CN1521957A - 用于具有三个发射天线的无线系统的发射/接收装置 - Google Patents

Abstract

一种设备，使用发射天线分集以补偿衰落。其中编码器构造四个组合，每个组合都包括三个码元，以使四个输入码元在每一时间间隔与每一天线上只被发射一次，并且将这些组合分四个时间间隔传送给该三个发射天线，从该四个输入码元中所选择的两个或更多个码元在被通过发射天线发射之前被相位旋转预定的相位值。另一种设备，其中解码器构造三个组合，每个组合都包括三个码元，以使该三个输入码元在每一时间间隔与每一天线上只被发射一次，并且将该三个组合分三个时间间隔传送给该三个发射天线，并且从该三个输入码元中所选择的两个或更多个码元在被通过发射天线发射之前被相位旋转预定的相位值。该设备确保了最大分集重数，并且通过降低发射延迟，处理了快衰落。

Description

用于具有三个发射天线的无线系统的发射/接收装置

优先权

本申请要求于2003年1月2日向韩国知识专权局提交的、公开号为2003-144、名为“用于具有三个发射天线的无线通信系统的发射/接收装置”的申请的优先权。

技术领域

一般地，本发明涉及无线通信系统，具体地，涉及一种发射/接收装置，其使用发射天线分集以补偿衰落引起的退化。

背景技术

在无线通信系统中，时间与频率分集是抑制衰落的有效技术之一。在公开的天线分集技术中，由Vahid Tarokh提出的时空块编码扩展了由S.M.Alamouti提出的发射天线分集，从而可以使用两个或更多天线。Tarokh的提议在论文“来自正交设计的时空块编码”(“Space Time Block CodingFrom Orthogonal Design，”IEEE Trans.on Info.，Theory，Vol.45，pp.1456-1467，July 1999)中公开，而Alamouti的提议在论文“一种用于无线通信的简单发射器分集方案”(″A Simple Transmitter Diversity Scheme For WirelessCommunications，″IEEE Journal on Selected Area in Communications，Vol.16，pp.1451-1458，Oct.1998)中公开。

图1的方框图示出根据现有技术使用时空块编码的发射器的结构。该发射器由Tarokh提出，如图所示，包括串并(S/P)变换器110与编码器120。在该结构中，发射器使用三个天线130、132与134。

参看图1，串并变换器110将四个输入码元组合到一个块中，并将该块提供给编码器120。编码器120对四个码元作出八个组合，并将该八组合分八个时间间隔传送给三个发射天线130、132与134。该八个组合以8×3编码矩阵表示，其定义为

$g_3=\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_2& s_3\\ -s_4& s_1& -s_4\\ {-s}_3& s_4& s_1\\ -s_4& {-s}_3& s_2\\ s_1^{*}& s_2^{*}& s_3^{*}\\ -s_2^{*}& s_1^{*}& -s_4^{*}\\ {-s}_3^{*}& s_4^{*}& s_1^{*}\\ s_4^{*}& s_3^{*}& s_2^{*}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中g₃表示通过三个发射天线发射的码元的编码矩阵，s₁、s₂、s₃、s₄表示待发射的四个输入码元。

编码器120对四个输入码元求负与共轭，并将结果分八个时间间隔分别输出给三个天线130、132与134。在这种情况中，输出到天线的码元序列，即行，相互正交。

更具体地，在第一时间间隔，第一行的三个码元s₁、s₂与s₃分别传送给三个天线130、132与134。类似地，在最后一个时间间隔，最后一行的三个码元s₄ ^*、s₃ ^*与s₂ ^*分别被传送给三个天线130、132与134。即编码器120依次将该编码矩阵第M行的码元传送给第M个天线。

图2的方框图示出用于接收从图1的发射器发射的信号的接收器的结构。如图所示，该接收器包括多个接收天线140与142，信道估算器(channelestimator)150，多信道码元排列器160与检测器170。

参看图2，信道估算器150估算表示从发射天线到接收天线的信道增益的信道系数，多信道码元排列器160从接收天线140与142收集接收码元，并将所收集的接收码元提供给检测器170。然后，借助通过将接收码元乘以信道系数而确定的假设码元(hypotheses symbols)，检测器170为所有可能码元计算判决统计量(decision statistic)，并通过阈值检测检测发射码元。

