公开了采用多输入多输出方案的移动通信系统中编码/解码时空块代码的一种装置与方法。在该移动通信系统中，在采用多个发射天线的发射机中，如果输入待发射的信号，则根据预定编码方案前置编码该发射信号；根据发射天线的数目，时空映射前置编码的信号，以采用预定的时空块编码方案；以及通过将预定时空块编码方案用于时空映射的信号，借助发射天线发射时空映射的信号。
1.一种采用多个发射天线的发射机中编码时空块代码的方法，该方法包含以下步骤：当输入待发射的信号时，根据预定前置编码矩阵对该发射信号进行前置编码；
根据发射天线的数目，对前置编码的信号进行时空映射，以采用预定的时空块编码方案；以及通过将预定时空块编码方案用于时空映射的信号，借助发射天线发射时空映射的信号，其中，根据在其中分类发射天线的多个发射天线组，划分前置编码的信号；
其中，通过生成与多个发射天线的数目对应的Vandermonde矩阵、对该Vandermonde矩阵的两个连续列进行打孔、然后移动该打孔的Vandermonde矩阵的偶数行或奇数行来生成预定前置编码矩阵。
2.如权利要求1所述的方法，其中，当发射天线数目为四时，前置编码矩阵表示为或者 其中Θ表示前置编码矩阵， 并且
3.如权利要求1所述的方法，其中，当发射天线数目为四时，则前置编码矩阵表示为 或者 其中Θ表示前置编码矩阵，且|θ1-θ0|＝180n，其中n表示任意整数，0≤θ0，θ1≤2π。
当输入待发射的输入码元流[d1 d2 d3 d4] 时，根据预定前置编码矩阵前置编码该输入T T码元流[d1 d2 d3 d4]，以生成前置编码的码元流[r1 r2 r3 r4] ；
时空映射前置编码的码元流[r1 r2 r3 r4]，以采用预定的时空块编码方案，以生成时T T空映射的码元流[r1 r2] 与[r3 r4] ；以及T T
通过将预定时空块编码方案用于时空映射的码元流[r1 r2] 与[r3 r4]，借助发射天线T T发射时空映射的码元流[r1 r2] 与[r3 r4]。
5.如权利要求4所述的方法，其中，在所述时空映射的步骤中，将前置编码的码元流[r1 T Tr2 r3 r4] 分为待通过第一发射天线与第二发射天线发射的码元流[r1 r2] 以及待通过第T三发射天线与第四发射天线发射的码元流[r3 r4]。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述前置编码该输入码元流[d1 d2 d3d4] 的步骤表示为或者
其中Θ表示前置编码矩阵， 并且 ，r表示前置编码复数向量，r＝T
[r1 r2 r3 r4]，0≤θ0，θ1≤2π。
7.如权利要求6所述的方法，其中，码元r1与码元r2在预定第一时隙处通过第一发射* *天线与第二发射天线发射，码元-r2 与码元r1 在第一时隙之后的第二时隙处通过第一发射* *天线与第二发射天线发射，码元r3 与码元r4 在第二时隙之后的第三时隙处通过第三发射* *天线与第四发射天线发射，码元-r4 与码元r3 在第三时隙之后的第四时隙处通过第三发射天线与第四发射天线发射，并且，其中“*”表示共轭运算。
8.如权利要求5所述的方法，其中所述前置编码该输入码元流[d1 d2 d3 d4] 的步骤表示为或者
其中Θ表示前置编码矩阵，d表示输入码元流[d1 d2 d3 d4]，r表示前置编码的码元流T[r1 r2 r3 r4]， 且|θ1-θ0|＝180n，其中n表示任意整数，0≤θ0，θ1≤2π。
9.如权利要求8所述的方法，其中，码元r1与码元r2在预定第一时隙处通过第一发射* *天线与第二发射天线发射，码元-r2 与码元r1 在第一时隙之后的第二时隙处通过第一发射* *天线与第二发射天线发射，码元r3 与码元r4 在第二时隙之后的第三时隙处通过第三发射* *天线与第四发射天线发射，码元-r4 与码元r3 在第三时隙之后的第四时隙处通过第三发射天线与第四发射天线发射，以及其中“*”表示共轭运算。
10.一种采用多个发射天线的发射机中编码时空块代码的装置，该装置包括：前置编码器，用于：当输入待发射的信号时，根据预定前置编码矩阵前置编码该发射信号；
时空映射器，用于：根据发射天线的数目，时空映射该前置编码的信号，以采用预定的时空块编码方案；以及多个编码器，用于：通过将预定时空块编码方案用于时空映射的信号，借助发射天线发射该时空映射的信号，其中，根据在其中分类发射天线的多个发射天线组，划分前置编码的信号；
其中，通过生成与多个发射天线的数目对应的Vandermonde矩阵、对该Vandermonde矩阵的两个连续列进行打孔、然后移动该打孔的Vandermonde矩阵的偶数行或奇数行来生成预定前置编码矩阵。
11.如权利要求10所述的装置，其中，当发射天线数目为四时，前置编码矩阵表示为或者 其中Θ表示前置编码矩阵， 并且，0≤θ0，θ1≤2π。
12.如权利要求10所述的装置，其中，当发射天线数目为四时，前置编码矩阵表示为 或者 其中Θ表示前置编码矩阵，且|θ1-θ0|＝180n，其中n表示任意整数，0≤θ0，θ1≤2π。
当输入待发射的码元流[d1 d2 d3 d4]T时，前置编码器根据预定前置编码矩阵前置编码该输入码元流[d1 d2 d3 d4]T，以生成前置编码的码元流[r1 r2 r3 r4]T；
时空映射器时空映射该前置编码的码元流[r1 r2 r3 r4]T，以采用预定的时空块编码方案，以生成时空映射的码元流[r1 r2]T与[r3 r4]T；并且多个编码器中的两个编码器通过将预定时空块编码方案用于时空映射的码元流[r1 r2]T与[r3 r4]T，借助发射天线发射时空映射的码元流[r1 r2]T与[r3 r4]T。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述映射器将前置编码的码元流[r1r2 r3 r4]T分为待通过第一发射天线与第二发射天线发射的信号[r1 r2]T以及待通过第三发射天线与第四发射天线发射的信号[r3 r4]T。
15.如权利要求14所述的装置，其中，所述前置编码器通过如下前置编码输入码元流[d1 d2 d3 d4]T生成前置编码的码元流[r1 r2 r3 r4]T，或者
