專利名稱:用于實現(xiàn)多路并行傳輸的空間信道編、解碼方法及裝置的制作方法
發(fā)明領域本發(fā)明涉及一種在無線通信系統(tǒng)中實現(xiàn)多路并行數據傳輸的方法及裝置，尤其涉及一種采用空間信道編、解碼方法實現(xiàn)多路并行傳輸的方法和裝置。
背景技術：
隨著移動通信的日益普及，單純的移動語音通信已經不能滿足人們獲取信息的需要，而移動數據通信業(yè)務以其能夠提供辦公、娛樂、等更為方便、且信息量更為豐富的內容而顯現(xiàn)出巨大的發(fā)展前景。因而，提供支持數據高速傳輸的高速分組數據服務(HPDS)，特別是提供從基站到用戶終端的下行鏈路上的高速數據服務已經成為未來無線通信系統(tǒng)的主要目標之一。
傳統(tǒng)的單天線無線通信系統(tǒng)通常采用對頻帶、時隙和擴頻碼的復用來提高數據業(yè)務的傳輸速率。例如，在多載波系統(tǒng)中，系統(tǒng)為每個用戶分配多個頻段，然后再將不同頻段的信號復用在一起一同發(fā)送。而在時分多址系統(tǒng)中，系統(tǒng)也可將不同用戶信息分配在不同的時隙內一同傳輸。除此之外，系統(tǒng)還可以采用碼分復用方式。圖1示出了傳統(tǒng)3GPP UMTS FDD單天線系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機結構。如圖1所示，在發(fā)射機中，待發(fā)送數據經過卷積/Turbo(卷積或Turbo)編碼(即，信道編碼)、交織和符號映射后，先后與OVSF(正交可變擴頻因子)碼和擾碼相乘，從而得到經過擴頻和加擾處理的用戶信號。這樣，擴頻后的多個碼道信號就可通過碼分方式復用在同一頻帶內，并通過脈沖成形和RF調制，形成射頻信號。在接收機中，經由天線接收的射頻信號經過RF、RRC濾波(均方根升余弦濾波)和過采樣處理后，送入信道估計單元中估計出多個并行傳輸信道的信道特性。接著，解擴和檢測單元在完成解擴的條件下，再利用該信道估計結果檢測出接收信號。然后，檢測出的符號信號經過符號解映射、解交織以及卷積/Turbo解碼的處理，最終得到所需的比特信號。在如圖1所示的發(fā)射機和接收機的結構中，通過碼分復用，多個數據流的信號被復用在同一頻段內，因而同樣可達到提高數據傳輸速率的目的。
然而，隨著無線通信的日益發(fā)展，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中可利用的頻帶、時隙和擴頻碼資源已經十分有限，如若要進一步提高數據的傳輸速率，一種解決辦法是合理利用空間資源。近期提出的多入多出技術(MIMO)正是利用多個發(fā)射和接收天線，在空間上構造出多個并行的無線信道，從而通過充分利用空間資源，來提高系統(tǒng)的數據傳輸速率。在現(xiàn)有的MIMO技術中，貝爾實驗室分層時空(BLASTBell LabLayered Space Time)技術以其能夠大幅度地提高數據傳輸速率，而成為典型的MIMO技術之一。
BLAST技術具有多種結構，其中不帶任何信道編碼的BLAST結構，由于發(fā)送信號中沒有冗余信息，因而能最大化地利用空間信道傳輸數據，但遺憾的是，這種BLAST結構的信號傳輸質量較低。為了提高信號質量，在圖2所示的采用BLAST結構的3GPP UMTS FDD系統(tǒng)中，加入了信道編碼單元，即卷積/Turbo編碼器，其功能和作用與圖1所示的卷積/Turbo編碼器相同。與圖1相比，在圖2示出的BLAST發(fā)射機中，一路待發(fā)送數據經過卷積/Turbo編碼器、交織器和符號映射單元的處理后送入BLAST單元310；在BLAST單元310中，一路待發(fā)送數據被分割為多個獨立的子數據流；然后多個子數據流各自進行擴頻和加擾處理，并分別與其他碼道信號疊加，得到多路并行信號；這些并行信號再分別經過脈沖成形和RF的調制，最后經由多個發(fā)射天線發(fā)射給接收端。在接收端，接收機利用多個接收天線接收經由多路無線信道傳輸的信號，并分別完成RF、RRC濾波和過采樣；然后在信道估計單元中估計出各信道的信道特性；接著，解擴和檢測單元利用該信道估計結果處理解擴后的接收信號；隨后，在BLAST檢測單元410中將處理后的多路信號進行V-BLAST檢測以恢復各天線上的傳輸數據，再將其轉換為一路串行數據，最后再經過與圖1相同的符號解映射器、解交織器和卷積/Turbo解碼器的處理，得到所需比特數據。
圖2所示的發(fā)射機和接收機，將信道編碼和BLAST技術相結合，因而在實現(xiàn)多路并行傳輸的同時還能在一定程度上確保信號的質量。但是，這種BLAST結構是利用空間信道的非相關性來解調多路信號，所以接收機必須使用大于或等于發(fā)射天線數目的接收天線，只有這樣才能基于MIMO信道的特性將各子數據流區(qū)分開來。但是，對于作為下行鏈路高速分組數據服務接收端的用戶終端而言，由于其體積、尺寸和電池能耗的限制，接收天線的數目往往不能達到BLAST技術的要求，而且通常只有一個接收天線。所以，BLAST技術雖然能夠大大提高數據的傳輸速率，但由于其要求接收機具有多天線以及多路RF處理單元，因而在現(xiàn)有條件下并不適于提供下行鏈路的高速分組數據服務。
近期除了BLAST技術以外，還提出了其他可應用于3GPP UMTSFDD系統(tǒng)的MIMO技術，例如分天線速率控制(PARCPer AntennaRate Control)，速率控制多徑分集(RC MPDRate Control MultipathDiversity)和雙空時發(fā)射分集-子分組速率控制(DSTTD-SGRCDouble Space Time Transmit Diversity-Sub-Group Rate Control)等。但是這些MIMO技術也同樣需要在終端的處理過程中使用多個接收天線，如果從終端的實現(xiàn)及成本來看，也不適用于下行鏈路的高速傳輸。
