用于通信系统中的空间频率块编码/解码的装置和方法

摘要

本发明提供了一种用于在使用多个(N)发送天线的通信系统中进行SFBC编码和解码的装置和方法。在使用N个发送天线的发送器中，预编码器使用预编码矩阵来预编码输入码元序列。通过以预定方法删截(puncture)酉矩阵(unitary matix)而产生所述预编码矩阵。编码器通过将所述预编码码元序列的码元以2个为一组进行分组来产生多个矢量，通过以Alamouti编码方案编码每个矢量来空间频率映射每个矢量，并且向预定的OFDM调制器提供所述空间频率映射的码元中的每个。

说明书

技术领域

本发明一般地涉及一种用于在无线通信系统中提供发送天线分集的装置和方法，具体上，本发明涉及一种用于在使用多个天线的移动通信系统中的空间频率块编码(SFBC)以获得全分集增益和全速率的装置和方法

背景技术

在通信中的基本问题是如何有效地和可靠地在信道上发送数据。除了满足高速通信系统——其除了传统的语音服务之外还能够处理和发送视频和无线数据——的要求之外，现在正在积极研究的未来一代的多媒体移动通信系统使用适当的信道编码方案而提高了系统效率。

一般，在移动通信系统的无线信道环境中，不像有线信道环境那样，由于诸如多径干扰、遮蔽、波形衰减、随着时间改变的噪声和衰落之类的几个因素，传输信号不可避免地经历损失。

作为结果的信息损失对于实际的传输信号引起严重的失真，使得整个系统性能变差。为了降低信息损失，根据信道的特性而通常采用许多错误控制技术，由此提高系统可靠性。一种基本技术是使用纠错码。

通过在无线通信系统中的分集技术来减轻多径衰落。所述分集技术被分类为时间分集、频率分集和天线分集，天线分集使用多个天线。这种分集方案被进一步划分为使用多个接收(Rx)天线的接收天线分集、使用多个发送(Tx)天线的发送天线分集和使用多个发送天线和多个接收天线的多输入多输出(MIMO)。MIMO是时空编码(STC)的特殊情况，它通过经由多个发送天线发送以预定编码方法编码的信号而将在时域中的编码扩展到空间域中，以实现较低的误差率。

V.Tarokh等提出STBC来作为有效地应用天线分集方案的方法之一(参见‘Space-Time Block Coding from Orthogonal Design’，IEEE Trans.On Info.，Theory，Vol.45，pp.1456-1467，July 1999。所述Tarokh的STBC方案是S.M.Alamouti的发送天线分集方案(参见‘A Simple Transmit Diversity Technique forWireless Communications’，IEEE Journal on Selected Area in Communications，Vol.16，pp.1451-1458，October 1988的扩展，用于两个或多个发送天线。

图1是使用传统STBC的移动通信系统中的发送器的方框图。如Tarokh所建议的那样，发送器包括调制器100、串-并(S/P)转换器102、STBC编码器104和四个发送天线106、108、110和112。参见图1，调制器100以预定的调制方案来调制输入信息数据(或编码数据)。所述调制方案可以是二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)、正交调幅(QAM)、脉冲幅度调制(PAM)和相移键控(PSK)之一。

串-并转换器102并行化从调制器100接收的串行调制码元s₁、s₂、s₃、s₄。STBC编码器104通过STBC编码所述四个调制码元s₁、s₂、s₃、s₄而建立8个码元组合，并且通过四个发送天线106-112来依序发送它们。用于产生8个码元组合的编码矩阵被表达为方程(1)：

$>>>G>4>>=>\begin{array}{}>>>>s>1>>>>>s>2>>>>>s>3>>>>>s>4>>>>>>->>s>2>>>>>s>1>>>>->>s>4>>>>>s>3>>>>>>->>s>3>>>>>s>4>>>>>s>1>>>>->>s>2>>>>>>->>s>4>>>>->>s>3>>>>>s>2>>>>>s>1>>>>>sup>>s>1>*sup>>>sup>>s>2>*sup>>>sup>>s>3>*sup>>>sup>>s>4>*sup>>>>>>-sup>>s>2>*sup>>>sup>>s>1>*sup>>>>-sup>>s>4>*sup>>>sup>>s>3>*sup>>>>>>-sup>>s>3>*sup>>>sup>>s>4>*sup>>>sup>>s>1>*sup>>>>-sup>>s>2>*sup>>>>>>-sup>>s>4>*sup>>>>-sup>>s>3>*sup>>>sup>>s>2>*sup>>>sup>>s>1>*sup>>>>>>>s>\end{array}$

.....(1)

其中，G₄表示通过四个发送天线106-112发送的码元的编码矩阵，并且s₁、s₂、s₃、s₄表示要发送的输入的4个码元。所述编码矩阵的列的数量等于发送天线的数量，并且行的数量对应于发送所述四个码元所需要的时间间隔。因此，将所述四个码元通过所述四个发送天线发送8个时间间隔。具体上，对于第一时间间隔，通过第一发送天线106来发送s₁，通过第二发送天线108来发送s₂，通过第三发送天线110来发送s₃，通过第四发送天线112来发送s₄。类似地，在第八时间间隔，分别通过第一到第四发送天线106-112来发送

-s₄^*，-s₃^*，s₂^*，-s₁^*即，STBC编码器104依序向第i个发送天线提供在编码矩阵的第i列的码元。

如上所述，STBC编码器104使用四个输入码元和它们的共轭和负数来产生8个码元序列，并且在8个时间间隔通过四个发送天线106-112发送它们。因为相应的发送天线的码元序列、即编码矩阵的列相互正交，因此实现了与分集数量级(diversity order)一样高的分集增益。

