CN101719780B - 一种多业务复用的双天线分集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多业务复用的双天线分集方法及系统。该方法包括步骤：调整较小数据流的传输速率，使其与较大数据流的传输速率相匹配；对较大数据流进行功率控制，得到平均发射功率；对较小数据流进行功率控制，得到平均发射功率，所述较大数据流和所述较小数据流两路数据流的平均发射功率的总和恒定；将两路数据流同时进行空时编码；从空时编码后的两路数据流中，分别提取到两个发射天线的数据块；在数据块中插入相关训练序列，组成信号帧进行发射。本发明通过利用空时编码实现大数据流业务和小数据流业务的复用，从而实现在提高系统传输速率的同时，还能兼顾多天线技术的优越性，得到一定的空间分集增益，从而提高系统抗多径衰落能力。

Description

一种多业务复用的双天线分集方法及系统

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术领域，更具体涉及一种多业务复用的双天线分集方法及系统。

背景技术

在无线环境下，传输信道中存在多种衰落，例如时间选择性衰落、频率选择性衰落。当信号在衰落性道中传输时，接收信号的SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)不稳定，当信号经过深衰落信道时，接收信号的SNR降低，判决错误的概率变大。分集技术是一种能够有效克服时间和频率选择性衰落的技术，它将相同的信息分别在多个独立信道上进行传输，然后接收端按照一定的算法对接收信号进行合成，因为几个独立信道同时处于深衰落的概率很低，这样平滑信号经过的信道衰落小，从而改善接收机的性能。根据在发射端或接收端是否使用多根天线，可以把空间分集分为两类：发射分集和接收分集。

在发射分集系统中，空时编码技术是近年来移动通信领域出现的一种新的编码和信号处理技术。空时编码在不同天线发射信号之间引入时域和空域相关，综合利用时域和空域二维信息。空时编码将空间分集、时间分集结合在一起，可以实现发射分集，从通信系统的整体出发提高多径衰落信道的通信质量和数量。在接收分集系统中，最大比率合并技术是一种最优合并的方法，此方法能够达到最大的输出信噪比。在各个输入信号分别按照权重相加在一起得到输出信号，即系统的输出信号为所有接收信号的加权线性组合： $r=\underset{i=1}{\overset{N_R}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{r}_i,$ 其中，r_i是第i根接收天线的复接收信号，α_i是第i路接收信号的复加权因子，与该路的信噪比成正比，N_R是总的接收信号数。

在目前的广播业务需求中，根据所处环境不同，高清晰度的电视节目及移动(如手机、PDA、笔记本电脑等)电视节目或数据信息服务都会受到人们的关注，因此，我们设计的新一代广播系统需要能够支持这两种不同业务的同时广播。高清晰度电视(High DefinitionTelevision，HDTV)是一种新的电视业务，其水平和垂直清晰度是常规电视的两倍左右，配有多路环绕立体声。现有的HDTV三种显示分辨率格式分别是：720P(1280×720，逐行)、1080i(1440×1080，隔行)和1080P(1920×1080，逐行)，需要较高的传输速率。移动电视是指以一切可以以移动方式收看电视节目的技术或应用，这就包括了公共汽车、手机等其它可移动物体，其中800×480的显示分辨率已算是高清高亮的手机电视，其传输速率相对比较低。

因此支持类似于高清电视和移动电视两种不同速率的业务，需要实现不同速率的复用传输。尽管实现这一目标的方法很多，但都不能实现在提高系统传输速率的同时，还能得到一定的空间分集增益，从而提高系统抗多径衰落能力。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种多业务复用的双天线发射分集方法及系统，该技术方案在提高系统传输速率的同时，还能兼顾多天线技术的优越性，得到一定的空间分集增益，从而提高系统抗多径衰落能力。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种多业务复用的双天线分集方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1，利用速率匹配算法调整较小数据流的传输速率，使其与较大数据流的传输速率相匹配；

S2，对较大数据流进行功率控制，得到平均发射功率a²；对较小数据流进行功率控制，得到平均发射功率b²，所述较大数据流和所述较小数据流两路数据流的平均发射功率的总和a²+b²恒定；