由Alamouti提出的时空块编码技术，尽管复数码元通过两个发射天线发射，但取得了与发射天线数目相等的分集重数(diversity order)，即最大分集重数，而没有在造成速率损失。由Tarokh提出的图1与2的设备扩展了该项技术，以具有正交行的矩阵形式使用时空块编码，取得了最大分集重数。然而，由于这些设备分八个时间间隔发射四个复数码元，其造成了一半的速率损失。另外，因为需要八个时间间隔来完整地发射一个块(具有四个码元)，由于在快衰落情况中的在块内的信道环境变化，接收性能也变差。

当如上所述使用三个或更多天线发射复数码元时，需要2N个时间间隔以发射N个码元，造成了速率损失。该速率损失还引起延迟增加。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种发射/接收装置，用来在使用三个发射天线的无线通信系统中确保最大分集重数与最高速率而无速率下降。

根据本发明的第一方面，提供了一种发射器，用来在无线通信系统中发射复数码元。该发射器包括：三个发射天线；以及编码器，用来将四个输入码元组合到四个组合中，每个组合包括三个码元，以使该四个输入码元在每一时间间隔与每一天线上只被发射一次，并且将该四个组合分三个时间间隔传送给该三个发射天线；其中从该四个输入码元中所选择的两个或更多个码元分别被相位旋转预定的相位值。

根据本发明的第二方面，提供了一种接收器，用来在无线通信系统中接收复数码元。该接收器包括：码元排列器，用来接收通过至少一个接收天线分四个时间间隔从三个发射天线所接收的信号；信道估算器，用来估算表示从该三个发射天线到该接收天线的信道增益的三个信道增益；第一与第二解码器，用来通过使用信道增益与由码元排列器所接收的信号，来为所有可能的子组合计算测度值，每个子组合都包括两个码元，并且检测具有最小测度值的两个码元；以及并串转换器，用来依次排列由第一与第二解码器所检测的两个码元。

根据本发明的第三方面，提供了一种发射器，用来在无线通信系统中发射复数码元。该发射器包括：三个发射天线；以及编码器，用来将三个输入码元组合到三个组合中，每个组合包括三个码元，以使该四个输入码元在每一时间间隔与每一天线上只被发射一次，并且将该三个组合分三个时间间隔传送给该三个发射天线；其中从该三个输入码元中所选择的两个或更多个码元分别被相位旋转预定的相位值。

根据本发明的第四方面，提供了一种接收器，用来在无线通信系统中接收复数码元。该接收器包括：码元排列器，用来接收通过至少一个接收天线分三个时间间隔从三个发射天线所接收的信号；信道估算器，用来估算表示从该三个发射天线到该接收天线的信道增益的三个信道增益；以及解码器，用来通过使用信道增益与由码元排列器所接收的信号，来为所有可能的码元组合计算测度值，每个码元组合都包括三个码元，并且检测具有最小测度值的三个码元。

附图说明

本发明的以上及其他目的、特征与优点将通过下列描述结合附图变得显而易见，其中：

图1的方框图示出根据现有技术使用时空块编码的发射器的结构；

图2的方框图示出用于接收从图1的发射器发射的信号的接收器的结构；

图3的方框图示出根据本发明第一实施例的时空块编码的发射器的结构；

图4的方框图示出用来接收由图3的发射器所发射的信号的接收器的结构；

图5的模拟结果示出当在本发明第一实施例中使用QPSK时对于两个相位值的最小编码增益的变化；

图6示出相位旋转了45°的QPSK星位；

图7的曲线图示出根据本发明的第一实施例的块编码技术与常规技术之间就比特错误率(BER)相对信噪比(SNR)而言的比较；

图8的方框图示出使用根据本发明的第二实施例的时空块编码的发射器的结构；

图9的方框图示出用来接收由图8的发射器发射的信号的接收器的结构；

图10的模拟结果示出当在本发明第二实施例中使用QPSK时对于两个相位值的最小编码增益的变化；

图11的曲线图示出根据本发明的第二实施例的块编码技术与常规技术之间就比特错误率(BER)相对信噪比(SNR)而言的比较。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的几个优选实施例。在下列描述中，对此处所包含的已知功能与构造的详细描述从略。另外，下列描述中的名词通过考虑其在本发明中的功能而定义。因此，必须基于本说明的总体内容给出这些名词的定义。

本发明将部分复数发射信号进行相位旋转，以确保最大分集重数与最高速率，并引入部分正交(partial orthogonal)结构以简化编码方案。具体地，本发明提出两个实施例，用于当使用三个发射天线时可用的最优块编码。第一实施例将优化分集重数与速率，第二实施例将最小化发射延迟。下面将分别描述这两个实施例。虽然下面将描述对两个发射码元进行相位旋转的结构与操作，但可以对两个或更多个发射码元进行相位旋转以实现本发明。

