專利名稱：一種采用時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用的多天線信號傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用的多天線信號傳輸方法，屬于數(shù)字信 息傳輸技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線通信中，所有的無線技術(shù)都面臨信號的衰落、信道的多徑效應(yīng)、不斷增加的干擾 和受限制的頻譜的挑戰(zhàn)。多輸入多輸出的多天線系統(tǒng)(以下簡稱MIM0)在不需要g用額 外的無線電頻率的條件下，利用多徑來提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量，并同時增加通信系統(tǒng)的覆 蓋范圍、提高通信的可靠性。它解決了當(dāng)今任何無線電技術(shù)都面臨的兩個最困難的問題， 即數(shù)據(jù)傳輸速率與系統(tǒng)容量。因此MIMO系統(tǒng)已經(jīng)成為下一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。
正交頻分復(fù)用技術(shù)(以下簡稱0FDM),屬于多載波調(diào)制技術(shù)的一種。其主要思想是 將信道在頻域上劃分為若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào) 制到每個子信填上進(jìn)行傳輸。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相干帶寬，因此每個子 信道的頻譜特性都近似平坦。為了消除由于多徑傳播引起的符號間干擾(以下簡稱ISI)， OFDM符號之間一般都加有保護(hù)間隔，保護(hù)間隔長度一般設(shè)計為大于信道的最大時延，并 且將寬度為Ts的OFDM符號的尾部Tg寬度的信號復(fù)制后，插入到OFDM符號的起始位 置，形成循環(huán)前綴(以下簡稱CP)來填充保護(hù)間隔，如說明書附圖l所示。另外，為了在 接收端進(jìn)行同步、信道估計， 一般需要在OFDM符號的數(shù)據(jù)塊中插入一定數(shù)量的導(dǎo)頻。循 環(huán)前綴和導(dǎo)頻的加入提高系統(tǒng)性能，但同時也導(dǎo)致了頻譜利用率的降低。
時域同步正交頻分復(fù)用 (Time Domain Synchronous Orthogonal Frequency Divison Multiplexing,以下簡稱TDS-OFDM)，是對傳統(tǒng)正交頻分復(fù)用技術(shù)(以下簡稱OFDM)的一 種改進(jìn)。它用偽隨機(jī)噪聲序列(Pseudo-Noise sequence,以下簡稱PN序列)填充保護(hù)間隔， 如說明書附圖2所示。由于PN序列易于生成且?guī)в歇?dú)立的信息，可以用于同步、信道估 計等，所以不需要在數(shù)據(jù)塊中插入導(dǎo)頻。不僅提高了頻譜利用率，而且利用PN序列査找 相關(guān)峰進(jìn)行同步速度較快。
但是TDS-OFDM是針對數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)提出的一種調(diào)制技術(shù)，若直接用于通信 系統(tǒng)，則存在一系列不足之處
(1) 未考慮多址接入。由于廣播系統(tǒng)中子信道靜態(tài)地分配給相應(yīng)的用戶，所以廣播 系統(tǒng)不需要區(qū)分用戶。而通信系統(tǒng)必須動態(tài)分配信道給用戶，需要區(qū)分不同用戶。
(2) 未區(qū)分小區(qū)、扇區(qū)。TDS-OFDM系統(tǒng)設(shè)計未考慮小區(qū)或者扇區(qū)的問題，每個 TDS-OFDM符號構(gòu)成一幀，每幀均采用不同的PN序列。在通信系統(tǒng)中，只針對不同扇區(qū) 或者不同小區(qū)使用不同PN序列即可。
(3) 對不同系統(tǒng)帶寬的適應(yīng)性欠佳。數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)系統(tǒng)帶寬固定為8MHz，而通信系統(tǒng)的帶寬，如WiMAX系統(tǒng)，支持帶寬從1.25MHz到20MHz不等。在系統(tǒng)帶寬 增加的情況下，即符號周期縮短的情況下有必要對信號幀長度，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)等重新設(shè)計。
(4) 其幀結(jié)構(gòu)設(shè)計，頂層日幀與絕對時間完全同步。將其直接用于通信系統(tǒng)并不合適。
