CN101409699B - 一种用于宽带无线移动通信系统中的信号传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于宽带无线移动通信系统中的信号传输方法，属于数字信息传输技术领域。首先将发送端产生的信息依次进行信源编码、信道编码和数字调制，得到调制后的信息；对调制后的信息进行TFU—OFDM调制，将多个调制后的符号组成帧信号后发送；将接收到的帧信号按相应的组成方式拆分为TFU—OFDM调制符号；对调制符号进行TFU—OFDM解调，得到串行数据，对其依次进行数字解调、信道译码、信源译码，得到原始信息。本发明方法保留了TDS—OFDM技术同步速度快的优点，而且使得接收端对信道响应的估计更加准确。而且将同步和信道估计分隔开，便于系统模块化，提高了系统的处理效率，更适合于宽带无线移动通信系统。

Description

一种用于宽带无线移动通信系统中的信号传输方法

技术领域

本发明涉及一种用于宽带无线移动通信系统中的信号传输方法，属于数字信息传输技术领域。

背景技术

宽带无线移动通信的目标是实现高质量、高速率，并支持用户高速移动的多媒体传输。为此，面临的主要困难是信道的多径效应引起的频率选择性衰落，在时域上体现为产生符号间干扰。

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，以下简称OFDM)技术的提出为解决这个问题提供了一种切实可行的手段。其主要思想是：将信道在频域上划分为若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道的频谱特性都近似平坦。这样便大大的降低了符号间干扰。

为了最大限度的消除由于多径传播引起的符号间干扰，OFDM符号之间一般都加有保护间隔(Guard Interval，以下简称GI)，保护间隔长度T_G被设计为大于信道的最大时延扩展，这样上一符号的多径分量就不会对下一符号造成干扰。在这段保护间隔内可以不插入任何信号，即为一段空白的传输时段。但是在这种情况下，由于子载波之间的正交性被破坏，便会形成子载波间干扰。也就是说，保护间隔内为一段空白传输时段时虽然可以消除符号间干扰，但是不能消除载波间干扰。

为了消除载波间干扰，可以在保护间隔(GI)内填充循环前缀(Cyclic Prefix，以下简称CP)。如图1所示。这样的OFDM技术也称为CP-OFDM。循环前缀的生成是通过将宽度为Ts的OFDM符号的尾部Tg宽度的信号复制后，插入到OFDM符号的起始位置，形成前缀。这样，只要循环前缀的长度大于信道最大时延扩展的长度，OFDM符号内所有载波分量均具有整数个周期，将数据与信道的线性卷积转化为循环卷积，不仅消除了符号间干扰(ISI)，也消除了子载波间干扰(ICI)。

但是为了在接收端进行信道估计，一般需要在OFDM符号的数据块中插入一定数量的导频。这样做在提高系统性能的同时也导致了频谱利用率的降低。

时域同步正交频分复用(Time Domain Synchronous Orthogonal Frequency DivisonMultiplexing，以下简称TDS-OFDM)，是对传统CP—OFDM调制技术的一种改进。它用伪随机噪声序列(Pseudo-Noise sequence，以下简称PN序列)填充保护间隔(如图2)。由于PN序列易于生成且带有独立的信息，可以用于同步、信道估计等，所以不需要在数据块中插入导频。不仅提高了频谱利用率，而且利用PN序列查找相关峰进行同步速度较快。

但是TDS-OFDM是针对数字电视地面广播系统提出的一种调制技术，若直接用于通信系统，则存在一系列不足之处：

(1)未考虑多址接入。由于广播系统中子信道静态地分配给相应的用户，所以广播系统不需要区分用户。而通信系统必须动态分配信道给用户，需要区分不同用户。

(2)未区分小区、扇区。TDS-OFDM系统设计未考虑小区或者扇区的问题，每个TDS-OFDM符号构成一帧，每帧均采用不同的PN序列。在通信系统中，只针对不同扇区或者不同小区使用不同PN序列即可。

