CN1735079A - 用于实现多路并行传输的空间信道编、解码方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种空间信道编码方法，包括步骤：按照预定的通信速率，输入一组串行的待编码的数据；根据预定的通信模式，采用相应的编码准则，对该组数据进行信道编码，以输出多路并行的编码信号，其中，该各路编码信号之间具有相关的冗余信息；将该各路编码信号相应地经由多个发射天线发送出去；由于该方法将信道编码和空间编码作为一个整体进行编码，因此即便接收机中只有一个接收天线，也能够根据该多路并行信号之间的相关冗余信息对接收信号进行解码，进而提高***的数据传输速率。

Description

用于实现多路并行传输的 空间信道编、解码方法及装置
发明领域
本发明涉及一种在无线通信***中实现多路并行数据传输的方法及装置，尤其涉及一种采用空间信道编、解码方法实现多路并行传输的方法和装置。
技术背景
随着移动通信的日益普及，单纯的移动语音通信已经不能满足人们获取信息的需要，而移动数据通信业务以其能够提供办公、娱乐、等更为方便、且信息量更为丰富的内容而显现出巨大的发展前景。因而，提供支持数据高速传输的高速分组数据服务(HPDS)，特别是提供从基站到用户终端的下行链路上的高速数据服务已经成为未来无线通信***的主要目标之一。
传统的单天线无线通信***通常采用对频带、时隙和扩频码的复用来提高数据业务的传输速率。例如，在多载波***中，***为每个用户分配多个频段，然后再将不同频段的信号复用在一起一同发送。而在时分多址***中，***也可将不同用户信息分配在不同的时隙内一同传输。除此之外，***还可以采用码分复用方式。图1示出了传统3GPP UMTS FDD单天线***的发射机和接收机结构。如图1所示，在发射机中，待发送数据经过卷积/Turbo(卷积或Turbo)编码(即，信道编码)、交织和符号映射后，先后与OVSF(正交可变扩频因子)码和扰码相乘，从而得到经过扩频和加扰处理的用户信号。这样，扩频后的多个码道信号就可通过码分方式复用在同一频带内，并通过脉冲成形和RF调制，形成射频信号。在接收机中，经由天线接收的射频信号经过RF、RRC滤波(均方根升余弦滤波)和过采样处理后，送入信道估计单元中估计出多个并行传输信道的信道特性。接着，解扩和检测单元在完成解扩的条件下，再利用该信道估计结果检测出接收信号。然后，检测出的符号信号经过符号解映射、解交织以及卷积/Turbo解码的处理，最终得到所需的比特信号。在如图1所示的发射机和接收机的结构中，通过码分复用，多个数据流的信号被复用在同一频段内，因而同样可达到提高数据传输速率的目的。
然而，随着无线通信的日益发展，传统通信***中可利用的频带、时隙和扩频码资源已经十分有限，如若要进一步提高数据的传输速率，一种解决办法是合理利用空间资源。近期提出的多入多出技术(MIMO)正是利用多个发射和接收天线，在空间上构造出多个并行的无线信道，从而通过充分利用空间资源，来提高***的数据传输速率。在现有的MIMO技术中，贝尔实验室分层时空(BLAST：Bell LabLayered Space Time)技术以其能够大幅度地提高数据传输速率，而成为典型的MIMO技术之一。
BLAST技术具有多种结构，其中不带任何信道编码的BLAST结构，由于发送信号中没有冗余信息，因而能最大化地利用空间信道传输数据，但遗憾的是，这种BLAST结构的信号传输质量较低。为了提高信号质量，在图2所示的采用BLAST结构的3GPP UMTS FDD***中，加入了信道编码单元，即卷积/Turbo编码器，其功能和作用与图1所示的卷积/Turbo编码器相同。与图1相比，在图2示出的BLAST发射机中，一路待发送数据经过卷积/Turbo编码器、交织器和符号映射单元的处理后送入BLAST单元310；在BLAST单元310中，一路待发送数据被分割为多个独立的子数据流；然后多个子数据流各自进行扩频和加扰处理，并分别与其他码道信号叠加，得到多路并行信号；这些并行信号再分别经过脉冲成形和RF的调制，最后经由多个发射天线发射给接收端。在接收端，接收机利用多个接收天线接收经由多路无线信道传输的信号，并分别完成RF、RRC滤波和过采样；然后在信道估计单元中估计出各信道的信道特性；接着，解扩和检测单元利用该信道估计结果处理解扩后的接收信号；随后，在BLAST检测单元410中将处理后的多路信号进行V-BLAST检测以恢复各天线上的传输数据，再将其转换为一路串行数据，最后再经过与图1相同的符号解映射器、解交织器和卷积/Turbo解码器的处理，得到所需比特数据。
图2所示的发射机和接收机，将信道编码和BLAST技术相结合，因而在实现多路并行传输的同时还能在一定程度上确保信号的质量。但是，这种BLAST结构是利用空间信道的非相关性来解调多路信号，所以接收机必须使用大于或等于发射天线数目的接收天线，只有这样才能基于MIMO信道的特性将各子数据流区分开来。但是，对于作为下行链路高速分组数据服务接收端的用户终端而言，由于其体积、尺寸和电池能耗的限制，接收天线的数目往往不能达到BLAST技术的要求，而且通常只有一个接收天线。所以，BLAST技术虽然能够大大提高数据的传输速率，但由于其要求接收机具有多天线以及多路RF处理单元，因而在现有条件下并不适于提供下行链路的高速分组数据服务。
