提高多天线系统中发射分集的编码方法

摘要

一种提高多天线系统中发射分集的编码方法，包括步骤：多根天线以前后邻接为单位划分为一个发射单元；各个发射单元之间采用空时分组码；每个发射单元内部采用循环延迟分集CDD。本发明有效解决了正交的空时分组码在发射天线数大于2情况下编码速率降低的问题，同时，他利用了CDD分集原理，特别适合于频率选择性信道。另外，本方案的接收机几乎没增加复杂度，是一种性能和复杂度比较折中的发射分集方案。

权利要求

1.一种提高多天线系统中发射分集的编码方法，包括步骤：k

N根天线以前后邻接为单位划分为一个发射单元，N＝2，k＝2，3，4，5……；

各个发射单元之间采用空时分组码来编码；

每个发射单元内部采用循环延迟分集；

其中，所述循环延迟分集包括：

第一根发射天线不作处理；

将第二根发射天线上的信号做共轭运算后进行相位旋转M度或者将第二根发射天线上的信号做共轭运算后进行相位旋转M度再做共轭运算，M为 其中K为OFDM的IFFT大小，δ是满足 的取值，或者M为满足sin(M)＝0的取值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述空时分组码的编码具体为第一组天线上的信号为原始信号：x1，x2…xN/2，第二组天线上的信号为：第一个信号为x1的共轭取负数，剩余信号为相应原始信号取共轭；第三组天线上的信号为：第一个信号为x1的共轭取负数，第二个信号为x2的共轭取负数，剩余信号为相应原始信号取共轭；以此类推第N/2组天线上的信号为：x1到xN/2-1的共轭取负数，xN/2的共轭。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述空时分组码的具体映射为：其中*表示取共轭，-表示取负数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述空时分组码的编码具体为：第一组天线上的信号为原始信号：x1，x2…xN/2，第二组天线上的信号为：第一个信号为x1的共轭取负数，剩余信号为相应原始信号取共轭；第三组天线上的信号为：第一个信号为x1的共轭取负数，第二个信号为x2的共轭取负数，剩余信号为相应原始信号取共轭；以此类推第N/2组天线上的信号为：x1到xN/2-1的共轭取负数，xN/2的共轭；

在奇数组内部的两根天线上，将第二根天线的信号进行取共轭操作，然后再进行相位旋转M度；

在偶数组内部的两根天线上，将第二根天线的信号进行取共轭操作，进行相位旋转M度，然后再进行取共轭操作；

在N根发射天线上，将信号依次发射。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述N根天线上的信号互为正交。

说明书

提高多天线系统中发射分集的编码方法

技术领域

[0001] 本发明涉及多天线MIMO系统，特别涉及提高多天线系统中发射分集的编码方法。

背景技术

[0002] 多天线系统的现有发射分集方案中，主要有空时编码方案和循环延迟分集CDD(cyclic delay diversity)，传统的空时分组编码方案中，2发1收的alamouti方案是编码速率R＝1的满分集方案，性能最好，但扩展到发射天线数大于2时，满足正交的空时分组码编码速率R＜1，以牺牲传输速率换取可靠性。而循环延迟分集方案特别适用于频率选择性信道和多载波系统，性能没有空时分组码好，但在任何情况下的编码速率R＝1。

[0003] 满足正交性的空时分组码，当发射天线数大于2时，编码速率都降低到R＝1以下，且不是满分集，严重影响到系统的吞吐率，目前急需改进空时分组码的应用环境受限问题。而CDD发射分集方案虽然在任何情况下都能保证R＝1，但这种分集扩大了频率选择性衰落，性能不如空时分组码优异。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种提高多天线系统中发射分集的编码方法。

[0005] 为实现上述目的，一种提高多天线系统中发射分集的编码方法，包括步骤：

[0006] 多根天线以前后邻接为单位划分为一个发射单元；

[0007] 各个发射单元之间采用空时分组码；

[0008] 每个发射单元内部采用循环延迟分集CDD。

[0009] 本发明有效解决了正交的空时分组码在发射天线数大于2情况下编码速率降低的问题，同时，他利用了CDD分集原理，特别适合于频率选择性信道。另外，本方案的接收机几乎没增加复杂度，是一种性能和复杂度比较折中的发射分集方案。

