CN101317356A

CN101317356A - 一种空时编解码方法及装置

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Publication number: CN101317356A
Application number: CNA2007800003489A
Authority: CN
Inventors: 杨玉丽
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Vid Scale Inc
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2007-08-01
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2027-08-01
Also published as: US7675845B2; US20090116375A1; CN101170335A; CN101170335B; CN101317356B; WO2008049352A1

Abstract

本发明涉及一种多天线无线通信系统中的空时编解码方法，包括根据待传输的发射信号生成正交矩阵；根据接收的信道状态信息，生成对应正交矩阵的系数矩阵；根据正交矩阵和系数矩阵生成发射信号矩阵；根据发射信号矩阵，进行信号发射。在接收端，获取接收信号，其中，接收信号对应的发射信号矩阵具有正交性，根据信道状态信息，对所述接收信号进行加权合并；检测加权合并后的接收信号，根据信道状态信息，获取发射信号的估计值。本发明还提供了一种空时编解码装置。应用本发明能够降低系统的误码率，提高系统的误码性能，当待传输的发射信号为两个或两个以上的复数信号时，显著的提高了系统的传输速率。

Description

一种空时编解码方法及装置技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种空时编解码方法和装置。发明背景

随着无线通信技术的发展，对无线通信系统的通信质量和传输速率提出了更高的要求。在无线通信系统中，时间和频率资源有限，因此产生了多天线系统 ( MIMO, Multiple Input Multiple Output ) , 其具有优越的信道容量性能，从而受到广泛的关注。

在 MIMO系统中，通常采用分集技术实现更好的信号传输质量。但是，由于移动终端的体积的受到限制，没有足够的空间设置多个天线以保证通信信道的独立性，使得下行信道中无法实现接收分集。由于基站具有多天线处理能力，在多天线无线通信系统中，通常由空时编码技术实现发射分集。

目前， STBC (空时分块编码）以其较低的实现复杂度，成为实现发射分集的主流技术。

但是，使用现有的 STBC算法时，系统的误码率仍然较高，导致系统的接收性能较差，限制了多天线无线通信系统的发展。

另外，当系统中待传输的发射信号是两个或两个以上的复数时，系统的传输速率较低。

以两天线的 STBC为例，该算法的发射信号矩阵为：

χι), 其中， ^和 ^分别表示基站两个待传输的发射信号， *表示共轭运算。

该算法的系统结构如图 1所示，下面对该算法的具体实现进行说明。

在时刻 1 , 基站的天线 1和天线 2分别向移动终端发射和 ·¾ , 此时，移动终端的接收信号为：

在时刻 2, 基站的天线 1和天线 2分别向移动终端发射- 和，此时，移动终端的接收信号为：

其中，和分别表示基站上的天线 1和天线 2到移动终端的平坦衰落信道参数，即信道状态信息，和分别表示移动终端在时刻 m(m = l,2) 接收到的信号和加性高斯（Gaussian ) 白噪声。

接收端对被检测信号和的计算分别如下：

K ；

= ^h _

最后，移动终端可以利用最大似然准则对基站所发射的两个原始信号和¾分别进行检测判决（detection ) 。

下面以四发射天线的系统为例，对 STBC算法的实现方式进行说明。这时，系统的发射矩阵结构为： JC^ "^ ,

JC^ "^"3 其中，四个待传

输的发射信号， *表示共轭运算。

具体来说，移动终端在相邻 8个时刻对应的接收信号如下： r_x = x_x + h₂x₂ + ^^+^^+^ι '

n_Q ·>

其中，表示基站上的天线 m(m = 1,2,3,4)到移动终端的平坦衰落信道数， r_m和 n_m分别表示移动终端在时刻 m(m = 1,2,3,4,5,6,7,8)接收到的信号和力口性 Gaussian白噪声；

四发射天线系统对于被检 'J信号的计算分别为： χ_λ— ν_γ^ h₂r₂ + h r + h₄r₄ + r₅ + h₂r₆ + h r₇ + h₄r_s；

x₂ = h₂r_x— r₂ h₄r₃ + h₃r₄ + h₂r₅ ― r_k h₄r₇ + h₃r_s；

x₃ = }ι^ν_γ + h:r₂ h*r₃ h*r₄ + h₃ r₅* + h₄r: h₂r^；

x₄ =—h^ h r₂ + h r₃ h^r₄ h₄r h₃r: + h₂r; 。不难看出，当待传输的发射信号为复数信号时，如果发射天线数目多于两个，则系统的等效传输速率只能达到单天线系统（SISO )系统传输速率的一半，降低了 MIMO系统的等效传输速率。

