CN102857284A - 数据发射方法、接收方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数据发射方法、接收方法、装置及系统，所述发射方法包括：对信源产生的数据进行处理，得到处理后的串行数据序列；将所述串行数据序列按照分层空时编码方式转换为并行数据信号子流，所述并行数据信号子流与各个发射天线存在一一对应关系；将每个发射天线上的数据信号子流的数据按照一定长度进行组帧，得到对应的数据帧；在频域上将对应数据帧内的频域数据进行频率偏移处理；在每个频率偏移处理后的数据帧中添加保护间隔，使得各个发射天线添加保护间隔后的数据帧长度相等；对添加保护间隔后的数据帧进行正交频分复用调制，得到各个发射天线上的数字基带信号；将各个发射天线上的数字基带信号调制成射频信号，发射所述射频信号。

Description

数据发射方法、接收方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种数据发射方法、数据接收方法、发射装置、数据接收装置、及多入多出正交频分复用(MIMO-OFDM，Multi Input Multi Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing)无线通信系统。

背景技术

为了解决不断增长的无线多媒体业务对带宽的需求和日益紧张的频谱资源之间的矛盾，多输入多输出(MIMO，Multi Input Multi Output)和正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)相结合的多入多出正交频分复用(MIMO-OFDM)技术受到了广泛的关注。MIMO-OFDM技术能够有效地减轻无线通信系统时延扩展的影响，显著增加系统容量，提高频谱利用率。作为新一代移动通信系统的核心技术，MIMO-OFDM被逐步应用到长期演进(LTE，Long Term Evolution)系统、微波接入全球性互通(WiMAX，Worldwide Interoperability for Microwave Access)系统、IMT-Advanced等无线通信领域。

传统的MIMO-OFDM通信方法在各个发射天线和接收天线上信号的处理是同步进行的，故将其称为同步发射MIMO-OFDM。同步发射MIMO-OFDM常常采用空时编码结构，如分层空时编码等。下面介绍基于分层空时编码的同步发射MIMO-OFDM通信方法的一般过程。

同步发射MIMO-OFDM通信方法包括发射过程和接收过程两部分。参照发射过程包括：发射数据处理过程(用户数据处理过程)、分层空时编码过程、OFDM调制过程、射频发射过程。接收机过程包括：射频接收过程、OFDM解调过程、MIMO-OFDM检测过程、分层空时解码过程、数据恢复过程。相应的，对应于该方法的MIMO-OFDM通信系统的结构示意图如图1所示，所述系统包括：发射数据处理单元1，分层空时编码单元2，OFDM调制单元3，发射射频单元4，发射天线5，接收天线6，接收射频单元7，OFDM解调单元8，MIMO-OFDM检测单元9，分层空时解码单元10，数据恢复单元11。其中，图中，TX 1代表发射天线1，TX k代表发射天线k，TXM_T代表发射天线M_T，RX 1代表接收天线1，RX k代表接收天线k，RXM_R代表接收天线M_R，发射射频1代表发射射频处理单元中的第1个子单元，发射射频k代表发射射频处理单元中的第k个子单元，发射射频M_T代表发射射频处理单元的第M_T个子单元，接收射频1代表接收射频处理单元的第1个子单元，接收射频k代表接收射频处理单元的第k个子单元，接收射频M_R代表接收射频处理单元的第M_R个子单元。

其中，发射数据处理单元1用于对要发射的数据信号进行信源编码、信道编码和数据基带调制处理，得到调制后的数据信号，分层空时编码单元2对调制后的数据信号进行分层空时编码，得到对应的发射天线上的频域低通等效复基带信号，OFDM调制单元3对所述频域低通等效副基带信号进行OFDM调制，得到调制后的时域低通等效复基带信号(数字基带信号)；发射射频单元4将所述时域低通等效复基带信号(数字基带信号)进行射频发射处理，得到对应的射频信号，即将数字基带信号调制成对应的射频信号，并通过对应的发射天线5发射所述射频信号。

所述接收天线用于接收发射天线5发射的射频信号；接收射频单元7将所述射频信号转换成数字基带信号，即对接收到的射频信号经过射频处理，得到时域低通等效复基带信号；然后，OFDM解调单元8将所述时域低通等效复基带信号进行OFDM解调，得到频域低通等效复基带信号，MIMO-OFDM检测单元9对所述频域低通等效复基带信号进行MIMO-OFDM检测处理，可以通过最大似然检测(ML)、迫零检测(ZF)和最小均方误差检测(MMSE)等检测算法得到估计的数据信号，分层空时解码单元10对估计的数据信号进行分层空时译码的逆过程(即空时译码)，之后，数据恢复单元11对空时译码的数据信号进行数字基带信号解调、信道译码和信源译码等过程，得到恢复的发射数据信号。

在同步发射MIMO-OFDM检测处理中，ML检测是最优检测算法，可以达到最大可能分集度M_R(接收天线个数)。但是，ML的实现复杂度与发射天线数M_T的指数成比例增加，这是在目前工程实际中无法接受的。相比之下，线性检测(如ZF检测和MMSE检测)算法虽然是MIMO-OFDM的低复杂度检测方法，但是，该线性检测算法的缺点是：需要保证接收天线数不能少于发射天线数，即M_R≥M_T，其中，M_R为接收天线数，M_T为发射天线数；否则，将不能提供足够的自由度去区分M_T个发射天线的数据；此外，线性检测算法的检测性能较差，仅能实现M_R-M_T+1个分集度。而其他的改进算法，如串行干扰抵消(SIC)，排序的干扰抵消(OSIC)等检测算法，都是在复杂度和分集度之间的折中方案，没有从根本上解决如何利用低复杂度的算法实现最大的接收分集度，也没有突破收发天线数的限制关系。

在对现有技术的研究和实践过程中，本发明的发明人发现，现有的实现方式中，不能从根本上解决如何利用低复杂度的算法来实现最大的接收分集度的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种数据发射方法、接收方法、发射装置、数据接收装置、及多入多出正交频分复用无线通信系统，以解决现有技术中不能利用低复杂度的算法来实现最大的接收分集度的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种数据发射方法，应用于多入多出正交频分复用无线通信中，所述方法包括：