第一实施例

在本发明的第一实施例中，四个输入码元通过三个天线分四个时间间隔进行发射，这可以编码矩阵表示，其定义为

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

众所周知，使用ML(最大似然)解码的接收器使用一套方案，用于基于从发射天线到接收天线的信道增益，借助接收信号，为所有可能码元计算测度值(metric value)，并检测使所计算的测度值最小的码元。

在接收等式(2)的码元的接收器中，如果从第i个发射天线到一个接收天线的信道增益定义为h_i，则相应于特定码元组合c_t的测度值表示为

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

其中r_t表示在第t时间间隔内收到的信号，c_t表示在第t时间间隔内创建的特定码元组合。当将等式(2)的编码矩阵代入等式(3)中，该接收器为所有可能的码元组合确定使下面的等式(4)最小的码元组合。

           |r₁-h₁s₁-h₂s₂-h₃s₃|²+|r₂-h₂s₄-h₂s₅-h₃s₆|²

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

                                                ......(4)

其中r₁、r₂、r₃与r₄分别为在接收器上分四个时间间隔接收的信号，h₁、h₂与h₃为表示从三个发射天线到接收天线的信道系数的信道增益。

为了简化接收器的ML检测方案，必须将尽可能多的交换项(crossoverterm)从等式(4)中移除，以使通过发射天线发射的码元序列，即行，相互正交。为此目的，下面只列举交换项。

$h_1{h}_2^{*}{C}_1+h_2{h}_3^{*}{C}_2+h_1{h}_3^{*}{C}_3=h_1{h}_2^{*}(s_1{s}_2^{*}+{s_{4}s}_5^{*}+s_7{s}_8^{*}+s_{10}{s}_{11}^{*})$

$h_2{h}_3^{*}(s_2{s}_3^{*}+s_5{s}_6^{*}+s_8{s}_9^{*}+s_{11}{s}_{12}^{*})+h_1{h}_3^{*}(s_1{s}_3^{*}+{s_{4}s}_6^{*}+s_7{s}_9^{*}+s_{10}{s}_{12}^{*})---\left(5\right)$

众所周知，按照Tarokh，当使用4×3编码矩阵发射四个码元时，所有在ML检测中出现的交换项都可以被移除。然而，通过从等式(5)中移除至少两项，即C₁与C₂，可能使至少第一与第三天线h₁与h₃具备正交性。

为确保最大分集重数，在每一天线的每一时间间隔上，四个发射码元必须只出现一次，在等式(6)中显示了满足此条件的4×3编码矩阵的四个例子。通过对这四个矩阵的行或列互换可以形成其他编码矩阵。

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

下面等式(7)显示了一个编码矩阵的例子，其中进行了求负与共轭，以为等式(6)的编码矩阵删除等式(5)的两个交换项，即C₁与C₂。

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

下面等式8中显示编码矩阵的可能例子，其中行部分正交并确保了最大分集重数。

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

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

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

其中x₁、x₂、x₃与x₄在对s₁、s₂、s₃与s₄求负与共轭后任意排列。具体地，等式(7)显示了等式(8)的第二矩阵，其中x₁＝s₁、x₂＝s₂、x₃＝s₄ ^*、x₄＝-s₃ ^*。

当使用等式(8)的编码矩阵移除至少两个交换项C₁与C₂时，接收器的ML检测方案可以更加简化。例如，如果等式(4)通过使用等式(7)的编码矩阵再次表示，则最小化等式(4)等同于最小化下面的等式(9)和等式(10)。这之所以可能是因为等式(9)的测度与等式(10)的测度相互独立。

$\mathrm{Min}(x_1,x_3)({|R_1-x_1|}^2+{|R_3-x_3|}^2+2(C_1+C_3)\mathrm{Re}\{x_1^{*}{x}_3\left\}\right)---\left(9\right)$

$\mathrm{Min}(x_2,x_4)({|R_2-x_2|}^2+{|R_4-x_4|}^2+2(C_2+C_4)\mathrm{Re}\{x_2^{*}{x}_4\left\}\right)---\left(10\right)$

