Uwb脉冲型多天线通信系统的空时编码方法

专利名称：Uwb脉冲型多天线通信系统的空时编码方法
技术领域：
本发明既涉及超宽带(UWB)电信领域，又涉及具有空时编码(STC) 的多天线系统领域。
背景技术：
多天线型无线电信系统在现有技术中是公知的。这些系统在进行发射 和/或接收时使用多个天线，并且根据所采用的配置类型被指定为MIMO(多 输入多输出)、MISO (多输入单输出)或SIMO (单输入多输出)。随后， 我们使用同样的术语MIMO来涵盖上述的MIMO和MISO两者之一。通过 在进行发射和/或接收时采用空间分集，这些系统能够提供比那些传统的单 天线(或单输入单输出的SISO)系统大很多的信道容量。这种空间分集一 般由时间分集借助于空时编码来完成。在这样一种编码中，要被发送的信 息符号通过若干个天线在若干个传输时刻(instant)内被编码。已知空时编 码MIMO系统的两个大类空时格状编码(STTC)系统和空时分组编码 (STBC)系统。在格状编码系统中，取决于当前状态和要被编码的信息符 号，空时编码器可以被认为是向p个天线提供p个传输符号的有限状态机。 使用多维度Viterbi算法进行接收时的解码，其复杂度取决于状态数目呈指 数增加。在分组编码系统中，在传输符号矩阵中对将被发送的信息符号块 进行编码，该矩阵的一个维度对应于天线的数目且另一个维度对应于相继 的传输时刻。
图1示意地图示了采用STBC编码的MIMO传输系统100。在如下的 空时矩阵C中对信息符号块S-(巧,，，a)，例如b比特的二进制字或更一般的 b个M进制符号，进行编码。
<formula>formula see original document page 4</formula> (1)其中，取决于信息符号，编码的系数cw, ^U;"1^P—般来说是复系数，
p是在发射时使用的天线数目，r是表示编码的时间范围的整数，即信道的 使用数或PCU (每信道使用)。
函数/被称为编码函数，其在信息符号的任何向量s和空时码字c之间 建立对应关系。如果函数/是线性的，则表明空时码是线性的。如果系数c^ 是实数，则空时码被认为是实数。
在图1中，空时编码器被指定为110。在信道使用t的每个时刻，所述 编码器向多路复用器120提供矩阵C的第t个线向量。所述多路复用器向调 制器lS(W.，調p发送线向量的系数，并且己调制信号由天线l恥,，...，MOp发送。
空时码的特征在于其速率，即其特征在于每信道使用(PCU)时刻发 送的信息符号数。如果所述码的速率比相对于单天线使用(SISO)的速率 高P倍，那么所述码被称为是全速率码。
空时码的又一特征在于其分集，所述分集可以被定义为矩阵C的秩。 如果对于任意两个与两个向量S:和S^对应的码字C，和C2 ，矩阵C, -C2都是
满秩的，那么可以获得最大分集。
空时码的最后一个特征在于其编码增益，所述编码增益表达在所述编
码的不同码字间的最小距离。其可以被定义为
她det((C， -CjF《C， -C J ( 2 )
其中，鈿(C)指代行列式C，并且C"是C的共轭转置矩阵。对于每个信息 符号的传输能量，编码增益是有限的。
因为空时码的编码增益高，所以其将会更加抗衰落。 S.M. Alamouti在发表于1998年10月的正EE Journal on selected areas in communications第16巻1451-1458页中的名为"A transmit diversity technique for wireless communications"的文章中提出了具有两个发送天线 的MIMO系统的空时编码的例子。Alamouti码由空时2x2矩阵定义
或，被等价地定义为线性码: mind改(C"C)其中，巧和,是两个要被发送的信息符号，^和《分别是它们各自的共 轭。如同可以在表达式(4)中看到，该码为两个信道使用发送两个信息符
号，因此其速率为1符号/PCU。
虽然在上述文章中针对属于QAM调制的符号初始地介绍了 Alamouti 码，但是Alamouti码也适用于属于PAM或PSK调制的信息符号。另一方 面，Alamouti码不能被简单扩展到位置调制，所述位置调制也被称为PPM (脉冲位置调制)。可以采用具有M个分量的向量表示具有M个位置的 PPM调制字母表的符号，在M个分量中，除了一个分量等于l，其它都为 零，等于1的分量对应于发射脉冲的调制位置。然后，在表达式(4)中^J PPM符号的使用导致了大小为，x2的空时矩阵。矩阵中出现的术语 《 不是PPM符号，并且需要进行通过改变符号而修改的脉冲的传输。换句话 说，这意味着使用有符号的PPM符号，这属于PPM调制字母表的扩展。
