专利名称：使用八个或更少发射天线的差分时空块编码装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能用于使用八个或更少发射天线的多天线无线通信系统的差分时空块码STBC(Space-Time Block Code)发射/接收装置。
背景技术：
与有线信道环境相比，无线信道环境由于多路衰减而可靠性较低。然而，在无线信道环境中，特别是在使用多发射天线的环境中，在发射器中使用时空块码提高了发射多样性增益，因此克服了衰减并很大地增加了发射信号的可靠性。这些优点使得时空块码被广泛使用。
如果无线信道信息已经被一接收器获知，则使用传统的时空块码。在一实系统中，使用对准符号来评估所述无线信道信息。
然而，当在接收器中不容易评估无线信道信息或由于无线信道变化太快使得评估无线信道信息需要太多工作量时，不使用无线信道信息的发射方案可能更好。
为了使用这样的发射方案，提出了一种差分时空块码发射/接收装置。V.Tarokh和H.Jafarkhani在“一种用于发射多样性的差分检测方案”(ADifferential Detection Scheme for Transmit Diversity，IEEE J.Select.Areas Commun.，Vol.18，pp.1169-1174，July 2000)中提出了用于单发射天线的差分时空块码发射/接收装置。他们将单发射天线用于传统的连续差分时空块码发射/接收装置，扩展了用于通信环境中的差分调制的思想。V.Tarokh和H.Jafarkhani在他们后来的论文“根据一般正交设计的多发射天线差分检测”(Multiple Transmit Antenna Differential Detection fromGeneralized Orthogonal Designs，IEEE Trans.On Info..Theory，Vol.47，pp.2626-2631，Sept.，2001)中将该方案进一步扩展到具有更多发射天线(比如，2、3和4个发射天线)的系统中。
与已有的时空块码发射/接收装置相比，差分时空块码发射/接收装置表现出约3dB的性能降低和类似的译码复杂度。
然而，Jaehak Chung等在“在快速衰减信道中多发射天线非连续检测方案的性能评估”(Performance Evaluation of Multiple Transmit AntennaNon-Coherent Detection Schemes in Fast Fading Channel，WirelessPersonal Communications，Vol.26，Issue 2-3，pp.249-265，2003)中证明在实际执行中，在“根据一般正交设计的多发射天线差分检测”中提出的具有8×4时空块码设计的复杂信号不能被发射出。
因此，结论是Tarokh的方案是可行的，即在发射复杂信号的情况下用两个发射天线以及在发射实信号时用2、3或4个发射天线。
图1A和1B是在多天线发射/接收系统中的传统差分时空块码发射/接收装置的框图。
图1A是具有N个发射天线106-1到106-N的发射器的框图。参照图1A，发射器由以下几部分组成符号映射器101，用于通过将每个2b位映射到一个符号上，以便根据所输入的二进制数据b1b2...bi产生k个符号P1，P2，...，Pk；矢量产生器102，产生用于从加法器104接收的信号输入的矢量成分；乘法器103-1到103-k，将从符号映射器101接收的符号与矢量相乘；加法器104，将乘法器103-1到103-k的输出相加；时空块编码器105，使用一个编码矩阵以产生时空块码并提供时空块码给各个发射天线106-1到106-N，该矩阵的入口是从加法器104接收的和。
符号P1，P2，...，Pk带有实信息。为了更好地理解“根据一般正交设计的多发射天线差分检测”中提出的Tarokh的方案，以k＝4进行描述。使用3个发射天线相当于删除了通过第4个发射天线发射的信号。
当通过4个发射天线用差分时空块码发射复杂信号时，一个差分时空块码在长度上等于8个符号周期。因此，时空块编码器105使用如下所示的公式1中的发射矩阵。该发射矩阵的特征是列间正交性。
