CN101325440B - 适用于多天线非相关信道下的广义分集码形成方法及发射装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于多天线非相关信道下广义分集码形成方法及发射装置，其首先根据待编码的发射符号序列的长度、发射天线的数目及通信系统要求的空时/空频符号速率搜索具有相应行列的编码矩阵，其中，所述编码矩阵由0和1所构成，然后根据所搜索出的多个编码矩阵搜寻符合约束条件的最优编码矩阵，最后根据所述最优编码矩阵将待编码的发射符号转换为非相关信道下广义分集码，如此形成的非相关信道下广义分集码，可有效改善通信系统的性能，而且其具有更大的适用范围，例如可应用在可变的序列长度，可变的分集速率的多天线通信系统中。

Description

适用于多天线非相关信道下的广义分集码形成方法及发射装置

技术领域

本发明涉及一种适用于多天线非相关信道下的广义分集码形成方法及发射装置。

背景技术

目前，在无线通信系统中，利用发送/接收机的多天线提供的天线分集增益，可以有效提高无线用户的通信质量。

获取天线分集增益的空时技术较多，如：空时块码(space time block code，STBC)、线性弥散码(linear dispersion code，LDC)，延迟分集码等，其中，STBC包括正交空时码(orthogonal space time code，OSTBC)和准正交空时码(quasi-orthogonal space time blockcode，QOSTBC)，该类码有较好的传输性能，但编码速率受到限制，LDC码，传输速率可变，可取得接近最优的系统吞吐量，但设计复杂，发射端处理复杂，而对于延迟分集码，传输速率可变，误比特性能(BER：bit error rate)性能略低于LDC，但发射端处理简单，理论上也可以取得所有的空间分集增益。延迟分集作为获取分集增益的一种方法，当用户经历的无线信道非相关时，可以理论推导得出基于成对错误概率(pairwise error probability，PEP)最小的最优码字设计准则，但是根据该准则搜索出最优码字却难以实现，所以迫切需要一种能搜索出具有实际的应用价值的码字的方法，以提高无线用户的通信质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于多天线非相关信道下的广义分集码形成方法，以使非相关多天线信道下形成优化设计的广义延迟分集码字成为可能。

本发明的另一目的在于基于多天线非相关信道下采用优化设计的广义分集码的多天线发射装置，以提高通信系统的通信性能。

为了达到上述目的，本发明提供适用于多天线非相关信道下广义分集码形成方法，其包括步骤：1)根据待编码的发射符号序列的长度、发射天线的数目及通信系统要求的空时/空频符号速率搜搜索具有相应行列的编码矩阵，其中，所述编码矩阵由0和1所构成；2)根据所搜索出的多个编码矩阵搜寻符合约束条件的最优编码矩阵，若所述一组编码矩阵{A_i，i＝1，…，K}，集合中每个的矩阵维数是Nt×L，所述约束条件包括：a)天线约束： $\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}{A}_i^{(m,n)}=\mathrm{Nt};$ b)秩最小化约束：

c){D_j}的方差最小，其中， $D_j=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ}}_j{A}_i^{(1,j)}\≠0,\∀j\∈\mathrm{Er},$ 其中， ${\mathrm{\Δ}}_j={\left|\right|s_j-{\tilde{s}}_j\left|\right|}^2,$ S_j和

分别为长度为L的待编码的发射符号序列中S和

中的第j个序列，E_r为

中与C元素不同的序号的集合，C_e为E_r内元素个数，Nt为发射天线数目，且编码后码字序列C＝[A₁S A₂S…A_TS]，

对应待发送符号序列 $S={\left[s_k\right]}_{k=1}^L,$ $\tilde{S}={\left[{\tilde{s}}_k\right]}_{k=1}^L;$ 3)根据所述最优编码矩阵将待编码的发射符号转换为非相关信道下广义分集码，转换方法如下：对于长度为L的发送符号 $S={\left[s_k\right]}_{k=1}^L,$ 速率为L/K的编码后码字C通过编码矩阵{A₁，i＝1，…，K}的生成方法为C＝[A₁S A₂S…A_TS]。

本发明还提供一种基于多天线非相关信道下广义分集码的多天线发射装置，其包括：采用上述的非相关信道下广义分集码形成方法形成相应广义分集码的广义分集码形成模块、及采用天线将所述广义分集码予以发送的发射模块；另外，对于发送符号序列长度和发送天线数确定的系统，广义分集码字矩阵可以离线生成，然后直接使用该优化的编码矩阵进行编码，这样的好处是可以降低实际系统的处理时间。

