CN101572589B - 一种分层空时码编码方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了分层空时码编码方法和系统。为多入多出系统发送端的所有2^N根发送天线进行编号；确定所述发送端实际用于符号发送的天线数2ⁿ，0≤n＜N；从待发送比特序列中，读取2ⁿ个长度为(N-n+m)的比特组，并为所述比特组进行编号；将所述比特组编号与比特组中(N-n)比特共同构成二进制序列A，将所述比特组中其余m比特通过M＝2^m阶调制映射为符号s_j，并将所述符号s_j映射到编号为A的发送天线；判断是否已对所述n_i＝2ⁿ个比特组进行映射，如果不是，继续执行上一个步骤，否则，所述发送端通过映射有符号的2ⁿ根天线进行符号发送。本发明在频谱效率不变的前提下，有效提高MIMO系统的分集阶数，从而提升检测性能，降低检测复杂度。

Description

一种分层空时码编码方法和系统

技术领域

本发明涉及无线通信系统技术领域，尤其涉及多入多出系统中分层空时码编码方法和系统。

背景技术

近年来，随着无线通信网络和技术的不断发展，人们对高速率、高质量的业务需求与日俱增，利用有限的频谱资源提供尽可能高的数据传输速率一直是无线通信领域研究的重点。多入多出(MIMO，MultipleInput Multiple Output)作为一种充分利用空域资源的技术，以其有效提高系统数据传输速率和频谱效率、改善通信质量等特点而成为未来无线通信系统中被广泛关注和采用的技术。

对于MIMO系统而言，空时码技术是其支撑技术。根据对空间资源的利用方式不同，空时码技术可分为两大类：第一类是基于空间分集的空时编码方案，包括空时格码(STTC，Space Time Trellis Code)和空时分组码(STBC，Space Time Block Code)；第二类是基于空分复用的空时编码，主要代表为分层空时码(LST，Layered Space Timecode)。其中，LST因其能够显著提高系统频谱利用率而备受关注。

贝尔实验室垂直分层空时码(V-BLAST，Vertical Bell Lab LayeredSpace Time code)是LST的一种，其实现简单，频谱利用率高，采用线性或线性结合干扰删除的检测即可获得较好的性能。其中，分集阶数是影响V-BLAST性能的参数之一，而分集阶数与MIMO系统的收发天线数的差密切相关。当收发天线数的差越大时，则分集阶数越高，V-BLAST检测的性能也越好。

而在收发天线数相等的MIMO系统中，通常检测结果并不能达到系统的性能要求。因此，有必要研究收发天线数之差很小甚至相等时，能够获得较好性能的LST编码方法和系统。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种分层空时码编码方法和系统，可以在不降低频谱效率的前提下，提高系统的分集阶数，从而提升检测性能，降低检测复杂度。

根据本发明一方面，提出一种分层空时码编码方法，包括以下步骤：为多入多出系统发送端的所有2^N根发送天线进行编号；确定所述发送端实际用于符号发送的天线数2ⁿ，0≤n＜N；从待发送比特序列中，读取2ⁿ个长度为(N-n+m)的比特组，并为所述比特组进行编号，其中，M＝2^m为系统采用的调制阶数；将所述比特组编号与比特组中(N-n)比特共同构成二进制序列A，将所述比特组中其余m比特通过M＝2^m阶调制映射为符号s_j，并将所述符号s_j映射到编号为A的发送天线；判断是否已对所述n_t＝2ⁿ个比特组进行映射，如果不是，继续执行上一个步骤，否则，所述发送端通过映射有符号的2ⁿ根天线进行符号发送。