x1x2x3x4-x2x1-x4x3-x3x4x1-x2-x4-x3x2x1x1*x2*x3*x4*-x2*x1*-x4*x3*-x3*x4*x1*-x2*-x4*-x3*x2*x1*...··(1)]]>
在第一块中，任意符号S1＝(s11，s21，s31，s41)T被映射到上述矩阵中的x1、x2、x3和x4的位置。该操作在时空块编码器105中执行。产生的第一块符号与输入的二进制数据无关。因此，第一块符号不带有信息。后续块的信号能够如下递归表示。
对于第(v+1)块，4个符号Sv+1通过将带有信息的符号P1-Pk与矢量Vk’(Sv)相乘然后将积相加而得到。矢量Vk’(Sv)具有在第v块中发射的4个符号Sv＝(s1v，s2v，s3v，s4v)T。4个符号Sv+1表示在公式2中Sv+1=Σk=14PkVk′(Sv)...··(2)]]>Vk’(Sv)如公式3所示V1’(Sv)＝(s1v，s2v，s3v，s4v)V2’(Sv)＝(s2v，-s1v，s4v，-s3v)V3’(Sv)＝(s3v，-s4v，-s1v，s2v)V4’(Sv)＝(s4v，s3v，-s2v，-s1v)...··(3)如此得到的Sv+1＝(s1v+1，s2v+1，s3v+1，s4v+1)T被映射到上述矩阵中的x1、x2、x3和x4。
图1B是具有M个接收天线107-1到107-M的接收器的框图。接收器由以下几部分组成矢量产生器108，通过接收天线107-1到107-M从发射器接收时空块码并产生矢量；置换和延迟器109，用于置换和延迟时空块码；多个乘法器110-1到110-k，将置换和延迟器109的输出和从矢量产生器108接收的矢量相乘；多个过滤器111-1到111-k，通过把乘法器110-1到110-k的输出进行带通过滤以评估多个符号；符号去映射器112，用于将所评估的符号去映射为二进制数据。
在操作中，置换和延迟器109置换第v块中的8个接收信号，矢量产生器108产生由第v+1块中的8个接收信号组成的矢量。置换和延迟器109的输出与该矢量相乘，积为P1-P4。接收信号如公式4所示r1v＝h1s1v+h2s2v+h3s3v+h4s4v+w1vr2v＝-h1s2v+h2s1v-h3s4v+h4s3v+w2vr3v＝-h1s3v+h2s4v+h3s1v-h4s2v+w3vr4v＝-h1s4v-h2s3v+h3s2v+h4s1v+w4v
r5v＝h1s1v*+h2s2v*+h3s3v*+h4s4v*+w5vr6v＝-h1s2v*+h2s1v*-h3s4v*+h4s3v*+w6vr7v＝-h1s3v*+h2s4v*+h3s1v*-h4s2v*+w7vr8v＝-h1s4v*-h2s3v*+h3s2v*+h4s1v*+w8v...··(4)其中，hi表示第i个发射天线与接收器之间的信道增益。通过置换r1v、r2v、r3v、r4v、r5v、r6v、r7v、r8v，置换和延迟器109输出如公式5所示的Rv1-Rv4Rv1=(r1v,r2v,r3v,r4v,r5v*r6v*r7v*r8v*)=(s1v,s2v,s3v,s4v)H⊥+(w1v,w2v,w3v,w4v,w5v*,w6v*,w7v*,w8v*)]]>=V1(Sv)H⊥+W1,]]>Rv2=(-r2v,r1v,r4v,-r3v,-r6v*r5v*r8v*-r7v*)=(s2v,-s1v,s4v,-s3v)H⊥+(-w2v,w1v,w4v,-w3v,-w6v*,w5v*,w8v*,-w7v*)]]>=V2(Sv)H⊥+W2,]]>Rv3=(-r3v,-r4v,r1v,r2v,-r7v*-r8v*r5v*r6v*)=(s3v,-s4v,-s1v,s2v)H⊥+(-w3v,-w4v,w1v,w2v,-w7v*,-w8v*,w5v*,w6v*)]]>=V3(Sv)H⊥+W3,]]>Rv4=(-r4v,r3v,-r2v,r1v,-r8v*r7v*-r6v*r5v*)=(s4v,s3v,-s2v,-s1v)H⊥+(-w4v,w3v,-w2v,w1v,-w8v*,w7v*,-w6v*,w5v*)]]>=V4(Sv)H⊥+W4,...··(5)]]>其中，H⊥的定义如公式6所示H⊥=h1h2h3h4h1*h2*h3*h4*h2-h1-h4h3h2*-h1*-h4*h3*h3h4-h1-h2h3*h4*-h1*-h2*h4-h3h2-h1h4*-h3*h2*-h1*...··(6)]]>置换值与在第v+1时间处接收的信号即从矢量产生器108产生的矢量相乘，积的实部由公式7计算Re{Rv+11Rvk*}=Re{Sv+1TH⊥H⊥*Vk′(Sv)*T+Wk}]]>=2Σk=14|hk|2Plk+Re{Wk}...··(7)]]>计算实部的原因是与复杂信号有关的Vk’(Sv)是非正交的。这就是为什么传统差分时空块码发射/接收装置不支持复杂信号的原因。
