CN1599259A - 一种空时编码方法及相应的发射方法、发射机、通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的空时编码方法及其在空间分集和时间分集条件下的应用。该空时编码方法中，编码步骤是采用一个N×N维编码生成矩阵对分组后的每一组数据块进行线性变换，编码生成矩阵结构为：第1列元素取任意非零值；在保证所得编码符号不为0的情况下，第n+1列元素由第n列的相应元素在相位上以任意角度旋转得到；各列每个元素符号或者完全相同，或者各列之间的符号正交。使用空间分集时，将多个天线设置在发射端，原始数据空时编码后在多个天线上轮换依次发射，接收端只用一根天线接收即可达到分集效果。使用时间分集时，不需增加天线数目即可达到使用较多数目天线的STBC系统的性能；当所用天线数目与STBC系统相同时，其性能优于STBC系统。

Description

一种空时编码方法及相应的发射方法、发射机、通信系统

技术领域：

本发明属于移动通信系统技术领域，具体涉及一种空时编码方法及其用于空间分集和时间分集条件下相应的发射方法、发射机、通信系统。

背景技术：

现代通信的发展要求移动通信系统能够提供越来越高的数据传输速率。然而在无线通信系统中，由于多径环境的影响，传输信号从发射端到接收端所经过的移动信道会经历严重的衰落。空时编码是克服无线信道这一缺陷对于传输信号质量的影响的有效手段：STTC(空时格形编码)可以提供最大可能的分集增益和编码增益，并且不会牺牲发射带宽效率，但是这种码的译码过于复杂，难以实现；STBC(空时分组编码)的译码虽然较为简单，却是以信道慢衰落这一假设为前提的。

STBC假设若干个信息符号所经历的信道完全相同，其输入是一串经过调制后的符号。编码器将若干个符号组成一组进行编码，生成的码字以矩阵的形式排列，矩阵的行数等于发射天线数，列数等于这一串符号所经历的时隙个数。接收端用最大似然准则进行解码，而码字的正交结构简化了解码过程。STBC对于任何实数信号都可以达到最大的码速率1。但是，对于复数信号，只有在发射天线个数为2的情况下，STBC的码速率才能达到1；当发射天线个数为3和4时，复数信号STBC的传输速率可以达到最大码速率的

如果发射天线的数目继续增多，这种编码方式的传输速率就会降为最大码速率的

另外，如果终端高速移动，信号所经历的信道就会出现快衰落。这时，STBC将不再适用。目前，主要采用分集技术来补偿由信道衰落所造成的信号损失。

发明内容：

本发明针对无线信道固有的缺陷，提出了一种新的空时编码方法及其用于空间分集和时间分集条件下相应的发射方法、发射机、通信系统。

本发明的第一个目的是提供一种既可以获得分集增益、又可以达到最大传输速率的新的空时编码方法。

本发明的第二个目的是提供一种应用于空间分集条件下的发射方法及相应的发射机装置。

本发明的第三个目的是提供一种应用于时间分集条件下的发射方法及相应的发射机装置。

本发明的第四个目的是提供一种采用上述编码方法及其发射机装置的通信系统。

本发明的技术方案如下：

一种空时编码方法，其中包括如下步骤：

1.调制步骤：根据需要的调制方式，对二进制信息数据流进行数字调制，即将二进制信息数据调制为符号；

2.数据分组步骤：把调制后的数据分为以N个符号为一组的多个数据块，N为大于1的整数；

3.编码步骤：用编码生成矩阵对分组后的每一组数据块进行线性变换，形成N个符号为一组的编码数据块。所用的编码生成矩阵不是STIC或STBC中的编码方式，而是一个N×N维的矩阵，其结构为：第1列元素可以取任意非零值；在保证所得的编码符号不为0的情况下，第n+1列元素可以由第n列的相应元素在相位上以任意角度旋转得到(n＝1，2，…，N-1)。各列的每个元素符号或者是完全相同的，或者各列之间的符号是正交的；每一组数据编码后得到的各个编码符号都是编码前所输入的一组数据中所有N个符号的线性组合。

本发明将上文中介绍的这种空时编码方法应用于以下两种情况：

一.慢衰落信道

当信号所经历的信道环境为慢衰落，即信道环境与STBC中假设的信道环境相同时，本发明的编码采用适于空间分集的发射方法：使用N个天线依次在N个符号间隔中发射编码后每一组的N个符号，即在各个发射天线上轮换依次发射编码符号。相应的发射机装置包括：

