CN101729214B - 在多天线通信系统中发射信号的方法和发射机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了在多天线通信系统中发射信号的方法、发射机和接收机。该方法包括：发射机对待发射信号进行分层，对每层信号进行正交空时分组STBC编码，根据当前的信道状态和预先确定的性能最优准则计算预编码矩阵F，利用计算出的预编码矩阵F对STBC编码后的待发射信号进行预编码后发射。应用本发明，能够提高通信系统的信号传输性能，例如，降低信号传输的误码率，增大系统容量。

Description

在多天线通信系统中发射信号的方法和发射机

技术领域

本发明涉及多天线通信系统中的信号发射技术领域，尤其涉及在多天线通信系统中发射信号的方法和发射机。

背景技术

多天线通信系统通过在发射端和接收端同时放置多副天线，利用多副天线来发射信号。具体地，多天线通信系统首先对待发射信号进行空时编码，然后采用多输入多输出(MIMO)技术通过多天线发射编码后的信号。

空时编码技术能够使不同天线发射的信号之间产生空域相关性，不同周期发射的信号之间产生时域相关性，这种空域相关性和时域相关性能够明显改善多径衰落，提高信号传输的可靠性，从而获得空间增益和分集增益，提高频率资源的利用率。

目前，空时编码技术包括三类典型结构，分别为：正交空时分组(STBC)编码、空时网格(STTC)编码和空时分层(LSTC)编码。其中，STBC和STTC基于发射分集技术，用于获得分集增益，LSTC基于空间复用技术，用于获得空间增益。

STTC将调制和编码相结合，在获得分集增益的同时，还能够获得编码增益，但对STTC码进行译码的复杂度较高。垂直-贝尔分层空时码(V-BLAST)是LSTC的一种常用方法，V-BLAST将信源信号分为若干信号流，对各个信号流进行独立传输，能够提高系统的码元传输速率，获得较高的频谱利用率，即获得较高的空间复用增益。

现有技术中提出，将STBC编码与V-BLAST编码结合。具体地，先对待发射信号进行V-BLAST编码，然后再对V-BLAST编码后的待发射信号进行STBC编码，最后直接将STBC编码后的待发射信号进行调制后发射出去。这种将STBC编码与V-BLAST编码结合的方法能够在分集增益与复用增益之间进行折中，在确保通信系统的信号传输可靠性的同时，提高通信系统的频谱利用率。

众所周知，用于传输信号的信道状态会影响信号传输的可靠性，由于现有将STBC编码与V-BLAST编码结合的方法并没有考虑信道状态对信号传输的影响，因此，其对通信系统的信号传输性能的提高有限。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供在多天线通信系统中发射信号的方法和发射机，以提高通信系统的信号传输性能。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案具体是这样实现的：

一种在多天线通信系统中发射信号的方法，该方法包括：

发射机对待发射信号进行分层，对每层信号进行正交空时分组STBC编码，根据当前的信道状态和预先确定的性能最优准则计算预编码矩阵F，利用计算出的预编码矩阵F对STBC编码后的待发射信号进行预编码后发射。

一种发射机，该发射机包括分层单元、STBC编码单元、预编码矩阵F计算单元、预编码单元和发射单元；

所述分层单元，用于对待发射信号进行分层，将分出的各层信号发给STBC编码单元；

所述STBC编码单元，用于对接收的每层信号进行STBC编码，将STBC编码后的待发射信号发给预编码单元；

所述预编码矩阵F计算单元，用于根据当前的信道状态和预先确定的性能最优准则计算预编码矩阵F；

所述预编码单元，用于接收STBC编码后的待发射信号，利用所述预编码矩阵F对所述STBC编码后的待发射信号进行预编码后发给发射单元；

所述发射单元，用于发射预编码后的信号。

由上述技术方案可见，本发明在对待发射信号进行分层，对每层信号进行STBC编码后，根据当前的信道状态和预先确定的性能最优准则计算预编码矩阵F，利用计算出的预编码矩阵F对STBC编码后的待发射信号进行预编码后发射。由于在发射信号前，对STBC编码后的待发射信号进行了预编码，并且进行所述预编码所采用的预编码矩阵F是根据当前的信道状态和预先确定的性能最优准则计算得到的，因此，本发明中这种发射信号的方法考虑了信道状态对信号传输的影响，能够提高通信系统的信号传输性能。

