CN104144040A - 一种mimo通信数据发送方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种MIMO通信数据发送方法和装置，其中所述方法包括步骤：对数据流进行调制映射和串并转换，以生成第一调制符号向量；对第一调制符号向量进行绑定可逆变换和随机可逆变换，以生成第二调制符号向量；以第二调制符号向量为对象，进行通信数据发送前的后续数据处理步骤。本申请在根据各路天线的数据流生成调制符号后，通过对调制符号向量进行绑定可逆变换和随机可逆变换，从而可以使每一个调制符号的能量都被扩散到了整个频域和/或时域的两个以上的点上，所以可以有效提高频域维数和时域维数的利用率；由于本申请进行绑定可逆变换和随机可逆变换可以以软件的方式实现，或是，通过设有少量的硬件设备即可实现，所以可以有效地节约维数扩展的成本。

Description

一种MIMO通信数据发送方法和装置

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种MIMO通信数据发送方法和装置。

背景技术

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)系统，在发送端和/或接收端采用多根天线，通过将多根天线的数据流进行并行的发送和接收，来达到提高性能的同时，还可以起到显著克服信道的衰落，降低误码率的效果。

MIMO系统中，典型的宽带类型包括有MIMO-SCFDE(Multiple InputMultiple Output，Single Carrier with Frequency Domain Equalization，多输入多输出单载波频域均衡)系统，以及，MIMO-OFDM(Multiple Input MultipleOutput，Orthogonal Frequency Division Multiplexing，多输入多输出正交频分复用)系统，以及，窄带MIMO系统，即，在时延扩展可以忽略的场合，MIMO系统也可以是窄带的，这时MIMO信道的作用等效为一个矩阵。

采用上述系统进行数据传送时，数据发送端所生成的MIMO通信信号的维数(dimension)对数据接收端在进行MIMO信号检测时的检测性能有着一定的影响。具体的，当采用某些检测方法进行检测时，数据发送端所生成的MIMO通信信号的维数越大，数据接收端在进行MIMO信号检测时的检测性能就越好，这种现象在文献中称为大维数现象或大维数效应(Large Dimensional Effect,Large System Behavior)，为此，现有技术中，一般会采用分别增加数据发送端和接收端的天线数量的方式来增加MIMO通信信号的维数。

发明人经过研究发现，现有技术中增加MIMO通信信号的维数的方式至少存在以下缺陷：

通过增加天线的数量来增加MIMO通信信号的(空域)维数，会导致MIMO系统中硬件设备的成本增加。此外，在某些特定的应用场景中，例如手持设备移动通信中，由于手持设备的天线数量会受到其尺寸的限制而不能大量增加，所以，现有的通过增加天线数量来增加MIMO通信信号的(空域)维数的方式不适用。

发明内容

本发明实施例提供一种MIMO通信数据发送方法和装置，用以解决现有技术中通过增加天线的数量来增加MIMO通信信号的维数，会导致MIMO系统中硬件设备的成本增加的技术问题，同时也可以解决手持设备MIMO通信中，现有的通过增加天线数量来增加MIMO通信信号维数的方式不适用的技术问题。