可见，使用现有的 STBC算法时，系统的误码率较高。另外，当系统中的待传输的发射信号是两个或两个以上的复数时，系统的传输速率较低。发明内容本发明实施例提供了一种多天线无线通信系统中的空时编解码方法及装置，可以降低系统的误码率。

一种空时编码方法，包括：

根据待传输的发射信号生成正交矩阵；

根据获取的信道状态信息，生成对应所述正交矩阵的系数矩阵；根据所述正交矩阵和所述系数矩阵生成发射信号矩阵；

根据所述发射信号矩阵，进行信号发射。

一种空时解码方法，包括：

获取接收信号，所述接收信号对应的发射信号矩阵具有正交性，根据信道状态信息，对所述接收信号进行加权合并；

检测所述加权合并后的接收信号，根据信道状态信息，获取与所述接收信号对应的发射信号的估计值。

一种空时编码装置，包括：

正交矩阵构造模块，用于根据待传输的发射信号生成正交矩阵；系数矩阵确定模块，用于根据信道状态信息，生成对应所述正交矩阵的系数矩阵；

发射信号矩阵形成模块，用于利用所述系数矩阵对所述正交矩阵中的各元素进行加权，生成发射信号矩阵；

信号发射模块，将根据所述发射信号矩阵，通过发射天线进行信号发射。

一种空时解码装置，包括：

接收信号合并模块，用于获取接收信号，所述接收信号对应的发射信号矩阵具有正交性，对所述接收信号进行加权合并；

信号检测判决模块，用于检测判决所述加权合并后的接收信号，根据信道状态信息，获取与所述接收信号对应的发射信号的估计值。

由上述技术方案可以看出，在本发明实施例中，利用发射端获取的信道状态信息，对待传输的发射信号进行空时编码，降低了系统的误码率，提高了系统的误码性能。

另外，本发明实施例利用发射端获取的信道状态信息，对待传输的发射信号进行空时编码，避免了对待传输的发射信号进行共轭运算，当待传输的发射信号为两个或两个以上的复数信号时，显著的提高了系统的传输速率。附图简要说明

图 1为现有两天线 STBC系统的结构示意图；

图 2为本发明实施例中空时编解码方法的流程图；

图 3为本发明实施例应用于两发射天线系统的误码率仿真结果示意图；

图 4为本发明实施例应用于四发射天线系统的误码率仿真结果示意图；

图 5为本发明实施例中空时编解码装置的结构示意图。实施本发明的方式

本发明实施例提供的空时编码技术利用发射端已知的信道状态信息，对待传输的信息符号进行空时编码，不仅能够提高系统的误码率性能，而且当系统中设置的发射天线数目多于两个时，如果系统的输入信号是复数信号，本发明实施例还可以提高系统的等效传输速率。

应用本发明实施例，无论系统设置的发射天线数目是多少，其等效传输速率都与 SISO (单输入单输出）系统的传输速率之比相等。

图 2示出了本发明实施例中空时编解码方法实施例的流程。多天线无线通信系统中设置有 M个发射天线和 1个接收天线，其中，

M是大于 2的整数，如 2 , 3 , 4……。如图 2所示，本发明实施例中的空时编码及译码处理过程具体包括以下步骤。

步骤 201：根据 M个待传输的发射信号生成一个 Μ χ Μ维的正交矩阵 X。

假设系统中设置有 Μ个发射天线，根据 Μ个待传输的发射信号生成正交矩阵，其中，正交矩阵的第一行是 Μ个待传输的发射信号; ^、 χ₂ χ_Μ , 其余各行由 Μ个待传输的发射信号或者 Μ个待传输的发射信号的相反数的不同换序排列组成，即由 ± 、 ± ₂、 ... ± _Μ构成 Μ χ Μ维的正交矩阵。

步骤 202: 根据发射端获取的信道状态信息计算发射信号矩阵中各个元素所对应的系数，生成系数矩阵。在本实施例中，系数矩阵为：

其中， ^为发射端的第 m(m = 1,2, · · · , M)个发射天线到接收端的平坦衰落信道参数，作为信道状态信息。上述矩阵均满足最大比合并原则。

步骤 203 : 将正交矩阵 X左乘系数矩阵，使正交矩阵中的各个元素与其对应的系数矩阵中的元素相乘，生成发射信号矩阵。在本实施例中，发射信号矩阵为：

其中，发射信号矩阵中的行对应同一时刻 M个发射天线上发射的信号，发射信号矩阵中的列对应同一发射天线在相邻 M个时刻发射的信号。

步骤 204: 根据发射信号矩阵，进行信号发射。

M个发射天线在 M个相邻的时刻分别将发射信号矩阵中的信号发送到无线信道。其中，不同发射天线上所发射的信号依次对应发射信号矩阵中的行中的不同元素；同一发射天线在相邻时刻所发射的信号依次对应发射信号矩阵的列中的元素。

