CN101529836A - 用于在多输入多输出系统中时空编码和解码正交频分复用信号的准正交时空块编码器、解码器及方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了用于在多输入多输出(MIMO)系统中时空编码和解码正交频分复用(OFDM)信号的准正交时空块编码器、解码器及方法。可描述并要求保护其它的实施例。在某些实施例中，解码所接收的多载波信号的方法包括从所接收的信号矩阵中推导出目标函数，最小化目标函数以生成经解码的硬比特，并求解目标函数的一组线性方程以生成经解码的软比特。

Description

用于在多输入多输出系统中时空编码和解码正交频分复用信号的准正交时空块编码器、解码器及方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统。某些实施例涉及利用多个天线传输和接收多载波信号。某些实施例涉及多输入、多输出(MIMO)正交频分复用(OFDM)系统。

背景

某些无线通信系统采用多发射天线和/或多接收天线来增加可发射的数据量。在诸如OFDM之类的某些采用多载波信号的MIMO系统中，每个发射天线可被配置成在同一组副载波上发射单独编码的信息流。当使用两个以上的发射天线时，在接收器处解码单个副载波变得越来越难，对于较高的编码率则尤其困难。

因此，通常需要以降低的复杂度在多载波系统中编码和解码的编码器、解码器及方法。

附图简述

图1是根据本发明的某些实施例的多载波发射机的功能框图；

图2是根据本发明的某些实施例的时空编码器的功能图；

图3是根据本发明的某些实施例的多载波接收机的功能框图；以及

图4是根据本发明的某些实施例的时空解码器的功能图。

发明详述

以下的描述和附图充分地示出了本发明的具体实施例以使本领域中的技术人员能够实施它们。其它的实施例可结合结构、逻辑、电、进程和其它改变。某些实施例的部分和特征可被包括在其它实施例的部分和特征中，或代替其它实施例的部分和特征。在权利要求中陈述的本发明的实施例包括这些权利要求的所有可用的等效技术方案。在本文中，如果实际公开了一个以上的发明，则可单独地或共同地由术语“发明”指代本发明的各实施例，这仅仅是为了方便而不是旨在将本申请的范围限于任何单个发明或发明概念。

图1是根据本发明的某些实施例的多载波发射机的功能框图。多载波发射机100利用多个发射天线114发射从输入比特流101生成的多载波信号。在某些实施例中，多载波发射机100可以是多输入、多输出(MIMO)通信系统的一部分，且每个发射天线114可发送不同的信息码元。多载波发射机100可包括用于编码输入比特流101的纠错编码器102、用于从经编码的比特流103生成星座码元并将经时空编码的星座码元提供给傅立叶逆变换(IFT)电路110的时空编码器108。可将星座码元视为频域码元。IFT电路110可执行离散傅立叶逆变换以将这些频域信号的块转换至时域。这些经转换块中的每一个可被称为多载波码元或OFDM码元。

多载波发射机110还可包括射频(RF)电路112，该电路112用于从由IFT电路110提供的数字时域基带信号生成RF信号，以供发射天线114中相应的一个传输。多载波发射机100还可包括其它功能元件(为了便于理解而未在图1中示出)。

根据某些实施例，时空编码器108通过从初始比特流103生成星座集并映射该星座集的比特以形成与多个发射天线114对应的多个复码元来时空编码多载波信号。时空编码器108还可用所选的线性变换矩阵线性变换星座集的码元以生成经线性变换的码元。时空编码器108还可从经线性变换的码元形成与多个发射天线114相对应的复码元。时空编码器108还可从复码元形成诸如Alamouti(阿拉穆缇)代码矩阵之类的代码矩阵，且可从代码矩阵生成准正交时空矩阵，以在生成供发射天线114传输的多载波信号时使用。下面更详细地讨论这些实施例。

在某些实施例中，由准正交时空矩阵的一维(例如，行)表示的码元序列可被进一步处理，用于随后通过发射天线114在包括多载波信号的多个副载波上传输。下面还将更详细地讨论这些实施例。

在某些实施例中，对于每一个发射天线114，可通过IFT电路110对准正交时空矩阵的一维(例如，行)的码元中的每一个进行傅立叶逆变换以生成时域波形。对于每个发射天线114，时域波形可通过RF电路112上变频，以供发射天线114中相关联的一个传输。每个发射天线114可并发发射由准正交时空矩阵的一维(例如，行)的码元组所表示的信息。下面还将更详细地讨论这些实施例。

