專利名稱：一種適用于頻率選擇性衰落信道的空時編譯碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動通信技術(shù)領(lǐng)域，是一種適用于頻率選擇性衰落信道的空時編碼及其檢測譯碼方法。
隨著高速無線通信技術(shù)的發(fā)展，信號的傳輸帶寬和速率在不斷地提高，使傳輸一數(shù)據(jù)符號所需占用的時間也越來越少，導致無線傳輸信道的時延擴展變得不可忽略，也即信道的頻率選擇性衰落變得越來越嚴重。
原有的空時編碼和譯碼方案是基于平坦衰落信道設計的，而在頻率選擇性衰落信道中，這些方案的性能會明顯惡化，若改進算法，則因過于復雜而難以實現(xiàn)。
進一步地說，在多用戶頻率選擇性衰落信道中，符號間干擾(ISI)和多址干擾(MAI)的同時存在給空時編譯碼的技術(shù)實現(xiàn)帶來了很大的難度。從另一方面來看，一些在頻率選擇性信道中對解決符號間干擾和多址干擾行之有效的方法，如均衡、聯(lián)合檢測方法等，在采用了空時編碼的情況下也會變得非常復雜，甚至失效。
在第三代移動通信時分雙工(3GPP-TDD)系統(tǒng)針對多用戶頻率選擇性衰落信道的原空時編解碼方案中，只對基本的公用控制信道做空時編碼；而第三代移動通信頻分雙工(3GPP-FDD)系統(tǒng)中對大多數(shù)信道都采用空時編碼。3GPP-TDD中的空時編碼方案最初是以一個符號為編解碼單元(STTD)，后來改為以一個數(shù)據(jù)塊(DATA FIELD)數(shù)據(jù)的一半符號為編解碼單元(B-STTD)。由于這些方案與未采用空時編解碼方案相比較，不僅在技術(shù)方案上帶來較大的變化，并且?guī)磔^大的復雜性。因此，3GPP-TDD在V4.3中放棄了空時發(fā)送分集(STTD)方案，而采用空碼發(fā)送分集(SCTD)方案。采用空碼發(fā)送分集(SCTD)技術(shù)，雖然簡化了接收處理過程，但卻占用了碼道資源，因要占用更多的碼道，故而無法擴充應用到其它信道，也無法擴充應用到多重分集。
有一種在頻率選擇性衰落信道中使用的空時編解碼解決方案，通過變換技術(shù)，將原來的高速數(shù)據(jù)變換到多個并行的低速信道上傳輸，從而可以利用平坦衰落信道的空時碼編譯碼方案。這種方案實際是一種空時-正交頻分復用(ST-OFDM)方法，因其實施將會完全改變現(xiàn)有物理層信號的結(jié)構(gòu)和體制，因而其實際應用受到很大的限制。
綜上所述，空時編碼是提高無線通信系統(tǒng)性能的一項重要技術(shù)，通常以數(shù)據(jù)符號或符號串為編解碼的處理單元，但是在頻率選擇性衰落信道情況下，對系統(tǒng)性能的提高受到了計算復雜度的限制。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是這樣的一種適用于頻率選擇性衰落信道的空時編譯碼方法，其特征在于包括以下處理步驟A.編碼器利用空時分組正交編碼法，以輸入數(shù)據(jù)中一時隙的兩個獨立數(shù)據(jù)塊作為處理單元，編碼生成兩個數(shù)據(jù)矢量，形成兩個分集信號對應在兩個分集天線上同時發(fā)送；B.終端接收兩個分集信號，先忽略兩個分集信號之間因非正交性造成的相互干擾；C.終端在僅考慮多徑干擾和多用戶干擾對兩個分集信號影響的條件下進行聯(lián)合檢測，獲得譯碼結(jié)果；D.利用聯(lián)合檢測結(jié)果進行干擾抵消，消除兩分集信號之間的干擾，再返回步驟C執(zhí)行，進行迭代譯碼。
所述步驟A中的兩個分集信號，可對應在兩個智能天線的分集波束上同時發(fā)送。