1.调制装置：用于根据需要的调制方式将原始的二进制比特信息调制为符号。

2.数据分组装置：用于将调制后的数据分为一组有N个符号的若干个数据块，N为大于1的整数。

3.编码装置：用于利用编码生成矩阵对分组后的每一个数据块进行线性变换，形成N个符号为一组的编码数据块。所用的编码生成矩阵不是STTC或STBC中的编码方式，而是一个N×N维的矩阵，其结构为：第1列元素可以取任意非零值；在保证所得的编码符号不为0的情况下，第n+1列元素可以由第n列的相应元素在相位上以任意角度旋转得到(n＝1，2，…，N-1)。各列的每个元素符号或者是完全相同的，或者各列之间的符号是正交的；每一组数据编码后得到的各个编码符号都是编码前所输入的一组数据中所有N个符号的线性组合。

4.发射装置：用于把编码后的每一组数据块中的N个符号在N个天线上依次发射到信道中。

二.快衰落信道

当信号所经历的信道环境为快衰落时，本发明的编码采用适于时间分集的发射方法：通过交织步骤对编码后的数据按照需要的深度进行交织以后，再经过发射步骤把交织后的编码符号用一个天线在不同的时间内连续地发射。相应的发射机装置包括：

1.调制装置：用于根据需要的调制方式将原始的二进制比特信息调制为符号。

2.数据分组装置：用于将调制后的数据分为一组有N个符号的若干个数据块，N为大于1的整数。

3.编码装置：用于利用编码生成矩阵对分组后的每一组数据块进行线性变换，形成N个符号为一组的编码数据块。所用的编码生成矩阵不是STTC或STBC中的编码方式，而是一个N×N维的矩阵，其结构为：第1列元素可以取任意非零值；在保证所得的编码符号不为0的情况下，第n+1列元素可以由第n列的相应元素在相位上以任意角度旋转得到(n＝1，2，…，N-1)。各列的每个元素符号或者是完全相同的，或者各列之间的符号是正交的；每一组数据编码后得到的各个编码符号都是编码前所输入的一组数据中所有N个符号的线性组合。

4.交织装置：用于将编码后的数据进行交织，交织深度应该不小于快衰落信道的相关时间，从而保证相邻N个编码符号所经历的信道是低相关的。

5.发射装置：用于把编码后的每一组数据块中的N个符号从同一个天线上在不同的时间内连续地发射到信道中。

进一步，本发明的一种通信系统，包括上述的发射机装置，以及包括信道估计和应用最大似然准则进行信号检测的接收机。

本发明的空时编码方法是一种可以获得分集增益并提高传输速率的空时编码方式。其发明点在于首先将调制后的信息数据流分块，然后用编码生成矩阵对每一个数据块进行线性变换，得到编码符号。所用的编码生成矩阵不是STTC或STBC中的编码方式，而是一个N×N维的矩阵，其结构为：第1列元素可以取任意非零值；在保证所得的编码符号不为0的情况下，第n+1列元素可以由第n列的相应元素在相位上以任意角度旋转得到(n＝1，2，…，N-1)；各列的每个元素符号或者是完全相同的，或者各列之间的符号是正交的；每一组数据编码后得到的各个编码符号都是编码前所输入的一组数据中所有N个符号的线性组合。如果信号所经历的信道为慢衰落，则将编码后的符号用多个天线在多个符号间隔中依次发射；如果信号所经历的信道为快衰落，则将编码后的符号交织，用一个天线在不同的时间内连续发射。只要保证每一组中各个编码符号所经历的信道是低相关的，接收天线上的信号经过处理以后，就可以获得空间分集或时间分集的增益。

本发明的优点和积极效果：

1.使用空间分集时，本发明将多个天线上设置在发射端，对原始的信息数据进行空时编码后，在多个天线上轮换依次发射编码后的符号，而接收端只用一根天线接收就可以达到分集的效果。这种方案应用于下行链路时，明显减小了移动终端的开销；同时，对系统的误码率、传输速率以及系统容量都有了一定程度的改善。

2.使用时间分集时，本发明不要求增加发射天线或接收天线的数目，这就降低了对于系统设备复杂度的要求，但是仍然可以达到使用较多数目天线的STBC系统的性能；当采用本发明的系统所用天线数目与STBC系统相同时，其性能明显优于STBC系统。