(3)对不同系统带宽的适应性欠佳。数字电视地面广播系统系统带宽固定为8MHz，而通信系统的带宽，如WiMAX系统，支持带宽从1.25MHz到20MHz不等。在系统带宽增加的情况下，即符号周期缩短的情况下有必要对信号帧长度，FFT点数等重新设计。

(4)其帧结构设计，顶层日帧与绝对时间完全同步。将其直接用于通信系统并不合适。

(5)虽然TDS-OFDM在典型城市移动环境下，移动速度为60km/h和180km/h，信噪比分别大于5.3和5.8dB时，可达到误比特率不超过3×10^-6，但是当FFT点数，载波间隔，PN长度等改变后对移动性的支持效果未知。

(6)FFT点数较大。TDS-OFDM的信号帧中的数据块由3780个子载波组成，每个子载波占有相同的带宽为2KHz，3780个子载波共占7.56MHz带宽。FFT点数为3780，不是2的n次方。不能最大程度地减小运算复杂度。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于宽带无线移动通信系统的信号发送方法，这种方法采用了时频域联合的OFDM(Time and Frequency domain United Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，以下简称TFU—OFDM)技术来解决宽带无线移动通信中由多径传播，以及多普勒频偏等带来的频率选择性衰落和时间选择性衰落问题。这种方法保留了TDS-OFDM在时域中用同步头填充保护间隔的做法，增加在频域上灵活地将导频插入数据块的方式，通过时域与频域的联合操作，以便接收端进行同步，信道估计等。

本发明提出的用于宽带无线移动通信系统中的信号传输方法，包括以下步骤：

(1)将发送端产生的信息依次进行信源编码、信道编码和数字调制，得到调制后的信息；

(2)对上述调制后的信息进行时频域联合的正交频分复用调制，调制步骤如下：

(a)将上述调制后的信息转换为并行数据流；

(b)在上述每一路并行数据流中插入导频，操作过程为：若信道的最大时延扩展大于信号的符号周期，即信道为频率选择性衰落的信道，则将导频沿着频域方向连续插入，若信号的符号周期大于相干时间，即信道为时间选择性衰落的信道，则将导频沿着时域方向连续插入，若信道的最大时延扩展小于信号的符号周期，并且信号的符号周期小于相干时间，则在满足二维奈奎斯特采样定理的条件下，将导频以最大的频率间隔沿着频域方向和以最大的时间间隔沿着时域方向插入；

(c)将上述每一路插入导频后的数据流进行傅里叶逆变换，得到时域信号；

(d)根据伪随机噪声序列生成多项式生成一个伪随机噪声序列，将该伪随机噪声序列以循环扩展的方式填充为一个保护间隔序列，将保护间隔序列与上述时域信号进行合并，组成时频域联合的正交频分复用的符号；

(3)将多个时频域联合的正交频分复用调制后的符号组成帧信号后发送；

(4)接收上述时频域联合的正交频分复用调制后的符号组成的帧信号，并将接收到的帧信号按相应的组成方式拆分为时频域联合的正交频分复用调制符号；

(5)对上述时频域联合的正交频分复用调制符号进行时频域联合的正交频分复用解调，其步骤如下所述：

(e)利用时频域联合正交频分复用调制符号的保护间隔中的伪随机噪声序列对上述接收到的时频域联合的正交频分复用调制符号进行符号同步和载波同步，根据得到的符号同步信息将时频域联合的正交频分复用调制符号中的保护间隔与数据块进行分离，得到分离的保护间隔和数据块；