图2是使用传统的STBC方案的移动通信系统中的接收器的方框图。所述接收器是在图1中图解的发送器的对应方。所述接收器包括多个接收天线200-202、信道估计器204、信号合成器206、检测器208、并-串(P/S)转换器210和解调器212。第一到第P个接收天线200-202向信道估计器204和信号合成器206提供从在图1中图解的发送器的四个发送天线接收的信号。信道估计器204使用从第一到第P个接收天线200-202接收的信号来估计信道系数，用于表示从发送天线106-112到接收天线200-202的信道增益。信号合成器206以预定方法将从第一到第P个接收天线200-202接收的信号与所述信道系数组合。检测器208通过将所述组合码元与信道系数相乘而产生假设码元，使用所述假设码元来计算来自发送器的所有可能的发送码元的确定统计，并且通过门限值检测来检测实际发送的码元。并-串转换器210串行化从检测器208接收的并行码元。解调器212以预定解调方法来解调所述串行码元序列，由此恢复原始信息比特。

如上所述，所述Alamouti的STBC技术提供了下述益处：仅仅通过两个发送天线发送复合码元来获得与发送天线的数量一样高的分集数量级、即全分集数量级，而不牺牲数据率。通过比较，从所述Alamouti的STBC方案扩展的所述Tarokh的STBC方案使用具有正交列的矩阵形式的STBC来获得全分集数量级，如参见图1和2所述。但是，因为在8个时间间隔中发送四个复合码元，因此所述Tarokh的STBC方案使得数据率降低一半。另外，因为需要8个时间间隔来完全地发送具有四个复合码元的一个块，因此由于在快速衰落信道上在信息块内的信道改变，接收性能变差。换句话说，通过4个或更多的发送天线的复合码元的发送对于N个码元需要2N个时间间隔，引起更长的等待时间和数据率的降低。

为了在通过三个或更多的发送天线而发送复合信号的MIMO系统中实现全速率，Giannakis组使用在复合场上的星座旋转提供了用于4个发送天线的全分集、全速率的(FDFR)STBC。下面说明这个FDFR STBC方案。

图3是使用传统的Giannakis STBC方案的移动通信系统中的发送器的方框图。如图3中所示，发送器包括调制器300、预编码器302、时空映射器304和多个发送天线306、308、310和312。调制器300以诸如BPSK、QPSK、QAM、PAM或PSK之类的预定调制方案来调制输入信息数据(或编码数据)。预编码器302预编码从调制器300接收的N_t个调制码元d₁、d₂、d₃、d₄以便在信号空间中发生信号旋转，并且输出作为结果的N_t个码元。为了简单，假定四个发送天线。设由d表示来自调制器300的四个调制码元的序列。预编码器302通过使用方程(2)计算调制码元序列d来产生复矢量r：

$>>r>=>\Theta d>=>\begin{array}{}>>>1>>sup>>\alpha >0>1sup>>>sup>>\alpha >0>2sup>>>sup>>\alpha >0>3sup>>>>>>1>>sup>>\alpha >1>1sup>>>sup>>\alpha >1>2sup>>>sup>>\alpha >1>3sup>>>>>>1>>sup>>\alpha >2>1sup>>>sup>>\alpha >2>2sup>>>sup>>\alpha >2>3sup>>>>>>1>>sup>>\alpha >3>1sup>>>sup>>\alpha >3>2sup>>>sup>>\alpha >3>3sup>>>>>>\begin{array}{}>>>>d>1>>>>>>>d>2>>>>>>>d>3>>>>>>>d>4>>>>>>=>\begin{array}{}>>>>r>1>>>>>>>r>2>>>>>>>r>3>>>>>>>r>4>>>>>>>s>\end{array}\end{array}\end{array}$

.....(2)

其中，Θ表示预编码矩阵。所述Giannakis组使用作为酉矩阵的Vandermonde矩阵来作为预编码矩阵。在所述预编码中，α_i如方程(3)给出：

α_i＝exp(j2π(i+1/4)/4)，i＝0，1，2，3           (3)

Ginannakis STBC方案使用四个发送天线，并且也容易被扩展到多于4个发送天线。时空映射器304按照方程(4)以下面的方法来STBC编码所述预编码码元：

$>>S>=>\begin{array}{}>>>>r>1>>>>0>>>0>>>0>>>>>0>>>>r>2>>>>0>>>0>>>>>0>>>0>>>>r>3>>>>0>>>>>0>>>0>>>0>>>>r>4>>>>>>>s>\end{array}$

.....(4)

其中，S是通过四个发送天线306-312发送的码元的编码矩阵。编码矩阵的列的数量等于发送天线的数量，行的数量对应于发送四个码元所需要的时间。即，在四个时间间隔中通过四个发送天线来发送所述四个码元。

具体上，对于第一时间间隔，通过第一发送天线306来发送r₁，并且没有信号通过其他的发送天线308、310和312。对于第二时间间隔，通过第二发送天线308来发送r₂，并且没有信号通过其他发送天线306、310和312，对于第三时间间隔，通过第三发送天线310来发送r₃，并且没有信号通过其他发送天线306、308和312。对于第四时间间隔，通过第四发送天线310来发送r₄，并且没有信号通过其他发送天线306、308和310。在四个时间间隔中在无线信道上接收到所述四个码元时，接收器(未示出)通过最大似然性(ML)解码来恢复调制码元序列d。

与Ginannakis STBC相比较，Taejin Jung和Kyungwhoon Cheun在2003年提出了预编码器和具有良好的编码增益的级联码。Jung和Cheun通过级联Alamouti STBC而不是使用由Giannakis组提出的对角矩阵来增强编码增益。为了方便，它们的STBC被称为“Alamouti FDFR STBC”。

下面说明Alamouti FDFR STBC。图4是使用用于四个发送天线的传统Alamouti FDFR STBC的移动通信系统中的发送器的方框图。如图4中所示，所述发送器包括预编码器400、映射器402、延迟器404、两个Alamouti编码器406和408以及四个发送天线410、412、414和416。

参见图4，预编码器400预编码四个输入调制码元d₁、d₂、d₃、d₄，以便在信号空间中发生信号旋转。对于四个调制码元序列的输入d，预编码器400按照方程(5)来产生复矢量r：