根据本发明另一方面，还提出一种分层空时码编码系统，包括：编号模块，为多入多出系统发送端的所有N_t＝2^N根发送天线进行编号；从待发送信息比特序列中，读取2ⁿ个长度为(N-n+m)的比特组，并为所述比特组进行编号，其中，M＝2^m为系统采用的调制阶数；确定模块，确定所述发送端实际用于符号发送的天线数2ⁿ，其中0≤n＜N，以及确定所述发送端所采取的调制阶数M＝2^m；映射模块，将所述比特组编号与(N-n)比特共同构成二进制序列A，将所述比特组中所述m比特通过M＝2^m阶调制映射为符号s_j，并将所述符号s_j映射到编号为A的发送天线；判断模块，判断是否已对所述2ⁿ个比特组进行映射，如果是，通知发送模块进行发送，否则，通知映射模块执行映射操作；发送模块，通过映射有符号的2ⁿ根天线进行符号发送。

与现有技术相比，本发明对天线进行编号、对比特组进行编号，并由比特组编号和部分比特来确定所使用的发送天线的编号，即通过天线编号携带了部分比特信息，有效保证了系统的频谱效率。由于没有使用全n部的发送天线，则收发天线数的差变大，使得系统分集阶数提高，从而降低了系统的误码率。

附图说明

图1示出了本发明中分层空时码编码方法流程图。

图2示出了本发明中分层空时码解码方法流程图。

图3示出了本发明中分层空时编码方法的实施例。

图4示出了本发明分层空时码与传统分层空时码的性能对比图。

图5示出了本发明中分层空时码编码系统的结构图。

图6示出了本发明中分层空时码解码系统的结构图。

具体实施方式

图1示出了本发明中分层空时码编码方法流程图。该编码方法使用全部发送端天线中的部分天线进行符号发送，通过发送天线的编号携带一部分发送比特信息，该方法包括以下步骤：

步骤101，为MIMO系统发送端的所有N_t＝2^N根发送天线进行编号，则第i根天线的编号为I_N_t(i)，i＝0，1，L，2^N-1，编号的二进制表示为[I_N_t(i)]₂。

步骤102，确定发送端实际用于符号发送的天线数n_t＝2ⁿ，其中0≤n＜N。

步骤103，从待发送比特序列中，读取n_t＝2ⁿ个长度为(N-n+m)的比特组，并为比特组进行编号，其中，M＝2^m为系统采用的调制阶数，则第j个比特组的编号为I_n_t(j)，j＝0，1，L，2ⁿ-1，编号的二进制表示为[I_n_t(j)]₂。

步骤104，对于编号为[I_n_t(j)]₂的比特组，比特组编号[I_n_t(j)]₂与(N-n)比特共同构成二进制序列A，将m比特通过M＝2^m阶调制映射为符号s_j。

比特组编号[I_n_t(j)]₂与比特组中(N-n)比特构成二进制序列A时，可以采用任何比特排列的方式，只要收发两端预先确定了双方皆知的序列组成规则，且针对所有n_t＝2ⁿ个比特组该规则一致即可，这样可以保证对于每一个比特组，其二进制序列A都不相同。

每个比特组的(N-n+m)比特中，用于映射成符号的m比特可以是比特组中任意位置的比特，只要收发两端预先确定了双方皆知的比特选取规则即可。

步骤105，将符号s_j映射到编号[I_n_t(i)]₂＝A的天线。由步骤104可知，对于不同的比特组，其二进制序列A都不相同，即可以通过不同的天线进行发送，从而使接收端能够对所有发送比特组进行恢复。

步骤106，判断是否已对所有n_t＝2ⁿ个比特组进行映射，如果是，执行步骤107，否则，执行步骤104。

步骤107，发送端通过映射有符号的n_t＝2ⁿ根天线进行符号发送。

本发明对天线进行编号、对比特组进行编号，并由比特组编号和部分比特来确定所使用的发送天线的编号，即通过天线编号携带了部分比特信息，有效保证了系统的频谱效率。由于没有使用全部的发送天线，则收发天线数的差变大，使得系统分集阶数提高，从而降低了系统的误码率。

