WO2010026093A1 - Method for decoding a signal subjected to a space/time encoding and corresponding decoding device - Google Patents

Method for decoding a signal subjected to a space/time encoding and corresponding decoding device Download PDF

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WO2010026093A1
WO2010026093A1 PCT/EP2009/061018 EP2009061018W WO2010026093A1 WO 2010026093 A1 WO2010026093 A1 WO 2010026093A1 EP 2009061018 W EP2009061018 W EP 2009061018W WO 2010026093 A1 WO2010026093 A1 WO 2010026093A1
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WO
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matrix
normalized
space
decoding
algebra
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/061018
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French (fr)
Inventor
Ghaya Rekaya-Ben Othman
Jean-Claude Belfiore
Laura Luzzi
Original Assignee
Groupe Des Ecoles Des Telecommunications / Ecole Nationale Superieure Des Telecommunications
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00Baseband systems
    • H04L25/02Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/0202Channel estimation
    • H04L25/024Channel estimation channel estimation algorithms
    • H04L25/0242Channel estimation channel estimation algorithms using matrix methods
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/02Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by diversity reception
    • H04L1/06Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by diversity reception using space diversity
    • H04L1/0618Space-time coding
    • H04L1/0637Properties of the code
    • H04L1/065Properties of the code by means of convolutional encoding

Definitions

  • the field of the invention is that of wireless communications.
  • the invention relates to the reception of signals in the context of MIMO systems (multiple-input multiple-output systems), using several transmission antennas and several antennas. reception, and having undergone space / time coding before transmission.
  • MIMO systems multiple-input multiple-output systems
  • the invention finds particular applications in the field of mobile radio.
  • Transmission techniques in multi-antenna systems have several advantages, and offer, for example, high-speed transmission possibilities with good reliability.
  • these techniques make it possible to achieve an increased transmission capacity by increasing the spectral efficiency, in particular by virtue of the use of space / time codes in transmission.
  • the space / time codes used in transmission make it possible to distribute the modulated symbols on the various degrees of freedom of the channel (in space on the antennas and in time).
  • these space / time codes can be constructed using an algebraic construct, ensuring that these codes are: full-yield, maximum-diversity, reaching channel capacity and having a minimal determinant that does not fade when efficiency spectral increases.
  • the decoding of such algebraic space / time codes is then implemented using a point network representation of these codes.
  • a transmission system implementing space / time transmit codes in the context of MIMO transmission implementing n T transmit and n R receive antennas.
  • a binary signal 10 to be transmitted (possibly coded according to a source coding technique and / or channel coding) is modulated in a modulation block 11 intended to convert binary elements into complex symbols: such a block thus associates with a group of bits a complex symbol belonging to a constellation (of type QAM for example).
  • the elements of the code word matrix X are then transmitted on the n t transmit antennas IS 1 to 13 n .
  • the signal is then conveyed through a transmission channel and received on the N r receive antennas 14 ⁇ to IA n.
  • Each reception antenna receives a linear combination of the signals transmitted on each of the n T transmit antennas.
  • the received signal is first decoded in a spatio-temporal decoding block 15, implementing a reverse processing at the space / time coding implemented in transmission.
  • the signal at the output of the space / time decoding block 15 then supplies a demodulation block 16, delivering an estimated bit signal 17.
  • the number of transmitting and / or receiving antennas in the MIMO systems is increased.
  • Suboptimal decoders are less complex, but have average performance. In addition, these boxes do not allow obtaining the maximum diversity n t n r • provided by the MIMO system. There is therefore a real need for a new signal decoding technique in systems employing a plurality of transmit and receive antennas, having a reduced complexity and / or to maintain the order of diversity of the transmission system. In other words, there is a real need for a decoder offering a good compromise between complexity and performance. 3. Presentation of the invention
  • the invention proposes a new solution that does not have all of these disadvantages of the prior art, in the form of a method of decoding a signal received on at least two reception antennas, said signal having undergone before transmitting a space / time coding using a code constructed from an algebra on a commutative body K, and being transmitted on at least two transmitting antennas.
  • such a method implements:
  • a step of pretreatment of the received signal comprising the following sub-steps: determining a representative matrix of the transmission channel; o normalization of the representative matrix of the transmission channel and the received signal, respectively delivering a standard channel matrix and a standard received signal; o algebraic approximation of said normalized channel matrix, from a matrix (U) selected in said algebra and having a determinant equal to
  • the invention proposes a novel and inventive technique for decoding a space / time coded signal in a MIMO system implementing a plurality of transmit and receive antennas.
  • an algebraic pretreatment is applied to the received signal, consisting of absorbing a portion of the normalized channel matrix by the algebraic space / time code.
  • the remaining part of the transmission channel matrix which defines the base of the point network used for decoding, is quasi-orthogonal.
  • algebraic tools have so far only been used to construct space / time codes.
  • the algebraic structure of these codes has never been exploited for decoding, which constitutes an innovative aspect of the invention.
  • a matrix of the algebra is thus selected, and the normalized channel matrix is approximated from the matrix of the selected algebra.
  • the received normalized signal can then be decoded using the approximation of the normalized channel matrix H 1 , using a conventional decoding technique that can be suboptimal (of linear or nonlinear type) or optimal in the sense maximum likelihood (ML).
  • a decoding technique which would be suboptimal if it were applied directly to the received signal becomes quasi-optimal when it is applied to the normalized received signal expressed from the approximation of the channel matrix. normalized. It is thus possible, according to the invention, to obtain good performance while maintaining a reduced complexity, since suboptimal decoding techniques have a reduced complexity.
  • the invention also makes it possible to accelerate the implementation of the decoding by simplifying the complexity if an optimal decoding technique in the ML sense is implemented.
  • the selected matrix is a unit [/ of an order of the algebra (denoted O), and the algebraic approximation step weights the unit U by an error of approximation E, such that:
  • the order O is the order used to construct the space / time code.
  • the selected unit U is weighted by an approximation error E to approximate the normalized channel matrix H 1 . Because U is a unit of the order O, U is invertible in O.
  • said order can be a maximal order of the algebra.
  • the algebra is divisional and the space / time code is of the form (Oa), with a element of the algebra and O a maximal order of the algebra (several maximal orders that can exist).
  • the algebraic approximation step selects the unit U so that the approximation error E is quasi-orthogonal.
  • the invention makes it possible to absorb part of the normalized channel matrix (corresponding to the unit U) by the space / time code, and to obtain a base of the network of points used for the quasi-decoding. orthogonal (corresponding to the approximation error E).
  • a space / time coding matrix also called the space / time code generating matrix
  • the vectorization is therefore implemented after the approximation of the standardized channel matrix.
  • the term "unimodular matrix” refers to a matrix whose elements are in the ring of the integers R of the commutative body K, also called base body, and whose determinant is invertible in said ring of integers R.
  • the space / time code is constructed from a division algebra, possibly cyclic. This is for example a perfect code like a golden code, or a near-perfect code.
  • the invention also relates to a computer program product downloadable from a communication network and / or recorded on a computer readable medium and / or executable by a processor, comprising program code instructions for implementing the steps of the decoding method described above, when the program is run on a computer.
  • the invention relates to a device for decoding a signal received on at least two reception antennas, said signal having undergone a space / time coding before transmission using a code built from an algebra on a commutative body K and being transmitted on at least two transmitting antennas.
  • such a device comprises: - preprocessing means of the received signal comprising: o means for determining a representative matrix of the transmission channel; o normalization means of the representative matrix of the transmission channel and the received signal, respectively delivering a standardized channel matrix and a standard received signal; o Algebraic approximation means of said normalized channel matrix, from a matrix (U) selected in said algebra and having a determinant equal to 1; means for decoding space / time of the normalized received signal, using the approximation algebraic of the normalized channel matrix.
  • Such a decoding device is particularly suitable for implementing the decoding method described above. It can be integrated into a receiver of a MIMO system, comprising at least two reception antennas, for Wi-Fi (IEEE 802.1 In), WiMax mobile (IEEE 802.16e), WiMax cooperative (IEE 802.16j), 3GPP applications. -LTE, etc.
  • Wi-Fi IEEE 802.1 In
  • WiMax mobile IEEE 802.16e
  • WiMax cooperative IEE 802.16j
  • 3GPP applications 3GPP applications. -LTE, etc.
  • This device may of course include the various features relating to the decoding method according to the invention. 4. List of figures
  • FIG. 1 illustrates a MIMO transmission chain implementing a space / time coding
  • FIG. 2 presents the main steps of the decoding method according to the invention
  • FIG. 3 illustrates the performances of the invention, applied to the Golden Code
  • Figure 4 shows the structure of a decoding device according to a particular embodiment of the invention. 5. Description of an embodiment of the invention
  • K be a commutative body.
  • An algebra A on the field K is called a set provided with the following binary operations: a "+" addition operation of AxA in A; an internal multiplication operation "x" of AxA in A; a scalar multiplication operation ".
  • KxA in A as :
  • algebra A The multiplication in algebra A is not necessarily commutative.
  • the elements of algebra A can be represented in matrix form.
  • An algebra A is called a divisional algebra if any non-zero element of A has an inverse with respect to the internal multiplication operation "x".
  • A is called a cyclic algebra
  • n is the index of algebra
  • An element a X Q + ex ⁇ + ... + e n ⁇ x n - ⁇ GA, with x o , ..., x n _ ⁇ GL, can be represented by the following matrix n X n:
  • the cyclic algebra is called quaternion algebra.
  • the element ⁇ is equal to /.
  • An element of A can be represented by a matrix in the following form:
  • A be a K-algebra, and let R be the ring of integers of K.
  • An order O of A is an ideal which is a sub-ring of A with the same unitary element.
  • a maximum order is an order that is not contained in any other order of A.
  • a unit of an order O is an invertible element UGO such that its inverse U ⁇ with respect to the multiplication "x" in A also belongs to the order O.
  • O Z [i, ⁇ ] ® Z [i, ⁇ ] j.
  • the invention relates to the decoding of a received signal transmitted in a MIMO system implementing at least two transmitting antennas and at least two receiving antennas.
  • the signal Before transmission, the signal has undergone a space / time coding using a code constructed from an algebra on a commutative body K, also called basic body.
  • K also called basic body.
  • the algebraic space / time coding implemented in transmission uses a divisional algebra.
  • the space / time codes used can be perfect codes, such as the golden code, or quasi-perfect codes. Other codes can also be used, as long as they are constructed from an algebra on a commutative body.
  • the general principle of the invention is based on the implementation of a pretreatment of the received signal to facilitate the decoding of this signal.
  • the preprocessing implemented makes it possible to determine an algebraic approximation of the representative matrix of the transmission channel, in standardized form, using a matrix selected in the algebra used to construct the space / time code.
  • the matrix selected in the algebra is chosen in such a way that the approximation error E is quasi-orthogonal.
  • part of the normalized channel matrix (corresponding to the matrix U selected in the algebra) is absorbed by the algebraic code, since the matrix U belongs to the order of the algebra used for the space code. time, and so UX is a codeword.
  • the rest of the normalized channel matrix (corresponding to the approximation error E) is a quasi-orthogonal matrix, defining the base of the point network used for decoding. It is recalled that the representation in point networks of the space / time codes allows their decoding by decoders of point networks. It can therefore be considered that the invention makes it possible to reduce the grating of points of the transmission system, in reception, since the base of the network of points used for the decoding is constructed from the matrix E corresponding to the error of approximation. , and not from the channel matrix. This reduction, carried out using the properties of the algebra, thus makes it possible to accelerate the decoding of the network of points.
  • the method according to the invention implements a preprocessing step of the received signal Y n xt .
  • This pretreatment on the right uses, in reception, the algebraic tools to determine an approximation of the normalized channel matrix.
  • the preprocessing step of the received signal comprises the following substeps:
  • the received signal is expressed:
  • H r Xt - "H f XHf ⁇ Hf Xt + ⁇ H f Xt with: X the signal transmitted on the n t transmit antennas;
  • H the representative matrix of the transmission channel
  • W the representative matrix of a Gaussian white additive noise
  • t the time length of the space / time code.
  • the code word X is considered to belong to a divisional algebra.
  • the space / time code considered is a subset of Oa, with O an order of algebra.
