專利名稱：4發(fā)射天線的高速率正交空時分組碼編碼方案的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多輸入多輸出(M頂0)系統(tǒng)中的空時編碼技術，確切的說是發(fā)射天線數(shù)目為4 的多輸入多輸出(M頂0)系統(tǒng)中高速率的正交空時分組碼的編碼方案，這種編碼方案解決了 發(fā)射天線為4時正交空時分組碼的速率最大只能是3/4，小于1的問題。
技術背景眾所周知，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中通信的可靠性和信息傳輸速率是我們追求的兩個主要目的， 而多輸入多輸出(MIM0)技術的空間復用增益可以提高數(shù)據(jù)傳輸率，分集增益可以提高通信 的可靠性，因此它己被一些無線通信的標準和協(xié)議采用。空時編碼將信道編碼與天線分集技 術相結(jié)合，有效利用多輸入多輸出(MIM0)系統(tǒng)的空間復用和分集特性，不僅能夠提供分集 增益，而且可以提高系統(tǒng)的頻譜有效性。在各種空時編碼技術中，空時分組碼可以提供較高的分集增益，并且其編譯碼簡單，易 于實現(xiàn)。早在1998年阿拉謀提(Alaraouti)在美國《電氣及電子工程師學會通信選題》(IEEE J. Select. Areas Common)雜志第16巻第8期發(fā)表的文章《無線傳輸中的一種簡單的分集 傳輸方案(A simple transmit diversity technique for wireless communications)》中 就提出了兩發(fā)射天線多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)中正交空時分組碼。后來由朗訊實驗室的塔 羅克(Tarokh)等人加以改進，推廣到了多根天線的情況。正交空時分組碼的基本設計思想 是保證各發(fā)射天線信號之前的正交性，可以獲得最大的分集增益，并且譯碼簡單，但正是這 種正交性的要求使得正交空時分組碼的傳輸速率受到很大影響?，F(xiàn)已證明只有發(fā)射天線數(shù) 為2時，正交空時分組碼的傳輸速率才可以達到l符號/周期。當發(fā)射天線數(shù)多于2時，正交 空時分組碼的傳輸速率就小于l符號/周期了。當發(fā)射天線數(shù)為4時，正交空時分組碼的最高 速率是3/4，常用的速率為3/4的正交空時分組碼是<formula>formula see original document page 4</formula>其中x,， x2， ^為調(diào)制符號。通過對正交空時分組碼性指的分析，克里斯坦 皮奇(Christian Pietsch)在2006全 球通信會議(Globecom 06)上發(fā)表的文章《關于正交空時分組碼和格拉斯曼流形上的點集(On Orthogonal Space-Time Block Codes and Packings on the Grass腿nn Manifold)》中指 出任何正交空時分組碼都對應著一個格拉斯曼流形(Grassmann manifold)上的一個點集， 并且這個點集中任何兩個點之間的主角都相等。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中當發(fā)射天線數(shù)為4時正交空時分組碼的速率最大是3/4，小于1 的問題，提供一種正交空時分組碼的速率能夠達到1的4發(fā)射天線的高速率正交空時分組碼編碼方案。