CN102546516B - 一种低峰均比的多天线导频优化和低复杂度发送方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低峰均比的多天线导频优化和低复杂度发送方法。首先，根据导频长度、离散傅里叶变换的尺寸、子载波映射格式，搜索最优的恒模零自相关序列，然后，对该序列进行离散傅里叶变换变换、子载波映射、反离散傅里叶变换和添加循环前缀后存储到现场可编程阵列的只读存储器中，接着，不同发送天线的信号根据子载波映射格式，乘以不同的相位。根据当前的无线接入单元编号和时隙中信号块的编号，决定当前信号块是否发送导频信号。本发明满足多发多收无线信道测量系统，对发送信号低峰均比和低实现复杂度的要求。

Description

一种低峰均比的多天线导频优化和低复杂度发送方法

技术领域

本发明属于宽带无线通信技术领域，特别涉及一种低峰均比的正交频分复用导频构造方法，适用于多入多出信道测量系统。

背景技术

近年来的信息论研究和实验表明，在富含多径的无线环境中，相比传统的单入单出(Single-Input and Single-Output，SISO)系统，多入多出(Multiple-Input andMultiple-Output，MIMO)系统可获得更高的系统容量和更好的链路可靠性。但是，MIMO系统的实际容量增益与电波传播的实际特性密切相关。在富含多径的传输场景中，根据天线数目，MIMO信道可以被制造出很多个相互独立的子信道，然而，一个全相关的MIMO信道只能被制造出一个如此的子信道。近年来，MIMO信道的衰落相关特性在理论上已得到广泛研究。

分布式无线电是指通过光纤无线电等宽带传输技术将移动通信网的基站和无线接入单元(Radio Access Unit，RAU)分开，基站的无线信号和基带信号在不同的地理位置上处理使基站和天线由传统的集中放置的方法改变为分开放置，基站的无线覆盖小区可由多个分散放置的天线组成。分布式无线电是在蜂窝移动通信网络发展中为适应无线网络容量提高、覆盖范围扩大和多种无线业务增长等需求而形成的一种分布式无线网络系统。

但是，以上这些研究结论都是基于空时信道模型假设。这些结论都需要实验来进行验证。在实际的信道环境中，大量的测量数据对于MIMO信道建模和容量分析至关重要。而且，对于无线MIMO系统的设计、采用MIMO传输技术的移动通信系统建网与优化、以及系统性能分析等，MIMO信道测量结果和系统容量的精确估计都将起到基础性与先导性的作用。

在信道测量中，一般需要发送固定格式的导频信号。目前常用的导频信号是产生伪随机序列，接着升采样率插值，然后脉冲成形滤波。例如，对于带宽超过100MHz的信号，通常采用4倍频插值后，发送和接收脉冲成形滤波的计算量都很大，而且伪随机序列的相关性与长度有密切关系，长序列使接收相关的计算复杂度大大增加。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是针对多入多出信道测量系统，提供一种适用于多RAU和多发送天线，并且具有低峰均比和接近1倍频采样速率的发送信号方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种低峰均比的多天线导频优化和低复杂度发送方法，包括如下步骤：

(1)低峰均比导频序列搜索；

(2)根据搜索获得的最小峰均比的导频信号的初始相位，生成该导频信号所需的恒模零自相关序列；

(3)将最小峰均比的导频信号进行离散傅里叶变换变换到频域，映射到第1根发送天线的导频子载波，然后再进行反离散傅里叶变换变换回时域，接着添加循环前缀，得到最小峰均比的时域导频信号；

(4)将所述最小峰均比的时域导频信号存储到现场可编程阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)的只读存储器(Read-Only Memory，ROM)中；

(5)从所述只读存储器中读出所述时域导频信号，作为第一根发送天线发送的信号；其余天线发送的信号根据子载波偏移位置得到相位偏移向量，将第1根发送天线发送的信号乘以相位偏移量获得当前发送天线发送的信号；

(6)设无线信道测量系统有N_RAU个无线接入单元，每个子时隙包含N_RAU个信号块，分别对应N_RAU个RAU，根据信号块编号和当前RAU的编号，确定实际发送的信号。

所述步骤(1)可具体包括如下步骤：

1)根据导频序列长度，选定可用的初始相位集合，逐个选取初始相位，根据恒模零自相关序列的生成办法，生成导频信号；

2)将所述导频信号进行离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)变换到频域，映射到第1根发送天线的导频子载波，然后再进行反离散傅里叶变换(Inverse DFT，IDFT)变换回时域；