发射机对信源产生的数据进行编码和调制处理，得到处理后的串行数据序列；

发射机将所述串行数据序列按照分层空时编码方式转换为并行数据信号子流，所述并行数据信号子流与各个发射天线存在一一对应关系；

发射机将所述各个发射天线的数据信号子流分别按照一定长度组帧，得到所述各个发射天线对应的数据帧；

发射机在频域上将所述数据帧的频域数据进行频率偏移处理，得到频率偏移处理后的数据帧；

发射机对所述频率偏移处理后的数据帧中添加保护间隔，得到添加保护间隔后的数据帧，使得所述添加保护间隔后的数据帧长度相等；

发射机对所述添加保护间隔后的数据帧进行正交频分复用OFDM调制，得到所述各个发射天线的数字基带信号；

发射机将所述各个发射天线的数字基带信号调制成射频信号，并通过所述各个发射天线发射所述射频信号。

本发明实施例还提供一种数据接收方法，应用于多入多出正交频分复用无线通信中，所述方法包括：

接收机通过接收天线接收采用MIMO方式发射的射频信号，并将所述射频信号转换成数字基带信号；

接收机对所述数字基带信号进行正交频分复用OFDM解调，得到频域数据信号；

将所述频域数据信号划分成多个支路的频域数据信号，对所述多个支路的频域数据信号分别进行匹配滤波处理，得到匹配滤波处理的频域数据信号；

接收机对所述匹配滤波处理的频域数据信号进行异步多入多出MIMO正交频分复用OFDM检测，得到估计的发射数据信号；

接收机对所述估计的发射数据信号进行分层时空解码，得到串行数字基带信号；

接收机对所述串行数字基带信号进行解调和译码处理，得到发射的数据信号。

相应的，本发明实施例还提供一种数据发射装置，应用于多入多出正交频分复用无线通信中，所述装置包括：

发射数据处理单元，用于对信源产生的数据进行编码和调制处理，得到处理后的串行数据序列；

分层空时编码单元，用于将所述串行数据序列按照分层空时编码方式转换为并行数据信号子流所述并行数据信号子流与各个发射天线存在一一对应关系；

组帧单元，用于将各个发射天线上的数据信号子流的数据分别按照一定长度进行组帧，得到所述各个发射天线对应的数据帧；

频率偏移单元，用于在频域上将对应数据帧内的频域数据进行频率偏移处理，得到频率偏移处理后的数据帧；

保护间隔添加单元，用于所述频率偏移处理后的数据帧中添加保护间隔，使得各个发射天线添加保护间隔后的数据帧长度相等；

正交频分复用调制单元，用于对添加保护间隔后的数据帧进行正交频分复用OFDM调制，得到各个发射天线上的数字基带信号；

发射射频单元，用于将所述各个发射天线上的数字基带信号调制成射频信号，并通过所述各个发射天线发射所述射频信号。

相应的，本发明实施例还提供一种数据接收装置，应用于多入多出正交频分复用无线通信中，所述装置包括：

接收射频单元，用于通过接收天线接收射频信号，并将所述射频信号转换成数字基带信号；

正交频分复用解调单元，用于对所述数字基带信号进行正交频分复用解调，得到频域数据信号；

匹配滤波处理单元，用于将所述频域数据信号划分成多个支路，对每个支路的频域数据信号分别进行匹配滤波处理；

异步多入多出正交频分复用检测单元，用于对所述匹配滤波处理的频域数据信号进行异步多入多出正交频分复用检测，得到估计的发射数据信号；

分层空时解码单元，用于对所述估计的发射数据信号进行分层时空解码，得到串行数字基带信号；

恢复处理单元，用于对所述串行数字基带信号进行处理，得到恢复的发射数据信号。

相应的，本发明实施例还提供一种多入多出正交频分复用无线通信系统，包括：集成有数据发射装置的发射机和集成有数据接收装置的接收机；其中，

所述集成有数据发射装置的发射机，用于对信源产生的数据进行编码和调制处理，得到处理后的串行数据序列；将所述串行数据序列按照分层空时编码方式转换为并行数据信号子流，所述并行数据信号子流与各个发射天线存在一一对应关系；将所述各个发射天线的数据信号子流分别按照一定长度组帧，得到所述各个发射天线对应的数据帧；在频域上将所述数据帧的频域数据进行频率偏移处理，得到频率偏移处理后的数据帧；对所述频率偏移处理后的数据帧中添加保护间隔，得到添加保护间隔后的数据帧，使得所述添加保护间隔后的数据帧长度相等；对所述添加保护间隔后的数据帧进行正交频分复用OFDM调制，得到所述各个发射天线的数字基带信号；将所述各个发射天线的数字基带信号调制成射频信号，并通过所述各个发射天线发射所述射频信号；

所述集成有数据接收装置的接收机，用于通过接收天线接收采用MIMO方式发射的射频信号，并将所述射频信号转换成数字基带信号；对所述数字基带信号进行正交频分复用OFDM解调，得到频域数据信号；将所述频域数据信号划分成多个支路的频域数据信号，对所述多个支路的频域数据信号分别进行匹配滤波处理，得到匹配滤波处理的频域数据信号；对所述匹配滤波处理的频域数据信号进行异步多入多出MIMO正交频分复用OFDM检测，得到估计的发射数据信号；对所述估计的发射数据信号进行分层时空解码，得到串行数字基带信号；对所述串行数字基带信号进行解调和译码处理，得到发射的数据信号。

由上述技术方案可知，本发明实施例中，通过对发射信号进行不同的频率偏移，使发射信号在频域异步发射，在接收端采用相应的异步MIMO-OFDM检测方法恢复发射信号，发射信号的频域异步发射利用了频率延迟分集，接收端的异步MIMO-OFDM检测算法增加了接收分集度。也就是说，本发明采用线性检测算法实现了与ML检测相同的接收分集度，得到了优于同步发射方法的误码率性能。同时，本发明的线性检测算法突破了同步发射方法对收发天线数目的限制。

附图说明

图1为现有技术中MIMO-OFDM通信系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种数据发射方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的发射端中各个天线上异步发射信号构成的空频块示意图；

图4为本发明实施例提供的一种数据接收方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的一种数据发射装置上的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种数据接收装置上的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种多入多出正交频分复用无线通信系统的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种发射机的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种接收机的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

请参阅图2，为本发明实施例提供的一种数据发射方法的流程图；应用于多入多出正交频分复用无线通信中，所述方法包括：

步骤201：发射机对信源产生的数据进行处理，得到处理后的串行数据序列；

发射机对信源产生的数据进行信源编码、信道编码和数字基带调制，得到调制后的串行数据序列，其中，对于本领域技术人员来说，信源编码、信道编码和数字基带调制都是本领域熟知技术，在此不再赘述。

步骤202：发射机将所述串行数据序列按照分层空时编码方式转换为并行数据信号子流，所述并行数据信号子流与各个发射天线存在一一对应关系；

该步骤中，可以采用分层空时编码技术，将调制后的串行数据信号进行分层空时编码，比如，将M_T个串行的信号块D₁、D₂、......、

转换成M_T路并行的数据信号子流输出，并复用到M_T个发射天线的支路上。每个支路可以叫做一个分层后的子流，各个子流的数据是相互独立的，每个子流对应一个发射天线。在该实施例中，定义第k个天线上第u个频域数据信号为D_k(u)，其中k＝1，2，…，M_T。频域数据信号D_k(u)之间的频率间隔为Δf，第k个发射天线上的频域低通等效复基带信号以

表示。

步骤203：发射机将每个发射天线上的数据信号子流的数据按照一定长度进行组帧，得到对应的数据帧。

也就是说，将每个天线的数据信号子流分成一段段一定长度的数据，即一个数据帧，每段数据的长度为一个发射天线一次发射数据的量。

步骤204：发射机在频域上将对应数据帧内的频域数据进行频率偏移处理。

具体包括：对于数字信号，在数据帧内的数据信号之间插入对应的数据，并对内插后的数据帧在频域内进行频率移位处理；对于模拟信号，用于将数据帧内中离散的数据信号转换成连续的数据信号，并对所述连续的数据信号在频域内进行频率移位处理。

其中，对于数字信号，即在数字域中，连续域的频率偏移处理过程主要是通过内插处理和采样点移位完成的。所述内插处理是通过内插函数来完成的，内插周期为G，其中G为2的整数次幂，此时数据帧包含的采样点的长度为GM，其中M为每一帧的数据长度。一般采用简单的矩形内插来实现，具体操作可以是：

将每个数据帧中的数据重复G次，得到采样数据；所述采样点移位是将内插后的采样数据进行移位，使各个子流的采样数据对应位置发生偏移。设第k个发射天线上的数据帧的移位采样点个数为G_k，即数据帧前面空出G_k个采样点不填充发射信号。

对移位采样点个数G_k的要求如下：要求G_k小于若干倍内插周期G，即0≤G_k＜ΔG(Δ为大于0的正整数)；不同支路上的数据移位G_k可以均不相等，或部分不相等，并存在一组最佳移位G₁，G₂，…，

使系统误码率性能最优；工程上的G_k大小由系统频谱利用率、系统误码率性能要求等因素决定。假定G₁，G₂，…，按照大小顺序排列，则满足

但并不限于此。

其中，采用矩形内插，其公式详见下述公式(1)。

而对于模拟信号，所述频率偏移处理过程主要包括两个步骤：频域波形成型和频移处理。所述频域波形成型是在频域内进行的，将组帧过程所组的每帧数据分别与频域脉冲成型函数相乘，使得离散信号转换成连续信号形式。经过频域波形成型处理之后，第k个发射天线上发射数据的连续信号形式可以表示为：

$D_k\left(f\right)=\underset{u=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{D}_k\left(u\right)p(f-\mathrm{u\Δf}),$ 0≤u≤M，1≤k≤M_T(1)

