專利名稱:一種空時網(wǎng)格碼的構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù),它特別涉及無線通信系統(tǒng)中的空時編碼技術(shù)。
背景技術(shù):
在無線通信中,由于多徑效應,信號經(jīng)過無線信道時要產(chǎn)生衰落。多天線分集技術(shù)作為一種有效的抗衰落技術(shù)越來越受到人們的重視。但是多天線接收分集技術(shù)只適合基站使用,對于移動終端由于受到體積、價格和電池容量等多方面的限制,使得在下行信道上采用接收分集技術(shù)幾乎不可行。Alamouti在1.Siavash M.Alamouti,“A Simple Transmit Diversity Technique forWireless Communications”,IEEE Journal on Select Areas in Communications,VOL.16,NO.8,OCTOBER1998.中提出一種簡單的發(fā)射分集技術(shù),使得發(fā)射分集技術(shù)成為下行信道分集技術(shù)的重點。在空時延時分集的基礎(chǔ)上,Tarokh等人在2.Vahid Tarokh,Nambi Seshadri,A.R.Calderbank,“Space-time Codes for High Data Rate Wireless CommunicationPerformance Criterion and CodeConstruction”,IEEE Transactions on Information Theory,VOL.44,NO.2,MARCH 1998.中提出了基于發(fā)射分集的空時網(wǎng)格碼的概念,并給出了空時網(wǎng)格碼性能的評價準則——行列式準則和秩準則,針對這兩個準則設(shè)計性能優(yōu)異的網(wǎng)格碼成為了通信編碼領(lǐng)域研究的熱點??諘r網(wǎng)格碼是針對MIMO(多輸入多輸出)信道的編碼、調(diào)制、發(fā)射分集和接收分集的一種聯(lián)合優(yōu)化,其發(fā)射端的系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖1。網(wǎng)格碼可以獲得最大的分集增益和編碼增益,性能最優(yōu)的網(wǎng)格碼是通過搜索的方法得到的,而且對于大天線數(shù)的網(wǎng)格碼的搜索空間非常巨大,四天線以上,QPSK調(diào)制的網(wǎng)格碼的生成矩陣搜索空間至少是432,因此,對于多天線的空時網(wǎng)格碼的設(shè)計的運算量非常大。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種空時網(wǎng)格碼的構(gòu)造方法,采用該方法構(gòu)造多天線的空時網(wǎng)格碼,具有運算量小、容易實現(xiàn)的特點。
本文則針對這一問題提出一種針對任意天線數(shù)的網(wǎng)格碼,簡化搜索空間的方法。
為了方便地描述本發(fā)明的內(nèi)容,首先作符號定義1.發(fā)射天線數(shù)用nT表示,使用相移鍵控調(diào)制方式(簡稱MPSK),b表示相移鍵控調(diào)制后的每個符號對應的二進制信息的bit數(shù),則2b=M,M表示調(diào)制方式中星座集合的大?。?.定義Ω表示(0,1,…,2b-1)按任意順序排列的組合,例如對于QPSK,集合Ω的大小為P44=24;]]>3.我們搜索的目的是找出所有狀態(tài)轉(zhuǎn)移的輸出,所有這些輸出可以排列成如下形式 定義上面矩陣為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Y,它可以看做一個三維的矩陣,如果把每小括號里的序列看成一個組的話,則某元素yi,j,k的下標i表示該元素所在的行j表示該元素所在的列(即當前輸入),k表示該元素在其所屬的組中的位置,i=0,1,···2b(nT-1)-1;]]>j=0,1,…,2b-1;k=0,1,…,nT-1。這個矩陣可以這樣對應于網(wǎng)格碼狀態(tài)轉(zhuǎn)移的柵格圖矩陣的行表示起始狀態(tài),矩陣的列表示當前輸入,每一組元素則聯(lián)合表示了在給定起始狀態(tài)和當前輸入的條件下得到的輸出序列;然后把這個序列按順序分配給nT個天線,由nT個天線將序列發(fā)射出去。例如起始狀態(tài)為Si,當前輸入為j,則編碼器當前的輸出為(yi,j,0,yi,j,1,…yi,j,nT-1),將這組輸出中的元素分別映射到星座點后,按順序通過nT個天線發(fā)射出去。圖2給出了三天線的矩陣Y與柵格圖之間的對應關(guān)系。