其中“Min(a，b)(y(a，b))”表示确定“a，b”，使“y(a，b)”最小，“Re{}”表示计算大括号内复数的实部。另外，如上所述，C₁与C₂变为0，C₃＝h₃ ^*h₂-h₃h₂ ^*，C₄＝h₃h₂ ^*-h₃ ^*h₂＝-C₃。另外R₁＝r₁h₁ ^*+r₂ ^*h₂+r₃ ^*h₃，R₂＝r₁h₂ ^*-r₂ ^*h₁+r₄h₃ ^*，R₃＝r₂ ^*h₃+r₄h₁ ^*-r₃ ^*h₂，R₄＝r₁h₃ ^*-r₃ ^*h₁-r₄h₂ ^*。

使用等式(9)与(10)，接收器将根据等式(9)解码s₁与s₃对的部件与根据等式(10)解码s₂与s₄对的部件解耦，由此进一步简化其结构。

同时，当输入码元由BPSK(二进制移相键控)生成时，上述的编码矩阵总具有分集重数3。然而，当应用使用复数星位(complex constellation)的三价或更高价码元映射方案时，即QPSK(正交相移键控)、8PSK(八相移相键控)与16PSK(十六相移相键控)，发射码元变为复数码元，于是分集重数降为2。因此，通过将四个码元中每两个码元相位旋转预定的相位值，该两个码元确定不同测度值，本发明确保了最大分集重数3。然后，最终通过三个天线发射的码元表示为

$\left[\begin{array}{ccc}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_1}{s}_1& s^2& e^{{\mathrm{j\θ}}_4}{s}_4\\ {-s}_2^{*}& e^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1^{*}& s_3^{*}\\ {-e}^{-j{\mathrm{\θ}}_4}{s}_4^{*}& {-s}_3^{*}& e^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1^{*}\\ s_3& {-e}^{{\mathrm{j\θ}}_4}{s}_4& s_2\end{array}\right]---\left(11\right)$

等式(11)显示对等式(7)的输入码元s₁、s₂、s₃与s₄中的s₁、s₄分别相位旋转θ₁与θ₂。在另一种情况下，可能旋转与不同矩阵有关的码元对(s₁，s₂)、(s₃，s₄)或(s₂，s₃)。虽然两个码元所分别旋转的相位可以相同或不同，但分集重数总保持在3。类似地，即使对等式(8)的其他编码矩阵，如果将确定不同测度值的两个码元相位旋转预定的相位值，则可获得最终的编码矩阵。

使用上述编码矩阵的发射器与接收器分别在图3与图4中示出。

图3的方框图示出根据本发明第一实施例的时空块编码的发射器的结构。如图所示，发射器包括串并(S/P)转换器210、相位旋转器220与222、编码器230、与三个发射天线240、242与244。

参看图3，S/P转换器210将四个输入码元s₁、s₂、s₃与s₄组合到一个块中，并将该块提供给编码器230。从该块中选出的两个码元s₁与s₄在被提供给编码器230之前由相位旋转器220与222分别旋转预定的相位值θ₁与θ₂。选择这两个码元以便其与接收器上不同的测度有关。编码器230借助包括这两个相位被旋转的码元的一个块的码元作四个组合，每个组合包括三个码元，并将这四个组合分四个时间间隔传送给三个发射天线240、242与244。

为取得最大分集重数，编码器230作出组合以使这四个输入复数码元在每个时间间隔经每个天线只被发射一次。另外，编码器230通过对输入码元通过求负与共轭作出组合，以使传送给每个天线的码元序列相互正交。对从输入码元中选出的两个码元进行相位旋转的原因是：即使当输入码元为复数码元时，也获得最大分集重数。

如果通过三个天线发射的四个组合由4×3矩阵表示，则在编码矩阵第M行的码元依次被发送给第M个天线。即在第n时间间隔，在第n行的码元被同时传送给三个天线。

例如，当四个码元s₁、s₂、s₃与s₄中的码元s₁与s₄分别被相位旋转θ₁与θ₂时，编码器230的输出可以由上面等式(11)的4×3矩阵表示。当使用等式(11)的编码矩阵时，在第一时间间隔，第一行的的三个码元e^jθ1s₁、s₂与e^jθ4s₄被分别传送给三个天线240、242与244，在最后的第四时间间隔，最后第四行的s₃、e^jθ4s₄与s₂被分别传送给三个天线240、242与244。

到现在为止，一直描述的是用来发射等式(11)的矩阵的发射器。然而，在本发明的改进实施例中，发射器可以在发射前将等式(11)的矩阵乘以单位矩阵。

图4的方框图示出用来接收由图3的发射器所发射的信号的接收器的结构。根据本发明的第一实施例，该发射器包括两个ML解码器340与345，这两个解码器独立运行。

参看图4，信道估算器320估算信道系数，即从三个发射天线240、242与244到接收天线310与315的信道增益h₁、h₂与h₃，码元排列器330收集通过接收天线310与315中的每一个在四个时间间隔上接收的信号r₁、r₂、r₃与r₄。