S3，将两路数据流同时进行空时编码；

S4，从空时编码后的两路数据流中，分别提取到两个发射天线的数据块；

S5，在各天线的数据块中插入训练序列，组成信号帧进行发射。

其中，所述步骤S1中的较小数据流和较大数据流均是经星座映射之后得到的星座点符号。

其中，所述星座映射的方式为QAM调制或PSK调制。

其中，所述速率匹配算法为数据复制或插入空值符号。

其中，在所述步骤S2中，调整两路数据流的平均发射功率a²和b²，以改变两路数据流的传输能量比例，从而调整两路数据流的接收灵敏度。

其中，在所述步骤S2中，当所述较小数据流为多个时，多个较小数据流的总平均发射功率b²，当总平均发射功率b²恒定时，调整各较小数据流的发射功率，以改变各较小数据流的传输能量比例，从而调整各较小数据流的接收灵敏度。

其中，所述步骤S3中空时编码的方式为：在两个相邻时隙的OFDM符号之间进行空时编码，或者在一个OFDM符号中两个相邻子载波之间进行空时编码。

其中，所述训练序列为循环前缀、零序列、伪随机序列中的一种。

其中，在所述步骤S5之后，将所述较小数据流通过最大似然算法进行解码，然后将大数据流进行线性复杂度译码。

本发明还提供了一种多业务复用的双天线分集系统，包括速率匹配单元、功率分配单元、空时编码复用单元，数据流成块单元，其中

速率匹配单元，用于利用速率匹配算法调整较小数据流的传输速率，使其与较大数据流的传输速率相匹配；

功率分配单元，用于在所述较大数据流和较小数据流两路数据流的平均发射功率的总和恒定的情况下，调整两种数据流的发射功率，以改变两路数据流的传输能量比例，从而调整两路数据流的接收灵敏度；

空时编码复用单元，用于将两路数据流同时进行空时编码，以实现复用；及

数据流成块单元，将两路数据流分别等长分割，形成数据块，将数据块和训练序列组成信号帧。

上述技术方案具有如下优点：通过利用空时编码实现大数据流业务和小数据流业务的复用，从而实现在提高系统传输速率的同时，还能兼顾多天线技术的优越性，得到一定的空间分集增益，从而提高系统抗多径衰落能力。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明实施例的方法流程图；

图3为本发明实施例的方法中使用的单天线TDS-OFDM系统的信号帧结构示意图；

图4为本发明实施例的方法中将数据流转化为OFDM数据块的示意图；

图5为本发明实施例的方法中的信号传输示意图；

图6为本发明实施例的方法中的发射的信号帧的结构示意图；

图7为本发明实施例的方法中接收信号的处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明的方法流程图；图2为依照本发明一种实施例的基于TDS-OFDM(Time Domain Synchronization-Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，时域同步正交频分复用)的高清和移动电视业务复用的双天线分集方法中发射端流程图。该实施例中，对一个OFDM符号中两个相邻子载波之间进行空时编码。假设高清电视业务的传输数据流是移动电视业务传输数据流的两倍。

如图2所示，本实施例的方法具体包括以下步骤：

S1，调整移动电视业务数据流速率，使其与高清电视业务数据流相匹配。具体为：

将平均功率归一化的低速率的移动电视业务数据流[…z_iz_i+1…]重复一次，得到[…y_2iy_2i+1y_2i+2y_2i+3…]，即

$\left\{\begin{array}{c}{y}_{2i}=z_i\\ y_{2i+1}=z_i\end{array}\right.i\≥0$

将其传输速率增大一倍，这样两种业务具有相同的传输速率。

S2，对高清电视业务数据流进行功率控制，使其平均发射功率为a²；对移动电视业务数据流进行功率控制，使其平均发射功率为b²。具体为：

平均功率归一化后的高清电视业务数据流为[…x_2ix_2i+1…]，乘以功率控制因子a，使其平均发射功率调整为a²；对所述步骤S1得到的速率适配的移动电视业务数据流[…y_2iy_2i+1…]乘以功率控制因子b，使其平均发射功率调整为b²。

在满足总平均发射功率(即a²+b²＝1)恒定为1的情况下，可适当调整两种业务的发射功率a²和b²，可以改变两种业务的传输能量比例，从而调整两种不同业务的接收灵敏度。其中，当a²＝0，b²＝1时，高清和移动电视业务复用的双天线分集方法及系统等效于移动电视业务的双天线分集方法及系统；当a²＝1，b²＝0时，高清和移动电视业务复用的双天线分集方法及系统等效于高清电视业务的双天线分集方法及系统。