综上所述，本发明适用于多天线非相关信道下广义分集码形成方法及发射装置通过较为简单的搜索找到符合约束条件的最优矩阵，由此形成非相关信道下广义分集码，可有效改善通信系统的性能，而且扩展了适用范围，例如其可应用在可变的序列长度，可变的分集速率的通信系统中。

附图说明

图1为本发明的适用于多天线非相关信道下广义分集码形成方法的操作流程示意图。

图2为在非相关信道下的未编码的4×4的QPSK多天线(MIMO)系统的仿真结果比较示意图。

图3为采用1/2码率的Turbo码系统的仿真结果比较示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的适用于多天线非相关信道下广义分集码形成方法主要包括以下步骤：

第一步：根据待编码的发射符号序列的长度及发射天线的数目搜索具有相应行列的编码矩阵，其中，所述编码矩阵由0和1所构成，例如，若待编码的发射符号序列的长度为4，发射天线的数目也为4时，对于符号速率为2延迟分集码系统，则搜索出4×4的一组编码矩阵可为以下矩阵中任意两个矩阵的组合： $\left[\begin{array}{cccc}1& & & \\ & 1& & \\ & & 1& \\ & & & 1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cccc}& 1& & \\ 1& & & \\ & & 1& \\ & & & 1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cccc}& & 1& \\ & & & 1\\ 1& & & \\ & 1& & \end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cccc}& & & 1\\ 1& & & \\ & 1& & \\ & & 1& \end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cccc}& 1& & \\ & & & 1\\ 1& & & \\ & & 1& \end{array}\right]$ 等。

第二步：根据所搜索出的多个编码矩阵搜寻符合约束条件的最优编码矩阵，同样对应第一步中的举例，若所述一组编码矩阵为A_i，i为1，2，所述约束条件为：

天线功率约束

的秩最小、及{D_j}的方差最小，其中， $D_j=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ}}_j{A}_i^{(1,j)}\≠0,\∀j\∈\mathrm{Er},$ ${\mathrm{\Δ}}_j={\left|\right|s_j-{\tilde{s}}_j\left|\right|}^2,$ S_j和

分别为长度为L的待编码的发射符号序列中S和

中的第j个序列，E_r为

中与C元素不同的序号的集合，Nt为发射天线数目，且C＝[A₁S A₂S…A_TS]， $S={\left[s_k\right]}_{k=1}^L,$ $\tilde{S}={\left[{\tilde{s}}_k\right]}_{k=1}^L,$ 在本实施方式中，由于发射天线数目为4，故可设定S＝{s₁，s₂，s₃，s₄}^T， $\tilde{S}={\{{\tilde{s}}_1,{\tilde{s}}_2,{\tilde{s}}_3,{\tilde{s}}_4\}}^T,$ 经过搜寻可得到两组符合约束条件的矩阵{A_i，i＝1，2}，其分别为：

$\{A_{31},A_{32}\}=\left(\left[\begin{array}{cccc}1& & & \\ & 1& & \\ & & 1& \\ & & & 1\end{array}\right],\left[\begin{array}{cccc}& & & 1\\ 1& & & \\ & 1& & \\ & & 1& \end{array}\right]\right),$ $\{A_{41},A_{42}\}=\left(\left[\begin{array}{cccc}1& & & \\ & 1& & \\ & & 1& \\ & & & 1\end{array}\right],\left[\begin{array}{cccc}& 1& & \\ & & & 1\\ 1& & & \\ & & 1& \end{array}\right]\right),$

而矩阵 $\{A_{11},A_{12}\}=\left(\left[\begin{array}{cccc}1& & & \\ & 1& & \\ & & 1& \\ & & & 1\end{array}\right],\left[\begin{array}{cccc}& 1& & \\ 1& & & \\ & & 1& \\ & & & 1\end{array}\right]\right),$ $\{A_{21},A_{22}\}=\left(\left[\begin{array}{cccc}1& & & \\ & 1& & \\ & & 1& \\ & & & 1\end{array}\right],\left[\begin{array}{cccc}& & 1& \\ & & & 1\\ 1& & & \\ & 1& & \end{array}\right]\right)$

则不符合约束条件。

第三步：根据所述最优编码矩阵将待编码的发射符号转换为非相关信道下广义分集码，对应第二步中的举例，由于C_i＝[A₁S A₂S]_i，其中下标i表示采用第i组编码矩阵{A₁，A₂}_i，故可得到满足约束条件的非相关信道下广义分集码为： $C_3=\left[\begin{array}{cc}{s}_1& s_4\\ s_2& s_1\\ s_3& s_2\\ s_4& s_3\end{array}\right]$ $C_4=\left[\begin{array}{cc}{s}_1& s_2\\ s_2& s_4\\ s_3& s_1\\ s_4& s_3\end{array}\right],$

