CN1684390A - 一种空时编码的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空时编码的方法，该方法包含：A.将信息序列中以一个以上个信息比特为一组进行串并处理，并将该一个以上个信息比特中的一部分进行重复编码，其余部分进行卷积编码；B.将重复编码和卷积编码生成的编码比特进行映射，得到在每个符号周期内需要通过每根天线发送出去的符号。并且，步骤A中卷积编码可以是递归卷积编码方式。同时，本发明还提供一种空时编码的系统。本发明结合LSTC和STTC的特点，以一定的分集为代价，不仅能达到逼近容量限的性能，同时还可保证在不增加调制阶数的前提下，使系统的传输速率随发送天线数的增加而增加。

Description

一种空时编码的方法

技术领域

本发明涉及通信系统中的编码技术，特别是指一种空时编码的方法。

背景技术

实现高速率的数据传输是未来后3G和4G移动通信系统设计的重要目标之一，而移动通信系统中有限的带宽和恶劣的传输环境在很大程度上限制了数据速率。近年来，基于多天线阵的空时编码技术为解决上述问题提供了一个新的思路。根据多天线信道容量理论可知，一个有N根发送天线，M根接收天线的空时编码系统可提供的信道容量是单天线系统的min(N，M)倍。随着该理论的提出，人们把传统单天线系统下的信道编码技术推广到多天线系统中，在利用传统时间分集的同时利用多天线阵提供的空间分集来提高系统性能，形成了空时编码技术。

为获得接近多天线阵信道容量的传输速率，需要精心设计空时发送码矩阵，目前常用的空时码设计准则是在最小化成对错误概率基础上提出的，一般包括两个步骤：即首先保证获得一定的分集增益，然后在此基础上优化编码增益。在准静态衰落信道下，即信道衰落因子在一个完整码字发送过程中保持不变的情况，分集增益主要由多天线产生的空间分集提供，而在独立衰落信道下，即信道衰落因子在每个符号周期的开始独立变化的情况，空时码的分集增益将包括空间分集和时间分集两部分。分层空时码(LSTC，LayeredSpace-time Code)、分组空时码(STBC，Space-Time Block Code)和网格空时码(STTC，Space-time trellis code)是三种最基本的空时编码形式，它们解决问题的侧重点各有不同：LSTC利用多根天线同时传送信息，实际上可认为是一种空间复用技术；STBC则利用不同发送天线信号之间的正交性来保证获得足够大的分集增益，但无法获得编码增益，因此一般认为是一种分集技术；STTC则是将传统的编码调制技术引入多天线系统中，在保证分集增益的同时获得较大的编码增益，能够达到分集、传输速率和编译码复杂度之间的最佳折中。

LSTC是将信息序列直接串并转换后按照一定规律从对应天线直接发送出去。由于LSTC是直接经过串并变换发送出去，没有编码过程，所以其传输速率最高。由于每个比特只通过一根天线发送，相当于只利用了一个自由度，所以LSTC的分集性能最差。

STTC码在保证分集增益的同时，可以获得较大的编码增益。设STTC编码器中有k个移位寄存器，采用的调制阶数为2^b，其基本编码原理如图1所示。由图1可知，STTC的编码过程分成两个子过程：(1)对各信息比特进行延时重复；(2)从信息比特和各移位寄存器的输出中，选择其中的几个比特映射为两个符号。设编码器在t时刻的输入比特为a₀，a₁，…a_b-1，k个移位寄存器的输出为c₀，c₁，…c_k-1，图中k+b个比特到两个发送符号x_k ¹和x_k ²的映射关系可用下式表示：

$\left(\begin{array}{cc}{x}_k^1& x_k^2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccccc}{a}_0& \·\·\·& a_{b-1}& c_0& \·\·\·& c_{k-1}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{g}_{00}& g_{10}\\ g_{01}& g_{11}\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ g_{0(k+b-1)}& g_{1(k+b-1)}\end{array}\right)\mathrm{mod}{2}^b---\left(1\right)$