在某些实施例中，由经线性变换的码元生成的代码矩阵可包括Alamouti代码矩阵，且准正交时空矩阵可包括Alamouti代码矩阵的矩阵。在某些实施例中，星座集可包括从比特流103生成的正交调幅(QAM)星座集。下面还将更详细地讨论这些实施例。

尽管本发明的某些实施例是利用四个发射天线114描述的，但本发明的范围不限于此方面，因为还可使用其它数目的发射天线。发射天线114可包括一个或多个定向天线或全向天线，包括例如偶极天线、单极天线、接线天线、环形天线、微带天线或适用于传输RF信号的其他类型的天线。在某些MIMO实施例中，可使用具有多个孔径的单个天线来代替两个或更多个天线。在这些实施例中，可将每个孔径视为单独天线。在某些实施例中，可有效地分离每个天线以利用可在每一个发射天线114与另一个无线通信设备之间得到的空间分集和不同的信道特性。在某些实施例中，发射天线114可按波长的1/10或更高分离。

图2是根据本发明的某些实施例的时空编码器的功能图。时空编码器200可适于用作时空编码器108(图1)，尽管其它时空编码器配置也可能是适当的。

在这些实施例中，时空编码器200包括用于从比特流103生成星座集(S)211的星座集生成器210，以及用于将星座集211的比特映射到多个复码元(z_i)221的码元映射器220。可将复码元z_i表示为r_i+js_i。复码元221的数目可对应于诸如发射天线114(图1)之类的发射天线的数目。在这些实施例中，时空编码器200还包括线性变换电路230以用所选变换矩阵261(例如，U₁、U₂或U₃)线性变换复码元221以生成经线性变换的码元(p_i，q_i)231。时空编码器200还可包括复码元形成器240以由经线性变换的码元231形成用于每个发射天线的复码元241。在这些实施例中，时空编码器200还包括用于由复码元241形成代码矩阵(A，B)243的代码矩阵形成器242，以及准正交时间-空间矩阵生成器244，该生成器244用于从代码矩阵243生成准正交时空矩阵(Q)246，以在生成用于在发射天线上传输的多载波信号时使用。

在某些实施例中，时空编码器200还可包括选择电路250，以选择由准正交时空矩阵246的一维(例如，行)表示的码元序列，以供发射天线进一步处理和随后传输。每个发射天线可并发发射由时空矩阵246的一维(例如，行)的码元组所表示的信息。

在某些实施例中，当使用四个发射天线时，每个发射天线可在多个副载波上发射OFDM信号。在某些实施例中，副载波的数目可以是52，但可在从少至10到100以上的范围中变化。每个OFDM码元包括多个副载波。在具有四个发射天线的某些实施例中，四个OFDM码元可由时空编码器200一起编码，且可由诸如多载波接收机300(图3)之类的多载波接收机一起解码，每个副载波使用码率为1的经最优变换的4×4准正交时空块码(即4个独立的信息码元，每个天线一个)。在这些实施例中，一个信息码元被各个发射天线并发发射。

在这些实施例中，星座集生成器210可从比特流103生成星座集211。在这些实施例中，星座集211可表示具有总共N1乘N2个点的QAM信号星座。可将星座集211表示如下：

$S=\{\frac{n_{1}d}{2}+j\frac{n_{2}d}{2}|n_i\∈\{-(2N_i-1),-(2N_i-3),\·\·\·,-\mathrm{1,1},\·\·\·,2N_i-\mathrm{3,2}{N}_i-1\},i=\mathrm{1,2}\},$

在该方程中，d表示各个方向上的闭合点的距离，且可基于多载波发射机100(图1)所使用的平均发射功率来确定。N1和N2可包括诸如2、4、8等正整数，且可依赖于调制水平(即每个码元的比特数)和/或传输速率。

在使用四个发射天线的某些实施例中，码元映射器220可将二进制信息比特映射到星座集S中的四个复码元(z_i)。在这些实施例中，

z_i∈S，i＝1，2，3，4.其中z_i＝r_i+js_i

在这些方程中，r_i和s_i表示复码元z_i的实部和虚部。在四个发射天线的情形中，索引i在1至4的范围内，这对应于发射天线的数目。

如下所述，这些信息码元(即r_i和s_i)在4×4准正交时空块码矩阵内被连续编码，在该矩阵中一维(例如，行)被映射到四个发射天线中的每一个。其它维(即列)可表示频域中的码元。

在具有四个发射天线的这些实施例中，线性变换电路230可通过施加线性变换矩阵261来将由码元映射器220生成的8个实码元(即，对于i＝1，2，3，4的r_i和s_i)线性变换成另外的8个实码元(即，对于i＝1，2，3，4的p_i和q_i)，该线性变换矩阵261可以是以下详细讨论的4×4实矩阵。由线性变换电路230执行的线性变换的示例由以下的方程示出：

