CN103856422A

CN103856422A - 一种多载波Large-Scale MIMO系统的发射信号配置及信道估计的方法和设备

Info

Publication number: CN103856422A
Application number: CN201410099131.XA
Authority: CN
Inventors: 戴凌龙; 高镇; 王昭诚
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: National Engineering Lab. For DTV (Beijing)
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: CN103856422B

Abstract

本发明公开了一种多载波Large-Scale MIMO系统的发射信号配置方法，该方法包括：S1.根据MIMO编码将待传输数据进行编码；S2.以正交随机分布的规则将导频插入编码后的传输数据并通过快速傅立叶变换，生成时域OFDM符号；S3.生成时域训练序列；S4.将时域训练符号和时域OFDM符号时分复用形成一个带保护间隔的完整OFDM符号；S5.将多个带保护间隔的完整OFDM符号组成一个OFDM帧，并在前端加入一个前导序列作为帧头，作为发射信号。本发明利用信道的稀疏特性，联合时域序列和频域导频来获得信道估计，比传统方法具有更高的频谱效率和信道估计精度。

Description

一种多载波Large-Scale MIMO系统的发射信号配置及信道估计的方法和设备

技术领域

一种多载波Large-Scale MIMO系统的发射信号配置及信道估计的方法和设备，涉及数字信息传输技术领域，特别涉及一种稀疏MIMO-OFDM的信道估计方法。

背景技术

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术由于其突出的抗多径能力和高频谱效率，被广泛认为是未来无线通信系统的两项关键物理层技术。目前，大规模MIMO技术（large-scaleMIMO）这一概念利用大量的天线（可能几百，甚至上千）在同样的时频资源内同时向多个用户提供服务，可获得高达几十bit/s/Hz甚至更高的频谱效率。例如，日本NTT DoCoMo公司演示了12×12的MIMO系统，在100MHz的带宽上实现了4.92Gbps的传输速率，其频谱效率接近50bit/s/Hz；WLAN的演进标准IEEE802.11ac也开始研究16×16的MIMO天线配置，以实现1Gbit/s的高速无线传输。

在MIMO-OFDM系统中，准确的信道状态信息是保证其系统性能的重要前提。概括来说，MIMO-OFDM系统中的信道估计方法可以分为两类：频域估计算法和时域估计算法。频域估计算法利用正交导频可将MIMO系统中的信道估计问题直接转为为单输入单输出系统（Single-Input Single-Output，SISO）中的信道估计问题；另一方面，基于前导序列（Preamble）的时域信道估计方法利用了所有的子载波，故可以在慢变信道中提供更为可靠的信道估计结果。

MIMO-OFDM系统中的信道估计方法中的频域估计算方法，所需的导频数量随着天线数的增大而线性增加，对于天线数目巨大的大规模MIMO技术而言，这会导致很高的系统导频开销。为了保证MIMO系统中的导频开销不会过高，通常的做法是降低各天线的等效导频密度，但这会导致信道估计精度的明显下降。另一方面MIMO-OFDM系统中的信道估计方法中的时域估计算法，在大规模MIMO系统中信道时变时，前导序列必须频繁插入，以及时跟踪快速变化的信道，最终导致前导序列的开销较大.

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提出了一种多载波Large-Scale MIMO系统的发射信号配置及信道估计的方法和设备，该种方法利用了信道的稀疏特性和时域相关性，进行了时频联合信道估计，具有高频谱效率并提高了信道估计精度。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多载波Large-ScaleMIMO系统的发射信号配置方法，包括以下步骤：S1.根据MIMO编码理论将待传输数据进行编码；S2.以正交随机分布的规则将导频插入编码后的传输数据并通过快速傅立叶变换，生成时域OFDM符号；S3.生成时域训练序列；S4.将时域训练符号和时域OFDM符号时分复用形成一个带保护间隔的完整OFDM符号；S5.将多个带保护间隔的完整OFDM符号组成一个OFDM帧，并在前端加入一个前导序列作为帧头，作为发射信号。

进一步地，所述发射信号配置方法，还包括：MIMO编码后的传输数据分配给每根发射天线；分配给每根发射天线的所述传输数据，生成对于不同发射天线彼此正交的时域训练序列，并分配给每根发射天线作为OFDM符号保护间隔；对分配给每根发射天线的所述传输数据所生成的所述OFDM帧的前端，插入对于不同发射天线彼此正交前导序列作为帧头。

