专利名称：空时块编码系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及通信，尤其涉及通信信号的空时编码。
背景技术：
用于两个发射天线的空时发射分集(STTD)编码已经被很多新的无线通信标准采 用，例如包括3GPP (第3代合伙项目)，3GPP2和IEEE (电器和电子工程师协会)802. 16。已 经知道用于两个天线的所谓Alamouti的编码可以获得对于两个发射天线的最大分集增益 和统一编码速率。为了寻找用于两个以上天线时可以获得具有统一编码速率的最大分集增益的空 时码，后来已经进行了各种尝试。另一方面，已经对STTD和0TD(正交发射分集)的结合进行了许多研究。与这样 编码方案相关联的一个主要困难是还没有发现对于任意数量的发射天线可以提供最佳信 号接收的正交复矩阵。尽管这些结合的编码拥有简单的编码和解码算法，在没有任意大小 的正交矩阵时，需要这种编码的特别(ad-hoc)设计，并导致次于最佳的性能。STTD技术的一个理想方面是适用于单天线接收机。STTD的关键优点包括最大分 集增益和在接收机只包括复数乘法的相对简单的解码。此外，尽管STTD为MIMO(多输入多 输出)BLAST的补充编码技术，STTD并不需要通信网络中发射天线的数量少于接收天线的 数量。因此，尽管空时技术可以在通信系统提供优点，但当前没有技术可以对两个以上 发射天线提供统一码速率和最大发射分集增益。
发明内容
依照本发明的一个方面，确定多个空时编码矩阵，每个都具有各自的关联相关矩 阵。每个相关矩阵包括非零的非对角线元素。选择其中关联相关矩阵具有最少数量非零非 对角线元素的一种空时编码矩阵，并用于编码数据符号。选择的空时编码矩阵可以包括分别对应于发射天线的行和分别对应于其中数据 符号被发射的时隙的列。在一个实施例中，选择的空时编码矩阵被穿刺(puncture)，并且使用穿刺的所选 空时编码矩阵编码数据符号。可以依照固定的或适应性的穿刺比率进行穿刺。也可以确定相位旋转因数并将其应用到编码的数据符号。相位旋转因数优选地被 确定以减少与所选的空时编码矩阵相关联的相关矩阵的非对角线元素的值。在闭环系统 中，相位旋转因数或者用于计算相位旋转因数的反馈信息可以从数据符号被发射到的接收 机中接收。
也提供了一种相关的接收方法，优选地，包括接收和解码通信信号中的数据符号。 数据符号使用从具有各自相关矩阵的空时编码矩阵中选择的空时编码矩阵被编码，该相关 矩阵具有非零非对角线元素。选择的空时编码矩阵的关联相关矩阵具有最小数量的非零非 对角线元素。另一方面，本发明提供了一种方法，该方法包括确定具有各自关联相关矩阵的多 个空时编码矩阵，选择关联相关矩阵的追踪具有最大功率的一个空时编码矩阵，并使用选 择的空时编码矩阵编码数据符号。也提供了一种接收方法，该方法包括接收和解码通信信号中的数据符号。数据符 号使用从具有各自关联相关矩阵的空时编码矩阵中选择的空时编码矩阵被编码。选择的空 时编码矩阵的关联相关矩阵的追踪具有最大功率。依照本发明另一方面的系统包括输入端和处理器。输入端配置为接收数据符号， 处理器配置为确定多个空时编码矩阵，其中每个矩阵具有各自的具有非零非对角线元素的 关联相关矩阵，选择关联相关矩阵具有最少数量的非零非对角线元素的一个空时编码矩 阵，并使用选择的空时编码矩阵编码数据符号。在进一步的方面中，本发明还提供了一种系统，该系统具有配置为从通信信号中 接收数据符号的输入端，该数据符号使用从具有各自关联相关矩阵的多个空时编码矩阵中 选择的空时编码矩阵编码被编码，该相关矩阵具有非零非对角线元素，选择的空时编码矩 阵的关联相关矩阵具有最小数量的非零非对角线元素，以及配置为解码所述编码数据符号 的处理器。依照本发明的另一方面的系统包括配置为接收数据符号的输入端和处理器。