用於uwb脈衝型多天線系統的空時編碼方法

2023-11-02 05:19:27 3

專利名稱：用於uwb脈衝型多天線系統的空時編碼方法
技術領域：
本發明既涉及超寬帶或UWB遠程通信領域，又涉及利用空時編碼或STC技術的多天線系統領域。
背景技術：
無線多天線遠程通信系統在現有技術中是公知的。這些系統使用用於發送和/或接收的多個天線，並且根據所使用的結構類型將這些系統稱為MIMO(多輸入多輸出)、MISO(多輸入單輸出)、或SIMO(單輸入多輸出)。下面，將使用同一術語MISO來指代前述的MIMO和MISO方案。發送和/或接收中的空間分集的使用使得這些系統能夠提供明顯優於傳統的單天線系統(或用於單輸入單輸出的SISO)的信道容量。該空間分集通常是利用時空編碼通過時間分集來實現的。在這樣的編碼技術中，在多個天線上以及多個傳輸時間對將傳輸的數據符號進行編碼。已知兩種主要類型的利用空時編碼的MIMO系統是空時格編碼系統或STTC、以及空時塊編碼系統或STBC。在格編碼系統中，空時編碼器可以被看作有限態機，該有限狀態機用於根據當前狀態和將被編碼的數據符號將P個傳輸符號提供給P個天線。利用多維Viterbi算法對所接收的數據進行解碼，其中，多維Viterbi算法的複雜性根據狀態數按指數規律增加。在塊編碼系統中，將待傳輸的數據符號塊編碼成傳輸符號矩陣，其中，矩陣的一個維對應於天線的數量，且另一維對應於連續傳輸時間。
圖1示意性地示出了利用STBC編碼的MIMO傳輸系統100。數據符號塊S＝(a1，...，ab)(例如b位二進位字或更通常為b個M-ary符號)被編碼成空時矩陣 其中，碼的係數ct，p(t＝1，..，T；p＝1，..，P)為通常取決於數據符號的複合係數，P為在傳輸中使用的天線數量，T為表示碼的時間範圍的整數，即，信道的使用或PCU(Per Channel Use，每個信道使用)的次數。
用於數據符號的每個向量S的映射空時碼字C的函數f稱為編碼函數。如果函數f是線性的，則空時碼也被表示為線性的。如果係數ct，p為實數，則空時碼也被表示為實數。
在圖1中，標號110表示空時碼。每次使用信道t時，編碼器都會將矩陣C的第t條行向量提供給乘法器120。乘法器將行向量的係數傳輸給調製器1301，...，130p，並通過天線1401，...，140p傳輸調製後的信號。
空時碼的特徵在於其碼率，即，在於每信道使用(PCU)所傳輸的數據符號的數量。如果為高於單天線使用(SISO)的相對碼率的P次，則該碼被稱為以全碼率。
空時碼的特徵還在於其分集，該分集可以被限定為矩陣C的秩。如果對於對應於兩個向量S1和S2的任何兩個碼字C1和C2，都有矩陣C1-C2為滿秩，則將存在最大分集。
空時碼的特徵還在於其編碼增益，其中，編碼增益表示不同碼字之間的最小距離。其可以定義為minC1C2det((C1-C2)H(C1+C2))---(2)]]>或以用於線性碼的等效方式minC0det(CHC)---(3)]]>其中，det(C)表示C的行列式且CH為矩陣C的共軛轉置矩陣。對於數據符號傳輸能量來說，編碼增益是受限制的。空時碼的編碼增益越高，其將越能防衰減。
通常不設置編碼增益，但是其隨著數據調製的階數而減少，其中，譜效能(spectral efficacy)取決於碼增益。在一些情況下，當譜效能增加時，編碼增益不趨向於零，而是趨向一個非零的漸進值。這樣的碼被稱為具有非零行列式。
最後，盡力做到在天線和傳輸時間之間均勻分布由系統傳輸的平均能量。
完全碼(perfect code)是具有上述最大分集、非零行列式和所分配的能量的全碼率碼。
在發表在IEEE Transactions on Information Theory上的由Frédérique Oggier等人所著的題為「Perfect space-time block codes」的文章中提出了用於具有2、3、4、或6個傳輸天線的MIMO系統的完全空時碼的實例，且上述文章可以在www.comelec.enst.fr/～belfiore網站找到。
因此，用於具有三個傳輸天線的MIMO系統的完全空時碼由以下矩陣提供C=17u0a1+v0a2+w0a3u0a4+v0a5+w0a6u0a7+v0a8+w0a9j(u1a7+v1a8+w1a9)u1a1+v1a2+w1a3u1a4+v1a5+w1a6j(u2a4+v2a5+w2a6)j(u2a7+v2a8+w2a9)u2a1+v2a2+w2a3---(4)]]>其中uq＝1+j+θq；vq=(1+j)q+q2;]]>wq=1+2q+jq2;]]>q=2cos(2(q+1)7)forq=0,1,2;]]>j=exp(2i3);]]>i=-1]]>並且其中ai，i＝1，...，9為數據符號。
於2005年12月6日發表在IEEE Transactions on InformationTheory上的由Petros Elia所著的題為「Perfect space-time codes withminimum and non-minimum delay for any number of antennas」的文章中已經提出了任意數量的傳輸天線的完全空時碼的方案。
當前值得研究的課題是另一個遠程通信領域。其尤其涉及預期用於開發未來無線個人網絡(WPAN)的UWB遠程通信系統。這些系統具有以超寬帶信號直接在基帶上運行的特有特徵。通常，UWB信號符合2002年2月14日的FCC(在2005年3月修訂)的規則中規定的頻譜罩(spectral mask)，即，UWB基本上為3.1到10.6GHz頻帶中的信號，且具有至少500MHz至-10dB的帶寬。實際上，存在兩種類型的UWB信號多頻帶OFDM信號(MB-OFDM)和UWB脈衝型信號。下面，將只討論後者。