基于以上分析，雖然MIMO技術可以實現(xiàn)高速數據傳輸，但其對用戶終端接收天線個數的要求，使其應用范圍受到限制。因而，需要尋找一種多路并行數據傳輸方法，使用這種方法即使用戶終端內僅有一個接收天線依然能夠實現(xiàn)高速數據傳輸。
在現(xiàn)有技術中，空時格碼(STTC)技術可以應用于單接收天線，但目前已有的STTC僅給出了最多兩個發(fā)射天線、16種狀態(tài)的空時格碼的網格圖，而倘若需要采用更多的發(fā)射天線以提高傳輸速率、或采用更多的狀態(tài)以提高編碼增益，則以這種繪制格碼圖的方式設計空時格碼，將會非常復雜。因此STTC的應用十分有限。其他使用單接收天線的技術，例如空時發(fā)射分集或波束賦形，均只考慮了如何改善分集增益，或者如何通過減少干擾來提高系統(tǒng)性能，對于提高數據傳輸速率并沒有貢獻。
為此，有必要提出一種用于多路并行數據傳輸的方法，來保證用戶終端即使在只有一個接收天線的情況下，仍然可以實現(xiàn)高速數據傳輸。

發(fā)明內容本發(fā)明的一個目的是提出一種用于多路并行傳輸的空間信道編、解碼方法，使用該方法用戶終端即使僅有一個接收天線依然可以實現(xiàn)多路并行數據傳輸，從而提高數據的傳輸速率。
按照本發(fā)明的一種空間信道編碼方法，包括步驟按照預定的通信速率，輸入一組串行的待編碼的數據；根據預定的通信模式，采用相應的編碼準則，對該組數據進行空間信道編碼，以輸出多路并行的編碼信號，其中，該各路編碼信號之間具有相關的冗余信息；將該各路編碼信號相應地經由多個發(fā)射天線發(fā)送出去。
按照本發(fā)明的一種空間信道解碼方法，包括步驟經由至少一個接收天線接收多路并行的編碼信號，其中，該多路并行的編碼信號是在一個發(fā)送端通過空間信道編碼后經由相應的多個發(fā)射天線發(fā)送的，該各路編碼信號之間具有相關的冗余信息；根據接收的導頻信號，對傳送該編碼信號的多個無線信道進行信道估計；利用該信道估計結果，根據該空間信道編碼，對該接收信號進行解碼。
按照本發(fā)明的一種空間信道編碼器，包括多個編碼支路，用于分別接收一組串行的待編碼的數據；其中，每個編碼支路由多個寄存器組成，根據預定的通信模式，采用相應的編碼準則，每個編碼支路對接收的該組數據進行信道編碼；該多個編碼支路，分別輸出并行的編碼信號，該各路編碼信號之間具有相關的冗余信息；多個發(fā)射天線，用于相應地將該各路編碼信號發(fā)送出去。
按照本發(fā)明的一種空間信道解碼器，包括至少一個接收天線，用于接收多路并行的編碼信號，其中，該多路并行的編碼信號是在一個發(fā)送端通過空間信道編碼后經由相應的多個發(fā)射天線發(fā)送的，該各路編碼信號之間具有相關的冗余信息；至少一個信道估計單元，用于根據接收的導頻信號，對傳送該編碼信號的多個無線信道進行信道估計；一個解碼模塊，用于利用該信道估計結果，根據該空間信道編碼，對該接收信號進行解碼。
通過參考以下結合附圖的說明以及權利要求
書中的內容，并且隨著對本發(fā)明的更全面的理解，本發(fā)明的其他目的及效果將變得更加清楚和易于理解。
附圖簡述以下將結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述，其中圖1示出單天線的3GPP UMTS FDD系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機的結構框圖；圖2示出在3GPP UMTS FDD系統(tǒng)中采用BLAST技術的發(fā)射機和接收機的結構框圖；圖3是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例的采用空間信道編、解碼技術的發(fā)射機和接收機的結構框圖，其中發(fā)射機具有多個發(fā)射天線，接收機僅有一個接收天線；圖4為按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例提出的在具有兩個發(fā)射天線的發(fā)射機中使用的空間信道編碼結構(architecture)；圖5為按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例提出的在具有三個發(fā)射天線的發(fā)射機中使用的空間信道編碼結構；圖6是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例的采用空間信道編、解碼技術的發(fā)射機和接收機的結構框圖，其中發(fā)射機和接收機均可采用多個天線；圖7為同為QPSK調制的分別采用帶有信道編碼的單天線結構、本發(fā)明提出的一種雙發(fā)天線空間信道編碼結構、以及兩種BLAST結構的系統(tǒng)中，測試出的誤幀率性能的曲線圖；和圖8為同為8PSK調制的分別采用帶有信道編碼的單天線結構、按照本發(fā)明的一種三發(fā)天線空間信道編碼結構、以及兩種采用BLAST結構的系統(tǒng)中，測試出的誤幀率性能的曲線圖。
在所有附圖中，相同的標號表示相似或相應的特征或功能。
發(fā)明詳述按照本發(fā)明的空間信道編碼方法，將信道編碼與多路并行結構相結合，通過在多路并行信號之間加入部分冗余信息以使得多路并行信號之間具有空間相關性，進而幫助在接收端的用戶終端解調出該多路并行信號，以實現(xiàn)用戶終端在有限的接收天線的條件下接收大批量的高速數據業(yè)務。
