CN1972150A - 一种有限反馈线性离散码的发射与接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明有限反馈线性离散码的发射与接收方法，特征是在收发两端存储相同的线性离散码码本，根据码字选择准则选择出匹配于当前信道的最优码字，并将其序号反馈给发射端；发射端选用该最优码字进行线性离散码编码发射；相应地，在接收端使用该最优码字进行解码；由于在收发两端增加了线性离散码码本和反馈链路，选择与当前信道最相匹配的线性离散码码字进行编码发射，增强了空时编码系统的分集能力，减弱了码间干扰，提高了系统性能。在3发2收系统中，当误码率达到10^－5时，对于码本大小L＝4的有限反馈线性离散码系统，比一般线性离散码系统性能增益1.5dB；对于L＝8，其性能增益3dB；对于L＝16，其性能增益3.5dB。

Description

一种有限反馈线性离散码的发射与接收方法

技术领域：

本发明属于多天线移动通信技术领域，特别涉及线性离散码的发射与接收方法。

背景技术：

《国际电子与电气工程师协会信息理论学报》(IEEE Transactions on InformationTheory，Volume.48，No.7，pp.1804-1824，July.2002)提出的一种线性离散码的分集发射方法，将一组基矩阵与待发射的信息符号序列相乘，得到一个新的空时发射矩阵，该矩阵经过无线信道后，在接收端通过最大似然解码恢复出原始的信息符号。但这种方法的缺点是：由于基矩阵彼此之间不满足完全正交条件，会造成空时矩阵的码间干扰，经过无线信道后，其干扰会被增强，造成系统的误码率较大。

《国际电子与电气工程师协会信息理论学报》(IEEE Transactions on InformationTheory，Volume.51，No.8，pp.2967-2976，Aug.2005)介绍的一种应用于多天线空间复用系统中的有限反馈发射方法，接收端根据信道衰落系数，将最好的预编码矩阵序号反馈给发射端，发射端选用上述预编码矩阵进行空间复用发射，进而可以抑制码间干扰。但这种方法至今未见被用于线性离散码系统中。由于传统的线性离散码发射方法只有固定的单一码字，不能根据信道衰落状态自适应地调整码字结构，不能充分地复用多天线系统的分集能力，故其性能较差。

发明内容：

本发明提供一种基于有限反馈的线性离散码的发射与接收方法，接收端可以根据信道衰落系数选择最优的码字，并反馈给发射端；相应地，发射端选择上述最优码字进行线性离散码的编码发射，以提高无线信号的有效信噪比，从而用简单的接收算法就可获得较好的性能。

本发明有限反馈线性离散码的发射与接收方法，在发射端将原始二进制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；经过线性离散码编码器模块，得到空时编码矩阵，由多天线阵列发射；在接收端，对接收信号进行信道估计，再进行线性离散码解码，解星座图映射和并串转换；其特征在于：

先在收发两端存储相同的线性离散码码本，接收端经过信道估计后，根据线性离散码码字选择准则选择出对应于当前信道的最优码字，并将最优码字的序号反馈给发射端；发射端选用上述最优码字进行线性离散码编码发射；相应地，在接收端使用上述最优码字进行线性离散码解码。

所述线性离散码码本中的元素个数可以为任意数，一般取为2的整数次幂，经常采用的值是2、4、8、16、32或64。

所述线性离散码码字选择准则包括最大信道增益准则、最大化最小奇异值准则、最大特征值准则、最大容量准则或最小均方误差准则。

所述线性离散码解码算法包括迫零线性接收算法、最小均方误差线性接收算法或最大似然接收算法。

所述空时编码矩阵，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，线性离散码解码，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。

一般的线性离散码发射方法，只有一个线性离散码码字，不能根据信道衰落的变化而自适应地调整码字结构，所以不能充分利用多天线系统的集能力。在无线衰落信道下，码间干扰会被增强，导致系统性能恶化；而本发明由于在收发两端预先存储了一定数量的线性离散码码字构成的码本，在接收端通过一定的选择准则，挑选出匹配于当前信道衰落状态的最优码字，并将此最优码字的序号反馈给发射端，发射端选用最优码字进行线性离散码编码发射，可以增强空时编码系统的分集能力，减弱了一般的线性离散码的码间干扰，从而提高系统的性能。

由于接收端根据选择准则选择出对应于当前信道的最优码字，并将最优码字的序号反馈给发射端；在发射端，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，经过线性离散码编码器模块，选用当前最优码字对应的基矩阵与上述星座图符号矢量流相乘，得到空时编码矩阵。从而接收端结合当前信道衰落系数和当前最优码字对接收信号进行线性离散码解码，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。

