混合递归网格空时码的编码方法

专利名称：混合递归网格空时码的编码方法
技术领域：
本发明涉及空时编码技术，具体地说是一种混合递归网格空时码的编码方法，可用来提高串行级联系统的性能。
背景技术：
在日益火热的第三代移动通信系统研究中，有一个非常重要的研究内容，就是如何在有限的带宽下实现尽可能高的传输速率，如何采用高效的编码方法有效地解决带宽与传输速率之间的矛盾。空时编码由于采用了多天线阵发送和接收技术，能够有效地提高系统频带利用率，因而倍受关注。
在目前的研究中，空时码常常和其它纠错码级联使用，即采用串行级联系统完成空时编码过程。该串行级联系统包括发射单元70和接收单元71两大部分。其中，发射单元70包括外码编码器700、交织器701、空时编码器702以及发射天线；接收单元71包括外码译码器710、解交织器711、空时解码器712以及接收天线，如图6所示。在该系统中，以交织器为参照点，交织器前面的码字称为外码，而交织器后面的码字称为内码，对其进行空时编码。上述外码编码、译码可采用卷积码、并行级联卷积(Turbo)码或低密度校验码(LDPC)，在采用卷积码或并行级联卷积(Turbo)码时，交织器701采用随机交织器或奇偶交织器，在采用低密度校验(LDPC)码时，可不用交织器701。该系统基本的工作原理是在发送端，信息序列t经过外码编码和交织处理后形成比特序列u，然后对该比特序列u进行空时编码得到符号序列，将该符号序列通过发射天线同时发送出去；在接收端，接收天线将收到的符号序列通过相应的空时解码处理形成关于每个比特的外信息序列，该外信息序列再经过外码译码处理后形成相应的外信息，此时完成一次迭代译码，外码译码器产生的外信息再送入空时解码器，与信道接收信号一起重复上述过程，完成多次迭代译码，直至正确检测出信息序列t或达到一定的迭代次数才判决输出，恢复出信息序列t。
目前的串行级联空时编码系统(SCSTC)分为两大类一类是采用分组空时码作为内码，另一类是采用递归网格空时码(R-STTC)作为内码。采用分组空时码作为内码的优点是系统复杂度相对较低，但性能较差。而采用递归网格空时码(R-STTC)作为内码则可以获得额外的交织增益，并且性能相对较好，在目前比较有发展前途。在设计递归网格空时编码时，可以将其拆分成两个模块，即分量码模块和映射器模块。在这种情况下，对递归网格空时编码的设计转换成以下两个问题，即如何选择各分量码和如何选择映射方式，以便更有利于提高串行级联系统的性能。
目前已知的递归网格空时码(R-STTC)可以采用四相移相键控(QPSK)调制或八相移相键控(8PSK)调制，均是在延时分集基础上给出的。若采用四相移相键控(QPSK)调制，则编码状态为四状态，该码的产生如图7a所示，包括分量码80和映射器81两大部分，图中“”表示模2相加运算。分量码单元包括两个重复时延码，每个重复时延码的码率为1/2，状态数为2，各包含一个移位寄存器D0或移位寄存器D1；映射器单元包括两个符号映射器。该编码将信息序列按照两个比特aibi一组，送入递归网格空时码(R-STTC)编码器，编码过程为首先，编码器的两个分量码，即重复时延码，分别对两个输入比特aibi进行编码处理，得到4个比特的输出；然后，利用映射器将这4个比特的数据映射为两个四相移相键控(QPSK)符号，分别用S1和S2表示这两个发送符号，其中一个符号S1通过天线1发送出去，另一个符号S2通过天线2发送出去。
若采用八相移相键控(8PSK)调制，则编码状态为八状态，该码的产生如图7b所示，包括分量码90和映射器91两大部分，图中“”表示模2相加运算。分量码单元90包括三个重复时延码，每个重复时延码的码率为1/2，状态数为2，各包含一个移位寄存器，即移位寄存器D0、移位寄存器D1和移位寄存器D2；映射器单元91包括两个符号映射器。该编码将比特序列按照三个比特一组送入编码器，首先由编码器的三个分量码，即重复时延码，分别对三个比特进行编码处理，从而得到6个比特的输出；然后，利用映射器将这6个比特的数据映射为两个八相移相键控(8PSK)符号S3和S4，其中一个符号S3通过天线1发送出去，另一个符号S4通过天线2发送出去。如Gulati和K.R.Narayanan两个人于2003年在电气和电子工程师协会(IEEE) 无线通信会刊(IEEE Trans.On WirelessCommunication)第一期上发表的文章“Concatenated Codes for Fading ChannelsBased on Recursive Space-Time Trellis Codes”所述。该篇文章对基于递归网格空时码的级联系统在衰落信道下的研究，与采用分组空时码为内码的串行级联空时编码系统(SCSTC)相比，以递归网格空时码(R-STTC)为内码的系统性能有一定的提高，但该性能与系统容量相比还有较大的差距，并不能完全满足系统要求，并且这种递归网格空时码仍存在两个方面的不足一是重复时延码的最小汉明距离只有2，不利于提高码的整体距离；二是映射方法不理想，每个分量码的输出比特映射到了不同的符号的相同位置上，无法充分利用分集。
发明的内容