基于以上考慮，本發(fā)明提出了一種將信道編碼和空間編碼相結合的空間信道編碼方法。具體而言，在發(fā)射機(例如基站)中，首先根據系統(tǒng)要求的數據傳輸速率確定空間信道編碼一次編碼的輸入比特數目，然后分別在多個支路中按照預定的編碼規(guī)則同時對輸入比特進行空間信道編碼，并將編碼后得到的多個編碼比特通過系統(tǒng)所使用的調制映射方式，轉換為與發(fā)射天線數目相應的多路編碼信號，從而可經由多個發(fā)射天線發(fā)送給接收端。在接收端(用戶終端)內，接收機按照已知的編碼規(guī)則，利用信道估計得出的多路信道的信道特性，對所接收的信號進行解碼，從而將多路并行的編碼信號轉換為一路所需數據。經過這種空間信道編碼方法處理，編碼后的多路并行信號相互之間不僅具有時間相關性，還具有空間相關性，因此，在解碼時充分利用這種空間和時間相關性，可大大降低對用戶終端接收天線數目的要求。
以下將首先結合附圖3-5，以3GPP UMTS FDD系統(tǒng)內，用戶終端接收機中僅有一個接收天線的情況為例，詳細描述本發(fā)明所提出的空間信道編碼(SCCSpatial Channel Code)方法。
圖3示出采用本發(fā)明所提出的空間信道編碼方法的發(fā)射機(例如基站)和接收機(例如，用戶終端)的結構框圖。如圖3所示，在發(fā)射機500中，待發(fā)送的數據首先送入空間信道編碼結構510進行空間信道編碼，其具體結構將在圖4和圖5中進行詳細描述。待發(fā)送的用戶數據經過空間信道編碼結構510的處理，轉換為具有空間相關性的多路并行的編碼信號，然后每個并行支路的編碼信號各自依次經歷交織器102的交織處理、OVSF擴頻單元103的OVSF碼擴頻、加擾器104的加擾處理、復用器105對多個碼道的信號進行疊加、脈沖成形單元106將疊加的信號進行脈沖成形和RF(射頻)單元107的調制形成多路射頻信號，并經由多個發(fā)射天線發(fā)射到無線空間。
多路并行的射頻信號經由無線信道的傳輸到達用戶終端的接收機600。在本實施例中，接收機600只有一個接收天線。該接收天線的接收信號為經由多個并行空間信道傳輸的所有多路信號的疊加。RF單元208將天線接收到的多路射頻信號轉換為基帶信號，并送入RRC濾波器和過采樣單元206，以將模擬信號轉換為離散(discrete)信號。所得到的離散信號在經過解擴和檢測單元204的解擴處理和解交織器202的處理后送至空間信道解碼結構610。而在信道估計單元220中，根據接收到的導頻信號，對多個并行空間信道的信道特性進行估計。接著，空間信道解碼結構610利用信道估計單元220所估計出的多路信道的信道特性，根據發(fā)送機500采用的空間信道編碼結構510，對解交織后的疊加信號進行相應維特比軟解碼，從而將疊加在一起的多路并行信號一一解出，并在解碼的同時將其多路并行信號轉換為一路串行數據，即用戶所需數據。該空間信道解碼結構610利用估計的信道特性、進行維特比軟解碼的過程將在下文中詳細說明。
在圖3中，空間信道編碼結構510是關鍵的處理單元，其擔負著信道編碼和空間編碼的雙重任務。圖4和圖5分別示出空間信道編碼結構510的兩種具體結構。圖4示出當發(fā)射機500為兩個發(fā)射天線，而接收機600只有一個接收天線的情況下，空間信道編碼的結構。圖5示出當發(fā)射機500為三個發(fā)射天線，而接收機600為一個接收天線的情況下，空間信道編碼的結構。如圖4和圖5所示，在本發(fā)明的這兩個實施例中，為了使結構更為緊湊，空間信道編碼結構還包括符號映射單元103的功能。這樣，輸入到空間信道編碼器的數據比特，經過處理后，將會得到多路經過相位/幅度(相位或幅度)調制的符號。當然，該符號映射單元也可以放置在空間信道編碼結構的外部執(zhí)行。
下面，首先參照圖4介紹發(fā)射機500有兩個發(fā)射天線，而接收機600只有一個接收天線的情況下，空間信道編碼的結構。
如圖4所示，空間信道編碼結構包括4個并行的移位寄存器支路(圖中，每個移位寄存器支路由一組寄存器D表示)，和兩個QPSK(四相相移鍵控)映射單元，其中每個移位寄存器支路都用來完成一個信道編碼，因而，也可稱為信道編碼支路。
在本實施例中，假設，系統(tǒng)要求如圖3所示的具有兩個發(fā)射天線的發(fā)射機的數據傳輸速率為2b/s/Hz(b/s/Hz表示單位頻譜、單位時間傳輸的比特數目)，且采用QPSK調制方式，則按照本發(fā)明的思想，根據數據傳輸速率(2b/s/Hz)，確定空間信道編碼結構一次編碼輸入的比特數為2。同時，由于每個發(fā)射天線采用每兩個比特對應一個符號的QPSK調制方式，且發(fā)射機具有兩個發(fā)射天線，則相當于編碼輸出比特為4，因此，空間信道編碼結構具有4個信道編碼支路，且每兩個支路輸出的編碼比特用來生成一個QPSK符號。這樣，空間信道編碼結構的編碼率為1/2。
在確定了信道編碼支路數目后，為了提高信號的抗干擾能力，可將每個信道編碼支路中，用于進行信道編碼的寄存器的個數設置為9，即圖4中每個支路的編碼器有9個寄存器D。由于一次編碼需要處理2個輸入比特信息，所以，9個寄存器D中只有7個保持上次編碼處理后的移位狀態(tài)，也就是說每個信道編碼支路總共有27＝128個狀態(tài)。這里需要指出，信道編碼支路的狀態(tài)可根據實際系統(tǒng)的傳輸質量的要求進行設定，若系統(tǒng)對信號質量的要求較高則可選擇使用更多的寄存器。
