CN103986674B - 矿井巷道上行时频编码协作mc‑cdma信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井巷道上行时频编码协作MC‑CDMA信道估计方法。首先形成带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC‑CDMA数据传输帧，各个用户的导频序列是同一个导频序列的不同时延副本。该导频设计方法，可以使各用户的导频序列在时域上彼此错开一个MC‑CDMA符号循环前缀的长度，不仅避免了多用户间干扰，还可以将多个用户的导频MC‑CDMA符号安排在一帧中相同位置。然后在基站或协作伙伴端利用接收到各用户的导频序列进行信道估计，得到各个用户各子载波对应信道增益的估计值。该算法能够在避免多用户间干扰的同时尽可能提高导频资源利用率。

Description

矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法

技术领域

本发明属于井下通信技术领域，具体涉及一种矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法。

背景技术

相比于地面无线信道，矿井巷道无线信道多径衰落更加严重，严重影响了煤矿井下无线通信系统的性能。高效综合地利用煤矿井下通信系统的空间、时间和频率等各种资源，可以使煤矿井下无线通信系统的无线覆盖性能、容量和速率等得到显著地提高。

多载波调制能有效抗多径衰落，为在移动环境所带来的高度不利的无线信道条件下传输高速数据提供了一种好的解决办法。而码分多址(Code Division MultipleAccess,CDMA)具有抗干扰能力强、误码率低和抗多径衰落的突出优点。矿井巷道频率资源是开放的，以多载波技术融合CDMA技术是矿井巷道无线通信的理想基础调制技术之一。在煤矿井下无线传输信道与带状受限空间结构的条件下，在上行链路中采用多载波码分多址(Multiple Carrier-Code Division Multiple Access,MC-CDMA)无线传输，可以通过充分利用矿井巷道开放的频率资源，克服多径衰落严重对矿井巷道无线传输造成不利的影响。

协作分集利用无线信道的广播特性，通过多个移动用户相互协作获得上行链路发射分集，可以有效对抗无线信道多径衰落，提高数据速率。矿井巷道空间是受限的带状空间，非常适宜采用协作多跳的无线通信方式。通过为与基站间信道状况较差用户寻找一个与基站间信道状况较好的协作伙伴，可以显著提高信道状况较差用户的信道容量和误码率性能。这样就不会因为用户移动到信道状况较差的地点，而导致基站与用户间的信道容量衰减过大、通信质量很差甚至通信中断等情况的发生。协作分集的方式主要有放大转发(Amplify and Forward,AF)、解码转发(Decode and Forward,DF)和编码协作(CodedCooperation,CC)等3种方式。放大转发和解码转发只是重复转发所接收到的信息比特，效率较低。而编码协作在本质上是将码字分为2个部分，每一个部分都由协作伙伴之一进行传送，不仅获得了编码增益，而且还可以在协作伙伴之间十分灵活地分配信道编码符号，编码效率很高。

在矿井巷道上行链路采用时频编码协作多载波码分多址(Multiple Carrier-code Division Multiple Access,MC-CDMA)无线传输方案，既可以充分利用矿井巷道开放的频率资源来克服多径衰落严重对矿井巷道无线传输造成的不利影响，又可以通过为与基站间信道状况较差用户寻找一个与基站间信道状况较好的协作伙伴，显著提高信道状况较差用户的信道容量和误码率性能。

在矿井巷道时频编码协作MC-CDMA上行链路中，来自各个移动台的信号在到达其协作伙伴或基站前受到不同的衰落信道的影响。为使基站能正确地解调出各移动台的发射信号，基站需要估计出与各移动台之间的信道状态信息；为使用户能正确地解调出其协作伙伴的发射信号，用户需要估计出与其协作伙伴之间的信道状态信息。矿井巷道时频编码协作MC-CDMA上行链路由于涉及到多用户间的大量协作，采用基于子空间类的盲信道估计方法将不可避免地涉及到十分复杂的矩阵计算，其运算量难以承受。采用传统的基于导频的信道估计算法，可以避免复杂的矩阵运算，但需要通过将不同用户的导频符号安排在MC-CDMA帧中不同位置来避免多用户间干扰，这会降低上行链路导频资源利用率和增加系统开销。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法，包括带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧的形成及传输和利用接收到的带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧进行信道估计两部分，所述带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧的形成及传输包括以下步骤：