(p₁，q₁，p₃，q₃)^T＝U(r₁，s₁，r₃，s₃)^T

(p₂，q₂，p₄，q₄)^T＝U(r₂，s₂，r₄，s₄)^T

在这些方程中，T代表转置运算，且U表示所选的线性变换矩阵261。以下讨论线性变换矩阵261的生成。

在某些实施例中，当使用四个发射天线时，复码元形成器240可形成另一组四个复码元241，可将其表示如下：

对于i＝1，2，3，4  x_i＝p_i+jq_i。

从这些形成的四个复码元，代码矩阵形成器242可形成2×2代码矩阵243，诸如以下示出的Alamouti代码矩阵：

$A=\left[\begin{array}{cc}{x}_1& x_2\\ -x_2^{*}& x_1^{*}\end{array}\right],$ $B=\left[\begin{array}{cc}{x}_3& x_4\\ -x_4^{*}& x_3^{*}\end{array}\right]$

在使用四个发射天线的某些实施例中，准正交时空矩阵生成器244可从两个Alamouti代码矩阵生成4×4准正交时空矩阵(Q)246。准正交时空矩阵246可例示如下：

$Q_4(x_1,x_2,x_3,x_4)=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ B& A\end{array}\right]$

在这些实施例中，准正交时空矩阵246的每个行可用于生成发射天线之一的时域信号，尽管本发明的范围不限于此方面。在某些替换实施例中，准正交时空矩阵246的每个列可用于生成发射天线之一的时域信号。在某些实施例中，选择电路250可选择由准正交时空矩阵246的一维(例如，行)表示的经时空编码的码元序列，以供在传输前进一步处理。

由以上讨论的线性变换电路230使用的线性变换矩阵261可被定义为4×4实矩阵U。在某些实施例中，线性变换矩阵生成器260可基于以下方程生成一个或多个线性变换矩阵：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{4N_1^2-1}{2(2N_1^2+2N_2^2-1)},$ ${\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{4N_2^2-1}{2(2N_1^2+2N_2^2-1)},$ α＝arctan(2)， $\mathrm{\ρ}=\sqrt{\frac{5}{12(1+{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2)}}$

和

$R_1=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\α}\right)& \sin \left(\mathrm{\α}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\α}\right)& -\cos \left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right],$ $P=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ 1& 0\end{array}\right],$ $\mathrm{\Σ}=\left[\begin{array}{cc}1+{\mathrm{\ϵ}}_1& 1-2{\mathrm{\ϵ}}_1\\ 1-2{\mathrm{\ϵ}}_1& 2-{\mathrm{\ϵ}}_1\end{array}\right]$

在这些方程中，N1和N2对应于由星座集生成器210使用的整数。对称矩阵∑的对角线化可表示为：

∑＝V^TDV，其中D＝diag(λ₁，λ₂)，ε₁和ε₂是∑的本征值，且V是2×2正交矩阵。

在这些实施例中，

$W_1=\mathrm{\ρ}{V}^T\left[\begin{array}{cc}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}& 0\\ 0& \sqrt{{\mathrm{\λ}}_2}\end{array}\right]V,$ $W_2=\mathrm{\ρ}{V}^T\left[\begin{array}{cc}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_2}& 0\\ 0& \sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}\end{array}\right]\mathrm{VP},$ R₂＝-PR₁P.

可根据以下的三个矩阵U_i，i＝1，2，3之一选择线性变换矩阵U：

$U_1=\left[\begin{array}{cc}{W}_1& W_2\\ W_1{R}_1& W_2{R}_2\end{array}\right],$ U₂＝U₁P₂，U₃＝U₁P₃，

其中P2和P3是定义如下的置换矩阵：

$P_2=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$ $P_3=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0\end{array}\right].$

在这些实施例中，线性变换矩阵U1、U2和U3之一的使用可有助于利用最小的最大似然(ML)解码实现准正交时空块码的增加和/或优化的分集乘积(即增加的行列式距离和/或编码优点/增益)。

在某些实施例中，当星座集211是QAM方阵(即N1＝N2)时，线性变换矩阵U1变为正交并具有以下形式：

$U_1=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}{I}_2& I_2\\ R_1& -R_1\end{array}\right],$