(5) 雖然TDS-OFDM在典型城市移動環(huán)境下，移動速度為60km/h和180km/h，信 噪比分別大于5.3和5.8dB時，可達(dá)到誤比特率不超過3X1(T6，但是當(dāng)FFT點(diǎn)數(shù)，載波間 隔，PN長度等改變后對移動性的支持效果未知。
(6) FFT點(diǎn)數(shù)較大。TDS-OFDM的信號幀中的數(shù)據(jù)塊由3780個子載波組成，每個 子載波占有相同的帶寬為2KHz， 3780個子載波共占7.56MHz帶寬。FFT點(diǎn)數(shù)為3780， 不是2的n次方。不能最大程度地減小運(yùn)算復(fù)雜度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種采用時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用的多天線信號傳輸方法，這 種方法將時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用(以下簡稱TFU-OFDM)技術(shù)應(yīng)用于MIMO系統(tǒng)，以對
抗無線通信信道中的多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)，并可以顯著提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率、頻譜 效率和可靠性。
本發(fā)明提出的采用時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用的多天線信號傳輸方法，包括以下步
驟
(1) 將發(fā)送端產(chǎn)生的原始信息依次進(jìn)行信源編碼、信道編碼和數(shù)字調(diào)制，得到調(diào)制 后的信息；
(2) 對上述調(diào)制后的信息進(jìn)行空時編碼，得到多路并行的信息；
(3) 對上述多路信息進(jìn)行時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用調(diào)制，調(diào)制后的信號通過相應(yīng) 的天線發(fā)送，其中時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用調(diào)制的過程如下
(a) 將上述多路并行的信息分別轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)流；
(b) 分別在上述多路并行數(shù)據(jù)流中插入導(dǎo)頻，操作過程為若信道的最大時延擴(kuò)展
大于信號的符號周期，即信道為頻率選擇性衰落的信道，則將導(dǎo)頻沿著頻域方向連續(xù)插入， 若信道為信道的信號的符號周期大于相干時間，即信道為時間選擇性衰落的信道，則將導(dǎo) 頻沿著時域方向連續(xù)插入，若信道的最大時延擴(kuò)展小于信號的符號周期，并且信號的符號 周期小于相干時間，則在滿足二維奈奎斯特采樣定理的條件下，將導(dǎo)頻以最大的頻率間隔
沿著頻域方向和以最大的時間間隔沿著時域方向插入；
(C)將上述多路插入導(dǎo)頻后的數(shù)據(jù)流分別進(jìn)行傅里葉逆變換，得到多路時域信號；
(d)根據(jù)偽隨機(jī)噪聲序列生成多項式生成一個偽隨機(jī)噪聲序列，將該偽隨機(jī)噪聲序
列以循環(huán)擴(kuò)展的方式填充為一個保護(hù)間隔序列，將保護(hù)間隔序列分別與上述多路時域信號
合并，組成多路時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用符號；
(4) 用多根天線接收上述多根天線發(fā)送的信號，并將接收到的信號進(jìn)行時頻域聯(lián)合 的正交頻分復(fù)用解調(diào)，得到多路解調(diào)后的信號，其中每根天線的時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù) 用解調(diào)過程如下(e) 利用時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用調(diào)制符號的保護(hù)間隔中的偽隨機(jī)噪聲序列對接 收到的調(diào)制后信號進(jìn)行符號同步和載波同步，根據(jù)得到的符號同步信息將時頻域聯(lián)合的正 交頻分復(fù)用調(diào)制符號中的保護(hù)間隔與數(shù)據(jù)塊進(jìn)行分離，得到分離的保護(hù)間隔和數(shù)據(jù)塊；
(f) 對上述分離的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行傅里葉變換，得到時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用的頻域
信號；
