CN101374136A - 发送和接收通信信号的方法及发送和接收通信信号的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发送和接收通信信号的方法及发送和接收通信信号的装置。在一种用于发送通信信号的方法中，通过将复数值数据码元的数据流划分为分别有n＞2个数据码元的数量为K_T＞2的子数据流来执行空时块编码，由所述子数据流的数据码元构成n×K_T矩阵C_KT，通过由矩阵C_KT构成矩阵D来执行发送方侧的预失真，并且所述数据码元根据其在矩阵D中的布局通过K_T个发送天线被发送。

Description

发送和接收通信信号的方法及发送和接收通信信号的装置

技术领域

本发明涉及一种用于发送通信信号的方法、一种用于接收通信信号的方法、一种用于发送通信信号的装置和一种用于接收通信信号的装置。

背景技术

未来移动无线电系统的重要任务在于提供具有高数据速率的业务。在现代的例如基于GSM标准的第二代数字蜂窝移动无线电网中或者例如基于UMTS标准的第三代数字蜂窝移动无线电网中，网络运营商给其客户提供多种业务。除了如语音电话、SMS(短消息业务(Short Message Service))和MMS(多媒体消息业务(Multimedia Messaging Service))的基本业务之外，还提供基于视频业务和IP(互联网协议)的分组数据业务。

鉴于DSL在固定网范围的成功，移动无线电的趋势同样朝向高速率的、针对IP应用(例如VoIP)优化的移动无线电系统。称为HSPA(高速分组接入(HighSpeed Packet Access))的UMTS的当前扩展(也被称为3.5G系统)允许在下行链路(Down-Link)(基站到移动终端设备)直至14Mbps和在上行链路(Up-Link)(移动终端设备到基站)直至2Mbps的净传输速度。为了在未来也确保UMTS系统的竞争能力，当前通过改进系统容量和频谱效率将UMTS进一步发展为针对IP分组数据传输而优化的移动无线电系统。目标在于，在未来显著提高最大净传输速度，尤其是在下行链路直至100Mbps而在上行链路直至50Mbps。

所期望的是，至少在通信系统的一个传输方向上利用基于OFDM的信号传输(正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing))。OFDM是多载波方法，其中通过块式调制(Blockmodulation)将具有一定数量的数据码元的块以并行方式在相对应数量的子载波上传输。所有子载波的整体针对一个数据块的持续时间构成所谓的OFDM码元。

但是，为了满足关于数据速率的要求，也必需比在当前移动无线电网络的情况更好地充分利用有限的无线电资源。有鉴于此，具有多个天线的系统既在发送方又在接收方通过利用空间信号特性来提供提高频谱效率的可能性。这种研发被概括为概念“发送分集(

)”。因而，当前讨论在第三代无线电网络中并且在未来的WLAN标准(WLAN＝无线局域网(Wireless LocalArea Netzwork))中采用所谓的MIMO系统(MIMO＝多入多出(Multiple-Input-Multiple-Output))。

用于改善接收条件以及因此可能提高通信连接的数据速率的重要方法是所谓的空时码(STC：Space-Time-Code)。使用该码的方法的目标在于，通过有目的地充分利用空间分集来改进信道特性，所述空间分集是通过采用多个发送天线以及必要时采用多个接收天线来实现的。在此，特别感兴趣的是：将空时码例如用在移动无线电系统的下行链路中，因为提高的实施费用仅涉及基站，并且以便可以为蜂窝网络的下行链路实现更高的容量，并且同时可以使接收方的实施费用保持得低。

作为空时码的一种可能性是空时块码(Space-Time-Block-Code)，在下文中，该空时块码也被称为空时块编码(Raum-Zeit-Blockt-Codierung)，例如在S.M.Alamouti的文献“A Simple Transmit Diversity Technique for WirelessCommunications”(IEEE Journal on Selected Areas in Communication，16(8)，第1451至1458页，1988年)中已描述的那样。在空时块编码中，信号由第一发送天线发送，并且由其它发送天线发送由第一发送天线所发送的信号的延迟变型。在置换方案中，由第一发送天线发送经调制的信号，并且由其它发送天线发送经调制的信号的置换。因此，由发送天线所发送的信号可以由矩阵得出，该矩阵包括调制信号形式的数据字和调制信号的置换的数据字。通过空时编码，信号可以被编码为多个数据字，并且每个数据字都由不同的发送天线来发送。在发送期间，这些数据字通过相继发送每个数据字的数据码元而在单载波方法中由唯一的载波频率在时域中扩展。