在这些情况下，由线性变换电路230执行的线性变换也可以是正交的。

图3是根据本发明的某些实施例的多载波接收机的功能框图。多载波接收机300可包括接收天线302，用于从诸如多载波发射机100(图1)之类的多载波发射机接收多载波通信信号。由多载波接收机300所使用的接收天线302的数目可至少与多载波发射机100(图1)所使用的发射天线114(图1)的数目一样大。多载波接收机300还可包括用于每个接收天线302的RF电路304，以下变频所接收的信号并生成数字基带信号。多载波接收机300还可包括用于每个接收天线302的傅立叶变换(FT)电路306，以对由RF电路304提供的信号执行诸如快速傅立叶变换(FFT)之类的离散傅立叶变换(DFT)并生成频域信号。在某些实施例中，可针对由多载波接收机300接收的多载波通信信号的每个副载波生成频域信号。多载波接收机300还可包括时空解码器308以解码由FT电路306提供的频域信号并生成判定标准，诸如以下详细讨论的经解码的软比特315和表示为硬比特317的经解码码元。软比特315可表示与硬比特317中的相应一个相关联的概率，该软比特315可由以下讨论的纠错解码器312用来精确地生成经解码比特流321的比特。

多载波接收机300还可包括信道估计器320，以生成由时空解码器308使用的信道估计(H)等。在某些实施例中，时空解码器308的输出包括表示QAM星座点的每个子载波的一对码元，尽管本发明的范围不限于此方面。多载波接收机300还可包括码元解映射器310，以解映射硬比特317从而生成比特组。多载波接收机300还可包括纠错解码器312，以解码由码元映射器310生成的比特组从而生成经解码的比特流321。多载波接收机300还可包括其它功能元件(为了便于理解而未具体示出)。

在某些实施例中，由信号估计器320执行的信道估计可基于OFDM训练码元(即前同步码)。在这些实施例中，从前同步码生成的信道估计可用于在随后的传输猝发中处理OFDM码元，尽管本发明的范围不限于此方面。

在某些实施例中，纠错解码器312可以是诸如Turbo解码器之类的前向纠错(FEC)解码器，且可利用软比特315解码经编码的比特319。在某些实施例中，纠错解码器312可采用卷积解码或里德-所罗门(Reed-Solomon)解码或其组合，尽管本发明的范围不限于此方面。在某些其它实施例中，纠错解码器312可采用Turbo解码或低密度奇偶校验(LDPC)解码以及其它使用软比特315的编码/解码技术。

根据某些实施例，对于每个接收天线302，时空解码器308可从接收到的信号矩阵(y_n)311推导出目标函数，并可使目标函数最小化以生成硬比特317，并可求解一组目标函数的线性方程以生成软比特315。在这些实施例中，时空解码器308可针对通过每个接收天线302接收的多载波信号的每个副载波，利用诸如线性变换矩阵261(图2)(即U₁、U₂或U₃)之类的所选线性变换矩阵中的所选一个执行准正交时空块解码。所选的线性变换矩阵可对应于由多载波发射机100(图1)所使用的线性变换矩阵以供时空编码用于传输的多载波信号。在某些实施例中，时空解码器308可使用信道估计矩阵(H)，它可以是针对多载波发射机100(图1)的每个发射天线114和多载波接收机300的每个接收天线之间的多个无线信道估计的。下面更详细地讨论这些实施例。

尽管本发明的某些实施例是利用四个接收天线302描述的，但本发明的范围不限于此，因为还可使用其它数目的发射天线。接收天线302可包括一个或多个定向天线或全向天线，包括例如偶极天线、单极天线、接线天线、环形天线、微带天线或适用于传输RF信号的其他类型的天线。在某些MIMO实施例中，可使用具有多个孔径的单个天线来代替两个或更多个天线。在这些实施例中，可将每个孔径视为单独天线。在某些实施例，可有效地分离每个天线以利用可在每一个接收天线302与另一个无线通信设备之间得到的空间分集和不同的信道特性。在某些实施例中，接收天线302可按波长的1/10或更高分离。

图4是根据本发明的某些实施例的时空解码器的功能图。时空编码器400可适于用作时空解码器308(图3)，尽管其它时空解码器308的配置也可以是适当的。时空解码器400包括用于推导目标函数的处理电路402、用于最小化目标函数的处理电路406和用于求解线性方程的处理电路404’。在这些实施例中，处理电路402可从所接收的信号矩阵(y_n)411利用线性变换矩阵410之一推导目标函数413。处理电路406可利用信道估计矩阵(H)412最小化目标函数413以生成经解码的硬比特417。处理电路404可基于目标函数413和信道估计矩阵(H)412求解一组线性方程以生成经解码的软比特415。在某些实施例中，时空解码器400可对所接收到的多载波信号的每个副载波执行这些运算。在这些实施例中，所接收的信号矩阵411可与通过所有的接收天线302(图3)针对每个副载波生成的所接收的信号矩阵311(图3)之一相对应，从而允许每个所接收的信号矩阵411包括来自每个接收天线302(图3)的输入。在这些实施例中，经解码的软比特415可对应于软比特315(图3)，且经解码的硬比特417可对应于硬比特317(图3)。在这些实施例中，信道估计矩阵(H)412可由信道估计器320(图3)生成，且线性变换矩阵410之一可对应于线性变换矩阵261之一(图2)。

