CN1518241A - 在使用至少三个发射机天线的无线通信系统中的接收装置 - Google Patents

Abstract

一种在无线通信系统中的用于接收复合码元的接收机，其中，并且码元布置器在四个时间间隔通过至少一个接收机天线从至少三个发射机天线收集信号；信道估计器估计从至少三个发射机天线到所述接收机天线的至少三个信道增益；第一和第二解码器每个使用所接收的信号和信道增益来计算对于所有对码元的量度，并且检测给出最小量度的两个码元；并/串转换器以正确的顺序排列所检测的码元。每个解码器线性地操作所接收的信号和信道增益，使用门限检测预先检测两个码元，并且如果预先检测的码元和由信道增益确定的一个常数的乘积是最小值，则输出所述预先检测的两个码元来作为最后的码元。

Description

在使用至少三个发射机天线的无线通信系统中的接收装置

技术领域

本发明一般地涉及一种无线通信系统，具体涉及使用发射机天线分集来克服衰落引起的降级的装置。

背景技术

在无线通信系统中减轻多径衰落的有效技术是时间和频率分集。VahidTarokh等已经提出了一种时空块码。时空块码是在下文中公开的公知天线分集方案：“Space Time Block Coding from Orthogonal Design(来自正交设计的时空块编码)”，IEEE Trans.On Info.，Theory，第45卷，第1455-1467页，1999年7月。Tarokh的时空块码是由S.M.Alamouti引入的发射机天线分集的扩展，S.M.Alamouti引入的发射机天线分集允许使用两个或多个天线。Tarokh的时空块码被公开在“Space Time Block Coding from Orthogonal Design(来自正交设计的时空块编码)”，IEEE Trans.On Info.，Theory，第45卷，第1455-1467页，1999年7月，Alamouti的时空块码可以在下文中被找到：“ASimple Transmitter Diversity Scheme for Wireless Communications(用于无线通信的简单发射机分集)”.IEEE Journal on Selected Area in Communications，第16卷，第1451-1458页，1998年10月。

图1是使用由Tarokh提出的时空块码的传统发射机的方框图。参见图1，所述发射机包括串/并(S/P)转换器110和编码器120。在此假定所述发射极使用三个发射机天线130、132、134。

在操作中，S/P转换器110向编码器120提供在每个块中的四个码元。编码器120从所述四个码元中产生8个码元集，并且在8个时间间隔上将所述码元集向三个发射机天线130、132、134提供。所述8个码元集可以被表达为如矩阵(1)中所示：

$g_3=\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_2& s_3\\ -s_1& s_1& {-s}_4\\ {-s}_3& s_4& s_1\\ {-s}_4& {-s}_3& s_2\\ {s_1}^{*}& {s_2}^{*}& {s_3}^{*}\\ {{-s}_2}^{*}& {s_1}^{*}& -{s_4}^{*}\\ {{-s}_3}^{*}& {s_4}^{*}& {s_1}^{*}\\ {s_4}^{*}& {s_3}^{*}& {s_2}^{*}\end{array}\right]$

其中，g₃是通过所述三个发射机天线发送的码元的8×3编码矩阵，s₁、s₂、s₃、s₄是要被发送的四个输入码元。

如上所述，编码器120在8个时间间隔上向三个发射机天线130、132、134发送从四个输入码元和它们的负值和共轭产生的8个码元集。值得注意地，来自发射机天线的码元序列(即行)彼此正交。

更具体而言，在第一时间间隔中。第一批3个码元s₁、s₂、s₃被分别提供到三个发射机天线130、132、134。以相同的方式，在最后一个时间间隔中，最后三个码元s₄ ^*、s₃ ^*、s₂ ^*被分别提供到三个发射机天线130、132、134。即，编码器120依序向第m个天线提供在编码矩阵的第m列中的码元。

图2是从图1的发射机接收信号的接收机的方框图。参见图2，接收机包括多个接收机天线140-142、信道估计器150、多信道码元布置器160和检测器170。

在运行中，信道估计器150估计表示从发射机天线到接收机天线的信道增益的信道系数。多信道码元布置器160从接收机天线140-142收集码元。检测器170随后通过将所接收的码元乘以信道系数来获得假设，使用所述假设来从所有可能的码元计算判定统计，并且通过门限检测来检测发送的码元。

虽然在两个发射机天线的复合码元的发送的情况下，Alamouti的时空编码实现了无数据率损耗的最大的分集数量级，即与发射机天线的数量相同的分集数量级。这被在图1和图2中图解的发射机和接收机中实现的Tarohk的时空编码扩展。按照这个方案，使用具有正交行的矩阵形式的时空块码来实现最大分集数量级。但是，在8个时间间隔上的4个复合码元的发送导致将数据率降低一半。因为使用8个时间间隔来发送一个整个块(即，4个码元)，因此在快速衰落的情况下，由于块的信道环境的改变而使得接收性能变差。

如上所述，当使用传统的时空块编码通过三个或更多的天线发送复合码元时，需要2N个时间间隔来发送N个码元，导致数据率的损耗。因此，发送等待时间被延长，并且降低了数据率。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种用于在使用至少三个发射机天线的移动通信系统中无数据率损失地实现最大分集数量级和最大数据率的接收装置。