其中 $G={\left(\begin{array}{cccccc}{g}_{00}& g_{01}& & \·\·\·& & g_{0(k+b-1)}\\ g_{10}& g_{11}& & \·\·\·& & g_{1(k+b-1)}\end{array}\right)}^T$ 定义为STTC的生成矩阵，对任意的i∈{0，1}和j∈{0，1，…，k+b-1}，g_i，j∈{0，1，…，2^b-1}，生成矩阵中各元素取不同值会对应不同的映射方式，即不同性能的STTC编码器。可通过优化生成矩阵G，在满足分集增益的前提下获得编码增益。

现有STTC编码形式存在以下几个比较突出的问题：

(1)STTC只能通过增加调制阶数来增加码率，而且为保证获得满分集增益，STTC编码器的状态数至少要等于调制阶数，因此码率的增加势必会使编码器中的移位寄存器个数增加，译码复杂度则随之呈指数增加。

(2)一般STTC的编码方式都是针对两根发送天线的，虽然目前也已有针对三根或四根发送天线的STTC编码，但由于其基本设计思想要求含有同一个信息比特的信号在所有发送天线上都发送一遍，因此该编码方式无法保证速率随发送天线增加。

(3)STTC的优化也是另一个比较困难的问题。虽然目前提出了各种各样的STTC优化方法，但都是在搜索基础上提出的。同时由于在串行级连系统中二进制纠错码和作为内码的STTC之间存在匹配问题，所以利用现有方式优化得到的STTC在串行级联系统中并不能获得同样好的性能，必须针对不同应用环境设计空时编码方式。

因此，在上述三种空时编码中，LSTC具有最高的传输速率，但获得的分集增益最低；STTC的分集和性能最好，但只能通过增加调制阶数来提高传输速率，编译码复杂度很高，另外如果将STTC应用于串行级连系统又会进一步降低系统的整体传输速率，这是限制STTC实用的关键问题之一。

综上所述，如何设计一类既适合于串行级联系统，又能保证传输速率随发送天线增加的空时编码方式是目前一个十分重要的研究课题。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种非级联的空时编码系统，使其能保证传输速率随发送天线增加的空时编码方式。

本发明的第二个目的提供一种空时编码方法，使其在非级联系统中能保证传输速率随发送天线增加的空时编码方式。

本发明的第三个目的是提供一种串行级联的空时编码系统，使其能保证传输速率随发送天线增加的空时编码方式。

本发明的第四个目的是提供一种空时编码系统，使其能适合于串行级联系统，又能保证传输速率随发送天线增加的空时编码方式。

为了实现第一发明目的，本发明提供了一种非级联的空时编码系统，包括：串并转换单元，用于将接收到的信息序列进行串并转换，并将经过串并转换后的其中一部分输出至重复编码单元，另一部分输出至卷积编码单元；

