CN105322991B - 基于wfrft预编码的多输入多输出传输系统及传输方法 - Google Patents

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Abstract

基于WFRFT预编码的多输入多输出传输系统及传输方法，涉及基于WFRFT预编码的OFDM系统的多输入多输出传输技术。它统一了基于STBC的单载波和多载波技术，能够灵活的调整WFRFT‑MIMO‑OFDM系统中的峰均功率比。在发射端对输入数据d1和d2进行调制，再进行‑β阶的加权分数傅里叶变换把数据变换到α阶域；在α阶频域进行STBC编码并在天线1、2的两个时刻进行传送；再进行‑α阶WFRFT操作变换到时域后发射；接收端采用1根天线先后接收2个时刻的发射信号，变换到频域后进行STBC解码和频域均衡操作；再对信号进行‑1+α阶的加权分数傅里叶变换把数据变换到α阶域；最后进行β阶的加权分数傅里叶变换，变换回加权分数域，解调后输出。

Description

基于WFRFT预编码的多输入多输出传输系统及传输方法
技术领域
本发明涉及基于WFRFT预编码的多输入多输出传输技术。
背景技术
MIMO技术是5G中的主要技术，也是近几年通信物理层技术的研究重点，MIMO技术与OFDM技术和单载波频域均衡技术也已经被证明拥有很好的兼容性。混合载波技术作为一种广义化的多载波技术，很好的融合了单载波技术和多载波技术的优点，那么研究MIMO技术在混合载波系统中的应用也是非常必要的。
文献[1](N.Al-Dhahir,Single-carrier frequency-domain equalization forspace-time block-coded transmissions over frequency-selective fadingchannels,#IEEE_J_COML#,2001,5(7):304-306)提出了一种STBC传送体制的单载波频域均衡方法，在此体制中STBC编解码过程分别在时域和频域进行，所以在时域编码的过程中需要对于数据进行反转操作，这是由于时域的反转共轭等于频域的共轭的性质，同时对基于STBC编码的频域最小均方误差均衡(MMSE)给出了均衡矩阵的表达式。
文献[2](Y.-H.Chung&S.-M.Phoong,Unitary Precoders for ST-OFDM SystemsUsing Alamouti STBC,#IEEE_J_CASI_RP#,2008,55(9):2860-2869)对于STBC-OFDM系统提出了一种预编码技术。预编码矩阵分别为单位阵和傅里叶矩阵，这样对应的系统模型就是STBC-OFDM系统和STBC-SC系统，并且对两种系统的误码率性能进行了分析，说明了哪一种预编码STBC-OFDM系统具有较好的误码率性能。
文献[3](Q.Wang,C.Yuan,J.Zhang,Z.Hu&Y.Li,Frequency Domain DFE forSingle-Carrier STBC Block Transmission,#IEEE_J_COML#,2013,17(6):1108-1111)提出了一种基于单载波STBC的频域判决反馈均衡方法，相比于传统的方法，这种均衡方式拥有更好的误码率性能。
文献[4](C.Athaudage&K.Sathananthan,Probability of error of space-timecoded OFDM systems with frequency offset in frequency-selective Rayleighfading channels,Communications,2005.ICC 2005.2005IEEE InternationalConference on,2005,4():2593-2599)从概率的角度对受CFO影响的MIMO-OFDM系统的误码率进行了分析，并给出了不同CFO值下的系统误码率的理论值和仿真值。
发明内容
本发明是为了实现基于空时编码的单载波和多载波技术的统一，并用WFRFT作为预编码技术，实现了系统性能的统一与灵活的峰均功率比。
基于WFRFT预编码的多输入多输出传输系统，它包括发射端和接收端；
