CN101958768A - 基于自适应块传输的双天线发射分集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于自适应块传输的双天线发射分集方法及系统，该方法包括步骤：根据编码矩阵对待传送信号进行空时编码，获得两个并行待传送数据块序列；在每个数据块前面或后面插入任意整数个重复或不重复的已知训练序列，每个数据块与插入的已知训练序列组成一个信号帧，得到两个并行的连续信号帧；将所述连续信号帧发送到所述双天线中相应的发射天线，并发射。本发明的方法及系统根据信道传输特性，可正确完成信道估计，从而在接收端恢复出发射信号，并获得明显的发射分集增益。

Description

基于自适应块传输的双天线发射分集方法及系统

技术领域

本发明涉及无线数字传输技术领域，特别涉及一种基于自适应块传输的双天线发射分集方法及系统。

背景技术

信号在无线环境中传输时会遇到各种各样的衰落，而多天线分集技术能够有效的改善系统在无线衰落信道下的接收性能，已成为下一代移动通信(Beyond 3G、LTE)的研究热点，采用多发射多接收天线的MIMO技术能够成倍的提高无线系统的传输容量。

在地面数字电视广播中，由于分集技术降低了接收信号的信噪比(SNR)门限要求，因此在同样的发射功率下，还可以扩大数字电视广播信号的覆盖范围。根据多天线使用位置的不同，分集技术可以分为接收分集和发射分集两种技术。在地面数字电视的应用中，由于一台发射机往往为几万甚至几十万台接收机服务，因此，更适合于采用发射分集技术。

近年来已涌现出很多发射分集技术的研究成果。Alamouti在1998年首次提出了一种空时分组编码(STBC)方案，以非常简单的编码构造方法和译码算法获得了分集增益。Tarokh随后对这种方案给出了理论分析和构造准则。这种分集编码方式很快得到了广泛研究，并迅速由平衰落单载波信道扩展到频率选择性衰落的OFDM信道中，形成了适用于OFDM系统的空时编码和其特有的空频编码。Wang在2005年首次在中国地面数字电视标准的核心技术TDS-OFDM这一块传输系统中引入了发射分集的概念并进行了详尽的分析和讨论，随后几年中，针对基于TDS-OFDM及其他块传输系统的发射分集技术得到了更广泛和深入的研究。然而，在这些研究中，大都假设接收机已经得到了正确的信道估计。然而，在实际的多天线通信系统中，信道估计本身就是系统设计必须面对的严峻挑战，特别是当无线信道的频率选择性较强或者时间选择性较强时。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于自适应块传输的双天线发射分集方法及系统，其能够根据信道传输特性，正确完成信道估计，从而在接收端恢复出发射信号，并获得明显的发射分集增益的以克服现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

