專利名稱：用于多天線脈沖型通信系統(tǒng)的空時(shí)編碼/解碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超寬帶UWB通信領(lǐng)域，同時(shí)也涉及多天線空時(shí)編碼STC系統(tǒng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
在本技術(shù)領(lǐng)域里，多天線類型的無(wú)線通信系統(tǒng)被人們所熟知。這類系統(tǒng)應(yīng)用多個(gè)發(fā)射和/或接收天線，并根據(jù)所采用的結(jié)構(gòu)類型被稱為MIMO(多輸入多輸出)、MISO(多輸入單輸出)或SIMO(單輸入多輸出)。在下文中，我們使用術(shù)語(yǔ)MIMO涵蓋上述的MIMO和MISO變型。在發(fā)射和/或在接收中使用空間分集使這類系統(tǒng)能夠提供比傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)(單輸入單輸出SISO)更高的信道容量。這種空間分集通常以空時(shí)編碼方式與時(shí)間分集相輔助。在這種編碼中，將要發(fā)送的信息符號(hào)在若干天線上并在若干發(fā)送時(shí)刻進(jìn)行編碼。已知兩個(gè)主要類別的具有空時(shí)編碼的MIMO系統(tǒng)，首先是空時(shí)網(wǎng)格編碼(STTC)系統(tǒng)，以及空時(shí)分組編碼(STBC)系統(tǒng)。在網(wǎng)格編碼系統(tǒng)中，可以將空時(shí)編碼器視為有限狀態(tài)機(jī)，其按照當(dāng)前狀態(tài)和將被編碼的信息符號(hào)的函數(shù)將P個(gè)發(fā)送符號(hào)提供給P個(gè)天線。在接收端的解碼是通過(guò)多維Viterbi算法完成的，多維Viterbi算法的復(fù)雜度按照狀態(tài)數(shù)目的函數(shù)成指數(shù)增長(zhǎng)。在分組編碼系統(tǒng)中，在發(fā)送符號(hào)矩陣中對(duì)將要發(fā)送的信息符號(hào)分組進(jìn)行編碼，該矩陣的一個(gè)維度對(duì)應(yīng)天線數(shù)，并且另一個(gè)維度對(duì)應(yīng)連續(xù)發(fā)送時(shí)刻。
圖1以圖形方式示出了利用STBC編碼的MIMO發(fā)送系統(tǒng)100。將諸如b比特二進(jìn)制字，或更一般地，b位M進(jìn)制符號(hào)的信息符號(hào)分組S＝(σ1，...，σb)編碼為空時(shí)矩陣
其中，根據(jù)信息符號(hào)，編碼的系數(shù)ct，p，t＝1，..，T；p＝1，..，P通常是復(fù)系數(shù)，P為用于發(fā)射的天線數(shù)，T為指示編碼的時(shí)間范圍的整數(shù)，換句話說(shuō)為信道應(yīng)用數(shù)或PCU(每信道應(yīng)用)數(shù)。
使得空時(shí)編碼字C與任意信息符號(hào)向量S相對(duì)應(yīng)的函數(shù)f稱為編碼函數(shù)。如果函數(shù)f是線性的，則稱空時(shí)編碼是線性的。如果系數(shù)ct，p為實(shí)數(shù)，則稱空時(shí)編碼為實(shí)的。
在圖1中，將空時(shí)編碼器標(biāo)記為110。在信道t的每個(gè)使用時(shí)刻，解碼器為復(fù)用器120提供矩陣C的t-th行向量。復(fù)用器將行向量的參數(shù)發(fā)送給調(diào)制器1301，...，130P，并且通過(guò)天線1401，...，140P發(fā)送該已調(diào)制信號(hào)。
空時(shí)編碼是由其速率，換句話說(shuō)，是由其在每信道應(yīng)用(PCU)發(fā)送的信息符號(hào)數(shù)來(lái)表征的。如果該編碼速率比單天線應(yīng)用(SISO)的速率高出P倍，則稱該編碼為滿速率。
空時(shí)編碼也可通過(guò)其分集來(lái)表征，該分集可被定義為矩陣C的秩。如果對(duì)應(yīng)兩個(gè)向量S1和S2的兩個(gè)隨機(jī)碼字C1和C2的矩陣C1-C2為滿秩矩陣，則具有最大分集。
最后，空時(shí)編碼是通過(guò)其編碼增益來(lái)表征的，其編碼增益反映了不同碼字之間的最小距離。其可以如下式定義 其中，對(duì)于線性編碼等效為 其中det(C)表示C的行列式，并且CH為C的共軛轉(zhuǎn)置矩陣。給定的每信息符號(hào)發(fā)送能量的編碼增益是有限的。
如果空時(shí)編碼的編碼增益較高，則該時(shí)空編碼將特別抗衰落。
在由S.M.Alamouti在IEEE Journal on selected areas in communications，第16卷，1451-1458頁(yè)，1998年10月上發(fā)表的名稱為“A transmit diversitytechnique for wireless communications”的論文中提出了一個(gè)用于具有兩個(gè)發(fā)送天線的MIMO系統(tǒng)的空時(shí)編碼的第一實(shí)例。Alamouti編碼被定義為2×2空時(shí)矩陣 其中σ1和σ2為將要發(fā)送的兩個(gè)信息符號(hào)，并且