所述发射端包括调制模块、-β阶WFRFT模块、STBC编码模块、两个-α阶WFRFT模块、两个加CP模块和两根发射端天线；
α取值为0或1，β为0至1之间的实数；
调制模块的信号输入端是原始信号输入端，所述调制模块的信号输出端与-β阶WFRFT模块的信号输入端连接；所述-β阶WFRFT模块的信号输出端与STBC编码模块的信号输入端连接；所述STBC编码模块的一个信号输出端与一个-α阶WFRFT模块的输入端连接；该-α阶WFRFT模块的信号输出端与一个加CP模块的信号输入端连接；该加CP模块的信号输出端与一根发射端天线的信号输入端连接；
同时STBC编码模块的另一个信号输出端与另一个-α阶WFRFT模块的输入端连接；该-α阶WFRFT模块的信号输出端与另一个加CP模块的信号输入端；该加CP模块的信号输出端与另一根发射端天线的信号输入端连接，所述第2个时刻与第1个时刻的信号发射方法相同；
接收端包括接收端天线、去CP模块、FFT模块、STBC解码模块、频域均衡模块、-1+α阶WFRFT模块、β阶WFRFT模块和解调模块；
所述接收端天线的信号输出端与去CP模块的信号输入端连接；所述去CP模块的信号输出端与FFT模块的信号输入端连接；所述FFT模块的信号输出端与频域均衡模块的信号输入端连接；所述频域均衡模块的信号输出端与-1+α阶WFRFT模块的信号输入端连接；所述-1+α阶WFRFT模块的信号输出端与β阶WFRFT模块的信号输入端连接；所述β阶WFRFT模块的信号输出端与解调模块的信号输入端连接，所述解调模块的信号输出端作为原始数据输出端。
根据上述装置的基于WFRFT预编码的多输入多输出传输方法，它由以下步骤实现：
它的信号发射方法：
步骤一、在输入端对输入数据d1和d2进行调制，并将调制后的数据分别进行-β阶的加权分数傅里叶变换到α阶域；
步骤二、在α阶频域，对调制后的数据进行STBC编码，获得数据x1和x2及其共轭形式和并分别在两根发射端天线的两个时刻进行传送，其中：
时刻1两根天线传输的数据分别为x1和x2，时刻2两根天线传送的数据分别为和传输期间设两个时刻的信道条件不发生变化；
步骤三、将STBC编码后的数据进行-α阶WFRFT处理，将STBC编码后的数据变换到时域，并添加CP后通过两根发射端天线发射至信道；
它的信号接收方法：
步骤四、接收端通过一根接收端天线先后接收2个时刻下发射端发射的信号，经过去CP和FFT操作后，把数据变换到频域；
步骤五、在频域内，先后对2个时刻下发射端发射的信号进行STBC解码和频域均衡处理；
步骤六、对经步骤五处理后的信号进行-1+α阶的加权分数傅里叶变换处理，变换到α阶域；
步骤七、在α阶域，对信号进行β阶的加权分数傅里叶变换，将数据变换回到加权分数域，并进行解调解码后输出。
STBC-SC/MC-FDE系统下，发射端的STBC编码模块处，设时刻1的数据为s1，其反转形式为则时刻2在进行数据共轭操作之前，对数据进行如下处理，
步骤五所述的频域均衡处理采用ZF/MMSE均衡方法实现。
本发明是一种WFRFT预编码性质的MIMO-OFDM系统，在该系统中WFRFT模块预编码技术置于发射端和接收端。本发明以Alamouti多天线技术为例，即发射端放置2根天线，接收端1跟天线，采用STBC(space time block code)编码方式。由于空时编码的存在，两根天线上的数据有着很强的相关性，存在着共轭的数学关系，所以两根天线上的数据拥有相同的峰均功率比，进而在WFRFT-MIMO-OFDM系统中，可以通过灵活的选取WFRFT参数来合理的调整系统的峰均功率比。
附图说明
图1是本发明的基于WFRFT预编码OFDM系统的多输入多输出传输系统的通信原理示意图；
图2和图3是带有ZF/MMSE均衡系统误码率仿真示意图；
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，基于WFRFT预编码的多输入多输出传输系统，它包括发射端和接收端；
所述发射端包括调制模块、-β阶WFRFT模块、STBC编码模块、两个-α阶WFRFT模块、两个加CP模块和两根发射端天线；
α取值为0或1，β为0至1之间的实数；
