CN103297204B - 用于正交频分复用应用的空间时间发射分集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例为4发射天线的码率1、2和4代码提供正交频分复用空间时间块代码（OFDMSTBC）映射。为了克服已知代码的固有弱点，提供一种新的STBC代码的类，它特别适合于OFDM应用，但是也考虑其它应用。提供对于多个天线在时间方向上、在频率方向上的STBC映射以及组合时间频率映射的代码。在OFDM应用中，这些代码利用OFDM和FEC代码的属性以便实质上保持Alamouti代码的优点。此外，虽然本文提供的详细实例重点放在四天线应用，但它们可易于扩展到具有四个以上天线的系统。

Description

用于正交频分复用应用的空间时间发射分集系统及方法

本申请是申请日为2006年11月27日提交的，申请号为200580017160.6，题为“用于正交频分复用应用的空间时间发射分集系统及方法”的发明专利申请的分案申请。

相关申请

本申请要求2004年4月2日提交的美国临时专利申请No.60/558566、2004年4月21日提交的美国临时专利申请No.60/563802以及2004年4月28日提交的美国临时专利申请No.60/566009的权益。

技术领域

本发明涉及用于OFDM(正交频分复用)应用的空间时间发射分集系统及方法。

背景技术

对于开环衰落信道，往往考虑分集，唯一选择是减轻衰落影响以及改进系统可靠性。虽然FEC(前向纠错)编码提供重要的时间分集，但是对于慢衰落环境，空间分集/极化证明是更为有效的。所谓的空间时间代码的目标是使分集增益为最大。

基本上存在两种空间时间代码：格栅代码和块代码。虽然格栅代码提供附加的编码增益，但它们具有以下缺点：解码器更复杂(由于这些代码对QAM符号进行操作)，并且难以把格栅空间时间代码与强大的软解码FEC代码、如特播码和卷积码串接。空间时间块代码(STBC)不提供编码增益，但它们易于解码(特别是对于复杂的正交设计代码)，并且它们能够自然地与其它软解码FEC代码结合。正是因为这些原因，STBC(空间时间块代码)更为实用并且被众多标准广泛采用。

最著名的STBC代码由Alamouti和Tarokh(US 6185258)发明，其中代码矩阵如下表1所示。

表1–Alamouti代码

	时间t	时间(t+T)
			天线1	s1	s2
天线2	-s2 *	s1 *

这个代码具有几个属性，使它对于空间分集是理想的。信号是正交的；因而在接收机侧实现全分集。发射功率在两个天线(以及两个时隙)之间经过平衡；因而可采用低成本功率放大器，这又降低调制解调器成本。它的码率为1；因此没有损害吞吐量。它的最大似然解码器极为简单，这使得最佳解码器的成本很小。

然而，稍后证明，对于具有超过两个发射机天线的系统不存在这类正交代码。因此，焦点转移到以下两个区域：设计具有小于1的码率的正交STBC代码；以及设计准正交STBC代码以便保持码率1的属性。虽然第一种方法损害系统吞吐量，但第二种方法因正交性丢失而损害信号质量。

有若干代码变体属于以上类别，其中焦点在其它区域，例如功率平衡和码率处理；但没有发现具有理想Alamouti的代码。

下表2是用于4发射天线的STBC代码的第一实例(代码A)。这是具有码率3/4的正交代码。这个代码努力保持代码的正交性，由此保持分集阶和信号质量。

表2–码率3/4正交代码(代码A)

	时间t	时间(t+T)	时间(t+2T)	时间(t+3T)
					天线1	s1	-s2 *	-s3 *	x
天线2	s2	s1 *	x	s3 *
					天线3	s3	x	s1 *	-s2 *
天线4	x	-s3	s2	s1

采用这个代码，每个所接收信号具有4的分集阶。但是，这个代码的一个缺点是它的码率损失，这必须在FEC代码中补偿。换言之，由于STBC的码率损失，FEC的码率必须更高。这可能引起更高码率的那些强大格栅代码的问题，其编码增益损失在波动变得过度时变得明显。注意，这个代码没有取得发射天线上的全功率平衡。存在能够克服这个缺点的其它可用代码。

表3包含用于4天线应用的STBC代码的第二实例(代码B)。这是码率1非正交代码。这个代码努力保持系统的吞吐量，由此在FEC级不会损失编码增益。

表3-码率1非正交代码(代码B)

	时间t	时间(t+T)	时间(t+2T)	时间(t+3T)
					天线1	s1	-s2 *	s3	-s4 *
天线2	s2	s1 *	s4	s3 *
					天线3	s3	-s4 *	s1	-s2 *
天线4	s4	s3 *	s2	s1 *

