CN1870462A - 多天线通信系统中的空-时-频编码方法以及收发系统 - Google Patents
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Abstract
根据本发明,提出了一种多天线通信系统中的空-时-频编码方法,包括以下步骤:计算所述系统中各时频单元所对应的信道特性之间的相关性值;根据所计算出的各时频单元的相关性值,确定信道相关性最强的时频单元组合图案;根据所述组合图案,将所输入的时域维信号映射到各时频单元组合,以便在空域-时域-频域中对组合后的各时频单元中的信号进行发送。
Description
技术领域
本发明涉及多天线无线通信系统中的空-时-频编码技术,更具体地,涉及一种多天线无线通信系统中的空-时-频编码和一种利用空-时-频编码的收发系统,尤其是在MIMO-OFDM(多入多出正交频分复用)通信系统中。
背景技术
随着无线网络和因特网的逐渐融合,人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求,需要开发新一代无线通信系统。其中多天线输入和输出(MIMO)技术越来越受到人们的关注。在MIMO系统中,发送端利用多根天线进行信号的发送,接收端利用多根天线进行信号的接收。研究表明,相比于传统的单天线传输方法,MIMO技术可以显著的提高信道容量,从而提高信息传输速率。另外,MIMO系统采用的发送和接收天线数愈多,其可提供的信息传输速率就愈高。我们知道,空间的天线资源相比较于时频资源几乎是无限可利用的,因此MIMO技术有效突破了传统研究中的瓶颈,成为了下一代无线通信系统的核心技术之一。
针对于多天线的MIMO系统,近年来人们提出了一种新的编码技术一空时编码技术。空时编码技术是专为MIMO系统而设计的,从实现方式上其包括空时分组码(STBC),空时网格码(STTC)以及空时turbo网格码(STTTC)等等。其中,相比于其他空时编码方式来说,STBC因其简单的实现结构和译码方法而更易于采用。比如,STBC中的一种Alamouti编码目前已被3GPP采用。STBC的原理示意如图1所示。
图1所示为STBC原理示意。
其中,STBC编码器的输入和输出分别用向量xb和矩阵Xb表示,上标b为编码前/编码后块序号。第b个编码前块xb可以用向量[x1 b,x2 b,…,xm b]来表示,其中每个元素为一个调制后的符号。第b个编码后块Xb用一个(nT*L)的矩阵来表示,其中nT为MIMO系统中发送天线总数。从图1可见,STBC编码器完成了一个从(x→X)的线性变换。经过STBC编码之后,将编码输出的Xb的第一行Xb(1,:)在第一个发送天线上发送,Xb的第二行Xb(2,:)在第二个发送天线上发送,依次类推。
前面提到,相比于其他的空时编码方法,STBC更易于被采用。这主要是因为,对于STBC来说,可以通过设计(x→X)的映射关系而得到所谓的正交STBC(OSTBC)。上面提到的Alamouti编码便是一种最简单的OSTBC。对于OSTBC来说,其满足XXH=aI。此时,其复杂的非线性的最大似然(ML)译码可以通过简单的线性方法来实现。目前,相关文献中已经给出了在不同的发送天线数目nT,不同的码率R下设计OSTBC的方法。比如,在nT=4,R=1/2(即L=8)时的OSTBC方法为:
在图1中,编码前的每个符号块xb(b=1,2,…)都按照上面的映射方法得到编码后的矩阵Xb(b=1,2,…)。从上式可见,STBC码输出Xb为一个二维信号,我们分别将其横轴方向和纵轴方向称作时域维信号和空域维信号。Xb的时域维信号通过时域上传输,空域维信号通过空域传输,意即矩阵Xb中的每一行对应一个发送天线,每一列对应该块内的一个发送时刻。通过采用OSTBC可以大大简化接收端译码的实现复杂度。但是,OSTBC要能达到完全的正交性,需要满足
意即在传输该块Xb内信道特性保持不变,其中Hj b表示在发送块Xb内第j列信号时MIMO信道的信道特性,j=1,2,…,L,Hj b为一个nR*nT的复矩阵,nR表示接收天线总数。一般在MIMO单载波系统中,通过假设信道慢时变来假设