近期除了BLAST技术以外，还提出了其他可应用于3GPP UMTSFDD***的MIMO技术，例如分天线速率控制(PARC：Per AntennaRate Control)，速率控制多径分集(RC MPD：Rate Control MultipathDiversity)和双空时发射分集-子分组速率控制(DSTTD-SGRC：Double Space Time Transmit Diversity-Sub-Group Rate Control)等。但是这些MIMO技术也同样需要在终端的处理过程中使用多个接收天线，如果从终端的实现及成本来看，也不适用于下行链路的高速传输。
基于以上分析，虽然MIMO技术可以实现高速数据传输，但其对用户终端接收天线个数的要求，使其应用范围受到限制。因而，需要寻找一种多路并行数据传输方法，使用这种方法即使用户终端内仅有一个接收天线依然能够实现高速数据传输。
在现有技术中，空时格码(STTC)技术可以应用于单接收天线，但目前已有的STTC仅给出了最多两个发射天线、16种状态的空时格码的网格图，而倘若需要采用更多的发射天线以提高传输速率、或采用更多的状态以提高编码增益，则以这种绘制格码图的方式设计空时格码，将会非常复杂。因此STTC的应用十分有限。其他使用单接收天线的技术，例如空时发射分集或波束赋形，均只考虑了如何改善分集增益，或者如何通过减少干扰来提高***性能，对于提高数据传输速率并没有贡献。
为此，有必要提出一种用于多路并行数据传输的方法，来保证用户终端即使在只有一个接收天线的情况下，仍然可以实现高速数据传输。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种用于多路并行传输的空间信道编、解码方法，使用该方法用户终端即使仅有一个接收天线依然可以实现多路并行数据传输，从而提高数据的传输速率。
按照本发明的一种空间信道编码方法，包括步骤：按照预定的通信速率，输入一组串行的待编码的数据；根据预定的通信模式，采用相应的编码准则，对该组数据进行空间信道编码，以输出多路并行的编码信号，其中，该各路编码信号之间具有相关的冗余信息；将该各路编码信号相应地经由多个发射天线发送出去。
按照本发明的一种空间信道解码方法，包括步骤：经由至少一个接收天线接收多路并行的编码信号，其中，该多路并行的编码信号是在一个发送端通过空间信道编码后经由相应的多个发射天线发送的，该各路编码信号之间具有相关的冗余信息；根据接收的导频信号，对传送该编码信号的多个无线信道进行信道估计；利用该信道估计结果，根据该空间信道编码，对该接收信号进行解码。
按照本发明的一种空间信道编码器，包括：多个编码支路，用于分别接收一组串行的待编码的数据；其中，每个编码支路由多个寄存器组成，根据预定的通信模式，采用相应的编码准则，每个编码支路对接收的该组数据进行信道编码；该多个编码支路，分别输出并行的编码信号，该各路编码信号之间具有相关的冗余信息；多个发射天线，用于相应地将该各路编码信号发送出去。
按照本发明的一种空间信道解码器，包括：至少一个接收天线，用于接收多路并行的编码信号，其中，该多路并行的编码信号是在一个发送端通过空间信道编码后经由相应的多个发射天线发送的，该各路编码信号之间具有相关的冗余信息；至少一个信道估计单元，用于根据接收的导频信号，对传送该编码信号的多个无线信道进行信道估计；一个解码模块，用于利用该信道估计结果，根据该空间信道编码，对该接收信号进行解码。
通过参考以下结合附图的说明以及权利要求书中的内容，并且随着对本发明的更全面的理解，本发明的其他目的及效果将变得更加清楚和易于理解。
附图简述
以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，其中：
图1示出单天线的3GPP UMTS FDD***的发射机和接收机的结构框图；
图2示出在3GPP UMTS FDD***中采用BLAST技术的发射机和接收机的结构框图；
图3是按照本发明的优选实施例的采用空间信道编、解码技术的发射机和接收机的结构框图，其中发射机具有多个发射天线，接收机仅有一个接收天线；
图4为按照本发明的优选实施例提出的在具有两个发射天线的发射机中使用的空间信道编码结构(architecture)；
图5为按照本发明的优选实施例提出的在具有三个发射天线的发射机中使用的空间信道编码结构；
图6是按照本发明的优选实施例的采用空间信道编、解码技术的发射机和接收机的结构框图，其中发射机和接收机均可采用多个天线；
图7为同为QPSK调制的分别采用带有信道编码的单天线结构、本发明提出的一种双发天线空间信道编码结构、以及两种BLAST结构的***中，测试出的误帧率性能的曲线图；和
图8为同为8PSK调制的分别采用带有信道编码的单天线结构、按照本发明的一种三发天线空间信道编码结构、以及两种采用BLAST结构的***中，测试出的误帧率性能的曲线图。
在所有附图中，相同的标号表示相似或相应的特征或功能。
发明详述
按照本发明的空间信道编码方法，将信道编码与多路并行结构相结合，通过在多路并行信号之间加入部分冗余信息以使得多路并行信号之间具有空间相关性，进而帮助在接收端的用户终端解调出该多路并行信号，以实现用户终端在有限的接收天线的条件下接收大批量的高速数据业务。