该处 理器配置为确定多个空时编码矩阵，每一个具有各自的关联相关矩阵，以选择关联相关矩 阵的追踪具有最大功率的一个空时编码矩阵，并使用选择的空时编码矩阵编码数据符号。相关的接收系统包括配置为在通信信号中接收数据符号的输入端和配置为解码 该编码数据符号的处理器。接收的数据符号使用从具有各自关联相关矩阵的空时编码矩 阵中选择的空时编码矩阵被编码，选择的空时编码矩阵的关联相关矩阵的追踪具有最大功 率。在另一方面，也提供了一种数据符号被输入和被编码的方法。数据符号使用从具 有各自相关矩阵的多个空时编码矩阵中选择的空时编码矩阵被编码。相关矩阵具有非零 非对角线元素，并且选择的空时编码矩阵的关联相关矩阵具有最小数量的非零非对角线元素。通过本发明特定实施例的下述描述，普通的本领域技术人员可以清楚本发明实施 例的其他方面和特征。
现在将参照附图对本发明的实施例进行更详细的说明，其中图1为依照本发明实施例的系统框图；图2为依照本发明实施例的方法的流程图；图3为用于本发明实施例的仿真和4X2通信方案实例的FER(误帧率)与Eb/ No(每比特能量与噪声谱密度的比)的图4为用于本发明实施例的仿真和4X 1通信方案实例的FER与KD/NO的图；图5为用于本发明进一步实施例的仿真和4X 1通信方案实例的FER与Kd/NO的 图；图6为依照本发明实施例的闭环系统的框图；图7为依照本发明实施例的闭环方法的流程图；图8为用于本发明的闭环实施例的仿真和传统闭环通信方案实例的FER与Kd/NO 的图；图9为用于本发明的开环和闭环实施例的仿真的FER与mVNo的图；图10为适用于CDMA(码分多址)通信系统的本发明实施例的框图；以及图11为适用于CDMA通信系统的本发明进一步实施例的框图。
具体实施例方式在发射机具有固定数量的天线，在不同接收机具有可变数量的天线以及具有适应 性编码调制操作的MIMO通信系统中，接收天线数量的增加可以增加调制的阶数从而增加 光谱效率。对于此系统的下行链路通信，基站或其他网络元件可以是发射机，然而通信终端 或配置为在通信系统内操作的设备可以是接收机。例如，假设在频率非选择性慢衰落信道中，系统具有M个发射天线和N个接收天 线。采样的基带等效信道模型由Y = HZ+ η , (1)给出，其中Y e Cn为在N个接收天线中的第j个天线接收的符号；H e Cnxm为复数信道矩阵，其中第(i，j)单元代表在第i个发射天线与第j个接 收天线之间的复数窄带高斯随机过程；Z e Cm为发射符号矩阵，Z e Cm的第i个单元为在第i个发射天线发射的符号；η e Cn为加性高斯白噪声，其被建模为具有统计独立单元的零均值循环对称复数 高斯随机向量，也就是巧~ Ν(0,2σ2ηΙΝ)，其中<为噪声方差，In为N维单位矩阵；Cx为一组χ复数。如上所述，没有找到用于任意发射天线数量的正交空时编码矩阵，也称为 STBC (空时块编码)矩阵。对于具有2个以上发射天线的系统，此种编码具有很大一组非正 交组合。因此，限定有效的空时编码的一个重要任务是与信道编码结合识别空时编码矩阵 以获得最大分集增益。然而，例如仅通过简单的彻底查找来搜索空时编码的最佳组合是不可行的。查找 所有可能的编码矩阵然后进行诸如Monte-Carlo仿真的仿真来调查分集增益所需的计算 量即使对于基于计算机的查找来说倾向于过高的。依照本发明的一个方面，空时编码矩阵的设计是基于减少编码矩阵线性变换中的 互相关。在相关矩阵中具有减少数量的非零相关系数的这种变换在这里称为准正交空时块 编码Ο Ο-STBC)。尽管严格来说并非正交，该编码矩阵也提供了很多正交编码矩阵的优点并 更加容易通过查找来识别，尤其对于具有大于2个发射天线的较高维系统。图1为依照本发明实施例的系统框图。图1中的系统包括发射机10和接收机22。 