附图说明

图1是本发明在多天线通信系统中传输信号的方法流程图。

图2是对待发射信号C进行分层的示意图。

图3是采用G2编码方案时，经STBC编码后的待发射信号结构图。

图4是采用H3编码方案时，经STBC编码后的待发射信号结构图。

图5是依据信道容量最大化原则计算预编码矩阵F的方法流程图。

图6是本发明的系统比特差错概率(BER)仿真效果图。

图7是本发明的发射机结构图。

图8是图7中预编码矩阵F计算单元704的结构图。

图9是本发明的接收机结构图。

图10是应用本发明的发射机和接收机进行信号传输的示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想是，发射机对待发射信号进行分层，对每层信号进行正交空时分组STBC编码，根据当前的信道状态和预先确定的性能最优准则计算预编码矩阵F，利用计算出的预编码矩阵F对STBC编码后的待发射信号进行预编码后发射。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明在多天线通信系统中传输信号的方法流程图。该方法适用于发射机和接收机都能够获知当前信道状态的移动通信系统，例如时分复用(TDD)系统、采用MIMO技术和正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)相结合的技术的通信系统即MIMO+OFDM结构下的通信系统，在这些移动通信系统中，发射端与接收端的信道状态可互易。

图1所示传输信号的方法分为发射信号阶段和接收信号阶段，如图1所示，该方法具体包括：

步骤101，发射机对待发射信号进行分层。

假设发射天线的数目为N_t，接收天线的数目为N_r，本发明适用于分层空间复用系统中，而分层空间复用系统要求接收天线数目大于或者等于发射天线数目，因此，N_r≥N_t。所述分层空间复用系统，结合了分层空时编码技术(STBC)与空间复用技术(BLAST)。

假设待发射信号为 $C=[c_1,c_2\·\·\·c_{N_t}],$ 在对待发射信号C进行分层时，按照每M个码元分为一组的方式对待发射信号C进行串并转换，分出的同一组码元属于一个信号层，不同组码元属于不同信号层。

假设待发射信号C共被分为L层，那么，M·L＝N_t。其中，具体将待发射信号分为几层，即L的具体取值取决于步骤102中采用哪种STBC编码方案对各层信号进行STBC编码，所述STBC编码方案是在设计发射机时预先确定的。当预先确定所述编码方案为G2编码方案时，M的取值为2，则L＝N_t/2。

图2是对待发射信号C进行分层的示意图。如图2所示，待发射信号C经过串并转换后，共分出N_t/M层信号，各层信号分别为c_M…c₁、 $c_{2M}\·\·\·c_{M+1}{......c}_{N_t}\·\·\·c_{N_t-M+1}.$

步骤102，发射机对每层信号进行STBC编码。

本步骤中，按照文献“V.Tarokh，H.Jafarkhani and A.R.Calderbank，‘Space-Time block codes from orthogonal designs’IEEE Transactions onInformation Theory，Vol.5，pp.1456-1467，July1999”中的STBC编码规则对各层信号进行STBC编码，形成STBC码块S_u(u＝1......L)，其中，S_u为M×T维矩阵，代表在T个时间片内发送M个码元符号。

图3是采用G2编码方案时，经STBC编码后的待发射信号结构图。

如图3所示，经STBC编码后的待发射信号共分为L个STBC码块S₁，S₂…S_L，这L个STBC码块在第一时刻和第二时刻这两个时间片内发射。

图4是采用H3编码方案时，经STBC编码后的待发射信号结构图。

如图4所示，经STBC编码后的待发射信号的L个STBC码块S₁，S₂…S_L在第一时刻、第二时刻、第三时刻和第四时刻这四个时间片内发射。

图3和图4中的各个元素c_n(n＝1......N_t)是复信号，代表一个码元。

步骤103，发射机根据当前的信道状态和预先确定的性能最优准则计算预编码矩阵F。

本步骤中，计算预编码矩阵F的具体方法详见后文相关说明。

步骤103与步骤101和步骤102的先后顺序无关紧要，即，可以先执行步骤101和步骤102，再执行步骤103，也可以先执行步骤103，再执行步骤101和步骤102。