S3，将两路数据流同时进行空时编码，以实现复用。其中，两路数据流进行空时编码复用后，仍然满足正交特性，得到满阶数空间分集增益。进行空时编码的步骤具体为：

将两种数据流叠加在一起，得到：

[…ax_2i+by_2iax_2i+1+by_2i+1ax_2i+2+by_2i+2ax_2i+3+by_2i+3…]

在双天线发射系统中，将叠加在一起之后两个时隙的输出结果ax_2i+by_2i和ax_2i+1+by_2i+1经过空时编码，如下式所示。如此实现两种业务的复用。

$\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{ax}}_{2i}+{\mathrm{by}}_{2i}& a{x}_{2i+1}+{\mathrm{by}}_{2i+1}\\ -{\mathrm{ax}}_{2i+1}^{*}-{\mathrm{by}}_{2i+1}^{*}& {\mathrm{ax}}_{2i}^{*}+{\mathrm{by}}_{2i}^{*}\end{array}\right]$

发射天线1的待发送数据流为[…S_d_2i ¹S_d_2i+1 ¹…]，其中S_d_2i ¹，S_d_2i+1 ¹是所述空时编码复用后的输出，即

$\left\{\begin{array}{c}S\_d_{2i}^1={\mathrm{ax}}_{2i}+{\mathrm{by}}_{2i}\\ S\_d_{2i+1}^1=-a{x}_{2i+1}^{*}-b{y}_{2i+1}^{*}\end{array}\right.$

发射天线2的待发送数据流为[…S_d_2i ²S_d_2i+1 ²…]，其中S_d_2i ²，S_d_2i+1 ²是所述空时编码复用后的输出，即

$\left\{\begin{array}{c}S\_d_{2i}^2={\mathrm{ax}}_{2i+1}+{\mathrm{by}}_{2i+1}\\ S\_d_{2i+1}^2=a{x}_{2i}^{*}+b{y}_{2i}^{*}\end{array}\right.$

S4，从上述空时编码复用后的数据流中，分别提取得到二个发射天线的OFDM数据块。

图3为单天线TDS-OFDM系统的信号帧结构示意图，其中一个OFDM符号含有N个待发送数据。因此，将上述数据以长度为N进行分隔得到待发送的OFDM频域数据块，如图4所示。即发射天线1在时隙t(t＞＝0)时待发送的OFDM频域数据流 $S_t^1={\left\{S_{t,k}^1\right\}}_{k=0}^{N-1}$ 等于：

发射天线2在时隙t待发送OFDM频域数据流 $S_t^1={\left\{S_{t,k}^1\right\}}_{k=0}^{N-1},$ 为

对发射天线1将待发送的OFDM频域数据块S_t ¹，经过反傅立叶变换得到待发送的OFDM时域数据块s_t ¹，即

$s_t^1=\mathrm{ifft}\left(S_t^1\right),$ 其中，ifft(*)表示对*进行反傅立叶变换。

对发射天线2降将待发送的OFDM频域数据块S_t ²，经过反傅立叶变换得到待发送的OFDM时域数据块s_t ²，即

$s_t^2=\mathrm{ifft}\left(S_t^2\right)$

S5，插入必要的保护间隔，组成实际应用系统的信号帧。具体为：

如图5所示，在本实施例中，使用PN(Pseudo Noise，伪随机)序列作为保护间隔。在发射天线1中，PN序列c_t ¹插在发送时域数据块s_t ¹之前，组成第t时隙发射信号帧。在发射天线2中，PN序列c_t ²插在发送时域数据块s_t ²之前，组成第t时隙发射信号帧，如图6所示。

信号经过独立的传输路径到达接收端，如图6所示。其中发射天线1到接收天线1、接收天线2之间的路径增益分别为h^1，1和h^1，2；其中发射天线2到接收天线1、接收天线2之间的路径增益分别为h^2，1和h^2，2。

