理后的数据发送至发射天线。

进一步地，所述空时处理模块中根据最大化最小的跨度为2的错误事件长度，调整信号星座图星座点位置，将编码后的信号映射到信号星座图的模块进一步包括：

第一确定模块，用于确定错误事件的最小乘积距离与旋转角度的关系；

第二确定模块，用于确定最大可旋转角度θ；

旋转模块，用于将信号星座图的奇数星座点逆时钟旋转角度θ，而偶数星座点的位置仍保持不变。

进一步地，在8PSK的情况下，所述空时处理模块调整信号星座图星座点位置，为将信号星座图的奇数星座点逆时钟旋转角度π/12，而偶数星座点的位置仍保持不变。

本发明有如下有益效果：

1、本发明的空时分组码级联不对称TCM仅调整星座点位置，不需要额外开销，结构简洁；

2、本发明运算量小，转换速度快，易于工程实现；

3、本方法与传统的级联方法相比，在相同误码率的情况下，可以获得更大的编码增益，尤其对于用电池作电源的移动台而言更是十分有利的。

附图说明

图1是本发明实施例的数据传输系统结构框图；

图2是现有技术中对称8PSK(相移键控)星座图；

图3是本发明实施例不对称8PSK星座图；

图4本发明实施例的调整信号星座图星座点位置的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，多入多出空时分组编码调制的数据传输系统包括：数据发送装置101，具有至少一个发射天线(图中未示出)，数据发送装置用于对需要发送的数据进行TCM调制编码，进行空时处理，然后发送至数据接收装置；以及数据接收装置102，具有至少一个接收天线(图中未示出)，数据接收装置用于接收数据，对接收到的数据进行检测，并对此后的数据进行TCM解调译码，以获取数据。

其中，数据发送装置101包括：TCM编码模块1011，用于将待发送的信息进行多入多出空时分组码串行级联格形编码调制；

空时处理模块1012，用于接收TCM编码模块的数据，对多路数据进行空时处理，根据最大化最小的跨度为2的错误事件长度，调整信号星座图星座点位置，将编码后的信号映射到信号星座图上，并将空时处理后的数据发送至发射天线。

其中，所述空时处理模块中根据最大化最小的跨度为2的错误事件长度，调整信号星座图星座点位置，将编码后的信号映射到信号星座图的模块进一步包括：

第一确定模块(图中未示出)，用于确定错误事件的最小乘积距离与旋转角度的关系；

第二确定模块(图中未示出)，用于确定最大可旋转角度θ；

旋转模块(图中未示出)，用于将信号星座图的奇数星座点逆时钟旋转角度θ，而偶数星座点的位置仍保持不变。

其中，数据接收装置102包括：检测模块1021，用于对接收到的数据进行检测；译码模块1022，用于对空时检测后的数据进行解调译码。

在8PSK的情况下，交织的空时分组码级联TCM方法在跨度为2的最短错误事件l_η＝1上的最小乘积距离d_p(l_η)由下式决定：

$d_p\left(l_{\mathrm{\η}}\right)={\mathrm{\δ}}_1^2+{\mathrm{\δ}}_4^2=\mathrm{4,586}{E}_s---\left(6\right)$

式(6)中的距离平方项

仅出现在以下星座点对中：p₀p₁ p₂p₃ p₄p₅ p₆p₇，即P0到P1的距离，P2到P3的距离，P4到P5的距离，P6到P7的距离，参见图2。

将图2中的星座点p₁，p₃，p₅，p₇逆时钟旋转某个角度θ，而星座点p₀，p₂，p₄，p₆的位置仍保持不变，就可增加(6)式中的

项，且不改变

项的取值。旋转后的星座图如图3所示，其相应的距离标志分别变为

l_η＝1的错误事件的最小乘积距离与旋转角度θ的关系由下式给出：

${\mathrm{\δ}}_1^{+2}\left(\mathrm{\θ}\right)+{\mathrm{\δ}}_4^2=4{\sin }^2(\frac{\mathrm{\π}}{8}+\frac{\mathrm{\θ}}{2})+4---\left(7\right)$

当θ增加时，

也不断增加。由表1可知，当l_η＝1时，仅次于最小乘积距离

的次小的乘积距离为

当θ增加时，

也在不断的减小。这时，最大的可旋转角度θ应满足：

${\mathrm{\δ}}_1^{+2}\left(\mathrm{\θ}\right)+{\mathrm{\δ}}_4^2={\mathrm{\δ}}_2^2+{\mathrm{\δ}}_3^{-2}\left(\mathrm{\θ}\right)---\left(8\right)$