图2示出了本发明中分层空时码解码方法流程图。在接收端接收到由发送端发送的符号后，对该符号进行解码，解码方法包括以下步骤：

步骤201，根据接收信号r及收发天线之间的信道特性矩阵H，确定发送端实际使用的发送天线的编号A、以及所发送符号的估计值。

其中，确定发送端实际使用的发送天线的编号A，可以通过特定的信号检测方式实现，也可以通过V-BLAST检测来实现。

而确定发送符号的估计值，可以通过传统V-BLAST检测实现。传统V-BLAST检测算法，可以是迫零(ZF，Zero Forcing)、最小均方误差(MMSE，Minimum Mean Square Error)、基于干扰删除的ZF、MMSE等，但不限于上述算法。

下面仅以采用迫零V-BLAST检测算法对发送符号进行估计为例进行说明。向量H^-1r中数值最大的n_t个值，对应发送端实际使用的天线所发送的符号的估计值。其中，第一个值对应第一根天线，是第1根发送天线所发送符号的估计值。以此类推。

步骤202，解调所述发送符号的估计值。

步骤203，根据实际发送符号所用的天线编号A，提取所述天线编号A中所携带的比特组编号以及比特组中的(N-n)比特。

步骤204，根据解调后的符号估计值，提取出比特组中的m比特。

步骤205，根据所述(N-n)比特与所述m比特的排列方式，将所述(N-n+m)比特恢复成原始比特组，并根据比特组编号恢复成原始比特序列。

图3示出了本发明中分层空时编码方法的实施例，该实施例仅是用于说明以及理解本发明，其中，参数设定不影响一般性。

设系统发送天线数为N_t＝8＝2³，即N＝3。接收天线数为N_r＝8。对所有发送端天线顺次进行编号，则发送天线编号的二进制表示为3比特，依次为000、001、......111。

确定发送端使用8根天线中的n_t＝2＝2¹根进行符号发送，即n＝1。从而与接收端形成2发8收的MIMO系统。符号调制采用64QAM方式，则m＝6。待发送的比特序列为：11010010、01100110、......。将信息比特序列中n_t＝2个长为N-n+m＝3-1+6＝8的比特组顺次进行编号，即图中的比特组编号分别为0、1。

对于编号为0的比特组，其中，比特组编号0作为序列A的第1位，比特组中前2个比特，即11，作为序列A的后2位，形成由011组成的序列A，即图中虚线表示的部分。比特组的后6个比特010010调制所得的16QAM符号，映射到编号为A，即编号011的发送天线上。

对于编号为1的比特组，其中，比特组编号1作为序列A的第1位，比特组中前2个比特，即01，作为序列A的后2位，形成由101组成的序列A，即图中虚线表示的部分。比特组的后6个比特100110调制所得的16QAM符号，映射到编号为A，即编号101的发送天线上。

发送端通过映射有符号的2根天线，将符号发送到接收端。

当接收端接收到符号时，实际使用的发送天线编号在检测过程中获得，即天线编号的后2位为信息比特组的前2个比特，而第1位为比特组编号。设接收信号为r，接收端的信道估计结果为所有收发天线之间的信道特性，即N_r×N_t＝8×8的矩阵H。接收端采用迫零V-BLAST检测算法对发送符号进行估计，则向量H^-1r中数值最大的n_t个值，对应发送端实际使用的天线所发送的符号的估计值。其中，第一个值对应第一根天线，是第1根发送天线所发送符号的估计值。以此类推。每个符号解调后得到6比特，即比特组的后6位。通过上述操作，可恢复原始比特序列。

图4示出了本发明分层空时码与传统分层空时码的性能对比图。

图中所示两种系统在相同的系统配置下(包括收发天线数、频谱效率和SNR)，其中，频谱效率是一次发送传送16比特信息。现有技术是8发8收QPSK调制MIMO系统。相比之下，本发明的分层空时码方法的误码率(BER)更低。

