用于偶数发送天线的全分集、全速率空时区块编码的装置和方法

专利名称：用于偶数发送天线的全分集、全速率空时区块编码的装置和方法
技术领域：
本发明通常涉及一种用于在无线通信系统中提供发送天线分集的装置和方法，具体而言，涉及一种用于偶数发送(Tx)天线的空时区块编码(space-timeblock coding，STBC)的装置和方法。
背景技术：
通常，与有线信道环境中的发送信号不同，在移动通信系统的无线信道环境中，由于诸如多径干扰、屏蔽、波衰减、时变噪声、以及衰落等几种因素而不可避免地会使发送信号存在信息丢失。
信息丢失的结果可能导致实际发送信号的严重失真，降低了整个系统的性能。为了减少信息丢失，通常依据信道特征而采用多种错误控制技术来增加系统的可靠性。一种普通的错误控制技术是纠错码方法。
在无线通信系统中通过分集技术减少多径衰落。分集技术被分类为时间分集、频率分集、以及天线分集。
天线分集使用多个天线，并且还被分成使用多个接收(Rx)天线的接收天线分集、使用多个Tx天线的Tx天线分集、以及使用多个Tx天线和多个Rx天线的多路输入多路输出(MIMO)。
MIMO是将时域中存在的编码扩展到空间域的空时编码(STC)的特殊情况，目的在于获得较低的错误率，所述时间-空间编码通过多个Tx天线而传输在预定编码方法中编码的信号。
V.Tarokh等人建议将STBC作为一种有效地应用天线分集方案的方法(参见“Space-Time Block Coding from Orthogonal Designs”，IEEE Trans.On Info.，Theory，Vol.45，pp.1456-1467，July 1999)。Tarokh的STBC方案是用于两个或更多Tx天线的S.M.Alamouti的发送天线分集方案的扩展(见“A SimpleTransmit Diversity Technique for Wireless Communications”，IEEE Journal onSelected Area in Communications，Vol.16，pp.1451-1458，October 1988)。
图1是传统STBC的移动通信系统中的发送器的框图。Tarokh建议，该发送器包括调制器100、串并(S/P)转换器102、STBC编码器104、以及4个Tx天线106、108、110和112。
参考图1，调制器100根据预定调制方案调制输入的信息数据(或编码的数据)。该调制方案可以是二相相移键控(BPSK)、四相相移键控(QPSK)、正交调幅(QAM)、以及脉冲调幅(PAM)中的一个。
S/P转换器102对从调制器100中接收的串行调制符号(S1，S2，S3，S4)进行并行转换。STBC编码器104通过将4个调制符号S1、S2、S3和S4进行STBC编码而生成8个符号组合体，并且随后通过4个Tx天线106至112将其发送。用于生成8个符号组合体的编码矩阵被表达为G1=S1S2S3S4-S2S1-S4S3-S3S4S1-S2-S4-S3S2S1S1*S2*S3*S4*-S2*S1*-S4*S3*-S3*S4*S1*-S2*-S4*-S3*S2*S1*......(1)]]>其中，G4表示通过4个Tx天线106至112发送的符号的编码矩阵，S1、S2、S3和S4表示要被发送的4个输入符号。编码矩阵的列数等于Tx天线的数目，行数对应于需要发送这4个信号的时间。因而，通过4个Tx天线经过8个时间间隔发送这4个符号。
对于第1时间间隔，通过第1Tx天线106发送S1，通过第2Tx天线108发送S2，通过第3Tx天线110发送S3，通过第4Tx天线112发送S4。以这种方式，在第八时间间隔，分别通过第1至第4Tx天线106至112发送-S4*，-S3*，S2*，-S1*。STBC编码器104依次将编码矩阵中的第i列的符号提供给第i个Tx天线。
如上所述，STBC编码器104使用这4个输入符号以及它们共轭和相反数生成8个符号序列，并在8个时间间隔通过4个Tx天线106至112将其发送。由于各个Tx天线的符号序列(即编码矩阵的列)是互相正交的，因而获得与分集次序(order)一样高的分集增益。
图2是使用传统STBC方案的移动通信系统中的接收器的框图。该接收器是图1中所说明的发送器的对应部分。
该接收器包括多个Rx天线200至202、信道估计器204、信号组合器206、检测器208、并串(P-S)转换器210、以及解调器212。
参考图2，第1至第P个Rx天线200至202向信道估计器204和信号组合器206提供从图1中所说明的发送器的4个Tx天线中接收的信号。
信道估计器204使用从第1至第P个Rx天线200至202中接收的信号来估计用于描述在Tx天线106至112与Rx天线200至202之间发生的信道增益的信道系数。
信号组合器206将从第1至第P个Rx天线200至202接收中的信号与信道系数组合。
检测器208通过将所组合的符号乘以信道系数而生成假定符号(hypothesis symbol)，使用该假定符号为来自发送器的所有可能发送的符号计算判定统计值，并通过阈值检测来检测实际发送的符号。