重复编码单元，将接收到的信息序列重复编码后送至映射单元；

卷积单元，将接收到的信息序列进行卷积编码后送至映射单元；

映射单元，将重复编码得到的及卷积编码得到的编码比特进行映射后，得到在每个符号周期内需要通过每根天线发送出去的符号。

为了实现第二发明目的，本发明提供了一种空时编码的方法，应用于非级联系统中，包括：

A.将信息序列中以一个以上个信息比特为一组进行串并处理，并将该一个以上个信息比特中的一部分进行重复编码，其余部分进行卷积编码；

B.将重复编码和卷积编码生成的编码比特进行映射，得到在每个符号周期内需要通过每根天线发送出去的符号。

在该系统中传输速率为n比特/符号周期，且n＞1，则步骤A中所述一个以上个信息比特为n；

当将该一个以上个信息比特中的一部分中进行一次重复编码，并且所述卷积编码的码率为1/2，则步骤B中重复编码和卷积编码生成的编码比特数量为2n。

为了实现第三发明目的，本发明提供了一种串行级联的空时编码系统，包括：

串并转换单元，用于将接收到的信息序列进行串并转换，并将串并转换后的其中一部分输出至重复编码单元，另一部分输出至卷积编码单元；

重复编码单元，将接收到的信息序列重复编码后送至映射单元；

递归卷积单元，将接收到的信息序列进行递归卷积编码后送至映射单元；

映射单元，将重复编码得到的以及递归卷积编码得到的编码比特进行映射后，得到在每个符号周期内需要通过每根天线发送出去的符号。

为了实现第四发明目的，本发明提供了一种空时编码的方法，应用于串行级联系统中，包括：

A.将信息序列中以一个以上个信息比特为一组进行串并处理，并将该一个以上个信息比特中的一部分进行重复编码，其余部分进行递归卷积编码；

B.将重复编码和递归卷积编码生成的编码比特进行映射，得到在每个符号周期内需要通过每根天线发送出去的符号。

在该系统中传输速率为n比特/符号周期，且n＞1，则步骤A中所述一个以上个信息比特为n；

将该一个以上个信息比特中的一部分进行一次重复编码，并且所述递归卷积编码的码率为1/2，则步骤B中重复编码和递归卷积编码生成的编码比特数量为2n。

本发明放弃了传统STTC编码器中的重复延时结构，采用卷积编码和重复编码相结合的结构，并通过编码和比特映射得到多个符号，并将这些符号在同一符号周期内通过多个天线同时发送出去，每个天线发送一个符号。该方法结合LSTC和STTC的特点，以一定的分集为代价，保证在不增加调制阶数的前提下，使系统的传输速率随发送天线数的增加而增加，同时仿真结果显示该发明能达到逼近容量限的性能。

附图说明

图1为STTC基本编码原理示意图；

图2为串行级联空时编码系统结构示意图；

图3为本发明在非级联系统进行空时编码的示意图；

图4为本发明在串行级联系统进行空时编码的示意图；

图5为本发明在非级联系统进行空时编码的具体实施例示意图，其中5a为两天线空时编码过程示意图，5b为三天线空时编码过程示意图；

图6RC-RSTC应用串行级联系统下的示意图；

图7为在串行级联系统进行空时编码的具体实施例示意图，其中7a为两天线空时编码过程示意图，7b为三天线空时编码过程示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想是：采用卷积编码和重复编码相结合的结构，并通过编码比特映射得到的多个符号在同一符号周期内通过多个天线同时发送出去，每个天线发送一个符号。

由于目前空时码的应用环境一般可分成非级联系统和串行级联系统。在非级联空时编码系统中，信源产生的信息直接经空时编码后由N根天线发送；在串行级联空时编码系统中，需要将信息序列首先经过外码编码器处理，产生的码序列经交织器送入空时编码器，然后通过N根天线发送，如图2所示。这里，外码可以是卷积码、Turbo码或LDPC码等二进制码。

因此，针对上述两种不同的应用环境，本发明分别针对非级联空时编码系统和级联空时编码系统提出相应的重复卷积空时码，并分别给出两种系统下重复卷积空时码的通用编码结构。

参见图3所示，在非级联空时编码系统下RC-STC的编码结构包括串并转换单元301、重复编码单元302、卷积单元303和映射单元304。其中，串并转换单元301，用于将接收到的信息序列进行串并转换，并将经过串并转换后的其中一部分比特输出至重复编码单元，其余比特输出至卷积编码单元；重复编码单元302，将接收到的信息序列重复编码后送至映射单元；卷积单元303，将接收到的信息序列进行卷积编码后送至映射单元；映射单元304，将接收到的重复编码后以及卷积编码后的编码比特进行映射后，得到在每个符号周期内需要通过每根天线发送出去的符号。

在图3所示的结构中，假设要求传输速率为nbits/符号周期，采用的调制阶数为2^b，如图3所示，在非级联系统下RC-STC的编码方法包括以下步骤：

步骤A：将信息序列以n个信息比特为一组进行串并处理，同时将这n个比特分成两组，其中一组包含n1比特，另一组包含n2比特(n＝n1+n2，n2≥1)；

步骤B：对n1个比特分别进行重复编码，对其余的n2个比特分别进行1/2码率的卷积编码，得到2n比特编码信息；

步骤C：利用映射器对产生的2n比特调制，产生2n/b个调制符号，分别对应2n/b根发送天线。

上述的编码器结构在非级联系统下使用时，编码复杂程度低，传输速率可随天线数的增加而增加。因此，上述方法可获得优于LSTC的性能和高于STTC的信息传输速率。但上述编码器结构中没有采用递归形式，如果应用于如图2所示串行级联系统，则很难进一步获得交织增益。因此，下面给出适用于串行级联系统下的一种基于递归卷积码的空时编码方式——重复卷积递归空时码(RC-RSTC，Repeated-Convolutional Recursive Space-TimeCode)。