還包括預設一個迭代次數(shù)，決定由步驟C至步驟D再由步驟D返回步驟C執(zhí)行的次數(shù)。
本發(fā)明的方法，是一種新的適用于頻率選擇性衰落信道的空時編碼及其檢測譯碼方案。本發(fā)明提出的編譯碼方案以獨立的數(shù)據(jù)塊為處理單元，譯碼采用聯(lián)合檢測加干擾抵消的迭代方法實現(xiàn)。進行聯(lián)合檢測時，只考慮多徑干擾和多用戶干擾分別對各個分集信號的影響，然后利用聯(lián)合檢測結(jié)果進行干擾抵消，消除分集信號之間的干擾。
采用本發(fā)明提出的空時碼編譯碼方案，可以在頻率選擇性衰落信道中以較小的計算復雜度達到良好的性能，為空時碼在頻率選擇性信道中的應用提供了一種簡單有效的解決方案。
本發(fā)明在編解碼中采用獨立的數(shù)據(jù)塊作為處理單元，就不會存在相鄰的編碼單元之間以及相鄰的編碼塊之間的干擾，為簡化檢測與譯碼處理提供了條件。同時，這樣的處理方法還可以在相當程度上與未采用空時編碼的處理方案相近似和相兼容，對于許多針對符號間干擾(ISI)和多址干擾(MAI)所作的處理技術(shù)，只需作較小的改動，就可以用于有空時編碼的情況。
參見

圖1，圖中示出3GPP-TDD系統(tǒng)中的分時隙碼分多址突發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。并行的多用戶或多碼道的K個突發(fā)數(shù)據(jù)，每個時隙(Time Slot)含有兩個數(shù)據(jù)塊(Data Blocks or Data Fields)，數(shù)據(jù)塊1(DATA FIFLD 1)和數(shù)據(jù)塊2(DATAFIFLD 2)，兩數(shù)據(jù)塊之間是中間碼(midamble)，因而兩數(shù)據(jù)塊是相互獨立的，數(shù)據(jù)塊之間是沒有相互干擾的。時隙結(jié)尾是保護周期(GP)。每一數(shù)據(jù)塊含有N個符號(N symbols)，每個符號由Q個碼片(Q chips/symbol)組成。
本發(fā)明在編碼中采用獨立的數(shù)據(jù)塊作為處理單元，接收端的解碼處理也以數(shù)據(jù)塊為單元進行。在3GPP-TDD系統(tǒng)中，這種方法對于應用于兩重(理論上可以是多重，但復雜性增加且意義不大)發(fā)送分集中顯得尤為簡單。因此，只需對系統(tǒng)的信號結(jié)構(gòu)和處理方法做較小的改動，就可以采用本發(fā)明的編解碼方法。而且，由于參加空時編解碼的兩個數(shù)據(jù)塊是獨立的，它們之間沒有相互干擾，就可以利用這個特點簡化和改進檢測譯碼方法，以較小的計算量或者說以較少的迭代次數(shù)達到良好的檢測性能。
參見圖2，以數(shù)據(jù)塊為處理單元的空時編碼器20，其輸入數(shù)據(jù)，即一個時隙中的信息數(shù)據(jù)矢量d可以表示為d＝[dT(1)dT(2)]T，其中，d(1)和d(2)分別是相互獨立的兩個數(shù)據(jù)塊，在3GPP-TDD系統(tǒng)中，它們可以是一個時隙中的兩個數(shù)據(jù)塊，式中T表示轉(zhuǎn)置(transport)運算。經(jīng)編碼器20編碼生成的編碼后數(shù)據(jù)為[dT(1)dT(2)]T和[-d*T(2)d*T(1)]T，式中*表示共扼。編碼生成的兩個數(shù)據(jù)矢量可以同時從兩個不同的普通分集天線1和普通分集天線2發(fā)送出去，或者從兩個不同的智能天線分集波束1和智能天線分集波束2發(fā)送出去。換句話說，即同時由分集天線1(或分集波束1)發(fā)送數(shù)據(jù)矢量[dT(1)dT(2)]T和由分集天線2(或分集波束2)發(fā)送數(shù)據(jù)矢量[-d*T(2)d*T(1)]T，實現(xiàn)了空時分組碼的編碼過程。具體的編碼采用常規(guī)的空時分組正交編碼方法，對輸入數(shù)據(jù)[dT(1)dT(2)]T編碼，輸出數(shù)據(jù)即為兩個數(shù)據(jù)矢量[dT(1)dT(2)]T和[-d*T(2)d*T(1)]T，并分別在兩個分集天線上同時發(fā)送。