4.定義運算mod(x,y)表示整數(shù)x整除以整數(shù)y所得的余數(shù);5.[x/y]表示整數(shù)x除以整數(shù)y的商,它只取整數(shù)部分;6.c(y)表示整數(shù)y到復數(shù)星座點的映射;7.fb(x)表示2b進制數(shù)x到二進制數(shù)的映射,映射后變成b位的二進制數(shù)。
本發(fā)明提供了一種空時網(wǎng)格碼的構(gòu)造方法,其特征是采用下面的碼字搜索步驟和編碼步驟所述的碼字搜索步驟包括下面的步驟步驟1初始化置循環(huán)標志變量s=0,確定發(fā)射天線數(shù)nT,以及調(diào)制方式,由調(diào)制方式就可以確定了相移鍵控調(diào)制后的每個符號對應的二進制信息的bit數(shù)b的值步驟2確定與碼字的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Y唯一對應的矩陣X,根據(jù)一個這樣的X可以生成一個空時網(wǎng)格碼的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Y,Y的表達式 選取一組向量x‾0,x‾1,···,x‾nT-1∈Ω,]]>(Ω表示(0,1,…,2b-1)按任意順序排列的組合)則構(gòu)造矩陣 由于Ω的大小為2b!,X為nT行,從上面X的表達式發(fā)現(xiàn)X一共有(2b!)nT種可能的情況,表示空時網(wǎng)格碼的搜索空間為(2b!)nT;步驟3根據(jù)步驟2中確定的矩陣X確定碼字狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Y的所有組的第一個元素,它們表示經(jīng)過空時網(wǎng)格編碼后第一根天線的輸出;令矩陣Y中元素yi,j,0=x0,j;i=0,1,···2b(nT-1)-1,]]>j=0,1,…,2b-1;這樣就確定了矩陣Y中所有組的第一個元素,同時保證了在空時網(wǎng)格碼的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中(如圖2所示)從相同起始狀態(tài)到達不同終止狀態(tài)時,第一根天線上的輸出不同;步驟4根據(jù)步驟2中確定的矩陣X確定碼字狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Y的所有組的除第一個元素外的其它元素,這樣就確定了所有可能狀態(tài)轉(zhuǎn)移發(fā)生時,經(jīng)過空時網(wǎng)格編碼后不同天線上的輸出;令矩陣Y中的元素yi,j,k=xk,p;其中p=[mod(i,2bk)/2b(k-1)],i=0,1,···2b(nT-1)-1,]]>j=0,1,…,2b-1,k=1,…,nT-1(其中的特殊運算符號見符號定義4、5)這時就確定了Y的所有元素,記此時的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Y為Ys;這一步保證了構(gòu)造的網(wǎng)格碼從同一個狀態(tài)出發(fā)的不同路徑所對應的差錯矩陣為上三角陣;
步驟5計算本次搜索的空時網(wǎng)格碼的編碼增益取所有滿足如下關(guān)系的整數(shù)對(l,m)0<l<2b,0≤m≤l,算出每一對(l,m)所對應的Πq=0nT-1|c(xq,l)-c(xq,m)|,]]>(見符號定義6)并取最小的一個記為Js;于是得出此次搜索的碼字的編碼增益Js;置s=s+1,重復步驟2~5可得到(2b!)nT個不同空時網(wǎng)格碼編碼增益Js,其中s=0,1,···,(2b!)nT,]]>重復步驟2~5時矩陣X的選取不能重復;步驟6確定最優(yōu)空時網(wǎng)格碼對應的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Ys找出最大的Js記為Js0以及這時對應的Ys0,則Ys0即為搜索到的最優(yōu)碼的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣;步驟7根據(jù)步驟6得到的最優(yōu)的空時網(wǎng)格碼的