CN101431497B - 一种采用时频域联合的正交频分复用的多天线信号传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用时频域联合的正交频分复用的多天线信号传输方法，属于数字信息传输技术领域。首先将发送端产生的原始信息依次进行信源编码、信道编码、数字调制、空时编码和TFU-OFDM调制，调制后的信号用多天线发送，将接收到的信号依次进行TFU-OFDM解调、空时译码、数字解调、信道译码、信源译码，得到原始信息。本发明的优点是，采用TFU-OFDM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；采用具有空间分集复用特性的MIMO技术，提高了通信系统的数据传输速率和频谱效率，增加通信系统的系统容量，提高了通信的可靠性。

Description

一种采用时频域联合的正交频分复用的多天线信号传输方法 

技术领域

本发明涉及一种采用时频域联合的正交频分复用的多天线信号传输方法，属于数字信息传输技术领域。 

背景技术

无线通信中，所有的无线技术都面临信号的衰落、信道的多径效应、不断增加的干扰和受限制的频谱的挑战。多输入多输出的多天线系统(以下简称MIMO)在不需要占用额外的无线电频率的条件下，利用多径来提供更高的数据吞吐量，并同时增加通信系统的覆盖范围、提高通信的可靠性。它解决了当今任何无线电技术都面临的两个最困难的问题，即数据传输速率与系统容量。因此MIMO系统已经成为下一代无线通信系统的关键技术。 

正交频分复用技术(以下简称OFDM)，属于多载波调制技术的一种。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。为了消除由于多径传播引起的符号间干扰(以下简称ISI)，OFDM符号之间一般都加有保护间隔，保护间隔长度一般设计为大于信道的最大时延，并且将宽度为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，形成循环前缀(以下简称CP)来填充保护间隔，如说明书附图1所示。另外，为了在接收端进行同步、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。循环前缀和导频的加入提高系统性能，但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)，是对传统正交频分复用技术(以下简称OFDM)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，如说明书附图2所示。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采用时频域联合的正交频分复用的多天线信号传输方法，这种方法将时频域联合的正交频分复用(以下简称TFU-OFDM)技术应用于MIMO系统，以对抗无线通信信道中的多径效应、多普勒效应，并可以显著提高系统的数据传输速率、频谱效率和可靠性。 

本发明提出的采用时频域联合的正交频分复用的多天线信号传输方法，包括以下步骤： 

(1)将发送端产生的原始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空时编码，得到多路并行的信息； 

(3)对上述多路信息进行时频域联合的正交频分复用调制，调制后的信号通过相应的天线发送，其中时频域联合的正交频分复用调制的过程如下： 

(a)将上述多路并行的信息分别转换为并行数据流； 

(b)分别在上述多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，若信道为信道的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)将上述多路插入导频后的数据流分别进行傅里叶逆变换，得到多路时域信号； 

(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，将保护间隔序列分别与上述多路时域信号合并，组成多路时频域联合的正交频分复用符号； 

(4)用多根天线接收上述多根天线发送的信号，并将接收到的信号进行时频域联合的正交频分复用解调，得到多路解调后的信号，其中每根天线的时频域联合的正交频分复用解调过程如下：

(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调制后信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)对上述分离的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，得到信道矩阵H，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，得到解调后的信号； 

(5)根据上述得到的信道矩阵H，对多路并行的解调后信号进行空时译码，将多路并行的解调后的信号译码为一路串行信号； 

(6)对上述串行信号依次进行数字解调、信道译码、信源译码，得到原始信息。 

本发明提出的采用时频域联合的正交频分复用的多天线信号传输方法的优点是：采用时域与频域联合的OFDM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。在OFDM帧中加入频域导频能够准确的估计信道传输特性，加入伪随机序列能够准确而且快速的得到同步信息。将具有空间分集复用特性的MIMO与TFU-OFDM相结合，扩大了通信系统的系统容量，提高了通信系统的传输速率和频谱效率，实现了在宽带无线移动通信系统中对高速数据传输、用户高速移动等需求的支持。 

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是本发明方法中发送端的流程框图。 

图4是本发明方法中接收端的流程框图。 

图5是本发明方法中时频域联合的正交频分复用调制的流程框图。 

图6、图7和图8分别是本发明方法中TFU-OFDM导频插入的三种不同方式。 

图9是本发明方法中TFU-OFDM符号结构示意图。 

图10是本发明方法中时频域联合的正交频分复用解调的流程框图。 

具体实施方式

本发明提出的采用时频域联合的正交频分复用的多天线信号传输方法，其发送端主要包含信源编码、信道编码、数字调制、串并变换、时频域联合的正交频分复用调制和天线，流程框图如说明书附图3所示；其接收端主要包含天线、时频域联合的正交频分复用解调、信道估计、空间译码、数字解调、信道译码、信源解码，流程框图如说明书附图4所示。 

时频域联合的正交频分复用的多天线信号传输过程如下： 

(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空时编码，得到多路并行的信息；其中的空时编码可以是分层空时编码、空时分组编码等； 

(3)对上述多路信息进行时频域联合的正交频分复用调制，如图5所示。调制后的信号通过相应的天线发送，其中时频域联合的正交频分复用调制的过程如下： 

(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6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7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8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9所示。 

(4)用多根天线接收上述多根天线发送的信号，并将接收到的信号进行时频域联合的正交频分复用解调，如图10所示，得到多路解调后的信号，其中每根天线的时频域联合的正交频分复用解调过程如下： 

(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调制后信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)对上述分离的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，得到信道矩阵H，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，得到解调后的信号； 

(5)根据上述得到的信道矩阵H，对多路并行的解调后信号进行空时译码，将多路并行的解调后的信号译码为一路串行信号；其中，空时译码应该和步骤(2)中的空时编码方式相对应，例如，步骤(2)中采用分层空时编码，这里的空时译码可以采用垂直分层空时译码； 

(6)对上述串行信号依次进行数字解调、信道译码、信源译码，得到原始信息。 

Claims (1)

1.一种采用时频域联合的正交频分复用的多天线信号传输方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)将发送端产生的原始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空时编码，得到多路并行的信息；

(3)对上述多路并行的信息进行时频域联合的正交频分复用调制，调制后的信号通过相应的天线发送，其中时频域联合的正交频分复用调制的过程如下：

(a)将上述多路并行的信息分别转换为并行数据流；

(b)分别在上述多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，若信道为信道的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)将上述多路插入导频后的数据流分别进行傅里叶逆变换，得到多路时域信号；

(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，将保护间隔序列分别与上述多路时域信号合并，组成多路时频域联合的正交频分复用符号；

(4)用多根天线接收上述多根天线发送的信号，并将接收到的信号进行时频域联合的正交频分复用解调，得到多路解调后的信号，其中每根天线的时频域联合的正交频分复用解调过程如下：

(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调制后信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)对上述分离的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，得到信道矩阵H，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，得到解调后的信号；

(5)根据上述得到的信道矩阵H，对多路并行的解调后信号进行空时译码，将多路并行的解调后的信号译码为一路串行信号；

(6)对上述串行信号依次进行数字解调、信道译码、信源译码，得到原始信息。

Images