进一步地，所述步骤S2中，在插入编码后的传输数据中，每个导频组的中央导频左右两边各有相同数量的数个零导频。

进一步地，所述步骤S4中，带保护间隔的完整OFDM符号的前端或后端或者前后端有一个或多个时域训练序列。

进一步地，所述时域训练序列为Zadoff-Chu序列。

为解决上述技术问题，本发明提供还了一种多载波Large-Scale MIMO系统的信道估计方法，包括以下步骤：S1＇.将接收到的所述发射信号的前导序列、训练序列和OFDM符号分离；S2＇.根据分离后的前导序列获得信道估计；S3＇.根据带保护间隔的完整OFDM符号的时域训练序列获得信道的时延估计；S4＇.根据前一个带保护间隔的完整OFDM符号的信道估计或者信道估计的预测，获得这次OFDM符号的重构；S5＇.将OFDM符号的重构结果变换到频域，提取频域的导频，根据提取的导频结合所述信道的时延估计获得信道时延处的增益估计。

进一步地，所述步骤S3＇之后，步骤S4＇之前，还包括：判断带保间隔的完整OFDM符号是否为OFDM帧的第一个符号，如果是，则将所述分离后前导序列获得的信道估计结果，作为上一个带保护间隔的完整OFDM符号的信道估计，如果否，则进入步骤S4＇。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种多载波Large-ScaleMIMO系统的发射信号配置设备，包括以下模块：

数据生成模块，用于根据MIMO编码理论将待传输数据进行编码；

OFDM生成模块，用于以正交随机分布的规则将导频插入编码后传输数据并通过快速傅立叶变换，生成时域OFDM符号；

时域训练序列生成模块，用于生成时域训练序列；

带保护间隔的完整OFDM符号生成模块，用于将时域训练符号和时域OFDM符号时分复用形成一个带保护间隔的完整OFDM符号；

OFDM帧生成模块，用于将多个带保护间隔的完整OFDM符号组成一个OFDM帧，并在前端加入一个前导序列作为帧头，作为发射信号。

进一步地，所述发射信号配置设备，还包括：

数据分配模块，用于将MIMO编码后的传输数据分配给每根发射天线；

相同时域训练序列生成模块：生成对于不同发射天线彼此正交的时域训练序列，并分配给每根发射天线作为OFDM符号保护间隔；

前导序列加入模块：用于将对分配给每根发射天线的所述传输数据所生成的所述OFDM帧的前端，插入对于不同发射天线彼此正交前导序列作为帧头；

进一步地，所述OFDM生成模块中，在插入编码后的传输数据中，每个导频组的中央导频左右两边各有相同数量的数个零导频。

进一步地，所述带保护间隔的完整OFDM符号生成模块中，带保护间隔的完整OFDM符号的前端或后端或者前后端有一个或多个时域训练序列。

进一步地，所述时域训练序列选择模块，用于选用Zadoff-Chu序列作为时域训练序列。

为解决上述技术问题，本发明还一种多载波Large-Scale MIMO系统的信道估计设备，其特征在于，包括以下模块：

信号分离模块，用于将接收到的所述发射信号的前导序列、训练序列和OFDM符号分离；

第一信道估计模块，用于根据分离后的前导序列获得信道估计；

第二信道估计模块，用于根据带保护间隔的完整OFDM符号的时域训练序列获得信道的时延估计；

OFDM循环重构模块，用于根据前一个带保护间隔的完整OFDM 符号的信道估计或者信道估计的预测，获得这次OFDM符号的重构；

第三信道估计模块，用于将OFDM符号的重构结果变换到频域，提取频域的导频，根据提取的导频结合所述信道的时延估计获得信道时延处的增益估计。

进一步地，所述信道估计设备还包括：判断模块，用于判断保间隔的完整OFDM符号是否为OFDM帧的第一个符号，如果是，则将所述分离后前导序列获得的信道估计结果，作为上一个带保护间隔的完整OFDM符号的信道估计，如果否，则由OFDM循环重构模块进行处理。

（三）有益效果

本发明提供了一种多载波Large-Scale MIMO系统的发射信号配置及信道估计的方法和设备，适用于MIMO系统尤其是大规模MIMO系统。该种方法利用时域训练序列来获取无线信道的多径时延信息，再通过频域正交分组导频来获取信道的多径系数信息。同时该种方法充分利用无线信道多径时延的变化速率远低于多径系数的变化速率这一信道统计特性来提高信道估计的精度，并利用无线信道的稀疏性，通过极少量的频域正交分组导频即可获得无线信道的多径时延信息。

