CN101141168A - 基于正交时域训练序列的多用户mimo-ofdm调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于正交时域训练序列的多用户MIMO－OFDM(多输入多输出，Multi－Input Multi－Output；正交频分复用，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制方法，属于无线通信领域。本发明方法包括下列步骤：1)每个用户分别将自己的输入数据比特流经差错控制编码后形成FFT(快速离散傅立叶变换)数据块；2)采用空时调制将FFT数据块调制至各天线支路上；3)采用IFFT(快速离散傅立叶反变换)将空时调制后各天线支路上的FFT数据块变换为时域的离散样值；4)将保护间隔插入经IFFT变换的时域数据块，以形成帧体；5)将每个用户各自的时域训练序列作帧头，与帧体组合成信号帧；6)采用平方根升余弦滚降滤波器对信号脉冲成形；7)在信号中加入直流偏置以形成载波导频；8)将基带信号帧上变频至载波上。该方法具有同步时间短、时钟抖动小、抗信道衰落、抗多用户干扰等诸多优点。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，更具体地涉及一种基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM(多输入多输出，Multi-Input Multi-Output；正交频分复用，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制方法。
背景技术
无线通信是现代信息社会最重要的基础设施之一，已成为国家进步和社会发展的基本需求，在经济可持续发展和现代军事国防建设中发挥着重要作用。但是，在无线通信领域，一方面，频谱资源有限；另一方面，随着用户数量的增加和业务范围的扩展(特别是各种高速码率数据业务的出现)所导致的通信业务量爆炸式增长，使得宽带无线通信在现代社会生活中起着愈来愈重要的作用，宽带无线通信相关技术已成为当今国际学术界和工业界的研究热点。
因正交频分复用(OFDM)多载波传输技术具有结构简单，频谱利用率高，可以抗频率选择性和信道时变等诸多优点而倍受大家的关注并得到深入的研究和在Xdsl、宽带移动通信、宽带无线局域网、数字电视地面广播等诸多领域中的广泛应用。
现代信息论的研究表明，多输入多输出(MIMO)技术，能在不增加带宽的情况下充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发送功率的情况下，通过消除天线间信号的相关性而改善信号的链路性能并增加数据吞吐量，提高通信系统的容量和频谱利用率。
将MIMO和OFDM有效地结合起来所搭建的MIMO-OFDM宽带无线通信系统可以大大地提高恶劣无线衰落信道下的无线通信链路的传输速率、系统容量和可靠性；因而，基于MIMO-OFDM的传输模式被普遍认为是未来宽带无线通信系统的预选传输方案。
在实际通信环境中，MIMO-OFDM通信系统性能受到同步时间、时钟抖动、信道衰落、多用户共信道干扰等因素的影响。调制方法是实现可靠MIMO-OFDM通信的关键技术。
正是基于以上背景，本发明针对实际通信环境提出一种基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法，可以满足高数据率无线多用户通信的需要。
欲对专利背景作更深入的了解可参考以下文献资料：
H.Sampath，S.Talwar，J.Tellado，V.Erceg，A.Paulraj.“Afourth-generation MIMO-OFDM broadband wireless system：design，performance，and field trial results”.IEEE Communications Magazine，Vol.40，No.9，2002，pp.143-149.
G.L.Stuber，J.R.Barry，S.W.McLaughlin，Y.Li，M.A.Ingram，T.G.Pratt.“Broadband MIMO-OFDM wireless communications”.Proceedings ofthe IEEE，Vol.92，No.2，2004，pp.271-294.
J.Geier.“Wireless LANs：Implementing Interoperable Networks”.New York：Macmillan，1999.
R.V.Nee，R.Prasad.“OFDM for wireless multimedia communications”.Boston：Artech House，2000.
A.Paulraj，R.Nabar，D.Gore.“Introduction to Space-Time WirelessCommunications”.U.K.：Cambridge University Press，2003.