其中Θ表示前置编码矩阵， 并且 r表示前置编码复数向量，r＝[r1 r2 r3 r4]T，0≤θ0，θ1≤2π。
16.如权利要求15所述的装置，其中，所述两个编码器包括第一编码器与第二编码器，该第一编码器在预定第一时隙处通过第一发射天线与第二发射天线发射码元r1与码元r2，在第一时隙之后的第二时隙处通过第一发射天线与第二发射天线发射码元-r2*与码元r1*，该第二编码器在第二时隙之后的第三时隙处通过第三发射天线与第四发射天线发射码元r3*与码元r4*，在第三时隙之后的第四时隙处通过第三发射天线与第四发射天线发射码元-r4*与码元r3*，以及其中“*”表示共轭运算。
17.如权利要求14所述的装置，其中所述前置编码器通过如下前置编码该输入码元流[d1 d2 d3 d4]T生成前置编码的码元流[r1 r2 r3 r4]T，或者
其中Θ表示前置编码矩阵，d表示输入码元流[d1 d2 d3 d4]，r表示前置编码的码元流T[r1 r2 r3 r4]， ，且|θ1-θ0|＝180n，其中n表示任意整数，0≤θ0，θ1≤2π。
18.如权利要求17所述的装置，其中，所述两个编码器包括第一编码器与第二编码器，该第一编码器在预定第一时隙处通过第一发射天线与第二发射天线发射码元r1与码元*r2，在第一时隙之后的第二时隙处通过第一发射天线与第二发射天线发射码元-r2 与码元*r1，该第二编码器在第二时隙之后的第三时隙处通过第三发射天线与第四发射天线发射码* *元r3 与码元r4，在第三时隙之后的第四时隙处通过第三发射天线与第四发射天线发射码* *元-r4 与码元r3，以及
19.一种采用至少一个接收天线的接收机中解码时空块代码的方法，该时空块代码在发射机中通过利用预定前置编码矩阵由多个发射天线发射，该方法包含以下步骤：当通过接收天线收到信号时，通过对收到的信号进行信道估计，生成信道响应矩阵；
在考虑信道响应矩阵的情况下组合收到的信号；以及在考虑信道响应矩阵的情况下，根据组合的信号，恢复在发射机中发射的时空块代码作为信息码元，其中，通过生成与多个发射天线的数目对应的Vandermonde矩阵、对该Vandermonde矩阵的两个连续列进行打孔、然后移动该打孔的Vandermonde矩阵的偶数行或奇数行来生成预定前置编码矩阵。
20.如权利要求19所述的方法，其中，当发射天线数目为四时，前置编码矩阵表示为或者 其中Θ表示前置编码矩阵， 并且
21.如权利要求20所述的方法，其中，在所述恢复时空块代码的步骤中，将所组合的信号乘以信道响应矩阵，并且将乘以信道响应矩阵的所述组合的信号的每个元素估计为每一个信息码元。
22.如权利要求19所述的方法，其中，当发射天线数目为四时，前置编码矩阵表示为 或者 其中Θ表示前置编码矩阵， ，，且|θ1-θ0|＝180n，0≤θ0，θ1≤2π，其中n表示任意整数。
23.如权利要求22所述的方法，其中，在所述恢复时空块代码的步骤中，将所组合的信号乘以信道响应矩阵，并且将乘以信道响应矩阵的所述组合的信号的每个元素估计为每一个信息码元。
24.一种采用至少一个接收天线的接收机中解码时空块代码的装置，该时空块代码在发射机中通过利用预定前置编码矩阵由多个发射天线发射，该装置包含：信道响应矩阵生成器，用来：如果通过接收天线收到信号，则通过对收到的信号进行信道估计，生成信道响应矩阵；
信号组合器，用来：在考虑信道响应矩阵的情况下组合收到的信号；以及多个信号确定单元，用来：在考虑信道响应矩阵的情况下，根据组合的信号，恢复在发射机中发射的时空块代码作为信息码元，其中，通过生成与多个发射天线的数目对应的Vandermonde矩阵、对该Vandermonde矩阵的两个连续列进行打孔、然后移动该打孔的Vandermonde矩阵的偶数行或奇数行来生成预定前置编码矩阵。
25.如权利要求24所述的装置，其中，当发射天线数目为四时，前置编码矩阵表示为或者 其中Θ表示前置编码矩阵， 并且
26.如权利要求25所述的装置，其中，所述信号确定单元将所组合的信号乘以信道响应矩阵，并且将乘以信道响应矩阵的所述组合的信号的每个元素估计为每一个信息码元。
27.如权利要求26所述的装置，其中，当发射天线数目为四时，前置编码矩阵表示为 或者 其中Θ表示前置编码矩阵，且|θ1-θ0|＝180n，0≤θ0，θ1≤2π，其中n表示任意整数。
28.如权利要求27所述的装置，其中，所述信号确定单元将所组合的信号乘以信道响应矩阵，并且将乘以信道响应矩阵的所述组合的信号的每个元素估计为每一个信息码元。
利用多输入多输出方案的 移动通信系统中编码/解码时
空块代码的装置与方法
技术领域
[0001] 本发明涉及编码/解码代码的装置与方法，更具体地涉及利用多输入多输出(MIMO)方案的移动通信系统中编码/解码时空块代码以最大化分集增益与数据传送速度的装置与方法。
背景技术
[0002] 通信技术的首要问题是如何能够通过选定的信道高效可靠地传送数据。在当前开发的下一代多媒体移动通信系统中，重要的是：根据用于基于无线数据提供除基本语音通信之外的各种服务的高速通信系统要求，通过采用对于系统的适当的信道编码方案，来提高系统效率。
[0003] 但是，与有线信道不同，由于几个因素，例如多径干扰、阴影、传播衰减、时变噪声、干扰、以及衰落，移动通信系统中的无线信道条件会产生不可避免的误差，由此造成信息丢失。
[0004] 信息丢失会造成严重的失真，这会降低整体性能。一般地，为了减少该信息丢失，根据信道特性，采用各种误差控制技术，由此提高系统可靠性。这些误差控制技术中最基本的方案为采用纠错代码的方案。
[0005] 另外，采用分集方案，以去除由于衰落的通信不稳定性。分集方案分类为时间分集方案与空间分集方案，例如频率分集方案或天线分集方案。
[0006] 此处，天线分集方案表示采用多个天线的方案，该方案分为具有多个接收天线的接收天线分集方案、具有多个发射天线的发射天线分集方案、以及具有多个接收天线与多个发射天线的MIMO方案。