基于以上考虑，本发明提出了一种将信道编码和空间编码相结合的空间信道编码方法。具体而言，在发射机(例如基站)中，首先根据***要求的数据传输速率确定空间信道编码一次编码的输入比特数目，然后分别在多个支路中按照预定的编码规则同时对输入比特进行空间信道编码，并将编码后得到的多个编码比特通过***所使用的调制映射方式，转换为与发射天线数目相应的多路编码信号，从而可经由多个发射天线发送给接收端。在接收端(用户终端)内，接收机按照已知的编码规则，利用信道估计得出的多路信道的信道特性，对所接收的信号进行解码，从而将多路并行的编码信号转换为一路所需数据。经过这种空间信道编码方法处理，编码后的多路并行信号相互之间不仅具有时间相关性，还具有空间相关性，因此，在解码时充分利用这种空间和时间相关性，可大大降低对用户终端接收天线数目的要求。
以下将首先结合附图3-5，以3GPP UMTS FDD***内，用户终端接收机中仅有一个接收天线的情况为例，详细描述本发明所提出的空间信道编码(SCC：Spatial Channel Code)方法。
图3示出采用本发明所提出的空间信道编码方法的发射机(例如基站)和接收机(例如，用户终端)的结构框图。如图3所示，在发射机500中，待发送的数据首先送入空间信道编码结构510进行空间信道编码，其具体结构将在图4和图5中进行详细描述。待发送的用户数据经过空间信道编码结构510的处理，转换为具有空间相关性的多路并行的编码信号，然后每个并行支路的编码信号各自依次经历交织器102的交织处理、OVSF扩频单元103的OVSF码扩频、加扰器104的加扰处理、复用器105对多个码道的信号进行叠加、脉冲成形单元106将叠加的信号进行脉冲成形和RF(射频)单元107的调制形成多路射频信号，并经由多个发射天线发射到无线空间。
多路并行的射频信号经由无线信道的传输到达用户终端的接收机600。在本实施例中，接收机600只有一个接收天线。该接收天线的接收信号为经由多个并行空间信道传输的所有多路信号的叠加。RF单元208将天线接收到的多路射频信号转换为基带信号，并送入RRC滤波器和过采样单元206，以将模拟信号转换为离散(discrete)信号。所得到的离散信号在经过解扩和检测单元204的解扩处理和解交织器202的处理后送至空间信道解码结构610。而在信道估计单元220中，根据接收到的导频信号，对多个并行空间信道的信道特性进行估计。接着，空间信道解码结构610利用信道估计单元220所估计出的多路信道的信道特性，根据发送机500采用的空间信道编码结构510，对解交织后的叠加信号进行相应维特比软解码，从而将叠加在一起的多路并行信号一一解出，并在解码的同时将其多路并行信号转换为一路串行数据，即用户所需数据。该空间信道解码结构610利用估计的信道特性、进行维特比软解码的过程将在下文中详细说明。
在图3中，空间信道编码结构510是关键的处理单元，其担负着信道编码和空间编码的双重任务。图4和图5分别示出空间信道编码结构510的两种具体结构。图4示出当发射机500为两个发射天线，而接收机600只有一个接收天线的情况下，空间信道编码的结构。图5示出当发射机500为三个发射天线，而接收机600为一个接收天线的情况下，空间信道编码的结构。如图4和图5所示，在本发明的这两个实施例中，为了使结构更为紧凑，空间信道编码结构还包括符号映射单元103的功能。这样，输入到空间信道编码器的数据比特，经过处理后，将会得到多路经过相位/幅度(相位或幅度)调制的符号。当然，该符号映射单元也可以放置在空间信道编码结构的外部执行。
下面，首先参照图4介绍发射机500有两个发射天线，而接收机600只有一个接收天线的情况下，空间信道编码的结构。
如图4所示，空间信道编码结构包括4个并行的移位寄存器支路(图中，每个移位寄存器支路由一组寄存器D表示)，和两个QPSK(四相相移键控)映射单元，其中每个移位寄存器支路都用来完成一个信道编码，因而，也可称为信道编码支路。
在本实施例中，假设，***要求如图3所示的具有两个发射天线的发射机的数据传输速率为2b/s/Hz(b/s/Hz表示单位频谱、单位时间传输的比特数目)，且采用QPSK调制方式，则按照本发明的思想，根据数据传输速率(2b/s/Hz)，确定空间信道编码结构一次编码输入的比特数为2。同时，由于每个发射天线采用每两个比特对应一个符号的QPSK调制方式，且发射机具有两个发射天线，则相当于编码输出比特为4，因此，空间信道编码结构具有4个信道编码支路，且每两个支路输出的编码比特用来生成一个QPSK符号。这样，空间信道编码结构的编码率为1/2。
在确定了信道编码支路数目后，为了提高信号的抗干扰能力，可将每个信道编码支路中，用于进行信道编码的寄存器的个数设置为9，即图4中每个支路的编码器有9个寄存器D。由于一次编码需要处理2个输入比特信息，所以，9个寄存器D中只有7个保持上次编码处理后的移位状态，也就是说每个信道编码支路总共有27＝128个状态。这里需要指出，信道编码支路的状态可根据实际***的传输质量的要求进行设定，若***对信号质量的要求较高则可选择使用更多的寄存器。
按照以上设置，就构成了如图4所示的用于两个发射天线、一个接收天线情况下的数据传输速率为2b/s/Hz，具有128个状态的空间信道编码结构。
