通過至少一個通信信道傳送符號的方法

2023-08-06 06:09:06 4

專利名稱：通過至少一個通信信道傳送符號的方法
技術領域：
本發明涉及一種在電信系統中通過至少一個通信信道傳送符號的方法，該系統包括至少一個具有至少兩個發射天線的發射機，以及至少一個具有至少一個接收天線的接收機。該方法包括編碼步驟，其中包含符號的向量與一個編碼矩陣相乘，以生成在發射機和接收機之間建立的至少一個通信信道上傳送的符號。
更準確地，當發射機對通信信道沒有準確了解並且接收機是一個對通信信道有很好了解的最小均方誤差(MMSE)接收機時，尤其適用本發明。
背景技術：
其中在無線鏈路的接收機端和/或發射機端使用多個天線的電信系統被稱為多入多出系統(也被稱為MIMO系統)。與那些單天線系統相比，MIMO系統表現出能夠提供更大的傳輸容量。尤其是，在給定的信噪比以及在有利的不相關信道條件下，MIMO容量隨發射或接收天線的數量而線性增加，無論哪一個都是最小的。這種MIMO技術可以與基於OFDM(代表正交頻分復用)的多載波調製技術組合，OFDM技術也被考慮用於未來的無線系統中。
過去幾年人們一直在研究專門的編碼方式來適當地利用MIMO的可能性。這些編碼方案通常既跨越空間維度又跨越時間維度，因此命名為空時碼(ST碼)。可選地它們還可以跨越頻率維度，例如OFDM系統中的若干個副載波，因此被叫做空時頻率碼(STF碼)。
根據本發明，STF碼就是一種跨越空間和時間維度和/或頻率維度的編碼方案。STF碼可以是一種跨越空間和時間維度的編碼方案或者是一種跨越空間和頻率維度的編碼方案，或者是一種跨越空間和時間以及頻率維度的編碼方案。
這些編碼方案的目的就是使用具有良好性能的MIMO的空間維度。空間維度可以用來在給定誤碼率性能的條件下提高數據速率。這是通過空間復用來達到的，正如1999年1月7日在Electronics Letters的第35卷第1期14-15頁中出版的、由G.D.Golden，G.J.Foschini，R.A.Valenzuela，P.W.Wolniansky編寫的題為「使用VBLAST空間-時間通信結構的檢測算法和初始實驗室結果(Detection Algorithm and Initial Laboratory Results using the V-BLAST Space-Time Communication Architecture)」的論文中公開的那樣。
空間維度還可以用來在固定數據速率的條件下提高誤碼率性能。例如，編碼利用發射和接收天線分集，正如1998年10月在IEEE J.SelectedAreas in Communications的第16卷的1451-1458頁中出版的、由S.M.Alamouti編寫的題為「用於無線通信的單個發射機分集方案(A simpletransmitter diversity scheme for wireless communications)」的論文中公開的那樣。
總的來說，STF碼可通過空間分集來解決多種情形，包括空間復用和性能提高這兩個可能性。
用簡單的矩陣符號來表示被稱作空時分組碼的最常用類型的STF碼，它與空時格碼相反，可能的碼字數量取決於矩陣的大小。理想情況下通過窮舉搜索來對這些碼解碼，如最大似然(ML)解碼，或歸納或然(APP)解碼，或近似的解碼方式，例如球解碼和列表球解碼。
特別地，假定具有理想的接收機類型來設計這些解碼方式。主要的問題是解碼器複雜度非常高，因為在ML或APP解碼的情形中，它的複雜度與輸入大小是指數關係，而球解碼或列表球解碼的情形中，它的複雜度與輸入大小是多項式關係，這使得它在移動接收機中很難實現，特別在高頻譜效率時難以實現。
相反，MMSE解碼作為一種一般的公知解碼類型，具有相當低的複雜度。這在實際應用中是一個非常好的選擇。
除此之外，通常假定具有最佳的傳輸去相關性來設計現有的STF分組碼，但現實中並非如此，在一側的發射天線和另一側的接收天線之間是存在殘餘相關的。殘餘相關是由天線的排列方式和傳播條件造成的。

發明內容
本發明基於對殘餘和已知的發射相關的更實際的假設，提出了一種STF編碼設計或一種STF預編碼設計，並假定在接收側使用MMSE解碼器。
為此，本發明涉及一種在電信系統中通過至少一個信道傳送符號的方法，該系統包括至少一個具有至少兩個發射天線的發射機，以及至少一個具有至少一個接收天線的接收機，該方法包括編碼步驟，其中將包含符號的向量與一個編碼矩陣相乘，以生成要在發射機和接收機之間建立的至少一個信道上傳送的符號，其特徵在於該編碼矩陣是由一個矩陣的特徵值分解計算得出，該矩陣是通過計算大小為N的單位矩陣和一個從信道響應的估算相關矩陣獲得的矩陣的克羅內克(Kronecker)積而獲得的，N是碼的時間和/或頻率維度。