P/S转换器210将从检测器208接收到的并行符号进行串行转换。解调器212解调该串行符号序列，从而恢复原始信息位。
如前所述，Alamouti的STBC技术提供获得与Tx天线的数目一样高的分集次序的优点，即完全分集次序，而不用仅仅通过两个Tx天线发送复数符号来牺牲数据率。
根据Alamouti的STBC方案扩展的Tarokh的STBC方案使用如参考图1和2所描述的具有正交列的矩阵形式的STBC而获得完全分集次序。然而，因为在8个时间间隔发送4个复数符号，所以Tarokh的STBC方案造成数据率降低大约50％。此外，由于其花费8个时间间隔来完全发送一个具有4个复数符号的区块，所以由于经过快速衰落信道使得信道在区块内改变而降低了接收性能。换句话说，对于N个符号，通过4个或更多Tx天线发送复数符号需要2N个时间间隔，这导致更长的延迟时间并降低数据率。
为了在通过三个或更多Tx天线发送复数信号的MIMO系统中获得全速率，Giannakis组介绍了在复数域上使用星座旋转的、用于4个Tx天线的全分集、全速率(FDFR)STBC。
下面将描述该FDFR STBC方案。
图3是在使用传统Giannakis的STBC方案的移动通信系统中的发送器的框图。如图3中所说明的，该发送器包括调制器300、预编码器302、空时映射器304、以及多个Tx天线306、308、310和312。
参考图3，调制器300根据诸如BPSK、QPSK、QAM、PAM或PSK的预定调制方案调制输入的信息数据(或编码的数据)。
预编码器302预编码从调制器300中接收的Nt个调制符号d1、d2、d3、d4，使得在信号空间中发生信号旋转，并且输出所得的Nt符号。为了表达简单，假定是4个Tx天线。用d来表示来自于调制器300的4个调制符号的序列。预编码器302通过使用等式(2)计算调制符号序列d而生成复数矢量r。
r=Θd1α01α02α031α11α12α131α21α22α231α31α32α33d1d2d3d4=r1r2r3r4......(2)]]>其中，Θ表示预编码矩阵。Giannakis组使用Vandermonde酉矩阵作为预编码矩阵。在该预编码矩阵中，αi被给定为αi＝exp(j2π(i+1/4)/4)，i＝0，1，2，3......(3)Giannakis的STBC方案使用4个Tx天线，并且能被很容易地扩展为多于4个Tx天线。空时映射器304以下面方法对预编码的符号进行STBC编码。
S=r10000r20000r30000r4......(4)]]>其中，S是用于通过4个Tx天线306至312而发送的符号的编码矩阵。编码矩阵的列数等于Tx天线的数目，行数对应于发送这4个符号所需的时间。也就是说，通过4个Tx天线经过4个时间间隔发送这4个符号。
特别地，对于第1时间间隔，通过第1Tx天线306发送r1，而不通过其它Tx天线308、310和312发送信号。对于第2时间间隔，通过第2Tx天线308发送r2，而不通过其它Tx天线306、310和312发送信号。对于第3时间间隔，通过第3Tx天线310发送r3，而不通过其它Tx天线306、308和312发送信号。对于第4时间间隔，通过第4Tx天线312发送r4，而不通过其它Tx天线306、308和310发送信号。
在4个时间间隔上，在接收到无线信道上的4个符号之后，接收器(未示出)使用最大似然(ML)解码来恢复调制符号序列d。
2003年，Taejin Jung和Kyunwhoon Cheun提出了相对于Giannakis的STBC具有更出色的编码增益的预编码器和链接码。他们通过链接Alamouti的STBC而不是使用Giannakis组所建议的对角矩阵来提高编码增益。出于方便的原因，将他们的STBC称为“Alamouti FDFR STBC”。
下面将描述Alamouti FDFR STBC。图4是在使用用于4个Tx天线的传统的Alamouti FDFR STBC的移动通信系统中的发送器的框图。如图4中所说明的，该发送器包括预编码器400、映射器402、延迟器404、两个Alamouti编码器406和408、以及4个Tx天线410、412、414和416。
参考图4，预编码器400预编码4个输入的调制符号d1、d2、d3、d4，使得在信号空间中发生信号旋转。对于输入的4个调制符号的序列d，预编码器400通过如下计算而生成复数矢量rr=Θd=1α01α02α031α11α12α131α21α22α231α31α32α33d1d2d3d4=r1r2r3r4......(5)]]>其中，αi＝exp(j2π(i+1/4)/4)，i＝0，1，2，3。
映射器402将4个预编码的符号分成两组，并将其每个包括两个元素[r1，r2]T和[r3，r4]T的两个矢量分别输出到Alamouti编码器406和延迟器404。
延迟器404将第2个矢量[r3，r4]T延迟一个时间间隔。这样，在第1时间间隔向Alamouti编码器406提供第1矢量[r1，r2]T，在第2时间间隔向Alamouti编码器408提供第2矢量[r3，r4]T。Alamouti编码器指的是以Alamouti的STBC方案操作的编码器。
