专利名称：提高多天线系统中发射分集的编码方法
技术领域：
本发明涉及多天线MIMO系统，特别涉及提高多天线系统中发射分集的编码方法。
背景技术：
多天线系统的现有发射分集方案中，主要有空时编码方案和循环延迟分集CDD(cyclic delay diversity)，传统的空时分组编码方案中，2发1收的alamouti方案是编码速率R＝1的满分集方案，性能最好，但扩展到发射天线数大于2时，满足正交的空时分组码编码速率R＜1，以牺牲传输速率换取可靠性。而循环延迟分集方案特别适用于频率选择性信道和多载波系统，性能没有空时分组码好，但在任何情况下的编码速率R＝1。
满足正交性的空时分组码，当发射天线数大于2时，编码速率都降低到R＝1以下，且不是满分集，严重影响到系统的吞吐率，目前急需改进空时分组码的应用环境受限问题。而CDD发射分集方案虽然在任何情况下都能保证R＝1，但这种分集扩大了频率选择性衰落，性能不如空时分组码优异。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高多天线系统中发射分集的编码方法。
为实现上述目的，一种提高多天线系统中发射分集的编码方法，包括步骤 多根天线以前后邻接为单位划分为一个发射单元； 各个发射单元之间采用空时分组码； 每个发射单元内部采用循环延迟分集CDD。
本发明有效解决了正交的空时分组码在发射天线数大于2情况下编码速率降低的问题，同时，他利用了CDD分集原理，特别适合于频率选择性信道。另外，本方案的接收机几乎没增加复杂度，是一种性能和复杂度比较折中的发射分集方案。
图1是传统CDD发射分集； 图2是传统CDD发射分集中，相邻两天线上信号示意； 图3是4个发射天线情况下的新编码方案； 图4是4个发射天线时的接收机； 图5是8个发射天线情况下的编码方案； 图6是Rayleigh衰落信道下4根发射天线时的误码率曲线； 图7是Rayleigh衰落信道下8根发射天线时的误码率曲线。
具体实施例方式 传统的Alamounti空时编码，采用2发1收的方式，具体映射方式为 这种编码方案与Alamounti编码是不同的。在时刻t，每个发送天线组上发送符号为x1，-x1*，在时刻t+T，每个发送天线组上发送符号为x2，x2*。两个符号周期发送了两个符号，编码速率R＝1 当发射天线数为4时，正交空时码的具体映射变为 即在时刻t，4根发射天线分别发送x1，x2，x3，x4，在时刻t+T，分别发送-x2，x1，-x4，x3；在时刻t+2T，分别发送-x3，x4，x1，-x2，在时刻t+3T，分别发送-x4，-x3，x2，x1，在时刻t+4T，分别发送x1*，x2*，x3*，x4*，在时刻t+5T，分别发送-x2*，-x1*，-x4*，x3*，在时刻t+6T，分别发送-x3*，x4*，x1*，-x2*，在时刻t+7T，分别发送-x4*，-x3*，x2*，x1*。
从(2)是清楚看出，8个符号时间内只发送了4个符号，该编码方案的编码速率为R＝1/2，所以系统的传输速率不高。
编码速率下降是发射天线数大于2时，空时分组码最大的缺陷。
传统的CDD发射分集方案中 如图1所示当系统采用4发射天线数时，信号经过OFDM后为时域信号，OFDM之前为频域信号，根据数字信号处理理论时域信号延时，等效于在频域偏移，也就是s(t-τ)→S(jω)e-jwτ，在频域偏移后的信号，经过OFDM后，等价于在时域做延时后的信号，等价于频域旋转，其原始频域信号等效为 其中，K为OFDM的IFFT大小，δcy为天线间的时域延时量，经过K点的OFDM后，时域信号表示为 频域的相位偏移因子可以定义为
频域编码可以表示为 CDD发射分集方案中，各发射天线上的信号如图2所示。传统CDD技术，是将时域信号作旋转，频域内是信号延迟，这是基本的数字信号处理原理。从图二可以看出CDD编码中，在时间轴上，没有延时信号和经过延时发射的信号在时间上并没有任何延时，而是在相位上有旋转。
本发明采用如下的空时分组编码方案，解决空时分组码编码速率下降的缺点 如图3所示在4个发射天线情况下的OFDM-MIMO系统中，所有发射天线以前后邻接为单位划为一个发射单元，每个发射单元内部采用CDD，各个发射单元之间采用空时分组码，具体空时分组码编码方案如下 这种编码方案与Alamounti编码是不同的。在时刻t，每个发送天线组上发送符号为x1，-x1*，在时刻t+T，每个发送天线组上发送符号为x2，x2*。两个符号周期发送了两个符号，编码速率R＝1。