3.本发明可以直接用于现有移动通信系统中的发射机，只要在发射端加一个数据分组的设备和一个利用本发明的编码生成矩阵进行编码的编码器即可。

4.本发明的通信系统中的接收设备可以与MIMO的接收设备兼容。

附图说明：

图1：本发明采用空间分集时，发射端的结构框图

图2：本发明采用空间分集时，发射天线个数为2、接收天线个数为1的系统模型框图

图3：本发明采用空间分集时，发射天线个数为N、接收天线个数为1的系统模型框图

图4：本发明采用时间分集时，发射端的结构框图

图5：本发明采用空间分集时，2个符号为一组进行编码，发射天线个数为2、接收天线个数为1的系统仿真误码率曲线与传输速率相同的STBC系统(2发射天线1接收天线)以及无分集系统(1发射天线1接收天线)的比较

图6：本发明采用时间分集时，2个符号为一组进行编码，发射天线个数为1、接收天线个数为1的系统仿真误码率曲线与传输速率相同的STBC系统(2发射天线1接收天线)以及无分集系统(1发射天线1接收天线)的比较

图7：本发明采用时间分集时，2个符号为一组进行编码，发射天线个数为1、接收天线个数为2的系统仿真误码率曲线与传输速率相同而且应用天线数目相同的STBC系统(2发射天线1接收天线)的比较

具体实施方式：

当信号所经历的信道为慢衰落，即信道的相关时间较长时，系统采用空间分集，由多个天线在不同的符号间隔中依次发射编码符号；当信号所经历的信道为快衰落，即信道的相关时间较短时，系统采用时间分集，由同一根天线在不同的时间内连续发射交织后的编码符号。

下面通过具体实例及其数学表达式介绍本专利的原理：

一、空间分集

首先参照图1说明本发明采用空间分集时的通信系统结构。

系统发射端天线的个数为N，接收端天线的个数为1。在一个符号间隔中只用一个发射天线发射一个编码符号，N个发射天线在N个符号间隔中依次发射编码后一组数据中的N个编码符号。

(一)数据分块

将调制后的信息数据流分组，N个符号组成一个数据块。不失一般性，分组后的第t个数据块可以用向量形式表示为

S_t＝[S_t1，S_t2，…，S_tN]^T，t＝1，2，…                         (1)

(二)码的构造

选取一个N×N维矩阵作为码的生成矩阵，即

该矩阵的特征在于：第1列元素可以取任意非零值；在保证所得的编码符号不为0的情况下，第n+1列元素可以由第n列的相应元素在相位上以任意角度旋转得到(n＝1，2，…，N-1)。各列的每个元素符号或者是完全相同的，或者各列之间的符号是正交的。

编码后的第t组数据为

X_t＝GS_t                (3)

即

其中，X_t＝[X_t1，X_t2，…，X_tN]^T，t＝1，2，…，而 $X_{\mathrm{tk}}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{kj}}{S}_{\mathrm{tj}}(k=\mathrm{1,2},\·\·\·,N),$ 即，每一组数据编码后得到的各个编码符号都是编码前所输入的一组数据中所有N个符号的线性组合。

为了获得分集增益，必须保证信道中所传输的能量不为0，即对于任意t＝1，2，…，k＝1，2，…，N，都有

X_tk≠0                 (5)

(三)数据传输

编码后的每一组数据X_t在N个符号间隔内发射。这N个符号间隔中，N个发射天线轮换依次发射编码后的第t组数据X_t＝[X_t1，X_t2，…，X_tN]^T(t＝1，2，…)中的各个符号，在每个符号间隔中用一个天线发射X_t中的一个数据X_tk，k＝1，2，…，N。即，在第t组数据的第k个符号间隔中，用第k根天线发射符号X_tk；在第t组数据的第k+1个符号间隔中，用第k+1根天线发射符号X_t(k+1)；以此类推；对于第t+1组数据，再用这N个发射天线重新轮换发射。

下面参照图1说明应用于空间分集系统的发射机装置。发射机装置包括：

1.调制装置：用于根据需要的调制方式，将原始的二进制比特信息调制为符号；

2.数据分组装置：用于把调制后的数据分为一组有N个符号的若干数据块，N为大于1的整数；

3.编码装置：用于利用编码生成矩阵对分组后的每一组数据块进行线性变换，形成N个符号为一组的编码数据块，其中的编码生成矩阵即是上文中介绍的N×N维矩阵(2)；

4.发射装置：用于从N个天线上在N个符号间隔中把编码后的各组数据依次发射到信道中；

相应的接收装置：接收端在对信道进行估计以后，采用最大似然准则进行信号检测。

下面参照图2说明本发明采用空间分集时的一个优选实施例：发射天线个数为2(即N＝2)的系统。

1.信号编码

系统采用BPSK调制，即每个符号携带lbit的信息。

首先，将信息数据流分组，2个符号组成一个数据块。不失一般性，我们以其中一组信号的处理为例。假设任一组数据符号都可以表示为向量s＝[s₁，s₂]^T，其中，s₁，s₂∈{1，-1}。