  • such a code is a perfect code, as described in the document
  • the normalized received signal is then vectorized, expressed as a function of the approximation of the normalized channel matrix.
  • the standardized received signal in vector form, can be written in the following form:
  • - ⁇ is a matrix generating code, also called space / time coding matrix
  • - s is a vector of information symbols that can be for example from a quadrature amplitude modulation (QAM).
  • QAM quadrature amplitude modulation
  • the matrix ⁇ generating the code is a matrix whose columns are the vectors w v - for / ranging from 1 to n, which form a base of the network of points. complex dimension n.
  • Each code word X can be any code word.
  • this code word can also be written:
  • the standard received signal in vector form, can therefore be expressed in the following form:
  • the normalized received signal can be decoded using a ZF-type technique, which exhibits optimal performance in the ML sense.
  • the estimation of the symbol vector is then performed by taking the component integral part by component, and does not require the implementation of a dot matrix decoder.
  • This criterion amounts to minimizing the trace of the noise covariance matrix n
  • the golden code is notably described in the document "The Golden Code: A 2 x 2 FuIl-Rate Space-Time Code With Nonvanishing Determinants” (Jean-Claude Belfiore et al., IEEE Transactions on information theory, Vol 51, No 4, April 2005).
  • a divisional algebra used to construct a space / time code of the form Oa, with a element of the algebra and O a maximal order of the algebra. Note that some perfect codes other than golden codes are not necessarily constructed from a maximal order.
  • each unit of the order O can be written as a finite product of a finite number of generators of the group of units and their inverses.
  • the generators are eight in number for the golden code. The minimum number of generators depends on the chosen algebra.
  • the algebraic pretreatment according to the invention consists in approximating the matrix of the normalized channel H 1 using a unit U of the order O of the algebra used to construct the space / time code, weighted by an approximation error F.
  • the hyperbolic space ⁇ as the set of points ⁇ (x, y, z), x, y, z, t, z> ⁇ .
  • H 1 be the matrix of the normalized channel
  • Ui, ..., U r be a minimal set of generators for the group of norm 1 units of the order O.
  • Such a set of generators is calculated for example using Swan algorithm as described in the document
  • the eight generators of the group of units in the case of the golden code are for example:
  • a unit U of the algebra can be selected which can be used to approximate the normalized channel matrix H 1 , and such that the approximation error matrix E is quasi-orthogonal.
  • time block in the case of a channel that is not very variable in time, a simple adjustment of the approximation is necessary at different times of transmission ("time block "), and there is no need to redo a new approximation.
  • FIG. 3 illustrates the performance of the invention in word error rate (FER) as a function of the signal-to-noise ratio (SNR) in dB.
  • FER word error rate
  • SNR signal-to-noise ratio
  • curve ML illustrates the performances of a conventional decoder implementing an optimal decoding technique in the ML sense
  • the MMSE-GDFE + LLL + ZF curve illustrates the performances of a conventional decoder implementing a ZF sub-optimal decoding technique and a LLL-type right pretreatment ("Lenstra Lenstra Lovasz”), and a pretreatment left of type MMSE-GDFE;
  • the MMSE-GDFE + LLL + ZF-DFE curve illustrates the performances of a conventional decoder implementing a ZF-DFE sub-optimal decoding technique and a LLL-type right-handed pretreatment ("Lenstra Lenstra Lovasz") , and left-handed pretreatment of MMSE-GDFE type;
  • the MMSE-GDFE + AR + ZF curve illustrates the performances of a decoder according to the invention implementing a suboptimal ZF-type decoding technique and an algebraic reduction type right-handed pretreatment according to the invention, and a Left pretreatment type MMSE-GDFE;
  • the curve MMSE-GDFE + AR + ZF-DFE illustrates the performances of a decoder according to the invention implementing a sub-optimal decoding technique of the type
  • Such a device comprises a memory 41 consisting of a buffer memory, a processing unit 42, equipped for example with a microprocessor ⁇ P, and driven by the computer program 43, implementing the decoding method according to the invention .
  • the code instructions of the computer program 43 are for example loaded into a RAM before being executed by the processor of the processing unit 42.
  • the processing unit 42 receives as input a signal , received on at least two receiving antennas, and having undergone before transmission an algebraic space / time coding.
  • the microprocessor of the processing unit 42 implements the steps of the decoding method described above, according to the instructions of the computer program 43, to decode the received signal.
  • the decoding device comprises, in addition to the buffer memory 41, preprocessing means of the received signal, making it possible to determine an approximation of the normalized channel matrix from a matrix selected in the algebra used to construct the code. space / time, and space / time decoding means of the normalized received signal, using the approximation of the normalized channel matrix. These means are controlled by the microprocessor of the processing unit 42.
  • the processing unit 42 thus outputs one or more estimated symbol vectors corresponding to an estimate of the signal transmitted on at least two transmitting antennas.
  • Such a decoder notably finds applications in MIMO systems for Wi-Fi (IEEE 802.1In), WiMax mobile (IEEE 802.16e), WiMax cooperative (IEE 802.16J), 3GPP-LTE, etc. applications.

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Abstract

The invention relates to a method for decoding a signal received on at least two reception antennas, wherein said signal has been subjected before transmission to a space/time encoding using a code built on a switching algebra over a field and is transmitted on at least two transmission antennas. According to the invention, the method comprises: - a step of pre-processing (21) said received signal (Y) that comprises the following sub-steps: determining a matrix representative of the transmission channel (H); standardising said matrix representative of the transmission channel and of the received signal; approximating in an algebraic manner said standardised channel matrix from a matrix (U) selected in said algebra and having a determinant equal to 1; - and the step of space/time decoding (22) the normalised received signal (Y 1) using the algebraic approximation of said standardised channel matrix.

Description

PROCEDE DE DECODAGE D ' UN SIGNAL AYANT SUBI UN CODAGE ESPACE/TEMPS ET METHOD FOR DECODING A SIGNAL HAVING SUCCESSFUL SPACE / TIME CODING AND
DISPOSITIF DE DECODAGE CORRESPONDANTCORRESPONDING DECODING DEVICE
1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui des communications sans fil.FIELD OF THE DISCLOSURE The field of the invention is that of wireless communications.
Plus précisément, l'invention concerne la réception de signaux dans le cadre de systèmes MIMO (en anglais « Multiple-Input Multiple-Output », en français « Entrées Multiples Sorties Multiples »), mettant en œuvre plusieurs antennes d'émission et plusieurs antennes de réception, et ayant subi un codage espace/temps avant émission. L'invention trouve notamment des applications dans le domaine des radiocommunications mobiles.More specifically, the invention relates to the reception of signals in the context of MIMO systems (multiple-input multiple-output systems), using several transmission antennas and several antennas. reception, and having undergone space / time coding before transmission. The invention finds particular applications in the field of mobile radio.
2. Art antérieur2. Prior Art
Les techniques de transmission dans des systèmes multi-antennaires présentent plusieurs avantages, et offrent par exemple des possibilités de transmission à haut débit avec une bonne fiabilité.Transmission techniques in multi-antenna systems have several advantages, and offer, for example, high-speed transmission possibilities with good reliability.
En particulier, ces techniques permettent d'atteindre une capacité de transmission accrue en augmentant l'efficacité spectrale, notamment grâce à l'utilisation de codes espace/temps en émission.In particular, these techniques make it possible to achieve an increased transmission capacity by increasing the spectral efficiency, in particular by virtue of the use of space / time codes in transmission.
Les codes espace/temps utilisés en émission permettent en effet de répartir les symboles modulés sur les différents degrés de liberté du canal (en espace sur les antennes et en temps). Par exemple, ces codes espace/temps peuvent être construits en utilisant une construction algébrique, garantissant que ces codes soient : de rendement plein, de diversité maximale, atteignant la capacité du canal et ayant un déterminant minimal ne s 'évanouissant pas lorsque l'efficacité spectrale augmente. Le décodage de tels codes espace/temps algébriques est alors mis en œuvre en utilisant une représentation en réseaux de points de ces codes.The space / time codes used in transmission make it possible to distribute the modulated symbols on the various degrees of freedom of the channel (in space on the antennas and in time). For example, these space / time codes can be constructed using an algebraic construct, ensuring that these codes are: full-yield, maximum-diversity, reaching channel capacity and having a minimal determinant that does not fade when efficiency spectral increases. The decoding of such algebraic space / time codes is then implemented using a point network representation of these codes.
On présente par exemple, en relation avec la figure 1, une chaîne de transmission mettant en œuvre des codes espace/temps en émission dans un contexte de transmission de type MIMO mettant en œuvre nt antennes d'émission et nr antennes de réception. Côté émission, un signal binaire 10 à émettre (éventuellement codé selon une technique de codage source et/ou codage canal) est modulé dans un bloc de modulation 11, destiné à convertir des éléments binaires en symboles complexes : un tel bloc associe ainsi à un groupe de bits un symbole complexe appartenant à une constellation (de type QAM par exemple). On procède ensuite à un codage spatio-temporel 12 de chaque groupe de K symboles sous la forme d'une matrice, encore appelée mot de code X. Les éléments de la matrice mot de code X sont ensuite émis sur les nt antennes d'émission IS1 à 13n .It has, for example, in connection with Figure 1, a transmission system implementing space / time transmit codes in the context of MIMO transmission implementing n T transmit and n R receive antennas. On the transmission side, a binary signal 10 to be transmitted (possibly coded according to a source coding technique and / or channel coding) is modulated in a modulation block 11 intended to convert binary elements into complex symbols: such a block thus associates with a group of bits a complex symbol belonging to a constellation (of type QAM for example). We then proceed to a space-time coding 12 of each group of K symbols in the form of a matrix, also called code word X. The elements of the code word matrix X are then transmitted on the n t transmit antennas IS 1 to 13 n .
Le signal est ensuite véhiculé à travers un canal de transmission, puis reçu sur les nr antennes de réception 14 γ à IAn . Chaque antenne de réception reçoit une combinaison linéaire des signaux émis sur chacune des nt antennes d'émission.The signal is then conveyed through a transmission channel and received on the N r receive antennas 14 γ to IA n. Each reception antenna receives a linear combination of the signals transmitted on each of the n T transmit antennas.
Classiquement, on note :Classically, we note:
1 Hf Xt ~ n Hf XHf Hf Xt "*" YVHr Xt avec : 1 Hf Xt ~ n Hf XHf Hf Xt " * " YV H r Xt with:
- F le signal reçu sur les nτ antennes de réception ; - X le signal (ou mot de code) émis sur les nt antennes d'émission ;- F the received signal on the n τ receiving antennas; - X signal (or codeword) transmitted on the n T transmit antennas;
- H la matrice représentative du canal de transmission ;The representative matrix of the transmission channel;
- W la matrice représentative d'un bruit additif blanc gaussien ; et- the representative matrix of a Gaussian white additive noise; and
- t la longueur temporelle du code espace/temps.- t the temporal length of the space / time code.
Le signal reçu est tout d'abord décodé dans un bloc de décodage spatio-temporel 15, mettant en œuvre un traitement inverse au codage espace/temps mis en œuvre en émission.The received signal is first decoded in a spatio-temporal decoding block 15, implementing a reverse processing at the space / time coding implemented in transmission.
Pour le décodage, on peut utiliser une représentation du signal reçu en réseau de points, notamment si les codes espace/temps utilisés en émission sont construits en utilisant une technique de codage espace/temps algébrique. On rappelle en effet que la représentation en réseaux de points des codes espace/temps permet leur décodage par des décodeurs de réseaux de points.For decoding, it is possible to use a representation of the received signal in a network of points, especially if the space / time codes used in transmission are constructed using an algebraic space / time coding technique. It is recalled that the representation in point networks of the space / time codes allows their decoding by decoders of point networks.