由于代码B不再是正交代码，因此它的行列式受到相互干扰。把等效信道矩阵Q定义为

则

其中以及Q的行列式由下式给定

其中A=|h₁|²+|h₂|²+|h₃|²+|h₄|²，以及B=2(Re(h₁h₃ ^*)+Re(h₂h₄))。元素B²表示因正交性丢失所引起的损失。由于B²≥0，因此始终不利于代码性能。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种用于为2n(n>=2)天线发射机映射码率为一的空间时间块代码的方法，该方法包括，通过在n对连续传输间隔中在相应天线对上传送包含两个传输符号的相应Alamouti代码块，使得在n对连续传输间隔中使用所有天线，并且只有一对天线在给定传输间隔中是活动的，来传送2n个传输符号。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于为2n(n>=2)天线发射机映射码率为一的空间时间块代码的方法，该方法包括通过对于每个传输间隔执行以下步骤在OFDM频谱中的多个副载波的每个副载波上传送2n个传输符号：在n对相邻OFDM副载波的每个上，在相应天线对上传送包含两个传输符号的相应Alamouti代码块，使得使用所有副载波，并且只有一对天线在给定传输间隔中对于给定副载波是活动的。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于为2n(n>=2)天线发射机映射空间时间块代码的方法，该方法包括，通过在两个连续传输间隔中，在相应天线对上传送包含两个传输符号的相应Alamouti代码块，来传送2n个传输符号。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于为2n(n>=2)天线发射机映射空间时间块代码的方法，该方法包括通过以下步骤来传送2n个传输符号：对于每个传输间隔，在一对相邻OFDM副载波上，在相应天线对上传送包含两个传输符号的相应Alamouti代码块。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于为2n+1(n>=1)天线发射机映射空间时间块代码的方法，该方法包括通过以下步骤来传送传输符号：在k对连续传输间隔中，在相应天线对上传送包含两个传输符号的相应Alamouti代码块，使得在k对连续传输间隔的至少一个中使用所有天线，并且在k对连续传输间隔的两个中使用至少一个发射天线。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于为2n+1(n>=1)天线发射机映射空间时间块代码的方法，该方法适合于传送传输符号，其方式是：对于每个传输间隔，在k对副载波上，在相应天线对上传送包含两个传输符号的相应Alamouti代码块，使得在k对连续传输间隔的至少一个中使用所有天线，并且在k对副载波的两个中使用至少一个发射天线。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于为4天线发射机映射空间时间块代码的方法，该方法包括从可用码率代码的代码集中选择适当码率代码，其中代码集为：

或者

根据本发明的另一个方面，提供一种用于为4天线发射机映射空间时间块代码的方法，该方法包括从可用码率代码的代码集中选择适当码率代码，其中代码集为：

或者

根据本发明的另一个方面，提供一种用于为4天线发射机映射码率为3/4的空间时间块代码的方法，该方法包括，通过在一对连续传输间隔中，在第一相应天线对上，在给定副载波上传送包含两个传输符号的相应Alamouti代码块，以及在第二相应天线对上，在同一个副载波上传送包含一个传输符号的相应Alamouti代码块，使得在该对连续传输间隔中使用所有天线，来传送3个传输符号。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于为2n(n>=2)天线发射机映射码率为一的空间时间块代码的方法，该方法包括，通过在一对连续传输间隔中，在相应天线对上，在给定副载波上传送包含两个传输符号的相应Alamouti代码块，使得在该对连续传输间隔中使用所有天线，并且每对天线在不同的副载波上是活动的，来传送2n个传输符号。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于为2n(n>=2)天线发射机映射码率为一的空间时间块代码的方法，该方法包括，通过在一对连续传输间隔中，在相应天线对上，在给定副载波上传送包含n个传输符号的相应Alamouti代码块，使得在该对连续传输间隔中使用所有天线，来传送4n个传输符号。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于传送以Y=HF(S)的形式表示的MIMO OFDM信号的方法，其中Y^1xM是MIMO信道的输出，H^MxNT是MIMO信道特性的矩阵，F(s)表示分组为S₁=[s₁ s₂ s₃ s₄]、S₂=[s₅s₆ s₇ s₈]和S₃=[s₉ s₁₀ s₁₁ s₁₂]的复合输入符号S=[s₁ s₂…s_L]的空间时间编码矩阵，该方法包括根据适合接收多天线发射机所发送的MIMO OFDM信号的无线终端上的接收机天线数量为所述无线终端选择适当代码。

通过阅读以下结合附图对本发明的特定实施例的说明，本领域的技术人员将会十分清楚本发明的其它方面和特征。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的优选实施例，附图包括：

图1A是与本发明所提供的实施例配合使用的支持MIMO-OFDM通信的4天线发射机的示意图；

图1B是与本发明所提供的实施例配合使用的支持MIMO-OFDM通信的多天线发射机和接收机的示意图；

图1C是与本发明所提供的实施例配合使用的支持MIMO-OFDM通信的另一种多天线发射机的示意图；

图1D是与本发明所提供的实施例配合使用的支持MIMO-OFDM通信的又一种多天线发射机的示意图；

图1E是与本发明所提供的实施例配合使用的支持MIMO-OFDM通信的又一种多天线发射机的示意图；

图2是表示在时间方向上对于空间时间编码在多个副载波上的STBC块的传输的示意图；

图3是与现有代码映射相比，本发明所提供的代码映射实施例的改进性能的图形说明；

图4是与现有代码映射相比，本发明所提供的代码映射实施例的改进高移动性速度性能的图形说明；

图5是与现有代码映射相比，本发明所提供的代码映射实施例的改进低移动性速度性能的图形说明；以及

图6是表示在时间方向上对于空间时间编码在多个副载波上的STBC块的传输的示意图。

具体实施方式

根据本发明的实施例，提供方法用于把用户映射到多天线发射资源，使网络能够利用时间频率分集和多用户分集。另外，映射还允许灵活的无线电资源管理/分配，并提供基于不同QoS的服务。在相同框架内，可支持具有SISO、MISO、MIMO能力的用户。

作为概述，每个用户可被映射到可能是例如AMC子信道和/或分集子信道等的子信道的不同OFDM资源上。对于MIMO用户，优选的是，支持多个不同的空间时间编码方案，例如SM(空间复用)和STTD(空间时间发射分集)。

在连续的基础上，存在与各发射天线关联的OFDM符号流。每个用户可能首先映射到一个或多个OFDM符号，然后每个OFDM符号可能映射到其关联的天线。在一些实施例中，这种映射还允许按天线的速率控制(PARC)被执行。

每个OFDM符号在副载波域中可映射到其关联的天线。对于某些副载波，如果没有映射特定用户数据，则对这种副载波的零分配可能被馈入相应的天线。

在时间上的特定时刻由于特定OFDM符号和天线映射可能传送的一个极简单实例如图1A所示。图1A说明四天线发射系统，它在所述示例中用于传送六个用户分组60、62、64、66、68、70，其中的每个经过FEC(前向纠错)和调制。说明特定时刻的六个用户的六个分组的具体映射。随着时间推移，用户数量和/或映射用户分组的方式优选地动态改变。

