【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】 专利
本专利技术涉及一种在无线通信系统中实现多路并行数据传输的方法及装置，尤其涉及一种采用空间信道编、解码方法实现多路并行传输的方法和装置。
技术介绍
随着移动通信的日益普及，单纯的移动语音通信已经不能满足人们获取信息的需要，而移动数据通信业务以其能够提供办公、娱乐、等更为方便、且信息量更为丰富的内容而显现出巨大的发展前景。因而，提供支持数据高速传输的高速分组数据服务(HPDS)，特别是提供从基站到用户终端的下行链路上的高速数据服务已经成为未来无线通信系统的主要目标之一。传统的单天线无线通信系统通常采用对频带、时隙和扩频码的复用来提高数据业务的传输速率。例如，在多载波系统中，系统为每个用户分配多个频段，然后再将不同频段的信号复用在一起一同发送。而在时分多址系统中，系统也可将不同用户信息分配在不同的时隙内一同传输。除此之外，系统还可以采用码分复用方式。图1示出了传统3GPP UMTS FDD单天线系统的发射机和接收机结构。如图1所示，在发射机中，待发送数据经过卷积/Turbo(卷积或Turbo)编码(即，信道编码)、交织和符号映射后，先后与OVSF(正交可变扩频因子)码和扰码相乘，从而得到经过扩频和加扰处理的用户信号。这样，扩频后的多个码道信号就可通过码分方式复用在同一频带内，并通过脉冲成形和RF调制，形成射频信号。在接收机中，经由天线接收的射频信号经过RF、RRC滤波(均方根升余弦滤波)和过采样处理后，送入信道估计单元中估计出多个并行传输信道的信道特性。接着，解扩和检测单元在完成解扩的条件下，再利用该信道估计结果检测出接收信号。然后，检测出的符号信号经过...
【技术保护点】
一种空间信道编码方法，包括步骤：（ａ）按照预定的通信速率，输入一组串行的待编码的数据；（ｂ）根据预定的通信模式，采用相应的编码准则，对该组数据进行信道编码，以输出多路并行的编码信号，其中，该各路编码信号之间具有相关的冗余信息；（ｃ）将该各路编码信号相应地经由多个发射天线发送出去。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】CN 2004-8-9 200410056552.0书中的内容，并且随着对本发明的更全面的理解，本发明的其他目的及效果将变得更加清楚和易于理解。 附图简述以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，其中图1示出单天线的3GPP UMTS FDD系统的发射机和接收机的结构框图；图2示出在3GPP UMTS FDD系统中采用BLAST技术的发射机和接收机的结构框图；图3是按照本发明的优选实施例的采用空间信道编、解码技术的发射机和接收机的结构框图，其中发射机具有多个发射天线，接收机仅有一个接收天线；图4为按照本发明的优选实施例提出的在具有两个发射天线的发射机中使用的空间信道编码结构(architecture)；图5为按照本发明的优选实施例提出的在具有三个发射天线的发射机中使用的空间信道编码结构；图6是按照本发明的优选实施例的采用空间信道编、解码技术的发射机和接收机的结构框图，其中发射机和接收机均可采用多个天线；图7为同为QPSK调制的分别采用带有信道编码的单天线结构、本发明提出的一种双发天线空间信道编码结构、以及两种BLAST结构的系统中，测试出的误帧率性能的曲线图；和图8为同为8PSK调制的分别采用带有信道编码的单天线结构、按照本发明的一种三发天线空间信道编码结构、以及两种采用BLAST结构的系统中，测试出的误帧率性能的曲线图。 在所有附图中，相同的标号表示相似或相应的特征或功能。 发明详述按照本发明的空间信道编码方法，将信道编码与多路并行结构相结合，通过在多路并行信号之间加入部分冗余信息以使得多路并行信号之间具有空间相关性，进而帮助在接收端的用户终端解调出该多路并行信号，以实现用户终端在有限的接收天线的条件下接收大批量的高速数据业务。 基于以上考虑，本发明提出了一种将信道编码和空间编码相结合的空间信道编码方法。具体而言，在发射机(例如基站)中，首先根据系统要求的数据传输速率确定空间信道编码一次编码的输入比特数目，然后分别在多个支路中按照预定的编码规则同时对输入比特进行空间信道编码，并将编码后得到的多个编码比特通过系统所使用的调制映射方式，转换为与发射天线数目相应的多路编码信号，从而可经由多个发射天线发送给接收端。在接收端(用户终端)内，接收机按照已知的编码规则，利用信道估计得出的多路信道的信道特性，对所接收的信号进行解码，从而将多路并行的编码信号转换为一路所需数据。