专利名称：：一种多天线无线通信系统中的空时编解码方法及装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及无线通信
技术领域：
，尤其涉及一种应用于多天线无线通信系统中的空时编解码:忮术。
背景技术：
：随着无线通信技术的发展，无线通信系统的可靠性和有效性都面临着巨大的挑战。在时间和频率资源都受到限制的条件下，MIMO(多天线系统)技术应运而生，并以其优越的信道容量性能而倍受瞩目。在MIMO系统中通常采用分集技术以实现更好的信号传输质量。但是，由于移动终端设备体积的限制，没有足够的空间设置多个天线以保证通信信道的独立性，使得下行链路中无法实现接收分集技术。因而，鉴于基站对于多天线的处理能力，在多天线无线通信系统中通常考虑的是采用由空时编码方法实现的发射分集技术。STBC(空时分块编码)以其较好的性能和较低的实现复杂度而成为业界实现发射分集的主流技术。以两天线的STBC(即S.M.Alamouti发明的STTD算法)为例，该算法的发射信号矩阵为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，x'和^分别表示基站两个待传输的信息符号,该算法的系统结构如图l所示，下面对该算法的具体实现进行说明在时刻1,基站的天线1和天线2分别向移动终端发射信息符号A和^,此时，移动终端的接收信号为在时刻2，基站的天线1和天线2分别向移动终端发射信息符号—<和<，此时，移动终端的接收信号为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，^和^分别表示基站上的天线1和天线2到移动终端的平坦衰落信道，,和分别表示移动终端在时刻w(w-l,2)接收到的信号和加性Gaussian(高斯)白噪声。接收端对被检测信号&和乓的计算分别如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>最后，移动终端可以利用最大似然准则对基站所发射的两个原始信息符号A和&分别进行检测与判决。下面以四发射天线的系统为例，对STBC算法的实现方式进行说明。这时,系统相应的发射矩阵结构为,其中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>分别表示四个待传输的信息符号，*表示共轭运算。具体来说，移动终端在相邻8个时刻对应的接收信号如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>一一<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>r4=——&2x3+/z3a:2+A4Xi+w4，&=+^2义2+a3i;+a4x:+"5，r7=—+/72x4+/73JCi—/z4x2+w7，其中，/^表示基站上的天线w(w-l，2,3,4)到移动终端的平坦衰落信道，~和"分别表示移动终端在时刻w(附=1，2,3,4,5，6,7，8)接收到的信号和加性Gaussian白噪声；四发射天线系统对于被j企测信号的计算分别为A=/1、+/j2、2+A3*/*3+/z:/"4+r5*+/22r6*+/j3。*+/j4/"8*;i2=/22V,—&r2-/i4r3+A3r4+A2/*5-夂《_/z4r7*+A3r8*;;3=+&4r2-h、3—+&3r5*+&4r6*—力i^7'-;;4=-《n"3、-&、-v5*-v6*+v;-v8*。不难看出，在上述现有的STBC算法中，当系统中待发射的信息符号为复数信号时，如果发射天线数目多于两个，则系统的等效传输速率只能达到SISO(单天线输入单天线输出)系统传输速率的一半。
发明内容本发明提供了一种多天线无线通信系统中的空时编解码方法及装置，从而可以降低系统的误码率，提高系统的等效传输效率。本发明的目的是通过以下技术方案实现的本发明提供了一种多天线无线通信系统中的空时编码方法，包括在发射端，将一组待传输的原始发射信息符号构成正交矩阵，并利用已知的信道状态信息计算该矩阵中各元素相应的系数，获得发射信号矩阵，发射信号矩阵中的每一行对应于一时刻各个发射天线上所发射的信号、每一列对应于一发射天线在相邻的各个时刻所发射的信号。优先地，本发明所述的计算该矩阵中各元素相应的系数具体可以为根据最大比合并原则、利用已知的信道状态信息计算该矩阵中各元素相应的系数，而且，若假设系统中设置有M个发射天线，则本发明提供的方法具体可以包括在发射端，首先将待传输的信息符号分组，每组有M个信息符号。再将每组的M个信息符号构成一个正交矩阵，第一行即为所述的M个待传输的信息符号x,、x2、...、xM，其余各行是第一行各元素及其相反数的不同换序排列，即由土X，、土乂2、...