本发明的另一个目的是提供一种接收装置，用于在使用至少三个发射机天线的移动通信系统中通过降低接收复杂性来提高码元处理速度。

上述目的的实现是通过一种在无线通信系统中的用于接收复合码元的接收机。在所述接收机中，至少一个接收机天线从至少三个发射机天线接收信号，并且码元布置器在四个时间间隔从接收机天线接收信号。信道估计器估计从至少三个发射机天线到所述至少一个接收机天线的至少三个信道增益。第一和第二解码器使用所接收的信号和信道增益来计算对于所有对码元的量度，并且每个解码器检测给出最小量度的一对码元。并/串转换器以正确的顺序排列由第一和第二解码器检测的四个码元。按照本发明，第一和第二解码器线性地操作所接收的信号与信道增益，使用门限检测预先检测两个码元，并且如果预先检测的码元和由信道增益确定的一个常数的乘积是最小值，则输出所述预先检测的两个码元来作为最后的码元。

附图说明

通过下面参照附图详细说明，本发明的上述和其他目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是使用时空块码的传统发射机的方框图；

图2是用于从图1所示的发射机接收信号的接收机的方框图；

图3是应用了本发明的、使用时空块码的发射机的方框图；

图4是用于从图2所示的发射机数据信号的接收机的方框图；

图5图解了计算公式(12)所需要的QPSK码元；

图6是按照本发明的、使用时空块码的接收机的方框图；

图7是在BER(比特误差率)对SNR(信噪比)上比较本发明的块编码和传统的块编码的图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的一个优选实施例。在下面的说明中，不详细说明公知的功能或结构，因为它会以不必要的细节混淆本发明。

对于四个码元的输入，通过三个天线在四个时间间隔中发送的码元被如在矩阵(2)中所示来表达：

$C_{43}=\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_2& s_3\\ s_4& s_5& s_6\\ s_7& s_8& s_9\\ s_{10}& s_{11}& s_{12}\end{array}\right]---------\left(2\right)$

如所公知的，采用ML(最大似然性)解码的接收机使用表示从发射机天线到接收机天线的信道增益的信道估计来计算在所接收的信号和所有可能的码元之间的量度，并且检测给出最小量度的码元。

设从第i个发射机天线到接收矩阵(2)的码元的接收机天线的信道估计是h_i。如公式(3)中所示那样来计算任意码元集c_t的量度：

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}|r_t-\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{c}_i|-------\left(3\right)$

其中r_t是在第t个时间间隔中接收的信号，c_t是第t个时间间隔的码元集。通过在矩阵(2)中应用公式(3)，接收机选择最小化公式(4)的码元集：

     |r₁-h₁s₁-h₂s₂-h₃s₃|²+|r₂-h₁s₄-h₂s₅-h₃s₆|²      (4)

     +|r₃-h₁s₇-h₂s₈-h₃s₉|²+|r₄-h₁s₁₀-h₂s₁₁-h₃s₁₂|²

其中r₁、r₂、r₃、r₄是在四个时间间隔上接收的信号，h₁、h₂、h₃是表示从发射机天线到接收机天线的信道系数的信道增益。

为了简化接收机的ML解码设计，必须通过从公式(4)中消除尽可能多的交叉项来使得通过发射机天线发送的码元序列彼此正交。如方程(5)中所示来表达所述交叉项：

$h_1{h}_2^{*}{C}_1+h_2{h}_3^{*}{C}_2+h_1{h}_3^{*}{C}_{3=}$

$h_1{h}_2^{*}(s_1{s}_2^{*}+s_4{s}_5^{*}+s_7{s}_8^{*}+s_{10}{s}_{11}^{*})+h_2{h}_3^{*}(s_2{s}_3^{*}+s_5{s}_6^{*}+s_8{s}_9^{*}+s_{11}{s}_{12}^{*})-------\left(5\right)$

$+h_1{h}_3^{*}(s_1{s}_3^{*}+s_4{s}_6^{*}+s_7{s}_9^{*}+s_{10}{s}_{12}^{*})$

从Tarokh可以知道，当使用4×3编码矩阵时，不能消除ML检测所涉及的一些交叉项。尽管如此，有可能通过在方程(5)中消除两项、即C₁和C₂来在由第一天线h₁和第三天线h₃发送的码元序列之间建立正交性。

为了获得最大分集数量级，要发送的四个码元必须在每个时间间隔在每个天线出现一次。下面的四个4×3的编码矩阵满足这个条件。而且，通过替代在矩阵(6)中那样的四个矩阵中的列或行而产生编码矩阵：

$\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_2& s_3\\ s_2& s_2& s_4\\ s_3& s_4& s_1\\ s_4& s_3& s_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_2& s_3\\ s_2& s_1& s_4\\ s_3& s_4& s_2\\ s_4& s_3& s_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_2& s_3\\ s_2& s_3& s_4\\ s_3& s_4& s_1\\ s_4& s_1& s_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_2& s_3\\ s_2& s_4& s_1\\ s_3& s_1& s_4\\ s_4& s_3& s_2\end{array}\right]------\left(6\right)$

在矩阵(7)中可以表示与编码矩阵(6)相关的一个编码矩阵的示例，它具有负数和共轭以消除在方程(5)中的至少两个交叉项、即C₁和C₂：

$\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_2& s_4\\ {-s}_2^{*}& s_1^{*}& s_3^{*}\\ {-s}_4^{*}& {-s}_3^{*}& s_1^{*}\\ s_3& {-s}_4& s_2\end{array}\right]--------\left(7\right)$