我们所用的编码生成矩阵为

$G_2=\left[\begin{array}{cc}1& i\\ 1& -i\end{array}\right]---\left(6\right)$

其中， $i=$ $\sqrt{-1}.$ G₂表示2×2维的编码生成矩阵。编码后，该组数据为

x＝G₂s            (7)

即

$\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& i\\ 1& -i\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{s}_1+{\mathrm{is}}_2\\ s_1-{\mathrm{is}}_2\end{array}\right]---\left(8\right)$

其中，x＝[x₁，x₂]^T。

2.信号发射

发射端的两个天线在两个符号间隔中所发送的编码符号如表1所示：

	第1拍	第2拍
			发射天线1	x1	0
发射天线2	0	x2

表1两个发射天线在两个符号间隔中所发射的编码符号

3.信号接收

如图2所示，第1拍的接收信号为

                 y₁＝h₁x₁+n₁＝h₁(s₁+is₂)+n₁                 (9)

第2拍的接收信号为

                 y₂＝h₂x₂+n₂＝h₂(s₁-is₂)+n₂                 (10)

h₁表示第1拍中发射天线1到接收天线的信道参数，h₂表示第2拍中发射天线2到接收天线的信道参数，它们是相互独立的。n₁和n₂分别是两拍中信号在接收天线上遭遇的噪声，它们是独立同分布的复高斯随机变量，即实部和虚部都是均值为0，方差为σ²/2的高斯随机变量。

考虑到两拍中噪声n₁和n₂的影响，接收端采用最大似然准则对接收信号进行判决。假设对信道参数的估计是完全正确的，那么，如果对于任意m≠n，p≠q，存在并且唯一存在

            d²(y₁，h₁(s_1m+is_2p))+d²(y₂，h₂(s_1m-is_2p))

                                                              (11)

            ≤d²(y₁，h₁(s_1n+is_2q))+d²(y₂，h₂(s_1n-is_2q))时，则选择信号_₁＝s_1m和_₂＝s_2p作为原始信息数据的估值。其中，d²(a，b)表示信号a与b之间Euclidean距离的平方，而s_1m，s_1n，s_2p，s_2q遍历s₁，s₂∈{1，-1}中的各个分量，并且s_1m≠s_1n，s_2p≠s_2q。

对于两个发射天线的这种编码方法、发射方法及通信系统很容易扩展到N个天线发射以及系统采用其它调制方式的情况。系统框图如图3所示。

所采用的编码生成矩阵的一般形式为

(12)式给出的是最优的矩阵形式，其中， $i=$ $\sqrt{-1}.$ G_N表示N×N维的编码生成矩阵：第1列元素全部为1，第n+1列的元素是第n列相应元素的相位旋转

后得到的(n＝1，2，…，N-1)。(12)式矩阵中给出的各元素没有涉及其符号的正负：各列元素的符号既可以是完全相同的(与(12)式的形式完全相同)，也可以是相互正交的。各个元素的模都为1，从而保证不增加系统的发射功率；各列之间旋转的角度是均匀递增的，即各列之间旋转角度的间隔相同，这样，信息符号在星座图中所对应的各点之间距离最大，从而保证整个系统受信道中高斯白噪声的影响最小，所得到的效果最好。

用(12)式对分组后的每一组符号进行编码，如(3)式所示，即

其中，X_t＝[X_t1，X_t2，…，X_tN]^T，t＝1，2，…。

$X_{\mathrm{tk}}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{i\frac{j-1}{N}\mathrm{\π}}{S}_{\mathrm{tj}},$ k＝1，2，…，N，即是N个发射天线在N个符号间隔中依次发射的数据。接收端仍然可以采用最大似然准则在估计信道参数之后对接收信号进行判决。采用其它调制方式时，只要保证在发射信号的天线上传输能量不为0，用这种方法对其进行编码就可以获得分集增益。

二、时间分集

如果终端以很高的速度移动，信号所经历的无线信道则变为快衰落信道，相关时间很短。这时，可以在对编码符号进行交织以后采用时间分集，交织的深度不必很大就可以保证发送的每组数据中各个编码符号所经过的信道是低相关的。

