CN1874210A - 准正交空时分组码的发射与接收方法及其发射机与接收机和通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种准正交空时分组码的发射方法与接收方法及实施该方法的接收机、发射机和包括该发射机与接收机的通信系统，其中对复高斯随机方阵的哥瑞姆－史密特正交化分解得到随机旋转矩阵；发射端利用该随机旋转矩阵与星座图符号矢量相乘后再进行准正交空时分组编码，使得新的星座图具有随机分布特性，从而使发射端多天线符号间干扰较均匀分布；并且大功率干扰段的概率密度分布相对较小，从而提高系统在高信噪比环境下的性能；相应地，接收端，先对所有可能的星座图符号矢量进行与发射端同样的随机旋转，再进行最大似然解码。

Description

准正交空时分组码的发射与接收方法 及其发射机与接收机和通信系统

技术领域

本发明属于多天线移动通信技术领域，特别涉及准正交空时分组码发射方法与接收方法及实施该方法的接收机、发射机和包括该发射机与接收机的通信系统。

背景技术

空时编码分集方法被普遍认为是在移动通信系统中有效地对抗无线信道衰落的技术。

《国际电子与电气工程师协会通信学报》(IEEE Transactions onCommunications，Volume.49，No.1，pp.1-4，Jan.2001)发表了一种准正交空时分组码(QO-STBC)分集发射方法，可以达到全速率传输；但该方法由于空时分组码矩阵的非完全正交性和固定的星座图分布，引起分组码块较大的符号间干扰；在高信噪比环境下，由于系统性能主要由符号间干扰决定，所以其误码率较高。

《国际电子与电气工程师协会通信快报》(IEEE CommunicationsLetters，Volume.8，No.8，pp.514-516，Aug，2004)提出了一种通过星座图随机旋转来提高多输入多输出(MIMO)系统性能的方法；该方法虽然较充分地利用了空间传输复用能力，但却几乎没有利用空时分集效应；并且由于多天线之间固有的码间干扰，造成系统性能较差。

发明内容

本发明提供了一种基于随机旋转的准正交空时分组码的发射方法、接收方法以及实施该方法的相应的发射机、接收机以及包含发射机和接收机的通信系统。

所述的准正交空时分组码的发射方法包括以下步骤：将二进制原始信息流进行串并转换以得到二进制矢量流；进行星座图映射以得到星座图符号矢量流；进行准正交空时分组编码以得到多天线空时编码矩阵；发射所述的多天线空时编码矩阵；其中：该方法还包括以下被实施于上述准正交空时分组编码步骤之前的步骤：对任意复高斯随机方阵进行正交化分解以得到一个正交矩阵作为一个随机旋转矩阵；重复上述正交化分解步骤得到多个随机旋转矩阵以构成随机旋转矩阵集合；存储所述随机旋转矩阵集合；在上述准正交空时分组编码之前，从所存储的随机旋转矩阵集合中循环地提取出当前使用的一个随机旋转矩阵；将上述随机旋转矩阵与所述得到的星座图符号矢量流相乘以得到新星座图符号矢量流；对新星座图符号矢量流进行所述的准正交空时分组编码。

所述准正交空时分组码的接收方法包括以下步骤：对所接收的编码信号进行信道估计，对所有可能的星座图符号矢量进行准正交空时分组编码，然后进行最大似然解码，对星座图解映射；和进行并串转换；其中，该方法还包括被实施于上述准正交空时分组编码步骤之前的步骤：存储与发射端完全相同的随机旋转矩阵集合；在上述准正交空时分组编码之前，从随机旋转矩阵集合中按照与发射端同步的方式循环地提取出当前使用的一个随机旋转矩阵；将上述随机旋转矩阵与所有可能的星座图符号矢量集合相乘以得到新星座图符号矢量流；对所得到的新星座图符号矢量流进行上述的准正交空时分组编码。

所述用于发射准正交空时分组码的发射机包括：串并转换模块、星座图映射模块、随机旋转模块、准正交空时分组编码模块、多天线阵列；其中二进制原始信息流经过串并转换模块后成为二进制矢量流，再经过星座图映射模块成为星座图符号矢量流，该星座图符号矢量流经过准正交空时分组编码模块成为多天线空时编码矩阵并经由多天线阵列发射；该发射机还包括高斯随机矩阵生成模块、正交化分解模块、矩阵存储模块、矩阵提取模块；其中利用高斯随机矩阵生成模块产生高斯随机方阵，在正交化分解模块中对产生的多个复高斯随机方阵进行正交化分解以得到多个正交矩阵作为随机旋转矩阵集合；将随机旋转矩阵集合存储在所述矩阵存储模块中；利用矩阵提取模块循环地从随机旋转矩阵集合中提取出当前使用的一个随机旋转矩阵并将该随机旋转矩阵输出到随机旋转模块；该随机旋转模块将上述随机旋转矩阵与所得到的星座图符号矢量流相乘，得到新星座图符号矢量流；再通过准正交空时分组编码模块对新星座图符号矢量流进行准正交空时分组编码。

