单空间－时间码信号的多天线发射方法、接收方法及相应信号.pdf

本发明提出了一种发送由一些相继的各包括N个需发送的符号的向量形成的信号和用至少两个发射机天线来实现的方法。按照本发明，通过分割一个单正方矩阵得到的不同的子矩阵与各个所述天线关联，每个所述天线发送通过将所述向量的子向量分别乘以所述子矩阵得到的子向量，从而形成一个从接收机看来表示所述向量与所述酉矩阵相乘的单个组合信号。

1.  一种用于发送由一些相继的各包括N个需发送的符号的向量形成的信号和利用至少两个发射机天线的方法，其特征在于将通过分割一个单正方矩阵得到的不同的子矩阵与各个所述天线关联，每个所述天线发送通过将所述向量的子向量分别乘以所述子矩阵得到的子向量，形成一个从接收机看来表示所述向量与所述酉矩阵的相乘的单个组合信号。

2.  按照权利要求1所述的发送方法，利用Nt个天线，其特征在于所述子矩阵的每一个的大小为(N/Nt)×N。

3.  按照权利要求2所述的发送方法，其特征在于N/Nt大于或等于2。

4.  按照任何权利要求1至3所述的发送方法，其特征在于所述酉矩阵为满矩阵。

5.  按照任何权利要求1至4所述的发送方法，其特征在于所述酉矩阵属于包括下列矩阵的组：
实哈达玛矩阵；
复哈达玛矩阵；
傅立叶矩阵；
实旋转矩阵；
复旋转矩阵。

6.  按照任何权利要求1至5所述的发送方法，其特征在于所述方法利用两个发射机天线，而所述子矩阵为[1 1]和[1 -1]。

7.  按照任何权利要求1至5所述的发送方法，其特征在于所述方法利用两个发射机天线，而所述子矩阵为 1 2 1 1 1 1 1 - 1 1 - 1 ]]>和
1 2 1 1 - 1 - 1 1 - 1 - 1 1 . ]]>

8.  按照任何权利要求1至5所述的发送方法，其特征在于所述方法利用四个发射机天线，而所述子矩阵为[1 1 1 1]、[1 -1 1 -1]、[1 1 -1 -1]和[1 -1 -1 1]。

9.  一种接收按照权利要求1至8中任一项所述的发送方法发送的信号的方法，其特征在于所述方法利用至少一个接收机天线，接收每个所述接收机天线上的所述单个组合信号，以及用与所述酉矩阵的共轭转置矩阵相对应的解码矩阵对所述单个组合信号进行解码。

10.  按照权利要求9所述的接收方法，其特征在于用最大似然解码被施加于经乘以所述共轭转置矩阵得到的数据。

11.  一种按照任何权利要求1至8中任一项所述的发送方法发送的信号，其特征在于所述信号与每个所述发射机天线的贡献的组合相对应，
通过分割一个单正方矩阵得到的不同的子矩阵与每个所述天线关联，每个所述天线发送通过将所述向量分割所得的、分别乘以所述子矩阵的子向量，以及
所述信号形成一个从接收机看来表示所述向量与所述酉矩阵相乘的一个单个组合信号。

