专利名称：一种提高串行级连空时编码系统性能的方法
技术领域：
本发明涉及空时编码技术，尤指一种利用带并行分支的网格编码来提高串行级连空时编码系统性能的方法。
网格空时编码(STTC，Space-Time Trellis Code)是空时编码的一种，是利用多天线技术，将编码和调制结合起来，能够同时获得编码增益和分集增益的一种较好的空时编码技术。其中，分集增益决定STTC性能曲线随信噪比变化的速率，即曲线的斜率；而编码增益则决定STTC性能曲线在坐标轴中的位置，当信噪比固定时，编码增益决定对应的误帧率大小，编码增益越大，对应的误帧率越小。根据STTC编码器的状态数可将STTC划分成两大类一类是STTC编码器的状态数大于等于所采用的调制阶数，则该类STTC的状态转移图中没有并行分支，此类STTC是目前常用到的；另一类是状态数小于调制阶数，此时STTC编码器中存在并行分支。
对于一个有n根发送天线，m根接收天线的(n，m)空时编码系统，设第i根发送天线在j时刻的发送信号为cji，所有n发送信号构成向量ct，则发送码矩阵Cn×N由所有Nf个向量构成，其中Nf为一帧中的信号个数。若接收端把发送码矩阵C错判为E，则C与E之差构成的矩阵B(C，E)为B(C,E)=c1-e1c2-e2...cNf-eNf=c11-e11c21-e21...cNf1-eNf1nc12-e12c22-e22...cNf2-eNf2............c1n-e1nc2n-e2n...cNfn-eNfn---(1)]]>根据目前的研究结果，对于准静态衰落信道和快衰落信道而言，STTC的性能主要由差矩阵B(C，E)来决定，B(C，E)的秩决定分集增益，而B(C，E)BH(C，E)的行列式值决定编码增益。那么，在选择生成矩阵时，首先保证分集增益，再优化编码增益，则可同时获得分集增益和编码增益。所提到的准静态衰落信道是指信道衰落因子在一帧内保持不变，而在下一帧中独立变化的一类信道；快衰落信道是信道衰落因子变化很快的一类信道。
当一种STTC采用的调制阶数为2b，而其状态数为2b-1时，该STTC的状态转移图中并行分支数为2，此类状态数小于调制阶数，且状态转移图中带有并行分支的STTC，即为带有并行分支的STTC(PT-STTC，STTC with paralleltransitions)。其最短错误事件长度为l＝1，此时对应B(C，E)中只有一列不为零。那么，根据准静态衰落信道中收发天线对的成对错误概率和快衰落信道中的成对错误概率，可得到最短错误事件在准静态信道和快衰落信道下的成对错误概率分别为P(C→E)≤λ-m(Es/4N0)-m(2)P(C→E)≤|ct-et|-m(Es/4N0)-m(3)其中，λ为最短错误事件对应A(C，E)的非零特征值。通常，在准静态衰落信道下，当差矩阵B(C，E)满秩时，系统能够获得最大的分集增益mn；在快衰落信道下，当差矩阵B(C，E)有v列以上不为零时，系统能够获得的分集增益mv。而由(2)、(3)式可知，不论是在准静态平坦衰落信道下，还是在快衰落信道下，PT-STTC单独使用时获得的分集增益仅为m，无法获得满分集增益，从而很难得到令人满意的性能。
虽然采用空时编码技术可以提高系统的传输速率，但由于其抗衰落性能稍差，不宜单独使用，因此，目前经常将空时编码与其它纠错码联合使用，也就是说，通常采用串行级连系统完成空时编码过程。该串行级连系统的组成结构如
图1所示，包括两大部分发射单元10和接收单元11，该发射单元10进一步包括外码编码器100、交织器101、空时编码器102以及发射天线；对应的，接收单元11进一步包括外码译码器110、解交织器111、空时解码器112以及接收天线。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，即空时编码称为内码。该系统基本的工作原理是这样的在发送端，信息序列a经过外码编码器100和交织器101的处理后形成比特序列u，STTC编码器102再对比特序列u编码后得到符号序列，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送至空时解码器112，解码成比特序列，再将该比特序列经过解交织器111和外码译码器110的处理，恢复出所发送的信息序列a。