由图4可见，两个串行的数据比特b1和b2，同时移位进入4个并行的编码支路中的寄存器。每个处理支路按照预先设计好的编码规则(例如，第一个信道编码支路的生成码G0为101110011，第二个信道编码支路的生成码G1为010011100，其中，生成码的每一位对应一个寄存器。)进行编码处理。具体编码过程是将每个支路中生成码对应位为1的寄存器中存储的比特状态取出并完成模二求和(modulus 2加)，从而得到编码后的比特信息。然后，将第一、第二支路的编码比特结合在一起进行QPSK映射，从而得到将在第一个发射天线上发送的符号c1。同理，对第三、第四支路的编码比特进行QPSK映射，就得到在第二个发射天线上发送的符号c2。这样，按照图4所示结构就可以将一路串行数据编码映射为两路经过信道编码的并行信号，且这两路并行信号彼此之间具有空间的相关性。
在图4所示的空间信道编码结构中，为了提高信号的抗干扰能力，需要选择适当的编码规则，以使信号的误码率最小化。为此，这里提出对空间信道编码进行***设计的方法。由于编码***设计的一个基础是能够构造编码生成矩阵G，因而，下面将图4所示的结构扩展到一般情况，以构建空间信道编码的数学模型。
首先，假设输入到空间信道编码(SCC)结构的数据信息比特为B＝[b1，b2，.....，bK]，其中，K表示该SCC一次编码的比特数目。按照本发明的思想，K由***要求的数据传输速率决定，例如在图4所示结构中数据传输速率为2b/s/Hz，则K＝2。这样，经过空间信道编码得出的对应于第n个发射天线(其中，n＝1，2...N，N表示发射天线的数目)的符号cn可由下式表示：
c n = Φ [ ( D · G Qn - Q + 1 : Qn T ) ] - - - ( 1 )
其中D＝[B M]，M＝[bK+1，bK+2，.....，bK+S]表示寄存器中当前状态的信息比特，其中S为根据***性能要求确定的用于保存状态信息的寄存器个数，例如在图4所示结构中S＝7，即：D＝[b1，b2，.....，bKbK+1，bK+2，.....，bK+S]。G为编码生成矩阵，其中，编码生成矩阵G的上角标T表示矩阵转置，下角标中的Qn-Q+1：Qn表示矩阵中的第Qn-Q+1行到第Qn行阵元用于计算cn。公式(1)中Q表示***所使用的调制方式，例如***采用QPSK调制，则Q＝2，采用16QAM(16相正交幅度调制)，则Q＝4。由公式不难发现，每个发射天线的符号cn所对应的一组信道编码支路数目是由调制方式所对应的Q值确定的。例如，在图4所示的采用QPSK的结构中，Q＝2，则用于生成c1的生成编码为编码生成矩阵的第1行和第2行，也就是图4中示出的第一、第二两个信道编码支路。G的每一行对应一个信道编码支路的生成码，即：编码生成矩阵G的每一个阵元对应移位寄存器中的一个寄存器D，若该阵元为1，则该寄存器D中的比特将被取出进行模二运算。在公式(1)中用Φ(·)表示将编码后得到的值映射为相位符号的调制映射过程。例如在图4所示结构中，***采用QPSK映射，则Φ(·)表示为Φ(x)＝exp(πjx/2)，x＝1，2....4。
由上所述，空间信道编码过程可由公式(1)表示，这就构建出了空间信道编码的数学模型。其中，根据***实际的数据传输速率、发射天线数目及***所采用的调制方式，确定了编码生成矩阵的行数和列数，接下来的问题是如何确定编码生成矩阵G的阵元，即寻找适当的编码生成矩阵G来获得最佳的编码效果。
在发射天线数目与接收天线的数目的乘积不大于3的情况下，可采用如下的准则作为搜索编码生成矩阵G的依据：在根据编码生成矩阵G所生成的网格图中，各译码路径的对应的输出符号之间构成的差值矩阵B，使得矩阵A＝B*B’(B’表示该差值矩阵B的共轭转置)的秩/积(秩(rank)/积(product)表示：秩和积)的最小值最大化。在本实施例中，由于发射天线N＝2、接收天线数目M＝1，因而可以将该判据用作编码生成矩阵G的搜索判据。在搜索过程中，按照该矩阵A的秩/积的最小值最大化判据对每个编码生成矩阵G所对应的网格图进行判断，从而搜索到一个如公式(2)所示的最佳编码生成矩阵G
       当N＝2，M＝1， G = 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 - - - ( 2 )
该编码生成矩阵G的具体实现结构即为图4所示结构。
将如公式(2)所示的编码生成矩阵G代入到公式(1)中，即可得到对应于两个发射天线的并行编码信号，也就是图4所示结构的输出信号。按照图3所示发射机500的结构，这两路并行的编码信号分别经过交织、扩频、加扰、脉冲成形和调制，经由两个发射天线发射给用户终端接收机。在接收机中，如图3所示的空间信道解码结构610，根据信道估计单元220估计出的信道特性，按照如公式(2)所示的编码生成矩阵G所生成的网格图对接收信号进行维特比软解码。
维特比软解码的原理是：空间信道解码结构根据编码生成矩阵G，在由编码结构状态数确定的网格图中搜索每条路径，并找出与所接收信号误差最小的最佳路径，则最佳路径所对应的输入数据比特，即为解码出的所需数据。在本发明的实施例中，由于接收机600只有一个接收天线，接收信号是两路并行发射信号的叠加，例如r＝h1×c1+h2×c2+n，其中h为信道特性，n为高斯噪声。因而在路径搜索过程中，空间信道解码结构610将估计出的信道特性h1和h2作为权重乘上搜索路径上的编码信号c′1和c′2，再加权求和，从而得到待判断信号，即r′＝h1×c′1+h2×c′2。然后空间信道解码结构610将该待判断信号r’与接收信号r进行比较，生成一个度量值。该度量值表示r’与实际接收信号r之间的差距大小。维特比解码，在搜索过程中仅保留度量值最小的路径，最终搜索得到与实际接收信号差距最小的最佳路径，从而解出所需用户数据。