单空间-时间码信号的多天线发射方法、 接收方法及相应信号
技术领域
本发明属无线数字通信技术领域。具体地说，本发明与在MIMO(多输入多输出)或MISO(多输入单输出)型多天线系统的环境内用一种新型的空间-时间分组码发送/接收信号的技术有关。
因此，本发明特别适用于用多个天线(至少两个天线)进行发送和/或接收的传输系统。因此，本发明非常适合于在用Nt个发射机天线和Nr个接收机天线进行非正交空间-时间码传输情况下的接收机。
本发明可以用于无线电通信领域，特别是用于第三、第四和以后各代的系统。
背景技术
已经有一些已知的包括若干发射机天线和使用空间-时间码的发送/接收系统。所提出的最早的这些系统都使用正交空间-时间分组码。
最初，Alamouti在“简单的无线通信发送分集技术”(“A SimpleTransmit Diversity Technique for Wireless Communications”，IEEEJ.Sel.Areas Comm.，1998，16，(8)，pp.1451-1458)中介绍了对于两个发射机天线的使用码率为1(rate 1)的正交空间-时间分组码(码率定义为发送的符号数N与发送这些符号期间的符号周期数L之比)的系统。
然后，Tarokh等人在“正交结构的空间-时间分组码”(“Space-time block codes from orthogonal designs”，IEEE Trans.onInformation Theory，1999，45，(5)，pp.1456-1467)中将正交空间-时间分组码推广到包括三个或四个发射机天线的系统。然而所得到的码率值R＝N/L只是为率1/2或率3/4。
后续的这些研究导致设想使用非正交空间-时间分组码。因此Jafarkhani在“准正交空间-时间分组码”(“A Quasi-OrthogonalSpace-Time Block Code”，IEEE Trans.Comm.，2001，49，(1)，pp 1-4)中和Tirkonnen等人在“3+Tx天线的非正交性最小码率为1的空间-时间分组码”(“Minimal non-orthogonality rate one Space-Time BlockCode for 3+Tx antennas”，ISSSTA，2000，pp 429-432)中发现了4天线系统的码率为1的非正交空间-时间分组码。
接着，Damen等人在“对角代数空间-时间分组码”(“DiagonalAlgebraic Space-Time Block Codes”，IEEE Trans.Inf.Theory，2002，48，(3)，pp 628-626)中设想了在发射机天线数等于编码矩阵大小的情况下使用基于哈达玛结构及其他旋转非正交空间-时间码。
Xin等人后来在“使分集和编码增益达到最大的时间构象旋转码”(“Time Constellation-Rotating Codes Maximizing Diversity andCoding Gains”，GLOBECOM，San Antonio，2001，pp 455-459)中介绍了其他基于旋转的空间-时间码。
Alamouti或Tarokh的正交空间-时间码的一个缺点是它们要求信道在与发送这些符号这段时间的符号周期数相应的持续时间L内不变。
这样的码因此对发送/接收系统加了很大的限制，不能用于采用信道分集的情况。
Jafarkhani、Tirkonnen、Damen或Xin所提出的非正交空间-时间码的一个缺点是它们要求信道在一段L＝Nt(Nt为发射天线数)时间内不变，特别是对于Damen码和Xin码。
也就是说，在这些文献中所提出的所有空间-时间码的主要缺点是它们需要将解决方案置于准静态信道的环境内。这是特别的限制，使信道分集不能采用。
此外，Jafarkhani码和Tirkonnen码要求复杂性随调制的阶和代码长度以指数增大的最大似然(ML)解码。
