CN105812310A - 基于zcz序列和相位旋转的单载波mimo通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于ZCZ序列和相位旋转的单载波MIMO通信方法及装置，发射端先生成前导序列，进行相位旋转；然后对数据比特流进行扰码、编码、块补零和流解析，对数据比特进行星座调制和相位旋转，对旋转后的星座调制符号进行空间扩展和UW序列插入；最后将前导序列和数据部分级联起来发送出去；接收端先对接收到的前导序列进行相位反旋转、AGC、帧检测和同步；其次进行信道估计；接着对数据部分按符号块进行均衡处理，对UW序列进行相位噪声补偿等后去除，对数据符号进行相位反旋转；最后进行星座解调、解流解析、去补块、译码和解扰，恢复发送数据比特流。本发明充分实现单载波和MIMO相结合的优势，同时利用ZCZ序列在同步、信道估计等方面的巨大潜能以及相位旋转带来的系统性能增益。

Description

基于ZCZ序列和相位旋转的单载波MIMO通信方法及装置

技术领域

本发明提供一种基于ZCZ(零相关区，ZeroCorrelationZone)序列和相位旋转的单载波MIMO(多输入多输出，Multiple-InputMultiple-Output)通信方法及装置，属于无线通信技术领域。

背景技术

MIMO技术在无线通信系统中的应用越来越广泛。它充分利用空间资源，在不增加频谱资源和发射功率的情况下，可以显著地提高系统信道容量。同时，它可以通过分集方式提高系统可靠性，实现高质量数据传输。MIMO通常与OFDM(正交频分复用，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技术相结合，在对抗多径衰落的同时提高系统吞吐量，从而满足用户高速通信需求。但是OFDM在实际应用中存在峰均比高的问题，这将会降低射频功率放大器的效率，增加系统复杂度和成本。而单载波方式具有与OFDM相似的接收机复杂度及系统性能，还具有低峰均比的优势，因此单载波与MIMO的结合也受到了广泛研究。

ZCZ序列集合内一个序列具有一定长度零相关区自相关特性，不同序列具有同等长度零相关区互相关特性。它的自相关旁瓣较低，互相关峰值较低。由ZCZ序列构成前导序列，可以利用相关序列的非零峰值实现帧检测、时间同步等；可以利用零相关区消除多径干扰，实现信道估计。另外，ZCZ序列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。

在IEEE802.11无线局域网协议中，前导序列能够完成帧检测、AGC(自动增益控制，AutomaticGainControl)、频率偏移估计、同步、信道估计等功能。为了使信号功率峰均比减小，降低非线性信道对QAM调制信号的频谱和误码性能的影响，通常可以在星座调制后进行相位旋转，保证系统的可靠性。因此，将ZCZ序列和相位旋转应用于单载波MIMO系统中，设计高效可行的收发方法及装置，具有重要的研究意义。

发明内容

发明目的：为了实现单载波和MIMO结合运用的优势，同时利用ZCZ序列和相位旋转在无线通信系统中的有益作用，本发明提供了一种基于ZCZ序列和相位旋转的单载波MIMO通信方法及装置，对发送及接收处理方案进行了详细描述。

技术方案：本发明针对由ZCZ序列构成前导序列(所用ZCZ序列的生成详见专利申请号为2014104654438的专利申请)的单载波MIMO通信系统设计信道估计及数据均衡处理方法。前导序列由STF字段(短训练字段，ShortTrainingField)和CEF字段(信道估计字段，ChannelEstimationField)组成。所述STF字段由ZCZ序列集合中某个长度为N_Z的ZCZ序列重复N_S次构成，所述CEF字段根据需要由STF字段的ZCZ序列本身或者乘以-1后级联而成，共N_C次，因此前导序列的总长度为(N_S+N_C)N_Z。MIMO系统中每根发射天线的前导序列由ZCZ序列集合中的一条ZCZ序列生成，且不同发射天线的前导序列对应不同的ZCZ序列，发射天线数目应该小于等于ZCZ序列集合中的ZCZ序列数目。