和

為σ1和σ2對(duì)應(yīng)的共軛。如在表達(dá)式(4)中能夠看出，該編碼發(fā)送兩個(gè)信道應(yīng)用的兩個(gè)信息符號(hào)，因而，其速度為一符號(hào)/PCU。
盡管在上述文章中初始給出的符號(hào)屬于QAM調(diào)制，但是Alamouti編碼也可適用于屬于PAM或PSK調(diào)制的信息符號(hào)。然而，其不能簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)展到位置調(diào)制PPM(脈沖位置調(diào)制)。具有M個(gè)位置的PPM調(diào)制字符表(modulation alphabet)的符號(hào)可以由包括M個(gè)分量的向量來(lái)表示，其中全部分量除了一個(gè)等于“1”以外都是零，等于“1”的分量對(duì)應(yīng)于發(fā)射脈沖的調(diào)制位置。然后，在表達(dá)式(4)中使用PPM符號(hào)導(dǎo)出2M×2的空時(shí)矩陣。在該矩陣中出現(xiàn)的

不是字符表中的PPM符號(hào)。其涉及由正負(fù)號(hào)變化引起的脈沖發(fā)送。換句話說(shuō)，這等效于使用屬于PPM調(diào)制字符表擴(kuò)展的PPM符號(hào)。
更一般地，在空時(shí)編碼中，特別是在由V.Tarokh et al.在IEEE Trans.onInformation Theory，Vol.45，No.5，1999年7月，1456-1567頁(yè)上發(fā)表的名稱為“Space-time block codes from orthogonal designs”的文章中定義的實(shí)正交編碼中使用PPM符號(hào)，導(dǎo)致PPM調(diào)制字符表的擴(kuò)展。
當(dāng)信息符號(hào)是實(shí)數(shù)時(shí)，在本文中介紹的實(shí)正交編碼可以被視為是Alamouti編碼的一般化。然而，僅對(duì)于P＝2，4，8個(gè)發(fā)送天線才存在這種編碼。更精確地 對(duì)于P＝2， 對(duì)于P＝4， 以及對(duì)于P＝8， 其中σp，p＝1，...，8為實(shí)信息符號(hào)，例如PAM符號(hào)。如對(duì)于Alamouti編碼，可以看出使用PPM符號(hào)的僅有的方法是引入帶符號(hào)脈沖，其等效于使用擴(kuò)展PPM字符表，其中的元素可以是具有M個(gè)分量的向量，M個(gè)分量中除了一個(gè)分量等于±1以外全部分量都等于零。
目前，正在對(duì)名為UWB系統(tǒng)的另一通信領(lǐng)域進(jìn)行大量地研究，其可以顯著的促進(jìn)未來(lái)無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)的發(fā)展。這些系統(tǒng)的特別之處在于，它們可以在基帶中直接利用具有很寬帶寬的信號(hào)來(lái)工作。UWB信號(hào)通常是指遵循FCC于2002年二月14日制定，2005年三月修訂的規(guī)章中規(guī)定的頻率限制，也就是說(shuō)，UWB信號(hào)是指一個(gè)在10.6GHz處頻帶為3.1，并且在-10dB上帶寬至少為500MHz的信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，公知有兩類UWB信號(hào)，即多帶OFDM(MB-OFDM)和UWB脈沖型信號(hào)。在下面的描述中，僅關(guān)注UWB脈沖型信號(hào)。
UWB脈沖信號(hào)由多個(gè)極短的脈沖組成，通常以幾百皮秒的量級(jí)分布在幀中。為每個(gè)用戶分配不同的跳時(shí)(TH)碼，從而減小多址干擾(MAI)。然后，輸出信號(hào)或?qū)ぶ返接脩鬹的信號(hào)可如下寫出 其中w為基本脈沖形式，Tc為碼片持續(xù)時(shí)間，Ts為基本間隔Ns＝NcTc持續(xù)時(shí)間，其中Nc為在間隔中的碼片數(shù)，總的幀持續(xù)時(shí)間為Tf＝NsTs，其中Ns為幀中的間隔數(shù)。選擇基本脈沖的持續(xù)時(shí)間小于碼片持續(xù)時(shí)間，即Tw≤Tc。序列ck(n)，n＝0，..，Ns-1定義用戶k的跳時(shí)碼。選擇跳時(shí)碼序列，以便最小化屬于不同用戶的跳時(shí)碼序列的脈沖之間的沖突數(shù)。
圖2A示出了與用戶k相關(guān)的TH-UWB信號(hào)。通常，TH-UWB信號(hào)是以位置調(diào)制方式調(diào)制的，以便從或向用戶k發(fā)送給定的信息符號(hào)，即對(duì)于已調(diào)制信號(hào) 其中ε為明顯小于碼片持續(xù)時(shí)間的抖動(dòng)，并且μk∈{0，..，M-1}為符號(hào)的M進(jìn)制PPM位置，在該描述中將第一位置視為引入了零延時(shí)。
除了通過(guò)跳時(shí)碼的方式分離不同用戶，也可以通過(guò)正交碼例如DS-CDMA中的Hadamard碼來(lái)分離不同的用戶。下面說(shuō)明DS-UWB(直接擴(kuò)頻UWB)。在這種情況下，對(duì)于對(duì)應(yīng)(6)式的未調(diào)制信號(hào)，得到下列表達(dá)式 其中

