CN105871440A - 混合载波多天线分量传输的信号接收方法 - Google Patents

Abstract

混合载波多天线分量传输的信号接收方法，涉及无线通信领域。本发明是为了实现混合载波信号在接收端难以进行正确恢复的问题。其接收方法：采用接收天线接收发射的信号，并利用不同的导频序列分别估计出不同子信道的信道状态信息；根据变换阶数α和信号的组合方式，在接收端生成发射信号变换矩阵；根据获得的信道状态信息和得到的发射信号变换矩阵，计算接收信号生成矩阵；利用接收到的信号和收信号生成矩阵，采用最小均方误差(MMSE)方法恢复原始信号。本发明适用于无线通信过程中。

Description

混合载波多天线分量传输的信号接收方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域。

背景技术

随着科技的进步，移动通信的信道环境变得越来越复杂，在许多新的通信场景下，信道所呈现出的衰落特性已经不止是单一的时域选择性衰落或频域选择性衰落，而是一种时域与频域同时衰落的时频双选特性。在这种信道下，无论是单载波体制所采用的时域信号，还是多载波体制采用的频域信号都难以获得较好的性能，而混合载波体制所采用的时频协同信号却能够获得较好的效果。当时频协同信号应用于多天线场景时，由于不同分量对不同衰落特性的信道具有不同的适应性，因而，可以将混合载波信号的不同分量映射到与之匹配的子信道上，从而获得更好的通信效果。但由于不同子信道之间的衰落是随机的，导致混合载波信号不同分量之间的数学约束关系遭到破坏，如果在接收端直接进行反变换将难以获得正确的信号。

发明内容

本发明是为了实现混合载波信号在接收端难以进行正确恢复的问题，从而提供一种混合载波多天线分量传输系统接收方法。

混合载波多天线分量传输的信号接收方法，

混合载波多天线分量传输的信号发射方法，它包括以下步骤：

步骤一、将待发送信号进行调制，并分成长度为N的数据块；N为正数；

步骤二、将步骤一所述的长度为N的数据块进行α阶加权分数傅里叶变换；α为正数；

步骤三、将步骤二变换后不同的信号分量或分量的组合形式映射到不同的发射天线上；

步骤四、将步骤三中映射到不同天线上的信号插入不同的导频序列，并送入信道进行传输；

其特征是：混合载波多天线分量传输的信号接收方法，它包括以下步骤：

步骤五、采用接收天线接收步骤四发射的信号，并利用不同的导频序列分别估计出不同子信道的信道状态信息；

步骤六、根据变换阶数α和信号的组合方式，在接收端生成发射信号变换矩阵；

步骤七、根据步骤五中获得的信道状态信息和步骤六中得到的发射信号变换矩阵，计算接收信号生成矩阵；

步骤八、利用接收到的信号和收信号生成矩阵，采用最小均方误差(MMSE)方法恢复原始信号。

本发明通过结合信道状态信息与加权分数傅里叶变换的联合逆变换方法为混合载波多天线分量传输系统提供了一种可行的接收方案，使得接收端能够正确恢复发送端所发送的信号。在各个子信道衰落特性不同的情况下，获得更好的系统性能。

附图说明

图1是混合载波多天线分量传输系统示意图；

图2是混合载波多天线分量传输系统接收机结构示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，混合载波多天线分量传输的信号接收方法，该接收方法主要通过以下步骤实现：

步骤一、在发送端，待发送信号经过调制后，分成长度为N的数据块；

步骤二、将长度为N的数据块送入加权分数傅里叶变换模块，根据选择的变换阶数α进行变换。如果需要进行变换的原始数据为X₀，则加权分数傅里叶变换的矩阵表示形式如下：

F^αX₀＝(w₀(α)I+w₁(α)F+w₂(α)PI+w₃(α)PF)X₀

其中：{w₀(α)，w₁(α)，w₂(α)，w₃(α)}为加权系数，其具体表达式为：

$w_l\left(\mathrm{\α}\right)=cos\[\frac{(\mathrm{\α}-l)\mathrm{\π}}{4}\]cos\[\frac{(\mathrm{\α}-l)\mathrm{\π}}{2}\]\exp \[\frac{3j(\mathrm{\α}-l)\mathrm{\π}}{4}\],(l=0,1,2,3)$

I为单位阵，而F为离散傅里叶变换矩阵，其具体的归一化表达式为：

其中q＝e^-j2π/N；

P为置换矩阵，其具体形式为：

$P=\left[\begin{array}{ccccccc}1& 0& 0& ...& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& ...& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& ...& 0& 1& 0\\ \·& \·& \·& & \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& & \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& & \·& \·& \·\\ 0& 0& 1& ...& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& ...& 0& 0& 0\end{array}\right].$

步骤三、将不同的信号分量或分量的组合形式映射到不同的发射天线上。

以两发一收的多天线系统为例，可将混合载波信号中的时域分量与时域反转分量合并，映射到多普勒较大的子信道上，同时将频域分量与频域反转分量合并，映射到多径较大的信道上，即：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_1=\left(w_0\right(\mathrm{\α})I+w_2(\mathrm{\α}\left)PI\right)X_0\\ X_2=\left(w_1\right(\mathrm{\α})F+w_3\left(\mathrm{\α}\right)PF)X_0\end{array}\right.$