根據另一方面，本發明涉及一種在電信系統中通過至少一個信道傳送符號的設備，該系統包括至少一個具有至少兩個發射天線的發射機，以及至少一個具有至少一個接收天線的接收機，該設備包括編碼裝置，其中包含符號的向量與一個編碼矩陣相乘，以生成在發射機和接收機之間的建立的至少一個通信信道上傳送的編碼符號，其特徵在於所述設備包括用於從矩陣的特徵值分解中計算編碼矩陣的裝置，該矩陣是通過至少計算大小為N的單位矩陣和一個從信道響應的估算相關矩陣獲得的矩陣的克羅內克積而獲得的，N是編碼的時間和/或頻率維度。
這樣，通過克羅內克積，時間和/或頻率維度就包含在信道描述中。它具有空間和時間和/或頻率維度，這允許共同考慮這三種維度或這些維度的一部分來設計碼。
根據本發明的第一方面，編碼矩陣 是一個從矩陣 的特徵值分解計算得到的實矩陣，矩陣 是通過計算大小為N的單位矩陣IN和信道響應的估算傳輸相關矩陣的實部RTXR的克羅內克積以及計算大小為N的單位矩陣IN和信道響應的估算傳輸相關矩陣的虛部RTXI的克羅內克積而獲得的。
這樣，通過克羅內克積，時間和/或頻率維度就包含在信道描述中，使得該編碼方案是STF編碼。
根據一個特定的特徵，矩陣 等於
R~TX*=INRTXRINRTXI-INRTXIINRTXR,]]>其中是克羅內克積。
根據一個特定的特徵，矩陣 的特徵值分解等於 這裡 是矩陣 的特徵向量矩陣， 是矩陣 的轉置， 是包括矩陣 的特徵值的一個非負的對角線矩陣，編碼矩陣 是通過矩陣 和對角線矩陣 的乘積獲得， 由矩陣 的列的一部分形成， 由對角線矩陣 的一部分形成。
從而提高了性能。
根據一個特定的特徵，矩陣 是通過選擇矩陣 的2*Q個最大非零對角線值而形成的，其中Q是包含符號的向量中所包含的符號數，矩陣 包括與為矩陣 選擇的2*Q個最大值以相同順序相關聯的矩陣 的2*Q個列。
從而提高了性能。
根據一個特定的特徵，包含符號的向量中所包含的符號數Q不能被維數N除盡。
根據一個特定的特徵，編碼矩陣 是從一個第三矩陣V′t中計算得到的，矩陣V′t是2*Q維的正交矩陣V′的轉置。
根據一個特定的特徵，矩陣V′是從離散傅立葉變換矩陣獲得的，或者當2*Q是2的冪時，矩陣V′是2*Q維的哈達馬(Hadamard)矩陣。
這裡需要注意的是，維數為Q或2Q的矩陣應該理解成是一個Q乘Q或2*Q乘2*Q維的方形矩陣。
根據一個特定的特徵，用以下公式計算編碼矩陣 C~=U~~-1/4Vt]]>其中=P/Tr(~-1/2)]]>是P的預定平均發射功率。
根據本發明的第二方面，編碼矩陣是從RTX*獲得的STF線性預編碼矩陣CC，RTX*是信道頻率響應的估算傳輸相關矩陣RTX的共軛矩陣。
這樣，通過克羅內克積，時間和/或頻率維度就包含在信道描述中。
根據一個特定的特徵，矩陣INRTX*的特徵值分解等於UΛUH，其中U是矩陣INRTX*的特徵向量矩陣，UH是矩陣U的共軛轉置，Λ是包含矩陣INRTX*的特徵值的非負對角線矩陣，從而該STF線性預編碼矩陣CC是通過矩陣U′和對角線矩陣Λ′的相乘獲得的，U′由矩陣U的列的一部分形成，Λ′是由矩陣Λ的一部分對角線元素形成的對角線矩陣。
這樣，通過克羅內克積，時間和/或頻率維度就包含在信道描述中。
根據一個特定的特徵，矩陣Λ′是通過選擇矩陣Λ的Q個最大非零對角線值而形成的，其中Q是包含符號的向量中所包含的符號數，矩陣U′包含與為矩陣Λ′選擇的Q個最大值相關的矩陣U的Q列。
根據一個特定的特徵，包含符號的向量中所包含的符號數Q不能被維數N除盡。
根據一個特定的特徵，STF線性預編碼矩陣CC是從一個第三矩陣VH中計算得到的，矩陣VH是Q維單式矩陣v的轉置共軛。
根據一個特定的特徵，矩陣V是離散傅立葉變換矩陣，或者當Q是2的冪時，矩陣V是一個Q維的哈達馬矩陣。
根據一個特定的特徵，用以下公式算STF線性預編碼矩陣CCCC＝αU″A′-1/4VH其中=P/Tr(-1/2),]]>P是平均發射功率的預定值。
根據另一方面，本發明涉及一種由具有至少一個接收天線的接收機解碼符號的方法，該符號通過電信系統中的至少一個信道在具有至少兩個發射天線的發射機上發射，該方法包括解碼步驟，其中包含接收符號的向量與一個解碼矩陣相乘，以生成解碼符號，其特徵在於該解碼矩陣是從一個矩陣的特徵值分解中計算得出的，該矩陣是通過至少計算大小為N的單位矩陣和一個從信道響應的估算相關矩陣中獲得的矩陣的克羅內克積而獲得的，N是編碼的時間和/或頻率維度。