[0007] MIMO方案表示一种时空编码(STC)方案，其为预定编码方案，通过该方案借助多个发射天线发射已编码信号，从而将时间域中的编码扩展到空间域，由此达到较低的误差率。Vahid Tarokh(参考文件；Vahid Tarokh，″SpaceTime Block Coding From Orthogonal Design，″Institute of Electrical andElectronics Engineers(IEEE)Trans.on Info.，Theory，Vol.45，pp.1456-1467，July1999)提出了时空块编码(STBC)方案(为了高效利用天线分集方案而提出的方案之一)。时空块编码方案为扩展方案，使得S.M.Alamouti(参考文件；S.M.Alamouti，″A Simple Transmitter Diversity Scheme For WirelessCommunications″，IEEE Journal on Selected Area in Communications，Vol.16，pp.1451-1458，Oct.1998)提出的发射天线分集方案可以应用到至少两个发射天线。
[0008] 此后，将参照图1描述采用Vahid Tarokh提出的STBC方案以及四个发射天线(Tx.ANT)的MIMO移动通信系统中发射机的结构。
[0009] 图1为显示采用Vahid Tarokh提出的STBC方案以及四个发射天线(Tx.ANT)的MIMO移动通信系统中发射机的结构的方框图。
[0010] 该发射机包括：调制器100、串并(S/P)转换器102、时空块编码器104、以及四个发射天线(为第一发射天线(Tx.ANT 1)106至第四发射天线(Tx.ANT4)112)。
[0011] 当信息数据比特输入调制器100时，调制器100通过利用预定调制方案调制输入信息数据比特，创建调制码元，然后将调制码元输出到S/P转换器102。此处，调制方案可以为以下中的一个：二相移键控(BPSK)方案、正交相移键控(QPSK)方案、正交幅度调制(QAM)方案、脉冲幅度调制(PAM)方案、相移键控(PSK)方案等等。
[0012] S/P转换器102接收从调制器100输出的串行调制码元，将串行调制码元转换为并行调制码元，然后将转换后的码元输出到时空块编码器104。此处，假定从调制器100输出的串行调制码元为‘s1s2s3s4’。时空块编码器104通过时空编码从S/P转换器102接收的四个调制码元(s1，s2，s3，s4)，输出等式(1)中的调制码元。
[0013]
[0014] 在等式(1)中，G4表示对于通过四个发射天线发射的码元的编码矩阵。在等式(1)的矩阵中，每行的每个元素对应于时隙，每列的每个元素对应于对应时隙处的每个发射天线。
[0015] 即，在第一时隙处，分别通过第一发射天线106至第四发射天线112，发射码元s1，s2，s3，s4。类似地，在第八时隙处，分别通过第一发射天线106至第四发射天线112，发射码* * * *元-s4，-s3，s2，s1。
[0016] 如参照等式(1)所述，时空块编码器104通过对输入的调制码元进行负运算与共轭运算，控制输入的调制码元，以通过四个发射天线在八个时隙处发射。此处，可以达到对应于分集级别(order)的分集增益，这是因为通过四个发射天线发射的码元相互正交。
[0017] 参照图1描述了采用Vahid Tarokh提出的STBC方案以及四个发射天线(Tx.ANT)的MIMO移动通信系统中发射机的结构。此后，将参照图2描述对应于图1所示发射机结构的接收机结构。
[0018] 在图2中，接收机包括：多个接收天线(例如P个接收天线；第一接收天线(Rx.ANT1)200至第P接收天线(Rx.ANT P)202)、信道估计器204、信号组合器206、检测器208、并串(P/S)转换器210、以及解调器212。虽然假定接收机中接收天线数目不同于对应于图2接收机的发射机中发射天线数目，但是可以设想接收天线数目可以等于发射天线数目。
[0019] 如参照图1所述，在发射机中通过四个发射天线发射的信号分别通过第一接收天线200至第P接收天线202接收。第一接收天线200至第P接收天线202中的每一个将每个收到的信号输出到信道估计器204与信号组合器206。
[0020] 信道估计器204接收从第一接收天线200至第P接收天线202输入的信号，估计表示信道增益的信道系数，并且将信号输出给检测器208与信号组合器206。信号组合器206接收从第一接收天线200至第P接收天线202输入的信号、以及从信道估计器204输出的信号，组合信号以产生接收码元，然后将接收码元输出到检测器208。
[0021] 检测器208通过将从信号组合器206输出的接收码元乘以从信道估计器204输出的信道系数来生成假设码元，利用假设码元、对可在发射机中发射的所有码元计算判决统计，并且通过门限检测、检测在发射机中发射的调制码元，从而输出调制码元至并/串转换器210。
[0022] P/S转换器210接收并且转换从检测器208输出的并行调制码元为串行调制码元，然后将转换后码元输出到解调器212。解调器212接收从P/S转换器210输出的串行调制码元，并且利用对应于发射机中调制器100所采用的调制方案的解调方案，通过解调串行调制码元，恢复原始信息数据比特。
[0023] 如上所述，S.M.Alamouti提出的时空块编码方案不会产生数据率损失，并且可以提供与发射天线数目相同的最大分集级别，即使当发射机通过两个发射天线发射复数码元时也如此。
[0024] Vahid Tarokh提出的、通过扩展S.M.Alamouti提出的时空块编码方案的发射机与接收机两者的结构(参照图1与2描述)可以在具有相互正交的列的某种矩阵中利用时空块代码，提供最大分集级别，另外，参照图1与2描述的发射机与接收机两者的结构将数据率减少一半，这是因为四个复数码元在八个时隙处发射。另外，在快速衰落条件下，该结构会降低接收性能，这是因为需要八个时隙来发射一个信号块(即四个码元)。