最后，基于哈达玛结构的Damen代数空间-时间码的另一个缺点是它们必需以特定的矩阵形式发送。因此，要按照信道变化灵活地选择编码就不能使用这些码。
发明内容
本发明的目的具体是减小现有技术的这些缺点。
具体地说，本发明的目的是提供一种实现与现有技术空间-时间码相比性能得到改善的空间-时间码的信号发送技术。
本发明的另一个目的是实现一种不对信道在一段有限持续时间或给定符号周期数内不变有特别要求的技术。
本发明的另一个目的是实现一种适合MIMO和MISO型天线系统的技术。具体地说，本发明的一个目的是提供一种无论天线多少都可给出为1的恒定编码率的技术。
本发明的又一个目的是实现一种在高信噪比下二进制误码率性能优于现有技术的技术。
本发明的又一个目的是提供一种很容易适应诸如所用的天线增多或码长增长之类的不同类型的配置的技术。
本发明的又一个目的是实现一种允许信道分集比现有技术的更适用地可以灵活编码的技术。
这些目的以及下面出现的一些目的是通过一种发送由一些相继的各包括N个需发送的符号的向量形成的信号和用至少两个发射机天线实现的方法达到的。
按照本发明，将通过分割一个单正方矩阵得出的不同的子矩阵分别与各个所述天线关联，每个所述天线发送将所述向量的子向量分别乘以所述子矩阵得出的子向量，形成一个从接收机看来表示所述向量与所述酉矩阵的相乘的单个组合信号。
因此，本发明是以具有新颖性和创造性的在多天线系统内发送实现空间-时间码的信号的方案为基础的。本发明的技术特别有益，因为它与现有技术不同，并不对信道有所限制，所提出的编码不要求信道在码的持续时间内不变。
具体构建本发明所提出的空间-时间码是全新的，有赖于每个天线的正交或酉矩阵结构。确实，使用这些矩阵可以分离出每个天线所发送的信号。
因此，在本发明中，系统约束比现有技术的小，从而可以较好地采用信道分集。在高信噪比下得到的二进制误码率性能优于在这些文献中所给出的性能。
此外，本发明的方法很容易可以扩展到较多天线的情况，因为较多天线的情况可以直接用基本的酉矩阵或正交矩阵得出。无论所用的天线多少，编码率保持不变。
有益的是，用Nt个天线实现这样的发送方法，每个所述子矩阵的大小都为(N/Nt)×N。
本发明的方法真正可以很容易适应不同的配置，特别是适应天线数Nt增大的情况。这些大小为(N/Nt)×N的不同矩阵是通过将一个大小为N×N的主矩阵分割成Nt个不同的矩阵得到的。
优选的是，N/Nt大于或等于2。
有益的是，所述酉矩阵为满矩阵。也就是说，矩阵的每个元都不为零。
优选的是，所述酉矩阵属于包括下列矩阵的组：
实哈达玛矩阵；
复哈达玛矩阵；
傅立叶矩阵；
实旋转矩阵；
复旋转矩阵。
不同的矩阵相互没有关系。然而，它们都有在实矩阵的情况下为正交矩阵而在复矩阵的情况下为酉矩阵这个共同的特征。
按照本发明的第一个有益变型，这样的方法用两个发射机天线实现，而所述子矩阵为[1 1]和[1 -1]。
按照本发明的第二个有益变型，这样的方法用两个发射机天线实现，而所述子矩阵为 1 2 1 1 1 1 1 - 1 1 - 1 ]]>和 1 2 1 1 - 1 - 1 1 - 1 - 1 1 . ]]>
因此，在本发明的这个优选实施例中，为每个用户使用若干个码，也就是说，对于每个用户，每个子矩阵具有至少两行。
按照本发明的第三个有益变型，这样的方法用四个发射机天线实现，而所述子矩阵为[1 1 1 1]、[1 -1 1 -1]、[1 1 -1 -1]和[1 -1 -1 1]。
本发明还提出了一种用至少一个接收机天线实现的接收按照以上所说明的发送方法发送的信号的方法，接收每个所述接收机天线上的所述单个组合信号，以及用与所述酉矩阵的共轭转置矩阵相应的解码矩阵对所述单个组合信号进行解码。
优选的是，用最大似然解码对经乘以所述共轭转置矩阵得到的数据进行解码。
