CN104580057A - 一种单载波mimo系统的时域导频及其同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于单载波MIMO系统的时域导频设计方案，此设计方案包括时域导频位置设计及训练序列设计。本发明在同一个数据流中每个数据块中均匀插入若干个相同的ZCZ序列作为训练序列，在不同的数据流中插入的训练序列则不同。此外，本发明还公开了一种适用该单载波MIMO系统时域导频设计方案的导频跟踪和相位校正的简单算法。本发明公开的单载波MIMO系统时域导频设计方案和导频跟踪与相位校正算法对系统性能有提升。

Description

一种单载波MIMO系统的时域导频及其同步方法

技术领域

本发明涉及一种单载波多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统的时域导频方法及与之对应的同步方法，属于无线通信系统技术领域。

背景技术

传统的MIMO系统大部分与多载波正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing,OFDM)技术相结合，但OFDM具有较高峰均比，对频率偏移和相位噪声很敏感等问题。相比较而言，单载波(Single Carrier,SC)技术降低了峰均比及对频偏和相位噪声的敏感性，因此与SC相结合的MIMO系统也受到了广泛关注。虽然不如OFDM系统那样敏感，但是对于单载波MIMO系统来说，采样频偏、抽样频偏和相位噪声对系统的性能影响也是不可忽略的。通常的解决办法是通过在数据中插入导频来进行频偏估计和相位跟踪。

现有的导频设计方案主要有两种：一种是时域导频，即在数据中插入已知的时域序列用来进行频偏估计和相位纠正。一种典型的单载波系统的时域导频设计方案是在数据中插入单个字(Unique Word,UW)，利用UW进行同步，并同时利用UW代替循环前缀(Cyclic Prefix,CP)对抗多径效应。但是对于MIMO系统来说，一般都需要经过循环移位操作，这意味着直接插入的UW将无法代替CP对抗多径，也由此会引入符号间干扰，所以传统的UW时域导频设计方案并不适用于单载波MIMO系统。另一种常用单载波导频方案则是在频域进行导频设计，但一般要求在发射端加入FFT和IFFT操作的模块，因此与时域导频相比，频域的导频会增加系统发射端的复杂度。此外，单载波MIMO系统的时域导频设计还存在不同天线之间的导频相互干扰的问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种适用于单载波MIMO系统的时域导频方法，包括导频位置及训练序列设计，并给出在此时域导频设计基础上可以采用的同步方法，进行频偏估计和相位跟踪。

技术方案：为了消除不同天线之间信号的相关性，以及消除不希望有的波束成形效应，MIMO系统中不同天线上的信号一般都需要进行循环移位操作(CSD)。此外，为对抗多径，避免符号间干扰，发射端还需要插入CP。本发明在进行星座点映射之后，做CSD操作之前插入导频。

本发明提出一种单载波MIMO系统的时域导频方法，包括以下步骤：

(1)生成要插入的训练(TS)序列；

(2)每隔相同的数据符号数在数据块中插入TS序列，所述每个数据块中插入的TS序列不少于一个；

(3)对插入TS序列的数据块进行CSD操作和空间映射后，在变换后的数据块前插入CP，所述CP的最后几位是该数据块中插入的TS序列。

所述同一个数据流中各数据块插入的TS序列相同，所述不同数据流中插入的TS序列不同。

所述TS序列采用ZCZ序列，由于ZCZ序列具有良好的自相关和互相关特性，采用ZCZ序列可以降低不同天线之间导频间相互干扰带来的影响。

本发明同时提出一种用于实现单载波MIMO系统时域导频的发送装置，包括时域导频模块、CSD模块、空间映射模块和CP插入模块，其中时域导频模块用于生成TS序列，并在数据块中均匀插入TS序列；CSD模块用于对插入TS序列的数据块进行CSD操作；空间映射模块用于对CSD操作后的数据块进行空间映射；CP插入模块用于在空间映射后的数据块前插入CP。

