專利名稱：非相干型mimo uwb通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超寬帶(UWB)和多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近些年來，對UWB通信系統(tǒng)已經(jīng)進行了大量研究。這些系統(tǒng)的特別之 處在于它們直接工作于所謂超寬帶信號的基帶。UWB信號通常是符合2002 年2月14日FCC條例2005年3月修訂版規(guī)定的頻譜遮蔽要求的信號，換 句話說，基本上就是3.1-10.6 GHz頻帶中帶寬至少為-10 dB處500 MHz的信號。
UWB信號可以分成兩種類型多頻帶OFDM (MB-OFDM)信號和 UWB脈沖型信號。UWB信號由幾百皮秒到一納秒量級的非常短脈沖組成。 本說明的其余部分僅僅針對脈沖UWB系統(tǒng)。
除此以外，在本領(lǐng)域中多天線型系統(tǒng)已經(jīng)是眾所周知。這些系統(tǒng)使用 多個發(fā)射和/或接收天線，根據(jù)所采用的配置類型，命名為MIMO (多輸入 多輸出)、MISO (多輸入單輸出)或SIMO (單輸入多輸出)。下面我們將 用同一個術(shù)語MIMO來同時涵蓋上面的MIMO和MISO。在發(fā)射和/或接收 過程中采用空間分集使得這些系統(tǒng)與常規(guī)單天線系統(tǒng)(或單輸入單輸出的 SISO)相比能夠提供明顯更大的容量。這種空間分集常常通過空間-時間編 碼(STC)由時間分集來完成。在這種編碼方式中，在幾個天線和幾個發(fā)射 瞬間對要發(fā)射的信息碼元進行編碼。
可以區(qū)分
-相干接收系統(tǒng)，其中的接收機知道發(fā)射信道的特性，通常是通過從發(fā) 射終端發(fā)射的導(dǎo)頻碼元所進行的信道估計來獲得這些信息。隨后利用信道 估計來檢測信息碼元。相干系統(tǒng)常常用于高速應(yīng)用；
-非相干接收系統(tǒng)，其中的接收機對信息碼元進行盲檢測，也就是說沒
5有發(fā)射信道特性的先驗知識。
在這個領(lǐng)域中人們提出來將利用UWB脈沖發(fā)射信號具有空間-時間編 碼的MIMO系統(tǒng)用于進行相干和非相干接收。具體地說，L. Yang等于2004 年3月出版的第52巻第3期IEEE Trans, on Comm.第507-517頁上發(fā)表的
文章 "Analog space-time coding for multi-antenna ultra-wideband
transmissions"描述了利用PPM (脈沖位置調(diào)制)對每個天線上的發(fā)射碼元 進行編碼，具有非相干接收能力的MIMO UWB系統(tǒng)。在提出的這種系統(tǒng) 中，對于具有P個天線用于發(fā)射屬于PPM調(diào)制字母系統(tǒng)的碼元s的給定用 戶終端，天線/^{1,..7}在碼元時間7;發(fā)射的信號可以寫成
其中vv^是基本脈沖的形狀，7; = ^7>是由持續(xù)時間為7>的^幀組成的碼元 時間，k。，c^，c 」是定義時間跳c"7;的用戶專用的訪問序列，其中7;是基 本碼片的持續(xù)時間，s是屬于{0,..，^-1}的PPM位置，s《7;是將兩個連續(xù) PPM位置分開的時間差，k,。， ， ， , —丄p"，",是調(diào)制序列，例如能夠 使不同的天線發(fā)射的信號正交的BPSK調(diào)制序列。表達式(1)給出的信號 屬于TH-UWB (跳時UWB)型，因為不同的用戶由正交的時間跳序列分開。
圖1A和1B說明用戶終端的兩個天線為同一 PPM碼元發(fā)射的發(fā)射信 號。這種情況下的用戶序列是^ = 7， 1,4，7， PPM位置s-0。注意，表達 成矢量形式a^(+l，+l，+l,+l)和a2"+l,-l，+l,-l)的這兩個天線的對應(yīng)BPSK加 權(quán)序列在發(fā)射的時候?qū)嶋H上是互相正交的，換句話說，aia〖=0。
上述系統(tǒng)能夠獲得最大分集而不需要進行任何信道估計。因此，在理 論上它適合于非相干接收。