步骤104，发射机利用计算出的预编码矩阵F对STBC编码后的待发射信号进行预编码后发射。

本步骤中，将预编码矩阵F与STBC编码后的待发射信号相乘，对所得乘积结果进行调制后发射出去。

上述步骤101～步骤104是发射信号阶段。信号被发射后，经由信道传输至接收机。步骤105～步骤107是接收信号阶段。

步骤105，接收机估计等效信道矩阵。

本步骤中，接收机可以根据导频信号估计出等效信道矩阵。具体如何根据导频信号估计信道矩阵属于现有技术。

步骤106，接收机对估计出的等效信道矩阵进行QR分解。

步骤107，接收机根据分解出的上三角矩阵R分量和待发射信号的分层结构，从最后一层开始，对接收的信号进行逐层译码。

本步骤中，对接收的信号进行逐层译码的方法详见后文相关说明。

另外，可以为步骤103和步骤105中的预编码矩阵F设置有效期，此时，只要预编码矩阵F有效，则在发射信号时不需要执行步骤103，如果预编码矩阵F过期，则发射机重新计算预编码矩阵F。具体地，发射机根据信道状态的变化情况设置预编码矩阵F的有效期，如果信道状态变化较慢，则可以为预编码矩阵F设置较长的有效期，反之，为预编码矩阵F设置较短的有效期，例如，可以将信道的相干时间设置为预编码矩阵F的有效期。

下面对步骤103中计算预编码矩阵F的方法进行详细介绍。

在根据当前的信道状态和预先确定的性能最优准则计算预编码矩阵F时，所述的性能最优准则可以为信道容量最大化原则，也可以为成对差错概率最小化原则。

图5是依据信道容量最大化原则计算预编码矩阵F的方法流程图。如图5所示，该方法包括：

步骤501，发射机按照对待发射信号划分的层次，将表示当前信道状态的信道矩阵H划分为各个子信道H_u，其中u＝1......L。

本步骤中，按照对待发射信号划分的层次，将信道矩阵H的每相邻M列分为一组，如式(1)所示，

H＝[H₁H₂…H_L]   (1)

H_u为H的第(u-1)M+1列到第uM列所构成的N_r×M维信道子矩阵，代表第u层STBC码块对应的子信道。

步骤502，发射机对各个子信道H_u进行QR分解。

按照 $H_u=Q_{u,u}^{\′}{R}_{u,u}^{\′}$ 对H_u进行QR分解，其中，分解出的Q分量

为酉分量、R分量

为上三角矩阵。

步骤503，发射机对每个子信道H_u分解出的

进行奇异值分解。

按照 $R_{u,u}^{\′}=U_u{\mathrm{\Λ}}_u{V}_u^H$ 进行奇异值分解，其中Λ_u是对角矩阵， ${\mathrm{\Λ}}_u=\mathrm{diag}\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\λ}}_{R_{u,u},1}& {\mathrm{\λ}}_{R_{u,u},2}& \·\·\·& {\mathrm{\λ}}_{R_{u,u},M}\end{array}\right],$ Λ_u的各非零元素降序排列。

步骤504，发射机计算奇异值分解出的V_u分量对应的能量分布矩阵P_u。

能量分布矩阵P_u的对角线上的各个元素服从注水分布，即：

$p_i={(\mathrm{\κ}-\frac{N_0}{{\mathrm{\λ}}_{R_{u,u},i}^2})}_{+}i=1......M$

其中，()₊表示若()中内容大于零，则()₊为原值，若()中内容小于等于零，则()₊为0，如下公式所示：

$\mathrm{cons}={\left(m\right)}_{+}=\left\{\begin{array}{cc}m& m>0\\ 0& m\≤0\end{array}\right.$

其中，κ为注水均值，可利用迭代算法求得，具体如何利用迭代算法求注水均值属于现有技术，N₀是噪声功率谱密度。

步骤505，发射机根据 $F_u=V_u{P}_u^{1/2}$ 计算各个子信道H_u对应的预编码子矩阵F_u。

步骤506，发射机将计算出的预编码子矩阵Fu作为预编码矩阵F的对角线上的矩阵，将0矩阵作为预编码矩阵F的非对角线上的矩阵，构造预编码矩阵F，即，预编码矩阵为：

利用预编码矩阵F对STBC编号后的待发射信号进行预编码时，将预编码矩阵F与STBC编号后的待发射信号相乘，则每个F_u对应乘以一个STBC码块，因此，对于各个STBC码块而言，相当于对各个STBC码块进行独立的预编码，能够减小各层信号之间的干扰。