对矿井巷道每个移动用户信源经过二相移相键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)调制的数据流进行码元分组，每组有F个码元；

对每个码组进行循环冗余编码即插入N位帧检验序列(Frame Check Sequence,FCS)，N的大小为编码所采用生成多项式的长度减1；

对插入FCS的码组进行码率为R的卷积编码，最终形成码元个数为N_d*P＝(F+N)/R的卷积编码帧作为矿井巷道移动用户时频码第一部分的数据分组，N_d为数据传输帧中数据MC-CDMA符号的个数；

对作为矿井巷道移动用户时频码第一部分数据分组的卷积编码帧进行时频变换，即将位于后半部分的码字取反移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分，作为矿井巷道移动用户时频码第二部分的数据分组；

对矿井巷道移动用户时频码第一部分数据分组或第二部分数据分组1:P的串并变换，数据流被分成P路独立的并行数据分组，将被分配在MC-CDMA的P个扩频支路上分别独立发射；

对每一路独立的数据分组都经过1:G的复制，形成G路相同的并行数据流，G一般取16、32或64；

对复制后的G路并行数据分组用长度为G的扩频码进行频域扩频，不同的矿井巷道移动用户采用不同的扩频码；

对频域扩频后的P*G路并行数据分组插入并行块状导频，就形成了带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧，用户k的导频序列是用户1导频序列在时域上延时即循环移位(k-1)*L_cp点得到的，L_cp表示矿井巷道MC-CDMA符号循环前缀的长度；

对插入并行块状导频后的P*G路并行数据分组进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，将各路信号调制到相应的子载波上；

将调制后P*G路子载波上的信号相加后在矿井巷道移动用户的天线上发射。

所述利用接收到的带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧进行信道估计包括以下步骤：

基站或协作伙伴接收到的信号是矿井巷道各移动用户的信号和噪声的叠加，对接收到的信号进行与发射端快速傅里叶逆变换(IFFT)对应的快速傅里叶变换(FFT)，恢复出P*G个子载波上的信号，形成P*G路并行数据分组；

对形成的P*G路并行数据分组，分别提取出第一位，得到各移动用户块状导频经矿井巷道传输后叠加的频域数组；

用上述频域数组点除用户1的频域导频序列，得到各移动用户频域信道增益的叠加；

对各移动用户频域信道增益的叠加进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，得到各移动用户信道时域冲激响应的叠加；

根据各用户导频序列的时移特性，从各移动用户信道时域冲激响应的叠加中，分离出个各移动用户的信道时域冲激响应；

对各移动用户的信道时域冲激响应进行快速傅里叶变换(FFT)，得到各移动用户P*G个子载波对应的信道增益。

本发明的有益效果是：

本发明所提出的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计算法利用循环移位对不同用户的在频域上构造不同的导频序列，实现区分用户的时域冲激响应的目的。它通过将同一个频域导频序列的不同时延副本分配给各个用户进行信道估计，可以使各用户的导频序列在时域上彼此错开一个MC-CDMA符号循环前缀的长度，不仅避免了多用户间干扰，还可以将多个用户的导频MC-CDMA符号安排在一帧中相同位置，而不必为每个用户分别预留特定的位置。该算法弥补了传统的基于导频的信道估计算法的不足，能够在避免多用户间干扰的同时尽可能提高导频资源利用率，节约了系统开销。

附图说明

图1为矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输系统；

图2为矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输系统发射机框图；

图3为矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输系统接收机框图；

图4为带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧结构；

图5为矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA传输信道链路；

图6为在矿井巷道时频编码协作MC-CDMA上行链路中采用所提出的信道估计算法与理想信道估计，用户1误比特率对比情况；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

一种矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法，包括带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧的形成及传输和利用带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧进行信道估计两部分。

实施例1：以下对本发明的方法加以论述：

考虑图1显示的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输系统，采用图2和图3显示的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA收发机进行传输。当目标用户与基站间信道状况较差时，基站按一定的规则为其选择一个与基站间信道状况较好协作伙伴。