Ces décodeurs permettent un décodage optimal au sens ML ou sous-optimal, selon la technique employée. Ainsi, les algorithmes de décodage de type décodage par sphères, Schnorr- Euchner, séquentiels (de type Fano ou à pile par exemple), etc, permettent un décodage optimal au sens du maximum de vraisemblance (ou ML, en anglais « Maximum Likelihood »). Les algorithmes de décodage linéaire (ZF ou « Zero-Forcing », MMSE ou « Minimum Mean Square Error », etc) ou non linéaire (décodage à retour de décision : ZF-DFE ou « Zero-Forcing - Décision Feedback Equalization », MMSE-DFE ou « Minimum Mean Square Error - Décision Feedback Equalization », etc) permettent un décodage sous-optimal.These decoders allow optimal decoding in the ML or sub-optimal direction, depending on the technique used. Thus, Schnorr-Euchner decoding algorithms of spherical decoding type, sequential (of the Fano or stack type, for example), etc., allow optimal decoding in the maximum likelihood (ML) sense. ). Linear decoding algorithms (ZF or "Zero-Forcing", MMSE or "Minimum Mean Square Error", etc.) or non-linear decoding (decision feedback decoding: ZF-DFE or "Zero-Forcing - Decision Feedback Equalization", MMSE -DFE or "Minimum Mean Square Error - Feedback Equalization Decision", etc.) allow sub-optimal decoding.
Le signal en sortie du bloc de décodage espace/ temps 15 alimente ensuite un bloc de démodulation 16, délivrant un signal binaire estimé 17.The signal at the output of the space / time decoding block 15 then supplies a demodulation block 16, delivering an estimated bit signal 17.
Comme indiqué précédemment, pour pouvoir accroître le débit de transmission, on augmente le nombre d'antennes d'émission et/ou de réception dans les systèmes MIMO.As indicated above, in order to increase the transmission rate, the number of transmitting and / or receiving antennas in the MIMO systems is increased.
Malheureusement, l'augmentation du nombre d'antennes conduit à une augmentation de la dimension du réseau de points associé, rendant le décodage des signaux particulièrement complexe.Unfortunately, the increase in the number of antennas leads to an increase in the size of the associated point network, making the decoding of the signals particularly difficult. complex.
La complexité des décodeurs optimaux au sens ML rend pratiquement impossible leur implantation dans des terminaux mobiles, pour des réseaux de points de grandes dimensions. On rappelle en effet qu'un mot de code d'un code espace/temps transmis sur nt antennes d'émission et reçu sur nr antennes de réception est représenté par un réseau de points de dimension réelleThe complexity of optimal decoders in the ML sense makes it practically impossible to implement them in mobile terminals for large point networks. It is recalled that a code word of a code space / time transmitted over n T transmit antennas and received on n r receiving antennas is represented by a real dimension of point network
2nrt (ou 2nt si nt = nr = t ).2n r t (or 2n t if n t = n r = t).
Les décodeurs sous-optimaux sont moins complexes, mais présentent des performances moyennes. De plus, ces décodeurs ne permettent pas l'obtention de la diversité maximale nt • nr apportée par le système MIMO. II existe donc un réel besoin pour une nouvelle technique de décodage des signaux dans les systèmes mettant en œuvre plusieurs antennes d'émission et de réception, présentant une complexité réduite et/ou permettant de conserver l'ordre de diversité du système de transmission. En d'autres termes, il existe un réel besoin pour un décodeur offrant un bon compromis entre la complexité et les performances. 3. Exposé de l'inventionSuboptimal decoders are less complex, but have average performance. In addition, these boxes do not allow obtaining the maximum diversity n t n r • provided by the MIMO system. There is therefore a real need for a new signal decoding technique in systems employing a plurality of transmit and receive antennas, having a reduced complexity and / or to maintain the order of diversity of the transmission system. In other words, there is a real need for a decoder offering a good compromise between complexity and performance. 3. Presentation of the invention
L'invention propose une solution nouvelle qui ne présente pas l'ensemble de ces inconvénients de l'art antérieur, sous la forme d'un procédé de décodage d'un signal reçu sur au moins deux antennes de réception, ledit signal ayant subi avant émission un codage espace/temps à l'aide d'un code construit à partir d'une algèbre sur un corps commutatif K, et étant émis sur au moins deux antennes d'émission.The invention proposes a new solution that does not have all of these disadvantages of the prior art, in the form of a method of decoding a signal received on at least two reception antennas, said signal having undergone before transmitting a space / time coding using a code constructed from an algebra on a commutative body K, and being transmitted on at least two transmitting antennas.
Selon l'invention, un tel procédé met en œuvre :According to the invention, such a method implements:
- une étape de prétraitement du signal reçu comprenant les sous-étapes suivantes : o détermination d'une matrice représentative du canal de transmission ; o normalisation de la matrice représentative du canal de transmission et du signal reçu, délivrant respectivement une matrice de canal normalisée et un signal reçu normalisé ; o approximation algébrique de ladite matrice de canal normalisée, à partir d'une matrice (U) sélectionnée dans ladite algèbre et présentant un déterminant égal àa step of pretreatment of the received signal comprising the following sub-steps: determining a representative matrix of the transmission channel; o normalization of the representative matrix of the transmission channel and the received signal, respectively delivering a standard channel matrix and a standard received signal; o algebraic approximation of said normalized channel matrix, from a matrix (U) selected in said algebra and having a determinant equal to
1 ; - une étape de décodage espace/temps du signal reçu normalisé, à l'aide de l'approximation algébrique de la matrice de canal normalisée.1; a step of decoding space / time of the normalized received signal, using the algebraic approximation of the standardized channel matrix.
Ainsi, l'invention propose une technique nouvelle et inventive pour le décodage d'un signal codé espace/temps dans un système MIMO mettant en œuvre une pluralité d'antennes d'émission et de réception. Pour ce faire, on applique un prétraitement algébrique au signal reçu, consistant à absorber une partie de la matrice de canal normalisée par le code espace/temps algébrique. De cette façon, la partie restante de la matrice du canal de transmission, qui définit la base du réseau de points utilisé pour le décodage, est quasi-orthogonale. On rappelle à cet effet que les outils algébriques n'ont, jusqu'à présent, été utilisés que pour construire des codes espace/temps. La structure algébrique de ces codes n'a jamais été exploitée pour le décodage, ce qui constitue un aspect innovant de l'invention.Thus, the invention proposes a novel and inventive technique for decoding a space / time coded signal in a MIMO system implementing a plurality of transmit and receive antennas. To do this, an algebraic pretreatment is applied to the received signal, consisting of absorbing a portion of the normalized channel matrix by the algebraic space / time code. In this way, the remaining part of the transmission channel matrix, which defines the base of the point network used for decoding, is quasi-orthogonal. To this end, it is recalled that algebraic tools have so far only been used to construct space / time codes. The algebraic structure of these codes has never been exploited for decoding, which constitutes an innovative aspect of the invention.
Plus précisément, on cherche selon l'invention à approximer la matrice représentative du canal de transmission normalisée. Par exemple, en supposant que la matrice H représentative du canal de transmission présente un déterminant différent de zéro, on cherche à approximer la matrice de canal normalisée H1 telle que H1 = (det(H)) n H , avec H1 G SLn(C) , en utilisant une matrice de l'algèbre sur le corps commutatif K.More precisely, it is sought according to the invention to approximate the representative matrix of the normalized transmission channel. For example, assuming that the representative matrix H of the transmission channel has a determinant different from zero, it is sought to approximate the normalized channel matrix H 1 such that H 1 = (det (H)) n H, with H 1 G SL n (C), using a matrix of the algebra on the commutative body K.
On sélectionne ainsi une matrice de l'algèbre, et on approxime la matrice de canal normalisée à partir de la matrice de l'algèbre sélectionnée.A matrix of the algebra is thus selected, and the normalized channel matrix is approximated from the matrix of the selected algebra.
Le signal normalisé reçu peut alors être décodé à l'aide de l'approximation de la matrice de canal normalisée H1, en utilisant une technique de décodage classique qui peut être sous- optimale (de type linéaire ou non linéaire) ou optimale au sens du maximum de vraisemblance (ML). En particulier, selon l'invention, une technique de décodage qui serait sous-optimale si elle était appliquée directement au signal reçu devient quasi-optimale lorsqu'elle est appliquée au signal reçu normalisé exprimé à partir de l'approximation de la matrice de canal normalisée. Il est ainsi possible, selon l'invention, d'obtenir de bonnes performances tout en conservant une complexité réduite, puisque les techniques de décodage sous-optimales présentent une complexité réduite.The received normalized signal can then be decoded using the approximation of the normalized channel matrix H 1 , using a conventional decoding technique that can be suboptimal (of linear or nonlinear type) or optimal in the sense maximum likelihood (ML). In particular, according to the invention, a decoding technique which would be suboptimal if it were applied directly to the received signal becomes quasi-optimal when it is applied to the normalized received signal expressed from the approximation of the channel matrix. normalized. It is thus possible, according to the invention, to obtain good performance while maintaining a reduced complexity, since suboptimal decoding techniques have a reduced complexity.
L'invention permet également d'accélérer la mise en œuvre du décodage en en simplifiant la complexité si une technique de décodage optimale au sens ML est mise en œuvre.The invention also makes it possible to accelerate the implementation of the decoding by simplifying the complexity if an optimal decoding technique in the ML sense is implemented.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la matrice sélectionnée est une unité [/ d'un ordre de l'algèbre (noté O), et l'étape d'approximation algébrique pondère l'unité U par une erreur d'approximation E, telle que :According to a particular embodiment of the invention, the selected matrix is a unit [/ of an order of the algebra (denoted O), and the algebraic approximation step weights the unit U by an error of approximation E, such that:
H1 = EU .H 1 = EU.
Dans ce cas, l'ordre O est l'ordre utilisé pour construire le code espace/temps. En d'autres termes, l'unité U sélectionnée est pondérée par une erreur d'approximation E pour approximer la matrice de canal normalisée H1. Du fait que U est une unité de l'ordre O, U est inversible dans O.In this case, the order O is the order used to construct the space / time code. In other words, the selected unit U is weighted by an approximation error E to approximate the normalized channel matrix H 1 . Because U is a unit of the order O, U is invertible in O.
En particulier, ledit ordre peut être un ordre maximal de l'algèbre.In particular, said order can be a maximal order of the algebra.
Par exemple, l'algèbre est à division et le code espace/temps est de la forme ( Oa ), avec a un élément de l'algèbre et O un ordre maximal de l'algèbre (plusieurs ordres maximaux pouvant exister).For example, the algebra is divisional and the space / time code is of the form (Oa), with a element of the algebra and O a maximal order of the algebra (several maximal orders that can exist).
Selon un autre aspect de l'invention, l'étape d'approximation algébrique sélectionne l'unité U de façon que l'erreur d'approximation E soit quasi-orthogonale.According to another aspect of the invention, the algebraic approximation step selects the unit U so that the approximation error E is quasi-orthogonal.
De cette façon, l'invention permet d'absorber une partie de la matrice de canal normalisée (correspondant à l'unité U) par le code espace/temps, et d'obtenir une base du réseau de points utilisée pour le décodage quasi-orthogonale (correspondant à l'erreur d'approximation E).In this way, the invention makes it possible to absorb part of the normalized channel matrix (corresponding to the unit U) by the space / time code, and to obtain a base of the network of points used for the quasi-decoding. orthogonal (corresponding to the approximation error E).
Selon encore un autre aspect de l'invention, le signal normalisé s'écrit sous la forme F1 = HγX + W1 , avec X un mot de code émis et W1 un bruit blanc additif gaussien normalisé. Après approximation algébrique de la matrice de canal normalisée, le signal normalisé peut s'écrire sous la forme F1 = EUX + W1 , avec UX un mot de code.According to yet another aspect of the invention, the normalized signal is written in the form F 1 = HγX + W 1 , with X a transmitted code word and W 1 a Gaussian additive normalized white noise. After algebraic approximation of the normalized channel matrix, the normalized signal can be written as F 1 = EUX + W 1 , with UX being a code word.
On travaille donc directement sur la forme matricielle (et non vectorielle) du signal reçu normalisé pour déterminer une approximation de la matrice de canal normalisée.We therefore work directly on the matrix form (and non-vector) of the normalized received signal to determine an approximation of the normalized channel matrix.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le procédé de décodage comprend une étape de transformation du signal reçu normalisé F1 sous forme vectorielle, telle que : y1 = Ji1Os + W1 avec :According to a particular embodiment of the invention, the decoding method comprises a step of transforming the normalized received signal F 1 in vector form, such that: y 1 = Ji 1 Os + W 1 with:
- y1 le signal reçu normalisé sous forme vectorielle ;y 1 the standard received signal in vector form;
- h1 la matrice de canal normalisée sous forme vectorielle ;h 1 the standardized channel matrix in vector form;
- s le vecteur de symboles d'information ; - Φ une matrice de codage espace/temps, encore appelée matrice génératrice du code espace/temps ;- the vector of information symbols; A space / time coding matrix, also called the space / time code generating matrix;
- W1 le bruit blanc additif gaussien sous forme vectorielle.- W 1 Gaussian additive white noise in vector form.