如图4所示，在串行级联系统下重复卷积递归空时码的编码结构包括：串并转换单元、重复编码单元、递归卷积编码单元。映射单元和发射天线。其中，串并转换单元，用于将接收到的信息序列进行串并转换，并将串并转换后的其中一部分输出至重复编码单元，另一部分输出至卷积编码单元；重复编码单元，将接收到的信息序列重复编码后送至映射单元；递归卷积单元，将接收到的信息序列进行卷积编码后送至映射单元；映射单元，将接收到的重复编码后以及卷积编码后的编码比特进行映射后得到在每个符号周期内需要通过每根天线发送出去的符号。

在图4所示的结构中，假设要求传输速率为nbits/符号周期，采用的调制阶数为2^b，在串行级联系统下重复卷积递归空时码的编码方法的步骤如下：

步骤A：对n个信息比特进行串并处理，将这n个比特分成两组，其中一组包含n1比特，另一组包含n2比特(n＝n1+n2，n2≥1)；

步骤B：对n1个比特分别进行重复编码，对其余的n2个比特分别进行1/2码率的递归卷积编码，得到2n比特编码信息；

步骤C：利用映射器对产生的2n比特调制，产生2n/b个调制符号，分别对应2n/b根发送天线。

下面结合附图和具体实施例详细说明本发明在非级联空时编码系统下的空时编码方法-重复卷积空时码(RC-STC)方式。

图5为采用QPSK调制时的RC-STC编码过程示意图，其包括5a和5b两部分，5a为两天线空时编码过程，5b为三天线空时编码过程。其中，在图5a中为n＝2，图5b中n＝3；在图5a和5b中n2＝1。也就是说，本实施例是对其中一个信息比特采用两状态卷积编码，码率为1/2，其余n-n2个比特是重复编码。

设图5a中送入映射器的四个比特依次为a0，a1，a2和a3，则该4个比特与发送符号x1和x2之间的映射关系可有很多选择，下式给出其中一种：

$\left(\begin{array}{cc}x1& x2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}a0& a1& a2& a3\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}0& 2\\ 1& 0\\ 2& 0\\ 0& 1\end{array}\right)---\left(2\right)$

由于a0和a1实际表示的是同一个比特，可将上式简化为：

$\left(\begin{array}{cc}x1& x2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}a1& a2& a3\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 2\\ 2& 0\\ 0& 1\end{array}\right)---\left(3\right)$

设图5b中送入映射器的6个比特依次为b0、b1、b2、b3、b4、b5和b6，则该六个比特与发送符号x3、x4和x5之间的映射关系为：

$\left(\begin{array}{ccc}x3& x4& x5\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccccc}b0& b1& b2& b3& b4& b5\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}0& 0& 2\\ 1& 0& 0\\ 2& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 2& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(4\right)$

由于b0和b1表示的是同一个比特，b2和b3表示的是同一个比特，则上式可简化为：

$\left(\begin{array}{ccc}x3& x4& x5\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}b1& b3& b4& b5\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 2\\ 2& 1& 0\\ 0& 2& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(5\right)$

由(3)和(5)式可看出，分量码输出比特与发送符号之间的映射非常有规律，由第一列循环移位即可得到其他的N-1列元素。设x6、x7、x8和x9是四天线RC-STC的发送符号，则它们与映射器输入比特之间的映射关系为：

$\left(\begin{array}{cccc}x6& x7& x8& x9\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccc}c1& c3& c5& c6& c7\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 2\\ 2& 1& 0& 0\\ 0& 2& 1& 0\\ 0& 0& 2& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(6\right)$