经过这种空间信道编码方法处理，编码后的多路并行信号相互之间不仅具有时间相关性，还具有空间相关性，因此，在解码时充分利用这种空间和时间相关性，可大大降低对用户终端接收天线数目的要求。 以下将首先结合附图3-5，以3GPP UMTS FDD系统内，用户终端接收机中仅有一个接收天线的情况为例，详细描述本发明所提出的空间信道编码(SCCSpatial Channel Code)方法。 图3示出采用本发明所提出的空间信道编码方法的发射机(例如基站)和接收机(例如，用户终端)的结构框图。如图3所示，在发射机500中，待发送的数据首先送入空间信道编码结构510进行空间信道编码，其具体结构将在图4和图5中进行详细描述。待发送的用户数据经过空间信道编码结构510的处理，转换为具有空间相关性的多路并行的编码信号，然后每个并行支路的编码信号各自依次经历交织器102的交织处理、OVSF扩频单元103的OVSF码扩频、加扰器104的加扰处理、复用器105对多个码道的信号进行叠加、脉冲成形单元106将叠加的信号进行脉冲成形和RF(射频)单元107的调制形成多路射频信号，并经由多个发射天线发射到无线空间。 多路并行的射频信号经由无线信道的传输到达用户终端的接收机600。在本实施例中，接收机600只有一个接收天线。该接收天线的接收信号为经由多个并行空间信道传输的所有多路信号的叠加。RF单元208将天线接收到的多路射频信号转换为基带信号，并送入RRC滤波器和过采样单元206，以将模拟信号转换为离散(discrete)信号。所得到的离散信号在经过解扩和检测单元204的解扩处理和解交织器202的处理后送至空间信道解码结构610。而在信道估计单元220中，根据接收到的导频信号，对多个并行空间信道的信道特性进行估计。接着，空间信道解码结构610利用信道估计单元220所估计出的多路信道的信道特性，根据发送机500采用的空间信道编码结构510，对解交织后的叠加信号进行相应维特比软解码，从而将叠加在一起的多路并行信号一一解出，并在解码的同时将其多路并行信号转换为一路串行数据，即用户所需数据。该空间信道解码结构610利用估计的信道特性、进行维特比软解码的过程将在下文中详细说明。 在图3中，空间信道编码结构510是关键的处理单元，其担负着信道编码和空间编码的双重任务。图4和图5分别示出空间信道编码结构510的两种具体结构。图4示出当发射机500为两个发射天线，而接收机600只有一个接收天线的情况下，空间信道编码的结构。图5示出当发射机500为三个发射天线，而接收机600为一个接收天线的情况下，空间信道编码的结构。如图4和图5所示，在本发明的这两个实施例中，为了使结构更为紧凑，空间信道编码结构还包括符号映射单元103的功能。这样，输入到空间信道编码器的数据比特，经过处理后，将会得到多路经过相位/幅度(相位或幅度)调制的符号。当然，该符号映射单元也可以放置在空间信道编码结构的外部执行。 下面，首先参照图4介绍发射机500有两个发射天线，而接收机600只有一个接收天线的情况下，空间信道编码的结构。 如图4所示，空间信道编码结构包括4个并行的移位寄存器支路(图中，每个移位寄存器支路由一组寄存器D表示)，和两个QPSK(四相相移键控)映射单元，其中每个移位寄存器支路都用来完成一个信道编码，因而，也可称为信道编码支路。 在本实施例中，假设，系统要求如图3所示的具有两个发射天线的发射机的数据传输速率为2b/s/Hz(b/s/Hz表示单位频谱、单位时间传输的比特数目)，且采用QPSK调制方式，则按照本发明的思想，根据数据传输速率(2b/s/Hz)，确定空间信道编码结构一次编码输入的比特数为2。同时，由于每个发射天线采用每两个比特对应一个符号的QPSK调制方式，且发射机具有两个发射天线，则相当于编码输出比特为4，因此，空间信道编码结构具有4个信道编码支路，且每两个支路输出的编码比特用来生成一个QPSK符号。这样，空间信道编码结构的编码率为1/2。 在确定了信道编码支路数目后，为了提高信号的抗干扰能力，可将每个信道编码支路中，用于进行信道编码的寄存器的个数设置为9，即图4中每个支路的编码器有9个寄存器D。由于一次编码需要处理2个输入比特信息，所以，9个寄存器D中只有7个保持上次编码处理后的移位状态，也就是说每个信道编码支路总共有27＝128个状态。这里需要指出，信道编码支路的状态可根据实际系统的传输质量的要求进行设定，若系统对信号质量的要求较高则可选择使用更多的寄存器。 按照以上设置，就构成了如图4所示的用于两个发射天线、一个接收天线情况下的数据传输速率为2b/s/Hz，具有128个状态的空间信道编码结构。 由图4可见，两个串行的数据比特b1和b2，同时移位进入4个并行的编码支路中的寄存器。