所述的用于接收准正交空时分组码的接收机包括：接收天线、最大似然检测模块、信道估计模块、解星座图映射模块、并串转换模块；其中利用接收天线接收经由无线信道传输的信号，通过信道估计模块对所接收的信号进行信道估计以得到信道衰落系数矩阵，再利用该信道衰落系数矩阵通过最大似然检测模块对所有可能的星座图符号矢量进行最大似然解码，通过解星座图映射模块得到二进制矢量流，通过并串转换模块恢复出原始的二进制信息流；其中该接收机还包括矩阵存储模块、矩阵提取模块、随机旋转模块、准正交空时编码模块；其中所述矩阵存储模块存储与发射端完全相同的随机旋转矩阵集合；利用矩阵提取模块按照与发射机同步的方式从上述矩阵存储模块中循环地提取出当前使用的一个随机旋转矩阵，并将该随机旋转矩阵输出到随机旋转模块；在该随机旋转模块中，对所有可能的星座图符号矢量集合进行与发射端同样的随机旋转，再经过准正交空时编码模块，然后再进行最大似然解码。

所述的用于发射和接收准正交空时分组码的通信系统包括经由无线信道耦合的发射机和接收机，其中该发射机包括：串并转换模块、星座图映射模块、随机旋转模块、准正交空时分组编码模块、多天线阵列；该接收机包括：接收天线、最大似然检测模块、信道估计模块、解星座图映射模块、并串转换模块；其中二进制原始信息流经过串并转换模块后得到二进制矢量流，再经过星座图映射模块得到星座图符号矢量流，该星座图符号矢量流经过准正交空时分组编码模块得到多天线空时编码矩阵，由多天线阵列发射利用所述空时编码矩阵编码的信号；在接收机一侧利用接收天线接收经无线信道传输的经空时编码矩阵编码的信号，通过信道估计模块对所接收的信号进行信道估计得到信道衰落系数矩阵，再利用该信道衰落系数矩阵通过最大似然检测模块对所有可能的星座图符号矢量进行最大似然解码，解星座图映射和并串转换；该系统还包括高斯随机矩阵生成模块、QR分解模块、矩阵存储模块、矩阵提取模块；其中利用高斯随机矩阵生成模块产生高斯随机方阵，在QR分解模块对产生的复高斯随机方阵进行哥瑞姆-史密特正交化分解，得到一个正交矩阵作为一个随机旋转矩阵；在发射端和接收端计算多个上述随机旋转矩阵以获得随机旋转矩阵集合并存储在所述矩阵存储模块中；在发射机和接收机各一侧，利用矩阵提取模块同步循环地提取出当前使用的一个随机旋转矩阵并将该随机旋转矩阵输出到随机旋转模块；该随机旋转模块将上述随机旋转矩阵与所得到的星座图符号矢量流相乘，得到新星座图符号矢量流；再通过准正交空时分组编码模块对新星座图符号矢量流进行准正交空时分组编码；相应地，在接收机一侧先对所有可能的星座图符号矢量进行与发射机一侧同样的随机旋转，再进行最大似然解码。

根据本发明的技术方案通过将星座图符号矢量进行随机旋转后再进入空时编码，使发射端符号间干扰较均匀分布；相应地，在接收端对星座图符号矢量进行与发射端同样的随机旋转后，再进行最大似然解码，以降低系统在高信噪比环境下的误码率。

根据本发明的准正交空时分组码的发射与接收方法，在发射端将二进制原始信息流经过串并转换模块后，得到二进制矢量流；再经过星座图映射模块，得到星座图符号矢量流；经过准正交空时分组编码器模块，得到多天线空时编码矩阵，由多天线阵列发射；在接收端，对接收信号进行信道估计，再对所有可能的星座图符号矢量进行最大似然解码，解星座图映射和并串转换；其中先以随机旋转矩阵生成模块对任意复高斯随机方阵进行哥瑞姆-史密特正交化分解(QR分解)，得到一个正交矩阵作为一个随机旋转矩阵；发射端和接收端计算若干个上述随机旋转矩阵，并存储在收发两端；发射端和接收端同时循环地提取出当前使用的一个随机旋转矩阵，输出到随机旋转模块；该随机旋转模块将上述随机旋转矩阵与所得到的星座图符号矢量流相乘，得到新星座图符号矢量流；再对新星座图符号矢量流进行准正交空时分组编码；相应地，在接收端，先对所有可能的星座图符号矢量进行与发射端同样的随机旋转，再进行最大似然解码。