UWB脈衝信號由分布在幀中的非常短的脈衝(通常為幾百皮秒的數量級)形成。為了減少多路存取幹擾(多路存取幹擾的縮寫為MAI)，將特殊的跳時碼(跳時的縮寫為TH)分配給每個用戶。於是，為用戶k生成或欲為用戶k所使用的信號可以寫成如下形式sk(t)=n=0Ns-1w(t-nTs-ck(n)Tc)---(5)]]>其中，w為基本脈衝的形式，Tc為碼片持續時間(chip duration)，Ts為基本間隔的持續時間，其中，Ns＝NcTc，而Nc為間隔內碼片的數量，且整個幀具有的持續時間為Tf＝NsTs，其中，Ns為幀中的間隔的數量。將基本脈衝的持續時間選擇為低於所述碼片持續時間，即Tw≤Tc。序列ck(n)(其中，n＝0，...，Ns-1)限定用戶k的跳時碼。選擇跳時序列是為了使屬於不同用戶的跳時序列的脈衝之間的衝突次數最小化。
圖2A示出了與用戶k相關的TH-UWB信號。為了傳輸來自用戶k或打算提供給用戶k的給定數據符號，通常使用位置調製(用於脈衝位置調製的PPM)對TH-UWB信號進行調製，即，經過調製的信號為sk(t)=n=0Ns-1w(t-nTs-ck(n)Tc-dk)---(6)]]>其中，ε為實際小於碼片持續時間Tc的調製延遲(dither，抖動)，且dk∈{0，...，M-1}為符號的M-ary PPM位置。
可選地，可以利用振幅調製(PAM)來傳輸數據符號。在這種情況下，可以將調製信號寫成sk(t)=n=0Ns-1a(k).w(t-nTs-ck(n)Tc)---(7)]]>其中，a(k)＝2m′-1-M′(其中，m′＝1，...，M′)為PAM調製的M′-ary符號。例如，可以使用BPSK調製(M′＝2)。
還可以將PPM和PAM調製結合為複合M.M′-ary調製。於是經過調製的信號具有下面的一般形式sk(t)=n=0Ns-1m=0M-1am(k).w(t-nTs-ck(n)Tc-m)---(8)]]>該調製的符號集是基數M.M′，並且已在圖3中示出。對於M個時間位置中的每一個，都可以有M′個調製振幅。符號集中的符號(d，a)可以由序列am(其中，m＝0，...，M-1，am＝δ(m-d)a)來表示，其中，d為PPM調製的位置，而a為PAM調製的振幅，以及δ(.)為狄拉克分布函數。
除了利用跳時碼分離不同的用戶，還可以諸如在DS-CDMA中通過正交碼(例如，Hadamard碼)來分離它們。下面，將討論DS-UWB(直接序列展頻UWB)。在這種情況中，對應於式(5)，可以有下面的未調製信號的表達式sk(t)=n=0Ns-1bn(k)w(t-nTs)---(9)]]>其中，bn(k)(n＝0，...，Ns-1)為用戶k的展頻序列。應該注意，表達式(9)是近似於典型的DS-CDMA信號。然而，其在多個碼片沒有佔據整個幀的情況下是不同的，但其被分配到周期Ts中。圖2B示出了與用戶k相關的DS-UWB信號。
如上所述，可以利用PPM調製、PAM調製或複合PPM-PAM調製來傳輸數據符號。可以使用相同的記號表示對應於TH-UWB信號(7)的DS-UWB調幅信號sk(t)=n=0Ns-1a(k)bn(k).w(t-nTs)---(10)]]>
最後，已知的將跳時碼和譜展頻碼(spectral spreading code)結合以向不同的用戶提供多條通道。從而，獲得了具有以下通用形式的UWB脈衝信號TH-DS-UWBsk(t)=n=0Ns-1bn(k).w(t-nTs-ck(n)Tc)---(11)]]>圖2C示出了與用戶k相關的TH-DS-UWB信號。可以通過複合M.M′-ary PPM-PAM調製來調製該信號。於是，可以得到經過調製的信號sk(t)=n=0Ns-1m=0M-1am(k)bn(k).w(t-nTs-ck(n)Tc-m)---(12)]]>從現有技術可以得知，在MIMO系統中使用UWB信號。在這種情況中，每個天線都傳輸根據數據符號或這些符號的塊(STBC)調製的UWB信號。
最初開發用於窄帶信號或DS-CDMA的空時編碼技術難以用於UWB脈衝信號。實際上，諸如上述的完全碼的空時碼通常具有複雜的係數，因此具有相位(phase)信息。然而，在具有與UWB脈衝信號的頻帶一樣寬的頻帶的信號中恢復該相位信息非常困難。該非常窄的脈衝時間支持(time support)非常適於位置調製(PPM)或振幅調製(PAM)。
2005年9月發表在IEEE Transactions on Communications上的由Chadi Abou-Rjeily等人所著的題為「Space-Time coding formultiuser Ulta-Wideband communications」的文章中提出了UWB信號的空時編碼，該文章可以在www.tsi.enst.fr中找到。
根據上述的限制，所提出的空時碼是實型的。因此，對於在傳輸時具有三個天線的結構來說，可以寫成
C=17ua1+va2+wa3213(ua4+va5+wa6)223(ua7+va8+wa9)223(wa7+ua8+va9)wa1+ua2+va3213(wa4+ua5+va6)213(va4+wa5+ua6)223(va7+wa8+ua9)va1+wa2+ua3---(13)]]>其中，u＝-2+2θ0+3θ02；v＝-2+2θ1+3θ12；w＝-2+2θ2+3θ22，值θ0，θ1，θ2之前已經定義過，且其中，S＝(a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9)為數據符號向量PAM，即ai∈{-M′+1，...，M′-1}。