Alamouti编码器406编码[r1，r2]T，使其在第1和第2时间间隔通过第1和第2Tx天线410、412被发送。Alamouti编码器408编码[r3，r4]T，使其在第3和第4时间间隔通过第3和第4Tx天线414和416被发送。用于通过多个天线从映射器402发送4个符号的编码矩阵为S=r1r200-r2*r1*0000r3r400-r4*r3*]]>
……(6)与等式(4)中所示的编码矩阵不同，等式(6)的编码矩阵被设计为Alamouti的STBC而不是对角矩阵。使用Alamouti STBC方案增加了编码增益。
然而，因为发送器需要为预编码执行所有的预编码矩阵元素与输入矢量之间的计算，所以该Alamouti FDFR STBC具有增加编码复杂程度的明显缺点。例如，对于4个Tx天线，由于0没有包括在预编码矩阵的元素中，所以必须对16个元素进行计算。而且，为了解码发送器发送的信号d，接收器需要执行具有大量计算的最大似然(ML)解码。
因而，需要开发具有最小复杂程度和最小计算量的FDFR STBC技术。

发明内容
本发明的目的是基本解决至少上述问题和/或缺点并且提供至少下述优点。因此，本发明的目的是提供一种用于在MIMO移动通信系统中获得全分集增益和全速率的空时区块编码的装置和方法。
本发明的另一目的是提供一种用于在MIMO移动通信系统中最小化编码和解码复杂程度的空时区决编码的装置和方法。
本发明的还一目的是提供一种用于在MIMO移动通信系统中获得全分集增益和全速率并且减小编码和解码复杂程度的空时区块编码的装置和方法。
本发明的再一目的是提供一种用于在使用偶数个Tx天线的移动通信系统中获得全分集增益和全速率并且减小编码和解码复杂程度的空时区决编码的装置和方法。
本发明的又一目的是提供一种在MIMO移动通信系统中用于偶数个Tx天线的空时区块编码的装置和方法。
通过提供使用具有偶数个Tx天线的STBC方案的移动通信系统而达到上述目的。
根据本发明的一个方面，在使用偶数(Nt)个Tx天线的发送器中，预编码器使用预编码矩阵对输入符号序列进行预编码。预编码矩阵是通过以预定方法穿孔(puncture)酉矩阵而生成的矩阵。空时编码器使用预定编码矩阵对从预编码器中接收的预编码的符号序列进行空时编码。
根据本发明的另一方面，在使用具有偶数(Nt)个Tx天线的空时编码方案的移动通信系统的接收器中，矩阵生成器将信道响应矩阵H乘以预定的预编码矩阵Θ，并且计算乘积矩阵的Hermitian矩阵(HΘ)H。信号组合器通过将经由至少一个接收天线接收的信号乘以Hermitian矩阵(HΘ)H来计算尺寸为Nt的矢量，并将该矢量分成两个矢量。
根据本发明的还一方面，在使用偶数(Nt)个发送天线的发送器的发送方法中，使用预编码矩阵对输入的符号序列进行预编码。预编码矩阵是通过以预定方法穿孔酉矩阵而生成的矩阵。使用预定的编码矩阵对预编码的符号序列进行空时编码。
根据本发明的另一方面，在使用具有偶数(Nt)个发送天线的空时编码方案的移动通信系统的接收方法中，将信道响应矩阵H乘以预定的预编码矩阵Θ，并且计算乘积矩阵的Hermitian矩阵(HΘ)H。通过将经由至少一个接收天线而接收的信号乘以Hermitian矩阵(HΘ)H来计算尺寸为Nt的矢量，并将该矢量分成两个矢量。在预定的解码方法中，通过对从信号组合器中接收的两个矢量中的每一个进行解码而估计从发送器发送的符号。
根据本发明的另一方面，在其中发送数据被预编码且然后被空时编码的系统中生成预编码矩阵的方法中，生成酉矩阵，酉矩阵中的一半的列被穿孔，并且通过顺序地将所穿孔的矩阵的行分成两组并移位每组的一行而生成预编码矩阵。


本发明的上述和其它目的、特征和优点从下面结合附图的详细描述中将变得更明显，其中图1是使用传统STBC方案的移动通信系统中的发送器的框图；图2是使用传统STBC方案的移动通信系统中的接收器的框图；图3是使用Giannakis的STBC方案的移动通信系统中的发送器的框图；图4是使用由Taejin Jung和Kyungwhoon Cheun提出的具有4个Tx天线的Alamouti FDFR STBC方案的移动通信系统中的接收器的框图；图5是根据本发明的实施例的、使用用于偶数个Tx个天线的STBC方案的MIMO移动通信系统中的发送器的框图；图6是根据本发明的实施例的、在预编码器中的预编码矩阵生成器的详细框图；
图7是用于说明图5中所示的发送器中的发送操作的流程图；图8是根据本发明的实施例的、在使用用于偶数个Tx天线的STBC方案的MIMO移动通信系统中的接收器的框图；以及图9是用于说明图8中所示的接收器中的接收操作的流程图。
具体实施例方式
下面将参考附图描述本发明的优选实施例。在下面的描述中，没有详细描述众所周知的功能或结构，因为它们可能在不必要的细节上混淆本发明。
本发明是用于在MIMO移动通信系统中提供具有低编码和解码复杂程度的FDFR STBC的装置和方法。