所述收发两端存储的随机旋转矩阵的个数可以为任意整数，一般取为2的整数次幂，经常采用的值是16、32、64、128、256、512。

所述多天线空时编码矩阵，还可再经过正交频分复用调制后，由多天线阵列发射；相应地，在接收端，先进行快速反傅立叶变换后，再对接收信号进行信道估计，最大似然解码，解星座图映射和并串转换。

所述星座图映射模块采用的调制方法包括多进制相移键控调制、多进制幅移键控调制、多进制频移键控调制、幅度与相位相结合的多进制调制或差分相移键控调制。

使用时，随机旋转矩阵生成模块对任意复高斯随机方阵进行哥瑞姆-史密特正交化分解(QR分解)，得到一个正交矩阵作为一个随机旋转矩阵：

                   Y＝TU                          (1)

式中：Y为N维方阵，其各元素为独立同分布随机变量；U为上三角矩阵；T为酉矩阵，即为一个随机旋转矩阵。发射端和接收端计算若干个上述随机旋转矩阵T，并存储在收发两端；发射端和接收端同时循环地提取出当前使用的一个随机旋转矩阵T_l，输出到随机旋转模块。

同时，二进制原始信息流{b₁，…b_k}，经过串并转换模块和星座图映射模块，得到星座图符号矢量流s＝[s₁，…s_N]^T，再经过随机旋转模块，将当前随机旋转矩阵T_l与上述星座图符号矢量流s相乘后，得到新星座图符号矢量流x：

                   x＝T_ls                         (2)

式中T_l为对应第1个空时分组块所使用的随机旋转矩阵，由于该矩阵是酉矩阵，所以旋转前后星座图符号矢量流的总能量保持相等。

一般的准正交空时分组码虽然达到了全速率，但却牺牲了正交性而引入了符号间干扰。符号间干扰分量由星座图符号矢量流s的各个元素决定。一般的发射方法，所使用的星座图符号矢量流s中各元素星座图分布是固定的，而且只提供有限种星座点位置，从而对应的干扰分量的概率密度呈点状分布，并且在大干扰功率段概率密度分布系数较大，所以在高信噪比环境下，一般的准正交空时分组码性能劣于正交空时分组码系统。

所述新星座图符号矢量流x经过准正交空时分组编码模块后，得到空时编码矩阵S_QO(x^T)，在多天线上同时发射。信号经过无线信道后，在接收端的接收信号为

                 r＝HS_QO(x^T)+N                     (3)

式中：H为信道衰落系数矩阵，N为复高斯噪声矩阵。

接收端通过公共信道估计出信道衰落系数矩阵 由于本发明在发射端加入了随机旋转模块，对星座图符号矢量流进行了随机旋转操作。相应地，在接收端，必须恢复出发射端当前所使用的随机旋转矩阵，才能正确地解调出原始信息。接收端从存储的随机旋转矩阵集合中，与发射端同步提取出当前使用的随机旋转矩阵T_l。先对所有可能的星座图符号矢量进行与发射端同样的随机旋转，再进行最大似然解码。

接收端根据最大似然准则解调出星座图符号矢量流

$\hat{s}={\underset{s}{\arg \min }\left|\right|r-\stackrel{\·\·}{H}{S}_{\mathrm{TBH}}\left[{\left(T_{l}s\right)}^T\right]\left|\right|}_F^{-}...\left(4\right)$

式中：‖‖_F为矩阵的欧氏(Euclidean)范数。

再对解调出的星座图符号矢量流 进行解星座图映射和并串转换，最终恢复出原始二进制原始信息流。

与现有技术相比较，本发明方法由于在发射端加入了随机旋转模块，使新星座图符号矢量流的各个元素在单位圆附近随机地分布，克服了一般准正交空时分组码中固定星座图分布的缺点，提供更多的星座点位置，增大了星座图分布的自由度；从而其对应的干扰分量b概率密度较均匀地分布在(0，1)整个实数轴上，并且在大干扰功率段概率密度分布系数相对较小，克服了一般的准正交空时分组码发射方法中干扰功率点状分布的缺点；相应地，由于在接收端使用了与发射端相同的随机旋转模块，通过最大似然解码，可以恢复出随机旋转以前的星座图，最终提高系统在高信噪比环境下的性能。

附图说明

附图1为本发明准正交空时分组码的发射与接收方法基带发射框图。

附图2为随机旋转后星座图分布图。

附图3为随机旋转前后符号间干扰功率的概率密度分布比较图。

附图4为随机旋转准正交空时分组码与一般的准正交空时分组码的性能比较图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明方法的实施例。