[0025] 当基于如上所述的时空块编码方案通过至少四个发射天线发射信号时，发射N个码元需要2xn个时隙，由此增加了延时、并且产生了数据率损失。
[0026] 为了设计多天线通信系统(其通过至少三个发射天线发射信号)中具有全速率(full rate)的方案，Giannakis小组提出了基于复数域星座旋转的、利用四个发射天线的全分集全速率(full diversity full rate FDFR)STBC方案。
[0027] 此后，将参照图3描述采用Giannakis小组提出的STBC方案以及四个发射天线的MIMO移动通信系统中发射机的结构。
[0028] 在图3中，该发射机包括：调制器300、前置编码器302、时空映射器304、以及四个发射天线(为第一发射天线(Tx.ANT 1)306至第四发射天线(Tx.ANT 4)312)。如果输入信息数据比特，则调制器300通过利用预定调制方案调制该信息数据比特，生成调制码元，然后将调制码元输出到前置编码器302。此处，调制方案可以为以下中的一个：BPSK方案、QPSK方案、QAM方案、PAM方案、以及PSK方案。
[0029] 前置编码器302接收从调制器300输出的四个调制码元(即d1，d2，d3，d4)，编码码元，从而可以在信号空间中发生信号旋转，并且将编码信号输出到时空映射器304。此处，假定包含从调制器300输出的四个调制码元的输入调制码元流被称为“d”。前置编码器302通过对输入调制码元流d进行等式(2)的运算，生成复数向量“r”，并且将向量r输出到时空映射器304。
[0030]
[0031] 在等式2中，Θ表示前置编码矩阵。Giannakis小组提出的时空块编码方案采用Vandermonde矩阵(酉矩阵)作为前置编码矩阵。另外，等式2中的αi表达为等式(3)：
[0032] αi＝exp(j2π(i+1/4)/4)，i＝0，1，2，3 ...(3)
[0033] Giannakis小组提出的STBC方案不仅适合如上所述的利用四个发射天线的情况，而且可以容易地用于利用多于四个发射天线的情况。时空映射器304接收从前置编码器302输出的信号并对其进行时空编码，然后输出该信号作为等式(4)中调制码元：
[0034]
[0035] 在等式(4)中，S表示通过四个发射天线发射的码元的编码矩阵。在等式(4)的矩阵中，每行的每个元素对应于时隙，每列的每个元素对应于在对应时隙处的每个发射天线。
[0036] 换言之，在第一时隙处，通过第一发射天线306发射码元r1，并且不从剩余发射天线(即第二发射天线308至第四发射天线312)发射信号。类似地，在第四时隙处，通过第四发射天线312发射码元r4，并且不从剩余发射天线(即第一发射天线306至第三发射天线310)发射信号。
[0037] 等式(4)中的码元通过无线信道在接收机(未显示)中接收。接收机通过最大似然(ML)解码方案恢复调制码元流d。结果，接收机恢复信息数据比特。
[0038] Tae Jin Jeong与Gyung Hoon Jeon研究团队在2003年提出链接代码与前置编码器，其编码增益高于Giannakis小组提出的时空块编码方案。Tae JinJeong与Gyung Hoon Jeon研究团队通过对S.M.Alamouti提出的时空块代码进行链接，而非利用Giannakis小组提出的对角矩阵，进行了很大提高。
[0039] 此后，将参照图4描述采用Tae Jin Jeong与Gyung Hoon Jeon研究团队提出的STBC方案以及四个发射天线的MIMO移动通信系统中发射机的结构。
[0040] 图4为显示采用Tae Jin Jeong与Gyung Hoon Jeon研究团队提出的STBC方案以及四个发射天线的MIMO移动通信系统中发射机的结构的方框图。
[0041] 该发射机包括：前置编码器400、映射器402、延迟单元404、Alamouti编码器406与408、以及第一发射天线(Tx.ANT 1)410至第四发射天线(Tx.ANT 4)416)。如果输入信息数据比特，则前置编码器400接收四个调制码元，编码调制码元，从而可以在信号空间中发生信号旋转，然后将编码码元输出到映射器402。此后，假定包含四个调制码元的输入调制码元流被称为“d”。前置编码器400接收输入调制码元流d，并且可以前置编码该输入调制码元流d，如等式(5)所示：
[0042]
[0043] 在等式(5)中，αi等于‘αi＝exp(j2π(i+1/4)/4)，i＝0，1，2，3’。映射器402接收从前置编码器400输出的信号，并且输出基于两个元素([r1，r2]，[r3，r4])形成的向量。换言之，映射器402输出([r1，r2]T)与([r3，r4]T。
[0044] ([r1，r2]T)输入到Alamouti编码器406，([r3，r4]T)输入延迟单元404。延迟单元T T404延迟([r3，r4])一个时间段，然后将延迟的([r3，r4])输出到Alamouti编码器408。此处，Alamouti编码器表示采用S.M.Alamouti提出的时空块编码方案的编码器。
[0045] Alamouti编码器406控制从映射器402输出的([r1，r2]T)，以在第一时隙处通过第一发射天线410与第二发射天线412发射。Alamouti编码器408控制从映射器402输出T的([r1，r2])，以在第二时隙处通过第三发射天线414与第四发射天线416发射。用于通过多个天线发射Alamouti编码器406与408的输出信号的编码矩阵由等式(6)表示：
[0046]
[0047] 等式6所示的编码矩阵与等式4所示的编码矩阵不同之处在于：等式6所示的编码矩阵不是对角矩阵，但是通过Alamouti方案实现。与Giannakis小组提出的时空块编码方案相比，Tae Jin Jeong与Gyung Hoon Jeon研究团队提出的时空块编码方案通过采用基于Alamouti方案的发射类型，增加了编码增益。