本发明还提出一种基于单载波MIMO系统时域导频的同步方法，以数据块为单位进行载波频偏估计和相位跟踪，包括以下步骤：

(1)对接收到的数据块进行FFT、均衡和IFFT变换，估计数据块中每个TS序列中心符号处的相位误差；

对接收到的时域信号y[i]，i＝1,2,...,N做N点的FFT得到频域信号Y[k]，k＝1,2,...,N，即：

$Y\left[k\right]=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}y\left[i\right]e^{-j\frac{2\mathrm{\πki}}{N}},$ k＝1,2,...,N   (公式2)

本操作对应于图2中的接收装置框图中的FFT模块。

设频域均衡器的传输函数为E(k)，则频域信号Y[k]，k＝1,2,...,N经过频域均衡器得到：

$\hat{X}\left[k\right]=E\left(k\right)Y\left[k\right],$ k＝1,2,...,N   (公式3)本操作对应于图2中的接收装置框图中的均衡模块。

对均衡后的信号k＝1,2,...,N进行IFFT变换，得到的时域信号i＝1,2,...,N，即：

$\hat{x}\left[i\right]=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\hat{X}\left[k\right]e^{j\frac{2\mathrm{\πki}}{N}},$ i＝1，2，...，N   (公式4)

本操作对应于图2接收装置框图中的IFFT模块。

用r_m[i],i＝1,2,...,N_TS,m＝1,2,...,M表示均衡后的当前数据符号块中第m个TS序列的第i个导频符号，则r_m[i]和满足如下的关系式：

$r_m\left[i\right]=\hat{x}[m{N}_D+(m-1)N_{\mathrm{TS}}+i]$    (公式5)

i＝1,2,...,N_TS，m＝1,2,...,M

计算数据块中每个TS序列中心符号位置处的相位误差，计算方法为：

${\mathrm{\θ}}_m=\∠\left(\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{TS}}}{\mathrm{\Σ}}}{r}_m\right[i\left]s^{*}\right[i\left]\right),$ m＝1，2，...，M   (公式6)

其中，∠代表对复数取角度运算，s[i],i＝1,2,...,N_TS表示插入的TS序列。

(2)利用CP中的TS序列进行移位，对移位后的数据块进行FFT、均衡和IFFT变换，估计数据块起始位置处的相位误差；

对接收到的数据符号{y[-N_TS+1],...,y[-1]，y[0]，,y[i],...y[N-N_TS+1]}做N点FFT得到Y′[k],k＝1,2,...,N，如图4所示。

频域信号Y′[k],k＝1,2,...,N通过频域均衡器进行E(k)均衡得到：

${\hat{X}}^{\′}\left[k\right]=E\left(k\right)Y^{\′}\left[k\right],$ k＝1,2,...,N   (公式7)

对k＝1,2,...,N进行IFFT变换，得到时域信号i＝1,2,...,N。

计算数据块起始位置处的相位误差，计算方法为：

${\mathrm{\θ}}_0=\∠\left(\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{TS}}}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{x}}^{\′}\right[i\left]s^{*}\right[i\left]\right)$    (公式8)

(3)对数据块中每个数据符号i＝1,2,...,N进行相位误差估计和补偿；

对θ_m,m＝0,1,2,...,M进行线性插值，得到数据块中每个数据符号上的相位误差，计算方法为：

   (公式9)

其中，

对每个数据符号进行相位误差补偿，补偿方法为：

$\stackrel{\widehat{^}}{x}\left[i\right]=\hat{x}\left[i\right]\·e^{-\mathrm{j\θ}\left[i\right]},$ i＝1,2,...,N   (公式10)

本发明同时提出一种用于实现基于单载波MIMO系统同步的接收装置，包括移位模块、FFT模块、均衡模块、IFF模块和相位校正模块；其中移位模块用于对接收到的数据块进行移位操作；FFT模块用于对接收到的数据块和移位后的数据块进行FFT变换；均衡模块用于对FFT变换后的数据块进行均衡；IFFT模块用于对均衡后的数据块进行IFFT变换；相位校正模块用于对IFFT变换后的数据块进行相位误差估计和补偿。

有益效果：本发明提出的时域导频方法克服了传统单载波时域导频设计无法适用于MIMO系统的缺点，并给出在此时域导频设计基础上可以采用的同步方法，仿真表明，在性能上有所提升。此外，本发明中时域导频具有独特的结构，当系统检测到当前信道的径数小于某特定值时，本设计可以有效减小整个系统的复杂度，提高处理速度，这对于超高速无线通信系统来说具有极为重要的意义。