其中M为数据帧长度，p(f)为频域脉冲成型函数，D_k(u)表示第k个发射天线上第u个子载波的发射符号。

所述频移处理是对波形成型后的一帧数据在频域进行频率偏移处理，使得各个频域数据信号对应的频率发生一定的偏移。对于第k个发射天线上频域数据信号序列{D_k(u)，0≤u≤N-1}频移后的信号可以表示为：

${\tilde{D}}_k\left(f\right)=\underset{u=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{D}_k\left(u\right)p(f-\mathrm{u\Δf}-f_k),$ 0≤u≤N-2，1≤k≤M_T  (2)

其中，N为子载波个数；f_k为第k个天线上频域数据所偏移的频率。

需要说明的是：本实施例中，各个发射天线上的频移f_k互不相同，如果各个天线上的频移f_k均相等，则异步发射MIMO-OFDM将退化为同步发射MIMO-OFDM。

步骤205：发射机在每个频率偏移处理后的数据帧中添加保护间隔，使得各个发射天线添加保护间隔后的数据帧长度相等；

其中，可以在每个频率偏移处理后的数据帧的头部和尾部添加一定长度的保护间隔，来保证添加保护间隔后的各个子流的数据帧长度相等。其中，在第k个发射子流上，数据帧的头部和尾部添加的保护间隔的频谱长度分别为f_k和f_gk。发射端各个天线上异步发射信号构成的空频块如附图3所示。

图3为本发明实施例提供的发射端中各个天线上异步发射信号构成的空频块示意图，如图所示，f_k(1≤k≤M_T)表示第k个发射天线上频率移位，f_gk表示第k个发射天线上在频域的一数据帧中添加的保护间隔的长度，D_k(u)(u＝0，…，N-2，k＝1，…，M_T)为第k个发射天线第u个子载波上的发射信号。

步骤206：发射机对添加保护间隔后的数据帧进行正交频分复用调制，得到各个发射天线上的数字基带信号。

对添加保护间隔后的数据帧进行傅立叶逆变换和添加循环前缀(CP，Cyclic Prefix)，得到数字基带信号(时域低通等效复基带信号)。对发射天线k上经过OFDM调制后的时域低通等效复基带信号的连续形式可以表示为：

$s_k\left(t\right)=\sqrt{\frac{E_s}{M_T}}\mathrm{IFFT}\left\{{\tilde{D}}_k\left(f\right)\right\}---\left(3\right)$

其中，IFFT{·}为傅立叶逆变换；E_s是M_T个发射天线的总发射功率，假设各发射天线等功率发射，即每个发射天线的发射功率为E_s/M_T。添加循环前缀就是将信号尾部的数据添加到数据头部，搬移的长度在时域上不小于最大多径时延。

步骤207：发射机将所述各个发射天线上的数字基带信号调制成射频信号，并发射所述射频信号。

将经OFDM调制的数据经过射频处理后，通过相应的发射天线发射，其中，射频处理就是经过如变频、放大等处理，将数字基带信号调制成射频信号，使射频信号满足发射要求。

进一步的，本发明实施例提供的数据发射方法，除了包括现有同步发射MIMO-OFDM系统中的用户数据处理过程(步骤201)、分层空时编码过程(步骤202)、OFDM调制过程(步骤206)、射频发射过程(步骤207)，还包括：在发射机端的分层空时编码过程和OFDM调制过程之间，按先后处理顺序依次加入组帧(步骤203)、频率偏移(步骤204)和添加保护间隔(步骤205)等处理过程，使各个子流的对应子载波信号之间有相对的频率移位，形成异步发射MIMO-OFDM结构。也就是说，通过对发射信号进行不同的频率偏移，使发射信号在频域异步发射，突破了同步发射方法对收发天线数目的限制。

还请参阅图4，为本发明实施例提供的一种数据接收方法，应用于多入多出正交频分复用无线通信中，所述方法包括：

步骤401：接收机接收射频信号，并将所述射频信号转换成数字基带信号；

比如，接收机通过M_R个接收天线分别接收来自M_T个发射天线的信号，将射频信号转换成数字基带信号。

接收机通过第j个接收天线接收的射频信号，经过接收射频处理后得到的时域低通等效复基带信号可以表示为：

$y_j\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{M_T}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k\left(t\right)*h_{j,k}(t;\mathrm{\τ})+n_j\left(t\right)---\left(4\right)$

其中，h_j，k(t；τ)为第k个发射天线发送的信号到达第j个接收天线的多径信道衰落系数；n_j(t)是第j个接收天线上的加性复高斯白噪声，y_j(t)表示第j根天线在t时刻接收到的接收信号。

这对本领域技术人员是熟知技术，在此不再赘述。

步骤402：接收机对所述数字基带信号进行正交频分复用解调，得到频域数据信号；

解调包括移除循环前缀和傅立叶变换两个部分。

第j个接收天线上经过OFDM解调后的信号可以表示为：

$Y_j\left(f\right)=\sqrt{\frac{E_s}{M_T}}\underset{k=1}{\overset{M_T}{\mathrm{\Σ}}}{D}_k\left(f\right)H_{j,k}\left(f\right)+N_j\left(f\right)---\left(5\right)$

其中Y_j(f)，H_j，k(f)，N_j(f)分别为y_j(t)，h_j，k(t；τ)，n_j(t)的频域形式。将式(3)进行采样，得到离散信号形式。在第j个接收天线第u个谐波上接收到的信号Y_j(u)可以表示为：

$Y_j\left(u\right)=\sqrt{\frac{E_s}{M_T}}\underset{k=1}{\overset{M_T}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{j,k}\left(u\right)D_k\left(u\right)+N_j\left(u\right)---\left(6\right)$

整理成信号矢量形式，可以表示为：

$Y=\sqrt{\frac{E_s}{M_T}}\mathrm{HD}+N---\left(7\right)$

其中， $Y={(Y_1\left(0\right),Y_2\left(0\right),\·\·\·,Y_{M_R}\left(0\right),\·\·\·,Y_1(N-1),Y_2(N-1),\·\·\·,Y_{M_R}(N-1))}^T;$ H是以H(u)为块对角元素的块对角矩阵，[H(u)]_j，k＝H_j，k(u)，H_j，k(u)表示从第k个发射天线到第j个接收天线在第u个谐波上的信道频域响应； $D={(D_1\left(0\right),D_2\left(0\right),\·\·\·,D_{M_T}\left(0\right),\·\·\·,D_1(N-1),D_2(N-1),\·\·\·,D_{M_T}(N-1))}^T,$ N表示高斯白噪声矢量，信号排列方式与Y相同。

步骤403：接收机将所述频域数据信号划分成多个支路，对每个支路的频域数据信号分别进行匹配滤波处理；

具体可以包括：对于数字信号，对每个支路的频域数据信号进行分段求和运算，并对求和运算后的连续数据信号进行采样，得到采样数据；对于模拟信号，对每个支路的频域数据信号进行积分运算，并对积分运算后的连续数据信号进行采样，得到采样数据。

在该步骤中，所述匹配滤波处理过程是将OFDM解调后的频域数据分别进行M_T(M_T为发射天线个数)次匹配滤波处理。对于数字信号(在数字域中)，匹配滤波处理通过求和运算完成的。比如，在第j个接收天线的第m次匹配滤波处理过程中，以第G_m个采样点为起始点，每G个采样点进行求和运算，直到第G(N-1)+G_m为止，得到N-1个输出值。

在该步骤中，对于模拟信号，所述匹配滤波处理过程是对每一帧数据，进行M_T次数据处理，M_T为发射天线个数，每次数据处理过程均包含相关积分运算和数据采样两个步骤。

所述的相关积分运算如式(8)，在第j个接收天线的第m(1≤m≤M_T)次数据处理过程中，接收信号与第m个发射天线上的经过频率偏移后的频域脉冲成型函数相乘，并在一个子载波间隔的频段范围进行积分运算，即：

$Y_{\mathrm{jm}}\left(f\right)={\∫}_{f+f_m}^{f+\mathrm{\Δf}+f_m}{Y}_j\left(f\right)p(f-f_m)\mathrm{df}---\left(8\right)$