本发明的目的在于克服现有方法的缺陷，提供一种适用于串行级联系统的混合递归网格空时码编码方法，在保证串行级联空时编码系统(SCSTC)复杂度不变的情况下，可进一步提高系统的抗衰落性能。
实现本发明目的的基本思路是采用不同于现有的递归网格空时码的分量码和分量码输出映射方式来优化网格空时码的距离结构，即首先利用分量码的变化增加汉明距离，以系统递归卷积码代替重复时延码；然后利用混合映射方式，保证单个分量码的输出比特映射到不同符号的不同位置上。其编码过程如下第一步，根据要求的传输速率确定调制方式，并由此确定该混合递归网格空时码(HSR-STTC)的编码状态数，当传输速率为n比特/时隙时，采用2n-阶的调制方式，编码状态数为2n；第二步，选择分量码，包括确定分量码的状态数、码率和编码方式，该分量码采用1/2码率的两状态系统递归卷积码，且卷积码的个数等于要求的传输速率值，即当传输速率为n比特/时隙时，卷积码的个数为n，其编码方式为一类系统码，该一类系统码是指每个递归卷积码的编码输出比特中，必定包含一个输入信息比特，其余为校验比特；第三步，采用混合映射方式，将每一个分量码输出的信息比特和校验比特分别映射到不同发送符号的不同位置上，即包括不同发送符号映射和不同位置映射，该不同发送符号映射是指从所有分量码的2个输出比特中各选取一个比特对应映射为一个发送符号，其余的所有比特映射为另一个符号；该不同位置映射是指，将任一分量码的2个输出比特分别映射到两个符号的不同位置上，如果其中一个比特映射到一个发送符号的某个位置(L)上，则将另一个输出比特映射到另一个发送符号时，可选择除上述位置(L)外的其余任意位置。
上述混合递归网格空时码编码方法，其中调制方式的确定是基于四相移相键控(QPSK)调制、八相移相键控(8PSK)调制、十六进制正交幅度(16QAM)调制以及其它2n-阶的不同调制方式，n值等于要求的传输速率值；对于采用不同调制方式的混合递归网格空时码编码方法，其分量码的选择和映射方式不同。
上述混合递归网格空时码编码方法，其中在采用四相移相键控(QPSK)的调制方式时，分量码选用两个1/2码率的两状态系统递归卷积码。
上述混合递归网格空时码编码方法，其中在采用四相移相键控(QPSK)的调制方式时，其混合映射包括的不同发送符号映射和不同位置映射分别为该不同发送符号映射是指，首先分别从两个分量码的输出比特中选择一位信息比特和一位校验比特，将这两个比特映射为一个四相移相键控(QPSK)符号S1，剩余两个比特映射为另一个四相移相键控(QPSK)符号S2，这两个发送符号S1和S2分别从两根天线发送出去；该不同位置的映射是指，用h0、h1表示每个四相移相键控(QPSK)符号的两个不同的比特位置，如果同一个分量码的一个输出比特映射到一个四相移相键控(QPSK)符号S1的h0位置，则另一个输出比特应映射到另一个四相移相键控(QPSK)符号S2的h1位置。
上述混合递归网格空时码编码方法，其中在采用八相移相键控(8PSK)的调制方式时，分量码选用三个1/2码率的两状态系统递归卷积码。
上述混合递归网格空时码编码方法，其中在采用八相移相键控(8PSK)的调制方式时，其混合映射包括的不同发送符号映射和不同位置映射分别为该不同发送符号映射是指，首先分别从三个分量码的输出比特中选择两位信息比特和一位校验比特，将这三个比特映射为一个八相移相键控(8PSK)符号S3，剩余的三个比特映射为另一个八相移相键控(8PSK)符号S4，这两个发送符号S3和S4分别从两根天线发送出去；该不同位置的映射是指，用h2、h3、h5表示每个八相移相键控(8PSK)符号的三个不同的比特位置，如果它的一个输出比特映射到一个八相移相键控(8PSK)符号S3的h2位置上，则另一个输出比特可映射到另一个八相移相键控(8PSK)符号S4的除h2外的任何位置上。
上述混合递归网格空时码编码方法，其中在采用十六进制正交幅度(16QAM)的调制方式时，分量码选用四个1/2码率的两状态系统递归卷积码。
上述混合递归网格空时码编码方法，其中在采用十六进制正交幅度(16QAM)的调制方式时，其混合映射包括的不同发送符号映射和不同位置映射分别为该不同发送符号映射是指，分别从四个分量码的输出比特中选择两位信息比特和两位校验比特，或者选择三位信息比特和一位校验比特，然后将这四个比特映射为一个十六进制正交幅度(16QAM)符号S5，剩余的四个比特映射为另一个十六进制正交幅度(16QAM)符号S6，这两个发送符号S5和S6分别从两根天线发送出去；该不同位置的映射是指，用h5、h6、h7、h8表示每个十六进制正交幅度(16QAM)符号的四个不同的比特位置，对每一个分量码，如果它的一个输出比特映射到一个十六进制正交幅度(16QAM)符号S5的h5位置上，则另一个输出比特可映射到另一个十六进制正交幅度(16QAM)符号S6的除h5外的任何位置上。
对于基于其他2n-阶的调制方式的混合递归网格空时码(HSR-STTC)，可按类似的方法选择分量码和映射方式。
本发明与现有技术相比，具有如下优点1.提高了串行级联空时编码系统的整体乘积距离，由于在本发明中，小重量输入信息比特对应于小重量的乘积距离，而任何一个纠错码的最小汉明距离都有一定的取值，这样，当本发明与其他纠错码级联使用时，外码的输出码字实际上不包含这些小重量的码字，从而可保证提高串行级联空时编码系统的整体乘积距离。