由于衡量空时编码系统最主要的标准之一是分集增益，在上述处理过程中，为了保证空时编码系统获得满分集增益，一般选用编码器状态数大于调制阶数的STTC，即满秩的STTC作为内码，比如若系统采用四相移相键控(QPSK)调制，则采用STTC编码器的状态数至少等于4。而不考虑使用状态数小于调制阶数的PT-STTC，因为根据前面的分析，PT-STTC具有非满秩特性，不能获得满分集增益。但是，在采用满秩STTC的同时，由于STTC的编译码复杂度随状态数的增加呈指数增长，从而使系统的复杂度受到很大影响，使系统的优化比较困难，而要进一步降低STTC编码器的状态数又是不可能的，因此，严重制约了STTC编码的发展。
虽然，PT-STTC单独使用不能获得满分集增益，但PT-STTC的状态数小于调制阶数，从这个角度来说，PT-STTC在降低复杂度方面具有重要的作用。那么，如何使PT-STTC在降低复杂度的同时，解决空时编码满分集增益的问题成为主要的研究目标。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种提高串行级连空时编码系统性能的方法，使其在保证串行级连系统满分集增益的同时，将STTC的译码复杂度降低至少一半。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种提高串行级连空时编码系统性能的方法，在发送端，信息序列a经过外码编码和交织处理后形成比特序列，对该比特序列进行空时编码后得到符号序列，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空时解码处理形成比特序列，该比特序列再经过解交织和外码译码处理恢复出信息序列a；其关键在于在发送端采用具有并行分支的网格空时编码(PT-STTC)将比特序列编码为符号序列，在接收端采用PT-STTC将符号序列译码为比特序列。
其中，所述的PT-STTC从编码器的一个状态转移到另一状态，存在至少两条并行分支。该具有并行分支的网格空时编码(PT-STTC)可为基于四相移相键控(QPSK)调制的两状态PT-STTC；或为基于八相移相键控(8PSK)调制的四状态PT-STTC。那么，基于QPSK调制的两状态PT-STTC或是基于8PSK调制的四状态PT-STTC，从编码器的一个状态转移到另一状态时，存在两条并行分支。
在上述方法中，外码编译码器采用卷积码，或采用Turbo码。交织器采用随机交织器，或为奇偶交织器。
在准静态衰落信道下，单独使用PT-STTC时所有可能非满秩错误事件构成的集合Гnonfull与采用PT-STTC的串行级连系统中真正能够出现的所有可能错误事件集合ΓSCST的交集为空。
在快衰落信道下，采用PT-STTC的串行级连系统中真正能够出现的所有可能错误事件集合ΓSCST中最小的非零列数为vmin大于等于2。
该方法进一步包括对基于QPSK调制的PT-STTC，当编码器的输入序列为u＝(a0，b0，a1，b1，，...，aL，bL)时，(ai，bi)为PT-STTC编码器在i时刻的输入信息，设定输入序列中的ai(i＝0，1，...，L)全部等于零。对基于8PSK调制的PT-STTC，当编码器的输入序列为u＝(a0，b0，c0，a1，b1，c1，...，aL，bLcL)时，(ai，bi，ci)为PT-STTC编码器在i时刻的输入信息，设定输入序列中的ai和bi(i＝0，1，...，L)全部等于零。
由上述方案可以看出，本发明的关键在于在串行级连空时编码系统中，采用PT-STTC作为内码。
本发明所提供的提高串行级连空时编码系统性能的方法，由于PT-STTC的状态数小于调制阶数，采用PT-STTC作为串行级连空时编码系统的内码，能够将系统的编译码复杂度降低至少一半。同时，由于利用外码和交织器的联合作用来补偿PT-STTC的某些非满秩错误事件，以保证系统空时编码的满分集增益，从而在降低系统复杂度的前提下进一步提高了整个系统的性能。
