CN101378283A - 基于空频编码的mimo-ofdm系统的分集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空频编码的MIMO－OFDM系统的分集方法，在发射天线大于2时，仍可以获得较好的频率增益效果。所述分集方法包括：发射方对需要发送的数据包中的数据进行重排后再进行空频编码并发送，所述重排用于使各天线在相同频点子载波上发送的数据不同；接收方在接收数据时，在每个数据包接收完成后，根据发射方的重排方式进行解重排，从相应的子载波上获取相同的用户数据后再进行空频解码，获得原始用户数据。

Description

基于空频编码的MIMO-OFDM系统的分集方法

技术领域

本发明涉及无线通讯系统的分集技术，尤其是涉及采用基于空频编码(SFBC)的多输入多输出-正交频分复用(MIMO-OFDM)系统的分集方法。

背景技术

下一代的无线通信系统将提供更好的话音质量、更快的数据传输率。但是，时变的多径传输环境、有限的带宽资源以及用户对服务的需求使上述要求实现起来非常困难。解决这些问题的一个有效方法是采用分集技术。

Alamouti方案的空时码因其设计简单，译码方便而在MIMO(MultipleInput Multiple Output)系统中获得了广泛的应用。Agrawal等提出了将空时码和正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制技术相结合的方案-空频编码(SFBC，Space Frequency Block Codes)，从而使系统能够获得更高的频谱效率、传输速率和通信质量。但只有当发射天线数为2时，Alamouti才能充分发挥其优势，同时达到编码矩阵正交和编码速率为1这两个效果，当发射天线大于2时，就必须在编码矩阵正交和编码速率为1这两个要求之中选择一个，而这都会降低空时码的性能。因此需要一种适用多个天线的分集方式，来克服Alamouti方案只能在2个发射天线系统才能完全发挥其优势的局限。另外，Alamouti方案的SFBC编码，其对应的简化最大似然译码的前提是假设相邻子载波间信道变化不大。但当相邻子载波间的信道变化不大时，是无法体现频率分集和时间分集的效果的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于空频编码的MIMO-OFDM系统的分集方法，在发射天线大于2时，仍可以获得较好的频率增益效果。

本发明对于在发射天线大于2的MIMO-OFDM系统，设计了一种基于Alamouti方案的SFBC编码的适用多个天线的分集方法，克服了Alamouti方案只能在2个发射天线系统才能完全发挥其优势的局限。本发明的分集方案是将待编码的数据流首先进行重排，并将经过重排的序列和原序列分别进行Alamouti方案的SFBC编码，从而实现大于2天线时的分集。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于空频编码的多输入多输出-正交频分复用系统的发射分集方法，包括：

发射方对需要发送的数据包中的数据进行重排后再进行空频编码并发送，所述重排用于使各天线在相同频点子载波上发送的数据不同。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，发射方对数据进行重排，使各天线在相同频点子载波上发送的数据不同，且保证发送同一数据的不同子载波至少相差x个相干带宽周期，其中x≥1。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述方法进一步包括以下步骤：(a)发射方对需要发送的数据包中的原始数据进行n次重排得到n路数据，所述重排次数n根据天线个数m决定，其中n为整数，且

，式中

表示向下取整；(b)发射方对所述需要发送的原始数据和所述重排后的n路数据进行空频编码得到2(n+1)路数据；(c)发射方在天线上发送经过编码后的数据。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述天线个数m为偶数时，在所述步骤(a)中，取重排次数 $n=\frac{m}{2}-1$ ；在所述步骤(c)中，经过编码后的2(n+1)路数据刚好在对应的m＝2(n+1)个天线上发送。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述天线个数m为奇数时，在所述步骤(a)中，取重排次数

，式中表示向下取整；在所述步骤(c)中，经过编码后的2(n+1)路数据在对应的2(n+1)个天线上发送，同时，发射方在m-2(n+1)个天线上发送所述步骤(b)中经过编码后的任意一路数据。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，在所述步骤(c)中，发射方在m-2(n+1)个天线上发送所述步骤(b)中经过编码后的原始数据。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述重排采用频域循环移位进行。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于空频编码的多输入多输出-正交频分复用系统的分集方法，包括以下步骤：

