CN104486274B - 一种多天线单载波频分多址系统的信号传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多天线单载波频分多址系统的信号传输方法，所述方法包括：在发送端，将待发送信号进行调制与MIMO处理，经N‑DFT后进行子载波映射，再经M‑IDFT后添加循环前缀，送入无线信道；在接收端，将接收信号先进行循环前缀的移除，经M‑DFT后进行子载波解映，进行频域均衡与并行干扰消除，经N‑IDFT与MIMO处理后，解调输出所需信号；其中，M、N为子载波数且M>N。本发明的信号传输方法进行载波同步时无需对接收到的信号进行估计，而是并行输出期望信号时，直接将频率偏差的信号所产生的影响当成干扰直接并行消除，载波频率同步效果更好，提升了系统的整体性能。

Description

一种多天线单载波频分多址系统的信号传输方法
技术领域
本发明涉及宽带无线通信系统技术领域，更具体地，涉及一种多天线单载波频分多址系统的信号传输方法。
背景技术
LTE-Advanced是LTE(Long Term Evolution)的演进，它不仅是3GPP形成国际电信联盟ITU IMT-Advanced技术标准的一个重要来源，还是一个后向兼容的技术，要完全兼容LTE。LTE-Advanced相对于LTE系统，主要增强了峰值速率、传输时延、频谱效率、VoIP容量、系统带宽等方面的需求。
LTE-Advanced上行链路传输方案采用多天线单载波频分多址(MIMO SC-FDMA)技术，将经典的正交频分复用(OFDM)技术和单载波(SC)传输方案融合在一起，具有较低的峰均比(PAPR)的优点。相比其它多载波传输技术，单载波频分多址技术能有效降低待发射信号的峰均比，从而相应地提高了功放的效率和增加小区的覆盖面积，这就为研制低价格、低功耗、小尺寸的移动终端提供了条件。
LTE-Advanced上行链路利用MIMO技术可以实现空间分集，使空间成为一种可以用于提高性能的资源，并能够增加无线系统的覆盖范围，有效提高系统的传输性能。
在无线通信系统中，由于受到无线信道传输特性的影响，接收端与发送端的载波频率通常会不完全一致，从而导致接收端与发送端载波频率偏差。当LTE-Advanced上行链路MIMO SC-FDMA系统存在载波频率偏差的时候，它就会破坏子载波之间的正交性，从而导致子载波间干扰(ICI)，使发送的信息不能正确恢复，误码率增加，系统性能大大降低。对于数字通信系统而言，只有发送端和接收端载波频率同步时才有信息的可靠性传输。
目前，对于SC-FDMA技术而言，该技术的研究成熟度远远比不上OFDMA技术，特别是针对LTE-Advanced上行链路MIMO SC-FDMA系统的载波频率同步研究较少。在传统的OFDM技术载波同步算法中，大多先进行时域粗估计校正，再进行频域细估计频率跟踪，以此来实现载波频率同步的目的。此类方法需要先估计再补偿，且补偿度取决于在先估计，如果估计得偏差较大，则会影响后面的补偿，以致影响通信系统的同步性能。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种多天线单载波频分多址系统的信号传输方法，所述方法在进行载波同步时无需对接收到的信号进行估计，而是并行输出期望信号时，直接将频率偏差的信号所产生的影响当成干扰直接并行消除。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种多天线单载波频分多址系统的信号传输方法，所述方法包括：
在发送端，将待发送信号进行调制与MIMO(多天线)处理，经N-DFT(N点离散傅里叶变换)后进行子载波映射，再经M-IDFT(M点离散傅里叶逆变换)后添加循环前缀(CP)，送入无线信道；
在接收端，将接收信号先进行循环前缀的移除，经M-DFT(M点离散傅里叶变换)后进行子载波解映，进行频域均衡与并行干扰消除，经N-IDFT(N点离散傅里叶逆变换)与MIMO处理后，解调输出所需信号；
其中，M、N为子载波数且M>N。
在一种优选的方案中，所述的并行干扰消除包含S级并行干扰消除，S为正整数。
在一种优选的方案中，所述的S级并行干扰消除中，第s级并行干扰消除包括以下步骤：
S1.根据每层的输入信号同时对各层再生全部发射信号的干扰信号；
