CN101286773B - 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：对需要发送的数据进行M-TCM调制编码，其中M表示调制个数；根据最大化最小码字差值间的自由距离的平方，对星座集合分集处理后，将编码调制后的数据映射到相应的信号星座图上，将数据发送出去。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MIMO(multiple-inputmultiple-output，多入多出)空时分组码级联多格形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。

通常在快衰落信道(或充分交织)的条件下，空时分组码级联TCM编码方法为了获得满分集增益，要求网格图中不能存在并行分支，即编码模块的状态数至少要等于系统的调制阶数，这就增加了系统编译码复杂度，降低了系统设计灵活性。而空时分组码级联多格形编码调制方法(M-TCM)采用在每个网格分支上发射多个调制符号的方法，可以有效的的解决这个问题。这是由于M-TCM的采用，使得存在并行路径的格形图中的最短错误路径的长度最小为2，因此解决了存在并行路径时，而级联空时分组码无法获取分集增益的问题。

但是，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)对需要发送的数据进行M-TCM调制编码，其中M表示调制个数；

(2)根据最大化最小码字差值间的自由距离的平方，对星座集合分集处理后，将编码调制后的数据映射到相应的信号星座图上，将数据发送出去。

进一步地，所述步骤(1)在M＝2时，包括：

每次提取m个信息比特作为编码模块输入，这m个信息比特被映射为两个连续MPSK调制符号，其中第一调制符号中包含(m+1)/2个编码比特，第二个调制符号包含((m-1)/2)＝log₂M编码比特。

进一步地，所述步骤(2)中，根据最大化最小码字差值间的自由距离的平方，对星座集合分集处理包括如下步骤：

(a)计算最小码字差值间的自由距离的平方，为最短传输分支上的正交码字差值矩阵的欧式范数平方和；

(b)对调制信号进行集分割；

(c)根据集合中两两星座点间欧氏范数的大小，对得到的星座集合进行连续的分集处理。

进一步地，所述步骤(2)在M＝2时，每次将编码操作后的两个连续的调制符号根据

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

中的编码矩阵将他们映射到发射天线上，其中L为码元数。

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：

M-TCM编码模块，用于对数据进行M-TCM调制编码，其中M表示调制个数；

发射天线，用于将处理后的数据发送出去；

空时处理模块，用于对多路数据进行空时处理，根据最大化最小码字差值间的自由距离的平方，对星座集合分集处理后，将编码调制后的数据映射到相应的信号星座图上，并将空时处理后的数据发送至发射天线。

进一步地，在M＝2时，所述M-TCM编码模块还用于每次提取m个信息比特作为编码模块输入，这m个信息比特被映射为两个连续MPSK调制符号，其中第一调制符号中包含(m+1)/2个编码比特，第二个调制符号包含((m-1)/2)＝log₂M编码比特。

进一步地，所述空时处理模块用于根据最大化最小码字差值间的自由距离的平方，对星座集合分集处理的模块进一步包括：

计算模块，用于计算最小码字差值间的自由距离的平方，为最短传输分支上的正交码字差值矩阵的欧式范数平方和；

集分割模块，对调制信号进行集分割；

分集处理模块，用于根据集合中两两星座点间欧氏范数的大小，对得到的星座集合进行连续的分集处理。

进一步地，在M＝2时，所述空时处理模块还用于每次将编码操作后的两个连续的调制符号根据

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

中的编码矩阵将他们映射到发射天线上，其中L为码元数。

本发明有如下有益效果：

1、不需要额外开销，结构简洁；

2、运算量小，转换速度快，易于工程实现；

3、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。

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本发明应用实例的星座集合分集处理示意图；

图3是空时2-TCM4状态网格图。

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M-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M-TCM解调译码，以获取数据。

其中，数据发送装置101包括：M-TCM编码模块1011，用于对数据进行M-TCM调制编码；空时处理模块1012，用于对多路数据进行空时处理，根据最大化最小码字差值间的自由距离的平方，对星座集合分集处理后，将编码调制后的数据映射到相应的信号星座图上，通过至少一个天线将空时处理后的数据发送至数据接收端。