依据成对差错概率最小化原则计算预编码矩阵F的方法与图5所示方法相同。

下面介绍图1所示方法步骤107中接收机对接收的信号进行逐层译码的具体方法：

发射机对待发射信号进行STBC编码后得到信号S，利用预编码矩阵F对信号S进行预编码，即用F乘以S，将所得结果FS经调制发射出去后，信号FS经信道传输至接收机。其中，信道对传输的信号的影响可以用信道矩阵H表示，同时，在信号传输过程中还会受到干扰噪声的影响，因此，接收机接收的信号可以表示为：

Y＝HFS+n                  (2)

可以用信道矩阵H表示准静态平坦瑞利衰落信道，也可以用信道矩阵H表示莱斯信道，可以通过仿真来确定信道矩阵H具体表示哪种信道。当信道矩阵H表示准静态平坦瑞利衰落信道时，信道矩阵H是N_r×N_t维的矩阵，其各个元素服从均值为0、方差为1的复高斯分布。n是N_r×T维复高斯白噪声，其中各元素服从均值为0，方差为N₀/2的独立复高斯分布。

式(2)中，信道矩阵H与预编码矩阵F的乘积HF相当于等效信道矩阵，接收机根据导频信号可以估计出该等效信道矩阵HF。

接收机对等效信道矩阵HF进行QR分解，得到

HF＝QR                      (3)

对于式(3)和图5中的步骤502需要补充说明的是，发射机和接收机部分虽然都对信道进行了QR分解，但二者分解对象不同：发射端是对每一个子信道H_u进行QR分解，而接收端是对系统整体等效信道HF进行QR分解。

接收机用式(3)中分解出的Q分量的共轭转置矩阵Q^H乘以接收到的信号Y，得到：

$\hat{Y}=Q^{H}Y---\left(4\right)$

$=\mathrm{RS}+\hat{n}$

接收机根据发射机对待发射信号划分的层次，对按照式(3)分解出的R分量进行分块处理，得出每一层STBC编码后的信号对应的等效矩阵R_u，u。

当收发天线数目相同时，即N_r＝N_t时，对R分量进行分块处理，分出的每块子矩阵是M×M维的方阵，如下：

当收发天线数目不同时，即N_r>N_t时，上三角矩阵R分量为：

R分量的子矩阵

是N_t×N_t维的上三角矩阵，对

按照发射机对待发射信号进行分层的层数进行分块，分出的每块子矩阵是M×M维的方阵，如下：

信号

和噪声

也可以做分块处理，即： $\hat{Y}=\left[\begin{array}{c}{\hat{y}}_1\\ {\hat{y}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\hat{y}}_L\end{array}\right],$ $\hat{n}=\left[\begin{array}{c}{\hat{n}}_1\\ {\hat{n}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\hat{n}}_L\end{array}\right],$ 那么，第u层STBC编码后的信号S_u经发射机发射，传输至接收机后，在接收机侧对应的接收信号为：

${\hat{y}}_u=R_{u,u}{S}_u+\underset{l=u+1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{u,l}{S}_l+{\hat{n}}_u,$  1≤u≤L   (5)

式(5)中，

表示其他各层信号对第u层信号产生的干扰。接收机从第L层开始，逐层译码，即令u依次等于L，L-1…1，依次译出第u层信号。其中，在进行每一层的STBC译码时，根据STBC编码的正交性进行最大似然(ML)译码，得到第u层信号的码元 ${\hat{c}}_{(u-1)M+1}\·\·\·{\hat{c}}_{\mathrm{uM}}.$