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Ys0,求出最優(yōu)的空時網(wǎng)格碼的生成矩陣Gs0g1‾=[fb(y0,2b-i-1,0),fb(y0,2b-i-1,1),···,fb(y0,2b-i-1,nT-1)]T,i=0,1,···,b-1[fb(y2b(nT-1)-i-1,0,0),fb(y2b(nT-1)-i-1,0,1),···,fb(y2b(nT-1)-i-1,0,nT-1)]T,i=b,b+1,···,bnT-1]]>(fb(x)見符號定義7)令Gs0=g‾0g‾1···g‾bnT-1;]]>則Gs0就是搜索到的最優(yōu)的空時網(wǎng)格碼的生成矩陣;步驟1~7為碼字搜索步驟,其編程實現(xiàn)流程圖如圖6所示所述的編碼步驟是步驟8根據(jù)空時網(wǎng)格碼的生成矩陣Gs0進行空時編碼得到最優(yōu)碼的生成矩陣Gs0后,網(wǎng)格碼編碼方法描述如下假如編碼器當前狀態(tài)為Si,i的二進制表示為m0,m1,…,mb(nT-2)-1,當前輸入的二進制表示為u0,u1,…,ub-1,則此時輸出的二進制向量形式為V=[u0,u1,···,ub-1,m0,m1,···,mb(nT-2)-1]*Gs0Tmod(2),]]>v的列數(shù)是bnT,v可表達為V=[v0,v1,···,vbnT-1],]]>由此可以得到空時網(wǎng)格編碼輸出的星座符號c(v0,v1,…,vb-1),c(vb+0,vb+1,…,vb+b-1),…,c(vb(nT-1)+0,vb(nT-1)+1)…,vb(nT-1)+b-1)(其中(v0,v1,…,vb-1),(vb+0,vb+1,…,vb+b-1),…,(vb(nT-1)+0,vb(nT-1)+1,vb(nT-1)+b-1)分別表示nT個b位的二進制數(shù)),這些星座符號分別被映射到nT根天線發(fā)射出去;假設(shè)到達的新狀態(tài)為Si′,則該新狀態(tài)的序號i′的二進制表示為[u0,u1,…,ub-1,m0,m1,…,mb(nT-2)-1],這樣就完成了整個空時編碼的過程。
根據(jù)本發(fā)明的編碼規(guī)則和生成矩陣容易設(shè)計出編碼器的硬件實現(xiàn)(其框圖如圖3所示)譯碼時可以使用viterbi譯碼方法。
本發(fā)明的特點本發(fā)明針對大天線數(shù)目的網(wǎng)格碼的最優(yōu)碼的搜索空間過于巨大、目前的計算機運算速度難以實現(xiàn)這一問題提出了一種準平坦衰落信道下,適用于任意天線數(shù)目的空時網(wǎng)格碼的簡化搜索方法,本方法的基本思路是構(gòu)造特定的碼字,使得從同一狀態(tài)出發(fā)的不同路徑的輸出相減得到的矩陣(以下稱為差錯矩陣)為上三角陣,且對角線元素全不為零,從而差錯矩陣滿秩——即獲得滿分集增益,然后再在這些滿分集增益的碼中搜尋具有最大編碼增益的最優(yōu)碼。本方法最大的優(yōu)越性在于搜索空間較小,運算簡單,與傳統(tǒng)的全空間的搜索方法對比如下●假設(shè)2b表示使用的調(diào)制方式中的星座點個數(shù),nT表示發(fā)射天線個數(shù),傳統(tǒng)方法中需要搜索的生成矩陣G有2(bnT)2個,本方法需要搜索的G的個數(shù)為(2b!)nT,可以發(fā)現(xiàn),隨著nT的增加,前者比后者增長的迅速的多。
●搜索過程中,針對每一個選定的生成矩陣G,假設(shè)一個碼字通過l個符號時間全部發(fā)射出去(忽略不計使編碼器寄存器狀態(tài)歸零的尾部輸入),傳統(tǒng)方法需要針對 中可能的不同輸入對的差錯矩陣做求秩和行列式運算而本方法中這個數(shù)字僅為 ●傳統(tǒng)方法中,針對每一個差錯矩陣需要求秩和行列式,而本方法所搜索的差錯矩陣全部是滿秩的,且為上三角矩陣因此其行列式的計算只需要對其對角線元素求積。
本發(fā)明提供的是一種空時網(wǎng)格碼的構(gòu)造方法,采用該方法構(gòu)造多天線的空時網(wǎng)格碼,具有運算量小、搜索速度快、容易實現(xiàn)的特點。此外該方法搜索出的網(wǎng)格碼還具有較大的編碼增益,圖4、5分別給出了這種方法針對4、5根發(fā)射天線搜索的碼字與簡單的空時延時分集的方法相比較的性能曲線。