一种MIMO通信数据发送方法，包括步骤：

对数据流进行调制映射和串并转换，以生成第一调制符号向量；

对所述第一调制符号向量进行绑定可逆变换和随机可逆变换，以生成第二调制符号向量；

以所述第二调制符号向量为对象，进行通信数据发送前的后续信号处理步骤。

优选的，在本发明实施例中，所述进行绑定可逆变换包括：

进行DFT、DCT或Walsh变换中的一种或多种任意组合的变换。

优选的，在本发明实施例中，所述随机可逆变换，包括：

随机置换或随机旋转中的一种或多种任意组合的变换。

优选的，在本发明实施例中，所述随机旋转包括：

随机反相变换。

优选的，在本发明实施例中，所述进行随机置换所对应的随机可逆变换矩阵为：

每行每列仅有一个元素为1的，其余元素都是0的正交矩阵。

优选的，在本发明实施例中，所述随机可逆变换矩阵为与所述数据流的接收端共同约定选用或生成。

优选的，在本发明实施例中，所述随机可逆变换矩阵为与所述数据流的接收端共同约定选用或生成，包括：

以所述随机可逆变换矩阵为密钥，与所述多路数据流的接收端共同约定选用或生成所述随机可逆变换矩阵。

优选的，在本发明实施例中，所述通信数据的发送采用：

MIMO-SCFDE、MIMO-OFDM或窄带MIMO系统。

优选的，在本发明实施例中，所述通信数据的发送采用窄带MIMO系统，且发送的通信数据为多路数据，包括：

所述多路数据分别采用不同的随机可逆变换和/或绑定可逆变换。

在本申请的另一面，还提供了一种MIMO通信数据发送装置，包括：

第一调制符号向量生成单元，用于对数据流进行调制映射和串并转换，以生成第一调制符号向量；

第二调制符号向量生成单元，用于对所述第一调制符号向量进行绑定可逆变换和随机可逆变换，以生成第二调制符号向量；

后续处理单元，用于以所述第二调制符号向量为对象，进行通信数据发送前的后续信号处理步骤。

优选的，在本发明实施例中，所述第二调制符号向量生成单元包括，用于进行绑定可逆变换的绑定可逆变换模块；

所述绑定可逆变换模块包括：

离散傅里叶变换模块、离散余弦变换模块或Walsh变换模块中的一种或多种任意组合。

优选的，在本发明实施例中，所述第二调制符号向量生成单元包括，用于进行随机可逆变换的随机可逆变换模块；

所述随机可逆变换模块包括，随机置换模块或随机旋转模块中的一种或多种任意组合。

优选的，在本发明实施例中，所述随机旋转模块包括：

随机反相变换模块。

优选的，在本发明实施例中，所述进行随机置换模块所对应的随机可逆变换矩阵为：

每行每列仅有一个元素为1，其余元素都是0的正交矩阵。

优选的，在本发明实施例中，所述随机可逆变换矩阵为与所述数据流的接收端共同约定选用或生成。

优选的，在本发明实施例中，所述随机可逆变换矩阵为与所述数据流的接收端共同约定选用或生成，包括：

以所述随机可逆变换矩阵为密钥，与所述多路数据流的接收端共同约定选用或生成所述随机可逆变换矩阵。

优选的，在本发明实施例中，所述数据发送装置应用于：

MIMO-SCFDE、MIMO-OFDM或窄带MIMO系统。

优选的，在本发明实施例中，当所述数据发送装置应用于窄带MIMO系统，且发送的通信数据为多路数据，包括：

所述多路数据分别采用不同的所述随机可逆变换模块和/或绑定可逆变换模块。

本发明有益效果包括：在本申请中，在将各路天线的数据流经过调制映射和串并转换生成调制符号后，通过对调制符号向量进行绑定可逆变换和随机可逆变换，从而使每一个第一调制符号的能量都被扩散到了整个频域和/或时域的两个以上的点上，所以可以有效提高频域维数和/或时域维数的利用率。由于本申请中，进行绑定可逆变换和随机可逆变换可以软件的方式实现，或是，通过设有少量的硬件设备即可实现，所以可以有效地节约维数扩展的成本。

此外，由于在本申请中，还可以通过采用在数据的发送端和接收端共同约定的方式来选择随机可逆变换的方式，这样，只有获知了发送端可逆随机变换的方式后，接收端才能对接收的数据进行相应的解码，从而通过本申请，还可以对传输的数据起到加密的作用，进而增强了数据传输的安全性。

此外，在某些特定的应用场景中，例如手持设备移动通信中，由于手持设备的天线数量会受到其尺寸的限制而不能大量增加，所以通过本申请中的技术方案，以增加时域和/或频域维数的方式来使MIMO系统的维数增加，同样可以获得大维数效应。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的MIMO通信数据发送方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的MIMO-OFDM系统中通信数据发送方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的MIMO-SCFDE系统中通信数据发送方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的窄带MIMO系统中通信数据发送方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的MIMO通信数据发送装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了MIMO通信数据发送方法及装置，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为了可以有效地节约维数扩展的成本，在本申请中，提供了一种MIMO通信数据发送方法，如图1所示，具体步骤包括：

S1、对数据流进行调制映射和串并转换，以生成第一调制符号向量；

在本步骤中，与常规的MIMO系统数据发送类似，需要对待发送的数据流通过编码器进行编码后，进行调制映射和串并转换，在实际应用中，调制映射和串并转换这两个步骤可以调换前后顺序，即，既可以先进行调制映射然后再进行串并转换，也可以是先进行串并转换然后再进行调制映射，在这里并不做具体的限定。

经过调制映射和串并转换后，数据流被转换为调制符号，为了区分本申请中不同步骤中的调制符号，本申请中将经过调制映射和串并转换后所生成的调制符号定义为第一调制符号，若干个第一调制符号可以组成一个第一调制符号向量。

S2、对第一调制符号向量进行绑定可逆变换和随机可逆变换，以生成第二调制符号向量；

本申请中的维数，包括空域维数、时域维数和频域维数三种。所谓MIMO通信信号的维数是指在MIMO系统发射端的一个经调制映射后的调制符号在接收端所影响到的时域或频域或空域信号的点数；比如，发射端经过一根发射天线所发送的一个调制符号，接收端的所有N_R根接收天线都可以收到该调制符号，那么该调制符号所影响到的空域的点数是N_R，即，此时，该调制符号的空域维数即为N_R。

现有技术中，以MIMO-OFDM系统发送信号时，发送端所发送的一个调制符号，由于发送端反离散傅里叶变换IDFT的作用，该调制符号接收端解调时在时域所影响到的点数是IDFT的点数N_c，此时，该调制符号的时域维数就是N_c；由于MIMO-OFDM中调制符号发送时，在频域被局部化在一个频域子信道上，该调制符号接收端解调时在频域所影响到的点数为1，所以，该调制符号的频域维数是1，即，现有技术中，MIMO-OFDM系统发送端的调制符号其时域维数为N_c，频域维数为1。

另外，现有技术中，以MIMO-SCFDE系统发送信号时，发送端所发送的一个数据块长度为N_b的调制符号，其时域维数为信道的可分辨多径数，频域维数为N_b；此外，以窄带MIMO系统发送信号时，发送端所发送的调制符号其时域维数为1，频域维数也为1。

由上可以得知，现有技术中的数据发送方法，在发送端的调制符号其可利用的维数中的时域维数或频域维数中的至少一个没有得到充分利用。

本申请的核心思路为，通过对调制符号向量进行绑定可逆变换和随机可逆变换，使调制符号的可利用的维数，即包括其时域维数，也包括其频域维数，在具有增加余地的情况下(例如，MIMO-OFDM信号的频域维数、MIMO-SCFDE信号的时域维数)得到增加，进而达到对调制符号进行扩维的目的。

