CN101374132A - 多入多出正交频分复用系统开环空间复用发射方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多入多出正交频分复用系统开环空间复用发射方法及系统，包括步骤，首先将原始信息比特经过串并转换成多路子数据流后，对每路子数据流进行信道编码和调制，接着进行数据随机化操作，得到随机化后的子数据流；然后对每路随机化后的子数据流中插入导频信号后，对每路插入导频信号的随机化后的子数据流进行正交频分复用调制，得到正交频分复用符号数据流并在对应的发射天线上进行发射。应用本发明，使得MIMO+OFDM通信系统降低了对MIMO信道独立性的要求，在保证系统性能稳定性的基础上利用空间复用技术提高系统的传输速率。

Description

多入多出正交频分复用系统开环空间复用发射方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信系统，更具体涉及一种多入多出(MIMO)、正交频分复用(OFDM)无线通信系统的开环(Open-loop)空间复用(SpatialMultiplexing)发射方法及系统。

背景技术

随着数字信号处理技术和高速器件的发展，最初实现OFDM技术的障碍己不复存在，OFDM已经在DAB(数字音频广播)、DVB(数字视频广播)和WLAN(无线局域网)等系统中取得了成功的应用。OFDM利用各个子载波之间的正交性，允许子信道的频谱相互重叠，可以很大程度地利用频谱资源。它把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效地减少了无线信道的时间弥散所带来的符号间串扰(ISI)，同时由于各子信道的带宽相对较窄，均衡便可以对每个子载波分别进行，这样就减少了接收机内均衡的复杂度。由于上述特点，这项技术在近几年来得到广泛的应用。

MIMO是指在发射端和接收端，分别使用多个发射天线和接收天线。MIMO的基本思想是在发射、接收或收发双端采用多个天线，通过空时处理技术，充分利用信道之间的独立衰落特性，提高频谱利用率，通信质量和系统容量。MIMO系统充分利用了发射端和接收端之间散射丰富的无线信道，由发射天线阵送出的多个不同数据流在接收端看来都有特有的、可区分的空间特性，即信道具有多维特性。因此MIMO信道可以看作是由两端中最小天线数目个并行的子信道组成，则整个MIMO信道的容量就是所有子信道容量之和。

在未来的通信系统中，高速业务和用户数的激增使得对频谱的需求量急剧增加，而频谱资源是有限的，所以结合MIMO和OFDM这两项先进的技术，一方面可以提高频谱利用率，另一方面可以有效抵抗频率选择性衰落。

MIMO技术包括分集和空间复用两种，其中分集技术主要以空时(空频)码分集为代表，其主要利用空时编码而增加传输的冗余信息，从而提高无线传输的稳定性，但并未提高系统的频谱利用率；而空间复用技术主要利用由无线信道的多径传播所带来的MIMO系统的自由度，若各对收发天线路径的衰落相互独立，则可利用这些并行通道传输独立的信息流，从而提高系统的数据传输率。例如BLAST方案就是将待发射的信息流分为多路并行子数据流，并映射到其对应的发射天线上。不同的天线发射相互独立的信号，在接收端通过发射天线和接收天线间的空间信道特征来区分发射信号，从而提高频谱利用率。

然而，单纯的空间复用方案并非最优方案。因为在给定的天线配置下MIMO系统的自由度是有限的，BLAST等方案对于信道的独立性要求较高，在独立性较低的信道环境中其系统性能较差。尤其在开环模式下应用时，由于不知道信道信息，就要求在应用空间复用技术时要能够保证系统的稳定性。在这种情况下既要保证MIMO系统性能的稳定性，又要保证MIMO系统的复用增益。

综上所述，当前需要一种多入多出正交频分复用无线通信系统的开环空间复用发射的技术方案，来保证开环模式下MIMO系统性能的稳定性和MIMO系统的复用增益。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多入多出正交频分复用系统的开环空间复用发射方法及系统，从而使得MIMO+OFDM通信系统降低了对MIMO信道独立性的要求，在保证系统性能稳定性的基础上利用空间复用技术提高系统的传输速率。

