CN101729211A - 空时编码方法、无线信号的发送、接收和解码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了空时编码方法、无线信号的发送、接收和解码方法及装置。所述空时编码方法包括：在发射端，将串行码流中的符号以m个符号为一组进行串并转换，得到m个并行码流，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，为发送天线的数目；根据所述m个符号，组成一个Nt×Nt的编码矩阵，其中，所述m个符号中属于第1个并行码流中的符号在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复Nt次，所述m个符号中属于第2a和(2a+1)个并行码流中的符号分别在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复(Nt-a)次。按照本发明，能够达到较高的频谱效率，并获得较好的传输可靠性。

Description

空时编码方法、无线信号的发送、接收和解码方法及装置

技术领域

本发明涉及无线多天线通信技术领域，尤其涉及一种空时编码方法、无线信号的发送、接收和解码方法及装置。

背景技术

随着以太网(Internet)和多媒体业务的普及，越来越多的应用需要高速无线接入。由于无线传输受到信号衰落和干扰的影响，为了实现高数据速率和高业务质量，要求采用新技术来提高频谱效率和改善链路可靠性。在发射机和接收机使用多个天线进行数据传输的多输入多输出(MIMO，Multiple InputMultiple Output)技术，可以在不增加带宽和天线发送功率的情况下，成倍地提高频谱利用率，进而成倍地提高无线信道容量。

空时编码(STC，Space-Time Coding)是在空间域和时间域两维方向上对信号进行编码，现有的空时编码主要包括空时格码(STTC，Space Time TrellisCoding)、空时分组码(STBC，Space Time Block Coding)和贝尔实验室分层空时(BLAST，Bell Labs Layered Space-Time)码等。BLAST码主要包括对角分层空时(D-BLAST)码和垂直分层空时(V-BLAST)码。其中，V-BLAST系统实现相对于D-BLAST系统要简单。

V-BLAST通过空间复用(SDM，Spatial Dimension Multiplexing)的方式，可以提高无线通信系统的容量，能够提供复用增益但不能提供分集增益。而STBC和STTC主要针对分集增益，可以获得分集增益和编码增益。STBC编码在高编码增益(全分集)的情况下其码率一般小于1。

理论上已经证明，采用多个发射天线能把无线信道分割成多个并行的窄带信道，具有提高信道比特传输率的潜能，且研究结果显示，信道容量随天线数量增加而线性增大。但由于无论发射机还是接收机的天线数都是有限的，因此增加分集增益和提高复用增益总是一对矛盾。到目前为止，无论是STBC还STTC，大数量发射天线的编码设计问题还是一个难点。因此，如何寻找到一种空时编码，能够取得分集增益和复用增益的平衡，从而达到较高的频谱效率和获得较好的传输可靠性，是目前STC研究领域的重要课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种空时编码方法、无线信号的发送、接收和解码方法及装置，通过在空时编码过程中折衷考虑分集增益和复用增益，使得MIMO通信系统达到了较高的频谱效率，并能够获得较好的传输可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供方案如下：

一种空时编码方法，包括以下步骤：

步骤A：在发射端，将串行码流中的符号以m个符号为一组进行串并转换，得到m个并行码流，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，Nt为发送天线的数目；

步骤B，根据所述m个符号，组成一个Nt×Nt的编码矩阵，所述编码矩阵中各行的Nt个符号，分别对应于各个发送天线在Nt个符号周期内发送的符号，其中，所述m个符号中属于第1个并行码流中的符号在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复Nt次，所述m个符号中属于第2a和(2a+1)个并行码流中的符号分别在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复(Nt-a)次，其中，1≤a≤Nt-1。

优选地，上述方法中，所述步骤A中，第i个并行码流中的第n个符号是所述串行码流中的第(m×(n-1)+i)个符号。

优选地，上述方法中，当Nt＝2，所述m个符号分别为第1个并行码流的符号S₁、第2个并行码流的符号S₂和第3个并行码流的符号S₃时，所述编码矩阵为：

$\left[\begin{array}{cc}{s}_1& s_3\\ s_2& s_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cc}{s}_1& s_2\\ s_3& s_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cc}{s}_2& s_1\\ s_1& s_3\end{array}\right]$ 或 $\left[\begin{array}{cc}{s}_3& s_1\\ s_1& s_2\end{array}\right].$

优选地，上述方法中，当Nt＝3，所述m个符号分别为第1个并行码流的符号S₁、第2个并行码流的符号S₂和第3个并行码流的符号S₃、第4个并行码流的符号S₄和第5个并行码流的符号S₅时，所述编码矩阵为：

$\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_3& s_5\\ s_2& s_1& s_3\\ s_4& s_2& s_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_2& s_5\\ s_3& s_1& s_2\\ s_4& s_3& s_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_2& s_4\\ s_3& s_1& s_2\\ s_5& s_3& s_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{s}_4& s_2& s_1\\ s_2& s_1& s_3\\ s_1& s_3& s_5\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{s}_4& s_3& s_1\\ s_3& s_1& s_2\\ s_1& s_2& s_5\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{s}_5& s_2& s_1\\ s_2& s_1& s_3\\ s_1& s_3& s_4\end{array}\right]$ 或 $\left[\begin{array}{ccc}{s}_5& s_3& s_1\\ s_3& s_1& s_2\\ s_1& s_2& s_4\end{array}\right].$