$>>r>=>\Theta d>=>\begin{array}{}>>>1>>sup>>\alpha >0>1sup>>>sup>>\alpha >0>2sup>>>sup>>\alpha >0>3sup>>>>>>1>>sup>>\alpha >1>1sup>>>sup>>\alpha >1>2sup>>>sup>>\alpha >1>3sup>>>>>>1>>sup>>\alpha >2>1sup>>>sup>>\alpha >2>2sup>>>sup>>\alpha >2>3sup>>>>>>1>>sup>>\alpha >3>1sup>>>sup>>\alpha >3>2sup>>>sup>>\alpha >3>3sup>>>>>>\begin{array}{}>>>>d>1>>>>>>>d>2>>>>>>>d>3>>>>>>>d>4>>>>>>=>\begin{array}{}>>>>r>1>>>>>>>r>2>>>>>>>r>3>>>>>>>r>4>>>>>>>s>\end{array}\end{array}\end{array}$

.....(5)

其中

α_i＝exp(j2π(i+1/4)/4)，i＝0，1，2，3

映射器402将所述四个预编码的码元以2个为一组进行分组，并且分别向Alamouti编码器406和延迟器404输出2个矢量，每个包括两个元素[r₁，r₂]^T和[r₃，r₄]^T。延迟器404将第二矢量[r₃，r₄]^T延迟一个时间间隔。因此，在第一时间间隔中向Alamouti编码器406提供第一矢量[r₁，r₂]^T，并且在第二时间间隔中向Alamouti编码器408提供第二矢量[r₃，r₄]^T。Alamouti编码器指的是以Alamouti STBC方案工作的编码器。

Alamouti编码器406编码[r₁，r₂]^T，以便在第一和第二时间间隔中通过第一和第二发送天线410和412来发送它，Alamouti编码器408编码[r₃，r₄]^T，以便在第三和第四时间间隔中通过第三和第四发送天线414和416来发送它。在方程(6)中示出了用于通过多个天线从映射器402发送所述四个码元的编码矩阵：

$>>S>=>\begin{array}{}>>>>r>1>>>>>r>2>>>>0>>>0>>>>>-sup>>r>2>*sup>>>sup>>r>1>*sup>>>>0>>>0>>>>>0>>>0>>>>r>3>>>>>r>4>>>>>>0>>>0>>>-sup>>r>4>*sup>>>sup>>r>3>*sup>>>>>>>s>\end{array}$

.....(6)

不像在方程(4)中图解的编码矩阵那样，上述的编码矩阵被设计为Alamouti STBC而不是对角矩阵。Alamouti STBC方案的使用提高了编码增益。

在矩阵S中，第i行表示在第i个时间间隔中的发送，第j列表示通过第j个发送天线的发送。具体上，在第一时间间隔中分别通过第一和第二发送天线410和412来发送r₁和r₂。

在第二时间间隔中分别通过第一和第二发送天线410和412来发送-r₂^*和r₁^*。对于第三时间间隔，分别通过第三和第四发送天线414和416来发送r₃和r₄。对于第四时间间隔，分别通过第三和第四发送天线414和416来发送-r₄^*和r₃^*。

但是，这个Alamouti FDFR STBC具有增大编码复杂度的显著缺点，因为发送器需要在预编码矩阵的所有元素和输入矢量之间执行计算以进行预编码。例如，对于四个发送天线，因为在预编码矩阵中不包括0，因此必须对于16个元素执行计算。而且，接收器需要以大量的计算来执行最大似然性(ML)解码，以便解码由发送器发送的信号d。虽然FDFR STBC处理具有缺陷，但是FDFR SFBC仍有待开发。因此，需要开发一种具有最小复杂度和最小计算量的FDFR SFBC技术。

正交频分复用(OFDM)是有前途的技术，用于减少在第四代(4G)移动通信系统中的信道衰落。特别考虑支持多用户的多用户OFDM，其中，在频域中识别每个用户。因为OFDM系统的实现涉及考虑在频域中的信道改变，因此必须也使用空间频率天线分集。即，SFBC方案需要被开发来用于OFDM系统。

发明内容

本发明的一个目的是实质地解决至少是现有编码技术的上述问题和/或缺陷，并且提供至少是用于改善的编码/解码技术的下述优点。因此，本发明的目的是提供一种用于在MIMO移动通信系统中的FDFR SFBC编码/解码的装置和方法。本发明的另一个目的是提供一种用于SFBC编码/解码的装置和方法，用于最小化在MIMO移动通信系统中的计算量和复杂度。本发明的另一个目的是提供一种用于FDFR SFBC编码/解码的装置和方法，用于降低在MIMO移动通信系统中的编码和解码复杂度。本发明的另一个目的是提供一种使用SFBC来提供天线分集的装置和方法。本发明的另一个目的是提供一种用于SFBC编码/解码的装置和方法，用于应用到OFDM通信系统。上述目的通过提供一种在使用多个发送天线的OFDM系统中用于SFBC编码和解码的装置和方法来实现。

按照本发明的一个方面，在OFDM通信系统中使用多个(N_t)发送天线的发送器中，预编码器使用通过以预定方法删截(puncture)酉矩阵而产生的预编码矩阵来预编码输入码元序列。空间频率编码器使用预定的编码矩阵来空间频率编码预编码的码元序列。优选的是，通过下述方式来产生预编码矩阵：删截在N_txN_t Vandermonde矩阵中的预定的列，依序将被删截的矩阵的行以2行为一组进行分组，并且每个组移位一行。

按照本发明的另一个方面，在其中发送器使用多个(N_t)发送天线的OFDM通信系统的接收器中，至少一个OFDM解调器OFDM解调通过至少一个接收天线而接收的信号。矩阵产生器通过将信道系数矩阵(H)乘以预定预编码矩阵(Θ)来产生信道响应矩阵。信号合成器计算信道响应矩阵的Hermitian矩阵，并且通过将所述Hermitian矩阵乘以OFDM解调信号而计算大小为N_t的矢量，并且将所述矢量划分为两个矢量。优选的是，通过下述方式来产生预编码矩阵：删截在N_txN_t Vandermonde矩阵中的预定的列，依序将被删截的矩阵的行以2行为一组进行分组，并且每个组移位一行。