該同一篇文章提出將該空時碼歸納為屬於PPM-PAM符號集的數據符號塊的編碼。對於三個天線的傳輸結構，該碼可以以規模為3M×3的矩陣來表示C=17ua1,0+va2,0+wa3,0213(ua4,0+va5,0+wa6,0)223(ua7,0+va8,0+wa9,0).........ua1,M-1+va2,M-1+wa3,M-1213(ua4,M-1+va5,M-1+wa6,M-1)223(ua7,M-1+va8,M-1+wa9,M-1)223(wa7,0+ua8,0+va9,0)wa1,0+ua2,0+va30213(wa4,0+ua5,0+va6,0).........223(wa7,M-1+ua8,M-1+va9,M-1)wa1,M-1+ua2,M-1+va3,M-1213(wa4,M-1+ua5,M-1+va6,M-1)213(va4,0+wa5,0+wa6,0)223(va7,0+wa8,0+ua9,0)va1,0+wa2,0+ua3,0.........213(va4,M-1+wa5,M-1+ua6,M-1)223(va7,M-1+wa8,M-1+ua9,M-1)va1,M-1+wa2,M-1+ua3,M-1---(14)]]>在該情形中，每個數據符號ai＝(ai，0，...，ai，M-1)都是表示具有符號集ai，m＝aiδ(m-di)(其中，ai是PAM符號集的元素，di是PPM符號集的元素)的PPM-PAM符號集的元素的向量。通過碼C編碼的數據符號的塊就是S＝(a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9)。
更具體地，數據符號的塊S為根據下面給出的表達式的UWB信號的生成所代替。為了簡化符號，將考慮單用戶的使用(從而沒有利用k進行索引，以及沒有展頻序列)。
天線1傳輸下面的信號，傳輸持續第一幀Tf的持續時間s1(t)=n=0Ns-1m=0M-1(ua1,m+va2,m+wa3.m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(15)]]>該信號對應於碼(14)的M個第一行的第一列向量。
天線2同時傳輸下面的信號，傳輸持續第一幀Tf的持續時間s2(t)=213n=0Ns-1m=0M-1(ua4,m+va5,m+wa6,m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(16)]]>該信號對應於所述碼的M個第一行的第二列向量。
最後，天線3同時傳輸下面的信號，傳輸持續第一幀Tf的持續時間s3(t)=223n=0Ns-1m=0M-1(ua7,m+va8,m+wa9,m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(17)]]>該信號對應於所述碼的M個第一行的第三列向量。
然後，天線1再次以幀的開始處為時間起點進行傳輸，傳輸持續第二幀的持續時間s1(t)=223n=0Ns-1m=0M-1(wa7,m+ua8,m+va9,m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(18)]]>該信號對應於所述碼的M個第二行的第一列向量。
天線2同時傳輸下面的信號，傳輸持續第二幀的持續時間
s2(t)=n=0Ns-1m=0M-1(wa1,m+ua2,m+va3,m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(19)]]>該信號對應於所述碼的M個第二行的第二列向量。
最後，天線3同時傳輸下面的信號，傳輸持續第二幀的持續時間s3(t)=213n=0Ns-1m=0M-1(wa4,m+ua5,m+va6,m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(20)]]>該信號對應於所述碼的M個第二行的第三列向量。
類似地，在第三幀的持續時間內，分別由所述的三個天線傳輸的信號分別由下列等式表示s1(t)=213n=0Ns-1m=0M-1(va4,m+wa5,m+ua6,m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(21)]]>s2(t)=223n=0Ns-1m=0M-1(va7,m+wa8,m+ua9,m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(22)]]>s3(t)=n=0Ns-1m=0M-1(va1,m+wa2,m+ua3,m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(23)]]>上述信號分別對應於所述碼的M個最後一行的第一、第二、和第三列向量。
上述的空時碼在分集方面具有優良的性能。然而，其編碼增益小於由(4)所限定的完全碼的編碼增益。此外，在每一幀中，出現在矩陣(14)中的標量項 在天線之間產生能量不平衡。
本發明的目的在於提出一種用於利用UWB脈衝信號的MIMO系統的實型空時碼，其中，UWB脈衝信號具有大於對於這些系統已知的碼(特別是由(14)限定的碼)的增益的增益。此外，本發明的目的還在於提供一種在每一幀中都具有天線之間能量平衡分布的空時碼。

發明內容
本發明由包括三個輻射元件的UWB系統的空時碼方法限定，其中，屬於PPM調製星座圖(constellation)或PPM-PAM複合調製星座圖的且具有等於3、或者大於或等於5的時間位置數量的9個數據符號的塊(S＝(a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9))，被編碼成9個向量(c10，c20，c30；c11，c21，c31；c12，c22，c32)，其中，每個向量的多個分量都用於調製用於所述系統的輻射元件的UWB脈衝信號並持續給定的傳輸間隔(Tf)，每個向量都由三個所述數據符號的不同線性組合得到，且在調製所述UWB脈衝信號前對所述向量(c12，c11，c22)的子集進行多個分量的置換。
本發明還涉及用於實現上述方法的空時編碼裝置，該裝置包括-三個基本模塊，其中，每個模塊都適於接收三個數據符號，每個數據符號(ai)都由M個分量構成(其中，M＝3，或M≥5)，每個分量都可以取M′個值(其中，M′≥1)，每個基本模塊都包括至少一個線性組合模塊，且每個線性組合模塊都適於執行所述三個符號的等秩的分量的三個不同線性組合，以生成三個中間向量的等秩的三個相應分量；-多個置換模塊，其中，每個置換模塊都適於對所述中間向量的多個分量執行置換；
