专利名称：多天线正交频分复用迭代发射接收机及其发射接收方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，特别是有关于一种多天线正交频分复用迭代发射接收机及其发射接收方法。
背景技术：
多输入多输出MIMO(Multiple Input Multiple Output)技术是未来移动通信系统实现高数据速率，提高传输可靠性的重要途径，提供了解决未来互连无线网络(Internet)中的业务容量需求瓶颈问题的方法。多输入多输出技术已经出现在宽带无线接入系统、无线局域网(WLAN)和第三代通信(3G)及后三代通信(B3G)等商用无线通信产品和网络中。多输入多输出通信系统定义为在发射端和接收端分别采用多个天线，从而改善每个用户得到的服务质量(误比特率或数据速率)。利用多输入多输出技术可以提高网络服务性能并给网络运营商带来巨大收益。
空时格码STTC、空时分组码STBC以及空时结构BLAST等技术都可以作为多发射/多接收天线MIMO模块中的编码出现在MIMO OFDM系统中。其中，空时结构BLAST技术采用复用思想，而空时格码STTC和空时分组码STBC技术则走分集路线。前者是利用空时结构BLAST使数据速率最大，但是在性能要差一些，后者则利用空时编码思想使误码率最小，却不能保证最大的数据率。
正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术应用始于20世纪60年代，主要应用在军事通信中。随着数字信号处理技术和高速器件的发展，正交频分复用在非对称数字用户线路(ADSL)、高速数字用户线路(VDSL)、数字视频广播(DVB)、数字音频广播(DAB)和高清晰度电视(HDTV)等系统中得到成功应用。进入20世纪90年代正交频分复用技术开始深入到无线信道宽带传输领域。在正交频分复用技术中，把频域信道分成许多正交子信道，各子信道的载波相互正交，频谱相互重叠。由于正交频分复用技术具有抗多径能力强、频谱利用率高等优点，正交频分复用技术不但是宽带无线接入领域的发展趋势，业已成为未来移动通信系统研究的关键技术。
迭代(Turbo)是一种运算思想，在通信领域，最早出现在编码中，迭代码又叫并行级联卷积码，由Berrou，Glavieux和Thtimajshima在1993年首次提出。迭代码编码器通过交织器把两个递归系统卷积码并行级联，译码器在两个分量码译码器之间进行迭代译码，译码器利用反馈的外信息，整个译码过程类似涡轮(迭代)工作，所以又形象地被称为迭代码。之后，迭代原理被发展应用于信道估计、迭代均衡、信号同步以及多用户检测等诸多方面，为众多通信技术提供了解决方案，亦是未来移动通信系统的关键技术之一。
对于没有发射分集的多天线正交频分复用系统，传统均衡器复杂且性能太差。虽然最大似然(ML)性能更好，但是复杂度过高，以至于难以实际应用。
在多天线正交频分复用系统中，双空时发射分集(D-STTD)由于采用了发射分集技术，是一种有效的解决方案。但是其性能有时不能令人满意。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种多天线正交频分复用迭代发射接收机，以克服现有系统性能不够稳定的问题，提高系统性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多天线正交频分复用迭代发射机，包括依次连接的编码调制模块、串并转换模块、空频编码模块、OFDM调制模块和射频传送模块；所述的空频编码模块包括V个符号模式模块，其分别接收串并转换模块输出的多个子符号流信号并对该信号进行映射后形成多路输出；IFFT模块，其接收符号模式模块输出的信号并对该信号作Nt点的逆傅立叶变换后将多路信号输出给OFDM调制模块。
对应地，一种多天线正交频分复用迭代接收机，包括射频接收模块、OFDM解调模块、空频译码模块、解调译码模块、信道估计模块，其特征在于，所述的空频译码模块包括MMSE检测模块，其接收来自信道估计模块及OFDM解调模块输出的信号，并将接收信号分为Nt/V路子符号流；Nt/V个序列重排模块，其分别接收来自MMSE检测模块1210的信号，并对该信号进行单循环交织器重排后得到重排后的已估信号矩阵和信道矩阵；Nt/V软译码模块，其接收来自序列重排模块1220、解调译码模块1300的信号，并将该信号进行迭代计算形成软信息矩阵；Nt/V解交织模块，其接收来自软译码模块输出的信号并将软信息解交织为原来的发送符号顺序；
并串转换模块，其接收来自解交织模块输出的信号，将多路并行数据转化为串行数据。