发射方在发送数据时，对需要发送的数据包中的数据进行重排后再进行空频编码并发送，所述重排用于使各天线在相同频点子载波上发送的数据不同；接收方在接收数据时，在每个数据包接收完成后，根据发射方的重排方式进行解重排，从相应的子载波上获取相同的用户数据后再进行空频解码，获得原始用户数据。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：发射方在发送数据时，对数据进行重排，使各天线在相同频点子载波上发送的数据不同，且保证发送同一数据的不同子载波至少相差x个相干带宽周期，其中x≥1。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，发射方在发送数据时，进一步包括以下步骤：(a)发射方在发送数据时，对需要发送的数据包中的原始数据进行n次重排得到n路数据，所述重排次数n根据天线个数m决定，其中n为整数，且

，式中表示向下取整；(b)发射方对所述需要发送的原始数据和所述重排后的n路数据进行空频编码得到2(n+1)路数据；(c)发射方在天线上发送经过编码后的数据。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述天线个数m为偶数时，在所述步骤(a)中，取重排次数 $n=\frac{m}{2}-1$ ；在所述步骤(c)中，经过编码后的2(n+1)路数据刚好在对应的m＝2(n+1)个天线上发送。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述天线个数m为奇数时，在所述步骤(a)中，取重排次数

，式中

表示向下取整；在所述步骤(c)中，经过编码后的2(n+1)路数据在对应的2(n+1)个天线上发送，同时，发射方在m-2(n+1)个天线上发送所述步骤(b)中经过编码后的任意一路数据。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，在所述步骤(c)中，发射方在m-2(n+1)个天线上发送所述步骤(b)中经过编码后的原始数据。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述重排采用频域循环移位进行。

采用本发明所述方法，将Alamouti方案的SFBC编码和天线分组结合，同时对频域序列进行重排，使同一个数据能够在不同的子载波传输，相对于Alamouti方案的SFBC编码，本方明的分集方案可以体现频率分集的效果，可以在一定程度上提高分集增益的效果。

附图说明

图1为本实施例分集方法的MIMO-OFDM系统的发射机原理结构图；

图2为本实施例发射分集方法的流程图；

图3为本实施例分集方法在4天线情况下与现有技术中SFBC+FSTD(空频块编码+频率转换发射分集)分集方法的性能比较曲线。

具体实施方式

本实施例结合当前的基于SFBC分集的设计思想，针对发射天线大于2的MIMO-OFDM系统，设计一种适用于天线数大于2时的分集方法，可以更好的利用频率分集的效果。

本实施例通过在频域对原数据进行重排，并对重排后的数据和原数据进行SFBC编码，从而实现天线数大于2时的分组SFBC编码的效果。

图1为本实施例中基于子载波重排的分集方法中发射机发射的示意图，设待传输的某用户的数据为S＝[s₁，s₂，……，s_k，……，s_N]，其中，k为1至N中任一数值，并假设发射天线个数为N_t，在本实施例中N_t为偶数。所述发射分集方法如图2所示，包括以下步骤：

步骤110，发射方根据发射天线数目N_t，计算重排的次数

式中

表示向下取整；

步骤120，发射方对原始数据S进行次重排(也称为子载波重排)，得到n路数据S₁，S₂，…，S_n；

重排的方法有很多种，如采用频域循环移位。但重排过程中，应保证同一个数据不应在同一个子载波重复发送的原则，即同一数据应在不同的子载波发送，为了保证获得最大的频率分集增益，设置发送同一数据的不同子载波至少应相差x个相干带宽周期，其中x≥1。重排的方式对收发双方是透明的。