本发明还提供了一种无线信号的发送方法，包括：

发射端对待发送的串行码流进行空时编码得到编码矩阵，并通过多根天线向接收端发送经空时编码得到的编码矩阵，其中，所述进行空时编码是：

发射端获取所述发射端与接收端之间无线信道的信噪比：

在所述信噪比大于第一预定值时，根据垂直分层空时V-BLAST编码算法对所述串行码流进行空时编码；

在所述信噪比小于或等于第二预定值时，根据空时分组码STBC编码算法对所述串行码流进行空时编码；

在所述信噪比大于第二预定值且小于或等于第一预定值时，按照以下方式对所述串行码流进行空时编码：将串行码流中的符号以m个符号为一组进行串并转换，得到m个并行码流，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，Nt为发送天线的数目；根据所述m个符号，组成一个Nt×Nt的编码矩阵，所述编码矩阵中各行的Nt个符号，分别对应于各个发送天线在Nt个符号周期内发送的符号，其中，所述m个符号中属于第1个并行码流中的符号在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复Nt次，所述m个符号中属于第2a和(2a+1)个并行码流中的符号分别在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复(Nt-a)次，其中，1≤a≤Nt-1。

优选地，上述方法中，还包括：

发射端进一步根据所述信噪比，采用自适应调制编码方式对将要发送的二进制比特流进行编码调制，得到所述待发送的串行码流。

优选地，上述方法中，所述第一预定值和第二预定值按照以下方式确定：获取仿真得到的不同空时编码算法在所述发射端和接收端之间的无线信道环境下的信噪比-频谱效率曲线；根据所有频谱效率曲线，选择其中具有最高频谱效率的曲线段，根据各个曲线段的端点所对应的信噪比，确定所述第一预定值和第二预定值。

本发明还提供了一种空时编码装置，包括：

串并转换单元，用于将串行码流中的符号以m个符号为一组进行串并转换，得到m个并行码流，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，为发送天线的数目；

空时编码单元，用于根据所述m个符号，组成得到一个Nt×Nt的编码矩阵，所述编码矩阵中各行的Nt个符号，分别对应于各个发送天线在Nt个符号周期内发送的符号，其中，所述m个符号中属于第1个并行码流中的符号在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复Nt次，所述m个符号中属于第2a和(2a+1)个并行码流中的符号分别在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复(Nt-a)次，其中，1≤a≤Nt-1。

本发明还提供了一种发射机，包括：

基于V-BLAST编码算法的第一空时编码装置；

基于STBC编码算法的第二空时编码装置；

第三空时编码装置，该第三空时编码装置具体包括：串并转换单元，用于将待编码的串行码流中的符号以m个符号为一组进行串并转换，得到m个并行码流，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，为发送天线的数目；空时编码单元，用于根据所述m个符号，组成得到一个Nt×Nt的编码矩阵，所述编码矩阵中各行的Nt个符号，分别对应于各个发送天线在Nt个符号周期内发送的符号，其中，所述m个符号中属于第1个并行码流中的符号在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复Nt次，所述m个符号中属于第2a和(2a+1)个并行码流中的符号分别在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复(Nt-a)次，其中，1≤a≤Nt-1；

发射单元，用于将所述第一空时编码装置、第二空时编码装置或第三空时编码装置编码后得到的编码矩阵通过发送天线发送出去；

空时编码选择单元，用于根据接收端反馈的所述发射端与接收端之间无线信道的信噪比：在所述信噪比大于第一预定值时，选择所述第一空时编码装置对待发送串行码流进行空时编码；在所述信噪比大于第二预定值且小于或等于第一预定值时，选择所述第三空时编码装置对待发送的串行码流进行空时编码；在所述信噪比小于或等于第二预定值时，选择所述第二空时编码装置对待发送的串行码流进行空时编码。

优选地，上述发射机中，还包括：

自适应编码调制单元，用于根据所述信噪比，采用自适应调制编码方式对将要发送的二进制比特流进行编码调制，得到所述待发送的串行码流。

本发明还提供了一种无线信号接收和解码方法，应用于接收和解码发射端通过多根发送天线发送按照图1所述的空时编码方法得到的编码矩阵，包括以下步骤：

步骤C，在接收端，将接收到的m个并行码流转换成一个Nr×Nt接收符号矩阵，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，Nt为发送天线的数目，Nr≥2，Nr为接收天线的数目，其中，该接收符号矩阵中每一行的Nt个符号，分别对应于各个接收天线在Nt个符号周期内接收的符号；

步骤D，根据所述Nr×Nt接收符号矩阵，估计出发射端的编码符号。

优选地，上述无线信号接收和解码方法中，所述步骤D中，进一步采用串行干扰消除SIC检测接收机或者最大似然ML检测接收机来估计出发射端的编码符号。

优选地，上述无线信号接收和解码方法中，所述步骤D具体包括：

步骤D1，将接收端的Nr×Nt接收符号矩阵表示成Nr×Nt的信道矩阵和发射端Nt×Nt编码矩阵的乘积再加上Nr×Nt的噪声矩阵；

步骤D2，将接收端的Nr×Nt接收符号矩阵矢量化成(Nr×Nt，1)的接收符号矢量，该接收符号矢量为(Nr×Nt，m)的信道矩阵和(m，1)的编码矢量的乘积再加上(Nr×Nt，1)的噪声矢量，其中，所述(Nr×Nt，m)的信道矩阵是根据所述Nr×Nt的信道矩阵变化得到的，所述(m，1)的编码矢量是根据所述发射端Nt×Nt编码矩阵矢量化得到的，所述(Nr×Nt，1)的噪声矢量是对所述Nr ×Nt的噪声矩阵矢量化得到的；