根據另一方面，本發明涉及一種解碼符號的設備，該符號是通過電信系統中的至少一個信道由具有至少兩個發射天線的發射機發射的，該設備包括解碼裝置，其中包含接收到的符號的向量與一個解碼矩陣相乘，以生成解碼符號，特徵在於該設備包括用於從一個矩陣的特徵值分解中計算解碼矩陣的裝置，所述矩陣是通過至少計算大小為N的單位矩陣和一個從信道響應的估算相關矩陣獲得的矩陣的克羅內克積而獲得的，N是編碼的時間和/或頻率維度。
根據另一方面，本發明涉及一種可以直接載入到可編程設備中的電腦程式，包含當在一個可編程設備上運行所述電腦程式時，用於執行根據本發明的方法步驟的代碼指令或代碼段。由於與該電腦程式相關的特徵和有益效果與上面所述的根據本發明的方法或設備的特徵和有益效果是一樣的，所以在這裡不再重複。


本發明的特徵將從以下的實施例的描述中變得更加清楚，所述描述是參照附圖作出的，其中圖1表示根據本發明的一個電信系統；圖2表示根據本發明的第一方面計算STF碼或者根據本發明的第二方面計算線性STF預編碼矩陣的計算模塊；圖3表示根據本發明第一方面的計算模塊所執行的算法；圖4表示根據本發明第二方面的計算模塊所執行的算法。
具體實施例方式
圖1表示根據本發明的電信系統。
圖1公開了兩個通過電信網絡150的無線MIMO通信信道交換信息的通信設備10和20。
通信設備10優選地是一個基站，它通過電信網絡150的MIMO下行傳輸信道來向通信設備20傳送數據，通信設備20優選地是一個移動終端。
為簡化起見，圖1中僅示出了一個移動終端20。當然在使用本發明的電信網絡150中可以使用更多數量的移動終端來從基站10接收數據或向基站10發射數據。
基站10有Nt個天線，在圖1中分別表示為Antt1、Antt2……和AnttNt，移動終端20至少有一個天線。例如，移動終端有Nt個天線，分別表示為Antr1、Antr2……到Antr Nr，從而Nt個發射天線和Nr個接收天線構成了一條MIMO下行傳輸信道。
優選地和為了簡化起見，數據的傳輸使用正交頻分復用(OFDM)調製，它具有Nc個調製副載波，每個副載波經歷一個MIMO平坦衰落信道，假定OFDM參數是根據信道延遲擴展而特別選定的。本發明所述的方法也可以擴展到經受符號間幹擾的單載波系統。這時，要考慮的平坦衰落MIMO信道就成為延遲域均衡信道。
調製過的符號在空間、時間和頻率維度上使用維度為Nt*Ntime*Nfreq的空—時—頻(STF)分組碼或線性STF預編碼器進行傳送，其中Ntime是按照OFDM符號的編碼的時間維度，Nfreq是按照副載波的編碼的頻率維度。這樣，N＝Ntime*Nfreq相當於表示用於空時(ST)碼或線性ST預編碼器的時間維度、用於空頻(SF)碼或線性SF預編碼器的頻率維度以及用於空時頻(STF)碼或線性STF預編碼器的兩者的混合。如前面已經提到的，在本發明中STF、ST、SF碼都被視為STF碼。
這裡要注意的是，如果Nfreq＝1，N就是一種特殊情況的空時編碼；如果Ntime＝1，N就是一種特殊情況的空頻編碼。
根據本發明，移動站20實現了根據本發明的第一方面估計用STF碼編碼的信號的最小均方誤差接收機；或者根據本發明的第二方面估計用基站10的線性STF預編碼器預編碼的信號最小均方誤差接收機。
移動站20包括信道估計模塊122，它估計由MMSE接收機使用的瞬時信道響應。移動站20還包括相關矩陣估計器120，它從MMSE接收機使用的幾個瞬時信道響應實現中估計信道響應的相關矩陣，表示為RTX。
更準確的說，信道響應的相關矩陣RTX是電信網絡150的MIMO信道的傳輸相關矩陣的估計值。
移動站20通過電信網絡150的上行MIMO信道向基站10發射電信網絡150的MIMO信道的傳輸相關矩陣RTX。
移動站20還包括碼判決模塊121，它根據電信網絡150的MIMO信道的相關矩陣RTX來確定基站10使用的碼。
為了進行解碼，移動站20還需要知道基站10使用的STF編碼器或線性STF預編碼器的至少一部分。當基站10從對估算的相關矩陣RTX的了解中計算要使用的編碼矩陣時，移動站20也計算要使用的解碼矩陣。
為了將接收到的符號解碼為估計的符號，計算出的矩陣被傳送到移動站20的解碼模塊123。
作為實現的一種變型，不是將電信網絡150的MIMO信道的傳輸相關矩陣RTX傳送到基站10，而是移動站20通過電信網絡150的上行MIMO信道將編碼矩陣元素傳送給基站10。
作為實現的另一種變型，基站10根據接收到的相關矩陣來確定基站10所要使用的編碼矩陣，並將其傳送給移動站20。
基站10包括至少一個編碼模塊100和一個計算模塊110。根據本發明的第一方面，編碼模塊100是一個STF編碼模塊，或者根據本發明的第二方面，編碼模塊是線性STF預編碼器。
STF編碼模塊100形成包含將要傳送的符號的向量，並將每個形成的向量乘以一個編碼矩陣，從而生成要在MIMO信道上傳送的編碼符號。