1.发射信号

考察系统中有K(K＞0)个用户的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输中，任一用户k的发射过程。将矿井巷道移动用户上行传输时隙均分成两个时间周期。用户k的信源经过二相移相键控(BPSK)调制后首先分为符号组，每组有F个比特或码元，将任一符号组的F个符号表示为[a_k ⁽¹⁾,…,a_k ^(F)]，取值为+1或-1。图4给出了带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧的形成过程，每组的F个符号依次经过循环冗余编码即插入N位帧检验序列、码率为R的卷积编码形成时频码第一部分数据分组。再经时频变换形成时频码第二部分数据分组。时频码包括两个部分，分别在两个时间周期传输。

假定用户k由卷积码编码形成时频码第一部分数据分组为：

那么，经过时频变换后，时频码字可以表示为：

式中，第一行和第二行分别对应时频码码字第一部分数据分组和第二部分数据分组。

简单起见，将用户k由N_d*P个码元组成的时频码第一部分数据分组或第二部分数据分组记为[S_k ¹,…,S_k ^Nd*P]，取值为+1或-1。数据分组经过1:P的串并变换后分割成P路独立的数据流，将分别由P个扩频支路发送出去。串并变换后每一路的数据流都经过1:G的复制，形成G路相同的并行数据流，然后进行频域扩频，再对频域扩频后的P*G路并行数据分组插入并行块状导频，最后通过快速傅里叶逆变换(IFFT)运算调制到相应的N_c＝P*G个子载波上，各子载波信号相加后发射，即每个符号都经过MC-CDMA调制后由用户天线发射出去。

以p⁽¹⁾(n_t)表示用户1导频序列的时域表达式，那么用户k的导频序列在时域上可以表示为：

其中，N_c为MC-CDMA子载波数，L_cp为MC-CDMA循环前缀的长度，(·)_Nc表示模N_c除法所得的余数。

根据快速傅里叶变换(FFT)的时移特性即信号在时域中的位移不改变其幅频特性，相频特性附加一线性相移，用户k的导频序列在频域上可以表示为：

其中，P⁽¹⁾(n_c)是用户1导频序列的频域表达式，可以为全1序列。

2.信道模型

图5给出了在矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输中，用户1信息的传输信道链路。在第1个时间周期，用户1向基站及其协作伙伴用户2传输自身时频码的第1部分。在第2个时间周期，用户2向基站传输用户1时频码的第2部分。从图2可以看出矿井巷道时频编码协作MC-CDMA上行多用户信道估计涉及两个时间周期的3条信道链路，分别是用户1到基站、用户1到其协作伙伴即用户2和用户2到基站这3条信道链路。

将用户k的MC-CDMA信号所经历的矿井巷道多径信道建模成L径复等效低通时变冲激响应：

其中，α_s ^(k)为用户k第s径的路径增益，τ_s ^(k)为用户k第s径的传播延迟。

3.接收信号

各用户导频序列经历了公式5所描述的信道后，基站和某一用户的的协作伙伴q接收到的信号分别可表示为：

其中，表示N_c点循环卷积，w(n_t)为独立同分布的高斯白噪声，这里假设理想同步。

4.信道估计

不失一般性，以基站端接收到的各用户导频序列为例进行分析。对公式6进行快速傅里叶变换(FFT)，得到各用户的导频序列经过矿井巷道多径信道后在基站端的频域表达式：

其中，W(n_c)＝FFT{w(n_t)}是高斯白噪声在频域上的采样，H^(k)(n_c)是用户k在第n_c个子载波上的信道频率响应：

由公式3和公式7得：

根据快速傅里叶变换(FFT)的时移特性，对公式10等号两边进行快速傅里叶逆变换(IFFT)得：

其中，

由于矿井巷道多径信道时域冲激响应的长度不大于循环前缀的长度，各用户与其协作伙伴或基站间的所有信道信息都包括在其信道时域冲激响应的前L_cp个抽样点上，其余的抽样点都是噪声。因此，是每个用户对应的信道冲激响应在时间轴上没有任何重合的交错组合。用户k与其协作伙伴或基站之间信道链路的时域冲激响应可以从中分离出来：

