CN101378301B - 一种基于空频编码的发射分集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空频编码的发射分集方法，可以防止数据传输过程中的打孔现象对数据的影响。所述发射分集方法中，设发射方天线数为2M，且M＞1，包括以下步骤：(a)发射方对需要进行发射的数据流进行空频编码后得到两路数据流；(b)发射方从上述两路数据流中每次提取相同长度的两组数据，每组中有M个数据，将上述两组数据分别进行串并转换后，再进行变形的空频编码，以使在相同的频点上，总有两根天线发送的数据的幅度相同、符号相反，总有另两根天线发送的数据的幅度相同、符号相同，直到需要进行发射的数据流发送完毕。

Description

一种基于空频编码的发射分集方法

技术领域

本发明涉及无线通讯系统的发射分集技术，尤其是涉及采用基于空频分组编码(SFBC)的多输入多输出-正交频分复用(MIMO-OFDM)系统的发射分集设计方法。

背景技术

下一代的无线通信系统将提供更好的话音质量、更快的数据传输率。但是，时变的多径传输环境、有限的带宽资源以及用户对服务的需求使上述要求实现起来非常困难。解决这些问题的一个有效方法是采用分集技术。分集技术根据获得独立路径信号方法的不同可分为时间分集、频率分集和空间分集等。Alamouti方案的空时码因其设计简单、译码方便而在MIMO(MultipleInput Multiple Output)系统中获得了广泛的应用。Agrawal等提出了将空时码和正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制技术相结合的方案——空频编码(SFBC，Space Frequency Block Codes)，从而使系统能够获得更高的频谱效率、传输速率和通信质量。但只有当发射天线数为2时，Alamouti才能充分发挥其优势，同时达到编码矩阵正交和编码速率为1这两个效果，当发射天线大于2时，就必须在编码矩阵正交和编码速率为1这两个要求之中选择一个，而这都会降低空频码的性能，更为严重的是，由于信道相关性的影响，会产生打孔现象，使系统可靠性下降，增加了误码率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于空频编码的发射分集方法，可以防止数据传输过程中的打孔现象对数据的影响。

本发明结合当前的基于Alamouti方案SFBC编码的设计思想，针对发射天线为2M(M＞1)的MIMO-OFDM系统，提供一种可以最大程度的利用空间分集增益、时间分集增益和频率分集增益的分集设计方案。本发明将子载波的SFBC编码推广到子载波组上去，对经过SFBC编码过的子载波再以组为单位进行SFBC编码，从而可以克服Alamouti方案SFBC编码只能应用于两发射天线系统的局限性，防止了数据传输过程中的打孔现象使数据丢失，提高整个通信系统的可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于空频编码的发射分集方法，设发射方天线数为2M，且M＞1，包括以下步骤：

(a)发射方对需要进行发射的数据流进行空频编码后得到两路数据流；

(b)发射方从上述两路数据流中每次提取相同长度的两组数据，每组中有M个数据，将上述两组数据分别进行串并转换后，再进行变形的空频编码，以使在相同的频点上，总有两根天线发送的数据的幅度相同、符号相反，总有另两根天线发送的数据的幅度相同、符号相同，直到需要进行发射的数据流发送完毕。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，在所述步骤(b)中，发射方在两路数据流中的相同位置提取数据。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述方法进一步包括以下步骤：(i)发射方对经过信道编码和星座图映射后的数据进行空频编码得到两路数据流，每路数据流共有N个数据；(ii)发射方分别从每路数据流中取相邻的M个数据组成第一组数据，从另一路数据流的相同位置取M个数据组成第二组数据，得到两路K组数据，其中

式中

表示向上取整，并对每组数据分别进行串并变换；(iii)发射方将从两路数据流中相同位置处得到的两组经过串并变换的数据进行经过变形的空频编码，在2M根天线上发送编码后的数据。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，设第一组数据为A，第二组数据为B，所述变形的空频编码采用以下任意列式之一： $\left[\begin{array}{cc}A& B\\ -B^{*}& A^{*}\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cc}{A}^{*}& -B^{*}\\ B& A\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{cc}B& A\\ A^{*}& -B^{*}\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cc}-B^{*}& A^{*}\\ A& B\end{array}\right].$