调制模块的信号输入端是原始信号输入端，所述调制模块的信号输出端与-β阶WFRFT模块的信号输入端连接；所述-β阶WFRFT模块的信号输出端与STBC编码模块的信号输入端连接；所述STBC编码模块的第1时刻下信号输出端与一个-α阶WFRFT模块的输入端连接；该-α阶WFRFT模块的信号输出端与一个加CP模块的信号输入端连接；该加CP模块的信号输出端与一根发射端天线的信号输入端连接；
此时另一个输出端与另一个-α阶WFRFT模块的输入端连接；该-α阶WFRFT模块的信号输出端与另一个加CP模块的信号输入端；该加CP模块的信号输出端与另一根发射端天线的信号输入端连接，所述第2个时刻与第1个时刻发射方法相同；
接收端包括接收端天线、去CP模块、FFT模块、STBC解码模块、频域均衡模块、-1+α阶WFRFT模块、β阶WFRFT模块和解调模块；
所述接收端天线的信号输出端与去CP模块的信号输入端连接；所述去CP模块的信号输出端与FFT模块的信号输入端连接；所述FFT模块的信号输出端与频域均衡模块的信号输入端连接；所述频域均衡模块的信号输出端与-1+α阶WFRFT模块的信号输入端连接；所述-1+α阶WFRFT模块的信号输出端与β阶WFRFT模块的信号输入端连接；所述β阶WFRFT模块的信号输出端与解调模块的信号输入端，所述解调模块的信号输出端作为原始数据输出端。
具体实施方式二、本具体实施方式是与具体实施方式一所述的基于WFRFT预编码的多输入多输出传输系统的进一步限定，它是STBC-SC-FDE系统，在发射端的STBC编码模块处进行编码时，对时刻2发射的数据进行反转处理。
具体实施方式三、本具体实施方式是与具体实施方式一所述的基于WFRFT预编码的多输入多输出传输系统的进一步限定，它是STBC-OFDM系统。
本装置中，参数α的WFRFT模块系数的选取为0或1，而参数β的WFRFT模块由于以预编码矩阵的形式出现，其WFRFT系数可在0，1之间任意选取。
如文献[1]中所述，对于STBC-SC-FDE系统而言，由于STBC编码在时域，STBC解码在频域，所以在发射端的STBC编码处，需要对于时刻2发射的数据进行反转处理，这是由于数据反转和数据共轭操作在时域和频域是对应的。
而对于STBC-OFDM系统，由于STBC编码和解码都是在频域完成的，所以不需要进行数据的反转操作。在发射端的STBC编码模块处，假设时刻1的数据为s1，其反转形式为则时刻2在进行数据共轭操作之前需要对数据进行如下处理：
缩略语和关键术语定义：
WFRFT：Weighted-type fractional Fourier transform，加权分数傅立叶变换；
OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用；
STBC：Space Time Block Code，空时块编码；
MIMO：Multiple Input Multiple Output，多输入多输出系统；
HC：Hybrid Carrier，混合载波；
SC：Single Carrier，单载波；
MC：Multicarrier，多载波；
FDE：Frequency Domain Equalization，频域均衡；
本装置利用WFRFT的性质，对基于STBC编码的OFDM系统和SC-FDE系统进行了统一，并且提出了一种基于WFRFT域编码性质的基于STBC的OFDM与SC-FDE系统，根据参数α、β的灵活的选择，该系统等价于不同的子系统。当β＝0时，α＝1表示基于STBC编码的OFDM系统，α＝0表示基于STBC编码的SC-FDE系统。当β≠0时，该系统为WFRFT预编码的OFDM和SC-FDE系统。
本发明应用于基于4-WFRFT的多输入多输出混合载波无线通信系统的发射端和接收端。
具体实施方式四、根据具体实施方式一的基于WFRFT预编码的多输入多输出传输方法，它由以下步骤实现：
它的信号发射方法：
步骤一、在输入端对输入数据d1和d2进行调制，并将调制后的数据分别进行-β阶的加权分数傅里叶变换到α阶域；
步骤二、在α阶频域，对调制后的数据进行STBC编码，获得数据x1和x2及其共轭形式和并分别在两根发射端天线的两个时刻进行传送，其中：
时刻1两根天线传输的数据分别为x1和x2，时刻2两根天线传送的数据分别为和传输期间设两个时刻的信道条件不发生变化；
步骤三、将STBC编码后的数据进行-α阶WFRFT处理，将STBC编码后的数据变换到时域，并添加CP后通过两根发射端天线发射至信道；