，n＝0，..，Ns-1為用戶k的擴(kuò)頻序列。應(yīng)當(dāng)注意，表達(dá)式(8)與傳統(tǒng)DS-CDMA信號(hào)的表達(dá)式相似。然而，其區(qū)別于DS-CDMA信號(hào)表達(dá)式的地方在于碼片并不占據(jù)整個(gè)幀，而是分布在周期Ts處。圖2B示出了與用戶k相關(guān)的DS-UMB信號(hào)。
如上，可以使用PPM調(diào)制發(fā)送信息符號(hào)。在對(duì)應(yīng)TH-UMB(7)的信號(hào)的位置中調(diào)制的DS-UWB信號(hào)可以使用相同的標(biāo)記表達(dá)如下 最后，眾所周之，可以結(jié)合跳時(shí)碼和擴(kuò)頻碼來(lái)向不同用戶提供多址接入。其結(jié)果為具有以下一般形式的UWB脈沖信號(hào)TH-DS-UWB 圖2C示出了與用戶k相關(guān)的TH-DS-UWB信號(hào)?？梢酝ㄟ^(guò)位置調(diào)制對(duì)該信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。其結(jié)果為以下已調(diào)制信號(hào) 在本領(lǐng)域里公知UWB信號(hào)可用于MIMO系統(tǒng)中。在這種情況下，每個(gè)天線發(fā)射按照信息符號(hào)或這種符號(hào)分組(STBC)的函數(shù)進(jìn)行調(diào)制的UWB信號(hào)。然而，正如上文所述，在空時(shí)編碼中使用PPM信息符號(hào)需要使用帶符號(hào)的脈沖，也就是說(shuō)需要使用2-PAM-M-PPM擴(kuò)展調(diào)制字符表?？紤]到相位翻轉(zhuǎn)，還需要發(fā)射和接收中的RF結(jié)構(gòu)，這將比使用常規(guī)的脈沖系統(tǒng)更加復(fù)雜。最后，一些UWB系統(tǒng)完全不能用于或難于用于帶符號(hào)的脈沖發(fā)送。例如，光學(xué)UWB系統(tǒng)只能發(fā)送具有光強(qiáng)度TH-UWB的信號(hào)，必須沒(méi)有任何符號(hào)信息。
本發(fā)明的目的在于提出一種用于多天線UWB系統(tǒng)的特別簡(jiǎn)單并且健壯的空時(shí)編碼方法。當(dāng)使用位置調(diào)制時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的編碼方法不需要對(duì)調(diào)制字符表進(jìn)行擴(kuò)展。具體地，其意味著當(dāng)調(diào)制支持的信號(hào)屬于TH-UWB類型時(shí)，不需要使用帶符號(hào)的脈沖發(fā)送。
本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提出一種用于估計(jì)根據(jù)上述方法發(fā)送的符號(hào)的解碼方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明限定了一種用于UWB發(fā)送系統(tǒng)的空時(shí)編碼方法，包括P個(gè)輻射單元，其中P＝2，4或8，所述方法將屬于2-PPM調(diào)制字符表的信息符號(hào)分組S＝(σ1，σ2，...，σP)編碼為向量序列，向量的分量用于對(duì)所述系統(tǒng)的給定輻射單元的UWB脈沖信號(hào)的位置以及傳輸信道的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)制，每個(gè)分量對(duì)應(yīng)一個(gè)PPM調(diào)制位置。所述向量由矩陣的元素得出 對(duì)于P＝2， 對(duì)于P＝4， 對(duì)于P＝8， 矩陣中的每一行對(duì)應(yīng)于一種傳輸信道的應(yīng)用，并且矩陣的每一列對(duì)應(yīng)于輻射單元，矩陣C被定義為不是其行和/或列的置換，而Ω是兩個(gè)PPM調(diào)制位置的置換。
根據(jù)第一變量，所述脈沖信號(hào)為TH-UWB信號(hào)。
根據(jù)第二變量，所述脈沖信號(hào)為DS-UWB信號(hào)。
根據(jù)第三變量，所述脈沖信號(hào)為TH-DS-UWB信號(hào)。
本發(fā)明還設(shè)計(jì)一種UWB發(fā)送系統(tǒng)，包括P個(gè)輻射單元，其中P＝2，4或8，包括 — 編碼模塊，用于將屬于2-PPM調(diào)制字符表的信息符號(hào)分組S＝(σ1，σ2，...，σP)編碼為向量序列，每個(gè)向量與給定的傳輸信道的應(yīng)用和給定的輻射單元相關(guān)，向量的每個(gè)分量對(duì)應(yīng)PPM調(diào)制位置，所述向量由矩陣的元素得出 對(duì)于P＝2， 對(duì)于P＝4， 對(duì)于P＝8， 矩陣的一行對(duì)應(yīng)一種傳輸信道的應(yīng)用，而矩陣的一列對(duì)應(yīng)一個(gè)輻射單元，將矩陣C被限定于其行和/或列的一個(gè)置換中，并且Ω是兩個(gè)PPM調(diào)制位置的置換； — 多個(gè)調(diào)制器，用于調(diào)制UWB脈沖信號(hào)的位置，由于向量的分量與所述輻射單元和所述信道的應(yīng)用相關(guān)，因此每個(gè)調(diào)制器與輻射單元相關(guān)，并在傳輸信道的應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)所述信號(hào)的位置進(jìn)行調(diào)制； — 各個(gè)輻射單元，其適于發(fā)射由所述相關(guān)的調(diào)制器調(diào)制的信號(hào)。
根據(jù)第一實(shí)施例，輻射單元為UWB天線。
根據(jù)第二實(shí)施例，輻射單元為激光二極管或發(fā)光二極管。
本發(fā)明還涉及一種用于具有Q個(gè)傳感器的UWB接收系統(tǒng)的空時(shí)解碼方法，其設(shè)計(jì)用來(lái)估計(jì)由上面定義的發(fā)送系統(tǒng)發(fā)送的信息符號(hào)，該方法包括 — 獲得與2QL個(gè)接收信道相關(guān)的2QL個(gè)決策變量的步驟，每個(gè)接收信道涉及傳感器、發(fā)送和接收系統(tǒng)之間的傳播路徑、以及2-PPM調(diào)制字符表的調(diào)制位置，對(duì)于傳輸信道的P種連貫應(yīng)用，重復(fù)所述獲得步驟，以提供2QLP大小的向量Y，其分量是為所述P種應(yīng)用獲得的2QL個(gè)決策變量； — 計(jì)算向量的步驟，其中IP為P×P的單位矩陣，H為代表傳輸信道的矩陣，Γ為代表編碼的常向量，而

