CN105991496B

CN105991496B - 导频发送方法、导频接收方法及其装置

Info

Publication number: CN105991496B
Application number: CN201510041305.1A
Authority: CN
Inventors: 胡苏�; 袁航; 喻斌; 孙鹏飞; 付彦路
Original assignee: Beijing Samsung Telecommunications Technology Research Co Ltd; Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Beijing Samsung Telecommunications Technology Research Co Ltd; Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2020-11-27
Anticipated expiration: 2035-01-27
Also published as: CN105991496A

Abstract

本申请公开了一种导频发送方法，应用于OFDM/OQAM系统，该方法包括：对每一个发送天线端口分别执行A～C：A、产生用作导频的时域正交序列；B、将所述时域正交序列的长度扩展到等于所述OFDM/OQAM系统的子载波长度；C、将扩展后的时域正交序列变换成频域复数序列；D、将对应于各发送天线端口的频域复数序列的实部和虚部分别映射到两个导频区域上进行发送。本申请还提供了对应的导频接收方法、导频发送装置和导频接收装置。应用本申请公开的技术方案，能够提高OFDM/OQAM系统信道估计的准确性，并节省OFDM/OQAM系统的时频资源。

Description

导频发送方法、导频接收方法及其装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更为具体地讲，涉及用于基于滤波器组的系统的导频发送和接收方法及装置。

背景技术

在现有的通信技术中，OFDM/OQAM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing/offset Quadrature Amplitude Modulation，基于交错正交幅度调制方法的正交频分多址技术)系统以其较高的频谱利用率、良好的时频聚焦特性，成为未来移动通信的主要候选技术之一，其详细介绍可参见Le Floch,M.Alard,and C.Berrou,“CodedOrthogonal Frequency Division Multiplex,”Proceedings of the IEEE,vol.83,pp.982–996,June 1995。

OFDM/OQAM系统的基带发送信号s(t)的数学表达式为：

其中，a_m,n表示第n个发射符号的第m个子载波上数据，v₀和τ₀分别表示OFDM/OQAM系统子载波间隔和发送信号时间间隔，g(t)表示成形滤波器函数。相比于传统的正交频分复用技术，OFDM/OQAM系统仅仅在实数域满足严格的正交条件。

近来，MIMO(Multi-input Multi-output，多输入多输出)技术在移动通信中已经获得了广泛的应用来提高频谱效率，早期贝尔实验室提出的VBLAST(Vertical Bell Labslayered Space-Time，垂直贝尔实验室分层空时结构)MIMO技术利用多个发射天线和接收天线之间的联合，有效地提高了基于MIMO技术的系统容量，其是工业化MIMO技术发展的基石，详见“V-BLAST:an architecture for realizing very high data rates over therich-scattering wireless channel”，作者Wolniansky,P.W，Foschini,G.J，Golden,G.D，Valenzuela,R.A，发表于1998URSI International Symposium on Systems,andElectronics。目前，MIMO技术和OFDM/OQAM技术的结合，即MIMO-OFDM/OQAM系统，也自然成为了未来无线通信系统的研究热点之一，目标是进一步提高OFDM/OQAM系统的频谱效率，增加其在未来无线通信中的应用价值。