下面参照图4说明本发明采用时间分集时的系统结构。

系统只使用一个发射天线，在连续的N个符号间隔中发射N个经过交织的编码符号。

(一)数据分块及编码

调制后的信息符号流首先被分为数据块，然后进行编码。其中的数据分组方法以及编码的构造与空间分集部分介绍的完全相同。

(二)数据交织

将编码后的数据X₁，X₂，…，X_t，…进行交织，必须保证交织以后任何一组数据X_t(t＝1，2，…)中的各个编码符号所经过的信道都是低相关的。即，如果交织深度为M个符号，每个符号的时间间隔为T，则MT应该不小于终端高速移动时快衰落信道的相关时间。

(三)信号发射

将交织后的编码符号用同一发射天线在不同的时间内中连续地发射到信道中。

(四)信号接收

我们不考虑信道估计部分，所以假设信道增益的参数是已知的。

接收端可以使用一根天线，也可以使用多根天线。

1.接收端使用一根天线的情况

接收天线上的数据经过解交织以后，得到的第t组数据可以用向量表示为

          Y_t＝[Y_t1，Y_t2，…，Y_tN]                     (14)

其中，

          Y_tj＝h_tjX_tj+n_tj，j＝1，2，…，N

h_tj是第t组中第j个符号间隔内信号所经过的信道参数，n_tj是第t组中第j个符号间隔内接收天线上的高斯噪声。

把(4)式代入(14)式，可以得到

上式与MIMO的形式相同。所以本发明的接收设备可以与MIMO的接收设备兼容。

2.接收端使用两根天线的情况

两接收天线上的数据经过解交织以后，得到的第t组数据可以分别用向量表示为

$Y_t^{\left(1\right)}={\left[\begin{array}{c}{Y}_{t1}^{\left(1\right)},Y_{t2}^{\left(1\right)},\·\·\·,Y_{\mathrm{tN}}^{\left(1\right)}\end{array}\right]}^T---\left(16\right)$

$Y_t^{\left(2\right)}={\left[\begin{array}{c}{Y}_{t1}^{\left(2\right)},Y_{t2}^{\left(2\right)},\·\·\·,Y_{\mathrm{tN}}^{\left(2\right)}\end{array}\right]}^T---\left(17\right)$

其中，

$Y_{\mathrm{tj}}^{\left(k\right)}=h_{\mathrm{tj}}^{\left(k\right)}{X}_{\mathrm{tj}}+n_{\mathrm{tj}}^{\left(k\right)},j=\mathrm{1,2},\·\·\·,N,k=\mathrm{1,2}$

h_tj ^(k)是第t组中第j个符号间隔内信号从发射天线到达第k根接收天线所经过的信道参数，n_tj ^(k)是第t组中的第j个符号间隔内接收天线k上的高斯噪声。把(4)式代入(16)和(17)式，可以得到

由此，很容易推广到接收端使用多个天线的情况。接收端天线的个数越多，系统获得的接收分集增益就越大。

下面参照图4说明应用于时间分集系统的发射机装置。发射机装置包括：

(1)调制装置：用于根据需要的调制方式，将原始的二进制比特信息调制为符号；

(2)数据分组装置：用于把调制后的数据分为一组有N个符号的若干个数据块，N为大于1的整数；

(3)编码装置：用于利用编码生成矩阵对分组后的每一组数据块进行线性变换，形成N个符号为一组的编码数据块，其中的编码生成矩阵即是空间分集部分介绍的N×N维矩阵(2)；

(4)交织装置：用于把编码后的数据进行交织，其特征在于交织深度应该不小于快衰落信道的相关时间，从而保证相邻N个符号编码所经历的信道是低相关的。

(5)发射装置：用于从同一个天线上把交织后的编码数据在不同的时间内连续发射到信道中。

相应的接收装置：接收端在对信道进行估计以后，采用最大似然准则进行信号检测。

下面参照图4说明本发明采用时间分集的两个优选实施例：两个符号为一组进行编码(即N＝2)、发射天线的个数为1、接收天线个数分别为1和2的系统。

(一)接收天线个数为1的系统

I.信号发射

系统采用BPSK调制。

首先对调制后的信息符号流进行分块处理，将两个符号组成一个数据块。信号的编码方法与前文中介绍的空间分集优选实施例中的编码相同，所选用的编码生成矩阵即为式(6)。

不失一般性，我们假设编码后的其中一组数据为

$x=$ $\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{s}_1+{\mathrm{is}}_2\\ s_1-{\mathrm{is}}_2\end{array}\right]---\left(19\right)$