成立。
上面我们对MIMO以及STBC的介绍还仅仅局限在窄带或者单载波的通信系统中。而我们知道,未来的无线通信系统必然是一个宽带的高速通信系统。对于宽带的高速通信系统来说,OFDM技术是实现其的一种主流技术。OFDM技术的原理是将要传输的高速数据用许多个正交的子载波来传输,每个子载波上的数据速率相对较低。与通常的频分复用系统相比,OFDM中子载波的正交交迭使得系统有更高的频谱利用率。OFDM中将整个信号带宽划分为多个很窄的子载波频带,由于每个子载波带宽小于信道的相干带宽,从而是平坦衰落。这样,与单载波系统相比,OFDM中的均衡要容易实现的多。
因此,近年来越来越多的人将其研究的重点由MIMO单载波下的STBC转向MIMO-OFDM下的STBC技术。我们知道,MIMO-OFDM与MIMO单载波的最大不同之处主要在于增加了一个频域维,也就是说MIMO-OFDM是一个包括空域-时域-频域的三维信号的系统。目前,从实现方法上来说,MIMO-OFDM中的STBC主要有两类:
(1)采用原来的空时(ST)编码的方法;
也就是说,直接将原来单载波下的STBC方法搬到MIMO-OFDM中来,每个子载波独立进行STBC,STBC码输出Xb的空域维和时域维信号仍分别采用空域和时域进行传输。MIMO-OFDM下的ST编码方法如图2所示。
图2所示为MIMO-OFDM下的ST编码方法。
其中,MIMO-OFDM中的空-时-频域三维这样来表现:图2中的每一大块对应空域的一个发送天线,对每个发送天线来说,其中的一个小方格代表一个时频单元,其中横向表示时域,纵向表示频域。图中的每个椭圆形圈代表一个STBC码时域维信号的映射位置。
在这种方法中,对每个子载波独立的进行STBC,每个子载波STBC编码后的信号仍然映射到空域和时域。也即,不同的子载波传输不同的STBC码X,对于同一个STBC码X来说,其行和列信号仍然分别采用与其相对应的空域和时域进行传输。
(2)采用空频(SF)编码的方法。
SF编码方法与(1)中的ST方法的不同之处在于:此时STBC码输出Xb的时域维信号用MIMO-OFDM中的频域(而不是原来的时域)来传输。MIMO-OFDM下的SF编码方法如图3所示。
图3所示为MIMO-OFDM下的SF编码方法。
由图3可见,MIMO-OFDM下的SF编码的特点如下:时域上每个OFDM符号独立STBC编码,对于同一个STBC码X来说,其行和列信号分别映射到空域和频域进行传输。
在MIMO-OFDM中,无论是采用ST编码还是SF编码,都可以用图4所示的结构来进行描述。
图4所示为通常的采用STBC技术的MIMO-OFDM系统结构示意。
在该结构中,发端和收端分别采用nT和nR个天线进行信号的发送和接收。在发送端,待发送的频域数据首先经过编码调制101形成调制后的符号,然后将该符号序列送入102进行STBC编码。STBC编码的输出可以看成是一个二维的符号矩阵,接下来,由解复接单元103将所得的STBC码分配到MIMO-OFDM中相应的时域/频域/空域单元。之后,解复接输出nT路信号,每路信号分别经过反快速傅立叶变换(IFFT)104,和并串变换105转换成时域信号。最后,在105的输出信号之上进行插入循环前缀(CP)106的操作,再从各自对应的发送天线107上发送出去。在图4中,发端通过采用不同的解复接方法,即采用不同的映射图案,可以实现ST或SF编码。简单说来,如果将STBC编码102输出的时域维信号映射到时域进行传输,便是ST编码;如果将STBC编码102输出的时域维信号映射到频域进行传输,便是SF编码。
在接收端,首先由nR个接收天线108将空间全部信号接收下来。然后,分别对每个天线上的接收信号进行去除CP的操作109。接下来,再将109输出的时域信号通过串并变换110,快速傅立叶变换(FFT)111转换成频域信号。然后,由信道估计模块112根据该接收信号中的导频信号或采用其他方法进行信道估计,估计出当前的信道转移函数矩阵H。同时,复接模块113采用同发端103相反的操作,将映射到时域/频域/空域单元中属于同一STBC码的信号提取出来,然后送给STBC译码单元114进行STBC译码。最后,经过解调和信道译码单元后得到原始的发送数据。