本发明提出一种基于ZCZ序列和相位旋转的单载波MIMO通信方法，包括发送和接收处理两部分；

(一)发射端发送前导序列和数据的具体工作过程如下：

(1)生成前导序列，并进行相位旋转；

若第u根发射天线上构成前导序列的ZCZ序列为z_u，前导序列中第n个元素为p_u(n)，则p_u(n)经过相位旋转后表示为

${\tilde{p}}_u\left(n\right)=p_u\left(n\right)e^{j\mathrm{\θ}n}---\left(1\right)$

其中u＝1,2,...,N_TX，N_TX为发射天线数，n＝0,1,...,(N_S+N_C)N_Z-1，θ为旋转角度，j为虚数单位，即j²＝-1。

(2)对要发送的数据比特流依次进行扰码、编码、块补零和流解析，之后对每个空间流上的数据比特进行星座调制，并对星座调制符号进行相位旋转，接着对相位旋转后的空间流进行空间扩展，插入UW序列。

进行星座调制后生成的星座符号为d_i(m)，对其进行相位旋转操作，即得：

${\tilde{d}}_i\left(m\right)=d_i\left(m\right)e^{j\mathrm{\θ}m}---\left(2\right)$

其中i＝1,2,...,N_SS，N_SS为空间流数，m＝0,1,...。

接着，先将每个空间流以N_D个星座调制符号为基本单位划分成若干块，并空间扩展至每根发射天线上；然后将每根发射天线上的数据划分成长度为N_D的数据子块，并在每个数据子块后插入长度为N_U的UW(独特字，UniqueWord)序列，其中每根发射天线中插入的UW序列相同，不同发射天线中插入的UW序列不同，每个符号块的长度为N_B＝N_D+N_U；最后在每根发射天线的第一个符号块前再需插入一个UW序列。

(3)将前导序列和数据部分级联起来，通过发射天线依次发送出去。

(二)接收端恢复发送数据比特流的具体工作过程如下：

(1)对接收到的前导序列进行相位反旋转操作；

若第v根接收天线接收到的前导序列中第n个元素为则经过相位反旋转后表示为：

$r_v\left(n\right)={\tilde{r}}_v\left(n\right)e^{-j\mathrm{\θ}(n+D)}---\left(3\right)$

其中v＝1,2,...,N_RX，N_RX为接收天线数，D为发射端和接收端的相位偏差数目。

(2)使用相位反旋转后的前导序列进行AGC、帧检测和同步等操作，得到数据符号与数据符号块起始位置的偏差；

(3)读取CEF字段中用于信道估计的接收序列，进行信道估计；

(3.1)使用ZCZ序列集合的快速周期相关法(详见专利申请号为2014105932854的专利申请)计算第v根接收天线的CEF字段中用于信道估计的接收序列r_v,ZCZ与第u根发射天线上ZCZ序列z_u的周期相关值C_v,u；

(3.2)对C_v,u进行序列能量归一化处理，即

${\stackrel{\‾}{C}}_{v,u}=\frac{1}{N_Z}{C}_{v,u}---\left(4\right)$

(3.3)对的前N₀个元素进行相位旋转，得到第u根发射天线和第v根接收天线之间的多径时域估计信道h_v,u，它的第l个元素表示为：

$h_{v,u}\left(l\right)={\stackrel{\‾}{C}}_{v,u}\left(l\right)e^{j\mathrm{\θ}(D+N_{syn}+l)}---\left(5\right)$

其中N₀为ZCZ序列的零相关区长度，l＝0,1,...,N₀-1；

(3.4)对h_v,u进行N_B点FFT变换，转换成频域估计信道H_v,u，其元素H_v,u(k)表示第u根发射天线和第v根接收天线之间第k个频点上的频域信道响应，k＝1,2,...,N_B。

(4)对数据部分按符号块进行均衡处理，得到所有发送符号块的时域估计值，符号块中的UW序列进行相位噪声补偿等后去除，每个空间流上只保留数据符号；

(5)对空间流上的数据符号进行相位反旋转，第i个空间流上第m个数据符号的相位反旋转表示为：

$x_i\left(m\right)={\tilde{x}}_i\left(m\right)e^{-j\mathrm{\θ}m}---\left(6\right)$