-多路分配裝置，用於接收所述多個中間向量的多個分量或由置換模塊置換的這些向量的多個分量，以利用三個連續時間提供三個一組的所述九個向量。
本發明還由用於包括四個輻射元件的UWB傳輸系統的空時編碼方法來限定，其中，屬於PPM調製星座圖或PPM-PAM調製星座圖的且具有等於3或5、或者甚至大於或等於7的時間位置數的16個數據符號的塊(S＝(a1，...，a16))，被編碼成16個向量(cpq，p＝1，...，4；q＝0，...，3)，其中，每個向量的多個分量都用於調製用於所述系統的輻射元件的UWB脈衝信號並持續給定的傳輸間隔(Tf)，每個向量都由4個所述數據符號的不同線性組合得到，且在調製所述UWB脈衝信號前對所述向量(c13，c12，c23，c11，c22，c33)的子集進行多個分量的置換。
本發明最後還涉及用於實現上述方法的空時編碼裝置，該裝置包括-四個基本模塊，其中，每個基本模塊都適於接收四個數據符號，每個數據符號(ai)都由M個分量構成(其中，M＝3，或M＝5，或M≥7)，每個分量都可以取M′個值(其中，M′≥1)，每個基本模塊都包括至少一個線性組合模塊，且每個線性組合模塊都適於執行所述四個符號的等秩的分量的四個不同線性組合，以生成四個中間向量的等秩的四個相應分量；-多個置換模塊，其中，每個置換模塊都適於對所述中間向量的分量執行置換；-多路分配裝置，用於接收所述中間向量的多個分量或由置換模塊置換的這些向量的多個分量，以利用四個連續時間提供四個一組的所述的16個向量。


參照附圖，閱讀了本發明的優選實施例後，本發明的其他特徵和優點將會變得顯而易見，附圖中圖1示意性地示出了利用現有技術的STBC碼的MIMO傳輸系統；圖2A～圖2C示出了TH-UWB、DS-UWB、TH-DS-UWB信號的相應形式；圖3示出了PPM-PAM星座圖的實例；圖4示意性地示出了根據本發明的使用第一空時編碼的MIMO傳輸系統；圖5示意性地示出了根據本發明實施例的第一空時編碼器的結構；圖6示意性地示出了用於構成圖5的空時編碼器的基本模塊的結構；圖7示意性地示出了用於構成圖5的空時編碼器的置換模塊的結構；圖8示意性地示出了根據本發明的使用第二空時編碼的MIMO傳輸系統；圖9示意性地示出了根據本發明的實施例的第二空時編碼器的結構；以及圖10示意性地示出了用於構成圖9的空時編碼器的基本模塊的結構。
具體實施例方式
本發明旨在生成空時碼，在通過多個天線的能量的不平衡分布的起始處，該空時碼不具有出現在完全碼(4)中的複雜值(如所述，與UWB脈衝信號的使用不一致)且不具有在碼(13)和(14)中出現的標量值 所提出來的空時碼被用於具有使用UWB脈衝信號的三個或四個傳輸天線的MIMO系統，在UWB脈衝信號中，使用具有對PPM調製的基數M的某些約束的PPM-PAM調製對數據符號進行調製。很顯然，對於本領域技術人員來說，在相同約束條件下，這種類型的調製特別地只包括PPM調製。我們將考慮具有三個傳輸天線的情況以及具有四個傳輸天線的情況。
對於3-天線系統，所提出的碼可以由如下的規模為3M×3的矩陣來表示C=17ua1+va2+wa3ua4+va5+wa6ua7+va8+wa9(wa7+ua8+va9)wa1+ua2+va3wa4+ua5+va6(va4+wa5+ua6)(va7+wa8+ua9)va1+wa2+ua3---(24)]]>其中的符號規則與表達式(13)相同。向量ai＝(ai，0，...，ai，M-1)(其中，i＝1，...，9)是數據符號，且Ω是規模為M×M的置換矩陣。例如，Ω為單循環移位(simple circular shift)矩陣
其中，IM-1×M-1是規模為M-1的單位矩陣，01×M-1是規模為M-1的零行向量，以及0M-1×1是規模為M-1的零列向量。
如上所述，矩陣C是實型的，並且不具有根據天線的非對稱權重。對於(25)中給出的Ω的表達式，例如可以更清楚地寫出C=17ua1,0+va2,0+wa3,0ua4,0+va5,0+wa6,0ua7,0+va8,0+wa9,0ua1,1+va2,1+wa3,1ua4,1+va5,1+wa6,1ua7,1+va8,1+wa9,1ua1,M-1+va2,M-1+wa3,M-1ua4,M-1+va5,M-1+wa6,M-1ua7,M-1+va8,M-1+wa9,M-1wa7,M-1+ua8,M-1+va9,M-1wa1,0+ua2,0+va3,0wa4,0+ua5,0+va6,0wa7,0+ua8,0+va9,0wa1,1+ua2,1+va3,1wa4,1+ua5,1+va6,1wa7,M-2+ua8,M-2+va9,M-2wa1,M-1+ua2,M-1+va3,M-1wa4,M-1+ua5,M-1+va6,M-1va4,M-1+wa5,M-1+ua6,0va7,M-1+wa8,M-1+ua9,M-1va1,0+wa2,0+ua3,0va4,0+wa5,0+ua6,0va7,0+wa8,0+ua9,0va1,1+wa2,1+ua3,1va4,M-2+wa5,M-2+ua6,M-2va7,M-2+wa8,M-2+ua9,M-2va1,M-1+wa2,M-1+ua3,M-1---(26)]]>根據(26)，我們看到以矩陣Ω相乘的結果包括對M個第二行和M個最後一行的第一列向量的置換，以及矩陣C的M個最後一行的第二列向量的置換。在第一幀(C的M個第一行)期間，三個天線的PPM位置的時間順序是相同的，而對於第二幀(C的M個第二行)和第三幀(C的M個第三行)來說，與符號a7，a8，a9有關的PPM位置和與符號a4，a5，a6，a7，a8，a9有關的那些PPM位置相對於符號a1，a2，a3的PPM位置進行置換。在上述實例中，置換是單循環移位。換句話說，在該特定實例中，所發生的一切就好像在第二幀期間符號a7，a8，a9的PPM-PAM星座圖以及在第三幀期間符號a4，a5，a6，a7，a8，a9的PPM-PAM星座圖(如圖3所示)被向右循環旋轉了一個位置。
