空时编码/译码模式的动态切换方法及装置

摘要

本发明涉及用于MIMO－OFDM系统的基于信道状态信息的空时编码/译码模式的动态切换技术，其中：空时编码模式的动态切换方法包括：确定步骤，发射端根据反向信道的反馈信息进行空时编码模式的确定；映射步骤，将所确定的编码模式映射到对应编码器上，使所需编码的调制符号序列在相应编码后产生对应各发送天线的若干组符号流；以及反馈步骤，将所使用的编码模式信息通过前向控制信道周期反馈至接收端。本发明定义了相干带宽和相干时间作为切换阈值的量度，提出了相应的切换策略，保留了空时分组编码的复杂度低、空间相关信道下的性能稳定、能够获得完全的空间分集等优点，扩展了OFDM系统空时或空频分组编码的应用范围，使得MIMO－OFDM系统能够应用在多种移动速度和延时扩展的传播环境。

说明书

技术领域

本发明涉及第四代移动通信技术，尤其指用于MIMO-OFDM系统的基于信道状态信息的空时编码/译码模式的动态切换方法及装置。

背景技术

在丰富散射环境下，多入多出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)系统能够获得与发送天线数成正比的频谱效率，在不牺牲频率资源和发送功率的条件下能够获得很高的无线传输速率，因而受到广泛关注。

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系统将发送符号调制到正交的窄带子载波上，使得每个子载波上传输的符号只受到平坦衰落，大大简化了接收机的设计，是多径衰落信道下高速无线数据传输有效的解决方案。

现有MIMO结构假设信道是平坦的，而实际的无线通信信道总是频率选择性的。因此，MIMO与OFDM结合能够满足MIMO对信道选择性的要求，是未来先进的无线通信解决方案之一。

MIMO有两种基本的空时结构。一种是空时编码，其主要目标是获得编码增益。另一种是空间复用，其目标主要是获得数据速率增益。空时编码方案中有三种基本结构：如果将发送的信息符号流在空域和时域联合编码，获得空间分集，则称为空时分组编码；如果将发送的信息符号流在空域和频域联合编码，获得空间分集，则称为空频分组编码；如果将发送的信息符号流在空域、时域和频域联合编码，获得空间分集，则称为空时频分组编码。虽然空时频编码能够同时获得空域、时域和频域分集，但其相对复杂度高，灵活性低，实际应用中更有效的是空时分组编码和空频分组编码(记为空时/空频分组编码)。

下面以两发两收MIMO-OFDM系统为例来说明现有技术方案。

图1和图2分别给出了现有MIMO-OFDM系统空时分组编码或空频分组编码的发射机和接收机结构。在发射机中，发送的信源比特序列经过信道编码和交织后，映射到调制星座上，产生调制符号序列。调制符号序列经过空时分组编码(或空频分组编码)后产生两组符号流，分别对应发送天线1和发送天线2。按照导频图案插入导频符号后，每个发送天线对应的符号流分别进行反快速付立叶变换(IFFT)，产生OFDM符号。每个OFDM符号头部均插入循环前缀，形成扩展的OFDM符号。多个扩展的OFDM符号组成1个时隙。每个时隙前插入一个伪随机同步序列用于定时同步。多个时隙组成一个最小传输单位的传输帧。

在接收机中，接收到的符号流首先根据同步序列进行帧同步、时隙同步和符号同步。同步的扩展OFDM符号去除循环前缀后进行快速付立叶变换(FFT)。从OFDM的子载波中抽取频域导频用于信道估计，估计的信道频率响应辅助空时分组编码/空频分组编码译码器对剩余的数据符号译码。产生的符号流经过解调、解交织和信道解码后，得到估计的信源比特序列。

下面通过图3和图4阐述空时分组编码和空频分组编码的主要区别。

如图3所示，预发送的调制符号S1和S2经过空频分组编码器编码后产生码流S1，S1^*，S2和-S2^*。然后，S1和-S2^*被映射到同一OFDM符号的相邻子载波上，并通过天线1发送；S2和S1^*被映射到同一OFDM符号的相邻子载波上，并通过天线2发送。同样，下一组预发送的调制符号S3和S4经过空频分组编码器编码后产生码流S3，S3^*，S4和-S4^*。然后，S3和-S4^*被映射到同一OFDM符号的相邻子载波上，并通过天线1发送；S4和S3^*被映射到同一OFDM符号的相邻子载波上，并通过天线2发送。