La vectorisation est donc mise en œuvre après l'approximation de la matrice de canal normalisée. En particulier, la matrice génératrice du réseau de points, correspondant à la matrice de canal normalisée sous forme vectorielle multipliée par la matrice de codage espace/temps, est égale à : hxΦ = EZUZΦ = E1OT1J avec : - E; une transformation linéaire correspondant à une multiplication à gauche par ladite erreur d'approximation E ;The vectorization is therefore implemented after the approximation of the standardized channel matrix. In particular, the matrix generating the dot network, corresponding to the standardized channel matrix in vector form multiplied by the space / time coding matrix, is equal to: h x Φ = E Z U Z Φ = E 1 OT 1J with : - E; a linear transformation corresponding to a left multiplication by said approximation error E;
- U; une transformation linéaire correspondant à une multiplication à gauche par ladite unité U ; - Tu une matrice unimodulaire.- U; a linear transformation corresponding to a multiplication on the left by said unit U; - You a unimodular matrix.
Selon l'invention, on entend par matrice unimodulaire une matrice dont les éléments sont dans l'anneau des entiers R du corps commutatif K, encore appelé corps de base, et dont le déterminant est inversible dans ledit anneau des entiers R.According to the invention, the term "unimodular matrix" refers to a matrix whose elements are in the ring of the integers R of the commutative body K, also called base body, and whose determinant is invertible in said ring of integers R.
Le signal reçu normalisé F1, sous forme vectorielle, peut s'écrire sous la forme suivante : y: = E/OT^s + W1 = E/Os' + W1 , avec s' un vecteur de symboles.The standardized received signal F 1 , in vector form, can be written in the following form: y : = E / OT ^ s + W 1 = E / Os '+ W 1 , with s' a vector of symbols.
Avantageusement, le code espace/temps est construit à partir d'une algèbre à division, éventuellement cyclique. Il s'agit par exemple d'un code parfait comme un code d'or, ou d'un code quasi-parfait. L'invention concerne également un produit programme d'ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur et/ou exécutable par un processeur, comprenant des instructions de code de programme pour la mise en oeuvre des étapes du procédé de décodage décrit précédemment, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur. Dans un autre mode de réalisation, l'invention concerne un dispositif de décodage d'un signal reçu sur au moins deux antennes de réception, ledit signal ayant subi avant émission un codage espace/temps à l'aide d'un code construit à partir d'une algèbre sur un corps commutatif K et étant émis sur au moins deux antennes d'émission.Advantageously, the space / time code is constructed from a division algebra, possibly cyclic. This is for example a perfect code like a golden code, or a near-perfect code. The invention also relates to a computer program product downloadable from a communication network and / or recorded on a computer readable medium and / or executable by a processor, comprising program code instructions for implementing the steps of the decoding method described above, when the program is run on a computer. In another embodiment, the invention relates to a device for decoding a signal received on at least two reception antennas, said signal having undergone a space / time coding before transmission using a code built from an algebra on a commutative body K and being transmitted on at least two transmitting antennas.
Selon l'invention, un tel dispositif comprend : - des moyens de prétraitement du signal reçu comprenant : o des moyens de détermination d'une matrice représentative du canal de transmission ; o des moyens de normalisation de la matrice représentative du canal de transmission et du signal reçu, délivrant respectivement une matrice de canal normalisée et un signal reçu normalisé ; o des moyens d'approximation algébrique de ladite matrice de canal normalisée, à partir d'une matrice (U) sélectionnée dans ladite algèbre et présentant un déterminant égal à 1 ; - des moyens de décodage espace/temps du signal reçu normalisé, à l'aide de l'approximation algébrique de la matrice de canal normalisée.According to the invention, such a device comprises: - preprocessing means of the received signal comprising: o means for determining a representative matrix of the transmission channel; o normalization means of the representative matrix of the transmission channel and the received signal, respectively delivering a standardized channel matrix and a standard received signal; o Algebraic approximation means of said normalized channel matrix, from a matrix (U) selected in said algebra and having a determinant equal to 1; means for decoding space / time of the normalized received signal, using the approximation algebraic of the normalized channel matrix.
Un tel dispositif de décodage est notamment adapté à mettre en œuvre le procédé de décodage décrit précédemment. Il peut être intégré dans un récepteur d'un système MIMO, comprenant au moins deux antennes de réception, pour des applications de type Wifi (IEEE 802.1 In), WiMax mobile (IEEE 802.16e), WiMax coopératif (IEE 802.16j), 3GPP-LTE, etc.Such a decoding device is particularly suitable for implementing the decoding method described above. It can be integrated into a receiver of a MIMO system, comprising at least two reception antennas, for Wi-Fi (IEEE 802.1 In), WiMax mobile (IEEE 802.16e), WiMax cooperative (IEE 802.16j), 3GPP applications. -LTE, etc.
Ce dispositif pourra bien sûr comporter les différentes caractéristiques relatives au procédé de décodage selon l'invention. 4. Liste des figuresThis device may of course include the various features relating to the decoding method according to the invention. 4. List of figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante du principe général de l'invention et d'un mode de réalisation particulier, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1 illustre une chaîne de transmission MIMO mettant en œuvre un codage espace/temps ; - la figure 2 présente les principales étapes du procédé de décodage selon l'invention ; la figure 3 illustre les performances de l'invention, appliquée au code d'or (en anglais « Golden Code ») ; la figure 4 présente la structure d'un dispositif de décodage selon un mode de réalisation particulier de l'invention. 5. Description d'un mode de réalisation de l'inventionOther features and advantages of the invention will emerge more clearly on reading the following description of the general principle of the invention and of a particular embodiment, given as a simple illustrative and non-limiting example, and drawings appended, among which: FIG. 1 illustrates a MIMO transmission chain implementing a space / time coding; FIG. 2 presents the main steps of the decoding method according to the invention; FIG. 3 illustrates the performances of the invention, applied to the Golden Code; Figure 4 shows the structure of a decoding device according to a particular embodiment of the invention. 5. Description of an embodiment of the invention
5.1 Définitions5.1 Definitions
On présente ci-après la terminologie utilisée dans ce document. Il s'agit du vocabulaire classique, bien connu de l'Homme du Métier.The following is the terminology used in this document. This is the classic vocabulary, well known to the skilled person.
A) Algèbre : Soit K un corps commutatif. On appelle algèbre A sur le corps K un ensemble muni des opérations binaires suivantes : une opération d'addition « + » de AxA dans A ; une opération de multiplication interne « x » de AxA dans A ; une opération de multiplication par scalaires « . » de KxA dans A ; telles que :A) Algebra: Let K be a commutative body. An algebra A on the field K is called a set provided with the following binary operations: a "+" addition operation of AxA in A; an internal multiplication operation "x" of AxA in A; a scalar multiplication operation ". KxA in A; as :
1. (A, +, .) est un espace vectoriel sur K ;1. (A, +,.) Is a vector space on K;
2. (A, x) est un anneau;2. (A, x) is a ring;
3.(λa)b = a(λb) = λ(ab) VA e K , Vα,£ e A .3. (λa) b = a (λb) = λ (ab) VA e K, Vα, εe A.
La multiplication dans l'algèbre A n'est pas nécessairement commutative. Les éléments de l'algèbre A peuvent être représentés sous forme matricielle.The multiplication in algebra A is not necessarily commutative. The elements of algebra A can be represented in matrix form.
B) Algèbre à division :B) Divisional algebra:
Une ^-algèbre A est appelée algèbre à division si tout élément non nul de A possède un inverse par rapport à l'opération de multiplication interne « x ».An algebra A is called a divisional algebra if any non-zero element of A has an inverse with respect to the internal multiplication operation "x".
C) Algèbre cyclique :C) Cyclic algebra:
Soit L un corps d'extension de K de degré n tel que son groupe de Galois G = GaI(L I K) est cyclique avec un générateur σ. Soit γ G K un élément non nul. On considère l'algèbre non commutative notée A = (L / K,σ,γ) définie par :Let L be an extension field of K of degree n such that its Galois group G = GaI (L I K) is cyclic with a generator σ. Let γ G K be a non-zero element. We consider the non commutative algebra denoted A = (L / K, σ, γ) defined by:
A = L @ eL @ ... @ en~lL tel que e satisfait : en = γ , xe = eσ(x) Vx e LA = L @ eL @ ... @ e n ~ l L such that e satisfies: e n = γ, xe = eσ (x) Vx e L
A est appelée algèbre cyclique, et n est l'indice de l'algèbre.A is called a cyclic algebra, and n is the index of algebra.
Un élément a = XQ + exγ + ... + en~ xn-\ G A , avec xo,...,xn_ι G L , peut être représenté par la matrice n X n suivante :An element a = X Q + exγ + ... + e n ~ x n - \ GA, with x o , ..., x n _ι GL, can be represented by the following matrix n X n:
κ
Figure imgf000010_0001
Si n = 2 , l'algèbre cyclique est appelée algèbre de quaternions. Par exemple, le code d'or (« Golden Code ») est basé sur une algèbre cyclique à division d'indice n = 2 . Le corps K = <Q(i) , et son extension L = <Q(i,θ) , où θ = et σ : i i-4 x est tel que σ(θ) = θ = l - θ , et σ laisse les éléments de Q(i) invariants. L'élément γ est égal à /. L'élément e est
Figure imgf000010_0002
avec j .2 = i .
κ
Figure imgf000010_0001
If n = 2, the cyclic algebra is called quaternion algebra. For example, the Golden Code is based on a divisional cyclic algebra of index n = 2. The field K = <Q (i), and its extension L = <Q (i, θ), where θ = and σ: i i-4 x is such that σ (θ) = θ = l - θ, and σ leaves the elements of Q (i) invariant. The element γ is equal to /. The element e is
Figure imgf000010_0002
with j .2 = i.
On peut alors écrire :We can then write:
A = (Q(i,θ) I Q(O, σ,/) = Q(/,<9) θ jQ(i,θ) Un élément de A peut être représenté par une matrice sous la forme suivante :
Figure imgf000010_0003
A = (Q (i, θ) IQ (O, σ, /) = Q (/, <9) θ jQ (i, θ) An element of A can be represented by a matrix in the following form:
Figure imgf000010_0003
QL Ordres et idéaux :QL Orders and ideals:
Soit A une K- algèbre, et soit R l'anneau des entiers de K. Un idéal de A est un i?-module à engendrement fini contenu dans A tel que KI = A , où :Let A be a K-algebra, and let R be the ring of integers of K. An ideal of A is a i? -Module to finite generation contained in A such that KI = A, where:
KI =
Figure imgf000011_0001
G K,xt G I, m e N L
KI =
Figure imgf000011_0001
GK, x t IM me NL
Un ordre O de A est un idéal qui est un sous-anneau de A avec le même élément unitaire. Un ordre maximal est un ordre qui n'est contenu dans aucun autre ordre de A.An order O of A is an ideal which is a sub-ring of A with the same unitary element. A maximum order is an order that is not contained in any other order of A.
E) Unité :E) Unit:
Une unité d'un ordre O est un élément inversible U G O tel que son inverse U~ par rapport à la multiplication « x » dans A appartient également à l'ordre O.A unit of an order O is an invertible element UGO such that its inverse U ~ with respect to the multiplication "x" in A also belongs to the order O.
Par exemple, dans le cas du code d'or, un ordre maximal de A est :
Figure imgf000011_0002
O peut s'écrire O = Z[i,θ] ® Z[i,θ]j .
For example, in the case of the golden code, a maximum order of A is:
Figure imgf000011_0002
O can be written O = Z [i, θ] ® Z [i, θ] j.