对于特定时刻，在四个不同频带F1、F2、F3、F4中分配OFDM带宽。它们例如可能被认为是AMC子信道。类似的方法可用于分集子信道。

每个分组将采用所选映射方案被映射到四个天线。下面详细描述各种空间时间映射方案。在一些实施例中，多种不同的方案是可用的，或者给定数量的发射天线和接收天线。例如，对于2×2系统，优选地可选择STTD或SM(BLAST-贝尔实验室层空间时间)。在其它实施例中，对于每个天线排列仅实现单一方案。单天线用户采用单输入单输出(SISO)(它可能包含PARC-按天线的速率控制)传输方案。

在频带F3上采用唯一天线1来传送第一分组60，这表示1×1SISO传输。

第二分组62在频带F4中在两个天线1和2上传送，这表示2×1、2×2或2×4MIMO传输。

第三分组64在频带F3中仅在天线2上传送，这同样表示1×1SISO传输。

第四分组66通过天线3在频带F2上传送。

第五分组68通过两个天线3和4在频带F1上传送。

最后，分组70在天线4的唯一频带F2上传送。

一般来说，每个分组可分别映射到一部分或全部天线上。这使MIMO和非MIMO用户能够被混合，在以上实例中，分组60、64、66和70用于非MIMO用户。分组62和64用于MIMO用户。

请注意，MIMO和非MIMO用户的灵活映射适用于“部分利用”以及“全利用”的上下文。通过部分利用，给定基站仅有权访问整个OFDM频带的一部分。在这种情况中，对于图1A的实例所定义的子频带F1、F2、F3、F4将属于整个频带的所定义部分。通过部分利用，可对地理上接近的不同基站分配不同的频带。通过全利用，每个基站使用整个OFDM频带。通过这样一种实现，对于图1A的具体实例，子频带F1、F2、F3、F4将映射到整个频带。

对于SISO用户，将使用单天线上的单频带。对于MIMO用户，配置表示为N_T×N_R。

在图1A中作为实例所示的灵活结构可用于STTD以及BLAST。例如，分组62可采用在利用BLAST或STTD的天线1和2上的频带F4来传送。

图1A所示的具体实例设计成表明SISO和MIMO的共存为STTD和/或BLAST。OFDM频带中的子频带的数量及其形状、大小、位置等无疑是实现特定的细节。映射可在每OFDM符号基础上或者对于多个OFDM符号来进行。

在2005年4月4日提交的标题为<无线通信方法、系统及信号结构>的、申请人的共同未决的PCT专利申请号PCT/CA2005/000507中定义了执行从多个天线发送的方法的细节，通过引用将其完整地结合于此。该方法一般包括：

把各天线的可用OFDM带宽分为子信道；

定义多个区域，各区域由相应的子信道集以及所定义数量的OFDM符号来定义；

定义各区域的相应天线映射以及选择要用于该区域的多个天线的一个或多个，天线映射包括至少一个MIMO映射；

采用相应天线映射把至少一个用户的内容映射到区域中每个；

在为区域所选的一个或多个天线上传送各区域。

考虑这种情况的另一种方式是，所定义的每个时间频率块可具有其自己的矩阵。一旦指定了矩阵，则定义输出处的天线数量。例如，2×2矩阵需要两个天线；4×4矩阵需要四个天线。矩阵还不一定唯一地确定可映射的不同用户的数量。下表中给出具体实例。

多个用户的内容无疑需要以一致且无冲突的方式来映射。另外，需要通知每个用户关于其内容将被传送的位置/时间。

对于每个单独用户，天线映射对于AMC子信道或者分集子信道实现STTD、SM和PARC传输。在一个实施例中，六个不同映射配置的任一个可应用于每个单独用户，其中包括三个4发射天线映射、2发射天线映射以及单天线映射。

上行链路可包括例如两种模式：(1)具有双发射天线能力SS的STTD，以及(2)具有单发射天线能力SS的虚拟MIMO。

现在参照图1B、1C、1D和1E，所示的是具体发射机配置。在一个优选实施例中，发射机是动态可重配置的，以便实现采用相应传输格式向多个用户进行的传输。下面的图1B、1C、1D和1E的具体实例可被认为是这种可重配置发射机的“快照”。这些配置对于所采用的整个OFDM频带的不同子频带也可同时存在。例如，图1B的配置可用于第一子信道集或第一OFDM频带及关联用户；图1C的配置可用于第二子信道集或第二OFDM频带及关联用户，等等。当然，表示为重复的许多组件无需在物理上是重复的。例如，单IFFT及关联发射电路可按天线使用，其中执行不同的映射，然后再输入到IFFT的适当副载波。

图1B说明一个示例配置，其中具有根据单输入流执行STTD编码的矩阵以及具有用于二、三或四发射天线的水平编码。输入流1000经过编码和调制，然后在空间时间编码器1002中进行STC编码，其中具有二、三或四个输出，它们则被馈送到相应的发射链并被传送。对应的接收机结构一般表示为1004。在这种情况中，根据接收机能力，以下定义的矩阵F_4x1或F_4x2可用于四个发射天线，或者以下定义的F_2x1可用于二个发射天线。这些都是例如可采用的STTD矩阵；其它矩阵是可行的。

图1C说明一个示例配置，其中具有对于多个输入流执行STTD编码的矩阵以及具有对于二、三或四发射天线的水平编码。输入流1006、1008(仅示出二个，更多个输入流是可行的)经过编码和调制，然后在空间时间编码器1010中进行STC编码，编码器具有二、三或四个输出，它们则被馈送到相应的发射链并被发送。在这种情况中，根据接收机能力，以下定义的矩阵F_4x1或F_4x2可用于四个发射天线，或者以下定义的F_2x1可用于二个发射天线。这些都是例如可采用的STTD矩阵；其它矩阵是可行的。