进一步地，上述方法还可具有以下特点，在所述步骤(ii)中，当最后一组数据数量不足M个时，用前一组或几组中的相同或不同位置的数据补齐。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，当最后一组数据数量不足M个时，采用最相邻的前一组中的数据补齐。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，在所述步骤(i)中，设空频编码得到两路数据流如下： $\left[\begin{array}{c}{a}_1{a}_2{a}_3{a}_4\·\·\·a_N\\ b_1{b}_2{b}_3{b}_4\·\·\·b_N\end{array}\right];$ 在所述步骤(ii)中，设发射方得到的第一组数据为 $A_1=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_M\end{array}\right],$ 第二组数据为 $B_1=\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ b_M\end{array}\right],$ 共得到两路K组数据如下：[A₁，A₂，…，A_K]和[B₁，B₂，…，B_K]；在所述步骤(iii)中，发射方分别对步骤(ii)中得到的每路数据中相同位置的元素A和B进行变形的空频编码，再将经过编码后的数据流经过快速傅里叶逆变换和射频处理后在2M根天线上发送。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述天线个数为4时，在所述步骤(b)中，发射方从一路数据流中提取相邻两个数据组成第一组，从另一路数据流相同位置上提取相邻的两个数据组成第二组，或者分别从两路数据流的某一相同位置上各取一个数据组成第一组，再从两路数据流相同的另一位置上各取一个数据组成第二组。

本发明所述的基于SFBC编码分集方法特别适用于天线数为偶数的情况，既保持了Alamouti方案SFBC编码自身的特点，又把SFBC的编码的思想推广到发射天线个数大于2的系统，同时还有效的解决数据传输过程中的打孔现象，最大程度的利用空间分集增益、时间分集增益和频率分集增益，使得误码率性能有明显的提高，并且其实现也比较简单。

附图说明

图1为本实施例基于空频编码的发射分集方法的流程图；

图2是本发明实施例采用SFBC发射分集方式的4天线的MIMO-OFDM系统的发射结构图；

图3为本实施例的分集方案与SFBC级联循环延迟分集的性能比较曲线。

具体实施方式

设待传输的某用户的数据为S＝[s₁，s₂，s₃，s₄，…，s_N]，发射天线个数为2M(M＞1)，所述基于空频编码的发射分集方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤110，发射方对经过信道编码和星座图映射后的数据进行Alamouti方案的SFBC编码得到两路数据流：

$[S_1,S_2,S_3,S_4,\·\·\·S_{N-1},S_N]\→\left[\begin{array}{ccccc}{S}_1& -S_2^{*}& S_3& -S_4^{*}\·\·\·S_{N-1}& -S_N^{*}\\ S_2& S_1^{*}& S_4& S_3^{*}\·\·\·S_N& S_{N-1}^{*}\end{array}\right]$

步骤120，发射方对经过SFBC编码后得到的两路数据流按照天线个数分别进行分组，即从经过SFBC编码后的两路数据流中分别取K组数据，每组数据中有M个数据，具体过程如下：

为了方便理解，将经过编码后的两路数据流按照子载波位置标示开，写为如下格式：

$\left[\begin{array}{ccccc}{S}_1& -S_2^{*}& S_3& -S_4^{*}\·\·\·S_{N-1}& -S_N^{*}\\ S_2& S_1^{*}& S_4& S_3^{*}\·\·\·S_N& S_{N-1}^{*}\end{array}\right]\→\left[\begin{array}{c}{a}_1{a}_2{a}_3{a}_4\·\·\·a_N\\ b_1{b}_2{b}_3{b}_4\·\·\·b_N\end{array}\right]$

从上述两路数据中提取相同长度的两组数据，在这两组数据中至少有两个数据信息相同(原始数据相同、数据形式不同)，分别对这两组数据进行串并变换，由于发射天线个数为2M，在第一路数据流中顺序选取一组M个数据，取 $A_1=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_M\end{array}\right],$ 在第二路数据流中也顺序选取一组M个数据，取 $B_1=\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ b_M\end{array}\right],$ 若最后余下的数据长度小于M，则可以采用前一组或几组中的相同或不同位置的数据来补齐，以满足最后一组数据长度为M的要求，优选地，取最相邻的前一组中的数据。

在取A1和B1时，如果发射方天线数为4，则可以从每路数据中取，如 $A_1=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\end{array}\right],$ $B_1=\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\end{array}\right],$ 也可以分别从两路数据中取，如 $A_1=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ b_1\end{array}\right],$ $B_1=\left[\begin{array}{c}{a}_2\\ b_2\end{array}\right],$ 如果将本方法应用于发射方天线数大于4的情况时，如天线数为6或8等的情况，则只能采用第一种方式，即从每路数据中取数据分组。