但是，利用BPSK調(diào)制序列分開來自特定用戶終端不同天線的信號需 要接收機具有提取極化信息的能力。由于所用脈沖的持續(xù)時間非常短，提 取UWB信號中的相位信息極其困難。
此外，在發(fā)射中使用的BPSK調(diào)制會導(dǎo)致特定脈沖的極化翻轉(zhuǎn)，這一 點從圖1A和1B可以看出。事實上，這等效于使用一個組合式字母系統(tǒng)而 不是經(jīng)典的PPM調(diào)制字母系統(tǒng)，其中每個碼元由脈沖位置和符號定義，導(dǎo) 致調(diào)制器更加復(fù)雜。因此，本發(fā)明的目的是提出一種MIMO-UWB系統(tǒng)，它利用非相干接 收采用簡單和魯棒的空間-時間編碼方案，能夠分離不同的天線信號而不需 要在接收時提取相位信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用用于具有多(戶)個輻射單元的脈沖UWB通信系統(tǒng)的一種 空間-時間編碼方法。這種方法將屬于PPM調(diào)制字母系統(tǒng)的尸個碼元的任 意組合h， s2， ...， Sp與M個調(diào)制位置聯(lián)系起來，其中M〉尸+1，這種空間-時間碼由以下矩陣定義
<formula>formula see original document page 7</formula>有可能對其行和/或列進行置換，所述矩陣每一列中的碼元由給定輻射單元 發(fā)射，所述矩陣每一行的碼元在使用給定信道的過程中發(fā)射，其中o是調(diào)制
位置的置換，Si，S2，…，Sp碼元滿足如下約束
Si # Sj， 其中i，j-l，..，戶并且i # j Qsi # Sj,其中1 = 2，..，戶并且』=1，..，"1。 碼元si， s2，…，sp的對應(yīng)調(diào)制位置^，&，…，外滿足約束0〈A < M，并且O是將每個調(diào)制位置"(0,…,il/-1}變換到位置一)="，]的調(diào)制 位置的循環(huán)置換。
可以用空間-時間碼矩陣中的每個元素對TH-UWB信號的對應(yīng)脈沖位 置進行調(diào)制。
本發(fā)明還涉及一種發(fā)射終端，它具有設(shè)計成發(fā)射脈沖型UWB信號的多 尸個輻射單元。這種終端包括代碼變換器用于將第一組/個信息碼元
^，。2，...，。,編碼成屬于PPM調(diào)制字母系統(tǒng)的第二組尸個碼元S"S"...，Sp ，空
間-時間編碼器從這些碼元產(chǎn)生由以下矩陣定義的空間-時間碼
<formula>formula see original document page 7</formula>有可能對其行和/或列進行置換，所述矩陣每一列(p)中的碼元由給定輻射
單元發(fā)射，所述矩陣每一行的碼元在使用給定信道的過程中發(fā)射，其中n是
調(diào)制位置的置換，S,，S2，…，Sp碼元滿足如下約束
代碼變換器提供的碼元h， S2，…，Sp的對應(yīng)調(diào)制位置"…，外滿足約
束0 <& <& <..-< w <M,并且Q是將每個調(diào)制位置s e {0,...，M- 1}變換到位置 "W = s + 的調(diào)制位置的循環(huán)置換。
這個終端可以包括多個TH-UWB信號調(diào)制器，每個調(diào)制器都通過所述 矩陣的列的連續(xù)元素調(diào)制TH-UWB信號。例如，每個調(diào)制器對所述TH-UWB 信號的每個脈沖的位置進行調(diào)制。
這種輻射單元可以是UWB天線、發(fā)光二極管或激光二極管。
最后，本發(fā)明還涉及一種接收終端，它包括一個或幾個(Q)接收天線， 其中每個天線收到的信號由匹配到多(P)個TH-UWB信號的一組濾波器 濾波，對于信道的多尸次使用v-O，..，？-l，所述TH-UWB信號按照如下方 式定義，可能用乘法因子相乘-
其中(1 e {0，..，M -1}由如下矩陣第v4亍第列中的PPM碼元的調(diào)制位置定義:
該矩陣滿足約束0 <& <& <...<&< Af，其中"&，…，外是sl5 s2，…，sP碼元
的對應(yīng)位置；
針對所述信道的所述P次使用，將所述匹配濾波器的輸出信號的能量 積累到積分器中，并且碼元a, s2， ...， sP的每個組合滿足所述約束；