由于接收机从第L层开始顺次译出各层信号，因此，在第u层信号进行译码时，由于从第L层信号开始倒数的前L-u层信号的码元已经译出，因此，可以滤除干扰项

对第u层信号译码产生的干扰，从而提高译码准确性。接收机按照QR分组技术对接收的信号进行译码的过程也可参见文献“Lan Zhao，V.K.Dubey，‘Detection Schemes for Space-Time Block Code andSpatial Multiplexing Combined System’IEEE CommunicationLetters，Vol.9，No.1，January 2005”。

下面对利用预编码矩阵F对待发射信号进行预编码为何能够提高系统的信道容量、降低误码率分别进行理论分析。

一、利用预编码矩阵F对STBC编码后的待发射信号进行预编码能够提高系统的信道容量的理论分析：

第u层STBC码块可获得的信道容量可以表示为：

$C_u=\underset{\mathrm{tr}\left(F_u{F}_u^H\right)<E_s}{\max }{\log }_2\det (I_{N_r}+H_u{F}_u{W}_{\mathrm{ss},u}{F}_u^H{H}_u^H/N_0)---\left(6\right)$

其中，W_ss，u为第u层信号S_u的协方差矩阵，E_s是信号能量，是N_r维的单位阵。

采用STBC编码的通信系统容量可近似为各层STBC码块获得的系统容量之和，即：

$C\&ap;\underset{u=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_u$  u＝1，2...L   (7)

将发射机对H_u进行QR分解得到的结果 $H_u=Q_{u,u}^{\&prime;}{R}_{u,u}^{\&prime;}$ 代入式(6)，则得到：

$C_u=\underset{\mathrm{tr}\left(F_u{F}_u^H\right)<E_s}{\max }{\log }_2\det [I_{N_r}+Q_{u,u}^{\&prime;}{R}_{u,u}^{\&prime;}{F}_u{W}_{\mathrm{ss},u}{\left(F_u\right)}^H{\left(R_{u,u}^{\&prime;}\right)}^H{\left(Q_{u,u}^{\&prime;}\right)}^H/N_0]---\left(8\right)$

根据det(I+AB)＝det(I+BA)，则式(8)可以变换为：

$C_u=\underset{\mathrm{tr}\left(F_u{F}_u^H\right)<E_s}{\max }{\log }_2\det [I_{N_r}+Q_{u,u}^{\&prime;}{R}_{u,u}^{\&prime;}{F}_u{W}_{\mathrm{ss},u}{\left(F_u\right)}^H{\left(R_{u,u}^{\&prime;}\right)}^H{\left(Q_{u,u}^{\&prime;}\right)}^H/N_0]$

$=\underset{\mathrm{tr}\left(F_u{F}_u^H\right)<E_s}{\max }{\log }_2\det [I_{N_r}+{\left(Q_{u,u}^{\&prime;}\right)}^H{Q}_{u,u}^{\&prime;}{R}_{u,u}^{\&prime;}{F}_u{W}_{\mathrm{ss},u}{\left(F_u\right)}^H{\left(R_{u,u}^{\&prime;}\right)}^H/N_0]---\left(9\right)$

$=\underset{\mathrm{tr}\left(F_u{F}_u^H\right)<E_s}{\max }{\log }_2\det (I_M+R_{u,u}^{\&prime;}{F}_u{W}_{\mathrm{ss},u}{F}_u^H{\left(R_{u,u}^{\&prime;}\right)}^H/N_0)$

将发射机对

进行奇异值分解的结果 $R_{u,u}^{\&prime;}=U_u{\mathrm{\&Lambda;}}_u{V}_u^H$ 代入式(5)，则得到：

$C_u=\underset{\mathrm{tr}\left(F_u{F}_u^H\right)<E_s}{\max }{\log }_2\det (I_M+\frac{1}{N_0}{U}_u{\mathrm{\&Lambda;}}_u{V}_u^H{F}_u{W}_{\mathrm{ss},u}{F}_u^H{V}_u{\mathrm{\&Lambda;}}_u{U}_u^H)$

                                                 (10)

$=\underset{\mathrm{tr}\left(F_u{F}_u^H\right)<E_s}{\max }{\log }_2\det (I_M+\frac{1}{N_0}{\mathrm{\&Lambda;}}_u{V}_u^H{F}_u{W}_{\mathrm{ss},u}{F}_u^H{V}_u{\mathrm{\&Lambda;}}_u)$