依据本发明，FDFR STBC方法用于偶数个Tx天线。发送器使用如TaejinJung和Kyungwhoon Cheun所提出的4个Tx天线，并被构造为类似于使用STBC的发送器。即，本发明提出了能将Tx天线的数目扩展为2N(N＞1)的Alamouti FDFR STBC。
图5是根据本发明的实施例的、在使用2N(N＞1)个Tx天线的STBC方案的MIMO移动通信系统中的发送器的框图。
如所说明的，发送器包括预编码器500、映射器502、多个延迟器504至506、多个Alamouti编码器508至512、以及2N(N＞1)个Tx天线514至524。
参考图5，通常在编码器中编码信息数据并在解调器中解调信息数据。该预编码器500预编码Nt个调制符号，[d1，d2，…，dNt]，使得在信号空间中发生信号旋转，并且输出具有Nt个符号的矢量[r1，r2，…，rNt]。根据本发明，预编码器500以预编码矩阵来编码输入的符号，从而生成复数矢量r。后面将更详细地描述该预编码矩阵。
映射器502将Nt个符号分成二个组，并且输出Nt/2个其每个具有两个元素的矢量，[r1，r2]，[r3，r4]，…，[rNt-1，rN]。
向Alamouti编码器508提供第1矢量[r1，r2]T，并且将其它矢量提供给其各自相应的延迟器504至506。
第1延迟器504将第2矢量[r3，r4]T缓冲一个时间间隔，并且将它输出到Alamouti编码器510。第2延迟器(未示出)将[r5，r6]T缓冲两个时间间隔，并且将它输出到第3 Alamouti编码器(未示出)。以同样方式，第(Nt/2-1)延迟器506将[rNt-1，rNt]T缓冲(Nt/2-1)个时间间隔，并且将它输出到第(Nt/2-1)个Alamouti编码器512。这里，Alamouti编码器指的是以Alamouti STBC方案编码的编码器。
Alamouti编码器508编码[r1，r2]T，从而通过第1和第2Tx天线514和516在第1和第2时间间隔将其发送。Alamouti编码器510编码[r3，r4]T，从而通过第3和第4Tx天线518和520在第3和第4时间间隔将其发送。以同样方式，Alamouti编码器512编码[rNt-1，rNt]T，从而通过第(Nt-1)和第Nt个Tx天线522和524在第(Nt-1)和第Nt个时间间隔将其发送。将来自于Alamouti编码器508至512的多个天线信号提供给其各自相应的RF处理器。RF处理器将输入信号转换成模拟信号，并且将该模拟信号调制成RF信号，以通过Tx天线514至524在空中传输。
给定Nt个Tx天线，用于通过多个天线发送预编码器500的输出r的编码矩阵是 其中，矩阵S的第i行表示在第i个时间间隔的传输，第j列表示通过第j个Tx天线的传输。特别地，r1和r2是在第1时间间隔分别通过第1和第2Tx天线514和516发送的。-r2*和r1*是在第2时间间隔分别通过第1和第2Tx天线514和516发送的。以同样方式，rNt-1和rNt是在第(Nt-1)个时间间隔分别通过第(Nt-1)和第Nt个Tx天线522和524发送的。最后，-rNt*和rNt-1*是在第Nt个时间间隔分别通过第(Nt-1)和第Nt个Tx天线522和524发送的。
下面将描述图5中所说明的预编码器500的操作。
图6是根据本发明的实施例的预编码器500中的预编码矩阵生成器的详细框图。
如所说明的，预编码矩阵生成器包括矩阵生成器600、穿孔器602、以及移位器604。
参考图6，矩阵生成器600根据Tx天线的数目生成Vandermonde矩阵。对于Nt个Tx天线，生成Nt×Nt的Vandermonde矩阵。
穿孔器602穿孔Nt×NtVandermonde矩阵中的 个列。该穿孔是将 列的元素替换为0。
移位器604对所穿孔的Vandermonde矩阵中的偶数行进行移位，从而将非穿孔元素移动到穿孔位置。为了同样的效果，可以移位奇数行，或将行分成两组，并且移位每一组的一行。
如上所描述的，通过穿孔Nt×Nt矩阵中的 个元素而生成预编码矩阵，因而根据本发明大大降低了编码和解码复杂程度(计算量)。在本发明的上述实施例中，当预编码器500生成预编码矩阵时，还可以想到另一实施例，即将预先生成的预编码矩阵存储在存储器中，当需要时由预编码器500读取以供预编码使用。
预编码矩阵生成器的操作被总结为如下。
(1)生成Vandermonde矩阵生成下面所示的Nt×NtVandermonde矩阵，如前所述，Nt是Tx天线的数目。
其中，αi＝exp(j2π(i+1/4)/Nt)，i＝0，1，2，…，Nt-1(2)穿孔Vandermonde矩阵通过将 个元素替换为0而穿孔Nt×NtVandermonde矩阵中的 个元素。所得的穿孔矩阵是 (3)移位穿孔矩阵中的偶数行通过移位所穿孔的Nt×NtVandermonde矩阵中的偶数行而生成最终的预编码矩阵。所述移位将非穿孔元素移到偶数行中的穿孔位置。因而， 即使将αi设置为α0＝α1，α2＝α3，以及αNt-2＝αNt-1，在性能上也没有变化。除了移位偶数行，也可以移位奇数行，效果相同。