以上以发射机具有两个发射天线，接收机具有一个接收天线的情况为例详细描述了本发明所提出的空间信道编码方法和结构。本发明所提出的方法还可以应用于发射机具有三个发射天线(N＝3)，接收机仅有一个接收天线的情况(M＝1)。在这种情况下，假设***要求数据的传输速率为3b/s/Hz，则K＝3，即一次编码输入的比特数目为3，同时如果***采用8PSK(八相相移键控)调制方式，则Q＝3，且8PSK调制方式表示为Φ(x)＝exp(πjx/8)，x＝1，2....8。由此，根据公式(1)的要求，每个发射天线对应的信道编码支路数也为3。如果，此时采用128个状态(S＝7)的信道编码支路就可以满足***性能的要求，那么N＝3，M＝1，S＝7的编码生成矩阵就为9行、10列。此时依然可以采用使得该矩阵A的秩/积的最小值最大化判据来寻找适合的编码生成矩阵G。经过搜索，得出的N＝3，M＝1，S＝7的最佳编码生成矩阵G如公式(3)所示：
当N＝3，M＝1时， G = 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 - - - ( 3 )
按照公式(3)所示的编码生成矩阵G对连续三个输入数据比特b1、b2和b3进行编码处理。那么根据公式(1)中对用于生成cn的编码生成矩阵的行数为Qn-Q+1：Qn的要求，则输出符号c1为编码生成矩阵G中前三行所生成的编码比特的映射符号。
图5示出了按照公式(3)构造的用于三个发射天线，一个接收天线的3b/s/Hz、128个状态的空间信道编码结构。其基本原理与图4相同，不同之处在于一次编码可处理3个输入比特，共有9个并行的信道编码支路，每三个编码支路输出的编码比特组合在一起，进行8PSK的映射，从而得到三路并行的编码信号。利用图5所示的空间信道编码结构，发射机中对应地应具有三路交织、扩频、加扰、脉冲成形以及RF调制单元，以将三路编码信号转换为可从对应的发射天线发射出去的射频信号。
在接收端，由于同样采用单天线的接收机，因而接收机的结构与图3完全相同。只不过，接收信号包括经由三个信道传输的信号，即r＝h1×c1+h2×c2+h3×c3+n，因而图3中接收机的信道估计单元需要估计3个信道的信道特性h1、h2和h3。在空间信道解码结构进行维特比软解码时，待判断的信号是三个编码信号的加权和，即r′＝h1×c′1+h2×c′2+h3×c′3。将r’与接收信号r进行比较，生成一个度量值，并利用该度量值，在网格图中搜索出与实际接收信号差距最小的最佳路径，从而解出所需用户数据。
以上，结合附图4和附图5描述了在发射机500具有两个和三个发射天线，而接收机600具有一个接收天线的情况。当然，本发明所提出的方法并不局限在这两种情况，还可以应用在具有更多的发射天线的情况下，同时还可以应用在接收机具有多个接收天线的情况下。
图6示出了一种按照本发明的具有多个发射天线的发射机结构和具有多个接收天线的接收机的结构。与图3相比较，图6中，由于接收机700具有多个接收天线，相应地接收机包括多个接收处理支路，每个接收处理支路的组成单元与图3所示的单接收天线的接收处理支路相同，均包括RF单元208、RRC滤波和过采样单元206、解扩和检测单元204、解交织器202以及信道估计单元220。经过各接收处理支路处理的接收信号，以及各支路信道估计单元估计出的信道特性，一同送入空间信道解码结构710中，进行解码。与单接收天线情况不同，空间信道解码结构710在进行维特比软解码时，可以将多路接收信号进行加权求和得到最佳的接收信号，然后利用通过信道估计得到的信道特性，对接收信号进行解码，最终得到所需的用户数据。由此可见，在接收机中使用多天线接收可以提高信号的接收分集增益，从而降低信号的误码率。因此，当接收机中具有多个接收天线时，可以增加空间信道编码的编码率，以进一步提高数据的传输速率。
由图6可知，本发明所提出的方法，既可以应用在单接收天线的情况，也可应用在多接收天线的情况。这里需要指出，当发射天线的数目和接收天线的数目之积大于三时，上面所述的用于寻找最佳编码生成矩阵的判据将会发生变化。研究表明，当分集支路多于三时，多路多径衰落信道将转变为加性高斯白噪声(AWGN)信道。因此，这时，空间信道编码的编码判据将变为采用与传统的TCM(网格编码调制)判据相同的判据，例如：确保最小欧式距离最大化。甚或在这种具有较多天线的情况下，可直接选择TCM编码作为空间信道编码结构，从而将传统的只用于单天线的TCM，应用在多天线的情况下。
根据以上结合附图3-6对本发明实施例的介绍，不难发现在实际的应用***中可以根据数据传输速率的要求，以及实际的发射天线和接收天线数目的要求设计空间信道编码结构。表1列出了在不同天线配置和调制方式下，空间信道编码所能达到的数据速率、空间编码率以及分集度。在表1中标有SCC-I和SCC-II的空间信道编码结构分别为本发明实施例中图4和图5示出的结构。表1中的空间编码率为空间维度的编码率。例如，表1中四个发射天线、两个接收天线且使用16QAM(正交幅度调制)映射的情况，简写为4Tx-2Rx 16QAM情况。假设***要求数据速率为4b/s/Hz，则空间信道编码器一次编码的数据比特为4比特，经过各信道编码支路的编码后得到16比特的编码比特，则空间编码率为1/4。然后该16编码比特经过16QAM的映射处理后，由空间信道编码结构输出对应于4个发射天线的4个符号。此时由于接收天线为2个，因而分集度(diversity order)为8。由表中可以看出，在实际***中，根据***发射天线、数据传输速率，以及调制方式的要求，合理选择空间信道编码结构，可以在终端条件有限的情况下，实现较高速率的数据传输。