、士构成一个MxM维的正交矩阵。然后，根据最大比合并原则、利用已知的信道状态信息计算所述由一组待传输信息符号构成的正交矩阵所对应的系数矩阵，具体为线到接收端的平坦衰落信道。接着，将所述正交矩阵左乘所述系数矩阵，得到完整的发射信号矩阵；所述发射信号矩阵中的每一行对应于某一时刻M个发射天线上所发射的信号、每一列对应于某一发射天线在相邻的M个时刻所发射的信号。本发明还提供了一种多天线无线通信系统中的空时解码方法，包括在接收端，利用所述发射信号矩阵的正交性，对一组相邻时刻中所接收的信号进行加权合并；并对加权合并后的信号进行检测，得到所述原始发射信息符号的估计值。具体为与上述优先方案对应，在接收端，首先根据最大比合并的原则、利用发射信号矩阵结构的正交性以及接收端已知的信道状态信息，对一组相邻M个时刻中所接收的信号进行加权合并；然后，对于所述加权合并后的信号分,其中，/^为发射端的第w(/w-l，2,…,M)个发射天别进行检测与判决，得到原始信息符号的估计值。本发明还提供了一种多天线无线通信系统发射端的空时编码装置，包括正交矩阵构造^t块，用于构造一组待传输信息符号所对应的正交矩阵；系数矩阵确定模块，用于根据最大比合并原则、利用无线信道的状态信息计算所述正交矩阵所对应的系数矩阵；发射信号矩阵形成模块，用于将所述正交矩阵左乘所述系数矩阵，得到发射信号矩阵，每一行对应于某一时刻各个发射天线上所发射的信号、每一列对应于某一发射天线在相邻的各个时刻所发射的信号；信号发射^^莫块，将所述的发射信号矩阵通过对应的发射天线在对应的时刻发射到无线信道。其中，可选地，所述的正交矩阵构造模块具体可以包括待传输信息符号分组模块，用于将待传输的信息符号分组，每组中的信息符号个数等于系统中所设置的天线个数；正交矩阵生成模块，用于将分组后的各组信息符号及其对应的相反数生成正交矩阵。可选地，所述的系数矩阵确定模块具体可以包括信道状态信息获取模块，用于接收由接收端反馈至发射端的无线信道状态信息；系数矩阵计算模块，用于根据所述的信道状态信息获取模块获取的信道状态信息计算所述的正交矩阵对应的系数矩阵。本发明还提供了一种多天线无线通信系统接收端对于空时编码的解码装置，包括接收信号合并模块，用于利用发射信号矩阵结构的正交性，对一组相邻时刻中接收到的信号进行加权合并；信号检测与判决模块，用于对所述接收信号合并模块处理后的信号进行检测与判决，得到原始发射信息符号的估计值。可选地，所述的装置还包括信道状态信息估计模块，用于估计无线信道的状态信息，并将所述信道状态信息反馈至发射端，还将所述信道状态信息提供给接收信号合并模块。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的空时编码技术是利用发射端已知的信道状态信息，对待传输的信息符号进行空时编码，从而有效降低系统的误码率，并提高系统等效传输速率。而且，若待传输的信息符号为复数信号，且发射天线的数目多于两个，则采用本发明可以在很大程度上提高系统的等效传输效率。图1为两天线STBC(即STTD)系统的结构示意图2为本发明所述的方法的具体实现过程示意图3为本发明应用于两发射天线系统中的误码率仿真结果示意图4为本发明应用于四发射天线系统中的误码率仿真结果示意图5为本发明所述的实现装置具体结构示意图。具体实施例方式本发明提供的空时编码技术是利用发射端已知的信道状态信息，对待传输的信息符号进行空时编码，不仅使得系统能够达到更好的误码率性能，而且当系统中设置的发射天线数目多于两个时，如果系统的输入信号是复数信号，本发明还可以使得系统的等效传输速率得到有效提高。本发明的实现使得无论系统设置的发射天线数目是多少，其等效传输速率都与SISO(单输入单输出)系统的传输速率之比相等。本发明应用于多天线系统中时，假设系统中设置有M个发射天线和1个接收天线，则相应的空时编码及译码处理过程如图2所示，具体包括以下步骤步骤201:将M个待传输的原始发射信息符号构成一个MxM维的正交矩阵X;每一行对应于某一时刻M个发射天线上所发射的信号、每一列对应于某一发射天线在相邻M个时刻所发射的信号；若系统中设置有M个发射天线，则所述的正交矩阵具体可以为由M个待传输的信息符号构成，其中，第一行是M个待传输的原始发射信息符号;c,、&、...、xw，其余各行是第一行各元素及其相反数的不同换序排列，即由±&、±x2、…、士;^构成MxM维的所述正交矩阵。步骤202:利用发射端已知的信道状态信息计算发射矩阵中各个元素所对应的系数，构成系数矩阵，具体为端的平坦衰落信道。为了获得更好的系统性能，也可以进一步根据最大比合并原则、利用已知的信道状态信息计算所述由一组待传输信息符号构成的正交矩阵所对应的系数矩阵，具体为在这一步骤中，如果省略最大比合并原则、直接以信道状状态信息计算正交矩阵所对应的系数矩阵，系统等效传输速率不变，但是，系统性能稍差，即其误码率会有所升高。