CN101383643A - 一种mimo实时平台及其同步和信道联合估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MIMO实时平台及其同步和信道联合估计方法，MIMO实时平台包括发送端和接收端，接收端和发送端均由用于基带处理的DSP模块、中频处理的FPGA模块、射频和天线组成，该平台能够更加准确的检验MIMO系统算法的性能；其同步和信道联合估计的方法是，每个天线的训练序列采用正交序列加前缀和后缀的方法，对正交序列的构建采用了时域和频域双重构建方式，发端在数据块前填充所述训练序列，形成数据帧并通过天线发送；收端接收所述数据帧，通过相关运算和比较运算就可以得到帧同步位置和信道的冲激响应。本发明提高了MIMO实时平台的可靠性，对于各种多输入多输出算法在平台中的验证提供了更加优越的环境。

Description

一种MIMO实时平台及其同步和信道联合估计方法

技术领域

本发明涉及一种用于MIMO(多输入多输出)实时平台的同步和信道联合估计的方法，属于数字信息传输技术领域。

背景技术

与有线通信相比，无线通信面临许多挑战，特别是有限的频谱资源和不断增长的用户需求之间的矛盾以及无线信道表现的衰弱特性，这要求无线通信系统具有尽可能高的频谱效率和传输可靠性。另外，由于许多无线通信系统的组成部分之一是移动终端，因此其功耗也受到很大限制。在对付无线信道多径衰落方面，基于CP(循环前缀)的分块传输技术表现出突出的优势，但他们的频谱效率仍然不是很高。近年来，基于多天线技术的MIMO通信系统在频谱效率方面表现出无与伦比的优势，被普遍认为是未来无线通信的主要支撑技术之一。

虽然目前有多种信道模型可用于评价算法在MIMO系统中的性能，但得到的结果只是基于简单的数学推导或数学计算(MATLAB)仿真，并且每种信道模型都是基于某些假设才能成立。实际环境中的无线信道中的噪声功率是未知的，信号波形在传输中受无线信道带宽的影响，发送接收端的采样时钟差异影响着信号判决的准确性。以上列举的问题在仿真中或者被简化成固定的数值，或者被假设为按某种概率密度函数分布，这使得MIMO系统中的算法在真正投入应用时出现很多不可预料的结果。

同步是任何一个通信系统的根本任务之一，是数字基带处理首先要面对的问题，准确的同步是保证可靠数据接收的重要条件。另外，MIMO技术能够提高信道容量或者提高传输可靠性的根本原因在于利用了信道的多样性，这一多样性需要在接收端解析出来，所以信道估计的偏差也直接影响系统的性能。由于同步的结果对信道估计好坏有直接影响，为了提高测试平台的整体性能，有必要将同步和信道估计联合考虑。

发明内容

本发明针对现有的无线通信系统仅使用简化的无线信道仿真算法所带来的问题，提供一种能够更加准确的检验MIMO系统算法性能的用于多输入多输出无线通信系统真实环境测试的MIMO实时平台，同时提供一种用于该MIMO实时平台的同步和信道联合估计方法，该同步和信道联合估计方法能够减少同步估计的误差，提高系统的BER性能，消除不同收发天线间训练序列的相互干扰，降低由于平台中使用的滤波器的非理想特性对序列正交性的影响，能够提高频谱利用率，并且在发送功率一定时可以提高信道容量，适用于实际信道环境的信道估计。

本发明的MIMO实时平台是一个2发2收的系统，包括发送端和接收端，接收端和发送端均由用于基带处理的DSP模块、中频处理的FPGA模块、射频和天线组成，发送端的基带处理(包括编码，星座映射，脉冲成形等)在DSP模块中完成，基带处理的数据通过高速总线传输至FPGA模块，经过数字上变频至中频、数模转换、中频模拟上变频至射频的过程后，最终通过天线将射频模拟信号送至无线信道；接收端通过天线接收来自发送端的射频模拟信号，并经过射频模拟下变频至中频、模数转换、中频数字下变频至基带的过程后得到基带采样数据。

上述MIMO实时平台使发送接收经历一个完整的从星座映射、脉冲成型、调制，到同步、解调、判决的传输过程，并通过真实的无线信道传输，受到整个系统所带来的影响，恢复的信号能够更加准确的检验MIMO系统算法的性能。

用于上述MIMO实时平台的同步和信道联合估计方法是：

首先在训练序列的设计上，每个天线的训练序列采用正交序列加前缀和后缀的方法，用于两个发射天线的正交的训练序列是相同的，对正交序列的构建采用时域和频域双重构建方式；MIMO平台的发送端在数据块前填充所述训练序列，形成数据帧并通过天线发送；接收端接收所述数据帧，通过相关运算和比较运算得到帧同步位置和信道的状态信息。