而不满足约束条件的分集码为： $C_1=\left[\begin{array}{cc}{s}_1& s_2\\ s_2& s_1\\ s_3& s_4\\ s_4& s_3\end{array}\right],$ 、 $C_2=\left[\begin{array}{cc}{s}_1& s_3\\ s_2& s_4\\ s_3& s_1\\ s_4& s_2\end{array}\right].$

本发明的基于多天线非相关信道下广义分集码的多天线发射装置包括：广义分集码形成模块及发射模块，此外，所述基于非相关信道下广义分集码的多天线发射装置还包括调制模块在内的必要组件，由于该些必要组件为本领域技术人员所知悉，且非本发明的技术改进之处，故在此不再详细叙述。

所述广义分集码形成模块采用前述的非相关信道下广义分集码形成方法形成相应广义分集码，例如对于4×4的通信系统，形成的广义分集码为 $C_3=\left[\begin{array}{cc}{s}_1& s_4\\ s_2& s_1\\ s_3& s_2\\ s_4& s_3\end{array}\right]$ 、 $C_4=\left[\begin{array}{cc}{s}_1& s_2\\ s_2& s_4\\ s_3& s_1\\ s_4& s_3\end{array}\right].$

所述发射模块采用天线将所述广义分集码予以发送。

需注意的是，对于发送符号序列长度和发送天线数确定的系统，广义分集码字矩阵可以预先生成，然后所述广义分集码形成模块直接使用所述预先生成的广义分集码字矩阵进行编码，这样的好处是可以降低实际系统的处理时间。

为进一步说明本发明与现有技术的差异，以下将通过仿真实例进行比较，其中，仿真采用的基本系统参数取值如下表1，其中，广义分集编码矩阵如前述第二步举例中的四组矩阵。

表1参数列表

 

信道编码	未编码；1/2Turbo
		发/收天线数	4x4
发送符号序列长度L	4，即S＝{s1，s2，s3，s4}T
		广义分集编码矩阵集合元素数K	2
广义分集码字符号速率L/K	2
		信道	各态历经瑞利衰落信道，天线非相关
接收检测	MMSE

请参见图2，其为在非相关信道下的未编码的4×4的四相移相键控(QPSK)多天线(MIMO)系统中的仿真结果比较示意图，其中，纵坐标表示误码率(BER)，横坐标表示信噪比(SNR)，由图可见，满足约束条件的两组码字{C₃，C₄}性能最好，而不满足约束条件的两组码字{C₁，C₂}性能相对较差。再请参见图3，其为采用1/2码率的Turbo码系统的仿真结果比较示意图，同样满足约束条件的两组码字{C₃，C₄}性能最好，而不满足约束条件的两组码字{C₁，C₂}性能相对较差。

综上所述，本发明的适用于多天线非相关信道下广义分集码形成方法及发射装置通过较为简单的搜索找到符合约束条件的最优矩阵，由此形成非相关信道下广义分集码，可有效改善通信系统的性能，而且其具有更大的适用范围，例如可应用在可变的序列长度，可变的分集速率的通信系统中。

Claims (1)

1.一种适用于多天线非相关信道下的广义分集码形成方法，其特征在于包括步骤：

1)根据待编码的发射符号序列的长度、发射天线的数目及通信系统要求的空时/空频符号速率搜索具有相应行列的编码矩阵，其中，所述编码矩阵由0和1所构成；

2)根据所搜索出的多个编码矩阵搜寻符合约束条件的最优编码矩阵，若所述一组编码矩阵{A_i，i＝1，…，K}，集合中每个的矩阵维数是Nt×L，所述约束条件包括：a)天线约束：b)秩最小化约束：

c){D_j}的方差最小，其中， $D_j=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ}}_j{A}_i^{(1,j)}\≠0,\∀j\∈\mathrm{Er},$ 其中， ${\mathrm{\Δ}}_j={\left|\right|s_j-{\tilde{s}}_j\left|\right|}^2,$ S_j和

分别为长度为L的待编码的发射符号序列中S和

中的第j个序列，E_r为

中与C元素不同的序号的集合，C_e为E_r内元素个数，Nt为发射天线数目，且编码后码字序列C＝[A₁S A₂S…A_TS]，

对应待发送符号序列

3)根据所述最优编码矩阵将待编码的发射符号转换为非相关信道下广义分集码，转换方法如下：对于长度为L的发送符号

速率为L/K的编码后码字C通过编码矩阵{A_i，i＝1，…，K}的生成方法为C＝[A₁S A₂S…A_TS]；

3)根据所述最优编码矩阵将待编码的发射符号转换为非相关信道下广义分集码。

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