通常，矩陣Ω是M階的置換矩陣。給定在三個連續幀期間由三個天線生成的UWB信號，則表達式(15)至(23)將被下列表達式(27)至(35)代替，而不考慮歸一化因子1/7第一幀s1(t)=n=0Ns-1m=0M-1(ua1,m+va2,m+wa3,m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(27)]]>s2(t)=n=0Ns-1m=0M-1(ua4,m+va5,m+wa6,m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(28)]]>s3(t)=n=0Ns-1m=0M-1(ua7,m+va8,m+wa9,m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(29)]]>第二幀s1(t)=Ns-1M-1(wa7,(m)+ua8,(m)+va9,(m))w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(30)]]>s2(t)=Ns-1M-1(wa1,m+ua2,m+va3,m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(31)]]>s3(t)=n=0Ns-1m=0M-1(wa4,m+ua2,m+va3,m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(32)]]>第三幀s1(t)=n=0Ns-1m=0M-1(va4,(m)+wa5,(m)+ua6.(m))w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(33)]]>s2(t)=n=0Ns-1m=0M-1(va7,(m)+wa8,(m)+ua9,(m))w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(34)]]>
s3(t)=n=0Ns-1m=0M-1(va1,m+wa2,m+ua3,m)w(t-nTs-c(n)Tc-m)---(35)]]>其中，σ為集合{0，1，...，M-1}的置換。
所提出的碼的矩陣Ω還可以是與其元素中的任何一個或多於一個的正負號的改變相關的置換矩陣(循環或非循環)。在(25)中給出的實例中，下面的矩陣也可以用於根據本發明的碼C 其中，χi＝±1。應該注意，與正負號翻轉相關的置換相當於在PPM-PAM星座圖(參照圖3)中執行PPM位置的混合，並關於用於與該翻轉有關的位置的PAM星座圖的零振幅軸對稱。
此外，空時碼的矩陣(24)的行和/或列的任何置換都相當於執行關於傳輸間隔和/或天線的簡單的置換，並同樣產生本發明意義上的空時碼。
此外，需要注意的是，不管所設想的碼的形式如何，對符號ai的指數的任何置換仍然是本發明意義上的空時碼，這是由於這樣的置換相當於在塊S中的簡單時間重排。
矩陣(24)的係數u，v，w由u＝-2+2θ0+3θ02、v＝-2+2θ1+3θ12、w＝-2+2θ2+3θ22限定。然而，與這些係數成比例的值導致碼的相同性能。可以靠損害編碼增益來去除該比例性(proportionality)的約束。然而，重要的是，係數u，v，w之間的比率為無理數，即u，v，w∈R-Q。可以看出比例性的±10％的偏差(換句話說，如果u＝λ0(-2+2θ0+3θ02)；v＝λ1(-2+2θ1+3θ12)；w＝λ2(-2+2θ2+3θ22)，其中，0.9|i-i|i1.1,]]>i，i′∈{0，1，2})不會明顯損害空時碼的性能。該容許量特別地可以以量化係數(例如，8位字節)來工作。
不管所設想的碼的形式如何，都是實型的。其使得可以通過用於一信道三用的三個天線來傳輸9個數據符號，因此以全碼率進行傳輸。還可以看出對於M＝3或M≥5以及M′≥1，碼具有最大分集。最後，其編碼增益高於由表達式(13)和(14)所限定的碼的編碼增益。
圖4示出了根據本發明的使用空時編碼的傳輸系統的實例。
系統400接收塊S＝(a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9)表示的數據符號，其中，ai是PPM-PAM星座圖的符號。可選地，在數據符號首先被映射到PPM-PAM星座圖的條件下，該數據符號可以來自另一個M.M′-ary星座圖。當然，數據符號可以由本領域技術人員已知的一個或多個運算得出，這些運算諸如信源編碼法、卷積型信道編碼法(convolutional-type channel coding)、利用塊、或利用串行或並行級聯卷積編碼(turbocoding)、交插編碼等。
數據符號塊在空時編碼器410中進行編碼運算。更具體地，模塊410根據(24)或根據上述所選擇的表達式來計算矩陣C的係數。由用於第一幀的C的M個第一行構成的三個列向量c10，c20，c30、由用於第二幀的C的M個下一行構成的三個列向量c11，c21，c31、以及由用於第三幀的C的M個最後一行的最後三個列向量c12，c22，c32被分別傳輸至UWB調製器420、425、427。本實例中的上部的指數表示幀，而下部的指數表示輻射元件430、435、或437。UWB調製器420基於向量c10，c11，c12生成相應的經過調製的UWB脈衝信號。類似地，UWB調製器425和427分別基於向量c20，c21，c22和c30，c31，c32生成相應的經過調製的UWB脈衝信號。例如，如果我們使用如圖所示的空時編碼矩陣(24)，則UWB調製器420連續地提供信號(27)、(30)、和(33)，而UWB調製器425連續地提供信號(28)、(31)、和(34)，UWB調製器427連續地提供信號(29)、(32)、和(35)。通常，用於支持調製的UWB脈衝信號可以是TH-UWB、DS-UWB、或TH-DS-UWB類型。如此調製的UWB脈衝信號於是被傳輸給輻射元件430、435、和437。這些輻射元件可以是UWB天線或用於紅外線領域中的與電光調製器相關的雷射二極體或LED。於是所提出的傳輸系統可以用於無線光遠程通信領域。