在本发明实施例中，可以预先对待传输的发射信号进行分组，形成待发射信号组，进而针对每个待发射信号组进行空时编码操作。

接收端接收到发射信号后执行下述步骤。

步骤 205: 获取接收信号，根据接收端已知的信道状态信息以及发射信号矩阵具有的正交性，对 M个相邻时刻的接收信号进行加权合并。

在本实施例中，可以根据信道状态信息，利用最大比合并的原则计算接收信号的加权系数，之后，利用加权系数及发射信号矩阵的正交性对接收信号进行加权合并。

步骤 206: 对加权合并后的接收信号分别进行检测判决，获取与接收信号对应的发射信号的估计值。

在本发明实施例中，接收端同时接收来自发射端的训练序列，用于估计信道状态信息，并将信道状态信息反馈给发射端。

下面分别以发射天线数目不同的系统为例，分别对本发明实施例的最佳实施方式进行描述。

实施例一：系统设置两发射天线，接收端为单天线移动终端。根据图 2所示实施例中的发射信号矩阵，当 M的值为 2 , 即两发射天线系统中的发射信号矩阵如下：

其中，该发射信号矩阵中的每一行的 2个元素分别对应于在该行对应的时刻 2个发射天线上发射的信号，发射信号矩阵中的每一列的 2 个元素分别对应于该列对应的发射天线在相邻 2个时刻发射的信号。在该和 c₂分别表示两个待传输的发射信号，表示基站的第 ( = 1,2)个发射天线到接收端的平坦衰落信道参数，即信道状态信息。

也就是说，在时刻 1 , 发射天线 1和发射天线 2向移动终端发射的

+ \h

信号分别为' 和 + \h

, 此时移动终端的接收信号为其中， /！和分别表示移动终

端在时刻 1接收到的信号和加性 Gaussian白噪声；

在时刻 2, 发射天线 1和发射天线 2向移动终端发射的信号分别为和动终端的接收信号为： r₂ =―" J + η₂ , 其中， ₂和/¾分别表示移动

终端在时刻 2接收到的信号和加性 Gaussian白噪声。

在移动终端中，对接收信号进行加权合并，得到信号和 ₂分别

和

~ ¾|² |² 最后，移动终端可以利用最大似然准则对和分别进行检测判决，得到来自发射天线的两个发射信号的估计值。

图 3示出了本发明实施例应用于两发射天线系统的实施例的误码率仿真结果，如图 3所示，虚线表示现有 STBC算法在两发射天线系统中的误码率性能，实线表示本发明实施例在两发射天线系统中的误码率性能。从图 3可以看出，在两发射天线系统中，本发明实施例提供的空时编码方法与传统的 STBC算法相比，其信噪比增益大于 ldB , 也就是说，在误码率相同的情况下，本发明实施例较之 STBC算法，节约了大于 ldB的发射功率；在发射功率相同的条件下，本发明实施例提供的方法具有较低的误码率。

实施例二：系统设置四发射天线，接收端为单天线移动终端。根据图 2所示实施例中的发射信号矩阵，当 M的值为 4, 即四发射天线系统中的发射信号矩阵如下：

其中，、 ₂ 、 ₃、 x₄分另 ll表示四个待传输的发射信号， h_m表示基站的第 m (m = 1,2,3,4)个发射天线到接收端的平坦衰落信道参数，即信道状态信息。

该发射信号矩阵中每一行的 4个元素分别对应于在该行对应的时刻 4个发射天线上发射的信号，发射信号矩阵中的每一列的 4个元素分别对应于该列对应的发射天线在相邻 4个时刻发射的信号。

这样一来，移动终端在相邻四个时刻的接收信号分别如下：

其中， r\、 r₂、 r₃、 r₄和/ ^、 "₂、 n₃、 "₄分另 ll表示移动终端在时刻 1 时刻 2、时刻 3、时刻 4接收到的信号和加性 Gaussian白噪声。