Le code d'or est une version normalisée avec constante de normalisation égale à 1 / v5 d'un idéal bilatère Oa = aθ avec a = 1 + iθ . Chaque mot de code X généré de cette façon prend la forme suivante :
Figure imgf000011_0003
avec xγ = s\ + S2Θ , X2 = S3 + s4θ , et les symboles s\, S2, Sj, S4 G Z[Z] . 5.2 Description d'un mode de réalisation A) Principe général
The golden code is a normalized version with a normalization constant equal to 1 / v5 of a two-sided ideal Oa = aθ with a = 1 + iθ. Each X-code word generated in this way takes the following form:
Figure imgf000011_0003
with xγ = s \ + S 2 Θ, X 2 = S 3 + s 4 θ, and the symbols s \ , S 2 , Sj, S 4 GZ [Z]. 5.2 Description of an embodiment A) General principle
L'invention concerne le décodage d'un signal reçu, transmis dans un système MIMO mettant en œuvre au moins deux antennes d'émission et au moins deux antennes de réception. Avant émission, le signal a subi un codage espace/temps à l'aide d'un code construit à partir d'une algèbre sur un corps commutatif K, encore appelé corps de base. Par exemple, le codage espace/temps algébrique mis en œuvre en émission utilise une algèbre à division. Ainsi, les codes espace/temps utilisés peuvent être des codes parfaits, comme le code d'or, ou des codes quasi-parfaits. D'autres codes peuvent également être utilisés, du moment qu'ils sont construits à partir d'une algèbre sur un corps commutatif.The invention relates to the decoding of a received signal transmitted in a MIMO system implementing at least two transmitting antennas and at least two receiving antennas. Before transmission, the signal has undergone a space / time coding using a code constructed from an algebra on a commutative body K, also called basic body. For example, the algebraic space / time coding implemented in transmission uses a divisional algebra. Thus, the space / time codes used can be perfect codes, such as the golden code, or quasi-perfect codes. Other codes can also be used, as long as they are constructed from an algebra on a commutative body.
Le principe général de l'invention repose sur la mise en œuvre d'un prétraitement du signal reçu permettant de faciliter le décodage de ce signal.The general principle of the invention is based on the implementation of a pretreatment of the received signal to facilitate the decoding of this signal.
Plus précisément, le prétraitement mis en œuvre permet de déterminer une approximation algébrique de la matrice représentative du canal de transmission, sous forme normalisée, à l'aide d'une matrice sélectionnée dans l'algèbre utilisée pour construire le code espace/temps. Par exemple, la matrice sélectionnée est une unité U d'un ordre quelconque ou d'un ordre maximal de l'algèbre, correspondant à l'ordre utilisé pour construire le code espace/temps, et l'approximation de la matrice de canal normalisée H1 correspond à cette unité pondérée par une erreur d'approximation E : H1 = EU .More precisely, the preprocessing implemented makes it possible to determine an algebraic approximation of the representative matrix of the transmission channel, in standardized form, using a matrix selected in the algebra used to construct the space / time code. For example, the selected matrix is a unit U of any order or order of the algebra, corresponding to the order used to construct the space / time code, and the approximation of the normalized channel matrix H 1 corresponds to this unit weighted by an approximation error E: H 1 = EU.
La matrice sélectionnée dans l'algèbre est notamment choisie de façon que l'erreur d'approximation E soit quasi-orthogonale.The matrix selected in the algebra is chosen in such a way that the approximation error E is quasi-orthogonal.
De cette façon, une partie de la matrice de canal normalisée (correspondant à la matrice U sélectionnée dans l'algèbre) est absorbée par le code algébrique, puisque la matrice U appartient à l'ordre de l'algèbre utilisé pour le code espace/temps, et donc UX est un mot de code.In this way, part of the normalized channel matrix (corresponding to the matrix U selected in the algebra) is absorbed by the algebraic code, since the matrix U belongs to the order of the algebra used for the space code. time, and so UX is a codeword.
Le reste de la matrice de canal normalisée (correspondant à l'erreur d'approximation E) est une matrice quasi-orthogonale, définissant la base du réseau de points utilisé pour le décodage. On rappelle en effet que la représentation en réseaux de points des codes espace/temps permet leur décodage par des décodeurs de réseaux de points. On peut donc considérer que l'invention permet de réduire le réseau de points du système de transmission, en réception, puisque la base du réseau de points utilisé pour le décodage est construite à partir de la matrice E correspondant à l'erreur d'approximation, et non à partir de la matrice de canal. Cette réduction, effectuée en utilisant les propriétés de l'algèbre, permet ainsi d'accélérer le décodage du réseau de points.The rest of the normalized channel matrix (corresponding to the approximation error E) is a quasi-orthogonal matrix, defining the base of the point network used for decoding. It is recalled that the representation in point networks of the space / time codes allows their decoding by decoders of point networks. It can therefore be considered that the invention makes it possible to reduce the grating of points of the transmission system, in reception, since the base of the network of points used for the decoding is constructed from the matrix E corresponding to the error of approximation. , and not from the channel matrix. This reduction, carried out using the properties of the algebra, thus makes it possible to accelerate the decoding of the network of points.
On présente désormais, en relation avec la figure 2, les principales étapes mises en œuvre pour le décodage du signal reçu Yn xt , avec nr ≥ 2 , émis par au moins deux antennes d'émission et ayant subi avant émission un codage espace/temps à l'aide d'un code construit à partir d'une algèbre sur un corps commutatif K. La technique selon l'invention peut notamment être mise en œuvre dans le bloc de décodage spatio-temporel 15 de la figure 1.The main steps implemented for the decoding of the received signal Y n × t , with n r ≥ 2, emitted by at least two transmitting antennas and having undergone coding before transmission are now presented in relation to FIG. space / time using a code constructed from an algebra on a commutative body K. The technique according to the invention can notably be implemented in the spatio-temporal decoding block 15 of FIG.
Plus précisément, au cours d'une première étape 21, le procédé selon l'invention met en œuvre une étape de prétraitement du signal reçu Yn xt . Ce prétraitement à droite utilise, en réception, les outils algébriques pour déterminer une approximation de la matrice de canal normalisée.More specifically, during a first step 21, the method according to the invention implements a preprocessing step of the received signal Y n xt . This pretreatment on the right uses, in reception, the algebraic tools to determine an approximation of the normalized channel matrix.
Plus précisément, l'étape de prétraitement du signal reçu comprend les sous-étapes suivantes :More specifically, the preprocessing step of the received signal comprises the following substeps:
- détermination d'une matrice H représentative du canal de transmission ; - normalisation de la matrice représentative du canal de transmission et du signal reçu, délivrant respectivement une matrice de canal normalisée H1 et un signal reçu normalisé F1 ;determination of a representative matrix H of the transmission channel; - normalization of the representative matrix of the transmission channel and the received signal, respectively delivering a standardized channel matrix H 1 and a standard received signal F 1 ;
- approximation de ladite matrice de canal normalisée, à partir d'une matrice (U) sélectionnée dans ladite algèbre et présentant un déterminant égal à 1. On approxime de cette façon la matrice de canal normalisée en utilisant une matrice de l'algèbre du code espace/temps de déterminant égal à 1. Une grande partie de la matrice de canal normalisée (et donc du canal de transmission) peut alors être absorbée par le code espace/temps algébrique. Au cours d'une deuxième étape 22, on applique un décodage espace/temps au signal reçu normalisé, à l'aide de l'approximation de la matrice de canal normalisée. Cette étape de décodage espace/temps permet d'estimer le vecteur de symboles d'information du signal émis, noté s .approximating said normalized channel matrix, from a matrix (U) selected in said algebra and having a determinant equal to 1. In this way, the normalized channel matrix is approximated by using a matrix of the space / time code algebra of determinant equal to 1. A large part of the normalized channel matrix (and therefore the transmission channel) can then be absorbed. by the algebraic space / time code. During a second step 22, a space / time decoding is applied to the normalized received signal, using the approximation of the normalized channel matrix. This space / time decoding step makes it possible to estimate the information symbol vector of the transmitted signal, denoted s.
On note par ailleurs que le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre de diverses manières, notamment sous forme câblée ou sous forme logicielle.It should also be noted that the method according to the invention can be implemented in various ways, in particular in hard-wired form or in software form.
B) Description détailléeB) Detailed description
On décrit ci- après plus en détail la mise en œuvre de l'étape de prétraitement du signal reçu. On utilise pour ce faire l'algèbre du code espace/temps utilisé en émission, et, par exemple, les unités d'un ordre de cette algèbre. En se référant de nouveau à la figure 1, on propose selon l'invention d'approximer la matrice de canal H, après normalisation, par un élément d'un ordre de l'algèbre. De cette façon, on peut considérer qu'une partie du canal est absorbée par le code.The implementation of the preprocessing step of the received signal is described in more detail below. To do this, we use the algebra of the space / time code used in transmission, and, for example, the units of an order of this algebra. Referring again to Figure 1, it is proposed according to the invention to approximate the channel matrix H, after normalization, by an element of an order of the algebra. In this way, we can consider that part of the channel is absorbed by the code.
Le signal reçu s'exprime :The received signal is expressed:
* Hr Xt = -" Hf XHf ^Hf Xt + ^Hf Xt avec : X le signal émis sur les nt antennes d'émission ;* H r Xt = - "H f XHf ^ Hf Xt + ^ H f Xt with: X the signal transmitted on the n t transmit antennas;
H la matrice représentative du canal de transmission ; W la matrice représentative d'un bruit additif blanc gaussien ; et t la longueur temporelle du code espace/temps.H the representative matrix of the transmission channel; W the representative matrix of a Gaussian white additive noise; and t the time length of the space / time code.
On considère par exemple que le mot de code X appartient à une algèbre à division. En d'autres termes, le code espace/temps considéré est un sous-ensemble de Oa , avec O un ordre de l'algèbre. Par exemple, un tel code est un code Parfait, tel que décrit dans le documentFor example, the code word X is considered to belong to a divisional algebra. In other words, the space / time code considered is a subset of Oa, with O an order of algebra. For example, such a code is a perfect code, as described in the document
« Perfect space-time codes for any number of antennas » (P. Elia et al., IEEE Transactions on information theory, vol. 53, n°ll, novembre 2007)."Perfect space-time codes for any number of antennas" (P. Elia et al., IEEE Transactions on Information Theory, Vol 53, No. 11, November 2007).
On considère le cas nt = nr = t . On omet donc les indices dans les équations suivantes. On considère selon le modèle de transmission que la matrice représentative du canal de transmission H a un déterminant différent de zéro avec une probabilité égale à 1. Après normalisation du système de transmission, on peut donc écrire : H1 = (det(H))~1/w H , avec H1 e SLn(C) . Le signal reçu normalisé F1 peut alors s'écrire : Y1 = H1X + W1 = (det(H))"1/w HX + W1 et on cherche à approximer la matrice de canal normalisée H1 à partir d'une matrice de l'ordre de l'algèbre utilisé pour construire le code espace/temps.We consider the case n t = n r = t. The indices are therefore omitted in the following equations. We consider according to the transmission model that the representative matrix of the transmission channel H has a determinant different from zero with a probability equal to 1. After normalization of the transmission system, we can write: H 1 = (det (H)) ~ 1 / w H, with H 1 e SL n (C). The normalized received signal F 1 can then be written: Y 1 = H 1 X + W 1 = (det (H)) "1 / w HX + W 1 and we try to approximate the normalized channel matrix H 1 from a matrix of the order of algebra used to build the space / time code.
C) Approximation parfaite On suppose tout d'abord que l'on peut sélectionner une matrice U dans l'ordre O de l'algèbre présentant un déterminant égal à 1, telle que H1 = U . Ce cas correspond à une approximation parfaite de la matrice de canal normalisée. Le signal reçu normalisé peut alors s'écrire :C) Perfect approximation We first assume that we can select a matrix U in the order O of the algebra having a determinant equal to 1, such that H 1 = U. This case corresponds to a perfect approximation of the normalized channel matrix. The normalized received signal can then be written:
Y1 = UX + W1 où UX est toujours un mot de code. U est une unité de l'ordre O de l'algèbre.Y 1 = UX + W 1 where UX is always a code word. U is a unit of the order O of algebra.
