CN104994050B - 一种基于cczcz序列的mimo前导序列帧及其收发装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CCZCZ序列集合的MIMO前导序列帧及其收发装置，实现在前导序列中区分数据域的不同物理层机制以及数据域的不同带宽。与现有技术相比，本发明具有良好的自相关和互相关性质以及具有完全互补特性的四相ZCZ序列集合，是应用于多天线最优前导序列设计的关键之一，利用本发明可以区分不同物理层机制以及不同传输带宽，减少接收端数据处理时延；在低冗余度的情况下消除MIMO多径信道的干扰，实现最优信道估计；采用循环移位的天线发射模式，易于多天线扩展。

Description

一种基于CCZCZ序列的MIMO前导序列帧及其收发装置

技术领域

本发明涉及一种基于CCZCZ序列集合的MIMO前导序列帧及其收发装置，属于通信技术领域。

背景技术

随着无线局域网(Wireless Local Access Network,WLAN)技术的高速发展，载波频率从几十兆赫兹到几十吉赫兹，天线模式从单输入单输出(Single Input SingleOutput,SISO)到多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)，载波调制采用单载波(Single Carrier,SC)和正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,OFDM)，带宽从K Hz到G Hz。然而随着各种技术的融合，新的局域网协议要兼容旧的局域网协议，甚至在新的局域网协议设计之初，就有不同的天线模式，不同的物理层机制以及不同的传输带宽以满足不同的需求。

因此，在这种背景下，不同物理层机制以及不同传输带宽的区分显得尤为重要。一种普遍的方法是利用指示字段进行指示，但缺点是接收机必须采用多种不同的接收处理方法把指示字段正确无误地解出来才能判断所使用的物理层机制和传输带宽，这就带来了延迟，这非常不利于高吞吐率的通信。为了克服这一缺陷，我们充分利用前导序列的性质，利用前导序列的相关性区分不同物理层机制和传输带宽。利用序列较好的自相关和互相关特性实现同步操作，特别是不同物理层机制和不同传输带宽的区分；利用完全互补特性可消除多径干扰，实现最优信道估计。另外，前导序列的元素属于有限符号集合可以降低接收机同步和信道估计的复杂度，便于设计快速相关器。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明基于CCZCZ序列集合设计一种适用于多种载波机制及多种带宽的MIMO前导序列帧格式，并设计相应的发送与接收方法。采用具有良好的自相关、互相关特性、完全互补特性并且序列元素属于有限符号集合的CCZCZ序列集合区分不同的物理层机制，不同的传输带宽以及估计时域信道。

技术方案：为了完成前导序列帧检测、AGC、频率同步、时间同步、信道估计、区分不同的物理层机制、区分不同带宽以及前导序列块标识等功能，选取具有如下性质的(其中，N_z表示一条ZCZ序列的长度，Q表示ZCZ序列条数，Z为零相关区的长度)：

(1)序列长度N_z的大小满足表示向下取整，T_s表示采样时间间隔，N_Tx为发射天线数，τ_max为最大多径时延。

(2)序列集合的归一化周期自相关最大旁瓣低于给定阈值T_a，0＜T_a＜1，归一化周期互相关最大峰值低于给定阈值T_c，0＜T_c＜1为满足时间同步的鲁棒性能所选取的值，以及为了满足区分不同的物理层机制以及不同传输带宽的鲁棒性能所选取的值。

(3)序列元素属于有限符号集合{+1,-1,+j,-j}。

本发明提出一种基于CCZCZ序列集合的MIMO前导序列帧，包括由四相具有完全互补特性的ZCZ序列集合构成的STF字段(短训练字段，Short Training Field)和CTF字段(信道估计字段，Channel Estimation Field)，所述STF字段由集合中的某条ZCZ序列乘以-1后重复N_STF-1次后级联一次这条ZCZ序列构成，所述CTF字段包含N_CEF个ZCZ序列，由集合中的几条ZCZ序列构成，该CTF字段包括两个子字段，所述每个子字段包含的ZCZ序列数相同。