根据某些实施例，所接收的信号矩阵411可由以下方程表示：

Y_n＝H_nQ₄(x_1，n，x_2，n，x_3，n，x_4，n)+W_n

在该方程中，Y_n表示第n副载波上的接收信号，H表示第n副载波的信道矩阵，Q表示用于编码发射机处的信号的准正交时空块代码，x表示经解码信号而W表示加性信道噪声。

通过施加以上讨论的线性变换矩阵之一，并去除副载波索引n，可基于以下方程之一通过时空解码器400实现最大似然解码：

$||Y-H{Q}_4(r_1,\·\·\·,r_4,s_1,\·\·\·,s_4)||=\left\{\begin{array}{c}\underset{i=\mathrm{1,2,3,4}}{\mathrm{\Σ}}{f}_i(r_i,s_i),\mathrm{ifU}=U_1\\ \underset{i=\mathrm{1,2},}{\mathrm{\Σ}}{f}_i(r_i,r_{2+i})+\underset{i=\mathrm{1,2},}{\mathrm{\Σ}}{f}_i(s_i,s_{2+i}),\mathrm{ifU}=U_2\\ \underset{i=\mathrm{1,2},}{\mathrm{\Σ}}{f}_i(r_i,s_{2+i})+\underset{i=\mathrm{1,2},}{\mathrm{\Σ}}{f}_i(s_i,r_{2+i}),\mathrm{ifU}=U_3\end{array}\right.$

在这些方程中，f_i(r_i，s_i)表示目标函数，其中r_i和s_i表示软比特415。如以上的方程所示，最初的8元实变量搜索变为4次2元实变量搜索。这可与一个复码元搜索具有相同的复杂度，即当变换矩阵U1用于U时与Alamouti编码相同的复杂度。在这些实施例中，以上方程可变为：

${\arg \min }_{r_1,\·\·\·,r_4,s_1,\·\·\·,s_4}\left|\right|Y-H{Q}_4(r_1,\·\·\·,r_4,s_1,\·\·\·,s_4)\left|\right|\↔{\arg \min }_{r_i,s_i}{f}_i(r_i,s_i),i=\mathrm{1,2,3,4},$

基于上述内容，处理电路402可推导出如下的目标函数413。在某些实施例中，可执行以上讨论的利用针对方QAM信号星座的R₁和U₁的旋转。

在这些实施例中，可将MIMO系统中的信道估计(H)表示为：

H＝(h_n，i)_{1≤n≤N，1≤i≤M}以及

可将所接收的信号矩阵(Y)表示为：

Y＝(y_n，i)_{1≤n≤N，1≤i≤T}

在这些方程中，M表示发射天线的数目，N表示接收天线的数目而T表示时隙的数目(例如，T个OFDM码元)。在使用四个发射天线(M＝4)和四个接收天线(N＝4)的某些实施例中，对于四个时隙(T＝4)，以下的方程可表示由四个发射天线发射的信号。

$a_{n,1}=y_{n,1}^{*}{h}_{n,1}+y_{n,3}^{*}{h}_{n,3}+y_{n,2}{h}_{n,2}^{*}+y_{n,4}{h}_{n,4}^{*}$

$a_{n,2}=y_{n,1}^{*}{h}_{n,2}+y_{n,3}^{*}{h}_{n,4}-y_{n,2}{h}_{n,1}^{*}-y_{n,4}{h}_{n,3}^{*}$

$a_{n,3}=y_{n,1}^{*}{h}_{n,3}+y_{n,3}^{*}{h}_{n,1}+y_{n,2}{h}_{n,4}^{*}+y_{n,4}{h}_{n,2}^{*}$

$a_{n,4}=y_{n,1}^{*}{h}_{n,4}+y_{n,3}^{*}{h}_{n,2}-y_{n,2}{h}_{n,3}^{*}-y_{n,4}{h}_{n,1}^{*}$

                  以及

$c=2\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}(h_{n,1}{h}_{n,3}^{*}+h_{n,2}{h}_{n,4}^{*})$

v_k＝cos(αr_k)+sin(αs_k)+j(sin(αr_k)-cos(αs_k)