正交序列采用两个相同的序列，由于正交序列与它本身循环移位后的正交序列的互相关仍然是0。在MIMO系统中，训练序列之所以设计为正交序列，是由于接收信号是多个发送端发送信号的叠加，为了区分各发送天线信号经历不同路径到达某一接收天线的时刻。但是这种在时域上构建的序列虽然具有良好的互相关特性，但是序列的频谱完全分布在整个数字频域0—π的区间上，在信号经过各级滤波器的过程中，由于各种滤波器的性能不可能做到理想，所以在接收端训练序列的相关性必然受到影响，从而造成对同步时刻的估计误差增大。为了避免由于滤波器的非理想特性对训练序列正交性的影响，应该使正交序列的高频部分不包含任何有效信息，所以就要对原始的正交序列进行改进。

假设原始的正交序列的长度为N，对原始的正交序列进行FFT(快速傅立叶变换)，得到频域的序列，在频域序列的高频部分插入长度为M的0，然后对插过0的训练序列进行IFFT(快速傅立叶反变换)，得到时域的序列；通过插0，训练序列的长度变成了N+M，假设N+M等于P，在频域上的截止点由原来的π变成了πN/P。经过插0之后，训练序列的正交性并没有改变，通过插0的多少，可以调整序列所占的数字频谱范围，以适应不同系统的需要。

得到了长度为P的正交序列后，在正交序列的前后分别加入足够长的前缀和后缀，其长度要大于多径信道的跳数；用于第二个天线的正交序列的前缀的长度要大于第一个天线的。在多径信道中，如果前缀和后缀的长度都大于有效路径的数目，那么在MIMO的接收端相关器的输出不仅会包含信道的状态信息，而且可以分辨出哪一部分代表信道的状态信息。假设信道的有效路径的长度是L，则第一个发送天线的前缀长度R1>L，后缀的长度S1>L，正交序列P>2L，第二个发送天线的前缀长度R2>L，后缀的长度S2>L，而且R2>R1。

由于两个正交序列的互相关是0，而且有足够长的前缀和后缀，所以在MIMO系统的接收端接收到的训练序列与发送端发送的正交序列的互相关能够包含收发路径的信道信息。

第J根天线接收到的训练序列与发送端的正交序列的互相关是：

$\mathrm{Rj}\left(d\right)=\underset{n=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{yj}(n+d)g\left(n\right)$

$=\underset{n=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}[h1,j\left(k\right)g(n+d-k)]g\left(n\right)+\underset{n=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}[h2,j\left(k\right)g(n+d-k-t)]g\left(n\right)$

$=\underset{k=0}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}h1,j\left(k\right)\left[\underset{n=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}g(n+d-k)g\left(n\right)\right]+\underset{k=0}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}h2,j\left(k\right)\left[\underset{n=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}g(n+d-k-t)g\left(n\right)\right]$

$=\underset{k=0}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}h1,j\left(k\right)\mathrm{\δ}(d-k)+\underset{k=0}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}h2,j\left(k\right)\mathrm{\δ}(d-k-t)$

$=\left\{\begin{array}{c}h1,j\left(d\right)d=\mathrm{0,1},.....,l-1\\ h2,j(d-t)d=t,t+1,......,t+l-1\\ 0\end{array}\right\}$

yj(n+d)代表第j根接收天线接收到的正交序列，Rj(d)代表第j根接收天线接收到的正交序列与发送端发送的正交序列的互相关，g(n)代表发送端发送的正交序列，h1，j(k)和h2，j(k)分别代表第一根发送天线和第二根发送天线到第j根接收天线的信道状态信息。

由此可见，每一条收发线路的信道状态信息，在接收端相关器的输出都可以得到。

在接收端，同步和信道估计可以联合完成，通过相关器得到互相关函数的最大值，也就是最大的信道增益，通过比较器得到最优的同步时刻，从而就可以得到不同收发天线之间多条路径的信道状态信息。

本发明基于MIMO实时平台设计了同步和信道联合估计的算法，减少了同步估计的误差，提高了系统的BER性能。在每个天线的训练序列中，运用正交序列，消除了不同收发天线间训练序列的相互干扰。对正交序列的时域和频域的双重构建，降低了由于平台中使用的滤波器的非理想特性对序列正交性的影响。在训练序列中加入了足够长的前缀和后缀，从不同收发天线间收发序列的互相关函数中可以得到多径信道中各条路径的信道状态信息。在MIMO实时平台系统的接收端，只需要通过相关运算和比较运算，就可以联合估计出时间同步的最优时刻和多径信道的状态信息，具有低的复杂度。

附图说明

图1是MIMO实时平台的总体结构框图。

图2分别是第一个发送天线的训练序列和第二个发送天线训练序列的结构图。

具体实施方式

本发明的MIMO实时平台如图1所示，该平台使发送接收经历了一个完整的从空时编码、星座映射、脉冲成型、调制，到同步、解调、判决的传输过程，并通过真实的无线信道实时传输，受到整个系统所带来的影响，恢复的信号能够更加准确的检验MIMO系统算法的性能。本发明涉及该MIMO实时平台系统的训练序列设计和接收端的同步和信道估计部分，在基带处理模块DSP中运行。