步骤203:将所述正交矩阵左乘与之对应的系数矩阵，获得完整的发射信号矩阵，具体如下,其中，^为发射端的第m(m-l,2,…,M)个发射天线到接收<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>所述的发射信号矩阵中的每一行对应于一时刻各个发射天线上所发射的信号、每一列对应于一发射天线在相邻的各个时刻所发射的信号；步骤204:将所述发射信号矩阵由M个发射天线在M个相邻的时刻分别发送到无线信道。在接收端执行下述步骤步骤205:4艮据最大比合并的原则、利用接收端已知的信道状态信息以及发射信号矩阵结构的正交性，对M个相邻时刻接收到的信号进行加权合并；具体可以根据最大比合并的原则、利用已知的信道状态信息计算各接收信号的加权系数，之后，利用所述的加权系数及发射信号矩阵的正交性对接收信号进行加权合并；步骤206:对所述加权合并后的信号分别进行;险测与判决，得到原始发射信息符号的估计值。为进一步阐述本发明的技术方案，下面以几种设置不同发射天线数目的系统分别对本发明应用最大比合并原则的最佳实施方式进行描述。(一)实施例一系统设置两发射天线，接收端为单天线移动终端才艮据前面描迷的适用于M发射天线系统的发射信号矩阵易知，两发射天线系统中的发射信号矩阵如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>即:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>矩阵中的每一行对应于某一时刻2个发射天线上发射的信号，矩阵中的每一列对应于任一天线在相邻2个时刻发射的信号。上述矩阵中，；c,和^分别表示两个待传输的信息符号，&表示基站的第/(/=1，2)个发射天线到接收端的平坦衰落信道。也就是说，在时刻l,基站天线1和天线2向移动终端发射的信息符号分别哉x哉x为)W+hl和aW+卜1，此时移动终端的接收信号为:J2+n,，其中，。和^分别表示移动终端在时刻l接收到的信号和加性Gaussian白噪声；在时刻2，基站的天线1和天线2向移动终端发射的信息符号分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>和<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>，此时移动终端的接收信号为其中，,2和"2分别表示移动终端在时<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>刻2接收到的信号和加性Gaussian白噪声。在移动终端中，相应的被检测信号^和乓的计算结果分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>和最后，移动终端可以利用最大似然准则对基站所发射的两个原始信息符号^和A分别进行检测与判决，得到其估计值。这一实施例的系统误码率仿真结果如图3所示，其中，虛线表示现有STBC算法在两发射天线系统中的误码率性能，实线表示本发明在两发射天线系统中的误码率性能。从图3可以看出，在两发射天线系统中，本发明提供的空时编码方案与传统的STBC算法相比，其信噪比增益大于ldB。(二)实施例二系统设置四发射天线，接收端为单天线移动终端根据前面描述的适用于m发射天线系统的发射信号矩阵易知，四发射天线系统中的发射信号矩阵如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>,其中，&、x2、x3、A分别表示四个待传输的信息符号，^表示基站的第w(m-l，2,3,4)个发射天线到接收端的平坦衰落信道。整理后，发射信号矩阵中的每一行对应于某一时刻4个发射天线上发射的信号，矩阵中的每一列对应于任一天线在相邻4个时刻发射的信号。这样，移动终端在相邻四个时刻的接收信号分别如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>其中，5、"2、6、^和"1、"2、"3、"4分另'J表示移动终端在时刻1、时刻2、时刻3、时刻4接收到的信号和加性Gaussian白噪声。移动终端对被检测信号^、^、A、A的计算分别如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>最后，移动终端可以利用最大似然准则对四个原始信息符号^、X"X3、^分别进行检测与判决，以得到其估计值。这一实施例的系统误码率仿真结果如图4所示，其中，虚线表示现有STBC算法在四发射天线系统中的误码率性能，实线表示本发明在四发射天线系统中的误码率性能。