按照本发明的另一个方面，在使用多个(N_t)发送天线的OFDM通信系统的发送方法中，使用通过以预定方法删截酉矩阵而产生的预编码矩阵来预编码输入复合码元序列。使用预定编码矩阵来空间频率编码所述预编码码元序列。优选的是，通过下述方式来产生预编码矩阵：删截在N_txN_t Vandermonde矩阵中的预定的列，依序将被删截的矩阵的行以2行为一组进行分组，并且每个组移位一行。

按照本发明的另一个方面，在其中发送器使用多个(N_t)发送天线的OFDM通信系统的接收方法中，OFDM解调通过至少一个接收天线而接收的信号。通过将信道系数矩阵(H)乘以预定预编码矩阵(Θ)来产生信道响应矩阵。计算信道响应矩阵的Hermitian矩阵，并且通过将所述Hermitian矩阵乘以OFDM解调信号而计算大小为N_t的矢量，并且将所述矢量划分为两个矢量。通过以预定解码方法解码所述两个矢量的每个来估计从发送器发送的码元。优选的是，通过下述方式来产生预编码矩阵：删截在N_txN_t Vandermonde矩阵中的预定的列，依序将被删截的矩阵的行以2行为一组进行分组，并且每个组移位一行。

按照本发明的另一个方面，在其中预编码然后空间频率编码传输数据的系统中产生预编码矩阵的方法中，产生酉矩阵。删截所述酉矩阵的列的一半。通过下述方式来产生预编码矩阵：依序将被删截矩阵的行以2行为一组进行分组，并且每个组移位一行。

附图说明

通过下面结合附图详细说明，本发明的上述和其他点、特征和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是使用传统的Tarokh STBC方案的移动通信系统中的发送器的方框图；

图2是对应于在图1中图解的发送器的接收器的方框图；

图3是在使用传统的Giannakis STBC方案的移动通信系统中的发送器的方框图；

图4是在由Taejin Jung和Kyungwhoon Cheun提出的使用具有四个发送天线的传统Alamouti FDFR STBC方案的移动通信系统中的接收器的方框图；

图5是按照本发明的一个实施例的使用用于多个(N_t)发送天线的SFBC方案的OFDM移动通信系统中的发送器的方框图；

图6是在图5中图解的预编码器中的预编码矩阵产生器的详细方框图；

图7是图解在图5中图解的发送器中的发送操作的流程图；

图8是按照本发明的所述实施例的、使用用于多个发送天线的SFBC方案的OFDM移动通信系统中的接收器的方框图；

图9是图解在图8中图解的接收器中的接收操作的流程图；

图10是图解在下述情况下的模拟编码增益的图：在所述情况中，对于在本发明的预编码矩阵中的

$>>>\alpha >0>>=>>exp>>->j>>\theta >0>>>>>s>和$

$>>>\alpha >1>>=>>exp>>->j>>\theta >1>>>>,>>(>0>\le >>\theta >0>>,>>\theta >1>>\le >2>\pi >)>>,>>s>$

θ₀和θ₁从0度改变到360度，每次改变1度；以及

图11是在性能上将本发明的SFBC方案与传统的STBC方案相比较的图。

具体实施方式

以下参见附图来说明本发明的一个优选实施例。在下面的说明中，不详细说明公知的功能或结构，因为它们将在不必要的细节上混淆本发明。

本发明意欲在使用多个天线的OFDM移动通信系统中提供FDFR SFBC方案。具体上，本发明提供具有降低的计算量和低复杂度的一种FDFR SFBC编码/解码的装置和方法。

图5是按照本发明的一个实施例的使用用于多个(N_t)发送天线的SFBC方案的OFDM移动通信系统中的发送器的方框图。假定，N_t＝4。如所示，发送器包括预编码器500、SFBC编码器502、多个OFDM调制器504、506、508和510以及多个发送天线512、514、516和518。信息数据通常在编码器中被编码，并且在调制器中被调制。预编码器500预编码四个调制码元，

x₁，x₂，x₃，x₄以便信号旋转在信号空间中发生，并且输出具有四个码元

r₁，r₂，r₃，r₄的矢量。

具体上，预编码器500按照本发明以预编码矩阵来编码输入码元，并且因此产生复矢量r。下面更详细地说明所述预编码矩阵。

SFBC编码器502将所述四个预编码码元以2个为一组进行分组，由此产生两个矢量，其中每个具有两个元素

[r₁，r₂]和

[r₃，r₄]。

它然后以Alamouti编码方案来编码所述两个矢量的每个，以用于空间频率映射。在SFBC编码器502的操作中涉及的编码矩阵如方程(7)所示：

$>\begin{array}{}>>>>r>1>>>>-sup>>r>2>*sup>>>>0>>>0>>>>>>r>2>>>sup>>r>1>*sup>>>>0>>>0>>>>>0>>>0>>>>r>3>>>>-sup>>r>4>*sup>>>>>>0>>>0>>>>r>4>>>sup>>r>3>*sup>>>>>>s>\end{array}$

.....(7)

所述编码矩阵的列的数量等于发送天线的数量，并且行的数量等于所使用的副载波的数量。例如，被映射到从预定基准计数的第二副载波并通过第二发送天线发送的码元是

r₁^*。具体上，SFBC编码器502产生四个天线信号或矢量

[r₁，r₂，0，0]，

[-r₂^*，r₁^*，0，0]，

[0，0，r₃，r₄]，和

[0，0，-r₄^*，r₃^*]，并且向第一OFDM调制器504输出

[r₁，r₂，0，0]，向第二OFDM调制器506输出

[-r₂^*，r₁^*，0，0]，向第三OFDM调制器508输出

[0，0，r₃，r₄，]，并且向第四OFDM调制器510输出

[0，0，-r₄^*，r₃^*]。

第一OFDM调制器504通过向预定的4个连续副载波分配编码码元

[r₁，r₂，0，0]而快速傅立叶逆变换(IFFT)处理所述编码码元，将IFFT信号转换为射频(RF)信号，并且通过第一发送天线512来发送RF信号。实际上，向第一和第二副载波映射r₂和r₁，并且向在所述四个连续副载波中的第三和第四副载波映射0(null)。第二OFDM调制器506通过将编码码元