其中，频率偏移f_m是收发双方已知的，不需要接收机采用额外的同步算法锁定设定引入的偏移，Y_j(f)是第j根接收天线接收的数据的频域信号，Y_jm(f)为所述的相关积分运算后得到的频域信号。

所述的数据采样是指，对相关积分后的连续信号，每隔Δf进行频域数据采样，Y_jm(v)为采样后的采样点数据。

步骤404：接收机对所述匹配滤波处理的频域数据信号进行异步多入多出正交频分复用(MIMO-OFDM)检测，得到估计的发射数据信号；

其中，所述异步MIMO-OFDM检测过程是对所述采样数据进行联合检测操作，得到估计的发射数据信号，其中所述联合检测操作包括：信道估计、数据合并和信号检测三个步骤。

所述的信道估计是：通过各种信道估计算法对信道复衰落因子进行估计，其估计算法可以是现有MIMO-OFDM系统信道估计技术的任意一种方法，本发明实施例不作限制。

所述的数据合并的处理过程包括波形成型矩阵

组合与计算、接收数据重新组合排列和线性合并三个步骤。

所述的波形成型矩阵

组合与计算过程步骤如下：

步骤一：第k个发射天线与第m个发射天线上频域波形成型函数的相关运算，得到波形相关函数：

$R_{\mathrm{mk}}(v-u)={\∫}_{\mathrm{v\Δf}+f_m}^{(v+1)\mathrm{\Δf}+f_m}p(f-\mathrm{u\Δf}-f_k)p(f-\mathrm{v\Δf}-f_m)\mathrm{df}---\left(9\right)$

其中：u表示第k个发射天线的第u个谐波，v表示匹配第m个发射天线的第v个谐波。

步骤二：将波形相关函数形成一个如式(10)的矩阵R(v-u)，即：

$R(v-u)=\left(\begin{array}{cccc}{R}_{11}(v-u)& R_{12}(v-u)& & R_{{1M}_T}(v-u)\\ R_{21}(v-u)& R_{22}(v-u)& & R_{{2M}_T}(v-u)\\ & & & \\ R_{M_{T}1}(v-u)& R_{M_{T}2}(v-u)& & R_{M_T{M}_T}(v-u)\end{array}\right)---\left(10\right)$

步骤三：再根据式(10)的矩阵计算出v-u＝0时的R(0)、v-u＝-1时的R(-1)以及v-u＝1的R(1)，并按照式(11)组成一个(N-1)M_T×(N-1)M_T矩阵，即：

所述的接收数据重新组合排列过程是将接收信号Y_jm(v)排列成(N-1)M_T×1维向量形式，即

$Y_j={(Y_{j1}\left(0\right),Y_{j2}\left(0\right),\·\·\·,Y_{j{M}_T}\left(0\right),\·\·\·,Y_{j1}(N-2),Y_{j2}(N-1),\·\·\·,Y_{{\mathrm{jM}}_T}(N-2))}^T---\left(12\right)$

则接收数据、信道衰落系数和发射数据组成一个矩阵方程式：

其中 $H_j=\mathrm{diag}\{H_{j,1}\left(0\right),H_{j,2}\left(0\right),\·\·\·,H_{j,M_T}\left(0\right),\·\·\·,H_{j,1}(N-2),\·\·\·,H_{j,M_T}(N-2)\}$ 为第j个接收天线对应的信道矩阵，通过信道估计可以得到 $D={(D_1\left(0\right),D_2\left(0\right),\·\·\·,D_{M_T}\left(0\right),\·\·\·,D_1(N-2),D_2(N-2),\·\·\·,D_{M_T}(N-2))}^T$ 为需要估计的发射信号；N_j是高斯白噪声向量，功率为

N₀为噪声单边功率谱密度。为式(9)-(11)计算得到的常量矩阵。信号检测就是对方程式(13)求解发射信号D的过程。

所述的线性合并是指，将接收信号向量Y_j左乘一个加权矩阵G，然后在M_R个接收天线范围内求和，即：

其中式(14)中第一个加式为信号部分，第二个加式为噪声部分；矩阵G是根据合并方式、接收向量Y_j排列形式以及信道衰落系数设计的矩阵。

所述的信号检测是指，结合信道估计H_j值、波形成型矩阵

以及加权矩阵G，将合并后的数据Y进行现有的MIMO-OFDM检测，得到发射信号D的估计。其中，MIMO-OFDM检测是现有技术，也是本领域内的一般技术人员所熟知的技术。

需要指出的是：本实施例中频率偏移处理过程中的频域脉冲成型函数p(f)，需要满足

以保证没有成型脉冲带来的能量增益。在实际通信系统中，这种频域成型脉冲滤波器可以通过有数字滤波器加窗函数来实现。加窗后的频域信号为频限信号，在区间[0，Δf]外为零。

异步MIMO-OFDM检测过程中数据合并算法包括但不仅仅包括最大比合并、等增益合并、选择合并等，例如，最大比合并加权矩阵为信道矩阵的共轭矩阵，即

等增益合并加权矩阵为单位矩阵，即G＝I。信号检测算法包括但不仅仅包括ML检测、迫零检测、MMSE检测、SIC检测等。

由上述可知，该步骤中，将匹配滤波处理后M_R个接收天线上M_T个支路的共(N-1)M_TM_R个输出值进行异步MIMO-OFDM检测，得到估计的数据信号。具体包括：首先，信道估计得到各个接收天线对应的信道矩阵H_j；接着，根据式(9)～(11)组合矩阵

并计算的矩阵值，再根据矩阵

的排列顺序对每个接收天线上的数据进行重新排列，得到如式(13)的矩阵形式，然后设计加权矩阵G，进行数据合并，将(N-1)M_TM_R个数据合并成(N-1)M_T个数据；最后，根据信道估计值、矩阵加权矩阵以及接收数据对发射信号进行MIMO-OFDM检测，得到估计的发射信号。

步骤405：接收机对所述估计的发射数据信号进行分层时空解码，得到对应的串行数字基带信号；

也就是说，对各个接收天线上发射数据信号的估计值进行分层空时解码得，到对应的串行数字基带信号。其中，分层空时编码可以是V-BLAST编码，也可以是H-BLAST或D-BLAST。

步骤406：接收机对所述串行数字基带信号进行处理，得到恢复的发射数据信号。

对异步MIMO-OFDM检测后的数据进行数字基带信号解调、信道译码、信源译码等操作，得到恢复的发射数据信号。

本发明实施例提供一种数据接收方法，在接收端采用相应的异步MIMO-OFDM检测方法恢复出发射信号。发射信号的频域异步发射利用了频率延迟分集，接收端的异步MIMO-OFDM检测算法增加了接收分集度。本发明采用线性检测算法实现了与ML检测相同的接收分集度，得到了优于同步发射方法的误码率性能。同时，本发明的线性检测算法突破了同步发射方法对收发天线数目的限制。

可选的，本发明实施例中，由于图3发送端的处理操作，图4为接收端的处理操作，可以将图3所述的步骤结合图4所述的步骤，即组成多入多出通信方法的实现过程，也就是说，该通信方法包括如图3所示的发射过程和图4所示的接收过程，在该过程中，通过对发射信号进行不同的频率偏移，使发射信号在频域异步发射，在接收端采用相应的异步MIMO-OFDM检测方法恢复发射信号。发射信号的频域异步发射利用了频率延迟分集，接收端的异步MIMO-OFDM检测算法增加了接收分集度。也就是说，本发明实施例采用线性检测算法实现了与ML检测相同的接收分集度，得到了优于同步发射方法的误码率性能。同时，本发明的线性检测算法突破了同步发射方法对收发天线数目的限制。