根据Hadamard不等式，任意方阵B均满足： $\det \left(B\right)\&le;\underset{i}{\mathrm{\&Pi;}}{B}_{i,i}$ ，其中“＝”在B为对角阵时取得。因而，如果要使式(10)取得最大值，必须保证 $I_M+\frac{1}{N_0}{\mathrm{\&Lambda;}}_u{V}_u^H{F}_u{W}_{\mathrm{ss},u}{F}_u^H{V}_u{\mathrm{\&Lambda;}}_u$ 为对角阵。

由于采用正交STBC编码， $W_{\mathrm{ss},u}=S_u{S}_u^H=\mathrm{\&alpha;I},$ 因此，式(10)可以变换为：

$C_u=\underset{\mathrm{tr}\left(F_u{F}_u^H\right)<E_s}{\max }{\log }_2\det (I_M+\frac{\mathrm{\&alpha;}}{N_0}{\mathrm{\&Lambda;}}_u{V}_u^H{F}_u{F}_u^H{V}_u{\mathrm{\&Lambda;}}_u)---\left(11\right)$

若

的特征矩阵与V_u匹配，即 $F_u{F}_u^H=V_u{P}_u{V}_u^H$ ，则式(11)可取得最大值 $\max C_u={\log }_2\det (I_M+\frac{\mathrm{\&alpha;}}{N_0}{\mathrm{\&Lambda;}}_u^2{P}_u),$ 相应地，式(7)也可以取得最大值。也就是说，当 $F_u{F}_u^H=V_u{P}_u{V}_u^H$ 时，通信系统的信道容量取得最大值，这时， $F_u=V_u{P}_u^{1/2},$ 其中，V_u表示特征波束成形的方向矩阵，P_u是V_u的能量分布矩阵，即P_u代表各个波束方向上的能量分布。

P_u的对角线上的各元素服从注水分布，即：

$p_i={(\mathrm{\&kappa;}-\frac{N_0}{{\mathrm{\&lambda;}}_{R_{u,u},i}^2})}_{+}$  1≤i≤M   (12)

其中，κ为注水均值，可利用迭代算法求得。

基于上述分析可知，利用预编码矩阵F对STBC编码后的待发射信号进行预编码能够提高系统的信道容量。

二、利用预编码矩阵F对STBC编码后的待发射信号进行预编码能够降低信号传输的差错概率即降低误码率的理论分析：

接收机接收到经STBC编码后的信号后，使用最大似然(ML)译码，第u层STBC码块的成对差错概率边界(pair-wise error probability bound，PEP界)为：

$P(S_u\&RightArrow;\widehat{S_u})\&le;{\left[\det (I+H_u{F}_u(S_u-\widehat{S_u}){(S_u-\widehat{S_u})}^H{F}_u^H{H}_u^H)\right]}^{-N_r}---\left(13\right)$

其中，

是STBC码块S_u的最大似然估计值。

要使式(13)取得最大值，预编码矩阵F的取值需满足：

$\underset{\mathrm{tr}\left({\mathrm{FF}}^H\right)<E_s}{\max }\det (I+H_u{F}_u(S_u-\widehat{S_u}){(S_u-\widehat{S_u})}^H{F}_u^H{H}_u^H)---\left(14\right)$

也就是说，要使成对差错概率最小，或者说要使误码率最小，则预编码矩阵需要满足式(14)。由于式(14)与式(6)同时取得最大值，因此，采用图5所示方法算得的预编码矩阵也能够降低信号传输的成对差错概率，或者说降低信号传输的误码率。

通过仿真实验也能够证明本发明能够降低信号传输的成对差错概率。

在仿真实验中，应用MATLAB软件进行仿真，采用平坦瑞利衰落信道模型，通信系统共有4副发射天线和4副接收天线，将待发射信号分为2层，每层信号采用G2编码方案进行STBC编码，即进行Alamouti编码，则第u层STBC码块可以表示为：

$S_u=\left[\begin{array}{cc}{c}_{2u-1}& -c_{2u}^{*}\\ c_{2u}& c_{2u-1}^{*}\end{array}\right]$