如图7所示，接收端先利用训练序列估计得到独立的信道时域冲激响应h^1，1、h^1，2、h^2，1和h^2，2；然后重构时域数据块与信道时域冲激响应的线性卷积和周期卷积，计算得到频域数据块与信道频域响应的乘积；最后将两路天线的频域数据块与信道频域响应的乘积进行最大比合并。

从上述最大比合并后的数据块中，进行最大似然序列联合空时解码恢复得到高清电视业务数据流和移动电视业务数据流。具体为：移动电视业务数据符号z_i取值于有限星座点的集合中，因此可以通过有限次的列举，得到z_i的可能取值。假定z_i为星座图中的一个具体符号，则y_2i和y_2i+1为已知的，此时高清电视业务可以按照传统正交方案的方法进行线性复杂度译码，得到x_2i和x_2i+1。奖y_2i、y_2i+1、x_2i和x_2i+1代入似然值函数，计算得到似然值。当z_i遍历星座图中的所有星座点后，计算得到一组似然值。在这组似然值中，最大似然值对应的星座点即为移动电视业务的估计值。在移动电视业务数据已知的情况下，再按照传统正交方案的方法进行线性复杂度译码就可以得到高清电视业务数据估计值。

本发明还提供了一种多业务复用的双天线分集系统，包括速率匹配单元、功率分配单元、空时编码复用单元，数据流成块单元，其中

速率匹配单元，用于利用速率匹配算法调整较小数据流的传输速率，使其与较大数据流的传输速率相匹配；

功率分配单元，用于在所述较大数据流和较小数据流两路数据流的平均发射功率的总和恒定的情况下，调整两种数据流的发射功率，以改变两路数据流的传输能量比例，从而调整两路数据流的接收灵敏度；

空时编码复用单元，用于将两路数据流同时进行空时编码，以实现复用；及

数据流成块单元，将两路数据流分别等长分割，形成OFDM数据块，将OFDM数据块组成信号帧后发射。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多业务复用的双天线分集方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1，利用速率匹配算法调整传输速率较小的数据流的传输速率，使其与传输速率较大的数据流的传输速率相匹配；

S2，对传输速率较大的数据流进行功率控制，得到平均发射功率a²；对经过步骤S1处理的传输速率较小的数据流进行功率控制，得到平均发射功率b²，所述传输速率较大的数据流和所述传输速率较小的数据流两路数据流的平均发射功率的总和a²+b²恒定；在所述步骤S2中，调整两路数据流的平均发射功率a²和b²，以改变两路数据流的传输能量比例，从而调整两路数据流的接收灵敏度；

S3，将两路数据流同时进行空时编码；

S4，从空时编码后的两路数据流中，分别提取到两个发射天线的数据块；

S5，在各发射天线的数据块中插入训练序列，组成信号帧进行发射。

2.如权利要求1所述的多业务复用的双天线分集方法，其特征在于，所述步骤S1中的传输速率较小的数据流和传输速率较大的数据流均是经星座映射之后得到的星座点符号。

3.如权利要求2所述的多业务复用的双天线分集方法，其特征在于，所述星座映射的方式为QAM调制或PSK调制。

4.如权利要求1所述的多业务复用的双天线分集方法，其特征在于，所述速率匹配算法为数据复制或插入空值符号。

5.如权利要求1所述的多业务复用的双天线分集方法，其特征在于，在所述步骤S2中，当所述传输速率较小的数据流为多个时，使多个传输速率较小的数据流的总平均发射功率为b²，当总平均发射功率b²恒定时，调整各传输速率较小的数据流的发射功率，以改变各传输速率较小的数据流的传输能量比例，从而调整各传输速率较小的数据流的接收灵敏度。

6.如权利要求1所述的多业务复用的双天线分集方法，其特征在于，所述步骤S3中空时编码的方式为：在两个相邻时隙的OFDM符号之间进行空时编码，或者在一个OFDM符号中两个相邻子载波之间进行空时编码。

7.如权利要求1所述的多业务复用的双天线分集方法，其特征在于，所述训练序列为循环前缀、零序列、伪随机序列中的一种。

8.如权利要求1所述的多业务复用的双天线分集方法，其特征在于，在所述步骤S5之后，接收端将所述传输速率较小的数据流通过最大似然算法进行解码，然后将传输速率较大的数据流进行线性复杂度译码。

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