在STBC矩阵中，发送天线通常沿着一个轴并且时间点或者时隙沿着其它轴来绘出。如果STBC数据块T具有时隙并且编码了k个数据码元，那么码率r可以被定义为r＝k/T。空时块编码最初针对正交STBC而导入，其中该矩阵使得该矩阵的任意两个天线向量都是相互正交的。上述Alamouti的文献描述了一种用于两个发送天线和接收天线的正交STBC，其中码率为1。在多于两个的发送天线和接收天线的情况下，仅公知以下这种正交STBC，其中码率小于1。这种STBC虽然充分利用了传输信道的整个分集潜力，可是由于码率小于1而不能实现最大吞吐量。除了这种正交STBC之外，还公知一种准正交的STBC，其中，仅在部分天线向量对中，相对应的向量是相互正交的。可是，到目前为止还不知道，如何利用准正交的STBC在少于4个的发送天线和接收天线的情况下实现码率等于1的传输。

一种基于OFDM方法的扩展方案涉及OFDM和MIMO的组合，也就是说，在相互进行通信的站上通过多个路径分别利用多个发送天线和接收天线进行发送和接收。通过OFDM与MIMO的组合(下面也将其称为MIMO-OFDM)可以有利地降低空时信号处理的复杂度。

发明内容

本发明提出一种用于发送通信信号的方法。在该方法中，通过将复数值数据码元的数据流划分为分别有n>2个数据码元的数量为K_T>2的子数据流，执行空时块编码；由所述子数据流的数据码元构成n×K_T矩阵

；通过由矩阵

构成矩阵D来执行发送方侧的预失真；并且所述数据码元根据其在矩阵D中的布局通过K_T个发送天线被发送。

本发明还提出一种用于接收所发送的通信信号的方法。在该方法中，接收所述通信信号并且构成接收采样值；并且接收采样值被输送给空时块解码装置。

本发明提出一种用于发送通信信号的装置。该用于发送通信信号的装置包括：划分单元，用于将复数值数据码元的数据流划分为分别有n>2个数据码元的数量为K_T>2个子数据流；空时块编码器，所述空时块编码器包括矩阵创建装置和预失真单元，所述矩阵创建装置用于由子数据流的数据码元构成n×K_T矩阵

，所述预失真单元用于通过由矩阵

构成矩阵D而执行发送方侧的预失真；以及K_T个发送天线，用于根据数据码元在矩阵D内的布局来发送所述数据码元。

本发明还提出一种用于接收通信信号的装置。所述用于接收通信信号的装置包括：K_T个接收天线，用于产生接收采样值的采样装置和空时块解码器。

本发明提出一种计算机程序产品，其包括用于执行本发明方法的步骤的程序代码段。

附图说明

下面以示例性方式参考附图来进一步描述本发明。其中：

图1示出用于发送通信信号的装置的实施方式的示意性框图；

图2示出用于接收通信信号的装置的实施方式的示意性框图；以及

图3示出用于执行根据本发明的方法的STBC块矩阵的实施例。

具体实施方式

在图1中以方框示意性示出用于发送通信信号的装置的实施例。发送装置10首先具有划分单元(Unterteilungseinheit)1。在时域中存在的复数值数据码元的数据流被输送给划分单元1的输入端。划分单元1用于将复数值数据码元的数据流划分为数量为K_T的、数据码元的子数据流，其中K_T>2，并且这些子数据流分别包括数量为n的数据码元，并且n>2。划分单元1例如可以通过串并转换器给出，K_T个子数据流可以通过所述串并转换器而在所述串并转换器的K_T个输出端被输出。此外，发送装置10还具有空时块(STBC)编码器2。划分单元1所输出的K_T个子数据流被输送给STBC编码器。STBC编码器2具有矩阵创建装置(Matrix-Bildner)2.1和预失真单元2.2。K_T个子数据流被输送给矩阵创建装置2.1。在矩阵创建装置2.1中，由子数据流的数据码元构成n×K_T矩阵

。矩阵创建装置2.1在输出端输出矩阵

，并将矩阵

输送给预失真单元2.2的输入端。在预失真单元2.2中，根据矩阵

构成新的矩阵D。预失真用于使得尽可能简单且费用低廉地实施接收装置成为可能，如下面还要解释的那样。

此外，发送装置10具有用于发送数据码元的数量为K_T的发送天线3。K_T个发送天线3的输入端与预失真单元2.2的输出端以及STBC编码器2的相对应输出端相连接，以致要发送的数据码元根据其在预失真单元2.2中所构成的矩阵D而被分布到发送装置10的K_T个发送天线3上。