按照以上設置，就構成了如圖4所示的用于兩個發(fā)射天線、一個接收天線情況下的數據傳輸速率為2b/s/Hz，具有128個狀態(tài)的空間信道編碼結構。
由圖4可見，兩個串行的數據比特b1和b2，同時移位進入4個并行的編碼支路中的寄存器。每個處理支路按照預先設計好的編碼規(guī)則(例如，第一個信道編碼支路的生成碼G0為101110011，第二個信道編碼支路的生成碼G1為010011100，其中，生成碼的每一位對應一個寄存器。)進行編碼處理。具體編碼過程是將每個支路中生成碼對應位為1的寄存器中存儲的比特狀態(tài)取出并完成模二求和(modulus 2加)，從而得到編碼后的比特信息。然后，將第一、第二支路的編碼比特結合在一起進行QPSK映射，從而得到將在第一個發(fā)射天線上發(fā)送的符號c1。同理，對第三、第四支路的編碼比特進行QPSK映射，就得到在第二個發(fā)射天線上發(fā)送的符號c2。這樣，按照圖4所示結構就可以將一路串行數據編碼映射為兩路經過信道編碼的并行信號，且這兩路并行信號彼此之間具有空間的相關性。
在圖4所示的空間信道編碼結構中，為了提高信號的抗干擾能力，需要選擇適當的編碼規(guī)則，以使信號的誤碼率最小化。為此，這里提出對空間信道編碼進行系統(tǒng)設計的方法。由于編碼系統(tǒng)設計的一個基礎是能夠構造編碼生成矩陣G，因而，下面將圖4所示的結構擴展到一般情況，以構建空間信道編碼的數學模型。
首先，假設輸入到空間信道編碼(SCC)結構的數據信息比特為B＝[b1，b2，.....，bK]，其中，K表示該SCC一次編碼的比特數目。按照本發(fā)明的思想，K由系統(tǒng)要求的數據傳輸速率決定，例如在圖4所示結構中數據傳輸速率為2b/s/Hz，則K＝2。這樣，經過空間信道編碼得出的對應于第n個發(fā)射天線(其中，n＝1，2...N，N表示發(fā)射天線的數目)的符號cn可由下式表示cn=Φ[(D·GQn-Q+1:QnT)]---(1)]]>其中D＝[B M]，M＝[bK+1，bK+2，.....，bK+S]表示寄存器中當前狀態(tài)的信息比特，其中S為根據系統(tǒng)性能要求確定的用于保存狀態(tài)信息的寄存器個數，例如在圖4所示結構中S＝7，即D＝[b1，b2，.....，bKbK+1，bK+2，.....，bK+S]。G為編碼生成矩陣，其中，編碼生成矩陣G的上角標T表示矩陣轉置，下角標中的Qn-Q+1Qn表示矩陣中的第Qn-Q+1行到第Qn行陣元用于計算cn。公式(1)中Q表示系統(tǒng)所使用的調制方式，例如系統(tǒng)采用QPSK調制，則Q＝2，采用16QAM(16相正交幅度調制)，則Q＝4。由公式不難發(fā)現(xiàn)，每個發(fā)射天線的符號cn所對應的一組信道編碼支路數目是由調制方式所對應的Q值確定的。例如，在圖4所示的采用QPSK的結構中，Q＝2，則用于生成c1的生成編碼為編碼生成矩陣的第1行和第2行，也就是圖4中示出的第一、第二兩個信道編碼支路。G的每一行對應一個信道編碼支路的生成碼，即編碼生成矩陣G的每一個陣元對應移位寄存器中的一個寄存器D，若該陣元為1，則該寄存器D中的比特將被取出進行模二運算。在公式(1)中用Φ(·)表示將編碼后得到的值映射為相位符號的調制映射過程。例如在圖4所示結構中，系統(tǒng)采用QPSK映射，則Φ(·)表示為Φ(x)＝exp(πjx/2)，x＝1，2....4。
由上所述，空間信道編碼過程可由公式(1)表示，這就構建出了空間信道編碼的數學模型。其中，根據系統(tǒng)實際的數據傳輸速率、發(fā)射天線數目及系統(tǒng)所采用的調制方式，確定了編碼生成矩陣的行數和列數，接下來的問題是如何確定編碼生成矩陣G的陣元，即尋找適當的編碼生成矩陣G來獲得最佳的編碼效果。
在發(fā)射天線數目與接收天線的數目的乘積不大于3的情況下，可采用如下的準則作為搜索編碼生成矩陣G的依據在根據編碼生成矩陣G所生成的網格圖中，各譯碼路徑的對應的輸出符號之間構成的差值矩陣B，使得矩陣A＝B*B’(B’表示該差值矩陣B的共軛轉置)的秩/積(秩(rank)/積(product)表示秩和積)的最小值最大化。在本實施例中，由于發(fā)射天線N＝2、接收天線數目M＝1，因而可以將該判據用作編碼生成矩陣G的搜索判據。在搜索過程中，按照該矩陣A的秩/積的最小值最大化判據對每個編碼生成矩陣G所對應的網格圖進行判斷，從而搜索到一個如公式(2)所示的最佳編碼生成矩陣G當N＝2，M＝1，G=101110011010011100010001011100100001---(2)]]>該編碼生成矩陣G的具體實現(xiàn)結構即為圖4所示結構。
將如公式(2)所示的編碼生成矩陣G代入到公式(1)中，即可得到對應于兩個發(fā)射天線的并行編碼信號，也就是圖4所示結構的輸出信號。按照圖3所示發(fā)射機500的結構，這兩路并行的編碼信號分別經過交織、擴頻、加擾、脈沖成形和調制，經由兩個發(fā)射天線發(fā)射給用戶終端接收機。在接收機中，如圖3所示的空間信道解碼結構610，根據信道估計單元220估計出的信道特性，按照如公式(2)所示的編碼生成矩陣G所生成的網格圖對接收信號進行維特比軟解碼。
維特比軟解碼的原理是空間信道解碼結構根據編碼生成矩陣G，在由編碼結構狀態(tài)數確定的網格圖中搜索每條路徑，并找出與所接收信號誤差最小的最佳路徑，則最佳路徑所對應的輸入數據比特，即為解碼出的所需數據。在本發(fā)明的實施例中，由于接收機600只有一個接收天線，接收信號是兩路并行發(fā)射信號的疊加，例如r＝h1×c1+h2×c2+n，其中h為信道特性，n為高斯噪聲。因而在路徑搜索過程中，空間信道解碼結構610將估計出的信道特性h1和h2作為權重乘上搜索路徑上的編碼信號c1′和c2′，再加權求和，從而得到待判斷信號，即r′＝h1×c′1+h2×c′2。然后空間信道解碼結構610將該待判斷信號r’與接收信號r進行比較，生成一個度量值。該度量值表示r’與實際接收信號r之間的差距大小。維特比解碼，在搜索過程中僅保留度量值最小的路徑，最終搜索得到與實際接收信號差距最小的最佳路徑，從而解出所需用戶數據。