對于每個所述組合，在加法器中將針對不同天線這樣積累得到的能量 加起來；
在比較器(450)中將針對每個所述組合這樣加起來的積累能量進行比 較，選擇具有最大值的組合。
Si # Sj, 其中i，j-l，..,戶并且i # j nSi # Sj,其中1 = 2,..，戶并且』=1，..,"1。


通過閱讀本發(fā)明的優(yōu)選實施例，同時參考附圖，會更加了解本發(fā)明的 其它特征和優(yōu)點，在這些附圖中
圖1A和IB示出現(xiàn)有技術(shù)中已知MIMO-UWB系統(tǒng)里兩個天線發(fā)射的 信號；
圖2示出本發(fā)明中空間-時間碼的實例；
圖3示出本發(fā)明一個實施例中利用空間-時間編碼技術(shù)的MIMO系統(tǒng)的 發(fā)射機；
圖4示出本發(fā)明一個實施例中用來對空間-時間碼進行解碼的MIMO系 統(tǒng)的接收機；
圖5示出利用本發(fā)明的空間-時間編碼技術(shù)，碼元差錯率隨單天線系統(tǒng) 和多天線系統(tǒng)的信噪比的變化。
具體實施例方式
本發(fā)明的目的是利用脈沖型MIMO-UWB系統(tǒng)中的空間-時間碼，其中 的元素屬于PPM調(diào)制字母系統(tǒng)的一個子集，來通過采用調(diào)制位置置換機制 實現(xiàn)發(fā)射信號之間的正交性。
再次考慮MIMO UWB脈沖系統(tǒng)，具體考慮具有戶個發(fā)射天線的用戶 終端。
下面我們按照慣例將空間-時間碼表示成矩陣形式
<formula>formula see original document page 9</formula>(2)
其中元素<formula>formula see original document page 9</formula>是調(diào)制不同天線的信號的發(fā)射碼元。
更加精確地說，矩陣中的每一列對應(yīng)于一個天線，矩陣中的每一行對應(yīng)于 使用信道的瞬間(每個信道使用，PCU)。因此，碼元c;:將由天線;p在第(n+l) 個PCU發(fā)射。
根據(jù)一個一般性的實施例，所提出的空間-時間碼由以下矩陣定義<formula>formula see original document page 10</formula>
其中元素Si，S2，…，Sp是基數(shù)(cardinal)為M的PPM調(diào)制字母系統(tǒng)的碼元， 它們滿足后面將給出的約束；Q是調(diào)制位置的置換。調(diào)制位置的置換指的是 除了單位矩陣以外，調(diào)制位置集合在自身的任意雙射(bijection)。 將影響碼元Si， s2，…，sP的上述約束表示為
<formula>formula see original document page 10</formula>(4)
明白這一點非常重要如果碼元ShS2，…，Sp滿足約束(4)，那么(3) 定義的矩陣C中每一行里的那些碼元是不相同的。換句話說，對于信道的 每次使用，不同天線發(fā)射的碼元的對應(yīng)調(diào)制位置不同，這樣就能夠使得發(fā) 射的信號正交，并獲得空間-時間碼的最大分集。
要注意，如果置換矩陣C的行和/或列，這一特性仍然維持。兩行的置
換等效于兩個發(fā)射瞬間的置換，兩列的置換等效于兩個天線的置換。顯然，
這兩種操作都會維持發(fā)射信號的正交性。
下面，我們通過給岀其調(diào)制位置、e(0，"，M-l)或者通過其矢量表示
sp=( "《-Y，不加區(qū)分地指PPM碼元，其中《=5(/ -、)， 4)是狄拉 克分布。要明白，除了一個等于1以外，這個矢量的所有分量都等于零， 這個1表明所涉及碼元的調(diào)制位置。
根據(jù)一個實施例，置換O是一個循環(huán)置換。 在使用這個矢量表示時，可以將Q寫成大小為MXM的矩陣
<formula>formula see original document page 10</formula>其中Wkw是大小為HXM-1的單位矩陣，0!xw是大小為AT-1的空行 矢量，(W.w是大小為Af-l的空列矢量。
通過展開PPM碼元，還可以將空間-時間碼的矩陣C寫成大小為/WXM的矩陣，它僅僅由O和l組成:
(6)
根據(jù)本發(fā)明的實施例，通過施加如下條件來實現(xiàn)約束(4):
0 < & < & <...< j尸< M (7)
在這種情況下，不同碼元的對應(yīng)調(diào)制位置形成有序遞增序列，第一調(diào)制位 置被禁用。要注意，條件(7)假設(shè)的是可以選擇屬于集合{1，2， ...，M-1}
的尸個不同值。因此，必須有
i5 < M— 1 (8) 圖2說明本發(fā)明一個實施例中空間-時間碼的一個實例，其中尸=3, M =5。對于每個PPM碼元，對于三個天線以及信道的三個連續(xù)使用，調(diào)制位
可以看出，保留第一個調(diào)制位置能夠防止在信道的第二次使用期間nsP
和Si的調(diào)制位置之間發(fā)生沖突。同樣，位置SbS2，…，Sp按照(7)表明的方
式排好順序能夠確保任意信道使用的PPM碼元的調(diào)制位置保持不同，并且， 如上所述，不同天線發(fā)射的信號明顯正交。
此外，還要注意，滿足條件(7)的PPM碼元的數(shù)量等于M-1元素中
f P 、
戶個元素的組合數(shù)尺，即^ =<formula>formula see original document page 11</formula>因此，可以把信道的使用所發(fā)射的碼元的數(shù)量表示為戶個連續(xù)使用的 平均
這個表達式的值大于1，因為它是大于1的項的乘積。隨著M和尸之間的 差增大，這個數(shù)增大，此時PPM碼元的選擇余地更大，從這一點來講是符 合邏輯的。
圖3示意性地說明本發(fā)明一個實施例中使用空間-時間碼的 MIMO-UWB系統(tǒng)的發(fā)射機。
發(fā)射機300接收信息碼元幀，表示為 ， ， ..， ，其中如果這些碼元是 二進制的，就有"log2(K)，更加一般地，如果它們是,元的，就有 ^l0g2("/log2U)。在模塊310中將信息碼元進行代碼變換，提供PPM發(fā)射 碼元81，82，...，81>。代碼變換功能可以是任意的，只要它是一一對應(yīng)的就行。
在模塊320中對PPM碼元Sh s2， ...， Sp進行空間-時間編碼。這個模塊 將和矩陣C的尸行對應(yīng)的PPM碼元的序列分別發(fā)射給UWB調(diào)制器330，， 3302,…，330尸，也就是將序列s"nsp，QsM，."ils2發(fā)射給調(diào)制器330i，將序列
S2，S"ilSp，ilSM""ilS3發(fā)射給調(diào)制器3302，將序列Sp，Sp—，，s"s,發(fā)射給調(diào)制器
330p。
根據(jù)一個實施例，調(diào)制器330h 33 02，…，330p是TH-UWB類型的。在 這種情況下，例如，33(^產(chǎn)生的信號具有和(1) 一樣的形狀，利用同樣的 記號
-對于信道的第一次使用(PCU):
<formula>formula see original document page 12</formula>
-對于信道的第二次使用
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中0> )=^+1^]，[]表示模運算。
如此下去，直到信道的第尸次使用
<formula>formula see original document page 12</formula>從矩陣c中的其它列開始獲得源自其它調(diào)制器的信號，加以必要的變 更。然后通過發(fā)光二極管或激光二極管的輻射單元340,，3402, ...，340P，例 如UWB天線，發(fā)射不同調(diào)制器中的信號。
這樣發(fā)射的信號可以用本發(fā)明一個實施例中的空間-時間解碼裝置解 碼，如圖4所示。隨著所發(fā)射的信號的本質(zhì)不同，這一裝置包括多(0)個 接收天線或光電檢測器。
天線410q收到的對應(yīng)于信道第v次使用的信號可以寫成如下形式
<formula>formula see original document page 13</formula>其中0是巻積符號，C'是矩陣C的碼元c;-'的PPM位置，如同(2)和(3)
中定義的一樣，/^是發(fā)射天線p和接收天線《之間信道的脈沖響應(yīng)， w