在图2中以方框示意性示出用于接收通信信号的装置的实施例，所述通信信号由根据图1的实施例的装置发送。接收装置20具有数量为K_T的接收天线21。接收天线21的输出端与接收装置20的采样装置22的相对应输入端相连接。在采样装置22中产生由接收天线21所接收的通信信号的接收采样值。所产生的接收采样值被输送给采样装置22的输出端，该采样装置22的输出端与空时块(STBC)解码器23的输入端相连接。STBC解码器23具有用于输出所解码的数据信号的输出端。

矩阵

可以例如通过正交的或者准正交的STBC矩阵来构成，用于K_T个发送天线或接收天线。为了使得能够以简单方式实施接收装置，可以通过正交预失真来给出预失真。所述预失真尤其可被给出来使得以下述方式由准正交的矩阵

构成该预失真：

$\underset{\‾}{D}={\left({\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T{\underset{\‾}{C}}_{K_T}\right)}^{-1}{\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T---\left(1\right)$

或

$\underset{\‾}{D}={\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T{\left({\underset{\‾}{C}}_{K_T}{\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T\right)}^{-1}---\left(2\right)$

在这种情况下，在图2的接收装置20中仅在STBC解码器23中采用矩阵

也就是说，矩阵

必须与采样装置22所提供的接收采样值22相乘。即适用：

${\underset{\‾}{C}}_{K_T}\·{\left({\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T{\underset{\‾}{C}}_{K_T}\right)}^{-1}{\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T={\underset{\‾}{C}}_{K_T}\·{\underset{\‾}{C}}_{K_T}^{-1}{\left({\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T\right)}^{-1}{\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T=I---\left(3\right)$

或

${\underset{\‾}{C}}_{K_T}\·{\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T={\left({{\underset{\‾}{C}}_{K_T}\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T\right)}^{-1}=I,---\left(4\right)$

其中，I是K_T×K_T单位矩阵。接收装置20因此为了进行解码而构成接收采样值的简单线性组合。图1的发送装置10的每个发送天线3的发送信号存在于接收装置20的每个接收天线21上，所述发送信号以所述方式正交地被预失真。因为通过根据上述等式(4)的矩阵乘法得到单位矩阵，所以仅构成接收采样值的线性组合。根据上述等式(4)的矩阵乘法例如利用适当选择的滤波器通过线性滤波来实现，所述滤波器的滤波特性或滤波系数可以由

矩阵的元素得知。

发送天线和接收天线的数量K_T最小为3。在之前所述的应用准正交矩阵

即准正交的线性空时块码和根据等式(1)和(2)将矩阵

转换为矩阵D的实施例中，可以在传输通信信号时实现码率1，并且因此实现最大吞吐量。STBC的线性允许有利地实施发送装置和接收装置。发送方侧的预失真、尤其是通过将矩阵

转换为矩阵D引起的预失真允许特别经济地实现接收装置，因为通过将接收采样值与矩阵

相乘在该接收装置中必定仅构成简单的线性组合。这首先对于下行链路是令人感兴趣的，因为面对稍微昂贵的基站的是简单的移动接收装置。

图1中所示的用于发送通信信号的装置可以被视为用于发送通信信号的方法的硬件实施方案的实施例。同样，图2中所示的用于接收通信信号的装置也可以被视为用于接收通信信号的方法的硬件实施方案。可是，这里所示的用于发送和用于接收通信信号的方法也可以分别被实施为计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于执行相应方法的程序代码段。这种计算机程序产品可以被存储在记录载体上，并且在需要时可以被加载用于在微控制器或者DSP中实施。

用于发送通信信号的方法既可以在单载波方法中又可以在多载波方法(例如OFDM方法)中被执行。在OFDM方法的情况下，通过对早期连续数据流进行频谱编码获得属于每个OFDM码元的离散复数值频谱，所述离散复数值频谱通常鉴于利用数字电路部件进行进一步处理而按照实部和虚部分开存在。通过对该频谱的离散傅立叶逆变换可以计算出OFDM码元的同样为复数值的采样值。在离散傅立叶逆变换的情况下，例如可以产生M个时间离散的采样值。这M个时间离散的采样值接着作为数据流被输送给图1的发送装置的划分单元1。所有子载波的整体对于一个数据块的持续时间构成该OFDM码元。最终，可以与所有其它子载波不相关地处理每个子载波。这也意味着，每个子载波可以具有其自己的