发明内容
本发明针对高数据率无线多用户通信问题，提出了一种基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM(多输入多输出，Multi-Input Multi-Output；正交频分复用，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制方法。
本发明提出的一种基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法，其特征在于它包括下列步骤：
1)每个用户分别将自己的输入数据比特流经差错控制编码后形成FFT(快速离散傅立叶变换)数据块；
2)采用空时调制将FFT数据块调制至各天线支路上；
3)采用IFFT(快速离散傅立叶反变换)将空时调制后各天线支路上的FFT数据块变换为时域的离散样值；
4)将保护间隔插入经IFFT变换的时域数据块，以形成帧体；
5)将每个用户各自的时域训练序列作帧头，与帧体组合成信号帧；
6)采用平方根升余弦滚降滤波器对信号脉冲成形；
7)在信号中加入直流偏置以形成载波导频；
8)将基带信号帧上变频至载波上。
按照上述的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法，其特征在于：每个用户的帧头为时域训练序列；作为每个用户帧头的时域训练序列具有伪随机特性；不同用户的作为帧头的时域训练序列之间具有正交性；每个用户采用空时调制将FFT数据块调制至各天线支路上；FFT数据块由子载波组成，子载波数为64、256、1024、2048和4096中的一个；信号中穿插有直流偏置载波导频；子载波的频率间隔为2KHz、4KHz、16KHz、64KHz和125KHz中的一个；保护间隔为FFT数据块大小的1/2、1/4、1/10、1/20和1/40中的一个。
本发明的特点：
本发明是一种空域时域频域混合的调制方案。每个用户的帧头为时域训练序列，作为每个用户帧头的时域训练序列具有伪随机特性，不同用户的作为帧头的时域训练序列之间具有正交性，这些保证了每个用户可以实现快速准确的帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特性估计。信号中穿插有直流偏置载波导频，可以使得对相位噪声、信道传输特性进行可靠跟踪。将保护间隔插入经IFFT变换的时域数据块以形成帧体，可以减少帧头对帧体的干扰影响。采用空时调制将FFT数据块调制至各天线支路上，可以使得具有较好的空时分集效果。本发明的调制方法具有同步时间短、时钟抖动小、抗信道衰落、抗多用户干扰等诸多优点。
附图说明
图1是按照本发明的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法对多用户中的某个用户的实施例示意图。
图2是按照本发明的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法的某个用户的某个天线支路上所获得的一个信号帧的结构的实施例示意图。
图3是按照本发明的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法的多用户移动通信的上传链路的实施例示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
按照本发明提出的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法对多用户中的某个用户的实施例，如图1所示，按下列步骤进行：
1)每个用户分别将自己的输入数据比特流经差错控制编码后形成FFT(快速离散傅立叶变换)数据块；
2)采用空时调制将FFT数据块调制至各天线支路上；
3)采用IFFT(快速离散傅立叶反变换)将空时调制后各天线支路上的FFT数据块变换为时域的离散样值；
4)将保护间隔插入经IFFT变换的时域数据块，以形成帧体；
5)将每个用户各自的时域训练序列作帧头，与帧体组合成信号帧；
6)采用平方根升余弦滚降滤波器对信号脉冲成形；
7)在信号中加入直流偏置以形成载波导频；
8)将基带信号帧上变频至载波上。
按照本发明的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法的某个用户的某个天线支路上所获得的一个信号帧的结构的实施例，如图2所示，具体实施如下：
FFT数据块首先在频域形成，然后在射频调制前变换到时域。
每个用户的帧头为时域训练序列；作为每个用户帧头的时域训练序列具有伪随机特性；不同用户的作为帧头的时域训练序列之间具有正交性。满足上述特征的时域训练序列可由作为伪随机数序列的一种特殊类型的一组移位m序列和作为正交序列的沃尔什序列、哈达玛序列或由其他方式产生的正交序列经过乘法器和积分器实现。
每个用户采用空时调制将FFT数据块调制至各天线支路上；FFT数据块由子载波组成，子载波数为64、256、1024、2048和4096中的一个；信号中穿插有直流偏置载波导频；子载波的频率间隔为2KHz、4KHz、16KHz、64KHz和125KHz中的一个。空时调制的方式可以通过空时块编码调制(STBC)、空时格形编码调制(STTC)或其他类型的空时编码调制方式来实现。
欲对专利中涉及到的STBC和STTC作更深入的了解可参考以下文献资料：
V.Tarokh，N.Seshadri，and A.R.Calderbank，“Space-time codes for highdata rate wireless communication：Performance criterion and codeconstruction，”IEEE Trans.Inf.Theory，vol.44，no.2，pp.744-765，Mar.1998.
V.Tarokh，H.Jafarkhani，and A.R.Calderbank，“Space-time block codesfrom orthogonal designs，”IEEE Trans.Inform.Theory，vol.45，pp.1456-1467，July 1999.