En d'autres termes, puisque U est une unité de l'ordre O de l'algèbre, alors U est inversible en O, et on a :
Figure imgf000014_0001
In other words, since U is a unit of the order O of the algebra, then U is invertible in O, and we have:
Figure imgf000014_0001
On vectorise alors le signal reçu normalisé, exprimé en fonction de l'approximation de la matrice de canal normalisée.The normalized received signal is then vectorized, expressed as a function of the approximation of the normalized channel matrix.
Pour ce faire, on applique une fonction φ permettant de transformer des matrices sousTo do this, we apply a function φ to transform matrices under
2 forme vectorielle. Par exemple, pour φ : Mn(C) — > Cn , on a :2 vector shape. For example, for φ: M n (C) -> C n , we have:
φ : (mn,...,mnl,m12,...,mn2,...mln,...,mnn)
Figure imgf000014_0002
φ: (m n , ..., m nl , m 12 , ..., m n 2 , ... m ln , ..., m nn )
Figure imgf000014_0002
Après vectorisation, le signal reçu normalisé, sous forme vectorielle, peut s'écrire sous la forme suivante :After vectorization, the standardized received signal, in vector form, can be written in the following form:
Y1 = h:Φs + W1 = £//Φs + W1 où :Y 1 = h : Φs + W 1 = £ / / Φs + W 1 where:
- yι = Φ(Xύ ;yι = Φ ( Xύ;
- W1 = ^(W1 ) ; - Φs = φ(X) ;- W 1 = ^ (W 1 ); - Φs = φ (X);
- U; est la transformation linéaire correspondant à une multiplication à gauche par l'unité U ;- U; is the linear transformation corresponding to a multiplication on the left by the unit U;
- Φ est une matrice génératrice du code, encore appelée matrice de codage espace/temps ; - s est un vecteur de symboles d'information qui peuvent être par exemple issus d'une modulation d'amplitude en quadrature (QAM).- Φ is a matrix generating code, also called space / time coding matrix; - s is a vector of information symbols that can be for example from a quadrature amplitude modulation (QAM).
Plus précisément, la matrice Φ génératrice du code est une matrice dont les colonnes sont les vecteurs wv- pour / allant de 1 à n , qui forment une base du réseau de points de dimension complexe n .More specifically, the matrix Φ generating the code is a matrix whose columns are the vectors w v - for / ranging from 1 to n, which form a base of the network of points. complex dimension n.
Par exemple, on considère w, ,...,w 2 r une base de Oa . Chaque mot de code X peutFor example, we consider w,, ..., w 2 r a base of Oa. Each code word X can
L n J s'écrire dans cette base :I write in this database:
*=Σ S(Wi avec S = Ls1,..., s 2 e Rn i=\ avec R l'anneau des entiers du corps de base K, et la matrice génératrice Φ est formée des colonnes suivantes : φ(wι),...,φ(w 2 )* = Σ S (Wi with S = Ls 1 , ..., s 2 e R n i = \ with R the ring of integers of the base body K, and the generating matrix Φ is formed of the following columns: φ ( w ι ), ..., φ (w 2 )
Le mot de code X vectorisé peut alors s'exprimer sous la forme suivante : n2 χ = φ(X) = ∑Siφ(Wi) = Φs i=\ De plus, comme U est une unité de O, on a U/Φ = ΦTy , avec Tj7 une matrice unimodulaire, c'est-à-dire une matrice à éléments dans l'anneau des entiers R du corps de base K, et dont le déterminant est inversible dans l'anneau des entiers R.The vectorized X code word can then be expressed in the following form: n 2 χ = φ (X) = Σ If φ ( Wi ) = Φs i = \ Moreover, since U is a unit of O, we have U / Φ = ΦTy, with T j7 a unimodular matrix, that is to say a matrix with elements in the ring of the integers R of the basic body K, whose determinant is invertible in the ring of integers R.
En effet, comme U est une unité de O, yJwγ,...,Uw 2 | est encore une base de Oa. Le mot de code X peut s'écrire dans cette nouvelle base:Indeed, since U is a unit of O, yJwγ, ..., Uw 2 | is still a base of Oa. The code word X can be written in this new database:
2 X = ^s) [Uw1) avec s' ≈ f s1 !,...,*1 2 ) e i?" i=\2 X = ^ s) [Uw 1 ) with s' fs 1 ! , ..., * 1 2 ) ei? "I = \
Sous forme vectorisée, ce mot de code peut également s'écrire :In vectorized form, this code word can also be written:
Φ(X)
Figure imgf000015_0001
υtΦs' i=\ i=\ i=\
Φ (X)
Figure imgf000015_0001
υ t Φs' i = \ i = \ i = \
On a donc Φs = U;Φs' .So we have Φs = U; Φs'.
La matrice Tf7 = Φ~ U;Φ est la matrice de changement de base entre les bases w,,...,w 2 et \ Uwi ,...,Uw 2 \ • En particulier, puisque Tr7 envoie chaque vecteur à L n J L n i coordonnées dans R dans un autre vecteur à coordonnées dans R, et det(T(y) = det(U;) = det(t/) = 1 , T^7 est unimodulaire.The matrix T f7 = Φ ~ U; Φ is the basic change matrix between the bases w ,, ..., w 2 and \ Uwi, ..., Uw 2 \ • In particular, since Tr 7 sends each vector at L n JL nor coordinates in R in another coordinate vector in R, and det (T ( y) = det (U;) = det (t /) = 1, T ^ 7 is unimodular.
En revenant à l'expression du signal reçu normalisé sous forme vectorielle, on a :Returning to the expression of the standard received signal in vector form, we have:
Y1 = t^Φs + W1 = ΦTfjS + W1 = Φs' + W1 où Tf7S = s' est toujours un signal dans R.Y 1 = t ^ Φs + W 1 = ΦT fj S + W 1 = Φs '+ W 1 where T f7 S = s' is always a signal in R.
Le signal reçu normalisé, sous forme vectorielle, peut donc s'exprimer sous la forme suivante :The standard received signal, in vector form, can therefore be expressed in the following form:
Y1 = φs'+ W1 Y 1 = φs' + W 1
Le vecteur de symboles estimés s' peut alors s'écrire sous la forme suivante, où [ ] dénote une décision dure, utilisée dans le cas d'un décodeur de type ZF ou ZF-DFE par exemple : s' = [φ"Vi] = [s '+0"1W1] = rs'+(det(H))"1/w φ-SvlThe vector of estimated symbols s' can then be written in the following form, where [] denotes a hard decision, used in the case of a ZF or ZF-DFE type decoder for example: s' = [φ " Vi] = [ s ' + 0" 1 W 1 ] = r s ' + (det ( H)) "1 / w φ-Svl
L'estimation du vecteur de symboles d'information s , est alors obtenue en multipliant le vecteur de symboles estimés s' par l'inverse de la matrice Tj7 (soit Tj7 " (s1) ) : S = Tf7-1S' .The estimation of the vector of information symbols s, is then obtained by multiplying the vector of symbols estimated s' by the inverse of the matrix T j7 (ie T j7 " (s 1 )): S = Tf 7 - 1 S '.
Dans le cas où l'on considère que la matrice de canal normalisée est parfaitement égale à une unité, et si la matrice génératrice du code Φ est une matrice unitaire, comme c'est le cas pour un code Parfait par exemple, comme le code d'or, on peut décoder le signal reçu normalisé en utilisant une technique de type ZF, qui présente des performances optimales au sens ML. L'estimation du vecteur de symboles est alors effectuée en prenant la partie entière composante par composante, et ne nécessite pas la mise en œuvre d'un décodeur de réseau de points.In the case where we consider that the normalized channel matrix is perfectly equal to one unit, and if the generator matrix of the code Φ is a unitary matrix, as is the case for a perfect code for example, as the code in gold, the normalized received signal can be decoded using a ZF-type technique, which exhibits optimal performance in the ML sense. The estimation of the symbol vector is then performed by taking the component integral part by component, and does not require the implementation of a dot matrix decoder.
D) Approximation imparfaiteD) Imperfect approximation
S'il n'existe pas de matrice U dans l'ordre de l'algèbre égale à la matrice de canal normalisée H1, on approxime la matrice de canal normalisée par une matrice U sélectionnée dans l'ordre de l'algèbre, pondérée par une erreur d'approximation E, telle que H1 = EU , avec le déterminant de U égal à 1.If there is no matrix U in the order of the algebra equal to the normalized channel matrix H 1 , the normalized channel matrix is approximated by a matrix U selected in the order of the algebra, weighted by an approximation error E, such that H 1 = EU, with the determinant of U equal to 1.
En reprenant les étapes précédentes, on obtient alors :By repeating the previous steps, we obtain:
Y1 = E/U/Φs + W1 = E/ΦTfjS + W1 = E;Φs '+ W1 avec E/ la transformation linéaire correspondant à la multiplication à gauche par l'erreur d'approximation E.Y 1 = E / U / Φs + W 1 = E / ΦT fj S + W 1 = E; Φs' + W 1 with E / the linear transformation corresponding to the multiplication on the left by the approximation error E.
Le vecteur de symboles estimés s' peut alors s'écrire sous la forme suivante, où [ ] dénote une décision dure : s ' = [O-1EfV1 ] = U '+ (det(H ))"1/w 0"1Ef1Wl = [s' + n] L'estimation du vecteur de symboles d'information s , est alors obtenue en multipliant le vecteur de symboles estimés s' par l'inverse de la matrice Tj7 (soit Tj7 " (s1) ) : S = Tf7-1S' .The vector of estimated symbols s' can then be written in the following form, where [] denotes a hard decision: s' = [O -1 EfV 1 ] = U '+ (det (H)) "1 / w 0 "1 Ef 1 Wl = [s '+ n] The estimation of the vector of information symbols s, is then obtained by multiplying the vector of estimated symbols s' by the inverse of the matrix T j7 (ie T j7 " (s 1 )): S = Tf 7 - 1 S '.
E) Choix de l'unité U pour optimiser le décodage ZFE) Choice of U-unit to optimize ZF decoding
Afin d'obtenir un décodage quasi-optimal en utilisant une technique de décodage de type ZF, il est souhaitable d'avoir une erreur d'approximation E quasi-orthogonale.In order to obtain quasi-optimal decoding using a ZF type decoding technique, it is desirable to have a quasi-orthogonal approximation error E.
Il est donc souhaitable de choisir une unité U de façon à obtenir une erreur d'approximation E = H^U~ quasi-orthogonale. Pour ce faire, le critère à respecter est par exemple de choisir l'unité U qui minimise l'erreur quadratique moyenne.It is therefore desirable to choose a unit U so as to obtain an approximation error E = H ^ U ~ quasi-orthogonal. To do this, the criterion to be respected is for example to choose the unit U which minimizes the mean squared error.
Par exemple, on se place dans un contexte MIMO comprenant n antennes d'émission et n antennes de réception, mettant en œuvre un code espace/temps par bloc, sur un canal quasi- statique, dans lequel H = det(H) nHγ , et on cherche à minimiser la norme de Frobenius 1 K F For example, one places oneself in a context MIMO including n transmit antennas and n reception antennas, implementing a space / time code per block, on a quasi- static channel, in which H = det (H) n Hγ, and one seeks to minimize the standard of Frobenius 1 KF
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0001
Ce critère revient à minimiser la trace de la matrice de covariance du bruit nThis criterion amounts to minimizing the trace of the noise covariance matrix n
Figure imgf000017_0002
Figure imgf000017_0002
|det(H)| ι \ ι I \ I| Det (H) | ι \ ι I \ I
v ; |det(H)| U »F |det(H)| U WF |det(H)| U HF On rappelle que le critère présenté ci-dessus s'applique dans le cas où la matrice Φ génératrice du code est unitaire. Bien entendu, cette matrice n'est pas nécessairement unitaire, et d'autres critères peuvent être utilisés, selon la forme de la matrice Φ génératrice du code et/ou la technique de décodage utilisée (ZF, ZF-DFE, MMSE, MMSE-DFE, décodage par sphères, décodage à pile, ...). 5.3 Application au code d'or (« Golden Code »)v ; | Det (H) | U »F | det (H) | U WF | det (H) | U HF It is recalled that the criterion presented above applies in the case where the matrix Φ generator of the code is unitary. Of course, this matrix is not necessarily unitary, and other criteria may be used, depending on the form of the code generating matrix and / or the decoding technique used (ZF, ZF-DFE, MMSE, MMSE, DFE, spherical decoding, battery decoding, ...). 5.3 Application to the Golden Code
On présente ci- après l'application de la solution de l'invention au code d'or. Le code d'or est notamment décrit dans le document « The Golden Code : A 2 x 2 FuIl- Rate Space-Time Code With Nonvanishing Déterminants » (Jean-Claude Belfiore et al., IEEE Transactions on information theory, Vol. 51, No 4, avril 2005). Par exemple, on se place dans le contexte d'une algèbre à division, utilisée pour construire un code espace/temps de la forme Oa , avec a un élément de l'algèbre et O un ordre maximal de l'algèbre. On note que certains codes parfaits autres que les codes d'or, ne sont pas nécessairement construits à partir d'un ordre maximal.The application of the solution of the invention to the gold code is presented below. The golden code is notably described in the document "The Golden Code: A 2 x 2 FuIl-Rate Space-Time Code With Nonvanishing Determinants" (Jean-Claude Belfiore et al., IEEE Transactions on information theory, Vol 51, No 4, April 2005). For example, we place ourselves in the context of a divisional algebra, used to construct a space / time code of the form Oa, with a element of the algebra and O a maximal order of the algebra. Note that some perfect codes other than golden codes are not necessarily constructed from a maximal order.