实施例1：

在本实施例使用的多天线系统中，发射端为包含4个发射天线的发射天线阵列，而接收端为1个接收天线。假定无线信道为准静态瑞利衰落信道，并且接收端准确估计出信道衰落信息。信噪比(SNR)定义为接收天线信号矢量中有用信号与噪声的平均功率之比。系统采用4×1发射分集四进制相移键控(QPSK)调制。

本发明准正交空时分组码的发射与接收方法基带发射框图如附图1所示：高斯随机矩阵生成模块1产生出一个4×4的复高斯随机矩阵2，该矩阵各元素之间为独立同分布复数域随机变量，且分布函数为零均值单位方差的高斯函数；QR分解模块3对上述复高斯随机矩阵2进行如式(1)的哥瑞姆-史密特正交化分解，得到两个4×4方阵：酉矩阵4和上三角矩阵5；上述酉矩阵4即为一个随机旋转矩阵。该酉矩阵具有各向同性分布(Isotropically Distributed)的特性，与单位矢量相乘后得到的新的向量为各向同性单位向量，故该酉矩阵具有将固定矢量“随机旋转”的性质。本发明利用了上述性质，使用一个随机旋转矩阵，将一般发射方法中固定星座图矢量进行随机旋转，使得新的星座图具有各向同性随机分布的特性。

矩阵存储模块6存储一定数量的酉矩阵4，以构成一个随机旋转矩阵集合7，即{T₁，T₂…，T_P}；本实施例中可用随机旋转矩阵的个数为256；矩阵提取模块8从上述随机旋转矩阵集合7中，循环地提取出一个当前使用的随机旋转矩阵9，即T_l，并且对每个空时分组发射块刷新一次。

同时，二进制原始信息流10为{b₁，b₂，…}，经过串并转换模块11后，得到长度为8比特的二进制矢量流12，即c＝[c₁，c₂，…c₈]^T；再经过QPSK星座图映射模块13后，得到长度为4的QPSK星座图符号矢量流14，即s＝[s₁，…s₄]^T；随机旋转模块15将上述当前使用的随机旋转矩阵9和星座图符号矢量流14相乘后，得到新星座图符号矢量流16，即x＝T_ls。

T_l为对应第1个空时分组块所使用的随机旋转矩阵，该矩阵是一个酉矩阵，即T_l ^HT_l＝I_N，所以旋转前后星座图符号矢量流的总能量保持相等。本发明由于利用了随机旋转矩阵的各向同性分布特性，经随机旋转后得到的新星座图符号矢量流x，其各元素均为原星座图符号矢量流s的各元素的随机线性叠加，故新星座图符号矢量流x的星座图随机分布在单位圆附近，克服了一般准正交空时分组码中固定星座图分布的缺点，增大了星座图分布的自由度，以提高系统在高信噪比环境下的性能。

随机旋转前s的星座图具有标准的QPSK星座图分布，只有四种可能的星座点位置。随机旋转后新的符号矢量x的星座图分布如附图2所示：图中横轴表示星座点的实部，纵轴表示星座点的虚部。由于采用了随机旋转的方法，使得新星座图符号矢量流x的各元素为s₁，s₂，s₃，s₄的随机线性叠加，所以随机旋转后的星座图会在单位圆附近较均匀地分布，增大了星座图分布的自由度，以提高系统在高信噪比环境下的性能。

准正交空时分组编码模块17对上述新星座图符号矢量流16进行准正交空时分组编码后，得到多天线空时编码矩阵18，即S_TBH(x^T)。在本实施例中，准正交空时分组编码模块17采用的编码方式为TBH编码，设上述新星座图符号矢量流16的四个元素分别为{x₁，x₂，x₃，x₄}，则得到的多天线空时编码矩阵S_TBH(x^T)为：

$S_{\mathrm{TBH}}(x_1,x_2,x_3,x_4)=\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& x_3& x_4\\ {-x}_2^{*}& x_1^{*}& {-x}_4^{*}& x_3^{*}\\ x_3& x_4& x_1& x_2\\ {-x}_4^{*}& x_3^{*}& {-x}_2^{*}& x_1^{*}\end{array}\right]...\left(5\right)$

式中，四个列矢量分别为在四个不同天线上发射的符号矢量。

一般的准正交空时分组码虽然可以达到全速率，但却牺牲了正交性而引入了符号间干扰。TBH码的相关矩阵为：

$R_{\mathrm{TBH}}={S_{\mathrm{TBH}}}^H{S}_{\mathrm{TBH}}=\left[\begin{array}{cccc}a& 0& b& 0\\ 0& a& 0& b\\ b& 0& a& 0\\ 0& b& 0& a\end{array}\right]...\left(6\right)$