可以获得的编码矩阵的示例包括在矩阵(8)中所示的那些：

$\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& x_2& {-x}_3^{*}\\ {-x}_2^{*}& x_1^{*}& x_4\\ x_3& x_4& x_1^{*}\\ {-x}_4^{*}& x_3^{*}& -x_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& x_2& {-x}_3^{*}\\ -x_2^{*}& x_1^{*}& -x_4\\ x_3& x_4& x_1^{*}\\ {-x}_4^{*}& {-x}_3^{*}& x_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& x_2& {-x}_3^{*}\\ {-x}_2^{*}& x_1^{*}& x_4\\ x_3& x_4& {-x}_1^{*}\\ {-x}_4^{*}& x_3^{*}& {-x}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& x_2& {-x}_3^{*}\\ {-x}_2^{*}& x_1^{*}& {-x}_4\\ x_3& x_4& {-x}_1^{*}\\ {-x}_4^{*}& x_3^{*}& x_2\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& x_2& {-x}_3^{*}\\ {-x}_2^{*}& x_1^{*}& x_4\\ x_3& x_4& x_1^{*}\\ x_4^{*}& -x_3^{*}& x_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& x_2& x_3^{*}\\ -x_2^{*}& x_1^{*}& x_4\\ x_3& x_4& {-x}_1^{*}\\ {-x}_4^{*}& x_3^{*}& x_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& x_2& {-x}_3^{*}\\ x_2^{*}& -x_1^{*}& x_4\\ x_3& x_4& x_1^{*}\\ {-x}_4^{*}& x_3^{*}& x_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& x_2& x_3^{*}\\ x_2^{*}& -x_1^{*}& x_4\\ x_3& x_4& {-x}_1^{*}\\ {-x}_4^{*}& x_3^{*}& x_2\end{array}\right]$ ……(8)

$\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& x_2& {-x}_3^{*}\\ x_2^{*}& {-x}_1^{*}& -x_4\\ x_3& x_4& x_1^{*}\\ x_4^{*}& -x_3^{*}& x_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& x_2& {-x}_3^{*}\\ x_2^{*}& -x_1^{*}& x_4\\ x_3& x_4& x_1^{*}\\ x_4^{*}& {-x}_3^{*}& -x_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& x_2& {-x}_3^{*}\\ x_2^{*}& -x_1^{*}& -x_4\\ x_3& x_4& {-x}_1^{*}\\ x_4^{*}& {-x}_3^{*}& x_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& x_2& {-x}_3^{*}\\ x_2^{*}& {-x}_1^{*}& x_4\\ x_3& x_4& {-x}_1^{*}\\ x_4^{*}& -x_3^{*}& -x_2\end{array}\right]$

在此，x₁、x₂、x₃、x₄对应于s₁、s₂、s₃、s₄的负值和共轭。具体上，通过x₁＝s₁，x₂＝s₂，x₃＝-s₄ ^*，x₄＝-s₃从矩阵(7)产生在矩阵(8)中的第二矩阵。

通过使用像在矩阵(8)中那样的编码矩阵消除至少两个交叉项(即C₁和C₂)来简化在接收机中的ML检测设计。例如，通过使用矩阵(7)来表示公式(4)，公式(4)的最小化等同于下面公式(9)和(10)的最小化。这是可能的，因为表达为公式(9)和公式(10)的量度彼此独立。

Min(x₁，x₃)(|R₁-x₁|²+|R₃-x₃|²+2(C₁+C₂)Re{x₁ ^*x₃})    (9)

Min(x₂，x₄)(|R₂-x₂|²+|R₄-x₄|²+2(C₂+C₄)Re{x₂ ^*x₄})    (10)

其中Min(a，b)y(a，b))是确定最小化y(a，b)的a和b的运算，并且Re{}是从在{}中的复数获得实数分量的运算。如上所述，C₁和C₂是0。C₃＝h₃ ^*h₂-h₃h₂ ^*和C₄＝h₃h₂ ^*-h₃ ^*h₂。R₁＝r₁h₁ ^*+r₂h₂ ^*+r₃h₃ ^*，R₂＝r₁h₂-r₂h₁ ^*+r₄h₃ ^*，R₃＝r₂h₃ ^*+r₄h₁ ^*-r₃h₂ ^*，R₄＝r₁h₃ ^*-r₃h₁ ^*r₄h₂ ^*。

接收机分离用于按照公式(9)解码一对s₁和s₃的解码部分和用于按照公式(10)解码一对s₂和s₄的解码部分。结果，简化了接收机结构。

在BPSK(二进制相移键控)码元的情况下的编码矩阵具有分集数量级3。在诸如QPSK(四相移键控)、8PSK(8相移键控)或16PSK(16相移键控)的具有3或更高阶的码元映射的情况下，分集数量级降到2，因为发送复合码元。因此，在四个码元中用于确定不同量度的两个码元被相位旋转预定的值，因此实现了在本发明中的最大分集数量级3。通过三个天线发送的最后码元因此以矩阵(11)来表达：