(g) 在上述頻域信號中提取導(dǎo)頻，并利用導(dǎo)頻對當(dāng)前信道進(jìn)行信道估計，得到信道 矩陣H，根據(jù)該信道估計，對該頻域信號進(jìn)行信道均衡；
(h) 對上述均衡后的頻域信號進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，將多路并行數(shù)據(jù)合并為串行數(shù)據(jù)，得 到解調(diào)后的信號； ，
(6) 根據(jù)上述得到的信道矩陣H，對多路并行的解調(diào)后信號進(jìn)行空時譯碼，將多路 并行的解調(diào)后的信號譯碼為一路串行信號；
(7) 對上述串行信號依次進(jìn)行數(shù)字解調(diào)、信道譯碼、信源譯碼，得到原始信息。 本發(fā)明提出的采用時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用的多天線信號傳輸方法的優(yōu)點(diǎn)是采用
時域與頻域聯(lián)合的OFDM來解決寬帶無線移動通信中由多徑傳播以及多普勒頻偏等帶來 的頻率選擇性衰落和時間選擇性衰落問題。在OFDM幀中加入頻域?qū)ьl能夠準(zhǔn)確的估計 信道傳輸特性，加入偽隨機(jī)序列能夠準(zhǔn)確而且快速的得到同步信息。將具有空間分集復(fù)用 特性的MIMO與TFU-OFDM相結(jié)合，擴(kuò)大了通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量，提高了通信系統(tǒng)的傳 輸速率和頻譜效率，實現(xiàn)了在寬帶無線移動通信系統(tǒng)中對高速數(shù)據(jù)傳輸、用戶高速移動等 需求的支持。


圖1是已有技術(shù)中的CP-OFDM符號結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是已有技術(shù)中的TDS-OFDM符號結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本發(fā)明方法中發(fā)送端的流程框圖。 圖4是本發(fā)明方法中接收端的流程框圖。
圖5是本發(fā)明方法中時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用調(diào)制的流程框圖。
圖6、圖7和圖8分別是本發(fā)明方法中TFU-OFDM導(dǎo)頻插入的三種不同方式。
圖9是本發(fā)明方法中TFU-OFDM符號結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10是本發(fā)明方法中時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用解調(diào)的流程框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的采用時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用的多天線信號傳輸方法，其發(fā)送端主要 包含信源編碼、信道編碼、數(shù)字調(diào)制、串并變換、時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用調(diào)制和天線， 流程框圖如說明書附圖3所示；其接收端主要包含天線、時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用解調(diào)、 信道估計、空間譯碼、數(shù)字解調(diào)、信道譯碼、信源解碼，流程框圖如說明書附圖4所示。
時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用的多天線信號傳輸過程如下 (1)將發(fā)送端產(chǎn)生的信息依次進(jìn)行信源編碼、信道編碼和數(shù)字調(diào)制，得到調(diào)制后的信息，如圖3所示；其中的信源編碼，其方式可以根據(jù)信源產(chǎn)生的信息靈活選擇，如霍夫 曼編碼，費(fèi)諾編碼，香農(nóng)編碼等。其中的信道編碼，其方式可以為巻積碼，低密度奇偶校 驗碼，里德-所羅門碼等等。對信道編碼后的信息進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，其調(diào)制方式可以為二進(jìn) 制相移鍵控，多進(jìn)制相移鍵控，多進(jìn)制正交幅度調(diào)制等。
(2) 對上述調(diào)制后的信息進(jìn)行空時編碼，得到多路并行的信息；其中的空時編碼可 以是分層空時編碼、空時分組編碼等；
(3) 對上述多路信息進(jìn)行時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用調(diào)制，如圖5所示。調(diào)制后的 信號通過相應(yīng)的天線發(fā)送，其中時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用調(diào)制的過程如下