Du fait des propriétés de l'algèbre, chaque unité de l'ordre O peut s'écrire comme un produit fini d'un nombre fini de générateurs du groupe des unités et de leurs inverses. Par exemple, les générateurs sont au nombre de huit pour le code d'or. Le nombre minimal de générateurs dépend de l'algèbre choisie.Because of the properties of algebra, each unit of the order O can be written as a finite product of a finite number of generators of the group of units and their inverses. For example, the generators are eight in number for the golden code. The minimum number of generators depends on the chosen algebra.
Comme déjà indiqué, le prétraitement algébrique selon l'invention consiste à approximer la matrice du canal normalisée H1 à l'aide d'une unité U de l'ordre O de l'algèbre utilisé pour construire le code espace/temps, pondérée par une erreur d'approximation F. On présente ci-après un exemple d'algorithme pouvant être mis en œuvre pour la recherche d'unités U, dans le cas où nt = nr = 2.As already indicated, the algebraic pretreatment according to the invention consists in approximating the matrix of the normalized channel H 1 using a unit U of the order O of the algebra used to construct the space / time code, weighted by an approximation error F. The following is an example of an algorithm that can be implemented for the search for U units, in the case where n t = n r = 2.
Comme indiqué précédemment, pour un décodage de type ZF, le critère pour le choix de l'unité U qui approxime la matrice de canal normalisée H1 est le suivant : on cherche l'unité U telle que la norme de Frobenius de l'erreur d'approximation E = H^U~ soit minimisée.As previously indicated, for a type ZF decoding, the criterion for the choice of the unit U which approximates the normalized channel matrix H 1 is the following: one seeks the unit U such that the Frobenius norm of the error approximation E = H ^ U ~ be minimized.
Dans le cas nt = nr = 2 , quelque soit le code algébrique utilisé, on peut mettre en œuvre une réalisation de l'algorithme de recherche des unités qui exploite l'action du groupe des unités de norme 1 de l'ordre O sur l'espace hyperbolique Η .In the case n t = n r = 2, whatever the algebraic code used, we can implement a realization of the unit search algorithm that exploits the action of the group of standard 1 units of the order O on the hyperbolic space Η.
Plus précisément, on définit l'espace hyperbolique Η comme l'ensemble des points {(x,y,z),x,y,z £ t,z > θ} . La distance hyperbolique p(P\, P2) entre deux points P1 = (x\,yι,Zι) et P2 = {*2,y2,Z2) est donnée par l'équation suivante :More precisely, we define the hyperbolic space Η as the set of points {(x, y, z), x, y, z, t, z> θ}. The hyperbolic distance p (P \ , P 2 ) between two points P 1 = (x \ , yι, Zι) and P 2 = {* 2 , y 2 , Z 2 ) is given by the following equation:
P {p[ ' ^2 ) = arccos h 1+-
Figure imgf000018_0001
P {p ['^ 2) = arccos h 1 + -
Figure imgf000018_0001
On considère le point de base / = (θ,O,l) dans l'espace hyperbolique Η T3.We consider the base point / = (θ, O, l) in the hyperbolic space Η T 3.
Soit B une matrice 2 x 2 complexe telle que det(5) = 1 :Let B be a complex 2 x 2 matrix such that det (5) = 1:
(a bλ 3 B = \ \ . On définit le point B(J) dans l'espace hyperbolique Η :(a bλ 3 B = \ \ We define the point B (J) in the hyperbolic space Η:
I c d
Figure imgf000018_0002
où x* dénote le conjugué complexe de x.
I cd
Figure imgf000018_0002
where x * denotes the complex conjugate of x.
Soit H1 la matrice du canal normalisée, et soient Ui,..., U r un ensemble minimal de générateurs pour le groupe des unités de norme 1 de l'ordre O. Un tel ensemble de générateurs se calcule par exemple en utilisant l'algorithme de Swan tel que décrit dans le documentLet H 1 be the matrix of the normalized channel, and let Ui, ..., U r be a minimal set of generators for the group of norm 1 units of the order O. Such a set of generators is calculated for example using Swan algorithm as described in the document
« Présentations of the unit group of an order in a non-split quaternion algebra » (G. Corrales et al., Advances in mathematics, 186 n.2 (2004) 498-524)."Presentations of the unit group of an order in a non-split quaternion algebra" (G. Corrales et al., Advances in Mathematics, 186 n.2 (2004) 498-524).
Les huit générateurs du groupe des unités dans le cas du code d'or sont par exemple :The eight generators of the group of units in the case of the golden code are for example:
Figure imgf000018_0003
On note £/r+1 = C/f , ..., U2r = U~ les inverses de ces r = 8 générateurs : U9 = UÏ '
Figure imgf000018_0003
We denote £ / r + 1 = C / f, ..., U 2r = U ~ the inverse of these r = 8 generators: U 9 = UI '
CZ10 = CZ2 1 . -. ^16 = ^S 1 -CZ 10 = CZ 2 1 . -. ^ 16 = ^ S 1 -
Ces générateurs diffèrent d'un code algébrique à un autre. On cherche selon cet algorithme à déterminer l'unité U de l'ordre de l'algèbre permettant d'approximer la matrice de canal normalisée H1, connaissant la matrice de canal normalisée H1.These generators differ from one algebraic code to another. According to this algorithm, it is sought to determine the unit U of the order of the algebra making it possible to approximate the normalized channel matrix H 1 , knowing the standardized channel matrix H 1 .
On considère que les points Ui(J), ...,Ur(J),Ur+ι(J),...,U2r(J) , calculés selon l'équation (1), sont mémorisés dans une mémoire.
Figure imgf000019_0001
It is considered that the points Ui (J), ..., U r (J), U r + ι (J), ..., U 2r (J), calculated according to equation (1), are stored in a memory.
Figure imgf000019_0001
Soient H , U et z0 des variables. Pour initialiser l'algorithme, on pose :Let H, U and z 0 be variables. To initialize the algorithm, we ask:
H = H1 H = H 1
Z0 = O On réitère ensuite les étapes suivantes :Z 0 = O The following steps are then repeated:
1. Calculer H (/) = (x,y,z) en utilisant l'équation (1) ;1. Calculate H (/) = (x, y, z) using equation (1);
2. Pour i = l,...,2r , calculer :2. For i = l, ..., 2r, calculate:
di = 2cosh(p(ïT ,-(/))) = i+ (x "^)2 + (3; 2^)2 + (z " Z/ )2 et J0 = 2œshf pfïrV),/)! = i+^l±Z±kzlL
Figure imgf000019_0002
d i = 2cosh (p (ïT, - (/))) = i + (x " ^ ) 2 + (3; 2 ^ ) 2 + (z" Z /) 2 and J 0 = 2 -shf pfIrV), /) ! = i + ^ l ± Z ± kzlL
Figure imgf000019_0002
3. Choisir z0 = argmin d^ . Si plusieurs indices atteignent le minimum, on choisit le plus3. Choose z 0 = argmin d ^. If several indices reach the minimum, we choose the most
/e{0, ,2r} petit./ e {0,, 2r} small.
4. Mettre à jour U et H , tels que : U <- UU )Q , H <- HU )Q .4. Update U and H, such as: U <- UU) Q , H <- HU) Q.
5. Si /0 ≠ 0 , on retourne à l'étape 1. Sinon, si i0 = 0 alors l'unité U cherchée est égale à U (U = U ), et l'algorithme est interrompu.5. If / 0 ≠ 0, we return to step 1. Otherwise, if i 0 = 0 then the searched unit U is equal to U (U = U), and the algorithm is interrupted.
On sélectionne ainsi, selon cet exemple, une unité U de l'algèbre pouvant être utilisée pour approximer la matrice de canal normalisée H1, et telle que la matrice d'erreur d'approximation E soit quasi-orthogonale. En utilisant une technique de décodage de type ZF après la réduction algébrique décrite précédemment, on obtient seulement 3dB de perte par rapport aux performances obtenues avec un décodeur optimal au sens ML.Thus, according to this example, a unit U of the algebra can be selected which can be used to approximate the normalized channel matrix H 1 , and such that the approximation error matrix E is quasi-orthogonal. By using a ZF type decoding technique after the algebraic reduction described above, only 3dB is obtained with respect to the performances obtained with an optimal decoder in the ML sense.
Il est donc possible, selon l'invention, de simplifier le décodage d'un signal reçu dans un système multi-antennaires en utilisant une technique de décodage dite sous-optimale, tout en obtenant de bonnes performances.It is therefore possible, according to the invention, to simplify the decoding of a signal received in a multi-antenna system by using a so-called suboptimal decoding technique, while obtaining good performance.
En particulier, on peut noter que dans le cas d'un canal peu variable en temps, un simple ajustement de l'approximation est nécessaire aux différents instants de transmission (« time block »), et il n'est pas nécessaire de refaire une nouvelle approximation.In particular, it can be noted that in the case of a channel that is not very variable in time, a simple adjustment of the approximation is necessary at different times of transmission ("time block "), and there is no need to redo a new approximation.
La figure 3 illustre les performances de l'invention en taux d'erreur par mot (FER) en fonction du rapport signal à bruit (SNR) en dB.FIG. 3 illustrates the performance of the invention in word error rate (FER) as a function of the signal-to-noise ratio (SNR) in dB.
Plus précisément : - la courbe ML illustre les performances d'un décodeur classique mettant en œuvre une technique de décodage optimale au sens ML ;More precisely: the curve ML illustrates the performances of a conventional decoder implementing an optimal decoding technique in the ML sense;
- la courbe MMSE-GDFE + LLL + ZF illustre les performances d'un décodeur classique mettant en œuvre une technique de décodage sous-optimale de type ZF et un prétraitement à droite de type LLL (« Lenstra Lenstra Lovasz »), et un prétraitement à gauche de type MMSE-GDFE ;the MMSE-GDFE + LLL + ZF curve illustrates the performances of a conventional decoder implementing a ZF sub-optimal decoding technique and a LLL-type right pretreatment ("Lenstra Lenstra Lovasz"), and a pretreatment left of type MMSE-GDFE;
- la courbe MMSE-GDFE + LLL + ZF-DFE illustre les performances d'un décodeur classique mettant en œuvre une technique de décodage sous-optimale de type ZF- DFE et un prétraitement à droite de type LLL (« Lenstra Lenstra Lovasz »), et un prétraitement à gauche de type MMSE-GDFE ; - la courbe MMSE-GDFE + AR + ZF illustre les performances d'un décodeur selon l'invention mettant en œuvre une technique de décodage sous-optimale de type ZF et un prétraitement à droite de type réduction algébrique selon l'invention, et un prétraitement à gauche de type MMSE-GDFE ;the MMSE-GDFE + LLL + ZF-DFE curve illustrates the performances of a conventional decoder implementing a ZF-DFE sub-optimal decoding technique and a LLL-type right-handed pretreatment ("Lenstra Lenstra Lovasz") , and left-handed pretreatment of MMSE-GDFE type; the MMSE-GDFE + AR + ZF curve illustrates the performances of a decoder according to the invention implementing a suboptimal ZF-type decoding technique and an algebraic reduction type right-handed pretreatment according to the invention, and a Left pretreatment type MMSE-GDFE;
- la courbe MMSE-GDFE + AR + ZF-DFE illustre les performances d'un décodeur selon l'invention mettant en œuvre une technique de décodage sous-optimale de typethe curve MMSE-GDFE + AR + ZF-DFE illustrates the performances of a decoder according to the invention implementing a sub-optimal decoding technique of the type
ZF-DFE et un prétraitement à droite de type réduction algébrique selon l'invention, et un prétraitement à gauche de type MMSE-GDFE . 5.4 Structure du dispositif de décodageZF-DFE and an algebraic reduction type right pretreatment according to the invention, and a left-hand pretreatment of the MMSE-GDFE type. 5.4 Structure of the decoding device
On présente finalement, en relation avec la figure 4, la structure simplifiée d'un dispositif de décodage selon un mode de réalisation particulier de l'invention.Finally, in connection with FIG. 4, the simplified structure of a decoding device according to a particular embodiment of the invention is presented.