$u_k=(r_k^2-s_k^2)\cos \mathrm{\α}+2r_k{s}_k\sin \mathrm{\α}$

通过代数操作，目标函数413可由处理电路402推导如下：

$f_1(r_1,s_1)=\frac{\mathrm{\ρ}}{4}({\left|\right|H\left|\right|}^2{\left|z_1\right|}^2+{\mathrm{cu}}_1)-\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}(a_{n,1}{z}_1+a_{n,3}{v}_1)$

$f_2(r_2,s_2)=\frac{\mathrm{\ρ}}{4}({\left|\right|H\left|\right|}^2{\left|z_2\right|}^2+{\mathrm{cu}}_2)-\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}(a_{n,2}{z}_2+a_{n,4}{v}_2)$

$f_3(r_3,s_3)=\frac{\mathrm{\ρ}}{4}({\left|\right|H\left|\right|}^2{\left|z_3\right|}^2-{\mathrm{cu}}_3)-\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}(a_{n,1}{z}_3-a_{n,3}{v}_3)$

$f_4(r_4,s_4)=\frac{\mathrm{\ρ}}{4}({\left|\right|H\left|\right|}^2{\left|z_4\right|}^2-{\mathrm{cu}}_4)-\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}(a_{n,2}{z}_4-a_{n,4}{v}_4)$

处理电路406可对这些目标函数运算以生成经解码的硬比特417，它可表示最大似然解码的输出。在某些实施例中，处理电路406可利用以下方程使目标函数最小化以生成经解码的硬比特417：

在这些实施例中，r_k和r_s表示与在四个发射天线上发射的码元相对应的经解码的硬比特417。

另一方面，处理电路404可根据最大似然解码通过按照实行上而不是在可作为离散信号星座集的星座集S上的实值r_i和s_i最小化目标函数413(例如，表示为如上所示的f_i(r_i，s_i)的四个目标函数)来生成软比特415。因为目标函数f_i(r_i，s_i)是实变量r_i和s_i的二次齐式，且最大似然解码的软输出可由处理电路404通过求解以下的2×2线性方程来确定：

从求解这些方程得到的经解码软比特415可由诸如纠错解码器312(图3)之类的纠错解码器使用。在一些实施例中，对以上2×2线性方程的求解可通过使用最小均方估计(MMSE)来增强，尽管本发明的范围不限于此方面。

在上述的某些实施例中，利用复杂度与Alamouti解码大致相同的快速最大似然解码，在用于带有四个发射天线的MEMO OFDM系统的时空编码中，编码增益可被最大化。

参照图1-4，尽管多载波发射机100、时空编码器200、多载波接收机300和时空解码器400被示为具有数个分离的功能元件，但这些功能元件中的一个或多个可被组合，并可由诸如包括数字信号处理器(DSP)的处理元件和/或其它硬件元件等软件配置元件的组合来实现。例如，某些元件可包括一个或多个微处理器、DSP、专用集成电路(ASIC)以及用于至少执行本文所述功能的各种硬件和逻辑电路的组合。在某些实施例中，所示的功能元件可涉及在一个或多个处理元件上运行的一个或多个进程。

在某些实施例中，多载波发射机100和/或多载波接收机300可以是可在多载波通信信道上传达OFDM通信信号的一个或多个无线通信设备的一部分。多载波通信信道可在预定频谱内并可包括多个正交副载波。在某些实施例中，多载波信号可由间隔紧密的OFDM副载波定义。每个副载波基本上在其它副载波的中频频率处具有空(null)，和/或每个副载波在码元周期内具有整数次循环，尽管本发明的范围不限于这方面。在某些实施例中，多载波发射机100和/或多载波接收机300可根据诸如正交频分多址(OFDMA)之类的多址技术来通信，尽管本发明的范围不限于这方面。

在某些实施例中，多载波发射机100和/或多载波接收机300可以是通信站的一部分，诸如包括无线保真(Wi-Fi)通信站、接入点(AP)或移动站(MS)的无线局域网(WLAN)通信站。在某些其它实施例中，多载波发射机100和/或多载波接收机300可以是宽带无线接入(BWA)网络通信站的一部分，诸如微波接入全球互通(WiMax)通信站，尽管本发明的范围不限于这方面，因为多载波发射机100和/或多载波接收机300可以是几乎任何无线通信设备的一部分。

在一些实施例中，多载波发射机100和/或多载波接收机300可以是便携无线通信设备的一部分，诸如个人数字助理(PDA)、具有无线通信能力的膝上型或便携计算机、网络平板设备、无线电话、无线耳机、寻呼机、即时通信设备、数码相机、接入点、电视机、医疗设备(例如，心率监视器、血压监视器等)或可无线接收和/或发射信息的其它设备。