图1D说明一个示例配置，其中具有对于单输入流执行SM(例如BLAST)编码的矩阵。输入流1012经过编码和调制，然后解复用为二、三或四个流1012、1014，它们被馈送到相应的发射链并被发送。在这种情况中，矩阵F_4x4可能用于四个发射天线，或者F_2x2,2x4可用于二个发射天线，它们在以下被定义，它们两者是例如可采用的SM矩阵；其它矩阵是可行的。这是所谓的“垂直编码”的一个实例，在其中，给定输入流的输入符号在多个天线之间垂直分布(即时间上同时)。

图1E说明一个示例配置，其中具有对于多个输入流执行SM(例如BLAST)编码的矩阵。输入流1020、1022(仅示出二个，更多的输入流是可行的)经过编码和调制，以及馈送到相应发射链并发送。在这种情况中，矩阵F_4x4可能用于四个发射天线，或者F_2x2,2x4可用于二个发射天线，它们在以下被定义，它们两者是例如可采用的SM矩阵；其它矩阵是可行的。这是所谓的“水平编码”的一个实例，在其中，给定输入流的输入符号水平分布(即在时间上按顺序)在单天线上。

具体天线映射实例

现在详细描述基于以上所述的SISO、STTD和SM的准正交空间时间编码灵活模式分配的一个更具体实例。

在基站(BS)上采用多个天线的下行链路开环传输可通过若干传输模式来配置。假定N_T是BS上的发射天线的数量，以及N_R是终端用户台(SS)上的接收天线的数量，MIMO配置表示为N_TxN_R。注意，对于SISO传输，仅使用可用发射天线中的一个。可采用任何现有SISO代码结构。

索引	1	2	3	4	5
						FEC	R=1/5	R=1/3	R=1/2	R=2/3	R=4/5
调制	QPSK	16QAM	64QAM

对于MIMO下行链路传输，优选地采用空间时间编码。在一个实施例中，4×4准正交空间时间发射分集(QOSTTD)代码用作空间时间编码的母码，并且可在时间上穿孔，以便对于不同接收天线配置进行优化。MIMO发送和接收可由Y=HF(S)表示，其中，Y^1xM是MIMO信道的输出，H^MxNT是MIMO信道特性的矩阵，F(s)表示分组为S₁=[s₁s₂ s₃ s₄]、S₂=[s₅ s₆ s₇ s₈]和S₃=[s₉ s₁₀ s₁₁ s₁₂]的复合输入符号S=[s₁ s₂…s_L]的空间时间编码矩阵，以及编码矩阵F(s)的行是独立天线发送输出。

适合4×1配置的代码为：(STC码率＝1)

适合4×2配置的代码(STC码率=2，STTD)，对F_4x1(S₁,S₂,S₃)的列3&4、7&8以及11&12进行时间穿孔，得出：

适合4×4配置的代码(STC码率=4，空间复用)，优选地对F_4x2(S₁,S₂,S₃)的列1、3和5进行穿孔，得出：

在四发射天线系统中，SS优选地配置成相对于SS类的不同接收天线能力来接收4x1、4x2或4x4配置的空间时间编码(以上给出的F_4x1F_4x2F_4x4为具体实例)的传输。这三种模式可应用于AMC子信道和分集子信道。另外，优选地提供支持DL以及UL的模式选择和适配的快速反馈信道。

对于二个发射天线，优选地支持两个传输模式：空间时间发射分集和空间复用。

对于2×1配置，下面是代码结构的一个实例：(STC码率=1)

它是Alamouti空间时间发射分集(STTD)。

对于2×2、2×4配置：(STC码率=2)，对F_2x1的偶数列进行穿孔，得出：

这是空间复用(又称作BLAST)。

在一个优选实施例中，SS配置成相对于SS类的不同接收天线能力来接收2x1、2x2或2x4配置的空间时间编码(以上给出的F_2x1、F_2x2,2x4为具体实例)的传输。这两种模式可应用于AMC子信道和分集子信道。另外，优选地提供支持DL以及UL的模式选择和适配的快速反馈信道。

以上代码和快速反馈信道的示例实现的细节可见于2005年4月5日提交的标题为“支持OFDM应用中的MIMO传输的方法”的发明人的共同未决的美国申请号11/547561，通过引用将其完整地结合于此。

本发明的第一实施例提供用于4发射天线的码率为1的OFDM-STBC映射。为了克服以上两种代码的缺陷，提供一种新的STBC代码的类，它特别适合于OFDM应用，但是也考虑其它应用。在OFDM应用中，这些代码利用OFDM和FEC代码的属性以便实质上保持Alamouti代码的优点。此外，虽然这里提供的详细实例重点放在四天线应用，但它们可易于扩展到具有四个以上天线的系统。

FEC代码的一个属性是它们在代码块中的分集作用。通过这种知识，各正交幅度调制(QAM)符号上的分集阶可放宽到一个代码块内。码率1正交STBC代码设计需要每个QAM符号实现全分集，即使对于大于二的天线数量不是不可行的，也是稍微有些困难的。但是，当系统与基于软解码的FEC代码串接时，这不是必需的。

因此，提供新的STBC代码，以便为每个QAM符号提供二阶分集，同时借助于FEC代码仍然实现全分集。二阶分集表示每个QAM符号通过两个独立(多径)衰落信道。新STBC代码的一个实例如下表4所示(代码C)。

表4OFDM-STBC码率1正交代码(代码C)(天线跳转模式1)

在表5A中，表示与表4不同的备选天线跳转模式的另一种安排。天线跳转指的是映射的重排序，使得执行相同的编码，但是符号由不同的天线来传送。例如，在上表4所示的天线跳转模式1中，在时间t为天线2分配s₂，在时间t+T分配s₁ ^*，在时间t+2T和t+3T零分配。但是，在下表5A的天线跳转模式2中，在时间t为天线3分配s₂，在时间t+T分配s₁ ^*，以及在时间t+2T和t+3T零分配。要理解，这些是天线跳转模式的两个实例，但是还有其它天线跳转模式是有效并且认为也处于本发明的范围之内。表5B表示另一个备选代码映射。