经过交织以后，x₁与x₂所经过的信道是低相关的。

II.接收信号

接收端解交织以后，得到的接收信号可以表示为

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{h}_1& {\mathrm{ih}}_1\\ h_2& -{\mathrm{ih}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right]---\left(20\right)$

III.信号检测

经过信道估计后，用空间分集优选实施例中介绍过的最大似然准则对解交织后的接收信号进行检测，如式(11)所示，就可以得到原始信息数据s₁与s₂的估值。

(二)接收天线个数为2的系统

I.信号发射

系统采用BPSK调制。

信号在发射端的处理与接收天线个数为1的系统相同。

II.接收信号

经过解交织以后，各个接收天线上得到的信号可以表示为

$\left[\begin{array}{c}{y}_1^{\left(k\right)}\\ y_2^{\left(k\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{h}_1^{\left(k\right)}& {\mathrm{ih}}_1^{\left(k\right)}\\ h_2^{\left(k\right)}& -{\mathrm{ih}}_2^{\left(k\right)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1^{\left(k\right)}\\ n_2^{\left(k\right)}\end{array}\right],k=\mathrm{1,2}---\left(21\right)$

III.信号检测

经过信道估计后，用最大似然准则对式(21)中的信号进行判决。与空间分集优选实施例中介绍的最大似然准则(即式(11))相似，假设对信道参数的估计完全正确，那么，如果对于任意m≠n，p≠q，存在并且唯一存在

d²(y₁ ⁽¹⁾，h₁ ⁽¹⁾(s_1m+is_2p))+d²(y₂ ⁽¹⁾，h₂ ⁽¹⁾(s_1m-is_2p))

+d²(y₁ ⁽²⁾，h₁ ⁽²⁾(s_1m+is_2p))+d²(y₂ ⁽²⁾，h₂ ⁽²⁾(s_1m-is_2p))

≤d²(y₁ ⁽¹⁾，h₁ ⁽¹⁾(s_1n+is_2q))+d²(y₂ ⁽¹⁾，h₂ ⁽¹⁾(s_1n-is_2q))    (22)

+d²(y₁ ⁽²⁾，h₁ ⁽²⁾(s_1n+is_2q))+d²(y₂ ⁽²⁾，h₂ ⁽²⁾(s_1n-is_2q))时，则选择信号_₁＝s_1m和_₂＝s_2p作为原始发送信号的估值。其中，d²(a，b)表示信号a与b之间Euclidean距离的平方，而s_1m，s_1n，s_2p，s_2q遍历s₁，s₂∈{1，-1}中的各个分量，并且s_1m≠s_1n，s_2p≠s_2q。

三、系统仿真

(一)仿真条件

本发明采用Matlab编程，在WindowsXP下实施对于上文介绍的本发明几个优选例的仿真。主要的仿真对象是信噪比与误码率的关系。

模型中所用的信道为瑞利平衰落信道。

空间分集时的优选实施例中，假设各个信道参数独立同分布，都是零均值、单位方差的复高斯随机变量

$h_j=\mathrm{Normal}(\mathrm{0,1}/\sqrt{2})+\sqrt{-1}\·\mathrm{Normal}(\mathrm{0,1}/\sqrt{2})---\left(23\right)$ h_j的模即是服从瑞利分布的随机变量。其中， 表示均值为0，方差为

的正态分布。h_j表示每一组数据的第j个符号间隔中由发射天线j到接收天线的信道参数，j＝1，2。|h_j|²是服从x₂ ²分布的随机变量，而且|h_j|²的均值E|h_j|²＝1，保证接收到的信号功率与发送时的信号功率相同。

时间分集的优选实施例中，同样假设各个信道参数独立同分布，都是零均值、单位方差的复高斯随机变量

$h_{\mathrm{jk}}=\mathrm{Normal}(\mathrm{0,1}/\sqrt{2})+\sqrt{-1}\·\mathrm{Normal}(\mathrm{0,1}/\sqrt{2})---\left(24\right)$ h_jk的模即是服从瑞利分布的随机变量。其中，

表示均值为0，方差为 的正态分布。h_jk表示每一组数据的第j(j＝1，2)个符号间隔中由发射天线到接收天线k的信道参数(接收天线的个数为1时，k＝1；接收天线的个数为2时，k＝1，2)。|h_j|²是服从x₂ ²分布的随机变量，而且|h_j|²的均值E|h_j|²＝1，保证接收到的信号功率与发送时的信号功率相同。