图6b为采用基于8PSK的PT-STTC为内码的串行级连系统在准静态衰落信道下仿真性能曲线图；图7a为采用基于QPSK的PT-STTC为内码的串行级连系统在快衰落信道下仿真性能曲线图；图7b为采用基于8PSK的PT-STTC为内码的串行级连系统在快衰落信道下仿真性能曲线图。
本发明的思想正是利用PT-STTC编码技术来降低系统复杂度，同时利用外码和交织器的特性来补偿由PT-STTC引入的非满秩错误事件，抑制非满秩错误事件在输入序列中出现，从而在保证系统获得满分集的前提下降低复杂度。
基于上述思想，分别对采用PT-STTC的串行级连系统在准静态衰落信道下和在快衰落信道下的性能进行分析在准静态衰落信道下，设定单独使用PT-STTC时，所有可能非满秩错误事件构成的集合为Гnonfull；设定在串行级连系统中采用PT-STTC时，串行级连系统中真正能够出现的所有可能错误事件集合为ΓSCST。那么，Γnonfull和ΓSCST只可能存在三种关系 ，且≠Ω，其中Ω表示空集；(2)---ΓSCST⋐Γnonfull;]]>(3)---ΓSCST∩Γnonfull=Ω.]]>对于这三种关系，如果(3)成立，则说明串行级连系统中真正能够出现的错误事件均满秩，图1所示系统可获得满分集增益。此时，图1所示系统的误帧率为Pf≤Σw=1LRc0ΣΛ=ΛminΛmaxΛ-mA(r=2,Λ,w)(Es/4N0)-2m]]>其中，A(r，Λi，w)是秩为r、非零特征值之积为Λi且信息序列汉明距离为w的所有错误事件个数，其取值将由外码和交织器联合确定，且随外码和交织器的不同而变化；Es/4N0为信噪比。那么，在本发明中以PT-STTC为内码时，只要选择合适的外码和交织器，因为交织器具有对输入信息置换的功能，保证关系(3)成立，即可在降低复杂度的同时使系统获得优越的性能。
在快衰落信道下，空时编码系统的性能与其非零列数有关。设定在串行级连系统中真正能够出现的错误事件集合ΓSCST中最小的非零列数为vmin，最大的非零列数为vmax，那么，图1所示系统的误帧率为Pf≤ΣCP(C)Σv=vminvmaxΣw=wmLRc0ΣΛ′=Λmin′ΛMAX′Λ-mAE′(v,Λ′,w)(Es/4N0)-vm]]>其中，A′E(v，Λ′，w)是有v列不为零(v＝1，2，...，Nf)、积距离为Λ′且信息序列汉明距离为w的所有错误事件个数，Λmin′和Λmax′是Λ′中的最小和最大值。同样，在以PT-STTC作为内码时，只要选择合适的外码和交织器，满足关系(3)成立，则vmin≥2，此时SCST至少可获得2m的分集增益，使系统获得优越的性能。
根据上述分析，为了保证系统获得满分集增益，本发明的串行级连系统采用图4所示的结构，其与图1所示的结构基本相同，包括发射单元40和接收单元41。只是采用PT-STTC为内码，将图1中的空时编码器102替换为PT-STTC编码器402，空时解码器112替换为PT-STTC解码器412；并且，在选用PT-STTC为内码的同时，采用卷积码或Turbo码为外码，交织器采用随机交织器或奇偶交织器。本实施例中，将外码编码器100替换为卷积码编码器400，外码译码器110替换为卷积码译码器410；交织器101替换为随机交织器401，解交织器111替换为随机解交织器411。
图2和图3分别给出了基于QPSK和八相移相键控(8PSK)的两种PT-STTC，图2为基于QPSK调制的两状态PT-STTC，图3为基于8PSK调制的四状态PT-STTC。其中，图2中的0～3和图3中的0～7分别表示信号星座图中的点。在图2中，0、1处于0状态，2、3处于1状态，如果发送端有两根天线，则STTC编码器在编码时会同时产生两个符号。图2右侧的“00/11”表示PT-STTC编码器从0状态转移到0状态时，对应的两条并行分支；“02/13”表示PT-STTC编码器从0状态转移到1状态时，对应的两条并行分支；“20/31”表示PT-STTC编码器从1状态转移到0状态时，对应的两条并行分支；“22/33”表示PT-STTC编码器从1状态转移到1状态时，对应的两条并行分支。图3右侧的数字也表示类似的含义，只不过其是基于四个状态之间的转移。