附图说明

图1是本发明的单载波MIMO系统发射装置的框图；

图2是本发明的单载波MIMO系统接收装置的框图；

图3是本发明的插入导频的数据结构示意图；

图4是本发明的对接收数据移位后进行FFT操作的示意图；

图5是本发明具体实施例的数据结构图；

图6是本发明具体实施例中进行移位后做FFT操作的示意图；

图7是本发明实施例的SISO相噪性能仿真图，仿真参数为1个发射天线，1个接收天线数，1个流，16QAM(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)调制；

图8是本发明实施例的MIMO相噪性能仿真图，仿真参数为2个发射天线，2个接收天线数，2个流，16QAM(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)调制。

具体实施方式

下面以毫米波无线局域网IEEE 802.11aj(45 GHz)为例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利。

如图1所示的单载波MIMO系统的发送装置，包括时域导频模块、CSD模块、空间映射模块和CP插入模块，其中时域导频模块用于生成TS序列，并在数据块中均匀插入TS序列；CSD模块用于对插入TS序列的数据块进行CSD操作；空间映射模块用于对CSD操作后的数据块进行空间映射；CP插入模块用于在空间映射后的数据块前插入CP。

如图2所示的单载波MIMO系统的接收装置，包括移位模块、FFT模块、均衡模块、IFFT模块和相位校正模块；其中移位模块用于对接收到的数据块进行移位操作；FFT模块用于对接收到的数据块和移位后的数据块进行FFT变换；均衡模块用于对FFT变换后的数据块进行均衡；IFFT模块用于对均衡后的数据块进行IFFT变换；相位校正模块用于对IFFT变换后的数据块进行相位误差估计和补偿。

图3为本发明的插入导频的数据结构示意图，本发明在同一个数据流中的每一个数据块中，即每一个FFT操作所包含的数据符号中，均匀插入若干个相同的训练序列TS，在数据块的前面插入CP，所述每个数据块中插入的TS序列的数量大于或等于1，且插入的TS序列的长度小于插入的CP的长度；所述同一个数据流中各数据块插入的TS序列相同，所述不同数据流中插入的TS序列不同；所述TS序列采用ZCZ序列。

设用N表示FFT操作的长度，即为包括导频序列和数据符号在内的一个数据块的总长度，用N_TS表示每一段单独的TS序列的长度，用N_D表示每两个相邻TS序列之间所间隔的数据符号数，用M表示在一个单独的数据块中插入的TS序列的数量，用N_CP表示循环前缀的长度，则M、N_TS、N、N_D和N_CP都为整数，且满足如下关系：

MN_TS+MN_D＝N，

                                     (公式1)

N_TS＜N_CP，M≥1

本实施例中发射端插入时域导频的具体步骤如下：

步骤1：确定以下参数值：每一个数据块的总长度N＝256，该长度包括数据符号数和时域导频符号数，数据块循环前缀的长度N_CP＝64，每一个单独的数据块中插入的TS序列的数量M＝4，每一段TS序列的长度N_TS＝16，每两个相邻TS序列之间所间隔的数据符号数N_D＝48，显然参数M、N_TS、N、N_D和N_CP之间满足公式1的关系。

步骤2：生成第t个流上的TS序列，即长度为N_TS的ZCZ序列：

s_t[1],s_t[2],...,s_t[i],...s_t[N_TS]

步骤3：经过星座映射器后，每隔N_D个数据符号，将上述步骤2生成的ZCZ序列s_t[1],s_t[2],...,s_t[i],...s_t[N_TS]插入到对应数据流的数据块中。

步骤4：将插入时域导频的数据符号经过单载波MIMO发射系统的CSD、空间映射模块，再在每个数据块前插入CP。最终形成的数据结构如图5所示。

以下描述具体实施例的相偏模型，表示如下：

$\mathrm{PSD}\left(f\right)=\mathrm{PSD}\left(0\right)\left[\frac{1+{(f/f_z)}^2}{1+{(f/f_p)}^2}\right]$    (公式11)