图1是基于VBLAST结构的MIMO-OFDM/OQAM系统的发射端结构以及信号处理过程，大致有以下步骤：

步骤一：将串行数据流输入比特调制模块，根据系统参数对串行数据流进行调制，比如采用正交幅度调制(QAM)方式。

步骤二：将调制后的数据流通过串并转换过程，然后按照VBLAST的发射机结构把输入的串行数据映射到不同的发射数据流。

步骤三：分别对每个数据流调制后的数据块头部添加导频序列，其中导频序列用于MIMO-OFDM/OQAM系统的信道估计。

步骤四：根据公式(1)对添加导频序列后的数据进行正交化相位映射。

步骤五：通过步骤四后的数据通过IFFT模块完成IFFT变换。

步骤六：通过步骤五后的数据通过成型滤波器组模块完成成型滤波过程。

步骤七：通过步骤六后的不同数据流映射到不同的发射天线，然后发射。

图2是MIMO-OFDM/OQAM系统的接收端结构以及信号处理过程，大致有以下步骤：

步骤一：首先按照OFDM/OQAM系统解调过程完成不同数据流的解调，并去除正交相位信息。

步骤二：利用步骤一获取的信道信息，对不同接收天线端口的接收信号分别进行信道估计，从而得到发送天线与接收天线之间的信道响应后再通过均衡器消除多径干扰对OFDM/OQAM系统的影响。

步骤三：对经过步骤二后的数据输入VBLAST系统的传统干扰抑制和检测模块，输出经过干扰消除后的数据。

步骤四：对不同数据流中通过步骤三后的数据进行QAM解调，最后输出解调后的数据比特信息。

对于基于复数域空间的正交频分复用系统而言，CP-OFDM(OFDM with CyclicPrefix，添加前缀的正交频分复用系统)通过添加前缀消除符号间干扰，因此传统MIMO-OFDM系统可以通过简单的一列训练序列(比如1列全1序列)进行信道估计。然而，对于仅满足实数域正交条件的MIMO-OFDM/OQAM系统而言，多径衰落信道的复数特性会破坏OFDM/OQAM系统正交特性，因此接收前端接收到的信号就存在符号间干扰和子载波间干扰，需要设计一种针对MIMO-OFDM/OQAM实数域正交特性的导频信号序列和信道估计方法，以消除符号间干扰和子载波间干扰。

发明内容

本申请提供了一种导频发送方法、导频接收方法及其装置，以提高OFDM/OQAM系统信道估计的准确性，并节省OFDM/OQAM系统的时频资源。

本申请提供的一种导频发送方法，应用于OFDM/OQAM系统，包括：

对每一个发送天线端口分别执行A～C：

A、产生用作导频的时域正交序列；

B、将所述时域正交序列的长度扩展到等于所述OFDM/OQAM系统的子载波长度；

C、将扩展后的时域正交序列变换成频域复数序列；

D、将对应于各发送天线端口的频域复数序列的实部和虚部分别映射到两个导频区域上进行发送。

较佳地，所述两个导频区域为固有干扰为零的区域。

较佳地，所述两个导频区域的中间有T列数据，T大于等于1；

所述两个导频区域的邻侧分别有一列辅助导频。

较佳地，位于导频区域左侧的辅助导频的奇数位置的值等于所述T列数据中最左侧的一列数据对应奇数位置的值，偶数位置的值等于所述T列数据中最左侧的一列数据对应偶数位置的值的相反值；

位于导频区域右侧的辅助导频的奇数位置的值等于所述T列数据中最右侧的一列数据对应奇数位置的值，偶数位置的值等于所述T列数据中最右侧的一列数据对应偶数位置的值的相反值；