为了解决上述问题，本发明提供了一种多入多出正交频分复用系统的开环空间复用发射方法，包括以下步骤，

a、将原始信息比特经过串并转换成多路子数据流后，对每路子数据流进行信道编码和调制，接着进行数据随机化操作，得到随机化后的子数据流；

b、对每路随机化后的子数据流中插入导频信号后，对每路插入导频信号的随机化后的子数据流进行正交频分复用调制，得到正交频分复用符号数据流并在对应的发射天线上进行发射。

进一步地，上述方法还可包括，所述步骤a中，将原始信息比特经过串并转换成M路子数据流，其中M为发射天线数目，M为正整数。

进一步地，上述方法还可包括，所述步骤a中，对每路子数据流分别进行独立的信道编码和调制，包括以下步骤，

对每路子数据流进行信道编码，得到编码调制后数据流；

对所述编码数据流进行信道交织，获得交织数据流；

将所述交织数据流进行星座图映射，得到编码调制后子数据流。

进一步地，上述方法还可包括，所述信道编码为：码率卷积编码、Turbo编码、或者低密度奇偶校验码编码。

进一步地，上述方法还可包括，所述步骤a中，对每路的所述编码调制后子数据流分配一个不同的扰码进行加扰或分配一个不同交织器进行交织的数据随机化操作，得到随机化后的子数据流。

进一步地，上述方法还可包括，所述数据随机化操作包括加扰或交织。

进一步地，上述方法还可包括，所述步骤b中，对每路插入导频信号的随机化后的子数据流进行正交频分复用调制，包括以下步骤，

进行串并转换，每个插入导频信号的随机化后的子数据流得到N_FFT个并行的低速子数据流，其中N_FFT为正交频分复用调制中子载波的数目；

对低速子数据流进行逆快速傅里叶变换，得到M路并行正交频分复用符号数据流；

对正交频分复用符号数据流加循环前缀，完成正交频分复用调制过程。

本发明还提供了一种多入多出正交频分复用系统的开环空间复用发射系统，包括串并转换单元、编码调制单元、随机化单元、插入导频成帧单元及正交频分复用调制发射单元，其中，

串并转换单元，用于将原始信息比特经串并转换成多路子数据流，传输给编码调制单元；

编码调制单元，用于对串并转换单元传输的每路子数据流进行信道编码、调制处理，得到编码调制后数据流，传输给随机化单元；

随机化单元，用于对编码调制单元传输的每路编码调制后子数据流进行数据随机化操作，得到随机化后的子数据流，传输给插入导频成帧单元；

插入导频成帧单元，用于对随机化单元传输的随机化后的子数据流中插入导频信号，传输给正交频分复用调制发射单元；

正交频分复用调制发射单元，用于对插入导频成帧单元传输的插入导频信号的随机化后的子数据流进行正交频分复用调制后，将正交频分复用符号数据流在对应的发射天线上进行发射。

进一步地，上述系统还可包括，所述编码调制单元，对各子数据流进行信道编码，得到编码数据流；再对编码数据流进行信道交织得到交织数据流；然后对交织数据流进行星座映射，得到编码调制后子数据流，传输给所述插入导频成帧单元。

进一步地，上述系统还可包括，所述信道编码为：码率卷积编码、Turbo编码或者低密度奇偶校验码编码。

进一步地，上述系统还可包括，所述随机化单元的数据随机化操作包括对每路编码调制后子数据流分配一个不同的扰码进行扰码或者分配一个不同的交织序列进行交织。

进一步地，上述系统还可包括，所述正交频分复用调制发射单元，对插入导频信号的随机化后的子数据流依次独立地进行串并转换、逆快速傅里叶变换以及加循环前缀，得到正交频分复用调制符号数据流。

与现有技术相比，本发明通过在各个子数据流分别独立采用加扰或交织等随机化方案，进而利用各扰码/交织序列与空间信道组成的复合信道来区分发射信号，从而使得MIMO+OFDM通信系统降低了对MIMO信道独立性的要求，在保证系统性能稳定性的基础上利用空间复用技术提高系统的传输速率；并且运算量较小，非常利于工程实现。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中一种多入多出正交频分复用无线通信系统的开环空间复用发射方法的流程图；