依照本发明一实施方式的基于自适应块传输的双天线发射分集方法，包括步骤：

S1.根据编码矩阵对待传送信号进行空时编码，获得两个并行待传送数据块序列；

S2.在每个数据块前面或后面插入任意整数个重复或不重复的已知训练序列，每个数据块与插入的已知训练序列组成一个信号帧，得到两个并行的连续信号帧；

S3.将所述两个连续信号帧分别发送到所述双天线中相应的发射天线，并发射。

其中，所述空时编码为空时分组编码。

其中，所述数据块通过单载波调制或多载波调制方式进行调制。

其中，所述已知训练序列满足时域正交性，所述双天线的两个相邻信号帧的已知训练序列在时域上相互正交。

其中，所述已知训练序列满足频域正交性，所述双天线每个信号帧中的已知训练序列在频域上相互正交。

其中，所述已知训练序列满足时频二维正交性，所述双天线的两个相邻信号帧的已知训练序列在时域上相互正交，每个信号帧中的已知训练序列在频域上相互正交。

其中，对于所述双天线中的一个天线发射的信号帧中的确定的已知训练序列，另外一个天线发射的信号帧中的已知训练序列为信号峰均比最小的序列。

其中，已知训练序列为m序列，或Gold序列，或Walsh序列，或Kasami序列，或LA序列，或ZCZ序列，或频域二值序列。

依照本发明另一实施方式的基于自适应块传输的双天线发射分集系统，包括：编码模块，用于根据编码矩阵对待传送信号进行空时编码，获得两个并行待传送数据块序列；辅助数据插入模块，用于在每个数据块前面或后面插入任意整数个重复的已知训练序列，每个数据块与插入的已知训练序列组成一个信号帧，从而形成两个并行的连续信号帧；发射模块，将所述两个连续信号帧发送到所述双天线中相应的发射天线，并发射。

附图说明

图1依照本发明实施方式的基于自适应块传输的双天线发射分集方法流程图；

图2(a)-(c)为依照本发明实施方式的基于自适应块传输的双天线发射分集方法的帧结构；

图3为依照本发明实施方式的基于自适应块传输的双天线发射分集系统构成示意图；

图4为实施例的基于自适应块传输的双天线发射分集系统原理图；

图5为实施例的帧结构；

图6为巴西A信道下的双天线发射分集系统的BER性能；

图7为广电8信道下的双天线发射分集系统的BER性能。

具体实施方式

对于本发明提出的基于自适应块传输的双天线发射分集方法及系统，结合附图和实施例详细说明如下。

如图1所示，依照本发明的基于自适应块传输的双天线发射分集方法，包括如下步骤：

S1.根据编码矩阵对待传送信号进行空时编码，如空时分组编码，获得两个并行待传送数据块序列，其中的数据块包括多载波调制的数据或单载波调制的数据，但不仅限于上述两种调制方式调制的数据，对于多载波调制系统，对相邻两个子载波上的数据进行分组编码，而对于单载波调制系统，则对相邻两个传输时段内的数据进行分组编码；

S2.在每个数据块前面或后面插入任意整数个重复或不重复的已知训练序列，每个数据块与插入的已知训练序列组成一个信号帧，得到两个并行的连续信号帧；

S3.将所述两个连续信号帧分别发送到双天线中相应的发射天线，经过数模变换、上变频、滤波等处理，将信号发射出去。

若已知训练序列满足时域正交性，则双天线的两个相邻信号帧的已知训练序列在时域上相互正交，天线1在相邻信号帧中均采用相同的训练序列P＝[P₁，P₂...P_M-1，P_M]，而天线2在相邻的两个信号帧中将采用正负交替的训练序列。以在数据块前插入一个已知训练序列为例，如天线1在相邻两帧采用的训练序列为[P P]，则天线2在相对应的两帧采用的训练序列为[P-P]，如图2(a)所示。这样，对于同样相邻的两个信号帧，两个天线所使用的训练序列是时域正交的；

若已知训练序列满足频域正交性，则双天线每个信号帧中的已知训练序列在频域上相互正交，以在数据块前插入一个已知训练序列为例，如图2(b)所示，若天线1所采用的训练序列为P＝[P₂，P₂，...，P_K，P_K+1，...P_M-1，P_M]，则天线2所采用的训练序列为P^⊥＝[P₁，-P₂，...，P_K，-P_K+1，...P_M-1，-P_M]或P^⊥＝[-P₁，P₂，...，-P_K，P_K+1，...，-P_M-1，P_M]。对于天线1发射的信号帧中的确定的已知训练序列P，其频域两两相邻子载波正交序列P^⊥，即天线发射2的信号帧中的已知训练序列为的取法有很多种，优选地，为其中信号峰均比最小的序列；

或者已知训练序列满足时频二维正交性，则双天线的两个相邻信号帧的已知训练序列同时满足上述时域正交以及频域正交的特点，即，双天线的两个相邻信号帧的已知训练序列在时域上相互正交，每个信号帧中的已知训练序列在频域上相互正交。