本申请中的绑定可逆变换是指具有绑定作用的可逆变换，可以通过数学公式表示为y＝T(x)；其中，y＝(y₁,y₂,…,y_N)^T,x＝(x₁,x₂,…,x_N)^T是相同维数的向量，T是绑定可逆变换的变换算子；所谓绑定作用，是指变换前的x的任何一个分量x_i,i＝1,2,…,N都会影响变换后得到的向量y的两个至N个分量，即x的任何一个分量的能量通过变换扩散到了y的两个至N个分量上，也可以说x的任何一个分量与y的两个至N个分量都有相关性。

具体的技术方案中，进行绑定可逆变换其作用为对第一调制符号向量进行绑定以使变换后第一调制符号向量的每一个分量与变换前调制符号向量的多个分量都有相关性；具体的，可以通过如DFT、DCT或Walsh变换等可逆变换来实现。在实际应用中，可用于绑定可逆变换的变换方式有很多，只要是具有绑定作用的可逆变换即可，在此并不作具体的限定。

在实际应用中，当MIMO系统为MIMO-SCFDE系统时，当系统采用DFT/IDFT过抽样方法时，通常现有的实现过抽样作用的DFT模块已经完成了第一调制符号的绑定，此时MIMO-SCFDE系统可以省略绑定可逆变换，直接进行随机可逆变换即可。当然，在本申请中，也可以不省略绑定可逆变换，通过DFT、DCT或Walsh变换中的一种或多种任意组合的方式，对第一调制符号向量进行多次绑定可逆变换，在此并不对绑定可逆变换的次数做具体地限定。通过在MIMO-SCFDE系统进行绑定可逆变换并进一步进行随机可逆变换，可以对第一调制符号在时域上进行有效的扩维。

当MIMO系统为MIMO-OFDM系统时，对第一调制符号向量进行绑定可逆变换，则可以对第一调制符号在频域上进行有效的扩维。此时，MIMO-OFDM系统下进行绑定可逆变换的方式与MIMO-SCFDE系统类似，既可以是通过DFT、DCT或Walsh变换中的一种来实现，也可以是其中的多种变换方式的组合。

同理，本申请中的技术方案还适用于窄带MIMO系统，通过在窄带MIMO系统进行绑定可逆变换，可以对第一调制符号向量在时域上进行有效的扩维。同样，窄带MIMO系统下，进行绑定可逆变换的方式也与MIMO-SCFDE系统类似，既可以是通过DFT、DCT或Walsh变换中的一种来实现，也可以是其中的多种变换方式的组合。

进一步的，在本申请中，在窄带MIMO系统中，当发送的通信数据为多路数据时，对各路数据流完成绑定可逆变换，以及，进行随机可逆变换时，多路数据分别采用不同的随机可逆变换和/或绑定可逆变换模块，通过为多路数据分别设定不同的随机可逆变换和/或绑定可逆变换模块，可以在接收端获得更好的维数扩展处理的有益效果。

在对第一调制符号进行绑定可逆变换后，还需要通过随机可逆变换来防止数据发送过程中的后续步骤或者接收端的处理步骤对绑定可逆变换后的调制符号解扩维，这在采用DFT进行绑定变换的MIMO-OFDM系统和MIMO-SCFDE系统是需要的。

在本申请中，随机可逆变换是指一类具有随机性的可逆变换，典型的随机可逆变换包括随机置换(也叫随机交织)、随机反相变换和随机旋转变换；其中，随机置换的变换矩阵是每一行和每一列只有一个元素是1，其余元素是0的正交矩阵，其随机性体现在具体到某一行的1出现在什么位置是随机的；随机反相变换的变换矩阵是对角元为+1或者-1的对角矩阵，其随机性体现在具体到某一个对角元是+1还是-1是随机的；随机旋转矩阵是第k个对角元为的复数旋转因子的对角矩阵，其中θ_k∈[0,1)是随机的。在实际应用中，具有随机性的可逆变换有很多，在此并不作具体的限定。此外，本申请中进行随机可逆变换也可以是多次变换，比如，可以是进行随机置换并进行随机反相变换，在此对进行随机可逆变换的次数也并不做具体的限定。绑定可逆变换和随机可逆变换还可以交替进行，交替的次数和方式并不做具体的限定，但对第一调制符号向量进行首次变换时，需要先进行绑定可逆变换才有意义。

具体的，由于在MIMO-OFDM系统数据发送的后续步骤中，如果绑定可逆变换采用DFT变换，后面的IDFT变换会使的绑定可逆变换的效果抵消或者部分抵消；同样，在MIMO-SCFDE系统的接收端，如果绑定可逆变换采用DFT变换，接收端均衡后进行的IDFT变换会使的绑定可逆变换的效果抵消，所以，通过随机可逆变换，可以将经过绑定可逆变换后的调制符号打乱，从而避免在数据发送或接收的后续步骤中将调制符号恢复至绑定可逆变换前的状态。

在实际应用中，随机可逆变换具体可以是随机置换或随机旋转，具体的，以进行随机置换为例，可以是通过将第一调制符号向量与随机可逆变换矩阵进行相乘的方式来对调制符号进行置换。