经过(7)式编码后的信号输出到各个发射单元上，由于发射单元内部是CDD，所以各个发射天线上的信号可以表示为 天线组内的CDD方案与传统CDD是不同的是作相位旋转外还有共轭运算，例如第1个发射天线组内，第一根发射天线不做处理，第2个发射天线上的信号，先做共轭运算使再作相位旋转，使，以获得空间正交性。
第2个发射天线组内，第一根发射天线不做处理，第2根发射天线，做共轭---旋转---共轭运算，得到上面矩阵中的第4列信号。
为了保证各个发射天线上的信号独立性，对各发射天线作内积运算。
当 此时，各发射天线上信号完全正交，但此时整个系统的空时编码速率R＝1。
上述推导依次类推到8个发射天线的情况，如图5所示。
八根发射天线又分成四组，这四个发射天线组的空时分组码为 在时刻t，4个发送天线组上发送符号为x1，-x1*，-x1*，-x1*；时刻t+T，4个发射组上符号为-x1*，x2*，x3*，x4*，时刻t+2T，4个发射天线组上符号为-x1*，-x2*，x3*，x4*，时刻t+3T，4个发射天线组上的发射符号为-x1*，-x2*，-x3*，x4*。4个时刻发送4个符号，编码速率R＝1。
每组内有一个类似CDD的编码器，具体到每根发射天线上的信号为 上式中，每相邻的两行为一个发射天线组，每组内为类CDD编码，组间为空时分组码。与4根发身天线类似；例如第1个发射天线组内，第一根发射天线不做处理，第2个发射天线上的信号，先做共轭运算使再作相位旋转，使第二个发射天线组内，第一根天线不做处理，第二个发射天线上作先共轭，使再旋转使再共轭，第三个发射天线组内，第一根发射天线上不做处理，第二根天线上先共轭，使再做旋转使第4个发射天线组内，第一根天线上不做处理，第二根天线上先共轭，使
再旋转使再共轭，使经过这样编码后的信号空间正交。对各发射天线上的信号作内积，按照传统内积运算 当 注意，这里的Ts为符号持续周期，也就是一个OFDM符号持续的长短，Ts大小由带宽和子载波个数决定。
推广到N根发射天线情况下，N＝(2^k，k＝2，3，4，5….)将N根发射天线分成N/2组，每组二根天线，每组天线上空时编码矩阵为 此矩阵为N/2xN/2矩阵，在时刻t时，N/2个天线组分别发送第一列，时刻t+T发送第二列，t+NT/2发送第N/2列。
每组天线内部，做类CDD编码，具体编码方式为 其中
为天线组内的延时发射符号。
N＝(2^k，k＝2，3，4，5….)，第n个发射天线组来说，当n为奇数时，发射组内第二根天线作共轭--＞旋转，n为偶数时，发射组内第二根天线作共轭--＞旋转--＞共轭运算，例如第n发射组，n为奇数，组内的第一根发射天线不做处理，第二根发射天线做共轭使再做旋转，使n为偶数，组内的第一根发射天线不做处理，第二根发射天线做共轭使再做旋转，使再共轭一次，使 为了验证信号的正交性，做内积运算 当时，此时内积为零。
本发明是很简单易实现的，具体4根发射天线编码及各根天线上的信号如图3所示，8根发射天线及各根天线上信号如图4所示。
实现过程中，在OFDM多载波调制后，4根发射天线的具体空时分组码编码过程如下 1)先将4根发射天线分成两组，每组二根发射天线； 2)空时编码是针对每组天线进行的，这两组天线间编码为 3)每组天线内部采用CDD分集，与传统CDD不同的是，在发射延迟时，将信号作一次或二次共轭conj运算，这是确保信号正交的需要。具体共轭见图三。
4)通过2和3的编码，确保每根发射天线上的信号互相正交，在空间获得满分集。
8根发射天线的空时编码过程，与4根发射天线的编码过程类似 1)先将8根发射天线分成4组，每组2根发射天线； 2)空时编码针对每组天线进行，这四组天线间编码为 在时刻t，4个发送天线组上发送符号为x1，-x1*，-x1*，-x1*；时刻t+T，4个发射组上符号为-x1*，x2*，x3*，x4*，时刻t+2T，4个发射天线组上符号为-x1*，-x2*，x3*，x4*，时刻t+3T，4个发射天线组上的发射符号为-x1*，-x2*，-x3*，x4*。4个时刻发送4个符号，编码速率R＝1。
3)每组天线内部采用CDD分集，同样为确保信号正交，也需要对信号作一次或二次共轭运算； 在每个发射天线组内，第一根发射天线不做处理，第2个发射天线上的信号，先做共轭运算使再作相位旋转，使 4)通过步骤2和步骤3的编码，就可以确保每根发射天线上的信号互相正交，获得满分集增益。
显而易见，如上各个步骤的复杂度都是非常低的，说明整个编码过程是非常简单。
图4是4个发射天线时的接收机。接收机中，译码过程是编码的逆过程，与编码过程完全类似。例如，在发射天线中，依次是共轭---＞旋转---＞加循环前缀，在接收天线中，依次是消除循环前缀----)反旋转---＞共轭。达到顺利解码目的。