如上所描述的，对于Nt个Tx天线，预编码器500的操作被实现为 其中，_d1，d2，…，dNt-1，dNt_是到预编码器500的输入符号序列，以及_r1，r2，…，rN-1，rNt_是来自预编码器500的输出符号序列。
这样设计的预编码矩阵Θ的元素必须被优化，以最大化编码增益。通过数学计算或仿真做到这一点。
依据本发明的实施例，通过仿真而获得具有最大编码增益的预编码矩阵Θ。下面说明这些预编码矩阵。
对于有4个天线的Alamouti FDFR STBC系统，可获得下面的预编码矩阵Θ。
Θ=121e-jθ000001e-jθ01e-jθ100001e-jθ1......(12)]]>其中，0≤θ0，θ1≤2π，以及|θ1-θ2|＝180°对于有6个天线的Alamouti FDFR STBC系统，可获得下面的预编码矩阵Θ。
Θ=131e-j59πe-j109π0000001e-j59πe-j109π1e-j119πe-j49π0000001e-j119πe-j49π1e-j179πe-j1690000001e-j179e-j169π......(13)]]>对于有8个或更多个天线的Alamouti FDFR STBC系统，可获得下面的预编码矩阵Θ。
αi＝exp(j2π(i+1/4)/Nt)，i＝0，1，2，…，Nt/2-1。
现在描述图5中所说明的发送器的操作。
图7是用于说明在使用根据本发明的实施例的2N(N＞1)个Tx天线的STBC方案的MIMO移动通信系统中的发送器的流程图。
参考图7，在步骤700中，发送器接收要被发送的数据流d([d1，d2，…dNt-1，dNt])。d可以是被编码的和被调制的复数符号序列。在步骤702中，发送器通过使用预定的预编码矩阵Θ来编码输入的数据流而生成预编码的符号序列r([r1，r2，…rNt-1，rNt])。如前所述，通过穿孔Vandermoude矩阵的一半并移位行而生成Θ。由于该一半矩阵的穿孔，预编码矩阵显著降低了编码和解码复杂程度。
在步骤704中，发送器将符号序列r分成两组，并且对分组的符号执行空时映射，特别地， 将Nt个符号分组成Nt/2个矢量，每个矢量具有两个元素。
然后，在步骤706中，发送器将时间索引i设置为初始值0，并且在步骤708中将i与Nt(Tx天线的数目)比较。如果i小于Nt，则发送器在步骤710中接收具有预编码的符号序列r的第i和第(i+1)个符号的矢量。
在步骤712中，发送器将所接收的矢量延迟 个时间间隔。因而，通过两个Tx天线无时间延迟地发送初始输入(即第1和第2符号)。将后面的符号进行延迟并且通过相应的Tx天线发送。
在时间延迟之后，在步骤714中，发送器以Alamouti STBC方案对所接收的具有两个符号的矢量进行编码，并且通过两个Tx天线发送所编码的矢量。特别地，将多个经STBC编码的天线信号调制为RF信号，并且通过其相应的天线进行发送。
在步骤716中，发送器将i增加2，并返回到步骤708。
在步骤708中，如果i等于或大于Nt，则发送器结束该算法，确定已完全发送完传输数据。
图8是在使用根据本发明的实施例的2N(N＞1)个Tx天线的STBC方案的MIMO移动通信系统中的接收器的框图。图8中所示的接收器是图5中所说明的发送器的对应部分。
如图8中所说明的，接收器包括P个Rx天线800至804、信道估计器806、(HΘ)H生成器808、信号组合器810、以及两个信号决定器812和814。尽管是在假定发送器中的Tx天线的数目不同于接收器中的Rx天线的数目的情况下描述本发明的实施例的，但是Tx的数目与Rx天线的数目可以是相同的。
参考图8，从图5中发送器的Tx天线514至524发送的信号到达第1到第P个Rx天线800至804。通常，所接收的信号被RF处理器下转换成基带信号，并被提供给信道估计器806和信号组合器810。
信道估计器806根据所接收的信号来估计描述信道增益的信道系数。(HΘ)H生成器808利用信道系数来构造信道响应矩阵H，并且通过将信道响应矩阵H与已知预编码矩阵Θ相乘而计算Hermitian矩阵(HΘ)H。
信号组合器810通过将从第1至第P个Rx天线800至804接收的信号与Hermitian矩阵(HΘ)H相乘而生成所接收的符号序列。将符号序列中的第1到第(Nt/2)个符号提供给第1信号决定器812，并且将第(Nt/2+1)至第Nt个符号提供给第2信号决定器814。
信号决定器812通过例如对从信号组合器810中接收的尺寸为 的矢量执行ML解码而估计发送器所发送的符号，并且输出所估计的符号 信号决定器814通过例如对从信号组合器810中接收的尺寸为 的矢量执行ML解码而估计发送器所发送的符号，并且输出所估计的符号 通过等式(17)实现信号决定器812和814的操作。在解调器中解调所估计的符号，并在解码器中将其恢复为原始信息数据。
尺寸为 的ML解码相对于尺寸为Nt，的已有ML解码在相当大的程度上降低了计算量。
以数学术语将接收器的操作总结为如下。