如果P1-P4是与原点等距离的集合中的元素，则即使不知道信道值也能通过阈值检测对它们进行评估。该方法的优点是即使不知道信道值也能够解码。
然而，为了使P1-P4具有实数值同时与原点等距离，P1-P4必须从{1，-1}中选择。这相当于使用BPSK(Binary Phase Shift Keying，双相移位密码)。当高端调制方案被用来增加数据比率时，需要P1-P4的连接设计，因此极大地增加了接收器的复杂度。
发明内容
如上所述，传统方法不能为3个或4个发射天线产生象P1-P4这样的复数值。因此，即使信号能以复杂信号的形式发射，在实际执行中复数调制方法也不能采用。甚至对于实信号，具有5个或更多发射天线的差分时空块码发射/接收装置也没有出现过。
本发明的目的是至少充分解决上述问题和/或缺点，并且提供至少如下的优点。因此，本发明的一个目的是提供设计用来处理在差分时空块之前的时空块的差分时空块码发射/接收装置，这样它能通过并且包括4个发射天线发射复杂信号，以及通过并且包括8个发射天线发射实信号。
上述目的通过提供在使用8个或更少发射天线的多天线系统中的差分时空块码发射/接收装置来实现。在差分时空块码发射装置中，符号映射器接收二进制数据并且从二进制数据产生出预先确定数量的符号，每个符号具有预先确定数量的位。时空块编码器通过编码符号产生出时空块码。差分处理器通过使用反馈和延迟对时空块码进行差分编码。分布式矩阵处理器按照发射天线的数量将差分编码的时空块码代入到预先设置的分布式矩阵中，并输出分布式矩阵的差分时空块码编码到发射天线。
在差分时空块码接收装置中，矢量产生器从发射器接收时空块码并由时空块码产生出矢量(Rv+1)。差分解处理器同时输出矢量(Rv+1)以及经延迟的先前矢量(Rv)。连续时空块解码器使用矢量(Rv+1)和经延迟的先前矢量(Rv)评估多个符号。符号去映射器将被评估的符号去映射为二进制数据。
本发明的上述和其它目的、特征和优点，通过下述与附图结合进行的详细说明将会更加明显。其中图1A和1B是在多天线发射/接收系统中的传统差分时空块码发射/接收装置的框图；图2A和2B是本发明实施例的差分时空块码发射/接收装置的框图；图3是图2A所示的差分处理器的详细框图；图4是图2B所示的差分解处理器的详细框图；图5是本发明的差分时空块码发射/接收装置与传统的连续时空块码发射/接收装置的性能比较图。
具体实施例方式
以下结合附图描述本发明的优选实施例，由于公知的功能或结构会在不必要的细节上妨碍本发明的说明，因此在下面的描述中它们不会被详细描述。
本发明提出了一种差分时空块码发射/接收装置，在发射实信号时它支持多到8个的发射天线，而在发射复杂信号时它支持多到4个的发射天线。
图2A和2B是本发明实施例的差分时空块码发射/接收装置的框图。
如图2A所示，为了发射差分时空块码，传统方法将差分编码的符号映射到发射矩阵，而本发明是首先将符号映射到发射矩阵然后再对发射矩阵本身进行差分编码。
参照图2A，差分时空块码发射器包括符号映射器201，用于从输入的二进制数据b1b2...bi，通过映射每个2b位到一个符号，来产生K个符号s1，s2，...，sK；时空块编码器202，用于通过对符号进行编码产生出时空块码；差分处理器203，用于通过反馈和延迟对时空块码进行差分编码；分布式矩阵处理器204，用于按照发射天线205-1～205-N的数量将差分编码的时空块码代入到预先设置的分布式矩阵中。
差分处理器203在图3中详细说明。参照图3，差分处理器203包括乘法器31，用于将从时空块编码器202接收到的时空块码Sv+1与经延迟的信号Bv相乘，并输出结果信号Bv+1；延迟器32，用于延迟乘法器31先前的输出Bv，并输出延迟后的信号给乘法器31。