(f)对上述数据块进行傅里叶变换，得到时频域联合的正交频分复用的频域信号；

(g)在上述频域信号中提取导频，并利用导频对当前信道进行信道估计，根据该信道估计，对该频域信号进行信道均衡；

(h)对上述均衡后的频域信号进行并串转换，将多路并行数据合并为串行数据；

(6)对上述接收的串行数据依次进行数字解调、信道译码、信源译码，得到原始信息。

本发明提出的用于宽带无线移动通信系统中的信号传输方法的优点是：在发射端保留了时域同步的正交频分复用技术利用伪随机噪声序列填充保护间隔的基本结构，并且在数据块中灵活的插入导频；在接收端利用伪随机噪声序列进行同步，利用插在数据块中的导频进行信道估计。这样不仅保留了时域同步的正交频分复用技术同步速度快优点，而且使得接收端对信道响应的估计更加准确。而且将同步和信道估计两个任务分隔开，便于系统模块化，提高了系统的处理效率。在频率选择性衰落或时间选择性衰落的信道条件下，仍然具有十分优良的性能。相比已有的信号传输方法，本发明方法更适合于宽带无线移动通信系统。

附图说明

图1是已有技术中的CP-OFDM符号结构示意图。

图2是已有技术中的TDS-OFDM符号结构示意图。

图3是本发明提出的信号传输方法中信号发送的流程框图。

图4、图5和图6分别是本发明方法中TFU-OFDM导频插入的三种不同方式。

图7是本发明方法中TFU-OFDM符号结构示意图。

图8是已有技术中的伪随机噪声序列生成方法示意图

图9是本发明提出的信号传输方法中信号接收的流程框图。

具体实施方式

本发明提出的用于宽带无线移动通信系统中的信号传输方法，包括以下步骤：

(1)将发送端产生的信息依次进行信源编码、信道编码和数字调制，得到调制后的信息，如图3所示；其中的信源编码，其方式可以根据信源产生的信息灵活选择，如霍夫曼编码，费诺编码，香农编码等。其中的信道编码，其方式可以为卷积码，低密度奇偶校验码，里德-所罗门码等等。对信道编码后的信息进行数字调制，其调制方式可以为二进制相移键控，多进制相移键控，多进制正交幅度调制等。

(2)对上述调制后的信息进行时频域联合的正交频分复用调制，如图3虚线框中所示，调制步骤如下：

(a)将上述调制后的信息转换为并行数据流；

(b)在上述每一路并行数据流中插入导频，操作过程为：若信道的最大时延扩展大于信号的符号周期，即信道为频率选择性衰落的信道，则将导频沿着频域方向连续插入，如图4所示，若信号的符号周期大于相干时间，即信道为时间选择性衰落的信道，则将导频沿着时域方向连续插入，如图5所示，若信道的最大时延扩展小于信号的符号周期，并且信号的符号周期小于相干时间，则在满足二维奈奎斯特采样定理的条件下，将导频以最大的频率间隔沿着频域方向和以最大的时间间隔沿着时域方向插入，如图6所示；

(c)将上述每一路插入导频后的数据流进行傅里叶逆变换，得到时域信号；傅里叶逆变换的实现可以采用快速傅里叶逆变换的方法以简化运算复杂度。

(d)根据伪随机噪声序列生成多项式生成一个伪随机噪声序列，将该伪随机噪声序列以循环扩展的方式填充为一个保护间隔序列，将保护间隔序列与上述时域信号进行合并，组成TFU-OFDM符号，如图7所示。对于伪随机噪声序列的生成，可以采用线性反馈移位寄存器来生成。如图8所示，为一个4阶的伪随机噪声序列生成方法。其中的加号表示模2和，即0+0＝0，0+1＝1，1+0＝1，1+1＝0。假设寄存器1，2，3，4的初始状态分别为0、0、0、1，则通过计算可以得到输出序列为1000100110101111000......可以看出从第16位开始，序列重复第1位的输出。即这是一个周期为15的周期序列。任意取一段长度为15的序列即为所需要的伪随机噪声序列。如取前15位则组成序列100010011010111。