2.提高了串行级联空时编码系统的编码增益和抗衰落性能。由图5a、图5b可见，对分别基于四相移相键控(QPSK)调制和八相移相键控(8PSK)调制的混合递归网格空时编码(HSR-STTC)，在准静态衰落信道和快衰落信道下均可获得高于采用现有技术的系统分集增益，而且不增加系统的复杂度。


图1为本发明的系统结构示意2a为本发明基于四相移相键控调制方式的编码示意2b为本发明基于四相移相键控调制方式的状态转移3a为本发明基于八相移相键控调制方式的编码示意3b为本发明基于八相移相键控调制方式的状态转移4a为本发明基于十六进制正交幅度调制方式，映射到天线1上的每个符号有两个信息位和两个校验位的编码示意4b为本发明基于十六进制正交幅度调制方式，映射到天线1上的每个符号有三个信息位和一个校验位的编码示意5为本发明在准静态和快衰落信道下的的仿真性能曲线6为现有的串行级联空时编码系统的组成结构示意7a为现有基于四相移相键控调制方式的递归网格空时码编码示意7b为现有基于八相移相键控调制方式的递归网格空时码编码示意图具体实施方式
参照图1，本发明的串行级联网格空时编码系统包括发射单元10和接收单元11。其中，发射单元10包括外码编码器100和内码编码器102；接收单元11包括外码译码器112和内码译码器110。内码编码器102采用混合递归网格空时码(HSR-STTC)作为内码进行空时编码，相应地，内码译码器110也以混合递归网格空时码为内码进行空时解码。并且，外码编码器100为低密度校验码(LDPC)编码器，外码译码器112为低密度校验码(LDPC)译码器。该系统工作过程为在发送端，通过发送单元，将信息序列t进行外码编码和交织处理形成比特序列，然后对该比特序列进行内码编码，即进行混合递归网格空时编码得到符号序列，该符号序列通过发射天线发送出去；在接收端，接收天线将收到的符号序列通过混合递归网格空时解码处理形成关于每个比特的外信息序列，该外信息序列再经过外码译码处理后形成相应的外信息，此时完成一次迭代；外码译码器产生的外信息再送入空时解码器，与信道接收信号一起重复上述过程，完成多次迭代译码，直至正确检测出信息序列t或达到一定的迭代次数而判决输出，并得到恢复的信息序列t。其中该混合递归网格空时编码方法如下第一步根据要求的传输速率确定为四相移相键控或八相移相键控或十六进制正交幅度调制的不同调制方式，并由此确定该混合递归网格空时码(HSR-STTC)的编码状态数，若要求的传输速率为n比特/时隙，则对应的调制方式为2n相移相键控(2n-PSK)或2n阶正交幅度调制(2n-QAM)，并且编码状态数为2n。
第二步，选择分量码，包括确定分量码的状态数、码率和编码方式，即采用系统码或非系统码。该分量码采用多个递归卷积码，其编码方式为每个递归卷积码的编码输出比特中，必定包含一个是输入的信息比特，其余是校验比特。各分量码的状态数和码率由要求的传输速率和混合递归网格空时码的编码状态数所确定。如果要求的传输速率为n比特/时隙，则采用的分量码为n个1/2码率的两状态系统递归卷积码。比如，传输速率为2比特/时隙，即在每个时隙内传输2个比特，则可采用四相移相键控调制的四状态混合递归网格空时码，而其分量码可由两个1/2码率的两状态系统递归卷积码构成；而一个采用四相移相键控调制的八状态混合递归网格空时码可由两个系统递归卷积码构成，其中一个为四状态，另一个为两状态，码率均为1/2等等。对于采用八相移相键控和十六进制正交幅度调制的混合递归网格空时码，也可类似地分配每个分量码的状态数。
第三步确定映射方式，该方式是一种混合映射方式，即每一个分量码输出的信息位和校验位分别映射到不同符号的不同位置上。对于采用不同调制方式的混合递归网格空时码编码方法，其分量码的映射方式不同。
设两根天线上的发送符号为x1，x2，所有n个分量码分别为m0，m1，…，mn-1，第i个分量码mi的两个输出比特分别为ai0，ai1，2n-阶调制符号的标号为b0b1...bb-1，则映射到不同符号上的方法为从所有n个分量码中各选取一个比特对应映射为发送符号x1，其余的n个比特映射为另一个发送符号x2。
映射到不同位置上的方法为若第i个分量码mi的输出比特ai0映射为符号x1的第j个位置上，则其另一个输出符号ai1必须映射到符号x2的其余n-1个位置上。
参照图2a，本发明如果确定采用四相移相键控(QPSK)调制方式，则该混合递归网格空时码(HSR-STTC)的编码状态数为四状态，其编码结构包括分量码单元20和映射器单元21。图中“”表示模2相加运算。分量码单元20包括两个递归卷积码，每个卷积码的码率为1/2，并且每个卷积码各包含一个移位寄存器，即移位寄存器D0和移位寄存器D1，这两个移位寄存器的状态数均为2；映射器单元21包括两个符号映射器。由于发送端有两根天线，则编码时会同时产生两个不同的发送符号，分别用S1和S2表示。该编码过程如下令编码的输入比特序列u依次包括a0，b0，a1，b1，，...，ai，bi，将比特序列按照每两个比特一组划分，再对每一组中的两个比特进行该混合递归网格空时编码。