(6)对相位反旋转后的数据符号x_i(m)进行星座解调、解流解析、去补块、译码和解扰，恢复发送数据比特流。

本发明还提出一种基于ZCZ序列和相位旋转的单载波MIMO通信装置，包括发送模块和接收模块，其中

发送模块包括前导序列旋转模块、数据比特处理模块和数据发送模块；前导序列旋转模块用于生成前导序列，并对前导序列进行相位旋转；数据比特处理模块用于对要发送的数据比特流进行扰码、编码、块补零、流解析、星座调制、相位旋转、空间扩展和UW序列插入；数据发送模块用于将前导序列和数据部分级联，并将级联后的数据通过发射天线依次发送出去；

接收模块包括前导序列反旋转模块、信道估计模块和数据接收处理模块，其中前导序列反旋转模块用于对接收到的前导序列进行相位反旋转操作，并基于相位反旋转后的前导序列进行AGC、帧检测和同步等操作，得到数据符号与数据符号块起始位置的偏差；信道估计模块用于读取CEF字段中用于信道估计的接收序列，进行信道估计；数据接收处理模块用于对数据部分按符号块进行均衡处理，经相位噪声补偿等后去除UW序列，并对空间流上的数据符号进行相位反旋转、星座解调、解流解析、去补块、译码和解扰，恢复发送数据比特流。

有益效果：本发明提出的基于ZCZ序列和相位旋转的单载波MIMO通信方法及装置充分实现单载波和MIMO相结合的优势，同时利用ZCZ序列在同步、信道估计等方面的巨大潜能以及相位旋转带来的系统性能增益，给出切实可行的发送及接收处理方案。

附图说明

图1是本发明中通信装置的工作原理图；

图2实施例中前导序列的结构；

图3是实施例中信道估计的流程图。

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。

在本发明实例中，采用IEEE802.11aj(45GHz)单载波方式发送数据，带宽为540MHz，发射天线数N_TX＝4，接收天线数N_RX＝4，空间流数N_SS＝4。每个符号块的长度N_B＝256，符号块中数据长度N_D＝192，UW序列长度N_U＝64。ZCZ序列的长度N_Z＝256，零相关区的长度N₀＝56，4根发射天线对应ZCZ序列集合中4条不同的ZCZ序列。

发射端的具体工作过程如下：

(1)在每根发射天线上生成前导序列。如图2所示，第u根发射天线上构成前导序列的ZCZ序列表示为z_u，STF字段由z_u重复10次构成，CEF字段则为[-z_uz_uz_u-z_u]。令前导序列中第n个元素为p_u(n)，则p_u(n)经过相位旋转后表示为：

${\tilde{p}}_u\left(n\right)=p_u\left(n\right)e^{j\frac{\mathrm{\π}}{2}n}---\left(7\right)$

其中u＝1,2,3,4，n＝0,1,...,3583。

(2)对要发送的数据比特流依次进行扰码、编码、块补零和流解析之后对每个空间流上的数据比特进行星座调制，生成星座符号d_i(m)，并对星座符号d_i(m)进行相位旋转操作，即：

${\tilde{d}}_i\left(m\right)=d_i\left(m\right)e^{j\frac{\mathrm{\π}}{2}m}---\left(8\right)$

其中i＝1,2,3,4，m＝0,1,...。将每个空间流以192个星座调制符号为基本单位划分成若干块并空间扩展至每根天线上，对每根天线上的数据划分成长度为192的数据子块，并在每个子块后插入长度为64的UW序列，每根发射天线中插入的UW序列相同，不同发射天线中插入的UW序列不同，在每根发射天线的第一个符号块前还需插入一个UW序列。

(3)将前导序列和数据部分级联起来，通过4根发射天线发送出去。

接收端的具体工作过程如下：

(1)对接收到的前导序列进行相位反旋转操作。假设第v根接收天线接收到的前导序列中第n个元素为则经过相位反旋转后表示为：

$r_v\left(n\right)={\tilde{r}}_v\left(n\right)e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{2}(n+D)}---\left(9\right)$