圖5示出了圖4的空時編碼器410的優選實施例。編碼器使用具有三個輸入端和三個輸出端的基本模塊510、515、517；置換模塊520以及具有9個輸入端和三個輸出端的多路分配器530。基本模塊510、515、517中的每一個都具有圖6中所示的結構。該基本模塊包括三個串-並轉換器610、三個並-串轉換器630和M個線性組合模塊620。根據一個實施例，這些模塊620中的每一個都執行下列的線性運算X＝ux+vy+wzY＝wx+uy+vz(37)Z＝vx+wy+uz其中，所有值都是標量；x，y，z是輸入值；X，Y，Z是輸出值。
模塊620可以由有線的乘法器和加法器構成，或可以利用微層序運算(microsequenced operation)來生成。
串-並轉換器610將M個連續的PAM符號的序列轉換為規模為M的向量。反過來，並-串轉換器630將規模為M的向量(PPM-PAM符號)轉換成M個連續的PAM符號的序列。
圖5的置換模塊520具有圖7所示的結構。每個置換模塊都具有輸入端和輸出端。串-並轉換器將M個PAM輸入符號的序列變換為由M個符號組成的字，該字表示PPM-PAM符號。相反，在輸出端，在模塊720中已經對字的符號進行了置換以後，並-串轉換器將字變換為M個連續的PAM符號的序列。
根據在模塊520中進行置換(因此，在置換後得到符號c12，c11，c22)之後的情況，圖5的多路分配器530接收來自基本模塊510、515、和517的空時碼的PPM-PAM符號(更具體的，為相應的PAM符號)，並在所需的時間將其傳輸至UWB調製器。為此，多路分配器530可以包括FIFO(先入先出)緩衝器，以延遲在第二和第三幀期間將被傳輸的符號的分量。
如果在矩陣Ω中存在正負號翻轉，則可以通過在模塊515和517中相對於有關分量來改變係數u，v，w的正負號進行考慮。更具體地，正負號的改變將在模塊515和517的線性組合模塊620中進行。
圖5～圖7所示的實施例利用了不同模塊之間的PPM-PAM符號的分量(特別是模塊515、517和520之間，以及模塊520和530之間)的串行化。然而，很明顯，對於本領域技術人員來說，多個結構實施例可以根據所需要的並行度來進行設計。例如，可以在不同的模塊之間逐個符號進行交換，在此情況中，可以完全或部分取消串-並和並-串轉換器。還通過以三倍於所述分量的碼率來對多個輸入進行多路復用，同時對多個輸出進行多路分配，從而可以在基本模塊中使用單個的線性組合模塊620。
下面將考慮用於具有四個傳輸天線的MIMO系統的空時編碼的實例。所提出的空時碼由下面的規模為4M×4的矩陣限定C=115c10c20c30c40c11c21c31c41c12c22c32c42c13c23c33c43---(38)]]>其中c10=u0a1+v0a2+w0a3+t0a4]]>c20=u0a5+v0a6+w0a7+t0a8]]>c11=(u1a13+v1a13+w1a15+t1a16)]]>c21=u1a1+v1a2+w1a3+t1a4]]>c12=(u2a9+v2a10+w2a11+t2a12)]]>c22=(u2a13+v2a13+w2a15+t2a16)]]>c13=(u3a5+v3a6+w3a7+t3a8)]]>c23=(u3a9+v3a10+w3a11+t3a12)]]>c30=u0a9+v0a10+w0a11+t0a12]]>c40=u0a13+v0a13+w0a15+t0a16]]>c31=u1a5+v1a6+w1a7+t1a8]]>c41=u1a9+v1a10+w1a11+t1a12]]>c32=u2a1+v2a2+w2a3+t2a4]]>c42=u2a5+v2a6+w2a7+t2a8]]>c33=(u3a13+v3a13+w3a15+t3a16)]]>c43=u3a1+v3a2+w3a3+t3a4]]>uq＝1；vq=-1-3q+q2+q3;]]>wq=-1-2q+q2+q3;]]>tq=-1+3q-q3;]]>q=2cos(2(q+1)15),]]>其中，q＝0，...，3，且指數q表示傳輸幀。向量ai＝(ai，0，...，ai，M-1)(其中，i＝1，...，16)是S的數據符號，且Ω是規模為M×M的置換矩陣。
考慮了空時碼的可選方案具有如上(即，在矩陣Ω中的係數正負號翻轉、在C中行和列的置換、以及數據符號指數ai的置換)應用的三個傳輸天線。此外，可以選擇與值uq、vq、wq、tq成比例(大於或基本與這些值成比例(具有±10％的誤差範圍))的係數，而對碼的性能基本無損害。
不管所考慮的碼的形式如何，其均是實型的。它還使16個數據符號能夠通過用於一通道四用的四個天線來傳輸，因此，可以以全碼率進行傳輸。還可以看出，對於M＝3，M＝5或M≥7及M′≥1，該碼具有最大分集。最後，其編碼增益高於現有技術中已知的編碼增益。
圖8示出了根據本發明的具有四個天線的使用空時編碼的傳輸系統的實例。