图5示出了本发明中分层空时码编码系统的结构图。包括：编号模块、确定模块、映射模块、判断模块、以及发送模块。

编号模块，为MIMO系统发送端的所有N_t＝2^N根发送天线进行编号，则第i根天线的编号为I_N_t(i)，i＝0，1，L，2^N-1，编号的二进制表示为[I_n_t(i)]₂。从待发送信息比特序列中，读取n_t＝2ⁿ个长度为(N-n+m)的比特组，并为比特组进行编号，其中，M＝2^m为系统采用的调制阶数，则第j个比特组的编号为I_n_t(j)，j＝0，1，L，2ⁿ-1，编号的二进制表示为[I_n_t(j)]₂。

确定模块，确定发送端实际用于符号发送的天线数n_t＝2ⁿ，其中0≤n＜N，以及确定发送端所采取的调制阶数M＝2^m。

映射模块，对于编号为[I_n_t(j)]₂的比特组，将所述比特组编号[I_n_t(j)]₂与(N-n)比特共同构成二进制序列A，将所述比特组中所述m比特通过M＝2^m阶调制映射为符号s_j，并将符号s_j映射到编号为[I_n_t(i)]₂＝A的发送天线。对于不同的比特组，其二进制序列A都不相同，即可以通过不同的天线进行发送，从而使接收端能够对所有发送比特组进行恢复。

比特组编号[I_n_t(j)]₂与比特组中(N-n)比特构成二进制序列A时，可以采用任何比特排列的方式，只要收发两端预先确定了双方皆知的序列组成规则，且针对所有n_t＝2ⁿ个比特组该规则一致即可，这样可以保证对于每一个比特组，其二进制序列A都不相同。

每个比特组的(N-n+m)比特中，用于映射成符号的m比特可以是比特组中任意位置的比特，只要收发两端预先确定了双方皆知的比特选取规则即可。

判断模块，判断是否已对所有n_t＝2ⁿ个比特组进行映射，如果是，通知发送模块进行发送，否则，通知映射模块执行映射操作。

发送模块，通过映射有符号的n_t＝2ⁿ根天线进行符号发送。

本发明对天线进行编号、对比特组进行编号，并由比特组编号和部分比特来确定所使用的发送天线的编号，即通过天线编号携带了部分比特信息，有效保证了系统的频谱效率。由于没有使用全部的发送天线，则收发天线数的差变大，使得系统分集阶数提高，从而降低了系统的误码率。

图6示出了本发明中分层空时码解码系统的结构图。包括：计算模块、解调模块、提取模块、以及恢复模块。

计算模块，根据接收信号r及收发天线之间的信道特性矩阵H，得到发送端实际使用的发送天线的编号A、以及所发送符号的估计值。

计算模块确定实际发送符号所用天线的编号，可以通过特定的信号检测方式实现，也可以通过V-BLAST检测来实现。

计算模块确定发送符号的估计值，可以通过传统V-BLAST检测实现。传统V-BLAST检测算法，可以是迫零(ZF，Zero Forcing)、最小均方误差(MMSE，Minimum Mean Square Error)、基于干扰删除的ZF、MMSE等，但不限于上述算法。

下面仅以采用迫零V-BLAST检测算法对发送符号进行估计为例进行说明。向量H^-1r中数值最大的n_t个值，对应发送端实际使用的天线所发送的符号的估计值。其中，第一个值对应第一根天线，是第1根发送天线所发送符号的估计值。以此类推。

解调模块，解调上述计算模块得到的发送符号估计值。

提取模块，根据实际发送符号所用的天线编号A，提取所述天线编号A中所携带的比特组编号以及比特组中的(N-n)比特；根据解调模块解调出的符号估计值，提取出比特组中的所述m比特。

恢复模块，根据所述(N-n)比特与所述m比特的排列方式，将所述(N-n+m)比特恢复成原始比特组，并根据比特组编号恢复成原始比特序列。

Claims (6)