与现有技术相比，本发明方法由于在收发两端增加了线性离散码码本和反馈链路，收发两端选择与当前信道最相匹配的线性离散码码字；相应地，发射端使用当前最优码字进行线性离散码编码发射，可以增强空时编码系统的分集能力，减弱了一般的线性离散码的码间干扰；接收端只需要使用简单的解码算法就可以达到比较好的系统性能。

附图说明：

附图1为本发明有限反馈线性离散码的发射与接收方法原理框图；

附图2为有限反馈线性离散码与一般的线性离散码的性能比较图。

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：

本实施例中采用的多天线系统为3个发射天线2个接收天线。设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3×2发射分集四进制相移键控(QPSK)调制，线性离散码的基矩阵个数为N＝3，时间长度为T＝3，由传统的随机搜索算法独立地得到L个线性离散码码字，组成线性离散码码本。

本发明方法使用时，先在收发两端存储相同的线性离散码码本

F＝{F₁，F₂，…F_L}

式中，码本元素个数为L。接收端经过信道估计获得的当前信道衰落系数为H，定义选择函数：

$F=\underset{F_i\∈F}{\arg \min }\left\{C(H,F_i)\right\}$

式中，C(H，F_i)表示与信道衰落系数和码字有关的代价函数；与该码本对应的基矩阵定义为：

                   F□[vec(M₀)，vec(M₁)，…，vec(M_N-1)]

式中vec(□)是矢量化算子，它将矩阵的各列按先后顺序合并为一个新的矢量。

本发明有限反馈线性离散码的发射与接收方法原理框图如附图1所示：接收端和发射端各存储相同的线性离散码发射端码本1和接收端码本2；原始二进制信息流3为{b₁，b₂，…}，经过串并转换模块4后，得到长度为6比特的二进制矢量流，即c□[c₁，c₂，…c₈]^T；再经过QPSK星座图映射模块5后，得到长度为3的QPSK星座图符号矢量流，即s□[s₀，…s₂]^T；经过线性离散码编码器模块6，选用当前最优码字对应的基矩阵与上述星座图符号矢量流相乘，得到空时编码矩阵，即

$S(s_0,s_1,\·\·\·,s_{N-1})=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left\{M_n{s}_n\right\}$

式中，{M_n}_n＝0 ^N-1是Mt×T基矩阵码字。将得到的空时编码矩阵，在多天线上同时发射。信号经过无线信道7后，在接收端的接收信号表示为：

$Y=\sqrt{E_s}\mathrm{HS}(s_0,s_1,\·\·\·,s_{N-1})+V$

$=\sqrt{E_s}H\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left\{M_n{s}_n\right\}+V$

式中：H为信道衰落系数矩阵，H＝{h_i，j(t)}_Mr×Mt h_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。V为统计独立零均值复高斯噪声矩阵，各元素的方差为N₀。

接收端通过信道估计模块8可以估计出信道衰落系数矩阵，即

，本实施例中设接收端准确估计信道参数，即 。等效信道矩阵定义为H口I_TH，其中为克罗内克(Kronecker)积。

再经过码字选择模块9，从存储的线性离散码码本中选择出最优码字，本实施例中使用最大化最小奇异值准则：

$F_i=\underset{F_{\mathrm{cj}}\∈F_c}{\arg \max }\left\{J(F_{\mathrm{cj}},K)\right\}$

式中

$J(F,r)=\underset{\∀s\∈\mathrm{Ss}\≠\stackrel{-}{s}}{\min }\underset{i=0}{\overset{r-1}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_i\left(R(s,\tilde{s})\right)$

$R(S,\tilde{S})=\left[\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_n(s_n-{\tilde{s}}_n)\right]{\left[\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_n(s_n-{\tilde{s}}_n)\right]}^H$

λ_i()表示矩阵的第i个特征值，r表示该空时码所能达到的分集增益，连乘积的结果表示码字的编码增益。本实施例中，取K＝3。

接收端选择最优码字后，将此最优码字的序号反馈给发射端，发射端经过线性离散码码字生成模块10从发射端码本1中挑选出最优码字，进行编码发射。

在接收端的解码模块11根据最优码字，当前信道状态与接收信号进行线性离散码的解码。本实施例中解码算法采用最小均方误差线性接收算法，即

$G={[{\left(\mathrm{HF}\right)}^H\left(\mathrm{HF}\right)+\frac{N_0}{E_s}{I}_N]}^{-1}{\left(\mathrm{HF}\right)}^H$