[-r₂^*，r₁^*，0，0]分配到预定的四个连续副载波来IFFT处理所述编码码元，将IFFT信号转换为RF信号，并且通过第二发送天线514来发送所述RF信号。所述第三OFDM调制器508通过将编码码元

[0，0，r₃，r₄]分配到预定的四个连续副载波而IFFT处理所述编码码元，将IFFT信号转换为RF信号，并且通过第三发送天线516来发送RF信号。第四OFDM调制器510通过将编码码元

[0，0，-r₄^*，r₃^*]分配到预定的四个连续副载波而IFFT处理所述编码码元，将IFFT信号转换为RF信号，并且通过第四发送天线518来发送RF信号。附图标号(a)、(b)、(c)和(d)在数据频率平面上指示通过第一到第四发送天线512-518而发送的码元的表示。

如上所述，本发明特征性地在预编码器中预编码传输数据，使用Alamouti编码方案在空间和频率上映射预编码码元，并且在一个时间间隔中通过多个发送天线来发送所述空间频率映射的码元。

在图5中图解的预编码器500的操作之前，将说明在使用Taejin Jung和Kyungwhoon Cheun的Alamouti FDFR SFBC方案的移动通信系统中的接收器。

在方程(8)中示出了在接收器接收的信号：

$>>y>=>\begin{array}{}>>>>y>1>>>>>sup>>y>2>*sup>>>>>>>y>3>>>>>sup>>y>4>*sup>>>>>>=>>1>>2>>>\begin{array}{}>>>>h>1>>>>>h>2>>>>0>>>0>>>>>-sup>>h>2>*sup>>>sup>>h>1>*sup>>>>0>>>0>>>>>0>>>0>>sup>>h>3>*sup>>>sup>>h>4>*sup>>>>>>0>>>0>>>-sup>>h>4>*sup>>>sup>>h>3>*sup>>>>>>\begin{array}{}>>>>r>1>>>>>>>r>2>>>>>>>r>3>>>>>>>r>4>>>>>>\begin{array}{}>>>>n>1>>>>>sup>>n>2>*sup>>>>>>>n>3>>>>>sup>>n>4>*sup>>>>>>=>Hr>+>n>>s>\end{array}\end{array}\end{array}\end{array}$

...(8)

如方程(8)所示，可以将信号y表达为包括在四个时间间隔中在接收器接收的信号和它们的共轭的矢量。所述矢量y被乘以H^H以估计从发送器发送的信号。H是信道响应矩阵。这个操作被表达为方程(9)：

$>ver>>r>^>>=>>H>H>>y>=>\begin{array}{}>>>ver>>r>^>>1>>>>>>ver>>r>^>>2>>>>>>ver>>r>^>>3>>>>>>ver>>r>^>>4>>>>>>=>>1>2>>\begin{array}{}>>>>>|>>h>1>>|>>2>>+>>>|>>h>2>>|>>2>>>>0>>>0>>>0>>>>>0>>>>>|>>h>1>>|>>2>>+>>>|>>h>2>>|>>2>>>>0>>>0>>>>>0>>>0>>>>>|>>h>3>>|>>2>>+>>>|>>h>4>>|>>2>>>>0>>>>>0>>>0>>>0>>>>>|>>h>3>>|>>2>>+>>>|>>h>4>>|>>2>>>>>>\begin{array}{}>>>>r>1>>>>>>>r>2>>>>>>>r>3>>>>>>>r>4>>>>>>+>\begin{array}{}>>>ver>>n>^>>1>>>>>>ver>>n>^>>2>>>>>>ver>>n>^>>3>>>>>>ver>>n>^>>4>>>>>>>s>\end{array}\end{array}\end{array}\end{array}$

...(9)

方程(9)显示：因为所有的码元经历两个信道，因此不需要在图4中图解的预编码器400。在此上下文中，本发明提出了预编码器，它与由Taejin Jung和Kyungwhoon Cheun提出的系统相比较，最小化了编码和解码复杂度，即计算量，实现了相同的性能。

图6是按照本发明的实施例的在预编码器500中的预编码矩阵产生器的详细方框图。如所示，所述预编码矩阵产生器包括矩阵产生器600、删截器602和移位器604。矩阵产生器600按照发送天线的数量来产生Vandermonde矩阵。对于N_t个发送天线，产生N_txN_t的Vandermonde矩阵。删截器602删截在所述N_txN_t的Vandermonde矩阵中的列。所述删截用于用0替代列的元素。移位器604移位在被删截的Vandermonde矩阵中的偶数行，由此向被删截的位置移动未删截的元素。为了获得相同的效果，可以移位奇数行，或者可以将行以2行为一组进行分组，并且移位每个组的一行。

如上所述，通过删截在N_txN_t矩阵中的

$>>>>N>t>>\times >>N>t>>>2>>s>$

元素来产生预编码矩阵，由此显著的降低按照本发明的编码和解码复杂度(计算量)。虽然预编码器500在本发明的上述实施例中产生了预编码矩阵，但是可以将下述情况考虑为另一个实施例：预先产生的预编码矩阵被存储在存储器中，并且当需要时被读出以便由预编码器500进行预编码。

所述预编码矩阵产生器的操作被总结如下：

(1)产生Vandermonde矩阵

产生在下面的方程(10)中示出的N_tXN_t的Vandermonde矩阵。N_t是发送天线的数量，如上所述。

.....(10)

其中，

α_i＝exp(j2π(i+1/4)/N_t)，i＝0，1，2，...，N_t-1。

(2)Vandermonde矩阵的删截

通过将元素替换为0，而在N_txN_t的Vandermonde矩阵中删截元素。在方程(11)中示出了作为结果的删截矩阵：

(3)在删截的矩阵中的偶数行的移位

通过移位在被删截的N_txN_t的Vandermonde矩阵中的偶数行来产生最终的预编码矩阵。所述移位用于向在偶数编号的行中的被删截的位置移动非删截的元素。因此，如方程(12)中所示：

...(12)