$\left[\begin{array}{ccc}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1& s_2& e^{j{\mathrm{\θ}}_4}{s}_4\\ {-s}_2^{*}& e^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1^{*}& s_3^{*}\\ {-e}^{-j{\mathrm{\θ}}_4}{s}_4^{*}& {-s}_3^{*}& e^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1^{*}\\ s_3& {-e}^{-j{\mathrm{\θ}}_4}{s}_4& s_2\end{array}\right]--------\left(11\right)$

这个编码矩阵包括通过将在矩阵(7)中的s₁和s₄的相位分别旋转θ₁和θ₂而产生的码元。与不同的量度相关联的码元s₁和s₂、s₃和s₄或s₂和s₃也可以被相位旋转。分集数量级被保持在最大值，即3，而与是否两个码元被相位旋转不同的值或相同的值无关。以相同的方式，可以将在编码举火怎(8)中的用于确定不同量度的两个码元的相位旋转预定的值来获得最后的编码矩阵。

图3中图解了使用上述的编码矩阵的示范发射机。

图3是应用了本发明的、使用时钟块编码的发射机的方框图。如图所示，所述发射机包括S/P转换器210、相位旋转器220和222、编码器230和三个发射机天线240、242、244。

参见图3，S/P转换器210向编码器230提供在每个块中的四个码元。在此，两个所选择的码元s₁和s₄分别在相位旋转器220和222中被相位旋转预定的值θ₁和θ₄。以所述两个码元与接收机中的不同量度相关联的方式来进行选择所述两个码元。这个选择被公开在同一发明人的韩国专利申请第P20030001454中，这个申请通过引用被包含在此。编码器230从包括两个相位旋转的码元的码元块产生四个码元集，每个包括三个码元，并且将它们在四个时间间隔上向三个发射机天线240、242、244提供。

为了获得最大分集数量级，编码器230建立码元集，以便从每个天线一次和对于每个时间间隔一次发送四个复合码元。而且，编码器230导出码元集的输入码元的负值和共轭，以便构造发射机天线的码元序列的正交性。用于旋转所选择的两个输入码元的相位的原因是即使在输入码元是复合的情况下压获得最大的分集数量级。

如果要通过三个天线发送的四个码元集被表示为4×3矩阵，则在第m列中的码元被依序提供到第m个天线。换句话说，在第n行中的码元被同时提供到三个天线，用于在第n个时间间隔中的发送。

例如，如果在s₁、s₂、s₃、s₄中的s₁和s₄分别被相位旋转θ₁和θ₄，则编码器230的输出可以被表达为4×3编码矩阵，例如矩阵(11)。如果使用编码矩阵(11)，则在第一行中的三个码元e^jΘ1s₁、s₂和e^jΘ4s₄在第一时间间隔中被提供到三个发射机天线240、242、244，并且在第四行中的三个码元s₃、e^jΘ4s₄和s₂在第四时间间隔中被提供到三个发射机天线240、242、244。

图4是用于从图4所示的发射机接收信号的接收机的方框图。按照本发明的一个实施例，接收机包括两个独立的ML解码器340和345。

参见图4，信道估计器320估计从三个发射机天线240、242、244到接收机天线310-315的信道系数、即信道增益h₁、h₂和h₃。码元布置器330收集在接收机天线310-315接收的信号r₁、r₂、r₃和r₄。

如果使用单个接收机天线，则码元布置器330从四个所接收的信号r₁、r₂、r₃和r₄建立一个块。如果使用两个或更多的接收机天线，则码元布置器330从所接收的信号以矩阵的形式建立一个块。在所述矩阵中，列对应于接收机天线，行对应于时间间隔。虽然示出了多个接收机天线310-315，为了说明的简单，下面在单个接收机天线的环境中说明接收机的操作。

为了恢复从发射机发送四个码元s₁、s₂、s₃、s₄，第一解码器340使用信道增益和所接收的信号来检测s₁、s₃，并且第二解码器345以相同的方式来检测s₂、s₄。因此，在解码器340和345中同时检测四个码元。为了将所检测的码元与原始码元区别，前者被表示为s’。

在编码矩阵(11)的情况下，第一解码器340的码元产生器350产生s₁和s₃的所有可以获得的子组合，并且相位旋转器352将s₁相位旋转在发射机中使用的值θ₁，于是输出e^jΘ1s₁。

量度计算器370根据信道增益h₁、h₂、h₃和所接收的信号r₁、r₂、r₃、r₄使用公式(9)计算所有可以获得的码元的子组合，每个包括一个相位旋转的码元。最小量度检测器380然后检测给出最小量度的码元s₁’和s₃’。

第二解码器345以相同的方式对于s₂和s₄操作。在第一解码器340检测到s₁’和s₃’并且第二解码器检测到s₂’和s₄’之后，并/串(P/S)转换器390将所检测的码元以正确的顺序(right order)排列，并且输出码元集s₁’、s₂’、s₃’、s₄’。

当图4所示的如此构成的接收机使用QPSK信号星座时，可以获得s₁和s₃的16个子组合和s₂和s₄的16个子组合。为了检测所期望的码元，量度计算器370和375必须计算公式(9)和(10)，每个32次。一个量度的计算需要一个复数相乘(相当于四个实数相乘)、一个实数相乘、四个相加(相减)、两个模(norm)运算(相当于两个实数相乘)和一个比较。换句话说，需要总共7个实数相乘和四个相加。因此，可以说，相对于32个子组合解码一个块(两个码元子组合)需要总共224个实数相乘、128个相加和32个比较。