所述两列导频区域的偶数位置的值为0。

较佳地，步骤D包括：提取对应于各发送天线端口的时域复数序列的实部和虚部，将提取的实部和虚部分别在所述两个导频区域中叠加发送。

本申请提供的一种导频发送装置，应用于OFDM/OQAM系统，包括：

发送端第一模块，用于产生用作导频的时域正交序列；

发送端第二模块，用于将所述时域正交序列的长度扩展到等于所述OFDM/OQAM系统的子载波长度；

发送端第三模块，用将扩展后的时域正交序列变换成频域复数序列；

发送端第四模块，用于将对应于各发送天线端口的频域复数序列的实部和虚部分别映射到两个导频区域上进行发送。

本申请还提供了一种导频接收方法，该方法用于对采用权利要求1所述导频发送方法所发送的导频进行处理，包括：

对每一个接收天线端口p执行以下操作：

A1、从接收信号中提取出对应于发射端的两个导频区域的数据

和

B1、根据

和

得到频域的接收值；

C1、将所述频域的接收值变换到时域，得到时域的接收值；

D1、计算时域信道抽头响应估计；

E1、将时域信道抽头响应变换到频域，得到频域的信道估计响应。

较佳地，所述两个导频区域为固有干扰为零的区域。

较佳地，所述B1包括：将

和

分别作为实部和虚部得到序列

对R_p进行偶数位置补零操作，得到频域的接收值R_p。

较佳地，所述两个导频区域的中间有T列数据，T大于等于1；

所述两个导频区域的邻侧分别有一列辅助导频。

所述两列导频区域的偶数位置的值为0。

较佳地，所述A1包括：从接收信号中提取所述两列导频区域中处于奇数位置的数据，得到

和

本申请还提供了一种导频接收装置，应用于OFDM/OQAM系统，包括：

接收端第一模块，用于从接收信号中提取出对应于发射端的两个导频区域的数据

和

接收端第二模块，用于根据

和

得到频域的接收值；

接收端第三模块，用于将所述频域的接收值变换到时域，得到时域的接收值；

接收端第四模块，用于计算时域信道抽头响应估计；

接收端第五模块，用于将时域信道抽头响应变换到频域，得到频域的信道估计响应。

由上述技术方案可见，本发明结合OFDM/OQAM系统的实数域正交条件，提出了一种适用于OFDM/OQAM系统信道估计的序列结构，以及相应的导频发送方法、导频接收方法及装置。该结构使用四列导频和T列数据构造两个导频区域；然后将时域正交序列进行周期扩展，使得扩展后的序列长度等于OFDM/OQAM系统的子载波长度，再将扩展后的正交序列变换到频域分别取其实部和虚部，再映射到这两个导频区域作为发送导频进行发送。由于正交序列的正交性，在OFDM/OQAM系统中我们可以在接收端通过相关运算消除不同天线导频符号的干扰，从而估计出信道抽头响应。利用本发明所提出的信道估计方法估计出的信道准确性优于频域信道估计方法，而且导频数量不会随天线数的增加而增加，从而节省OFDM/OQAM系统的时频资源。

附图说明

图1为MIMO-OFDM/OQAM系统的发射端结构图；

图2为MIMO-OFDM/OQAM系统的接收端结构图；

图3(a)为本发明一较佳OFDM/OQAM导频序列结构示意图；

图3(b)为本发明另一较佳OFDM/OQAM导频序列结构示意图；

图4为本发明的OFDM/OQAM的信道估计过程的发送端结构图；

图5为本发明的OFDM/OQAM的信道估计过程的接收端结构图；

图6为本发明实施例一使用的ZCZ序列的示意图；

图7为本发明实施例一将图6的ZCZ序列扩展后的结果的示意图；

图8为本发明实施例一将图7所示序列经过FFT模块后的结果的示意图；

图9为本发明实施例一将图8所示序列分别取实部和虚部得到的结果的示意图；

图10为本发明实施例一使用图6的ZCZ序列得到的发送导频结构示意图；

图11为本发明实施例二使用的ZCZ序列的示意图；

图12为本发明实施例二将图11的ZCZ序列扩展后的结果的示意图；

图13为本发明实施例二将图12所示序列经过FFT模块后的结果的示意图；

图14为本发明实施例二将图13所示序列分别取实部和虚部得到的结果的示意图；

图15(a)为本发明实施例二使用图11的ZCZ序列得到的发送天线1和2的发送导频结构示意图；

图15(b)为本发明实施例二使用图11的ZCZ序列得到的发送天线3和4的发送导频结构示意图；

图16为本发明在单发单收时使用的一种导频结构；

图17为本发明在单发单收时的一个实例。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。

本发明结合OFDM/OQAM系统的实数域正交条件，提出一种适用于OFDM/OQAM系统信道估计的导频结构。该结构使用四列导频和T列位于导频中间的数据构造两个导频区域；然后将正交序列集合中的正交序列进行周期扩展，使得扩展后的序列长度等于OFDM/OQAM系统的子载波长度(这里，要求子载波长度为正交序列长度的偶数倍)，再将扩展后的正交序列变换成频域复数序列，再分别取频域复数序列的实部和虚部，分别映射到这两个导频区域作为发送导频。其中，数据的列数T大于等于1，T的取值需要保证所述两个导频区域之间的距离在相干时间内。所述两个导频区域之间的距离在相干时间内是指：这两个导频区域的发送时间之间符合要求，使得这两个导频区域被认为是在相同的信道条件下发送。

