一種基於空頻編碼的發射分集方法

2023-06-20 19:01:06 1

專利名稱：一種基於空頻編碼的發射分集方法
技術領域：
本發明涉及無線通訊系統的發射分集技術，尤其是涉及採用基於空頻分
組編碼(SFBC)的多輸入多輸出-正交頻分復用(MIMO-OFDM)系統的發 射分集設計方法。
背景技術：
下一代的無線通信系統將提供更好的話音質量、更快的數據傳輸率。但 是，時變的多徑傳輸環境、有限的帶寬資源以及用戶對服務的需求使上述要 求實現起來非常困難。解決這些問題的一個有效方法是採用分集技術。分集 技術根據獲得獨立路徑信號方法的不同可分為時間分集、頻率分集和空間分 集等。Alamouti方案的空時碼因其設計簡單、解碼方便而在MIMO ( Multiple I叩ut Multiple Output)系統中獲得了廣泛的應用。Agrawal等提出了將空時 碼和正交步頁分復用(OFDM， Orthogonal Frequency Division Multiplexing )調 制技術相結合的方案——空頻編碼(SFBC, Space Frequency Block Codes ), 從而使系統能夠獲得更高的頻譜效率、傳輸速率和通信質量。但只有當發射 天線數為2時，Alamouti才能充分發揮其優勢，同時達到編碼矩陣正交和編 碼速率為l這兩個效果，當發射天線大於2時，就必須在編碼矩陣正交和編 碼速率為1這兩個要求之中選擇一個，而這都會降低空頻碼的性能，更為嚴 重的是，由於信道相關性的影響，會產生打孔現象，使系統可靠性下降，增 加了誤碼率。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種基於空頻編碼的發射分集方法，可 以防止數據傳輸過程中的打孔現象對數據的影響。
本發明結合當前的基於Alamouti方案SFBC編碼的設計思想，針對發射
天線為2M(M〉1)的MIMO-OFDM系統，提供一種可以最大程度的利用空間 分集增益、時間分集增益和頻率分集增益的分集設計方案。本發明將子載波 的SFBC編碼推廣到子載波組上去，對經過SFBC編碼過的子載波再以組為 單位進行SFBC編碼，從而可以克服Alamouti方案SFBC編碼只能應用於兩 發射天線系統的局限性，防止了數據傳輸過程中的打孔現象使數據丟失，提 高整個通信系統的可靠性。
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基於空頻編碼的發射分集方 法，設發射方天線數為2M,且MM,包括以下步驟
(a) 發射方對需要進行發射的數據流進行空頻編碼後得到兩路數據流；
(b) 發射方從上述兩路數據流中每次提取相同長度的兩組數據，每組 中有M個數據，將上述兩組數據分別進行串並轉換後，再進行變形的空頻 編碼，以使在相同的頻點上，總有兩根天線發送的數據的幅度相同、符號相 反，總有另兩根天線發送的數據的幅度相同、符號相同，直到需要進行發射 的數據流發送完畢。
進一步地，上述方法還可具有以下特點，在所述步驟(b)中，發射方 在兩路數據流中的相同位置提取數據。
進一步地，上述方法還可具有以下特點，所述方法進一步包括以下步驟
(i)發射方對經過信道編碼和星座圖映射後的數據進行空頻編碼得到兩路
數據流，每路數據流共有N個數據；(ii)發射方分別從每路數據流中取相
鄰的M個數據組成第一組數據，從另一路數據流的相同位置取M個數據組
並對每組數據分別進行串並變換；(iii)發射方將從兩路數據流中相同位置 處得到的兩組經過串並變換的數據進行經過變形的空頻編碼，在2M根天線 上發送編碼後的數據。
進一步地，上述方法還可具有以下特點，設第一組數據為A，第二組數
據為B,所述變形的空頻編碼採用以下任意列式之一:
formula see original document page 6
進一步地，上述方法還可具有以下特點，在所述步驟(ii)中，當最後 一組數據數量不足M個時，用前一組或幾組中的相同或不同位置的數據補齊。