如图4所示，预发送的调制符号S1和S2经过空时分组编码器编码后产生码流S1，S1^*，S2和-S2^*。然后，S1和-S2^*被映射到相邻OFDM符号的相同子载波上，并通过天线1发送；S2和S1^*被映射到相邻OFDM符号的相同子载波上，并通过天线2发送。预发送的调制符号S3和S4经过空时分组编码器编码后产生码流S3，S3^*，S4和-S4^*。然后，S3和-S4^*被映射到相邻OFDM符号的相同子载波上，并通过天线1发送；S4和S3^*被映射到相邻OFDM符号的相同子载波，并通过天线2发送。

基于正交信号设计的空时分组编码假设信道矩阵在编码的相邻OFDM符号间是恒定的。然而，与相同带宽的单载波系统比较，OFDM系统的符号间隔大大增加，使得编码的相邻OFDM符号间信道矩阵恒定的条件难以满足，导致空时分组编码的性能恶化。特别是未来移动通信系统支持更高频段和更高移动速度的用户，信号受到的快衰落更将严重恶化空时分组编码的性能。相似地，基于正交信号设计的空频分组编码假设信道矩阵在编码的相邻OFDM子载波间是恒定的。然而，实际信道常常是频率选择性的，使得编码的相邻OFDM符号间信道矩阵恒定的条件难以满足，恶化了空频分组编码的性能。

图5和图6分别给出了不同延时扩展和不同移动速度下，空时分组编码和空频分组编码的无信道编码的性能比较。当信道延时扩展较小时，空频分组编码(SFBC)在移动速度为5～120kmph范围内获得了相同的BER(误码率)性能。即使在移动速度高达500kmph，如果采用理想的载波间干扰去除技术，空频分组编码能够获得与低速相同的很好的性能。当信道延时扩展较大时，空频分组编码在各种移动速度范围内，性能均受到严重恶化，这主要是大的延时扩展引起的信道频率选择性使得空频分组编码间的相邻载波间不再恒定，因此恶化了性能。类似地，空时分组编码(STBC)在5kmph低速移动时，无论信道的延时扩展大小，空时分组编码获得了很好的BER性能。然而，在120～500kmph移动速度范围内，空时分组编码的性能严重恶化，这主要是大的多谱勒频移引起信道快衰落，使得时域内编码的符号间信道不再恒定，因此恶化了空时分组编码的性能。

总之，空时分组码能正常工作在各种频率选择性的信道，却受到多普勒频移对正交性的影响而严重恶化性能；空频分组码能正常工作在各种多普勒频移的信道，却受到频率选择性对正交性的影响而恶化性能。

因此，现有的任何一种空时编码方案的应用环境都受到了一定的限制。

发明内容

本发明旨在提供一种基于信道状态信息的空时编码/译码模式的动态切换技术，通过该切换技术，既保留了空时编码的复杂度低、空间相关信道下的性能稳定、能够获得完全的空间分集等优点，又扩展了OFDM系统空时或空频分组编码的应用环境，使得MIMO OFDM系统能够应用在多种复杂的传播环境。

本发明之一，一种空时编码模式的动态切换方法。

该方法包括：确定步骤，发射端根据反向信道的反馈信息进行空时编码模式的确定；映射步骤，将所确定的编码模式映射到对应编码器上，使所需编码的调制符号序列在相应编码后产生对应各发送天线的若干组符号流；以及，反馈步骤，将所使用的编码模式信息通过前向控制信道周期反馈至接收端。

在上述空时编码模式的动态切换方法中，空时编码模式包括空时分组编码模式和空频分组编码模式。

在上述空时编码模式的动态切换方法中，反向信道的反馈信息包括信道的相干带宽和相干时间。

在上述空时编码模式的动态切换方法中，信道的相干带宽设为信道频率响应的相关系数为0.5以上的频带宽度；所述信道的相干时间设为信道冲击响应的相关系数大于0.5的时间间隔。