在经IFFT变换的时域数据块中插入保护间隔形成帧体。保护间隔有5种工作模式，它们规定为FFT数据块大小的1/2、1/4、1/10、1/20和1/40中的一个。经IFFT变换的时域数据块的最后一段取样或者全零被用作保护间隔。
按照本发明的帧体的基带信号是一个正交频分复用(OFDM)块。一个OFDM块可进一步分成保护间隔和一个IFFT块。当保护间隔为经IFFT变换的时域数据块的最后一段取样时，也就是循环前缀正交频分复用(CP-OFDM)；当保护间隔为全零时，也就是填零正交频分复用(ZP-OFDM)。
欲对专利中涉及到的CP-OFDM和ZP-OFDM作更深入的了解可参考以下文献资料：
B.Muquet，Z.Wang，G.B.Giannakis，M.de Courville，and P.Duhamel，“Cyclic-Prefixed or Zero-Padded Multicarrier Transmissions？，”IEEETransactions on Communications，vol.50，pp.2136-2148，Dec.2002.
在帧体之前加上时域训练序列帧头形成信号帧。时域训练序列帧头信号功率比帧体平均信号功率提升3dB、6dB或9dB。
采用平方根升余弦滚降滤波器进行帧信号脉冲成形。在FFT数据块中插入对信号脉冲成形的平方根升余弦滚降滤波器的滚降系数取0.1、0.05和0.025中的一个。
按照本发明的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法的多用户移动通信的上传链路的实施例，如图3所示，具体实施如下：
1)多用户中的每个移动通信用户分别将自己的输入数据比特流经差错控制编码后形成FFT(快速离散傅立叶变换)数据块；
2)多用户中的每个移动通信用户分别采用空时调制将FFT数据块调制至各天线支路上；
3)多用户中的每个移动通信用户分别采用IFFT(快速离散傅立叶反变换)将空时调制后各天线支路上的FFT数据块变换为时域的离散样值；
4)多用户中的每个移动通信用户分别将保护间隔插入经IFFT变换的时域数据块，以形成帧体；
5)多用户中的每个移动通信用户分别将每个用户各自的时域训练序列作帧头，与帧体组合成信号帧；
6)多用户中的每个移动通信用户分别采用平方根升余弦滚降滤波器对信号脉冲成形；
7)多用户中的每个移动通信用户分别在信号中加入直流偏置以形成载波导频；
8)多用户中的每个移动通信用户分别将基带信号帧上变频至载波上。
9)在上传链路的基站端，采用多天线对多用户中的每个移动通信用户信号进行时域同步、信道估计、空时均衡等接收机信号处理。
上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不局限于上述实施例，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可作出各种修改或改型。
Claims (9)
1.一种基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法，其特征在于它包括下列步骤：
1)每个用户分别将自己的输入数据比特流经差错控制编码后形成FFT(快速离散傅立叶变换)数据块；
2)采用空时调制将FFT数据块调制至各天线支路上；
3)采用IFFT(快速离散傅立叶反变换)将空时调制后各天线支路上的FFT数据块变换为时域的离散样值；
4)将保护间隔插入经IFFT变换的时域数据块，以形成帧体；
5)将每个用户各自的时域训练序列作帧头，与帧体组合成信号帧；
6)采用平方根升余弦滚降滤波器对信号脉冲成形；
7)在信号中加入直流偏置以形成载波导频；
8)将基带信号帧上变频至载波上。
2.按权利要求1的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法，其特征在于：所述每个用户的帧头为时域训练序列。
3.按权利要求2的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法，其特征在于：所述作为每个用户帧头的时域训练序列具有伪随机特性。
4.按权利要求2的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法，其特征在于：所述不同用户的作为帧头的时域训练序列之间具有正交性。
5.按权利要求1的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法，其特征在于：所述每个用户的采用空时调制将FFT数据块调制至各天线支路上。
6.按权利要求1的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法，其特征在于：所述FFT数据块由子载波组成，子载波数为64、256、1024、2048和4096中的一个。
7.按权利要求1的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法，其特征在于：所述信号中穿插有直流偏置载波导频。
8.按权利要求1的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法，其特征在于：所述子载波的频率间隔为2KHz、4KHz、16KHz、64KHz和125KHz中的一个。
9.按权利要求1的基于正交时域训练序列的多用户MIMO-OFDM调制方法，其特征在于：所述保护间隔为FFT数据块大小的1/2、1/4、1/10、1/20和1/40中的一个。
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