以上以發(fā)射機具有兩個發(fā)射天線，接收機具有一個接收天線的情況為例詳細描述了本發(fā)明所提出的空間信道編碼方法和結構。本發(fā)明所提出的方法還可以應用于發(fā)射機具有三個發(fā)射天線(N＝3)，接收機僅有一個接收天線的情況(M＝1)。在這種情況下，假設系統(tǒng)要求數據的傳輸速率為3b/s/Hz，則K＝3，即一次編碼輸入的比特數目為3，同時如果系統(tǒng)采用8PSK(八相相移鍵控)調制方式，則Q＝3，且8PSK調制方式表示為Φ(x)＝exp(πjx/8)，x＝1，2....8。由此，根據公式(1)的要求，每個發(fā)射天線對應的信道編碼支路數也為3。如果，此時采用128個狀態(tài)(S＝7)的信道編碼支路就可以滿足系統(tǒng)性能的要求，那么N＝3，M＝1，S＝7的編碼生成矩陣就為9行、10列。此時依然可以采用使得該矩陣A的秩/積的最小值最大化判據來尋找適合的編碼生成矩陣G。經過搜索，得出的N＝3，M＝1，S＝7的最佳編碼生成矩陣G如公式(3)所示當N＝3，M＝1時，G=100110101101101101111100100010010010110111110001011001000100001011001101000101111100011101---(3)]]>按照公式(3)所示的編碼生成矩陣G對連續(xù)三個輸入數據比特b1、b2和b3進行編碼處理。那么根據公式(1)中對用于生成cn的編碼生成矩陣的行數為Qn-Q+1Qn的要求，則輸出符號c1為編碼生成矩陣G中前三行所生成的編碼比特的映射符號。
圖5示出了按照公式(3)構造的用于三個發(fā)射天線，一個接收天線的3b/s/Hz、128個狀態(tài)的空間信道編碼結構。其基本原理與圖4相同，不同之處在于一次編碼可處理3個輸入比特，共有9個并行的信道編碼支路，每三個編碼支路輸出的編碼比特組合在一起，進行8PSK的映射，從而得到三路并行的編碼信號。利用圖5所示的空間信道編碼結構，發(fā)射機中對應地應具有三路交織、擴頻、加擾、脈沖成形以及RF調制單元，以將三路編碼信號轉換為可從對應的發(fā)射天線發(fā)射出去的射頻信號。
在接收端，由于同樣采用單天線的接收機，因而接收機的結構與圖3完全相同。只不過，接收信號包括經由三個信道傳輸的信號，即r＝h1×c1+h2×c2+h3×c3+n，因而圖3中接收機的信道估計單元需要估計3個信道的信道特性h1、h2和h3。在空間信道解碼結構進行維特比軟解碼時，待判斷的信號是三個編碼信號的加權和，即r′＝h1×c′1+h2×c′2+h3×c′3。將r’與接收信號r進行比較，生成一個度量值，并利用該度量值，在網格圖中搜索出與實際接收信號差距最小的最佳路徑，從而解出所需用戶數據。
以上，結合附圖4和附圖5描述了在發(fā)射機500具有兩個和三個發(fā)射天線，而接收機600具有一個接收天線的情況。當然，本發(fā)明所提出的方法并不局限在這兩種情況，還可以應用在具有更多的發(fā)射天線的情況下，同時還可以應用在接收機具有多個接收天線的情況下。
圖6示出了一種按照本發(fā)明的具有多個發(fā)射天線的發(fā)射機結構和具有多個接收天線的接收機的結構。與圖3相比較，圖6中，由于接收機700具有多個接收天線，相應地接收機包括多個接收處理支路，每個接收處理支路的組成單元與圖3所示的單接收天線的接收處理支路相同，均包括RF單元208、RRC濾波和過采樣單元206、解擴和檢測單元204、解交織器202以及信道估計單元220。經過各接收處理支路處理的接收信號，以及各支路信道估計單元估計出的信道特性，一同送入空間信道解碼結構710中，進行解碼。與單接收天線情況不同，空間信道解碼結構710在進行維特比軟解碼時，可以將多路接收信號進行加權求和得到最佳的接收信號，然后利用通過信道估計得到的信道特性，對接收信號進行解碼，最終得到所需的用戶數據。由此可見，在接收機中使用多天線接收可以提高信號的接收分集增益，從而降低信號的誤碼率。因此，當接收機中具有多個接收天線時，可以增加空間信道編碼的編碼率，以進一步提高數據的傳輸速率。
由圖6可知，本發(fā)明所提出的方法，既可以應用在單接收天線的情況，也可應用在多接收天線的情況。這里需要指出，當發(fā)射天線的數目和接收天線的數目之積大于三時，上面所述的用于尋找最佳編碼生成矩陣的判據將會發(fā)生變化。研究表明，當分集支路多于三時，多路多徑衰落信道將轉變?yōu)榧有愿咚拱自肼?AWGN)信道。因此，這時，空間信道編碼的編碼判據將變?yōu)椴捎门c傳統(tǒng)的TCM(網格編碼調制)判據相同的判據，例如確保最小歐式距離最大化。甚或在這種具有較多天線的情況下，可直接選擇TCM編碼作為空間信道編碼結構，從而將傳統(tǒng)的只用于單天線的TCM，應用在多天線的情況下。