由于本发明所提出的这种空间信道编码方法是将信道编码与空间编码相结合来实现多路并行传输，因而与单天线收发结构和现有的BLAST技术相比较具有更好的***性能，这一点在仿真实验中得到了证实。
表1
不同发射、接收天线情况下空间信道编码的数据传输率、空间编码率和分集度
  (N，M)   空间编码率   调制方式   谱效率(bit/s/Hz)   分集度
  (2，1)(SCC-I)   1/2   QPSK   2   2
  (3，1)(SCC-II)   1/3   8PSK   3   3
  (4，1)   1/4   16QAM   4   4
  (2，2)   1/2   QPSK   2   4
  (3，2)   1/3   8PSK   3   6
  (4，2)   1/4   16QAM   4   8
表2示出了8种不同收发天线数目下不同结构的仿真参数。这八种结构共分为四组，分别是单收发天线(SISO：Single Input SingleOutput)结构、空间信道编码结构(SCC)、带有信道编码的BLAST结构(BLAST)以及不带信道编码的BLAST(nBLAST)结构。每一组中又包括两种具体结构分别用I和II来标识。每组中同为I的结构均为QPSK调制，同为II的结构为8PSK调制。表2中SISO-I和SISO-II结构不进行交织处理，且分别采用(2，1，9)和(3，1，9)两种编码方式进行信道编码，编码率分别为1/2和1/3，两种编码器均有256种状态。表2中列出的SCC-I和SCC-II是本发明给出的发射机分别采用两个和三个发射天线，而接收机为单天线接收的两个实施例的参数。在BLAST组中，BLAST-I和BLAST-II的信道编码结构与SISO-I和SISO-II相同。
对以上这8种结构的仿真实验是建立在假设传输信道为准静态平坦衰落信道，且数据传输时每帧数据的比特数均为130的前提下进行的，仿真实验的其他参数均按照3GPP UMTS FDD标准设定。
采用以上8种结构进行仿真实验，分别测试信号的信噪比与误帧率之间的性能指标，其仿真结果如图7和图8所示。
表2仿真参数
SISO-I SISO-II SCC-I SCC-II   BLAST-I   BLAST-II   nBALST-I   nBALST-II
  发射天线个数*接收天线个数 1*1 2*1 3*1 2*2 3*3 2*2 3*3
  信道编码   (2，1，9)   (3，1，9)   SCC-I   SCC-II   (2，1，9)   (3，1，9)   None   None
  调制映射   QPSK   8PSk   QPSK   8PSK   QPSK   8PSK   QPSK   8PSK
  传输信道                                           准静态平坦衰落信道
  每帧比特数                                                   130
  ***数据传输率(b/s/Hz) 1 1 2 3 2 3 4 9
图7示出了SISO-I、SCC-I、BLAST-I和nBLAST-I四种结构之间接收信号的误帧率随信噪比变化的曲线图。图8示出了SISO-II、SCC-II、BLAST-II和nBLAST-II四种结构之间接收信号误帧率随信噪比变化的曲线图。在图7和图8中，横坐标为接收信号的信噪比SNR，纵坐标为误帧率FER。参见图7，不难看出，在FER相同的情况下，例如当FER＝10-1时，四种***方案中，采用SCC-I方案，***所能容忍的接收信号的信噪比最低，且要比采用SISO-I的方案低4dB，比BLAST-I低3dB。参见图8，同样，在FER相同的情况下，例如当FER＝10-1时，四种***方案中，采用SCC-II方案，***所能容忍的接收信号的信噪比依然是最低，且要比采用SISO-II的方案低1dB，比BLAST-II低3dB。由此可见，SCC具有良好的***性能。
在仿真实验中，还测量了***的数据传输速率，***数据传输速率只是***频谱效率的表现，其单位是b/s/Hz，测量结果在表2中的最后一行中列出。由表2示出的数据传输速率可见，空间信道编码方案的数据传输速率远高于单天线结构。虽然BLAST结构具有最高的数据传输速率，但由图7和图8显而易见，BLAST结构的误帧率最差，而且还必须使用多接收天线，因而SCC与BLAST相比，更适于提供下行链路的高速数据业务。
有益效果
通过以上结合附图对本发明实施例的详细描述，可以看出，将信道编码和空间编码作为一个整体进行编码的空间信道编码方法，可以在接收机中的接收天线数目有限的情况下，甚至在接收机中只有一个接收天线时，实现多路并行传输，从而提高***的数据传输速率，因而非常适用于下行链路的高速分组数据服务。
而且，本发明所提出的空间信道编码与现有的STTC相比，可具有更多的发射天线，更多的信道编码状态(例如，128个状态)，以进一步提高分集增益和编码增益；同时本发明提出的空间信道编码的设计方法，还可以根据发射机采用的通信速率、通信质量、调制方式和发射天线数目，灵活地确定空间信道编码，从而便于实际地应用。