更一般地，空时码中的PPM符号的使用导致了 PPM调制字母表的扩 展，尤其是那些在V. Tarokh等发表于1999年7月的正EE Trans, on Information Theory第45巻1456-1567页中的名为"Space-time block codes from orthogonal designs"的文章中定义的PPM符号。
电信的另一个领域是当今受到相当多研究的主题。所述主题是UWB电 信系统，尤其是预期开发未来无线个人局域网(WPAN)。这些系统具有能 够直接运行在具有非常宽的带宽信号的基带中的特性。一般认为UWB信号 是遵照在2002年2月14日发布并在2005年3月修订的FCC规定中所规定 的频谱屏蔽(spectral mask)的信号，即在从3.1GHz到10.6GHz的频谱带 中的并且在-10dB至少具有500MHz的带宽的信号。实际上，已知两种类型 的UWB信号多波段OFDM (MB-OFDM)信号和UWB脉冲型信号。接
下来，我们仅对后者感兴趣。
UWB脉冲信号由在一帧中分布的非常短的脉冲组成，该非常短的脉冲
典型地是大约几百皮秒的量级。为了减少多接入干扰(MAI)，给每个用户 分配截然不同的跳时(TH)码。然后，来自用户k或去往用户k的信号可 以被写成
W》=1}畴-《-c4《》) ;) (5)其中，w是基本脉冲的波形，i;是符号部分时间(或码片)，《是基本间隔 ^-Ay;的持续时间，其中&是一个间隔中的码片数，所有的帧具有 2>=A5的持续时间，其中&是该帧中的间隔数。基本脉冲持续时间被选
定为小于码片持续时间，艮卩；^;。针对"-o，，.,m-i的序列W")定义了用
户k的跳时码。跳时序列被选定为使得属于不同用户的跳时序列的脉冲间
的碰撞数最小化。
在图2A中，图示了与用户k相关联的TH-UWB信号。为了从用户k 或向用户k发送给定的信息符号，通常使用位置调制来调制TH-UWB信号， 即，针对已调制信号
) * —^("》i; 一 aw (6)
其中c是远小于码片持续时间的调制延迟时间(抖动)，并且Ae{0,..，Af-1} 是该符号的PPMM元位置。
取代利用跳时码来区分不同的用户，还可以采用正交码来区分不同的 用户，例如Hadamard码，如在DS-CDMA中一样。然后，所使用的术语是 DS-UWB (直接序列扩频UWB)。在这种情况下，对应于(5)的非已调制 信号的表达式是
￡《
阔
其中，&f 3-0,..，]^-l是用户k的扩频序列。注意到，表达式(7)类似于 传统的DS-CDMA中的表达式，然而，在此的区别是码片不占用整个帧， 而是以周期《分布的。在图2B中图示了与用户k相关联的DS-UWB信号。 如前所述，可以采用PPM调制来发送信息符号。对应于TH-UWB (6) 的DS-UWB位置调制符号可以表示为下式，同时保留同样的记号
|^气一/,.錄1;漏ft寂) (8)
最后，已知跳时码和扩频码的组合，以便向不同的用户提供多址接入。
这样获得了具有下述一般形式的TH-DS-UWB脉冲UWB符号
&的=2 &f ;■-(9)
fci /"、
7在图2C中图示了与用户k相关联的TH-DS-UWB信号。所述信号可以采用 位置调制来进行调制。于是，已调制信号可以如下获得
<formula>formula see original document page 8</formula>
从现有技术可知如何在MIMO系统中使用UWB信号。在这种情况下， 每个天线发射根据信息符号或该信息符号的块(STBC)调制的UWB信号。 然而，如在之前所看到的，空时中的PPM信息符号的使用需要使用有符号 码，即求助于扩展的2-PAM-M-PPM调制字母表。考虑到倒相，进一步假 设一种在发送和接收时相较于传统脉冲系统更复杂的RF体系结构。最后， 某些UWB系统并不或仅仅勉强有助于有符号脉冲传输。举例来说，光学 UWB系统仅发射光强度TH-UWB信号，从而必定缺少符号信息。