進一步地，上述方法還可具有以下特點，當最後一組數據數量不足M
《
個時，採用最相鄰的前一組中的數據補齊。
進一步地，上述方法還可具有以下特點，在所述步驟(i)中，設空頻編碼得到兩路數據流如下:
formula see original document page 6
;在所述步驟(ii)中，設發射
formula see original document page 6
方得到的第一組數據為
formula see original document page 6
，共得到兩^各K組
,第二組數據為
數據如下[4,4,…,4]和[A,A,…,A];在所述步驟(iii)中，發射方分別 對步驟(ii)中得到的每路數據中相同位置的元素A和B進行變形的空頻編 碼，再將經過編碼後的數據流經過快速傅立葉逆變換和射頻處理後在2M根 天線上發送。
進一步地，上述方法還可具有以下特點，所述天線個數為4時，在所述 步驟(b)中，發射方從一路數據流中提取相鄰兩個數據組成第一組，從另 一路數據流相同位置上提取相鄰的兩個數據組成第二組，或者分別從兩路數 據流的某一相同位置上各取一個數據組成第 一組，再從兩路數據流相同的另 一位置上各取一個數據組成第二組。
本發明所述的基於SFBC編碼分集方法特別適用於天線數為偶數的情 況，既保持了 Alamouti方案SFBC編碼自身的特點，又把SFBC的編碼的思
想推廣到發射天線個數大於2的系統，同時還有效的解決翁:據傳輸過程中的 打孔現象，最大程度的利用空間分集增益、時間分集增益和頻率分集增益， 使得誤碼率性能有明顯的提高，並且其實現也比較簡單。


圖1為本實施例基於空頻編碼的發射分集方法的流程圖2是本發明實施例採用SFBC發射分集方式的4天線的MIMO-OFDM
系統的發射結構圖3為本實施例的分集方案與SFBC級聯循環延遲分集的性能比較曲線。
具體實施例方式
設待傳輸的某用戶的數據為5 = [^&,&,^...，~],發射天線個數為 2M(M>1),所述基於空頻編碼的發射分集方法如圖1所示，包括以下步驟
步驟110,發射方對經過信道編碼和星座圖映射後的數據進行Alamouti 方案的SFBC編碼得到兩路數據流
formula see original document page 7步驟120,發射方對經過SFBC編碼後得到的兩路數據流按照天線個數 分別進行分組，即從經過SFBC編碼後的兩路數據流中分別取K組數據，每 組數據中有M個數據，具體過程如下
為了方便理解，將經過編碼後的兩路數據流按照子載波位置標示開，寫 為如下才各式
formula see original document page 7從上述兩路數據中提取相同長度的兩組數據，在這兩組數據中至少有兩 個數據信息相同(原始數據相同、數據形式不同)，分別對這兩組數據進行
7
串並變換，由於發射天線個數為2m,在第一路數據流中順序選取一組m個
formula see original document page 8
數據，取
，在第二路數據流中也順序選取一組m個數據，取
formula see original document page 8
若最後餘下的數據長度小於M ,則可以採用前一組或幾組中的相 同或不同位置的數據來補齊，以滿足最後一組數據長度為m的要求，優選 地，取最相鄰的前一組中的數據。
在取a1和b1時，如果發射方天線數為4，則可以從每路數據中取，如
formula see original document page 8
,也可以分別從兩路數據中取，如formula see original document page 8,如果
將本方法應用於發射方天線數大於4的情況時，如天線數為6或8等的情況， 則只能採用第一種方式，即從每路數據中取數據分組。
經過編碼後的兩路數據依次按照上述的規律分組，分別可得到k組數
據H…4和A，^，…&。若原始數據個數n剛好可以被m整除，即I
M
=整數，則每一路數據被分的組數k = !;若原始數據個數n無法被m整
除，即！^整數，則k
7V