步骤D3，采用串行干扰消除SIC检测接收机或者最大似然ML检测接收机对所述(Nr×Nt，1)的接收符号矢量进行检测，估计出发射端的编码符号。

本发明还提供了一种空时编码的解码装置，应用于接收和解码发射端通过Nt根发送天线发送按照图1所述的空时编码方法得到的编码矩阵，该解码装置包括：

并行码流转换单元，用于将接收到的m个并行码流转换成一个Nr×Nt接收符号矩阵，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，Nt为发射天线的数目，Nr≥2，Nr为接收天线的数目，其中，该接收符号矩阵中每一行的Nt个符号(即该接收符号矩阵每一行的Nt个元素)，分别对应于各个接收天线在Nt个符号周期内接收的符号；

估计单元，用于根据所述Nr×Nt接收符号矩阵，估计出发射端的编码符号。

优选地，上述空时编码的解码装置中，所述估计单元进一步用于采用串行干扰消除检测接收机或者最大似然检测接收机来估计出发射端的编码符号。

优选地，上述空时编码的解码装置中，所述估计单元进一步用于根据所述Nr×Nt接收符号矩阵得到(Nr×Nt，1)的接收符号矢量，并根据该接收符号矢量，利用串行干扰消除检测接收机或最大似然检测接收机来估计出发射端的编码符号。

从以上所述可以看出，本发明提供的一种空时编码方法及装置，将每组m个符号中的一个符号通过不同天线在不同的时间单元上被反复发送了Nt次，使得该符号在接收端被正确解调的概率大大增大，从而有利于接收端使用串行干扰消除技术对接收数据进行正确解调，可以减少误差传播，增加了传输系统的鲁棒性；同时，由于本发明提供的空时编码方法，在分集增益和复用增益的取得平衡，即有一定的分集增益又有一定的复用增益，从而达到了高的频谱效率，并获得了较好的传输可靠性；并且，本发明还提供了一种将本发明的空时编码与现有技术的空时编码相结合使用的无线信号的发送方法，通过根据接收端反馈的信道信噪比，选择当前适合的空时编码算法，甚至自适应地调节发射端的编码调制方式，从而能够适用于无线信道环境的变化，达到较好的传输性能；另外，本发明也提出了针对本发明所提出的空时编码的接收方法及装置。

附图说明

图1为本发明实施例所述空时编码方法的流程图；

图2为本发明实施例所述空时编码装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中某个特定的无线信道环境下仿真得到的多个空时编码的频谱效率-信噪比的曲线图；

图4为本发明实施例中在某个特定的无线信道环境下仿真得到的不同编码调制方式下的多个空时编码的频谱效率-信噪比的曲线图；

图5为本发明实施例所述无线信号接收和解码方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出了一种特殊的空时编码的结构，该空时编码能够在分集增益和复用增益之间取得良好的平衡，并有利于接收端正确解码和接收，从而能够使得MIMO通信系统达到较高的频谱效率，并获得较好的传输可靠性。以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例首先提供了一种空时编码方法，如图1所示，该方法包括：

步骤10，在发射端，将串行码流中的符号以m个符号为一组进行串并转换，得到m个并行码流，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，Nt为发送天线的数目。

上述步骤中，串行码流可以是由待发送数据经编码调制后得到的符号所组成，具体调制方式可以是移相键控(如QPSK)、正交幅度调制(如16QAM)等调制方式。上述步骤中，发送天线是指发射端用来发送该串行码流的天线。上述步骤中，第i个并行码流中的第n个符号是所述串行码流中的第(m×(n-1)+i)个符号，这里1≤i≤Nt。

以Nt＝2(此时m＝3)为例，假设所述串行码流中的符号依次为：S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈、S₉......，则可以将该串行码流串并转换成3个并行码流，其中，S₁、S₂和S₃划分到一组，S₄、S₅和S₆划分到一组，S₇、S₈和S₉划分到一组，最后得到如下所示的3个并行码流：

并行码流1：S₁、S₄、S₇、S₁₀......

并行码流2：S₂、S₅、S₈、S₁₁......

并行码流3：S₃、S₆、S₉、S₁₂......

步骤11，对于每组的m个符号，按照一定的原则，构造一个Nt×Nt的编码矩阵。其中，该编码矩阵中每一行的Nt个符号(即该编码矩阵每一行的Nt个元素)，分别对应于各个发送天线在Nt个符号周期内发送的符号。上述构造编码矩阵的原则是：将所述m个符号中属于第1个并行码流中的符号在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复Nt次，所述m个符号中属于第2a和(2a+1)个并行码流中的符号分别在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复(Nt-a)次，其中，1≤a≤Nt-1。

延续上述Nt＝2(此时m＝3)的例子，这里以S₁、S₂和S₃这一组符号进行说明：根据S₁、S₂和S₃，组成一个2×2的编码矩阵，其中，S₁在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复Nt＝2次，S₂和S₃分别在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复(Nt-a)＝1次，可以得到以下几种可能的编码矩阵：