每个处理支路按照预先设计好的编码规则(例如，第一个信道编码支路的生成码G0为101110011，第二个信道编码支路的生成码G1为010011100，其中，生成码的每一位对应一个寄存器。)进行编码处理。具体编码过程是将每个支路中生成码对应位为1的寄存器中存储的比特状态取出并完成模二求和(modulus 2加)，从而得到编码后的比特信息。然后，将第一、第二支路的编码比特结合在一起进行QPSK映射，从而得到将在第一个发射天线上发送的符号c1。同理，对第三、第四支路的编码比特进行QPSK映射，就得到在第二个发射天线上发送的符号c2。这样，按照图4所示结构就可以将一路串行数据编码映射为两路经过信道编码的并行信号，且这两路并行信号彼此之间具有空间的相关性。 在图4所示的空间信道编码结构中，为了提高信号的抗干扰能力，需要选择适当的编码规则，以使信号的误码率最小化。为此，这里提出对空间信道编码进行系统设计的方法。由于编码系统设计的一个基础是能够构造编码生成矩阵G，因而，下面将图4所示的结构扩展到一般情况，以构建空间信道编码的数学模型。 首先，假设输入到空间信道编码(SCC)结构的数据信息比特为B＝[b1，b2，.....，bK]，其中，K表示该SCC一次编码的比特数目。按照本发明的思想，K由系统要求的数据传输速率决定，例如在图4所示结构中数据传输速率为2b/s/Hz，则K＝2。这样，经过空间信道编码得出的对应于第n个发射天线(其中，n＝1，2...N，N表示发射天线的数目)的符号cn可由下式表示cn=Φ[(D·GQn-Q+1:QnT)]---(1)]]>其中D＝[B M]，M＝[bK+1，bK+2，.....，bK+S]表示寄存器中当前状态的信息比特，其中S为根据系统性能要求确定的用于保存状态信息的寄存器个数，例如在图4所示结构中S＝7，即D＝[b1，b2，.....，bKbK+1，bK+2，.....，bK+S]。G为编码生成矩阵，其中，编码生成矩阵G的上角标T表示矩阵转置，下角标中的Qn-Q+1Qn表示矩阵中的第Qn-Q+1行到第Qn行阵元用于计算cn。公式(1)中Q表示系统所使用的调制方式，例如系统采用QPSK调制，则Q＝2，采用16QAM(16相正交幅度调制)，则Q＝4。由公式不难发现，每个发射天线的符号cn所对应的一组信道编码支路数目是由调制方式所对应的Q值确定的。例如，在图4所示的采用QPSK的结构中，Q＝2，则用于生成c1的生成编码为编码生成矩阵的第1行和第2行，也就是图4中示出的第一、第二两个信道编码支路。G的每一行对应一个信道编码支路的生成码，即编码生成矩阵G的每一个阵元对应移位寄存器中的一个寄存器D，若该阵元为1，则该寄存器D中的比特将被取出进行模二运算。在公式(1)中用Φ(·)表示将编码后得到的值映射为相位符号的调制映射过程。例如在图4所示结构中，系统采用QPSK映射，则Φ(·)表示为Φ(x)＝exp(πjx/2)，x＝1，2....4。 由上所述，空间信道编码过程可由公式(1)表示，这就构建出了空间信道编码的数学模型。其中，根据系统实际的数据传输速率、发射天线数目及系统所采用的调制方式，确定了编码生成矩阵的行数和列数，接下来的问题是如何确定编码生成矩阵G的阵元，即寻找适当的编码生成矩阵G来获得最佳的编码效果。 在发射天线数目与接收天线的数目的乘积不大于3的情况下，可采用如下的准则作为搜索编码生成矩阵G的依据在根据编码生成矩阵G所生成的网格图中，各译码路径的对应的输出符号之间构成的差值矩阵B，使得矩阵A＝B*B’(B’表示该差值矩阵B的共轭转置)的秩/积(秩(rank)/积(product)表示秩和积)的最小值最大化。在本实施例中，由于发射天线N＝2、接收天线数目M＝1，因而可以将该判据用作编码生成矩阵G的搜索判据。在搜索过程中，按照该矩阵A的秩/积的最小值最大化判据对每个编码生成矩阵G所对应的网格图进行判断，从而搜索到一个如公式(2)所示的最佳编码生成矩阵G当N＝2，M＝1，G=101110011010011100010001011100100001---(2)]]>该编码生成矩阵G的具体实现结构即为图4所示结构。 将如公式(2)所示的编码生成矩阵G代入到公式(1)中，即可得到对应于两个发射天线的并行编码信号，也就是图4所示结构的输出信号。按照图3所示发射机500的结构，这两路并行的编码信号分别经过交织、扩频、加扰、脉冲成形和调制，经由两个发射天线发射给用户终端接收机。在接收机中，如图3所示的空间信道解码结构610，根据信道估计单元220估计出的信道特性，按照如公式(2)所示的编码生成矩阵G所生成的网格图对接收信号进行维特比软解码。 