(a) 將上述調(diào)制后的信息轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)流；
(b) 在上述每一路并行數(shù)據(jù)流中插入導(dǎo)頻，操作過程為若信道的最大時延擴(kuò)展大 于信號的符號周期，即信道為頻率選擇性衰落的信道，則將導(dǎo)頻沿著頻域方向連續(xù)插入， 如圖6所示，若信號的符號周期大于相干時間，即信道為時間選擇性衰落的信道，則將導(dǎo) 頻沿著時域方向連續(xù)插入，如圖7所示，若信道的最大時延擴(kuò)展小于信號的符號周期，并 且信號的符號周期小于相干時間，則在滿足二維奈奎斯特采樣定理的條件下，將導(dǎo)頻以最 大的頻率間隔沿著頻域方向和以最大的時間間隔沿著時域方向插入，如圖8所示；
(c) 將上述每一路插入導(dǎo)頻后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行傅里葉逆變換，得到時域信號；傅里葉 逆變換的實現(xiàn)可以采用快速傅里葉逆變換的方法以簡化運(yùn)算復(fù)雜度。
(d) 根據(jù)偽隨機(jī)噪聲序列生成多項式生成一個偽隨機(jī)噪聲序列，將該偽隨機(jī)噪聲序
列以循環(huán)擴(kuò)展的方式填充為一個保護(hù)間隔序列，將保護(hù)間隔序列與上述時域信號進(jìn)行合
并，組成TFU-OFDM符號，如圖9所示。
(4) 用多根天線接收上述多根天線發(fā)送的信號，并將接收到的信號進(jìn)行時頻域聯(lián)合 的正交頻分復(fù)用解調(diào)，如圖10所示，得到多路解調(diào)后的信號，其中每根天線的時頻域聯(lián) 合的正交頻分復(fù)用解調(diào)過程如下-
(e) 利用時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用調(diào)制符號的保護(hù)間隔中的偽隨機(jī)噪聲序列對接 收到的調(diào)制后信號進(jìn)行符號同步和載波同步，根據(jù)得到的符號同步信息將時頻域聯(lián)合的正 交頻分復(fù)用調(diào)制符號中的保護(hù)間隔與數(shù)據(jù)塊進(jìn)行分離，得到分離的保護(hù)間隔和數(shù)據(jù)塊；
(f) 對上述分離的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行傅里葉變換，得到時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用的頻域
信號；
(g) 在上述頻域信號中提取導(dǎo)頻，并利用導(dǎo)頻對當(dāng)前信道進(jìn)行信道估計，得到信道 矩陣H，根據(jù)該信道估計，對該頻域信號進(jìn)行信道均衡；
(h) 對上述均衡后的頻域信號進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，將多路并行數(shù)據(jù)合并為串行數(shù)據(jù)，得 到解調(diào)后的信號；
(6) 根據(jù)上述得到的信道矩陣H，對多路并行的解調(diào)后信號進(jìn)行空時譯碼，將多路 并行的解調(diào)后的信號譯碼為一路串行信號；其中，空時譯碼應(yīng)該和步驟(2)中的空時編 碼方式相對應(yīng)，例如，步驟(2)中采用分層空時編碼，這里的空時譯碼可以采用垂直分 層空時譯碼；
(7) 對上述串行信號依次進(jìn)行數(shù)字解調(diào)、信道譯碼、信源譯碼，得到原始信息。
權(quán)利要求
1、一種采用時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用的多天線信號傳輸方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)將發(fā)送端產(chǎn)生的原始信息依次進(jìn)行信源編碼、信道編碼和數(shù)字調(diào)制，得到調(diào)制后的信息；(2)對上述調(diào)制后的信息進(jìn)行空時編碼，得到多路并行的信息；(3)對上述多路信息進(jìn)行時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用調(diào)制，調(diào)制后的信號通過相應(yīng)的天線發(fā)送，其中時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用調(diào)制的過程如下(a)將上述多路并行的信息分別轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