设(ai，bi)为编码器在第i个时刻的输入信息，则(ai，bi)应该有四种可能的组合，即00、01、10、11，图中ai-1′和bi-1′分别为移位寄存器D0和移位寄存器D1中的值，ai-1′和bi-1′也有四种可能的组合，即00、01、10、11，这样，经过两个分量码分别对两个比特(ai，bi)进行的编码处理，得到4个比特的输出，即ai，bi，ai-1′和bi-1′；然后映射器将这4个比特的数据映射为两个四相移相键控(QPSK)符号S1和S2，映射过程包括的不同发送符号映射和不同位置映射分别为该不同发送符号映射是从其中一个分量码的输出比特中选择一位信息比特，同时从另一个分量码的输出比特中选择一位校验比特，将这两个比特映射为一个四相移相键控符号S1，其剩余的两个输出比特，即前一个分量码的校验比特和后一个分量码的信息比特，映射为另一个四相移相键控符号S2，两个发送符号S1和S2分别从两根天线发送出去；该不同位置的映射是要求同一个分量码输出的两个比特分别映射到两个四相移相键控(QPSK)符号S1和S2的不同位置上。一个四相移相键控(QPSK)符号由两个比特构成，用h0、h1表示这两个位置，如果其中一个分量码的信息比特对应于一个四相移相键控(QPSK)符号S1的h0位置上，则该分量码的校验比特对应于另一个四相移相键控(QPSK)符号S2的h1位置上，此时另一个分量码的校验比特将对应于四相移相键控(QPSK)符号S1的h1位置上，信息比特对应于另一个四相移相键控(QPSK)符号S2的h0位置上。
如图2b所示，按照上述针对四相移相键控(QPSK)的混合递归网格空时码的编码方法，得到对应的状态转移规则。设(ai，bi)为编码器在第i个时刻的输入信息，ai-1′和bi-1′分别为移位寄存器D0和移位寄存器D1中的值，则混合递归网格空时码中移位寄存器D0中的值将由ai-1′变化为ai′＝aiai-1′，混合递归网格空时码中移位寄存器D1中的值将由bi-1′变化为bi′＝bibi-1′，其中“”表示模2相加运算，进一步说，在第i个时刻，该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码的状态将由ai-1′+2bi-1′变化为ai′+2bi′。例如，当(ai-1′，bi-1′)＝(0，1)，(ai，bi)＝(0，1)时，按照上述编码规则得到ai′＝aiai-1′＝00＝0，bi′＝bibi-1′＝11＝0，进一步得到ai-1′+2bi-1′＝2，ai′+2bi′＝0，ai+2bi＝2，对应地，就是说编码当前状态为ai-1′+2bi-1′＝2，在下一时刻状态为ai′+2bi′＝0，输入符号为ai+2bi＝2，按照上述映射规则得到对应于两天线的输出符号为S1＝1和S2＝2，在图2b中用“12/2”表示。这样，每确定一组ai-1′和bi-1′的取值，就对应确定一个ai-1′+2bi-1′值，此时四种可能的输入(ai，bi)就决定四种可能的ai′+2bi′取值，即从一个编码状态ai-1′+2bi-1′可转移到四种可能的状态。
具体的状态转移规则如下进行，图2b中的0～3分别表示信号星座图中的点，在该图左侧的第一行数据中，“00/0”中斜线左侧中的“00”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从0状态转移到0状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“0”表示此时的输入信息符号为0；“20/1”中斜线左侧中的“20”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从0状态转移到1状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“1”表示此时的输入信息符号为1；“02/2”中斜线左侧中的“02”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从0状态转移到2状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“2”表示此时的输入信息符号为2；“22/3”中斜线左侧中的“22”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从0状态转移到3状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“3”表示此时的输入信息符号为3。
图2b第二行数据中，“21/1”中斜线左侧中的“21”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从1状态转移到0状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“1”表示此时的输入信息符号为1；“01/0”中斜线左侧中的“01”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从1状态转移到1状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“0”表示此时的输入信息符号为0；“23/3”中斜线左侧中的“23”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从1状态转移到2状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“3”表示此时的输入信息符号为3；“03/2”中斜线左侧中的“03”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从1状态转移到3状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“2”表示此时的输入信息符号为2。