其中，已知训练序列可以是m序列、Gold序列、Walsh序列、Kasami序列、LA序列、ZCZ序列、频域二值序列等，长度任意。

如图3所示，依照本发明实施例的基于自适应块传输的双天线发射分集系统包括：编码模块，用于根据编码矩阵对待传送信号进行空时编码，获得两个并行待传送数据块序列；辅助数据插入模块，用于在每个数据块前面或后面插入一个或任意整数个重复的已知训练序列，每个数据块与插入的已知训练序列组成一个信号帧，从而形成两个并行的连续信号帧；发射模块，将两个连续信号帧分别发送到双天线中相应的发射天线，并发射。

实施例

如图4所示，为本实施例的基于自适应块传输的双天线发射分集系统结构原理图，本系统中采用空时分组编码，对于待传送信号[X₁，X₂，...]，首先进行串并转换以及映射处理，作为编码模块的空时分组编码器每次取两个符号为一组，按照编码矩阵将信号编码为两个并行待传送数据块序列；通过辅助数据插入模块，在数据块前插入两个彼此重复的已知训练序列，该已知训练序列为频域二值低峰均比序列，在时频二维正交，复用为如图5所示结构的数据帧；最后由发射模块经上变频等处理，映射到相应的发射天线。对于多载波调制的数据要进行IFFT快速傅里叶逆变换再与插入的已知训练序列复用为数据帧。

对于待发送的信号[X₁，X₂，...]，空时分组编码器每次取两个符号为一组进行编码，采用的编码矩阵可以是

$X=\left[\begin{array}{cc}{X}_1& X_2\\ {X_2}^{*}& {{-X}_1}^{*}\end{array}\right]---\left(1\right)$

“*”表示复数取共轭运算，编码器的输出在连续两个符号周期里分别从两根天线发射出去，即天线1线发射信号X₁，再发射信号X₂，天线2则先发射信号X₂ ^*，再发射信号-X₁ ^*。

假设第i(i＝1，2)根天线所经过的多径信道在第j个子载波上对应的频域响应(CFR)为H_ij，以第1、2个子载波为例，则与发射信号X对应的信道矩阵可表示为：

$H=\left[\begin{array}{cc}{H}_{11}& H_{12}\\ H_{21}& H_{22}\end{array}\right]---\left(2\right)$

那么，接收端接收天线接收到的频域信号则表示为：

$Y=\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{H}_{11}\·X_1+H_{21}\·{X_2}^{*}\\ H_{12}\·X_2-H_{22}\·{X_1}^{*}\end{array}\right]---\left(3\right)$

对Y₂取共轭，则上式亦可表示为

$Y^{\′}=\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ {Y_2}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{H}_{11}\·X_1+H_{21}\·{X_2}^{*}\\ {H_{12}}^{*}\·{X_2}^{*}-{H_{22}}^{*}\·X_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{H}_{11}& H_{21}\\ -{H_{22}}^{*}& {H_{12}}^{*}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ {X_2}^{*}\end{array}\right]---\left(4\right)$

用矩阵

同时乘以(4)式等号的两边，可得：

$Y=\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\end{array}\right]=(H_{11}\·{H_{12}}^{*}+H_{21}\·{H_{22}}^{*})\·\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ {X_2}^{*}\end{array}\right]---\left(5\right)$

由(5)式可见，在信道矩阵H已知的情况下，Y₁和Y₂分别只与发射信号X₁和X₂有关，在获得分集增益的同时，解映射和最大似然译码可以对Y₁和Y₂分别进行，降低了译码复杂度。

为了得到求解(5)式所需要的信道矩阵H，可用分别采用空时信道估计方法和空频信道估计方法得到信道估计，下面将分别加以详细阐述。

空频信道估计方法：

假设两根天线所经过的多径信道都是频率选择性较弱，相邻子载波处信道的CFR可近似认为相等，即有：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_1=H_{11}=H_{12}\\ H_2=H_{21}=H_{22}\end{array}\right.---\left(6\right)$