)流；(b)分別在上述多路并行數(shù)據(jù)流中插入導(dǎo)頻，操作過程為若信道的最大時延擴(kuò)展大于信號的符號周期，即信道為頻率選擇性衰落的信道，則將導(dǎo)頻沿著頻域方向連續(xù)插入，若信道為信道的信號的符號周期大于相干時間，即信道為時間選擇性衰落的信道，則將導(dǎo)頻沿著時域方向連續(xù)插入，若信道的最大時延擴(kuò)展小于信號的符號周期，并且信號的符號周期小于相干時間，則在滿足二維奈奎斯特采樣定理的條件下，將導(dǎo)頻以最大的頻率間隔沿著頻域方向和以最大的時間間隔沿著時域方向插入；(c)將上述多路插入導(dǎo)頻后的數(shù)據(jù)流分別進(jìn)行傅里葉逆變換，得到多路時域信號；(d)根據(jù)偽隨機(jī)噪聲序列生成多項式生成一個偽隨機(jī)噪聲序列，將該偽隨機(jī)噪聲序列以循環(huán)擴(kuò)展的方式填充為一個保護(hù)間隔序列，將保護(hù)間隔序列分別與上述多路時域信號合并，組成多路時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用符號；(4)用多根天線接收上述多根天線發(fā)送的信號，并將接收到的信號進(jìn)行時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用解調(diào)，得到多路解調(diào)后的信號，其中每根天線的時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用解調(diào)過程如下(e)利用時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用調(diào)制符號的保護(hù)間隔中的偽隨機(jī)噪聲序列對接收到的調(diào)制后信號進(jìn)行符號同步和載波同步，根據(jù)得到的符號同步信息將時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用調(diào)制符號中的保護(hù)間隔與數(shù)據(jù)塊進(jìn)行分離，得到分離的保護(hù)間隔和數(shù)據(jù)塊；(f)對上述分離的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行傅里葉變換，得到時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用的頻域信號；(g)在上述頻域信號中提取導(dǎo)頻，并利用導(dǎo)頻對當(dāng)前信道進(jìn)行信道估計，得到信道矩陣H，根據(jù)該信道估計，對該頻域信號進(jìn)行信道均衡；(h)對上述均衡后的頻域信號進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，將多路并行數(shù)據(jù)合并為串行數(shù)據(jù)，得到解調(diào)后的信號；(6)根據(jù)上述得到的信道矩陣H，對多路并行的解調(diào)后信號進(jìn)行空時譯碼，將多路并行的解調(diào)后的信號譯碼為一路串行信號；(7)對上述串行信號依次進(jìn)行數(shù)字解調(diào)、信道譯碼、信源譯碼，得到原始信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用時頻域聯(lián)合的正交頻分復(fù)用的多天線信號傳輸方法，屬于數(shù)字信息傳輸技術(shù)領(lǐng)域。首先將發(fā)送端產(chǎn)生的原始信息依次進(jìn)行信源編碼、信道編碼、數(shù)字調(diào)制、空時編碼和TFU-OFDM調(diào)制，調(diào)制后的信號用多天線發(fā)送，將接收到的信號依次進(jìn)行TFU-OFDM解調(diào)、空時譯碼、數(shù)字解調(diào)、信道譯碼、信源譯碼，得到原始信息。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，采用TFU-OFDM解決寬帶無線移動通信中由多徑傳播以及多普勒頻偏等帶來的頻率選擇性衰落和時間選擇性衰落問題；采用具有空間分集復(fù)用特性的MIMO技術(shù)，提高了通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜效率，增加通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量，提高了通信的可靠性。
文檔編號H04L27/26GK101431497SQ200810227379
公開日2009年5月13日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者丁國鵬, 周春暉, 張漢毅, 捷 曾, 欣 粟, 肖立民, 許希斌 申請人:清華大學(xué)