由于正交序列的正交性，在OFDM/OQAM系统中我们可以在接收端通过相关运算消除不同天线端口的导频符号的干扰，从而估计出信道抽头响应。利用本发明所提出的信道估计方法估计出的信道准确性优于频域信道估计方法，而且导频数量不会随天线数的增加而增加，从而能够节省OFDM/OQAM系统的时频资源。

天线端口是指能进行信道估计分辨的端口数，即与参考信号有关。直观地来说，有多少种参考信号，就有多少个端口。实际中物理天线数可以大于或者等于天线端口数，物理天线跟天线端口之间的映射关系可以不标准化，可有实现来决定物理天线跟天线端口的映射关系。天线端口是从接收者的角度定义的(下行的接收是UE，上行的接收是基站)，一个端口对于接收者来说相当于一个独立的天线信道。总之，一个天线端口就是一个信道，终端需要根据这个天线端口对应的参考信号进行信道估计和数据解调。

图3(a)示出了本发明一较佳OFDM/OQAM系统的导频结构，该导频结构以位于导频中间的数据是一列数据为例(即：T＝1)进行说明，相对于辅助导频而言，可以将这一列数据称为基准数据，整个导频部分包括四列：两列是辅助导频(Auxiliary Preamble)，另外两列分别是导频区域1(Preamble Zone 1)和导频区域2(Preamble Zone 2)，其中，两个导频区域分别分布在基准数据(Reference Data)的邻侧，两列辅助导频分别位于两列导频区域的邻侧。

导频结构中值的具体放置过程如下所述：

步骤一：两列辅助导频的奇数位置分别放置基准数据对应奇数位置的值。

步骤二：两列辅助导频的偶数位置分别放置基准数据对应偶数位置的值的相反值。

步骤三：导频区域1和导频区域2的偶数位置的值置零。

在具体实现时，不限定上述步骤一～三的执行顺序。

根据滤波器干扰的对称性，在导频区域1和导频区域2的奇数位置上，固有的滤波器的干扰相互抵消，因此，针对图3所示导频结构的示例，本申请所述“两个导频区域”指的是导频区域1和导频区域2，并且，导频区域1和导频区域2是两列奇数位置上滤波器干扰为零的区域，也就是说，这两个导频区域为固有干扰为零的区域。

基于与图3(a)所示较佳导频结构相同的构思，假设位于导频中间的数据的列数T大于1，也可以构造出固有干扰为零的导频区域，如图3(b)所示。导频结构中值的具体放置过程如下所述：

步骤一：位于导频区域左侧的辅助导频的奇数位置的值等于所述T列数据中最左侧的一列数据对应奇数位置的值，偶数位置的值等于所述T列数据中最左侧的一列数据对应偶数位置的值的相反值；

步骤二：位于导频区域右侧的辅助导频的奇数位置的值等于所述T列数据中最右侧的一列数据对应奇数位置的值，偶数位置的值等于所述T列数据中最右侧的一列数据对应偶数位置的值的相反值；

步骤三：导频区域1和导频区域2的偶数位置的值置零。

在具体实现时，不限定上述步骤一～三的执行顺序。

如此，根据滤波器干扰的对称性，在导频区域1和导频区域2的奇数位置上，滤波器的干扰相互抵消，因此导频区域1和导频区域2是两列奇数位置上滤波器干扰为零的区域。

本申请所提出的技术方案适用于所有OFDM/OQAM系统，尤其对MIMO-OFDM/OQAM系统能够获得更好的有益效果。下面的说明中，主要以MIMO-OFDM/OQAM系统为例进行说明。此外，本申请所述正交序列集合中的正交序列之间的互相关性为零或者接近于零，在后续的说明中以ZCZ序列为例进行说明。假设MIMO-OFDM/OQAM系统是一个具有T根发送天线和R根接收天线的MIMO系统，子载波长度为N，信道抽头数为L，第q(q＝1,2,...,T)个发送天线端口使用的ZCZ序列c_q的序列长度为P、ZCZ序列集合大小为M(M≥T)、零相关区域大小为Z(Z≥L-1)，且满足N是P的偶数倍。