為Kronecker積； — 計(jì)算

向量的步驟，其中

，并且其中I2為2×2的單位矩陣，h為使的簡(jiǎn)化信道矩陣，并且

為下述矩陣 對(duì)于P＝2，
對(duì)于P＝4，
以及附錄中對(duì)于P＝8的矩陣； — 用于比較適用于每個(gè)符號(hào)的兩個(gè)PPM位置的向量

的分量的步驟，所估計(jì)的PPM位置是對(duì)應(yīng)最大振幅分量的位置。
最后，本發(fā)明涉及一種UWB接收系統(tǒng)，其包括Q個(gè)傳感器，以及對(duì)應(yīng)每個(gè)傳感器的相關(guān)的Rake接收機(jī)，其特征在于每個(gè)Rake接收機(jī)包括2L個(gè)支路，每個(gè)支路對(duì)應(yīng)一個(gè)傳播路徑和2-PPM調(diào)制字符表的一個(gè)調(diào)制位置，該系統(tǒng)還包括 — 串并轉(zhuǎn)換模塊，用來(lái)形成具有2QLP大小的向量Y，向量Y的分量是來(lái)自用于傳輸信道P個(gè)連貫應(yīng)用的Rake接收機(jī)支路的2QL個(gè)輸出； — 計(jì)算模塊，首先計(jì)算向量，其中IP為P×P單位矩陣，H為表示傳輸信道的矩陣，Γ為表示編碼的常向量，并且

為Kronecker積，然后計(jì)算向量

，其中

，并且其中I2為2×2單位矩陣，h為使的簡(jiǎn)化信道矩陣，并且

為以下矩陣 對(duì)于P＝2，
對(duì)于P＝4，
以及附錄中對(duì)于P＝8的矩陣； — 比較模塊，其適于針對(duì)每個(gè)符號(hào)比較該符號(hào)的兩個(gè)PPM位置的向量

的兩個(gè)分量，所估計(jì)的PPM位置是對(duì)應(yīng)最大振幅分量的位置。
根據(jù)第一實(shí)施例，傳感器為UWB天線。
根據(jù)第二實(shí)施例，傳感器為光電探測(cè)器。