S3、以第二调制符号向量为对象，进行通信数据发送前的后续信号处理步骤。

本申请中，将经过步骤S2中绑定可逆变换和随机可逆变换后的调制符号称为第二调制符号向量，其每一个分量是一个第二调制符号，在生成第二调制符号向量后，可以与现有技术中相同的方式来对第二调制符号向量进行后续的处理；如，在MIMO-SCFDE系统或MIMO-OFDM中，可以进行后续的插入导频和/或虚载波等，以实现信道估计、同步和过抽样等。

进一步的，在本申请中，随机可逆变换矩阵可以为与数据流的接收端共同约定选用或生成，具体可以是，以随机可逆变换矩阵为密钥，与多路数据流的接收端共同约定选用或生成随机可逆变换矩阵。

在实际应用中，MIMO系统的发送端和接收端需要互相适配，这样，由于在MIMO系统的发送端进行绑定可逆变换和随机可逆变换，所以在接收端需要进行相应的逆变换。

由于在接收端对进行了随机可逆变换后的调制符号向量进行相应的逆变换时，需要得知发送端所采用的随机可逆变换方式，才能进行相应的逆变换；所以，如果发送端与接收端采用互相约定的方式来生成或选用随机可逆变换的方式，且只有接收端知道发送端所选用随机可逆变换的方式，那么，在数据传输的过程中，即使数据被他人恶意获取，也会由于无法采用对数据流中的第二调制符号向量进行与随机可逆变换相应的逆变换而无法得到有效的数据，因此，通过本申请，还可以有效地提高数据传输过程中的安全性。

本领域专业人员应该理解，本发明发射机所涉及的DFT(IDFT)、DCT、Walsh变换等变换，发射端都可以采用它们逆变换IDFT(DFT)、IDCT、反Walsh变换来实现，只要接收端进行相应的改变，都可以得到相同的技术效果。

在MIMO-OFDM系统中应用本申请中的数据发送方法的具体方法具体可以如图2所示，包括以下步骤：

S101、对各路数据流进行信道编码。

以MIMO-OFDM系统中的包括有N_T路数据流为例，在通过MIMO-OFDM系统进行数据发送时，首先要各路数据流进行信道编码，具体的信道编码方式可以是，所有N_T路数据流只通过一个信道编码器编码，即，通过一个信道编码器编码后，再分成N_T路数据流；也可以是，将每一路或每几路数据流划分为组，每组中的一路或多路通过对应的信道编码器进行编码；在实际应用中，当信道编码器为多路时，这多路信道编码器可以相同也可以不同。

S102、对各路数据流进行调制映射。

具体的，在对N_T路数据流进行信道编码后，还需要对N_T路数据流进行调制映射，即，在逻辑上将N_T路数据流中的每一路数据流的符号根据所采用的调制映射方式映射到星座图对应点上。

在实际应用行中，多路数据流可以采用相同的也可以采用不同的调制映射方式。在MIMO系统中，普遍采用QAM(Quadrature Amplitude Modulation)、MPSK(M-ary Phase Shift Keying)等调制映射技术，在本领域中，调制映射又称为星座点映射或者称为比特映射，在本申请，这三种术语称谓的含义是等同的。

S103、对各路数据流分别进行串并转换，将各数据流分块为设定长度的数据块。

在完成调制映射后，还需要对N_T路数据流分别进行串并转换，以将各数据流分块为设定长度的数据块。

以数据块的长度为N_b为例，需要说明的是，本申请中的长度为N_b的数据块与N_b维向量具有相同含义，本申请中，所述数据块和向量具有相同含义，数据块的长度等同于向量的维数，具体的，长度为N_b的数据块可以被看作为一个N_b维向量，即该向量具有N_b个维数。

需要说明的是，在本申请中，步骤S102和步骤S103是可以根据本领域人员的选择互换的，这两步的具体先后顺序在此并不做限定；在经过步骤S102和步骤S103后，可以将待传输的数据块转换为调制符号向量，在本申请中，将通过步骤S102和步骤S103后生成的调制符号向量称为第一调制符号向量。

S104、对第一调制符号向量进行绑定可逆变换。

MIMO-OFDM系统中，如果采用现有技术中的数据发送方法，其调制符号的频域维数为1，即，发送端的调制符号在接收端的频域影响点数为1。

在本申请中，通过对第一调制符号向量进行绑定可逆变换，将数据块中的第一调制符号向量进行绑定变换，从而可以使原数据块的每一个调制符号的能量都被绑定可逆变换扩散到了频域的两个直至所有点上，即，使每一个第一调制符号在频域影响点数都得到增加，这样，通过对第一调制符号向量进行绑定可逆变换，使得在不影响调制符号的时域维数的前提下，扩大了调制符号的频域维数，从而有效提高了调制符号的维数。

S105、进行随机可逆变换。

由于在数据发送的后续步骤中，还会对N_T路数据流的各数据块分别进行N_c点IDFT等变换，以将调制符号变换到时域，这样有可能会使绑定可逆变换的效果抵消或部分抵消，为此，在本申请中，还需要通过随机可逆变换，将经过绑定可逆变换后的调制符号打乱，从而避免在数据发送的后续步骤中将调制符号恢复至绑定可逆变换前的状态。在实际应用中，随机可逆变换一般可以包括随机置换或随机旋转。