图2b第三行的数据中，“12/2”中斜线左侧中的“12”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从2状态转移到0状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“2”表示此时的输入信息符号为2；“32/3”中斜线左侧中的“32”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从2状态转移到1状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“3”表示此时的输入信息符号为3；“10/0”中斜线左侧中的“10”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从2状态转移到2状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“0”表示此时的输入信息符号为0；“30/1”中斜线左侧中的“30”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从2状态转移到3状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“1”表示此时的输入信息符号为1。
图2b第四行的数据中，“33/3”中斜线左侧中的“33”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从3状态转移到0状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“3”表示此时的输入信息符号为3；“13/2”中斜线左侧中的“13”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从3状态转移到1状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“2”表示此时的输入信息符号为2；“31/1”中斜线左侧中的“31”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从3状态转移到2状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“1”表示此时的输入信息符号为1；“11/0”中斜线左侧中的“11”为该混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器从3状态转移到3状态时，对应的两个输出符号，斜线右侧的“0”表示此时的输入信息符号为0。
参照图3a，本发明如果确定采用八相移相键控(8PSK)调制方式，则该混合递归网格空时码(HSR-STTC)的编码状态为八状态，其编码结构包括分量码单元30和映射器单元31。图中“”表示模2相加运算。分量码单元30包括三个递归卷积码，每个卷积码的码率为1/2，并且每个卷积码各包含一个移位寄存器，即移位寄存器D0、移位寄存器Di和移位寄存器D2，这三个移位寄存器的状态数均为2；映射器单元31包括三个符号映射器。由于发送端有两根天线，则编码时会同时产生两个不同的发送符号，分别用s3和s4表示。令编码器的输入序列u依次包括a0，b0，c0，a1，b1，c1，，…，aL，bL，cL，则在第i个时刻的输入信息(ai，bi，ci)应该有八种可能的组合，即000、001、010、011、100、101、110、111，图中ai-1′、bi-1′和ci-1′分别为移位寄存器D0、移位寄存器D1和移位寄存器D2中的值，则ai′＝aiai-1′决定混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器中移位寄存器D0在i时刻的值，bi′＝bibi-1′决定混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器中移位寄存器D1在i时刻的值，ci′＝cici-1′决定混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器中移位寄存器D2在i时刻的值。因此，在i个时刻，编码的状态将由ai-1′+2bi-1′+4ci-1′转移为ai′+2bi′+4ci′，如图3b所示。经过分量码对输入信息(ai，bi，ci))进行的编码处理，得到6个比特的输出，然后映射器将这6个比特的数据映射为两个八相移相键控(8PSK)符号S3和S4，映射过程包括的不同发送符号映射和不同位置映射分别为该不同发送符号映射是从其中两个分量码的输出比特中各选择一位信息比特，从第三个分量码的输出比特中选择一位校验比特，这三个比特映射为一个八相移相键控(8PSK)符号S3，剩余的三个比特，即前两个分量码的校验比特和第三个分量码的信息比特，映射为另一个八相移相键控(8PSK)符号S4，这两个发送符号S3和S4分别从由两根天线发送；