附图说明

[0010] 图1是传统CDD发射分集；

[0011] 图2是传统CDD发射分集中，相邻两天线上信号示意；

[0012] 图3是4个发射天线情况下的新编码方案；

[0013] 图4是4个发射天线时的接收机；

[0014] 图5是8个发射天线情况下的编码方案；

[0015] 图6是Rayleigh衰落信道下4根发射天线时的误码率曲线；

[0016] 图7是Rayleigh衰落信道下8根发射天线时的误码率曲线。

具体实施方式

[0017] 传统的Alamounti空时编码，采用2发1收的方式，具体映射方式为：

[0018]

[0019] 这种编码方案与Alamounti编码是不同的。在时刻t，每个发送天线组上发送符号* *为x1，-x1，在时刻t+T，每个发送天线组上发送符号为：x2，x2。两个符号周期发送了两个符号，编码速率R＝1

[0020] 当发射天线数为4时，正交空时码的具体映射变为：

[0021]

[0022] 即：在时刻t，4根发射天线分别发送x1，x2，x3，x4，在时刻t+T，分别发送-x2，x1，-x4，x3；在时刻t+2T，分别发送-x3，x4，x1，-x2，在时刻t+3T，分别发送-x4，-x3，x2，x1，在* * * * * * * *时刻t+4T，分别发送x1，x2，x3，x4，在时刻t+5T，分别发送-x2，-x1，-x4，x3，在时刻t+6T，* * * * * * * *
分别发送-x3，x4，x1，-x2，在时刻t+7T，分别发送-x4，-x3，x2，x1。

[0023] 从(2)是清楚看出，8个符号时间内只发送了4个符号，该编码方案的编码速率为R＝1/2，所以系统的传输速率不高。

[0024] 编码速率下降是发射天线数大于2时，空时分组码最大的缺陷。

[0025] 传统的CDD发射分集方案中：

[0026] 如图1所示：当系统采用4发射天线数时，信号经过OFDM后为时域信号，OFDM之前为频域信号，根据数字信号处理理论：时域信号延时，等效于在频域偏移，也就是-jwτs(t-τ)→S(jω)e ，在频域偏移后的信号，经过OFDM后，等价于在时域做延时后的信号，等价于频域旋转，其原始频域信号等效为：

[0027]

[0028] 其中，K为OFDM的IFFT大小，δcy为天线间的时域延时量，经过K点的OFDM后，时域信号表示为：

[0029]

[0030]

[0031] 频域的相位偏移因子可以定义为：

[0032]

[0033] 频域编码可以表示为：

[0034]

[0035] CDD发射分集方案中，各发射天线上的信号如图2所示。传统CDD技术，是将时域信号作旋转，频域内是信号延迟，这是基本的数字信号处理原理。从图二可以看出：CDD编码中，在时间轴上，没有延时信号和经过延时发射的信号在时间上并没有任何延时，而是在相位上有旋转。

[0036] 本发明采用如下的空时分组编码方案，解决空时分组码编码速率下降的缺点：

[0037] 如图3所示：在4个发射天线情况下的OFDM-MIMO系统中，所有发射天线以前后邻接为单位划为一个发射单元，每个发射单元内部采用CDD，各个发射单元之间采用空时分组码，具体空时分组码编码方案如下：

[0038]

[0039] 这种编码方案与Alamounti编码是不同的。在时刻t，每个发送天线组上发送符号* *为x1，-x1，在时刻t+T，每个发送天线组上发送符号为：x2，x2。两个符号周期发送了两个符号，编码速率R＝1。

[0040] 经过(7)式编码后的信号输出到各个发射单元上，由于发射单元内部是CDD，所以各个发射天线上的信号可以表示为：

[0041]