再通过快速傅里叶变换(FFT)，将转换回频域，得到用户k各子载波对应信道增益的估计值：

这样，基站或协作伙伴就可以利用公式14得到的用户k各子载波对应信道增益的估计值，解调出各移动台的发送信号。

实施例2：

本发明的方法适用于任何在上行链路采用时频编码协作MC-CDMA传输方案的矿井巷道移动通信系统。

参照附图，一种矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法的具体步骤包括：

1)矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧的形成及传输

步骤1，任一矿井巷道移动用户k信源经过二相移相键控(BPSK)调制的数据流进行码元分组，每组有F个码元，每组的F个码元表示为[a_k ⁽¹⁾,…,a_k ^(F)]，取值为+1或-1；

步骤2，对每个码组进行循环冗余编码即插入N位帧检验序列(FCS)；

步骤3，对插入FCS的码组进行码率为R的卷积编码，最终形成码元个数为N_d*P＝(F+N)/R的卷积编码帧作为矿井巷道移动用户时频码第一部分的数据分组，N_d为数据传输帧中数据MC-CDMA符号的个数；

步骤4，对作为矿井巷道移动用户时频码第一部分数据分组的卷积编码帧进行时频变换，即将位于后半部分的码字取反移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分，作为矿井巷道移动用户时频码第二部分的数据分组，将由N_d*P个码元组成的时频码任一部分记为[S_k ¹,…,S_k ^Nd*P]，取值为+1或-1；

步骤5，对每个要传输的时频码第一部分数据分组或第二部分数据分组[S_k ¹,…,S_k ^Nd*P]进行1:P的串并变换，数据流被分成P路独立的并行分组[S_k ¹,…,S_k ^P；…；S_k ^{(Nd -1)*P+1},…,S_k ^Nd*P]^T，将被分配在MC-CDMA的P个扩频支路上分别独立发射，[]^T表示转置运算；

步骤6，每一路独立的数据流都经过1:G的复制，形成G路相同的并行数据流；

步骤7，对复制后的G路并行数据流用长度为G的扩频码进行频域扩频，不同的矿井巷道移动用户采用不同的扩频码；

步骤8，对频域扩频后的P*G路并行数据分组插入并行块状导频，就形成了带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧，用户k导频序列的频域表达式为：

其中，P⁽¹⁾(n_c)用户1导频序列的频域表达式，N_c为MC-CDMA子载波数，L_cp为MC-CDMA循环前缀的长度；

步骤9，对插入并行块状导频后的P*G路并行数据分组进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，将各路信号调制到相应的子载波上，得到用户k导频序列的频域表达式为：

其中，p⁽¹⁾(n_t)为用户1导频序列的时域表达式，(·)_Nc表示模N_c除法所得的余数；

2)利用接收到的带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧进行信道估计

步骤1，基站或协作伙伴q接收到的信号是矿井巷道各移动用户的信号和噪声的叠加，对接收到的信号进行与发射端快速傅里叶逆变换(IFFT)对应的快速傅里叶变换(FFT)，恢复出P*G个子载波上的信号，各用户导频序列经历了矿井巷道多径信道后，基站和某一用户的的协作伙伴q接收到的信号分别可表示为：

其中，表示N_c点循环卷积，w(n_t)为独立同分布的高斯白噪声，不失一般性，以基站端接收到的各用户导频序列为例后续进行分析；

步骤2，对基站接收到的各移动用户块状导频经矿井巷道传输后叠加的频域数组进行快速傅里叶变换(FFT)，得到各用户的导频序列经过矿井巷道多径信道后在基站端的频域表达式：

其中，W(n_c)＝FFT{w(n_t)}是高斯白噪声在频域上的采样，H^(k)(n_c)是用户k在第n_c个子载波上的信道频率响应：

步骤3，用各用户的导频序列经过矿井巷道多径信道后在基站端的频域表达式除以用户1导频序列的频域表达式P⁽¹⁾(n_c)，到各移动用户频域信道增益的叠加：

步骤4，对各移动用户频域信道增益的叠加进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，得到各移动用户信道时域冲激响应的叠加：