圖1是使用空時網(wǎng)格碼的多天線系統(tǒng)的發(fā)射端的實現(xiàn)框2是定義4中的矩陣Y對應于網(wǎng)格碼柵格圖的對應關(guān)系示意圖其中,在柵格圖上,對于某一個給定起始狀態(tài)按照輸入大小的順序排列到達狀態(tài),例如起始狀態(tài)是S0當前輸入為00時的到達狀態(tài)是最上面一個S0,輸入為01時到達的狀態(tài)是接下來的S1,輸入為10時到達的狀態(tài)是在下來的S2,輸入為11的時候到達的狀態(tài)是最下面的S3。
圖3是由搜索到的最優(yōu)碼的生成矩陣G決定的編碼器的硬件實現(xiàn)框圖其中的D表示寄存器,u0,…ub-1表示當前輸入的二進制數(shù),v0,v1,…,vbnT-1表示編碼器當前的二進制輸出序列。G中的某元素gc,d為零表示其所在的斷點處是斷開的,gc,d為1表示其所在的斷點處是聯(lián)接的。
圖4是利用本方法搜索出的4根發(fā)射天線QPSK調(diào)制時的空時網(wǎng)格碼和4天線延時分集的方法的性能曲線對比圖。
圖5是利用本方法搜索出的5根發(fā)射天線的QPSK調(diào)制時的空時網(wǎng)格碼和5天線的延時分集方法的性能曲線對比圖。
圖6是碼字搜索程序?qū)崿F(xiàn)的流程圖(不包括編碼)。
實施例下面給出利用本發(fā)明方法搜索得到的針對4、5、6根發(fā)射天線的網(wǎng)格碼生成矩陣4根發(fā)射天線G=1000000001000000001000000001000000001100000010000000000100000011]]>
5根發(fā)射天線G=0100000000100000000000010000000010000000000011000000000100000000001100000000100000000000100000000011]]>6根發(fā)射天線G=010000000000100000000000000100000000001000000000000011000000000001000000000000110000000000010000000000001000000000001100000000000010000000000011]]>
權(quán)利要求
1.一種空時網(wǎng)格碼的構(gòu)造方法,其特征是采用下面的碼字搜索步驟和編碼步驟所述的碼字搜索步驟包括下面的步驟步驟1初始化置循環(huán)標志變量s=0,確定發(fā)射天線數(shù)nT,以及調(diào)制方式,由調(diào)制方式就可以確定了相移鍵控調(diào)制后的每個符號對應的二進制信息的bit數(shù)b的值;步驟2確定與碼字的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Y唯一對應的矩陣X,根據(jù)一個這樣的X可以生成一個空時網(wǎng)格碼的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Y,Y的表達式 選取一組向量x0,x1,…, (Ω表示(0,1,…,2b-1)按任意順序排列的組合)則構(gòu)造矩陣 由于Ω的大小為2b!,X為nT行,從上面X的表達式發(fā)現(xiàn)X一共有(2b!)nT種可能的情況,表示空時網(wǎng)格碼的搜索空間為(2b!)nT;步驟3根據(jù)步驟2中確定的矩陣X確定碼字狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Y的所有組的第一個元素,它們表示經(jīng)過空時網(wǎng)格編碼后第一根天線的輸出;令矩陣Y中元素yi,j,0=x0,j;i=0,1,···2b(nT-1)-1,]]>j=0,1,…,2b-1;這樣就確定了矩陣Y中所有組的第一個元素,同時保證了在空時網(wǎng)格碼的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中從相同起始狀態(tài)到達不同終止狀態(tài)時,第一根天線上的輸出不同;步驟4根據(jù)步驟2中確定的矩陣X確定碼字狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Y的所有組的除第一個元素外的其它元素,這樣就確定了所有可能狀態(tài)轉(zhuǎn)移發(fā)生時,經(jīng)過空時網(wǎng)格編碼后不同天線上的輸出;令矩陣Y中的元素yi,j,k=xk,p;其中p=[mod(i,2bk)/2b(k-1)],i=0,1,···2b(nT-1)-1,j=0,1,···,2b-1,k=1,···,nT-1;]]>這時就確定了Y的所有元素,記此時的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Y為Ys;這一步保證了構(gòu)造的網(wǎng)格碼從同一個狀態(tài)出發(fā)的不同路徑所對應的差錯矩陣為上三角陣;步驟5計算本次搜索的空時網(wǎng)格碼的編碼增益取所有滿足如下關(guān)系的整數(shù)對(l,m)0<l<2b,0≤m≤l,算出每一對(l,m)所對應的 