$\left[\begin{array}{cc}{s}_1& s_3\\ s_2& s_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cc}{s}_1& s_2\\ s_3& s_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cc}{s}_2& s_1\\ s_1& s_3\end{array}\right]$ 和 $\left[\begin{array}{cc}{s}_3& s_1\\ s_1& s_2\end{array}\right].$

类似的，在当Nt＝3，所述m个符号分别为第1个并行码流的符号S₁、第2个并行码流的符号S₂和第3个并行码流的符号S₃、第4个并行码流的符号S₄和第5个并行码流的符号S₅时，可以得到可能的编码矩阵分别为：

$\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_3& s_5\\ s_2& s_1& s_3\\ s_4& s_2& s_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_2& s_5\\ s_3& s_1& s_2\\ s_4& s_3& s_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_2& s_4\\ s_3& s_1& s_2\\ s_5& s_3& s_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{s}_4& s_2& s_1\\ s_2& s_1& s_3\\ s_1& s_3& s_5\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{s}_4& s_3& s_1\\ s_3& s_1& s_2\\ s_1& s_2& s_5\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{s}_5& s_2& s_1\\ s_2& s_1& s_3\\ s_1& s_3& s_4\end{array}\right]$ 和 $\left[\begin{array}{ccc}{s}_5& s_3& s_1\\ s_3& s_1& s_2\\ s_1& s_2& s_4\end{array}\right].$

以上所示只是部分在Nt＝3时可以使用的编码矩阵。在Nt＝3时，还包括有符合上述编码矩阵的原则的其它类似的编码矩阵，这里不再一一示出。对于Nt＞3的情况，编码矩阵可以按照以上原则得到。

上述编码矩阵中，每一行分别对应一个发射天线，每一列分别对应发射的时间单元(符号周期)。因此，在第一个时间单元到第Nt时间单元的时间段内，并行码流中的第一个并行码流的符号将在不同的天线和不同的时间单元上重复传输Nt次；第二个和第三并行码流的符号将在不同的天线和不同的时间单元上传输(Nt-1)次；依此类推，第2a和第(2a+1)个并行码流的符号将在不同的天线和不同的时间单元上传输(Nt-a)次，......，一直最后一个并行码流。

从以上编码矩阵的结构可以看出，本实施例的空时编码得到的编码矩阵，其中一个对角线上的元素(符号)都是相同的，该编码矩阵具有一定的对称性，因此，本实施例中又将上述空时编码方法称为斜对称(skew-symmetric)空时编码方法，上述编码矩阵称为斜对称编码矩阵。

空时码编码速率可以通过每根天线在每一时隙传输的符号数来表示，也可以表示为信道利用率(PCU，Per Channel Use)。对于Nt＝2，在2个时隙共传输3个数据符号，即PCU＝3/2＝(2×Nt-1)/Nt＝1.5；对于Nt＝3，在3个时隙共传输5个数据符号，即PCU＝5/3＝(2×Nt-1)/Nt＝1.67。可以看出，PCU＝(2×Nt-1)/Nt，随着Nt的增加，信道利用率将得到提高。而对于STBC编码，其在Nt＝2时PCU＝1，在Nt＝3和4时，PCU＝0.5。显然，本实施例所述的斜对称编码方法相对于STBC编码具有更高的信道利用率，获得了一定的复用增益。

对斜对称编码矩阵分析可知，每组符号中，总有一个符号(第1个并行码流的符号，如上述的举例中的符号S₁)通过不同天线在不同的时间单元上被反复发送了Nt次，该符号的发送次数最多，因此，在每组所有的m个符号中，该符号具有最高的空间和时间分集特性，从而使得该符号在接收端被正确解调的概率大大增大。特别是在接收端使用串行干扰消除(SIC，SuccessiveInterference Cancellation)技术对接收数据进行解调时，使用本实施例所述的空时编码方法，可以减少误差传播，增加了传输系统的鲁棒性，其原因在于：SIC通过串行的检测方法，其解调性能严重依赖于第一阶的检测结果；而本实施例所述编码方法能够显著提高第一个符号被正确检测出来的概率，从而能够减少误差传播，提高接收端的解调性能。

基于上述的空时编码，本实施例还相应地提供了一种空时编码装置，如图2所示，包括：

串并转换单元，用于将串行码流中的符号以m个符号为一组进行串并转换，得到m个并行码流，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，为发送天线的数目；

空时编码单元，用于根据所述m个符号，组成得到一个Nt×Nt的编码矩阵，所述编码矩阵中各行的Nt个符号，分别对应于各个发送天线在Nt个符号周期内发送的符号，其中，所述m个符号中属于第1个并行码流中的符号在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复Nt次，所述m个符号中属于第2a和(2a+1)个并行码流中的符号分别在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复(Nt-a)次，其中，1≤a≤Nt-1。

本实施例提出的空时编码装置，可以取得分集增益和复用增益的平衡，从而达到高的频谱效率，并获得较好的传输可靠性。对于不同的发射天线数，其信道利用率(PCU)为(2×Nt-1)/Nt，基本保持不变，具有很好的适用性。