如果接收天线的数目为1，则码元排列器330收集在四个时间间隔上接收的信号r₁、r₂、r₃与r₄。这是因为发射器分四个时间间隔发射了一个块的码元。当使用两个或更多个天线时，码元排列器330通过收集接收到的信号构造矩阵。在这种情况中，码元排列器330将通过一个接收天线接收的信号排列在一行内，而从另一接收天线接收的信号排列在另一行内。虽然此处的接收器具有多个接收天线310与315，但为简便，对本发明的描述将参照使用一个接收天线的情况。

当希望恢复从发射器发射的四个码元s₁、s₂、s₃与s₄时，第一解码器340根据信道增益与接收信号检测s₁与s₃，第二解码器以同样方式检测s₂与s₄。这样，第一与第二解码器340与345同时检测四个码元。检测到的码元由s’表示，以区别于原来的码元。

第一解码器340的运行将就使用等式(11)的编码矩阵时的情况进行描述。在第一解码器340中，码元生成器350生成所有可能的子组合s₁与s₃，相位旋转器360将所生成码元之一s₁相位旋转一相位值，该相位值与发射器所使用的相位值θ₁相同，并输出e^jθ1s₁。测度计算器370借助所估算的信道增益h₁、h₂与h₃以及接收信号r₁、r₂、r₃与r₄，通过对所有码元子组合计算等式(9)来确定测度值，所述子组合包括一个相位被旋转的码元。然后最小测度检测器380检测在测度值中具有最小测度值的s₁’与s₃’。

在第二解码器345中以同样方式进行上述操作。当以这种方式第一解码器340检测到s₁’与s₃’，第二解码器345检测到s₂’与s₄’时，并串(P/S)转换器390依次排列所检测的信号，并输出s₁’、s₂’、s₃’与s₄’的码元组合。

图3与图4的发射器与接收器用来对码元进行相位旋转的相位值必须根据误差矩阵的最小编码增益来确定。该“误差矩阵”中排列着接收器上所接收的包含误差的码元与原来被发射的码元之间的差，“最小编码增益”表示误差矩阵所有本征值(eigen value)的积。

图5的模拟结果示出当在本发明第一实施例中使用QPSK时对两个相位值来说的最小编码增益的变化。在图5中，x轴与y轴分别表示两个相位值，z轴表示误差矩阵的最小编码增益。如果相位值为90°的整数倍，则最小编码增益为0。这是因为如果将QPSK星位旋转90°，则变为其原来的星位。

从图5可以理解当所有相位值在45°左右时，最小编码增益变平。因此，在本发明的第一实施例中优选的相位值为45°。图6示出相位旋转了45°的QPSK星位。如图所示，被相位旋转的码元位于实轴或虚轴上。根据本发明的第一实施例，对QPSK优选的相位旋转范围为以45°为中心的21°与69°之间，对8PSK为21°与24°之间，对16PSK为11.25°。然而，本发明并不局限于这些数字，应该根据系统的特性设置优选相位旋转范围。

图7的曲线图示出根据本发明的第一实施例的块编码技术与常规技术之间就比特错误率(BER)相对信噪比(SNR)而言的比较。图7中，曲线410示出使用由Tarokh所提出的行正交8×3编码矩阵时的效率，曲线420示出使用由Alamouti所提出的两个天线时的效率，曲线430示出使用具有根据第一实施例所优化的相位值的4×3编码矩阵时的效率，曲线440示出使用具有未优化相位值的4×3编码矩阵时的效率。如图所示，在同等SNR环境中，具有根据第一实施例所优化的相位值的块编码具有更低的BER。

第二实施例

在本发明的第二实施例中，三个码元分三个时间间隔通过三个天线发射。与第一实施例相比，第二实施例进一步降低了发射延迟。

如上面所提及的，为确保最大分集重数，每个码元在每一天线的每一时间间隔内必须只出现一次，满足此条件的唯一3×3矩阵为

$C_{33}=\left[\begin{array}{ccc}{s}_1& s_2& s_3\\ s_3& s_1& s_2\\ s_2& s_3& s_1\end{array}\right]---\left(12\right)$

使用等式(12)的编码矩阵的时空块编码的误差矩阵表示为：

$D_{33}=C_{33}-E_{33}=\left[\begin{array}{ccc}{d}_1& d_2& d_3\\ d_3& d_1& d_2\\ d_2& d_3& d_1\end{array}\right]---\left(13\right)$