,式中門表示向上取整。
步驟130，發射方分別依次取兩路k組數據([4，A,…4]和[A,A,…&]) 中的元素進行轉置的sfbc編碼得到2m路數據流 4 雙
formula see original document page 8
(1)
除了採用上述轉置方案外，還可以採用如下的變形公式
formula see original document page 8
(2)步驟140,對上述2M路數據流經過IFFT (快速傅立葉逆變換)變換和 射頻處理後送到2M根天線上發射。
以4天線為例，採用SFBC發射分集方式的MIMO-OFDM系統的發射 結構如圖2所示，發射分集方法如下
首先，發射方對經過信道編碼和星座圖映射後的數據進行SFBC編碼，
s， s:
經過編碼後原來的數據流分成兩路，格式為[&，s2
然後，發射方從經過SFBC編碼後的兩路數據流中分別取K組數據，每 組有(天線個數/2)個數據
如對
最後，發射方對分組後A^ Bi的進行如式(1)的變形的SFBC編碼，
一 s' s2
-s; s; _s; s;
-Si -S2」，在4根天線上的發送數據，對應的四行分別
一& -《 -
—s2選取
得到L
-b; a:
即
在四根天線上發送，每列數據在不同天線的相同頻點的子載波上發送。
除了採用式(1)的變形SFBC編碼外，在另一實施例中，還可採用如
式(2)變形SFBC編碼，在4根天線上發送的數據為
_《
在其他實施例中，在對
formula see original document page 9
分組時，也可選取4 =formula see original document page 9
採用公式(1 )進行變形的SFBC編碼後得到:
S1 -S2*S2 S1*S2 S1*-S1 S2*
，採用公式(2)
進行變形的SFBC編碼得到
《
S1 -S2*S2 S1*S2 S1*S1 S2*，
從上述兩個實施例中天線發送的數據可以看出，在每個頻點子載波上傳 送的數據總有兩個是相同的，而另兩個是符號相反的。如按式(i)計算得
到發送數據中，在每個相同頻點的子載波上，第l根天線和第4根天線發送 的數據(以下簡稱第1路數據、第4路數據)幅值相同符號相反，而在第2 根天線和第3根天線發送的數據(以下簡稱第2路數據、第3路數據)幅值、 符號均相同；再如按式(2)計算得到發送數據中，第l路數據和第4路數 據幅值、符號均相同，第2路數據和第3路數據幅值相同、符號相反。這樣 的好處是，無論信道之間的相關性如何，在每頻點的一個子載波上都至少能 保證有一個數據(S,或S2)被正確傳輸，從而避免了由信道之間的相關性 引起的打孔現象對數據的影響，保證了每一個數據傳輸的準確性。
發射信號經過信道後在接收端的信號可以寫為
formula see original document page 10式中，R為相鄰兩個子載波上接收的的信號矩陣，N表示獨立白高斯噪 聲矢量矩陣，、表示第i個接收天線和第j個發射天線之間的信道響應。
採用本發明的發射分集方法，接收方在接收數據時，可以採用現行的檢 測的算法對接收信號進行檢測。
圖3是本發明中論述的分集方案與採用SFBC級聯循環延遲分集方案的 性能比較曲線，從圖中可以看到在該方法下，誤碼率性能提高了 ldB左右。當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的 形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
例如，變形的SFBC公式並不限於文中的式(1)和式(2),顯然，分 別將公式(1)和公式(2)中的列向量互換位置(
也可達到本發明的效果，對數據進行變形的SFBC的目的在於，發射方通過 天線發送數據時，在相同的頻點上，總有兩根天線發送的數據的幅度相同、 符號相反，總有另兩根天線發送的數據的幅度相同、符號也相同，使每頻點 子載波上都至少有一個數據能被正確傳輸，從而解決了打孔現象使數據丟失 的問題。