本发明的目的在于为多天线UWB系统提出特别简单和健壮的编码方 法。在使用位置调制时，根据本方面的编码方法不需要调制字母表的扩展。 特别是这种编码方法，当调制支持信号是TH-UWB型时，可以不求助于有 符号脉冲的传输。

发明内容
本发明由用于包括多个辐射元的UWB传输系统的空时编码方法定义， 该方法将属于PPM调制字母表的信息符号块S =( ，&， .，&)编码成向量序 列，向量的分量意在针对该系统的给定辐射元和给定的传输信道而对UWB 脉冲信号进行位置调制，每个分量对应于一个PPM调制位置。根据所述方 法，根据所述矩阵的元素获得所述向量
<formula>formula see original document page 8</formula>所述矩阵的行对应于传输信道的使用且所述矩阵的列对应于辐射元，矩阵
C被定义为在它的行禾l3/或列的置换(permutation)之内，并且q是PPM调制
位置的一个置换。
置换q可以是该调制位置的循环置换，例如是这些位置的循环移位。 有利地是，辐射元是UWB天线或激光二极管或甚至是发光二极管。该脉冲信号可以是TH-UWB信号、DS-UWB信号或甚至是 TH-DS-UWB信号。
本发明也被定义为一个UWB传输系统，其包括多个辐射元，以及
-编码模块，用于将属于PPM调制字母表的信息符号块
S-^，"2，"" )编码成向量序列，每个向量与传输信道的给定使用和给定的
辐射元相关联，向量的每个分量对应于一个PPM调制位置，根据所述矩阵
的元素获得所述向量
tfj"'<ip ;
C= ft0Fff，、 ^
: \ '， ff2
、Ofij…n，:
所述矩阵的行对应于传输信道的使用且所述矩阵的列对应于辐射元，所述
矩阵C被定义为在它的行和/或列的置换之内，以及Q是PPM调制位置的一 个置换；
-多个用于对UWB脉冲信号进行位置调制的调制器，每个调制器与辐 射元相关联，并且在传输信道的使用期间，采用与该辐射元和该信道的使 用相关联的向量的分量对该信号进行位置调制；
-每个辐射元，适合于发射被该相关调制器由此调制的信号。


当参照附图阅读本发明的优选实施例后，本发明的其它特点和优势将
变得显而易见，其中
图1示意地图示了从现有技术可知的具有STBC编码的MIMO传输系
统；
图2A-2C分别图示了 TH-UWB、DS-UWB和TH-DS-UWB信号的波形； 图3示意地图示了根据本发明的实施例的多天线UWB传输系统； 图4图示了针对根据本发明的编码方法，在接收时的二进制误码率曲 线与信噪比之间的关系。
具体实施例方式
本发明的基本想法是通过作用于信息符号的调制位置上的置换算子
9(operator)引入编码分集。
将在后文中考虑具有p个发送天线的UWB传输系统，以及更一般地， 将在后文看到的具有尸个辐射元的UWB传输系统。所述信息符号属于位置 调制字母表。如前所述，A/代表所述字母表的基数。该系统所使用的空时 码由以下维度为PMxP的矩阵定义
衡p (t，
(11)
其中 "^,Cf是要被发送的信息符号，如维度为M的列向量所示，所示
维度为M的列向量中的所有分量中除了一个分量等于1，其它都为零，等 于1的分量定义了调制位置。
通常，根据本发明，C的行(行在此指向量的行)和/或列上的任何置 换都是空时码，在行上的一个置换等效于信道使用的时刻的一个置换，以 及在列上的一个置换等效于传输天线的一个置换。
矩阵Q是在调制位置上操作的大小为的置换矩阵。调制位置集 的任何一种除本身外的与自身的一一对应关系被称为一个Q置换。置换矩 阵显然可以是循环置换矩阵，例如简单的循环移位
/ 0
M 0
1 0
0 1
〔o
o n
0 0
0 1
(12)
其中，Iww是大小为M-1的单位矩阵，《諸-,是大小为M-1的零线向量，
a》w是大小为i的零列向量。
作为例子，在矩阵Q是循环移位(12)时，可以明确空时矩阵(11)
的形式<<formula>formula see original document page 11</formula>
(13)
其中，气…。u^r, "1,",尸wi幼^，，-^n-;Ut)，其中a是符号 ^的相对调制位置，且5是Dkac符号。