在仿真中，采用现有技术中直接对STBC编码后的信号进行调制后发射的方法发射信号，得到相应的BER曲线；先采用预编码矩阵F对STBC编码后的信号进行预编码，再将预编码后的信号进行调制发射，得到相应的BER曲线。

图6是本发明的BER仿真效果图。

图6中，横坐标是信噪比(SNR)，横坐标单位是分贝(dB)，纵坐标是BER。图6中带有短横线标记的曲线，即曲线2、曲线4和曲线6，表示的是采用现有技术中的方法发射信号产生的BER，带有圆圈标记的曲线，即曲线1、曲线3和曲线5，表示的是本发明的方法发射信号产生的BER。其中，曲线1和曲线2是在二进制相移键控(QPSK)调制方式下获得的BER曲线，曲线3和曲线4是在16样点正交幅度调制(16QAM调制)方式下获得的BER曲线，曲线5和曲线6是在64样点正交幅度调制(64QAM调制)方式下获得的BER曲线。

从图6可见，采用本发明的方法发射信号能够降低发射信号产生的BER。在QPSK调制方式下，本发明可使系统获得预编码增益约2dB；16QAM调制方式下，获得预编码增益约为0.5dB；64QAM调制方式下，获得预编码增益约为0.1～0.2dB。因此，在相同信噪比情况下，本发明可使系统BER性能获得改善，但随着调制维数的增加，BER性能的改善程度有所减少。

下面给出本发明的装置实施例。

图7是本发明的发射机结构图，如图7所示，该发射机包括分层单元701、STBC编码单元702、预编码矩阵F计算单元703、预编码单元704和发射单元705。

分层单元701，用于对待发射信号进行分层，将分出的各层信号发给STBC编码单元702。

STBC编码单元702，用于对接收的每层信号进行STBC编码，将STBC编码后的待发射信号发给预编码单元704。

预编码矩阵F计算单元703，用于根据当前的信道状态和预先确定的性能最优准则计算预编码矩阵F。

预编码单元704，接收STBC编码后的待发射信号，利用所述预编码矩阵F对所述STBC编码后的待发射信号进行预编码后发给发射单元705。

发射单元705，用于发射预编码后的信号。

图8是图7中预编码矩阵F计算单元704的结构图。如图8所示，预编码矩阵F计算单元704包括子信道划分模块7041、预编码子矩阵F_u计算模块7042和预编码矩阵F构造模块7043。

子信道划分模块7041，用于根据对待发射信号分层的方法，对表示当前信道状态的信道矩阵H进行分层，得到每层信号对应的子信道H_u。其中，如何对待发射信号进行分层是在设计接收机和发射机时确定的，因此，接收机和发射机均知晓如何对待发射信号划分层次。

预编码子矩阵F_u计算模块7042，用于对子信道H_u进行QR分解，将分解出的R分量矩阵

按照 $R_{u,u}^{\&prime;}=U_u{\mathrm{\&Lambda;}}_u{V}_u^H$ 进行奇异值分解得到特征波束成形的方向矩阵V_u的转置矩阵V_u ^H，计算各个V_u的能量分布P_u，根据 $F_u=V_u{P}_u^{1/2}$ 计算每层信号对应的预编码子矩阵F_u。

预编码矩阵F构造模块7043，用于将预编码子矩阵F_u作为预编码矩阵F对角线上的矩阵，将0矩阵作为预编码矩阵F非对角线上的矩阵，构造预编码矩阵F。

图9是本发明的接收机结构图，如图9所示，该接收机包括等效信道矩阵估计单元901、QR分解单元902和接收译码单元903。

等效信道矩阵估计单元901，用于根据导频信号估计等效信道矩阵。

QR分解单元902，用于对等效信道矩阵进行QR分解。

接收译码单元903，用于接收信号，根据QR分解单元分解出的R分量、按照发射机对待发射信号划分的层次，从最后一层开始，顺次对各层信号进行译码。

图10是应用本发明的发射机和接收机进行信号传输的示意图。

如图10所示，发射机通过串并转换来对待发射信号C进行分层，分别对分出的各层信号c_M…c₁、 $c_{2M}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;c_{M+1}......c_{N_t}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;c_{N_t-M+1}$ 进行STBC编码，得到STBC编码后的信号，即STBC码块S₁、S₂......S_L，分别利用预编码矩阵F的各个预编码子矩阵F₁、F₂......F_L对各个STBC码块进行预编码，发射预编码之后的信号。预编码之后的信号经由信道传输至接收机，其中，该信道对信号传输的影响可以用信道矩阵H来表示。图10中的表示噪声对编码后的信号的影响。接收机按照发射机对待发射信号C分出的层次将接收的信号进行分层，对每层接收的信号