设序列集合包括和四条序列，四条序列中的某条序列重复N_STF-1次后级联一次这条ZCZ序列构成STF字段，当STF字段由N_STF-1个重复的序列和一个序列构成时，表示物理层机制1；当STF字段由N_STF-1个重复的序列和一个序列构成时，表示物理层机制2；当STF字段由N_STF-1个重复的序列和一个序列构成时，表示物理层机制3；当STF字段由N_STF-1个重复的序列和一个序列构成时，表示物理层机制4。四个序列中几个ZCZ序列生成N_CEF个ZCZ子字段构成的CTF字段且可以分成两个子字段，即N_CEF＝N1_CEF+N2_CEF，其中N1_CEF＝N2_CEF为两个子字段包含的序列数，可以为偶数或者为奇数，当两个子字段极性相同时，表示传输带宽1；当两个子字段极性相反时，表示传输带宽2。STF用来进行帧检测、AGC、频率粗同步、物理层机制区分、时间粗同步以及用块标识符实现前导序列块标识功能，CEF用来进行频率精同步、传输带宽区分、时间精同步以及信道估计。

本发明还提出一种基于CCZCZ序列集合的MIMO前导序列的收发装置，包括发射机和接收机，所述发射机通过循环移位分集机制将单条前导序列扩展到多根发射天线；所述接收机接收信号，并利用接收序列进行物理层机制区分、传输带宽区分和信道估计。

所述发射机具体工作过程为：

设一条ZCZ序列的长度为N_z，发射天线数为N_Tx，在第t根发射天线上，t＝1,…,N_Tx，发射机对STF字段的每个序列块分别进行位循环移位操作，对CEF字段的每个序列块分别进行循环移位操作。

所述接收机区分物理层机制的具体过程为：

设接收天线数为N_Rx，第r根接收天线上的一个接收序列块为N_Z长度的列向量y_r，r＝1,2,…,N_Rx，ZCZ序列集合包括和四个序列，其对应的循环移位矩阵分别为和

1)将各天线上接收序列块y_r分别与和四个矩阵相乘，得到列向量和

2)求出接收天线中绝对值最大数之和，即

3)计算得到最大值所对应的数据域物理层机制。在低信噪比的情况下，可以通过多个接收序列块得到多个y_r加以平均，增加判决的鲁棒性。

所述接收机区分传输带宽的具体过程为：

设接收天线数为N_Rx，CEF字段包含的ZCZ序列数为N_CEF，和表示连续两个接收信道估计序列块，和分别表示与和的距离为N_CEF/2的连续两个接收信道估计序列块，则

式中，为相应序列块与循环移位矩阵的乘积；

所述接收机信道估计的具体过程为：

设发射天线数为N_Tx，接收天线数为N_Rx，一条ZCZ序列的长度为N_z，令则第t根发射天线到第r根接收天线的时域信道为：

(公式4)

其中，t＝1,…,N_Tx,r＝1,…,N_Rx。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有良好的自相关和互相关性质以及具有完全互补特性的四相ZCZ序列集合，是应用于多天线最优前导序列设计的关键之一，利用本发明可以区分不同物理层机制以及不同传输带宽，减少接收端数据处理时延；在低冗余度的情况下消除MIMO多径信道的干扰，实现最优信道估计；采用循环移位的天线发射模式，易于多天线扩展。

附图说明

图1是MIMO前导序列的帧格式框图1；

图2是具体实施例中的MIMO前导序列的帧格式框图；

图3是具体实施例中的物理层机制和传输带宽检测仿真结果图，N_Tx＝4，N_Rx＝4；

图4是具体实施例中的信道估计仿真结果图，N_Tx＝4，N_Rx＝4。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，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要求所限定的范围。

(1)MIMO环境：N_Tx＝4，N_Rx＝4，τ_max＝100ns，f_s＝1/T_s＝440MHz，f_c＝45GHz，f_s为抽样频率，f_c为载波频率。