为了便于本领域技术人员的理解，下面以具体的实例来说明。

假设：发射天线数M_T＝2，接收天线数M_R＝2，数据帧长为M＝N-1＝127Symbol，内插函数为矩形窗函数，内插周期G＝2。为了不失一般性，令0≤G_k＜G，即频率延迟在一个子载波间隔(Δf＝15kHz)之内。则发射天线的频域数据延迟分别为G₁＝0，G₂＝1(即f₁＝0，f₂＝7.5kHz)，发射天线1添加的保护间隔为2个采样点，发射天线2保护间隔在数据帧前后分别添加，均为1个采样点，且保护间隔内数据为0；DFT长度GN＝256，CP长度为64；E_s＝1，天线发射功率平均分配；信道为准静态瑞利多径信道，采用3GPP LTE EPA信道模型。异步MIMO-OFDM检测方式采用最大比合并和MMSE检测。

两个天线上接收信号的矩阵表达式为：

其中，频域波形相关矩阵

为：

最后进行异步MIMO-OFDM检测，令

则经过最大比合并及MMSE检测后估计的数据信号可以表示为：

其中，ρ为信噪比。信号的估计值

通过数字基带信号解调、信道译码、信源译码等操作，得到恢复的发射信号。经过仿真发现，在误码率为0.003时，本发明的误码率与传统方法相比的信噪比增益为6dB。

改变本实施例的参数，令接收天线数M_R＝1，其他条件不变。则经过最大比合并及MMSE检测后估计的数据信号可以表示为：

通过仿真发现，传统方法不能恢复发射数据，而本发明实施例所述方法可以恢复出发射数据。

基于上述方法的实现过程，本发明实施例还提供一种数据发射装置，其结构示意图详见图5，所述数据发射装置应用于多入多出正交频分复用无线通信中。作为一个示例，该数据发射装置可以为MIMO-OFDM发射机，。

其中，所述数据发射装置与多个发射天线相连，具体可以包括：发射数据处理单元51，分层空时编码单元52，组帧单元53，频率偏移单元54，保护间隔添加单元55，正交频分复用调制单元56和发射射频单元57，其中，所述发射数据处理单元51，用于对信源产生的数据进行处理，得到处理后的串行数据序列，即对信源产生的数据进行编码和调制处理，得到处理后的串行数据序列；所述分层空时编码单元52，用于将所述串行数据序列按照分层空时编码方式转换为并行数据信号子流，所述并行数据信号子流与和该发射装置相连的各个发射天线存在一一对应关系；所述组帧单元53，用于将每个发射天线上的数据信号子流的数据按照一定长度进行组帧，得到所述各个发射天线对应的数据帧；所述频率偏移单元54，用于在频域上将对应数据帧内的频域数据进行频率偏移处理；所述保护间隔添加单元55，用于在每个频率偏移处理后的数据帧中添加保护间隔，使得各个发射天线添加保护间隔后的数据帧长度相等；所述正交频分复用调制单元53，用于对添加保护间隔后的数据帧进行正交频分复用调制，得到各个发射天线上的数字基带信号；所述发射射频单元57，用于将所述各个发射天线上的数字基带信号调制成射频信号，并发射所述射频信号。

可选的，在上述实施例的基础上，所述组帧单元，具体用于将每个天线上的数据信号子流分成一段段数据帧，每段数据帧的长度为一个发射天线一次发射数据的量。

可选的，在上述相应实施例的基础上，所述频率偏移单元包括：数字频率偏移单元和/或模拟频率偏移单元，其中，所述数字频率偏移单元，用于在数据帧内的数据信号之间插入对应的数据，并对内插后的数据帧在频域内进行频率移位处理；所述模拟频率偏移单元，用于将数据帧内中离散的数据信号转换成连续的数据信号，并对所述连续的数据信号在频域内进行频率移位处理。

可选的，在上述相应实施例的基础上，所述数字频率偏移单元包括：频域内插单元和移频单元，其中，频域内插单元，用于在数据帧内的数据信号之间插入对应的数据；移频单元，用于对所述频域内插单元在频域内内插后的数据帧进行频率移位处理，并将处理后的数据发送给保护间隔添加单元。

可选的，在上述相应实施例的基础上，所述模拟频率偏移单元包括：频域波形成型单元和频延单元，其中，频域波形成型单元，用于将数据帧内中离散的数据信号转换成连续的数据信号；频延单元，用于对所述连续的数据信号在频域内进行频率移位处理，并将处理后的数据发送给保护间隔添加单元。

可选的，在上述相应实施例的基础上，所述保护间隔添加单元包括：数字保护间隔添加单元和/或模拟保护间隔添加单元，其中，所述数字保护间隔添加单元，用于在每个频率偏移处理后的数据帧进行前后补零，使得数据帧的数据信号的个数为2的整数次幂，以便于进行逆数字傅立叶变换处理；所述模拟保护间隔添加单元，用于在频域中对每个频率偏移处理后的数据帧进行带限，使得带限数据帧的前后有空闲频谱。

所述数据发射装置中，各个单元的功能和作用的实现过程详见上述方法中对应的实现过程，在此不再赘述。

相应的，本发明实施例还提供一种数据接收装置，所述数据接收装置应用于多入多出正交频分复用无线通信中，可以为MIMO-OFDM接收机。

数据接收装置可以与多根天线相连，通过天线接收射频信号。其结构示意图详见图6，包括：接收射频单元61，正交频分复用解调单元62，匹配滤波处理单元63，异步多入多出正交频分复用检测单元64，分层空时解码单元65和恢复处理单元66，其中，

所述接收射频单元61，用于通过和该数据接收装置相连的天线接收射频信号，并将所述射频信号转换成数字基带信号；所述正交频分复用解调单元62，用于对所述数字基带信号进行正交频分复用解调，得到频域数据信号；所述匹配滤波处理单元63，用于将所述频域数据信号划分成多个支路，对每个支路的频域数据信号分别进行匹配滤波处理；所述异步多入多出正交频分复用检测单元64，用于对所述匹配滤波处理的频域数据信号进行异步多入多出正交频分复用检测，得到估计的发射数据信号；所述分层空时解码单元65，用于对所述估计的发射数据信号进行分层时空解码，得到对应的串行数字基带信号；所述恢复处理单元66，用于对所述串行数字基带信号进行处理，得到恢复的发射数据信号。

可选的，在上述实施例的基础上，所述匹配滤波处理单元包括：数字匹配滤波处理单元和/或模拟匹配滤波处理单元，其中，所述数字匹配滤波处理单元，用于对每个支路的频域数据信号进行分段求和运算，并对求和运算后的连续数据信号进行采样，得到采样数据；所述模拟匹配滤波处理单元，用于对每个支路的频域数据信号进行积分运算，并对积分运算后的连续数据信号进行采样，得到采样数据。

可选的，在上述相应实施例的基础上，所述数字匹配滤波处理单元包括：求和运算单元和第一采样单元，其中，求和运算单元，用于每个支路的频域数据信号进行分段求和运算；第一采样单元，用于对求和运算后的连续数据信号进行采样，得到采样数据，并将采样数据发送给所述异步多入多出正交频分复用检测单元；

可选的，在上述相应实施例的基础上，所述模拟匹配滤波处理单元包括：积分运算单元，积分运算单元和第二采样单元，其中，积分运算单元，用于对每个支路的频域数据信号进行积分运算；第二采样单元，用于对积分运算后的连续数据信号进行采样，得到采样数据，并将采样数据发送给所述异步多入多出正交频分复用检测单元。

可选的，在上述相应实施例的基础上，所述异步多入多出正交频分复用检测单元具体用于对所述采样数据进行联合检测操作，得到估计的发射数据信号，其中所述联合检测操作包括：信道估计、数据合并和信号检测，具体包括：信道估计单元，数据合并单元和信号检测单元，所述信道估计单元，用于对所述采样数据进行信道估计，得到各个接收天线对应的信道矩阵；所述数据合并单元，用于计算波形成型矩阵的值，按照所述波形成型矩阵的排列顺序对每个接收天线上的数据进行重新排列，并将重新排列后的矩阵乘以一个加权矩阵，并在接收天线范围内进行数据合并；所述信号检测单元，用于根据所述信道矩阵、波形成型矩阵的值和加权矩阵，将合并后的数据进行多入多出正交频分复用检测，得到估计的发射数据信号。