图4是对于本发明信道估计方法的发送端信号处理过程(即：导频发送方法)，该发送端信号处理过程与图1所示过程相比，主要对OFDM/OQAM调制方式部分进行了改进，主要包括以下步骤：

针对每一个发送天线端口q(q＝1,2,...,T)，执行步骤一至步骤三：

步骤一：从ZCZ序列集合剩余的ZCZ序列中选择一个ZCZ序列c_q(k)，将c_q(k)的周期扩展到长度N。

这里，ZCZ序列集合可以是预先定义的，其中包含若干时域ZCZ序列，所述时域ZCZ序列之间互相正交或准正交且满足零相关区域不小于信道抽头数。发送端可以根据预定义或者系统的调度授权信令，为每一个天线端口从ZCZ序列集合中选择一个ZCZ序列作为导频。

步骤二：对周期扩展后的序列c_q(k)进行N点FFT得到

分别取出

的实部和虚部得到两个新的序列

和

此时由傅里叶变换的性质可知，

和

是两个偶数位置为零的序列。傅里叶变换(FT)是将时域信号转换成频域的统称，当信号为离散信号时，一般通过离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)转换为频域信号。本申请以FFT为例进行说明。

步骤三：将序列

累加到导频区域1的对应位置，序列

累加到导频区域2的对应位置。

对所有发送天线端口执行步骤一至步骤三之后，得到发送导频。

步骤四：分别对每个数据流经调制后的数据块头部添加发送导频，该发送导频用于MIMO-OFDM/OQAM系统的信道估计。

步骤五：对添加导频后的数据进行正交化相位映射、逆傅里叶变换并通过成型滤波器完成滤波操作后，将各个数据流分别映射到对应的发射天线进行发送。

图5是对于本发明信道估计方法的接收端信号处理过程(即：导频接收方法)，MIMO-OFDM/OQAM系统接收端的不同天线端口将接收到的信号分别输出，成为不同的数据流，分别按照OFDM/OQAM系统的处理方法对不同的数据流进行处理；具体过程为：首先将信号接收并处理成数字信号，然后通过匹配滤波器滤波，进行傅里叶变换，同步接收等处理。该接收端信号处理过程与图2所示过程相比，主要对信道估计及均衡部分进行了改进，包括以下步骤：

步骤一：以第p个接收天线端口为例，提取出对应于发射天线端口的导频区域1和导频区域2中处于奇数位置的数据

和

由于MIMO-OFDM/OQAM系统发射端和接收端均知道导频信号在时间频率维度中的具体位置，在接收端可以直接提取出相应位置的数据。此时将两部分信号进行叠加得到序列

该序列是频域奇数位置的值的叠加结果，其长度为N/2，对该序列进行偶数位置补零，将其扩展为与发送端的长度一致，都为N。在发送端由于傅里叶变换的性质，偶数位置一定是零，因此，在接收端补零相当于是恢复该序列。

步骤二：将接收到的频域信道估计值R_p经过N点IFFT变换到时域，得到时域的接收值x_p(k)。

步骤三：记N_p＝N/P，定义

构造解调矩阵D_q为：

步骤四：最终的信道抽头响应估计为：

其中

y_p＝[y_p(P-1),…,y_p(1),y_p(0)]。

步骤五：将时域信道抽头响应经过N点FFT变换到频域，得到频域的信道估计响应H_p,q，接收机首先利用H_p,q对接收信号进行均衡，从而补偿多径信道对发送信号的影响，然后每个数据流按照OFDM/OQAM系统解调过程，完成信息符号级解调。