此外，本发明还提出了当发射天线和接收天线数目之积大于3时，空间信道编码生成矩阵的判据为最小欧式距离最大化，且适合采用TCM编码方法，为今后***扩展提供了可行的方法。
本领域技术人员应当理解，对上述本发明所公开的空间信道编码方法和装置，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (38)

1、一种空间信道编码方法，包括步骤：
(a)按照预定的通信速率，输入一组串行的待编码的数据；
(b)根据预定的通信模式，采用相应的编码准则，对该组数据进行信道编码，以输出多路并行的编码信号，其中，该各路编码信号之间具有相关的冗余信息；
(c)将该各路编码信号相应地经由多个发射天线发送出去。
2、如权利要求1所述的空间信道编码方法，其中，步骤(b)包括：
(b1)根据该多个发射天线的数目，确定用于信道编码的相应的支路组；
(b2)根据预定的调制模式，确定各支路组所包括的用于信道编码的支路；
(b3)根据相应的编码准则，对输入到该多个支路中的该组数据进行编码。
3、如权利要求2所述的空间信道编码方法，其中，步骤(b2)还包括：
根据通信质量的要求，确定在所述支路中的用于信道编码的多个寄存器；
其中，在该步骤(b3)中，根据相应的编码准则，对输入到所述支路中的该多个寄存器的该组数据进行编码。
4、如权利要求3所述的空间信道编码方法，其中，步骤(b3)包括：
根据相应的编码准则，选择该多个支路中的相应的多个寄存器的输出数据；
根据该输出数据，生成该多个支路的编码数据。
5、如权利要求4所述的空间信道编码方法，步骤(b3)还包括：
根据所述调制模式，将该生成的多个支路的编码数据进行符号映射，以输出所述多路并行的编码信号。
6、如权利要求5所述的空间信道编码方法，其中，所述调制模式至少是BPSK(二相相移键控)、QPSK(四相相移键控)、8PSK(八相相移键控)和QAM(正交幅度调制)中的任意一种。
7、如权利要求3所述的空间信道编码方法，其中，若所述发射天线的数目与接收天线的数目的乘积不大于3，该接收天线是在一个接收端中用于接收所述发射天线所发送的编码信号，则所述编码准则采用：对于由所述多个支路和各支路中的多个寄存器构成的编码生成矩阵，在根据编码生成矩阵所生成的网格图中，各译码路径的对应的输出符号之间构成的差值矩阵，使得该差值矩阵与它的共轭转置矩阵相乘所得到的矩阵的秩和积的最小值最大化。
8、如权利要求7所述的空间信道编码方法，其中，若所述发射天线的数目与所述接收天线的数目的乘积大于3，则所述编码准则采用：使得在进行解码时的网格图中的最小欧式距离最大化。
9、如权利要求7所述的空间信道编码方法，其中，若所述发射天线的数目与所述接收天线的数目的乘积大于3，则所述编码准则采用传统TCM(网格编码调制)编码。
10、如权利要求1所述的空间信道编码方法，其中步骤(c)包括：
将使用不同扩频码扩频的编码信号进行复用，以经由同一根天线发送该复用的编码信号；
将各路复用的扩频编码信号相应地经由所述多个发射天线发送出去。
11、一种空间信道解码方法，包括步骤：
(a)经由至少一个接收天线接收多路并行的编码信号，其中，该多路并行的编码信号是在一个发送端通过空间信道编码后经由相应的多个发射天线发送的，该各路编码信号之间具有相关的冗余信息；
(b)根据接收的导频信号，对传送该编码信号的多个无线信道进行信道估计；
(c)利用该信道估计结果，根据该空间信道编码，对该接收信号进行解码。
12、如权利要求11所述的空间信道解码方法，其中，若在步骤(a)中经由多个接收天线接收该编码信号，则在步骤(b)中，根据接收的导频信号，分别对传送该编码信号的多个无线信道进行信道估计，且步骤(c)包括：
利用相应的信道估计结果，对多个接收的编码信号进行加权；
根据该空间信道编码，对加权后的信号进行解码。
13、如权利要求11或12所述的空间信道解码方法，其中，在步骤(c)中，使用维特比软解码方法对该接收信号进行解码。
14、如权利要求13所述的空间信道解码方法，其中，所述空间信道编码基于该发送端采用的通信模式。
15、如权利要求14所述的空间信道解码方法，其中，所述通信模式包括：通信速率、通信质量、调制模式和发射天线数目。
16、如权利要求15所述的空间信道解码方法，其中，若所述发射天线的数目与接收天线的数目的乘积不大于3，则所述空间信道编码采用的编码准则是：在根据编码生成矩阵所生成的网格图中，各译码路径的对应的输出符号之间构成的差值矩阵，使得该差值矩阵与它的共轭转置矩阵相乘所得到的矩阵的秩和积的最小值最大化。
17、如权利要求16所述的空间信道解码方法，其中，若所述发射天线的数目与所述接收天线的数目的乘积大于3，则所述空间信道编码采用的编码准则是：使得在进行维特比软解码时网格图中的最小欧式距离最大化。
18、如权利要求16所述的空间信道解码方法，其中，若所述发射天线的数目与所述接收天线的数目的乘积大于3，则所述空间信道编码是TCM(网格编码调制)编码。
19、一种空间信道编码器，包括：
多个编码支路，用于分别接收一组串行的待编码的数据；
其中，每个编码支路由多个寄存器组成，根据预定的通信模式，采用相应的编码准则，每个编码支路对接收的该组数据进行信道编码；
该多个编码支路，分别输出并行的编码信号，以相应地经由多个发射天线发送出去，该各路编码信号之间具有相关的冗余信息。