对基于QPSK调制的PT-STTC，即图2所示的两状态PT-STTC，令编码器的输入序列为u＝(a0，b0，a1，b1，，...，aL，bL)，(ai，bi)为PT-STTC编码器在i时刻的输入信息，(ai，bi)应该有四种可能的组合00、01、10、11，其中ai决定PT-STTC编码器在i时刻的状态。则由图2可以看出只有当PT-STTC编码器的输入序列中的ai(i＝0，1，...，L)全部等于零时，即只包含00和01的组合，PT-STTC表现出非满秩特性。此时，采用下述措施保证这些非满秩的错误图样在PT-STTC编码器的输入序列中不出现1)外码选用码率为1/2的卷积码或Turbo码，交织器选用奇偶交织器。2)如果外码选用约束长度较大或者最大自由距离较大的卷积码或Turbo码，选用随机交织器也可保证串行级连系统的满分集增益。
对基于8PSK调制的PT-STTC，即图3所示的四状态PT-STTC，令编码器的输入序列为u＝(a0，b0，c0，a1，b1，c1，，...，aL，bLcL)，(ai，bi，ci)应该有八种可能的组合000、001、010、011、100、101、110、111，其中ai和bi共同决定PT-STTC编码器在i时刻的状态，则由图3可以看出只有当PT-STTC编码器的输入序列中的ai和bi(i＝0，1，...，L)全部等于零时，即只包含000和001的组合，PT-STTC表现出非满秩特性。此时，采用下述措施保证这些非满秩的错误图样在PT-STTC编码器的输入序列中不出现外码选用码率为1/3或1/2的卷积码或Turbo码，交织器选用随机交织器。
当外码固定后，图1所示的串行级连空时编码系统的编译码复杂度，将主要由所选用的STTC编码器的复杂度来决定。那么，设定某一STTC的状态数为2v，信号星座图中有2b个信号点，则在某一时刻t，从某一状态si(i＝0，1，...，2v-1)2b条分支，考虑所有可能状态，在某一时刻t共有2b+v条分支。若一帧中发送的符号个数为Nf，则产生的所有可能分支为 条。表1给出了基于QPSK调制的不同状态数下的STTC网格复杂度比较结果。 表1由表1可以看出对于QPSK调制，4状态STTC的网格复杂度为两状态PT-STTC的2倍，8状态STTC的网格复杂度为两状态PT-STTC的4倍，而16状态STTC为两状态PT-STTC的8倍；对于8PSK调制，8状态STTC的网格复杂度是4状态PT-STTC的两倍，而16状态STTC为4状态PT-STTC的4倍。可见，在其他条件相同的前提下，在串行级连系统中采用具有并行分支的STTC可使系统复杂度至少降低一倍。
下面通过几组仿真曲线的对比，可以明显看出图1所示的串行级连系统在采用PT-STTC后，其在准静态衰落信道和快衰落信道下性能的优越之处。本实施例中所选择的仿真参数如下
1)外码采用表2中给出的卷积码，对于采用STTC2和STTC3作为内码的情况，采用的卷积码用八进制表示的生成多项式为g0＝7，g1＝5；对于其他情况，采用的卷积码用八进制表示的生成多项式为g0＝17，g1＝15。
2)信息比特的长度为240，随机交织器长度为720。
3)内码分别采用表2给出的几类STTC，其中，STTC2和STTC3为四状态，STTC5为八状态，均为不带并行分支的STTC；PT-STTC1为基于QPSK的两状态PT-STTC，PT-STTC4为基于8PSK的四状态PT-STTC。表2中，单独使用STTC时，以“STTCi(i＝1，2，...，5)”表示；对应采用“STTCi(i＝1，2，...，5)”编码的串行级连系统时，以“SCSTi(i＝1，2，...，5)”表示，比如采用PT-STTC1为内码对应的串行级连系统称为SCST1。
表2另外，几组图中所有的虚线为2发1收时的性能曲线，所有实线则代表2发2收的性能曲线。