然而,近来的研究表明,无论是采用基于ST还是基于SF的STBC方法,在MIMO-OFDM下所得系统性能与期望值仍有一定的距离。究其原因,我们发现是因为在MIMO-OFDM中我们难以保证在同一个STBC码内信道特性不变。前面提到,如果同一个STBC码内信道特性发生变化的话,会破坏正交STBC码原本的正交性,由此带来的码内部之间的干扰将会降低系统的性能。
在MIMO单载波系统中,一般可以假设同一个STBC码内信道特性不变。然而,在MIMO-OFDM中,这样的条件一般难以满足。比如,对于MIMO-OFDM中ST编码方法来说,一个STBC码要跨越L个OFDM符号,而一个OFDM符号在时间上的长度往往比单载波下的符号长度长很多,因此很难保证在这L个OFDM符号内信道不变。同样,对于MIMO-OFDM中SF编码方法来说,一个STBC码要跨越L个子载波,在频率选择性信道下也很难保证在这L个子载波内信道不变。
由此可见,要想同MIMO单载波一样,要求同一个STBC块内信道特性完全或近似相同,对于MIMO-OFDM来说是难以实现的。但是,如果能尽可能的提高同一个STBC块内信道特性相近的程度的话,仍有希望可以进一步提高系统的性能。但是,在传统的MIMO-OFDM中,单纯的将同一个STBC块的时域维映射到时域上相邻的OFDM符号,或者相邻的子载波进行传输,并不可以保证同一个STBC块内信道特性的相近程度最高。比如,对于这样一个MIMO环境:ITU M.1225信道模型B,信道带宽B=10MHz,子载波总数Nc=1024,最大多普勒频移fd=200Hz。其时频各单元的信道特性相关性数值如图5所示。
图5所示为时频各单元的频域信道特性相关性数值示例。
其中,每个方格表示一个时频单元,横轴和纵轴分别对应时域和频域。方格内的数值表示该时频单元与最右上角时频单元两者信道特性之间的相关值。该相关值为信道特性相关度的一个统计量,可以有效衡量信道特性之间的相近程度。相关值越大,两时频单元之间信道特性越相似。
从图5可见,对于L=8的情况,无论是采用传统的基于ST的编码方法(如图5中一个STBC码的时域维信号映射到时域相邻的L个时频单元),还是采用传统的基于SF的编码方法(如图5中一个STBC码的时域维信号映射到频域相邻的L个时频单元),都没有能够实现同一个STBC块内L个时频单元上信道特性的最大相似。从图5可见,虚线框内的L个时频单元其信道特性之间的相关程度就比传统ST或SF下映射到的时频单元的信道特性之间的相关度高。因此可见,在MIMO-OFDM中,如果能够根据系统当前的信道特性优化STBC码的时域维信号在MIMO-OFDM时频域上的映射位置,将其映射到信道特性相关性最强的L个时频单元上,可以有效提高STBC码的正交性,从而在传统ST或SF编码基础之上有效提高系统性能。另外,这个优化过程还应是一个慢自适应的过程,当系统所处的环境发生改变后,MIMO-OFDM时频各单元的信道特性相关性亦发生改变,此时系统亦应能自适应的调整STBC码在时频域上的映射位置。
发明内容
因此,本发明的目的是提出一种多天线通信系统中的空-时-频编码方法、以及一种利用空-时-频编码的收发系统,尤其是在MIMO-OFDM系统中,其中根据通信系统中时频单元频域信道特性的相关性来对传输同一正交空时码的时频单元组合进行优化。
本发明的另一目的是提出一种多天线通信系统中的空-时-频编码方法、以及一种利用空-时-频编码的收发系统,其提高了传输同一空时码内时域维各信号的信道之间的相关性,这样,对于正交空时码来说,可以有效提高了码之间的正交性,从而进一步提高系统性能。