附图说明

图1为依照本发明实施例的一种多载波Large-Scale MIMO系统的发射信号配置方法的流程示意图。

图2为依照本发明实施例的一种多载波Large-Scale MIMO系统的信道估计方法的流程示意图。

图3为依照本发明实施例的一种多载波Large-Scale MIMO系统的发射信号配置设备的结构示意图。

图4为依照本发明实施例的一种多载波Large-Scale MIMO系统的信道估计设备的结构示意图。

图5为依照本发明实施例的一个带保护间隔的完整OFDM符号的结构示意图。

图6为依照本发明实施例的一个OFDM帧的结构示意图。

图7为依照本发明实施例的导频组的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

本发明实施例提供了一种多载波Large-Scale MIMO系统的发射信号配置方法，参见图1，包括以下步骤：

S1.根据MIMO编码理论将待传输数据进行编码。MIMO编码理论基于现有成熟的时空编码理论，如垂直-贝尔实验分层空时编码技术；

S2.以正交随机分布的规则将导频插入编码后的传输数据并通过快速傅立叶变换，生成时域OFDM符号。以正交随机分布的规则将导频信号插入带宽，可使导频随机分布在信号带宽上；

S3生成时域训练序列和前导序列；

S4.将时域训练符号和时域OFDM符号时分复用形成一个带保护间隔的完整OFDM符号。本实施例中，如图5，一个OFDM符号尾追随一个时域训练序列，构成一个带保护间隔的完整OFDM符号；

S5.将多个带保护间隔的完整OFDM符号组成一个OFDM帧，并在前端加入一个前导序列作为帧头，作为发射信号。本实施例中，如图6，一个带保护间隔的完整OFDM符号前加入一个前导序列，构成一个OFDM帧。

可选地，所述发射信号配置方法，还包括以下步骤：

MIMO编码后的传输数据分配给每根发射天线，

分配给每根发射天线的所述传输数据，生成对于不同发射天线彼此正交的时域训练序列，并分配给每根发射天线作为OFDM符号保护间隔。

对分配给每根发射天线的所述传输数据所生成的所述OFDM帧的前端，插入对于不同发射天线彼此正交前导序列作为帧头；

可选地，所述步骤S2中，在插入编码后的传输数据中，每个导频组的中央导频左右两边各有相同数量的数个零导频。例如：为了避免OFDM系统中子载波干扰，本实例提出了导频组的概念。本实施例中，如图7，插入的导频中，中央导频及左右两边各有d个零导频，用于减小快变信道下数据对中央导频的影响。导频组里的2d个零导频更适合于采用“导频功率增强”（pilot power boosting，PPB）技术，因为原本分配给零导频处非零导频的功率可以自然而然的分配给中央导频而不会导致额外的功率开销。

可选地，所述步骤S4中，带保护间隔的完整OFDM符号的前端或后端或者前后端有一个或多个时域训练序列。

可选地，所述时域训练序列选用Zadoff-Chu序列。优先选择Zadoff-Chu序列组作为时域训练序列，具有理想的自相关特性和最优的相关特性，长度M大于信道最大时延，具体体现为：（1）对于不同发射天线的时域训练序列，采用的Zadoff-Chu组为

z_{m}^{(p)} = \exp (j \frac{M - 1}{M} {πm}^{2} r_{p}), 0 \leq m \leq M - 1,

这里r_p与M互质，N_t是发射天线个数，Zadoff-Chu序列的长度为M，循环前缀为M，这样不同发射天线的时域训练序列具有较好的正交性；（2）对于不同发射天线前导序列，采用相同Zadoff-Chu序列的不同循环相位版本，循环移位差为M，这里的Zadoff-Chu的本身长度为N_tM，循环前缀为M，这样不同发射天线的前导序列具有相互正交性；（3）对于每一个发射天线，相邻带保护间隔的完整OFDM符号的训练序列具有循环移位特性，比如第i个带保护间隔的完整OFDM符号的训练序列的前M-1部分等于第i+1个带保护间隔的完整OFDM符号的训练序列的后M-1部分；