图5a和图5b给出了表2中采用QPSK调制的STTC和采用8PSK调制的STTC单独使用时，在准静态衰落信道下的性能曲线。图中横坐标为每个接收天线的信干比(SNR)，纵坐标为误码率。图5a中从右至左的曲线依次表示虚线上加叉的曲线代表单独使用PT-STTC1收发端为2发1收时的性能曲线，纯虚线代表单独使用STTC2收发端为2发1收时的性能曲线，点线代表单独使用STTC3收发端为2发1收时的性能曲线；实线上加叉的曲线代表单独使用PT-STTC1收发端为2发2收时的性能曲线，纯实线代表单独使用STTC2收发端为2发2收时的性能曲线，最左侧的点线代表单独使用STTC3收发端为2发2收时的性能曲线。图5b中从右至左的曲线依次表示虚线上加方块的曲线代表单独使用PT-STTC4收发端为2发1收时的性能曲线，纯虚线代表单独使用STTC5收发端为2发1收时的性能曲线；实线上加方块的曲线代表单独使用PT-STTC4收发端为2发2收时的性能曲线，纯实线代表单独使用STTC5收发端为2发2收时的性能曲线。由图5a和图5b可看出由于并行分支的影响，图中给出的两种PT-STTC，即PT-STTC1和PT-STTC4，在单独使用时均无法获得最大分集增益，且编码增益最差。
当采用本发明的方法，以PT-STTC作为串行级连系统的内码后，其在准静态衰落信道下的性能曲线如图6a和图6b所示，图6a为采用QPSK调制的STTC性能曲线，图6b为采用8PSK调制的STTC性能曲线。图中横坐标为每个接收天线的信干比(SNR)，纵坐标为误码率。图6a中从右至左的曲线依次表示最右侧的虚线代表以STTC3为串行级连系统内码收发端为2发1收时的性能曲线，从右数第二条虚线代表以STTC2为串行级连系统内码收发端为2发1收时的性能曲线，虚线上加叉的曲线代表以PT-STTC1为串行级连系统内码收发端为2发1收时的性能曲线；纯实线代表以STTC2为串行级连系统内码收发端为2发2收时的性能曲线，点划线代表以STTC3为串行级连系统内码收发端为2发2收时的性能曲线，实线上加叉的曲线代表以PT-STTC1为串行级连系统内码收发端为2发2收时的性能曲线。图6b中从右至左的曲线依次表示纯虚线代表以STTC5为串行级连系统内码收发端为2发1收时的性能曲线，虚线上加方块代表以PT-STTC4为串行级连系统内码收发端为2发1收时的性能曲线；纯实线代表以STTC5为串行级连系统内码收发端为2发2收时的性能曲线，实线上加方块代表以PT-STTC4为串行级连系统内码收发端为2发2收时的性能曲线。由图6a和图6b的曲线斜率可看出以PT-STTC作为内码的SCST在准静态衰落信道下可获得系统提供的最大分集增益，且具有最好的抗衰落性能。
由图6a可知在误帧率为10-2，接收天线数为1时，PT-SCST1比SCST2有大约0.3dB的增益，比SCST3有近2dB增益。对于图6a中两发两收和图6b给出的基于8PSK调制的串行级连系统，可推出几乎相同的结论。显而易见在准静态衰落信道下，采用PT-STTC的SCST不仅可获得满分集增益，同时其性能比采用满秩STTC的SCST还有所提高。
当采用本发明的方法，以PT-STTC作为串行级连系统的内码后，其在快衰落信道下的性能曲线如图7a和图7b所示，图7a为采用QPSK调制的STTC性能曲线，图7b为采用8PSK调制的STTC性能曲线。图中横坐标为每个接收天线的信干比(SNR)，纵坐标为误码率。图7a和图7b中每条曲线的定义与图6a和图6b完全相同。那么，对于基于QPSK调制的串行级连系统，由图7a可看出以PT-STTC作为内码的SCST性能获得的分集增益和采用延时分集的几乎相同，但编码增益更为明显。对于基于8PSK调制的串行级连系统，由图7b可看出SCST4的性能比SCST5有所提高，在误帧率为10-2，接收端只有一根天线时，SCST4比SCST5有大约0.8dB的增益；接收端有两根天线时，则SCST4比SCST5可获得近2dB的增益。
由上述仿真结果可以证明，本发明采用PT-STTC为串行级连系统的内码，不仅在准静态衰落信道下可获得满分集增益，使性能有所提高；而且，在快衰落信道同样可获得不低于采用满秩STTC的SCST系统的分集增益和编码增益。也就是说本发明无论是在准静态衰落信道下，还是在快衰落信道下，均可获得较好的效果，且系统复杂度至少降低一半。
以上所述，均是以基于QPSK调制的两状态PT-STTC和基于8PSK调制的四状态PT-STTC为例，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PT-STTC，比如基于16QAM调制的八状态PT-STTC等等，并同时选择相应的外码和交织器。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