根据本发明,提出了一种多天线通信系统中的空-时-频编码方法,包括以下步骤:计算所述系统中各时频单元所对应的信道特性之间的相关性值;根据所计算出的各时频单元的相关性值,确定信道相关性最强的时频单元组合图案;以及根据所述组合图案,将所输入的时域维信号映射到各时频单元组合,以便在空域-时域-频域中对组合后的各时频单元中的信号进行发送。
优选地,所输入的时域维信号是基于正交空时编码进行编码后的信号。
优选地,所述计算所述系统中各时频单元所对应的信道特性之间的相关性值的步骤为每隔较长时间计算一次的一长时过程。
优选地,所述根据相关性值确定信道相关性最强的时频单元组合图案的步骤包括:按照使同一时频单元组合内各时频单元的信道特性之间的相关性最大的方式,来确定信道相关性最强的时频单元组合图案。
优选地,所述在空域-时域-频域中对组合后的各时频单元中的信号进行发送的步骤包括:在空域-时域-频域中,将组合后的各时频单元中的空域维信号采用多个天线进行发送,将组合后的各时频单元中的时域维信号采用多个时隙进行发送,将组合后的各时频单元中的频域维信号采用多个频段进行发送。
优选地,所述多天线通信系统为多入多出正交频分复用通信系统。
根据本发明,还提出了一种在多天线通信系统中利用空-时-频编码的收发系统,包括:处于发送端的映射模块,根据各时频单元所对应的信道特性之间的相关性值,确定信道相关性最强的时频单元组合图案;并且将所输入的时域维信号映射到各时频单元组合;处于发送端的解复接模块,用于根据来自映射模块的时频单元组合结果来进行解复接处理;处于接收端的复接模块,执行发送端的解复接模块所进行的解复接操作的逆操作;处于发送端的译码模块,根据信道估计的结果,对来自复接模块的数据译码。
优选地,在映射模块中所输入的时域维信号是基于正交空时编码进行编码后的信号。
优选地,所述映射模块按照使同一时频单元组合内各时频单元的信道特性之间的相关性最大的方式,来确定信道相关性最强的时频单元组合图案。
优选地,所述多天线通信系统为多入多出正交频分复用通信系统。
附图说明
通过参考以下结合附图所采用的优选实施例的详细描述,本发明的上述目的、优点和特征将变得显而易见,其中:
图1为不出了STBC原理的示意图;
图2为用于说明MIMO-OFDM下的ST编码方法的示意图;
图3为用于说明MIMO-OFDM下的SF编码方法的示意图;
图4为示出了通常的采用STBC技术的MIMO-OFDM系统的示意结构图;
图5为示出了时频各单元的频域信道特性相关性数值示例的图;
图6为示出了根据本发明实施例的MIMO-OFDM系统结构的图;
图7为示出了根据本发明实施例的空-时-频编码方法的处理过程的流程图;
图8为示出了根据本发明的实施例,在时频二维空间上的时频单元组合过程示例的图;以及
图9为示出了本发明所采用的方法与传统方法的性能比较的曲线图。
具体实施方式
前面已经针对图1到图5进行了一般性描述。在此基础上,下面将结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
图6为示出了根据本发明实施例的MIMO-OFDM系统结构的图。
与图4中传统的采用STBC的MIMO-OFDM系统结构相比,采用本发明技术的MIMO系统的不同之处在于:(1)在收端增加了模块116,用于确定STBC编码器输出的时域维信号在MIMO-OFDM中的时频二维空间的映射方法,即确定同一个STBC码用怎样一个时频单元组合来进行传输;(2)在模块116确定出时频单元组合方法之后,将该结果通过系统的反馈信道反馈给发送端的解复接单元103,用于发端的实际操作。解复接单元103根据所得的时频单元组合结果,对STBC编码102输出的结果进行解复接处理,即将STBC码的时域维信号映射到相应的时频单元组合中进行传输。除此之外,116还将该组合结果送给接收端的复接单元113,复接单元113完成的是发端解复接单元103的逆操作,其按照所给的时频单元组合方法将时频二维空间中相应位置的信号提取出来,合成一个STBC码块,再送给STBC译码单元114进行译码。
具体说来,从实现流程上来说,本发明的编码方法可以用图7来描述。
图7为示出了根据本发明实施例的空-时-频编码方法的处理过程的流程图。