并且，图5a的传输速率为2比特/符号周期，图5b的传输速率为3比特/符号周期。与传统STTC相比，上述RC-STC编码方式的编译码复杂度较低，并且传输速率可随天线数的增加而增加。

下面结合附图和具体实施例详细说明本发明在串行级联空时编码系统下的空时编码方法——重复卷积递归空时码(RC-RSTC，Repeated-Convolutional Recursive Space-Time Code)。

RC-RSTC主要应用环境是串行级联系统，即采用一般纠错码与RC-RSTC串行级联，如图6示，信息序列首先由外码编码器处理，并且外码可以是卷积码、Turbo码或LDPC码，外码编码器所产生的码字经交织器送入RC-RSTC编码器。

针对图5中的两种编码方式，按照重复卷积递归空时码的编码方法，可得到对应的递归形式——重复卷积递归空时码(RC-RSTC，Repeated-Convolutional Recursive Space-Time Code)，如图7示，图中的比特和符号之间的映射关系与RC-STC相同。其中，图7a为两天线RC-RSTC，图7b为三天线RC-RSTC。

该系统主要目的利用RC-RSTC提高系统速率，同时利用外码编码器提高系统性能。若外码的码率为1/2，RC-RSTC采用QPSK调制，则N＝2时，系统整体传输速率为1bits/s/Hz；N＝3时，系统传输速率为1.5bits/s/Hz；N＝4时，系统传输速率为2bits/s/Hz。

总之，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。

Claims (6)

1、一种非级联的空时编码系统，其特征在于，该系统包括：

串并转换单元，用于将接收到的信息序列进行串并转换，并将经过串并转换后的其中一部分输出至重复编码单元，另一部分输出至卷积编码单元；

重复编码单元，将接收到的信息序列重复编码后送至映射单元；

卷积单元，将接收到的信息序列进行卷积编码后送至映射单元；

映射单元，将重复编码得到的及卷积编码得到的编码比特进行映射后，得到在每个符号周期内需要通过每根天线发送出去的符号。

2、一种空时编码的方法，应用于非级联系统中，其特征在于，该方法包括以下步骤：

A.将信息序列中以一个以上个信息比特为一组进行串并处理，并将该一个以上个信息比特中的一部分进行重复编码，其余部分进行卷积编码；

B.将重复编码和卷积编码生成的编码比特进行映射，得到在每个符号周期内需要通过每根天线发送出去的符号。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在该系统中传输速率为n比特/符号周期，且n＞1，则步骤A中所述一个以上个信息比特为n；

将该一个以上个信息比特中的一部分中进行一次重复编码，并且所述卷积编码的码率为1/2，则步骤B中重复编码和卷积编码生成的编码比特数量为2n。

4、一种串行级联的空时编码系统，其特征在于，该系统包括：

串并转换单元，用于将接收到的信息序列进行串并转换，并将串并转换后的其中一部分输出至重复编码单元，另一部分输出至卷积编码单元；

重复编码单元，将接收到的信息序列重复编码后送至映射单元；

递归卷积单元，将接收到的信息序列进行递归卷积编码后送至映射单元；

映射单元，将重复编码得到的以及递归卷积编码得到的编码比特进行映射后，得到在每个符号周期内需要通过每根天线发送出去的符号。

5、一种空时编码的方法，应用于串行级联系统中，其特征在于，该方法包括以下步骤：

A.将信息序列中以一个以上个信息比特为一组进行串并处理，并将该一个以上个信息比特中的一部分进行重复编码，其余部分进行递归卷积编码；

B.将重复编码和递归卷积编码生成的编码比特进行映射，得到在每个符号周期内需要通过每根天线发送出去的符号。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在该系统中传输速率为n比特/符号周期，且n＞1，则步骤A中所述一个以上个信息比特为n；

将该一个以上个信息比特中的一部分进行一次重复编码，并且所述递归卷积编码的码率为1/2，则步骤B中重复编码和递归卷积编码生成的编码比特数量为2n。

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