步骤130，发射方对原始数据S和经过重排的各路数据S₁，S₂，…，S_n分别进行SFBC编码，得到2(n+1)路天线的发射数据；

步骤140，设原始数据编码后的数据向量为 $\left[\begin{array}{c}{S}_0^1\\ S_0^2\end{array}\right]$ ，经过重排后的数据向量为 $\left[\begin{array}{c}{S}_1^1\\ S_1^2\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{S}_2^1\\ S_2^2\end{array}\right],\·\·\·,\left[\begin{array}{c}{S}_n^1\\ S_n^2\end{array}\right]$ ，其中S的下标n表示该数据向量是由第n路数据生成的，其中0表示是由原始数据生成的；上标1或2表示经过SFBC编码后得到的两个数据，将其组织成如下格式 $\left[\begin{array}{c}{S}_0^1\\ S_0^2\\ S_1^1\\ S_1^2\\ S_2^1\\ S_2^2\\ -----\\ S_n^1\\ S_n^2\end{array}\right],$ 将各行对应在对应的天线发射。

当天线个数为偶数个时，即N_t＝2(n+1)时，经过编码后的数据刚好可以在2(n+1)个天线上发送；而当天线个数为奇数个时，即N_t＝2(n+1)+1时，则可以将步骤130中经过SFBC编码后的任意一路数据在剩余的一根天线上发送，优选经过编码后的原始数据。例如，天线个数为3时，重排次数n＝0，剩余的一根天线上可以发送经过SFBC编码后的任意一路数据。

同一路数据经过SFBC编码后得到的两路数据应尽量在天线间相关性小的一组天线发送。

在其他实施例中，重排次数也可以小于

，这样，在步骤140中，发射方在发送数据时，剩余的天线可以用来发送编码后的任一路或几路数据，只要保证同频点子载波发送的数据不同即可。

下面以4天线为例进行说明，发射天线数目为4，则需要对原始数据进行一次重排。对S＝[s₁，s₂，……，s_k，……，s_N]进行重排，为分析简单起见，这里假定重排方式为频域循环移位，在经过重排后，数据变为两路，格式如下： $S\′=\left[\begin{array}{c}{s}_1,s_2,\·\·\·\·\·\·,s_k,\·\·\·\·\·\·,s_N\\ s_k,s_{k+1},\·\·\·\·\·\·,s_1,s_2,\·\·\·\·\·\·,s_{k-1}\end{array}\right];$

然后对S＇进行SFBC编码，编码的方式有两种：

一种是令 $S\′=\left[\begin{array}{c}{S}_1\\ S_2\end{array}\right]$ ，分别对S₁和S₂进行Alamouti编码，得到各个天线的发射数据格式为： $\left|\begin{array}{cccccc}{s}_1& -s_2^{*}& \·\·\·& s_k& -s_{k+1}^{*}& \·\·\·\\ s_2& s_1^{*}& \·\·\·& s_{k+1}& s_k^{*}& \·\·\·\\ s_k& -s_{k+1}^{*}& \·\·\·& s_1& -s_2^{*}& \·\·\·\\ s_{k+1}& s_k^{*}& \·\·\·& s_2& s_1^{*}& \·\·\·\end{array}\right|;$

另外一种方式是令S＇＝[v₁，v₂，……，v_k，……，v_N]，其中v_i为列向量或矩阵，并对S＇中的v进行Alamouti编码，得到各个天线的发射数据格式为：

$\left|\begin{array}{cccccc}{s}_1& -s_2^{*}& \·\·\·& s_k& -s_{k+1}^{*}& \·\·\·\\ s_k& -s_{k+1}^{*}& \·\·\·& s_1& {-s}_2^{*}& \·\·\·\\ s_2& s_1^{*}& \·\·\·& s_{k+1}& s_k^{*}& \·\·\·\\ s_{k+1}& s_k^{*}& \·\·\·& s_2& s_1^{*}& \·\·\·\end{array}\right|;$

最后按照发射数据格式发射数据。

采用为本实施例分集方法在4天线情况下与现有技术中SFBC+FSTD分集方法的性能比较曲线如图3所示，其中SFBC+FSTD的分集矩阵为： $\left[\begin{array}{cccc}{S}_1& -S_2^{*}& 0& 0\\ S_2& S_1^{*}& 0& 0\\ 0& 0& S_3& -S_4^{*}\\ 0& 0& S_4& S_3^{*}\end{array}\right]$ ，“SFR_SFBC”表示采用本发明的分集方法。从仿真结果来看，本发明的方法可以获得比SFBC+FSTD更大的分集增益。