也可以使用其他较简单的解码器，因此例如实现球解码或QR分解解码。可以提一下的是，任何hermitian矩阵可以分解成QR形式，其中Q为一个酉矩阵而R为一个上三角矩阵。这种类型的QR分解具有O³的复杂性，因此它比复杂性为O^L的最大似然解码简单。
此外，本发明还提出了一种按照以上所说明的发送方法发送的信号，这种信号与每个所述发射机天线的贡献的组合相应，通过分割一个单正方矩阵得到的不同的子矩阵分别与每个所述天线关联。每个所述天线发送通过将所述向量分割所得的、分别乘以所述子矩阵得到的子向量。这种信号形成一个从接收机看来表示所述向量与所述酉矩阵的相乘的单个组合信号。
附图说明
从以下对一个以简单的说明性的而非穷举性的例子的方式给出的优选实施例的说明中可以更清楚地看到本发明的其他特征和优点，在这些附图中：
图1为示出发送和接收用本发明的空间-时间码编码的信号所执行的各个步骤的流程图；
图2例示了一种实现按照本发明的2×2矩阵空间-时间码的2天线系统；
图3例示了一个与图2的类似的但实现4×4矩阵空间-时间码的2天线系统；
图4示出了一种实现4×4矩阵空间-时间码的4天线系统；
图5给出了现有技术与本发明在两个发射机天线和一个接收机天线的情况下码率为1的不同空间-时间码的性能比较曲线；
图6给出了现有技术与本发明在四个发射机天线和一个接收机天线的情况下码率为1的不同空间-时间码的性能比较曲线。
具体实施方式
本发明的一般原理基于一种新型的多天线系统空间-时间码。具体构建这些码依赖于每个发射机天线的正交或酉矩阵的结构，利用这些矩阵就可以分离出每个天线所发送的信号。
图1给出了按照本发明的在发送和接收信号期间所执行的各个步骤。
在编码时，设X为一个可含有N个需发送的符号的大小为N的向量。还考虑一个包括Nt个发射机天线的系统。设想本发明所提出的新颖的空间-时间码如下：
在第一步骤1，将含有需发送的符号的向量X分成Nt个大小为N/Nt的子向量。
然后，在步骤2，将各个大小为N/Nt的子向量分别乘以大小为(N/Nt)×N的不同的矩阵，这些矩阵是从一个实哈达玛矩阵、复哈达玛或傅立叶矩阵得出的或者从任何实或复旋转矩阵得出的。虽然它们相互没有关系，但这些不同的矩阵具有共同的特征。这些矩阵在实矩阵的情况下为正交矩阵，而在复矩阵的情况下为酉矩阵。
此外，这些矩阵各需为满矩阵，即它们的元都为非零元。因此，这些不同的(N/Nt)×N矩阵是从一个大小为N×N的主矩阵分割出的Nt个不同的矩阵。
然后，在步骤3，发送在Nt个天线的每一个上被编码的不同子向量。对于每个符号周期，在不同的发射机天线与接收机天线之间存在的每个传输信道(7)都对所发射的信号有影响。
在步骤4，每个接收机天线接收的信号与每个天线在给定的时间点发送的、受到各自信道的影响的不同的信号之和相对应。
在解码时，执行均衡步骤5。这个步骤与重组的传输矩阵的反向解码关联。这个矩阵是大小为N×N的传输矩阵的共轭转置矩阵。这个共轭转置矩阵的元为在码N的持续时间内发射机天线与接收机天线之间的信道的均衡滤波器。
然后，执行最大似然解码步骤6。所用的解码器也可以是较简单的解码器，执行例如球解码或QR分解解码。这个解码步骤6是通过计算在步骤4期间接收到的信号与发射机天线可能发送的所有信号之间的欧几里德距离。因此，将一个可能已接收到的无噪声接收的虚拟信号整形，然后直接与在经过传输通路期间7受到噪声污染的实际接收信号相比较。该解码因此要求努力适应所作的编码，而且对于所用的每个空间-时间编码器是不同的。在最大似然解码的情况下，如果M与调制的字母表相应而N为所用矩阵的大小，则必需通过执行M^N个比较，为所发送的信号进行穷举性搜索，这就复杂性来说是不经济的，因此可以应用使用其他较为简单的解码方法。
下面举例说明图1这个流程图的各个步骤。
选择一个大小为10的向量X，而天线数Nt＝2。
在步骤1期间，将向量X分成Nt个大小为N/Nt的子向量，从而得到两个大小为5的子向量。