为了更好地理解本发明，差分时空块码发射/接收装置将在具有8个或更少发射天线和单接收天线的系统环境中进行说明。显然，本发明能被推广到任意数量的接收天线，即使这里假定的是单接收天线。
对于2个发射天线，信号以两符号周期为基础被发射。对于3或4个发射天线，信号以四符号周期为基础被发射。对于5到8个发射天线，信号以八符号周期为基础被发射。按照发射天线的数量，可以得到公式8到14所示的如下的分布式矩阵。
G22=a1a2-a2a1...··(8)]]>B22=a1a2-a2*a1*...··(9)]]>
G43=a1a2a3-a2a1-a4-a3a4a1-a4-a3a2...(10)]]>G44=a1a2a3a4-a2a1-a4a3-a3a4a1-a2-a4-a3a2a1...(11)]]>B43=a1a2a3-a2*a1*0-a3*0a1*0-a3*a2*...··(12)]]>B43=a1a2a30-a2*a1*0a3-a3*0a1*-a20-a3*a2*a1...··(13)]]>G88=a1a2a3a4a5a6a7a8-a2a1a4-a3a6-a5-a8a7-a3-a4a1a2a7a8-a5-a6-a4a3-a2a1a8-a7a6-a5-a5-a6-a7-a8a1a2a3a4-a6a5-a8a7-a2a1-a4a3-a7-a8a5-a6-a3a4a1-a2-a8-a7a6a5-a4-a3a2a1··(14)]]>其中，G表示发射实信号的矩阵，B表示发射复杂信号的矩阵。G43是G44的前3列，B43是B44的前3列。用于5到8个发射天线的分布式矩阵，即N＝5、6、7和8，是G88的具有N列的子矩阵。
上述公知的分布式矩阵被用于发射/接收连续时空块码的设计为正交的传统装置。
本发明的差分时空块码发射器根据用于符号映射的实或复杂信号群以及所使用的发射天线数预先设置多个分布式矩阵。
B43，即通过3个发射天线发射复杂信号的情况，将作为例子进行说明。虽然不在本发明的实施例中描述，但通过下面的描述本领域的技术人员可以明白，本发明可应用于通过4个或更少的发射天线发射复杂信号，以及通过8个或更少的发射天线发射实信号。
在本发明的实施例中，用于二进制信号输入的时空块编码信号的发射从选择任意符号S1＝(s1，1，s1，2，s1，3)并将它们代入到分布式矩阵B431中开始。用此方法，在第1块中B431的第(i，t)元素在第t时间处通过第i个发射天线被发射。
第1块的符号没有带信息且接收器不知道这些符号。
第v块后的块中的符号能够如下递归表达。如果分布式矩阵B43v以与第1块同样的方式在第v块中被发射，输入的二进制数据被调制成符号Sv+1＝(sv+1，1，sv+1，2，sv+1，3)，且用该调制符号替换B44中的a1、a2和a3，因此为第(v+1)块产生出矩阵S44v+1。差分处理器203通过将在先前块中发射的矩阵S44v+1与被延迟器32延迟的B43v相乘为第(v+1)块产生新矩阵B43v+1。
乘法器31的操作如公式15所示B43v+1=S44v+1B43v...··(15)]]>在这种方式下，B43v+1的第(i，t)个元素在第t时间处通过第i个发射天线被发射。
使用矩阵B44的原因是B44矩阵具有与矩阵B43一样多的行并且是具有正交性的最小矩阵。为了使用G8N为5到8个发射天线设计差分时空块码，S44v+1必须由通过将8个符号Sv+1＝(sv+1，1，sv+1，2，...，sv+2，8)代入到G88中而产生的矩阵S88v+1代替。
现在将在下面描述本发明的差分时空块码接收器。
图2B是具有M个接收天线206-1～206-M的接收器的框图。该接收器包括矢量产生器207，用于为从发射器发射的时空块码的输入产生矢量Rv+1；差分解处理器208，用于输出当前矢量Rv+1和被延迟的矢量Rv；连续时空块译码器209，用于使用矢量Rv和Rv+1评估多个符号；符号去映射器210，用于将所评估的符号去映射为二进制数据。
差分解处理器208在图4中有更详细的说明。
参照图4，差分解处理器208包括一个发射路径，通过该路径从矢量产生器207接收的当前矢量Rv+1被传送；延迟器41，用于延迟矢量产生器207产生的前一个矢量Rv，且将Rv和Rv+1一起输出。