经过编码后的两路数据依次按照上述的规律分组，分别可得到K组数据：A₁，A₂，…A_K和B₁，B₂，…B_K。若原始数据个数N刚好可以被M整除，即

则每一路数据被分的组数 $K=\frac{N}{M};$ 若原始数据个数N无法被M整除，即

则

式中

表示向上取整。

步骤130，发射方分别依次取两路K组数据([A₁，A₂，…A_K]和[B₁，B₂，…B_K])中的元素进行转置的SFBC编码得到2M路数据流：

$\left[\begin{array}{cc}{A}_1& B_1\end{array}\right]\→\left[\begin{array}{cc}{A}_1& B_1\\ -B_1^{*}& A_1^{*}\end{array}\right]---\left(1\right)$

除了采用上述转置方案外，还可以采用如下的变形公式：

$\left[A_1{B}_1\right]\→\left[\begin{array}{cc}{A}_1^{*}& -B_1^{*}\\ B_1& A_1\end{array}\right]---\left(2\right)$

步骤140，对上述2M路数据流经过IFFT(快速傅里叶逆变换)变换和射频处理后送到2M根天线上发射。

以4天线为例，采用SFBC发射分集方式的MIMO-OFDM系统的发射结构如图2所示，发射分集方法如下：

首先，发射方对经过信道编码和星座图映射后的数据进行SFBC编码，经过编码后原来的数据流分成两路，格式为： $[S_1,S_2]\→\left[\begin{array}{cc}{S}_1& -S_2^{*}\\ S_2& S_1^{*}\end{array}\right];$

然后，发射方从经过SFBC编码后的两路数据流中分别取K组数据，每组有(天线个数/2)个数据：

如对 $\left[\begin{array}{cc}{S}_1& -S_2^{*}\\ S_2& S_1^{*}\end{array}\right]$ 选取： $A_1=\left[\begin{array}{c}{S}_1\\ -S_2^{*}\end{array}\right],$ $B_1=\left[\begin{array}{c}{S}_2\\ S_1^{*}\end{array}\right]$

最后，发射方对分组后A₁、B₁的进行如式(1)的变形的SFBC编码，

得到 $\left[\begin{array}{cc}{A}_1& B_1\\ -B_1^{*}& A_1^{*}\end{array}\right]$ 即 $\left[\begin{array}{cc}{S}_1& S_2\\ -S_2^{*}& S_1^{*}\\ -S_2^{*}& S_1^{*}\\ -S_1& -S_2\end{array}\right],$ 在4根天线上的发送数据，对应的四行分别在四根天线上发送，每列数据在不同天线的相同频点的子载波上发送。

除了采用式(1)的变形SFBC编码外，在另一实施例中，还可采用如式(2)变形SFBC编码，在4根天线上发送的数据为： $\left[\begin{array}{cc}{S}_1^{*}& -S_2^{*}\\ -S_2& -S_1\\ S_2& S_1\\ S_1^{*}& -S_2^{*}\end{array}\right].$

在其他实施例中，在对 $\left[\begin{array}{cc}{S}_1& -S_2^{*}\\ S_2& S_1^{*}\end{array}\right]$ 分组时，也可选取： $A_1=\left[\begin{array}{c}{S}_1\\ S_2\end{array}\right],$ $B_1=\left[\begin{array}{c}-S_2^{*}\\ S_1^{*}\end{array}\right],$ 采用公式(1)进行变形的SFBC编码后得到： $\left[\begin{array}{cc}{S}_1& -S_2^{*}\\ S_2& S_1^{*}\\ S_2& S_1^{*}\\ -S_1& S_2^{*}\end{array}\right],$ 采用公式(2)进行变形的SFBC编码得到： $\left[\begin{array}{cc}{S}_1^{*}& S_2\\ S_2^{*}& -S_1\\ -S_2^{*}& S_1\\ S_1^{*}& S_2\end{array}\right].$

从上述两个实施例中天线发送的数据可以看出，在每个频点子载波上传送的数据总有两个是相同的，而另两个是符号相反的。如按式(1)计算得到发送数据中，在每个相同频点的子载波上，第1根天线和第4根天线发送的数据(以下简称第1路数据、第4路数据)幅值相同符号相反，而在第2根天线和第3根天线发送的数据(以下简称第2路数据、第3路数据)幅值、符号均相同；再如按式(2)计算得到发送数据中，第1路数据和第4路数据幅值、符号均相同，第2路数据和第3路数据幅值相同、符号相反。这样的好处是，无论信道之间的相关性如何，在每频点的一个子载波上都至少能保证有一个数据(S₁或S₂)被正确传输，从而避免了由信道之间的相关性引起的打孔现象对数据的影响，保证了每一个数据传输的准确性。