具体说来,该编码方法的处理过程主要包括以下三个步骤:
第一步:计算MIMO-OFDM中各时频单元频域信道特性之间的相关性,如步骤702所示。
这里,各时频单元频域信道特性之间相关性的计算公式如下:
其中,rH[n,k]表示时域上相差n个OFDM符号(每个OFDM符号在时间上的长度为T)、频域上相差k个子载波的时频单元频域信道特性之间的相关性数值。Δf表示OFDM中每个子载波的带宽,σl 2和τl分别表示多径信道模型中第l径的功率和时延。另外,上式中rt(nT)=J0(2πnTfd),其中J0(x)为第一类零阶贝塞尔函数,fd为信道最大多普勒频移。一般来说,由上式计算所得的相关值为一个复数值,我们取其实部最为其最终计算所得的相关性数值。
在计算信道特性相关性时,我们需要注意的有:
(1)信道特性之间的相关性是一个长时统计量,也就是说在短时间内认为其不变。信道特性的相关性出现变化一般发生在以下情况:移动台移动的速度发生变化;通信环境发生变化(在室内与室外之间变化,在城区、郊区与山区之间变化)等等。这就告诉我们,这里计算信道相关性的操作可以间隔一段时间计算一次。具体的间隔时间多少可以由系统根据实际需要事先设定。
(2)在计算相关性时只需要计算其他时频单元与某个固定时频单元(可以预先选定)信道特性之间的相关性数值即可(比如,图5中只计算了其他时频单元与右上角时频单元信道特性之间的相关性数值),而不需要计算任意两个时频单元信道之间的相关性。这是因为,由上面计算信道相关性的公式可以发现,相关性数值的大小仅与n和k的数值有关,即仅与两个时频单元在时域和频域上的间距有关,而与其所处的具体位置无关。
第二步:确定信道相关性最强的时频单元组合方法,如步骤703所示。
也就是说,确定STBC编码输出的每个码块的时域维信号在MIMO-OFDM中的时频二维空间上的映射位置,即用哪些时频单元来进行传输。这一步操作包括以下两个小步:
(1)确定某一个信道特性相关性最强的时频单元组合。下面举例说明:比如信道特性为,ITU M.1225信道模型B,信道带宽B=10MHz,子载波总数Nc=1024,最大多普勒频移fd=200Hz。这样,经过第一步中对相关性数值的计算我们可以得到如图5所示的相关性结果。另外假设MIMO发送天线总数为nT=4,采用R=1/2(即L=8)的OSTBC编码。那么这一小步要完成的工作便是从图5中选取一个包括L个时频单元的时频单元组合,使得该组合中的各时频单元的信道特性相关性最强。也就是选取这样的组合,使得该组合与其他组合相比,其中L个时频单元信道特性相关性数值的最小值最大。从图5中我们不难发现,虚线框所包围的时频单元组合便是满足此条件的最佳的时频单元组合。
(2)确定其余时频单元的组合方法。在步骤(1)中我们确定出了一种包括L个时频单元的最佳时频单元组合方法,对于其他时频单元来说,可以利用信道特性相关性的特性完成其组合。正如前面所述,时频单元信道特性相关性数值的大小仅与n和k的数值有关,即仅与两个时频单元在时域和频域上的间距有关,而与其所处的具体位置无关。比如,在(1)中的例子中,即图5中的一个最佳时频单元组合包括了同一子载波上时域上相邻的5个时频单元,以及相邻子载波上时域上相邻的3个时频单元。那么,根据相关性的特性可得到整个时频二维空间上的最佳时频单元组合方法(组合图案)。为了清楚地说明,图8为示出了根据本发明的实施例,在时频二维空间上的时频单元组合过程示例的图。
如图8所示。这里需要注意的,由于对称性的原因,这里所得的如图8所示的时频二维空间上的时频单元组合方法(组合图案)不一定是唯一的,但可以肯定的是每个基本的时频单元组合有相同的特性:即包括了同一子载波上时域上相邻的5个时频单元,以及相邻子载波上时域上相邻的3个时频单元。
第三步:将空时编码输出的时域维信号映射到该时频单元组合进行传输,如步骤704所示。