操作中，假定信道增益h＝(h1，h2，h3)T在两个连续块的时间内不改变，在第v块接收的信号如公式16所示Xv=B43v+Wv...··(16)]]>其中Xv＝(xv，1，xv，2，xv，3，xv，4)T是接收4符号周期的信号，Wv＝(wv，1，wv，2，wv，3，wv，4)T是噪声信号。
以同样方式，在第(v+1)块接收的信号如公式17所示Xv+1=B43v+1+Wv+1...··(17)]]>通过将公式15代入公式17，所得结果为公式18Xv+1=B43v+1h+Wv+1=S44v+1B43vh+Wv+1...(18)]]>=S44v+1Xv+Nv+1]]>其中噪声部分Nv+1如公式19所示Nv+1=-S44v+1Wv+Wv+1...(19)]]>由于S44v+1的正交性，相对于连续时空块码，公式18中的噪声部分的变化增加了2，且噪声部分的分布被保持。
公式18最终代表使用B44的传统连续时空块码发射/接收装置中接收的信号。即，如果Xv被看成信道增益，公式18就是用于接收Xv+1的传统接收器的方程。
图5是本发明的差分时空块码发射/接收装置与传统的连续时空块码发射/接收装置的性能比较图。
参见图5，代表本发明差分时空块码的曲线51显示了相对于代表连续时空块码的曲线52约3dB的性能增加。前者比后者具有2倍的噪声信号变化。然而，性能降低是没有信道评估的差分时空块码发射/接收装置的特征，而不是本发明固有特征。
根据上述本发明，其中接收器不需要用信道增益来恢复发射信号的差分时空块码发射/接收装置使能使经过3或4个发射天线发射复杂信号。
所述差分时空块码发射/接收装置也使能经过5到8个发射天线发射所述实信号。
因此，尽管发射天线数量增加了，但差分时空块码发射/接收装置具有与传统时空块码发射/接收装置同样的性能。
虽然本发明参照优选实施例进行展示和描述，但本领域技术人员可以理解，在形式和细节上可以对本发明进行各种改变，不脱离通过附属的权利要求所确定的发明精神和范围。
权利要求
1.一种用于在多天线系统中发射时空块码的装置，包括一符号映射器，用于接收二进制数据且从该二进制数据产生出多个符号，每个符号具有多个位；一时空块编码器，用于通过对所述符号编码产生时空块码；一差分处理器，用于通过反馈和延迟对所述时空块码进行差分编码；和一分布式矩阵处理器，用于将所述差分编码的时空块码代入到所述分布式矩阵，且输出所述分布式矩阵的差分时空块码代码到发射天线。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述差分处理器包括一乘法器，用于将时空块码(Sv+1)与被延迟的输出信号(Bv)相乘，并输出差分编码的时空块码(Bv+1)；一延迟器，用于延迟乘法器先前的输出信号(Bv)，并输出被延迟的信号(Bv)给乘法器。
3.一种用于在多天线系统中接收时空块码的装置，包括一矢量产生器，用于从发射器接收一时空块码并根据该时空块码产生一矢量(Rv+1)；一差分解处理器，用于同时输出矢量(Rv+1)和被延迟的先前矢量(Rv)；一连续时空块译码器，用于使用矢量(Rv+1)和被延迟的先前矢量(Rv)评估多个符号；一符号去映射器，用于将所评估的符号去映射为二进制数据。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述差分解处理器包括一发射路径，用于传送从所述矢量产生器接收的矢量(Rv+1)；一延迟器，用于延迟所述从矢量产生器接收的先前矢量(Rv)，以使所述先前矢量(Rv)和所述矢量(Rv+1)能够同时输出。
全文摘要
在使用8个或更少发射天线的多天线系统中的差分时空块码发射/接收装置被提供。在差分时空块码发射装置中，符号映射器接收二进制数据并由二进制数据产生多个符号，每个符号具有多个位。时空块编码器通过对符号进行编码产生出时空块码。差分处理器通过反馈和延迟对时空块码进行差分编码。分布式矩阵处理器根据发射天线的数量将差分编码的时空块码代入到预设的分布式矩阵中，并输出分布式矩阵的差分时空块码代码到发射天线。
文档编号H04L1/02GK1665160SQ200410075799
公开日2005年9月7日 申请日期2004年12月23日 优先权日2003年12月23日
发明者南承勋, 金映秀, 郑在学, 瓦伊德·塔罗克, 黄譛洙 申请人:三星电子株式会社