其中C₃₃为发射编码矩阵，E₃₃为代表包含误差的确定码元的矩阵。在等式(13)中，D₃₃的编码增益为3d₁d₂d₃-d₁ ³-d₂ ³-d₃ ³。因此，如果d₁＝d₂＝d₃或d₂＝0且d₁＝-d₃，则编码增益变为0。在此情况中，分集重数为低于发射天线数目3，因此造成性能的大幅下降。

在本发明的第二实施例中，为防止编码增益变为0，从三个码元中选取的两个码元被旋转预定的相位值，这可以下面的编码矩阵表示

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

此处，三个输入码元s₁、s₂与s₃中的s₁与s₂分别被相位旋转-θ₁与-θ₂。然后，使用等式(14)的编码矩阵的时空块编码的编码增益总是3。

如果借助从三个发射天线到接收天线信道的增益h₁、h₂与h₃，计算等式(14)的测度值，则其变为

${|r_1-h_1{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1-h_2{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_2}{s}_2-h_3{s}_3|}^2+{|r_2-h_1{s}_3-h_2{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1-h_3{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_2}{s}_2|}^2$

$+{|r_3-h_1{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_2}{s}_2-h_2{s}_3-h_3{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1|}^2---\left(15\right)$

然后接收器确定使等式(15)最小的码元s₁到s₃。

图8的方框图示出使用根据本发明的第二实施例的时空块编码的发射器的结构。如图所示，接收器包括S/P转换器510、两个相位旋转器520与522、编码器530以及三个发射天线540、542与544。

参看图8，S/P转换器510将三个输入码元s₁、s₂与s₃组合到一个块中，并将该块提供给编码器530。该块中的两个码元s₁与s₃在被提供给编码器530之前由相位旋转器520与522分别旋转预定的相位值-θ₁与-θ₂。编码器530用一个输入块中的码元作三个组合，每个组合包括三个码元，并将这三个组合分三个时间间隔传送给三个发射天线540、542与544。

换而言之，编码器530对三个输入复数码元求负与共轭，并分三个时间间隔输出结果值。此处，编码器530将编码矩阵第M行的码元依次发送给第M个天线。即在第n时间间隔，编码器530同时传送第n列的码元。

例如，当输入码元s₁、s₂与s₃中的码元s₁与s₃分别被相位旋转-θ₁与-θ₂时，编码器530的输出可以由上面等式(14)的3×3编码矩阵表示。当使用等式(14)的编码矩阵时，在第一时间间隔，第一行的的三个码元e^-jθ1s₁、e^-jθ2s₂与s₃被分别传送给三个天线540、542与544，在最后的第三时间间隔，最后第三行的e^-jθ2s₂、s₃、与e^-jθ1s₁被分别传送给三个天线540、542与544。

图9的方框图示出用来接收由图8的发射器发射的信号的接收器的结构。虽然此处的接收器具有多个接收天线610与615，但为简便，对本发明的描述将参照使用一个接收天线的情况。

参看图9，信道估算器620估算信道系数，即从三个发射天线540、542与544到接收天线610与615的信道增益，多信道码元排列器630收集通过接收天线610与615接收的信号。如果接收天线的数目为一，则码元排列器630通过收集在三个时间间隔所接收的信号构造一个块。当使用两个或更多个接收天线时，码元排列器630通过收集在三个时间间隔由接收天线所接收到的信号构造矩阵。在这种情况中，码元排列器630将通过一个接收天线接收的信号排列在一行内，而将从另一接收天线接收的信号排列在另一行内。

然后，每三个时间间隔上，ML解码器640借助来自信道估算器620的信道增益与来自码元排列器630的接收信号，来恢复三个所需码元。ML解码器640包括码元生成器650、相位旋转器660与665、测度计算器670与最小测度检测器680。

ML解码器640的运行将就使用等式(14)的编码矩阵时的情况进行描述。码元生成器650生成所有可能的组合s₁、s₂与s₃，并在每一时间间隔将其逐个输出，相位旋转器660与665将从码元生成器650输出的码元中所选择的两个码元s₁与s₂分别相位旋转一相位值，该相位值与发射器所使用的相位值-θ₁与-θ₂相同，并输出e^-jθ1s₁与e^-jθ2s₂。e^-jθ1s₁与e^-jθ2s₂的组合将被称为码元组合。