根據以上結合附圖3-6對本發(fā)明實施例的介紹，不難發(fā)現(xiàn)在實際的應用系統(tǒng)中可以根據數據傳輸速率的要求，以及實際的發(fā)射天線和接收天線數目的要求設計空間信道編碼結構。表1列出了在不同天線配置和調制方式下，空間信道編碼所能達到的數據速率、空間編碼率以及分集度。在表1中標有SCC-I和SCC-II的空間信道編碼結構分別為本發(fā)明實施例中圖4和圖5示出的結構。表1中的空間編碼率為空間維度的編碼率。例如，表1中四個發(fā)射天線、兩個接收天線且使用16QAM(正交幅度調制)映射的情況，簡寫為4Tx-2Rx 16QAM情況。假設系統(tǒng)要求數據速率為4b/s/Hz，則空間信道編碼器一次編碼的數據比特為4比特，經過各信道編碼支路的編碼后得到16比特的編碼比特，則空間編碼率為1/4。然后該16編碼比特經過16QAM的映射處理后，由空間信道編碼結構輸出對應于4個發(fā)射天線的4個符號。此時由于接收天線為2個，因而分集度(diversity order)為8。由表中可以看出，在實際系統(tǒng)中，根據系統(tǒng)發(fā)射天線、數據傳輸速率，以及調制方式的要求，合理選擇空間信道編碼結構，可以在終端條件有限的情況下，實現(xiàn)較高速率的數據傳輸。
由于本發(fā)明所提出的這種空間信道編碼方法是將信道編碼與空間編碼相結合來實現(xiàn)多路并行傳輸，因而與單天線收發(fā)結構和現(xiàn)有的BLAST技術相比較具有更好的系統(tǒng)性能，這一點在仿真實驗中得到了證實。
表1不同發(fā)射、接收天線情況下空間信道編碼的數據傳輸率、空間編碼率和分集度
表2示出了8種不同收發(fā)天線數目下不同結構的仿真參數。這八種結構共分為四組，分別是單收發(fā)天線(SISOSingle Input SingleOutput)結構、空間信道編碼結構(SCC)、帶有信道編碼的BLAST結構(BLAST)以及不帶信道編碼的BLAST(nBLAST)結構。每一組中又包括兩種具體結構分別用I和II來標識。每組中同為I的結構均為QPSK調制，同為II的結構為8PSK調制。表2中SISO-I和SISO-II結構不進行交織處理，且分別采用(2，1，9)和(3，1，9)兩種編碼方式進行信道編碼，編碼率分別為1/2和1/3，兩種編碼器均有256種狀態(tài)。表2中列出的SCC-I和SCC-II是本發(fā)明給出的發(fā)射機分別采用兩個和三個發(fā)射天線，而接收機為單天線接收的兩個實施例的參數。在BLAST組中，BLAST-I和BLAST-II的信道編碼結構與SISO-I和SISO-II相同。
對以上這8種結構的仿真實驗是建立在假設傳輸信道為準靜態(tài)平坦衰落信道，且數據傳輸時每幀數據的比特數均為130的前提下進行的，仿真實驗的其他參數均按照3GPP UMTS FDD標準設定。
采用以上8種結構進行仿真實驗，分別測試信號的信噪比與誤幀率之間的性能指標，其仿真結果如圖7和圖8所示。
表2仿真參數
圖7示出了SISO-I、SCC-I、BLAST-I和nBLAST-I四種結構之間接收信號的誤幀率隨信噪比變化的曲線圖。圖8示出了SISO-II、SCC-II、BLAST-II和nBLAST-II四種結構之間接收信號誤幀率隨信噪比變化的曲線圖。在圖7和圖8中，橫坐標為接收信號的信噪比SNR，縱坐標為誤幀率FER。參見圖7，不難看出，在FER相同的情況下，例如當FER＝10-1時，四種系統(tǒng)方案中，采用SCC-I方案，系統(tǒng)所能容忍的接收信號的信噪比最低，且要比采用SISO-I的方案低4dB，比BLAST-I低3dB。參見圖8，同樣，在FER相同的情況下，例如當FER＝10-1時，四種系統(tǒng)方案中，采用SCC-II方案，系統(tǒng)所能容忍的接收信號的信噪比依然是最低，且要比采用SISO-II的方案低1dB，比BLAST-II低3dB。由此可見，SCC具有良好的系統(tǒng)性能。
在仿真實驗中，還測量了系統(tǒng)的數據傳輸速率，系統(tǒng)數據傳輸速率只是系統(tǒng)頻譜效率的表現(xiàn)，其單位是b/s/Hz，測量結果在表2中的最后一行中列出。由表2示出的數據傳輸速率可見，空間信道編碼方案的數據傳輸速率遠高于單天線結構。雖然BLAST結構具有最高的數據傳輸速率，但由圖7和圖8顯而易見，BLAST結構的誤幀率最差，而且還必須使用多接收天線，因而SCC與BLAST相比，更適于提供下行鏈路的高速數據業(yè)務。
有益效果通過以上結合附圖對本發(fā)明實施例的詳細描述，可以看出，將信道編碼和空間編碼作為一個整體進行編碼的空間信道編碼方法，可以在接收機中的接收天線數目有限的情況下，甚至在接收機中只有一個接收天線時，實現(xiàn)多路并行傳輸，從而提高系統(tǒng)的數據傳輸速率，因而非常適用于下行鏈路的高速分組數據服務。
而且，本發(fā)明所提出的空間信道編碼與現(xiàn)有的STTC相比，可具有更多的發(fā)射天線，更多的信道編碼狀態(tài)(例如，128個狀態(tài))，以進一步提高分集增益和編碼增益；同時本發(fā)明提出的空間信道編碼的設計方法，還可以根據發(fā)射機采用的通信速率、通信質量、調制方式和發(fā)射天線數目，靈活地確定空間信道編碼，從而便于實際地應用。
此外，本發(fā)明還提出了當發(fā)射天線和接收天線數目之積大于3時，空間信道編碼生成矩陣的判據為最小歐式距離最大化，且適合采用TCM編碼方法，為今后系統(tǒng)擴展提供了可行的方法。
本領域技術人員應當理解，對上述本發(fā)明所公開的空間信道編碼方法和裝置，還可以在不脫離本
發(fā)明內容
的基礎上做出各種改進。因此，本發(fā)明的保護范圍應當由所附的權利要求
書的內容確定。
權利要求
1.一種空間信道編碼方法，包括步驟(a)按照預定的通信速率，輸入一組串行的待編碼的數據；(b)根據預定的通信模式，采用相應的編碼準則，對該組數據進行信道編碼，以輸出多路并行的編碼信號，其中，該各路編碼信號之間具有相關的冗余信息；(c)將該各路編碼信號相應地經由多個發(fā)射天線發(fā)送出去。
