一种用于正交频分复用空时和空频块编码方法

摘要

本发明提供一种用于正交频分复用空时和空频块编码方法，n为发射天线的数目，其编码矩阵G的生成包含如下步骤：(a)G的第一列为x

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于正交频分复用(OFDM)空时块编码(Space TimeBlock Code：STBC)和空频块编码(Space Frequency Block Code：SFBC)方法，尤其涉及OFDM领域的OFDM与MIMO空间分集(STBC/SFBC)相结合的技术。

背景技术

STBC和SFBC两者有着本质的区别，OFDM与STBC相结合，利用的是空间、时间两维，也就是说ST编码是不同天线对相邻时刻的符号进行编码；OFDM与SFBC相结合，利用的是空间、频率两维，也就是说SF编码是不同天线对相邻子载波进行编码。

STBC/SFBC的编码矩阵相同，且在OFDM系统中的位置也相同，以两根发射天线为例，其编码矩阵如下所示(上标*表示取复共轭)：

$>\left(\begin{array}{cc}{c}_1& c_2\end{array}\right)\Rightarrow \left(\begin{array}{cc}{c}_1& -c_2^{*}\\ c_2& c_1^{*}\end{array}\right)$>

分组编码设计准则之一就是分组编码矩阵满足正交条件，同时，分组码的设计还要满足秩准则和行列式准则，具体如下：

正交准则：分组编码矩阵满足正交条件，正交设计的传统数学结构可以用来构造分组码对任意数量的发射天线，正交设计的推广可以提供分组码的实数和复数星座图。

秩准则：为了获得最大的分集增益nm，矩阵B(c，e)对于任意的一对不同的码字c和e都应当是满秩的。

行列式准则：对所有不同的码字c和e，应使矩阵A(c，e)＝B(c，e)B*(c，e)的所有r×r阶主子式的行列式绝对值之和应尽可能大。

目前，对于STBC/SFBC的研究是一个新的热点，但都没有提出具体地生成编码矩阵的方法，只是提出一些准则；译码一般都是采用最大似然方法。设计一个正交的且速率较高的编码矩阵较难，并且在OFDM系统中有时并不能用STBC，例如一个OFDM符号情况下，这些缺点需要改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于正交频分复用空时和空频块的编码方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于正交频分复用空时和空频块编码方法，n为发射天线的数目，其编码矩阵G的生成包含如下步骤：

(a)G的第一列为x₁，x₂，...x_n，其取值为信号调制后的星座点对应的数值；G的第一行的前m个值为x₁，-x₂，...-x_m，m大于等于n，m的值由码率确定；

(b)根据正交准则生成G矩阵的前m列，G矩阵第2行至第n行的前m个元素由x₁，x₂，...x_m重排得到，或重排后在相关元素添加负号得到，且所述第2至第n行的第一个元素分别为x₂，...x_n，G矩阵的前n行n列对角线对称且对称元素符号相反；

(c)将G矩阵第1列至第m列取共轭，分别得到G矩阵的第m+1列至第2m列，最终得到G矩阵包含2m列。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述正交准则是矩阵的任意两行正交，此处指G矩阵的前m列中任意两行正交。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述发射信号为一个OFDM符号时，只使用空频块编码SFBC编码方式。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述发射信号为多个OFDM符号时，采用SFBC或空时块编码STBC编码方式。