如图1所示，首先对相互正交的两个长度为N的序列做FFT变换，得到频域的序列，然后在频域序列的高频部分插入M个0，然后再进行IFFT变换，到时域，得到长度为P的训练序列g1和g2。

对g1附上长度为R1的前缀和长度为S1的后缀，对g2附上长度为R2的前缀和长度为S2的后缀。假设信道的有效路径的长度为L，那么R1>L，R2>L，S1>L，S2>L，P>2L，S1+R1＝P，S2+R2＝P，R2>R1。

然后发送端在数据块前填充上述训练序列，通过系统进行发送，在接收端首先计算接收到的正交序列与发送的正交序列的互相关，找到使互相关函数取最大值的时刻，这个最大值代表了收发天线之间的多径信道中最大的信道增益。然后，为了求得最优的同步时刻，预先设定一个参数δ，代表信道的第一个有效增益与最大增益的最小比，δ的值可以根据不同的信道状况设定不同的值；然后，从最大增益时刻开始寻找更早的时刻，使互相关函数值大于或等于δ与最大增益的乘积的最早的时刻，这个最早的时刻就是最优的同步时刻；多径信道的L径的状态信息就可以由从最优时刻开始L个时刻的互相关函数的值得到。图2给出了第一个发送天线的训练序列和第二个发送天线训练序列的结构图。

本发明具有以下特点：

1.MIMO实时平台是一个2 X 2的多天线系统，收发端由用于基带处理的DSP模块、中频处理的FPGA模块、射频和天线组成，可以实现数据的实时性传输。

2.基于MIMO实时平台，设计了同步和信道联合估计的算法，减少了同步估计的误差，提高了系统的BER性能。

3.在每个天线的训练序列中，运用正交序列，消除了不同收发天线间训练序列的相互干扰。

4.对正交序列的时域和频域的双重构建，降低了由于平台中使用的滤波器的非理想特性对序列正交性的影响。

5.在训练序列中加入了足够长的前缀和后缀，从不同收发天线间收发序列的互相关函数中可以得到多径信道中各条路径的信道状态信息。

6.在MIMO实时平台系统的接收端，只需要通过相关运算和比较运算，就可以联合估计出时间同步的最优时刻和多径信道的状态信息，具有低的复杂度。

Claims (2)

1.一种MIMO实时平台，是一个2发2收的系统，其特征在于：包括发送端和接收端，接收端和发送端均由用于基带处理的DSP模块、中频处理的FPGA模块、射频和天线组成，发送端的基带处理在DSP模块中完成，基带处理的数据通过高速总线传输至FPGA模块，经过数字上变频至中频、数模转换、中频模拟上变频至射频的过程后，最终通过天线将射频模拟信号送至无线信道；接收端通过天线接收来自发送端的射频模拟信号，并经过射频模拟下变频至中频、模数转换、中频数字下变频至基带的过程后得到基带采样数据。

2.一种用于权利要求书1所述MIMO实时平台的同步和信道联合估计的方法，所述的MIMO实时平台是一个2发2收的系统，包括发送端和接收端，接收端和发送端均由用于基带处理的DSP模块、中频处理的FPGA模块、射频和天线组成，发送端的基带处理在DSP模块中完成，基带处理的数据通过高速总线传输至FPGA模块，经过数字上变频至中频、数模转换、中频模拟上变频至射频的过程后，最终通过天线将射频模拟信号送至无线信道；接收端通过天线接收来自发送端的射频模拟信号，并经过射频模拟下变频至中频、模数转换、中频数字下变频至基带的过程后得到基带采样数据；其特征在于：

在训练序列的设计上，每个天线的训练序列采用正交序列加前缀和后缀的方法，用于两个发射天线的训练序列中的正交序列是相同的，对正交序列的构建采用时域和频域双重构建方式；平台的发送端在数据块前填充所述训练序列，形成数据帧并通过天线发送；接收端接收所述数据帧，通过相关运算和比较运算得到帧同步位置和信道的状态信息；

假设原始的正交序列的长度为N，对原始的正交序列进行FFT变换，得到频域的序列，在频域序列的高频部分插入长度为M的0，然后对插过0的训练序列进行IFFT变换，得到时域的序列；通过插0，训练序列的长度变成了N+M，假设N+M等于P，在频域上的截止点由原来的π变成了πN/P；得到的两个长度为P的正交序列，在正交序列的前后加入足够长的前缀和后缀，其长度分别要大于多径信道的跳数；用于第二个天线的正交序列的前缀的长度要大于第一个天线的；由于两个正交序列的互相关是0，而且有足够长的前缀和后缀，所以在MIMO系统的接收端接收到的训练序列与发送端发送的正交序列的互相关能够包含收发路径的信道信息。

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