发射机10包括连接到多个M天线14，20的空时编码器12。类似的，接收机22包括连接到解码器观的多个N条天线M，沈。在优选实施例中，发射机10在支持与通信终端进行无线 通信的基站或其他网络元件中被实现，接收机22在一个或多个通信终端中被实现。编码器 12，解码器观，发射机10以及接收机22的其他可能部件可以通过诸如像DSP (数字信号处 理器)的专用处理器或不仅执行信号处理软件还执行诸如操作系统软件或软件应用的其 他软件的通用处理器来提供。应当清楚，图1所述的系统仅仅用于说明。本发明的实施例可以结合具有比图1 所示更少、更多或与图1中不同部件的系统来实现。例如，本发明所属技术领域的技术人员 清楚，发射机除了编码器12和天线14，20之外，还可以包括其他部件，例如接收或处理用于 传送的符号，确定或存储编码矩阵，或在传送之前对编码器12输出的编码符号进行存储或 其他处理的部件。类似地，接收机也可以包括对解码器观解码的接收信号进行进一步处理 的部件。同样，尽管接收机22中显示了 2个天线M，沈，但是本发明决不依赖于多个接收天 线。接收机可以具有一个或多个天线。此外，实现发射机10和接收机22的通信设备可以 正常地支持发射和接收操作。正如从下面描述可显而易见的，编码器12使用编码矩阵对符号进行编码，说明性 的调制符号可以为QPSK(正交移相键控)或QAM(正交幅度调制)符号。通过天线14，20 发射并由接收机22接收的编码的符号被解码器观解码。 使用F(S)表示复数输入符号S = [S1,r，Slji, s2,r, S2
^1YSmJt的2M维向量
在编码器12的输出端的空时编码符号矩阵，其中下标r和i分别表示复数符号的实部和虚 部。F⑶为2MX2M维的矩阵。根据等式(1)，为了方便忽略噪声，接收机接收的信号可以 表示为
权利要求
1.一种发射机中的方法，所述方法包括确定多个空时编码矩阵，每个矩阵都具有包括多个非零非对角线元素的各自的关联相 关矩阵；选择多个空时编码矩阵中的一个，其中关联相关矩阵具有最少数量的非零非对角线元素；使用选择的空时编码矩阵对数据符号进行编码；以及 通过多个天线发送编码的数据符号。
2.如权利要求1所述的方法，其中，其中选择的空时编码矩阵包括分别对应于多个发 射天线的多个行和分别对应于数据符号在其中被发射的多个时隙的多个列。
3.如权利要求2所述的方法，其中多个发射天线包括4个发射天线，并且其中多个空时 编码矩阵包括
4.如权利要求1所述的方法，其中，在进行所述编码之前穿刺选择的空时编码矩阵，以 便使用穿刺的空时编码矩阵执行所述编码。
5.如权利要求4所述的方法，其中，穿刺包括依照适应性穿刺比率穿刺所选择的空时 编码矩阵。
6.如权利要求4所述的方法，其中所选择的空时编码矩阵包括 F(SiiS^S3) =
7.权利要求4所述的方法，其中穿刺包括穿刺所选择的空时编码矩阵以产生从包括下 式的组中选择的穿刺矩阵
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括确定相位旋转因数；并把相位旋转因数应用 到编码的数据符号，其中相位旋转因数被确定以降低与所选择的空时编码矩阵相关联的相 关矩阵的非对角线元素的值。
9.如权利要求8所述的方法，其中，确定相位旋转因数包括从数据符号被发送到的接 收机中接收相位旋转因数。
10.如权利要求8所述的方法，其中，确定相位旋转因数包括从数据符号被发送到的 接收机中接收反馈信息；并基于反馈信息计算相位旋转因数。
11.一种接收机中的方法，所述方法包括通过多个天线接收接收包含数据符号的通信信号，所述数据符号使用从具有包括多个 非零非对角线元素的各自的关联相关矩阵的多个空时编码矩阵中选择的空时编码矩阵被 编码，选择的空时编码矩阵的关联相关矩阵具有最少数量的非零非对角线元素；以及对编码的数据符号进行解码。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括确定反馈信息；以及把反馈信息发射到通 信信号的发射机，用于编码随后的数据符号。