进而可以得到转角度θ。

表1交织的空时分组码级联不对称TCM方法l_η＝1上的乘积距离

如图4所示，在8PSK的情况下，根据最大化最小的跨度为2的错误事件长度，调整信号星座图星座点位置，可按如下几个步骤实现：

步骤401，确定错误事件的最小乘积距离与旋转角度的关系：

在8PSK的情况下，跨度为2的最短错误事件l_η＝1上的最小乘积距离d_p(l_η)由下式决定：

$d_p\left(l_{\mathrm{\η}}\right)={\mathrm{\δ}}_1^2+{\mathrm{\δ}}_4^2=\mathrm{4,586}{E}_s;$

l_η＝1的错误事件的最小乘积距离与旋转角度θ的关系由下式给出： ${\mathrm{\δ}}_1^{+2}\left(\mathrm{\θ}\right)+{\mathrm{\δ}}_4^2=4{\sin }^2(\frac{\mathrm{\π}}{8}+\frac{\mathrm{\θ}}{2})+4;$

步骤402，确定最大可旋转角度：最大的可旋转角度θ应满足：

根据该式与步骤401得出l_η＝1的错误事件的最小乘积距离与旋转角度θ的关系，进而得到最大可旋转角度θ；

步骤403，将信号星座图的奇数星座点逆时钟旋转角度θ，而偶数星座点的位置仍保持不变，以增加距离项

，且不改变距离项

的取值。

步骤403执行之后，由空时处理模块将编码后的信号映射到信号星座图上，发送出去。

本发明能够获得大的编码增益，同时节省发射机的发射功率，是一种级联不对称的星座图的TCM方法，其核心思想是根据交织的空时分组码级联TCM的码字进行设计，给出一种空时分组码级联不对称编码调制的优化设计方法，并给出了STBC级联8PSK A-TCM的优化星座图旋转角度。本发明与传统的级联方法相比，在相同误码率的情况下，可以获得更大的编码增益，尤其对于用电池作电源的移动台而言更是十分有利的。

Claims (6)

1.一种多入多出空时分组编码调制的数据发送方法，应用于数据传输系统的数据发送装置，包括如下步骤：

(1)将待发送的信息进行多入多出空时分组码串行级联格形编码，并根据最大化最小的跨度为2的错误事件长度，调整信号星座图星座点位置；

(2)将编码后的信号映射到信号星座图上，发送出去；

其中，所述步骤(1)中，根据最大化最小的跨度为2的错误事件长度，调整信号星座图星座点位置，包括如下步骤：

(a)确定错误事件的最小乘积距离与旋转角度的关系；

(b)确定最大可旋转角度θ；

(c)将信号星座图的奇数星座点逆时钟旋转角度θ，而偶数星座点的位置仍保持不变。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)中，在8PSK的情况下，跨度为2的最短错误事件l_η＝1上的最小乘积距离d_p(l_η)由下式决定：

$d_p\left(l_{\mathrm{\η}}\right)={\mathrm{\δ}}_1^2+{\mathrm{\δ}}_4^2=\mathrm{4,586}{E}_s;$

l_η＝1的错误事件的最小乘积距离与旋转角度θ的关系为：

${\mathrm{\δ}}_1^{+2}\left(\mathrm{\θ}\right)+{\mathrm{\δ}}_4^2=4{\sin }^2(\frac{\mathrm{\π}}{8}+\frac{\mathrm{\θ}}{2})+4;$

其中，δ₁指星座点P0到P1的距离，δ₄指P0到P4的距离，

指P1逆时针旋转角度θ后P0到P1的距离，E_s指单位距离。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)中，在8PSK的情况下，最大的可旋转角度θ满足：

根据步骤(a)中得到的

进而可以得到θ；

其中，δ₂指星座点P0到P2的距离，

指P3逆时针旋转角度θ后P0到P3的距离。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，调整信号星座图星座点位置，在8PSK的情况下，为将信号星座图的奇数星座点逆时钟旋转角度π/12，而偶数星座点的位置仍保持不变。

5.一种多入多出空时分组编码调制的数据发送装置，包括：

TCM编码模块，用于将待发送的信息进行多入多出空时分组码串行级联格形编码调制；

发射天线，用于将处理后的数据发送出去；

其特征在于，还包括空时处理模块，用于接收TCM编码模块的数据，对多路数据进行空时处理，根据最大化最小的跨度为2的错误事件长度，调整信号星座图星座点位置，将编码后的信号映射到信号星座图上，并将空时处理后的数据发送至发射天线；

其中，所述空时处理模块中根据最大化最小的跨度为2的错误事件长度，调整信号星座图星座点位置，将编码后的信号映射到信号星座图的模块进一步包括：

第一确定模块，用于确定错误事件的最小乘积距离与旋转角度的关系；

第二确定模块，用于确定最大可旋转角度θ；

旋转模块，用于将信号星座图的奇数星座点逆时钟旋转角度θ，而偶数星座点的位置仍保持不变。

6.根据权利要求5所述的数据发送装置，其特征在于，在8PSK的情况下，所述空时处理模块调整信号星座图星座点位置，为将信号星座图的奇数星座点逆时钟旋转角度π/12，而偶数星座点的位置仍保持不变。

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