对于数据帧结构中的第二个已知训练序列中在频域正交的相邻符号P₁和P₂，由于信号帧中重复的训练序列结构保证了第二个训练序列在经过多径信道后仍保持其循环特性，故其对应的频域接收信号[Y₁ Y₂]可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_1=H_1\·P_1+H_2\·P_1\\ Y_2=H_1{\·P}_2-H_2{\·P}_2\end{array}\right.---\left(7\right)$

直接求解(7)式，得到两根天线所经历的两个不同信道的估计：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_1=\frac{1}{2}(\frac{Y_1}{P_1}+\frac{Y_2}{P_2})\\ H_2=\frac{1}{2}(\frac{Y_1}{P_1}-\frac{Y_2}{P_2})\end{array}\right.---\left(8\right)$

空时信道估计方法：

若两根天线所经过的多径信道是频率选择性较强的信道，那么(6)中相邻子载波处信道的频率响应近似相等的假设就不成立，即H₁₁≠H₁₂，H₂₁≠H₂₂，此时，假设信道的时间选择性不强，相邻信号帧i和i+1所经历信道的频率响应H⁽ⁱ⁾和H⁽ⁱ⁺¹⁾可近似认为相等，即有：

$H_{m,n}=H_{m,n}^{\left(i\right)}=H_{m,n}^{(i+1)},m,n=\mathrm{1,2}---\left(9\right)$

那么，对于数据帧结构中的的第二个训练序列，且在相邻信号帧里相互正交的训练符号

和其对应的频域接收信号[Y₁₁ Y₂₁]和[Y₁₂ Y₂₂]可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{11}=H_{11}{\·P}_1+H_{21}\·P_1\\ Y_{21}=H_{11}\·P_1-H_{21}{\·P}_1\end{array}\right.---\left(10\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{12}=H_{12}\·P_2+H_{22}\·P_2\\ Y_{22}=H_{12}{\·P}_2-H_{22}{\·P}_2\end{array}\right.---\left(11\right)$

分别求解(10)、(11)式得到到两根天线所经历的两个不同信道的估计：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{11}=\frac{1}{2}(\frac{Y_{11}}{P_1}+\frac{Y_{21}}{P_2})\\ H_{21}=\frac{1}{2}(\frac{Y_{11}}{P_1}-\frac{Y_{21}}{P_2})\end{array}\right.---\left(12\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{12}=\frac{1}{2}(\frac{Y_{12}}{P_2}+\frac{Y_{22}}{P_2})\\ H_{22}=\frac{1}{2}(\frac{Y_{12}}{P_2}-\frac{Y_{22}}{P_2})\end{array}\right.---\left(13\right)$

空频信道估计方法主要适用于时间选择性强但频率选择性不强的信道，而空时信道估计方法则主要适用于频率选择性强但时间选择性不强的信道。

基于上述描述及具体实施方式，对主要参数如表1所示的双天线发射分集系统，我们对该系统的可行性和误码率(Bit Error Rate，BER)性能进行了计算机仿真。为了分别验证空频信道估计方法和空时信道估计方法，仿真中所用的动态瑞利信道模型为表2所示的2种典型无线多径信道巴西A和广电8。从表2中可以看出，巴西A信道模型的最大时延比较短，因而该信道的频率选择性不强，我们将在时间选择性较强的条件下(即该信道变化比较快，这里设该信道的最大多普勒扩展为100Hz)仿真系统性能；广电8信道模型不仅有非常大的时延，而且存在非常强的回波干扰，因此该信道的频率选择性非常强，我们将在时间选择性不强的条件下(即该信道变化比较慢，这里设该信道的最大多普勒扩展为10Hz)仿真系统性能。

表1系统仿真参数(更详细的参数可参考国家标准GB20600-2006)