[0048] 但是，当采用Tae Jin Jeong与Gyung Hoon Jeon研究团队提出的时空块编码方案时，接收机必须对从前置编码器输出的所有可能元素进行运算，以恢复发射机中发射的信息数据比特。例如，当发射天线数目为四时，必须对所有16个元素进行运算，并且没有值为零的元素。即，在接收机中，计算量所导致的负担增加，这是因为发射机中发射的信息数据比特通过ML解码方案恢复。
[0049] 相应地，希望提供一种时空块编码的装置与方法，其通过全分集全速率最小化复杂度与计算量。
发明内容
[0050] 相应地，作出本发明以解决现有技术中发生的上述问题，并且本发明的目的在于提供一种装置与方法，用来在MIMO移动通信系统中编码/解码具有全分集全速率的时空块代码。
[0051] 本发明的另一目的在于提供一种装置与方法，用来在MIMO移动通信系统中编码/解码时空块代码，同时最小化复杂度与计算量。
[0052] 为了达到以上目的，提供了一种采用多个发射天线的发射机中编码时空块代码的装置，该装置包括：前置编码器，用于：如果输入待发射的信号，则根据预定编码方案对该发射信号进行前置编码；时空映射器，用于：根据发射天线的数目，时空映射该前置编码的信号，以采用预定的时空块编码方案；以及多个编码器，用于：通过将预定时空块编码方案用于时空映射的信号，借助发射天线发射该时空映射的信号。
[0053] 根据本发明的另一方面，提供了一种采用包括第一发射天线、第二发射天线、第三发射天线、第四发射天线的四个发射天线的发射机中编码时空块代码的装置，该装置包含：前置编码器，用于：如果输入待发射的码元流‘d1d2d3d4，则根据预定前置编码矩阵前置编码该输入码元流‘d1d2d3d4，以生成前置编码的码元流‘r1r2r3r4’；映射器，用于：时空映射前置编码的‘r1r2r3r4’，以采用预定的时空块编码方案，以生成时空映射的码元流‘r1r2’与‘r3r4’；以及两个编码器，用于：通过将预定时空块编码方案用于时空映射的码元流‘r1r2’与‘r3r4’，借助发射天线发射时空映射的码元流‘r1r2’与‘r3r4’。
[0054] 根据本发明的另一方面，提供了一种采用至少一个接收天线的接收机中解码时空块代码的装置，该时空块代码在发射机中通过利用预定前置编码矩阵由多个发射天线发射，该装置包含：信道响应矩阵生成器，用来：如果通过接收天线收到信号，则通过对收到的信号进行信道估计，生成信道响应矩阵；信号组合器，用来：在考虑信道响应矩阵的情况下组合收到的信号；以及多个信号确定单元，用来：在考虑信道响应矩阵的情况下，根据组合的信号，恢复在发射机中发射的时空块代码作为信息码元。
[0055] 根据本发明的另一方面，提供了一种采用多个发射天线的发射机中编码时空块代码的方法，该方法包含以下步骤：如果输入待发射的信号，则根据预定编码方案前置编码该发射信号；根据发射天线的数目，时空映射该前置编码的信号，以采用预定的时空块编码方案；以及通过将预定时空块编码方案用于时空映射的信号，借助发射天线发射时空映射的信号。
[0056] 根据本发明的另一方面，提供了一种采用包括第一发射天线、第二发射天线、第三发射天线、第四发射天线的四个发射天线的发射机中编码时空块代码的方法，该方法包含以下步骤：如果输入待发射的输入码元流‘d1d2d3d4，则根据预定编码矩阵前置编码该输入码元流‘d1d2d3d4，以生成前置编码的码元流‘r1r2r3r4’；时空映射该前置编码的‘r1r2r3r4’，以采用预定的时空块编码方案，以生成时空映射的码元流‘r1r2’与‘r3r4’；以及通过将预定时空块编码方案用于时空映射的码元流‘r1r2’与‘r3r4’，借助发射天线发射时空映射的码元流‘r1r2’与‘r3r4’。
[0057] 根据本发明的另一方面，提供了一种采用至少一个接收天线的接收机中解码时空块代码的方法，该时空块代码在发射机中通过利用预定前置编码矩阵由多个发射天线发射，该方法包含以下步骤：如果通过接收天线收到信号，则通过对收到的信号进行信道估计，生成信道响应矩阵；在考虑信道响应矩阵的情况下组合收到的信号；以及在考虑信道响应矩阵的情况下，根据组合的信号，恢复在发射机中发射的时空块代码作为信息码元。
附图说明
[0058] 从参照附图的以下详细描述中，可以更清楚地看出本发明的以上以及其他目的、特征、以及优点，其中：
[0059] 图1为显示采用Vahid Tarokh提出的STBC方案以及四个Tx.ANT的MIMO移动通信系统中发射机的结构的方框图；
[0060] 图2为显示对应于图1所示发射机结构的接收机的结构的方框图；
[0061] 图3为显示采用Giannakis小组提出的STBC方案以及四个Tx.ANT的MIMO移动通信系统中发射机的结构的方框图；
[0062] 图4为显示采用Tae Jin Jeong与Gyung Hoon Jeon研究团队提出的STBC方案以及四个Tx.ANT的MIMO移动通信系统中发射机的结构的方框图；
[0063] 图5为显示用来执行根据本发明实施例的功能的、采用时空块编码方案以及四个Tx.ANT的MIMO移动通信系统中发射机的结构的方框图；
[0064] 图6为显示图5前置编码器中前置编码矩阵生成器的内部结构的方框图；
[0065] 图7为显示图5发射机操作过程的流程图；
[0066] 图8为显示对应于图5的发射机结构的接收机的结构的方框图；
[0067] 图9为显示图8接收机操作过程的流程图；
[0068] 图10为显示对于根据本发明实施例的前置编码矩阵的 与(0≤θ0，θ1≤2π)、当在0到360度范围内将θ0与θ1改变单个度数时的编码增益的模拟结果的图示；以及
[0069] 图11为显示根据本发明实施例的STBC方案的性能与典型STBC方案的性能的图示。
具体实施方式
[0070] 此后，将参照附图详细描述本发明的优选实施例。请注意：只要可能，附图中相同或类似的组件由相同的附图标记表示，尽管它们在不同的附图中显示也如此。在以下对本发明的描述中，当可能使本发明主题不清楚时，将省略对融入本文的公知的功能与配置的详细描述。
[0071] 本发明提出了一种采用多输入多输出(MIMO)方案的移动通信系统中具有全分集全速率(FDFR)的时空块编码方案。具体地，本发明提出了一种时空块编码/解码的装置与方法，其通过FDFR最小化复杂度与计算量。