测度计算器670通过将码元生成器650根据预定方法所生成的所有可能码元组合乘以信道增益h₁、h₂与h₃，并使用由码元排列器660与665所排列的接收信号r₁、r₂与r₃，来确定所有码元组合的测度值。根据等式(15)进行测度计算器670的操作。然后最小测度检测器680检测在测度值中具有最小测度值的码元组合s₁’、s₂’与s₃’。

等式(14)所示的编码矩阵的编码增益依赖于在对码元进行相位旋转时所使用的相位值。图10的模拟结果示出当在本发明第二实施例中使用QPSK时对两个相位值的最小编码增益的变化。在图10中，x轴与y轴分别表示两个相位值，z轴表示误差矩阵的最小编码增益。最小编码增益0意味着分集重数的丢失。

从图10可以理解当相位值为30°的整数倍时，最小编码增益变为0。因此，确定了两个相位值以使最小编码增益最大。随着这两个相位值差异的增大，其性能也随之增高。根据本发明的第二实施例，优选的相位值为30°的整数倍，例如30°、60°、90°、120°、150°以及180°。

图11的曲线图示出根据本发明的第二实施例的块编码技术与常规技术之间就比特错误率(BER)相对信噪比(SNR)而言的比较。图11中，曲线710示出使用没有相位旋转的编码矩阵时的效率，曲线720示出使用具有根据第二实施例所优化的相位值(7.48°)的3×3编码矩阵时的效率，曲线730示出使用具有未优化相位值(24°与25°)的3×3编码矩阵时的效率。如图所示，在同等SNR环境中，具有根据第二实施例优化的相位值的块编码具有更低的BER。

如上所述，本发明可以取得最大分集重数而无速率丢失，并且通过降低发射延迟而对快衰落具备鲁棒性。具体地，本发明的第一实施例可以通过允许编码矩阵的某些行相互正交而简化解码方案，并且本发明的第二实施例可以进一步降低发射延迟。

虽然参照本发明的特定优选实施例对本发明进行了展示与描述，但本领域的技术人员应该理解可以对其形式与细节进行各种修改而不脱离权利要求所界定的本发明的精神与范围。

Claims (19)

1.一种在无线通信系统中用于发射复数码元的发射器，包括：

三个发射天线；以及

编码器，用来将N个输入码元组合到N个组合中，每个组合包括三个码元，以使该N个输入码元在每一时间间隔上从每一天线只被发射一次，并且将该N个组合分N个时间间隔传送给该三个发射天线；

其中从该N个输入码元中所选择的至少两个码元被相位旋转预定的相位值。

2.如权利要求1所述的发射器，其中N为4。

3.如权利要求2所述的发射器，其中所选择的码元数目为2，并且被选码元与在接收器上解码时的不同测度有关。

4.如权利要求3所述的发射器，其中对正交相移键控(QPSK)，该相位值为以45°为中心的21°与69°之间。

5.如权利要求3所述的发射器，其中对八相移相键控(8PSK)，该相位值为21°与24°之间。

6.如权利要求3所述的发射器，其中对十六相移相键控(16PSK)，该相位值为11.25°。

7.如权利要求2所述的发射器，其中编码器通过对四个输入码元求负与共轭作出四个组合，以使分四个时间间隔被传送给每个天线的三个码元序列中的两个码元序列相互正交。

8.如权利要求7所述的发射器，其中四个组合中的每一个都包含四个输入码元，并构成都具有四行三列的矩阵，这些矩阵如下：

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

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

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

其中x₁、x₂、x₃与x₄为包括两个相位被旋转的码元的四个输入码元。

9.如权利要求1所述的发射器，其中N为3。

10.如权利要求9所述的发射器，其中三个组合中的每一个都包含三个输入码元，并构成具有三行三列的矩阵，该矩阵如下：

$\left[\begin{array}{ccc}{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1& e^{-j{\mathrm{\θ}}_2}{s}_2& s_3\\ s_3& e^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1& e^{-j{\mathrm{\θ}}_2}{s}_2\\ e^{-j{\mathrm{\θ}}_2}{s}_2& s_3& e^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1\end{array}\right]$

其中s₁、s₂与s₃为三个输入码元，θ₁与θ₂分别为s₁与s₂的相位值。

11.如权利要求9所述的发射器，其中相位值为30°的整数倍，并且确定该相位值以使相位值间的差最大。

12.一种在无线通信系统中用于接收复数码元的接收器，包括：

码元排列器，用来接收通过至少一个接收天线分四个时间间隔从三个发射天线所接收的信号；

信道估算器，用来估算表示从该三个发射天线到该接收天线的信道增益的三个信道增益；

第一与第二解码器，用来通过使用信道增益与由码元排列器所接收的信号，来为所有可能的子组合计算测度值，每个子组合都包括两个码元，并且检测具有最小测度值的两个码元；以及