2.如權利要求
1所述的空間信道編碼方法，其中，步驟(b)包括(b1)根據該多個發(fā)射天線的數目，確定用于信道編碼的相應的支路組；(b2)根據預定的調制模式，確定各支路組所包括的用于信道編碼的支路；(b3)根據相應的編碼準則，對輸入到該多個支路中的該組數據進行編碼。
3.如權利要求
2所述的空間信道編碼方法，其中，步驟(b2)還包括根據通信質量的要求，確定在所述支路中的用于信道編碼的多個寄存器；其中，在該步驟(b3)中，根據相應的編碼準則，對輸入到所述支路中的該多個寄存器的該組數據進行編碼。
4.如權利要求
3所述的空間信道編碼方法，其中，步驟(b3)包括根據相應的編碼準則，選擇該多個支路中的相應的多個寄存器的輸出數據；根據該輸出數據，生成該多個支路的編碼數據。
5.如權利要求
4所述的空間信道編碼方法，步驟(b3)還包括根據所述調制模式，將該生成的多個支路的編碼數據進行符號映射，以輸出所述多路并行的編碼信號。
6.如權利要求
5所述的空間信道編碼方法，其中，所述調制模式至少是BPSK(二相相移鍵控)、QPSK(四相相移鍵控)、8PSK(八相相移鍵控)和QAM(正交幅度調制)中的任意一種。
7.如權利要求
3所述的空間信道編碼方法，其中，若所述發(fā)射天線的數目與接收天線的數目的乘積不大于3，該接收天線是在一個接收端中用于接收所述發(fā)射天線所發(fā)送的編碼信號，則所述編碼準則采用對于由所述多個支路和各支路中的多個寄存器構成的編碼生成矩陣，在根據編碼生成矩陣所生成的網格圖中，各譯碼路徑的對應的輸出符號之間構成的差值矩陣，使得該差值矩陣與它的共軛轉置矩陣相乘所得到的矩陣的秩和積的最小值最大化。
8.如權利要求
7所述的空間信道編碼方法，其中，若所述發(fā)射天線的數目與所述接收天線的數目的乘積大于3，則所述編碼準則采用使得在進行解碼時的網格圖中的最小歐式距離最大化。
9.如權利要求
7所述的空間信道編碼方法，其中，若所述發(fā)射天線的數目與所述接收天線的數目的乘積大于3，則所述編碼準則采用傳統(tǒng)TCM(網格編碼調制)編碼。
10.如權利要求
1所述的空間信道編碼方法，其中步驟(c)包括將使用不同擴頻碼擴頻的編碼信號進行復用，以經由同一根天線發(fā)送該復用的編碼信號；將各路復用的擴頻編碼信號相應地經由所述多個發(fā)射天線發(fā)送出去。
11.一種空間信道解碼方法，包括步驟(a)經由至少一個接收天線接收多路并行的編碼信號，其中，該多路并行的編碼信號是在一個發(fā)送端通過空間信道編碼后經由相應的多個發(fā)射天線發(fā)送的，該各路編碼信號之間具有相關的冗余信息；(b)根據接收的導頻信號，對傳送該編碼信號的多個無線信道進行信道估計；(c)利用該信道估計結果，根據該空間信道編碼，對該接收信號進行解碼。
12.如權利要求
11所述的空間信道解碼方法，其中，若在步驟(a)中經由多個接收天線接收該編碼信號，則在步驟(b)中，根據接收的導頻信號，分別對傳送該編碼信號的多個無線信道進行信道估計，且步驟(c)包括利用相應的信道估計結果，對多個接收的編碼信號進行加權；根據該空間信道編碼，對加權后的信號進行解碼。
13.如權利要求
11或12所述的空間信道解碼方法，其中，在步驟(c)中，使用維特比軟解碼方法對該接收信號進行解碼。
14.如權利要求
13所述的空間信道解碼方法，其中，所述空間信道編碼基于該發(fā)送端采用的通信模式。
15.如權利要求
14所述的空間信道解碼方法，其中，所述通信模式包括通信速率、通信質量、調制模式和發(fā)射天線數目。
16.如權利要求
15所述的空間信道解碼方法，其中，若所述發(fā)射天線的數目與接收天線的數目的乘積不大于3，則所述空間信道編碼采用的編碼準則是在根據編碼生成矩陣所生成的網格圖中，各譯碼路徑的對應的輸出符號之間構成的差值矩陣，使得該差值矩陣與它的共軛轉置矩陣相乘所得到的矩陣的秩和積的最小值最大化。
17.如權利要求
16所述的空間信道解碼方法，其中，若所述發(fā)射天線的數目與所述接收天線的數目的乘積大于3，則所述空間信道編碼采用的編碼準則是使得在進行維特比軟解碼時網格圖中的最小歐式距離最大化。
18.如權利要求
16所述的空間信道解碼方法，其中，若所述發(fā)射天線的數目與所述接收天線的數目的乘積大于3，則所述空間信道編碼是TCM(網格編碼調制)編碼。
19.一種空間信道編碼器，包括多個編碼支路，用于分別接收一組串行的待編碼的數據；其中，每個編碼支路由多個寄存器組成，根據預定的通信模式，采用相應的編碼準則，每個編碼支路對接收的該組數據進行信道編碼；該多個編碼支路，分別輸出并行的編碼信號，以相應地經由多個發(fā)射天線發(fā)送出去，該各路編碼信號之間具有相關的冗余信息。
20.如權利要求
19所述的空間信道編碼器，其中根據該多個發(fā)射天線的數目和預定的調制模式，確定所述編碼支路。
21.如權利要求
20所述的空間信道編碼器，其中，每個編碼支路包括的寄存器的數目基于通信質量的要求；根據相應的編碼準則，由該每個編碼支路中的相應的寄存器的輸出數據，生成所述編碼數據。
22.如權利要求
21所述的空間信道編碼器，其中，所述調制模式至少是BPSK(二相相移鍵控)、QPSK(四相相移鍵控)、8PSK(八相相移鍵控)和QAM(正交幅度調制)中的任意一種。
23.如權利要求