表5A-OFDM-STBC码率1正交代码(代码C)(天线跳转模式2)

表5B-OFDM-STBC码率1正交代码(代码C)(天线跳转模式3)

在一个优选实施例中，随时间推移采用多个不同的模式，例如上述“跳转模式1”和“跳转模式2”。其作用在于，对于各组符号s₁、s₂、s₃、s₃，例如用于s₁的天线随时间改变。

对于以上实施例，优选地在每OFDM副载波基础上使用映射。

对于Alamouti代码在发射天线上跳转，各QAM符号具有2阶分集；对于FEC编码应用于所有STBC块，实现全分集阶。STBC码率为一，以及各代码STBC块为正交的。

为了在时域中为所有发射天线实现功率不平衡，从表4中可看到，在每个时刻只有两个发射机进行发送，这意味着，对于恒定功率P，各功率放大器(PA)可设计成具有比采用功率平衡代码时多3dB的动态范围。在这里，可采用OFDM的属性。

不同的模式优选地用于不同的副载波，使得实现整体功率平衡。下面进一步进行详细说明。对于以上具体实例，第一副载波集可用于发射模式1，以及第二副载波集可在同时用于发射模式2。

OFDM信号具有多个副载波，其中的每个副载波看作是平坦衰落信道。图2是OFDM信号的说明性实例，其中，副载波在频域中以列k、k+1、k+2、k+3…、k+(n-3)、k+(n-2)、k+(n-1)、k+n来表示，以及时间间隔在时域中以行t、t+T、t+2T、t+3T来表示，在其中表示STBC块20。

在IFFT处理发生之后，对于以上图1A-E的实例中所述的类型，各副载波的能量在时域中叠加，它然后由相应的功率放大器进行放大。对于副载波k，在时间t和t+T，只有天线1和2用于传输，以及在同时，对于副载波k+1，只有天线3和4用于传输。换言之，在从时域查看时，所有天线同时进行发送，但是对于不同的副载波进行。因此，每个天线的平均发射功率实际上得到平衡。这种概念如图2所示。

在图2中，四个符号的各垂直集合在四个传输间隔中在单副载波上传送，并且表示如表4所定义的两个STBC块20。在前两个发射间隔t和t+T中，天线1和2在副载波k+1上发送Alamouti块，以及在随后两个发射间隔t+2T和t+3T中，天线3和4发送Alamouti块。然后对于多个副载波重复这种结构(图2中的水平方向)。

在一些实施例中，第一副载波集上的映射代码具有以上所述的映射，以及第二副载波集将具有与所述映射相反的映射，它是表4、5A和5B所示的时间间隔/天线映射中的Alamouti块交换位置的位置。例如，在第一副载波上，在前两个发射间隔t和t+T中，天线1和2发送Alamouti块，以及在随后两个发射间隔t+2T和t+3T中，天线3和4发送Alamouti块。在第二副载波上，在前两个发射间隔t和t+T中，天线3和4发送Alamouti块，以及在随后两个发射间隔t+2T和t+3T中，天线1和2发送Alamouti块。

在所述实例中，在给定发射间隔对中，一对天线的所有奇数副载波k、k+2、…、k+(n-3)、k+(n-1)是活动的，以及另一对天线的所有偶数副载波k+1、k+3、…、k+(n-2)、k+n是活动的。然后，对于下一对传输间隔，这是相反的。这只是把单副载波解决方案映射到副载波集的一种方式。

在一些实施例中，不同的天线用于不同的副载波(在频率上)以便实现时域中的功率平衡。这是OFDM特定的，并且是新代码设计吸引实际实现的原因之一。

在一些实施例中所提供的优于先前所述的先有技术非正交码率1代码B的OFDM-STBC代码C的SNR增益方面的一个性能优点如图3所示。

除了通过新代码所取得的性能改进之外，它们还具有其它附加优点。在一些实施例中，该解决方案特别适合于OFDM配置，但是在所得功率不平衡是可接受时也可适合于其它系统。在一些实施例中，这样一种构造是最佳的，并且可一般化到2n发射天线(至今没有另外的R=1全分集代码是已知的)。这种代码也利用软解码FEC代码来实现整个FEC代码块的全分集。从各STBC代码块的STBC码率1全正交性以及整个FEC代码块的全分集的角度来看实现最优性。已经证明不存在具有各STBC代码块的码率1的全正交性以及各传送符号的全分集的最佳代码。在一些实施例中，由于在OFDM应用中，现在存在映射Alamouti结构的三维(实质上是2维映射)，因此，Alamouti映射的时间跨度可通过改变天线或频率维来减小。

要注意，STBC的一个基本假设是，信道没有从一个传输改变到下一个传输。对于上述先有技术代码，各QAM符号被传送四次，以及在基本假设变得越来越不真实的移动性的情况中，这可能引起性能损失。显然，第一与最后传输之间经过的时间(或频率)越长，则产生的损失越大。新代码极适合于这种情况，因为各QAM符号仅被依次传送两次。

图4和图5说明，OFDM-STBC代码C的实施例的性能始终比以上所提供的分别有关高移动性速度的性能和低移动性速度的性能的先有技术代码更好。

以上所述的代码映射是由用于为2n(n>=2)天线发射机映射码率为一的空间时间块代码的更一般方法所产生的实例。通过在相应天线对上传送包含两个传输符号的相应Alamouti代码块，使得在n对连续传输间隔中使用所有天线，并且在给定传输间隔中仅有一对天线是活动的，在n对连续传输间隔中传送2n个传输符号。在一些实施例中，这种方法在每OFDM副载波基础上执行。此外，不同的天线跳转模式一般用于对于不同的传输周期采用不同的模式把传输符号映射到天线。

用于4发射天线的码率为2的OFDM-STBC

当空间时间码率为2时，不存在四天线发射情况的全正交结构。但是可构造亚理想的代码结构，如表6所示。表7A和表7B提供备选天线跳转变体。此外，虽然这里提供的详细实例重点放在四天线应用，但它们可易于扩展到具有四个以上天线的系统。