系統800接收16個符號的塊S的數據符號。在空時編碼器810中對數據符號塊進行編碼運算。更具體地，模塊810根據(38)或根據以上所考慮的可選方案來計算矩陣C的係數。由用於第一幀的C的M個第一行構成的四個列向量c10，c20，c30，c40、由用於第二幀的C的M個下一行構成的四個列向量c11，c21，c31，c41、由用於第三幀的C的下一M個行構成的四個列向量c12，c22，c32，c42、以及由用於第四幀的C的M個最後一行構成的四個列向量c13，c23，c33，c43分別傳輸至UWB調製器UWB 820、823、825、827。在該實例中，上部指數表示幀，而下部指數表示輻射元件830、833、835、或837。UWB調製器820基於向量c10，c11，c12，c13生成相應的經過調製的UWB脈衝信號。類似地，UWB調製器823、825和827分別基於向量c20，c21，c22，c23、c30，c31，c32，c33和c40，c41，c42，c43生成相應的經過調製的UWB脈衝信號。用於支持調製的UWB脈衝信號可以是TH-UWB、DS-UWB、或TH-DS-UWB類型。如此調製的UWB脈衝信號於是被傳輸給輻射元件830、833、835、和837。
圖9示出了圖8的空時編碼器810的優選實施例。編碼器使用具有四個輸入端和四個輸出端的基本模塊910、913、915、和917；置換模塊920以及具有十六個輸入端和四個輸出端的多路分配器930。基本模塊910、913、915、和917中的每一個都具有圖10所示的結構。該基本模塊包括四個串-並轉換器1010、四個並-串轉換器1030、以及M個線性組合模塊1020。根據一個實施例，這些模塊1020中的每個都執行下列的線性計算A＝u0a+v0b+w0c+t0dB＝u1a+v1b+w1c+t1dC＝u2a+v2b+w2c+t2d(39)D＝u3a+v3b+w3c+t3d其中，所有值都是標量；a，b，c，d是輸入值；A，B，C，D，是輸出值。
如上所述，模塊1020可以由有線乘法器和加法器構成，或可以利用微層序運算來生成。
串-並轉換器1010將M個連續的PAM符號的序列轉換為規模為M的向量。反過來，並-串轉換器1030將規模為M的向量(PPM-PAM符號)轉換成M個連續的PAM符號的序列。
圖9的置換模塊920具有圖5所示的結構，因此，將不再贅述。
根據在模塊920中進行置換(因此，在置換後得到符號c13，c12，c23，c11，c22，c33)之後的情況，圖9的多路分配器930接收來自基本模塊910、913、915、和917的空時碼的PPM-PAM符號(更具體地，為相應的PAM符號)，並在所需的傳輸時間將其傳輸至UWB調製器。為此，多路分配器930可以包括FIFO緩衝器，以延遲在第二、第三、和第四幀期間將被傳輸的符號的分量。
如果在矩陣Ω中存在正負號翻轉，則翻轉可以通過在模塊913、915和917中相對於有關分量來改變係數uk，vk，wk，tk的正負號來進行考慮。更具體地，正負號的改變將在後者的線性組合模塊1020中進行。
當然，在本實例中同樣根據所需的串行化，可以完全或部分取消串-並和並-串轉換器。還通過以四倍於所述分量的碼率來對多個輸入端處的分量進行多路復用，同時對多個輸出處的分量進行多路分配，從而可以在基本模塊中使用單個線性組合模塊1020。
由圖4或圖8所示的系統傳輸的UWB信號可以通過多天線接收機以傳統方式來進行處理。接收機可以例如包括Rake相關級(stage)，其後有使用本領域技術人員已知的球解碼器的決定級(decision stage)。
權利要求
1.用於包括三個輻射元件的UWB傳輸系統的空時編碼方法，其特徵在於，屬於PPM調製星座圖或PPM-PAM複合調製星座圖且具有等於3、或者大於或等於5的時間位置數量的九個數據符號的塊(S＝(a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9))，被編碼成九個向量(c10，c20，c30；c11，c21，c31；c12，c22，c32)，其中，每個向量的多個分量都用於調製用於所述系統的輻射元件的UWB脈衝信號，並持續給定傳輸間隔(Tf)，每個所述向量都由所述數據符號中的三個數據符號的不同線性組合得到，且在調製所述UWB脈衝信號之前對多個向量(c12，c11，c22)的子集進行多個分量的置換。
2.根據權利要求1所述的空時編碼方法，其特徵在於，在調製所述UWB脈衝信號之前，對均已經過所述置換的所述多個向量進行一個或多個分量的正負號翻轉。
3.根據權利要求1所述的空時編碼方法，其特徵在於，所述多個向量由以下其中相鄰的多行和/或多列進行置換、規模為3M×3的矩陣的多個M×1塊分量限定ua1+va2+wa3ua4+va5+wa6ua7+va8+wa9(wa7+ua8+va9)wa1+ua2+va3wa4+ua5+va6(va4+wa5+ua6)(va7+wa8+ua9)va1+wa2+ua3]]>其中，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9為所述數據符號，M是PPM調製的階數，Ω為所述多個向量的所述多個分量的M×M置換矩陣，所述Ω可以已經過或沒有經過其一個或多個係數(χi)的正負號翻轉，且係數u，v，w為使它們之間的相應比值均為無理數。
4.根據權利要求3所述的空時編碼方法，其特徵在於，所述係數u，v，w與以下相應的值-2+2θ0+3θ02、-2+2θ1+3θ12、-2+2θ2+3θ22的大約±10％成比例，其中，q=2cos(2(q+1)7),q=0,1,2.]]>
5.用於傳輸屬於PPM調製星座圖或PPM-PAM複合調製星座圖、且具有等於3、或者大於或等於5的時間位置數量的多個數據符號的方法，其中，通過根據用於所述九個向量的前述權利要求中的任一項所述的空時編碼方法對所述多個數據符號進行編碼，其中，所述九個向量中的每一個的多個分量都對組成UWB脈衝信號的多個脈衝的位置、或所述位置和振幅進行調製，以獲取九個經過調製的UWB脈衝信號，在三個連續的傳輸間隔期間，利用所述三個輻射元件分別傳輸所述九個信號。
6.用於包括四個輻射元件的UWB傳輸系統的空時編碼方法，其特徵在於，屬於PPM調製星座圖或PPM-PAM複合調製星座圖、且具有等於3或5、或者甚至大於或等於7的時間位置數量的十六個數據符號的塊(S＝(a1，...，a16))，被編碼成16個向量(cpq，p＝1，...，4；q＝0，...，3))，其中，每個向量的多個分量都用於調製用於所述系統的輻射元件的UWB脈衝信號並持續給定傳輸間隔(Tf)，每個所述向量都由所述多個數據符號中的四個數據符號的不同線性組合得到，且調製所述UWB脈衝信號前對多個向量(c13，c12，c23，c11，c22，c33)的子集進行多個分量的置換。