計算模塊110對信道有長期的了解或者沒有任何了解。這意味著計算模塊110不時地從移動站20接收估計的相關矩陣RTX，並從接收到的估計相關矩陣RTX中確定根據本發明第一方面的STF編碼矩陣 或者根據本發明第二方面的STF線性預編碼矩陣CC，從而使得在接收機端在MMSE解碼後，與快速衰落過程相比，最小化了平均殘餘均方誤差。
接收到的估計相關矩陣RTX代表了基站附近的宏觀環境。當信道變化受快速衰落過程的限制時，接收到的估計相關矩陣RTX是不變的。因此考慮到基站和移動站之間的鏈路，估計的相關矩陣RTX在一段時間內是不變的，這段時間反比於移動的速度，而估計相關矩陣RTX的更新頻率也應該相應地被設定。
實際上，與典型的基本傳送持續時間相比，更新周期是較大的，因此估計相關矩陣RTX的更新在所需的反饋帶寬和用於發射端和接收端的工作負載方面都是較便宜的。
作為實現的一種變型，計算模塊110不是從移動站20不時地接收估計相關矩陣RTX，而是通過電信網絡150的上行信道接收由移動站10計算出來的編碼矩陣或線性預編碼矩陣。
將參照圖2詳細描述計算模塊110。
現在闡釋確定STF編碼矩陣 和STF線性預編碼矩陣CC的理論基礎。
下面的公式描述了離散時間下行接收信號，其中採用STF碼來傳送一個用戶的信號R′＝H′(ECSR+FCSI)+v′ 方程1其中v′是方差σ2的獨立同分布的AWGN復採樣的NrN*I向量。
下面，實數的全體標識為R，複數的全體標識為C。
其中R′是一個NrN*1的復向量，它由互相堆疊的每一個大小為Nr*1的R的列向量R′構成，R∈CNr*N。H′是一個塊對角MIMO信道矩陣，其中N塊的每一個塊都對應於ST碼的時間指數、或SF碼的頻率指數或STF碼的混合時間和頻率指數R=R1RN,]]> 方程2其中Hi∈CNr*Nt是一個正規化信道矩陣，也就是接收天線i和發射天線j之間的信道係數Hij具有等於E(|Hij|2)＝1的方差並且是集中的。對於不同的i值，信道矩陣Hi或多或少相關聯，但在任何情況下它們都是由相同的相關矩陣來表徵的。
其中S∈CQ*1是包含Q個調製符號的向量，Q是每個STF碼字的符號數。SR是S的實部Re(S)，而SI是S的虛部Im(S)。S的每個符號都具有等於1的平均能量。
在方程1中的STF碼由兩個復矩陣EC和FC來描述，一個編碼S的實部，另一個編碼S的虛部。同樣的，STF碼可以用另外兩個復矩陣CC和DC來描述，CC和DC分別編碼S和S*。需要注意的是這裡S*表示矩陣S的共軛。
其中EC∈CNtN*Q，FC∈CNtN*Q是分別編碼S的實部和虛部的碼矩陣。
要注意的是EC和FC完全描述了STF碼，並以最通用的方式描述了所有塊STF碼，從空間復用到真實STF碼，該空間復用例如在G.D.Golden，G.J.Foschini，R.A.Valenzuela，P.W.Wolniansky編寫的題為「使用V-BLAST空-時通信結構的檢測算法和初始實驗室結果(Detection Algorithm and InitialLaboratory Results using the V-BLAST Space-Time Communication Architecture)」的論文中披露，該真實STF碼例如在Alamouti的論文「用於無線通信的簡單發射機分集方案(A simple transmitter diversity scheme for wirelesscommunications)」中披露。
這給出了下面的方程，它等同於EQ1R′＝H′(CCS+DCS*)+v′方程3
當Dc被限制為0時，最終產生的STF碼是線性STF預編碼。線性STF預編碼意味著STF預編碼過程的輸出是一個對輸入的復向量s的線性操作。這種情況下方程3可以寫成R′＝H′CCS+v′在真實STF編碼的情況下，對編碼矩陣EC和FC沒有任何限制。可以將方程1方便地寫為線性形式R=HECFCSRSI+v]]>方程4用實矩陣來重寫方程4，我們可以得到等同的方程 其中R~R2NrN*1,H~R2NrN*2NtN,C~R2NtN*2Q,S~R2Q*1,v~R2NrN*1.]]>假設電信網絡的MIMO傳輸信道是平坦衰落的，這意味著每對發射和接收天線之間的離散時間信道響應可以被模擬為一個復係數(H)ij，其中i是接收天線編號，j是發射天線編號。這種假設非常適用於OFDM調製，因為每個副載波實際上都是平坦衰落的，信道係數等於在副載波頻率上的信道頻率響應，它由天線對之間的信道脈衝響應的相應FFT採樣給出。
