CN101335600A - 信号的发送和接收方法及其终端设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号发送方法，包括：对经过信道编码和突发形成的数据进行STBC编码和切换发射分集编码后，再进行IFFT并加入CP发射。本发明还同时公开了一种发送终端、一种接收方法及接收终端，采用本发明能提高发射分集方案的鲁棒性，且保证不损失速率。

Description

信号的发送和接收方法及其终端设备

技术领域

本发明涉及信号收发技术，特别是涉及一种信号的发送和接收方法及相应的发送端和接收端设备。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。如何充分地开发和利用有限的频谱资源、提高频谱资源的利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。于是，多输入多输出(MIMO)无线通信技术应运而生。所谓MIMO技术是指，对于任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用多个天线或天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。MIMO技术的实质是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，采用空时处理技术进行信号处理，即：同时从空间和时间两方面考虑各种信号处理的问题，包括发射端的信令方案和接收端的检测算法。在多径的环境下，MIMO技术能在不增加带宽的情况下，成倍提高通信系统的容量和频谱利用率。

在MIMO系统中，通常采用发射分集技术完成信号收发，具体来说就是，利用不相关的发射天线发射独立衰落的信号，并在接收端进行合并，以提高链路的可靠性。MIMO技术大致可分为空时编码(STC，Space-Time Coding)和空间复用(SM，Spatial Multiplexing)两种，其中，空时编码技术是为了获得最大的发射天线分集增益，在保持单信道流量的情况下，能使误码性能大幅度改善，经典的空时编码包括空时格型码(STTC，Space-Time Trellis Code)和空时分组码(STBC，Space-Time Block Code)，空时格型码和空时分组码均能获得满分集增益。

现有技术中，在发射天线数为2时，可采用STBC发射分集，在获得全部分集增益的同时，保证数据速率为1，或者是采用与OFDM技术结合的空频分组码(SFBC，Space-Frequency Block Code)，其原理与STBC很相似；但是，在发射天线数为4时，由于理论上已经证明：在采用复星座调制时，不存在这样的线性空时编码，在获得全部分集增益的同时，保证数据速率为1。

目前，在发射天线数为4的情况下，可采用的发射分集技术有：相移发射分集(PSD，Phase Shift Diversity)、时间切换发射分集(TSTD，Time SwitchedTransmit Diversity)、频率切换发射分集(FSTD，Frequency Switched TransmitDiversity)、SFBC+PSD等，其中循环延迟分集(CDD)方案属于PSD方案的一个特例。图1至图3分别给出了PSD方案、TSTD/FSTD方案、SFBC+PSD方案的实现原理图，如图1所示，现有PSD方案的处理流程是：信源输出的数据流先经过信道编码和突发形成的处理，得到的频域符号(frequency domainsymbol)通过相移得到m个相位序列C₁～C_m，其中m为所用发射天线的数量，之后将每个C_i作为一路信号经过快速傅立叶逆变换(IFFT)，加入循环前缀(CP)，由对应的发射天线Ant i发射。

如图2所示，现有TSTD/FSTD方案的处理流程是：信源输出的数据流先经过信道编码和突发形成的处理，得到的频域符号经过TSTD/FSTD编码后输出m路信号，其中m为所用发射天线的数量，之后将每路信号经过IFFT，加入CP，由对应的发射天线Ant i发射。

如图3所示，现有SFBC+PSD方案的处理流程是：将4个发射天线分为两组，每组包含两个天线；将信源输出的数据流先进行信道编码和突发形成的处理，再进行Alamouti编码处理，得到的信号作为输入信号同时输出给两个天线组，在每个天线组中又将输入信号通过相移分别得到第一相位序列和第二相位序列，每个相位序列作为一路信号经过IFFT，加入CP，由对应的发射天线Anti发射。

由于FSTD、TSTD、PSD本身特性的影响，在信道编码的码率较高时，会出现性能急剧恶化的问题，因此会严重影响发射分集效果；如果要保证一定的性能，势必会损失速率。另外，对于使用包含有PSD的方案，由于PSD模式的相移因子对信道统计特性敏感，在相关信道下也会出现性能的急剧恶化，进而影响发射的稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种信号的发送方法及发送终端，能提高发射分集方案的鲁棒性，且保证不损失速率。

本发明的另一目的在于提供一种信号的接收方法及接收终端，在保证不损失速率的同时，能保证接收端的稳定可靠性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种信号发送方法，包括：对经过信道编码和突发形成的数据进行STBC编码和切换发射分集编码后，再进行IFFT并加入CP发射。