在本申请中，将进行绑定可逆变换和随机可逆变换的调制符号向量称之为第二调制符号向量，第二调制符号向量的每一个分量称为一个第二调制符号。

S106、以第二调制符号向量为对象，在频域插入导频和\或虚载波等，用来实现信道估计、同步和过抽样等。

本步骤为一般MIMO系统中发送数据时的常规操作，在此需要说明的是，因为导频和虚载波的插入，会使数据块的长度由N_b变为N_c，且N_c≥N_b。

S107、在插入导频和虚载波后，通过对数据块进行IDFT，获得时域基带信号。

具体的，可以是对N_T路数据流的各数据块分别进行N_c点进行IDFT，以根据各数据块得到相应的时域基带信号。

S108、对数据块插入保护间隔，以避免符号间的串扰。

具体的，可以是对N_T路数据流的各数据块对应的时域基带信号分别插入保护间隔。其中，插入保护间隔的方式可以采用插入循环前缀(CP,CyclicPrefix)、插入零填充(ZP，Zero Padding)或插入独特字(UW，Unique Word)等，其具体实施可以根据需要由本领域人员选择使用，在此并不做限定。

S109、对各路数据流进行并串转换，即，对N_T路数据流分别进行并串转换。

S110、对数据流分别进行发射前处理。

对N_T路数据流分别进行发射前处理，发射前处理具体可以包括进一步的基带处理，中频、射频调制、放大等过程。

通过上述步骤可以得知，在MIMO-OFDM系统中，由于本申请中的数据发送方法，进行绑定可逆变换和随机可逆变换可以软件的方式，或是，通过设有少量的硬件设备即可使发送端的调制符号的频域维数得到增加，即，实现了对基带信号频域维数的扩展，所以可以有效地节约维数扩展的成本。

此外，本申请中的数据发送方法还可以在MIMO-SCFDE系统中实现，具体方法具体可以如图3所示，包括以下步骤：

S201、对各路数据流进行信道编码。

以MIMO-SCFDE系统中的包括有N_T路数据流为例，在通过MIMO-SCFDE系统进行数据发送时，首先要各路数据流进行信道编码，具体的信道编码方式可以是，所有N_T路数据流只通过一个信道编码器编码，即，通过一个信道编码器编码后，再分成N_T路数据流；也可以是，将每一路或每几路数据流划分为组，每组中的一路或多路通过对应的信道编码器进行编码；在实际应用中，当信道编码器为多路时，这多路信道编码器可以相同也可以不同。

S202、对各路数据流进行调制映射。

具体的，在对N_T路数据流进行信道编码后，还需要对N_T路数据流进行调制映射，即，在逻辑上将N_T路数据流中的每一路数据流的符号根据所采用的调制映射方式映射到星座图对应点上。

在实际应用中，多路数据流可以采用相同的也可以采用不同的调制映射方式。在MIMO系统中，普遍采用QAM、MPSK等调制映射技术；在本领域中，调制映射又可以称为星座点映射或者称为比特映射，在本申请，这三种术语称谓的含义是等同的。

S203、对各路数据流分别进行串并转换，将各数据流分块为设定长度的数据块。

在完成调制映射后，还需要对N_T路数据流分别进行串并转换，以将各数据流分块为设定长度的数据块。以数据块的长度为N_b为例，需要说明的是，本申请中的长度为N_b的数据块与N_b维向量具有相同含义，本申请中，所述数据块和向量具有相同含义，数据块的长度等同于向量的维数，具体的，长度为N_b的数据块可以被看作为一个N_b维向量，即该向量的维数是N_b。

需要说明的是，在本申请中，步骤S202和步骤S203是可以根据本领域人员的选择互换的，这两步的具体先后顺序在此并不做限定；在经过步骤S202和步骤S203后，可以将待传输的数据块转换为调制符号，在本申请中，将通过步骤S202和步骤S203后生成的调制符号称为第一调制符号。

S204、对第一调制符号向量进行绑定可逆变换和随机可逆变换；

现在MIMO-SCFDE系统的实现方式中，普遍采用进行DFT变换来对各数据块的调制符号(即，第一调制符号)进行时域到频域的转换，以此来实现对信号的过抽样。

由于本申请中，进行维数的扩展的核心思路中即包括有通过进行绑定可逆变换，来扩展调制符号的时域维数，而在MIMO-SCFDE系统中所需的DFT变换即可完成上述目的，为此，在MIMO-SCFDE系统中，可以直接利用其DFT变换步骤来实现扩展调制符号的时域维数，然后再通过随机可逆变换以避免MIMO-SCFDE系统中接收端均衡后进行的N_b点IDFT的步骤中对调制符号进行解扩维即可。

当然，本领域人员应当知晓，在本步骤中，也可以不利用原有的DFT变换，在对各路数据流的各数据块分别进行N_b点DFT后再进行绑定可逆变换，同样也可以达到扩展调制符号的频域维数的目的。

由上述可以得知，在本申请，进行绑定可逆变换可以是由原有的DFT变换来代替，也可以是先进行N_b点DFT后再进行绑定可逆变换。

由于在MIMO-SCFDE系统中数据发送的后续步骤中，还会对N_T路数据流的各数据块分别进行N_c点IDFT等变换，接收端在完成均衡后也要对均衡后的数据进行IDFT变换，以将调制符号变换到时域，这样会使绑定可逆变换的效果抵消或部分抵消，为此，在本申请中，还需要通过随机可逆变换，将经过绑定可逆变换后的调制符号打乱，从而避免在数据发送的后续步骤中将调制符号恢复至绑定可逆变换前的状态。在实际应用中，随机可逆变换一般可以包括随机置换或随机旋转。