从图3可以看出，在四发射天线系统中，本发明提供的空时编码方案与传统的STBC算法相比，其信噪比增益约为2dB。(三)实施例三系统设置八发射天线，接收端为单天线移动终端根据前面描述的适用于M发射天线系统的发射信号矩阵易知，八发射天线系统中的发射信号矩阵如下<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>示基站的第w(w=1,2，3,4,5,6,7，8)个发射天线到接收端的平坦衰落信道。整理后，发射信号矩阵中的每一行对应于某一时刻8个发射天线上发射的信号、矩阵中的每一列对应于任一天线在相邻8个时刻发射的信号。在八天线系统中，移动终端在八个时刻的接收信号，以及移动终端获得的被检测信号均可以依据之前描述的两发射天线系统和四发射天线系统的处理方式类推获得，故不再赘述。本发明还提供了一种多天线无线通信系统中实现空时编码的装置，具体包括发射装置和接收装置，其具体实现结构如图5所示。(一)发射装置包括以下处理模块(1)正交矩阵构造模块，用于构造一组待传输的原始发射信息符号所对应的正交矩阵，每一行对应于某一时刻各个发射天线上所发射的信号、每一列对应于某一发射天线在相邻的各个时刻所发射的信号；而且，该模块具体可以包括待传输信息符号分组模块和正交矩阵生成模块，其中待传输信息符号分组模块，用于将待传输的信息符号分组，每组中的信息符号个数等于系统中所设置的天线个数；正交矩阵构成模块，用于将分组后的各组信息符号构成一个正交矩阵；(2)系数矩阵确定模块，用于根据最大比合并原则、利用无线信道的状态信息计算所述正交矩阵所对应的系数矩阵；而且，该模块具体可以包括信道状态信息获取模块和系数矩阵计算模块，其中信道状态信息获取模块，用于接收由接收端反馈至发射端的无线信道状态信息；系数矩阵计算模块，用于根据最大比合并原则、利用所述的信道状态信息获取模块获取的信道状态信息计算由待传输信息符号构成的正交矩阵所对应的系数矩阵；(3)发射信号矩阵形成模块，用于将所述正交矩阵左乘所述系数矩阵，得到完整的发射信号矩阵；(4)信号发射模块，用于将所述的发射信号矩阵中的各发射信号通过对应的发射天线在对应的时刻发射到无线信道。(二)接收装置包括以下处理模块信道状态信息估计模块，用于估计无线信道的状态信息，并将所述信道状态信息的估计值反馈至发射端，还将所述的信道状态信息提供给加权系数计算模块；加权系数计算模块，用于根据所述的信道状态信息估计模块估计的信道状态信息、利用最大合并的原则计算M收信号的加权系数，并提供给接收信号合并模块；接收信号合并模块，用于根据所述的加权系数以及发射信号矩阵结构的正交性，对一组相邻时刻中接收到的信号进行加权合并；信号检测与判决模块，用于对所述接收信号加权合并模块处理后的信号进行^r测与判决，得到原始信息符号的估计值。上述各模块具体采用的处理方式参见前面的描述，在此不再赘述。综上所述，本发明有效利用了发射端已知的信道状态信息进行空时编码，以降低误码率。而且，当待传输的信息符号为复数时，如果系统设置的发射天线数目多于两个，那么，采用本发明提供的空时编码方案可以在很大程度上提高系统的等效传输速率。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明公开的技术范围内，可以想到的变化或替换，例如设计其它形式的正交矩阵结构以及改变正交矩阵中各元素所对应的系数等，都不脱离本发明保护的精神与内涵。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。权利要求1、一种多天线无线通信系统中的空时编码方法，其特征在于，包括在发射端，将一组待传输的原始发射信息符号构成正交矩阵，并利用已知的信道状态信息计算该矩阵中各元素相应的系数，获得发射信号矩阵，该发射信号矩阵中的每一行对应于一时刻各个发射天线上所发射的信号、每一列对应于一发射天线在相邻的各个时刻所发射的信号。2、根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述的发射信号矩阵具体是利用所述的系数，对由一组待传输的原始发射信息符号构成的正交矩阵中的各元素力口权构成。3、根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，若系统中设置有M个发射天线，则所述的由一组待传输的原始发射信息符号构成的正交矩阵具体为由M个待传输的信息符号构成，其中，第一行是M个待传输的原始发射信息符号;c,、x2、...、xM，其余各行是第一行各元素及其相反数的不同换序排列，即由土;c,、±&、...、土&构成MxM维的所述正交矩阵。