其中，所述进行STBC编码和切换发射分集编码为：先进行STBC编码，再进行切换发射分集编码；或者，先进行切换发射分集编码，再进行STBC编码。

上述方案中，所述切换发射分集编码为：时间切换发射分集编码TSTD、或为频率切换发射分集编码FSTD。

上述方案中，所述切换发射分集编码为FSTD，则所述进行STBC编码和FSTD编码具体为：

a.对经过信道编码和突发形成处理得到的基本资源单元中相邻两个符号的数据进行STBC编码；

b.将步骤a得到的每个基本资源单元分成两部分，每部分分别映射到2根天线发射。

其中，步骤b中所述将每个基本资源单元分成两部分为：将每个基本资源单元按子载波数平均分为两部分，将没有数据的部分用零填充。

本发明还公开了一种发送终端，包括：信道编码及突发形成模块，用于完成信道编码和突发形成；循环前缀加入模块，用于为经过IFFT处理的数据加入CP；至少四个天线，用于发射数据；

关键是，该发送终端还包括：STBC及切换发射分集编码模块，设置于信道编码及突发形成模块和IFFT模块之间，用于实现STBC和切换发射分集编码；IFFT模块，用于将经过STBC和切换发射分集编码处理的数据进行IFFT处理。

其中，所述STBC及切换发射分集编码模块进一步包括：STBC编码子模块、切换发射分集编码子模块，分别用于完成STBC编码、切换发射分集编码；所述STBC编码子模块的输入与信道编码及突发形成模块的输出相连，STBC编码子模块的输出与切换发射分集编码子模块的输入相连，切换发射分集编码子模块的输出与IFFT模块的输入相连；或者，所述切换发射分集编码子模块的输入与信道编码及突发形成模块的输出相连，切换发射分集编码子模块的输出与STBC编码子模块的输入相连，STBC编码子模块的输出与IFFT模块的输入相连。

上述方案中，所述切换发射分集编码子模块为FSTD编码子模块，或为TSTD编码子模块。

本发明还公开了一种接收方法，包括：将接收的信号进行下变频、去除CP以及FFT处理；再对经过FFT处理的信号进行最小均方差MMSE检测；并将检测后的信号经过突发分解、解调及信道译码后送至信宿。

其中，所述MMSE检测为：根据Y＝[H^HH+σ²I]^-1H^HR对信号进行估计；其中，R为经过FFT处理的信号，H为2n_R×n_T的信道估计矩阵，I为n_T×n_T的单位阵。

对应接收方法本发明又公开了一种接收终端，包括：CP去除模块，用于去掉发射时加入的CP；FFT模块，用于完成FFT处理；关键是，该接收终端还包括：MMSE检测模块，用于对经过FFT处理的信号采用MMSE方式进行检测，并将检测后的信号送入解调及突发分解模块；解调及突发分解模块，用于对经过MMSE检测的信号做突发分解、解调以及信道译码的处理。

其中，所述接收终端还包括信道估计模块，用于对经过FFT处理的信号进行信道估计，并将信道估计结果送入MMSE检测模块，辅助完成对信号的检测。

本发明所提供的信号发送和接收方法及其终端设备，由于在发射端采用STBC与FSTD/TSTD相结合的方式进行IFFT之前的信号编码处理，不再受到PSD模式的制约，因此，不会在信号编码码率较高时或相关信道下出现性能急剧恶化的情况。而且，STBC获得的分集增益与编码无关，使得本发明获得的分集增益对信道编码的码率依赖性相对于纯CCD模式、FSTD/TSTD模式要小。另外，STBC与FSTD/TSTD的结合在相关信道下，性能下降很小，所以本发明的鲁棒性更好。

另外，本发明在接收端采用最小均方误差(MMSE)检测信号，由于是线性检测器，运算复杂度低。并且，在低信噪比下，可等效于匹配滤波器；在高信噪比下，可等效于迫零检测器。总体来看，在整个信噪比区域的性能要优于匹配滤波器与迫零检测器，在线性检测器中性能是最好的。