3)添加循环前缀(Cyclic Prefix，CP)，得到发送信号块；

4)计算所述发送信号块中各个初始相位的发送信号峰均比；

5)比较所述发送信号块中各个初始相位的发送信号峰均比，选取最小峰均比的初始相位。

所述恒模零自相关序列可为Zadoff-Chu序列。

有益效果：功率放大器的动态范围和功率效率是一对矛盾，通常为保证动态范围，功率放大器需要回退使用，这就导致功率效率降低，反之，要提高功率效率，则要牺牲输入信号动态范围。因此，在信道测量系统中，低峰均比的发送信号可使功率放大器在高功率效率区间工作。如图5所示，设发送信号的总子载波数，即DFT变换的尺寸为N=8192，每根发送天线使用K=1024个子载波，图2给出了不同初始相位条件下的发送信号峰均比值。当发送信号的峰均比最小，只有2.55dB。图3给出了第1根发送天线的发送信号的幅度值，其最大幅度为1.342。此外，由于不同的发送天线采用不同的子载波，信道测量系统只需要存储第1根发送天线的发送基带信号，而其他天线的发送基带信号可由第1根发送天线的发送信号相位旋转获得，即第1根发送天线的发送信号乘以模为1的复数。因此，采用本发明所述方法，如图2和图3所示，可使无线信道测量系统的发送信号峰均比大幅降低，从而使发射机的功率效率大幅提高。如图1所示，采用OFDM信号发送方案，使生成多路发送信号只需存储1路发送信号和移相计算，大大降低了存储空间。导频序列采用恒模零自相关序列，结合OFDM发送方案，可使接收机采用快速傅里叶变换快速实现信道参数估计。此外，如图4所示，采用OFDM信号发送方案，使发送导频信号具有接近1倍频采样的特点，避免高带宽信号过采样脉冲成形滤波的大计算量，从而显著降低实现复杂度。

附图说明

图1是由第1根发送天线的数字基带信号生成多天线发送模拟基带信号的示意图；

图2是不同初始相位的发送信号块的峰均比示意图；

图3是第1根发送天线发送的信号幅度示意图；

图4是第1根发送天线发送的信号功率谱示意图；

图5是不同发送天线发送的信号的子载波配置方式示意图；

图6是适用于3个RAU和多根发送天线的信号帧结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提供了一种适用于多无线接入单元和多天线、极低峰均比和低实现复杂度的发送导频序列优化方法。图1是由第1根发送天线的数字基带信号生成多天线发送模拟基带信号的示意图。多个发送天线的导频信号可以由同样的初始序列生成。本发明的极低峰均比和低实现复杂度的发送信号技术方案首先根据导频长度、DFT尺寸、子载波映射格式，搜索最优的恒模零自相关序列，然后对该序列进行DFT变换、子载波映射、反傅里叶变换和添加CP后存储到FPGA的ROM中，接着，不同发送天线的信号根据子载波映射格式，乘以不同的相位。根据当前的RAU编号和子时隙编号，决定当前信号块是否发送导频信号。最优的恒模零自相关序列，可以采用计算机快速搜索获得。

具体实施方式如下：

(1)搜索最优的恒模零自相关序列：

a)恒模零自相关序列采用Zadoff-Chu序列，长度为K的序列p中第k个元素为

式中，p(k)表示序列p的第k个元素，k=0，1，...，K-1，是初始相位，和K互为素数。若K=1024，则φ₀∈{1，3，5，...，1023}。

b)先对序列p进行K点DFT变换，接着将其映射到第1根发送天线的导频子载波，然后进行N点IDFT变换，得到第1根发送天线的时域导频信号s₁：

s₁=Q^*T₁Fp    (式2)

式中，上标^*表示复共轭，Q和F分别是尺寸为N×N和K×K的DFT矩阵，T₁表示第1根天线的子载波映射矩阵，如图5所示，不同发送天线的信号占用不同的子载波，即满足频域可分离特性，相邻子载波等间隔，频带两边预留保护带。

c)添加长度为L_CP的CP，得到发送信号块

${\tilde{s}}_1={\mathrm{Cs}}_1$ (式3)

式中，

$C=\left[\begin{array}{cc}{0}_{L_{\mathrm{CP}}\×(N-L_{\mathrm{CP}})}& I_{L_{\mathrm{CP}}}\\ I_N& \end{array}\right]$

d)计算发送信号块的峰均比：

$\mathrm{PAPR}\left\{{\tilde{s}}_1\right\}=\frac{\max \left\{{\left|{\tilde{s}}_1\left(n\right)\right|}^2\right\}}{\mathrm{mean}\left\{{\left|{\tilde{s}}_1\left(n\right)\right|}^2\right\}}$ (式4)