下面說明相應于上述以數(shù)據(jù)塊為處理單元時的空時編碼方式的檢測和譯碼方法，也可以說是一種對應數(shù)據(jù)塊編碼方案設計的檢測譯碼方案，在此稱之為原始的檢測譯碼方法。
對應于一個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)可以表示為式(1)d(i)=(d1(1),···,d1(K),d2(1),···d2(K),···,dN(1),···,dN(K))T---(1)]]>其中i為1、2，K表示同時工作的終端用戶數(shù)，N是一個用戶數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)符號數(shù)。
將終端接收到的兩個數(shù)據(jù)塊的采樣值記為r1和r2，即使在頻率選擇性衰落信道中，r1和r2之間也是沒有相互干擾的。r1和r2可以表示為式(2) 其中ni表示第i個數(shù)據(jù)塊的噪聲矢量。Ai是第i個發(fā)送天線與接收天線之間信號傳輸?shù)南到y(tǒng)矩陣。系統(tǒng)矩陣是由信道沖擊響應和用戶發(fā)送波形決定的。式(2)可以被重寫為式(3)r＝Adt+n (3)其中， r＝[r1T，r2*T]T，dt＝[dT(1)d*T(2)]T，n＝[n1T，n2*T]T，而A=A1-A2A2*A1*---(4)]]>由式(4)，可以得到A*TA=A1*TA1+(A2*TA2)*(A1*TA2)T-A1*TA2((A1*TA2)T-A1*TA2)*T(A1*TA1+(A2*TA2)*)*---(5)]]>矩陣A在頻率選擇性衰落信道條件下不是正交矩陣。因此，在采用匹配濾波器時其性能將會惡化。為了得到更好的性能，可以給出最佳的線性聯(lián)合檢測方案。接收數(shù)據(jù)dt的連續(xù)估計值 為d^t=(B)-1A*Tr---(6)]]>式中的(B)-1的作用為干擾抑制(對B作取逆運算)，A*Tr為正交匹配的結(jié)果。式中的矩陣B由(7)式給出 式中σ2為噪聲功率，I為單位陣。式(7)表示出三種解決方法，其中MF是匹配濾波方案，ZF-BLE是迫零-塊均衡方案，MMSE_BLE是最小均方誤差_塊均衡方案。
矩陣B的大小為2NK×2NK，由此可見式(6)的計算復雜度遠遠大于沒有空時編碼時的情況。因此若采用這種原始的聯(lián)合檢測算法，將不能實現(xiàn)本發(fā)明所要求的過程簡化與計算量小的目的。
本發(fā)明在上述設計的基礎上提出了一種簡化的譯碼過程，具有計算量小的特點。
采用的簡化算法是一種迭代算法，主要分兩步進行第一步，只考慮多徑干擾和多用戶干擾對各個分集信號的影響，令式(5)中右上角的塊((A1*TA2)T-A1*TA2)和左下角的塊(((A1*TA2)T-A1*TA2)*T)為零，然后解方程(6)；第二步，用第一步解方程的結(jié)果進行干擾抵消，消除分集信號之間的干擾。這個過程可以多次迭代進行。
參見圖3，圖中流程是本發(fā)明簡化的譯碼過程。
步驟31，終端接收數(shù)據(jù)。
步驟32，忽略由于分集信號之間的非正交性而造成的相互干擾，令式(5)中右上角與左下角的兩個塊為零(平坦衰落信道下就是零)。