在某些实施例中，由多载波发射机100和/或多载波接收机300接收的通信信号的频谱可包括5千兆赫(GHz)频谱或2.4GHz频谱。在这些实施例中，5千兆赫(GHz)频谱可包括从约4.9至5.9GHz范围的频率，而2.4GHz频谱可包括从约2.3至2.5GHz范围的频率，尽管本发明的范围不限于这方面，因为其它的频谱也同样适用。在某些BMA网络实施例中，通信信号的频谱可包括2至11GHz之间的频率，尽管本发明的范围不限于此方面。

在某些方面，多载波发射机100和/或多载波接收机300可根据特定的通信标准传达信号，这些特定通信标准诸如包括IEEE 802.11(a)、802.11(b)、802.11(g)、802.11(h)和/或802.11(n)标准的电气与电子工程师协会(IEEE)标准，和/或用于无线局域网的建议规范，尽管本发明的范围不限于这方面，因为多载波发射机100和/或多载波接收机300还可适用于根据其它技术和标准发射和/或接收通信。

在某些宽带无线接入网络实施例中，多载波发射机100和/或多载波接收机300可根据用于无线城域网(WMAN)的IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16(e)标准——包括其变体和演进——传达信号，尽管本发明的范围不限于这方面，因为多载波发射机100和/或多载波接收机300还可适于根据其它技术和标准发射和/或接收通信。对于有关IEEE 802.11和IEEE 802.16标准的更多信息，请参考″IEEE Standards for Information Technology-Telecommunications andInformation Exchange between Systems(信息技术的IEEE标准——系统之间的电信和信息交换)″-局域网-特殊要求-第11部分″Wireless LAN MediumAccess Control(MAC)and Physical Layer(PHY)，ISO/IEC 8802-11：1999(无线LAN媒体接入控制(MAC)和物理层(PHY)，ISO/IEC 8802-11：1999)″，和城域网-特殊要求-第16部分：″Air Interface for Fixed Broadband Wireless AccessSystems(固定宽带无线接入系统的空中接口)″，2005年5月，及相关的修订/版本。

除非另外具体说明，诸如处理、计算、推算、确定、显示等术语可指一个或多个处理或计算系统或类似设备的以下动作和/或进程：将处理系统寄存器和存储器内表示为物理(例如，电子)量的数据处理和变换成处理系统寄存器、存储器或其他这种信息存储、传输或显示设备内类似地表示为物理量的其他数据。此外，如本文所使用的，计算设备包括与计算机可读存储器耦合的一个或多个处理元件，该计算机可读存储器可以是易失性或非易失性存储器或其组合。

本发明的某些实施例可被实现在硬件、固件和软件之一或其组合中。本发明的某些实施例还可被实现为存储在机器可读介质上的指令，其可由至少一个处理器读取和执行以执行本文所述的操作。机器可读介质可包括用于存储或传送机器(例如计算机)可读形式的信息的任何机制。例如，机器可读介质可包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存设备、电、光、声或其它形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等)等等。

遵照37 C.F.R.部分1.72(b)提供了摘要，其要求使读者能够确定技术公开的属性和要点的摘要。其主张这样的理解：它将不用于限制或解释权利要求的范围或含义。

在以上的详细描述中，为了使公开内容简化，各个特征有时被一起组合在单个实施例中。这种公开方法不应被解释为反映了所要求保护主题的实施例需要比各个权利要求中明确叙述的有更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，发明可具有少于单个公开实施例的全部特征。因此，以下的权利要求由此结合在详细的描述中，且每个权利要求自身可作为单独的优选实施例。

Claims (19)

1.一种用于时空编码多载波信号的方法，包括：

利用所选的变换矩阵线性变换星座集的输入码元以生成经线性变换的码元；

从所述经线性变换的码元形成用于多个发射天线中的每一个的复码元；

从所述复码元形成代码矩阵；以及

从所述代码矩阵生成准正交时空矩阵，以在生成供所述发射天线传输的多载波信号时使用。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括处理由准正交时空矩阵的一维表示的码元序列，以供随后由所述发射天线中的对应一个在包括所述多载波信号的多个副载波上传输。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述进一步处理包括，对于所述多个发射天线的每一个：

对所述准正交时空矩阵的一维的码元中的每一个执行傅立叶逆变换以生成时域波形；以及

上变频所述时域波形，以供所述发射天线中的相关联的一个传输，

其中所述多个发射天线的每一个并发发射由所述准正交时空矩阵的一维的码元组表示的信息。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，生成所述代码矩阵包括从所述经线性变换码元生成阿拉穆缇代码矩阵，以及