其中，PSD(0)＝-85dBc/Hz，PSD(∞)＝-125dBc/Hz，极点频率f_p＝1MHz，零点频率f_z＝100MHz。

本实施例中接收端对每个流上的每个数据块做相位误差的估计与纠正，具体步骤如下：

步骤1：将接收到的时域信号y[i]，i＝1,2,...,256经过256点的FFT，得到Y[k]，k＝1,2,...,256，即

$Y\left[k\right]=\underset{i=1}{\overset{256}{\mathrm{\Σ}}}y\left[i\right]e^{-j\frac{2\mathrm{\πki}}{256}},$ k＝1,2,...,256   (公式12)

步骤2：将频域信号Y[k]，k＝1,2,...,256经过频域均衡器均衡得到

k＝1,2,...,256，不妨设频域均衡器的传输函数为E(k)，则有：

$\hat{X}\left[k\right]=E\left(k\right)Y\left[k\right],$ k＝1,2,...,256   (公式13)

步骤3：将从均衡器输出的信号k＝1,2,...,256通过IFFT变换到时域信号，用i＝1,2,...,N表示k＝1,2,...,N经过IFFT后的时域信号，则有：

$\hat{x}\left[i\right]=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{256}{\mathrm{\Σ}}}\hat{X}\left[k\right]e^{j\frac{2\mathrm{\πki}}{256}},$ i＝1，2，...，256   (公式14)

用r_m[i],i＝1,2,...,16,m＝1,2,3,4表示均衡后的当前数据符号块中第m个TS序列的第i个导频符号，则r_m[i]和满足如下的关系式：

$r_m\left[i\right]=\hat{x}[48m+16(m-1)+i]$    (公式15)

i＝1,2,...,16，m＝1,2,3,4

步骤4：计算得到

${\mathrm{\θ}}_m=\∠\left(\underset{i=1}{\overset{16}{\mathrm{\Σ}}}{r}_m\right[i\left]s^{*}\right[i\left]\right)\text{,}$ m＝1，2，3，4   (公式16)

步骤5：对接收到的数据符号{y[-15],...,y[-1],y[0],y[1],...,y[i],...y[N-15]}做256点FFT，经过FFT操作后得到Y′[k],k＝1,2,...,256，如图6所示。

步骤5：将Y′[k],k＝1,2,...,256通过频域均衡器进行E(k)均衡，得到k＝1,2,...,256，且有k＝1,2,...,256

步骤7：对k＝1,2,...,256进行IFFT变换，得到时域信号i＝1,2,...,256

步骤8：计算θ₀，即起始位置处的相位误差，计算方法如下

${\mathrm{\θ}}_0=\∠\left(\underset{i=1}{\overset{16}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{x}}^{\′}\right[i\left]s^{*}\right[i\left]\right)$    (公式17)

步骤9：利用θ_m,m＝0,1,2,3,4计算数据符号块中的每个数据符号所对应的相位误差θ[i],i＝1,2,...,256，计算方法如下：

$\mathrm{\&theta;}\left[i\right]=\left\{\begin{array}{ccc}\frac{{\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_0}{64}(i-48-9)+{\mathrm{\&theta;}}_1,& \mathrm{if}& 1\&le;i<57\\ \frac{{\mathrm{\&theta;}}_m-{\mathrm{\&theta;}}_{m-1}}{64}(i-48m-16(m-1)-9)+{\mathrm{\&theta;}}_m,& \mathrm{if}& a\&le;i<b\end{array}\right.$    (公式18)

其中，a＝48(m-1)+16(m-2)+9，b＝48m+16(m-1)+9。

步骤10：将由步骤9得到的θ[i],i＝1,2,...,256对步骤3得到的i＝1,2,...,256进行相位误差补偿，补偿方法如下：

$\stackrel{\widehat{^}}{x}\left[i\right]=\hat{x}\left[i\right]\&CenterDot;e^{-\mathrm{j\&theta;}\left[i\right]},$ i＝1,2,...,256   (公式19)

为了显示本发明的性能提升，本发明实施例还提供了仿真性能图，如图7和图8所示。由图可见，本发明可以有效跟踪相位，并有了明显的性能提升。

Claims (8)