维特比软解码的原理是空间信道解码结构根据编码生成矩阵G，在由编码结构状态数确定的网格图中搜索每条路径，并找出与所接收信号误差最小的最佳路径，则最佳路径所对应的输入数据比特，即为解码出的所需数据。在本发明的实施例中，由于接收机600只有一个接收天线，接收信号是两路并行发射信号的叠加，例如r＝h1×c1+h2×c2+n，其中h为信道特性，n为高斯噪声。因而在路径搜索过程中，空间信道解码结构610将估计出的信道特性h1和h2作为权重乘上搜索路径上的编码信号c1′和c2′，再加权求和，从而得到待判断信号，即r′＝h1×c′1+h2×c′2。然后空间信道解码结构610将该待判断信号r’与接收信号r进行比较，生成一个度量值。该度量值表示r’与实际接收信号r之间的差距大小。维特比解码，在搜索过程中仅保留度量值最小的路径，最终搜索得到与实际接收信号差距最小的最佳路径，从而解出所需用户数据。 以上以发射机具有两个发射天线，接收机具有一个接收天线的情况为例详细描述了本发明所提出的空间信道编码方法和结构。本发明所提出的方法还可以应用于发射机具有三个发射天线(N＝3)，接收机仅有一个接收天线的情况(M＝1)。在这种情况下，假设系统要求数据的传输速率为3b/s/Hz，则K＝3，即一次编码输入的比特数目为3，同时如果系统采用8PSK(八相相移键控)调制方式，则Q＝3，且8PSK调制方式表示为Φ(x)＝exp(πjx/8)，x＝1，2....8。由此，根据公式(1)的要求，每个发射天线对应的信道编码支路数也为3。如果，此时采用128个状态(S＝7)的信道编码支路就可以满足系统性能的要求，那么N＝3，M＝1，S＝7的编码生成矩阵就为9行、10列。此时依然可以采用使得该矩阵A的秩/积的最小值最大化判据来寻找适合的编码生成矩阵G。经过搜索，得出的N＝3，M＝1，S＝7的最佳编码生成矩阵G如公式(3)所示当N＝3，M＝1时，G=100110101101101101111100100010010010110111110001011001000100001011001101000101111100011101---(3)]]>按照公式(3)所示的编码生成矩阵G对连续三个输入数据比特b1、b2和b3进行编码处理。那么根据公式(1)中对用于生成cn的编码生成矩阵的行数为Qn-Q+1Qn的要求，则输出符号c1为编码生成矩阵G中前三行所生成的编码比特的映射符号。 图5示出了按照公式(3)构造的用于三个发射天线，一个接收天线的3b/s/Hz、128个状态的空间信道编码结构。其基本原理与图4相同，不同之处在于一次编码可处理3个输入比特，共有9个并行的信道编码支路，每三个编码支路输出的编码比特组合在一起，进行8PSK的映射，从而得到三路并行的编码信号。利用图5所示的空间信道编码结构，发射机中对应地应具有三路交织、扩频、加扰、脉冲成形以及RF调制单元，以将三路编码信号转换为可从对应的发射天线发射出去的射频信号。 在接收端，由于同样采用单天线的接收机，因而接收机的结构与图3完全相同。只不过，接收信号包括经由三个信道传输的信号，即r＝h1×c1+h2×c2+h3×c3+n，因而图3中接收机的信道估计单元需要估计3个信道的信道特性h1、h2和h3。在空间信道解码结构进行维特比软解码时，待判断的信号是三个编码信号的加权和，即r′＝h1×c′1+h2×c′2+h3×c′3。将r’与接收信号r进行比较，生成一个度量值，并利用该度量值，在网格图中搜索出与实际接收信号差距最小的最佳路径，从而解出所需用户数据。 以上，结合附图4和附图5描述了在发射机500具有两个和三个发射天线，而接收机600具有一个接收天线的情况。当然，本发明所提出的方法并不局限在这两种情况，还可以应用在具有更多的发射天线的情况下，同时还可以应用在接收机具有多个接收天线的情况下。 图6示出了一种按照本发明的具有多个发射天线的发射机结构和具有多个接收天线的接收机的结构。与图3相比较，图6中，由于接收机700具有多个接收天线，相应地接收机包括多个接收处理支路，每个接收处理支路的组成单元与图3所示的单接收天线的接收处理支路相同，均包括RF单元208、RRC滤波和过采样单元206、解扩和检测单元204、解交织器202以及信道估计单元220。经过各接收处理支路处理的接收信号，以及各支路信道估计单元估计出的信道特性，一同送入空间信道解码结构710中，进行解码。与单接收天线情况不同，空间信道解码...
【专利技术属性】
技术研发人员：邬钢，李岳衡，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[]
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