在分集方法中，对应于上述发射分集方法，接收方在接收数据时，每个数据包接收完成后，根据发射方的重排方式进行解重排，从相应的子载波上获取相同的用户数据后再进行SFBC解码，最终获得原始用户数据。接收方法可采用现有技术的如Alamouti、MMSE(最小均方误差)算法、ZF(迫零)算法、最大似然码算法等。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

例如，本发明可以适用于天线数大于2个的情况，并不仅局限于实施例中4天线的情况。

再如，对重排的方式，本文中以循环重排为例进行说明，这只是为了说明该分集方案的原理，实际系统并不局限于上述循环重排的方式，只要保证同一数据应在不同的子载波发送且发送同一数据的不同子载波至少应相差相干带宽。

Claims (14)

1、一种基于空频编码的多输入多输出-正交频分复用系统的发射分集方法，其特征在于，

发射方对需要发送的数据包中的数据进行重排后再进行空频编码并发送，所述重排用于使各天线在相同频点子载波上发送的数据不同。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，

发射方对数据进行重排，使各天线在相同频点子载波上发送的数据不同，且保证发送同一数据的不同子载波至少相差x个相干带宽周期，其中x≥1。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤:

(a)发射方对需要发送的数据包中的原始数据进行n次重排得到n路数据，所述重排次数n根据天线个数m决定，其中n为整数，且

式中表示向下取整；

(b)发射方对所述需要发送的原始数据和所述重排后的n路数据进行空频编码得到2(n+1)路数据；

(c)发射方在天线上发送经过编码后的数据。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述天线个数m为偶数时，在所述步骤(a)中，取重排次数 $n=\frac{m}{2}-1;$ 在所述步骤(c)中，经过编码后的2(n+1)路数据刚好在对应的m＝2(n+1)个天线上发送。

5、如权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述天线个数m为奇数时，在所述步骤(a)中，取重排次数

式中

表示向下取整；在所述步骤(c)中，经过编码后的2(n+1)路数据在对应的2(n+1)个天线上发送，同时，发射方在m-2(n+1)个天线上发送所述步骤(b)中经过编码后的任意一路数据。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，

在所述步骤(c)中，发射方在m-2(n+1)个天线上发送所述步骤(b)中经过编码后的原始数据。

7、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述重排采用频域循环移位进行。

8、一种基于空频编码的多输入多输出-正交频分复用系统的分集方法，其特征在于，包括以下步骤:

发射方在发送数据时，对需要发送的数据包中的数据进行重排后再进行空频编码并发送，所述重排用于使各天线在相同频点子载波上发送的数据不同；

接收方在接收数据时，在每个数据包接收完成后，根据发射方的重排方式进行解重排，从相应的子载波上获取相同的用户数据后再进行空频解码，获得原始用户数据。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，

发射方在发送数据时，对数据进行重排，使各天线在相同频点子载波上发送的数据不同，且保证发送同一数据的不同子载波至少相差x个相干带宽周期，其中x≥1。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，发射方在发送数据时，进一步包括以下步骤:

(a)发射方在发送数据时，对需要发送的数据包中的原始数据进行n次重排得到n路数据，所述重排次数n根据天线个数m决定，其中n为整数，且

式中表示向下取整；

(b)发射方对所述需要发送的原始数据和所述重排后的n路数据进行空频编码得到2(n+1)路数据；

(c)发射方在天线上发送经过编码后的数据。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于，

所述天线个数m为偶数时，在所述步骤(a)中，取重排次数 $n=\frac{m}{2}-1;$ 在所述步骤(c)中，经过编码后的2(n+1)路数据刚好在对应的m＝2(n+1)个天线上发送。

12、如权利要求10所述的方法，其特征在于，

所述天线个数m为奇数时，在所述步骤(a)中，取重排次数

式中表示向下取整；在所述步骤(c)中，经过编码后的2(n+1)路数据在对应的2(n+1)个天线上发送，同时，发射方在m-2(n+1)个天线上发送所述步骤(b)中经过编码后的任意一路数据。

13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，

在所述步骤(c)中，发射方在m-2(n+1)个天线上发送所述步骤(b)中经过编码后的原始数据。

14、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述重排采用频域循环移位进行。

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