矩阵，但是不是必须具有

矩阵。

该方法因此也能与单载波方法结合应用。首先，早期数据流被映射到通常为复数值的数据码元，所述复数值的数据码元例如可以是64-QAM数据码元或者也可以是8-PSK数据码元，如在W-LAN、UMTS和EDGE中所使用的那样。这些数据码元被概括成多个块，其中每个块可以包括M个数据码元。接着，这种块被解释为具有M个被布置成列的元素的数据向量d，此外还假定，这些数据应并行地在相邻的窄带子载波上被发送，与此相应地，时域中的信号通过离散傅立叶逆变换来产生。接着，离散傅立叶逆变换通过二次一元M×M矩阵L来表示。离散傅立叶逆变换的时间离散的输出信号b＝L·c具有M个采样值b₁、b₂、…、b_M。例如，存在K_T＝4个天线元件，并且M＝256。那么，将向量b划分为K_T＝4个相同长度的向量b⁽¹⁾、b⁽²⁾、b⁽³⁾和

。接着，来自上述等式(1)或(2)的矩阵之一被用于这些向量的相应第n个元素。

在单载波特定的观察的情况下，不会首先将矩阵L用于向量d，并接着会应用公式(1)或(2)的矩阵之一。取代于此，来自公式(1)或(2)的矩阵之一会被直接用于数据流，更确切地说，以致能实现子载波特定的各个STBC矩阵。

在图3中示出用于准正交矩阵

的实施例。该矩阵

涉及以下情况：设置4个天线元件。该矩阵是准正交的，并且因此特征在于，仅各个列向量对相互正交，其它不再正交。这样一种矩阵可以作为STBC矩阵被用于发送通信信号的方法。

Claims (19)

1.一种用于发送通信信号的方法，在该方法中，

通过将复数值数据码元的数据流划分为分别有n>2个数据码元的数量为K_T>2的子数据流，执行空时块编码；

由所述子数据流的数据码元构成n×K_T矩阵；

通过由矩阵

构成矩阵D来执行发送方侧的预失真；并且

所述数据码元根据其在矩阵D中的布局通过K_T个发送天线被发送。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据

$\underset{\‾}{D}={\left({\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T{\underset{\‾}{C}}_{K_T}\right)}^{-1}{\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T$ 或者

$\underset{\‾}{D}={\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T{\left({\underset{\‾}{C}}_{K_T}{\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T\right)}^{-1}$

而由矩阵

构成矩阵D。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，矩阵

是正交的或者准正交的。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，在发送时应用多载波方法。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述多载波方法是OFDM方法。

6.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，在发送时应用单载波方法。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其中，通过对早期比特数据流进行频谱编码获得离散的复数值频谱；并且

复数值数据码元的数据流通过复数值频谱的离散傅立叶逆变换来获得。

8.一种用于接收根据权利要求1所发送的通信信号的方法，在该方法中，

接收所述通信信号并且构成接收采样值；并且

接收采样值被输送给空时块解码装置。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，接收采样值与矩阵相乘。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，利用滤波器执行线性滤波，所述滤波器的滤波特性或者滤波系数由矩阵得出。

11.一种计算机程序产品，其包括用于执行权利要求1至10之一所述的步骤的程序代码段。

12.根据权利要求11所述的计算机程序产品，其被存储在计算机可读的记录介质上。

13.一种用于发送通信信号的装置，其包括：

划分单元(1)，用于将复数值数据码元的数据流划分为分别有n>2个数据码元的数量为K_T>2个子数据流；

空时块编码器(2)，所述空时块编码器(2)包括矩阵创建装置(2.1)和预失真单元(2.2)，所述矩阵创建装置(2.1)用于由子数据流的数据码元构成n×K_T矩阵

所述预失真单元(2.2)用于通过由矩阵

构成矩阵D而执行发送方侧的预失真；以及

K_T个发送天线(3)，用于根据数据码元在矩阵D内的布局来发送所述数据码元。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，构造所述预失真单元(2.2)，以便根据

$\underset{\‾}{D}={\left({\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T{\underset{\‾}{C}}_{K_T}\right)}^{-1}{\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T$ 或者

$\underset{\‾}{D}={\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T{\left({\underset{\‾}{C}}_{K_T}{\underset{\‾}{C}}_{K_T}^T\right)}^{-1}$

来构成矩阵D。

15.根据权利要求13或14所述的装置，其中，构造所述矩阵创建装置(2.1)，以便将矩阵

构成为正交的或者准正交的矩阵。

16.根据权利要求13至15之一所述的装置，其还包括：

傅立叶变换单元，用于通过离散傅立叶逆变换而产生复数值数据码元的数据流。

17.一种用于接收通信信号的装置，所述通信信号由根据权利要求13至16之一所述的装置发送，所述用于接收通信信号的装置包括：

K_T个接收天线(21)，

用于产生接收采样值的采样装置(22)，和

空时块解码器(23)。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，构造所述空时块解码器(23)，以便将所述接收采样值与矩阵相乘。

19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述空时块解码器(23)具有滤波器，所述滤波器的滤波特性或者滤波系数由矩阵

得出。

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