即使设置α_i以便

α₀＝α₁，α₂＝α₃，和 $>>>\alpha >>>N>t>>->2>>>=>>\alpha >>>N>t>>->1>>>>s>在性能上也没有改变。取代偶数行，可以移位奇数行，取得相同的效果。$

如上所述，对于N_t个发送天线，通过方程(13)来实现预编码器500的操作：

.....(13)

其中，[x₁，x₂，...，x_Nt-1，x_Nt]是到预编码器500的输入码元序列，并且，[r₁，r₂，...，r_Nt-1，r_Nt]是来自预编码器500的输出码元序列。

如此设计的预编码矩阵Θ的元素必须被优化以最大化编码增益。这是通过数学知识或模拟来进行的。按照本发明的所述实施例，可以通过模拟来获得具有最大编码增益的预编码矩阵Θ。这些预编码矩阵被图解在下。

对于具有四个天线的Alamouti FDFR SFBC系统，可以获得下面的预编码矩阵Θ。

$>>\Theta >=>>1>>2>>>\begin{array}{}>>>1>>>>e>>->j>>\theta >0>>>>>>0>>>0>>>>>0>>>0>>>1>>>>e>>->j>>\theta >0>>>>>>>>1>>>>e>>->j>>\theta >1>>>>>>0>>>0>>>>>0>>>0>>>1>>>>e>>->j>>\theta >1>>>>>>>>>s>\end{array}$

.....(14)

其中，0≤θ₀，θ₁≤2π，并且|θ₁-θ₂|＝180°。

对于具有6个天线的Alamouti FDFR SFBC系统，可以如在方程(15)中所示获得下面的预编码矩阵Θ。

$>>\Theta >=>>1>>3>>>\begin{array}{}>>>1>>>>e>>->j>>5>9>>\pi >>>>>>e>>->j>>10>9>>\pi >>>>>0>>>0>>>0>>>>>0>>>0>>>0>>>1>>>>e>>->j>>5>9>>\pi >>>>>>e>>->j>>10>9>>\pi >>>>>>>1>>>>e>>->j>>11>9>>\pi >>>>>>e>>->j>>4>9>>\pi >>>>>0>>>0>>>0>>>>>0>>>0>>>0>>>1>>>>e>>->j>>11>9>>\pi >>>>>>e>>->j>>4>9>>\pi >>>>>>>1>>>>e>>->j>>17>9>>\pi >>>>>>e>>->j>>16>9>>\pi >>>>>0>>>0>>>0>>>>>0>>>0>>>0>>>1>>>>e>>->j>>17>9>>\pi >>>>>>e>>->j>>16>9>>\pi >>>>>>>>s>\end{array}$

.....(15)

对于具有8个或更多天线的Alamouti FDFR SFBC系统，可以如在方程(16)中所示获得下面的预编码矩阵Θ。

.....(16)

其中，α_i＝exp(j2π(i+1/4)/N_t)，i＝0，1，2，...，N_t/2-1。

现在参见图7来说明在图5中图解的发送器的操作。图7是图解按照本发明的所述实施例的、在使用用于多个发送天线的SFBC方案的OFDM移动通信系统中的发送器的发送操作的流程图。在四个发送天线的环境中进行下面的说明。发送器在步骤700接收要发送的数据流x([x₁，x₂，x₃，x₄])。x可以是编码和调制的复合码元序列。在步骤702中，发送器的预编码器通过使用预定的预编码矩阵Θ预编码输入数据流而产生预编码的码元序列r([r₁，r₂，r₃，r₄])。通过删截Vandermonde矩阵的一半并且移位预定行而建立预编码矩阵Θ，如上所述。由于一半的删截，预编码矩阵大大地降低了编码和解码复杂度。

在步骤704中，编码器将所述序列r的码元以2个为一组进行分组。因此产生两个矢量：[r₁，r₂]和[r₃，r₄]。SFBC在步骤706通过在Alamouti编码方案中编码它们而在空间和频率上映射两个矢量。结果，产生四个天线信号，

[r₁，r₂，0，0]

[-r₂^*，r₁^*，0，0]

[0，0，r₃，r₄]和

[0，0，-r₄^*，r₃^*]。形成每个天线信号的具有0的四个码元被分配给预定的四个连续副载波。

在步骤7-8中，所述四个天线信号被分配到副载波，被IFFT处理，被转换为RF信号，以用于OFDM调制。发送器然后在步骤710中通过对应的发送天线来发送RF信号。具体上，通过向四个预定副载波分配[r₁，r₂，0，0]并且通过第一发送天线512来发送而OFDM调制[r₁，r₂，0，0]。通过向四个预定副载波分配[-r₂^*，r₁^*，0，0]并且通过第二发送天线514发送而OFDM调制[-r₂^*，r₂^*，0，0]。通过向四个预定副载波分配[0，0，r₃，r₄]并且通过第三发送天线516发送而OFDM调制[0，0，r₃，r₄]。通过向四个预定副载波分配[0，0，-r₄^*，r₃^*]并且通过第四发送天线518发送而OFDM调制[0，0，-r₄^*，r₃^*]。

将参见图8来说明作为在图5中图解的发送器的对应方的接收器。图8是按照本发明的所述实施例的在使用SFBC方案的OFDM移动通信系统中的接收器的方框图。在所述发送器中的发送天线的数量被假定为4。如所示，接收器包括多个第一到第P接收天线800-802、多个OFDM解调器804-806、信道估计器808、信道响应矩阵产生器810、信号合成器812以及第一和第二信号确定器814和815。虽然在发送器中的发送天线的数量与接收器中的接收天线的数量不同的假设下说明本发明的所述实施例，但是显然它们可以相同。

参见图8，从在发送器中的发送天线512-518发送的信号到达第一到第P个接收天线800-802。接收天线800-802向它们对应的OFDM解调器804-806提供所接收的信号。所述OFDM解调器804-806每个将所接收的信号转换为基带信号，并且快速傅立叶变换(FFT)处理所述基带信号以用于OFDM解调，并且向信道估计器808和信号合成器812输出所述OFDM解调的数据。所述信道估计器808从所述OFDM解调的数据估计表示信道增益的信道系数。