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。

例如，采用MPSK调制，状态数为2^s的空时分组码级联M-TCM(M表示调制个数，此处设M＝2)的数据传输系统。首先，2-TCM编码模块每次提取m个信息比特作为编码模块输入，这m(m为奇数)个信息比特被2-TCM编码模块映射为两个连续MPSK调制符号，其中第一调制符号中包含(m+1)/2个编码比特，第二个调制符号包含((m-1)/2)＝log₂M编码比特。空时处理模块在每一次编码操作后将这两个连续的调制符号根据式( $C=\{c_1,c_2,-c_2^{*},c_1^{*},c_3,c_4,-c_4^{*},c_3^{*},\·\·\·,c_{2L-1},c_{2L},-c_{2L}^{*},c_{2L-1}^{*}\},$ 其中L为码元数。)中的编码矩阵将他们映射到发射天线上：在第一个发射周期中，信号c₁(t)，c₂(t)同时从天线1和天线2分别发射。在第二个发射周期中，信号再分别从天线1和天线2发射。很显然，这时的级联空时2-TCM编码的方法的传输速率为m比特/2符号。当m>s，则在空时处理模块的网格图中，每一对状态点间存在2^m-s个并行路径。在正交空时2-TCM的网格图中，每一个网格传输分支对应于在2根天线上连续发射的M＝2个调制符号。

下面是一个具体应用实例：

在准静态Rayleigh衰落条件下，级联空时TCM编码的设计准则是最大化最小码字差值间的自由距离的平方

本例的正交空时2-TCM的网格图中每一个网格分支上传输的是2×2的正交矩阵，自由距离的平方

等于最短传输分支上的正交码字差值矩阵的欧式范数平方和：

$d_{\mathrm{free}}^2=\left(\underset{t=\mathrm{1,3}}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|\left(\begin{array}{cc}{e}_t& e_{t+1}\\ -e_{t+1}^{*}& e_t^{*}\end{array}\right)-\left(\begin{array}{cc}{c}_t& c_{t+1}\\ -c_{t+1}^{*}& c_t^{*}\end{array}\right)\left|\right|}_F^2\right)=\left(\underset{t=\mathrm{1,3}}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|\left(\begin{array}{cc}{e}_t-c_t& e_{t+1}-c_{t+1}\\ c_{t+1}^{*}-e_{t+1}^{*}& e_t^{*}-c_t^{*}\end{array}\right)\left|\right|}_F^2\right)$

其中‖·‖_F表示欧氏矩阵范数。

采用8PSK调制时，2-TCM编码模块每次提取m＝5比特作为输入。每个状态有2⁵＝32个输出分支。对8PSK调制信号进行集分割得到两个信号子集：A＝{0，2，4，6}，B＝{1，3，5，7}。由子集A与B的笛卡尔积可得到4个势为16的和集： $s_1=A\⊗A,$ $s_2=B\⊗B,$ $s_3=A\⊗B,$ $s_4=B\⊗A,$ 其中

表示笛卡尔乘积。由此可知，集合s_i(i＝1，2，3，4)可以构成正交矩阵集合：

$s_i(x_m,y_n)=\left(\begin{array}{cc}{x}_m& y_n\\ -y_n^{*}& x_n^{*}\end{array}\right)$ ，x_m，y_n∈A，B，i，m，n＝1，2，3，4

将集合s_i看作包含16个信号点的星座集合，s_i中的每一个正交矩阵看作一个星座点，根据集合中两两星座点间欧氏范数的大小，对该星座集合进行连续的分集处理。

如图2所示，为本应用实例的分集处理示意图。

图中Δ_i(i＝0，1，2，3)表示经过i级分集处理后子集内星座点间的最小欧氏范数，且Δ₀<Δ₁<Δ₂<Δ₃。s_i，j(i＝1，2，3，4，j＝1，2)由集合s_i进一步分集得到：