Un tel dispositif comprend une mémoire 41 constituée d'une mémoire tampon, une unité de traitement 42, équipée par exemple d'un microprocesseur μP, et pilotée par le programme d'ordinateur 43, mettant en œuvre le procédé de décodage selon l'invention.Such a device comprises a memory 41 consisting of a buffer memory, a processing unit 42, equipped for example with a microprocessor μP, and driven by the computer program 43, implementing the decoding method according to the invention .
A l'initialisation, les instructions de code du programme d'ordinateur 43 sont par exemple chargées dans une mémoire RAM avant d'être exécutées par le processeur de l'unité de traitement 42. L'unité de traitement 42 reçoit en entrée un signal, reçu sur au moins deux antennes de réception, et ayant subi avant émission un codage espace/temps algébrique. Le microprocesseur de l'unité de traitement 42 met en œuvre les étapes du procédé de décodage décrit précédemment, selon les instructions du programme d'ordinateur 43, pour décoder le signal reçu. Pour cela, le dispositif de décodage comprend, outre la mémoire tampon 41, des moyens de prétraitement du signal reçu, permettant de déterminer une approximation de la matrice de canal normalisée à partir d'une matrice sélectionnée dans l'algèbre utilisée pour construire le code espace/temps, et des moyens de décodage espace/temps du signal reçu normalisé, à l'aide de l'approximation de la matrice de canal normalisée. Ces moyens sont pilotés par le microprocesseur de l'unité de traitement 42.At initialization, the code instructions of the computer program 43 are for example loaded into a RAM before being executed by the processor of the processing unit 42. The processing unit 42 receives as input a signal , received on at least two receiving antennas, and having undergone before transmission an algebraic space / time coding. The microprocessor of the processing unit 42 implements the steps of the decoding method described above, according to the instructions of the computer program 43, to decode the received signal. For this, the decoding device comprises, in addition to the buffer memory 41, preprocessing means of the received signal, making it possible to determine an approximation of the normalized channel matrix from a matrix selected in the algebra used to construct the code. space / time, and space / time decoding means of the normalized received signal, using the approximation of the normalized channel matrix. These means are controlled by the microprocessor of the processing unit 42.
L'unité de traitement 42 délivre donc en sortie un ou plusieurs vecteurs de symboles estimés, correspondant à une estimation du signal émis sur au moins deux antennes d'émission.The processing unit 42 thus outputs one or more estimated symbol vectors corresponding to an estimate of the signal transmitted on at least two transmitting antennas.
Un tel décodeur trouve notamment des applications dans des systèmes MIMO pour des applications de type Wifi (IEEE 802.1In), WiMax mobile (IEEE 802.16e), WiMax coopératif (IEE 802.16J), 3GPP-LTE, etc. Such a decoder notably finds applications in MIMO systems for Wi-Fi (IEEE 802.1In), WiMax mobile (IEEE 802.16e), WiMax cooperative (IEE 802.16J), 3GPP-LTE, etc. applications.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de décodage d'un signal reçu sur au moins deux antennes de réception, ledit signal ayant subi avant émission un codage espace/temps à l'aide d'un code construit à partir d'une algèbre sur un corps commutatif K et étant émis sur au moins deux antennes d'émission, caractérisé en ce qu'il met en œuvre :1. A method of decoding a signal received on at least two reception antennas, said signal having undergone a space / time coding before transmission using a code constructed from an algebra on a commutative body K and being transmitted on at least two transmitting antennas, characterized in that it implements:
- une étape de prétraitement (21) dudit signal reçu (F) comprenant les sous-étapes suivantes : o détermination d'une matrice représentative du canal de transmission (H) ; o normalisation de ladite matrice représentative du canal de transmission et dudit signal reçu, délivrant respectivement une matrice de canal normalisée (H1) et un signal reçu normalisé (F1) ; o approximation algébrique de ladite matrice de canal normalisée, à partir d'une matrice (U) sélectionnée dans ladite algèbre et présentant un déterminant égal àa preprocessing step (21) of said received signal (F) comprising the following sub-steps: determining a representative matrix of the transmission channel (H); o normalization of said representative matrix of the transmission channel and of said received signal, respectively delivering a normalized channel matrix (H 1 ) and a normalized received signal (F 1 ); o algebraic approximation of said normalized channel matrix, from a matrix (U) selected in said algebra and having a determinant equal to
1 ; - une étape de décodage espace/temps (22) dudit signal reçu normalisé (F1), à l'aide de l'approximation algébrique de ladite matrice de canal normalisée.1; a space / time decoding step (22) of said normalized received signal (F 1 ), using the algebraic approximation of said normalized channel matrix.
2. Procédé de décodage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite matrice sélectionnée est une unité U d'un ordre de ladite algèbre, et en ce que ladite étape d'approximation algébrique pondère ladite unité par une erreur d'approximation E, telle que : H1 = EU .2. Decoding method according to claim 1, characterized in that said selected matrix is a unit U of an order of said algebra, and in that said algebraic approximation step weights said unit by an approximation error E, such that: H 1 = EU.
3. Procédé de décodage selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit ordre est un ordre maximal de ladite algèbre.3. decoding method according to claim 2, characterized in that said order is a maximum order of said algebra.
4. Procédé de décodage selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ladite étape d'approximation algébrique sélectionne l'unité U de façon que ladite erreur d'approximation E soit quasi-orthogonale.4. decoding method according to any one of claims 2 and 3, characterized in that said algebraic approximation step selects the unit U so that said approximation error E is quasi-orthogonal.
5. Procédé de décodage selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que, ledit signal normalisé s 'écrivant sous la forme F1 = H1X + W1 avec X un mot de code émis et W1 un bruit blanc additif gaussien normalisé, ledit signal normalisé, après approximation algébrique de ladite matrice de canal normalisée, s'exprime sous la forme suivante: Y1 = EUX + W1 avec UX un mot de code.5. decoding method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that, said normalized signal being written in the form F 1 = H 1 X + W 1 with X a transmitted code word and W 1 a standardized Gaussian additive white noise, said normalized signal, after algebraic approximation of said normalized channel matrix, is expressed in the following form: Y 1 = EUX + W 1 with UX a code word.
6. Procédé de décodage selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de transformation dudit signal reçu normalisé F1 sous forme vectorielle, telle que : y1 = Ji1Os + W1 avec :6. Decoding method according to any one of claims 2 to 5, characterized in that it comprises a step of transforming said standard received signal F 1 in vector form, such that: y 1 = Ji 1 Os + W 1 with:
- y1 le signal reçu normalisé sous forme vectorielle ;y 1 the standard received signal in vector form;
- Ji1 la matrice de canal normalisée sous forme vectorielle ; - s un vecteur de symboles d'information ;- Ji 1 the standardized channel matrix in vector form; - a vector of information symbols;
- Φ une matrice de codage espace/temps ;- a space / time coding matrix;
- W1 un bruit blanc additif gaussien sous forme vectorielle.- W 1 a Gaussian additive white noise in vector form.
7. Procédé de décodage selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite matrice de canal normalisée, sous forme vectorielle, multipliée par la matrice de codage espace/temps est égale à :7. Decoding method according to claim 6, characterized in that said standardized channel matrix, in vector form, multiplied by the space / time coding matrix is equal to:
1I1O = E/U/Φ = E/ΦTjy avec :1I 1 O = E / U / Φ = E / ΦT j y with:
- E/ une transformation linéaire correspondant à une multiplication à gauche par ladite erreur d'approximation E ; - U; une transformation linéaire correspondant à une multiplication à gauche par ladite unité U ;E / a linear transformation corresponding to a multiplication on the left by said approximation error E; - U; a linear transformation corresponding to a multiplication on the left by said unit U;
- Tj7 une matrice unimodulaire ; et en ce que ledit signal reçu normalisé F1, sous forme vectorielle, est égal à : y1 = E;ΦruS + W1 = E;Φs' + W1 , avec s' un vecteur de symboles.- T j7 a unimodular matrix; and in that said normalized received signal F 1 , in vector form, is equal to: y 1 = E; ΦruS + W 1 = E; Φs '+ W 1 , with s' a symbol vector.
8. Procédé de décodage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit code espace/temps est construit à partir d'une algèbre à division.8. decoding method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that said space / time code is constructed from a divisional algebra.
9. Produit programme d'ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur et/ou exécutable par un processeur, caractérisé en ce qu'il comprend des instructions de code de programme pour la mise en oeuvre des étapes du procédé de décodage selon l'une au moins des revendications 1 à 8, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.9. Computer program product downloadable from a communication network and / or recorded on a computer readable medium and / or executable by a processor, characterized in that it comprises program code instructions for the implementation of steps of the decoding method according to at least one of claims 1 to 8, when said program is executed on a computer.
10. Dispositif de décodage d'un signal reçu sur au moins deux antennes de réception, ledit signal ayant subi avant émission un codage espace/temps à l'aide d'un code construit à partir d'une algèbre sur un corps commutatif K et étant émis sur au moins deux antennes d'émission, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens de prétraitement (21) dudit signal reçu comprenant : o des moyens de détermination d'une matrice représentative du canal de transmission ; o des moyens de normalisation de ladite matrice représentative du canal de transmission et dudit signal reçu, délivrant respectivement une matrice de canal normalisée (H1) et un signal reçu normalisé (F1) ; o des moyens d'approximation algébrique de ladite matrice de canal normalisée, à partir d'une matrice (U) sélectionnée dans ladite algèbre et présentant un déterminant égal à 1 ; des moyens de décodage espace/temps (22) dudit signal reçu normalisé, à l'aide de l'approximation algébrique de ladite matrice de canal normalisée. 10. A device for decoding a signal received on at least two reception antennas, said signal having undergone a space / time coding before transmission using a code constructed from an algebra on a commutative body K and being transmitted on at least two transmitting antennas, characterized in that it comprises: pretreatment means (21) for said received signal comprising: means for determining a representative matrix of the transmission channel; transmission; o normalization means of said matrix representative of the transmission channel and said received signal, respectively delivering a normalized channel matrix (H 1 ) and a normalized received signal (F 1 ); o Algebraic approximation means of said normalized channel matrix, from a matrix (U) selected in said algebra and having a determinant equal to 1; space / time decoding means (22) of said normalized received signal, using the algebraic approximation of said normalized channel matrix.
PCT/EP2009/061018 2008-09-02 2009-08-26 Method for decoding a signal subjected to a space/time encoding and corresponding decoding device WO2010026093A1 (en)

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GRAELL I AMATT A ET AL: "Space-time trellis codes for correlated channels", SIGNAL PROCESSING AND INFORMATION TECHNOLOGY, 2003. ISSPIT 2003. PROCE EDINGS OF THE 3RD IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON DARMSTADT, GERMANY 14-17 DEC. 2003, PISCATAWAY, NJ, USA,IEEE, 14 December 2003 (2003-12-14), pages 78 - 81, XP010729098, ISBN: 978-0-7803-8292-3 *

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