让我们现在考虑当系统是双天线(P=2)以及当矩阵D是任何置换的 时候的情况。可以进一步假设所述系统使用TH-UWB信号，如在(5)中 所定义的。空时码调制所述信号，并在2个连续的信道使用(PCU)期间 被发送。在第一次使用期间，天线l发送第一帧，即使用(6)的记号
(14)
(15)
;C微一i ".,—j
以及天线2同时发送第一帧
^ 綱 ^
= Es^,p(f-符:f;,力(然》f;賺附e》驟5^w^冊"i;—
在第二个信道使用期间，天线l发送第二帧
匈》尝2Z^^聘糧《-咖^广離)3 ￡啤—,广傘>^—Q"》《》(16)
其中，ffl = n-，是集合fel，Af-4》的一个置换，并且天线2同时发送第二帧:
仍=22>^裤:—-i^)' ￡wo-"i;—e("K—rtE》 (17)本领域的技术人员明白的是，使用根据表达式(7)的DS-UWB信号 或甚至是根据表达式(8)的DS-TH-UWB信号而不是TH-UWB信号，可 以获得类似的表达式。
从(11)或(13)可以看出，矩阵C的分量仅仅是O和1以及无符号
值。因此，这些分量既不引入任何倒相， 一般也不引入任何滞相。所述空 时码非常有助于超宽带信号的调制。
此外，矩阵C在其每列有相同数目的1，其由不同天线上的能量的有利
等分布来表示。
因为在P个信道使用期间P个信息符号被发送，所以所述空时码C也是 全速率码。因此其编码增益比现有技术中己知的那些高。
最后，所提出的空时码具有最大的分集。这在两个传输天线(p=2) 的情况下容易表现出来。确实，在这种情况下，所述空时码矩阵写成
"巧 <
(18)
根据定义，如果针对所述码的任何不同矩阵对C,CS AC-C-C，都是满 秩的，即，如果
認:
徵2
(19)
是满秩的，其中且^巧,-《，那么所述码具有最大分集。
根据设计，向量*,和a:或者所有分量都为零或者其中两个非零分量具
有相反符号。
矩阵AC在其已改进的形式中可以被写成
气》 、
AC;
,夠 5累
(20)
其中*9 = ￡T，且《^ = 隨, f = H拨=0，',,M-1 。
如果两个列向量是共线的，即如果存在标量^，使得 "V; 及aw = ~
(21 )
12那么矩阵AC不是满秩的。
考虑到fl一6〖-WW〗以及因此A2=l，当且仅当如下时可验证所述等式(21):
%=%* 1及(22) 换句话说，向量》,和*3必须为零，即C-C。
图3图示了根据本发明的使用空时编码的示例性传输系统。 系统300接收信息符号分块S—,，a，， )，其中/ 1,..,1>， hl是 基数MW的PPM星座图的符号。或者，假如所述信息符号事先在该PPM 星座图中进行了编码转换(映射)，所述信息符号可以来自另一个M元星座 图。所述信息符号可以由一个或多个本领域技术人员公知的操作发出，例 如信源编码、巻积型信道编码、分块或其它更多串行或并行turbo编码、交 织等。
在空时编码器310中对所述信息符号分块^( r,，^ ，aP)进行编码操作。 更为具体地，模块310根据表达式(11)或如前文指出的由矩阵的行和/或 列的置换获得的另一种替代方法计算矩阵C的系数。为了生成第一个帧， 分别将表示P个PPM符号的C的第一行的尸个列向量(有M个分量的向量) 发送到调制器UWB 320:,,,.,32~ ，然后为了生成第二帧发送C的第二行的尸 个列向量等，直到为了生成最后一帧发送最后一行的列向量。在图4中， 上索引表示帧以及下索引表示辐射元33&,. , 3簡P。调制器UWB 32"根据 列向量《,,￡^",叭..,《2生成相应的已调制11\\^脉冲信号。同样，调制器 UWB 3202根据向量a一，，!K"，^，生成相应的调制UWB脉冲信号等等，直 到调制器UWB 320f根据向量"""M"，,生成相应的调制UWB脉冲信号。 举例来说，对于双天线系统(P=2)，如果使用空时编码矩阵(18)和TH-UWB 型的调制支持信号，那么调制器UWB ""将依次提供信号(14)和(16)， 同时，调制器UWB 3202将依次提供信号(15)和(17)。虽然在本发明的 范围内益处较少，但是用作调制支持的UWB脉冲信号可以是DS-UWB型 或TH-DS-UWB型。在所有情况下，由此已调制的UWB脉冲信号被随后 发送到辐射元33Ch至330P.。这些辐射元可以是UWB天线或激光器二极管 或发光二极管，其例如运行在红外区域，与电光调制器相关联。所提出的 传输系统可以随后被使用在无线光通信领域中。