所述数据发射装置中，各个单元的功能和作用的实现过程详见上述方法中对应的实现过程，在此不再赘述。

相应的，本发明实施例还提供一种多入多出正交频分复用无线通信系统，其结构示意图详见图7，所述系统包括：集成有数据发射装置的发射机71和集成有数据接收装置的接收机72；其中，

所述集成有数据发射装置的发射机71，用于对信源产生的数据进行编码和调制处理，得到处理后的串行数据序列；将所述串行数据序列按照分层空时编码方式转换为并行数据信号子流，所述并行数据信号子流与各个发射天线存在一一对应关系；将所述各个发射天线的数据信号子流分别按照一定长度组帧，得到所述各个发射天线对应的数据帧；在频域上将所述数据帧的频域数据进行频率偏移处理，得到频率偏移处理后的数据帧；对所述频率偏移处理后的数据帧中添加保护间隔，得到添加保护间隔后的数据帧，使得所述添加保护间隔后的数据帧长度相等；对所述添加保护间隔后的数据帧进行正交频分复用OFDM调制，得到所述各个发射天线的数字基带信号；将所述各个发射天线的数字基带信号调制成射频信号，并通过所述各个发射天线发射所述射频信号；

所述集成有数据接收装置的接收机72，用于在接收带后射频信号，将所述射频信号转换成数字基带信号；对所述数字基带信号进行正交频分复用解调，得到频域数据信号；将所述频域数据信号划分成多个支路，对每个支路的频域数据信号分别进行匹配滤波处理；对所述匹配滤波处理的频域数据信号进行异步多入多出正交频分复用检测，得到估计的发射数据信号；对所述估计的发射数据信号进行分层时空解码，得到对应的串行数字基带信号；对所述串行数字基带信号进行处理，得到恢复的发射数据信号。

其中，所述数据发射装置如上述的数据发射装置；所述数据接收装置如上述的数据接收装置。在此不再赘述。

所述系统中的数据发射装置和数据接收装置及其包括的各个单元的功能和作用的实现过程详见上述方法中对应的实现过程，在此不再赘述。

为了便于本领域技术人员的理解，下面以具体的应用实例来说明。

请参阅图8，为本发明实施例提供的一种集成有数据发送装置的发射机的结构示意图，所述发射机包括：发射数据处理单元1、分层空时编码单元2、组帧单元12、频率偏移单元13、添加保护间隔单元14、OFDM调制单元3、发射射频单元4和发射天线单元5。其中，组帧单元12、频率偏移单元13、添加保护间隔单元14、OFDM调制单元3、发射射频单元4和发射天线单元5顺次相连，标志着一个发射子流；发射数据单元1和分层空时编码单元2相连；分层空时编码单元2和M_T个组帧单元12相连，表明串行的数据经过分层空时编码单元2后变成M_T个并行的数据流，在M_T个发射子流上发射。

其中，所述发射数据处理单元1，用于对信源产生的需要发射的数据信号(即信源数据)进行处理，得到处理后的串行数据序列，即采用信源编码技术对信源数据在不失真条件下进行压缩；采用信道编码技术引入冗余信息对抗散射信道引起的失真；采用数字基带调制技术将编码数据进行映射，便于在无线信道中传输。

所述分层空时编码单元2，用于将所述串行数据序列按照分层空时码方式转换为并行信号子流，所述并行数据信号子流与各个发射天线存在一一对应关系。其中分层空时编码可以是V-BLAST编码，也可以是H-BLAST或D-BLAST。

所述组帧单元12，用于将信号子流的数据按照一定长度进行组帧，并将组帧后的数据发送给频率偏移单元。

所述频率偏移单元13，用于将数据帧内的频域数据在频域上产生一定的偏移。对于数字信号，频率偏移单元包括频域内插单元和频移单元。所述的频域内插单元，用于在数据帧内的数据信号之间插入相关的数据；所述的频移单元，用于将内插后的数据进行移位后发送给添加保护间隔单元。对于模拟信号，频率偏移单元包括频域波形成型单元和频延单元。所述的频域波形成型单元，用于将离散数据信号转换成连续数据；所述频延单元，用于将连续信号进行相应的频率移位操作。

所述添加保护间隔单元14，在每个频率偏移处理后的数据帧头部和尾部添加一定长度的保护间隔，保证添加保护间隔后的各个子流的数据帧长度相等；对于数字信号，用于在数据帧前后补零，使得数据帧的数据信号个数为2的整数次幂，以便于进行逆数字傅立叶变换处理；而对于模拟信号，用于在频域对信号进行带限，使得带限信号的前后有空闲频谱。

所述OFDM调制单元3，包括傅立叶变换单元和添加循环前缀单元两部分。所述的傅立叶变换单元用于对数据帧进行逆傅立叶变换，将频域数据转换成时域数据。所述的添加CP单元，用于添加保护间隔，对抗多径效应，并保证OFDM调制各个子载波之间的正交性。

所述发射射频单元4，用于将数字基带信号转换成模拟基带信号，并调制成射频信号。

所述发射天线单元5，用于将射频信号发射出去。

其中，本实施例中的组帧单元12、频率偏移单元13和添加保护间隔单元14是本发明所提出的通信系统独有的，其他单元可以与现有的同步发射系统中的单元相同。

所述发射机对要发射数据的处理过程为：

在发射机中，信源随机产生发射数据信号，所述发射数据处理单元1对发射数据信号依次进行信源编码、信道编码和数字基带调制；分层空时编码单元2采用分层空时编码技术，将数字基带调制后的数据进行分层空时编码，比如，将M_T个串行的信号块D₁、D₂、......、

转换成M_T路并行的数据信号流输出，并解复用到M_T个发射天线支路上。

所述组帧单元12对M_T路的数据信号进行组帧处理，分别组成长度为M(M为大于0的正整数)的数据帧输出，每个数据帧长度相等。

所述频率偏移单元13对组帧处理后的数据帧进行频率偏移处理。其中，在数字域(数字信号)中，连续域的频率偏移处理是通过内插处理和采样点移位完成的。内插处理是通过内插函数来完成的，内插周期为G，其中G为2的整数次幂，此时数据帧包含的采样点的长度为GM。一般采用简单的矩形内插来实现，具体操作是将帧中的数据每个重复G次。采样点移位是将内插后的采样数据进行移位，使各个子流的采样数据对应位置发生偏移。设第k个发射天线上的数据帧的移位采样点个数为G_k，即数据帧前面空出G_k个采样点不填充发射信号。

对移位采样点个数G_k的要求如下：要求G_k小于若干倍内插周期G，即0≤G_k＜ΔG(Δ为大于0的正整数)；不同支路上的数据移位G_k可以均不相等，或部分不相等，并存在一组最佳移位G₁，G₂，…，

使系统误码率性能最优；工程上的G_k大小由系统频谱利用率、系统误码率性能要求等因素决定。假定G₁，G₂，…，

按照大小顺序排列，则满足

所述添加保护间隔单元14将频率偏移输出的数据添加保护间隔处理，在每个数据帧的头部和尾部添加一定长度的保护间隔，保证添加保护间隔后的一个数据帧信号个数为2的整数次幂。该保护间隔内可以置零，也可以放置其他可避免帧与帧之间干扰的数据。工程上保护间隔的长度由每路数据的移位数据长度和系统的频谱利用率决定。假设第k路上偏移为G_k，则需要在数据帧的头部和尾部分别添加长度G_k和G_gk个采样点数据的保护间隔。要求各个天线所加的保护间隔的总长度相等，即G_k+G_gk＝G_m+G_gm，k，m＝1，2，…，M_T，并保证GM+G_m+G_gk＝GN，其中N为2的整数次幂。发射端各个天线上异步发射信号构成的空频块如图3所示，在此不再赘述。

所述OFDM调制单元3将添加保护间隔后的一帧数据通过逆快速傅立叶变换(IFFT)处理并实现OFDM调制，其中IFFT长度为GN，CP的长度为L，则此时的数据帧包含的采样点的个数为G(N+L)。添加CP可以避免频率选择性衰落信道引起的OFDM信号间的干扰，其CP长度不小于最大多径信道时延，即LT_s≥τ_max(T_s为采样间隔，τ_max为最大多径时延)。