解码后的结果为：

再经过解星座图映射模块12，得到二进制矢量流，最后经过并串转换模块13，恢复出原始二进制信息流。

附图2为有限反馈线性离散码与一般的线性离散码的性能比较图：图中横轴表示信噪比(SNR)的值，单位为分贝(dB)，纵轴表示对应的系统误码率；曲线A为一般的线性离散码随SNR变化的误码率曲线，曲线B为码本L＝4时，有限反馈线性离散码随SNR变化的误码率曲线，曲线C为码本L＝8时，有限反馈线性离散码随SNR变化的误码率曲线，曲线D为码本L＝16时，有限反馈线性离散码随SNR变化的误码率曲线。可以看出，当误码率达到10^-5时，对于L＝4的有限反馈线性离散码系统，相比于一般的线性离散码系统，其性能增益约1.5dB；对于L＝8，其性能增益约为3dB；对于L＝16，其性能增益约为3.5dB。

本实施例中所述线性离散码码本中的元素个数可以为任意数，一般取为2的整数次幂，经常采用的值是2，4，8，16，32或64。

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。

所述线性离散码码字选择准则包括最大信道增益准则、最大化最小奇异值准则、最大特征值准则、最大容量准则或最小均方误差准则。

实施例2：

本实施例中的有限反馈线性离散码的发射与接收方法发射与接收方法与实施例1的区别仅在于，所述的解码模块11采用的解码算法为迫零线性接收算法，即

                               G＝(HF)⁺

所述线性离散码解码算法还包括最大似然接收算法，即

$\hat{s}=\underset{8\∈s}{\arg \min }\left|\right|y-\sqrt{E_s}\mathrm{HFs}\left|\right|$

式中S是所以可能的符号矢量s组成的集合。

由上述实施例可知：本发明提供了一种基于有限反馈的线性离散码的发射与接收方法，该方法先在收发两端存储相同的线性离散码码本，接收端经过信道估计后，通过一定的码字选择准则，选择出对应于当前信道的最优码字，并将最优码字的序号反馈给发射端；发射端将原始二进制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；线性离散码码字生成模块根据反馈得到的最优码字序号，从线性离散码码本中挑选出最优码字，经过线性离散码编码器模块，得到空时编码矩阵，由多天线阵列发射；相应地，在接收端，对接收信号进行信道估计，再根据上述最优码字进行线性离散码解码，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。由于在收发两端增加了线性离散码码本和反馈链路，收发两端选择与当前信道最相匹配的线性离散码码字，进行编码发射，可以增强空时编码系统的分集能力，减弱了一般的线性离散码的码间干扰，提高了系统性能。

Claims (8)

1.一种有限反馈线性离散码的发射与接收方法，在发射端将原始二进制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；经过线性离散码编码器模块，得到空时编码矩阵，由多天线阵列发射；在接收端，对接收信号进行信道估计，再进行线性离散码解码，解星座图映射和并串转换；

其特征在于：

先在收发两端存储相同的线性离散码码本，接收端经过信道估计后，根据线性离散码码字选择准则选择出对应于当前信道的最优码字，并将最优码字的序号反馈给发射端；发射端选用上述最优码字进行线性离散码编码发射；相应地，在接收端使用上述最优码字进行线性离散码解码。

2.如权利要求1所述有限反馈线性离散码的发射与接收方法，特征在于所述线性离散码码本中的元素个数为任意数。

3.如权利要求1所述有限反馈线性离散码的发射与接收方法，特征在于所述线性离散码码本中的元素个数取为2的整数次幂。

4.如权利要求1所述有限反馈线性离散码的发射与接收方法，特征在于所述线性离散码码本中的元素个数选用2、4、8、16、32或64。

5.如权利要求1所述有限反馈线性离散码的发射与接收方法，特征在于所述线性离散码码字选择准则包括最大信道增益准则、最大化最小奇异值准则、最大特征值准则、最大容量准则或最小均方误差准则。

6.如权利要求1所述有限反馈线性离散码的发射与接收方法，特征在于所述线性离散码解码算法包括迫零线性接收算法、最小均方误差线性接收算法或最大似然接收算法。

7.如权利要求1所述有限反馈线性离散码的发射与接收方法，特征在于所述空时编码矩阵，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，线性离散码解码，解星座图映射和并串转换。

8.如权利要求1所述有限反馈线性离散码的发射与接收方法，特征在于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。

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