步驟33，只考慮多徑干擾和多用戶干擾分別對各個分集信號的影響，進行聯(lián)合檢測，將方程(6)簡化為 簡化的聯(lián)合檢測結(jié)果由式(8)給出，式(8)中的矩陣Bs可由(9)式給出 式中σ2為噪聲功率，I為單位陣。計算矩陣Bs也有三種解決方法，包括匹配濾波方案MF，迫零-塊均衡方案ZF-BLE，和最小均方誤差_塊均衡方案MMSE_BLE。
矩陣Bs的大小為NK×NK，方程(8)的計算復雜度遠遠小于方程(6)的計算復雜度，和沒有空時編碼時的計算復雜度相當。
步驟34，判斷迭代次數(shù)是否已大于或等于預設的迭代次數(shù)M，通常將M設為1或2；步驟35，在迭代次數(shù)已大于或等于預設的迭代次數(shù)M時，將式(8)的計算結(jié)果直接作為譯碼結(jié)果輸出；步驟36，在迭代次數(shù)小于預設的迭代次數(shù)M時，用式(8)的計算結(jié)果進行干擾抵消，以消除分集信號之間的干擾，即用干擾抵消的方法消除兩路分集信號之間的剩余干擾。
從接收到的數(shù)據(jù)信號中把d(1)的影響減掉，由此得到‘干凈的’信號表示為式(10)
和從接收到的信號中把d(2)的影響減掉，由此得到‘干凈的’信號表示為式(11) 進行迭代，將式(10)的結(jié)果r1’、r2’代入式(8)的第二式中，分別代替r1，r2；將式(11)的結(jié)果r1”、r2”代入式(8)的第一式中，分別代替r1，r2，重新計算式(8)，獲得一次迭代后的譯碼結(jié)果。
然后可進行第二次迭代，即將式(8)的計算結(jié)果 再代入式(10)、式(11)中，用求得的r1’、r2’、r1”、r2”再代入式(8)中，重新計算式(8)，獲得第二次迭代后的譯碼結(jié)果。
上述的迭代過程可以進行M次。這就是簡化的聯(lián)合檢測算法。
實驗表明，往往只需要較少的迭代次數(shù)，如1-2次，就可以接近原始的聯(lián)合檢測方法的性能。由此可以認為，本發(fā)明的簡化的聯(lián)合檢測算法可以以較小的計算復雜度達到良好的性能。
本發(fā)明提出的空時編解碼方法，參加編碼的輸入數(shù)據(jù)是以獨立的數(shù)據(jù)塊為處理單元，而不是傳統(tǒng)的以數(shù)據(jù)符號或符號串為處理單元，相應的簡化譯碼方法具有計算復雜度較小、性能優(yōu)良的特點。
本發(fā)明為空時碼在頻率選擇性信道中的應用提供了一種簡單有效的解決方案。
權(quán)利要求
1.一種適用于頻率選擇性衰落信道的空時編譯碼方法，其特征在于包括以下處理步驟A.編碼器利用空時分組正交編碼法，以輸入數(shù)據(jù)中一時隙的兩個獨立數(shù)據(jù)塊作為處理單元，編碼生成兩個數(shù)據(jù)矢量，形成兩個分集信號對應在兩個分集天線上同時發(fā)送；B.終端接收兩個分集信號，先忽略兩個分集信號之間因非正交性造成的相互干擾；C.終端在僅考慮多徑干擾和多用戶干擾對兩個分集信號影響的條件下進行聯(lián)合檢測，獲得譯碼結(jié)果；D.利用聯(lián)合檢測結(jié)果進行干擾抵消，消除兩分集信號之間的干擾，再返回步驟C執(zhí)行，進行迭代譯碼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于頻率選擇性衰落信道的空時編譯碼方法，其特征在于所述步驟A中的兩個分集信號，對應在兩個智能天線的分集波束上同時發(fā)送。