我们不考虑信道估计这一部分，所以假设接收端可以得到完整的信道信息。

(二)仿真结果

图5给出的是本发明采用空间分集时，2个符号为一组进行编码，发射天线个数为2、接收天线个数为1的系统仿真误码率曲线与STBC系统以及无分集系统的比较。三者的传输速率是相同的，都能够达到最大的传输速率。采用本发明的空间分集系统与STBC系统所应用的天线总数是相同的，不同的是采用本发明的系统既可以用于信道慢衰落的情况，又可以用于信道快衰落的情况，而STBC系统只能用于信道慢衰落的情况。从图中可以看出，采用本发明的空间分集系统性能与STBC系统的性能相当，都比无分集系统的性能有了很大的改善。

图6给出的是本发明采用时间分集，2个符号为一组进行编码，发射天线个数为1、接收天线个数为1的系统仿真误码率曲线与STBC系统以及无分集系统的比较。三者的传输速率相同，都可以达到最大的传输速率。采用本发明的时间分集系统所用的天线总数比STBC系统所应用的天线总数要少：采用本发明的时间分集系统发射天线与接收天线的个数均为1，而STBC系统的发射天线个数为2、接收天线个数为1。采用本发明的时间分集系统适用于信道快衰落的情况，而STBC系统适用于信道慢衰落的情况。从图中可以看出，当信道快衰落时，采用本发明的时间分集系统可以达到与信道慢衰落时STBC系统的性能相同，都比无分集系统的性能有了很大的改善。

图7给出的是本发明采用时间分集，2个符号为一组进行编码，发射天线个数为1、接收天线个数为2的系统仿真误码率曲线与STBC系统的比较。两者的传输速率相同，都可以达到最大的传输速率。两者使用的天线总数也相同：应用本发明的时间分集系统发射天线个数为1，接收天线个数为2；而STBC系统的发射天线个数为2，接收天线个数为1。从图中可以看出，信道快衰落时应用本发明的时间分集系统比信道慢衰落时STBC系统的性能有了很大程度的改善。

尽管在上文中以及参照本发明的优选实施例对本发明的原理和实现方式进行了详细地描述，但是本领域的普通技术人员在不脱离本发明范围的情况下可以做出各种改进。例如，编码生成矩阵的选择及其变化、系统的调制方式、接收时的信号检测等等也可以有其它的方法。这些改进和变形实例不脱离本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种空时编码方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)调制步骤：根据需要的调制方式，对二进制信息数据流进行数字调制，将二进制信息数据调制为符号；

(2)数据分组步骤：把调制后的数据分为以N个符号为一组的若干个数据块，N为大于1的整数；

(3)编码步骤：用编码生成矩阵对分组后的每一组数据块进行线性变换，形成N个符号为一组的编码数据块；所述编码生成矩阵是一个N×N维的矩阵，其结构为：第1列元素取任意非零值；在保证所得编码符号不为0的情况下，第n+1列元素由第n列的相应元素在相位上以任意角度旋转得到(n＝1，2，…，N-1)；各列的每个元素符号或者是完全相同的，或者各列之间的符号是正交的；每一组数据编码后得到的各个编码符号都是编码前所输入的一组数据中所有N个符号的线性组合。

2.如权利要求1所述的空时编码方法，其特征在于，所述编码步骤中的编码生成矩阵中，第一列元素的绝对值为1，第n+1列元素由第n列相应元素在相位上旋转π/N得到(n＝1，2，…，N-1)。

3.一种应用于空间分集的发射方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)调制步骤：根据需要的调制方式，对二进制信息数据流进行数字调制，将二进制信息数据调制为符号；

(2)数据分组步骤：把调制后的数据分为以N个符号为一组的若干个数据块，N为大于1的整数；

(3)编码步骤：用编码生成矩阵对分组后的每一组数据块进行线性变换，形成N个符号为一组的编码数据块；所述编码生成矩阵是一个N×N维的矩阵，其结构为：第1列元素取任意非零值；在保证所得编码符号不为0的情况下，第n+1列元素由第n列的相应元素在相位上以任意角度旋转得到(n＝1，2，…，N-1)；各列的每个元素符号或者是完全相同的，或者各列之间的符号是正交的；每一组数据编码后得到的各个编码符号都是编码前所输入的一组数据中所有N个符号的线性组合；