步骤四、将映射到不同天线上的信号插入不同的导频序列，并送入信道进行传输。

步骤五、接收天线接收到信号后，将信号分为两路，一路用于最终的逆变换，另一路则送入信道估计器，利用不同的导频序列分别估计出不同子信道的信道状态信息。

以两发一收的多天线系统为例，经过信道估计后，可以得到两条子信道的信道增益矩阵：

H₁＝[h₁(1) h₁(2) … h₁(n)]

H₂＝[h₂(1) h₂(2) … h₂(n)]

其中，h₁(n)和h₂(n)分别为子信道1和子信道2在第n时刻的信道增益系数，n∈[1,N]。

步骤六、根据变换阶数α和信号的组合方式，在接收端生成发射信号变换矩阵。假设发送端信号按照步骤三中的映射规则进行映射则其发射信号变换矩阵为：w₀(α)I+w₂(α)PI和w₁(α)F+w₃(α)PF。

事实上由于发射信号的变换矩阵只与变换阶数α和信号的组合方式有关，因而当收发两端事先约定好变换阶数α和信号的组合方式时，发射信号变换矩阵可提前计算好后存储在接收端备用。

步骤七、根据步骤五中获得的信道状态信息和步骤六中得到的发射信号变换矩阵计算接收信号生成矩阵，其表达式为：

G＝H₁(w₀(α)I+w₂(α)PI)+H₂(w₁(α)F+w₃(α)PF)

步骤八、利用接收到的信号Y和收信号生成矩阵G，MMSE联合逆变换器依据步骤七计算出的接收信号生成矩阵，利用公式：

${\tilde{X}}_{MMSE}={(G^{H}G+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{G}^{H}Y$

计算出原始信号的估计值，而后通过解星座映射和信号判决从而得到最终结果；式中σ²为噪声功率。

本发明通过一种结合信道状态信息与加权分数傅里叶变换的联合逆变换方法为混合载波多天线分量传输系统提供了一种可行的接收方案，使得接收端能够正确恢复发送端所发送的信号。在各个子信道衰落特性不同的情况下，获得更好的系统性能。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的混合载波多天线分量传输的信号接收方法的区别在于，还包括4发1收的情况。其特征在于，步骤三中产生的四个分量分别映射到4个发射天线上，即：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_1=w_0\left(\mathrm{\α}\right)I{X}_0\\ X_2=w_1\left(\mathrm{\α}\right){\mathrm{FX}}_0\\ X_3=w_2\left(\mathrm{\α}\right){\mathrm{PIX}}_0\\ X_4=w_3\left(\mathrm{\α}\right){\mathrm{PFX}}_0\end{array}\right.$

步骤五中需要估计出的子信道的信道状态信息由两个变为四个，可分别表示为H₁＝[h₁(1) h₁(2) … h₁(n)]、H₂＝[h₂(1) h₂(2) … h₂(n)]、H₃＝[h₃(1) h₃(2) … h₃(n)]和H₄＝[h₄(1) h₄(2) … h₄(n)]。

步骤六中的发射信号变换矩阵也由两个变为4个，分别是w₀(α)I、w₁(α)F、w₂(α)PI和w₃(α)PF。步骤七中的接收信号生成矩阵表达式变为：G＝H₁w₀(α)I+H₂w₁(α)F+H₃w₂(α)PI+H₄w₃(α)PF。其他步骤不变。

Claims (10)

1.混合载波多天线分量传输的信号接收方法，

混合载波多天线分量传输的信号发射方法，它包括以下步骤：

步骤一、将待发送信号进行调制，并分成长度为N的数据块；N为正数；

步骤二、将步骤一所述的长度为N的数据块进行α阶加权分数傅里叶变换；α为正数；

步骤三、将步骤二变换后不同的信号分量或分量的组合形式映射到不同的发射天线上；

步骤四、将步骤三中映射到不同天线上的信号插入不同的导频序列，并送入信道进行传输；

其特征是：混合载波多天线分量传输的信号接收方法，它包括以下步骤：

步骤五、采用接收天线接收步骤四发射的信号，并利用不同的导频序列分别估计出不同子信道的信道状态信息；

步骤六、根据变换阶数α和信号的组合方式，在接收端生成发射信号变换矩阵；

步骤七、根据步骤五中获得的信道状态信息和步骤六中得到的发射信号变换矩阵，计算接收信号生成矩阵；

步骤八、利用接收到的信号和收信号生成矩阵，采用最小均方误差(MMSE)方法恢复出原始信号。

2.根据权利要求1所述的混合载波多天线分量传输的信号接收方法，其特征在于步骤二所述将步骤一所述的长度为N的数据块进行α阶加权分数傅里叶变换，具体为：

设长度为N的数据块为X₀，则加权分数傅里叶变换的矩阵表示形式如下：

FαX₀＝(w₀(α)I+w₁(α)F+w₂(α)PI+w₃(α)PF)X₀

式中：{w₀(α)，w₁(α)，w₂(α)，w₃(α)}为加权系数，具体表达式为：

$w_l\left(\mathrm{\α}\right)=cos\[\frac{(\mathrm{\α}-l)\mathrm{\π}}{4}\]cos\[\frac{(\mathrm{\α}-l)\mathrm{\π}}{2}\]\exp \[\frac{3j(\mathrm{\α}-l)\mathrm{\π}}{4}\],(l=0,1,2,3)$