本發(fā)明的4發(fā)射天線的高速率正交空時分組碼編碼方案是找到格拉斯曼流形上的一個點集，并且這個點集滿足點集中任何兩個點之間的主角都相 等，然后利用這個點集來構造4發(fā)射天線正交空時分組碼，具體過程如下假設cr是一個w,xw,/2的矩陣，巧是發(fā)射天線數(shù)目，且cr滿足(7+"c/、/， 了為單位 矩陣，因此tr是格拉斯曼流形上的一點，{^/"代表格拉斯曼流形上的一個點集，并且任意兩個點之間的主角都相等，也就是任意兩個矩陣R+"^+的奇異值都是相等的，利用下式來構造正交空時分組碼，其中t/,—是f/,+的正交補，^， 6,都是離散值，并且^e/i ,6,e/iT ，這樣X,"便是具有正交空時分組碼特性的碼字，上式簡化為義,.，4，/=^/ + >/(2^/,+^〃—/);根據(jù)這種要求找到一個當發(fā)射天線數(shù)為4時滿足要求的格拉斯曼流形上的點集，如下 cos(2謂y24 00 cos(2謂)e一1》o -0力7—1.sin(27rm)e11 sin(2;rm)e""3 4^sin(2;rw)e—;2"22其中me(0，丄)，、,^,^efo，丄…^^， yV為調(diào)制階數(shù)，令^， 6,, m的離散值個數(shù)分別為 iV"， M， ^ ，利用這些條件和公式l，構造出空時分組碼碼字如下《aA+ _/&,[2cos2(2otw)-1] 0sin(4;r—e'0 ^sin(4;rWV2 ^|sin(47rm)ey2#「W。a+內(nèi)[2cos2(2;tw)-1]—旁sin(4;rw)e'2,+W *sin(4;rm>;'2,+/l2) 一，^1!(472:附>力2;^1+43) A+A^sii^pTrw) —1]0孕sin(4;ra)—2 孕sin(4;rw)e-'2,+W用y 表示正交空時分組碼的速率，A， 6,， m的離散值個數(shù)iV。， VA， A^與正交空時分組碼的速率y 的關系為4由正交空時分組碼的速率7 和公式4確定a， 6,， m的離散值個數(shù)，而a, 6,， m的離散值根據(jù)空時編碼的編碼準則計算出來；因為分集增益為4 ， 為接收天線數(shù)目，因此分集增益不小于4，由空時編碼的在慢衰落信道下的編碼準則l.確保任意兩個不同碼字的碼 字距離矩陣4l,.W, C,)的最小秩r滿足，S4， 2.最大化所有不同碼字的碼字距離的最小跡，其中碼字距離矩陣4《力，《w卜(X,.w-Xa,)(Ia,,-《w)";因此A， 6,， m的離 散值通過最大化碼字距離矩陣v4(X,^,《")的最小跡計算出來；確定了A， 6,， m的離散 值個數(shù)以及^，《，m的離散值后，利用公式3構造出正交空時分組碼的碼字，并且由公式4知道，采用這種方法構造的正交空時分組碼速率大于3/4。這種編碼方案系統(tǒng)傳輸模型為Y=HX+n，其中Y為接收信號矩陣，H為信道矩陣，X為編 碼矩陣，n為接收端的噪聲矩陣。譯碼時要求在接收端知道信道狀態(tài)信息(CSI)，譯碼的時 候采取最大似然譯碼，即義,^=3巧1^ ^-/0^|，義,^為所有可能的碼字，譯碼器選擇使判決統(tǒng)計量lr-i^,w『最小的碼字作為輸出。本發(fā)明的編碼方案過程就可以簡單的總結(jié)為由想得到的正交空時分組碼的速率"以及 調(diào)制方式和公式4確定& ， 6, ，m的離散值個數(shù)，然后通過最大化碼字距離矩陣Za/)的最小跡計算出"，，6,， m的離散值，然后代入公式3就得到速率為A并且y 能夠大于3/4的正交空時分組碼，譯碼時采用最大似然譯碼。本發(fā)明根據(jù)正交空時分組碼的性質(zhì)，找出了一個具有點集中任何兩個點之間的主角都相 等的格拉斯曼流形上的點集，并利用這個點集構造出了發(fā)射天線數(shù)目為4的多輸入多輸出系 統(tǒng)中的正交空時分組碼，解決了在發(fā)射天線數(shù)目為4的多輸入多輸出(MIM0)系統(tǒng)中的正交 空時分組碼速率最大是3/4，小于1的問題，構造了高速率的正交空時分組碼，可以提供更 高的頻譜利用率。