从第L层信号

开始逐层采用ML方法进行STBC译码，图10中的 ${\hat{c}}_M\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\widehat{c_1},{\hat{c}}_{2M}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;{\hat{c}}_{M+1}......{\hat{c}}_{N_t}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;{\hat{c}}_{N_t-M+1}$ 是译码之后的信号。

由上述技术方案可见，由于本发明在将STBC编码后的信号发射出去之前，根据当前的信道状态和性能最优准则计算预编码矩阵F，利用预编码矩阵F对STBC编码后的信号进行预编码，以补偿信道对信号传输的影响，提高信号传输的性能，而且，无论是理论分析，还是仿真实验，均证明了本发明能够提高通信系统的信号传输性能。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种在多天线通信系统中发射信号的方法，其特征在于，该方法包括：

发射机对待发射信号进行分层，对每层信号进行正交空时分组STBC编码，根据当前的信道状态和预先确定的性能最优准则计算预编码矩阵F，利用计算出的预编码矩阵F对STBC编码后的待发射信号进行预编码后发射；

所述计算预编码矩阵F包括：

根据对待发射信号分层的方法，对表示当前信道状态的信道矩阵H进行分层，得到每层信号对应的子信道H_u；

对子信道H_u进行QR分解，将分解出的R分量矩阵R'_u,u按照

进行奇异值分解得到特征波束成形的方向矩阵V_u的转置矩阵V_u ^H，计算各个V_u的能量分布P_u，根据计算每层信号对应的预编码子矩阵F_u；

预编码矩阵F由位于对角线上的预编码子矩阵F_u和非对角线上的0矩阵构成；

其中，u是不大于L的自然数，L是待发射信号被分出的层数，Λ_u是对角阵。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述性能最优准则为信道容量最大化原则或成对差错概率最小化原则。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：按照信道状态的变化情况，设置预编码矩阵F的有效期，预编码矩阵F过期后，根据当前的信道状态重新计算预编码矩阵F。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述按照信道状态的变化情况，设置预编码矩阵F的有效期为：将信道的相干时间设置为预编码矩阵F的有效期。

5.一种发射机，其特征在于，该发射机包括分层单元、STBC编码单元、预编码矩阵F计算单元、预编码单元和发射单元；

所述分层单元，用于对待发射信号进行分层，将分出的各层信号发给STBC编码单元；

所述STBC编码单元，用于对接收的每层信号进行STBC编码，将STBC编码后的待发射信号发给预编码单元；

所述预编码矩阵F计算单元，用于根据当前的信道状态和预先确定的性能最优准则计算预编码矩阵F；

所述预编码单元，用于接收STBC编码后的待发射信号，利用所述预编码矩阵F对所述STBC编码后的待发射信号进行预编码后发给发射单元；

所述发射单元，用于发射预编码后的信号；

所述预编码矩阵F计算单元包括子信道划分模块、预编码子矩阵F_u计算模块和预编码矩阵F构造模块；

所述子信道划分模块，用于根据对待发射信号分层的方法，对表示当前信道状态的信道矩阵H进行分层，得到每层信号对应的子信道H_u；

所述预编码子矩阵F_u计算模块，用于对子信道H_u进行QR分解，将分解出的R分量矩阵R'_u,u按照进行奇异值分解得到特征波束成形的方向矩阵V_u的转置矩阵V_u ^H，计算各个V_u上的能量分布P_u，根据F_u＝V_uP_u ^1/2计算每层信号对应的预编码子矩阵F_u；

所述预编码矩阵F构造模块，用于将预编码子矩阵F_u作为预编码矩阵F对角线上的矩阵，将0矩阵作为预编码矩阵F非对角线上的矩阵，构造预编码矩阵F；

其中，u是不大于L的自然数，L是待发射信号被分出的层数，Λ_u是对角阵。

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