步骤六：经过步骤五后的数据输入到传统VBLAST的接收结构中的干扰抵消和检测模块中，从而消除多天线间的干扰，输出干扰抑制后的有效数据。

步骤七：经过步骤六后的数据输入QAM解调模块，然后通过并串转换完成有效比特信息的输出。

下面通过三个具体实施例对本申请技术方案进行举例说明。

实施例一：

本实施例假设该MIMO-OFDM/OQAM系统是一个具有2个发送天线端口和2个接收天线端口的MIMO系统，采用4QAM调制，子载波长度为N＝16，信道抽头数为L＝2，ZCZ序列的序列长度为P＝8、集合大小为M＝2、零相关区域大小为Z＝2。采用的2个长度为8的ZCZ序列分别为c₁＝{-1,1,1,-1,1,1,-1,-1}^T、c₂＝{-1,-1,1,1,1,-1,-1,1}^T。

MIMO-OFDM/OQAM系统按照图6～图10中的方式构造发送导频。

图6示出的是本实施例中发送天线端口1和发送天线端口2所使用的ZCZ序列。首先扩展图6中的ZCZ序列得到图7所示周期扩展ZCZ序列；再将图7中的序列经过FFT模块得到图8中的序列；接着分别取出图8中序列的实部和虚部得到图9；最后将图9中的数据归一化后分别叠加到导频区域1和导频区域2，得到图10的发送导频。

在接收端的处理上根据图5的结构先将导频区域1和导频区域2的接收导频进行合并，然后进行后续处理。

实施例二：

本实施例假设该MIMO-OFDM/OQAM系统是一个具有4个发送天线端口和4个接收天线端口的MIMO系统，采用16QAM调制，子载波长度为N＝32，信道抽头数为L＝2，ZCZ序列的序列长度为P＝16、集合大小为M＝4、零相关区域大小为Z＝2。采用的4个长度为8的ZCZ序列分别为：

c₁＝{-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,1}^T、

c₂＝{-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,1,1,-1,-1}^T、

c₃＝{1,1,-1,-1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1}^T、

c₄＝{1,-1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1}^T。

MIMO-OFDM/OQAM系统按照图11～图15中的方式构造发送导频。

图11示出的是本实施例中发送天线端口1～发送天线端口4所使用的ZCZ序列。首先扩展图11中的ZCZ序列得到图12所示周期扩展ZCZ序列；再将图12中的序列经过FFT模块得到图13中的序列；接着分别取出图13中序列的实部和虚部得到图14；最后将图14中的数据归一化后分别叠加到导频区域1和导频区域2得到图15(a)和图15(b)的发送导频。

实施例三：

本实施例假设系统为单发单收的OFDM/OQAM系统，即有1个发送天线端口和1个接收天线端口，采用4QAM调制，子载波长度为N＝8，此时使用频域的信道估计方法，采用图16的导频结构。辅助导频奇数位置的值放置基准数据对应奇数位置的值的相同值，辅助导频偶数位置的值放置基准数据对应偶数位置的值的相反值，导频区域偶数位置的值置零。

图17为一组实例，其中导频区域一列奇数位置的值不受控制，因此可以选择PAPR较低的一列导频使得其通过高功率放大器后依然有很好的性能。其发送和接收流程如图1和图2所示，在接收端通过取出奇数位置的值可以计算得到信道的频域响应，偶数位置的信道响应可以通过插值得到。

对应于本申请导频发送方法，本申请还提供了一种导频发送装置，应用于OFDM/OQAM系统，该装置包括：

发送端第一模块，用于产生用作导频的时域正交序列；

对应于本申请导频接收方法，本申请还提供了一种导频接收装置，应用于OFDM/OQAM系统，该装置包括：

和

接收端第二模块，用于根据

和

得到频域的接收值；

接收端第四模块，用于计算时域信道抽头响应估计；

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。