实施例2：

本发明实施例提供了一种多载波Large-Scale MIMO系统的信道估计方法，参见图3，包括以下步骤：

S1＇.将接收到的所述发射信号的前导序列、训练序列和OFDM符号分离；

S2＇.根据分离后的前导序列获得信道估计；

S3＇.根据带保护间隔的完整OFDM符号的时域训练序列获得信道的时延估计；

S4＇.根据上一个带保护间隔的完整OFDM符号的信道估计或者一个带保护间隔的完整OFDM符号的信道估计的预测，获得这次OFDM符号的重构，具体的循环重构方法类似于双伪随机序列-OFDM系统（Double Pseudorandom Noise OFDM，DPN-OFDM）中OFDM的循环重构，不同于DPN-OFDM的是，这里循环重构时所需的信道估计不是基于当前带保护间隔的完整OFDM符号的信道估计，而是直接使用之前一个OFDM符号的信道估计或信道估计的预测；

S5＇.将OFDM循环重构结果变换到频域，提取频域的导频，根据提取的导频结合所述信道的时延估计获得信道时延处的增益估计。

可选地，所述步骤S3＇之后，步骤S4＇之前，还包括：判断带保间隔的完整OFDM符号是否为OFDM帧的第一个符号，如果是，则将所述分离后前导序列获得的信道估计结果，作为上一个带保护间隔的完整OFDM符号的信道估计，如果否，则进入步骤S4＇

实施例3：

本发明实施例提供了一种多载波Large-Scale MIMO系统的发射信号配置设备，参见图3，包括以下模块：

数据生成模块201，用于根据MIMO编码理论将待传输数据进行编码；

OFDM生成模块202，用于以正交随机分布的规则将导频插入编码后传输数据并通过快速傅立叶变换，生成时域OFDM符号；

时域训练序列生成模块203，用于生成时域训练序列；

带保护间隔的完整OFDM符号生成模块204，用于将时域训练符号和时域OFDM符号时分复用形成一个带保护间隔的完整OFDM符号；

OFDM帧生成模块205，用于将多个带保护间隔的完整OFDM符号组成一个OFDM帧，并在前端加入一个前导序列作为帧头，作为发射信号。

可选地，所述发射信号配置设备，还包括：

数据分配模块，MIMO编码后的传输数据分配给每根发射天线；

可选地，所述OFDM生成模块中，在插入编码后的传输数据中，每个导频组的中央导频左右两边各有相同数量的数个零导频。

可选地，所述带保护间隔的完整OFDM符号生成模块中，带保护间隔的完整OFDM符号的前端或后端或者前后端有一个或多个时域训练序列。

实施例4：

本发明实施例提供了一种多载波Large-Scale MIMO系统的信道估计设备，参见图4，包括以下模块：

信号分离模块206，用于将接收到的所述发射信号的前导序列、训练序列和OFDM符号分离；

第一信道估计模块207，用于根据分离后的前导序列获得信道估计。其中，由于前导序列本身是一个已知的具有循环前缀结构的OFDM符号，所以利用现有的基于频域的最小均方误差或最小二乘估计方法，也可以利用时域循环相关的方法，可以证明二者是等效的；

第二信道估计模块208，用于根据带保护间隔的完整OFDM符号的时域训练序列获得信道的时延估计。例如：将分离的接收的时域训练序列和本地时域训练序列循环相关获得信道的粗估计，并认为粗估计中大于给定幅度（门限）处存在信道时延；例如：利用信道在一定时间内的相关性改善性能，即在相邻几个带保护间隔的完整OFDM符号间隔内，信道的时延几乎保持不变，而对应增益具有一定的时间相关性，将相邻几个带保护间隔的完整OFDM符号的粗估计相加获得平均信道粗估计，认为该粗估计平均中大于给定幅度（门限）处存在信道时延；

OFDM循环重构模块209，用于根据前一个带保护间隔的完整OFDM符号的信道估计或者信道估计的预测，获得这次OFDM符号的重构。其中，具体的循环重构方法类似于双伪随机序列-OFDM系统（Double Pseudorandom Noise OFDM，DPN-OFDM）中OFDM的循环重构，不同于DPN-OFDM的是，这里循环重构时所需的信道估计不是基于当前带保护间隔的完整OFDM符号的信道估计，而是直接使用之前一个OFDM符号的信道估计或信道估计的预测。

第三信道估计模块210，用于将OFDM循环重构结果变换到频域，提取频域的导频，根据提取的导频结合所述信道的时延估计获得信道时延处的增益估计。

可选地，所述信道估计设备还包括：判断模块，用于判断保间隔的完整OFDM符号是否为OFDM帧的第一个符号，如果是，则将所述分离后前导序列获得的信道估计结果，作为上一个带保护间隔的完整OFDM符号的信道估计，如果否，则由OFDM循环重构模块进行处理。