该不同位置的映射是要求同一个分量码输出的两个比特映射到两个八相移相键控(8PSK)符号S3和S4的不同位置上。一个八相移相键控(8PSK)符号由三个比特构成，用h2、h3、h4表示三个比特的位置，如果一个分量码的信息比特对应于其中一个八相移相键控(8PSK)符号S3的h2位置上，则该分量码的校验比特对应于另一个八相移相键控(8PSK)符号S4时，可选择除了h2以外的其他任意两个位置，其余两个分量码的两个输出比特在映射到两个八相移相键控(8PSK)符号S3和S4上时，也有类似的位置关系。
参照图3b，本发明如果确定采用八相移相键控(8PSK)调制方式，则该编码的状态转移规则类似于采用四相移相键控(QPSK)调制方式的情况。图中的0～7分别表示信号星座图中的点，其左侧数字的含义类似于图2b，只不过是基于八个状态之间的转移。
参照图4，本发明如果确定采用十六进制正交幅度(16QAM)调制方式，则该混合递归网格空时码(HSR-STTC)的编码状态为十六状态，其编码结构包括分量码单元40和映射器单元41。图中“”表示模2相加运算。分量码单元40包括四个递归卷积码，每个卷积码的码率为1/2，并且每个卷积码各包含一个移位寄存器，即移位寄存器D0、移位寄存器D1、移位寄存器D2和移位寄存器D3，这四个移位寄存器的状态数均为2；映射器单元41包括四个符号映射器。由于发送端有两根天线，则编码时会同时产生两个不同的发送符号，分别用S5和S6表示。令编码器的输入序列为u，依次包括a0，b0，c0，d0，a1，b1，c1，d1，...，ai，bi，ci，di，则在第i个时刻的输入信息(ai，bi，ci，di)应该有十六种可能的组合0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111，1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111。图中ai-1′、bi-1′、ci-1′和di-1′分别为移位寄存器D0、移位寄存器D1、移位寄存器D2和移位寄存器D3中的值，则ai′＝aiai-1′决定混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器中移位寄存器D0在i时刻的值，bi′＝bibi-1′决定混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器中移位寄存器D1在i时刻的值，ci′＝cici-1′决定混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器中移位寄存器D2在i时刻的值，di′＝didi-1′决定混合递归网格空时码(HSR-STTC)编码器中移位寄存器D3在i时刻的值，因此，在第i个时刻，编码的状态将由ai-1′+2bi-1′+4ci-1′+8di-1′转移为ai′+2bi′+4ci′+8di′。经过分量码对输入信息(ai，bi，ci，di)进行的编码处理，得到8个比特的输出，然后映射器将这8个比特的数据映射为两个十六进制正交幅度(16QAM)符号S5和S6，映射过程包括的不同发送符号映射和不同位置映射分别为该不同发送符号的映射有两种方法，一是从两个分量码的输出比特中各选择一位信息比特，再从另外两个分量码的输出比特中各选择一位校验比特，将这四个比特映射为一个十六进制正交幅度(16QAM)符号S5，其余的四个比特则映射为另一个十六进制正交幅度(16QAM)符号S6，这两个符号S5和S6分别从两根天线发送出去；二是从三个分量码的输出比特中各选择一位信息比特，再从另外一个分量码的输出比特中选择一位校验比特，将这四个比特映射为一个十六进制正交幅度(16QAM)符号S5，剩余的四个比特则映射为另一个十六进制正交幅度(16QAM)符号S6，这两个符号S5和S6分别从两根天线发送出去；该不同位置的映射是要求每个分量码的两个输出比特映射到两个十六进制正交幅度(16QAM)符号S5和S6的不同位置上。一个十六进制正交幅度调制(16QAM)符号由四个比特构成，用h5、h6、h7、h8表示这四个位置，如果一个分量码的信息比特对应于其中一个十六进制正交幅度调制(16QAM)符号S5的h5位置上，则该分量码的校验比特对应于另一个十六进制正交幅度调制(16QAM)符号S6时，可选择除了h5位置以外的其他任意三个位置，其余三个分量码的两个输出比特在映射到两个十六进制正交幅度调制(16QAM)符号上时，也有类似的位置关系。
图4a和图4b的不同之处在于分量码的输出比特的组合映射形式略有差异。