图2是本发明具体实施方式中多入多出正交频分复用无线通信系统的开环空间复用发射的原理框图；

图3是本发明具体实施方式中系统从串并转换产生各子数据流到成帧发射的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步说明。

本发明的主要构思是，可以由将待发射的原始信息比特数据经过串并转换后转换成多路子数据流；对每路子数据流进行独立的编码调制；对所述每路的子数据流进行数据随机化操作(包括加扰或交织)；在每路随机化处理后的数据中插入导频信号；对每个数据流进行OFDM调制后分别映射到其对应发射天线上进行发射。

如图1所示，一种多入多出、正交频分复用无线通信系统的开环空间复用发射方法，包括如下步骤：

步骤110、将待发射的原始信息比特经过串并转换后转换成M路子数据流，将其分别映射到对应的发射天线上，其中M为发射天线数目，M为正整数或自然数；

步骤120、对所得到的M路子数据流进行独立的信道编码和调制，得到编码调制后子数据流；

对所得到的M路子数据流分别进行独立的信道编码和调制，该过程包括以下步骤：

对所得到的M路子数据流进行信道编码，得到编码调制后数据流；

信道编码可以包括各种码率卷积编码、Turbo编码、LDPC(低密度奇偶校验码)编码等的任意一种或任意多种。

对所述编码数据流进行信道交织，获得交织数据流；

将所述交织数据流进行星座图映射，得到待发射的编码调制后子数据流。

步骤130、对所述每路的编码调制后子数据流进行数据随机化操作，得到M路随机化后的子数据流；

对所述每路的编码调制后子数据流分配一个不同的扰码进行加扰或分配一个不同交织器进行交织等数据随机化操作，从而得到M路随机化后的子数据流。

所述数据随机化操作包括加扰或交织。

步骤140、在M路随机化后的子数据流中插入导频信号；

在M路随机化处理后的子数据流中分别插入导频信号。

步骤150、对插入导频信号的M路随机化后的子数据流进行OFDM调制后，得到OFDM符号数据流，将待发射的OFDM符号数据流在对应的发射天线上进行发射；

对插入导频信号的M路随机化后的子数据流进行OFDM调制，该过程包括以下步骤：

进行串并转换，每个插入导频信号的随机化后的子数据流得到N_FFT个并行的低速子数据流；

对低速子数据流进行IFFT变换(逆快速傅里叶变换)，得到M路并行OFDM符号数据流；

对OFDM符号数据流加循环前缀CP，完成OFDM调制过程。

其中N_FFT为OFDM调制中子载波的数目。

OFDM调制包括串并转换S/P、IFFT变换以及加循环前缀CP。

图2是本发明具体实施方式中多入多出、正交频分复用无线通信系统的开环空间复用发射的原理框图，本发明称为开环随机化空间复用(Randomization-Spatial Multiplexing，R-SM)发射方案。为了实现R-SM发射方案，本发明具体实施方式中提供一种多入多出、正交频分复用无线通信系统的开环空间复用发射系统，包括，串并转换单元1、编码调制单元2、随机化单元3、插入导频成帧单元4及OFDM调制发射单元5，其中，

串并转换单元1，用于将待发射的原始信息比特经串并转换成多路子数据流，传输给编码调制单元2；

在本发明具体实施方式中，串并转换单元1为串并转换器S/P，通过该串并转换器S/P对原始信息比特b进行串并转换，得到M路子数据流b^m，其中m＝1，2，…，M。

编码调制单元2，用于对串并转换单元1传输的每路子数据流依次独立地进行信道编码、交织以及调制处理，得到编码调制后子数据流，传输给随机化单元3；

本发明具体实施方式中，首先对各子数据流数据b^m在编码调制单元2中对其进行信道编码，信道编码可以包括各种码率卷积编码、Turbo编码或者LDPC编码等，得到编码数据流d^m；再对编码数据流d^m进行信道交织得到交织数据流e^m；然后对交织数据流e^m进行星座映射，得到编码调制后子数据流s^m。