通过上述描述可见，本发明实施例具有如下有益效果：

通过本发明提供的一种多载波Large-Scale MIMO系统的发射信号配置及信道估计的方法和设备，该方法将待传输数据处理成前导序列作为帧头，多个带保护间隔的完整OFDM符号组成OFDM帧进行传输，信号分离后，利用时域训练序列来获取无线信道的多径时延信息，通过频域正交分组导频来获取信道的多径系数信息。该种方法充分利用无线信道的稀疏性，通过极少量的频域正交分组导频即可获得无线信道的多径时延信息，减少了系统导频开销；同时利用无线信道多径时延的变化速率远低于多径系数的变化速率这一信道统计特性，提高了信道估计的精度。

需要说明的是：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

1.一种多载波Large-Scale MIMO系统的发射信号配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.根据MIMO编码将待传输数据进行编码；

S2.以正交随机分布的规则将导频插入编码后的传输数据并通过快速傅立叶变换，生成时域OFDM符号；

S3.生成时域训练序列；

S4.将时域训练符号和时域OFDM符号时分复用形成一个带保护间隔的完整OFDM符号；

S5.将多个带保护间隔的完整OFDM符号组成一个OFDM帧，并在前端加入一个前导序列作为帧头，作为发射信号。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括：

MIMO编码后的传输数据分配给每根发射天线；

分配给每根发射天线的所述传输数据，生成对于不同发射天线彼此正交的时域训练序列，并分配给每根发射天线作为OFDM符号保护间隔；

对分配给每根发射天线的所述传输数据所生成的所述OFDM帧的前端，插入对于不同发射天线彼此正交前导序列作为帧头。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S2中，在插入编码后的传输数据中，每个导频组的中央导频左右两边各有相同数量的数个零导频。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S4中，带保护间隔的完整OFDM符号的前端或后端或者前后端有一个或多个时域训练序列。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述时域训练序列选用Zadoff-Chu序列。

6.一种多载波Large-Scale MIMO系统的信道估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2＇.根据分离后的前导序列获得信道估计；

S4＇.根据前一个带保护间隔的完整OFDM符号的信道估计或者信道估计的预测，获得这次OFDM符号的重构；

S5＇.将OFDM符号的重构结果变换到频域，提取频域的导频，根据提取的导频结合所述信道的时延估计获得信道时延处的增益估计。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述步骤S3＇之后，步骤S4＇之前，还包括：判断带保间隔的完整OFDM符号是否为OFDM帧的第一个符号，如果是，则将所述分离后前导序列获得的信道估计结果，作为上一个带保护间隔的完整OFDM符号的信道估计，如果否，则进入步骤S4＇。

8.一种多载波Large-Scale MIMO系统的发射信号配置设备，其特征在于，包括以下模块：

时域训练序列生成模块，用于生成时域训练序列；

9.根据权利要求8所述设备，其特征在于，还包括：

数据分配模块，用于将MIMO编码后的数据分配给每根发射天线；

正交的时域训练序列生成模块：生成对于不同发射天线彼此正交的时域训练序列，并分配给每根发射天线作为OFDM符号保护间隔；

正交的前导序列加入模块：用于将对分配给每根发射天线的所述传输数据所生成的所述OFDM帧的前端，插入对于不同发射天线彼此正交前导序列作为帧头。

10.根据权利要求8所述设备，其特征在于，所述OFDM生成模块中，在插入编码后的传输数据中，每个导频组的中央导频左右两边各有相同数量的数个零导频。

11.根据权利要求8所述设备，其特征在于，所述带保护间隔的完整OFDM符号生成模块中，带保护间隔的完整OFDM符号的前端或后端或者前后端有一个或多个时域训练序列。

12.根据权利要求8所述设备，还包括：时域训练序列选择模块，用于选用Zadoff-Chu序列作为时域训练序列。

13.一种多载波Large-Scale MIMO系统的信道估计设备，其特征在于，包括以下模块：

OFDM循环重构模块，用于根据前一个带保护间隔的完整OFDM符号的信道估计或者信道估计的预测，获得这次OFDM符号的重构；

14.根据权利要求8所述设备，还包括：判断模块，用于判断保间隔的完整OFDM符号是否为OFDM帧的第一个符号，如果是，则将所述分离后前导序列获得的信道估计结果，作为上一个带保护间隔的完整OFDM符号的信道估计，如果否，则由OFDM循环重构模块进行处理。