20、如权利要求19所述的空间信道编码器，其中：根据该多个发射天线的数目和预定的调制模式，确定所述编码支路。
21、如权利要求20所述的空间信道编码器，其中，每个编码支路包括的寄存器的数目基于通信质量的要求；根据相应的编码准则，由该每个编码支路中的相应的寄存器的输出数据，生成所述编码数据。
22、如权利要求21所述的空间信道编码器，其中，所述调制模式至少是BPSK(二相相移键控)、QPSK(四相相移键控)、8PSK(八相相移键控)和QAM(正交幅度调制)中的任意一种。
23、如权利要求19所述的空间信道编码器，其中，若所述发射天线的数目与接收天线的数目的乘积不大于3，该接收天线是在一个接收端中用于接收所述发射天线所发送的编码信号，则所述编码准则采用：对于由所述多个编码支路和各编码支路中的多个寄存器构成的编码生成矩阵，在根据编码生成矩阵所生成的网格图中，各译码路径的对应的输出符号之间构成的差值矩阵，使得该差值矩阵与它的共轭转置矩阵相乘所得到的矩阵的秩和积的最小值最大化。
24、如权利要求19所述的空间信道编码器，其中，若所述发射天线的数目与所述接收天线的数目的乘积大于3，则所述编码准则采用：使得在解码时的网格图中的最小欧式距离最大化。
25、如权利要求19所述的空间信道编码器，其中，若所述发射天线的数目与所述接收天线的数目的乘积大于3，则所述编码准则采用传统TCM(网格编码调制)编码。
26、如权利要求19所述的空间信道编码器，还包括：
多个复用单元，其中每个复用单元，用于将使用不同扩频码扩频的编码信号进行复用，以经由同一根天线发送该复用的编码信号；
其中，所述多个发射天线，将各路复用的扩频编码信号相应地发送出去。
27、一种空间信道解码器，包括：
一个解码模块，用于利用信道估计结果，根据接收信号的空间信道编码，对该接收信号进行解码；其中，该接收信号是经由至少一个接收天线接收的多路并行的编码信号，该多路并行的编码信号是在一个发送端通过空间信道编码后经由相应的多个发射天线发送的，该各路编码信号之间具有相关的冗余信息；该信道估计结果是至少一个信道估计单元，根据接收的导频信号，对传送该编码信号的多个无线信道进行信道估计得到的。
28、如权利要求27所述的空间信道解码器，还包括：
一个加权模块，用于利用多个信道估计单元根据多个接收天线接收的导频信号所得到的相应的信道估计结果，对多个接收信号分别进行加权；
其中，该解码模块，根据该空间信道编码，对加权后的信号进行维特比软解码。
29、如权利要求28所述的空间信道解码器，其中，所述空间信道编码基于该发送端采用的通信模式，该通信模式包括：通信速率、通信质量、调制模式和发射天线数目。
30、如权利要求29所述的空间信道解码器，其中，若所述发射天线的数目与接收天线的数目的乘积不大于3，则所述空间信道编码采用的编码准则是：在根据编码生成矩阵所生成的网格图中，各译码路径的对应的输出符号之间构成的差值矩阵，使得该差值矩阵与它的共轭转置矩阵相乘所得到的矩阵的秩或积的最小值最大化。
31、如权利要求30所述的空间信道解码器，其中，若所述发射天线的数目与所述接收天线的数目的乘积大于3，则所述空间信道编码采用的编码准则是：使得在进行维特比软解码时网格图中的最小欧式距离最大化。
32、如权利要求30所述的空间信道解码器，其中，若所述发射天线的数目与所述接收天线的数目的乘积大于3，则所述空间信道编码是TCM(网格编码调制)编码。
33、一种无线网络***，包括：
一个空间信道编码器，用于将待发送的串行数据进行空间信道编码，以输出多路并行的编码信号，该各路编码信号之间具有相关的冗余信息；
多个发射天线，用于相应地将该各路编码信号发送出去。
34、如权利要求33所述的无线网络***，其中，该空间信道编码器，包括：
多个编码支路，用于分别接收一组串行的待编码的数据；
其中，每个编码支路由多个寄存器组成，根据预定的通信模式，采用相应的编码准则，每个编码支路对接收的该组数据进行信道编码；
该多个编码支路，分别输出并行的编码信号，以相应地经由所述多个发射天线发送出去，该各路编码信号之间具有相关的冗余信息。
35、如权利要求34所述的无线网络***，其中：
所述编码支路基于该多个发射天线的数目和预定的调制模式而定，每个编码支路包括的寄存器的数目基于通信质量的要求而定，根据相应的编码准则，由该每个编码支路中的相应的寄存器的输出数据生成所述编码数据。
36、一种无线终端，包括：
至少一个接收天线，用于接收多路并行的编码信号，其中，该多路并行的编码信号是在一个发送端通过空间信道编码后经由相应的多个发射天线发送的，该各路编码信号之间具有相关的冗余信息；
至少一个信道估计单元，用于根据接收的导频信号，对传送该编码信号的多个无线信道进行信道估计；
一个空间信道解码器，用于利用该信道估计结果，根据该空间信道编码，对该接收信号进行解码。
37、如权利要求36所述的无线终端，还包括：
一个加权模块，用于利用多个信道估计单元根据多个接收天线接收的导频信号所得到的相应的信道估计结果，对多个接收信号分别进行加权；
其中，该空间信道解码器，根据该空间信道编码，对加权后的信号进行维特比软解码。
38、如权利要求37所述的无线终端，其中，所述空间信道编码基于该发送端采用的通信模式，该通信模式包括：通信速率、通信质量、调制模式和发射天线数目。
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