其中，

步骤5，利用是每个用户对应的信道冲激响应在时间轴上没有任何重合的交错组合的特性，分离出用户k与其协作伙伴或基站之间信道链路的时域冲激响应

步骤6，对用户k与其协作伙伴或基站之间信道链路的时域冲激响应进行快速傅里叶变换(FFT)，得到用户k各子载波对应信道增益的估计值：

这样，基站或协作伙伴就可以利用用户k各子载波对应信道增益的估计值，解调出各移动台的发送信号。

为评估所提出的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法的性能，对矿井巷道移动用户误比特率进行蒙特卡洛仿真，并与理想信道估计的误比特率进行对比。如图1所示，假设巷道宽度2a为10m，高度2b为6m，基站在矿井巷道笛卡尔坐标系中的坐标为(2.5,1.5,0)，各移动用户的坐标为(2.5,-1.5,z)，z为矿井巷道移动用户距原点或基站的轴向距离，单位是米。取载波中心频率为900MHz，用户1和协作伙伴用户2的z坐标分别为200m和100m。图4中进行循环冗余编码即插入FCS的生成多项式为G(x)＝x4+x+1,卷积编码的生成器为(7,[171,133])，各扩频支路子载波上的信息采用正交恢复合并，循环前缀长度L_cp＝32，表1给出了系统仿真参数。

图6(a)和图6(b)分别给出了用户数为2和用户数为6时，在矿井巷道上行时频编码MC-CDMA无线传输中，采用所提出的信道估计方法与理想信道估计，用户1误比特率对比情况。用户数为2和用户数为6时对应误码率的细微差异是由于用户数增多导致的用户间干扰增大造成的。从图6(a)和图6(b)可以看出，采用所提出的矿井巷道时频编码协作MC-CDMA上行链路信道估计算法的误码率性能接近理想信道估计的误码率性能。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA(多载波码分多址)信道估计方法，其特征在于，包括带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧的形成及传输和利用接收到的带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧进行信道估计两部分；其中：

所述带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧的形成及传输包括以下步骤：

步骤1对矿井巷道每个移动用户信源经过二相移相键控调制的数据流进行码元分组，每组有F个码元；

步骤2对每个码组进行循环冗余编码即插入N位FCS(帧检验序列)，N的大小为编码所采用生成多项式的长度减1；

步骤3对插入FCS的码组进行码率为R的卷积编码，最终形成码元个数为N_d*P＝(F+N)/R的卷积编码帧作为矿井巷道移动用户时频码第一部分的数据分组，N_d为数据传输帧中数据MC-CDMA符号的个数；

步骤4对作为矿井巷道移动用户时频码第一部分数据分组的卷积编码帧进行时频变换，即将位于后半部分的码字取反移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分，作为矿井巷道移动用户时频码第二部分的数据分组；

步骤5对矿井巷道移动用户时频码第一部分数据分组或第二部分数据分组1:P的串并变换，数据流被分成P路独立的并行数据分组，将被分配在MC-CDMA的P个扩频支路上分别独立发射；

步骤6对每一路独立的数据分组都经过1:G的复制，形成G路相同的并行数据流；

步骤7对复制后的G路并行数据分组用长度为G的扩频码进行频域扩频，不同的矿井巷道移动用户采用不同的扩频码；

步骤8对频域扩频后的P*G路并行数据分组插入并行块状导频，就形成了带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧，用户k的导频序列是用户1导频序列在时域上延时即循环移位(k-1)*L_cp点得到的；其中L_cp表示矿井巷道MC-CDMA符号循环前缀的长度；

步骤9对插入并行块状导频后的P*G路并行数据分组进行快速傅里叶逆变换，将各路信号调制到相应的子载波上；

步骤10将调制后P*G路子载波上的信号相加后在矿井巷道移动用户的天线上发射；

所述利用接收到的带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧进行信道估计包括以下步骤：

步骤1基站或协作伙伴接收到的信号是矿井巷道各移动用户的信号和噪声的叠加，对接收到的信号进行与发射端快速傅里叶逆变换对应的快速傅里叶变换，恢复出P*G个子载波上的信号，形成P*G路并行数据分组；