我們將發射機端的相關矩陣表示為RTX，B表示它的方根，於是BHB＝RTX這樣信道矩陣就被模擬為H(t，f)＝G(t，f)B*方程5其中G(t，f)是一個正規化的獨立同分布復集中高斯矩陣。G(t，f)的每個元素的分布是(1/)(N(0，1)+jN(0，1))這裡要注意的是為了簡化符號，H和G的指數t和f被省略了。
將方程2和方程5結合，H′就變為 方程6
獨立同分布的復集中高斯矩陣Gi對於不同的指數i可以是相同的，或者多少相關的。
這裡要注意的是假設接收機20對電信網絡150的信道具有最佳的瞬時了解，例如，這通常用適當的導頻符號來實現。
考慮到接收機20包括MMSE STF檢測器，所述檢測器具有對信道的最佳瞬時了解，STF編碼模塊100或者線性STF預編碼模塊100採用在快速衰落過程平均的STF碼，它在接收機端在檢測後最小化了殘餘的均方誤差，即方程6中的Gi。
根據本發明的第一方面，我們現在集中到對STF碼的STF編碼矩陣的特徵的基本原理上。
如前所述，接收信號可以用線性方程來表示，如果對實部和虛部的處理可以分離進行的話。
找到STF編碼矩陣 以便在MMSE檢測後，在發射功率約束為Tr(C~C~t=P)]]>的情況下，平均殘餘MSE是最小的。在高信噪比的條件下，也就是σ2較小。發現 為C~=U~~2Q-1/40Vt]]>其中 是由 的2Q個最大特徵值構成的對角線矩陣， 是由任意2NtN-2Q個列向量之前的相關的2Q個特徵值構成的。
由B~=INBRINBI-INBIINBR]]>給出這裡B是傳輸相關矩陣的方根BHB＝RTx，BR＝Re(B)，BI＝Im(B)。常數β用來滿足發射功率約束。例如，對於功率約束為P，β通過=P/Tr(~2Q-1/2)]]>給出。
相似地， 可以寫成C~=U~~2Q-1/4Vt]]>其中 是由 的前2Q列構成的2NtN*2Q矩陣。
這裡要注意的是這裡所有涉及的矩陣都是實矩陣，而且V′只需要是一個正交的2Q*2Q的矩陣。
根據一個優選的實現方式，矩陣V′t是矩陣V′的轉置矩陣，它可以被改進以便在MMSE均衡後將每次檢測的真實維數的最小平均殘餘SINR最大化。當2Q是2的冪時，V′可以選擇為2Q維的哈達馬矩陣。
還可以從離散傅立葉變換矩陣F中，使用下面的方程得到V′tVt=FRt-FItFItFRt]]>其中FRt是矩陣F的實部的轉置，FIt是矩陣F的虛部的轉置。
根據本發明的第二方面，我們現在集中在STF線性預編碼矩陣的特性的基本原理上。
從方程3開始，其中DC被設為0，我們考慮接收機實現了MMSE STF檢測器，並假定在接收機端可以獲得最佳的瞬時信道知識。
找到編碼矩陣CC，以便在MMSE檢測後，在發射功率約束為Tr(CCCCt)＝P的情況下，最小化平均殘餘MSE。
我們使用RTX*的特徵值分解(EVD)RTX*=UUH]]>然後由下式給出INRTX*的EVD 在高信噪比的條件下，發現CC為CC=UQ-1/40VH]]>方程7其中Λ′Q是由INΛ的Q個最大特徵值構成的對角線Q*Q矩陣，U′的前Q列向量由與Λ′Q的特徵值相關的INU的Q列向量構成，U′其餘的NtN-Q列由於未被使用所以並不重要，因此可以將它們設置為0或者任意值。
α是一個用來滿足發射功率約束歸一化係數。例如，對於發射功率約束P，=P/Tr(~Q-1/2)]]>類似地，CC可以寫成CC=UQ-1/4VH]]>其中U″是由U′的前Q列構成的NtN*Q矩陣。
在方程7中，完全定義了U′、α和Λ′Q，V只需要是單位矩陣。然而，雖然任何單位矩陣V對於快速衰落過程來說都給出相同的MSE平均值，但是V的選擇會影響最終的誤比特率(BER)。
根據一個優選的實施例，可以確定V，以便將檢測到的信號的每個維度的最小平均信號噪聲幹擾比(SINR)最大化。離散傅立葉矩陣和哈達馬矩陣被發現是這個問題的最佳本地解決方法。
這樣，可以根據Q維的離散傅立葉變換或哈達馬矩陣的特定特徵來選擇v。
在哈達馬矩陣的情況下，Q需要是2的冪。
根據一種變型，可以選擇V作為單位線性預編碼矩陣，如2002年3月13、14和15日在雷恩進行的Proc.Propagation Electromagnétique dans l』Atmosphère du Décamétrique a l』Angstrm第117-118頁、由S.Galliou，J.C.Belfiore編寫的題為「Une nouvelle famille de codes espace-temps linéaires，derendement et de diversitémaximaux」中描述的；或者如2004年6月芝加哥的Proc.of the IEEE International Symposium on Information Theory的第66頁中、由N.Gresset，J.Boutros，L. Brunet編寫的的題為「在MIMO信道上用於BICM的最佳線性預編碼(Optimal linear precoding for BICM over MIMOchannels)」中描述的。