它的信号接收方法：
步骤四、接收端通过一根接收端天线先后接收2个时刻下发射端发射的信号，经过去CP和FFT操作后，把数据变换到频域；
步骤五、在频域内，先后对2个时刻下发射端发射的信号进行STBC解码和频域均衡处理；
步骤六、对经步骤五处理后的信号进行-1+α阶的加权分数傅里叶变换处理，变换到α阶域；
步骤七、在α阶域，对信号进行β阶的加权分数傅里叶变换，将数据变换回到加权分数域，并进行解调解码后输出。
STBC-SC/MC-FDE系统下，发射端的STBC编码模块处，设时刻1的数据为s1，其反转形式为则时刻2在进行数据共轭操作之前，对数据进行如下处理，
步骤五所述的频域均衡处理采用ZF/MMSE均衡方法实现。
本发明用到的技术包络离散四项加权分数傅里叶变换(WFRFT)、STBC编解码理论、频域均衡理论。
WFRFT理论：
对于长度为N的离散信号d，则d的α阶离散四项加权分数傅里叶变换是：Fα[d]＝Wα[d]，其中Fα表示四项加权分数傅里叶变换，Wα是加权矩阵，在不会引起歧义的情况下，在本发明里，把Wα简记为W，表示为：
W＝A0 αI+A1 αF+A2 αΓI+A3 αΓF (1)
这里A0 α～A3 α是加权系数定义如下：
I是N×N单位矩阵，F是N×N离散傅里叶变换矩阵。Γ是置换矩阵，它每一行每一列只有一个元素非零，具体可以表如下：
另外加权分数傅里叶逆变换可以表示为：F-α[d]＝W-α[d]，其中W-α表示Wα的逆矩阵，可以证明W是一个酉矩阵，则根据酉矩阵的性质，W-1＝WH。并且可以证明矩阵Wα满足变换阶数的可加性，即Wα+β＝WαWβ。
需要指出的是，本发明提及的混合载波系统是通过WFRFT变换实现的。
HC(Hybrid carrier)-FDE理论：
本发明考虑基于混合载波的频域均衡体制，这是由于根据WFRFT阶数的选取的不同可以分别得到SC-DFE和OFDM-DFE体制，传输数据s和接收数据x之间的关系可以表示为
x＝Wα-1CZF/MMSEΛfFW-αs+Wα-1CZF/MMSEFv (4)
其中，v是方差为的AWGN，F表示傅里叶矩阵，CZF/MMSE表示均衡矩阵。在混合载波系统中，利用循环前缀来消除码块间的干扰，把信道矩阵H变成循环矩阵，这样信道矩阵就可以被傅里叶矩阵对角化，即：
Λf＝FHF-1 (5)
假设在接收端信道的状态信息是完全可知的，则ZF均衡矩阵为：
MMSE均衡矩阵表述为
其中，表示信号方差。
Alamouti-STBC编码：
在Alamouti方案中，两个连续的符号x1和x2按照以下的空-时码字矩阵进行编码：
Alamouti编码后的信号经过两个符号周期从两根天线上发射。在第一个符号周期内，两个符号x1和x2分别同时从两根发射天线发射，在第二个符号周期内，再次发射这两个符号，其中第一个天线发射第二根天线发射在接收端的一根天线上可以分别接受两个时刻两根天线上发射的信号，此时假设信道在两个时刻的时间内保持不变，则接收端的信号表示为：
对接收到的第二个时刻的信号取共轭得到：
在接收端进行STBC解码，即需要在上式中两边同时乘以信道矩阵的埃米特转置矩阵，即：
则输入输出之间的关系为：
信道矩阵H＝|H1|2+|H2|2再经过对角化之后可以表示为：
Λ＝|Λ1|2+|Λ2|2 (12)
则ZF均衡可以表示为：
MMSE均衡可以表示为：
以下通过仿真实验验证本发明的效果：
仿真条件为：
子载波数：512
子载波映射方式：QPSK
4-WFRFT变换阶数：β＝0,0.5,1、α＝0,1
仿真结果如图2和图3所示。
应用WFRFT-STBC-MIMO系统模型，根据WFRFT的性质以及参数的灵活选择，该装置是广义的STBC-OFDM和STBC-SC-FDE系统，并对两种系统进行了参数的统一。此外，只要当系统表现出单载波或多载波的特性时，系统的性能和STBC编码的位置无关，即：发射端的STBC编码操作在时域和频域性能保持一致。
相对于文献[1]，本发明虽然借鉴了其基于STBC编码技术的频域均衡理论，但是其与本发明的不同点在于本发明还考虑了WFRFT预编码的MIMO-OFDM模型，并且利用WFRFT的性质把两种模型相结合。
相对于文献[2]，本发明的不同点在于提出的预编码矩阵特指WFRFT矩阵，并且根据WFRFT的性质，本发明的提出的装置具有其特殊的物理意义。