以一个Rx天线为例，所接收的信号是y＝Hr＝HΘd+n……(15)其中，y=[y1y2*...yNt-1yNt*]T,]]>即，y是包括在Nt个时间间隔接收的信号的矢量y1，y2，…yNt-1yNt和它们的共轭的矢量。因而，将该矢量y乘以(HΘ)H来估计从发送器发送的信号d=[d1,d2,…,dNt-1,dNt]T.]]>该操作被表达为y'=(HΘ)Hy=(HΘ)HHΘd+(HΘ)Hn=A00Ad1d2...dNt-1dNt+(HΘ)Hn1'n2'*n3'...nNt-1'n'*Nt]]>
......(16)其中，A表示Nt2×Nt2]]>矩阵。
等式(16)显示二结果矢量可以被分成尺寸为 的两个矢量(d1，d2，…dNt/2)和(dNt/2+1，dNt/2+2，…dNt)，并且可以对两个矢量的每个矢量执行ML解码。
通过下面等式确定发送器所发送的信号d~1,2,...,Nt/2=argd1,2,...,Nt/2min||y1,2,...,Nt/2'-Ad1,2,...,Nt/2||2]]>d~Nt/2+1,...,Nt=argdNt/2+1,...,Ntmin||yNt/2+1,...,Nt'-AdNt/2+1,...,Nt||2......(17)]]>其中d~1,2,...,Nt/2=[d~1,...,d~Nt/2],]]>d~Nt/2+1,...,Nt=[d~Nt/2+1,...,d~Nt],]]>d1,2,...,Nt/2=[d1,...,dNt/2],]]>dNt/2+1,...,Nt=[dNt/2+1,...,dNt],]]>y1,2,...,Nt/2'=[y1',...,yNt/2'],]]>以及yNt/2+1,...,Nt'=[yNt/2+1',...,yNt']]]>即，对于偶数(Nt)个Tx天线，通过其每个具有 个元素的ML解码矢量而执行Alamouti FDFR STBC解码。
下面将描述图8中所说明的接收器的操作。
图9是用于说明在使用根据本发明的实施例的2N(N＞1)个Tx天线的STBC方案的MIMO移动通信系统中的接收器的接收操作的流程图。
参考图9，在步骤900中，接收器使用通过Rx天线接收的信号来计算描述发送器和接收器之间的信道增益的信道系数。
在步骤902中，接收器使用所估计的信道系数生成信道响应矩阵H，并且通过将信道响应矩阵H乘以预编码矩阵Θ而生成Hermitian矩阵(HΘ)H在步骤904中，接收器通过将Hermitian矩阵(HΘ)H乘以所接收的信号y而生成具有Nt个元素的矢量。在步骤906中，接收器将该矢量分成两个矢量，并且对两个矢量中的每一个进行ML解码，因而决定从发送器发送的符号。通过解调和解码而将这些符号恢复为原始信息数据。
在比较传统STBC方案和本发明的STBC方案的解码复杂程度方面，对于2m个复数信号来说，Taejin Jung和Kyungwhoon Cheun的Alamouti FDFRSTBC中的预编码器具有(2m)4的解码复杂程度，而本发明的预编码器具有2×(2m)2的远远小的解码复杂程度。
例如，对于16QAM，在传统预解码器中的解码复杂程度是Cold＝(24)4＝216，而在本发明的预编码器中的解码复杂程度是Cnew＝2(24)2＝29。因而，CnewCold=0.0078,]]>这意味着本发明相当大程度地降低了计算量。
可以得出，与Alamouti FDFR STBC方案相比，本发明的STBC方案获得了几乎相同的性能，并且也最小化了计算量和复杂程度。
如上所述，本发明的有效的STBC编码和解码算法使得可以实现高可靠性的通信系统。与使用预编码器的传统FDFR STBC方案相比，本发明的STBC方案大大降低了解码复杂程度，保证了优秀的性能。
尽管已参考本发明的某个优选实施例示出和描述了本发明，但是本领域内的普通技术人员可以理解，在不脱离由本发明所附的权利要求书所定义的精神和范围的情况下，可以做出各种形式上和细节上的改变。
权利要求
1.一种具有偶数Nt个发送天线的发送器，包括预编码器，使用预编码矩阵对输入的符号序列进行预编码，通过穿孔酉矩阵而生成所述预编码矩阵；以及空时编码器，使用编码矩阵对从预编码器接收的预编码符号序列进行空时编码。
2.根据权利要求1所述的发送器，其中，所述空时编码器包括映射器，用于通过将预编码的符号分为两组而生成多个矢量；以及多个编码器，用于以Alamouti编码方案编码每个矢量，并且通过两个天线发送每个所编码的矢量。
3.如权利要求2所述的发送器，其中，所述多个编码器中的第i个编码器以Alamouti编码方案编码第i个矢量，并且在第2i-1个和第2i个时间间隔通过两个天线发送所编码的矢量，其中i=1,2,3,...,Nt2.]]>
4.根据权利要求1所述的发送器，其中，所述编码矩阵是 其中，r1，r2，…，rNt是从预编码器中输出的符号序列，矩阵S中的第i行表示在第i个时间间隔的传输，第j列表示通过第j个Tx天线的传输。
5.根据权利要求1所述的发送器，其中，通过穿孔Nt×Nt的Vandermonde矩阵中的 列，然后将所穿孔的矩阵的行分为两组，并移位每一组的一行而生成所述预编码矩阵。