本实施例还提供了一种无线信号的发送方法，将上述斜对称空时编码方法和现有技术已有的其它一些空时编码相配合使用，该方法包括：

发射端对待发送的串行码流进行空时编码得到编码矩阵，并通过多根天线向接收端发送经空时编码得到的编码矩阵，其中，所述进行空时编码是：

发射端获取所述发射端与接收端之间无线信道的信噪比：

在所述信噪比大于第一预定值时，根据V-BLAST编码算法对所述串行码流进行空时编码；

在所述信噪比小于或等于第二预定值时，根据STBC编码算法对所述串行码流进行空时编码；

在所述信噪比大于第二预定值且小于或等于第一预定值时，按照以下方式对所述串行码流进行空时编码：将串行码流中的符号以m个符号为一组进行串并转换，得到m个并行码流，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，为发送天线的数目；根据所述m个符号，组成一个Nt×Nt的编码矩阵，所述编码矩阵中各行的Nt个符号，分别对应于各个发送天线在Nt个符号周期内发送的符号，其中，所述m个符号中属于第1个并行码流中的符号在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复Nt次，所述m个符号中属于第2a和(2a+1)个并行码流中的符号分别在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复(Nt-a)次，其中，1≤a≤Nt-1。

上述发送方法中，所述第一预定值和第二预定值都是按照以下方式确定的：通过仿真，得到不同空时编码算法在所述发射端和接收端之间的无线信道环境下的信噪比-频谱效率曲线；根据所有频谱效率曲线，选择其中具有最高频谱效率的曲线段，根据各个曲线段的端点所对应的信噪比，确定所述第一预定值和第二预定值。具体的是通过对包括斜对称空时编码在内的多种空时编码，在不同信噪比的无线信道环境下的频谱效率分别进行仿真，根据仿真得到的频谱效率曲线，选择在当前无线信道的实际信噪比下具有最高频谱效率的空时编码算法作为发射端当前的空时编码算法，其中，所述实际信噪比可以通过是接收端测量得到后反馈给所述发射端的。

举例说明，请参考图3，为某个特定的无线信道环境下仿真得到的多个空时编码的频谱效率-信噪比的曲线图，图中示出了本实施例所述的斜对称空时编码(SS-MIMO)、V-BLAST和STBC三种空时编码的曲线，且空时编码的对象都是由QPSK符号组成的串行码流。可以看出，在某个特定的信噪比区间，可能存在某个空时编码的频谱效率优于其它的空时编码，从而可以根据上述信噪比区间，确定空时编码算法的切换点(第一预定值和第二预定值)，进而可以根据当前信道的实际信噪比，选择使用最优的空时编码方式对串行码流进行空时编码。具体的，对于图3来说，在信噪比(SNR，signal-noise-ratio)较低(0＜SNR≤6.5)时，由于分集作用起支配地位，STBC曲线具有最高频谱效率，此时可以使用STBC(即第二预定值为6.5)；当信噪比增加(6.5＜SNR≤12)时，复用渐渐起重要作用，SS-MIMO曲线具有最高频谱效率，此时可以使用SS-MIMO，当SNR再升高(12＜SNR)时，V-BLAST曲线具有最高频谱效率，可以使用V-BLAST(即第一预定值为12)。具体的切换点可以参考表1：

SNR范围(dB)	0＜SNR≤6.5	6.5＜SNR≤12	12＜SNR
				调制方式	QPSK	QPSK	QPSK
空时编码的信道利用率(PCU)	1	1.5	2
				使用传输方式	STBC	SS-MIMO	V-BLAST
频谱效率	2	3	4

表1

从以上所述可以看出，随信噪比不同，空时码的编码方式也在自适应变化。比如在低信噪比时选择具有低信道利用率(PCU)的空时码以获得好的误码率性能；在信噪比较大时逐步增大空时码的信道利用率，以在保证一定信号传输质量的前提下提高系统的频谱利用率，从而可获得高的频谱效率和好的传输可靠性。

上述发送方法中，发射端还可以进一步根据接收端反馈的所述信噪比，采用自适应调制编码(AMC，Adaptive Modulation and Coding)方式对将要发送的二进制比特流进行编码调制，得到待发送的串行码流；在通过空时编码算法对待发送的串行码流进行空时编码，然后通过发送天线发送出去。请参照图4，在某个特定的无线信道环境下，通过仿真，获取在不同编码调制方式下的多个空时编码的频谱效率-信噪比的曲线图。图4中采用的调制方式包括QPSK、16QAM和64QAM，其中，对于SS-MIMO曲线，在信噪比4～10的区间段上使用的是16QAM调制方式；对于V-BLAST曲线，在信噪比10以上时使用的是64QAM调制方式；对于STBC曲线，在信噪比-10～4的区间段上使用的是QPSK调制方式。可以看出，在信噪比较大时采用了64QAM调制以携带更多的信息量，并同时采用V-BLAST进行空时编码以获取复用增益，可以使得频谱效率得到大幅度提高。在信噪比较小(如图4中的信噪比4～10的区间段上)时，则可以采用携带信息量较小的16QAM调制方式，采用斜对称空时编码方法SS-MIMO进行空时编码，从而对复用增益和分集增益进行折衷考虑；在信噪比更小(信噪比小于4)时，则可以采用携带信息量更小的QPSK调制和采用STBC空时编码，有利于在较恶劣的通信环境下获得较好的传输可靠性。这样，在不同信噪比条件下，发射端可以切换使用不同的调制方式(如QPSK、16QAM、64QAM等)，信道编码方式，和空时编码算法，从而，调制方式和空时码的编码方式都在自适应变化，也就能够获得更为理想的传输性能。