圖2表示根據本發明第一方面計算STF碼或根據本發明第二方面計算STF線性預編碼矩陣的計算模塊。
計算模塊110具有基於通過總線201連接在一起的部件和由程序控制的處理器202的結構，如圖3所示。計算模塊110可以集成在一個或幾個集成電路中。
計算模塊110包括由至少一個隨機存取存儲器和一個非易失存儲器構成的存儲器裝置203。
總線201將處理器202連接到存儲器裝置203、接口ANT I/F 206和接口cod I/F207，接口ANT I/F206從移動站20接收估計相關矩陣RTX或估計相關矩陣的共軛矩陣RTX*，接口cod I/F207根據獲得的相關矩陣RTX使得能夠將所計算的STF線性預編碼矩陣CC或STF編碼矩陣 傳送到STF編碼模塊100。
隨機存取存儲器包括用來接收變量、數字數據和中間處理值的寄存器。非易失存儲器儲存使該模塊，特別是處理器202能夠工作的程序。處理器202控制計算模塊110的基本部件的操作。
圖3表示根據本發明第一方面由計算模塊執行的算法。
該流程圖的代碼可以例如存放於計算模塊110的存儲器203的非易失存儲器中。定期地，計算模塊110以一定頻率執行與圖3中所述的算法相關的指令，該頻率取決於移動站的最大都卜勒頻率，通常對應於每秒3米的移動站速度和5GHz的載頻上幾百毫秒的更新周期。
在步驟S300，計算模塊110獲得了估計相關矩陣RTX。該估計相關矩陣RTX是通過電信網絡150的上行MIMO信道，從移動站20的相關矩陣估計器120接收到的。然後該估計相關矩陣被存儲到存儲器203的隨機存取存儲器中。
這裡需要注意的是，當認為上行信道具有與下行信道的長期統計特性相同的長期統計特性時，也可以由計算模塊110來估計相關矩陣RTX。在下一步S301中，處理器202採用下面的公式來計算矩陣 R~TX*=INRTXRINRTXI-INRTXIINRTXR]]>這裡RTXR是矩陣RTX的實部，RTXI是矩陣RTX的虛部。
通過克羅內克積，時間和/或頻率維度被包括在信道描述中，從而編碼方案就是STF編碼。它具有空間和時間和/或頻率維度。
在下一步S302，處理器202執行矩陣 的特徵值分解(EVD)。然後矩陣 被分解為R~TX*=U~~U~,]]>這裡 是矩陣 的特徵向量矩陣， 是矩陣 的轉置， 是包括矩陣 的特徵值的一個非負的對角線矩陣。
在下一步S303，處理器202根據一個預定的標準對矩陣 的特徵值重新排序，優選為從最高值到最低值。處理器202相應地對 的列向量和 的行向量進行重新排序。
在下一步S304，處理器202形成矩陣 它是由 的2Q個最大特徵值構成的對角線矩陣。
在下一步S305，處理器202形成一個矩陣 它是由後面緊跟著任意2NtN-2Q個列向量的最大特徵值的相關的2Q個特徵值構成的。
在下一步S306，處理器202獲得如前面定義的矩陣V′。
在下一步S307，處理器202使用如下公式計算因子β
=P/Tr(~2Q-1/2),]]>P是期望的平均發射功率。
在下一步S308，處理器202使用如下公式計算STF編碼矩陣 C~=U~~-1/4Vt]]>在下一步S309，STF編碼矩陣 被傳送到STF編碼模塊100。
在下一步S310，形成2Q維度的向量。每個向量包含將要傳送的符號的實部和虛部，這些符號被互相堆疊。每個形成的向量被乘以STF編碼矩陣 以生成要傳送的編碼符號。
這裡要注意的是，根據一個特定的特徵，為了計算移動站20的解碼模塊123使用的STF編碼矩陣 移動站20的碼判決模塊121以與這裡公開的相似的方式執行本算法。在該情況中，接收到的符號被組成維度為2Q的向量，每個向量乘以STF解碼矩陣以生成估計的符號，該解碼矩陣是從一個矩陣的特徵值分解計算得出，該一個矩陣是通過至少計算大小為N的單位矩陣的克羅內克積而獲得的。
這裡要注意的是，根據一種變型，STF編碼矩陣 被傳送到移動站20的碼判決模塊121中。
根據一個特定的特徵，由碼判決模塊121計算 並由移動站20傳送到基站10。
圖4表示根據本發明第二方面的由計算模塊執行的算法。
該流程圖的代碼可以例如存放於計算模塊110的存儲器203的非易失存儲器中。定期地，計算模塊110以一定頻率執行與圖4所述的算法相關的指令，該頻率取決於移動站的最大都卜勒頻率。
在步驟S400，計算模塊110獲得了估計相關矩陣的共軛RTX*，該估計相關矩陣RTX是通過電信網絡150的上行MIMO信道，從移動站20的相關矩陣估計器120接收到的。然後該估計相關矩陣被存儲到存儲器203的隨機存取存儲器中。