[0042] 天线组内的CDD方案与传统CDD是不同的是作相位旋转外还有共轭运算，例如第1个发射天线组内，第一根发射天线不做处理，第2个发射天线上的信号，先做共轭运算使再作相位旋转，使 ，以获得空间正交性。

[0043] 第2个发射天线组内，第一根发射天线不做处理，第2根发射天线，做共轭---旋转---共轭运算，得到上面矩阵中的第4列信号。

[0044] 为了保证各个发射天线上的信号独立性，对各发射天线作内积运算。

[0045]

[0046]

[0047]

[0048]

[0049] 当

[0050] 此时，各发射天线上信号完全正交，但此时整个系统的空时编码速率R＝1。

[0051] 上述推导依次类推到8个发射天线的情况，如图5所示。

[0052] 八根发射天线又分成四组，这四个发射天线组的空时分组码为：

[0053]

[0054] 在时刻t，4个发送天线组上发送符号为：x1，-x1*，-x1*，-x1*；时刻t+T，4个发射* * * * * * * *组上符号为：-x1，x2，x3，x4，时刻t+2T，4个发射天线组上符号为：-x1，-x2，x3，x4，时刻* * * *
t+3T，4个发射天线组上的发射符号为：-x1，-x2，-x3，x4。4个时刻发送4个符号，编码速率R＝1。

[0055] 每组内有一个类似CDD的编码器，具体到每根发射天线上的信号为：

[0056]

[0057] 上式中，每相邻的两行为一个发射天线组，每组内为类CDD编码，组间为空时分组码。与4根发身天线类似；例如第1个发射天线组内，第一根发射天线不做处理，第2个发射天线上的信号，先做共轭运算使
再 作 相 位 旋 转， 使 第
二个发射天线组内，第一根天线不做处理，第二个发射天线上作先共轭，使
再 旋 转 使
再 共 轭 ， 第 三
个发射天线组内，第一根发射天线上不做处理，第二根天线上先共轭，使
再 做 旋 转 使
第4个发射天线组内，第一根天线上不做处理，第二根天线上先共轭，使
再旋转使 再共轭，使
经过这样编码后的信号空
间正交。对各发射天线上的信号作内积，按照传统内积运算：

[0058]

[0059]

[0060]

[0061]

[0062] 当

[0063] 注意，这里的Ts为符号持续周期，也就是一个OFDM符号持续的长短，Ts大小由带宽和子载波个数决定。

[0064] 推广到N根发射天线情况下，N＝(2^k，k＝2，3，4，5….)：将N根发射天线分成N/2组，每组二根天线，每组天线上空时编码矩阵为：

[0065]

[0066] 此矩阵为N/2xN/2矩阵，在时刻t时，N/2个天线组分别发送第一列，时刻t+T发送第二列，t+NT/2发送第N/2列。

[0067] 每组天线内部，做类CDD编码，具体编码方式为：

[0068] 其中 为天线组内的延时发射符号。

[0069]

[0070] N＝(2^k，k＝2，3，4，5….)，第n个发射天线 组来说，当n为奇数 时，发射组内第二根天线作共轭--＞旋转，n为偶数时，发射组内第二根天线作共轭--＞旋转--＞共轭运算，例如第n发射组，n为奇数，组内的第一根发射天线
不做处理，第二根发射天线做共轭使 再做旋转，
使 n 为 偶 数，组 内 的 第 一
根发射天线不做处理，第二根发射天线做共轭使
再 做 旋 转，使 再 共 轭 一 次，使

[0071] 为了验证信号的正交性，做内积运算：

[0072]

[0073]

[0074]

[0075] 当 时， 此时内积为零。

[0076] 本发明是很简单易实现的，具体4根发射天线编码及各根天线上的信号如图3所示，8根发射天线及各根天线上信号如图4所示。

[0077] 实现过程中，在OFDM多载波调制后，4根发射天线的具体空时分组码编码过程如下：

[0078] 1)先将4根发射天线分成两组，每组二根发射天线；

[0079] 2)空时编码是针对每组天线进行的，这两组天线间编码为：

[0080]