最后，本实施例基于上述发送方法，相应地还提供了一种发射机，包括：

基于V-BLAST编码算法的第一空时编码装置；

基于STBC编码算法的第二空时编码装置；

第三空时编码装置，该第三空时编码装置具体包括：串并转换单元，用于将待编码的串行码流中的符号以m个符号为一组进行串并转换，得到m个并行码流，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，为发送天线的数目；空时编码单元，用于根据所述m个符号，组成得到一个Nt×Nt的编码矩阵，所述编码矩阵中各行的Nt个符号，分别对应于各个发送天线在Nt个符号周期内发送的符号，其中，所述m个符号中属于第1个并行码流中的符号在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复Nt次，所述m个符号中属于第2a和(2a+1)个并行码流中的符号分别在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复(Nt-a)次，其中，1≤a≤Nt-1；

发射单元，用于将所述第一空时编码装置、第二空时编码装置或第三空时编码装置编码后得到的编码矩阵通过发送天线发送出去；

空时编码选择单元，用于根据接收端反馈的所述发射端与接收端之间无线信道的信噪比：在所述信噪比大于第一预定值时，选择所述第一空时编码装置对待发送串行码流进行空时编码；在所述信噪比大于第二预定值且小于或等于第一预定值时，选择所述第三空时编码装置对待发送的串行码流进行空时编码；在所述信噪比小于或等于第二预定值时，选择所述第二空时编码装置对待发送的串行码流进行空时编码。

本实施例所述的发射机，还可以包括：自适应编码调制单元，用于根据所述信噪比，采用自适应调制编码方式对将要发送的二进制比特流进行编码调制，得到所述待发送的串行码流。

另外，本实施例提供了一种无线信号接收和解码方法，应用于接收和解码发射端通过Nt根发送天线发送按照图1所述的空时编码方法得到的编码矩阵。如图5所示，该接收和解码方法方法具体包括以下步骤：

步骤12，在接收端，将接收到的m个并行码流转换成一个Nr×Nt接收符号矩阵。所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，Nt为发射天线的数目，Nr≥2，Nr为接收天线的数目。其中，该接收符号矩阵中每一行的Nt个符号(即该接收符号矩阵每一行的Nt个元素)，分别对应于各个接收天线在Nt个符号周期内接收的符号。

步骤13，根据所述Nr×Nt接收符号矩阵，估计出发射端的编码符号。

上述步骤13中，接收端在得到接收符号矩阵后，可以采用串行干扰消除(SIC，Successive Interference Cancellation)检测接收机或者最大似然(ML，Maximum Likelyhood)检测接收机来估计出发射端的编码符号。

另外，在步骤13中，为了方便接收端的解码，还可以对所述Nr×Nt接收符号矩阵作进一步处理，得到接收符号矢量；然后，根据该接收符号矢量，利用SIC检测接收机或ML检测接收机来估计出发射端的编码符号。可以按照以下方式对Nr×Nt接收符号矩阵进行处理以得到接收符号矢量：

(1)将接收端的Nr×Nt接收符号矩阵表示成Nr×Nt的信道矩阵和发射端Nt×Nt编码矩阵的乘积再加上Nr×Nt的噪声矩阵；

(2)将接收端的Nr×Nt接收符号矩阵矢量化成(Nr×Nt，1)的接收符号矢量，该接收符号矢量为(Nr×Nt，m)的信道矩阵和(m，1)的编码矢量的乘积再加上(Nr×Nt，1)的噪声矢量，其中，所述(Nr×Nt，m)的信道矩阵是根据所述Nr ×Nt的信道矩阵变化得到的，所述(m，1)的编码矢量是根据所述发射端Nt×Nt编码矩阵矢量化得到的，所述(Nr×Nt，1)的噪声矢量是对所述Nr×Nt的噪声矩阵矢量化得到的，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，Nt为发射天线的数目。

以Nt＝2(此时m＝3)，Nr＝2为例进行说明：

在接收端，将3个并行码流转换成一个2×2接收符号矩阵。其中，该接收符号矩阵中每一行的2个符号，分别对应于各个接收天线在2个符号周期内接收的符号，例如r₁和r₃分别对应于接收天线1在两个符号周期内接收到的符号，而r₂和r₄分别对应于接收天线2在两个符号周期内接收到的符号。

接收端的2×2接收符号矩阵可以表示成下面的2×2的信道矩阵和发射端2×2编码矩阵

的乘积再加上2×2的噪声矩阵

，即：

接收端的2×2接收符号矩阵可以矢量化成(4，1)的接收符号矢量。该矢量表示成经过变换后(4，3)的信道矩阵和发射端(3，1)的编码矢量的乘积再加上(4，1)的噪声矢量。

$\left[\begin{array}{ccc}{h}_{11}& h_{12}& 0\\ h_{21}& h_{22}& 0\\ h_{12}& 0& h_{11}\\ h_{22}& 0& h_{21}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\\ n_3\\ n_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2\\ r_3\\ r_4\end{array}\right]$