其中v＝1,2,3,4，D为发射端和接收端的相位偏差数目。

(2)使用相位反旋转后的接收前导序列进行AGC、帧检测和同步等操作，得到的数据符号与以256为长度单位划分的起始位置偏差N_syn。

(3)进行信道估计。读取第v根接收天线的CEF字段中第三个接收序列r_v,ZCZ用于信道估计。如图3所示，信道估计的具体步骤总结如下：

(3.1)使用ZCZ序列集合的快速周期相关法计算r_v,ZCZ与ZCZ序列z_u的周期相关值C_v,u；

(3.2)对C_v,u进行序列能量归一化处理，即：

${\stackrel{\‾}{C}}_{v,u}=\frac{1}{256}{C}_{v,u}---\left(10\right)$

(3.3)对的前56个元素进行相位旋转，得到第u根发射天线和第v根接收天线之间的多径时域估计信道h_v,u，它的第l个元素表示为：

$h_{v,u}\left(l\right)={\stackrel{\‾}{C}}_{v,u}\left(l\right)e^{j\frac{\mathrm{\π}}{2}(D+N_{syn}+l)}---\left(11\right)$

其中l＝0,1,...,55；

(3.4)对h_v,u进行256点FFT变换，转换成频域估计信道H_v,u，其元素H_v,u(k)表示第u根发射天线和第v根接收天线之间第k个频点上的频域信道响应，k＝1,2,...,256。

(4)对数据部分按符号块进行均衡处理，得到所有发送符号块的时域估计值。符号块中的UW序列进行相位噪声补偿等后去除，每个空间流上只保留数据符号。

(5)对空间流上的数据符号进行相位反旋转。第i个空间流上第m个数据符号的相位反旋转表示为：

$x_i\left(m\right)={\tilde{x}}_i\left(m\right)e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{2}m}---\left(12\right)$

(6)对相位反旋转后的数据符号x_i(m)进行星座解调、解流解析、去补块、译码和解扰，恢复发送数据比特流。

Claims (6)

1.基于ZCZ序列和相位旋转的单载波MIMO通信方法，包括发送和接收处理两部分；

(一)发射端发送前导序列和数据的具体工作过程如下：

(1)生成前导序列，并进行相位旋转；

(2)对要发送的数据比特流依次进行扰码、编码、块补零和流解析，之后对每个空间流上的数据比特进行星座调制，并对星座调制符号进行相位旋转，接着对相位旋转后的空间流进行空间扩展，插入UW序列；

(3)将前导序列和数据部分级联起来，通过发射天线依次发送出去；

(二)接收端恢复发送数据比特流的具体工作过程如下：

(1)对接收到的前导序列进行相位反旋转操作；

(2)使用相位反旋转后的前导序列进行AGC、帧检测和同步等操作，得到数据符号与数据符号块起始位置的偏差；

(3)读取CEF字段中用于信道估计的接收序列，进行信道估计；

(4)对数据部分按符号块进行均衡处理，得到所有发送符号块的时域估计值，符号块中的UW序列进行相位噪声补偿等后去除，每个空间流上只保留数据符号；

(5)对空间流上的数据符号进行相位反旋转；

(6)对相位反旋转后的数据符号进行星座解调、解流解析、去补块、译码和解扰，恢复发送数据比特流。

2.根据权利要求1所述的基于ZCZ序列和相位旋转的单载波MIMO通信方法，其特征在于，发射端对前导序列进行相位旋转的具体方法为：

若第u根发射天线上构成前导序列的ZCZ序列为z_u，前导序列中第n个元素为p_u(n)，则p_u(n)经过相位旋转后表示为

${\tilde{p}}_u\left(n\right)=p_u\left(n\right)e^{j\mathrm{\θ}n}---\left(1\right)$

其中u＝1,2,...,N_TX，N_TX为发射天线数，n＝0,1,...,(N_S+N_C)N_Z-1，θ为旋转角度，j为虚数单位，即j²＝-1，N_Z为ZCZ序列的长度，N_S为STF字段中ZCZ序列重复的次数，N_C为CEF中ZCZ序列重复的次数。