经仿真验证，本发明在理想信道下、数据速率为1时，能获得MIMO信道提供的几乎全部的分集增益，不损失任何速率。图7和图8分别为本发明STBC+FSTD方案与现有SFBC+PSD、SFBC方案在不同条件下比较的仿真效果图，图7和图8的横坐标是Es/No，纵坐标是误块率(BLER)。图7的仿真条件为：非相关信道下、采用四相移位键控(QPSK)调制方式、采用1/3Turbo编码；图8的仿真条件为：相关信道下、采用QPSK调制方式、采用1/3Turbo编码。图7中曲线71代表SFBC编码方案，曲线72代表STBC+FSTD编码方案，曲线73代表SFBC+PSD编码方案。可以看出，在非相关信道下，STBC+FSTD与SFBC+PSD的性能相近，且都好于SFBC方案，这是由于STBC+FSTD与SFBC+PSD在该信道条件下，获得了大于4重且小于8重的分集增益，而2×2SFBC最多只能获得4重分集增益。图8中曲线81代表SFBC编码方案，曲线82代表STBC+FSTD编码方案，曲线83代表SFBC+PSD编码方案。可以看出，在相关信道下，由于相关性的影响STBC+FSTD与SFBC的性能相近，而SFBC+PSD除了相关性的性能损失之外，由于PSD引入的对编码比特的凿孔(Puncture)作用造成了性能的进一步恶化，其性能比STBC+FSTD以及SFBC都要差。

附图说明

图1为现有技术中PSD方案发射端的实现原理图；

图2为现有技术中TSTD/FSTD方案发射端的实现原理图；

图3为现有技术中SFBC+PSD方案发射端的实现原理图；

图4为本发明一实施例发射端的实现原理图；

图5a～图5d为图4所示实施例方法实现过程中的资源分配示意图；

图6本发明一实施例接收端的实现原理图；

图7为本发明方案与现有SFBC+PSD、SFBC方案比较的一仿真效果图；

图8为本发明方案与现有SFBC+PSD、SFBC方案比较的另一仿真效果图。

具体实施方式

本发明的核心思想是：在发射端进行IFFT之前，对信号采用STBC加FSTD/TSTD的编码处理；相应的，在接收端采用MMSE方式对所接收的信号进行检测。

本发明中，对信号所采用的STBC加FSTD/TSTD的编码处理，可以是先进行STBC编码，再进行FSTD/TSTD编码；也可以先进行FSTD/TSTD编码，再进行STBC编码，所达到的效果是完全一致的。这里，可将FSTD编码和TSTD编码统称为切换发射分集编码。

本发明可以适用于4发射天线的网络环境，还可适用于4个以上更多发射天线的网络环境。

下面以对信号进行STBC加上FSTD编码处理且先做STBC编码、采用4发射天线为例，具体说明本发明发送的实现原理。

参见图4及图5所示，图4为一发送实施例的实现原理示意图；图5a～图5d为本实施例方法实现过程中的资源分配示意图。本实施例的发送过程包括：

步骤10：将信源输出的数据流进行信道编码(Code Composite)与突发形成(Burst Composition)处理。

处理后在A点得到的基本资源单元如图5a所示，图5a中横向表示符号数，纵向表示子载波数。其中，S_NcNs代表A点一个基本资源单元的数据；N_c表示一个基本资源单元内的子载波数；N_s表示一个基本资源单元内的数据符号数，这里是正交频分复用(OFDM)符号数，比如：S₁₁表示第一个子载波上的第一个OFDM符号。

步骤11：对每个基本资源单元中相邻两个符号的数据，即图5b中位于一个虚线圈内的两个符号的数据进行STBC编码，得到图4中B点的数据。

这里，所采用的编码矩阵为：

$S_{\mathrm{STBC}}=\left[\begin{array}{cc}{S}_{i,j}& -S_{i,j+1}^{*}\\ S_{i,j+1}& S_{i,j}^{*}\end{array}\right]$

其中，i、j分别为子载波索引与OFDM符号索引。

经过STBC编码后形成两个基本资源单元的格式，即图4中B点的数据格式如图5c所示，图5c仅以左上角的数据为例，其它数据的格式相同。

步骤12：将STBC编码后的数据进行FSTD编码，得到图4中C、D、E、F点的数据，分别映射到4根天线上发射。

这里，映射后的C、D、E、F点的数据格式如图5d所示，图5d中也仅以左上角的数据为例，其它数据的格式相同。图5d中Ant 1(C)、Ant 2(D)、Ant 3(E)、Ant 4(F)分别表示C点的数据从天线1发射、D点的数据从天线2发射、E点的数据从天线3、发射F点的数据从天线4发射。

得到C、D、E、F点数据的方法就是：将步骤11得到的每个基本资源单元分成两部分，每部分分别映射到一个点。较佳的，将每个基本资源单元按子载波数平均分为两部分，将没有数据的部分用零填充。当然，如何划分并不限定，可以采用任意的划分方式，所达到的效果都是一样的。