19所述的空間信道編碼器，其中，若所述發(fā)射天線的數目與接收天線的數目的乘積不大于3，該接收天線是在一個接收端中用于接收所述發(fā)射天線所發(fā)送的編碼信號，則所述編碼準則采用對于由所述多個編碼支路和各編碼支路中的多個寄存器構成的編碼生成矩陣，在根據編碼生成矩陣所生成的網格圖中，各譯碼路徑的對應的輸出符號之間構成的差值矩陣，使得該差值矩陣與它的共軛轉置矩陣相乘所得到的矩陣的秩和積的最小值最大化。
24.如權利要求
19所述的空間信道編碼器，其中，若所述發(fā)射天線的數目與所述接收天線的數目的乘積大于3，則所述編碼準則采用使得在解碼時的網格圖中的最小歐式距離最大化。
25.如權利要求
19所述的空間信道編碼器，其中，若所述發(fā)射天線的數目與所述接收天線的數目的乘積大于3，則所述編碼準則采用傳統(tǒng)TCM(網格編碼調制)編碼。
26.如權利要求
19所述的空間信道編碼器，還包括多個復用單元，其中每個復用單元，用于將使用不同擴頻碼擴頻的編碼信號進行復用，以經由同一根天線發(fā)送該復用的編碼信號；其中，所述多個發(fā)射天線，將各路復用的擴頻編碼信號相應地發(fā)送出去。
27.一種空間信道解碼器，包括一個解碼模塊，用于利用信道估計結果，根據接收信號的空間信道編碼，對該接收信號進行解碼；其中，該接收信號是經由至少一個接收天線接收的多路并行的編碼信號，該多路并行的編碼信號是在一個發(fā)送端通過空間信道編碼后經由相應的多個發(fā)射天線發(fā)送的，該各路編碼信號之間具有相關的冗余信息；該信道估計結果是至少一個信道估計單元，根據接收的導頻信號，對傳送該編碼信號的多個無線信道進行信道估計得到的。
28.如權利要求
27所述的空間信道解碼器，還包括一個加權模塊，用于利用多個信道估計單元根據多個接收天線接收的導頻信號所得到的相應的信道估計結果，對多個接收信號分別進行加權；其中，該解碼模塊，根據該空間信道編碼，對加權后的信號進行維特比軟解碼。
29.如權利要求
28所述的空間信道解碼器，其中，所述空間信道編碼基于該發(fā)送端采用的通信模式，該通信模式包括通信速率、通信質量、調制模式和發(fā)射天線數目。
30.如權利要求
29所述的空間信道解碼器，其中，若所述發(fā)射天線的數目與接收天線的數目的乘積不大于3，則所述空間信道編碼采用的編碼準則是在根據編碼生成矩陣所生成的網格圖中，各譯碼路徑的對應的輸出符號之間構成的差值矩陣，使得該差值矩陣與它的共軛轉置矩陣相乘所得到的矩陣的秩或積的最小值最大化。
31.如權利要求
30所述的空間信道解碼器，其中，若所述發(fā)射天線的數目與所述接收天線的數目的乘積大于3，則所述空間信道編碼采用的編碼準則是使得在進行維特比軟解碼時網格圖中的最小歐式距離最大化。
32.如權利要求
30所述的空間信道解碼器，其中，若所述發(fā)射天線的數目與所述接收天線的數目的乘積大于3，則所述空間信道編碼是TCM(網格編碼調制)編碼。
33.一種無線網絡系統(tǒng)，包括一個空間信道編碼器，用于將待發(fā)送的串行數據進行空間信道編碼，以輸出多路并行的編碼信號，該各路編碼信號之間具有相關的冗余信息；多個發(fā)射天線，用于相應地將該各路編碼信號發(fā)送出去。
34.如權利要求
33所述的無線網絡系統(tǒng)，其中，該空間信道編碼器，包括多個編碼支路，用于分別接收一組串行的待編碼的數據；其中，每個編碼支路由多個寄存器組成，根據預定的通信模式，采用相應的編碼準則，每個編碼支路對接收的該組數據進行信道編碼；該多個編碼支路，分別輸出并行的編碼信號，以相應地經由所述多個發(fā)射天線發(fā)送出去，該各路編碼信號之間具有相關的冗余信息。
35.如權利要求
34所述的無線網絡系統(tǒng)，其中所述編碼支路基于該多個發(fā)射天線的數目和預定的調制模式而定，每個編碼支路包括的寄存器的數目基于通信質量的要求而定，根據相應的編碼準則，由該每個編碼支路中的相應的寄存器的輸出數據生成所述編碼數據。
36.一種無線終端，包括至少一個接收天線，用于接收多路并行的編碼信號，其中，該多路并行的編碼信號是在一個發(fā)送端通過空間信道編碼后經由相應的多個發(fā)射天線發(fā)送的，該各路編碼信號之間具有相關的冗余信息；至少一個信道估計單元，用于根據接收的導頻信號，對傳送該編碼信號的多個無線信道進行信道估計；一個空間信道解碼器，用于利用該信道估計結果，根據該空間信道編碼，對該接收信號進行解碼。
37.如權利要求
36所述的無線終端，還包括一個加權模塊，用于利用多個信道估計單元根據多個接收天線接收的導頻信號所得到的相應的信道估計結果，對多個接收信號分別進行加權；其中，該空間信道解碼器，根據該空間信道編碼，對加權后的信號進行維特比軟解碼。
38.如權利要求
37所述的無線終端，其中，所述空間信道編碼基于該發(fā)送端采用的通信模式，該通信模式包括通信速率、通信質量、調制模式和發(fā)射天線數目。
專利摘要
一種空間信道編碼方法，包括步驟按照預定的通信速率，輸入一組串行的待編碼的數據；根據預定的通信模式，采用相應的編碼準則，對該組數據進行信道編碼，以輸出多路并行的編碼信號，其中，該各路編碼信號之間具有相關的冗余信息；將該各路編碼信號相應地經由多個發(fā)射天線發(fā)送出去；由于該方法將信道編碼和空間編碼作為一個整體進行編碼，因此即便接收機中只有一個接收天線，也能夠根據該多路并行信號之間的相關冗余信息對接收信號進行解碼，進而提高系統(tǒng)的數據傳輸速率。
文檔編號H04L1/00GK1993918SQ200580026848
公開日2007年7月4日 申請日期2005年8月2日
發(fā)明者鄔鋼, 李岳衡 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan