CN101467376B - 一种空间-时间-频率编码的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间-时间-频率编码方案。根据本发明所提供的编码方案，首先对多个输入元素对进行转换，以获得相应的多个正交元素对，该输入元素对与其相应的正交元素对构成正交矩阵；然后，将各输入元素对与相应的正交元素对中的第一个元素、第二个元素和第二个元素的冗余作为信道元素分别映射到第一个和第二个二维时间-频率矩阵中的三个预定的时间-频率单元，以使该第一个和第二个矩阵中的信道元素可经由不同的天线发送。由于在不同天线上传输的时间-频率矩阵中冗余的输入元素对和正交元素对同时具有空间-时间正交和空间-频率正交的特点，因而可同时获得二维空时传输分集和空频传输分集，从而以达到提高发射分集增益的目的。

Description

一种空间-时间-频率编码的方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信系统，尤其涉及一种用于多载波无线通信系统的空间-时间-频率分集编码的方法和装置。

背景技术

在无线通信系统中，克服无线信道衰落和信道干扰而为用户提供高质量的数据服务是非常重要的。近年来，能够产生空时发射分集增益的空时编码(STBC：Space-TimeBlockCoding)由于其简单的编码和解码特点，得到了产业界的广泛认可，并被入选为3GPPUMTS的传输分集方案之一。空时编码方案还可以用于正交频分多址系统(OFDM：OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)，即形成空时块编码的OFDM系统。当块编码在空间-频率域而不是空间-时间域形成时，即形成空频块编码(SFBC：Space-FrequencyBlockCoding)的OFDM系统。

题为“Space-Time-FrequencyDiversityforMulti-carrierSystems”，公布于2004年8月26日、公布号为WO2004/073275A1的专利申请，披露了一种在多载波通信系统中利用多根天线实现传输分集的方法。根据该专利申请提供的方法，首先根据预定的规则将一个序列的传输符号进行转换，以产生多个传输流，然后将各传输流中的传输元素分配给与多个天线关联的与多个载波和符号间隔相对应的时间-频率单元并分别由相应的天线发送。

该方法采用正交设计以实现空间-时间-频率域正交。由于该方案中的空间-时间编码和空间-频率编码是相互独立的，因而，编码处理后获得的传输分集增益是一维的空时分集增益或空频分集增益。

因此，需要提供一种更有效的编码方法，以进一步提高发射分集增益。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种有效的编码方法，以提高发射分集增益。

为实现该目的，本发明提供了一种空间-时间-频率编码方法。按照本发明提供的方法，包括步骤：对多个输入元素对进行转换，以获得相应的多个正交元素对，所述各输入元素对与其相应的正交元素对构成正交矩阵；和将所述各输入元素对与相应的正交元素对中的第一个元素、第二个元素和第二个元素的冗余作为信道元素分别映射到第一个和第二个二维时间-频率矩阵中的三个预定的时间-频率单元，以使所述第一个和第二个矩阵中的信道元素可经由不同的天线发送。

在本发明所提供的实施例中，所述三个预定的时间-频率单元为所述各矩阵中两个预定的时间单元和两个预定的频率单元所构成的四个时间-频率单元中的三个。

本发明的另一个目的是提供一种有效的编码装置，以提高发射分集增益。

为实现该目的，本发明提供了一种一种空间-时间-频率编码装置，按照本发明提供的装置，包括：一个装换单元，用于对多个输入元素对进行转换，以获得相应的多个正交元素对，所述各输入元素对与其相应的正交元素对构成正交矩阵；和一个映射单元，用于将所述各输入元素对与相应的正交元素对中的第一个元素、第二个元素和第二个元素的冗余作为信道元素分别映射到第一个和第二个二维时间-频率矩阵中的三个预定的时间-频率单元，以使所述第一个和第二个矩阵中的信道元素可经由不同的天线发送。

在本发明所提供的实施例中，所述三个预定的时间-频率单元为所述各矩阵中两个预定的时间单元和两个预定的频率单元所构成的四个时间-频率单元中的三个。

由于本发明所提供的编码方案通过对信道元素在时间-频率-空间上的合理分配，在不同天线上传输的时间-频率矩阵中同时实现空间-时间正交编码设计和空间-频率正交编码设计，可同时获得二维空时传输分集和空频传输分集，从而以达到提高发射分集增益的目的。