发射天线数量	2
		数据块类型	多载波
训练序列类型	频域m序列

训练序列重复次数	2
		训练序列的正交性	时频二维正交
子载波数总数N	3780
		训练序列的长度M	512
符号率	7.56M符号/秒
		子载波间隔	2kHz
交织	是
		调制方式	64-QAM
信道编解码	LDPC
		LDPC编码码率	0.6

表2Rayleigh信道模型

为了对比双天线系统与单天线系统的性能差别，我们同时给出了在相同条件下单天线系统的仿真结果。

图6给出了单天线系统和本发明所提出的双天线发射分集系统在巴西A动态信道下的系统BER性能的仿真对比结果，信道的最大多普勒扩展为100Hz，此信道的时间选择性很强而频率选择性不强，双天线系统利用时频二维正交训练序列在频率上的正交性，采用的是空频信道估计方法。仿真结果验证了本发明所提出的双天线系统的帧结构、训练序列的频域正交性设计及其对应的空频信道估计方法是可行的，且双天线系统比单天线系统的性能提升了1.8dB。

图7给出了单天线系统和本发明所提出的双天线发射分集系统广电8动态信道下的系统BER性能的仿真对比结果，信道的最大多普勒扩展为10Hz，此信道的频率选择性很强而时间选择性不强，双天线系统利用时频二维正交训练序列在时间上的正交性，采用的是空时信道估计方法。仿真结果验证了本发明所提出的基于自适应块传输的双天线发射分集方法及系统的设计方法是可行的，且双天线系统比单天线系统的性能提升了1.6dB。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.基于自适应块传输的双天线发射分集方法，该方法包括步骤：

S1.根据编码矩阵对待传送信号进行空时编码，获得两个并行待传送数据块序列；

S2.在每个数据块前面或后面插入任意整数个重复或不重复的已知训练序列，每个数据块与插入的已知训练序列组成一个信号帧，得到两个并行的连续信号帧；

S3.将所述两个连续信号帧分别发送到所述双天线中相应的发射天线，并发射。

2.如权利要求1所述的基于自适应块传输的双天线发射分集方法，其特征在于，所述空时编码为空时分组编码。

3.如权利要求1所述的基于自适应块传输的双天线发射分集方法，其特征在于，所述数据块通过单载波调制或多载波调制方式进行调制。

4.如权利要求1所述的基于自适应块传输的双天线发射分集方法，其特征在于，所述已知训练序列满足时域正交性，所述双天线的两个相邻信号帧的已知训练序列在时域上相互正交。

5.如权利要求1所述的基于自适应块传输的双天线发射分集方法，其特征在于，所述已知训练序列满足频域正交性，所述双天线每个信号帧中的已知训练序列在频域上相互正交。

6.如权利要求1所述的基于自适应块传输的双天线发射分集方法，其特征在于，所述已知训练序列满足时频二维正交性，所述双天线的两个相邻信号帧的已知训练序列在时域上相互正交，每个信号帧中的已知训练序列在频域上相互正交。

7.如权利要求5所述的基于自适应块传输的双天线发射分集方法，其特征在于，对于所述双天线中的一个天线发射的信号帧中的确定的已知训练序列，另外一个天线发射的信号帧中的已知训练序列为信号峰均比最小的序列。

8.如权利要求1-7中任一项所述的基于自适应块传输的双天线发射分集方法，其特征在于，已知训练序列为m序列，或Gold序列，或Walsh序列，或Kasami序列，或LA序列，或ZCZ序列，或频域二值序列。

9.基于自适应块传输的双天线发射分集系统，其特征在于，该系统包括：

编码模块，用于根据编码矩阵对待传送信号进行空时编码，获得两个并行待传送数据块序列；

辅助数据插入模块，用于在每个数据块前面或后面插入一个或任意整数个重复的已知训练序列，每个数据块与插入的已知训练序列组成一个信号帧，从而形成两个并行的连续信号帧；

发射模块，将所述两个连续信号帧分别发送到所述双天线中相应的发射天线，并发射。

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