表6-OFDM-STBC码率2正交代码(代码D)(天线跳转模式1)

	时间t	时间(t+T)
			天线1	s1	-s2 *
天线2	s2	s1 *
			天线3	s3	-s4 *
天线4	s4	s3 *

表7A-OFDM-STBC码率2正交代码(代码D)(天线跳转模式2)

	时间t	时间(t+T)
			天线1	s1	-s3 *
天线2	s2	-s4 *
			天线3	s3	s1 *
天线4	s4	s2 *

表7B-OFDM-STBC码率2正交代码(代码D)(天线跳转模式3)

	时间t	时间(t+T)
			天线1	s1	-s4 *
天线2	s2	-s3 *
			天线3	s3	s2 *
天线4	s4	s1 *

以上所述的代码映射是由用于映射2n(n>=2)天线发射机的空间时间块代码的更一般方法所产生的实例。通过在相应天线对上传送包含两个传输符号的相应Alamouti代码块，在两个连续传输间隔中传送2n个传输符号。

三个码率2“跳转模式”代码可通过各种不同方式组合以形成代码集。

到频率方向映射的扩展

以上STBC代码构造通过在时间方向上映射Alamouti结构的形式来提供，但是，这样一种配置也可映射到频率方向。

与时间方向上的映射相似，频率方向上的映射的功率平衡配置的一个实例如图6所示。在图6中，副载波在频域中以列k、k+1、k+2、k+3、…、k+(n-3)、k+(n-2)、k+(n-1)、k+n来表示，以及时间间隔在时域中以行t、t+T、t+2T、t+3T来表示，在其中表示STBC块30。在前两个副载波k和k+1中，天线1和2在时间间隔t传送Alamouti块，以及在随后两个副载波k+2和k+3中，天线3和4传送Alamouti块。然后对于后续时间间隔重复这种结构(图6中的垂直方向)。在所述实例中，在给定副载波对上，在奇数时间间隔t、t+2T、…、t+(n-1)T中，一对天线是活动的，以及在偶数时间间隔t+T、t+3T、…、t+mT中，另一对天线是活动的。然后，对于下一对副载波，这是相反的。这只是把单副载波解决方案映射到副载波集的许多方式之一。

在频率方向上映射Alamouti结构的STBC代码的实例对于码率1在表8、表9A和表9B中列出，以及对于码率2在表10和表11中列出。

此外，虽然这里提供的详细实例重点在于四天线应用，但它们可易于扩展到具有四个以上天线的系统。

表8-OFDM-STBC码率1正交代码(天线跳转模式1)

表9A-OFDM-STBC码率1正交代码(天线跳转模式2)

表9B-OFDM-STBC码率1正交代码(天线跳转模式3)

以上所述的代码映射是由用于为2n(n>=2)天线发射机映射码率为一的空间时间块代码的更一般方法所产生的实例。通过在相应天线对上传送包含两个传输符号的相应Alamouti代码块，使得使用所有副载波并且对于给定副载波在给定传输间隔中只有一对天线是活动的，在n对相邻OFDM副载波的每个上，对于各传输间隔，在OFDM频谱中的多个副载波的每个副载波上传送2n个传输符号。在一些实施例中，在给定发射间隔中，副载波是成对活动的，在发射天线对之间交替。此外，不同的天线跳转模式一般用于对于不同的副载波采用不同的模式把传输符号映射到天线。

表10-OFDM-STBC码率2正交代码(天线跳转模式1)

	副载波k	副载波k+1
			天线1	s1	-s2 *
天线2	s2	s1 *
			天线3	s3	-s4 *
天线4	s4	s3 *

表11A-OFDM-STBC码率2正交代码(天线跳转模式2)

	副载波k	副载波k+1
			天线1	s1	-s3 *
天线2	s2	-s4 *
			天线3	s3	s1 *
天线4	s4	s2 *

表11B-OFDM-STBC码率2正交代码(天线跳转模式3)

	副载波k	副载波k+1
			天线1	s1	-s4 *
天线2	s2	-s3 *
			天线3	s3	s2 *
天线4	s4	s1 *

以上所述的代码映射是由用于为2n(n>=2)天线发射机映射空间时间块代码的更一般方法所产生的实例。通过在相应天线对上传送包含两个传输符号的相应Alamouti代码块，对于每个传输间隔，在一对相邻OFDM副载波上传送2n个传输符号。

到3发射天线的扩展

新代码也可扩展到奇数的发射天线。表12和表13是对于具有三个天线的实例分别在时间方向上以及在频率方向上的发射天线OFDM-STBC代码的实施例。在这些实施例中，码率减小到2/3，但取得全正交性。

表12-OFDM-STBC码率2/3正交代码(天线跳转模式1)

表13-OFDM-STBC码率2/3正交代码(天线跳转模式2)

用于4发射天线的码率为4的OFDM-STBC

码率4配置变成称作BLAST的典型并行空间复用。在表14和表15中，列出在时间上以及在频率上的4发射天线BLAST的映射的实施例。此外，虽然这里提供的详细实例重点在于四天线应用，但它们可易于扩展到具有四个以上天线的系统。