7.根據權利要求6所述的空時編碼方法，其特徵在於，在調製所述UWB脈衝信號之前，對均已經過所述置換的所述多個向量進行一個或多個分量的正負號翻轉。
8.根據權利要求6所述的空時編碼方法，其特徵在於，所述多個向量由以下其中相鄰的多行和/或多列進行置換、規模為4M×4的矩陣的多個M×1塊分量限定C=c10c20c30c40c11c21c31c41c12c22c32c42c13c23c33c43]]>其中，c10=u0a1+v0a2+w0a3+t0a4]]>c20=u0a5+v0a6+w0a7+t0a8]]>c11=(u1a13+v1a13+w1a15+t1a16)]]>c21=u1a1+v1a2+w1a3+t1a4]]>c12=(u2a9+v2a10+w2a11+t2a12)]]>c22=(u2a13+v2a13+w2a15+t2a16)]]>c13=(u3a5+v3a6+w3a7+t3a8)]]>c23=(u3a9+v3a10+w3a11+t3a12)]]>c30=u0a9+v0a10+w0a11+t0a12]]>c40=u0a13+v0a13+w0a15+t0a16]]>c31=u1a5+v1a6+w1a7+t1a8]]>c41=u1a9+v1a10+w1a11+t1a12]]>c32=u2a1+v2a2+w2a3+t2a4]]>c42=u2a5+v2a6+w2a7+t2a8]]>c33=(u3a13+v3a13+w3a15+t3a16)]]>c43=u3a1+v3a2+w3a3+t3a4]]>其中，a1，...，a16為所述數據符號，M是PPM調製的階數，Ω為所述多個向量的所述多個分量的M×M置換矩陣，所述Ω的已經過或沒有經過一個或多個係數(χi)的正負號翻轉，且所述係數uq，vq，wq，tq與以下相應值1、-1-3φq+φq2+φq3、-1-2φq+φq2+φq3、-1+3φq-φq3的大約±10％成比例，其中，q=2cos(2(q+1)15),q=0,...,3.]]>
9.用於傳輸屬於PPM調製星座圖或PPM-PAM複合調製星座圖、且具有等於3或5、或者甚至大於或等於7的時間位置數量的多個數據符號的方法，其中，利用根據權利要求6至8中的任一項所述的空時編碼方法對所述多個數據符號進行編碼以獲取所述十六個向量，其中，所述十六個向量中的每一個的所述多個分量都對組成UWB信號的多個脈衝的位置、或所述位置和振幅進行調製，以獲取十六個經過調製的UWB脈衝信號，在四個連續的傳輸間隔期間，利用所述四個輻射元件分別傳輸所述十六個信號。
10.根據權利要求5或9所述的傳輸方法，其特徵在於，所述輻射元件是UWB天線。
11.根據權利要求5或9所述的傳輸方法，其特徵在於，所述輻射元件是雷射二極體或電致發光二極體。
12.根據權利要求5、9、10、或11中任一項所述的傳輸方法，其特徵在於，所述脈衝信號是TH-UWB信號。
13.根據權利要求5、9、10、或11中任一項所述的傳輸方法，其特徵在於，所述脈衝信號是DS-UWB信號。
14.根據權利要求5、9、10、或11中任一項所述的傳輸方法，其特徵在於，所述脈衝信號是TH-DS-UWB信號。
15.用於實現根據權利要求1至4中任一項的所述方法的空時編碼裝置，其特徵在於，包括三個基本模塊(510、515、517)，其中，每個模塊都適於接收三個數據符號；每個所述數據符號(ai)都由M個分量構成，其中，M＝3，或M≥5；每個所述分量都可以取M′個值，其中，M′≥1；每個所述基本模塊都包括至少一個線性組合模塊(620)，且每個所述線性組合模塊都適於執行所述三個符號的等秩的多個分量的三種不同線性組合，以生成三個中間向量的等秩的三個相應分量；多個置換模塊(520)，其中，每個所述置換模塊都適於對所述中間向量的多個分量執行置換；以及多路分配裝置(530)，用於接收所述多個中間向量的所述多個分量或由所述多個置換模塊(520)置換的這些向量的多個分量，以利用三個連續時間提供三個一組的所述九個向量。
16.用於實現根據權利要求5至9中任一項所述的方法的空時編碼裝置，其特徵在於，包括四個基本模塊(910、913、915、917)，其中，每個所述基本模塊都適於接收四個數據符號，每個所述數據符號(ai)都由M個分量構成，其中，M＝3、或M＝5、或M≥7；每個所述分量都可以取M′個值，其中，M′≥1；每個所述基本模塊都包括至少一個線性組合模塊(920)，且每個所述線性組合模塊都適於執行所述四個符號的等秩的多個分量的四種不同線性組合，以生成四個中間向量的等秩的四個相應分量；多個置換模塊(920)，其中，每個所述置換模塊都適於對所述多個中間向量的多個分量執行置換；多路分配裝置(930)，用於接收所述多個中間向量的所述多個分量或由所述置換模塊(920)置換的這些向量的多個分量，以利用四個連續時間來提供四個一組的所述十六個向量。
17.根據權利要求15或16所述的編碼裝置，其特徵在於，每個所述基本模塊和每個所述置換模塊均在輸入端處包括用於將M個分量的序列轉換為由所述M個分量構成的M個符號的字的串-並轉換裝置(610、710、1010)，且均在輸出端處包括用於執行逆向操作的並-串轉換裝置(630、730、1030)。
全文摘要
本發明涉及用於包括三個或四個輻射元件的UWB傳輸系統的空時編碼方法。該方法還涉及用於利用該空時編碼傳輸屬於PPM調製星座圖或PPM－PAM複合調製星座圖的多個數據符號的方法。
文檔編號H04B1/69GK101051882SQ20071009044
公開日2007年10月10日 申請日期2007年4月6日 優先權日2006年4月7日
發明者裡耶伊利 沙迪·阿布 申請人:法國原子能委員會