最后，本实施例还相应地提供了一种空时编码的解码装置，应用于接收和解码发射端通过Nt根发送天线发送按照图1所述的空时编码方法得到的编码矩阵。该解码装置包括：

并行码流转换单元，用于将接收到的m个并行码流转换成一个Nr×Nt接收符号矩阵，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，Nt为发射天线的数目，Nr≥2，Nr为接收天线的数目，其中，该接收符号矩阵中每一行的Nt个符号(即该接收符号矩阵每一行的Nt个元素)，分别对应于各个接收天线在Nt个符号周期内接收的符号；

估计单元，用于根据所述Nr×Nt接收符号矩阵，估计出发射端的编码符号。

具体的，所述估计单元可以进一步用于采用串行干扰消除(SIC，SuccessiveInterference Cancellation)检测接收机或者最大似然(ML，MaximumLikelyhood)检测接收机来估计出发射端的编码符号。

另外，为了方便接收端的解码，所述估计单元，还可以进一步用于根据所述Nr×Nt接收符号矩阵得到(Nr×Nt，1)的接收符号矢量，并根据该接收符号矢量，利用SIC检测接收机或ML检测接收机来估计出发射端的编码符号。

综上所述，本发明实施例所述空时编码方法及装置、无线信号的发送和接收方法及装置，通过在分集增益和复用增益之间取得平衡，达到了较高的频谱效率，并获得了较好的传输可靠性。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (16)

1.一种空时编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：在发射端，将串行码流中的符号以m个符号为一组进行串并转换，得到m个并行码流，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，Nt为发送天线的数目；

步骤B，根据所述m个符号，组成一个Nt×Nt的编码矩阵，所述编码矩阵中各行的Nt个符号，分别对应于各个发送天线在Nt个符号周期内发送的符号，其中，所述m个符号中属于第1个并行码流中的符号在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复Nt次，所述m个符号中属于第2a和(2a+1)个并行码流中的符号分别在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复(Nt-a)次，其中，1≤a≤Nt-1。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，第i个并行码流中的第n个符号是所述串行码流中的第(m×(n-1)+i)个符号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当Nt＝2，所述m个符号分别为第1个并行码流的符号S₁、第2个并行码流的符号S₂和第3个并行码流的符号S₃时，所述编码矩阵为：

$\left[\begin{array}{cc}{S}_1& S_3\\ S_2& S_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cc}{S}_1& S_2\\ S_3& S_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cc}{S}_2& S_1\\ S_1& S_3\end{array}\right]$ 或 $\left[\begin{array}{cc}{S}_3& S_1\\ S_1& S_2\end{array}\right].$

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当Nt＝3，所述m个符号分别为第1个并行码流的符号S₁、第2个并行码流的符号S₂和第3个并行码流的符号S₃、第4个并行码流的符号S₄和第5个并行码流的符号S₅时，所述编码矩阵为：

$\left[\begin{array}{ccc}{S}_1& S_3& S_5\\ S_2& S_1& S_3\\ S_4& S_2& S_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{S}_1& S_2& S_5\\ S_3& S_1& S_2\\ S_4& S_3& S_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{S}_1& S_2& S_4\\ S_3& S_1& S_2\\ S_5& S_3& S_1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{S}_4& S_2& S_1\\ S_2& S_1& S_3\\ S_1& S_3& S_5\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{S}_4& S_3& S_1\\ S_3& S_1& S_2\\ S_1& S_2& S_5\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{ccc}{S}_5& S_2& S_1\\ S_2& S_1& S_3\\ S_1& S_3& S_4\end{array}\right]$ 或 $\left[\begin{array}{ccc}{S}_5& S_3& S_1\\ S_3& S_1& S_2\\ S_1& S_2& S_4\end{array}\right].$

5.一种无线信号的发送方法，其特征在于，包括：

发射端对待发送的串行码流进行空时编码得到编码矩阵，并通过多根天线向接收端发送经空时编码得到的编码矩阵，其中，所述进行空时编码是：

发射端获取所述发射端与接收端之间无线信道的信噪比：

在所述信噪比大于第一预定值时，根据垂直分层空时V-BLAST编码算法对所述串行码流进行空时编码；

在所述信噪比小于或等于第二预定值时，根据空时分组码STBC编码算法对所述串行码流进行空时编码；

在所述信噪比大于第二预定值且小于或等于第一预定值时，按照以下方式对所述串行码流进行空时编码：将串行码流中的符号以m个符号为一组进行串并转换，得到m个并行码流，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，Nt为发送天线的数目；根据所述m个符号，组成一个Nt×Nt的编码矩阵，所述编码矩阵中各行的Nt个符号，分别对应于各个发送天线在Nt个符号周期内发送的符号，其中，所述m个符号中属于第1个并行码流中的符号在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复Nt次，所述m个符号中属于第2a和(2a+1)个并行码流中的符号分别在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复(Nt-a)次，其中，1≤a≤Nt-1。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

发射端进一步根据所述信噪比，采用自适应调制编码方式对将要发送的二进制比特流进行编码调制，得到所述待发送的串行码流。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一预定值和第二预定值按照以下方式确定：获取仿真得到的不同空时编码算法在所述发射端和接收端之间的无线信道环境下的信噪比-频谱效率曲线；根据所有频谱效率曲线，选择其中具有最高频谱效率的曲线段，根据各个曲线段的端点所对应的信噪比，确定所述第一预定值和第二预定值。

8.一种空时编码装置，其特征在于，包括：

串并转换单元，用于将串行码流中的符号以m个符号为一组进行串并转换，得到m个并行码流，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，为发送天线的数目；