通過(guò)參照附圖閱讀本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清晰，在附圖中 圖1以圖形方式示出了本領(lǐng)域公知的利用STBC編碼的MIMO發(fā)送系統(tǒng)； 圖2A至2C分別示出了TH-UWB、DS-UWB和TH-DS-UWB信號(hào)的形態(tài)； 圖3以圖形的方式示出了使用根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的空時(shí)編碼方法的多天線發(fā)送設(shè)備； 圖4示出了一種接收設(shè)備，用來(lái)對(duì)圖3中根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的設(shè)備發(fā)送的信息符號(hào)進(jìn)行解碼。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的基本思想是引入一種基于運(yùn)用在信息符號(hào)的調(diào)制位置上的置換運(yùn)算符的編碼分集。
下面，我們將討論具有P＝2，4，8個(gè)發(fā)送天線，或更一般地，具有P＝2，4，8個(gè)輻射單元的UWB發(fā)送系統(tǒng)。信息符號(hào)屬于位置調(diào)制字符表。如上所述，M表示這個(gè)字符表的基數(shù)(cardinal)。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)送設(shè)備所使用的空時(shí)編碼由下列矩陣定義， 對(duì)于P＝2， 對(duì)于P＝4， 對(duì)于P＝8， 其中σ1，σ2，...，σP為將要發(fā)送的信息符號(hào)，其以具有維度2的列向量的形式來(lái)表示，并且其分量除了一個(gè)等于1以外，其余全部為零，等于1的分量定義了調(diào)制位置。Ω為2×2置換矩陣，即 還句話說(shuō)，Ω是將符號(hào)的兩個(gè)PPM位置進(jìn)行置換運(yùn)算符。因此，如果σ是PPM調(diào)制字符表中的符號(hào)，則Ωσ也是。
應(yīng)當(dāng)注意，矩陣(12)的維度為2P×P，并且它們是通過(guò)由置換運(yùn)算符Ω取代正負(fù)號(hào)變化而從實(shí)正交編碼(5)的矩陣中形式得出的。該運(yùn)算符很方便的引入了一種空時(shí)分集，而不需要使用正負(fù)號(hào)變化，也就是說(shuō)，其不需要對(duì)PPM調(diào)制字符表進(jìn)行擴(kuò)展?？梢钥闯觯仃嘋的分量?jī)H僅是0和1，而不是帶符號(hào)數(shù)值。這種空時(shí)編碼適用于超寬帶信號(hào)的調(diào)制。
矩陣C在其行和/或列的置換之外進(jìn)行定義。對(duì)矩陣C的行(在這種情況下，行表示具有維度2的向量的行)和/或列的任意置換是根據(jù)本發(fā)明的空時(shí)編碼，對(duì)行的置換等效于信道應(yīng)用時(shí)刻的置換，而對(duì)列的置換等效于對(duì)發(fā)送天線的置換。信息符號(hào)σ1，σ2，...，σP的順序是隨機(jī)的，不必參照它們?cè)赑個(gè)符號(hào)的分組中對(duì)應(yīng)的位置。換句話說(shuō)，矩陣(12)中符號(hào)σ1，σ2，...，σP的置換不改變空時(shí)編碼的定義。
此外，矩陣C在其各列中分別具有相同數(shù)量的“1”，從而導(dǎo)致能量有利地平均分布在不同的天線上。
由于在信道的P種應(yīng)用中送P個(gè)信息符號(hào)，所以空時(shí)編碼C還是滿速率的。空時(shí)編碼C的編碼增益還高于現(xiàn)有技術(shù)中公知編碼的增益。
可以看出，由矩陣(12)定義的空時(shí)編碼，以及由矩陣(5)定義的空時(shí)編碼具有最大分集。
通過(guò)定義可知，對(duì)于每一對(duì)不同的編碼矩陣C，C′，如果ΔC＝C-C′是滿秩的，則編碼具有最大分集，換句話說(shuō)，如果 其中，ap＝σp-σ′p，對(duì)于p＝1，...，P是滿秩的。
從結(jié)構(gòu)上說(shuō)，向量ap的兩個(gè)分量為零或者具有相反的正負(fù)號(hào)。
矩陣ΔC能夠以展開(kāi)形式寫為 其中al，m＝σl，m-σ′l，m，l＝1，2，3，4，m＝0，1并且al，m∈{-1，0，1} 如果這兩個(gè)列向量是共線性的，則矩陣ΔC不是滿秩的，也就是說(shuō)，如果這些列向量相等或相反，則考慮它們分量的值。在這種情況下，由于al,0＝al，1，當(dāng)且僅當(dāng)al，0＝al，1＝0時(shí)，能夠容易地證明a1和a2向量必為零，也就是說(shuō)C＝C′。
例如，下面我們將描述當(dāng)P＝4時(shí)的發(fā)送方法，P＝2和P＝8的情況顯然是相似的。
假設(shè)系統(tǒng)使用如(6)式中定義的TH-UWB信號(hào)?？諘r(shí)編碼對(duì)該信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并經(jīng)由信道的兩個(gè)連貫應(yīng)用(PCU)進(jìn)行發(fā)送。在第一應(yīng)用中，p＝1，...，4的天線分別發(fā)送第一幀 在第二信道應(yīng)用中，天線p＝1，3發(fā)送第二幀 其中μp為μp的位置置換，也就是說(shuō)，如果μp＝0則μp=1且如果μp＝1則μp＝0，并且天線p＝2，4發(fā)送第二幀 基于相同的原則得到由天線發(fā)射的第三和第四幀。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以看出，通過(guò)使用根據(jù)表達(dá)式(8)的DS-UWB信號(hào)，或者甚至是根據(jù)表達(dá)式(10)的DS-TH-UWB信號(hào)，取代TH-UWB信號(hào)，可得到相似的表達(dá)式。
圖3示出了使用根據(jù)本發(fā)明的時(shí)空編碼方法的發(fā)送系統(tǒng)的實(shí)例。
圖3示出了P＝4的情況，對(duì)于P＝2和P＝8的情況是相似的。
系統(tǒng)300接收每個(gè)分組S＝(σ1，σ2，σ3，σ4)的信息符號(hào)，其中σ1，σ2，σ3，σ4是具有兩個(gè)位置的PPM星座圖的符號(hào)?？蛇x地，信息符號(hào)可能源自另一個(gè)二進(jìn)制星座圖，例如二進(jìn)制或BPSK符號(hào)，假設(shè)它們最初映射到所述PPM星座圖中?？梢酝ㄟ^(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的一個(gè)或多個(gè)運(yùn)算得出信息符號(hào)，所述運(yùn)算例如源編碼、卷積類信道編碼、分組或串聯(lián)或并聯(lián)turbo編碼、交織等。
然后，在時(shí)空編碼器310中對(duì)信息符號(hào)分組S＝(σ1，σ2，σ3，σ4)進(jìn)行編碼運(yùn)算。更具體地，模塊310計(jì)算矩陣C的系數(shù)，其滿足對(duì)于P＝4的表達(dá)式(12)或如上所述通過(guò)置換矩陣C的行和/或列得到的變型。矩陣C的第一行的四個(gè)列向量代表四個(gè)PPM符號(hào)，分別被發(fā)送到UWB調(diào)制器3201，3202，3203，3204，以便形成第一幀，然后處理C的第二行的四個(gè)列向量以便形成第二幀，如此繼續(xù)，直到第四幀。
UWB調(diào)制器3201由PPM符號(hào)σ1，σ2，σ3，σ4生成相應(yīng)的已調(diào)制UWB脈沖信號(hào)。同樣，UWB調(diào)制器3202對(duì)向量Ωσ2，σ1，Ωσ4，σ3進(jìn)行同樣的操作，以及UWB調(diào)制器3203對(duì)Ωσ3，σ4，σ1，Ωσ2和UWB調(diào)制器3204對(duì)Ωσ4，Ωσ3，σ2，σ1。
雖然在本發(fā)明的框架中優(yōu)勢(shì)較少，但是UWB脈沖信號(hào)可用于支持調(diào)制，以及可選的，可以屬于DS-UWB或TH-DS-UWB類型。在所有情況中，然后將如上調(diào)制的UWB脈沖信號(hào)發(fā)送到輻射單元3301到3304。這些輻射單元可以是例如運(yùn)行在與光電調(diào)制器相關(guān)的紅外區(qū)的UWB天線或激光二極管或LED。從而所述發(fā)送系統(tǒng)能夠用于無(wú)線光通信領(lǐng)域。
由圖3所示系統(tǒng)發(fā)送的UWB信號(hào)，可以根據(jù)下面給出的解碼方法，由多天線接收機(jī)進(jìn)行接收和處理。
根據(jù)本發(fā)明的解碼方法能夠用于簡(jiǎn)單地可靠地估計(jì)由通過(guò)Rake類型多天線接收機(jī)接收的UWB信號(hào)發(fā)出的信息符號(hào)，比傳統(tǒng)球解碼算法更簡(jiǎn)便。
在余下的內(nèi)容中，假設(shè)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳輸信道具有比兩個(gè)調(diào)制位置的時(shí)間間隔，即ε，更短的脈沖響應(yīng)。當(dāng)預(yù)先選擇足夠大的ε，以使得該約束遵循在統(tǒng)計(jì)上顯著的多路徑條件時(shí)，在實(shí)踐中將會(huì)滿足這種假設(shè)。當(dāng)通過(guò)光進(jìn)行發(fā)送時(shí)，信道的時(shí)間擴(kuò)展一般是可以忽略的。但是，將要檢查光脈沖的持續(xù)時(shí)間是小于ε。
根據(jù)前面的假設(shè)，在第一調(diào)制位置發(fā)射并沿第一路徑傳播的UWB信號(hào)的脈沖，不能與與來(lái)自沿第二路徑傳播的同一信號(hào)的脈沖同時(shí)存在，即在調(diào)制位置間將不存在多路干擾。
同樣假設(shè)接收機(jī)屬于多天線類型和Rake類型。更具體地，每個(gè)天線1，...，Q將其接收的信號(hào)輸出到與其關(guān)聯(lián)的Rake接收機(jī)。每個(gè)Rake接收機(jī)具有2L個(gè)支路，換句話說(shuō)2L個(gè)支路適配到L個(gè)路徑以及每個(gè)路徑的兩個(gè)調(diào)制位置。Rake接收機(jī)的2QL個(gè)支路對(duì)于Q個(gè)天線的輸出是該接收機(jī)使用的決策變量。對(duì)于對(duì)應(yīng)P個(gè)發(fā)送幀的P個(gè)間隔，對(duì)這2QL個(gè)決策變量進(jìn)行觀測(cè)。最終，所有這些觀測(cè)結(jié)果可以由2QL×P矩陣X表示，矩陣X表示在P個(gè)間隔中接收的信號(hào)的窮盡和(exhaustive summary)，可以用如下形式表示 X＝HC+N (19) 其中C是由發(fā)送系統(tǒng)使用空時(shí)編碼的2P×P矩陣，如(12)所給出的或通過(guò)置換行和/或列得到等效式；N是2QL×P矩陣，表示對(duì)于P個(gè)觀測(cè)間隔在2QL個(gè)支路輸出處的噪音樣本；H是2QL×2P的傳輸信道矩陣。假設(shè)接收機(jī)是相干的，換句話說(shuō)假設(shè)能夠進(jìn)行信道估計(jì)，例如通過(guò)經(jīng)由P個(gè)發(fā)送天線發(fā)送的導(dǎo)頻符號(hào)的方式。通常，接收機(jī)可以通過(guò)估計(jì)常規(guī)多天線信道來(lái)估計(jì)信道矩陣H。
可以等價(jià)地將表達(dá)式(19)寫為向量形式 其中，對(duì)于P×R任意矩陣A，vec(A)是通過(guò)依次垂直連接矩陣A的列向量得到的大小為PR的向量，并且其中