步骤2对形成的P*G路并行数据分组，分别提取出第一位，得到各移动用户块状导频经矿井巷道传输后叠加的频域数组；

步骤3用上述频域数组点除用户1的频域导频序列，得到各移动用户频域信道增益的叠加；

步骤4对各移动用户频域信道增益的叠加进行快速傅里叶逆变换，得到各移动用户信道时域冲激响应的叠加；

步骤5根据各用户导频序列的时移特性，从各移动用户信道时域冲激响应的叠加中，分离出个各移动用户的信道时域冲激响应；

步骤6对各移动用户的信道时域冲激响应进行快速傅里叶变换，得到各移动用户P*G个子载波对应的信道增益。

2.根据权利要求1所述矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法，其特征在于，所述带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧的形成及传输，对任一用户k，包括以下数据传输帧形成和传输步骤：

步骤1任一矿井巷道移动用户k信源经过二相移相键控调制的数据流进行码元分组，每组有F个码元，每组的F个码元表示为[a_k ⁽¹⁾,…,a_k ^(F)]，取值为+1或-1；

步骤2对每个码组进行循环冗余编码即插入N位帧检验序列；

步骤3对插入FCS的码组进行码率为R的卷积编码，最终形成码元个数为N_d*P＝(F+N)/R的卷积编码帧作为矿井巷道移动用户时频码第一部分的数据分组，N_d为数据传输帧中数据MC-CDMA符号的个数；

步骤4对作为矿井巷道移动用户时频码第一部分数据分组的卷积编码帧进行时频变换，即将位于后半部分的码字取反移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分，作为矿井巷道移动用户时频码第二部分的数据分组，将由N_d*P个码元组成的时频码任一部分记为[S_k ¹,…,S_k ^Nd*P]，取值为+1或-1；

步骤5对每个要传输的时频码第一部分数据分组或第二部分数据分组[S_k ¹,…,S_k ^Nd*P]进行1:P的串并变换，数据流被分成P路独立的并行分组[S_k ¹,…,S_k ^P；···；S_k ^(Nd-1)*P+1,…,S_k ^Nd*P]^T，将被分配在MC-CDMA的P个扩频支路上分别独立发射，[]^T表示转置运算；

步骤6每一路独立的数据流都经过1:G的复制，形成G路相同的并行数据流，G一般取16、32或64；

步骤7对复制后的G路并行数据流用长度为G的扩频码进行频域扩频，不同的矿井巷道移动用户采用不同的扩频码；

步骤8对频域扩频后的P*G路并行数据分组插入并行块状导频，就形成了带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧，用户k导频序列的频域表达式为：

$P^{\left(k\right)}\left(n_c\right)=P^{\left(1\right)}\left(n_c\right)e^{-j2\mathrm{\π}(k-1)L_{cp}{n}_c/N_c},1\≤n_c\≤N_c$

其中，P⁽¹⁾(n_c)用户1导频序列的频域表达式，N_c为MC-CDMA子载波数，L_cp为MC-CDMA循环前缀的长度；

步骤9对插入并行块状导频后的P*G路并行数据分组进行快速傅里叶逆变换，将各路信号调制到相应的子载波上，得到用户k导频序列的频域表达式为：

$p^{\left(k\right)}\left(n_t\right)=p^{\left(1\right)}{(n_t-(k-1)*L_{cp})}_{N_c},1\≤n_t\≤N_c$

其中，p⁽¹⁾(n_t)为用户1导频序列的时域表达式，(·)_Nc表示模N_c除法所得的余数；

步骤10将调制后P*G路子载波上的信号相加后在矿井巷道移动用户的天线上发射。

3.根据权利要求1所述矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法，其特征在于，所述利用接收到的带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧进行信道估计，对任一用户k，包括以下信道估计步骤：

步骤1基站或协作伙伴q接收到的信号是矿井巷道各移动用户的信号和噪声的叠加，对接收到的信号进行与发射端快速傅里叶逆变换对应的快速傅里叶变换，恢复出P*G个子载波上的信号，各用户导频序列经历了矿井巷道多径信道后，基站和某一用户的的协作伙伴q接收到的信号分别可表示为：