在本申请中，将经过进行绑定可逆变换和随机可逆变换的调制符号向量称之为第二调制符号向量。

S205、以第二调制符号向量为对象，在频域插入导频和虚载波等，用来实现信道估计、同步和过抽样等。

本步骤为一般MIMO系统中发送数据时的常规操作，在此需要说明的是，因为导频和虚载波的插入，会使数据块的长度由N_b变为N_c，且N_c≥N_b。

S206、在插入导频和虚载波后，通过对数据块进行IDFT，获得时域基带信号。

具体的，可以是对N_T路数据流的各数据块分别进行N_c点进行IDFT，以根据各数据块得到相应的时域基带信号。

S207、对数据块插入保护间隔，以避免符号间的串扰。

具体的，可以是对N_T路数据流的各数据块对应的时域基带信号分别插入保护间隔。其中，插入保护间隔的方式可以采用插入循环前缀、插入零填充或插入独特字等，其具体实施可以根据需要由本领域人员选择使用，在此并不做限定。

S208、对各路数据流进行并串转换，即，对N_T路数据流分别进行并串转换。

S209、对数据流分别进行发射前处理。

对N_T路数据流分别进行发射前处理，发射前处理具体可以包括进一步的基带处理，中频、射频的调制、放大等过程。

通过上述步骤可以得知，在MIMO-SCFDE系统中，由于本申请中的数据发送方法，进行绑定可逆变换和随机可逆变换可以软件的方式，或是，通过设有少量的硬件设备即可使发送端的调制符号的时域维数得到增加，即，实现了对基带信号时域维数的扩展，所以可以有效地节约维数扩展的成本。

此外，本申请中的数据发送方法还可以在窄带MIMO系统中实现，具体方法具体可以如图4所示，包括以下步骤：

S301、对各路数据流进行信道编码。

以窄带MIMO系统中的包括有N_T路数据流为例，在通过窄带MIMO系统进行数据发送时，首先要各路数据流进行信道编码，具体的信道编码方式可以是，所有N_T路数据流只通过一个信道编码器编码，即，通过一个信道编码器编码后，再分成N_T路数据流；也可以是，将每一路或每几路数据流划分为组，每组中的一路或多路通过对应的信道编码器进行编码；在实际应用中，当信道编码器为多路时，这多路信道编码器可以相同也可以不同。

S302、对各路数据流进行调制映射。

具体的，在对N_T路数据流进行信道编码后，还需要对N_T路数据流进行调制映射，即，在逻辑上将N_T路数据流中的每一路数据流的符号根据所采用的调制映射方式映射到星座图对应点上。

在实际应用行中，多路数据流可以采用相同的也可以采用不同的调制映射方式。在MIMO系统中，普遍采用QAM、MPSK等调制映射技术，在本领域中，调制映射又称为星座点映射或者称为比特映射，在本申请，这三种术语称谓的含义是等同的。

S303、对各路数据流分别进行串并转换，将各数据流分块为设定长度的数据块。

在完成调制映射后，还需要对N_T路数据流分别进行串并转换，以将各数据流分块为设定长度的数据块。

以数据块的长度为N_b为例，需要说明的是，本申请中的长度为N_b的数据块与N_b维向量具有相同含义，本申请中，所述数据块和向量具有相同含义，数据块的长度等同于向量的维数，具体的，长度为N_b的数据块可以被看作为一个N_b维向量，即该向量的维数是N_b。

需要说明的是，在本申请中，步骤S302和步骤S303是可以根据本领域人员的选择互换的，这两步的具体先后顺序在此并不做限定；在经过步骤S302和步骤S303后，可以将待传输的数据块转换为调制符号，在本申请中，将通过步骤S302和步骤S303后生成的调制符号向量称为第一调制符号向量。

S304、对第一调制符号向量进行绑定可逆变换和随机可逆变换，以生成第二调制符号向量；

本申请中，通过对第一调制符号向量进行绑定可逆变换和随机可逆变换，从而使每一个调制符号的能量都被扩散到了第一调制符号向量长度的频域和时域的两个以上的点上；在实际应用中，随机可逆变换一般可以包括随机置换或随机旋转。

在本申请中，将进行绑定可逆变换和随机可逆变换的调制符号向量称之为第二调制符号向量。

S305、以第二调制符号向量为对象，对各路数据流进行并串转换；

由于窄带MIMO系统，不需要在频域插入导频、虚载波以及插入保护间隔等步骤，因此，在生成第二调制符号后，对N_T路数据流分别进行并串转换即可。

S306、对数据流分别进行发射前处理。

对N_T路数据流分别进行发射前处理，发射前处理具体可以包括进一步的基带处理，中频、射频的调制、放大等过程。

通过上述步骤可以得知，通过在窄带MIMO系统中，由于本申请中的数据发送方法，进行绑定可逆变换和随机可逆变换可以软件的方式，或是，通过设有少量的硬件设备即可使发送端的调制符号的时域维数由1增加至N_c，从而实现了对基带信号时域和频域维数的同时扩展，所以可以有效地节约维数扩展的成本。

在本申请的另一面，还提供了一种MIMO通信数据发送装置，如图5所示，包括第一调制符号向量生成单元01、第二调制符号向量生成单元02和后续处理单元03，其中：

第一调制符号向量生成单元01用于对数据流进行调制映射和串并转换，以生成第一调制符号向量；第二调制符号向量生成单元02用于对第一调制符号向量进行绑定可逆变换和随机可逆变换以生成第二调制符号；后续处理单元03用于以第二调制符号向量为对象进行通信数据发送前的后续信号处理步骤。