(4)发射步骤：使用N个天线依次在N个符号间隔中发射编码后每一组的N个编码符号。

4.如权利要求3所述的应用于空间分集的发射方法，其特征在于，所述编码步骤中的编码生成矩阵中，第一列元素的绝对值为1，第n+1列元素由第n列相应元素在相位上旋转π/N得到(n＝1，2，…，N-1)。

5.一种用于空间分集的发射机，其特征在于包括如下装置：

(1)调制装置：用于根据需要的调制方式将原始的二进制比特信息调制为符号；

(2)数据分组装置：用于将调制后的数据分为一组有N个符号的若干数据块，N为大于1的整数；

(3)编码装置：用于采用编码生成矩阵对分组后的每一组数据块进行线性变换，形成N个符号为一组的编码数据块；所述编码生成矩阵是一个N×N维的矩阵，其结构为：第1列元素取任意非零值；在保证所得编码符号不为0的情况下，第n+1列元素由第n列的相应元素在相位上以任意角度旋转得到(n＝1，2，…，N-1)；各列的每个元素符号或者是完全相同的，或者各列之间的符号是正交的；每一组数据编码后得到的各个编码符号都是编码前所输入的一组数据中所有N个符号的线性组合；

(4)发射装置：用于把编码后的每一组数据块中的N个符号从N个天线上在N个符号间隔中依次发射到信道中。

6.如权利要求5所述的用于空间分集的发射机，其特征在于，所述编码装置中的编码生成矩阵中，第一列元素的绝对值为1，第n+1列元素由第n列相应元素在相位上旋转π/N得到(n＝1，2，…，N-1)。

7.一种应用于时间分集的发射方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)调制步骤：根据需要的调制方式，对二进制信息数据流进行数字调制，将二进制信息数据调制为符号；

(2)数据分组步骤：把调制后的数据分为以N个符号为一组的若干个数据块，N为大于1的整数；

(3)编码步骤：用编码生成矩阵对分组后的每一组数据块进行线性变换，形成N个符号为一组的编码数据块；所述编码生成矩阵是一个N×N维的矩阵，其结构为：第1列元素取任意非零值；在保证所得编码符号不为0的情况下，第n+1列元素由第n列的相应元素在相位上以任意角度旋转得到(n＝1，2，…，N-1)；各列的每个元素符号或者是完全相同的，或者各列之间的符号是正交的；每一组数据编码后得到的各个编码符号都是编码前所输入的一组数据中所有N个符号的线性组合；

(4)交织步骤：对编码后的数据按照需要的深度进行交织；

(5)发射步骤：把交织后的编码符号用一个天线在不同的时间内连续地发射。

8.如权利要求7所述的应用于时间分集的发射方法，其特征在于，所述编码步骤中的编码生成矩阵中，第一列元素的绝对值为1，第n+1列元素由第n列相应元素在相位上旋转π/N得到(n＝1，2，…，N-1)。

9.一种用于时间分集的发射机，其特征在于包括如下装置：

(1)调制装置：用于根据需要的调制方式将原始的二进制比特信息调制为符号；

(2)数据分组装置：用于将调制后的数据分为一组有N个符号的若干数据块，N为大于1的整数；

(3)编码装置：用于采用编码生成矩阵对分组后的每一组数据块进行线性变换，形成N个符号为一组的编码数据块；所述编码生成矩阵是一个N×N维的矩阵，其结构为：第1列元素取任意非零值；在保证所得编码符号不为0的情况下，第n+1列元素由第n列的相应元素在相位上以任意角度旋转得到(n＝1，2，…，N-1)；各列的每个元素符号或者是完全相同的，或者各列之间的符号是正交的；每一组数据编码后得到的各个编码符号都是编码前所输入的一组数据中所有N个符号的线性组合；

(4)交织装置：用于将编码后的数据进行交织，交织深度不小于快衰落信道的相关时间，从而保证相邻N个符号编码所经历的信道是相互独立的；

(5)发射装置：用于把编码后的每一组数据块中的N个符号从同一个天线上在不同的时间内连续地发射到信道中；

10.如权利要求9所述的用于时间分集的发射机，其特征在于，所述编码装置中的编码生成矩阵中，第一列元素的绝对值为1，第n+1列元素由第n列相应元素在相位上旋转π/N得到(n＝1，2，…，N-1)。

11.一种数据块编码分集发射的通信系统，其特征在于包括权利要求5或9所述的发射机。

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