為Kronecker積。
向量vec(C)可以表示為大小為2P的向量σ的函數(shù)，向量vec(C)是通過(guò)將向量σ1，σ2，...，σP垂直連接得到的，即 vec(C)＝Φ(Ω)σ (21) 其中Φ(Ω)為2P2×2P矩陣，其給出了空時(shí)編碼符號(hào)和信息符號(hào)之間的線性相關(guān)性，即 對(duì)于P＝2， 其中O2、I2和Ω分別為2×2大小的零矩陣、單位矩陣和置換矩陣， 對(duì)于P＝4， 對(duì)于P＝8的矩陣Φ(Ω)是以從C的表達(dá)式(12)開(kāi)始的相同的方式得到的。例如，可以理解，Φ(Ω)的第(9k+1)k＝0，..，7個(gè)行向量是(I2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2)，并且倒數(shù)第二行是(O2 Ω O2 O2 O2 O2 O2 O2)。在附錄中給出了Φ(Ω)的行向量集。
考慮到，對(duì)于隨機(jī)2-PPM符號(hào)σp，具有下式 Ωσp＝-σp+12 (23) 其中12＝(1 1)T，Φ(Ω)σ向量可以由下面的方式表示 Φ(Ω)σ＝Φ(-I2)σ+Γ(24) 其中，Φ(-I2)是通過(guò)以-I2取代Ω得到的矩陣，而Γ是大小為2P2的常向量，即獨(dú)立于信息符號(hào)。向量Γ是通過(guò)以02＝(0 0)T取代信息符號(hào)σp并且以12置換位置符號(hào)Ωσp而從空時(shí)編碼矩陣C得到的。更具體地 Γ＝vec(C0) (25) 其中，對(duì)于P＝2具有，并且對(duì)于P＝4具有 以及最后對(duì)于尸＝8具有 此外，公式(24)中的矩陣Φ(-I2)也可以用下面的方式表達(dá)，使用其分組形態(tài)
其中