是天線410q的接收噪聲。
對于信道的v次使用中的每一次，用匹配到如下對應(yīng)信號的一組P濾 波器420q，j 420q，KP將每個天線410g， g = 1，…，2收到的信號濾波
0)=+￡ !>"-"r/—O) (14)
^■/V, "" m=0
其中應(yīng)當(dāng)記住，《-'是(3)中定義的矩陣C的第v行第/ 列中碼元的PPM 位置，并且具有約束(7),也就是0<矸<《<...<^<^。對于滿足這一約束 的信號"&，…,印的《種可能組合，AP個匹配濾波器對應(yīng)于戶個天線發(fā)射 的信號。
然后由二次檢測器430"檢測來自這些匹配濾波器的輸出，其中A:= l，...，K， g=l, ...，Q。每個二次檢測器將信道的尸次連續(xù)使用期間收到的
信號的能量積累起來。
在加法器440k， A= 1, ，..， AT中將針對特定組合檢測到的信號加起來。 最后，比較器450選擇加起來以后得到的最大值。
顯然，對應(yīng)于實際發(fā)射碼元Si,^..，^，加起來得到的值等于
難,；，5^尸XlXI2 (15)
其中/^是發(fā)射天線P和接收天線g之間信道傳輸?shù)南禂?shù)。(16)中的因子尸 是因為積累是在信道的戶次使用上完成的這一事實。
13另一方面，可以說對于和碼元"&，…，外的任意組合有關(guān)的加起來的 值，加起來的值的一般形式為
<formula>formula see original document page 14</formula>，其中<formula>formula see original document page 14</formula>只有在<formula>formula see original document page 14</formula>時滿足等式<formula>formula see original document page 14</formula> 。因此，<formula>formula see original document page 14</formula> 實際對應(yīng)于最大的加起來得到的值(16)。
針對單天線系統(tǒng)(ixi)以及使用本發(fā)明的空間-時間編碼方法的
mimo-uwb系統(tǒng)，圖5將隨著信噪比變化的每個碼元的差錯率進行比較。 mimo系統(tǒng)中使用的天線配置是2Xl、 3X1和4X1?？梢钥闯觯瑢τ诘托?噪比，單天線系統(tǒng)比mimo系統(tǒng)略好。這是因為本發(fā)明中的空間-時間碼具 有比單天線系統(tǒng)中單個ppm碼低的速率這一事實。記住空間-時間碼(3)
的速度是"Hm-lj每pcu，而ppm簡單編碼的速度則是1og2(m)每pcu。
要指出，如果調(diào)制度m很高，在低信噪比情況下觀察到的變差不那么敏感。 另一方面，對于信噪比的較大值，本發(fā)明的空間-時間編碼方法明顯優(yōu) 于經(jīng)典單一天線，這一點可以從圖5看出。
權(quán)利要求
1. 一種空間-時間編碼方法，用于具有多尸個輻射單元的脈沖UWB通 信系統(tǒng)，其特征在于所述方法將屬于PPM調(diào)制字母系統(tǒng)的戶個碼元的任意 組合S,，S2，…，Sp與M個調(diào)制位置聯(lián)系起來，其中^/>尸+1，所述空間-時間 碼由以下矩陣定義<formula>formula see original document page 2</formula>其行和/或列有可能置換，所述矩陣每一列中的碼元由給定輻射單元發(fā)射， 所述矩陣每一行的碼元在使用給定信道的過程中發(fā)射，其中o是所述調(diào)制位置的置換，所述S,，S2，…，Sp碼元滿足如下約束Si # Sj, 其中i，j-l，..，戶并且i # j Qsi # Sj,其中1 = 2,..,尸并且]=1,..，"1。
2. 如權(quán)利要求1所述的空間-時間編碼方法，其特征在于碼元& s2，…， sp的對應(yīng)調(diào)制位置A， 滿足約束0 <& <& < Af，并且Q是將 每個調(diào)制位置"(0,…,M-1}變換到位置斗)=5 + 1[糾的調(diào)制位置的循環(huán)置換。