I为单位阵，而F为离散傅里叶变换矩阵，具体的归一化表达式为：

$F=\frac{1}{\sqrt{N}}\left[\begin{array}{cccc}1& 1& ...& 1\\ 1& q& ...& q^{N-1}\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}\\ ...\\ \end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ 1& q^{N-1}& ...& q^{(N-1)(N-1)}\end{array}\right]$

其中：q＝e^-j2π/N；

P为置换矩阵，具体形式为：

$P=\left[\begin{array}{ccccccc}1& 0& 0& ...& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& ...& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& ...& 0& 1& 0\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}\\ \\ \end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ 0& 0& 1& ...& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& ...& 0& 0& 0\end{array}\right].$

3.根据权利要求1所述的混合载波多天线分量传输的信号接收方法，其特征在于步骤三中，将步骤二变换后不同的信号分量或分量的组合形式映射到不同的发射天线上，具体方法为：

对于两发一收的多天线系统，将混合载波信号中的时域分量与时域反转分量合并，映射到多普勒大于预设阈值的子信道上，同时将频域分量与频域反转分量合并，映射到多径大于预设值的信道上，即：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_1=\left(w_0\right(\mathrm{\α})I+w_2(\mathrm{\α}\left)PI\right)X_0\\ X_2=\left(w_1\right(\mathrm{\α})F+w_3(\mathrm{\α}\left)PF\right)X_0\end{array}\right..$

4.根据权利要求3所述的混合载波多天线分量传输的信号接收方法，其特征在于步骤五中，采用接收天线接收步骤四发射的信号，并利用不同的导频序列分别估计出不同子信道的信道状态信息，具体为：

经过信道估计后，得到两条子信道的信道增益矩阵：

H₁＝[h₁(1) h₁(2) … h₁(n)]

H₂＝[h₂(1) h₂(2) … h₂(n)]

式中，h₁(n)和h₂(n)分别为子信道1和子信道2在第n时刻的信道增益系数，n∈[1,N]。

5.根据权利要求4所述的混合载波多天线分量传输的信号接收方法，其特征在于步骤六中，在接收端生成发射信号变换矩阵，分别为：w₀(α)I+w₂(α)PI和w₁(α)F+w₃(α)PF。

6.根据权利要求5所述的混合载波多天线分量传输的信号接收方法，其特征在于步骤七中，计算接收信号生成矩阵，结果为：

G＝H₁(w₀(α)I+w₂(α)PI)+H₂(w₁(α)F+w₃(α)PF)。

7.根据权利要求5所述的混合载波多天线分量传输的信号接收方法，其特征在于步骤八中，采用最小均方误差(MMSE)方法恢复原始信号，具体表达式为：

${\tilde{X}}_{MMSE}={(G^{H}G+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{G}^{H}Y$

式中：Y为接收到的信号；G为接收信号生成矩阵；σ²为噪声功率。

8.根据权利要求1所述的混合载波多天线分量传输的信号接收方法，其特征在于步骤三中，将步骤二变换后不同的信号分量或分量的组合形式映射到不同的发射天线上，具体方法为：

对于四发一收的多天线系统，将产生的四个分量分别映射到4个发射天线上，即：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_1=w_0\left(\mathrm{\α}\right){\mathrm{IX}}_0\\ X_2=w_1\left(\mathrm{\α}\right){\mathrm{FX}}_0\\ X_3=w_2\left(\mathrm{\α}\right){\mathrm{PIX}}_0\\ X_4=w_3\left(\mathrm{\α}\right){\mathrm{PFX}}_0\end{array}\right..$

9.根据权利要求8所述的混合载波多天线分量传输的信号接收方法，其特征在于步骤五中，采用接收天线接收步骤四发射的信号，并利用不同的导频序列分别估计出不同子信道的信道状态信息，具体为：

经过信道估计后，得到四条子信道的信道增益矩阵：

分别表示为：

H₁＝[h₁(1) h₁(2) … h₁(n)]

H₂＝[h₂(1) h₂(2) … h₂(n)]

H₃＝[h₃(1) h₃(2) … h₃(n)]

H₄＝[h₄(1) h₄(2) … h₄(n)]。

10.根据权利要求9所述的混合载波多天线分量传输的信号接收方法，其特征在于步骤六中，在接收端生成发射信号变换矩阵，分别为：

w₀(α)I、w₁(α)F、w₂(α)PI和w₃(α)PF；

步骤七中，计算接收信号生成矩阵，结果为：

G＝H₁w₀(α)I+H₂w₁(α)F+H₃w₂(α)PI+H₄w₃(α)PF。