对于一个接收天线，所接收的信号y如方程(17)所示：

$>>y>=>H\Theta x>+>n>>s>$

$>>=>>1>2>>\begin{array}{}>>>>h>1>>>>>h>1>sup>>\alpha >0>1sup>>>>>h>2>>>>>h>2>sup>>\alpha >0>1sup>>>>>sup>>h>2>*sup>>>sup>>h>2>*sup>sup>>\alpha >0>1sup>>>>-sup>>h>1>*sup>>>>-sup>>h>1>*sup>sup>>\alpha >0>1sup>>>>>>>h>3>>>>>h>3>sup>>\alpha >1>1sup>>>>>h>4>>>>>h>4>sup>>\alpha >1>1sup>>>>>sup>>h>4>*sup>>>sup>>h>4>*sup>sup>>\alpha >1>1sup>>>>-sup>>h>3>*sup>>>>-sup>>h>3>*sup>sup>>\alpha >1>1sup>>>>>>\begin{array}{}>>>>x>1>>>>>>>x>2>>>>>>>x>3>>>>>>>x>4>>>>>>+>\begin{array}{}>>>>n>1>>>>>sup>>n>2>*sup>>>>>>>n>3>>>>>sup>>n>4>*sup>>>>>>>s>\end{array}\end{array}\end{array}$

.....(17)

其中，y是通过接收天线接收的矢量，H是信道系数矩阵，Θ是预编码矩阵，n是噪声矢量。

信道估计器808信道估计所接收的信号y，并且向信道响应矩阵产生器810输出信道估计结果(信道系数)。信道响应矩阵产生器810通过方程(18)使用信道系数来产生信道响应矩阵H_new。如从方程(18)注意到，信道响应矩阵H_new是信道系数矩阵H和已知预编码矩阵Θ的乘积。所述信道响应矩阵H_new被提供到信号合成器812和信号确定器814和815。

$>>>H>new>>=>\begin{array}{}>>>>h>1>>>>>h>1>sup>>\alpha >0>1sup>>>>>h>2>>>>>h>2>sup>>\alpha >0>1sup>>>>>sup>>h>2>*sup>>>sup>>h>2>*sup>sup>>\alpha >0>1sup>>>>-sup>>h>1>*sup>>>>-sup>>h>1>*sup>sup>>\alpha >0>1sup>>>>>>>h>3>>>>>h>3>sup>>\alpha >1>1sup>>>>>h>4>>>>>h>4>sup>>\alpha >1>1sup>>>>>sup>>h>4>*sup>>>sup>>h>4>*sup>sup>>\alpha >1>1sup>>>>-sup>>h>3>*sup>>>sup>>>->h>>3>*sup>sup>>\alpha >1>1sup>>>>>>>s>\end{array}$

.....(18)

信号合成器812以预定方法将所述OFDM解调的数据与信道响应矩阵H_new合成，并且输出大小为N_t的矢量。具体上，信号合成器812计算所述信道响应矩阵H_new的Hermitian矩阵H_new^H，将H_new^H乘以从OFDM解调器804-806接收的信号y，并且输出作为结果的矢量y’。在矢量y’具有N_t个码元的假设下，向第一信号确定器814提供第一到第(N_t/2)码元，并且向第二信号确定器815提供第(N_t/2+1)到第N_t码元。

第一信号确定器814通过使用所述信道响应矩阵H_new对于从信号合成器812接收的矢量执行例如ML解码而估计从发送器发送的码元。第二信号确定器815通过使用所述信道响应矩阵H_new对于从信号合成器810接收的矢量执行例如ML解码而估计从发送器发送的码元。与用于大小为N_t的ML解码相比较，用于大小为的ML解码大大地降低了计算量。

现在以数学形式来总结接收器的操作。如下面的方程(19)中那样，将Hermitian矩阵H_new^H乘以所述信道响应矩阵H_new：

$>sup>>H>new>Hsup>>>H>new>>=>\begin{array}{}>>>A>>>B>>>0>>>0>>>>>B>>>A>>>0>>>0>>>>>0>>>0>>>A>>>B>>>>>0>>>0>>>B>>>A>>>>>>s>\end{array}$

.....(19)

其中，

A＝|h₁|²+|h₂|²+|h₃|²+|h₁|⁴，并且

$>>B>=>>>|>>h>1>>|>>2>>>>(sup>>\alpha >0>1sup>>)>>*>>+>>>|>>h>2>>|>>2>>>>(sup>>\alpha >0>1sup>>)>>*>>+>>>|>>h>3>>|>>2>>>>(sup>>\alpha >1>1sup>>)>>*>>+>>>|>>h>1>>|>>4>>>>(sup>>\alpha >0>1sup>>)>>*>>.>>s>$

继续，在方程(20)中给出了H_new^H在信号合成器812中计算的y的乘积：

$>>>y>\prime >>=>\begin{array}{}>>>>>y>\prime >>1>>>>>sup>>>y>\prime >>2>*sup>>>>>>>>y>\prime >>3>>>>>sup>>>y>\prime >>4>*sup>>>>>>=sup>>H>new>Hsup>>y>=>>1>>2>>>\begin{array}{}>>>A>>>B>>>0>>>0>>>>>B>>>A>>>0>>>0>>>>>0>>>0>>>A>>>B>>>>>0>>>0>>>B>>>A>>>>>\begin{array}{}>>>>x>1>>>>>>>x>2>>>>>>>x>3>>>>>>>x>4>>>>>>+sup>>H>new>Hsup>>\begin{array}{}>>>>n>1>>>>>sup>>n>2>*sup>>>>>>>n>3>>>>>sup>>n>4>*sup>>>>>>>s>\end{array}\end{array}\end{array}\end{array}$

.....(20)

方程(20)示出了可以从y′₁和y′₂^*估计x₁和x₂，并且可以从y′₃和y′₄^*估计x₃和x₄。因此通过下面的方程(21)来估计由发送器发送的码元x₁，x₂，x₃，x₄：