6.根据权利要求1所述的发送器，其中，如果发送天线的数目是4，即Nt＝4，则所述预编码矩阵是Θ=121e-jθ000001e-jθ01e-jθ100001e-jθ1]]>其中0≤θ0，θ1≤2π，以及|θ1-θ2|＝180°。
7.根据权利要求1所述的发送器，其中，如果发送天线的数目是6，即Nt＝6，则预编码矩阵是Θ=131e-j59πe-j109π0000001e-j59πe-j109π1e-j119πe-j49π0000001e-j119πe-j49π1e-j179πe-j169π0000001e-j179πe-j169π.]]>
8.根据权利要求1所述的发送器，其中，对于偶数个发送天线，即Nt＝偶数，则预编码矩阵是 其中αi＝exp(j2π(i+1/4)/Nt)，i＝0，1，2，…，Nt/2-1。
9.根据权利要求1所述的发送器，还包括编码器，用于编码传输数据；调制器，用于调制从编码器接收的编码符号，并且将所调制的符号提供给预编码器；以及射频RF调制器，用于将从空时编码器中接收的多个天线信号调制成RF信号，并且将该RF信号输出到天线。
10.一种其中传输数据被预编码且然后被空时编码的系统中的预编码矩阵生成器，包括矩阵生成器，用于生成酉矩阵；穿孔器，用于穿孔酉矩阵中一半的列；以及移位器，用于通过依次地将所穿孔的矩阵的行分成两组并且移位每组的一行而生成预编码矩阵。
11.根据权利要求10所述的预编码矩阵生成器，其中，所述酉矩阵是Vandermonde矩阵。
12.根据权利要求10所述的预编码矩阵生成器，其中，对于4个发送天线，所述预编码矩阵是Θ=121e-jθ000001e-jθ01e-jθ100001e-jθ1]]>其中0≤θ0，θ1≤2π，以及|θ1-θ2|＝180°。
13.根据权利要求10所述的预编码矩阵生成器，其中，对于6个发送天线，所述预编码矩阵是Θ=131e-j59πe-j109π0000001e-j59πe-j109π1e-j119πe-j49π0000001e-j119πe-j49π1e-j179πe-j169π0000001e-j179πe-j169π.]]>
14.根据权利要求10所述的预编码矩阵生成器，其中，对于Nt个发送天线，所述预编码矩阵是 其中αi＝exp(j2π(i+1/4)/Nt)，i＝0，1，2，…，Nt/2-1。
15.一种使用具有偶数Nt个发送天线的空时编码方案的移动通信系统中的接收器，包括矩阵生成器，将信道响应矩阵H乘以预编码矩阵Θ，并且计算乘积矩阵的Hermitian矩阵(HΘ)H；以及信号组合器，通过将经由至少一个接收天线接收的信号乘以Hermitian矩阵(HΘ)H而计算尺寸为Nt的矢量，并将该矢量分成两个矢量。
16.根据权利要求15所述的接收器，还包括信号决定器，用于根据解码方法通过对从信号组合器中接收的两个矢量中的每一个进行解码来估计发送器所发送的符号。
17.根据权利要求15所述的接收器，其中，所述解码方法是最大似然ML解码。
18.根据权利要求15所述的接收器，其中，通过穿孔Nt×Nt的Vandermonde矩阵中的 列，然后将所穿孔的矩阵的行分为两组，并移位每一组的一行而生成所述预编码矩阵。
19.根据权利要求15所述的接收器，其中，如果发送天线的数目是4，即Nt＝4，则所述预编码矩阵是Θ=121e-jθ000001e-jθ01e-jθ100001e-θ1]]>其中0≤θ0，θ1≤2π，以及|θ1-θ2|＝180°。
20.根据权利要求15所述的接收器，其中，如果发送天线的数目是6，即Nt＝6，则预编码矩阵是Θ=131e-j59πe-j109π0000001e-j59πe-j109π1e-j179πe-j49π0000001e-j119πe-j49π1e-j179πe-j169π0000001e-j179πe-j169π.]]>
21.根据权利要求15所述的接收器，其中，对于偶数个发送天线，即Nt＝偶数，则预编码矩阵是 其中αi＝exp(j2π(i+1/4)/Nt)，i＝0，1，2，…，Nt/2-1。
22.根据权利要求16所述的接收器，还包括射频RF处理器，用于将通过至少一个接收天线接收的信号下转换为基带信号，并将该基带信号提供给信道估计器和信号组合器；信道估计器，用于使用基带信号计算信道响应矩阵H；解调器，用于解调从信号决定器中接收的所估计的符号；以及解码器，用于对从解调器中接收的所解调的符号进行解码。
23.一种使用偶数Nt个发送天线的发送器中的发送方法，包括步骤使用预编码矩阵对输入的符号序列进行预编码，所述预编码矩阵是通过穿孔酉矩阵而生成的；以及使用编码矩阵对预编码的符号序列进行空时编码。
24.根据权利要求23所述的发送方法，其中，所述空时编码步骤包括下述步骤通过将预编码的符号序列的符号分为两组而生成多个矢量；以及以Alamouti编码方案编码每个矢量，并且通过两个天线发送每个所编码的矢量。
25.如权利要求24所述的发送方法，其中，所述编码和发送步骤包括步骤以Alamouti编码方案编码多个矢量中的第i个矢量，并且在第2i-1个和第2i个时间间隔通过两个天线发送编码矢量，其中i=1,2,3,...,Nt2.]]>