在步骤2期间，将每个大小为5的子向量乘以一个不同的矩阵。一个已知的大小为10×10的矩阵为傅立叶矩阵。将这个大小为10×10的矩阵分成两个大小为5×10的矩阵。因此，每个大小为5的子向量乘以这两个5×10的矩阵中的一个矩阵。在这个操作后，与两个天线相应的两个子向量就与要发送的空间-时间码相应。
在步骤3期间，发送两个发射机天线上被编码的两个不同子向量。
在通过传输通路传播7和被接收4后，在解码时执行均衡步骤5。这个均衡步骤5与重组的传输矩阵的反向解码关联。这个矩阵是大小为10×10的传输傅立叶矩阵的共轭转置矩阵。
在步骤6，执行最大似然解码或较简单的球型解码或QR分解解码。在最大似然解码的情况下，如果M与调制字母表相应，就必需通过执行M¹⁰个比较对所发送的信号进行穷举性搜索。
现在来看图2，图中示出了本发明在使用2×2矩阵空间-时间码的2天线(10，11)传输系统的情况下的实施例。
图2例示了本发明的使用每个天线长度为2的哈达玛码序列的传输系统。这个码的编码率为1/2或空间-时间编码率为1，如果码率R设为等于符号数N除以发送这些符号期间的符号周期数L的话。
在图2中，x₁、x₂表示需发送的符号，h₁、h₂、h₃、h₄例如为与两个发射机天线10、11关联的平坦瑞列传播信道，而y₁、y₂为在图1的步骤5期间取回的经均衡的符号。
将子向量乘以与发射机天线10关联的子矩阵[1 1]后，天线10发送子向量[x₁ x₁]。类似，发射机天线11发送通过将[x₂]乘以子矩阵[1 -1]得出的子向量[x₂ -x₂]。
考虑天线之间的所采用的交织和去相关，信道每个符号周期都有改变。在接收处，接收机天线12接收第一天线10和第二天线11的受到相应信道影响的贡献，这贡献的矩阵形式为[h₁x₁+h₂x₂ h₃x₁-h₄x₂]。于是，解码和均衡步骤在于施加发送酉矩阵的转置共轭 h 1 * h 2 * h 3 * - h 4 * , ]]>同时执行均衡。因此，考虑了对发送步骤起作用的各个信道。然后，可以执行ML(最大似然)解码。该解码将寻找最可能发送的字。为此，对于所有可能向量 x ^ 1 , x ^ 2 ]]>计算图2中所给出的度量 min ( Σ i = 1 2 | y 1 - y ^ i | 2 ) , ]]>确定最可能发送的码字。
图3示出了与图2的类似的2天线传输系统10、11，但使用的是4×4矩阵空间-时间码。
具体地说，图3的系统每个天线使用长度为4的哈达玛码序列。可以考虑增大哈达玛矩阵的大小，因此为两个天线得到长度为L的码。
同样，x₁、x₂、x₃、x₄表示需发送的符号，而h₁、h₂、h₃、h₄、h₅、h₆、h₇、h₈为与两个发射机天线10、11关联的平坦的瑞列传播信道。奇下标所指的是与第一发射机天线10关联的，而偶下标所指的是与第二发射机天线11关联的。y₁、y₂、y₃、y₄为图1中步骤5结束时在接收机天线12处取回的经均衡的符号。
发射机天线10发送通过将子向量[x₁ x₂]乘以子矩阵 1 2 1 1 1 1 1 - 1 1 - 1 ]]>得出的子向量。类似，发射机天线11发送通过将[x₃ x₄]乘以子矩阵 1 2 1 1 - 1 - 1 1 - 1 - 1 1 ]]>得出的子向量。
在接收处，接收机天线12接收第一天线10和第二天线11的受到相应信道影响的贡献([r₁ r₂ r₃ r₄])。于是，对接收信号解码和均衡步骤包括施加发送酉矩阵的转置共轭 h 1 * h 1 * h 2 * h 2 * h 3 * - h 3 * h 4 * - h 4 * h 5 * h 5 * - h 6 * - h 6 * h 7 * - h 7 * - h 8 * h 8 * , ]]>同时执行均衡。
然后，对于所有可能向量 x ^ 1 , x ^ 2 , x ^ 3 , x ^ 4 ]]>计算在图3中所给出的度量 min ( Σ i = 1 4 | y i - y ^ i | 2 ) , ]]>计算最可能发送的码字。