通过参考以下结合附图的说明以及权利要求书中的内容，并且随着对本发明的更全面的理解，本发明的其他目的及效果将变得更加清晰和易于理解。

附图简述

图1是根据本发明的一个实施例的编码方法的流程示意图；

图2是根据本发明的、将信道元素映射到时间-频率矩阵的第一个实施例的示意图；

图3是根据本发明的、将信道元素映射到时间-频率矩阵的第二个实施例的示意图；

图4是根据本发明的、将信道元素映射到时间-频率矩阵的第三个实施例的示意图；

图5是根据本发明的、将信道元素映射到时间-频率矩阵的第四个实施例的示意图；

图6是根据本发明的、将信道元素映射到时间-频率矩阵的第五个实施例的示意图；和

图7是根据本发明的一个实施例的编码装置框图。

在所有附图中，相同的标号表示相似或相应的特征或功能。

发明详述

本发明所提供的用于无线通信系统中对多个输入元素进行编码的方案的基本思想是通过对信道元素在时间-频率-空间上的合理分配，在不同天线上传输的时间-频率矩阵中同时实现空间-时间正交编码设计和空间-频率正交编码设计，从而可同时获得二维空时传输分集和空频传输分集，达到提高发射分集增益的目的。与此同时，本发明所提供的空间-时间正交编码设计和空间-频率正交编码与常规的空时块编码具有相同的正交结构，接收端可利用信道元素的线性组合实现恢复相应的发送符号或符号块，因而解码处理十分简单。

图1是根据本发明的一个实施例的编码方法的流程示意图，图2是根据本发明的、将信道元素映射到时间-频率矩阵的第一个实施例的示意图，图3是根据本发明的、将信道元素映射到时间-频率矩阵的第二个实施例的示意图，图4是根据本发明的、将信道元素映射到时间-频率矩阵的第三个实施例的示意图。下面结合图1-4对本发明所提供的编码方法进行详细的解释。

根据本发明所提供的编码方法，首先对多个输入元素对进行转换，以获得相应的多个正交元素对，所述各输入元素对与其相应的正交元素对构成正交矩阵(步骤S10)；然后，将所述各输入元素对与相应的正交元素对中的第一个元素、第二个元素和第二个元素的冗余作为信道元素分别映射到第一个和第二个二维时间-频率矩阵中的三个预定的时间-频率单元，以使所述第一个和第二个矩阵中的信道元素可经由不同的天线发送(步骤S20)。下面通过具体实施例对步骤S10中的元素转换和步骤S20中的元素映射的详细解释来说明本发明所提供的二维空时分集和空频分集。

步骤S10中的转换是一种形于空时块编码的、对输入元素进行的取反和复共轭运算。假设输入元素对为{b₁，b₂}，{b₄，b₃}，，对其分别进行空时编码可获得输出正交对为 []^*表示复共轭运算。由各输入元素对和正交元素对构成的矩阵为 $A_1=\left[\begin{array}{cc}{b}_1& -b_2^{*}\\ b_2& b_1^{*}\end{array}\right]$ 和 $A_2=\left[\begin{array}{cc}{b}_3& -b_4^{*}\\ b_4& b_3^{*}\end{array}\right],$ 该两个矩阵为正交矩阵，即分别满足A₁·A₁ ^T＝I和A₂·A₂ ^T＝I，I为单位矩阵，[]^T表示矩阵的转置运算。

步骤S20中主要完成元素在时间-频率矩阵中的映射。在本发明所提供的方法中，传输分集包括空时分集和空频分集两部分。通过对输入元素对和正交元素对中的信道元素在时间-频率-空间的合理分配，可同时获得二维空时传输分集和空频传输分集。

图2中的第一个时间-频率矩阵和第二个时间-频率矩阵中的信道元素分别由第一根天线和第二根天线发送。在两个矩阵中，行表示频率单元，列表示时间单元。输入元素对{b₁，b₂}，{b₄，b₃}及其相应的正交元素对 分别映射到第一个矩阵和第二个矩阵，各元素及其冗余在该两个时间-频率矩阵中的映射关系如图2所示。