在移动终端中，对接收信号进行加权合并，得到信号、 χ₂. χ₃

最后，移动终端可以利用最大似然准则对 _¾、 _¾和分别进行检测判决，得到来自发射天线的四个发射信号的估计值。

图 4示出了本发明实施例应用于四发射天线系统的实施例的误码率仿真结果，如图 4所示，虚线表示现有 STBC算法在四发射天线系统中的误码率性能，实线表示本发明实施例在四发射天线系统中的误码率性能。从图 4可以看出，在四发射天线系统中，本发明实施例提供的空时编码方案与传统的 STBC算法相比，其信噪比增益约为 2dB。也就是说，在误码率相同的情况下，本发明实施例较之 STBC算法，节约了约 2dB的发射功率，在发射功率相同的条件下，本发明实施例提供的方法具有较低的误码率。

实施例三：系统设置八发射天线，接收端为单天线移动终端根据图 2所示实施例中的发射信号矩阵，当 M的值为 8, 即八发射天线系统中的发射信号矩阵如下：其中，分别表示八个待传输的发射信号， ^表示基站的第 m(m = 1,2,3,4,5,6,7,8)个发射天线到接收端的平坦衰落信道参数，即信道状态信息。

该发射信号矩阵中每一行的 8个元素分别对应于在该行对应的时刻 8个发射天线上发射的信号，发射信号矩阵中每一列的 8个元素分别对应于该列对应的发射天线在相邻 8个时刻发射的信号。

在本实施例的八天线系统中，移动终端在八个时刻的接收信号，以及移动终端获得的来自发射天线的八个发射信号的估计值均可以依据之前描述的两发射天线系统和四发射天线系统的处理方式类推获得，故不再赘述。

可见，在本发明实施例中的空时编解码方法，提高了系统的误码性能，无论待传输的发射信号是复数信号或者实数信号，均能够降低系统的误码率。

另外，本发明实施例中的空时编解码方法，避免了对待传输的发射信号进行共轭运算，当待传输的发射信号为复数信号时，采用本发明实施例，能够显著提高系统的等效传输效率。

基于上述在多天线无线通信系统中空时编解码方法，本发明实施例还提供了一种多天线无线通信系统中实现空时编解码装置。图 5示出了本发明实施例中空时编解码装置的结构，该装置包括空时编码装置，即发射装置以及空时解码装置，即接收装置。

在本实施例中，空时编码装置包括：

正交矩阵构造模块，用于根据待传输的发射信号生成正交矩阵。系数矩阵确定模块，用于根据信道状态信息，生成对应正交矩阵的系数矩阵。

发射信号矩阵形成模块，用于利用系数矩阵对正交矩阵中的各元素进行加权，生成发射信号矩阵。

信号发射模块，将根据发射信号矩阵，通过发射天线进行信号发射。

其中，正交矩阵构造模块进一步包括：

待传输信号分组单元，用于根据系统中发射天线的数量，对待传输的发射信号进行分组。

正交矩阵生成单元，用于根据分组后的待传输的发射信号生成正交矩阵，正交矩阵的第一行元素为待传输的发射信号，其余各行由待传输的发射信号或者待传输发射信号的相反数的不同换序排列组成。

系数矩阵确定模块进一步包括：

信道状态信息获取单元，用于接收信道状态信息。

系数矩阵计算单元，用于根据信道状态信息，生成系数矩阵。系数矩阵计算单元根据如下所述公式，生成系数矩阵，

其中， M为发射天线的数目， ^为发射端的第 m(m = 1,2,· · ·, M)个天线到接收端的信道状态信息。在本实施例中，空时解码装置包括：

接收信号合并模块，用于获取接收信号，其中，接收信号对应的发射信号矩阵具有正交性，对接收信号进行加权合并。

信号检测判决模块，用于检测判决加权合并后的接收信号，根据信道状态信息，获取与接收信号对应的发射信号的估计值。

信道状态信息估计模块，用于估计信道状态信息，并将信道状态信息反馈至发射端。

空时解码装置进一步包括：

加权系数计算模块，用于根据信道状态信息，计算接收信号的加权系数。

接收信号合并模块，进一步用于根据加权系数，对接收信号进行加权合并。

上述各模块具体采用的处理方式参见前面的描述，在此不再赘述。

综上所述，在本发明实施例中，利用发射端获取的信道状态信息，对待传输的发射信号进行空时编码，降低了系统的误码率，提高了系统的误码性能。

另外，本发明实施例利用发射端获取的信道状态信息，对待传输的发射信号进行空时编码，避免了对待传输的发射信号进行共轭运算，当待传输的发射信号为两个或两个以上的复数信号时，采用本发明实施例，能够显著提高系统的等效传输效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可以想到的变化或替换，例如设计其它形式的正交矩阵结构以及改变正交矩阵中各元素所对应的系数等，都不脱离本发明保护的精神与内涵。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