S2.每一层的输入信号把其余层的输入信号所再生的干扰信号作为干扰抵消掉，得到新的接收信号；
S3.对每一层信号进行判决，输出每一层判决得到的信号；
其中，s为不大于S的正整数，层数等于发送天线数Nt；当s＝1时，所述输入信号为频域均衡所得到的信号；当s>1，所述输入信号为第s-1级并行干扰消除的输出信号。
在一种优选的方案中，所述的级数S的取值为1或2或3。
在一种优选的方案中，所述的频域均衡采用以原信号和估计信号的最小均方误差(MMSE)进行检测估计。
在一种优选的方案中，所述插入的循环前缀是每帧数据符号尾部的复制，其长度小于每帧数据符号长度，并与数据符号形成发送帧通过天线发送出去。
在一种优选的方案中，所述信道为独立准静态瑞利平衰落MIMO信道，其元素为独立同分布的均值为0、方差为的复高斯随机变量；噪声为均值为零、方差为N0的加性高斯白噪声。
在一种优选的方案中，所述调制过程所使用的调制方法为QPSK、16QAM和64QAM。
在一种优选的方案中，所述子载波映射过程为集中式映射。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明信号传输方法在进行载波同步时无需对接收到的信号进行估计，而是并行输出期望信号时，直接将频率偏差的信号所产生的影响当成干扰直接并行消除，载波频率同步效果更好；
本发明提供的基于最小均方误差准则检测法结合并行干扰消除的方法能够更加高效和准确的解决载波频率偏移带来的问题，同时可以根据系统要求灵活调节初始值获取的方式和多级干扰消除的级数和迭代次数，达到更好的系统性能。另外，在实际应用中，本发明显现方法简单，改善效果更加明显。
附图说明
图1为本发明所实施的多天线单载波频分多址系统原理框图。
图2为本发明所实施的频域均衡的原理框图。
图3为本发明所实施的基于MMSE-PIC的多级并行干扰消除方法的原理框图。
图4为本发明所实施的多级并行干扰消除第s级的原理框图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本发明的应用的系统如图1所示，图中所示为LTE-Advanced上行链路MIMOSC-FDMA传输系统在收发两端的系统框图，该系统具有Nt个发送天线、Nr个接收天线，N个子载波，P个循环前缀。本实施例中，Nt、Nr均为2。
一种多天线单载波频分多址系统的信号传输方法，所述方法包括：
在发送端：
S11：将待发送信号进行调制与MIMO处理，调制方式为QPSK、16QAM或64QAM，调制信号经过MIMO处理后，变为多路信号，此处的发射天线数Nt为2，故本实施例中，为两路信号；
S12：两路调制信号经N-DFT后进行子载波映射，经过N点DFT后，时域信号变为频域信号，在频域中进行子载波映射，子载波映射方式可以为集中式映射或分布式映射，在本实施例中，选择集中式映射；
S13：信号再经M-IFFT(M点快速傅里叶逆变换)后添加循环前缀，送入信道，经过M点傅里叶逆变换后，频域信号变为时域信号，插入的循环前缀是每帧数据符号尾部的复制，其长度小于每帧数据符号长度，并与数据符号形成发送帧通过天线发送出去。即，复制时域信号中的尾部数据，添加至时域信号起始处，形成发送帧并通过天线发送出去。其中，子载波数M大于子载波数N。傅里叶变换及其逆变换点数的选择与子载波数M和N相关。在本实施例中，M的取值为256，N的取值为50，循环前缀的长度为32。本实施例中的信道为独立准静态瑞利平衰落MIMO信道，其元素为独立同分布的均值为0、方差为的复高斯随机变量；噪声为均值为零、方差为N0的加性高斯白噪声。在本实施例中，假设信号在其传输过程中，具有良好的定时同步，且无信道估计偏差。
在接收端：
S21:将接收信号先进行循环前缀的移除，经M-FFT(M点快速傅里叶变换)后进行子载波解映，均为信号在发送端所进行的信号处理的逆过程。
S22:如图2所示，对步骤S21得到的频域信号进行频域均衡。频域均衡采用以原信号和估计信号的最小均方误差进行检测估计，从而获得并行干扰消除输入信号的初始值。此处输入信号初始值的获取方式不限于最小均方误差法，还可以通过对信道传输矩阵进行QR分解变换获得，或通过线性迫零(ZF)、串行干扰消除(SIC)等方法及其上述方法的组合方式获取。