随机化单元3，用于对编码调制单元2传输的每路编码调制后子数据流进行数据随机化操作，得到随机化后子数据流，传输给插入导频成帧单元4；

数据随机化操作包括对每路编码调制后子数据流分配一个不同的扰码进行扰码或者分配一个不同的交织序列进行交织等。

本发明具体实施方式中随机化单元3中对每个编码调制后子数据流s^m的随机化操作可以包括以下两种情况：

对每个编码调制后子数据流s^m分配一个不同的扰码r^m进行加扰操作，得到随机化后的子数据流x^m＝s^m·r^m，其中运算符号·表示对位点乘；

对每个编码调制后子数据流s^m分配一个不同的交织序列c^m进行交织操作，以得到随机化后的子数据流x^m＝permutation(s^m，c^m)，其中permutation表示s^m根据交织序列c^m重新排列。

进行上述随机化操作后得到随机化后的子数据流x^m。

插入导频成帧单元4，用于对随机化单元3传输的随机化后的子数据流x^m中插入导频信号，传输给OFDM调制发射单元5；

本发明具体实施方式中，MUX单元4为插入导频成帧单元；各个数据流的导频信号用相互间的位置差异加以区分。

OFDM调制发射单元5，用于对插入导频成帧单元4传输的插入导频信号的随机化后的子数据流x^m进行OFDM调制后，将待发射的OFDM符号数据流在对应的发射天线上进行发射。

OFDM调制发射单元5，对插入导频信号的随机化后的子数据流x^m依次独立地进行串并转换S/P、IFFT变换以及加循环前缀CP，得到OFDM调制符号数据流X^m＝IFFT(x^m)，并将其分配到对应的发射天线上进行发射。

OFDM调制包括串并转换S/P、IFFT变换以及加循环前缀CP。

下面结合具体实例对本发明作进一步说明。

图3描述了系统从串并转换产生各子数据流到成帧发射的整个流程，具体如下：

步骤201中，将待发射的原始信息比特数据经过串并转换后转换成多路子数据流；

本实例中，通过该串并转换器S/P对原始信息比特流b进行串并转换，得到M路子数据流 $b^m=(b_1^m,b_2^m,\·\·\·,b_l^m),$ 其中M为发射天线数目，l为每个子数据流原始信息比特的数目。

步骤202中，对每路子数据流进行独立的调制编码，得到编码调制后子数据流；

对于串并转换后各子数据流的数据依次独立地进行信道编码、交织以及调制处理，从而得到编码调制后子数据流 $s^m=(s_1^m,s_2^m,\·\·\·,s_{N_{\mathrm{FFT}}}^m),$ 其中N_FFT为OFDM调制对应的子载波数目。

步骤203中，对所述每路的编码调制后子数据流进行数据随机化操作，得到随机化后的子数据流；

对每路编码调制后子数据流分配一个不同的扰码进行加扰操作或者分配一个不同的交织序列进行交织等随机化操作，得到随机化后的子数据流x^m＝s^m·r^m，其中运算符号·表示对位点乘，r^m表示每个子数据流相对应的扰码；或随机化后的子数据流x^m＝permutation(s^m，c)，其中permutation表示s^m根据交织序列c^m重新排列。

步骤204中，在每个随机化后的子数据流中插入导频信号p^m；各个数据流的导频信号用相互间的位置差异加以区分；

步骤205中，对每路插入导频信号的随机化后的子数据流进行OFDM调制，并将OFDM调制符号数据流分别在其对应发射天线上进行发射。

对于插入导频信号的随机化后各子数据流的数据x^m依次独立地进行串并转换S/P、IFFT变换以及加循环前缀CP步骤，则各子数据流得到OFDM调制符号数据流 $X^m=\mathrm{IFFT}\left(x^m\right)=\frac{1}{N_{\mathrm{FFT}}}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{FFT}}}{\mathrm{\Σ}}}{x}^m{e}^{j2\mathrm{\πft}},$ 并将OFDM调制符号数据流分别映射到其对应发射天线上进行发射。