权利要求书

1、一种空时编码方法，其特征在于，包括：

根据待传输的发射信号生成正交矩阵；

根据获取的信道状态信息，生成对应所述正交矩阵的系数矩阵；根据所述正交矩阵和所述系数矩阵生成发射信号矩阵。
2、根据权利要求 1所述的方法，其特征在于，

所述发射信号矩阵中每一行中的各元素表示，在该行对应的时刻。各发射天线上所发射的信号；所述发射信号矩阵中每一列中的各元素表示，该列对应的发射天线，在各时刻所发射的信号。
3、根据权利要求 1所述的空时编码方法，其特征在于，所述根据待传输的发射信号生成正交矩阵之前进一步包括：

根据所述系统中发射天线的数量，对所述待传输的发射信号进行分组。
4、根据权利要求 1所述的空时编码方法，其特征在于，系统中设置有 M个发射天线，所述根据待传输的发射信号生成正交矩阵包括：

由 M个待传输的发射信号生成 M M维正交矩阵 X, 所述正交矩阵的第一行元素为 M个待传输的发射信号; 、 x₂、 ...、 x_M , 其余各行由所述待传输的发射信号或者所述待传输的发射信号的相反数的不同换序排列组成。
5、根据权利要求 1所述的空时编码方法，其特征在于，系统中设置有 M个发射天线，所述对应所述正交矩阵的系数矩阵包括：

其中， ^为发射端的第 m(m = l,2,... ,M)个发射天线到接收端的信道状态信息。
6、根据权利要求 1所述的空时编码方法，其特征在于，所述根据正交矩阵和系数矩阵生成发射信号矩阵包括：

利用所述的系数矩阵，对所述正交矩阵中的各元素进行加权。
7、根据权利要求 6所述的方法，其特征在于，所述根据正交矩阵和系数矩阵生成发射信号矩阵包括：

所述正交矩阵左乘所述系数矩阵。
8、一种空时解码方法，其特征在于，包括：

获取接收信号，所述接收信号对应的发射信号矩阵具有正交性，根据信道状态信息，对所述接收信号进行加权合并；

检测所述加权合并后的接收信号，根据信道状态信息，获取与所述接收信号对应得发射信号的估计值。
9、根据权利要求 8所述的空时解码方法，其特征在于，该方法进一步包括：

估计并发送所述信道状态信息。
10、一种空时编码装置，其特征在于，包括：

正交矩阵构造模块，用于根据待传输的发射信号生成正交矩阵；系数矩阵确定模块，用于根据信道状态信息，生成对应所述正交矩阵的系数矩阵；

发射信号矩阵形成模块，用于利用所述系数矩阵对所述正交矩阵进行加权，生成发射信号矩阵；

信号发射模块，用于根据所述发射信号矩阵，通过发射天线进行信号发射。
11、根据权利要求 10所述的装置，其特征在于，所述的正交矩阵构造模块包括：

待传输信号分组单元，用于根据所述发射天线的数量，对所述待传输的发射信号进行分组；

正交矩阵生成单元，用于根据所述分组后的待传输的发射信号生成正交矩阵，所述正交矩阵的第一行元素为待传输的发射信号，其余各行由所述待传输的发射信号或者所述待传输发射信号的相反数的不同换序排列组成。
12、根据权利要求 10所述的装置，其特征在于，所述的系数矩阵确定模块包括：

信道状态信息获取单元，用于接收信道状态信息；

系数矩阵计算单元，用于根据所述信道状态信息生成所述系数矩阵。
13、根据权利要求 12所述的装置，其特征在于，所述的系数矩阵计算单元根据如下公式，生成所述系数矩阵：

其中， M为发射天线的数目， ^为发射端的第 m(m = l,2,. ,M)个天线到接收端的信道状态信息。
14、一种空时解码装置，其特征在于，包括：

接收信号合并模块，用于获取接收信号，所述接收信号对应的发射信号矩阵具有正交性，对所述接收信号进行加权合并；

信号检测判决模块，用于检测判决所述加权合并后的接收信号，根据信道状态信息，获取与所述接收信号对应的发射信号的估计值。
15、根据权利要求 14所述的装置，其特征在于，进一步包括：信道状态信息估计模块，用于估计所述信道状态信息，并将所述信道状态信息反馈至发射端。
16、根据权利要求 14所述的装置，其特征在于，进一步包括：加权系数计算模块，用于根据所述信道状态信息，计算所述接收信号的加权系数；

所述接收信号合并模块，进一步用于根据所述加权系数，对所述接收信号进行加权合并。