為P2×P矩陣，其通過(guò)形式上在矩陣(22)中以0取代O2、以1取代I2、并以-1取代Ω得到的。例如 對(duì)于P＝2，
對(duì)于P＝4，
對(duì)于P＝8，附錄中給出了

的行向量。
通過(guò)合并等式(20)、(21)、(24)和(27)，可以得出
考慮到兩個(gè)PPM位置之間沒(méi)有任何多徑干擾，信道矩陣可以表示如下 其中h為QL×P矩陣。從而表達(dá)式(28)變?yōu)?
如果定義通過(guò)kronecker積的結(jié)合律得出下式
即
并且，當(dāng)標(biāo)記

時(shí)
可以看出

為PQL×P矩陣，其滿足
其中

為

的共軛轉(zhuǎn)置，并且α為正實(shí)數(shù)。
(33)和(34)的結(jié)果為在接收機(jī)端處維護(hù)了如(12)式中定義的空時(shí)編碼的正交性。
空時(shí)編碼的解碼方法，即對(duì)由決策變量的向量Y發(fā)射的信息符號(hào)的估計(jì)，包括以下步驟 使用決策變量Y的向量以及由接收機(jī)估計(jì)的信道矩陣H，可以計(jì)算出 其中Γ＝vec(C0)是只取決于編碼的常量，因此對(duì)接收機(jī)是已知的。
使用矩陣z和由

得出的矩陣

，其中，可以計(jì)算出在正交信號(hào)空間中的投影
最后，第p個(gè)發(fā)送信息符號(hào)，通過(guò)確定下式得到σp 其中

為向量

的第(2p+m-1)個(gè)分量，并且其中

給出了估計(jì)

的PPM調(diào)制位置，即其中δ(.)為Dirac分布。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的接收設(shè)備。該設(shè)備用于估計(jì)由前面所描述的例如圖3中所示的對(duì)于P＝4的發(fā)送設(shè)備發(fā)射的信息符號(hào)σ1，σ2，...，σP。
該設(shè)備包括Q個(gè)天線4101，4102，...，410Q或多個(gè)用于光學(xué)設(shè)備的光電探測(cè)器。
每個(gè)天線410q被連接至Rake接收機(jī)420q，Rake接收機(jī)420q具有2L個(gè)支路430qlm l＝1，...，2L，對(duì)于q＝1，..，Q的支路430qlm并且與路徑l和脈沖位置m相關(guān)。將2QL個(gè)支路的輸出yqlm提供至串行-并行轉(zhuǎn)換器440作為向量y′，其分量為y′(2l+m-1)+2qL＝y(tǒng)qml。通過(guò)串行并行轉(zhuǎn)換器440將對(duì)應(yīng)P個(gè)發(fā)送間隔所觀測(cè)的向量y′1，...，y′P連接到大小為2QLP的向量Y中。
計(jì)算模塊450首先接收串行/并行轉(zhuǎn)換器440的向量Y和信道估計(jì)器445的簡(jiǎn)化矩陣h。此外，將向量Γ和矩陣

的分量存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器457中。該計(jì)算模塊進(jìn)行運(yùn)算(35)然后是(37)，即和