当b₁、b₂、b₃和b₄为数据符号时，两个矩阵中的时间单元为符号间隔，频率单元为子载波。此时，b₁、b₂、b₃和b₄占用由3个子载波和2个符号间隔构成的6时间-频率单元。其中，在天线1上发送的、与符号间隔为t₁、子载波f₁和f₂相对应的输入元素对{b₁，b₂}与在天线2上发送的、与符号间隔t₁、子载波f₁和f₂相对应的正交元素对构成空频分集；在天线1上发送的、与符号间隔为t₁和t₂、子载波f₁相对应的输入元素对{b₁，b₂}与在天线2上发送的、与符号间隔t₁和t₂、子载波f₁相对应的正交元素对构成空时分集。上述产生空频分集和空时分集的符号分别用到了在符号间隔t₁、子载波f₁所对应的符号b₁，即重用了信道符号b₁，可见该方法在产生相同的分集增益的前提下，可以提高符号发送的效率。

下面结合数学表达式对本发明所提供的编码方法所产生的传输分集增益进行说明。不失一般性，对于常规的无线通信系统如3GPP/WLAN，可以合理地假设在相邻符号间隔和相邻子载波上的信道响应具有时不变的特点。当无线信道经历深度慢衰落时，信道响应在同一输入元素对或同一正交元素对所对应的时间和频率内相同，即有：

h_m，i，j＝h_{m，i+1，j+1}＝h_m(1)

其中，m为天线数，在本实施例中m＝2，i为符号间隔序号，j为子载波序号。在接收机端，解码处理可以通过对构成正交矩阵的信道元素进行线性组合及最大似然处理来对各输入元素对进行解码。

在符号间隔t₁、子载波f₁上接收到的符号可表示为：

$R_1=h_1{b}_1-h_2{b}_2^{*}+n_1---\left(2\right)$

在符号间隔t₂、子载波f₁上接收到的符号可表示为：

$R_2=h_1{b}_2+h_2{b}_1^{*}+n_2---\left(3\right)$

在符号间隔t₁、子载波f₂上接收到的符号可表示为：

$R_3=h_1{b}_2+h_2{b}_1^{*}+n_3---\left(4\right)$

符号b₁和b₂可通过下式解码：

${\tilde{b}}_1=h_1^{*}{R}_1+h_2{R}_2^{*}+h_1^{*}{R}_1+h_2{R}_3^{*}$

(5)

$=2({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)\·b_1+2h_1^{*}{n}_1+h_2{n}_2^{*}+h_2{n}_3^{*}$

${\tilde{b}}_2=h_2{R}_1^{*}+h_1^{*}{R}_2+h_2{R}_1^{*}+h_1^{*}{R}_3$

(6)

$=2({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)\·b_2+2h_2{n}_1^{*}+h_1^{*}{n}_2+h_1^{*}{n}_3$

利用最大似然估计对 进行判决，即可获得：

${\hat{b}}_1=\mathrm{mixmum}({\tilde{b}}_1-2({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)\·{\stackrel{\‾}{b}}_1)---\left(7\right)$

${\hat{b}}_2=\mathrm{mixmum}({\tilde{b}}_2-2({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)\·{\stackrel{\‾}{b}}_2)---\left(8\right)$

其中，为相应的判决结果，为用于最大似然估计的符号初始值，mixmum()表示取误差最小值。

在等式(5)中，接收到的符号b₁的信号能量为(2(|h₁|²+|h₂|²))²·E_b，噪声功率谱密度为(4|h₁|²+|h₂|²+|h₂|²)·N₀，相应的信噪比可表示为：

$\mathrm{SNR}=\frac{{\left(2({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)\right)}^2\·E_b}{(4{\left|h_1\right|}^2+2{\left|h_2\right|}^2)\·N_0}>({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)\·\frac{E_b}{N_0}$

其中，为利用本发明所提供的编码方法所获得的空时分集增益和空频分集增益的总量，显然，该增益总量大于常规空时编码或空频编码所产生的分集增益(|h₁|²+|h₂|²)。可见，本发明所提供的二维空间-时间-频率编码可以在保持与常规空时编码的解码方案相同简便的同时，可提供更高的传输分集增益。

输入元素对与其正交元素对在时间-频率矩阵中的映射方法还可以采用如图3所示的方法，此时，b₁、b₂、b₃和b₄占用由2个子载波和3个符号间隔构成的6时间-频率单元。

进一步地，上述输入元素对还可以扩展为输入符号块对。此时，步骤S10中实现的转换运算以获得相应的正交符号块的操作则针对符号块进行，其方式与常规的空时块编码相似。相应地，步骤S20中的输入符号块及其正交符号块在时间-频率矩阵中的映射方法如图4所示，并且，各符号块所包含的符号数目与一个时间-频率单元所包含的子载波数和符号间隔数的乘积相同。