13.如权利要求11所述的方法，其中，解码包括MMSE(最小均方误差)解码。
14.如权利要求12所述的方法，其中反馈信息包括相位旋转因数的相位角，其被应用 于随后的数据符号以减小与选择的空时编码矩阵相关联的相关矩阵的非对角线元素的值。
15.如权利要求14所述的方法，其中反馈信息包括代表相位角的编码。
16.如权利要求12所述的方法，其中确定包括确定通信信道的增益因数；以及基于通 信信道的增益因数确定相位角。
17.如权利要求16所述的方法，在具有N条天线的接收机上被执行并被配置以从发射 机的4条天线接收通信信号，所述通信信号包括使用从包含下列矩阵的组中选择的编码矩 阵编码的数据符号
18.如权利要求17所述的方法，其中反馈信息包括用于计算相位旋转因数的通信信道 增益因数，其被应用于随后的数据符号以减少相关矩阵的非对角线元素的值。
19.一种系统，包括配置为接收数据符号的输入端；和处理器，配置为确定多个空时编码矩阵，其中每个矩阵均具有包括多个非零非对角线 元素的各自的关联相关矩阵，选择多个空时编码矩阵中的一个，其中关联相关矩阵具有最 少数量的非零非对角线元素，并使用选择的空时编码矩阵编码数据符号。
20.如权利要求19所述的系统，在通信网络的网络元件中实施，所述通信网络进一步 包括至少一个接收机，其中所述处理器被配置为向至少一个接收机发送编码的数据符号， 并且其中至少一个接收机中的每个接收机包括配置为接收编码的数据符号的输入端；和 处理器，配置为对编码的数据符号进行解码，确定反馈信息，以及向网络元件发射反馈信息 用于编码随后的数据符号。
21.如权利要求1所述的方法，其中，多个空时编码矩阵中的每一个都具有
22.如权利要求11所述的方法，其中，多个空时编码矩阵中的每一个都具有
23.如权利要求19所述的系统，其中，多个空时编码矩阵中的每一个都具有
24.如权利要求11所述的方法，其中，在进行编码之前穿刺选择的空时编码矩阵，以便 使用穿刺的空时编码矩阵编码所述数据符号。
25.如权利要求19所述的系统，其中，所述处理器进一步配置以在进行编码之前穿刺 选择的空时编码矩阵，以便使用穿刺的空时编码矩阵编码所述数据符号。
26.一种发射机中的方法，所述方法包括 所述发射机获得空时编码矩阵；以及所述发射机使用空时编码矩阵来编码数据符号，所述空时编码矩阵已从多个空时编码 矩阵中被选择，空时编码矩阵具有包括多个非零非对角线元素的各自的关联相关矩阵，选 择的空时编码矩阵的关联相关矩阵具有最少数量的非零非对角线元素。
27.如权利要求沈所述的方法，其中，选择的空时编码矩阵被穿刺以便使用穿刺的空 时编码矩阵来执行所述编码。
全文摘要
本发明的名称是“空时块编码系统和方法”。尽管在不包括非零非对角线元素的其关联相关矩阵中正交空时编码矩阵可以提供最佳的通信系统性能，但是对于任意通信网络设备，统一编码速率正交编码矩阵都难以识别。依照本发明的实施例，其关联的相关矩阵包括非零非对角线元素的非正交空时编码矩阵被用于编码数据符号。非正交空时编码矩阵更容易被确定，通过在多个这种矩阵中选择一个编码矩阵可以降低非零非对角线成分的不期望效应。例如，可以从基于多个非零非对角线元素或关联的相关矩阵的追踪功率而产生的多个空时编码矩阵中选择特定的空时编码矩阵。
文档编号H04L1/06GK102136890SQ20111009244
公开日2011年7月27日 申请日期2004年4月1日 优先权日2004年4月1日
发明者A·M·克洛马, M·G·巴考利恩, M·贾, P·朱, V·B·克里恩德林, 童文 申请人:北方电讯网络有限公司