并取最小的一個記為Js;于是得出此次搜索的碼字的編碼增益Js置s=s+1,重復步驟2~5可得到(2b!)nT個不同空時網(wǎng)格碼編碼增益Js,其中s=0,1,…,(2b!)nT,重復步驟2~5時矩陣X的選取不能重復步驟6確定最優(yōu)空時網(wǎng)格碼對應的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Ys找出最大的Js記為Js0以及這時對應的Ys0,則Ys0即為搜索到的最優(yōu)碼的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣;步驟7根據(jù)步驟6得到的最優(yōu)的空時網(wǎng)格碼的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Ys0,求出最優(yōu)的空時網(wǎng)格碼的生成矩陣Gs0gi‾=[fb(y0,2b-i-1,0),fb(y0,2b-i-1,1),···,fb(y0,2b-i-1,nT-1)]T,i=0,1,···,b-1[fb(y2b(nT-1)-i-1,0,0),fb(y2b(nT-1)-i-1,0,1),···,fb(y2b(nt-1)-i-1,0,nT-1)]T,i=b,b+1,···,bnT-1]]>(fb(x)見符號定義7)令Gs0=g‾0g‾1···g‾bnT-1;]]>則Gs0就是搜索到的最優(yōu)的空時網(wǎng)格碼的生成矩陣;步驟1~7為碼字搜索步驟所述的編碼步驟是步驟8根據(jù)空時網(wǎng)格碼的生成矩陣Gs0進行空時編碼得到最優(yōu)碼的生成矩陣Gs0后,網(wǎng)格碼編碼方法描述如下假如編碼器當前狀態(tài)為Si,i的二進制表示為m0,m1,…,mb(nT-2)-1,當前輸入的二進制表示為u0,u1,…,ub-1,則此時輸出的二進制向量形式為V=[u0,u1,···,ub-1,m0,m1,···,mb(nT-2)-1]*Gs0Tmod(2),]]>V的列數(shù)是bnT,V可表達為V=[v0,v1,···,vbnT-1],]]>由此可以得到空時網(wǎng)格編碼輸出的星座符號c(v0,v1,···,vb-1),c(vb+0,vb+1,···,vb+b-1),···,c(vb(nT-1)+0,vb(nT-1)+1,···,vb(nT-1)+b-1)]]>(其中(v0,v1,···,vb-1),(vb+0,vb+1,···,vb+b-1),···,(vb(nT-1)+0,vb(nT-1)+1,···,vb(nT-1)+b-1)]]>分別表示nT個b位的二進制數(shù)),這些星座符號分別被映射到nT根天線發(fā)射出去;假設(shè)到達的新狀態(tài)為Si′,則該新狀態(tài)的序號i′的二進制表示為[u0,u1,…,ub-1,m0,m1,…,mb(nT-2)-1]這樣就完成了整個空時編碼的過程。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種空時網(wǎng)格碼的構(gòu)造方法,它是通過構(gòu)造特定的碼字,使得從同一狀態(tài)出發(fā)的不同路徑的輸出相減得到的矩陣(以下稱為差錯矩陣)為上三角陣,且對角線元素全不為零,從而差錯矩陣滿秩——即獲得滿分集增益,然后再在這些滿分集增益的碼中搜尋具有最大編碼增益的最優(yōu)碼。它適用于構(gòu)造任意天線數(shù)目的空時網(wǎng)格碼,根據(jù)該方法搜索出的網(wǎng)格碼還具有較大的編碼增益,采用該方法構(gòu)造多天線的空時網(wǎng)格碼,具有運算量小、搜索速度快、容易實現(xiàn)的特點。
文檔編號H03M7/00GK1722637SQ200410040218
公開日2006年1月18日 申請日期2004年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
發(fā)明者孫剛, 孫潔, 龔耀寰 申請人:電子科技大學