参照图5，通过几组仿真曲线的对比，可见本发明在很大程度上改善了串行级联系统在准静态衰落信道和快衰落信道下的性能。在仿真测试中，选择仿真参数如下(参见表1)1)外码外码采用1/2码率规则低密度校验码，度分布序列为(3，6)，如表1所示；2)信息比特的长度为504个比特；3)内码分别采用现有技术，即递归网格空时码(R-STTC)和本发明，即混合递归网格空时码(HSR-STTC)的编码方法，如表1所示；4)信道采用两种不同的信道，即准静态衰落信道和快衰落信道，其中准静态衰落信道是指信道衰落因子在一帧内保持不变，在下一帧开始时独立变化的信道，而快衰落信道是指信道衰落因子每隔一个符号周期独立变化一次的信道；5)天线两根发送天线，两根接收天线。
表1

图5a为采用四相移相键控(QPSK)调制的串行级联空时编码系统(SCSTC)在准静态和快衰落信道下的性能曲线，图中横坐标为每个接收天线的信噪比(SNR)，单位为分贝(dB)，纵坐标为误帧率。图中实线表示在准静态衰落信道下的性能曲线，虚线表示在快衰落信道下的性能曲线。图中曲线从右至左依次表示最右侧的实线上加圈的曲线代表采用四相移相键控调制的递归网格空时码(R-STTC)，即现有技术作为串行级联系统的内码，且收发端为2发2收的串行级联系统在准静态信道下的性能曲线，该系统用SCST1表示；从右数第二条实线上加方框的曲线代表采用四相移相键控调制的混合递归网格空时码(HSR-STTC)，即本发明为串行级联系统的内码，且收发端为2发2收的串行级联系统在准静态信道下的性能曲线，该系统用SCST2表示；虚线上加圈的曲线代表采用四相移相键控调制的递归网格空时码(R-STTC)，即现有技术作为串行级联系统的内码，且收发端为2发2收的串行级联系统SCST1在快衰落信道下的性能曲线；虚线上加方框的曲线代表采用四相移相键控调制的混合递归网格空时码(HSR-STTC)，即本发明作为串行级联系统的内码，且收发端为2发2收的串行级联系统SCST2在快衰落信道下的性能曲线。
由图5a的曲线斜率可见以混合递归网格空时码(HSR-STTC)作为内码的串行级联系统在准静态衰落信道下可获得系统提供的满分集增益，并且抗衰落性能比以递归网格空时码(R-STTC)作为内码的串行级联空时编码系统有大幅度提高。当误帧率为10-2，接收天线数为2时，在快衰落信道下，串行级联系统SCST2比串行级联系统SCST1有大约2.5分贝(dB)的增益；在准静态衰落信道下，串行级联系统SCST2比串行级联系统SCST1有接近2分贝(dB)的增益。显而易见，不论是在准静态衰落信道下，还是在快衰落信道下，串行级联空时编码系统若采用四相移相键控(QPSK)调制的混合递归网格空时码(HSR-STTC)作为内码，则在不增加系统复杂度的前提下，抗衰落性能有大幅度提高。
图5b为采用八相移相键控(8PSK)调制的串行级联空时编码系统(SCSTC)在准静态和快衰落信道下的性能曲线，图中横坐标为每根接收天线的信噪比(SNR)，纵坐标为误帧率。图中的曲线从右至左依次表示最右侧的实线上加叉的曲线代表采用八相移相键控调制的递归网格空时码(R-STTC)，即现有技术作为串行级联系统的内码，且收发端为2发2收的串行级联系统在准静态信道下的性能曲线，该系统用SCST3表示；从右数第二条实线上加三角的曲线代表采用八相移相键控调制的混合递归网格空时码(HSR-STTC)，即本发明作为串行级联系统的内码，且收发端为2发2收的串行级联系统在准静态信道下的性能曲线，该系统用SCST4表示；虚线上加叉的曲线代表采用八相移相键控调制的递归网格空时码(R-STTC)，即现有技术作为串行级联系统的内码，且收发端为2发2收的串行级联系统SCST3在快衰落信道下的性能曲线；虚线上加三角的曲线代表采用八相移相键控调制的混合递归网格空时码(HSR-STTC)，即本发明作为串行级联系统的内码，且收发端为2发2收的串行级联系统SCST4在快衰落信道下的性能曲线。由图5b可见当信噪比大于某一给定值时，串行级联系统SCST3和串行级联系统SCST4可获得近似相同的分集增益。当误帧率为10-2，接收天线数为2时，在快衰落信道下，串行级联系统SCST4比串行级联系统SCST3有大约3分贝(dB)的增益；在准静态衰落信道下，串行级联系统SCST4比串行级联系统SCST3有接近1分贝(dB)的增益。
上述仿真结果可以证明，与采用递归网格空时码(R-STTC)的串行级联空时编码系统相比，采用混合递归网格空时码(HSR-STTC)作为内码的串行级联系统，可在准静态衰落信道下和快衰落信道下均获得高于前者的分集增益，编码增益也有大幅度提高，能获得较好的效果，并且没有增加系统复杂度。
上述实施例是基于四相移相键控(QPSK)调制的四状态混合递归网格空时码(HSR-STTC)和基于八相移相键控(8PSK)调制的八状态混合递归网格空时码(HSR-STTC)的实施例，在实际应用中，可以根据系统或用户的需要，任意选择不同的混合递归网格空时码(HSR-STTC)，比如基于四相移相键控(QPSK)调制的八状态混合递归网格空时码(HSR-STTC)、十六状态混合递归网格空时码(HSR-STTC)等等，只需按照前述方法选择系统分量码和相应的映射方式即可。总之，上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