[0072] 图5为显示用来执行根据本发明实施例的功能的、采用时空块编码方案以及四个发射天线的MIMO移动通信系统中发射机的结构的方框图。
[0073] 在对图5进行详细描述之前，将概括地描述采用根据本发明实施例提出的时空块编码方案以及四个发射天线的MIMO移动通信系统中发射机的结构。以如下方式构造该系统，从而对于与常规技术中描述的、通过采用Tae JinJeong与Gyung Hoon Jeon研究团队提出的时空块编码方案以及四个发射天线的MIMO移动通信系统中发射机的结构获得的分集增益与数据率相同的分集增益与数据率，最小化复杂度与计算量。
[0074] 换言之，根据本发明实施例的发射机具有与Tae Jin Jeong与Gyung HoonJeon研究团队提出的MIMO移动通信系统中发射机相同的硬件结构。但是，本发明提出了前置编码器的一种新运算，由此最小化复杂度与计算量。
[0075] 参照图5，根据本发明实施例的发射机包括：前置编码器500、映射器502、延迟单元504、Alamouti编码器506与508、以及第一发射天线(Tx.ANT1)510至第四发射天线(Tx.ANT 4)516。如果输入信息数据比特，则前置编码器500接收四个调制码元，编码调制码元，从而可以在信号空间中发生信号旋转，然后将编码码元输出到映射器502。
[0076] 此处，假定输入到前置编码器500的四个调制码元为d1，d2，d3，d4，并且包含四个调制码元的输入调制码元流被称为“d”。前置编码器500接收输入调制码元流d，并且基于根据本发明实施例的新前置编码矩阵，通过前置编码该输入调制码元流d，生成复数向量r。以后给出关于新前置编码矩阵的描述。
[0077] 此后，在根据本发明实施例的新前置编码矩阵之前，将描述基于Tae JinJeong与Gyung Hoon Jeon研究团队提出的前置编码矩阵的运算。
[0078] 在Tae Jin Jeong与Gyung Hoon Jeon研究团队提出的MIMO移动通信系统中发射机的结构中，前置编码器400通过进行如参照图4所述的、基于Vandermonde矩阵的、如等式(7)所示的前置编码，生成复数向量r。
[0079]
[0080] 在等式7中，Θ表示前置编码矩阵。Tae Jin Jeong与Gyung Hoon Jeon研究团队提出的时空块编码方案采用Vandermonde矩阵(酉矩阵)作为前置编码矩阵。另外，等式(7)中的αi表达为等式(8)：
[0081] αi＝exp(j2π(i+1/4)/4)，i＝0，1，2，3 ...(8)
[0082] 映射器402接收从前置编码器400输出的信号，并且输出基于两个元素([r1，r2]，T T[r3，r4])形成的向量。换言之，映射器402输出([r1，r2])与([r3，r4])。
[0083] ([r1，r2]T)输入到Alamouti编码器406，([r3，r4]T)输入到延迟单元404。延迟单T T元404延迟([r3，r4])一个小时，然后将延迟的([r3，r4])输出到Alamouti编码器408。
此处，Alamouti编码器表示采用S.M.Alamouti提出的时空块编码方案的编码器。AlamoutiT
编码器406控制从映射器402输出的([r1，r2])，以在第一时隙处通过第一发射天线410T
与第二发射天线412发射。Alamouti编码器408控制从映射器402输出的([r1，r2])，以在第二时隙处通过第三发射天线414与第四发射天线416发射。用于通过多个天线发射Alamouti编码器406与408的输出信号的编码矩阵S由等式(9)表示：
[0084]
[0085] 在等式(9)中，编码矩阵S的第i行在第i时隙处发射，并且第j列通过第j发射天线发射。
[0086] 换言之，在第一时隙处，分别通过第一发射天线410与第二发射天线412发射码元r1与r2，并且不从剩余发射天线(即第三发射天线414与第四发射天线416)发射信号。在* *第二时隙处，分别通过第一发射天线410与第二发射天线412发射码元-r2 与r1，并且不从剩余发射天线(即第三发射天线414与第四发射天线416)发射信号。
[0087] 在第三时隙处，分别通过第三发射天线414与第四发射天线416发射码元r3*与*r4，并且不从剩余发射天线(即第一发射天线410与第二发射天线412)发射信号。在第四* *
时隙处，分别通过第三发射天线414与第四发射天线416发射码元-r4 与r3，并且不从剩余发射天线(即第一发射天线410与第二发射天线412)发射信号。
[0088] 采用Tae Jin Jeong与Gyung Hoon Jeon研究团队提出的方案的MIMO移动通信系统中接收机使用如等式(10)的向量：
[0089]
[0090] 在等式(10)中，y表示包含四个时隙处在接收机处收到的信号以及所收到信号的H共轭的向量。如果接收机用矩阵H 乘以等式(10)两侧、然后检测调制码元，则调制码元表示为等式(11)，其中H表示信道响应矩阵：
[0091]
[0092] 可以看到：当采用S.M.Alamouti提出的FDFR时空块编码方案时，不需要采用参照图4所述的前置编码器400，这是因为所有码元都经历了两个信道，如等式(11)所示。
[0093] 本发明采用上述前置编码器，并且提出前置编码方案，以最小化解码与编码时的复杂度与计算量，同时与采用S.M.Alamouti提出的时空块编码方案的常规MIMO移动通信系统相比，提供了与常规MIMO移动通信系统相同的性能。
[0094] 此后，将参照图6描述图5的前置编码器500的内部结构，图6为显示图5的前置编码器500中前置编码矩阵生成器的内部结构的方框图。
[0095] 前置编码器500通过利用预定前置编码矩阵，前置编码输入调制码元。本发明提出了新的前置编码矩阵，其最小化复杂度与计算量，同时提供全分集全速率。虽然前置编码矩阵生成器在图6的前置编码器500中是独立构造的，但是可以设想前置编码器500可以利用先前以与图6所示相同方式生成的前置编码矩阵进行前置编码。