图5是根据本发明的、将信道元素映射到时间-频率矩阵的第四个实施例的示意图，图6是根据本发明的、将信道元素映射到时间-频率矩阵的第五个实施例的示意图。其中，图5和6中所示的信道元素P为与输入元素b₁、b₂、b₃和b₄不同性质的特定元素，比如P代表导频信号，b₁、b₂、b₃和b₄代表数据。由于空时块编码和空频块编码只能对成对的输入元素进行处理，在本发明所提供的实施例中，单个输入元素还可以与空时块编码或空频块编码配合，以弥补空时块编码和空频块编码难以处理奇数个输入元素的不足。

在图2-6所示的将信道元素映射到时间-频率矩阵的各实施例中，其中一个输入元素对与相应的正交元素对中的第一个元素、第二个元素和第二个元素的冗余作为信道元素分别映射到第一个和第二个二维时间-频率矩阵中的三个预定的时间-频率单元，该三个预定的时间-频率单元为各矩阵中两个预定的时间单元和两个预定的频率单元所构成的四个时间-频率单元中的三个，当该三个预定的时间-频率单元相对应的信道响应满足时不变的条件时，则两个预定的时间单元和该两个预定的频率单元可以不相邻。

本发明所提供的编码方法可用在正交频分多址OFDM系统，此时，在将信道元素输出给多个天线发送前，通常还包括一个利用付立叶逆变换将第一个时间-频率矩阵和第二个时间-频率矩阵中各符号间隔所对应的多个信道元素从频域转换到时域的步骤。而接收端则首先利用付立叶变换将各信道元素从时域转换到频域后，再对信道元素进行解码。

上述结合附图1-6所述的二维空间-时间-频率编码方法可以采用软件方式实现，也可以采用硬件方式实现，还可以采用软硬件结合的方式实现。

图7是根据本发明的一个实施例的编码装置30的方框图。该编码装置30包括一个转换单元32和一个映射单元34。

转换单元32对多个输入元素对进行转换，以获得相应的多个正交元素对，各输入元素对与其相应的正交元素对构成正交矩阵。其中，所述转换包括对输入元素进行复共轭和取反运算。假设输入元素对为{b₁，b₂}，{b₄，b₃}，对其分别进行空时编码可获得输出正交对为 []^*表示复共轭运算。由各输入元素对和正交元素对构成的矩阵为 $A_1=\left[\begin{array}{cc}{b}_1& -b_2^{*}\\ b_2& b_1^{*}\end{array}\right]$ 和 $A_2=\left[\begin{array}{cc}{b}_3& -b_4^{*}\\ b_4& b_3^{*}\end{array}\right],$ 该两个矩阵为正交矩阵，即分别满足A₁·A₁ ^T＝I和A₂·A₂ ^T＝I，I为单位矩阵，[]^T表示矩阵的转置运算。

映射单元34将转换单元32所获得的各输入元素对与相应的正交元素对中的第一个元素、第二个元素和第二个元素的冗余作为信道元素分别映射到第一个和第二个二维时间-频率矩阵中的三个预定的时间-频率单元，以使所述第一个和第二个矩阵中的信道元素可经由不同的天线发送。具体而言，即将输入元素对{b₁，b₂}，{b₄，b₃}和正交元素对 以及特定信道元素P进行时间-频率单元分配，分别获得如图2-6所示的与不同天线相对应时间-频率矩阵。

本领域技术人员应当理解，本发明的实施例是说明性的而非限定性的。本发明所提供的用于无线通信系统的接入方法和接入装置以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (8)

1.一种空间-时间-频率编码方法，包括步骤：

(a)对数据符号的多个输入信道元素对进行转换，以获得相应的多个正交信道元素对，各所述输入信道元素对与其相应的正交信道元素对分别构成第一和第二正交矩阵；和

(b)将构成第一输入信道元素对的第一元素和第二元素、以及作为所述第二元素的副本的第三元素映射至第一个二维时频矩阵中相应的第一、第二和第三预定时频单元以便经由第一天线传输，所述第一和第二元素被映射以便在不同频率传输，第一和第三元素被映射以便在不同时间传输;