权利要求
1.一种混合递归网格空时编码方法，其编码过程如下第一步，根据要求的传输速率确定调制方式，并由此确定该混合递归网格空时码(HSR-STTC)的编码状态数，当传输速率为n比特/时隙时，采用2n-阶的调制方式，编码状态数为2n；第二步，选择分量码，包括确定分量码的状态数、码率和编码方式，该分量码采用1/2码率的两状态系统递归卷积码，且卷积码的个数等于要求的传输速率值，即当传输速率为n比特/时隙时，卷积码的个数为n，其编码方式为一类系统码，该一类系统码是指每个递归卷积码的编码输出比特中，必定包含一个输入信息比特，其余为校验比特；第三步，采用混合映射方式，将每一个分量码输出的信息比特和校验比特分别映射到不同发送符号的不同位置上，即包括不同发送符号映射和不同位置映射，该不同发送符号映射是指从所有分量码的两个输出比特中各选取一个比特对应映射为一个发送符号，其余的所有比特映射为另一个符号；该不同位置映射是指，将任一分量码的两个输出比特分别映射到两个符号的不同位置上，如果其中一个比特映射到一个发送符号的某个位置(L)上，则将另一个输出比特映射到另一个发送符号时，可选择除上述位置(L)外的其余任意位置。
2.根据权利要求1所述的混合递归网格空时编码方法，其特征在于调制方式包括四相移相键控(QPSK)调制、八相移相键控(8PSK)调制、十六进制正交幅度(16QAM)调制以及其它2n-阶的调制方式，n值等于要求的传输速率值；对于采用不同调制方式的混合递归网格空时编码方法，其分量码的选择和映射方式不同。
3.根据权利要求1或2所述的混合递归网格空时编码方法，其特征在于在采用四相移相键控(QPSK)的调制方式时，分量码选用两个1/2码率的两状态系统递归卷积码。
4.根据权利要求1或2所述的混合递归网格空时编码方法，其特征在于在采用四相移相键控(QPSK)的调制方式时，混合映射包括的不同发送符号映射和不同位置映射分别为该不同发送符号映射是指，首先分别从两个分量码的输出比特中选择一位信息比特和校验比特，并将这两个比特映射为一个四相移相键控(QPSK)符号S1，然后将剩余两个比特映射为另一个四相移相键控(QPSK)符号S2，这两个发送符号S1和S2分别从两根天线发送出去；该不同位置的映射是指，用h0、h1表示每个四相移相键控(QPSK)符号的两个不同的比特位置，如果同一个分量码的一个输出比特映射到一个四相移相键控(QPSK)符号S1的h0位置上，则另一个输出比特应映射到另一个四相移相键控(QPSK)符号S2的h1位置。
5.根据权利要求1或2所述的混合递归网格空时编码方法，其特征在于采用八相移相键控(8PSK)的调制方式时，分量码选用三个1/2码率的两状态系统递归卷积码。
6.根据权利要求1或2所述的混合递归网格空时编码方法，其特征在于采用八相移相键控(8PSK)的调制方式时，混合映射包括的不同发送符号映射和不同位置映射分别为该不同发送符号映射是指，首先分别从三个分量码的输出比特中选择两位信息比特和一位校验比特，并将这三个比特映射为一个八相移相键控(8PSK)符号S3，然后将剩余的三个比特映射为另一个八相移相键控(8PSK)符号S4，这两个发送符号S3和S4分别从两根天线发送出去；该不同位置的映射是指，用h2、h3、h4表示每个八相移相键控(8PSK)符号的三个不同的比特位置，对每一个分量码，如果它的一个输出比特映射到一个八相移相键控(8PSK)符号S3的h2位置上，则将另一个输出比特可映射到另一个八相移相键控(8PSK)符号S4的除h2外的任何位置上。
7.根据权利要求1或2所述的混合递归网格空时编码方法，其特征在于采用十六进制正交幅度(16QAM)的调制方式时，分量码选用四个1/2码率的两状态系统递归卷积码。
8.根据权利要求1或2所述的混合递归网格空时编码方法，其特征在于采用十六进制正交幅度(16QAM)的调制方式时，混合映射包括的不同发送符号映射和不同位置映射分别为该不同发送符号映射是指，首先分别从四个分量码的输出比特中选择两位信息比特和两位校验比特，或者选择三位信息比特和一位校验比特，然后将这四个比特映射为一个十六进制正交幅度(16QAM)符号S5，剩余的四个比特则映射为另一个十六进制正交幅度(16QAM)符号S6，这两个发送符号S5和S6分别从两根天线发送出去。该不同位置的映射是指，用h5、h6、h7、h8表示每个十六进制正交幅度(16QAM)符号的四个不同的比特位置，对每一个分量码，如果它的一个输出比特映射到一个十六进制正交幅度(16QAM)符号S5的h5位置上，则将另一个输出比特映射到另一个十六进制正交幅度(16QAM)符号S6的除h5外的任何位置上。
全文摘要
本发明涉及一种混合递归网格空时码编码方法，用于串行级联空时编码系统。可基于不同的调制方式，如四相移相键控调制、八相移相键控调制、十六进制正交幅度调制及其他文档编号H03M13/00GK1555211SQ20031011896
公开日2004年12月15日 申请日期2003年12月25日 优先权日2003年12月25日
发明者李颖, 郭旭东, 王新梅, 李 颖 申请人:西安电子科技大学