本发明提出的编码方法，与现有技术相比，其编码矩阵的生成简单方便，节省了设计时间。

附图说明

图1是采用STBC/SFBC的OFDM系统发射机结构图；

图2是采用STBC/SFBC的OFDM系统接收机结构图；

图3是本发明STBC/SFBC编码流程图；

图4是本发明STBC/SFBC译码流程图。

具体实施方式

本发明所述空时和空频块编码方法其编码矩阵结构如下：

第一步：给定一个正交设计矩阵G，这里第一列所有元素都为正号；

1.可以确信G的第一列为x₁，x₂，...x_n，其取值为发射信号调制后的星座点对应的数值，n为发射天线的个数。

2.G的第一行的前n个值为x₁，-x₂，...-x_m，m的值由码率确定，m大于等于n。

第二步，生成G矩阵的前m列；

根据正交准则生成G矩阵的前m列，所述正交准则是矩阵的任意两行正交，此处指G矩阵的前m列中任意两行正交。

G矩阵第2行至第n行的前m个元素由x₁，x₂，...x_m重排得到，或重排后在相关元素添加负号得到，且所述第2至第n行的第一个元素分别为x₂，...x_n。

其中，G矩阵的前m列具有如下特点：

1.矩阵元素以对角线对称或局部对称；

对角线对称及局部对称是指码率的不同而有区别的，对于码率为的1编码矩阵为方阵，所以是以对角线对称(局部对称特例)；

码率不为1的编码矩阵不是方阵，所以是局部对称。G矩阵的前n行n列的元素为对角线对称，相对整个G矩阵，为局部对称。

2.其前n列的对称元素符号相反。

第三步，将第1列至第m列取共轭，分别得到G矩阵的第m+1列至第2m列。

最终得到G矩阵包含2m列，其m+1列～2m列分别为1列～m列的共轭。

不失一般性，可以假设G具有这个性质。如：

对两根发射天线，其编码矩阵G₂^C如下：

$>G_2^C=\left(\begin{array}{cc}{x}_1& -x_2^{*}\\ x_2& x_1^{*}\end{array}\right)$>

两根发射天线是一种特殊情况(唯一一个码率为1的情况)，也是符合正交性的，但两根发射天线按照本发明所述方法也可以写出码率1/2的编码矩阵，但是一般会采用高码率的编码矩阵。

对应于4根发射天线，其编码矩阵G₄^C如下：

$>G_4^C=\left(\begin{array}{cccccccc}{x}_1& -x_2& -x_3& -x_4& x_1^{*}& -x_2^{*}& -x_3^{*}& -x_4^{*}\\ x_2& x_1& x_4& -x_3& {x_2^{*}}_{}& x_1^{*}& x_4^{*}& -x_3^{*}\\ x_3& -x_4& x_1& x_2& x_3^{*}& -x_4^{*}& x_1^{*}& x_2^{*}\\ x_4& x_3& -x_2& x_1& x_4^{*}& x_3^{*}& -x_2^{*}& x_1^{*}\end{array}\right)$>

第四步：判断使用具体的编码方式

1.如果发射信号是一个OFDM符号，只能用SFBC；

例如控制信道只用一个OFDM符号，一个OFDM符号只有一个时间点，但有不同的频率，所以只能用SFBC。

2.如果发射信号是两个或两个以上OFDM符号，可以用STBC/SFBC；

例如控制信道用两个OFDM符号，这里表达的意思是说两个OFDM符号就有两个时间点，且还有不同的频率，所以可以用STBC/SFBC。

对于超过两个OFDM符号的情况下，依此类推，只要是有奇数个时间点就不能STBC，只能用SFBC。

下面通过一个实例进一步详细地说明本发明。

图1是本发明采用STBC/SFBC的OFDM系统发射机结构图。首先把待发送信号归一化后的星座点映射到子载波上，根据发射天线的数目选择相应的编码矩阵，进行编码。

图2是是采用STBC/SFBC的OFDM系统接收机结构图。首先判断发射及接收天线的数目，然后根据发射及接收天线数目不同的组合形式，进行相应的译码。

图3所描述的是STBC/SFBC编码流程图。编码的具体步骤为：

对两根发射天线，首先定义输入输出两个数据块，然后取出两相邻符号，第二个符号原样搬移，第二个符号实部取反，第一个符号取共轭搬移，再把两个数据块合并，完成编码。

对其他数目发射天线，根据本发明所述的编码矩阵的结构，可以采用类似的方法，完成编码。

图4所描述的是STBC/SFBC译码流程图，具体实施过程：首先估计出信道响应，再进行相应的复数乘法及复数加法，完成译码。

以天线配置2*2举例说明

发射符号$>G_2^C=\left(\begin{array}{cc}{x}_1& -x_2^{*}\\ x_2& x_1^{*}\end{array}\right),$>信道矩阵$>H=\left(\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right),$>接收符号$>R=\left(\begin{array}{cc}{r}_1& r_2\\ r_3& r_4\end{array}\right),$>

待译符号$>{\tilde{r}}_1=h_{11}^{*}{r}_1+h_{12}{r}_2^{*}+h_{21}^{*}{r}_3+h_{22}{r}_4^{*}$>

$>{\tilde{r}}_2=h_{12}^{*}{r}_1-h_{11}{r}_2^{*}+h_{22}^{*}{r}_3-h_{21}{r}_4^{*}$>

纯量方程$>{\hat{c}}_1=\arg \underset{c_1}{\min }\left|\right|{\tilde{r}}_1-\rho c_1\left|\right|$>

$>{\hat{c}}_2=\arg \underset{c_2}{\min }\left|\right|{\tilde{r}}_2-\rho c_2\left|\right|$>

c1、c2即为发射的符号。

一般情况下：r_m＝H_mc+n_n

$>\hat{c}=\arg \underset{c}{\min }\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\left|\right|{\tilde{r}}_m-\mathrm{\rho c}\left|\right|}^2$>

综上，采用本发明所述方法，与现有技术相比，达到了生成编码矩阵简单的效果，节省了设计时间。