圖1為發(fā)射天線為4接收天線為1的多輸入多輸出(MIM0)系統(tǒng)中空時編碼的系統(tǒng)結(jié)構 框圖。圖2為在發(fā)射天線為4接收天線為1的多輸入多輸出(MIM0)系統(tǒng)中，采用正交相移鍵 控(QPSK)調(diào)制時，利用本發(fā)明的方案得到的速率為1的正交空時分組碼與常用的速率為3/4 的正交空時分組碼的在各信噪比下的誤符號率(SER)性能比較。
具體實施方式
圖1給出了發(fā)射天線為4接收天線為1的多輸入多輸出(MIM0)系統(tǒng)中空時編碼的系統(tǒng) 結(jié)構。信息序列經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制，然后把這些調(diào)制符號通過空時編碼器進行空時編碼，然后 把碼子通過發(fā)射天線發(fā)射出去。在接收端，接收機對接收信號進行處理譯碼，譯出信息序列。以正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制情況下構造速率為1的正交空時分組碼為例來介紹本發(fā)明 編碼方案的具體步驟。采用正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制，因此A^4，又因為傳輸速率W為1，由公式4知A^VA^ =4， 選取iV。2， 7V6=1， ^ =2來構造碼字。設^， 6,， 111的離散值為^""2, ， 6, , we—,，附2}。設定每個符號間隔的平均傳輸能量為1，則由Za+6,2)/知， <+《+262=2。通過使碼字距離矩陣J(I,力，X,:w)的跡最小值最大化，得到a, =0.3868, a2 =-0.3868， 6 = 0.9223， w1=0.1594，附2 = 0.0906 。然后把這些值代入公式3即可得到需要的正交空時分組碼。編碼時每次4個調(diào)制符號一一影射為正交空時分組碼碼字，并且在相 鄰的4個符號周期內(nèi)通過4個發(fā)射天線發(fā)射出去。在圖2中給出構造的這種速率為1的正交空時分組碼與常用的3/4速率的正交空時分組 碼的誤符號率(SER)性能的比較。雖然在誤符號率性能方面，速率為1的正交空時分組碼比 常用的3/4速率的正交空時分組碼差，但是因為正交空時分組碼的速率從3/4提高到了 1， 這樣可以提供更高的頻譜利用率，這也是本發(fā)明的主要目標。
權利要求
1.一種4發(fā)射天線的高速率正交空時分組碼編碼方案，其特征是找到格拉斯曼流形上的一個點集，并且這個點集滿足點集中任何兩個點之間的主角都相等，然后利用這個點集來構造4發(fā)射天線正交空時分組碼，具體過程如下假設U+是一個nt×nt/2的矩陣，nt是發(fā)射天線數(shù)目，且U+滿足U+HU+＝I，I為單位矩陣，因此U+是格拉斯曼流形上的一點，{Ui+}代表格拉斯曼流形上的一個點集，并且任意兩個點之間的主角都相等，也就是任意兩個矩陣Ui+HUj+的奇異值都是相等的，利用下式
全文摘要
本發(fā)明公開了一種4發(fā)射天線的高速率正交空時分組碼編碼方案，該方案是根據(jù)正交空時分組碼的性質(zhì)，即空時分組碼對應著格拉斯曼流形上的一個點集，這個點集的特性是點集中任何兩個點之間的主角都相等，找出一個具有點集中任何兩個點之間的主角都相等的格拉斯曼流形上的點集，并利用這個點集構造出了發(fā)射天線數(shù)目為4的多輸入多輸出系統(tǒng)中的正交空時分組碼，解決了在發(fā)射天線數(shù)目為4的多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)中的正交空時分組碼速率最大是3/4，小于1的問題，構造了高速率的正交空時分組碼，可以提供更高的頻譜利用率。
文檔編號H04L1/06GK101242240SQ20081001448
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月17日 優(yōu)先權日2008年3月17日
發(fā)明者蔣存亮, 袁東風 申請人:山東大學