1.一种单载波MIMO系统的时域导频方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)生成要插入的TS序列；

(2)每隔相同的数据符号数在数据块中插入TS序列，所述每个数据块中插入的TS序列不少于一个；

(3)对插入TS序列的数据块进行CSD操作和空间映射后，在变换后的数据块前插入CP，所述CP的最后几位是该数据块中插入的TS序列。

2.如权利要求1所述的单载波MIMO系统的时域导频方法，其特征在于，所述同一个数据流中各数据块插入的TS序列相同，所述不同数据流中插入的TS序列不同。

3.如权利要求1所述的单载波MIMO系统的时域导频方法，其特征在于，所述TS序列采用ZCZ序列。

4.一种用于实现单载波MIMO系统时域导频的发送装置，其特征在于，包括时域导频模块、CSD模块、空间映射模块和CP插入模块，其中

时域导频模块用于生成TS序列，并在数据块中均匀插入TS序列；

CSD模块用于对插入TS序列的数据块进行CSD操作；

空间映射模块用于对CSD操作后的数据块进行空间映射；

CP插入模块用于在空间映射后的数据块前插入CP。

5.一种基于单载波MIMO系统时域导频的同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对接收到的数据块进行FFT、均衡和IFFT变换，估计数据块中每个TS序列中心符号位置处的相位误差；

(2)利用CP中的TS序列进行移位，对移位后的数据块进行FFT、均衡和IFFT变换，估计数据块起始位置处的相位误差；

(3)对数据块中每个数据符号的相位误差进行估计和补偿。

6.如权利要求5所述的基于单载波MIMO系统时域导频的同步方法，其特征在于，所述每个数据符号相位误差估计的方法为：

设N_TS为TS序列的长度，N_D为相邻TS序列之间的数据符号数，M为数据块中插入的TS序列的数量，s[i],i＝1,2,...,N_TS表示插入的TS序列，表示接收到的时域信号y[i]，i＝1,2,...,N经N点FFT、均衡和IFFT变换后得到的时域信号，r_m[i],i＝1,2,...,N_TS,m＝1,2,...,M表示该变换后的数据符号块中第m个TS序列的第i个导频符号，表示接收到的数据符号{y[-N_TS+1],...,y[-1]，y[0]，y[1]，y[2],...,y[i],...y[N-N_TS+1]}经N点FFT、均衡和IFFT变换后得到的时域信号，则

数据块中每个TS序列中心符号位置处的相位误差为：

${\mathrm{\&theta;}}_m=\&angle;\left(\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{TS}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_m\right[i\left]s^{*}\right[i\left]\right),m=\mathrm{1,2},...,M$          (公式12)

数据块中起始位置处的相位误差为：

${\mathrm{\&theta;}}_0=\&angle;\left(\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{TS}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\hat{x}}^{\&prime;}\right[i\left]s^{*}\right[i\left]\right)$        (公式14)

数据块中每个数据符号的相位误差为：

    (公式15)

其中，

7.如权利要求5所述的基于单载波MIMO系统时域导频的同步方法，其特征在于，所述相位误差补偿的方法为：

$\hat{\hat{x}}\left[i\right]=\hat{x}\left[i\right]\&CenterDot;e^{-\mathrm{j\&theta;}\left[i\right]},i=\mathrm{1,2},...,N$           (公式16)

其中，表示接收到的时域信号y[i]，i＝1,2,...,N经N点FFT、均衡和IFFT变换后得到的时域信号，θ_i，i＝1,2,...,N表示数据块中每个数据符号的相位误差。

8.一种用于实现基于单载波MIMO系统同步的接收装置，其特征在于，包括移位模块、FFT模块、均衡模块、IFFT模块和相位校正模块；其中

移位模块用于对接收到的数据块进行移位操作；

FFT模块用于对接收到的数据块和移位后的数据块进行FFT变换；

均衡模块用于对FFT变换后的数据块进行均衡；

IFFT模块用于对均衡后的数据块进行IFFT变换；

相位校正模块用于对IFFT变换后的数据块进行相位误差估计和补偿。