在上述空时编码模式的动态切换方法中，空时编码模式的确定依据是：当相干带宽大于设定倍数的两子载波间隔宽度，则确定空频分组编码。

在上述空时编码模式的动态切换方法中，空时编码模式的确定依据是：当相干时间大于设定倍数的两个扩展的OFDM符号的时间间隔，则确定空时分组编码。

在上述空时编码模式的动态切换方法中，空时编码模式的确定依据是：当其中α为与信道特性相关的经验系数，则确定空频分组编码。

本发明之二，一种空时编码模式动态切换装置。

该装置设置在发射机中，其特征在于：包括依次相连的确定单元、第一映射单元和第一反馈单元，其中：确定单元，用于根据接收的反向信道的反馈信息进行空时编码模式的确定；第一映射单元，用于将所确定的编码模式映射到对应编码器上，使所需编码的调制符号序列在相应编码，产生对应各发送天线的若干组符号流；第一反馈单元，用于将所使用的编码模式信息通过前向控制信道周期反馈至接收机。

在上述的空时编码模式动态切换装置中，确定单元所确定的空时编码模式包括空时分组编码模式和空频分组编码模式。

在上述的空时编码模式动态切换装置中，确定单元所接收的反馈信息包括信道的相干带宽和相干时间。

在上述的空时编码模式动态切换装置中，信道的相干带宽设为信道频率响应的相关系数为0.5以上的频带宽度；所述信道的相干时间设为信道冲击响应的相关系数大于0.5的时间间隔。

在上述的空时编码模式动态切换装置中，确定单元确定空时编码模式的依据是：当相干带宽大于设定倍数的两子载波间隔宽度，则确定空频分组编码。

在上述的空时编码模式动态切换装置中，确定单元确定空时编码模式的依据是：当相干时间大于设定倍数的两个扩展的OFDM符号的时间间隔，则确定空时分组编码。

在上述的空时编码模式动态切换装置中，确定单元确定空时编码模式的依据是：当其中α为与信道特性相关的经验系数，则确定空频分组编码。

本发明之三，一种空时译码模式的动态切换方法。

该方法包括：接收步骤，接收前向控制信道发出的发射端所采用的空时编码模式信息；映射步骤，将接收的编码模式信息映射到对应空时译码模式的译码器上进行相应模式的译码；以及，反馈步骤，将信道状态信息相干带宽和相干时间，通过反向控制信道反馈给发射端。

在上述空时译码模式的动态切换方法中，空时译码模式包括空时分组译码模式和空频分组译码模式。

本发明之四，一种空时译码模式动态切换装置。

该装置设置在接收机中，其特征在于：包括依次相连的接收单元、第二映射单元和第二反馈单元，其中：接收单元，用于接收前向控制信道发出的发射端所采用的空时编码模式信息；第二映射单元，用于将接收的编码模式信息映射到对应空时译码模式的译码器上，进行相应模式的译码；以及，第二反馈单元，用于将信道状态信息相干带宽和相干时间，通过反向控制信道反馈给发射端。

在上述的空时译码模式动态切换装置中，第二映射单元所映射的空时译码模式包括空时分组译码模式和空频分组译码模式。

本发明之五，一种发射机。

该发射机的特点是：它包括两个模式分别为空时分组编码和空频分组编码的编码器，以及一空时/空频分组编码模式的切换装置，其中：空时/空频分组编码模式的切换装置，用于根据接收的反向信道反馈的相干带宽和相干时间信息来确定编码模式，并对所需编码的调制符号序列进行相应模式的空时分组编码或空频分组编码，产生对应各发送天线的若干组符号流；此外，将使用的编码模式通过前向控制信道周期反馈给接收机。

本发明之六，一种接收机。

该接收机的特点是：它包括两个模式分别为空时分组译码和空频分组译码的译码器，以及一空时/空频分组译码模式的切换装置，其中：空时/空频分组译码模式的切换装置，根据前向控制信道发出的发射端所采用的空时编码模式信息，映射到对应空时分组译码或空频分组译码模式的译码器上，并进行相应模式的译码；此外，还将信道状态信息相干带宽和相干时间，通过反向控制信道反馈给发射端。

由于采用了上述的技术解决方案，即本发明提供了一种基于信道状态信息的空时编码/译码模式的动态切换技术，定义了相干带宽和相干时间作为切换阈值的量度，提出了相应的切换策略，保留了空时分组编码的复杂度低、空间相关信道下的性能稳定、能够获得完全的空间分集等优点，扩展了OFDM系统空时或空频分组编码的应用范围，使得MIMO OFDM系统能够应用在多种移动速度和延时扩展的传播环境。