式中：

$a=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\left|s_i\right|}^2...\left(7\right)$

                    b＝2Re[s₁s₃ ^*+s₂s₄ ^*]               (8)

比较随机旋转准正交空时分组码(RR-QO-STBC)与一般的准正交空时分组码在符号间干扰分量b的差异。随机旋转前后符号间干扰功率的概率密度分布比较如附图3所示：图中横轴表示归一化后的干扰功率值，范围为(0，1)实数轴；纵轴表示对应的概率密度分布系数；曲线A为随机旋转准正交空时分组码的符号间干扰功率b的概率密度分布，曲线B为一般的准正交空时分组码的符号间干扰功率b的概率密度分布。所有可能的星座图符号矢量s，如曲线B所示，准正交空时分组码的干扰功率b集中在{0，0.5，1}这三个点值上；而如曲线A所示，随机旋转准正交空时分组码将所有的干扰功率较均匀地分布在(0，1)整个数域上。准正交空时分组码在强干扰功率b＝1处，仍有较大的概率密度分布p(b＝1)＝0.125，而强干扰会极大地降低系统性能；随机旋转准正交空时分组码将所有的干扰功率白化，相对均匀地分散在全部功率段上，并且在大功率干扰段的概率密度分布相对较小，克服一般的准正交空时分组码中干扰功率点状分布的缺点，从而可以提高系统在高信噪比环境下的性能。

将得到的多天线空时编码矩阵18，在多天线上同时发射。信号经过无线信道19后，在接收端的接收信号20为：

              r＝HS_TBH(x^T)+N                           (9)

式中：H为信道衰落系数矩阵，H＝{h_i，j(t)}_n×mh_i，j(t)为从第j个发射天线到第i个接收天线的信道衰落系数。信道矩阵中各元素均为统计独立零均值单位方差复高斯随机变量，其幅值服从瑞利分布。信道在一个空时分组码周期内保持恒定，而在不同的信道周期之间完全独立。N为统计独立零均值复高斯噪声矩阵N∈C^l×m，各元素的方差为N₀。

接收端通过信道估计模块21可以估计出信道衰落系数矩阵22，即

本实施例中假设接收端准确估计信道参数，即 $\hat{H}=H.$ 解调时，接收端的矩阵存储模块23存储与发射端完全相同的随机旋转矩阵集合{T₁，T₂…，T_P}，矩阵提取模块24从上述集合中提取出当前使用的随机旋转矩阵Tl。先对所有可能的星座图符号矢量集合25进行与发射端同样的随机旋转26，再进行准正交空时分组编码27，然后通过最大似然解码检测模块28恢复出星座符号矢量29。根据最大似然准则，按式(4)的方法，解调出星座图符号矢量流

再经过解星座图映射模块30，得到二进制矢量流31，最后经过并串转换模块32，恢复出原始二进制信息流33。

附图4为随机旋转TBH码与TBH码的系统误码率性能比较图：图中横轴表示SNR的值，单位为分贝(dB)，纵轴表示对应的系统误码率；曲线C为随机旋转TBH码随SNR变化的误码率曲线，曲线D为TBH码随SNR变化的误码率曲线。随着SNR的增加，两种编码系统的误码率都不断减少。随机旋转TBH码在SNR小于12分贝时与TBH码误码率性能基本相同。但在高信噪比环境下，随机旋转TBH码具有明显的性能增益：当系统误码率在10^-4时，随机旋转TBH码比TBH码约有2dB的增益：当系统误码率在10^-5时，随机旋转TBH码比TBH码约有4dB的增益；SNR越高，随机旋转TBH码比TBH码的增益越大。

所述收发两端存储的可用随机旋转矩阵的个数为256，也可以为任意正整数。为保证星座图旋转操作具有足够的随机性，上述随机旋转矩阵集合中矩阵个数P的大小，应该尽量大；一般地，考虑到硬件实现的方便，P的取值为2的正整数次幂的数；但P的取值又受到收发两端存储器容量的限制，经常采用的值是16、32、64、128、256、512。

所述多天线空时编码矩阵，还可再经过正交频分复用调制后，由多天线阵列发射；相应地，在接收端，先进行快速反傅立叶变换后，再对接收信号进行信道估计，最大似然解码，解星座图映射和并串转换。

所述星座图映射模块采用的调制方法为多进制相移键控调制，也可以为多进制幅移键控调制、多进制频移键控调制、幅度与相位相结合的多进制调制或差分相移键控调制。

实施例2：

实施例2的技术方案与实施例1的实施方案基本相同，其区别在于所述的准正交空时分组编码模块17采用的编码方式为Jafarkhani编码：即

$S_J(s_1,s_2,s_3,s_4)=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ -B^{*}& A^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& s_2& s_3& s_4\\ -s_2^{*}& s_1^{*}& {-s}_4^{*}& s_3^{*}\\ {-s}_3^{*}& {-s}_4^{*}& s_1^{*}& s_2^{*}\\ s_4& {-s}_3& {-s}_2& s_1\end{array}\right]...\left(10\right)$

其对应的相关矩阵R_J为：

$B_J={S_J}^H{S}_J=\left[\begin{array}{cccc}{a}_J& 0& 0& b_J\\ 0& a_J& -b_J& 0\\ 0& -b_J& a_J& 0\\ -b_J& 0& 0& a_J\end{array}\right]...\left(11\right)$

式中：

$a_J=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\left|s_i\right|}^2...\left(12\right)$

b_J＝2Re[s₁s₄ ^*-s₂s₃ ^*]                               (13)

由于固定星座图位置的偶对称，使得b_J的分布式(8)中干扰功率b的分布完全相同，故Jafarkhani编码方式的随机旋转准正交空时分组码的性能与实施例1中的TBH码相同。

实施例3：

实施例3的技术方案与实施例1的实施方案基本相同，其区别在于所述的准正交空时分组编码模块17采用的编码方式是变形Jafarkhani编码方式：即

$S_{\mathrm{JT}}(s_1,s_2,s_3,s_4)=\left[\begin{array}{cccc}{s}_1& s_2& s_3& s_4\\ {-s}_2^{*}& s_1^{*}& {-s}_4^{*}& s_3^{*}\\ s_4& {-s}_3& -s_2& s_1\\ -s_3^{*}& {-s}_4^{*}& s_1^{*}& s_2^{*}\end{array}\right]...\left(14\right)$

综上所述，本发明提供了一种基于随机旋转的准正交空时分组码发射与接收方法以及一种实施该方法的移动通信系统。其中首先以随机旋转矩阵生成模块对任意复高斯随机方阵的哥瑞姆-史密特正交化分解(QR分解)，得到一个正交矩阵作为一个随机旋转矩阵；然后在发射端和接收端计算若干个上述随机旋转矩阵，并存储在收发两端；发射端和接收端同时循环地提取出当前使用的一个随机旋转矩阵，输出到随机旋转模块。发射端的随机旋转模块将随机旋转矩阵与所得到的星座图符号矢量流相乘，得到新星座图符号矢量流；再对新星座图符号矢量流进行准正交空时分组编码；由于在发射端使用了随机旋转模块，使得新的星座图具有随机分布的特性，从而使发射端符号间干扰较均匀地分布，并且在大干扰功率段概率密度分布系数相对较小；相应地，在接收端，对接收信号进行信道估计，再对所有可能的星座图符号矢量进行与发射端同样的随机旋转，再进行最大似然解码，解星座图映射和并串转换，最终恢复出原始二进制原始信息流。由于发射端符号间干扰均匀分布的特性，使得本发明方法相对于一般的准正交空时分组码发射与接收方法，在高信噪比环境下，有明显的性能增益。

Claims (26)

1.一种准正交空时分组码的发射方法，该方法包括以下步骤：

-将二进制原始信息流(10)进行串并转换以得到二进制矢量流(12)；

-进行星座图映射以得到星座图符号矢量流(14)；

-进行准正交空时分组编码以得到多天线空时编码矩阵(18)；

-发射所述的多天线空时编码矩阵(18)；

其特征在于：该方法还包括以下被实施于上述准正交空时分组编码步骤之前的步骤：

-对任意复高斯随机方阵(2)进行正交化分解以得到一个正交矩阵(4)作为一个随机旋转矩阵(4)；

-重复上述正交化分解步骤得到多个随机旋转矩阵(4)以构成随机旋转矩阵集合(7)；

-存储所述随机旋转矩阵集合(7)；

-在上述准正交空时分组编码之前，从所存储的随机旋转矩阵集合(7)中循环地提取出当前使用的一个随机旋转矩阵(4)，

-将上述随机旋转矩阵(4)与所述得到的星座图符号矢量流(14)相乘以得到新星座图符号矢量流(16)；

-对新星座图符号矢量流(16)进行所述的准正交空时分组编码。

2.如权利要求1所述的准正交空时分组码的发射方法，其特征在于：所述的正交化分解为哥瑞姆-史密特正交化分解。

3.如权利要求1所述的准正交空时分组码的发射方法，其特征在于：所述多天线空时编码矩阵，还可再经过正交频分复用调制后被发射。

4.如权利要求1所述的准正交空时分组码的发射方法，其特征在于：所述星座图映射采用的调制方法包括多进制相移键控调制、多进制幅移键控调制、多进制频移键控调制、幅度与相位相结合的多进制调制或差分相移键控调制。

5.如权利要求1-4之一所述的准正交空时分组码的发射方法，其特征在于：所存储的随机旋转矩阵集合中的随机旋转矩阵的个数为任意整数。

6.如权利要求5所述的准正交空时分组码的发射方法，其特征在于：所述的任意整数是2的整数次幂。

7.如权利要求6所述的准正交空时分组码的发射方法，其特征在于：所述2的整数次幂为选自以下整数之一：16、32、64、128、256、512。

8.如权利要求1-4之一所述的准正交空时分组码的发射方法，其特征在于：所述准正交空时分组编码所采用的编码方式为TBH编码。

9.如权利要求1-4之一所述的准正交空时分组码的发射方法，其特征在于：所述准正交空时分组编码所采用的编码方式为Jafarkhani编码。

10.如权利要求1-4之一所述的准正交空时分组码的发射方法，其特征在于：所述准正交空时分组编码所采用的编码方式为变形Jafarkhani编码。

11.一种准正交空时分组码的接收方法，该方法包括以下步骤：

-对所接收的编码信号(20)进行信道估计，

-对所有可能的星座图符号矢量进行准正交空时分组编码，然后

-进行最大似然解码，

-对星座图解映射；和

-进行并串转换；

其特征在于，该方法还包括被实施于上述准正交空时分组编码步骤之前的步骤：

-存储与发射端完全相同的随机旋转矩阵集合(23)；

-在上述准正交空时分组编码之前，从随机旋转矩阵集合(23)中按照与发射端同步的方式循环地提取出当前使用的一个随机旋转矩阵；

-将上述随机旋转矩阵与所有可能的星座图符号矢量集合(25)相乘以得到新星座图符号矢量流；

-对所得到的新星座图符号矢量流进行上述的准正交空时分组编码(27)。

12.如权利要求11所述的准正交空时分组码的接收方法，其特征在于：所述的正交化分解为哥瑞姆-史密特正交化分解。

13.如权利要求11所述的准正交空时分组码的接收方法，在发射机实施了如权利要求3所述的正交频分复用调制的情况下，该接收方法还包括对所接收的信号进行快速傅立叶变换的步骤，该步骤在上述信道估计步骤之前被实施。

14.如权利要求11所述的准正交空时分组码的接收方法，其特征在于：所述星座图映射采用的调制方法包括多进制相移键控调制、多进制幅移键控调制、多进制频移键控调制、幅度与相位相结合的多进制调制或差分相移键控调制。

15.如权利要求11-14之一所述的准正交空时分组码的接收方法，其特征在于：所存储的随机旋转矩阵集合中的随机旋转矩阵的个数为任意整数。

16.如权利要求15所述的准正交空时分组码的接收方法，其特征在于：所述的任意整数是2的整数次幂。

17.如权利要求16所述的准正交空时分组码的接收方法，其特征在于：所述2的整数次幂为选自以下整数之一：16、32、64、128、256、512。

18.如权利要求11-14之一所述的准正交空时分组码的接收方法，其特征在于：所述准正交空时分组解码所采用的编码方式为TBH编码。

19.如权利要求11-14之一所述的准正交空时分组码的接收方法，其特征在于：所述准正交空时分组解码所采用的编码方式为Jafarkhani编码。

20.如权利要求11-14之一所述的准正交空时分组码的接收方法，其特征在于：所述准正交空时分组解码所采用的编码方式为变形Jafarkhani编码。

21.一种用于发射准正交空时分组码的发射机，该发射机包括：串并转换模块(11)、星座图映射模块(13)、随机旋转模块(15)、准正交空时分组编码模块(17)、多天线阵列；其中二进制原始信息流(10)经过串并转换模块(11)后成为二进制矢量流(12)，再经过星座图映射模块(13)成为星座图符号矢量流(14)，该星座图符号矢量(14)流经过准正交空时分组编码模块(17)成为多天线空时编码矩阵(18)并经由多天线阵列发射；