每次接收到四个码元的这种计算量的重复对于高速接收业务带来了很大的限制。因此，在本发明中，降低了相对于三个天线的对于接收机的计算需要，因此使得接收机可以以高速率来接收码元数据。

如上所述，与三个发射机天线通信的接收机检测最小化公式(9)和(10)的四个码元。因为C₁和C₂是0，公式(9)和(10)可以分别表达为公式(12)和(13)：

      |R₁-x₁|²+|R₃-x₃|²+2(C₃)Re{x₁ ^*x₃}    (12)

      |R₂-x₂|²+|R₄-x₄|²+2(C₄)Re{x₂ ^*x₄}    (13)

其中x、x、x、x是包括两个相位旋转的码元的四个码元。即， $x_1=e^{j{\mathrm{\Θ}}_1}{s}_1,$ x₂＝s₂，x₃＝s₃， $x_4=e^{j{\mathrm{\Θ}}_4}{s}_4.$

图6图解了按照本发明的另一个实施例的基于上述原理的接收机。所述接收机也包括两个独立的ML解码器440和445。

参见图6，信道估计器420估计从三个发射机天线240、242和244到接收机天线410-415的信道系数，即信道增益h₁、h₂、h₃。码元布置器430在四个时间间隔上收集在接收机天线310-315接收的信号r₁、r₂、r₃和r₄。

如果使用单个接收机天线，则码元布置器430收集通过单个天线所接收的信号r₁、r₂、r₃和r₄，因为发射机在四个时间间隔上发送一个块的码元。如果使用两个或多个接收机天线，则码元布置器330从所接收的信号建立矩阵形式的块。在所述矩阵中，列对应于接收机天线，行对应于时间间隔。虽然示出了多个接收机天线410-415，为了说明的简单，下面在单个接收机天线的环境中说明接收机的操作。

为了恢复从发射机发送的四个码元s₁、s₂、s₃、s₄，第一解码器440使用信道增益和所接收的信号来检测s₁、s₃，并且第二解码器445以相同的方式来检测s₂、s₄。因此，在解码器440和445中同时检测四个码元。为了将所检测的码元与原始码元区别，前者被表示为s’。

在编码矩阵(11)的情况下，第一解码器440的码元产生器450产生s₁和s₃的所有可以获得的子组合，并且相位旋转器452将s₁相位旋转在发射机中使用的值θ₁，于是输出e^jΘ1s₁。e^jΘ1s₁和s₃被称为码元子集。从码元产生器450和相位旋转器452产生的所有可以获得的码元子集被同时提供到门限检测器460和量度计算器470。

门限检测器460使用信道增益h₁、h₂、h₃和接收的信号r₁、r₂、r₃和r₄预先检测最佳地近似门限R₁和R₃的码元s₁’和s₃’。确定器462使用按照信道增益和预先选择的s₁’和s₃’计算的C₃来计算(C₃)Re{e^-jθ1s₁ ^*s₃}。如果所计算的值是最小，则确定器462输出预先检测的s₁’和s₃’。此时，量度计算器470和最小量度检测器480被停用(deactivated)。

如果对于QPSK信号星座来说允许45°相位的旋转，则确定器462可以通过简单地查看其正负号来确定是否(C₃)Re{e^-jθ1s₁ ^*s₃}是最小的。如果是负号的，确定器462输出预先检测的码元作为最后的码元，并且量度计算器470和最小量度检测器480被停用。

图5图解了在QPSK信号星座中需要来计算公式(12)所需要的码元。如图所示，在公式(12)中的最后一项(C₃)Re{e^-jθ1s₁ ^*s₃}是+C₃或-C₃。如果该项是负号的，则检测最小化公式(12)的s₁和s₃等同于检测最小化公式(12)的第一项|R₁-e^jθ1s₁|²的s₁和最小化第二项|R₃-s₃|²的s₃。对于公式(13)和s₂和s₄也是这样。|R₁-e^jθ1s₁|²和|R₃-s₃|²的最小化等同于确定最佳地近似门限R₂和R₃的s₁和s₃，即门限检测。

如果由确定器计算的值不是最小值，则量度计算器470根据R₁、R₃和C₃使用公式(12)来计算所有可以获得的码元子集的量度，R₁、R₃和C₃是通过使用信道增益和所接收的信号而获得的。量度计算器470可以直接计算R₁、R₃和C₃，或从门限检测器460接收它们。在后一种情况下，如果所计算的值不是最小值，则确定器462向量度计算器479提供R₁、R₃和C₃来用于码元检测。最小量度检测器480然后检测给出最小量度的s₁’和s₂’。

第二解码器445以相同的方式操作。在第一解码器440检测s₁’和s₃’并且第二解码器445检测s₂’和_s4’之后，P/S转换器490以正确的顺序排列所检测的码元，并且输出码元组s₁’、s₂’、s₃’和s₄’。

在图6图示的接收机中，一个解码器执行一个复数相乘(相当于四个实数相乘)、一个实数相乘、三个最小值确定。因为最小值计算是与预先存储的最小值的比较，因此最后需要5个实数相乘和3个比较。对于QPSK来说，符号是负号的概率是1/2。因此，对于每对码元平均需要122个实数相乘、64个实数相加和22个比较。从表1中显然可以看出，图6中图解的接收机需要图4中图解的接收机的计算复杂度的一半。