(c)将构成第二输入信道元素对的第四元素和第五元素、以及作为所述第五元素的副本的第六元素映射至第一个二维时频矩阵中相应的第四、第五和第六预定时频单元以便经由第一天线传输，所述第四和第五元素被映射以便在不同频率传输，第四和第六元素被映射以便在不同时间传输;

(d)将构成第一正交信道元素对的第七元素和第八元素、以及作为所述第八元素的副本的第九元素映射至第二个二维时频矩阵中相应的第一、第二和第三预定时频单元以便经由第二天线传输，所述第七和第八元素被映射以便在不同频率传输，第七和第九元素被映射以便在不同时间传输;以及

(e)将构成第二正交信道元素对的第十元素和第十一元素、以及作为所述第十一元素的副本的第十二元素映射至第二个二维时频矩阵中相应的第四、第五和第六预定时频单元以便经由第二天线传输，所述第十和第十一元素被映射以便在不同频率传输，第十和第十二元素被映射以便在不同时间传输。

2.如权利要求1所述的方法，当所述的多个输入元素对为时，相应的正交元素对为，，表示的复共轭，其中，i为1,2,3或4，将两个所述输入元素对与正交元素对作为信道元素分别映射到两个所述二维时间-频率矩阵中，可获得

和

其中，所述矩阵的行表示时间单元，列表示频率单元。

3.如权利要求1所述的方法，当所述的多个输入元素对为时，相应的正交元素对为，，表示的复共轭，其中，i为1,2,3或4，将两个所述输入元素对与正交元素对作为信道元素分别映射到两个所述二维时间-频率矩阵中，可获得

和

其中，所述矩阵的行表示时间单元，列表示频率单元。

4.如权利要求2至3之一所述的方法，当输入元素为符号块时，所述符号块由多个子载波和符号间隔构成，并且，所述符号块所包含的符号数目与一个时间-频率单元所包含的子载波数和符号间隔数的乘积相同。

5.如权利要求2至3之一所述的方法，当输入元素为单个符号时，所述时间-频率单元由一个子载波和一个符号间隔构成。

6.一种空间-时间-频率编码装置，包括：

一个转换单元，用于对数据符号的多个输入元素对进行转换，以获得相应的多个正交元素对，所述各输入元素对与其相应的正交元素对分别构成第一和第二正交矩阵；和

一个映射单元，用于：

(a)将构成第一输入信道元素对的第一元素和第二元素、以及作为所述第二元素的副本的第三元素映射至第一个二维时频矩阵中相应的第一、第二和第三预定时频单元以便经由第一天线传输，所述第一和第二元素被映射以便在不同频率传输，第一和第三元素被映射以便在不同时间传输;

(b)将构成第二输入信道元素对的第四元素和第五元素、以及作为所述第五元素的副本的第六元素映射至第一个二维时频矩阵中相应的第四、第五和第六预定时频单元以便经由第一天线传输，所述第四和第五元素被映射以便在不同频率传输，第四和第六元素被映射以便在不同时间传输;

(c)将构成第一正交信道元素对的第七元素和第八元素、以及作为所述第八元素的副本的第九元素映射至第二个二维时频矩阵中相应的第一、第二和第三预定时频单元以便经由第二天线传输，所述第七和第八元素被映射以便在不同频率传输，第七和第九元素被映射以便在不同时间传输;以及

(d)将构成第二正交信道元素对的第十元素和第十一元素、以及作为所述第十一元素的副本的第十二元素映射至第二个二维时频矩阵中相应的第四、第五和第六预定时频单元以便经由第二天线传输，所述第十和第十一元素被映射以便在不同频率传输，第十和第十二元素被映射以便在不同时间传输。

7.如权利要求6所述的装置，当所述的多个输入元素对为时，相应的正交元素对为，，表示的复共轭，其中，i为1,2,3或4，将两个所述输入元素对与正交元素对作为信道元素分别映射到两个所述二维时间-频率矩阵中，可获得

和

其中，所述矩阵的行表示时间单元，列表示频率单元。

8.如权利要求6所述的装置，当所述的多个输入元素对为时，相应的正交元素对为，，表示的复共轭，其中，i为1,2,3或4，将两个所述输入元素对与正交元素对作为信道元素分别映射到两个所述二维时间-频率矩阵中，可获得

和

其中，所述矩阵的行表示时间单元，列表示频率单元。