再如，在從兩路數據中提耳又分組數據時，也可跳躍提取，則此時接收方 接收數據後，需要做相應的反處理，以保證還原出原始數據。
權利要求
1、一種基於空頻編碼的發射分集方法，設發射方天線數為2M，且M>1，其特徵在於，包括以下步驟:(a)發射方對需要進行發射的數據流進行空頻編碼後得到兩路數據流；(b)發射方從上述兩路數據流中每次提取相同長度的兩組數據，每組中有M個數據，將上述兩組數據分別進行串並轉換後，再進行變形的空頻編碼，以使在相同的頻點上，總有兩根天線發送的數據的幅度相同、符號相反，總有另兩根天線發送的數據的幅度相同、符號相同，直到需要進行發射的數據流發送完畢。
2、 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，在所述步驟(b)中，發射方在兩路數據流中的相同位置提取數據。
3、 如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述方法進一步包括 以下步驟(i) 發射方對經過信道編碼和星座圖映射後的數據進行空頻編碼得到 兩路數據流，每路數據流共有N個數據；(ii) 發射方分別從每路數據流中取相鄰的M個數據組成第 一組數據，從另一路數據流的相同位置取M個數據組成第二組數據，得到兩路K組數據，其中K=M,式中「1表示向上取整，並對每組數據分別進行串並變換;(iii)發射方將從兩路數據流中相同位置處得到的兩組經過串並變換的 數據進行經過變形的空頻編碼，在2M根天線上發送編碼後的數據。
4、如權利要求l所述的方法，其特徵在於，設第一組數據為A，第二組數據為B，所述變形的空頻編碼採用以下任 意列式之一formula see original document page 2
5、如權利要求3所述的方法，其特徵在於，在所述步驟(ii)中，當最後一組數據數量不足M個時，用前一組或幾 組中的相同或不同位置的數據補齊。
6、 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，當最後一組數據數量不足M個時，採用最相鄰的前一組中的數據補齊。
7、 如權利要求3所述的方法，其特徵在於，在所述步驟(i)中，設空頻編碼得到兩路數據流如下:formula see original document page 3在所述步驟(ii)中，設發射方得到的第一組數據為a，，第二組數據為,共得到兩路K組數據如下[H…，4]和fe,S2,…,&];在所述步驟(iii)中，發射方分別對步驟(ii)中得到的每路數據中相 同位置的元素A和B進行變形的空頻編碼，再將經過編碼後的數據流經過 快速傅立葉逆變換和射頻處理後在2M根天線上發送。
8、如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述天線個數為4時，在所述步驟(b)中，發射方從一路數據流中提 取相鄰兩個數據組成第一組，從另一路數據流相同位置上提取相鄰的兩個數 據組成第二組，或者分別從兩路數據流的某一相同位置上各取一個數據組成 第一組，再從兩路數據流相同的另一位置上各取一個數據組成第二組。
全文摘要
本發明公開了一種基於空頻編碼的發射分集方法，可以防止數據傳輸過程中的打孔現象對數據的影響。所述發射分集方法中，設發射方天線數為2M，且M＞1，包括以下步驟(a)發射方對需要進行發射的數據流進行空頻編碼後得到兩路數據流；(b)發射方從上述兩路數據流中每次提取相同長度的兩組數據，每組中有M個數據，將上述兩組數據分別進行串並轉換後，再進行變形的空頻編碼，以使在相同的頻點上，總有兩根天線發送的數據的幅度相同、符號相反，總有另兩根天線發送的數據的幅度相同、符號相同，直到需要進行發射的數據流發送完畢。
文檔編號H04L1/06GK101378301SQ20071014802
公開日2009年3月4日 申請日期2007年8月29日 優先權日2007年8月29日
發明者孫雲鋒, 段亞軍, 王衍文, 瓊 趙, 郝東來 申請人:中興通訊股份有限公司