发射信号经过信道后在接收端的信号可以写为：

$R=\left[\begin{array}{cc}{r}_1^k& r_1^{k+1}\\ r_2^k& r_2^{k+1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}-h_{14}& h_{12}+h_{13}\\ h_{21}-h_{24}& h_{22}+h_{23}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{cc}{s}_1& s_2\\ -s_2^{*}& s_1^{*}\end{array}\right]+N$

式中，R为相邻两个子载波上接收的的信号矩阵，N表示独立白高斯噪声矢量矩阵，h_i，j表示第i个接收天线和第j个发射天线之间的信道响应。

采用本发明的发射分集方法，接收方在接收数据时，可以采用现行的检测的算法对接收信号进行检测。

图3是本发明中论述的分集方案与采用SFBC级联循环延迟分集方案的性能比较曲线，从图中可以看到在该方法下，误码率性能提高了1dB左右。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

例如，变形的SFBC公式并不限于文中的式(1)和式(2)，显然，分别将公式(1)和公式(2)中的列向量互换位置( $\left[\begin{array}{cc}B& A\\ A^{*}& -B^{*}\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cc}-B^{*}& A^{*}\\ A& B\end{array}\right]$ )也可达到本发明的效果，对数据进行变形的SFBC的目的在于，发射方通过天线发送数据时，在相同的频点上，总有两根天线发送的数据的幅度相同、符号相反，总有另两根天线发送的数据的幅度相同、符号也相同，使每频点子载波上都至少有一个数据能被正确传输，从而解决了打孔现象使数据丢失的问题。

再如，在从两路数据中提取分组数据时，也可跳跃提取，则此时接收方接收数据后，需要做相应的反处理，以保证还原出原始数据。

Claims (8)

1.一种基于空频编码的发射分集方法，设发射方天线数为2M，且M＞1，其特征在于，包括以下步骤：

(a)发射方对需要进行发射的数据流进行空频编码后得到两路数据流；

(b)发射方从上述两路数据流中每次提取相同长度的两组数据，每组中有M个数据，将上述两组数据分别进行串并转换后，再进行变形的空频编码，以使在相同的频点上，总有两根天线发送的数据的幅度相同、符号相反，总有另两根天线发送的数据的幅度相同、符号相同，直到需要进行发射的数据流发送完毕。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述步骤(b)中，发射方在两路数据流中的相同位置提取数据。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法步骤(a)具体为：

(i)发射方对经过信道编码和星座图映射后的数据进行空频编码得到两路数据流，每路数据流共有N个数据；

步骤(b)具体为：

(ii)发射方分别从每路数据流中取相邻的M个数据组成第一组数据，从另一路数据流的相同位置取M个数据组成第二组数据，得到两路K组数据，其中

式中

表示向上取整，并对每组数据分别进行串并变换；

(iii)发射方将从两路数据流中相同位置处得到的两组经过串并变换的数据进行经过变形的空频编码，在2M根天线上发送编码后的数据。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

设第一组数据为A，第二组数据为B，所述变形的空频编码采用以下任意列式之一： $\left[\begin{array}{cc}A& B\\ {-B}^{*}& A^{*}\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}{A}^{*}& -B^{*}\\ B& A\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}B& A\\ A^{*}& -B^{*}\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}-B^{*}& A^{*}\\ A& B\end{array}\right].$

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

在所述步骤(ii)中，当最后一组数据数量不足M个时，用前一组或几组中的相同或不同位置的数据补齐。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

当最后一组数据数量不足M个时，采用最相邻的前一组中的数据补齐。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

在所述步骤(i)中，设空频编码得到两路数据流如下： $\left[\begin{array}{c}{a}_1{a}_2{a}_3{a}_4...a_N\\ b_1{b}_2{b}_3{b}_4...b_N\end{array}\right];$

在所述步骤(ii)中，设发射方得到的第一组数据为 $A_1=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ .\\ .\\ .\\ a_M\end{array}\right],$ 第二组数据为 $B_1=\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ .\\ .\\ .\\ b_M\end{array}\right],$ 共得到两路K组数据如下：[A₁，A₂，…，A_K]和[B₁，B₂，…，B_K]；

在所述步骤(iii)中，发射方分别对步骤(ii)中得到的每路数据中相同位置的元素A和B进行变形的空频编码，再将经过编码后的数据流经过快速傅里叶逆变换和射频处理后在2M根天线上发送。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述天线个数为4时，在所述步骤(b)中，发射方从一路数据流中提取相邻两个数据组成第一组，从另一路数据流相同位置上提取相邻的两个数据组成第二组，或者分别从两路数据流的某一相同位置上各取一个数据组成第一组，再从两路数据流相同的另一位置上各取一个数据组成第二组。

Images