$>>ver>>x>~>>1,2>>=sup>>arg>>x>1,2>>minsup>>>>|>|>>>y>\prime >>1,2>>->>px>1,2>>|>|>>2>>>s>$

$>>ver>>x>~>>>3>,>4>>>=sup>>arg>>x>3,4>>minsup>>>>|>|>>>y>\prime >>3,4>>->>px>3,4>>|>|>>2>>>s>$

.....(21)

其中，

$>>p>=>\begin{array}{}>>>A>>>B>>>>>>B>*>>>>A>>>>>,>>s>$ >>ver>>x>~>>1,2>>=>\begin{array}{}>>>ver>>x>~>>1>>>>>>ver>>x>~>>2>>>>>>,>>s>$ >>ver>>x>~>>3,4>>=>\begin{array}{}>>>ver>>x>~>>3>>>>>>ver>>x>~>>4>>>>>>,>>s>$ >>>x>1,2>>=>\begin{array}{}>>>>x>1>>>>>>>x>2>>>>>>,>>s>$ >>>x>3,4>>=>\begin{array}{}>>>>x>3>>>>>>>x>4>>>>>>,>>s>\end{array}$\end{array}$\end{array}$\end{array}$\end{array}$

$>>>>y>\prime >>1,2>>=>\begin{array}{}>>>>>y>\prime >>1>>>>>sup>>>y>\prime >>2>*sup>>>>>>,>>s>并且$ >>>>y>\prime >>3,4>>=>\begin{array}{}>>>>>y>\prime >>3>>>>>sup>>>y>\prime >>4>*sup>>>>>>.>>s>\end{array}$\end{array}$

以这种方式，可以将被发送的码元x₁，x₂，x₃，x₄独立地估计为组x₁，x₂和x₃，x₄。

以上述方式，第一信号确定器814估计x₁，x₂，并且输出所估计的码元第二信号确定器815估计x₃，x₄，并且输出所估计的码元所估计的码元集通过解调和解码而被恢复为原始信息数据。

下面参见图9来说明在图8中图解的接收器的操作。图9是按照本发明的所述实施例的、在使用SFBC方案的OFDM移动通信系统的接收器中的接收操作的流程图。所述接收器在步骤900中OFDM解调通过接收天线接收的信号，并且从所述OFDM解调的数据估计表示在发送器和接收器之间的信道增益的信道系数。在步骤902中，接收器使用所述信道系数来产生信道响应矩阵H_new。如上所述，所述信道响应矩阵H_new是使用所述信道系数产生的信道系数矩阵H和预定预编码矩阵Θ的乘积。所述接收器在步骤904中通过以预定方法组合所述OFDM解调的数据与信道响应矩阵H_new来产生包括N_t个码元的矢量。计算所述信道响应矩阵H_new的Hermitian矩阵，并且通过将所述Hermitian矩阵与OFDM解调的数据相乘来获得由发送器发送的矢量。在步骤906中，接收器将所述矢量划分为2个矢量，并且通过ML解码独立矢量而确定从发送器发送的码元。这些码元通过解调和解码而被恢复为原始信息数据。

如上所述，当现有Vandermonde矩阵用作预编码矩阵需要用于大小为4的ML解码时，用于大小为2的ML解码对于本发明的预编码矩阵就足够了，导致大大降低了复杂度(计算量)。为了最大化编码增益，需要优化所述预编码矩阵。通过数学知识或模拟来进行所述预编码矩阵的优化，如上所述。下面评估例如用于四个发送天线的预编码矩阵的优化。

图10是图解按照本发明的在下述情况下的模拟编码增益的图：在所述情况中，相对于在方程(14)的预编码矩阵中的

$>>>\alpha >0>>=>>exp>>->j>>\theta >0>>>>>s>和$

$>>>\alpha >1>>=>>exp>>->j>>\theta >1>>>>,>>(>0>>>\le >\theta >>1>>,>>\theta >1>>\le >2>\pi >)>>,>>s>$

θ₀和θ₁从0度改变到360度，每次改变1度。参见图10，x轴表示θ₀的值，y轴表示θ₁的值，并且z轴(未示出)表示编码增益。粗线表示具有最大编码增益的θ₀的值和θ₁的值。如图10中所示，必须满足在方程(22)中所示的下面的条件以最大化所述编码增益。

|θ₁-θ₀|＝180°

.....(22)

对于满足方程(22)的所有θ₀和θ₁值获得相同的性能。因此，可以使用本发明的预编码矩阵来设计许多SFBC。

下面提供传统STBC方案和本发明的SFBC方案在解码复杂度上的比较。图11是图解本发明的SFBC方案和传统的STBC方案之间在性能上的比较的图。在图11中所示的所述性能曲线是关于本发明的SFBC方案、AlamoutiSTBC方案(Alamouti)、Taejin Jung和Kyungwhoon Cheun的Alamouti FDFRSTBC方案(A-ST-CR)和无分集(No Div)的。

用于所述性能比较的调制方案是QPSK。x轴表示信噪比(SNR)，并且y轴表示误码率(BER)。如所示，与其他方案相比较，对于同一信道或相同SNR，本发明和Alamouti FDFR STBC方案在BER上获得了良好性能。与AlamoutiFDFR STBC方案相比较，本发明显著地降低了编码和解码复杂度，即计算量。

对于2m个复合信号，在Alamouti FDFR STBC方案中的预编码器具有解码复杂度(2^m)⁴，而本发明的预编码器具有低得多的解码复杂度2x(2^m)²。对于例如16QAM，解码复杂度在传统预编码器中是C_old＝(2⁴)⁴＝2¹⁶，并且在本发明的预编码器中是C_new＝2(2⁴)²＝2⁹。因此，

$>>>>C>new>>>C>old>>>=>0.0078>,>>s>$

这表示本发明大大地降低了计算量。

如上所述，本发明提出了一种用于应用到OFDM系统的SFBC方案。所述SFBC方案有益地最小化编码和解码复杂度(计算量)，实现了全分集增益和全速率。

虽然已经参照本发明的特定实施例具体示出和说明了本发明，本领域的技术人员会明白，在不脱离所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。