s₁₁＝{s₁(0，0)，s₁(0，4)，s₁(2，2)，s₁(2，6)，s₁(4，0)，s₁(4，4)，s₁(6，2)，s₁(6，6)}

s₁₂＝{s₁(0，2)，s₁(0，6)，s₁(2，0)，s₁(2，4)，s₁(4，2)，s₁(4，6)，s₁(6，0)，s₁(6，4)}

类似可以得到s₂₁，s₂₂，s₃₁，s₃₂，s₄₁，s₄₂。

如图3所示，图中所示为4状态，8PSK调制的空时2-TCM，图中并行路径上(1阶错误路径)的差值矩阵的最小欧氏范数 $d_1^2=4E_s,$ 3阶错误路径的差值矩阵的最小欧式范数 $d_3^2=(2.3432+1.1716+2.3432)$ E_s＝5.858E_s。因此，4状态8PSK调制的空时2-TCM的最小自由距离由网格图中的并行路径决定： $d_{\mathrm{free}}^2=4E_s,$ 其中E_s表示每根发射天线上的每个调制信号能量。

空时处理模块对星座集合分集处理后，将编码调制后的数据映射到相应的信号星座图上，将数据发送出去。

本发明能获得大的编码增益，同时节省发射机的发射功率，其核心思想是根据分割后子集内星座点间的最小欧氏范数的星座集合进行分集处理。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)对需要发送的数据进行M-TCM编码调制，其中M表示调制个数；

(2)根据最大化最小码字差值间的自由距离的平方，对星座集合分集处理后，将编码调制后的数据映射到相应的信号星座图上，将数据发送出去；

其中，所述步骤(2)中，根据最大化最小码字差值间的自由距离的平方，对星座集合分集处理包括如下步骤：

(a)计算最小码字差值间的自由距离的平方，为最短传输分支上的正交码字差值矩阵的欧式范数平方和；

(b)对调制信号进行集分割；

(c)根据集合中两两星座点间欧氏范数的大小，对得到的星座集合进行连续的分集处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)在M＝2时，包括：

每次提取m个信息比特作为编码模块输入，这m个信息比特被映射为两个连续MPSK调制符号，其中第一调制符号中包含(m+1)/2个编码比特，第二个调制符号包含((m-1)/2)＝log₂M编码比特，即m＝3。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)在M＝2时，每次将编码操作后的两个连续的调制符号根据

$C=\{c_1,c_2,-c_2^{*},c_1^{*},c_3,c_4,-c_4^{*},c_3^{*},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,c_{2L-1},c_{2L},-c_{2L}^{*},c_{2L-1}^{*}\}$

中的编码矩阵将他们映射到发射天线上，其中C和C_x为信号，L为码元数。

4.一种多入多出空时分组编码调制的数据发送装置，包括：

M-TCM编码模块，用于对数据进行M-TCM编码调制，其中M表示调制个数；

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，用于对多路数据进行空时处理，根据最大化最小码字差值间的自由距离的平方，对星座集合分集处理后，将编码调制后的数据映射到相应的信号星座图上，并将空时处理后的数据发送至发射天线；

其中，所述空时处理模块用于根据最大化最小码字差值间的自由距离的平方，对星座集合分集处理的模块进一步包括：

计算模块，用于计算最小码字差值间的自由距离的平方，为最短传输分支上的正交码字差值矩阵的欧式范数平方和；

集分割模块，对调制信号进行集分割；

分集处理模块，用于根据集合中两两星座点间欧氏范数的大小，对得到的星座集合进行连续的分集处理。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在M＝2时，所述M-TCM编码模块还用于每次提取m个信息比特作为编码模块输入，这m个信息比特被映射为两个连续MPSK调制符号，其中第一调制符号中包含(m+1)/2个编码比特，第二个调制符号包含((m-1)/2)＝log₂M编码比特，即m＝3。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在M＝2时，所述空时处理模块还用于每次将编码操作后的两个连续的调制符号根据

$C=\{c_1,c_2,-c_2^{*},c_1^{*},c_3,c_4,-c_4^{*},c_3^{*},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,c_{2L-1},c_{2L},-c_{2L}^{*},c_{2L-1}^{*}\}$

中的编码矩阵将他们映射到发射天线上，其中C和C_x为信号，L为码元数。

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