(2)选取由一种具有完全互补特性的CCZCZ序列集合的参数化生成方法(详见专利申请号为2014104654438的专利申请)生成的四相CCZCZ序列集合此序列集合长度N_z＝256，序列条数Q＝4，零相关区长度Z＝56，归一化周期自相关最大旁瓣为0.1976，归一化周期互相关最大峰值为0.3125，的这些性能指标都满足作为前导序列单元的要求。

(3)物理层机制分为三种，Control类型，SC类型以及OFDM类型；传输带宽分为两种，540MHz和1080MHz。则帧格式如图2所示，其中Za₂₅₆，Zb₂₅₆，Zc₂₅₆和Zd₂₅₆为的四条序列。当前导序列中STF由序列Za₂₅₆组成，则表示Control类型；STF由序列Zb₂₅₆组成，则表示SC类型；STF由序列Zc₂₅₆组成，则表示OFDM类型；STF由序列Zd₂₅₆组成，则保留。当前导序列中CEF₁与CEF₂极性相同时，则为传输带宽540MHz；CEF₁与CEF₂极性相反时，则为传输带宽1080MHz。

(4)发射机将单条前导序列扩展到多根发射天线的发射方法为循环移位分集机制：在第t根发射天线上，t＝1,…,N_Tx，STF的每个块分别进行位循环移位操作，CEF的每个块分别进行循环移位操作，获得每根天线上的发射STF和CEF，天线发射模式如表1所示，其中，“—”表示无。

(5)接收机接收信号，并利用接收序列进行物理层机制区分、传输带宽区分和信道估计，仿真结果如图3、图4所示。

表1天线发射模式

Claims (3)

1.一种基于CCZCZ序列集合的MIMO前导序列的收发装置，其特征在于，包括发射机和接收机，所述发射机通过循环移位分集机制将单条前导序列扩展到多根发射天线；所述接收机接收信号，并利用接收序列进行物理层机制区分、传输带宽区分和信道估计；

所述基于CCZCZ序列集合的MIMO前导序列，包括由四相具有完全互补特性的ZCZ序列集合构成的STF字段和CTF字段，所述STF字段由集合中的某条ZCZ序列乘以-1后重复N_STF-1次后级联一次这条ZCZ序列构成，所述CTF字段包含N_CEF个ZCZ序列，由集合中的几条ZCZ序列构成，该CTF字段包括两个子字段，所述每个子字段包含的ZCZ序列数相同；

所述发射机具体工作过程为：

设一条ZCZ序列的长度为N_z，发射天线数为N_Tx，在第t根发射天线上，t＝1,…,N_Tx，发射机对STF字段的每个序列块分别进行位循环移位操作，对CEF字段的每个序列块分别进行循环移位操作；

所述接收机区分物理层机制的具体过程为：

设接收天线数为N_Rx，第r根接收天线上的一个接收序列块为N_Z长度的列向量y_r，r＝1,2,…,N_Rx，ZCZ序列集合包括和四个序列，其对应的循环移位矩阵分别为和

1)将各天线上接收序列块y_r分别与和四个矩阵相乘，得到列向量和

2)求出接收天线中绝对值最大数之和，即

其中，

3)计算得到最大值所对应的数据域物理层机制；

所述接收机区分传输带宽的具体过程为：

设接收天线数为N_Rx，CEF字段包含的ZCZ序列数为N_CEF，和表示连续两个接收信道估计序列块，和分别表示与和的距离为N_CEF/2的连续两个接收信道估计序列块，则

式中，为相应序列块与循环移位矩阵的乘积；

计算得到最大值所对应的数据域带宽。

2.如权利要求1所述的基于CCZCZ序列集合的MIMO前导序列的收发装置，其特征在于，在低信噪比的情况下，所述接收机通过多个接收序列块得到多个y_r加以平均。

3.如权利要求1所述的基于CCZCZ序列集合的MIMO前导序列的收发装置，其特征在于，所述接收机信道估计的具体过程为：

设发射天线数为N_Tx，接收天线数为N_Rx，一条ZCZ序列的长度为N_z，令则第t根发射天线到第r根接收天线的时域信道为：

其中，t＝1,…,N_Tx,r＝1,…,N_Rx。