在本申请中，数据发送装置的第一调制符号向量生成单元01对待发送的数据流通过编码器进行编码后，进行调制映射和串并转换，在实际应用中，调制映射和串并转换这两个步骤可以调换前后顺序，即，第一调制符号生成单元01既可以先进行调制映射然后再进行串并转换，也可以是先进行串并转然后再进行换调制映射，在这里并不做具体的限定。

经过调制映射和串并转换后，数据流被转换为调制符号，为了与区分本申请中不同步骤中调制符号，本申请中将经过调制映射和串并转换后所生成的调制符号向量定义为第一调制符号向量。

本申请的核心思路为，通过第二调制符号向量生成单元02，对调制符号进行绑定可逆变换和随机可逆变换，使调制符号的可利用的维数得到增加，进而达到对调制符号进行扩维的目的。

第二调制符号生成单元02可以包括绑定可逆变换模块21和随机可逆变换模块22，以进行相应的绑定可逆变换和随机可逆变换。

具体的技术方案中，绑定可逆变换模块21的作用为对第一调制符号进行绑定以使变换前的第一调制符号向量的每一个分量的能量都扩散到变换后的向量的两个直至所有分量上；具体的，绑定可逆变换模块21可以包括离散傅里叶变换模块、离散余弦变换模块或Walsh变换模块等；在实际应用中，可作为绑定可逆变换模块21的变换方式有很多，只要是具有绑定作用的可逆变换即可，在此并不作具体的限定。

当MIMO系统为MIMO-OFDM系统时，绑定可逆变换模块21对第一调制符号进行绑定可逆变换，则可以对第一调制符号在频域上进行有效的扩维。此时，MIMO-OFDM系统下绑定可逆变换模块21进行绑定可逆变换的方式与MIMO-SCFDE系统类似，既可以是通过DFT、DCT或Walsh变换中的一种来实现，也可以是其中的多种变换方式的组合。

同理，本申请中的技术方案还适用于窄带MIMO系统，通过在窄带MIMO系统进行绑定可逆变换，绑定可逆变换模块21可以对第一调制符号在时域上进行有效的扩维。同样，窄带MIMO系统下，进行绑定可逆变换的方式也与MIMO-SCFDE系统类似，既可以是通过DFT、DCT或Walsh中的一种来实现，也可以是其中的多种变换方式的组合。

进一步的，在本申请中，在窄带MIMO系统中，当发送的通信数据为多路数据时，对各路数据流完成绑定可逆变换后，进行随机可逆变换时，多路数据分别采用不同的随机可逆变换模块和/或绑定可逆变换模块，通过为多路数据分别设定不同的随机可逆变换和/或绑定可逆变换，可以在接收端获得更好的维数扩展有益效果。

在通过绑定可逆变换模块21对第一调制符号进行绑定可逆变换后，还需要通过随机可逆变换模块22来进行随机可逆变换，以防止数据发送过程中的后续步骤或者接收端的处理步骤对绑定可逆变换后的调制符号解扩维。

在本申请中，随机可逆变换是指一种具有随机性的可逆变换，典型的随机可逆变换模块22包括随机置换模块、随机反相变换模块和随机旋转变换模块；其中，随机置换的变换矩阵是每一行和每一列只有一个元素是1，其余元素为0的正交矩阵，其随机性体现在具体到某一行的1出现在什么位置是随机的；随机反相变换的变换矩阵是对角元为+1或者-1的对角矩阵，其随机性体现在具体到某一个对角元是+1还是-1是随机的；随机旋转矩阵是第k个对角元为的复数旋转因子的对角矩阵，其中θ_k∈[0,1)是随机的。在实际应用中，具有随机性的可逆变换有很多，在此并不作具体的限定。

具体的，由于在MIMO-OFDM系统数据发送的后续步骤中，如果绑定可逆变换为DFT变换，后面的IDFT变换会使的绑定可逆变换的效果抵消或者部分抵消；同样，在MIMO-SCFDE系统的接收端，如果绑定可逆变换为DFT变换，接收端均衡后进行的IDFT变换会使的绑定可逆变换的效果抵消，所以，通过随机可逆变换，可以将经过绑定可逆变换后的调制符号打乱，从而避免在数据发送或接收的后续步骤中将调制符号恢复至绑定可逆变换前的状态。

在实际应用中，随机可逆变换模块22具体可以是随机置换模块或随机旋转模块，具体的，以进行随机置换为例，在实际应用中，进行随机置换所对应的随机可逆变换矩阵为每行每列仅有一个元素为1，其余元素为0的正交矩阵。

本申请中，将经过第二调制符号向量生成单元02绑定可逆变换和随机可逆变换后的调制符号称为第二调制符号向量，在生成第二调制符号向量后，可以通过后续处理单元03，以和现有技术中相同的方式来对调制符号进行后续的处理；如，在MIMO-SCFDE系统或MIMO-OFDM中，可以进行后续的插入导频和虚载波等，以实现信道估计、同步和过抽样等。

进一步的，在本申请中，随机可逆变换模块22中所需随机可逆变换矩阵可以为与数据流的接收端共同约定选用或生成，具体可以是，以随机可逆变换矩阵为密钥，与多路数据流的接收端共同约定选用或生成随机可逆变换矩阵，随机可逆变换矩阵的具体生成方法在多种数学书籍中有讨论，不属于本发明的内容。同样，MIMO多路数据流的发送和接收两端如何完成约定选用或生成随机可逆变换矩阵，属于通信协议的内容，也不属于发明内容。