本发明与文献[3～4]的不同点在于，本发明研究了WFRFT预编码的MIMO-OFDM系统，并且运用的均衡方法为频域ZF/MMSE均衡方式。

Claims (6)

1.基于WFRFT预编码的多输入多输出传输系统，其特征是：它包括发射端和接收端；
所述发射端包括调制模块、-β阶WFRFT(加权分数傅立叶变换)模块、STBC(空时块编码)编码模块、两个-α阶WFRFT模块、两个加CP(循环前缀)模块和两根发射端天线；
α取值为0或1，β为0至1之间的实数；
调制模块的信号输入端是原始信号输入端，所述调制模块的信号输出端与-β阶WFRFT模块的信号输入端连接；所述-β阶WFRFT模块的信号输出端与STBC编码模块的信号输入端连接；所述STBC编码模块的一个信号输出端与一个-α阶WFRFT模块的输入端连接；该-α阶WFRFT模块的信号输出端与一个加CP模块的信号输入端连接；该加CP模块的信号输出端与一根发射端天线的信号输入端连接；
同时STBC编码模块的另一个信号输出端与另一个-α阶WFRFT模块的输入端连接；该-α阶WFRFT模块的信号输出端与另一个加CP模块的信号输入端；该加CP模块的信号输出端与另一根发射端天线的信号输入端连接；
接收端包括接收端天线、去CP模块、FFT模块、STBC解码模块、频域均衡模块、-1+α阶WFRFT模块、β阶WFRFT模块和解调模块；
所述接收端天线的信号输出端与去CP模块的信号输入端连接；所述去CP模块的信号输出端与FFT模块的信号输入端连接；所述FFT模块的信号输出端与频域均衡模块的信号输入端连接；所述频域均衡模块的信号输出端与-1+α阶WFRFT模块的信号输入端连接；所述-1+α阶WFRFT模块的信号输出端与β阶WFRFT模块的信号输入端连接；所述β阶WFRFT模块的信号输出端与解调模块的信号输入端连接，所述解调模块的信号输出端作为原始数据输出端。
2.根据权利要求1所述的基于WFRFT预编码的多输入多输出传输系统，其特征在于它是STBC-SC-FDE(空时块编码-单载波-频域均衡)系统时，在发射端的STBC编码模块处进行编码后，对时刻2发射的数据进行反转处理。
3.根据权利要求1所述的基于WFRFT预编码的多输入多输出传输系统，其特征在于它是STBC-OFDM系统。
4.根据权利要求1的基于WFRFT预编码的多输入多输出传输系统的传输方法，其特征是：它由以下步骤实现：
它的信号发射方法：
步骤一、在输入端分别对输入数据d1和d2进行调制，并将调制后的数据分别进行-β阶的加权分数傅里叶变换到α阶域；
步骤二、在α阶频域，对调制后分别进行-β阶的加权分数傅里叶变换的数据进行STBC编码，获得数据x1和x2及其共轭形式和
步骤三、将STBC编码后的数据进行-α阶WFRFT处理，将STBC编码后的数据变换到时域，并添加CP后通过两根发射端天线发射至信道；其中：
时刻1两根天线传输的数据分别为x1和x2进行-α阶WFRFT处理并添加CP后的数据，时刻2两根天线传送的数据分别为和进行-α阶WFRFT处理并添加CP后的数据，传输期间设两个时刻的信道条件不发生变化；
它的信号接收方法：
步骤四、接收端通过一根接收端天线先后接收发射端在2个时刻下发射的信号，经过去CP和FFT操作后，把数据变换到频域；
步骤五、在频域内，先后对2个时刻下发射端发射的信号进行STBC解码和频域均衡处理；
步骤六、对经步骤五处理后的信号进行-1+α阶的加权分数傅里叶变换处理，变换到α阶域；
步骤七、在α阶域，对信号进行β阶的加权分数傅里叶变换，将数据变换回到加权分数域，并进行解调解码后输出。
5.根据权利要求4所述的基于WFRFT预编码的多输入多输出传输系统的传输方法，其特征在于STBC-SC/MC-FDE(空时块编码-单载波/多载波-频域均衡)系统下，发射端的STBC编码模块处，设时刻1的数据为s1，其反转形式为则时刻2在进行数据共轭操作之前，对数据进行如下处理，
6.根据权利要求4所述的基于WFRFT预编码的多输入多输出传输系统的传输方法，其特征在于步骤五所述的频域均衡处理采用ZF/MMSE(迫零/最小均方误差)均衡方法实现。
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