其中所述准正交时空矩阵包括阿拉穆缇代码矩阵的矩阵。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

从初始比特流生成正交调幅星座集；以及

将所述星座集的比特映射到与多个所述发射天线对应的多个复码元，

其中所述线性变换包括利用所选变换矩阵线性变换所述多个经映射的复码元以生成多个实码元。

6.一种时空编码器，包括：

线性变换电路，用于利用所选变换矩阵线性变换星座集的输入码元以生成经线性变换的码元；

复码元形成器，用于从所述经线性变换的码元形成用于多个发射天线中的每一个的复码元；

代码矩阵形成器，用于从所述复码元形成代码矩阵；以及

准正交时空矩阵生成器，用于从所述代码矩阵生成准正交时空矩阵，以供在生成由所述发射天线传输的多载波信号时使用。

7.如权利要求6所述的时空编码器，其特征在于，由所述准正交时空矩阵的一维表示的码元序列被处理，以供随后由所述发射天线中的对应一个在包括所述多载波信号的多个副载波上传输。

8.如权利要求7所述的时空编码器，其特征在于，对于所述多个发射天线的每一个，对所述准正交时空矩阵的一维的码元中的每一个执行傅立叶逆变换以生成时域波形，

其中所述时域波形被上变频，以供所述发射天线中的相关联的一个传输，以及

其中所述多个发射天线的每一个并发发射由所述准正交时空矩阵的一维的码元编组表示的信息。

9.如权利要求7所述的时空编码器，其特征在于，所述代码矩阵形成器从所述经线性变换的码元生成阿拉穆缇代码矩阵，以及

其中所述准正交时空矩阵生成器生成包括阿拉穆缇代码矩阵的矩阵的所述准正交时空矩阵。

10.如权利要求6所述的时空编码器，其特征在于，还包括：

星座集生成器，用于从初始比特流生成星座集；以及

码元映射器，用于将所述星座集的比特映射到与多个所述发射天线对应的多个复码元，

其中所述星座集包括正交调幅星座集；以及

其中所述线性变换电路利用所选变换矩阵线性变换所述多个经映射的复码元以生成多个实码元。

11.一种解码所接收的多载波信号的方法，包括：

从所接收的信号矩阵推导出目标函数；

最小化所述目标函数以生成经解码的硬比特；以及

求解所述目标函数的一组线性方程以生成经解码的软比特。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述推导、最小化和求解包括对通过与多载波接收机耦合的多个天线接收的多载波信号的每个副载波执行准正交时空块解码，

其中所述推导包括利用多个变换矩阵中所选的一个，以及

其中所选的变换矩阵对应于由多载波发射机使用的变换矩阵，用于对传输到所述多载波接收机的所述多载波信号进行时空编码。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述最小化和求解包括利用针对所述多载波发射机和所述多载波接收机之间的多个无线信道估计的信号估计矩阵。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述多载波信号包括通过多个天线接收的正交频分复用信号。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括去除循环前缀并对在所述时空块解码之前通过每个所述天线接收的所述多载波信号执行多点傅立叶变换，以生成用于每个副载波的所接收的信号矩阵。

16.一种多载波接收机，包括：

傅立叶变换电路，用于从所接收的多载波信号生成用于每个副载波的所接收的信号矩阵；以及

时空解码器，用于从所接收的信号矩阵生成经解码的软比特和经解码的硬比特，

其中所述时空解码器包括处理电路，用于从所接收的信号矩阵推导出目标函数，最小化所述目标函数以生成经解码的硬比特，并求解所述目标函数的一组线性方程以生成经解码的软比特。

17.如权利要求16所述的多载波接收机，其特征在于，还包括：

码元解映射器，用于解映射所述经解码的硬比特以生成经解映射的比特块；以及

纠错解码器，用于利用所述经解码的软比特对所述解映射的比特块执行纠错解码运算以生成经解码的比特流。

18.如权利要求16所述的多载波接收机，其特征在于，所述处理电路：

针对通过耦合至多载波接收机的多个天线接收的多载波信号的每个副载波执行准正交时空块解码；以及

使用多个变换矩阵中所选的一个，

其中所选的变换矩阵对应于由多载波发射机使用的变换矩阵，用于对传输到所述多载波接收机的所述多载波信号进行时空编码。

19.如权利要求18所述的多载波接收机，其特征在于，所述处理电路使用针对所述多载波发射机和所述多载波接收机之间的多个无线信道估计的信号估计矩阵，以最小化目标函数并求解所述一组线性方程。

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