在实际应用中，MIMO系统的发送端和接收端需要互相适配，这样，由于在MIMO系统的发送端进行绑定可逆变换和随机可逆变换，所以在接收端需要进行相应的逆变换。

由于在接收端对进行了随机可逆变换后的调制符号进行相应的逆变换时，需要得知发送端所采用的随机可逆变换方式，才能进行相应的逆变换；所以，如果发送端与接收端采用互相约定的方式来生成或选用随机可逆变换的方式，且只有接收端知道发送端所选用随机可逆变换的方式，那么，在数据传输的过程中，即使数据被他人恶意获取，也会由于无法采用对数据流中的调制符号进行与随机可逆变换相应的逆变换而无法得到有效的数据，因此，通过本申请，还可以有效地提高数据传输过程中的安全性。

本申请中的MIMO通信数据发送装置，在MIMO-SCFDE系统、MIMO-OFDM系统和窄带MIMO系统中的工作方式和工作原理，在图2至图4中已经记载，在此就不再赘述。

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。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (18)

1.一种MIMO通信数据发送方法，其特征在于，包括步骤：

对数据流进行调制映射和串并转换，以生成第一调制符号向量；

对所述第一调制符号向量进行绑定可逆变换和随机可逆变换，以生成第二调制符号向量；

以所述第二调制符号向量为对象，进行通信数据发送前的后续信号处理步骤。

2.如权利要求1所述数据发送方法，其特征在于，所述进行绑定可逆变换包括：

进行离散傅里叶变换DFT、离散余弦变换DCT或Walsh变换中的一种或多种任意组合的变换。

3.如权利要求1所述数据发送方法，其特征在于，所述随机可逆变换，包括：

随机置换或随机旋转中的一种或多种任意组合的变换。

4.如权利要求3所述数据发送方法，其特征在于，所述随机旋转包括：

随机反相变换。

5.如权利要求3所述数据发送方法，其特征在于，所述进行随机置换所对应的随机可逆变换矩阵为：

每行每列仅有一个元素为1，其余元素都是0的正交矩阵。

6.如权利要求3所述数据发送方法，其特征在于，

所述随机可逆变换矩阵为与所述数据流的接收端共同约定选用或生成。

7.如权利要求6所述数据发送方法，其特征在于，所述随机可逆变换矩阵为与所述数据流的接收端共同约定选用或生成，包括：

以所述随机可逆变换矩阵为密钥，与所述多路数据流的接收端共同约定选用或生成所述随机可逆变换矩阵。

8.如权利要求1-7中任一所述数据发送方法，其特征在于，所述通信数据的发送采用：

多输入多输出单载波频域均衡MIMO-SCFDE、多输入多输出正交频分复用MIMO-OFDM或窄带MIMO系统。

9.如权利要求8所述数据发送方法，其特征在于，所述通信数据的发送采用窄带MIMO系统，且发送的通信数据为多路数据，包括：

所述多路数据分别采用不同的随机可逆变换和/或绑定可逆变换。

10.一种MIMO通信数据发送装置，其特征在于，包括：

第一调制符号向量生成单元，用于对数据流进行调制映射和串并转换，以生成第一调制符号向量；

第二调制符号向量生成单元，用于对所述第一调制符号向量进行绑定可逆变换和随机可逆变换，以生成第二调制符号向量；

后续处理单元，用于以所述第二调制符号向量为对象，进行通信数据发送前的后续信号处理步骤。

11.如权利要求10所述数据发送装置，其特征在于，所述第二调制符号向量生成单元包括，用于进行绑定可逆变换的绑定可逆变换模块；

所述绑定可逆变换模块包括：

离散傅里叶变换模块、离散余弦变换模块或Walsh变换模块中的一种或多种任意组合。

12.如权利要求10所述数据发送装置，其特征在于，所述第二调制符号向量生成单元包括，用于进行随机可逆变换的随机可逆变换模块；

所述随机可逆变换模块包括，随机置换模块或随机旋转模块的一种或多种任意组合。

13.如权利要求12所述数据发送装置，其特征在于，所述随机旋转模块包括：

随机反相变换模块。

14.如权利要求12所述数据发送装置，其特征在于，所述进行随机置换模块所对应的随机可逆变换矩阵为：

每行每列仅有一个元素为1，其余元素都是0的正交矩阵。

15.如权利要求12所述数据发送装置，其特征在于，

所述随机可逆变换矩阵为与所述数据流的接收端共同约定选用或生成。

16.如权利要求15所述数据发送装置，其特征在于，所述随机可逆变换矩阵为与所述数据流的接收端共同约定选用或生成，包括：

以所述随机可逆变换矩阵为密钥，与所述多路数据流的接收端共同约定选用或生成所述随机可逆变换矩阵。

17.如权利要求10-16中任一所述数据发送装置，其特征在于，所述数据发送装置应用于：

多输入多输出单载波频域均衡MIMO-SCFDE、多输入多输出正交频分复用MIMO-OFDM或窄带MIMO系统。

18.如权利要求17所述数据发送装置，其特征在于，当所述数据发送装置应用于窄带MIMO系统，且发送的通信数据为多路数据，包括：

所述多路数据分别采用不同的所述随机可逆变换模块和/或绑定可逆变换模块。