本发明的系统在发射机天线的数量上没有限制。如图4所示，可以用四个发射机天线10、11、13和14产生最小矩阵大小L＝4的空间-时间码。
在图4中x₁、x₂、x₃、x₄为需发送的符号。h₁、h₂、h₃、h₄、h₅、h₆、h₇、h₈、h₉、h₁₀、h₁₁、h₁₂、h₁₃、h₁₄、h₁₅、h₁₆为如图4中所示与四个天线10、11、13和14关联的平坦瑞列传播信道，而y₁、y₂、y₃、y₄为接收机天线12接收的经均衡的符号。然后，对于所有可能向量 x ^ 1 , x ^ 2 , x ^ 3 , x ^ 4 ]]>计算在图4中所示的度量 min ( Σ i = 1 4 | y i - y ^ i | 2 ) , ]]>确定最可能发送的码字。
每个发射机天线发送子向量的原理类似于以上结合图10、11、13和14所介绍的，为了简明起见在这里就不再详细说明。
要指出的是，在以上结合图2至4所说明的例子中，空间-时间码考虑用简单的哈达玛矩阵产生。然而，可以使用任何酉矩阵、复哈达玛或傅立叶矩阵。更广义地说，在本发明的发射机系统内可以使用任何酉矩阵。
图5和6给出了按照本发明在用ML(最大似然)解码器对空间-时间码解码中得到的性能曲线。
图5例示了对于两个发射机天线和一个接收机天线在QPSK调制的环境下不同的码率为1的空间-时间码的性能比较曲线。具体地说，图5给出了本发明的对于编码矩阵大小为L＝2、L＝4和L＝8的空间-时间码的性能曲线和Alamouti码的性能曲线。
在编码矩阵的大小L增大时，如图5所示，本发明的码的性能在高信噪比的情况下较好。确实，对于两个发射机天线和一个接收机天线的情况，在采用一个L＝8的编码矩阵时，本发明的码的性能对于比特/能量噪声比Eb/N0＞10dB超过在“无线通信的简单发送分集技术”(见“A Simple Transmit Diversity Technique for WirelessCommunications”，IEEE J.Sel.Areas Comm.，1998，16，(8)，pp.1451-1458)中所揭示的Alamouti编码的参考性能。
具体些说，可以看到码的矩阵越大，用高阶信道分集检测信号越好。这由图5的性能曲线的斜率表示：斜率越大，信道分集的阶增大越大，渐近地达到图5中的曲线AWGN所示的Gaussian关系。
这些结果表明，按照本发明可以执行比最大似然解码简单的解码操作，而保持比现有技术的好的性能。
因此，可以使用与DFE(数字反馈均衡器)相应的QR解码或使用Viterbi解码系统。另一个途径是使用“干扰消除器”。确实，如果M为字母表的大小而L为码矩阵的大小，最大似然译码器就必须详尽地比较M^L个字，这实现起来是特别复杂的。
图6例示了对于四个发射机天线和一个接收机天线在QPSK调制的环境下不同的码率为1的空间-时间码的性能比较曲线。具体些说，图6示出了本发明在编码矩阵大小为L＝4和L＝8而调制为QPSK型的情况下的空间-时间码的性能曲线以及在调制为16QAM的情况下的Tarokh码G4的性能曲线。图6的曲线AWGN表示与白噪声关联的高斯关系。
本发明的L＝4的空间-时间码与使用16QAM(正交调幅)调制的Tarokh G4码(“正交设计的空间-时间分组码”(见“Space-time blockcodes from orthogonal designs”，IEEE Trans.on InformationTheory，1999，45，(5)，pp.1456-1467))之间的差别是很小的，可以预期在L增大时增益相当大。因此，在L＝8时可以看到相当大的增益。这两条曲线是平行的，因为这两种码得到相同的为4的分集阶。该差是由于本发明的码在L＝4的情况下干扰稍大一些。然而，现在可以说，对于L＝8的情况本发明的码的性能要比Tarokh G4码的好。
要提到的是，本发明的技术可以用于任何多天线系统，无论是MIMO型还是MISO型的。OFDM型调制和MC-CDMA系统特别适合采用本发明所提出的系统。