$r^{\left(BS\right)}\left(n_t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{p}^{\left(k\right)}\left(n_t\right)\⊗h\left(k\right)\left(n_t\right)+w\left(n_t\right),1\≤n_t\≤N_c$

$r^{\left(q\right)}\left(n_t\right)=\underset{k=1,k\≠q}{\overset{K}{\Σ}}{p}^{\left(k\right)}\left(n_t\right)\⊗h^{\left(k\right)}\left(n_t\right)+w\left(n_t\right),1\≤n_t\≤N_c$

其中，表示N_c点循环卷积，w(n_t)为独立同分布的高斯白噪声，不失一般性，以基站端接收到的各用户导频序列为例后续进行分析；h^(k)(n_t)：为将用户k的MC-CDMA信号所经历的矿井巷道多径信道建模成L径复等效低通时的变冲激响应，其中，α_s ^(k)为用户k第s径的路径增益，τ_s ^(k)为用户k第s径的传播延迟；

步骤2对基站接收到的各移动用户块状导频经矿井巷道传输后叠加的频域数组进行快速傅里叶变换，得到各用户的导频序列经过矿井巷道多径信道后在基站端的频域表达式：

$R^{\left(BS\right)}\left(n_c\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{P}^{\left(k\right)}\left(n_c\right)*H^{\left(k\right)}\left(n_c\right)+W\left(n_c\right),1\≤n_c\≤N_c$

其中，W(n_c)＝FFT{w(n_t)}是高斯白噪声在频域上的采样，H^(k)(n_c)是用户k在第n_c个子载波上的信道频率响应：

$H^{\left(k\right)}\left(n_c\right)=\underset{s=1}{\overset{L}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_s^{\left(k\right)}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_c}{n}_c{\mathrm{\τ}}_s^{\left(k\right)}},1\≤n_c\≤N_c$

步骤3用各用户的导频序列经过矿井巷道多径信道后在基站端的频域表达式除以用户1导频序列的频域表达式P⁽¹⁾(n_c)，到各移动用户频域信道增益的叠加：

$\frac{R^{\left(BS\right)}\left(n_c\right)}{P^{\left(1\right)}\left(n_c\right)}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{H}^{\left(k\right)}\left(n_c\right)e^{-j2\mathrm{\π}(k-1)L_{cp}{n}_c/N_c}+\frac{W\left(n_c\right)}{P^{\left(1\right)}\left(n_c\right)}$

步骤4对各移动用户频域信道增益的叠加进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，得到各移动用户信道时域冲激响应的叠加：

$\begin{array}{c}\hat{h}\left(n_t\right)=IFFT\left\{\frac{R^{\left(BS\right)}\left(n_c\right)}{P^{\left(1\right)}\left(n_c\right)}\right\}\\ =\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{h}^{\left(k\right)}(n_t-(k-1)*L_{cp})+\tilde{w}\left(n_t\right),1\≤n_t\≤N_c\end{array}$

其中，

$\tilde{w}\left(n_t\right)=\frac{1}{N_c}\underset{n_c=1}{\overset{N_c}{\Σ}}\frac{W\left(n_c\right)}{P^{\left(1\right)}\left(n_c\right)}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N_c}{n}_t{n}_c},1\≤n_t\≤N_c$

步骤5利用是每个用户对应的信道冲激响应在时间轴上没有任何重合的交错组合的特性，分离出用户k与其协作伙伴或基站之间信道链路的时域冲激响应

${\hat{h}}^{\left(k\right)}\left(n_t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\hat{h}(n_t+(k-1)*L_{cp}),& 1\&le;n_t\&le;L_{cp}\\ 0,& L_{cp}<n_t\&le;N_c\end{array}\right.$

步骤6对用户k与其协作伙伴或基站之间信道链路的时域冲激响应进行快速傅里叶变换，得到用户k各子载波对应信道增益的估计值：

${\hat{H}}^{\left(k\right)}\left(n_c\right)=FFT\left\{{\hat{h}}^{\left(k\right)}\left(n_t\right)\right\},1\&le;n_c\&le;N_c$

这样，基站或协作伙伴就可以利用用户k各子载波对应信道增益的估计值，解调出各移动台的发送信号。