表14-OFDM-STBC码率4正交代码

	时间t	时间(t+T)
			天线1	s1	s5
天线2	s2	s6
			天线3	s3	s7
天线4	s4	s8

表15-OFDM-STBC码率4正交代码

	副载波k	副载波k+1
			天线1	s1	s5
天线2	s2	s6
			天线3	s3	s7
天线4	s4	s8

OFDM-STBC代码集与天线跳转

4天线发射ODFM-STBC代码集的各种实施例在表16A、16B和16C中列出。

表16A–代码集码率1

表16B–代码集码率2

表16C–代码集码率4

表16A、16B和16C是时间方向上的空间时间映射的代码集的实施例。类似地，空间时间映射也可在频率方向上表示，如表16D、16E和16F所示。

表16D–代码集码率1

表16E–代码集码率2

表16F–代码集码率4

在实例中采用了特定Alamouti编码。要理解，可采用具有Alamouti结构的任何代码。

解码器复杂度

与先有技术代码相比，用于代码C的4发射STBC的解码器复杂度在表17中列出。可以看到，OFDM-STBC代码C的复杂度比先有技术代码小16倍。

表17–复杂度比较

用于多个发射天线的空间时间频率映射

如上所述，空间时间编码可映射到时间方向或者频率方向。在其它实施例中，提供映射，它利用时间以及频率映射，同时根据代码格式在各副载波上提供整个天线传输。这种组合时间频率映射的优点包括使时间频率跨度为最小，以便确保空间时间代码跨度处于相干时间以及相干频率范围之内。特别是对于4发射天线提供以下实例，但是要理解，空间时间频率映射方法可对于具有不同数量的发射天线的系统进行一般化。

表18-OFDM-空间时间频率BC码率3/4

表19-OFDM-空间时间频率BC码率1

(天线跳转模式1)

表20-OFDM-空间时间频率BC码率1(天线跳转模式2)

表21-OFDM-空间时间频率BC码率1(天线跳转模式3)

表22-OFDM-空间时间频率BC码率2(天线跳转模式1)

表23-OFDM-空间时间频率BC码率2(天线跳转模式2)

表24-OFDM-空间时间频率BC码率4

根据以上理论，本发明的大量修改和变更是可行的。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，可以不按照本文的具体说明来实施本发明。

Claims (19)

1.一种传送以Y＝HF(S)的形式表示的MIMO OFDM信号的方法，其中Y^1xM是MIMO信道的输出，H^MxNT是MIMO信道特性的矩阵，F(s)表示分组为S₁＝[s₁ s₂ s₃ s₄]、S₂＝[s₅ s₆ s₇ s₈]和S₃＝[s₉ s₁₀ s₁₁ s₁₂]的复合输入符号S＝[s₁ s₂ … s_L]的空间时间编码矩阵，所述方法包括根据适合接收多天线发射机所发送的MIMO OFDM信号的无线终端上的接收机天线数量为所述无线终端选择适当代码，其中，所述适当代码被映射使得：

对于第一组副载波，针对多个传输时段的第一传输时段使用第一天线跳转模式，2n个传输符号的第一集合映射到2n个天线的第一集合并且零分配映射到所述2n个天线的第二集合，所述第一传输时段包括n对连续传输间隔的第一集合，

对于第二组副载波，针对所述多个传输时段的第二传输时段使用第二天线跳转模式，2n个传输符号的第二集合映射到所述2n个天线的第三集合并且零分配映射到所述2n个天线的第四集合；

采用代码块上的FEC代码，使得在接收机上实现整个FEC代码块的全分集；以及

将各正交幅度调制符号上的分集阶放宽到一个代码块内。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，适合于4发射机天线、1接收机天线(4×1)配置的STC码率1代码为：

$F_{4x1}(S_1,S_2,S_3)=\left[\begin{array}{cccccccccccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& -{s_3}^{*}& s_4& s_5& -{s_7}^{*}& -{s_8}^{*}& s_6& s_9& -{s_{12}}^{*}& -{s_{10}}^{*}& s_{11}\\ s_2& {s_1}^{*}& -{s_4}^{*}& -s_3& s_6& {s_8}^{*}& {s_7}^{*}& s_5& s_{10}& -{s_{11}}^{*}& {s_9}^{*}& -s_{12}\\ s_3& -{s_4}^{*}& {s_1}^{*}& -s_2& s_7& {s_5}^{*}& -{s_6}^{*}& -s_8& s_{11}& {s_{10}}^{*}& {s_{12}}^{*}& s_9\\ s_4& {s_3}^{*}& {s_2}^{*}& s_1& s_8& -{s_6}^{*}& {s_5}^{*}& -s_7& s_{12}& {s_9}^{*}& -{s_{11}}^{*}& -s_{10}\end{array}\right].$

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，适合于4发射机天线、2接收机天线(4×2)配置的STC码率2代码为：

$F_{4x2}(S_1,S_2,S_3)=\left[\begin{array}{cccccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& s_5& -{s_7}^{*}& s_9& -{s_{12}}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& s_6& {s_8}^{*}& s_{10}& -{s_{11}}^{*}\\ s_3& -{s_4}^{*}& s_7& {s_5}^{*}& s_{11}& {s_{10}}^{*}\\ s_4& {s_3}^{*}& s_8& -{s_6}^{*}& s_{12}& {s_9}^{*}\end{array}\right].$

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，适合于4发射机天线、4接收机天线(4×4)配置的STC码率4代码为：

$F_{4x4}(S_1,S_2,S_3)=\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_5& s_9\\ s_2& s_6& s_{10}\\ s_3& s_7& s_{11}\\ s_4& s_8& s_{12}\end{array}\right].$

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，适合于2发射机天线、1接收机天线(2×1)配置的STC码率1代码为：

$F_{2x1}(S_1,S_2)=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& s_3& -{s_4}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right].$

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，适合于2发射机天线、2或4接收机天线(2×2，2×4)配置的STC码率2代码为：

$F_{2x2,2x4}(S_1,S_2)=\left[\begin{array}{cc}{s}_1& s_3\\ s_2& s_4\end{array}\right].$

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，每对天线在空间上相邻。

8.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，每对天线在空间上不相邻。

9.如权利要求1所述的方法，其中：

所述2n个天线的第一集合与2n个天线的第四集合共用第一天线以使得2n个传输符号的第二集合的至少一部分通过所述2n个天线的第一集合的第一天线发射，以及

所述2n个天线的第二集合与所述2n个天线的第三集合共用第二天线以使得在第一传输时段和第二传输时段两者期间都在第二天线上发射零分配，第二传输时段包括n对连续传输间隔的第二集合，其中第一天线跳转模式不同于第二天线跳转模式。