空时编码单元，用于根据所述m个符号，组成得到一个Nt×Nt的编码矩阵，所述编码矩阵中各行的Nt个符号，分别对应于各个发送天线在Nt个符号周期内发送的符号，其中，所述m个符号中属于第1个并行码流中的符号在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复Nt次，所述m个符号中属于第2a和(2a+1)个并行码流中的符号分别在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复(Nt-a)次，其中，1≤a≤Nt-1。

9.一种发射机，其特征在于，包括：

基于V-BLAST编码算法的第一空时编码装置；

基于STBC编码算法的第二空时编码装置；

第三空时编码装置，该第三空时编码装置具体包括：串并转换单元，用于将待编码的串行码流中的符号以m个符号为一组进行串并转换，得到m个并行码流，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，为发送天线的数目；空时编码单元，用于根据所述m个符号，组成得到一个Nt×Nt的编码矩阵，所述编码矩阵中各行的Nt个符号，分别对应于各个发送天线在Nt个符号周期内发送的符号，其中，所述m个符号中属于第1个并行码流中的符号在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复Nt次，所述m个符号中属于第2a和(2a+1)个并行码流中的符号分别在该编码矩阵的不同行和不同列的位置上重复(Nt-a)次，其中，1≤a≤Nt-1；

发射单元，用于将所述第一空时编码装置、第二空时编码装置或第三空时编码装置编码后得到的编码矩阵通过发送天线发送出去；

空时编码选择单元，用于根据接收端反馈的所述发射端与接收端之间无线信道的信噪比：在所述信噪比大于第一预定值时，选择所述第一空时编码装置对待发送串行码流进行空时编码；在所述信噪比大于第二预定值且小于或等于第一预定值时，选择所述第三空时编码装置对待发送的串行码流进行空时编码；在所述信噪比小于或等于第二预定值时，选择所述第二空时编码装置对待发送的串行码流进行空时编码。

10.如权利要求9所述的发射机，其特征在于，还包括：

自适应编码调制单元，用于根据所述信噪比，采用自适应调制编码方式对将要发送的二进制比特流进行编码调制，得到所述待发送的串行码流。

11.一种无线信号接收和解码方法，应用于接收和解码发射端通过多根发送天线发送按照权利要求1所述的空时编码方法得到的编码矩阵，其特征在于，包括以下步骤：

步骤C，在接收端，将接收到的m个并行码流转换成一个Nr×Nt接收符号矩阵，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，Nt为发送天线的数目，Nr≥2，Nr为接收天线的数目，其中，该接收符号矩阵中每一行的Nt个符号，分别对应于各个接收天线在Nt个符号周期内接收的符号；

步骤D，根据所述Nr×Nt接收符号矩阵，估计出发射端的编码符号。

12.如权利要求11所述的无线信号接收和解码方法，其特征在于，所述步骤D中，进一步采用串行干扰消除SIC检测接收机或者最大似然ML检测接收机来估计出发射端的编码符号。

13.如权利要求11所述的无线信号接收和解码方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

步骤D1，将接收端的Nr×Nt接收符号矩阵表示成Nr×Nt的信道矩阵和发射端Nt×Nt编码矩阵的乘积再加上Nr×Nt的噪声矩阵；

步骤D2，将接收端的Nr×Nt接收符号矩阵矢量化成(Nr×Nt，1)的接收符号矢量，该接收符号矢量为(Nr×Nt，m)的信道矩阵和(m，1)的编码矢量的乘积再加上(Nr×Nt，1)的噪声矢量，其中，所述(Nr×Nt，m)的信道矩阵是根据所述Nr×Nt的信道矩阵变化得到的，所述(m，1)的编码矢量是根据所述发射端Nt×Nt编码矩阵矢量化得到的，所述(Nr×Nt，1)的噪声矢量是对所述Nr×Nt的噪声矩阵矢量化得到的；

步骤D3，采用串行干扰消除SIC检测接收机或者最大似然ML检测接收机对所述(Nr×Nt，1)的接收符号矢量进行检测，估计出发射端的编码符号。

14.一种空时编码的解码装置，应用于接收和解码发射端通过Nt根发送天线发送按照权利要求1所述的空时编码方法得到的编码矩阵，该解码装置包括：

并行码流转换单元，用于将接收到的m个并行码流转换成一个Nr×Nt接收符号矩阵，所述m＝(2×Nt-1)，Nt≥2，Nt为发射天线的数目，Nr≥2，Nr为接收天线的数目，其中，该接收符号矩阵中每一行的Nt个符号(即该接收符号矩阵每一行的Nt个元素)，分别对应于各个接收天线在Nt个符号周期内接收的符号；

估计单元，用于根据所述Nr×Nt接收符号矩阵，估计出发射端的编码符号。

15.如权利要求14所述的空时编码的解码装置，其特征用于，所述估计单元进一步用于采用串行干扰消除检测接收机或者最大似然检测接收机来估计出发射端的编码符号。

16.如权利要求14所述的空时编码的解码装置，其特征用于，所述估计单元进一步用于根据所述Nr×Nt接收符号矩阵得到(Nr×Nt，1)的接收符号矢量，并根据该接收符号矢量，利用串行干扰消除检测接收机或最大似然检测接收机来估计出发射端的编码符号。

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