在图5d中，矩阵O表示全1矩阵，维数为N_c×N_s；矩阵M为N_c×N_s的1，0矩阵，图5d中给出的矩阵M的形式如公式(1)：

$M=\left[\begin{array}{c}{O}_{x,N_s}\\ Z_{N_s-x,N_s}\end{array}\right]---\left(1\right)$

公式(1)中，Z表示零矩阵。在实际应用中，还可以根据实际需要选择其它形式的映射矩阵M。

这里，所述选择基于的原则是：在实际系统的约束下，使引入的频率选择性尽可能的大。

步骤13：将各个发射天线上，经过FSTD编码后的数据，经过IFFT并加入CP后发射。

上述步骤10～13是先进行STBC编码、再进行FSTD编码的过程，如果先进行FSTD编码、再进行STBC编码，则将步骤11和步骤12调换即可，即：将图5b所示的基本资源单元先进行划分，再对划分的每个部分中相邻的数据做STBC编码操作。

以上步骤10～13是针对4发射天线而言的，如果采用4个以上更多发射天线，则可以每2个发射天线为一个天线组，增加图4中从STBC编码开始的处理部分。

为实现上述发送方法，本发明还提供一种发送终端，包括：信道编码及突发形成模块，用于完成信道编码和突发形成；循环前缀加入模块，用于为经过IFFT处理的数据加入CP；至少四个天线，用于发射数据。关键的是，在信道编码及突发形成模块和IFFT模块之间还设置有：STBC及切换发射分集编码模块，用于实现STBC和切换发射分集编码；相应的，IFFT模块，用于将经过STBC和切换发射分集编码处理的数据进行IFFT处理。

所述STBC及切换发射分集编码模块进一步包括两个子模块：STBC编码子模块、切换发射分集编码子模块，分别用于完成STBC编码、切换发射分集编码。所述切换发射分集编码子模块可以是FSTD编码子模块，也可以是TSTD编码子模块。

所述STBC编码子模块、切换发射分集编码子模块可以是STBC编码子模块的输入与信道编码及突发形成模块的输出相连，STBC编码子模块的输出与切换发射分集编码子模块的输入相连，切换发射分集编码子模块的输出与IFFT模块的输入相连；还可以是所述切换发射分集编码子模块的输入与信道编码及突发形成模块的输出相连，切换发射分集编码子模块的输出与STBC编码子模块的输入相连，STBC编码子模块的输出与IFFT模块的输入相连。

对应上述发送方法及发送终端，本发明还提出一种接收方法及接收终端。仍以对信号进行STBC加上FSTD编码处理且采用4发射天线为例，具体说明本发明接收方法的实现原理。

图6为本发明一实施例接收端的实现原理图，如图6所示，本实施例的接收过程包括：

步骤20：接收端4根天线接收的信号，经过下变频、去除CP以及快速傅立叶变换(FFT)处理后，得到A点的信号R。

这里，R＝H＊S+N，其中：

$R={\left[\begin{array}{ccccccc}{r}_{i,j}^1& {r_{i,j+1}^1}^{*}& r_{i,j}^2& {r_{i,j+1}^2}^{*}& \·\·\·& r_{i,j}^M& {r_{i,j+1}^M}^{*}\end{array}\right]}^T$

S＝[s_i，j，s_i，j+1]

$N={\left[\begin{array}{ccccccc}{n}_{i,j}^1& n_{i,j+1}^1& n_{i,j}^2& n_{i,j+1}^2& \·\·\·& n_{i,j}^M& \end{array}{n}_{i,j+1}^M\right]}^T$

上述公式中，i表示子载波号，j表示OFDM符号序号，矩阵元素上标表示接收天线序号。S为发射信号矢量，N为独立复白色高斯噪声矢量，H为信道转移矩阵。

$H=\left[\begin{array}{cc}{h}_{1,n}^j& h_{1,n+1}^j\\ {h_{1,n+1}^{j+1}}^{*}& -{h_{1,n}^{j+1}}^{*}\\ h_{2,n}^j& h_{2,n+1}^j\\ {h_{2,n+1}^{j+1}}^{*}& {{-h}_{2,n}^{j+1}}^{*}\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ h_{M,n}^j& h_{M,n+1}^j\\ {h_{M,n+1}^{j+1}}^{*}& {{-h}_{M,n}^{j+1}}^{*}\end{array}\right]$