其特征在于：

该发射机还包括高斯随机矩阵生成模块(1)、正交化分解模块(3)、矩阵存储模块(6)、矩阵提取模块(8)；其中利用高斯随机矩阵生成模块(1)产生高斯随机方阵(2)，在正交化分解模块(3)中对产生的多个复高斯随机方阵进行正交化分解以得到多个正交矩阵作为随机旋转矩阵集合(7)；将随机旋转矩阵集合(7)存储在所述矩阵存储模块(6)中；利用矩阵提取模块(8)循环地从随机旋转矩阵集合(7)中提取出当前使用的一个随机旋转矩阵(4)并将该随机旋转矩阵(4)输出到随机旋转模块(15)；该随机旋转模块(15)将上述随机旋转矩阵(4)与所得到的星座图符号矢量(14)流相乘，得到新星座图符号矢量流(16)；再通过准正交空时分组编码模块(17)对新星座图符号矢量流(16)进行准正交空时分组编码。

22.如权利要求21所述的发射机，其中在所述正交化分解模块(3)是QR分解模块(3)。

23.如权利要求21或者22所述的发射机，其特征在于：该发射机还包括一个正交频分复用器以将所述多天线空时编码矩阵在发射之前再进行正交频分复用调制。

24.一种用于接收准正交空时分组码的接收机，其中该接收机包括：接收天线、最大似然检测模块(28)、信道估计模块(21)、解星座图映射模块(30)、并串转换模块(32)；其中

利用接收天线接收经由无线信道传输的信号，通过信道估计模块(21)对所接收的信号进行信道估计以得到信道衰落系数矩阵(22)，再利用该信道衰落系数矩阵(22)通过最大似然检测模块(28)对所有可能的星座图符号矢量进行最大似然解码，通过解星座图映射模块(30)得到二进制矢量流，通过并串转换模块(32)恢复出原始的二进制信息流；

其特征在于：

该接收机还包括矩阵存储模块(23)、矩阵提取模块(24)、随机旋转模块(26)、准正交空时编码模块(27)；其中所述矩阵存储模块(23)存储与发射端完全相同的随机旋转矩阵集合；利用矩阵提取模块(24)按照与发射机同步的方式从上述矩阵存储模块中循环地提取出当前使用的一个随机旋转矩阵，并将该随机旋转矩阵输出到随机旋转模块(26)；在该随机旋转模块(26)中，对所有可能的星座图符号矢量集合(25)进行与发射端同样的随机旋转，再经过准正交空时编码模块(27)，然后再进行最大似然解码。

25.如权利要求24所述的接收机，其特征在于：该发射机还包括一个快速傅立叶变换模块，在发射机实施了如权利要求3所述的正交频分复用调制的情况下，该快速傅立叶变换模块将所接收的多天线空时编码矩阵进行时频变换。

26.一种用于发射和接收准正交空时分组码的通信系统，该通信系统包括经由无线信道(19)耦合的发射机和接收机，其中该发射机包括：串并转换模块(11)、星座图映射模块(13)、随机旋转模块(15)、准正交空时分组编码模块(17)、多天线阵列；该接收机包括：接收天线、最大似然检测模块(28)、信道估计模块(21)、解星座图映射模块(30)、并串转换模块(32)；其中二进制原始信息流(10)经过串并转换模块(11)后得到二进制矢量流(12)，再经过星座图映射模块(13)得到星座图符号矢量流(14)，该星座图符号矢量(14)流经过准正交空时分组编码模块(17)得到多天线空时编码矩阵(18)，由多天线阵列发射利用所述空时编码矩阵编码的信号；在接收机一侧利用接收天线接收经无线信道(19)传输的经空时编码矩阵编码的信号，通过信道估计模块(21)对所接收的信号进行信道估计得到信道衰落系数矩阵(22)，再利用该信道衰落系数矩阵(22)通过最大似然检测模块(28)对所有可能的星座图符号矢量进行最大似然解码，解星座图映射和并串转换；

其特征在于：

该系统还包括高斯随机矩阵生成模块(1)、QR分解模块(3)、矩阵存储模块(6)、矩阵提取模块(8)；其中利用高斯随机矩阵生成模块(1)产生高斯随机方阵(2)，在QR分解模块(3)对产生的复高斯随机方阵进行哥瑞姆-史密特正交化分解，得到一个正交矩阵作为一个随机旋转矩阵(4)；在发射端和接收端计算多个上述随机旋转矩阵(4)以获得随机旋转矩阵集合(7)并存储在所述矩阵存储模块(6)中；在发射机和接收机各一侧，利用矩阵提取模块(8)同步循环地提取出当前使用的一个随机旋转矩阵(4)并将该随机旋转矩阵(4)输出到随机旋转模块(15)；该随机旋转模块(15)将上述随机旋转矩阵(4)与所得到的星座图符号矢量(14)流相乘，得到新星座图符号矢量流(16)；再通过准正交空时分组编码模块(17)对新星座图符号矢量流(16)进行准正交空时分组编码；相应地，在接收机一侧先对所有可能的星座图符号矢量进行与发射机一侧同样的随机旋转，再进行最大似然解码。

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