4、根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，所述的计算该矩阵中各元素相应的系数具体包括根据最大比合并原则、利用已知的信道状态信息计算该矩阵中各元素相应的系数，而且，若系统中设置M个发射天线，则各个所述的系数构成的系数矩阵具体为线到接收端的平坦衰落信道。5、根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，所述的发射信号矩阵是由所述的由一组待传输的原始发射信息符号构成的正交矩阵左乘由各个所述的系数构成的系数矩阵，具体为，其中，、为发射端的第—w-l，2，…,M)个发射天<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>,其中，^为发射端的第附(m-l，V'.,M)个发射天线到接收端的平坦衰落信道，X为所述由一组待传输的原始发射信息符号构成的正交矩阵。6、一种多天线无线通信系统中的空时解码方法，其特征在于，包括在接收端，利用所述发射信号矩阵的正交性，对一组相邻时刻中所接收的信号进行加权合并；并对加权合并后的信号进行检测，得到所述原始发射信息符号的估计值。7、一种多天线无线通信系统发射端的空时编码装置，其特征在于，包括正交矩阵构造模块，用于构造一组待传输信息符号所对应的正交矩阵；系数矩阵确定模块，用于根据最大比合并原则、利用无线信道的状态信息计算所述正交矩阵所对应的系数矩阵；发射信号矩阵形成模块，用于将所述正交矩阵左乘所迷系数矩阵，得到发射信号矩阵，每一行对应于某一时刻各个发射天线上所发射的信号、每一列对应于某一发射天线在相邻的各个时刻所发射的信号；信号发射^i块，将所述的发射信号矩阵通过对应的发射天线在对应的时刻发射到无线信道。8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的正交矩阵构造模块具体包括待传输信息符号分组模块，用于将待传输的信息符号分组，每组中的信息符号个数等于系统中所设置的天线个数；正交矩阵生成才莫块，用于将分组后的各组信息符号及其对应的相反数构成正交矩阵。9、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的系数矩阵确定模块具体包括信道状态信息获取模块，用于接收由接收端反馈至发射端的无线信道状态信息；系数矩阵计算模块，用于根据所述的信道状态信息获取模块获取的信道状态信息计算所述的正交矩阵对应的系数矩阵。10、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的系数矩阵确定模块<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>计算的所述的系数矩阵为w(w-l，2,…,M)个天线到接收端的平坦衰落信道。11、一种多天线无线通信系统接收端对于空时编码的解码装置，其特征在于，包括接收信号合并模块，用于利用发射信号矩阵结构的正交性，对一组相邻时刻中接收到的信号进行加权合并；信号检测与判决模块，用于对所述接收信号合并模块处理后的信号进行检测与判决，得到原始发射信息符号的估计值。12、根据权利要求ll所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括信道状态信息估计模块，用于估计无线信道的状态信息，并将所述信道状态信息反馈至发射端，还将所述信道状态信息提供给接收信号合并模块。13、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括加权系数计算模块，用于根据所述的信道状态信息估计模块确定的信道状态信息计算各接收信号的加权系数；且所述接收信号合并模块利用相应的发射信号矩阵结构的正交性及所述各接收信号的加权系数对一组相邻时刻接收到的信号进行加权合并。其中，M为发射天线的数目，/^为发射端的第全文摘要本发明涉及一种多天线无线通信系统中的空时编解码方法及装置。本发明主要包括在发射端，首先，将一组待传输的信息符号构成正交矩阵，并利用已知的信道状态信息计算该矩阵中各元素的系数；然后，将所述由待传输信息符号构成的正交矩阵中的各元素与其所对应的系数相乘，获得发射信号矩阵；在接收端，利用发射信号矩阵的正交性，对一组相邻时刻中所接收的信号进行加权合并；最后，对加权合并后的信号进行检测，得到原始发射信息符号的估计值。本发明有效利用了发射端已知的信道状态信息进行空时编码，以降低误码率。而且，若待传输的信息符号为复数信号，且发射天线的数目多于两个，则采用本发明可以在很大程度上提高系统的等效传输效率。文档编号H04B7/04GK101170335SQ20061015041公开日2008年4月30日申请日期2006年10月25日优先权日2006年10月25日发明者杨玉丽申请人:华为技术有限公司