所述发射射频单元4对各个支路经过发射射频处理得到的发射数据发射到相应的发射天线单元5上，通过相应的发射天线发射出去。其中，发射射频处理(如变频、放大等)就是将数字基带信号信号调制成射频信号，使射频信号满足发射要求。

还请参阅图9，为本发明实施例提供的一种接收机的结构示意图，所述接收机中集成有数据接收装置，包括：接收天线单元6、接收射频单元7、OFDM解调单元8、频域匹配滤波组单元15、异步MIMO-OFDM检测单元16、分层空时解码单元10、数据恢复单元11。其中，接收天线单元6、接收射频单元7和OFDM解调单元8顺次相连，标志着一个接收天线支路。每个支路上的OFDM解调单元8分别和一个频域匹配滤波组单元15所包含的M_T个匹配滤波器相连，每个匹配滤波器标志着一个匹配滤波处理支路。所有的匹配滤波组单元15的匹配滤波器与异步MIMO-OFDM检测单元16相连，标志着所有支路数据的联合处理。异步MIMO-OFDM检测单元16、分层空时解码单元10和数据恢复单元11顺次相连。

其中，发射天线1频域匹配滤波器代表频域匹配滤波组单元上的第1个频域匹配滤波器单元，发射天线m频域匹配滤波器代表频域匹配滤波组单元上的第m个频域匹配滤波器单元，发射天线M_T频域匹配滤波器代表频域匹配滤波组单元上的第M_T个频域匹配滤波器单元。

所述接收天线单元6，用于接收射频信号。

所述接收射频单元7，用于将射频信号转换成基带信号，如果所述基带信号为模拟基带信号，则将所述模拟基带信号转换成数字基带信号。

所述OFDM解调单元8，包括移除循环前缀单元和傅立叶变换单元。所述的移除循环前缀单元，用于移除发射时添加的循环前缀。所述的傅立叶变换单元，用于对移除循环前缀单元处理后的数据进行傅立叶变换，即将时域信号变换成频域型号，完成OFDM解调。

所述匹配滤波组单元15，用于将接收到的频域型号信号分成M_T个支路，每个支路分别进行能量集中操作。对于数字信号，频域匹配滤波组单元就是对各个支路的求和运算单元，对接收到的采样点进行分段求和运算，得到多个采样点及采样数据。对于模拟信号，频域匹配滤波组单元包括相关积分运算单元和数据采样单元。所述的相关积分运算单元，用于对每个天线上的连续信号分成多个支路进行相关积分处理，所述的数据采样单元，用于将相关积分运算单元处理后的数据进行采样，得到采样数据，并输出该采样数据。

所述异步MIMO-OFDM检测单元16，用于对收到的采样数据进行检测，获得各个接收天线上各信号的估计值，即估计的发射数据信号，该异步检测包括合并和检测两个部分，具体详见上述。

所述分层空时解码单元10，用于对各个接收天线上发射信号的估计值进行分层空时解码，得到串行的数字基带信号。其中分层空时编码可以是V-BLAST编码，也可以是H-BLAST或D-BLAST，但并不限于此。

所述数据恢复单元11，用于串行数字基带信号依次进行解调、信道译码、信源译码，最终恢复发射数据信号。

需要指出的是，本实施例中的频域匹配滤波组单元15和异步MIMO-OFDM检测单元16是本发明所提出的通信系统独有的，其他单元可以与同步发射系统相同。

在本实施例中，接收天线数目可以少于发射天线数目，甚至接收天线数为1时，同样能够使本发明的通信方法达到最大接收分集度。

由上述实施例可知，本发明提出的一种数据发射方法、数据接收方法、数据发射装置、数据接收装置及多入多出的通信系统，通过对发射信号进行不同的频率偏移，使发射信号在频域异步发射，在接收端采用相应的异步MIMO-OFDM检测方法恢复发射信号。发射信号的频域异步发射利用了频率延迟分集，接收端的异步MIMO-OFDM检测算法增加了接收分集度。也就是说，本发明采用线性检测算法实现了与ML检测相同的接收分集度，得到了优于同步发射方法的误码率性能。同时，本发明的线性检测算法突破了同步发射方法对收发天线数目的限制。

本发明所提出的方法、装置及系统充分利用频率延迟分集的优势，采用低复杂度的线性检测算法获得接近同步发射ML检测的性能，并突破了收发天线数目的限制，在接收端仅用一个接收天线就可以解调发射信号。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (22)

1.一种数据发射方法，应用于多入多出正交频分复用无线通信中，其特征在于，包括：

发射机对信源产生的数据进行编码和调制处理，得到处理后的串行数据序列；

发射机将所述串行数据序列按照分层空时编码方式转换为并行数据信号子流，所述并行数据信号子流与各个发射天线存在一一对应关系；

发射机将所述各个发射天线的数据信号子流分别按照一定长度组帧，得到所述各个发射天线对应的数据帧；

发射机在频域上将所述数据帧的频域数据进行频率偏移处理，得到频率偏移处理后的数据帧；

发射机对所述频率偏移处理后的数据帧中添加保护间隔，得到添加保护间隔后的数据帧，使得所述添加保护间隔后的数据帧长度相等；

发射机对所述添加保护间隔后的数据帧进行正交频分复用OFDM调制，得到所述各个发射天线的数字基带信号；

发射机将所述各个发射天线的数字基带信号调制成射频信号，并通过所述各个发射天线发射所述射频信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射机将各个发射天线上的数据信号子流的数据分别按照一定长度进行组帧，得到对应的数据帧包括：

发射机将各个发射天线上的数据信号子流分别分成一段段数据帧，每段数据帧的长度为一个发射天线一次发射数据的量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

如果所述数据帧为数字信号，则所述发射机在频域上将所述数据帧的频域数据进行频率偏移处理具体包括：发射机在所述数据帧的数据信号之间插入对应的数据，并对内插后的数据帧在频域内进行频率移位处理；或者，

如果所述数据帧为模拟信号，则所述发射机在频域上将所述数据帧的频域数据进行频率偏移处理具体包括：发射机将所述数据帧中离散的数据信号转换成连续的数据信号，并对所述连续的数据信号在频域内进行频率移位处理。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述发射机在每个频率偏移处理后的数据帧中添加保护间隔，使得各个发射天线添加保护间隔后的各个信号子流的数据帧长度相等包括：

如果所述数据帧为数字信号，则发射机在每个频率偏移处理后的数据帧进行前后补零，使得数据帧的数据信号的个数为2的整数次幂，以便于进行逆数字傅立叶变换处理；

或者，如果所述数据帧为模拟信号，则发射机在频域中对每个频率偏移处理后的数据帧进行带限，使得带限数据帧的前后有空闲频谱。

5.一种数据接收方法，应用于多入多出MIMO正交频分复用OFDM无线通信中，其特征在于，包括：

接收机通过接收天线接收采用MIMO方式发射的射频信号，并将所述射频信号转换成数字基带信号；

接收机对所述数字基带信号进行正交频分复用OFDM解调，得到频域数据信号；

将所述频域数据信号划分成多个支路的频域数据信号，对所述多个支路的频域数据信号分别进行匹配滤波处理，得到匹配滤波处理的频域数据信号；

接收机对所述匹配滤波处理的频域数据信号进行异步多入多出MIMO正交频分复用OFDM检测，得到估计的发射数据信号；

接收机对所述估计的发射数据信号进行分层时空解码，得到串行数字基带信号；

接收机对所述串行数字基带信号进行解调和译码处理，得到发射的数据信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述接收机对每个支路的频域数据信号分别进行匹配滤波处理包括：

如果所述数据帧为数字信号，则接收机对每个支路的频域数据信号进行分段求和运算，并对求和运算后的连续数据信号进行采样，得到采样数据；

或者，如果所述数据帧为模拟信号，则接收机对每个支路的频域数据信号进行积分运算，并对积分运算后的连续数据信号进行采样，得到采样数据。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述接收机对所述匹配滤波处理的频域数据信号进行异步多入多出正交频分复用检测，得到估计的发射数据信号包括：