[0096] 参照图6，前置编码器500的前置编码矩阵生成器包括：Vandermonde矩阵生成器600、打孔单元602、以及移位单元604。Vandermonde矩阵生成器600生成对应于发射机中发射天线数目(即四个发射天线)的Vandermonde矩阵，然后将该Vandermonde矩阵输出到打孔单元602。
[0097] 打孔单元602接收Vandermonde矩阵生成器600生成的Vandermonde矩阵，对该Vandermonde矩阵的两个连续列(即第三与第四列)进行打孔，然后将该打孔的Vandermonde矩阵输出到移位单元604。此处，通过将Vandermonde矩阵中对应列的元素值替换为零，完成打孔单元602的打孔。
[0098] 移位单元604接收从打孔单元602输出的打孔的Vandermonde矩阵，并且移动打孔的Vandermonde矩阵的偶数行。该移动具有在同一行中移动列元素的效果。虽然参照图6描述了其中移位单元604接收从打孔单元602输出的打孔的Vandermonde矩阵、并且移动打孔的Vandermonde矩阵的偶数行的例子，但是当移位单元604移动打孔的Vandermonde矩阵的奇数行时，可以获得相同的效果。
[0099] 此后，将总结前置编码矩阵生成器的运算。
[0100] (1)Vandermonde矩阵生成
[0101] 生成4x4Vandermonde矩阵。
[0102]
[0103] (2)对Vandermonde矩阵打孔
[0104] 打孔所生成的4×4Vandermonde矩阵的 子矩阵。
[0105]
[0106] (3)移动打孔的4×4Vandermonde矩阵的偶数行
[0107] 通过移动打孔的4×4Vandermonde矩阵的偶数行，生成前置编码矩阵。
[0108]
[0109] 此处，当α0＝α1且α2＝α3时，可以获得相同的性能。
[0110] 当如上所述地采用四个发射天线时，前置编码器500接收四个输入调制码元d1，d2，d3，d4(即输入调制码元流d)，并且进行如等式(12)所示的前置编码：
[0111]
[0112] 在等式(12)中， 并且 等式(12)可以表示为等式(13)：
[0113]
[0114] 在等式(13)中， 并且
[0115] 映射器502从前置编码器500接收对应于与参照图6所述的相同的前置编码矩阵的前置编码的码元，对前置编码的码元进行时空映射以通过Alamouti方案发射码元，然后输出码元到Alamouti编码器506与508。换言之，映射器502将前置编码的码元分类为待通过四个发射天线的两个发射天线组(即包括第一发射天线510与第二发射天线512的第一发射天线组，以及包括第三发射天线514与第四发射天线516的第二发射天线组)中每一个发射的码元，以根据Alamouti方案发射码元。此处，将省略关于延迟单元504以及Alamouti编码器506与508的操作的描述，这是因为延迟单元504以及Alamouti编码器506与508执行与参照图4所述的延迟单元404以及Alamouti编码器406与408相同的操作。
[0116] 此后，将参照图7描述关于图5所示的发射机的操作，图7为显示发射机操作过程的流程图。
[0117] 在步骤711，发射机通过利用与参照图6所述相同的前置编码矩阵对输入调制码元流d进行前置编码。在步骤713，发射机对前置编码的
码元进行时空映射，从而将前置编码的码元通过第一发射天线到第四发射天线发射。
[0118] 在步骤715，发射机确定经历时空映射的信号是否为信号[r1，r2]T)。如果作为该T确定结果、经历了时空映射的信号不是信号([r1，r2])(即如果经历时空映射的信号为信号T
([r3，r4]))，则在步骤717，发射机将经历时空映射的信号延迟一个时间段。如果作为步骤T
715的确定结果、经历时空映射的信号是信号([r1，r2])，则在步骤719，发射机控制对应于Alamouti方案(即S.M.Alamouti提出的时空块编码方案)的、经历时空映射的信号，以通过对应的发射天线发射，并且结束操作过程。
[0119] 参照图7描述了图5所示的发射机的操作过程。此后，将参照图8描述对应于图5的发射机的结构的接收机的结构，图8为显示对应于图5的发射机的接收机的结构的方框图。
[0120] 该接收机包括：多个接收天线(例如P个接收天线(Rx.ANT)，包括第一接收天线(Rx.ANT 1)800至第P接收天线(Rx.ANT P)804)、信道估计器806、信道响应矩阵生成器808、信号组合器810、信号确定单元812与814。虽然假定接收机中接收天线数目不同于对应于图8接收机的发射机中的发射天线数目，但是可以设想接收天线数目能够等于发射天线数目。
[0121] 如参照图5所述，在发射机中通过四个发射天线发射的信号分别通过第一接收天线800至第P接收天线804接收。第一接收天线800至第P接收天线804将收到的信号输出到信道估计器806与信号组合器810。
[0122] 信道估计器806通过第一接收天线800至第P接收天线804中的每一个接收信号，并且估计表示信道增益的信道系数。如果在接收机中使用一个接收天线，则通过一个接收天线接收的信号可以表示为等式(14)：
[0123]
[0124]
[0125] 在等式(14)中，y表示通过接收天线接收的信号，H表示信道响应矩阵，n表示噪声。
[0126] 信道估计器806接收等式(14)所示的信号以执行信道估计，然后将信道系数输出到信道响应矩阵生成器808。信道响应矩阵生成器808接收从信道估计器806输出的信道系数，生成等式(15)所示的信道响应矩阵，然后将信道响应矩阵输出到信号组合器810、信号确定单元812与814。
[0127]
[0128] 在等式(15)中，Hnew表示信道响应矩阵。
[0129] 信号组合器810接收来自于第一接收天线800至第P接收天线804的信号以及在信道响应矩阵生成器808中生成的信道响应矩阵Hnew，以组合这些信号，生成接收码元，然后将接收码元输出到信号确定单元812与814。