附图说明

图1是现有MIMO-OFDM系统的STBC/SFBC发射机结构示意图；

图2是现有MIMO-OFDM系统的STBC/SFBC接收机结构示意图；

图3是空频编码的示意图；

图4是空时编码的示意图；

图5是空频分组编码和空时分组编码在低延时扩展信道不同移动速度的性能比较的示意图；

图6是空频分组编码和空时分组编码在高延时扩展信道在不同移动速度的性能比较的示意图；

图7是本发明发射机，即MIMO-OFDM系统具有空时/空频分组编码模式的切换装置的发射机结构示意图；

图8是本发明接收机，即MIMO OFDM系统具有空时/空频分组译码模式的切换装置的接收机的结构示意图；

图9是空时/空频分组编码模式的动态判别流程的示意图；

图10是本发明空时编码模式的动态切换的工作流程示意图；

图11是本发明空时译码模式的动态切换的工作流程示意图；

图12是本发明空时编码模式动态切换装置的结构示意图；以及

图13是本发明空时译码模式的动态切换装置的结构示意图。

具体实施方式

一、发射机

参见图7，初始化后，发送的信源比特序列经过信道编码和交织后，映射到调制星座上，产生调制符号序列。空时编码模式动态切换装置一般采用空时/空频分组编码两个模式的动态切换装置，该装置根据反向信道反馈的控制信息确定空时编码模式，并对调制符号序列进行相应模式的空时分组编码或空频分组编码，产生三组符号流，分别对应发送天线1、发送天线2和发送天线3，同时将使用的编码模式通过前向控制信道周期反馈给接收机。按照导频图案插入导频符号后，每个发送天线对应的符号流分别进行长度为N的反快速付立叶变换(IFFT)，产生OFDM符号。每个OFDM符号头部均插入长度为CP个采样的循环前缀，形成扩展的OFDM符号。多个扩展的OFDM符号组成1个时隙。每个时隙前插入一个伪随机同步序列用于定时同步。多个时隙组成一个传输帧，作为最小的传输单位传输符号。采样频率为f_sHz.

二、接收机

参见图8，初始化后，接收到的符号流首先根据同步序列进行帧同步、时隙同步和符号同步。同步的OFDM符号去除循环前缀后进行快速付立叶变换(FFT)。MIMO-OFDM信道估计单元利用从OFDM符号中抽取的频域导频进行信道估计，获得信道矩阵，并周期性地估计相干带宽和相干时间等信道状态信息。即空时/空频分组译码两个模式的动态切换装置根据前向控制信道解调的发射机采用的空时/空频分组编码模式，利用信道矩阵对抽取的数据符号进行相应模式的译码。同时，根据周期性接收到的信道相干带宽和相干时间确定编码模式，并将编码模式通过反向控制信道周期反馈给发射机。产生的符号流经过解调、解交织和信道解码后，得到估计的信源比特序列。

三、编码模式动态切换的量度和策略

定义信道频率响应的相关系数为0.5以上的频带宽度为信道的相干带宽B_c，它取决于信道的延时扩展。信道的延时扩展很容易从现有技术中通过信道估计器估计的信道冲击响应得到，也可以通过OFDM系统的循环前缀等进行估计。它的倒数可以近似为信道的相干带宽。类似地，定义信道冲击响应的相关系数大于0.5的时间间隔为信道的相干时间T_c，它取决于信道的多普勒频移。信道的多普勒频移估计可以从现有技术中根据信道估计器估计的信道冲击响应的时域相关得到。它的倒数可以近似为信道的相干时间。显然，信道估计单元能够根据估计的信道响应估计信道的相干带宽和相干时间，信道相干带宽和相干时间的估计不属于本发明范围，因此我们总是假定信道的相干带宽和相干时间是理想估计的，而不在这里对信道相干带宽和相干时间的估计做过多的描述。

显然，如果相干带宽远大于两个子载波间隔宽度，即B_c＞＞f_s/N，则可以认为信道在两个子载波内是平坦的，即信道频率响应在两个子载波内是恒定的。此时，在多个天线和两个子载波间进行空频编码，则信道的动态变化不会恶化空频编码的性能。

同样，如果相干时间远大于两个扩展的OFDM符号的时间间隔，即 $>>>T>c>>>>>>>(>1>+>>CP>N>>)>>/>>f>s>>,>$>