(表1)

	实数相乘	实数相加	比较
				图4	224	128	32
图6(本发明)	122(112+10)	64	22(16+6)

图7是图解在传统的块编码和在本发明的块编码中的BER比SNR的图。参见图7，附图标号510表示使用两个天线的Alamouti的时空块编码的效率，附图标号520表示使用具有相交行的8×3编码矩阵的Tarokh的时空块编码的效率，附图标号530表示使用具有非优化的相位值的4×3编码矩阵的时空块编码的效率，附图标号540表示按照本发明的、使用具有最佳相位值的4×3编码矩阵的时空块编码的效率。如上所述，本发明的具有优化相位值的块码对于给定的SNR具有最低的BER。

虽然已经在三个发射机天线的环境中说明了本发明，但是显然图6所示的接收机适用于用于向三个或更多的发射机天线发送和从三个或更多的发射机接收相位旋转的码元的发射机/接收机。例如，可以像在矩阵(14)中那样表示对于四个发射机天线的编码矩阵：

$\left[\begin{array}{cccc}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1& s_2& s_3^{*}& e^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_4^{*}\\ s_2^{*}& {-e}^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1^{*}& e^{j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_4& {-s}_3\\ s_3& e^{j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1& -e^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1^{*}& s_2^{*}\\ {-e}^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1^{*}& {-s}_3^{*}& {-s}_2& e^{j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1\end{array}\right]----------\left(14\right)$

当使用编码矩阵(14)时，图4中图解的解码器440和445中的量度计算器370和375检测最小化公式(15)和(16)的码元如下：

$\mathrm{Min}(x_1,x_3)({|R_1-x_1|}^2+{|R_3-x_3|}^2+{|R_{13}-x_1^{*}{x}_3|}^2-{\left|x_1\right|}^2{\left|x_3\right|}^2)-------\left(15\right)$

$\mathrm{Min}(x_2,x_4)({|R_2-x_2|}^2+{|R_4-x_4|}^2+{|R_{24}-x_2^{*}{x}_4|}^2-{\left|x_2\right|}^2{\left|x_4\right|}^2)-------\left(16\right)$

其中R₁、R₃、R₁₃、R₂、R₄、R₂₄如方程(17)中所示定义：

$R_1=\frac{(r_1{h}_1^{*}+r_2^{*}{h}_2+r_3^{*}{h}_3-r_4{h}_4^{*})}{K},R_3=\frac{(r_1{h}_4^{*}+r_2^{*}{h}_3-r_3^{*}{h}_2+r_4{h}_1^{*})}{K}$

$R_{13}=\frac{({-h}_1{h}_4^{*}+h_1^{*}{h}_4-h_2^{*}{h}_3+h_2{h}_3^{*})}{K},R_2=\frac{(r_1{h}_2^{*}-r_2^{*}{h}_1-r_3^{*}{h}_4+r_4{h}_3^{*})}{K}-------\left(17\right)$

$R_4=\frac{(r_1{h}_3^{*}-r_2^{*}{h}_4-r_3^{*}{h}_1-r_4{h}_2^{*})}{K},R_{24}=\frac{(-h_2{h}_3^{*}-h_1^{*}{h}_4-h_4^{*}{h}_1+h_3{h}_2^{*})}{K}$

K＝|h₁|²+|h₂|²+|h₃|²+|h₄|²

门限检测器460预先检测近似R₁和R₃的码元，并且门限检测器465预先检测近似R₂和R₄的码元。确定器462和467然后计算是否|R₁₃-x₁ ^*x₃|²-|x₁|²|x₃|²和|R₂₄-x₂ ^*x₄|²-|x₂|²|x₄|²是最小的。如果它们是最小值，则确定器462和467输出预先检测的码元来作为最后的码元。量度计算器370和375仅仅当|R₁₃-x₁ ^*x₃|²-|x₁|²|x₃|²和|R₂₄-x₂ ^*x₄|²-|x₂|²|x₄|²不是最小的时候检测最小化公式(15)和(16)的码元。

如上所述，本发明即使当发送复合码元时也可以实现最大的分级数量级而没有数据率损失。它也最小化了发送等待时间。所导致的针对快速衰落的的强壮性和简化的解码设计降低了生产成本，并且有助于系统最小化。

虽然已经参照本发明的实施例具体示出和说明了本发明，本领域的技术人员会明白，在不脱离所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (18)

1.一种在无线通信系统中的用于接收复合码元的接收机，包括：

码元布置器，在四个时间间隔上从至少一个接收机天线收集信号，所述至少一个接收机天线从至少三个发射机天线接收信号；

信道估计器，用于估计从至少三个发射机天线到所述至少一个接收机天线的至少三个信道增益；

第一解码器，用于使用所接收的信号和信道增益来计算对于所有对码元的量度，并且用于检测给出最小量度的两个码元；

第二解码器，用于使用所接收的信号和信道增益来计算对于所有对码元的量度，并且用于检测给出最小量度的两个码元；

并/串转换器，用于以正确的顺序排列由第一和第二解码器检测的四个码元；以及

其中第一和第二解码器的每个线性地操作所接收的信号与信道增益，使用门限检测预先检测两个码元，并且如果预先检测的码元和由信道增益确定的一个常数的乘积是最小值，则输出所述预先检测的两个码元来作为最后的码元。

2.按照权利要求1的接收机，其中发射机天线的数量是3。

3.按照权利要求2的接收机，其中第一和第二解码器每个分别预先检测两个码元s₁和s₃或s₂和s₄，所述两个码元s₁和s₃或s₂和s₄分别最小化|R₁-e^jθ1S₁|²+|R₃-s₃|²或|R₂-s₂|²+|R₄-e^jθ4s₄|²，其中θ₁和θ₄是在发射机中使用的相位旋转值，

               R₁＝r₁h₁ ^*+r₂h₂ ^*+r₃h₃ ^*，R₃＝r₂h₃ ^*+r₄h₁ ^*-r₃h₂ ^*，

               R₂＝r₁h₂ ^*-r₂h₁ ^*+r₄h₃ ^*，R₄＝r₁h₃ ^*-r₃h₁ ^*-r₄h₂ ^*，

r₁、r₂、r₃、r₄是在四个时间间隔上接收的信号，h₁、h₂、h₃是表示从发射机天线到接收机天线的信道系数的信道增益。

4.按照权利要求3的接收机，其中，如果(C₃)Re{e^-jθ1s₁ ^*s₃}或(-C₃)Re{s₂ ^*e^-jθ4s₄}是最小值，则第一和第二解码器输出预先检测的码元来作为最后的码元，其中 $C_3=h_3{h}_2^{*}-h_3^{*}{h}_2,$ 并且h₂和h₃是三个发射机天线中的两个的信道增益。

5.按照权利要求4的接收机，其中，如果(C₃)Re{e^-jθ1s₁ ^*s₃}或(-C₃)Re{s₂ ^*e^-jθ4s₄}不是最小值，则第一和第二解码器分别检测两个码元s₁和s₃或s₂和s₄，所述两个码元s₁和s₃或s₂和s₄分别最小化

$|R_1-e^{j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1{|}^2+{|R_3-s_3|}^2+2\left(C_3\right)\mathrm{Re}\{e^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1^{*}{s}_3\}$ 或

${|R_2-s_2|}^2+{|R_4-e^{-j{\mathrm{\θ}}_4}{s}_4|}^2+2(-C_3)\mathrm{Re}\left\{s_2^{*}{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_4}{s}_4\right\}.$

6.按照权利要求1的接收机，其中发射机天线的数量是4。

7.按照权利要求6的接收机，其中第一和第二解码器每个分别预先检测两个码元s₁和s₃或s₂和s₄，所述两个码元s₁和s₃或s₂和s₄分别最小化|R₁-e^jθ1s₁|²+|R₃-s₃|²或|R₂-s₂|²+|R₄-e^jθ4s₄|²，其中θ₁和θ₄是在发射机中使用的相位旋转值，R、R、R、R被定义为

$R_1=\frac{(r_1{h}_1^{*}+r_2^{*}{h}_2-r_3^{*}{h}_3-r_4{h}_4^{*})}{K},$ $R_3=\frac{(r_1{h}_4^{*}+r_2^{*}{h}_3-r_3^{*}{h}_2+r_4{h}_1^{*})}{K}$

$R_2=\frac{(r_1{h}_2^{*}-r_2^{*}{h}_1-r_3^{*}{h}_4+r_4{h}_3^{*})}{K},$ $R_4=\frac{(r_1{h}_3^{*}-r_2^{*}{h}_4-r_3^{*}{h}_1-r_4{h}_2^{*})}{K},$

K＝|h₁|²+|h₂|²+|h₃|²+|h₄|²

其中r₁、r₂、r₃、r₄是在四个时间间隔上接收的信号，h₁、h₂、h₃是表示从发射机天线到接收机天线的信道系数的信道增益。

8.按照权利要求7的接收机，其中如果|R₁₃-x₁ ^*x₃|²-|x₁|²|x₃|²和|R₂₄-x₂ ^*x₄|²-|x₂|²|x₄|²是最小值，则第一和第二解码器输出预先检测的码元来作为最后的码元，其中R₁₃和R₂₄被定义为

$R_{13}=\frac{(-h_1{h}_4^{*}+h_1^{*}{h}_4-h_2^{*}{h}_3+h_2{h}_3^{*})}{K},$ $R_{24}=\frac{(-h_2{h}_3^{*}-h_1^{*}{h}_4-h_4^{*}{h}_1+h_3{h}_2^{*})}{K}.$

9.按照权利要求8的接收机，其中如果|R₁₃-x₁ ^*x₃|²-|x₁|²|x₃|²和|R₂₄-x₂ ^*x₄|²-|x₂|²|x₄|²不是最小值，则第一和第二解码器每个预先检测两个码元s₁和s₃或s₂和s₄，所述两个码元s₁和s₃或s₂和s₄分别最小化

              |R₁-x₁|²+|R₃-x₃|²+2(C₃)Re{x₁ ^*x₃}或

              |R₂-x₂|²+|R₄-x₄|²+2(C₄)Re{x₂ ^*x₄}

10.按照权利要求1的接收机，其中第一和第二解码器的每个包括：

码元产生器，用于产生所有可能的码元子组合，每个码元子组合包括两个码元；

相位旋转器，用于将在每个码元子组合中的一个码元的相位旋转预定的值；

门限检测器，用于线性地操作所接收的信号与信道增益，并且使用门限检测来预先检测两个码元；

确定器，用于计算：如果预先检测的码元和由信道增益确定的一个常数的乘积是最小值，则所述预先检测的两个码元是最后的码元；

量度计算器，用于使用所接收的信号和信道增益来计算码元子组合的量度，每个包括一个相位被旋转的码元；

检测器，用于使用所计算的量度来检测具有最小量度的两个码元。

11.按照权利要求10的接收机，其中发射机天线的数量是3。

12.按照权利要求11的接收机，其中门限检测器预先检测两个码元s₁和s₃或s₂和s₄，所述两个码元s₁和s₃或s₂和s₄分别最小化|R₁-e^jθ1s₁|²+|R₃-s₃|²或|R₂-s₂|²+|R₄-e^jθ4s₄|²，其中θ₁和θ₄是在发射机中使用的相位旋转值，

               R₁＝r₁h₁ ^*+r₂h₂ ^*+r₃h₃ ^*，R₃＝r₂h₃ ^*+r₄h₁ ^*-r₃h₂ ^*，

               R₂＝r₁h₂ ^*-r₂h₁ ^*+r₄h₃ ^*，R₄＝r₁h₃ ^*-r₃h₁ ^*-r₄h₂ ^*，

r₁、r₂、r₃、r₄是在四个时间间隔上接收的信号，h₁、h₂、h₃是表示从发射机天线到接收机天线的信道系数的信道增益。

13.按照权利要求12的接收机，其中，如果(C₃)Re{e^-jθ1s₁ ^*s₃}或(-C₃)Re{s₂ ^*e^-jθ4s₄}是最小值，则确定器输出预先检测的码元来作为最后的码元，其中 $C_3=h_3{h}_2^{*}-h_3^{*}{h}_2,$ 并且h₂和h₃是三个发射机天线中的两个的信道增益。

14.按照权利要求13的接收机，其中，如果(C₃)Re{e^-jθ1s₁ ^*s₃}或(-C₃)Re{s₂ ^*e^-jθ4s₄}不是最小值，则量度计算器检测两个码元s₁和s₃或s₂和s₄，所述两个码元s₁和s₃或s₂和s₄最小化

$|R_1-e^{j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1{|}^2+{|R_3-s_3|}^2+2\left(C_3\right)\mathrm{Re}\{e^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1^{*}{s}_3\}$ 或

${|R_2-s_2|}^2+{|R_4-e^{-j{\mathrm{\θ}}_4}{s}_4|}^2+2(-C_3)\mathrm{Re}\left\{s_2^{*}{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_4}{s}_4\right\}.$

15.按照权利要求10的接收机，其中发射机天线的数量是4。

16.按照权利要求15的接收机，其中门限检测器预先检测两个码元s₁和s₃或s₂和s₄，所述两个码元s₁和s₃或s₂和s₄最小化|R₁-e^jθ1s₁|²+|R₃-s₃|²或|R₂-s₂|²+|R₄-e^jθ4s₄|²，其中θ₁和θ₄是在发射机中使用的相位旋转值，R₁、R₂、R₃、R₄被定义为

$R_1=\frac{(r_1{h}_1^{*}+r_2^{*}{h}_2-r_3^{*}{h}_3-r_4{h}_4^{*})}{K},$ $R_3=\frac{(r_1{h}_4^{*}+r_2^{*}{h}_3-r_3^{*}{h}_2+r_4{h}_1^{*})}{K}$

$R_2=\frac{(r_1{h}_2^{*}-r_2^{*}{h}_1-r_3^{*}{h}_4+r_4{h}_3^{*})}{K},$ $R_4=\frac{(r_1{h}_3^{*}-r_2^{*}{h}_4-r_3^{*}{h}_1-r_4{h}_2^{*})}{K},$

K＝|h₁|²+|h₂|²+|h₃|²+|h₄|²

其中r₁、r₂、r₃、r₄是在四个时间间隔上接收的信号，h₁、h₂、h₃是表示从发射机天线到接收机天线的信道系数的信道增益。

17.按照权利要求16的接收机，其中如果|R₁₃-x₁ ^*x₃|²-|x₁|²|x₃|²和|R₂₄-x₂ ^*x₄|²-|x₂|²|x₄|²是最小值，则确定器输出预先检测的码元来作为最后的码元，其中R₁₃和R₂₄被定义为

$R_{13}=\frac{(-h_1{h}_4^{*}+h_1^{*}{h}_4-h_2^{*}{h}_3+h_2{h}_3^{*})}{K},$ $R_{24}=\frac{(-h_2{h}_3^{*}-h_1^{*}{h}_4-h_4^{*}{h}_1+h_3{h}_2^{*})}{K}.$

18.按照权利要求17的接收机，其中如果|R₁₃-x₁ ^*x₃|²-|x₁|²|x₃|²和|R₂₄-x₂ ^*x₄|²-|x₂|²|x₄|²不是最小值，则量度计算器检测两个码元s₁和s₃或s₂和s₄，所述两个码元s₁和s₃或s₂和s₄最小化

                |R₁-x₁|²+|R₃-x₃|²+2(C₃)Re{x₁ ^*x₃}或

                |R₂-x₂|²+|R₄-x₄|²+2(C₄)Re{x₂ ^*x₄}。

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