這裡需要注意的是，當上行信道被認為具有與下行信道的長期統計特性相同的長期統計特性時，也可以由計算模塊110來估計相關矩陣的共軛RTX*。
在下一步S401，處理器202計算估計相關矩陣的共軛矩陣RTX*的特徵值分解(EVD)。然後矩陣RTX*被分解為RTX*=UUH.]]>
這裡U是估計相關矩陣的共軛矩陣RTX*的特徵向量的矩陣，UH是矩陣U的共軛轉置，Λ是由估計相關矩陣的共軛RTX*的特徵值矩陣。
在下一步S402，處理器202計算N維單位矩陣IN和矩陣U的克羅內克積，得到的矩陣標識為U′。
在下一步S403，處理器202計算單位矩陣IN和矩陣Λ的克羅內克積，得到的矩陣被叫作為Λ′，它是一個包括特徵值的對角線矩陣。
在下一步S404，處理器202計算單位矩陣IN和矩陣UH的克羅內克積，得到的矩陣被叫作為U′H。
通過克羅內克積，時間和/或頻率維度被包括在信道描述中，使得編碼方案是真線性STF預編碼。它具有空間和時間和/或頻率維度。
在下一步S405，處理器202根據一個預定的標準對矩陣Λ′的特徵值重新排序，優選為從最高值到最低值。處理器202相應地對U′的列向量和U′H的行向量進行重新排序。
在下一步S406，處理器202形成矩陣Λ′Q，它是Λ′的Q個最大特徵值構成的對角線矩陣。
在下一步S407，處理器202獲得如前面定義的矩陣VH。
在下一步S408，處理器202使用如下公式計算STF線性預編碼矩陣CCCC＝αU′A′-1/4VH其中=P/Tr(-1/2),]]>P是一個預定的功率值。
在下一步S409，STF線性預編碼矩陣CC被傳送到STF預編碼模塊100。
要傳送的符號被分組成Q個復元素的向量。在步驟S410，每個Q維向量被乘以STF編碼矩陣CC。
這裡要注意的是，為了計算移動站20的解碼模塊123使用的STF線性預編碼矩陣CC，移動站20的碼判決模塊121以與這裡公開的相似的方式執行本算法。在這種情況中，接收到的符號被分組成維度為Q的符號，每個都乘以STF線性解碼矩陣以生成估計的符號，該解碼矩陣是從一個矩陣的特徵值分解中計算得出的，該一個矩陣是通過至少計算大小為N的單位矩陣的克羅內克積而獲得的。
根據一個特定的特徵，由碼判決模塊121計算CC，並由移動站20傳送到基站10。
這裡要注意的是，根據一種變型，STF線性預編碼矩陣CC被傳送到移動站20的碼判決模塊121中。
當然，在不偏離本發明的範圍的情況下，還可以對上面所述的本發明的實施例進行許多修改。
權利要求
1.一種在電信系統中通過至少一個信道傳送符號的方法，該系統包括至少一個具有至少兩個發射天線(Antt1，Antt2)的發射機(10)以及至少一個具有至少一個接收天線(Antr1)的接收機，該方法包括編碼步驟(S310，S410)，其中包含符號的向量與一個編碼矩陣相乘，以生成要在發射機(10)和接收機(20)之間建立的至少一個通信信道上傳送的編碼符號，其特徵在於，該編碼矩陣是從一個矩陣的特徵值分解中計算得出的(S302，S401)，該矩陣是通過至少計算大小為N的單位矩陣和一個從信道響應的估算相關矩陣中獲得的矩陣的克羅內克積而獲得(S301，S402，S403，S404)的，N是編碼的時間和/或頻率維度。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於，編碼矩陣 是從矩陣 的特徵值分解中計算得到的，矩陣 是通過計算大小為N的單位矩陣IN和信道響應的估算相關矩陣的實部RTXR的克羅內克積、以及計算大小為N的單位矩陣IN和信道響應的估算相關矩陣的虛部RTXI的克羅內克積而獲得的。
3.根據權利要求2的方法，其特徵在於，矩陣 等於R~TX*=INRTXRINRTXI-INRTXIINRTXR,]]>這裡是克羅內克積。
4.根據權利要求3的方法，其特徵在於，矩陣 的特徵值分解等於 這裡 是矩陣 的特徵向量矩陣， 是矩陣 的轉置， 是包括矩陣 的特徵值的非負對角線矩陣，編碼矩陣 是從矩陣 和對角線矩陣 的乘積獲得， 由矩陣 的列的一部分形成， 由對角線矩陣 的一部分形成。
5.根據權利要求4的方法，其特徵在於，矩陣 是通過選擇矩陣 的2*Q個最大非零對角線值而形成的，Q是包含符號的向量中所包含的符號的數目，並且矩陣 包括以相同順序與為矩陣 選擇的2*Q個最大值相關的矩陣 的2*Q個列。
6.根據權利要求5的方法，其特徵在於，包括符號的向量中符號的數目Q不能被維數N除盡。
7.根據權利要求6的方法，其特徵在於，編碼矩陣 是從一個第三矩陣V′t計算得到的，矩陣V′t是2*Q維的正交矩陣V′的轉置。
8.根據權利要求7的方法，其特徵在於，矩陣V′是從一個離散傅立葉變換矩陣獲得的。