其中，m表示接收天线序号，n表示发射天线序号，矩阵元素上标j表示OFDM符号序号。

对应于映射矩阵M为1的子载波，n＝1，对应于映射矩阵M为0的子载波，n＝3。

步骤21：对经过FFT处理的信号进行MMSE检测，估计出B点的信号。所估计的信号可表示为：

Y＝[H^HH+σ²I]^-1H^HR

步骤22：将检测后的信号经过突发分解(Burst Decomposition)、解调以及信道译码后，送至信宿。

为实现上述接收方法，对应的接收终端包括：CP去除模块，用于去掉发射时加入的CP；FFT模块，用于完成FFT处理。关键在于，该接收终端还包括MMSE检测模块，用于对经过FFT处理的信号采用MMSE方式进行检测，并将检测后的信号送入解调及突发分解模块；解调及突发分解模块，用于对经过MMSE检测的信号做突发分解、解调以及信道译码的处理。

所述接收终端进一步包括信道估计模块，用于对经过FFT处理的信号进行信道估计，并将信道估计结果送入MMSE检测模块，辅助完成对信号的检测。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (13)

1、一种信号发送方法，其特征在于，该方法包括：

对经过信道编码和突发形成的数据进行STBC编码和切换发射分集编码后，再进行IFFT并加入CP发射。

2、根据权利要求1所述的发送方法，其特征在于，所述进行STBC编码和切换发射分集编码为：先进行STBC编码，再进行切换发射分集编码。

3、根据权利要求1所述的发送方法，其特征在于，所述进行STBC编码和切换发射分集编码为：先进行切换发射分集编码，再进行STBC编码。

4、根据权利要求1至3任一项所述的发送方法，其特征在于，所述切换发射分集编码为：时间切换发射分集编码TSTD、或为频率切换发射分集编码FSTD。

5、根据权利要求2所述的发送方法，其特征在于，所述切换发射分集编码为FSTD，则所述进行STBC编码和FSTD编码具体为：

a.对经过信道编码和突发形成处理得到的基本资源单元中相邻两个符号的数据进行STBC编码；

b.将步骤a得到的每个基本资源单元分成两部分，每部分分别映射到2根天线发射。

6、根据权利要求5所述的发送方法，其特征在于，步骤b中所述将每个基本资源单元分成两部分为：将每个基本资源单元按子载波数平均分为两部分，将没有数据的部分用零填充。

7、一种发送终端，包括：

信道编码及突发形成模块，用于完成信道编码和突发形成；

循环前缀加入模块，用于为经过IFFT处理的数据加入CP；

至少四个天线，用于发射数据；

其特征在于，该发送终端还包括：

STBC及切换发射分集编码模块，设置于信道编码及突发形成模块和IFFT模块之间，用于实现STBC和切换发射分集编码；

IFFT模块，用于将经过STBC和切换发射分集编码处理的数据进行IFFT处理。

8、根据权利要求7所述的发送终端，其特征在于，所述STBC及切换发射分集编码模块进一步包括：STBC编码子模块、切换发射分集编码子模块，分别用于完成STBC编码、切换发射分集编码；

所述STBC编码子模块的输入与信道编码及突发形成模块的输出相连，STBC编码子模块的输出与切换发射分集编码子模块的输入相连，切换发射分集编码子模块的输出与IFFT模块的输入相连；或者，

所述切换发射分集编码子模块的输入与信道编码及突发形成模块的输出相连，切换发射分集编码子模块的输出与STBC编码子模块的输入相连，STBC编码子模块的输出与IFFT模块的输入相连。

9、根据权利要求7或8所述的发送终端，其特征在于，所述切换发射分集编码子模块为FSTD编码子模块，或为TSTD编码子模块。

10、一种接收方法，其特征在于，该方法包括：将接收的信号进行下变频、去除CP以及FFT处理；再对经过FFT处理的信号进行最小均方差MMSE检测；并将检测后的信号经过突发分解、解调及信道译码后送至信宿。

11、根据权利要求10所述的接收方法，其特征在于，所述MMSE检测为：根据Y＝[H^HH+σ²I]^-1H^HR对信号进行估计；其中，R为经过FFT处理的信号，H为2n_R×n_T的信道估计矩阵，I为n_T×n_T的单位阵。

12、一种接收终端，包括：

CP去除模块，用于去掉发射时加入的CP；

FFT模块，用于完成FFT处理；

其特征在于，该接收终端还包括：

MMSE检测模块，用于对经过FFT处理的信号采用MMSE方式进行检测，并将检测后的信号送入解调及突发分解模块；

解调及突发分解模块，用于对经过MMSE检测的信号做突发分解、解调以及信道译码的处理。

13、根据权利要求12所述的接收终端，其特征在于，所述接收终端还包括：信道估计模块，用于对经过FFT处理的信号进行信道估计，并将信道估计结果送入MMSE检测模块，辅助完成对信号的检测。

Images