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于頻率選擇性衰落信道的空時編譯碼方法，其特征在于還包括預設一個迭代次數(shù)，決定由步驟C至步驟D再由步驟D返回步驟C執(zhí)行的次數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于頻率選擇性衰落信道的空時編譯碼方法，其特征在于；所述的步驟B是將式A*TA=A1*TA1+(A2*TA2)*(A1*TA2)T-A1*TA2((A1*TA2)T-A1*TA2)*T(A1*TA1+(A2*TA2)*)*]]>中右上角的塊及左下角的塊置為零，再解方程d^t=(B)-1A*Tr]]>，得到聯(lián)合檢測的簡化方程，A1，A2分別是第一、第二個發(fā)送分集天線至終端接收天線間信號傳輸?shù)南到y(tǒng)矩陣，A、B是矩陣， 是接收數(shù)據(jù)塊的連續(xù)估計值，r是接收數(shù)據(jù)塊采樣值，T是轉(zhuǎn)置運算，*是共軛；所述步驟C中的聯(lián)合檢測是根據(jù)聯(lián)合檢測簡化方程 計算得出的， 是兩個接收數(shù)據(jù)塊的連續(xù)估計值，Bs是一矩陣，r1、r2是兩個接收數(shù)據(jù)塊的采樣值；所述步驟D的利用聯(lián)合檢測結(jié)果進行干擾抵消，進一步包括D1.從接收到的數(shù)據(jù)信號中把一數(shù)據(jù)塊d(1)的影響減掉，由式 得到r1’、r2’，和從接收到的數(shù)據(jù)信號中把另一數(shù)據(jù)塊d(2)的影響減掉，由式 得到r1”、r2”；D2.將結(jié)果r1’、r2’代入步驟C聯(lián)合檢測簡化方程的下式中，分別代替r1、r2，將結(jié)果r1”、r2”代入步驟C聯(lián)合檢測簡化方程的上式中，分別代替r1、r2，計算獲得一次迭代結(jié)果
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種適用于頻率選擇性衰落信道的空時編譯碼方法，其特征在于所述的矩陣B由式 中選擇一式計算得出，包括通過匹配濾波方法或迫零-塊均衡方法或最小均方誤差_塊均衡方法，σ2為噪聲功率，I為單位陣；所述的矩陣Bs由式 中選擇一式計算得出，包括通過匹配濾波方法或迫零-塊均衡方法或最小均方誤差_塊均衡方法，σ2為噪聲功率，I為單位陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種適用于頻率選擇性衰落信道的空時編譯碼方法，其特征在于所述的系統(tǒng)矩陣A1、A2是由信道沖擊響應和用戶發(fā)送波形決定的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于頻率選擇性衰落信道的空時編譯碼方法，包括編碼器利用空時分組正交編碼法，以輸入數(shù)據(jù)中一時隙的兩個獨立數(shù)據(jù)塊作為處理單元，編碼生成兩個數(shù)據(jù)矢量，形成的兩個分集信號對應在兩個分集天線上同時發(fā)送；接收終端先忽略兩個分集信號之間因非正交性造成的相互干擾；在僅考慮多徑、多用戶干擾對兩個分集信號影響的條件下進行聯(lián)合檢測，獲得譯碼結(jié)果；利用聯(lián)合檢測結(jié)果進行干擾抵消，消除兩分集信號之間的干擾，再返回上一步驟，進行迭代譯碼，迭代次數(shù)可預設。本發(fā)明以獨立數(shù)據(jù)塊為編解碼處理單元，譯碼采用聯(lián)合檢測加干擾抵消的迭代方法。本發(fā)明為空時碼在頻率選擇性衰落信道中的應用提供了一種簡單有效的解決方案。
文檔編號H04B7/06GK1446005SQ02121410
公開日2003年10月1日 申請日期2002年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月20日
發(fā)明者王映民, 冉曉龍 申請人:大唐移動通信設備有限公司