3. 如權(quán)利要求l或2所述的空間-時間編碼方法，其特征在于所述空間 -時間碼矩陣中的每個元素對TH-UWB信號的對應(yīng)脈沖位置進行調(diào)制。
4. 發(fā)射終端(300)，具有設(shè)計成發(fā)射脈沖型UWB信號的多P個輻射 單元，其特征在于包括代碼變換器(310)和空間-時間編碼器(320)，所述 包括代碼變換器(310)用于將第一組/個信息碼元A， ""， 編碼成屬于 PPM調(diào)制字母系統(tǒng)的第二組尸個碼元Si，s"".，Sp，所述空間-時間編碼器(320) 從這些碼元產(chǎn)生由以下矩陣定義的空間-時間碼<formula>formula see original document page 3</formula>其行和/或列有可能置換，所述矩陣每一列(P)中的碼元由給定輻射單元(340p)發(fā)射，所述矩陣每一行中的碼元在使用給定信道的過程中發(fā)射，其 中Q是所述調(diào)制位置的置換，所述Sl， s2，…，SP碼元滿足如下約束Si # s』，其中i，j-l，..，P并且i # j Qsi # Sj，其中卜2，..,尸并且』=1，..，"1。
5. 如權(quán)利要求4所述的發(fā)射終端，其特征在于所述代碼變換器提供的 碼元Si， s2， ...， sP的對應(yīng)調(diào)制位置A, s2，…，"滿足約束0 < & < & <...< s尸< M，并且Q是將每個調(diào)制位置s e (O，...，M -1}變換到位置"(s) = s + 的調(diào)制位 置的循環(huán)置換。
6. 如權(quán)利要求4或5所述的發(fā)射終端，其特征在于包括多個TH-UWB 信號調(diào)制器(33(h、 3302、……、330P)，每個調(diào)制器都通過所述矩陣的列 的連續(xù)元素調(diào)制TH-UWB信號。
7. 如權(quán)利要求6所述的發(fā)射終端，其特征在于所述調(diào)制器對所述 TH-UWB信號的每個脈沖的位置進行調(diào)制。
8. 如權(quán)利要求4 7之一所述的發(fā)射終端，其特征在于所述輻射單元是 UWB天線。
9. 如權(quán)利要求4 7之一所述的發(fā)射終端，其特征在于所述輻射單元是 發(fā)光二極管或激光二極管。
10. 接收終端，包括一個或幾個(Q)接收天線，其中每個天線(410q) 收到的信號由匹配到多i^個TH-UWB信號的一組濾波器(420q,，，…，420q，KP) 濾波，對于信道的多尸次使用"=0,..,尸-1,所述TH-UWB信號按照如下方式定義，其中可能乘以乘法因子o)=i ￡"7) - "w -《1 )f)V m-0其中《-'￡{0，..，^-1}由如下矩陣第^第/7列中的？ ]^碼元的調(diào)制位置定義:,SlS2 …SI"、該矩陣滿足約束0 < & < j2 <.< j尸< Af，其中a， j2，…，"是s，， s2，…，sP碼元的對應(yīng)位置；針對所述信道的所述尸次使用以及滿足所述約束的碼元h， s2，…，sP的 每個組合，將所述匹配濾波器輸出的信號的能量積累到積分器(430u,.., 43(W)中；針對每個所述組合，在加法器(440,， ..， 440K)中將針對不同天線這樣積累得到的能量加起來；在比較器(450)中將針對每個所述組合這樣加起來的積累能量進行比 較，選擇具有最大值的組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種空間時間編碼方法，這種方法用于利用屬于PPM調(diào)制字母系統(tǒng)的碼元的脈沖型MIMO-UWB系統(tǒng)。不同天線發(fā)射的信號的正交性通過提供PPM碼元調(diào)制位置置換，并對所述碼元的位置施加約束來實現(xiàn)。本發(fā)明的空間-時間編碼方法能夠進行非相干型接收。
文檔編號H04B1/69GK101312392SQ200810100530
公開日2008年11月26日 申請日期2008年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月21日
發(fā)明者耶利 C·阿布阿 申請人:原子能委員會