(3)将多个时频域联合的正交频分复用调制后的符号组成帧信号后发送；帧结构可根据需要灵活设计；

(4)接收上述时频域联合的正交频分复用调制后的符号组成的帧信号，并将接收到的帧信号按相应的组成方式拆分为时频域联合的正交频分复用调制符号；如图9所示。

(5)对上述时频域联合的正交频分复用调制符号进行时频域联合的正交频分复用解调，如图9虚线框中所示，其步骤如下所述：

(e)利用时频域联合的正交频分复用调制符号中的保护间隔中的伪随机噪声序列，对接收到的时频域联合的正交频分复用调制符号进行符号同步和载波同步，根据得到的符号同步信息将时频域联合的正交频分复用调制符号中的保护间隔与数据块进行分离，得到分离的保护间隔和数据块；

(f)对上述数据块进行傅里叶变换，得到时频域联合的正交频分复用的频域信号；

(g)在上述频域信号中提取导频，并利用导频对当前信道进行信道估计，根据该信道估计，对该频域信号进行信道均衡；其中，信道估计和信道均衡的算法可以灵活选择，例如采用基于最小二乘法的信道估计算法和采用迫零均衡的信道均衡算法。

(h)对上述均衡后的频域信号进行并串转换，将多路并行数据合并为串行数据；

(6)对上述接收的串行数据依次进行数字解调、信道译码、信源译码，得到原始信息。其中数字解调、信道译码、信源译码按照发送端相应的数字调制、信道编码、信源编码方式进行。

Claims (1)

1.一种用于宽带无线移动通信系统中的信号传输方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)将发送端产生的信息依次进行信源编码、信道编码和数字调制，得到调制后的信息；

(2)对上述调制后的信息进行时频域联合的正交频分复用调制，调制步骤如下：

(a)将上述调制后的信息转换为并行数据流；

(b)在每一路并行数据流中插入导频，操作过程为：若信道的最大时延扩展大于信号的符号周期，即信道为频率选择性衰落的信道，则将导频沿着频域方向连续插入，若信号的符号周期大于相干时间，即信道为时间选择性衰落的信道，则将导频沿着时域方向连续插入，若信道的最大时延扩展小于信号的符号周期，并且信号的符号周期小于相干时间，则在满足二维奈奎斯特采样定理的条件下，将导频以最大的频率间隔沿着频域方向和以最大的时间间隔沿着时域方向插入；

(c)将上述每一路插入导频后的数据流进行傅里叶逆变换，得到时域信号；

(d)根据伪随机噪声序列生成多项式生成一个伪随机噪声序列，将该伪随机噪声序列以循环扩展的方式填充为一个保护间隔序列，将保护间隔序列与上述时域信号进行合并，组成时频域联合的正交频分复用的符号；

(3)将多个时频域联合的正交频分复用调制后的符号组成帧信号后发送；

(4)接收上述时频域联合的正交频分复用调制后的符号组成的帧信号，并将接收到的帧信号按相应的组成方式拆分为时频域联合的正交频分复用调制符号；

(5)对上述时频域联合的正交频分复用调制符号进行时频域联合的正交频分复用解调，其步骤如下所述：

(e)利用时频域联合的正交频分复用调制符号的保护间隔中的伪随机噪声序列对接收到的时频域联合的正交频分复用调制符号进行符号同步和载波同步，根据得到的符号同步信息将时频域联合的正交频分复用调制符号中的保护间隔与数据块进行分离，得到分离的保护间隔和数据块；

(f)对上述数据块进行傅里叶变换，得到时频域联合的正交频分复用的频域信号；

(g)在上述频域信号中提取导频，并利用导频对当前信道进行信道估计，根据该信道估计，对该频域信号进行信道均衡；

(h)对上述均衡后的频域信号进行并串转换，将多路并行数据合并为串行数据；

(6)按照发送端相应的数字调制、信道编码、信源编码方式，对接收的串行数据依次进行数字解调、信道译码、信源译码，得到原始信息。

Images