总之，本发明所公开的一种无线MIMO+OFDM无线通信系统的开环空间复用发射方法，同已有的方法来比，本发明的开环R-SM空间复用算法在对得到串并转换得到多路子数据流后，对其进行独立的编码调制操作，并且在OFDM调制前使用加扰或交织等方法对每路子数据流进行随机化操作，以此在传输速率未降低的基础上提高了对MIMO信道的适应性，从而保证系统的稳定性。

总之，本发明所提出的MIMO+OFDM无限通信系统开环空间复用方法在保证传输速率的同时，并没有耗费过多的系统资源，并且运算量很小，非常利于工程实现。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种多入多出正交频分复用系统的开环空间复用发射方法，包括以下步骤，

a、将原始信息比特经过串并转换成多路子数据流后，对每路子数据流进行信道编码和调制，接着进行数据随机化操作，得到随机化后的子数据流；

b、对每路随机化后的子数据流中插入导频信号后，对每路插入导频信号的随机化后的子数据流进行正交频分复用调制，得到正交频分复用符号数据流并在对应的发射天线上进行发射。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a中，将原始信息比特经过串并转换成M路子数据流，其中M为发射天线数目，M为正整数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤a中，对每路子数据流分别进行独立的信道编码和调制，包括以下步骤，

对每路子数据流进行信道编码，得到编码调制后数据流；

对所述编码数据流进行信道交织，获得交织数据流；

将所述交织数据流进行星座图映射，得到编码调制后子数据流。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述信道编码为：码率卷积编码、Turbo编码、或者低密度奇偶校验码编码。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤a中，对每路的所述编码调制后子数据流分配一个不同的扰码进行加扰或分配一个不同交织器进行交织的数据随机化操作，得到随机化后的子数据流。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述数据随机化操作包括加扰或交织。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤b中，对每路插入导频信号的随机化后的子数据流进行正交频分复用调制，包括以下步骤，

进行串并转换，每个插入导频信号的随机化后的子数据流得到N_FFT个并行的低速子数据流，其中N_FFT为正交频分复用调制中子载波的数目；

对低速子数据流进行逆快速傅里叶变换，得到M路并行正交频分复用符号数据流；

对正交频分复用符号数据流加循环前缀，完成正交频分复用调制过程。

8.一种多入多出正交频分复用系统的开环空间复用发射系统，其特征在于，包括串并转换单元、编码调制单元、随机化单元、插入导频成帧单元及正交频分复用调制发射单元，其中，

串并转换单元，用于将原始信息比特经串并转换成多路子数据流，传输给编码调制单元；

编码调制单元，用于对串并转换单元传输的每路子数据流进行信道编码、调制处理，得到编码调制后数据流，传输给随机化单元；

随机化单元，用于对编码调制单元传输的每路编码调制后子数据流进行数据随机化操作，得到随机化后的子数据流，传输给插入导频成帧单元；

插入导频成帧单元，用于对随机化单元传输的随机化后的子数据流中插入导频信号，传输给正交频分复用调制发射单元；

正交频分复用调制发射单元，用于对插入导频成帧单元传输的插入导频信号的随机化后的子数据流进行正交频分复用调制后，将正交频分复用符号数据流在对应的发射天线上进行发射。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述编码调制单元，对各子数据流进行信道编码，得到编码数据流；再对编码数据流进行信道交织得到交织数据流；然后对交织数据流进行星座映射，得到编码调制后子数据流，传输给所述插入导频成帧单元。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述信道编码为：码率卷积编码、Turbo编码或者低密度奇偶校验码编码。

11.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述随机化单元的数据随机化操作包括对每路编码调制后子数据流分配一个不同的扰码进行扰码或者分配一个不同的交织序列进行交织。

12.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述正交频分复用调制发射单元，对插入导频信号的随机化后的子数据流依次独立地进行串并转换、逆快速傅里叶变换以及加循环前缀，得到正交频分复用调制符号数据流。

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