接收机设计 在t时刻，4根发射天线和4根接收天线情况下，每根接收天线上接收信号为 假设信道已知时，上述方程组是一个二元一次方程组，把(10)和(11)的解分成一组，再把(12)和(13)的解分成一组，把两组方程解作接收分集合并。从而获得接收分集增益。
MIMO本质上是信号在空间的复用和分集，而复用和分集又是一对矛盾，本发明提供的这种新型发射分集方案，很好的照顾到了复用和分集二者间的折中，保证发射分集的基础上又有很高的编码速率。为了验证本发明的效果，特做了如下条件下的仿真。
主要是为了比较传统CDD，传统空时分组码，和本发明中的折中编码方案性能。
仿真条件为 Rayleigh衰落信道的多普勒频移为100Hz，载波频段为3GHz。CDD中延迟发射的延迟量δ为δ＝(64/4)Ts＝16Ts和δ＝(64/8)Ts＝8Ts，确保信号正交，这是一种特定的空间交织。
在Rayleigh信道下，分别比较了传统CDD、传统空时分组码和本发明折中编码方案的性能，采用4根发射天线和8根发射天线时的误码率曲线如图6和图7所示。
从图7和图6可以看出，相比较于传统的正交4发4收空时编码，联合空时编码的性能比正交空时编码性能要差大约1dB，但传输速率要高1倍；在相同传输速率下，比循环延时分集性能要好0.5-1dB，可见，本空时频域的联合编码，具有良好的分集性能，是空时编码与循环延时分集间的最佳折衷，具有很好的应用前景。
权利要求
1.一种提高多天线系统中发射分集的编码方法，包括步骤
多根天线以前后邻接为单位划分为一个发射单元；
各个发射单元之间采用空时分组码；
每个发射单元内部采用循环延迟分集CDD。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述空时分组码包括
第一组天线上的信号为原始信号x1，x2...x[N/2]，第二组天线上的信号为第一个信号为x1的共轭取负数，剩余信号为相应原始信号取共轭；第三组天线上的信号为第一个信号为x1的共轭取负数，第二个信号为x2的共轭取负数，剩余信号为相应原始信号取共轭；以此类推第N/2组天线上的信号为x1到x[N/2]-1的共轭取负数，x[N/2]的共轭。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述空时分组码包括其中*表示取共轭，-表示取负数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述CDD包括
第一根发射天线不作处理；
将第二根发射天线上的信号做共轭运算后进行相位旋转M度或者将第二根发射天线上的信号做共轭运算后进行相位旋转M度再做共轭运算。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于
第一组天线上的信号为原始信号x1，x2...x[N/2]，第二组天线上的信号为第一个信号为x1的共轭取负数，剩余信号为相应原始信号取共轭；第三组天线上的信号为第一个信号为x1的共轭取负数，第二个信号为x2的共轭取负数，剩余信号为相应原始信号取共轭；以此类推第N/2组天线上的信号为x1到x[N/2]-1的共轭取负数，X[N/2]的共轭；
在奇数组内部的两根天线上，将第二根天线的信号进行取共轭操作，然后再进行相位旋转M度；
在偶数组内部的两根天线上，将第二根天线的信号进行取共轭操作，进行相位旋转M度，然后再进行取共轭操作；
在N根发射天线上，将信号依次发射。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于所述M为
其中K为OFDM的IFFT大小，δ是满足的取值，Ts是符号持续周期。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于所述M满足sin(M)＝0的取值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述多根天线上的信号互为正交。
全文摘要
一种提高多天线系统中发射分集的编码方法，包括步骤多根天线以前后邻接为单位划分为一个发射单元；各个发射单元之间采用空时分组码；每个发射单元内部采用循环延迟分集CDD。本发明有效解决了正交的空时分组码在发射天线数大于2情况下编码速率降低的问题，同时，它利用了CDD分集原理，特别适合于频率选择性信道。另外，本方案的接收机几乎没增加复杂度，是一种性能和复杂度比较折中的发射分集方案。
文档编号H04B7/06GK101605022SQ20081010948
公开日2009年12月16日 申请日期2008年6月12日 优先权日2008年6月12日
发明者周寒冰 申请人:三星电子株式会社, 北京三星通信技术研究有限公司