由图3中所图示的系统所发送的UWB信号可以被多天线接收机按照传
13统方式进行处理。举例来说，所述接收机可以包括在判决阶段之前的Rake 型相关性阶段，其例如使用本领域的技术人员已知的球解码。
图4图示了在接收时的二进制误码率曲线与每比特信噪比之间的关系。 针对不同的系统配置和不同的PPM调制阶数2、 4和8个位置，给出所述
曲线，其中所述系统具有一个或两个发送天线以及一个接收天线。
在接收时进行的处理是基于适用于PPM调制的球解码技术，如C. Abou-Rjeily等在2006年9月发表于第十七届关于个人、室内和移动无线通 信的IEEE年度国际论坛上的名为"MIMO UWB communication systems using modified Hermite pulses"的文章中所描述的。应该注意到，对于尸=2 个发送天线，根据本发明的空时编码和Alamouti码具有相同的性能。然而， 如所陈述的，根据本发明的编码不需要PPM星座图的扩展。
权利要求
1、一种用于包括多个辐射元的UWB传输系统的空时编码方法，所述方法将属于PPM调制字母表的信息符号块S＝(σ1，σ2，...，σP)编码成向量序列，向量的分量意在针对该系统的给定辐射元和给定的传输信道的使用来对UWB脉冲信号进行位置调制，每个分量对应于一个PPM调制位置，所述方法的特征在于，根据所述矩阵的元素获得所述向量所述矩阵的行对应于传输信道的使用且所述矩阵的列对应于辐射元，所述矩阵C被定义为在它的行和/或列的置换之内，以及Ω是所述PPM调制位置的一个置换。
2、 根据权利要求1所述的空间编码方法，其特征在于，q是所述调制 位置的循环置换。
3、 根据权利要求2所述的空间编码方法，其特征在于，q是所述调制 位置的循环移位。
4、 根据权利要求1至3中任何一项所述的传输方法，其特征在于，所 述辐射元是uwb天线。
5、 根据权利要求1至3中任何一项所述的传输方法，其特征在于，所 述辐射元是激光二极管或发光二极管。
6、 根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述脉冲信号是 th-uwb信号。
7、 根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述脉冲信号是DS-UWB信号。
8、 根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述脉冲信号是 TH-DS-UWB信号。
9、 一个包括多个辐射元的UWB传输系统，其特征在于，所述UWB 传输系统包括-编码模块(310)，用于将属于PPM调制字母表的信息符号块 S = ("""2，…，&)编码成向量序列，每个向量与传输信道的给定使用和给定的 辐射元相关联，向量的每个分量对应于一个PPM调制位置，根据所述矩阵 的元素获得所述向量f
一e= ■，效，、^ ^ 、 '，' & 、Qc^ … j 一所述矩阵的行对应于传输信道的使用且所述矩阵的列对应于辐射元，所述矩阵C被定义为在它的行和/或列的置换之内，以及Q是所述PPM调制位置 的一个置换；-多个用于对UWB脉冲信号进行位置调制的调制器(32(^,3202,..，320p)， 每个调制器与辐射元相关联，并且在所述传输信道的使用期间，采用与所 述辐射元和所述信道的使用相关联的向量的分量对所述信号进行位置调 制；-每个辐射元，适合于发射被所述相关调制器由此调制的信号。
全文摘要
本发明涉及用于包括多个辐射元的UWB传输系统的空时编码方法，所述方法将属于PPM调制字母表的信息符号块S＝(σ₁，σ₂，…，σ_P)编码成向量序列，向量的分量针对该系统的给定辐射元和给定的传输信道而对UWB脉冲信号进行位置调制，每个分量对应于一个PPM调制位置，其中，根据所述矩阵的元素获得所述向量(上图)所述矩阵的行对应于传输信道的使用且所述矩阵的列对应于辐射元，所述矩阵C被定义为在它的行和/或列的置换之内，以及Ω在所述PPM调制位置上执行置换操作。
文档编号H04B1/69GK101569128SQ200780047722
公开日2009年10月28日 申请日期2007年12月21日 优先权日2006年12月22日
发明者C·阿布尔杰利 申请人:原子能委员会