此处是对接收到的MIMO信号的检测过程，具体的实现原理如图2所示，将接收信号r进行信道状态估计和预处理，信道状态估计得到信道传输矩阵然后进行空间信号搜索，得到恢复信号。应用于MIMO SC-FDMA系统的检测算法有很多种，其中包括迫零检测算法(ZF)、最小均方误差检测算法(MMSE)、极大似然检测(ML)算法等。其中，线性频域均衡器常用于SC-FDMA系统，如ZF-FDE、MMSE-FDE。这是因为在频域下，它们的滤波器只有一个抽头系数。
S23：如图3所示，对得到的输入信号初始值进行基于MMSE-PIC(最小均方误差并行干扰消除)的多级干扰消除，本实施例中，频域均衡采用以原信号和估计信号的最小均方误差进行检测估计，从而获得并行干扰消除输入信号的初始值。
本实施例中，所述并行干扰消除包含S＝3级，如图4所示，第s级并行干扰消除包括以下步骤：
S231.根据每层的输入信号同时对各层再生全部发射信号的干扰信号；
S232.每一层的输入信号把其余层的输入信号所再生的干扰信号作为干扰抵消掉，得到新的接收信号；
S233.对每一层信号进行判决，输出每一层判决得到的信号；
其中，s为不大于3的正整数，层数等于发送天线数Nt；当s＝1时，所述输入信号为频域均衡所得到的信号；当s>1，所述输入信号为第s-1级并行干扰消除的输出信号。
此处选择级数S为3级的原因是，当多级并行干扰消除进行到一定次数后，误码率开始收敛，继续进行多级干扰消除所带来的有益效果将会越来越小，但系统的复杂度与计算量会不断攀升，级数S的大小是两者的折中选择。
S24：将第3级并行干扰消除得到的判决信号经N-DFT与MIMO处理后，解调输出所需信号。
本实施例多天线单载波频分多址系统的信号传输方法在进行载波同步时无需对接收到的信号进行估计，而是并行输出期望信号时，直接将频率偏差的信号所产生的影响当成干扰直接并行消除，载波频率同步效果更好；
本实施例提供的基于最小均方误差准则检测法结合并行干扰消除的方法能够更加高效和准确的解决载波频率偏移带来的问题，同时可以根据系统要求灵活调节初始值获取的方式和多级干扰消除的级数和迭代次数，达到更好的系统性能。另外，在实际应用中，本发明显现方法简单，改善效果更加明显。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多天线单载波频分多址系统的信号传输方法，其特征在于，所述方法包括：
在发送端，将待发送信号进行调制与MIMO处理，经N-DFT后进行子载波映射，再经M-IDFT后添加循环前缀，送入无线信道；
在接收端，将接收信号先进行循环前缀的移除，经M-DFT后进行子载波解映射，进行频域均衡与并行干扰消除，经N-IDFT与MIMO处理后，解调输出所需信号；
其中，M、N为子载波数且M>N；
所述的并行干扰消除包含S级并行干扰消除，S为正整数，所述的S级并行干扰消除中，第s级并行干扰消除包括以下步骤：
S1.根据每层的输入信号同时对各层再生全部发射信号的干扰信号；
S2.每一层的输入信号把其余层的输入信号所再生的干扰信号作为干扰抵消掉，得到新的接收信号；
S3.对每一层信号进行判决，输出每一层判决得到的信号；
其中，s为不大于S的正整数，层数等于发送天线数Nt；当s＝1时，所述输入信号为频域均衡所得到的信号；当s>1，所述输入信号为第s-1级并行干扰消除的输出信号。
2.根据权利要求1所述的多天线单载波频分多址系统的信号传输方法，所述的级数S的取值为1或2或3。
3.根据权利要求1所述的多天线单载波频分多址系统的信号传输方法，所述的频域均衡采用以原信号和估计信号的最小均方误差进行检测估计。
4.根据权利要求1所述的多天线单载波频分多址系统的信号传输方法，所述插入的循环前缀是每帧数据符号尾部的复制，其长度小于每帧数据符号长度，并与数据符号形成发送帧通过天线发送出去。
5.根据权利要求1所述的多天线单载波频分多址系统的信号传输方法，所述信道为独立准静态瑞利平衰落MIMO信道，其元素为独立同分布的均值为0、方差为的复高斯随机变量；噪声为均值为零、方差为N0的加性高斯白噪声。
6.根据权利要求1所述的多天线单载波频分多址系统的信号传输方法，所述调制过程所使用的调制方法为QPSK、16QAM或64QAM。
7.根据权利要求1所述的多天线单载波频分多址系统的信号传输方法，所述子载波映射过程为集中式映射。
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