3.根据权利要求1所述的基于ZCZ序列和相位旋转的单载波MIMO通信方法，其特征在于，发射端对旋转后的每个空间流上的星座调制符号进行空间扩展的具体方法为：首先将每个空间流以N_D个星座调制符号为基本单位划分成若干块，并空间扩展至每根发射天线上；然后将每根发射天线上的数据划分成长度为N_D的数据子块，并在每个数据子块后插入长度为N_U的UW序列，其中每根发射天线中插入的UW序列相同，不同发射天线中插入的UW序列不同；最后在每根发射天线的第一个符号块前再需插入一个UW序列。

4.根据权利要求1所述的基于ZCZ序列和相位旋转的单载波MIMO通信方法，其特征在于，接收端对接收到的前导序列进行相位反旋转的具体方法为：

若第v根接收天线接收到的前导序列中第n个元素为则经过相位反旋转后表示为：

$r_v\left(n\right)={\tilde{r}}_v\left(n\right)e^{-j\mathrm{\θ}(n+D)}---\left(3\right)$

其中v＝1,2,...,N_RX，N_RX为接收天线数，n＝0,1,...,(N_S+N_C)N_Z-1，θ为旋转角度，j为虚数单位，即j²＝-1，D为发射端和接收端的相位偏差数目。

5.根据权利要求1所述的基于ZCZ序列和相位旋转的单载波MIMO通信方法，其特征在于，接收端进行信道估计的具体方法为：

(3.1)使用ZCZ序列集合的快速周期相关法计算第v根接收天线的CEF字段中用于信道估计的接收序列r_v,ZCZ与第u根发射天线上ZCZ序列z_u的周期相关值C_v,u；

(3.2)对C_v,u进行序列能量归一化处理，即

${\stackrel{\‾}{C}}_{v,u}=\frac{1}{N_Z}{C}_{v,u}---\left(4\right)$

其中N_Z为ZCZ序列的长度；

(3.3)对的前N₀个元素进行相位旋转，得到第u根发射天线和第v根接收天线之间的多径时域估计信道h_v,u，它的第l个元素表示为：

$h_{v,u}\left(l\right)={\stackrel{\‾}{C}}_{v,u}\left(l\right)e^{j\mathrm{\θ}(D+N_{syn}+l)}---\left(5\right)$

其中N₀为ZCZ序列的零相关区长度，l＝0,1,...,N₀-1，θ为旋转角度，j为虚数单位，即j²＝-1，D为发射端和接收端的相位偏差数目，N_syn为数据符号与数据符号块起始位置的偏差；

(3.4)对h_v,u进行N_B点FFT变换，转换成频域估计信道H_v,u，其元素H_v,u(k)表示第u根发射天线和第v根接收天线之间第k个频点上的频域信道响应，k＝1,2,...,N_B，N_B为数据符号块长度。

6.基于ZCZ序列和相位旋转的单载波MIMO通信装置，包括发送模块和接收模块，其中

发送模块包括前导序列旋转模块、数据比特处理模块和数据发送模块；前导序列旋转模块用于生成前导序列，并对前导序列进行相位旋转；数据比特处理模块用于对要发送的数据比特流进行扰码、编码、块补零、流解析、星座调制、相位旋转、空间扩展和UW序列插入；数据发送模块用于将前导序列和数据部分级联，并将级联后的数据通过发射天线依次发送出去；

接收模块包括前导序列反旋转模块、信道估计模块和数据接收处理模块，其中前导序列反旋转模块用于对接收到的前导序列进行相位反旋转操作，并基于相位反旋转后的前导序列进行AGC、帧检测和同步等操作，得到数据符号与数据符号块起始位置的偏差；信道估计模块用于读取CEF字段中用于信道估计的接收序列，进行信道估计；数据接收处理模块用于对数据部分按符号块进行均衡处理，经相位噪声补偿等后去除UW序列，并对空间流上的数据符号进行相位反旋转、星座解调、解流解析、去补块、译码和解扰，恢复发送数据比特流。