26.根据权利要求23所述的发送方法，其中，所述编码矩阵是 其中，r1，r2，…，rNt是预编码的符号序列，矩阵S中的第i行表示在第i个时间间隔的传输，第j列表示通过第j个Tx天线的传输。
27.根据权利要求23所述的发送方法，其中，通过穿孔Nt×Nt的Vandermonde矩阵中的 列，然后将所穿孔的矩阵的行分为两组，并移位每一组的一行而生成所述预编码矩阵。
28.根据权利要求23所述的发送方法，其中，如果所述发送天线的数目是4，即Nt＝4，则所述预编码矩阵是Θ=121e-jθ000001e-jθ01e-jθ000001e-jθ0]]>其中0≤θ0，θ1≤2π，以及|θ1-θ2|＝180°。
29.根据权利要求23所述的发送方法，其中，如果所述发送天线的数目是6，即Nt＝6，则预编码矩阵是Θ=131e-j59πe-j109π0000001e-j59πe-j109π1e-j119πe-j49π0000001e-j119πe-j49π1e-j179πe-j169π0000001e-j179πe-j169π.]]>
30.根据权利要求23所述的发送方法，其中，对于偶数个发送天线，即Nt＝偶数，则所述预编码矩阵是 其中αi＝exp(j2π(i+1/4)/Nt)，i＝0，1，2，…，Nt/2-1。
31.根据权利要求23所述的发送方法，还包括下述步骤通过编码传输数据而生成编码符号；调制编码符号，并且提供所调制的符号用于预编码；以及将空时编码而产生的多个天线信号调制成射频RF信号，并且发送该RF信号。
32.一种在其中传输数据被预编码且然后被空时编码的系统中生成预编码矩阵的方法，包括步骤生成酉矩阵；穿孔酉矩阵中一半的列；以及通过依次地将所穿孔的矩阵的行分成两组并且移位每组的一行而生成预编码矩阵。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述酉矩阵是Vandermonde矩阵。
34.根据权利要求32所述的方法，其中，对于4个发送天线，所述预编码矩阵是Θ=121e-jθ000001e-jθ01e-jθ100001e-jθ1]]>其中0≤θ0，θ1≤2π，以及|θ1-θ2|＝180°。
35.根据权利要求32所述的方法，其中，对于6个发送天线，所述预编码矩阵是Θ=131e-j59πe-j109π0000001e-j59πe-j109π1e-j119πe-j49π0000001e-j119πe-j49π1e-j179πe-j169π0000001e-j179πe-j169π.]]>
36.根据权利要求32所述的方法，其中，对于Nt个发送天线，所述预编码矩阵是 其中αi＝exp(j2π(i+1/4)/Nt)，i＝0，1，2，…，Nt/2-1。
37.一种在使用具有偶数Nt个发送天线的空时编码方案的移动通信系统中的接收方法，包括步骤将信道响应矩阵H乘以预编码矩阵Θ，并且计算乘积矩阵的Hermitian矩阵(HΘ)H；通过将经由至少一个接收天线接收的信号乘以Hermitian矩阵(HΘ)H而计算尺寸为Nt的矢量并将该矢量分成两个矢量；以及根据解码方法通过对从信号组合器中接收的两个矢量中的每一个进行解码而估计发送器所发送的符号。
38.根据权利要求37所述的接收方法，其中，所述解码方法是最大似然ML解码。
39.根据权利要求37所述的接收方法，其中，通过穿孔Nt×Nt的Vandermonde矩阵中的 列，然后将所穿孔的矩阵的行分为两组，并移位每一组的一行而生成所述预编码矩阵。
40.根据权利要求37所述的接收方法，其中，如果发送天线的数目是4，即Nt＝4，则所述预编码矩阵是Θ=121e-jθ000001e-jθ01e-jθ100001e-jθ1]]>其中0≤θ0，θ1≤2π，以及|θ1-θ2|＝180°。
41.根据权利要求37所述的接收方法，其中，如果发送天线的数目是6，即Nt＝6，则预编码矩阵是Θ=131e-j59πe-j109π0000001e-j59πe-j109π1e-j119πe-j49π0000001e-j119πe-j49π1e-j179πe-j169π0000001e-j179πe-j169π.]]>
42.根据权利要求37所述的接收器，其中，对于偶数个发送天线，即Nt＝偶数，则预编码矩阵是 其中αi＝exp(j2π(i+1/4)/Nt)，i＝0，1，2，…，Nt/2-1。
43.根据权利要求37所述的接收方法，还包括步骤使用通过至少一个天线接收的信号而计算信道响应矩阵H；解调所估计的符号；以及通过对所解调的符号进行解码而恢复原始信息数据。
全文摘要
提供了一种使用具有偶数个Tx天线的STBC方案的移动通信系统。在具有偶数个Tx天线的发送器中，预编码器使用预编码矩阵对输入的符号序列进行预编码。通过穿孔酉矩阵而生成所述预编码矩阵。空时编码器使用编码矩阵对从预编码器接收的预编码符号序列进行空时编码。
文档编号H04B7/06GK1973448SQ200580020458
公开日2007年5月30日 申请日期2005年6月21日 优先权日2004年6月21日
发明者郑鸿实, 蔡赞秉, 朴东植, 金宰烈 申请人:三星电子株式会社