其中

最后，將

的2P個(gè)分量提供至比較器460，比較器460對(duì)于每個(gè)p＝1，...，P確定

和

，以便推導(dǎo)出以及估計(jì)
附錄 以下給出對(duì)于P＝8，矩陣

的64個(gè)行向量。將它們標(biāo)記為

至

































































權(quán)利要求
1、用于UWB發(fā)送系統(tǒng)的空時(shí)編碼方法，包括P個(gè)輻射單元，其中P＝2，4或8，所述方法將屬于2-PPM調(diào)制字符表的信息符號(hào)組S＝(σ1，σ2，...，σP)編碼為向量序列，向量的分量用來(lái)對(duì)于所述系統(tǒng)的給定輻射單元和給定傳輸信道的應(yīng)用，對(duì)UWB脈沖信號(hào)的位置進(jìn)行調(diào)制，每個(gè)分量對(duì)應(yīng)一個(gè)PPM調(diào)制位置，其特征在于所述向量是從下列矩陣的元素中得到的
對(duì)于P＝2，
對(duì)于P＝4，
對(duì)于P＝8，
所述矩陣中的每行對(duì)應(yīng)所述傳輸信道的一種應(yīng)用，并且所述矩陣的每列對(duì)應(yīng)一個(gè)輻射單元，所述矩陣C在其行和/或列的置換之外進(jìn)行定義，并且Ω是所述兩個(gè)PPM調(diào)制位置的置換。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述脈沖信號(hào)為TH-UWB信號(hào)。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述脈沖信號(hào)為DS-UWB信號(hào)。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述脈沖信號(hào)為TH-DS-UWB信號(hào)。
5、UWB發(fā)送系統(tǒng)，包括P個(gè)輻射單元，其中P＝2，4或8，其特征在于還包括
—編碼模塊(310)，用于將屬于2-PPM調(diào)制字符表的信息符號(hào)組S＝(σ1，σ2，...，σP)編碼為向量序列，每個(gè)向量與傳輸信道的一種給定應(yīng)用和一個(gè)給定輻射單元相關(guān)，向量的每個(gè)分量對(duì)應(yīng)一個(gè)PPM調(diào)制位置，所述向量是從下列矩陣的元素中得到的
對(duì)于P＝2，
對(duì)于P＝4，
對(duì)于P＝8，
所述矩陣的一行對(duì)應(yīng)所述傳輸信道的一種應(yīng)用，而且所述矩陣的一列對(duì)應(yīng)一個(gè)輻射單元，所述矩陣C在其行和/或列的一個(gè)置換內(nèi)進(jìn)行定義，并且Ω為兩個(gè)PPM調(diào)制位置的置換；
—多個(gè)調(diào)制器(3201，3202，..，320P)，用于對(duì)UWB脈沖信號(hào)的位置進(jìn)行調(diào)制，每個(gè)調(diào)制器與一個(gè)輻射單元相關(guān)，并且在所述傳輸信道的應(yīng)用過(guò)程中，每個(gè)調(diào)試器通過(guò)與所述輻射單元和所述信道的所述應(yīng)用相關(guān)的向量的分量，對(duì)所述信號(hào)的位置進(jìn)行調(diào)制；
—每個(gè)輻射單元，其適于發(fā)射由所述相關(guān)調(diào)制器如上調(diào)制的所述信號(hào)。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)送系統(tǒng)，其特征在于，所述輻射單元為UWB天線。
7、根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)送系統(tǒng)，其特征在于，所述輻射單元為激光二極管或發(fā)光二極管。
8、用于具有Q個(gè)傳感器的UWB接收系統(tǒng)的空時(shí)解碼方法，其設(shè)計(jì)用于估計(jì)由根據(jù)權(quán)利要求5至7中一個(gè)權(quán)利要求所述的發(fā)送系統(tǒng)發(fā)送的信息符號(hào)，其特征在于包括
—獲得與2QL個(gè)接收信道相關(guān)的2QL個(gè)決策變量的步驟，每個(gè)接收信道涉及傳感器、發(fā)送和接收系統(tǒng)之間的傳播路徑、以及2-PPM調(diào)制字符表的調(diào)制位置，對(duì)于所述傳輸信道的P個(gè)連貫應(yīng)用，重復(fù)所述獲得步驟，以便提供大小為2QLP的向量Y，其分量是為所述P個(gè)應(yīng)用獲得的2QL個(gè)決策變量；
—計(jì)算向量的步驟，其中IP為P×P單位矩陣，H為表示所述傳輸信道的矩陣，Γ為表示所述編碼的常向量，并且
為Kronecker積；
—計(jì)算向量
的步驟，其中
并且其中I2為2×2單位矩陣，h為使得的簡(jiǎn)化信道矩陣，并且
為下列矩陣
對(duì)于P＝2，
對(duì)于P＝4，
以及附錄中對(duì)于P＝8的矩陣；
—對(duì)于每個(gè)符號(hào)，比較可用于該符號(hào)的兩個(gè)PPM位置的向量
的分量的步驟，所估計(jì)的PPM位置是對(duì)應(yīng)最大振幅分量的位置。
9、UWB接收系統(tǒng)，包括Q個(gè)傳感器，并且對(duì)于每個(gè)傳感器，包括一個(gè)相關(guān)的Rake接收機(jī)，其特征在于每個(gè)Rake接收機(jī)包括2L個(gè)支路，每個(gè)支路對(duì)應(yīng)一個(gè)傳播路徑和2-PPM調(diào)制字符表的一個(gè)調(diào)制位置，所述系統(tǒng)還包括
—串行-并行轉(zhuǎn)換模塊，用于形成大小為2QLP的向量Y，向量Y的分量是來(lái)自所述Rake接收機(jī)支路的2QL個(gè)輸出，其用于所述傳輸信道的P個(gè)連貫應(yīng)用；
—計(jì)算模塊，首先計(jì)算向量其中IP為P×P單位矩陣，H為表示所述傳輸信道的矩陣，Γ為表示所述編碼的常向量，并且
為Kronecker積，然后計(jì)算向量
其中
并且其中I2為2×2單位矩陣，h為使得的簡(jiǎn)化信道矩陣，并且
為下列矩陣
對(duì)于P＝2，
對(duì)于P＝4，
以及附錄中對(duì)于P＝8的矩陣；
—比較可用于每個(gè)符號(hào)的兩個(gè)PPM位置的向量
的兩個(gè)分量的模塊，所估計(jì)的PPM位置是對(duì)應(yīng)最大振幅分量的位置。
10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的接收系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器為UWB天線。
11、根據(jù)權(quán)利要求9所述的接收系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器為光電探測(cè)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于UWB脈沖類型發(fā)送/接收系統(tǒng)的空時(shí)編碼方法。假定對(duì)于P＝2，4或8個(gè)發(fā)送天線，該空時(shí)編碼使其能夠在不需要調(diào)制字符表擴(kuò)展的情況下，對(duì)2-PPM信息符號(hào)進(jìn)行編碼以及使用已編碼符號(hào)對(duì)UWB脈沖信號(hào)的位置進(jìn)行調(diào)制。該時(shí)空編碼是具有最大分集的實(shí)數(shù)型，并且是滿速率的。本發(fā)明還涉及一種可以估計(jì)如上發(fā)送的信息符號(hào)的空時(shí)解碼方法。
文檔編號(hào)H04B1/69GK101394258SQ20081021098
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月16日
發(fā)明者C·阿布耶利 申請(qǐng)人:原子能委員會(huì)