[0130] 信号确定单元812与814的每一个接收从信道响应矩阵生成器808输出的信道响应矩阵Hnew、以及从信号组合器810输出的信号，并且估计和输出发射机中发射的输入调制码元。此后，将描述信号确定单元812与814的操作。
[0131] 为了估计发射机中发射的输入调制码元d＝[d1，d2，d3，d4]而进行的HHnew与Hnew的乘法表示为等式(16)
[0132]
[0133] 在等式(16)中，A等于|h1|2+|h2|2+|h3|2+|h1|4，B等于|h1|2(α01)*+|h2|2(α01)*+|2 1 * 4 1 * H
h3|(α1)+|h1|(α0)。相应地，Hnew与接收信号y的乘法可以表示为等式(17)
[0134]
[0135] 可以基于将HHnew乘以接收信号y之后获得的y′(如等式(17)所示)中的y1′* *与y′ 2估计d1与d2，并且可以基于y′中的y3′与y′ 4估计d3与d4。可以如等式(18)所示地估计输入调制码元d1，d2，d3，d4：
[0136]
[0137]
[0138] 在等式(18)中，
[0139]
[0140] 并且 因此，可以通过将输入调制码元分类为输入调制码元d1，d2，d3，d4，估计输入调制码元d1，d2，d3，d4。
[0141] 信号确定单元812与814中的每一个都如等式(18)所示地估计信号。信号确定单元812确定并且输出对于输入信号d1与d2的估计码元 与 信号确定单元814确定并且输出对于输入信号d3与d4的估计码元 与
[0142] 此后，将参照图9描述图8所示接收机的操作，图9为显示图8的接收机的操作过程的流程图。
[0143] 在步骤911，接收机通过P个接收天线接收信号，并且通过进行信道估计估计信道增益。在步骤913，发射机在考虑所估计的信道增益的情况下生成信道响应矩阵Hnew。在步骤915，接收机在考虑所生成的信道响应矩阵Hnew的情况下组合通过P个接收天线接收的信号。在步骤917，接收机在考虑信道响应矩阵Hnew的情况下、基于所组合的信号、估计在发射机中发射的调制码元，并且输出估计码元
[0144] 与采用Vandermonde矩阵作为前置编码矩阵的情况相比，以上描述的根据本发明实施例的前置编码矩阵将复杂度从大小为4的ML解码减少到大小为2的ML解码，由此最小化所需的计算量。但是，应该优化大小为2的前置编码器以最大化编码增益。此处，用于最大化编码增益的、对大小为2的前置编码器的优化可以通过仿真达到。可以通过数论或者计算机搜索实现仿真。
[0145] 此后，将参照图10进行关于对于前置编码矩阵的 与(0≤θ0，θ1≤2π)、当在0到360度范围内将θ0与θ1改变单个度数时的编码增益的描述。
[0146] 图10为显示对于根据本发明实施例的前置编码矩阵的 与(0≤θ0，θ1≤2π)、当在0到360度范围内将θ0与θ1改变单个度数时的编码增益的仿真结果的图示。
[0147] 参照图10，x轴、y轴、z轴分别表示θ0、θ1、与编码增益。此处，可以在对应于z轴最大值的θ0与θ1中获得最大编码增益。相应地，应该满足等式(19)的条件，以最大化图10所示的编码增益。
[0148] |θ1-θ0|＝180n ...(19)
[0149] 在等式(19)中，n表示任意整数。因此，可以看到，对于满足等式(19)条件的θ0与θ1的所有值，可以获得相同的性能。相应地，可以看到，存在基于根据本发明实施例的前置编码矩阵的许多类型的时空块代码。
[0150] 此后，将参照图11比较根据本发明实施例的时空块编码方案的性能与典型时空块编码方案的性能。
[0151] 图11为显示根据本发明实施例的时空块编码方案的性能与典型时空块编码方案的性能的图示。
[0152] 图11显示根据本发明实施例的时空块编码方案的性能曲线、S.M.Alamouti提出的时空块编码方案的性能曲线、以及Tae Jin Jeong与GyungHoon Jeon研究团队提出的时空块编码方案(A-ST-CR)的性能曲线。另外，图11显示不采用时空块编码方案情况下的性能曲线(No Div)。
[0153] 图11所示的性能曲线表示采用QPSK作为调制方案情况下的性能曲线。在图11中，x轴表示信噪比(SNR)，y轴表示比特误差率(BER)。
[0154] 此后，将与典型时空块编码方案的复杂度相比地描述根据本发明实施例的时空块编码方案的复杂度。
[0155] 首先，假定采用2m复数信号。Tae Jin Jeong与Gyung Hoon Jeon研究团队提出m 4 m 2的前置编码器具有(2) 的解码复杂度。根据本发明实施例的前置编码器具有2x(2) 的解码复杂度。相应地，可以看出，与Tae Jin Jeong与Gyung Hoon Jeon研究团队提出的前置编码器相比，本发明的前置编码器大大减少了解码复杂度。
[0156] 例如，假定在发射机中采用16QAM作为调制方案，则Tae Jin Jeong与Gyung Hoon4 4 16
Jeon研究团队提出的前置编码器具有解码复杂度Cold＝(2) ＝2 ，根据本发明的前置编
4 2 8
码器具有解码复杂度Cnew＝(2) ＝2。相应地，可以看出，根据本发明的前置编码器的计算量大大减少，因为
[0157] 作为结果，如图11所示，可以看出，本发明的时空块编码方案最小化复杂度与计算量，尽管其具有与Tae Jin Jeong与Gyung Hoon Jeon研究团队提出的时空块编码方案类似的性能。虽然在本发明中作为例子只描述了采用四个发射天线的MIMO移动通信系统，但是自然本发明的时空块编码方案可以用于采用偶数个发射天线的MIMO移动通信系统。
[0158] 如上所述，本发明提出了一种前置编码矩阵，由此使之能够获得全分集全速率、同时最小化MIMO移动通信系统中的复杂度与计算量。
[0159] 虽然已经参照本发明的特定优选实施例显示并且描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解：在不脱离本发明的精神与范围的前提下可以在形式与细节上进行各种修改。因此，本发明的范围不限于这些实施例，而是应该由权利要求及其等价物限定。