9.根據權利要求7的方法，其特徵在於，當2*Q是2的冪時，矩陣V′是一個2*Q維的哈達馬矩陣。
10.根據權利要求7-9的方法，其特徵在於，編碼矩陣 是用以下公式算出的(S308)C~=U~~-1/4Vt]]>這裡對於預定平均發射功率P，=P/Tr(~-1/2).]]>
11.根據權利要求1的方法，其特徵在於，編碼矩陣是STF線性預編碼矩陣CC，從信道響應的估計相關矩陣中獲得的矩陣RTX*是信道頻率響應的估算相關矩陣RTX的共軛矩陣。
12.根據權利要求11的方法，其特徵在於，矩陣INRTX*的特徵值分解等於UΛUH，這裡U是矩陣INRTX*的特徵向量的矩陣，UH是矩陣U的共軛轉置，Λ是包含矩陣INRTX*的特徵值的非負對角線矩陣，從而該STF線性預編碼矩陣CC是通過將矩陣U′和對角線矩陣Λ′相乘獲得，U′由矩陣U的列的一部分形成，Λ′是由矩陣Λ的一部分對角線元素形成的對角線矩陣。
13.根據權利要求12的方法，其特徵在於，矩陣Λ′是通過選擇矩陣Λ的Q個最大非零對角線值而形成的，其中Q是包含符號的向量中所包含的符號的數目，並且矩陣U′包含與為矩陣Λ′選擇的Q個最大值相關的矩陣U的Q列。
14.根據權利要求13的方法，其特徵在於，包含符號的向量中所包含的符號的數目Q不能被維數N除盡。
15.根據權利要求14的方法，其特徵在於，STF線性預編碼矩陣CC是從一個第三矩陣VH中計算得到的，矩陣VH是Q維單式矩陣V的轉置共軛。
16.根據權利要求15的方法，其特徵在於，矩陣V是一個離散傅立葉變換矩陣。
17.根據權利要求15的方法，其特徵在於，當Q是2的冪時，矩陣V是一個Q維的哈達馬矩陣。
18.根據權利要求15-17的方法，其特徵在於，STF線性預編碼矩陣CC是用以下公式算出的(S408)CC＝αU＇Λ′-1/4VH這裡=P/Tr(-1/2),]]>P是平均發射功率的預定值。
19.一種在電信系統中通過至少一個信道傳送符號的設備，該系統包括至少一個具有至少兩個發射天線(Antt1，Antt2)的發射機(10)以及至少一個具有至少一個接收天線(Antr1)的接收機(20)，該設備包括編碼裝置(100)，其中包含符號的向量與一個編碼矩陣相乘，以生成要在發射機和接收機之間建立的至少一個通信信道上傳送的編碼符號，其特徵在於，該設備包括從一個矩陣的特徵值分解中計算編碼矩陣的裝置(202)，該一個矩陣是通過至少計算大小為N的單位矩陣和一個從信道響應的估算相關矩陣中獲得的矩陣的克羅內克積而獲得的，N是編碼的時間和/或頻率維度。
20.一種由具有至少一個接收天線(Antr1)的接收機(20)解碼符號的方法，該符號是由具有至少兩個發射天線(Antt1，Antt2)的發射機(10)通過電信系統中的至少一個信道傳送的，該方法包括解碼步驟，其中包含接收符號的向量與一個解碼矩陣相乘，以生成解碼符號，其特徵在於，該解碼矩陣是從一個矩陣的特徵值分解中計算得出的，該一個矩陣是通過至少計算大小為N的單位矩陣和一個從信道響應的估算相關矩陣中獲得的矩陣的克羅內克積而獲得的，N是編碼的時間和/或頻率維度。
21.一種解碼符號的設備(20)，該符號是由一個具有至少兩個發射天線的發射機通過電信系統中的至少一個信道傳送的，該設備包括解碼裝置(123)，其中包含接收符號的向量與一個解碼矩陣相乘，以生成解碼符號，其特徵在於，該設備包括用於從一個矩陣的特徵值分解中計算解碼矩陣(121)的裝置，該一個矩陣是通過至少計算大小為N的單位矩陣和一個從信道響應的估算相關矩陣中獲得的矩陣的克羅內克積而獲得的，N是編碼的時間和/或頻率維度。
22.一種可以直接載入到可編程設備中的電腦程式，包含當所述電腦程式運行在一個可編程設備上時執行根據權利要求1-18的方法步驟的代碼指令或代碼段。
全文摘要
本發明涉及一種在電信系統中通過至少一個信道傳送符號的方法，該系統包括至少一個具有至少兩個發射天線(Antt 1，Antt 2)的發射機(10)以及至少一個具有至少一個接收天線(Antr 1)的接收機，該方法包括編碼步驟，其中包含符號的向量與一個編碼矩陣相乘，以生成在發射機(10)和接收機(20)之間建立的至少一個通信信道上傳送的編碼符號，其中該編碼矩陣是從一個矩陣的特徵值分解中計算得出的，該矩陣是通過計算大小為N的單位矩陣和一個從信道響應的估算相關矩陣中獲得的矩陣的克羅內克積而獲得的，N是編碼的時間和/或頻率維度。本發明還涉及相關的設備和用於解碼符號的方法和設備。
文檔編號H04B7/04GK1878159SQ20061009987
公開日2006年12月13日 申請日期2006年5月24日 優先權日2005年5月25日
發明者A·蓋格恩 申請人:三菱電機株式會社