式中，PAPR{·}表示信号块的峰均比，表示的第n个元素，n=0，1，...，N+L_CP-1。

e)比较不同初始相位φ₀的发送信号峰均比，选取最小峰均比的初始相位φ ₀，其中符号添加下划线表示最小峰均比。图2给出了不同初始相位所对应的发送信号块的峰均比。

(2)将最小峰均比的初始相位φ ₀替换(式1)中的生成特定的初始序列p。

(3)将初始序列p进行DFT变换到频域，映射到第1根发送天线的导频子载波，然后再进行IDFT变换回时域，接着添加CP，得到最小峰均比的时域导频信号

${\tilde{s}}_1={\mathrm{CQ}}^{*}{T}_1\mathrm{Fp}$ (式5)

图3和图4分别给出了第1根发送天线发送信号的幅度和功率谱。

(4)将存储到FPGA的ROM中。

(5)第1根发送天线发送的信号直接从ROM中读出(即为)；第2至第N_T根发送天线发送的信号由第1根发送天线发送的信号逐个符号移相获得(N_T是发送天线的数量，n_T表示发送天线的序号，n_T=1，2，...，N_T)：

式中，表示第n_T根发送天线发送的信号与第1根发送天线发送的信号之间的相位偏移量，的第n个元素定义为n=0，1，...，N+L_CP-1，□表示Hadamard积(又称点积)。由于只对每个采样点进行相移并不改变每个采样点的功率，因此第2至第N_T根发送天线发送信号的峰均比与第1根发送天线发送信号的峰均比相等。

(6)根据当前的RAU号n_RAU和时隙中信号块的编号n_BLK，得到第n_RAU个RAU和第n_BLK个发送信号块：

$u_{n_{\mathrm{RAU}},n_{\mathrm{BLK}},n_T}=\left\{\begin{array}{cc}{\tilde{s}}_{n_T},& \mathrm{mod}(n_{\mathrm{BLK}},N_{\mathrm{RAU}})=n_{\mathrm{RAU}}\\ 0,& \mathrm{mod}(n_{\mathrm{BLK}},N_{\mathrm{RAU}})\≠n_{\mathrm{RAU}}\end{array}\right.$ (式7)

式中，表示第n_RAU个RAU的第n_T根发送天线中第n_BLK个发送信号块实际发送的时域导频信号，N_RAU表示RAU的总个数，mod(a，b)表示取模运算。

图6给出了满足3个RAU的信号帧结构，不同RAU的发送信号占用子时隙中不同的信号块，即满足时域可分离特性。

Claims (3)

1.一种低峰均比的多天线导频优化和低复杂度发送方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)低峰均比导频序列搜索；

(2)根据搜索获得的最小峰均比的导频信号的初始相位，生成该导频信号所需的恒模零自相关序列；

(3)将最小峰均比的导频信号进行离散傅里叶变换变换到频域，映射到第1根发送天线的导频子载波，然后再进行反离散傅里叶变换变换回时域，接着添加循环前缀，得到最小峰均比的时域导频信号；

(4)将所述最小峰均比的时域导频信号存储到现场可编程阵列的只读存储器中；

(5)从所述只读存储器中读出所述时域导频信号，作为第1根发送天线发送的信号；其余天线发送的信号根据子载波偏移位置得到相位偏移量，将第1根发送天线发送的信号乘以相位偏移量获得当前发送天线发送的信号；

(6)设无线信道测量系统有N_RAU个无线接入单元，每个子时隙包含N_RAU个信号块，分别对应N_RAU个无线接入单元，根据信号块编号和当前RAU的编号，确定实际发送的信号。

2.根据权利要求1所述一种低峰均比的多天线导频优化和低复杂度发送方法，其特征在于：所述步骤(1)包括如下步骤：

1)根据导频序列长度，选定可用的初始相位集合，逐个选取初始相位，根据恒模零自相关序列的生成办法，生成导频信号；

2)将所述导频信号进行离散傅里叶变换变换到频域，映射到第1根发送天线的导频子载波，然后再进行反离散傅里叶变换变换回时域；

3)添加循环前缀，得到发送信号块；

4)计算所述发送信号块中各个初始相位的发送信号峰均比；

5)比较所述发送信号块中各个初始相位的发送信号峰均比，选取最小峰均比的初始相位。

3.根据权利要求1或2所述一种低峰均比的多天线导频优化和低复杂度发送方法，其特征在于：所述恒模零自相关序列为Zadoff-Chu序列。