1.一种分层空时码编码方法，包括以下步骤：

为多入多出系统发送端的所有2^N根发送天线进行编号，N为大于等于1的整数；

确定所述发送端实际用于符号发送的天线数2ⁿ，0≤n＜N；

从待发送比特序列中，读取2ⁿ个长度为(N-n+m)的比特组，并为所述比特组进行编号，其中，M＝2^m为系统采用的调制阶数；

将所述比特组编号与比特组中(N-n)比特共同构成二进制序列A，将所述比特组中其余m比特通过M＝2^m阶调制映射为符号s_j，j表示第j个比特组，并将所述符号s_j映射到编号为二进制序列A的发送天线；

判断是否已对所述2ⁿ个比特组进行映射，如果不是，继续执行上一个步骤，否则，所述发送端通过映射有符号的2ⁿ根天线进行符号发送。

2.根据权利要求1所述分层空时码编码方法，其中，将所述比特组编号与比特组中(N-n)比特共同构成二进制序列A，将所述比特组中其余m比特通过M＝2^m阶调制映射为符号s_j的操作，还包括以下步骤：预先在所述发送端与接收端之间约定所述二进制序列的构成方式、以及所述(N-n)比特与所述m比特的排列方式。

3.根据权利要求1或2所述分层空时码编码方法，其中，当接收端接收到所述符号后，还包括以下步骤：

根据接收信号r及收发天线之间的信道特性矩阵H，确定所述发送端实际使用的发送天线的编号A、以及所发送符号的估计值；

解调所述发送符号的估计值；

根据实际发送符号所用的天线编号A，提取所述天线编号A中所携带的比特组编号以及比特组中的(N-n)比特；

根据解调后的符号估计值，提取出比特组中的m比特；

根据所述(N-n)比特与所述m比特的排列方式，将所述(N-n+m)比特恢复成原始比特组，并根据比特组编号恢复成原始比特序列。

4.一种分层空时码编码系统，包括：

编号模块，为多入多出系统发送端的所有2^N根发送天线进行编号，N为大于等于1的整数；从待发送信息比特序列中，读取2ⁿ个长度为(N-n+m)的比特组，并为所述比特组进行编号，其中，M＝2^m为系统采用的调制阶数；

确定模块，确定所述发送端实际用于符号发送的天线数2ⁿ，其中0≤n＜N，以及确定所述发送端所采取的调制阶数M＝2^m；

映射模块，将所述比特组编号与比特组中(N-n)比特共同构成二进制序列A，将所述比特组中其余m比特通过M＝2^m阶调制映射为符号s_j，并将所述符号s_j映射到编号为二进制序列A的发送天线，j表示第j个比特组；

判断模块，判断是否已对所述2ⁿ个比特组进行映射，如果是，通知发送模块进行发送，否则，通知映射模块执行映射操作；

发送模块，通过映射有符号的2ⁿ根天线进行符号发送。

5.根据权利要求4所述分层空时码编码系统，其中，所述映射模块还预先在所述发送端与接收端之间约定所述二进制序列的构成方式、以及所述(N-n)比特与所述m比特的排列方式。

6.根据权利要求4或5所述分层空时码编码系统，还包括：

计算模块，根据接收信号r及收发天线之间的信道特性矩阵H，得到所述发送端实际使用的天线编号A、以及发送符号的估计值；

解调模块，解调所述的发送符号估计值；

提取模块，根据实际发送符号所使用的天线编号A，提取所述天线编号A中所携带的比特组编号以及比特组中的(N-n)比特；根据所述解调模块解调出的符号估计值，提取比特组中的所述m比特；

恢复模块，根据所述(N-n)比特与所述m比特的排列方式，将所述(N-n+m)比特恢复成原始比特组，并根据比特组编号恢复成原始比特序列。

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