1.一种提高串行级连空时编码系统性能的方法，在发送端，信息序列a经过外码编码和交织处理后形成比特序列，对该比特序列进行空时编码后得到符号序列，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空时解码处理形成比特序列，该比特序列再经过解交织和外码译码处理恢复出信息序列a；其特征在于在发送端采用具有并行分支的网格空时编码(PT-STTC)将比特序列编码为符号序列，在接收端采用PT-STTC将符号序列译码为比特序列。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述PT-STTC从编码器的一个状态转移到另一状态，存在至少两条并行分支。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于设定具有并行分支的网格空时编码(PT-STTC)为基于四相移相键控(QPSK)调制的两状态PT-STTC；或为基于八相移相键控(8PSK)调制的四状态PT-STTC。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于基于四相移相键控(QPSK)调制的两状态PT-STTC，或是基于八相移相键控(8PSK)调制的四状态PT-STTC，从编码器的一个状态转移到另一状态，均存在两条并行分支。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于设定外码编译码器采用卷积码，或采用Turbo码。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于设定交织器为随机交织器，或为奇偶交织器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在准静态衰落信道下，单独使用PT-STTC时所有可能非满秩错误事件构成的集合Гnonfull与采用PT-STTC的串行级连系统中真正能够出现的所有可能错误事件集合ΓSCST的交集为空。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在快衰落信道下，采用PT-STTC的串行级连系统中真正能够出现的所有可能错误事件集合ΓSCST中最小的非零列数为vmin不小于2。
9.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于该方法进一步包括对基于QPSK调制的PT-STTC，当编码器的输入序列为u＝(a0，b0，a1，b1，，...，aL，bL)时，(ai，bi)为PT-STTC编码器在i时刻的输入信息，设定输入序列中的ai(i＝0，1，...，L)全部等于零。
10.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于该方法进一步包括对基于8PSK调制的PT-STTC，当编码器的输入序列为u＝(a0，b0，c0，a1，b1，c1，，...，aL，bLcL)时，(ai，bi，ci)为PT-STTC编码器在i时刻的输入信息，设定输入序列中的ai和bi(i＝0，1，...，L)全部等于零。
全文摘要
本发明公开了一种提高串行级连空时编码系统性能的方法，在发送端，信息序列a经过外码编码和交织处理后形成比特序列，对该比特序列进行空时编码后得到符号序列，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空时解码处理形成比特序列，该比特序列再经过解交织和外码译码处理恢复出信息序列a；其关键在于在发送端采用具有并行分支的网格空时编码(PT－STTC)将比特序列编码为符号序列，在接收端采用PT－STTC将符号序列译码为比特序列。该方法在保证串行级连系统满分集增益的同时，将STTC的译码复杂度降低至少一半。
文档编号H04L1/06GK1466270SQ0212353
公开日2004年1月7日 申请日期2002年7月2日 优先权日2002年7月2日
发明者王新梅, 李颖, 苏宁 申请人:华为技术有限公司