具体说来,在上一步中确定出时频单元组合方法(或图案)之后,将该结果通过系统的反馈信道反馈给发送端的解复接单元103,用于发端的实际操作。解复接单元103根据所得的时频单元组合结果,对STBC编码102输出的结果进行解复接处理,即将STBC码的时域维信号映射到相应的时频单元组合中进行传输。除此之外,还将该组合结果送给接收端的复接单元113,复接单元113完成的是发端解复接单元103的逆操作,其按照所给的时频单元组合方法将时频二维空间中相应位置的信号提取出来,合成一个STBC码块,再送给STBC译码单元114进行译码。
图9所示为本发明所采用的方法与传统方法的性能比较。
其中,仿真中采用的发送天线和接收天线数分别为4和1。信道特性为:ITU M.1225信道模型B,信道带宽B=10MHz,子载波总数Nc=1024,最大多普勒频移fd=200Hz。采用R=1/2(即L=8)的OSTBC编码和QPSK调制。图9所示为采用传统的基于ST和SF的编码方法,以及本发明方法下的BER性能。由图9的结果可见,与传统方法相比,采用本发明申请中提出的方法可以获得更好的BER性能。
尽管以上已经结合本发明的优选实施例示出了本发明,但是本领域的技术人员将会理解,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此,本发明不应由上述实施例来限定,而应由所附权利要求及其等价物来限定。
Claims (10)
1、一种多天线通信系统中的空-时-频编码方法,包括以下步骤:
计算所述系统中各时频单元所对应的信道特性之间的相关性值;
根据所计算出的各时频单元的相关性值,确定信道相关性最强的时频单元组合图案;
根据所述组合图案,将所输入的时域维信号映射到各时频单元组合,以便在空域-时域-频域中对组合后的各时频单元中的信号进行发送。
2、根据权利要求1所述的方法,其特征在于所输入的时域维信号是基于正交空时编码进行编码后的信号。
3、根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:所述计算所述系统中各时频单元所对应的信道特性之间的相关性值的步骤为每隔较长时间计算一次的一长时过程。
4、根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:所述根据相关性值确定信道相关性最强的时频单元组合图案的步骤包括:按照使同一时频单元组合内各时频单元的信道特性之间的相关性最大的方式,来确定信道相关性最强的时频单元组合图案。
5、根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:所述在空域-时域-频域中对组合后的各时频单元中的信号进行发送的步骤包括:在空域-时域-频域中,将组合后的各时频单元中的空域维信号采用多个天线进行发送,将组合后的各时频单元中的时域维信号采用多个时隙进行发送,将组合后的各时频单元中的频域维信号采用多个频段进行发送。
6、根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于所述多天线通信系统为多入多出正交频分复用通信系统。
7、一种在多天线通信系统中利用空-时-频编码的收发系统,包括:
映射模块,根据各时频单元所对应的信道特性之间的相关性值,确定信道相关性最强的时频单元组合图案;并且将所输入的时域维信号映射到各时频单元组合;
处于发送端的解复接模块,用于根据来自映射模块的时频单元组合结果来进行解复接处理;
处于接收端的复接模块,执行发送端的解复接模块所进行的解复接操作的逆操作;
译码模块,根据信道估计的结果,对来自复接模块的数据译码。
8、根据权利要求7所述的收发系统,其特征在于:在映射模块中所输入的时域维信号是基于正交空时编码进行编码后的信号。
9、根据权利要求7或8所述的收发系统,其特征在于所述映射模块按照使同一时频单元组合内各时频单元的信道特性之间的相关性最大的方式,来确定信道相关性最强的时频单元组合图案。
10、根据权利要求7或8所述的收发系统,其特征在于:所述多天线通信系统为多入多出正交频分复用通信系统。
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