并串转换器，用来依次排列由第一与第二解码器所检测的两个码元。

13.如权利要求12所述的接收器，其中第一与第二解码器中的每一个都包括：

码元生成器，用来生成所有可能的子组合，每个子组合都包括两个码元；

相位旋转器，用来将从该两个码元中选择的一个码元相位旋转预定的相位值；

测度计算器，用来借助从码元排列器所接收的信号与信道增益，为包括相位被旋转的码元的码元子组合计算测度值；以及

检测器，用来通过使用所计算的测度值，检测具有最小测度值的两个码元。

14.如权利要求13所述的接收器，其中第一解码器检测使通过下式计算的测度值最小的两个码元：

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

其中，s₁与s₃为待检测的两个码元，θ₁为s₁的相位值，R₁＝r₁h₁ ^*+r₂ ^*h₂+r₃ ^*h₃，R₃＝r₂ ^*h₃+r₄h₁ ^*-r₃ ^*h₂，C₃＝h₃ ^*h₂-h₃h₂ ^*，h₁、h₂与h₃为对三个发射天线所估算的信道增益，r₁、r₂、r₃与r₄为分四个时间间隔接收的信号。

15.如权利要求13所述的接收器，其中第二解码器检测使通过下式计算的测度值最小的两个码元：

${|R_2-e^{{\mathrm{j\θ}}_4}{s}_2|}^2+{|R_4-s_4|}^2+2\left(C_4\right)\mathrm{Re}\left\{e^{-{\mathrm{j\θ}}_2}{s}_2^{*}{s}_4\right\}$

其中s₂与s₄为为待检测的两个码元，θ₂为s₂的相位值，R₂＝r₁h₂ ^*-r₂ ^*h₁+r₄h₃ ^*，R₄＝r₁h₃ ^*-r₃ ^*h₁-r₄h₂ ^*，C₄＝h₃h₂ ^*-h₃ ^*h₂，h₁、h₂与h₃为对三个发射天线所估算的信道增益，r₁、r₂、r₃与r₄为分四个时间间隔接收的信号。

16.一种在无线通信系统中用于接收复数码元的接收器，包括：

码元排列器，用来接收通过至少一个接收天线分三个时间间隔从三个发射天线所接收的信号；

信道估算器，用来估算表示从该三个发射天线到该接收天线的信道增益的三个信道增益；

解码器，用来通过使用信道增益与由码元排列器所接收的信号，来为所有可能的码元组合计算测度值，每个码元组合都包括三个码元，并且检测具有最小测度值的三个码元。

17.如权利要求16所述的接收器，其中解码器包括：

码元生成器，用来生成所有可能的码元组合，每个码元组合都包括三个码元；

两个相位旋转器，用来将从三个码元中选择的两个码元相位旋转预定的相位值；

测度计算器，用来借助由码元排列器所接收的信号与信道增益，为包括相位被旋转的码元的码元组合计算测度值；以及

检测器，用来通过使用所计算的测度值，检测具有最小测度值的三个码元。

18.如权利要求17所述的接收器，其中解码器检测使通过下式计算的测度值最小的三个码元：

${|r_1-h_1{e}^{-{\mathrm{j\θ}}_1}{s}_1-h_2{e}^{{-\mathrm{j\θ}}_2}{s}_2-h_3{s}_3|}^2+{|r_2-h_1{s}_3-h_2{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_1}{s}_1-h_3{e}^{-{\mathrm{j\θ}}_2}{s}_2|}^2$

$+{|r_3-h_1{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_2}{s}_2-h_2{s}_3-h_3{e}^{-{\mathrm{j\θ}}_1}{s}_1|}^2$

其中，s₁、s₂与s₃为构成码元组合的三个码元，θ₁与θ₂分别为s₁与s₂的相位值，h₁、h₂与h₃为三个发射天线的信道增益，r₁、r₂、与r₃为分三个时间间隔接收的信号。

19.一种在无线通信系统中用于发射复数码元的发射器，包括：

M个发射天线；以及

编码器，用来将N个输入码元组合到N个组合中，每个组合包括M个码元，以使该N个输入码元在每一时间间隔上从每一天线只被发射一次，并且将该N个组合分N个时间间隔传送给该M个发射天线；

其中从该N个输入码元中所选择的至少两个码元被相位旋转预定的相位值。

Images