[0081] 3)每组天线内部采用CDD分集，与传统CDD不同的是，在发射延迟时，将信号作一次或二次共轭conj运算，这是确保信号正交的需要。具体共轭见图三。

[0082] 4)通过2和3的编码，确保每根发射天线上的信号互相正交，在空间获得满分集。

[0083] 8根发射天线的空时编码过程，与4根发射天线的编码过程类似：

[0084] 1)先将8根发射天线分成4组，每组2根发射天线；

[0085] 2)空时编码针对每组天线进行，这四组天线间编码为：

[0086]

[0087] 在时刻t，4个发送天线组上发送符号为：x1，-x1*，-x1*，-x1*；时刻t+T，4个发射组上符号为：-x1*，x2*，x3*，x4*，时刻t+2T，4个发射天线组上符号为：-x1*，-x2*，x3*，x4*，时刻t+3T，4个发射天线组上的发射符号为：-x1*，-x2*，-x3*，x4*。4个时刻发送4个符号，编码速率R＝1。

[0088] 3)每组天线内部采用CDD分集，同样为确保信号正交，也需要对信号作一次或二次共轭运算；

[0089] 在每个发射天线组内，第一根发射天线不做处理，第2个发射天线上的 信 号，先 做 共 轭运 算 使 再 作 相位 旋 转，使

[0090] 4)通过步骤2和步骤3的编码，就可以确保每根发射天线上的信号互相正交，获得满分集增益。

[0091] 显而易见，如上各个步骤的复杂度都是非常低的，说明整个编码过程是非常简单。

[0092] 图4是4个发射天线时的接收机。接收机中，译码过程是编码的逆过程，与编码过程完全类似。例如，在发射天线中，依次是：共轭---＞旋转---＞加循环前缀，在接收天线中，依次是：消除循环前缀----)反旋转---＞共轭。达到顺利解码目的。

[0093] 接收机设计：

[0094] 在t时刻，4根发射天线和4根接收天线情况下，每根接收天线上接收信号为：

[0095]

[0096]

[0097]

[0098]

[0099] 假设信道已知时，上述方程组是一个二元一次方程组，把(10)和(11)的解分成一组，再把(12)和(13)的解分成一组，把两组方程解作接收分集合并。从而获得接收分集增益。

[0100] MIMO本质上是信号在空间的复用和分集，而复用和分集又是一对矛盾，本发明提供的这种新型发射分集方案，很好的照顾到了复用和分集二者间的折中，保证发射分集的基础上又有很高的编码速率。为了验证本发明的效果，特做了如下条件下的仿真。

[0101] 主要是为了比较传统CDD，传统空时分组码，和本发明中的折中编码方案性能。

[0102] 仿真条件为：

[0103]混合空时频域联 传统Cyclic 传统空时分组
合编码 delay diversity 码
(CDD)
信道模型 Rayleigh Rayleigh Rayleigh
调制 QPSK QPSK QPSK
信道编码 无 无 无
发射方式 4×4或8×8 4×4或8×8 4×4或8×8
IFFT点数 64点 64点 64点
编码速率 1 1 0.5

[0104] Rayleigh衰落信道的多普勒频移为100Hz，载波频段为3GHz。CDD中延迟发射的延迟量δ为δ＝(64/4)Ts＝16Ts和δ＝(64/8)Ts＝8Ts，确保信号正交，这是一种特定的空间交织。

[0105] 在Rayleigh信道下，分别比较了传统CDD、传统空时分组码和本发明折中编码方案的性能，采用4根发射天线和8根发射天线时的误码率曲线如图6和图7所示。

[0106] 从图7和图6可以看出，相比较于传统的正交4发4收空时编码，联合空时编码的性能比正交空时编码性能要差大约1dB，但传输速率要高1倍；在相同传输速率下，比循环延时分集性能要好0.5-1dB，可见，本空时频域的联合编码，具有良好的分集性能，是空时编码与循环延时分集间的最佳折衷，具有很好的应用前景。