接收机对所述采样数据进行联合检测操作，得到估计的发射数据信号，其中所述联合检测操作包括：信道估计、数据合并和信号检测。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述接收机对所述采样数据进行联合检测操作，得到估计的发射数据信号包括：

接收机对所述采样数据进行信道估计，得到各个接收天线对应的信道矩阵；

接收机计算波形成型矩阵的值；

接收机按照所述波形成型矩阵的排列顺序对每个接收天线上的数据进行重新排列；

接收机将重新排列后的矩阵乘以一个加权矩阵，并在接收天线范围内进行数据合并；

接收机根据所述信道矩阵、波形成型矩阵的值和加权矩阵，将合并后的数据进行多入多出正交频分复用检测，得到估计的发射数据信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述数据合并包括：最大比合并、等增益合并或者选择合并；所述信号检测包括最大似然检测ML、迫零检测、最小均方误差检测MMSE或者串行干扰抵消SIC检测。

10.一种数据发射装置，应用于多入多出正交频分复用无线通信中，其特征在于，包括：

发射数据处理单元，用于对信源产生的数据进行编码和调制处理，得到处理后的串行数据序列；

分层空时编码单元，用于将所述串行数据序列按照分层空时编码方式转换为并行数据信号子流所述并行数据信号子流与各个发射天线存在一一对应关系；

组帧单元，用于将各个发射天线上的数据信号子流的数据分别按照一定长度进行组帧，得到所述各个发射天线对应的数据帧；

频率偏移单元，用于在频域上将对应数据帧内的频域数据进行频率偏移处理，得到频率偏移处理后的数据帧；

保护间隔添加单元，用于所述频率偏移处理后的数据帧中添加保护间隔，使得各个发射天线添加保护间隔后的数据帧长度相等；

正交频分复用调制单元，用于对添加保护间隔后的数据帧进行正交频分复用OFDM调制，得到各个发射天线上的数字基带信号；

发射射频单元，用于将所述各个发射天线上的数字基带信号调制成射频信号，并通过所述各个发射天线发射所述射频信号。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述组帧单元，具体用于将各个发射天线上的数据信号子流分别分成一段段数据帧，每段数据帧的长度为一个发射天线一次发射数据的量。

12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述频率偏移单元包括：

数字频率偏移单元，用于在数据帧为数字信号时，在数据帧内的数据信号之间插入对应的数据，并对内插后的数据帧在频域内进行频率移位处理；

模拟频率偏移单元，用于在数据帧为模拟信号时，将数据帧内中离散的数据信号转换成连续的数据信号，并对所述连续的数据信号在频域内进行频率移位处理。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述数字频率偏移单元包括：

频域内插单元，用于在数据帧内的数据信号之间插入对应的数据；

移频单元，用于对所述频域内插单元在频域内内插后的数据帧进行频率移位处理，并将处理后的数据发送给保护间隔添加单元。

14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述模拟频率偏移单元包括：

频域波形成型单元，用于将数据帧内中离散的数据信号转换成连续的数据信号；

频延单元，用于对所述连续的数据信号在频域内进行频率移位处理，并将处理后的数据发送给保护间隔添加单元。

15.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述保护间隔添加单元包括：

数字保护间隔添加单元，用于在每个频率偏移处理后的数据帧进行前后补零，使得数据帧的数据信号的个数为2的整数次幂，以便于进行逆数字傅立叶变换处理；和/或

模拟保护间隔添加单元，用于在频域中对每个频率偏移处理后的数据帧进行带限，使得带限数据帧的前后有空闲频谱。

16.一种数据接收装置，应用于多入多出正交频分复用无线通信中，其特征在于，包括：

接收射频单元，用于通过接收天线接收射频信号，并将所述射频信号转换成数字基带信号；

正交频分复用解调单元，用于对所述数字基带信号进行正交频分复用解调，得到频域数据信号；

匹配滤波处理单元，用于将所述频域数据信号划分成多个支路，对每个支路的频域数据信号分别进行匹配滤波处理；

异步多入多出正交频分复用检测单元，用于对所述匹配滤波处理的频域数据信号进行异步多入多出正交频分复用检测，得到估计的发射数据信号；

分层空时解码单元，用于对所述估计的发射数据信号进行分层时空解码，得到串行数字基带信号；

恢复处理单元，用于对所述串行数字基带信号进行处理，得到恢复的发射数据信号。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述匹配滤波处理单元包括：

数字匹配滤波处理单元，用于对每个支路的频域数据信号进行分段求和运算，并对求和运算后的连续数据信号进行采样，得到采样数据；和/或

模拟匹配滤波处理单元，用于对每个支路的频域数据信号进行积分运算，并对积分运算后的连续数据信号进行采样，得到采样数据。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述数字匹配滤波处理单元包括：

求和运算单元，用于每个支路的频域数据信号进行分段求和运算；

第一采样单元，用于对求和运算后的连续数据信号进行采样，得到采样数据，并将采样数据发送给所述异步多入多出正交频分复用检测单元。

19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述模拟匹配滤波处理单元包括：

积分运算单元，用于对每个支路的频域数据信号进行积分运算；

第二采样单元，用于对积分运算后的连续数据信号进行采样，得到采样数据，并将采样数据发送给所述异步多入多出正交频分复用检测单元。

20.根据权利要求16至19任一项所述的装置，其特征在于，所述异步多入多出正交频分复用检测单元具体用于对所述采样数据进行联合检测操作，得到估计的发射数据信号，其中所述联合检测操作包括：信道估计、数据合并和信号检测，包括：

信道估计单元，用于对所述采样数据进行信道估计，得到各个接收天线对应的信道矩阵；

数据合并单元，用于计算波形成型矩阵的值，按照所述波形成型矩阵的排列顺序对每个接收天线上的数据进行重新排列，并将重新排列后的矩阵乘以一个加权矩阵，并在接收天线范围内进行数据合并；

信号检测单元，用于根据所述信道矩阵、波形成型矩阵的值和加权矩阵，将合并后的数据进行多入多出正交频分复用检测，得到估计的发射数据信号。

21.一种多入多出正交频分复用无线通信系统，其特征在于，包括：集成有数据发射装置的发射机和集成有数据接收装置的接收机；其中，

所述集成有数据发射装置的发射机，用于对信源产生的数据进行编码和调制处理，得到处理后的串行数据序列；将所述串行数据序列按照分层空时编码方式转换为并行数据信号子流，所述并行数据信号子流与各个发射天线存在一一对应关系；将所述各个发射天线的数据信号子流分别按照一定长度组帧，得到所述各个发射天线对应的数据帧；在频域上将所述数据帧的频域数据进行频率偏移处理，得到频率偏移处理后的数据帧；对所述频率偏移处理后的数据帧中添加保护间隔，得到添加保护间隔后的数据帧，使得所述添加保护间隔后的数据帧长度相等；对所述添加保护间隔后的数据帧进行正交频分复用OFDM调制，得到所述各个发射天线的数字基带信号；将所述各个发射天线的数字基带信号调制成射频信号，并通过所述各个发射天线发射所述射频信号；

所述集成有数据接收装置的接收机，用于通过接收天线接收采用MIMO方式发射的射频信号，并将所述射频信号转换成数字基带信号；对所述数字基带信号进行正交频分复用OFDM解调，得到频域数据信号；将所述频域数据信号划分成多个支路的频域数据信号，对所述多个支路的频域数据信号分别进行匹配滤波处理，得到匹配滤波处理的频域数据信号；对所述匹配滤波处理的频域数据信号进行异步多入多出MIMO正交频分复用OFDM检测，得到估计的发射数据信号；对所述估计的发射数据信号进行分层时空解码，得到串行数字基带信号；对所述串行数字基带信号进行解调和译码处理，得到发射的数据信号。

22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，

所述数据发射装置如权利要求10至15任一项所述的数据发射装置；

所述数据接收装置如权利要求16至20任一项所述的数据接收装置。

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