10.一种传送以Y＝HF(S)的形式表示的MIMO OFDM信号的编码器，其中Y^1xM是MIMO信道的输出，H^MxNT是MIMO信道特性的矩阵，F(s)表示分组为S₁＝[s₁ s₂ s₃ s₄]、S₂＝[s₅ s₆ s₇ s₈]和S₃＝[s₉ s₁₀ s₁₁ s₁₂]的复合输入符号S＝[s₁ s₂ … s_L]的空间时间编码矩阵，所述编码器包括：

用于根据适合接收多天线发射机所发送的MIMO OFDM信号的无线终端上的接收机天线数量为所述无线终端选择适当代码的装置，其中，所述适当代码被映射使得：

对于第一组副载波，针对多个传输时段的第一传输时段使用第一天线跳转模式，2n个传输符号的第一集合映射到2n个天线的第一集合并且零分配映射到所述2n个天线的第二集合，所述第一传输时段包括n对连续传输间隔的第一集合，

对于第二组副载波，针对所述多个传输时段的第二传输时段使用第二天线跳转模式，2n个传输符号的第二集合映射到所述2n个天线的第三集合并且零分配映射到所述2n个天线的第四集合；

用于采用代码块上的FEC代码，使得在接收机上实现整个FEC代码块的全分集的装置；以及

用于将各正交幅度调制符号上的分集阶放宽到一个代码块内的装置。

11.一种被配置成传送以Y＝HF(S)的形式表示的MIMO OFDM信号的发射机，其中Y^1xM是MIMO信道的输出，H^MxNT是MIMO信道特性的矩阵，F(s)表示分组为S₁＝[s₁ s₂ s₃ s₄]、S₂＝[s₅s₆ s₇ s₈]和S₃＝[s₉ s₁₀ s₁₁ s₁₂]的复合输入符号S＝[s₁ s₂ … s_L]的空间时间编码矩阵，所述发射机包括：

N_T个发射天线；

编码器，被配置成根据适合接收N_T发射天线的发射机所发送的MIMO OFDM信号的无线终端上的接收机天线数量为所述无线终端选择适当代码，其中，所述适当代码被映射使得：

对于第一组副载波，针对多个传输时段的第一传输时段使用第一天线跳转模式，2n个传输符号的第一集合映射到2n个天线的第一集合并且零分配映射到所述2n个天线的第二集合，所述第一传输时段包括n对连续传输间隔的第一集合，

对于第二组副载波，针对所述多个传输时段的第二传输时段使用第二天线跳转模式，2n个传输符号的第二集合映射到所述2n个天线的第三集合并且零分配映射到所述2n个天线的第四集合，

采用代码块上的FEC代码，使得在接收机上实现整个FEC代码块的全分集，以及

将各正交幅度调制符号上的分集阶放宽到一个代码块内。

12.根据权利要求11所述的发射机，其特征在于，适合于4发射机天线、1接收机天线(4×1)配置的STC码率1代码为：

$F_{4x1}(S_1,S_2,S_3)=\left[\begin{array}{cccccccccccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& -{s_3}^{*}& s_4& s_5& -{s_7}^{*}& -{s_8}^{*}& s_6& s_9& -{s_{12}}^{*}& -{s_{10}}^{*}& s_{11}\\ s_2& {s_1}^{*}& -{s_4}^{*}& -s_3& s_6& {s_8}^{*}& {s_7}^{*}& s_5& s_{10}& -{s_{11}}^{*}& {s_9}^{*}& -s_{12}\\ s_3& -{s_4}^{*}& {s_1}^{*}& -s_2& s_7& {s_5}^{*}& -{s_6}^{*}& -s_8& s_{11}& {s_{10}}^{*}& {s_{12}}^{*}& s_9\\ s_4& {s_3}^{*}& {s_2}^{*}& s_1& s_8& -{s_6}^{*}& {s_5}^{*}& -s_7& s_{12}& {s_9}^{*}& -{s_{11}}^{*}& -s_{10}\end{array}\right].$

13.如权利要求11所述的发射机，其特征在于，适合于4发射机天线、2接收机天线(4×2)配置的STC码率2代码为：

$F_{4x2}(S_1,S_2,S_3)=\left[\begin{array}{cccccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& s_5& -{s_7}^{*}& s_9& -{s_{12}}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& s_6& {s_8}^{*}& s_{10}& -{s_{11}}^{*}\\ s_3& -{s_4}^{*}& s_7& {s_5}^{*}& s_{11}& {s_{10}}^{*}\\ s_4& {s_3}^{*}& s_8& -{s_6}^{*}& s_{12}& {s_9}^{*}\end{array}\right].$

14.如权利要求11所述的发射机，其特征在于，适合于4发射机天线、4接收机天线(4×4)配置的STC码率4代码为：

$F_{4x4}(S_1,S_2,S_3)=\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_5& s_9\\ s_2& s_6& s_{10}\\ s_3& s_7& s_{11}\\ s_4& s_8& s_{12}\end{array}\right].$

15.如权利要求11所述的发射机，其特征在于，适合于2发射机天线、1接收机天线(2×1)配置的STC码率1代码为：

$F_{2x1}(S_1,S_2)=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& -{s_2}^{*}& s_3& -{s_4}^{*}\\ s_2& {s_1}^{*}& s_4& {s_3}^{*}\end{array}\right].$

16.如权利要求11所述的发射机，其特征在于，适合于2发射机天线、2或4接收机天线(2×2，2×4)配置的STC码率2代码为：

$F_{2x2,2x4}(S_1,S_2)=\left[\begin{array}{cc}{s}_1& s_3\\ s_2& s_4\end{array}\right].$

17.如权利要求11-16中任一项所述的发射机，其特征在于，每对天线在空间上相邻。

18.如权利要求11-16中任一项所述的发射机，其特征在于，每对天线在空间上不相邻。

19.一种OFDM通信系统，包括如权利要求11-16中任一项所述的发射机。