进一步地，本发明还提供一种多天线正交频分复用迭代发射方法，其包括如下步骤接收串并转换后的多个子符号流信号并对该信号进行V种模式的映射后形成多路输出；接收映射后的信号并对该信号作Nt点的傅立叶变换后将多路信号进行OFDM调制。
与发射方法对应地，本发明还提供一种多天线正交频分复用迭代接收方法，其包括如下步骤将信道估计后的信号分成Nt/V个子符号流，子符号流由所有的传输信号组成；进行单循环交织器重排后得到重排后的已估信号矩阵和信道矩阵；将该信号进行迭代计算形成软信息矩阵；将软信息解交织为原来的发送符号顺序；将多路并行数据转化为串行数据。
本发明采用迭代处理，系统性能得到显著提高。本发明中还使用二维离散傅立叶反变换(IFFT)处理发射信号，从而得到更大的分集增益。本发明相比于传统的空时分集技术(D-STTD)，新方案在数据率和发送分集度上做了更好的折衷。
以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的多天线正交频分复用迭代发射接收机的系统框图。
图2为本发明的空频编码模块的系统框图。
图3为本发明的OFDM调制器的系统框图。
图4是本发明的空频译码模块的的系统框图。
图5为本发明的v为2时的空频译码模块的系统框图。
图6为本发明的符号模式为OOC交织模块的系统框图。
图7为OOC交织方法的一个实施例的示意图。
图8为速率为3km/h的PA信道下的仿真图。
图9为速率为3km/h的PB信道下的仿真图。
具体实施例方式
请参阅图1，图1为本发明的多天线正交频分复用迭代发射接收机的系统结构。如图1所示，发射机由数据源模块1，编码调制模块200，串并转换模块300，空频编码模块400，OFDM调制模块600和射频传送模块7组成。接收机由射频接收模块8，OFDM解调模块900，空频译码模块1200，解调译码模块1300和数据模块14组成。
请参阅图2，图2为本发明的空频编码模块的系统框图。在图2中，空频编码模块包括V(V为可以被Nt整除的正整数)个不同的符号模式模块410和Nt点IFFT模块420。所述的V个符号模式模块410分别接收串并转换模块输出的信号并对该信号进行映射后输出，所述每个符号模式模块所采用的映射方式均不同；所述的IFFT模块420接收符号模式模块410输出的信号并对该信号作Nt点的逆傅立叶变换后将信号输出给OFDM调制模块600。
如图3所示，OFDM调制器由离散傅立叶反变换(IFFT)调制器610，加循环前缀(CP)模块620和调制模块630组成。OFDM解调器由解调模块910，CP模块920和Nt点快速傅立叶变换(FFT)模块930组成。
如图4所示，本发明的空频译码模块包括初始阶段的最小均方误差(MMSE)检测模块1210，Nt/V个序列重排模块1220，Nt/V个软译码模块1230，Nt/V个解交织模块1240，以及，并串转换模块1250)。所述的MMSE检测模块1210接收来自信道估计模块及OFDM解调模块输出的信号，并将接收信号分为Nt/V路子符号流；所述的Nt/V个序列重排模块1220分别接收来自MMSE检测模块1210的信号，并对该信号进行单循环交织器重排后得到重排后的已估信号矩阵和信道矩阵；所述的软译码模块，其接收来自序列重排模块1220、解调译码模块1300的信号，并将该信号进行迭代计算形成软信息矩阵；所述的解交织模块1240，其接收来自软译码模块输出的信号并将软信息解交织为原来的发送符号顺序；所述的并串转换模块1250，其接收来自解交织模块1240输出的信号，将多路并行数据转化为串行数据。
在本发明的发射机侧，发射方法的工作步骤如下第一步，进行编码和调制，即数据流分成几个块，每一块(b1，b2，K，bL)经过软输入软输出信道编码，得到编码数据(c1，c2，K，cQ)，这里L/Q为信道编码码率。编码数据(c1，c2，K，cQ)调制到符号(s1，s2，K，sKNt/V)，其中K为数据传输所用子载波数目。
第二步，进行串并转换，即每一路子符号流通过串并转换后拥有如下类似的结构(s1，s2，K，sK)，(sK+1，sK+2，K，s2K)，…，(s(Nt-V)K/V+1，S(Nt-V)K/V+2，K，sKNt/V).
第三步，进行空频编码，如图2所示，Nt/V路并行信号经过空频编码模块400进行编码。信号块(s1，s2，K，sK)，(sK+1，sK+2，K，s2K)，…，(s(Nt-V)K/V+1，s(Nt-V)K/V+2，K，sKNt/V)输入到V符号模式模块410，分别采用一种映射方式。Nt点IFFT模块420在空域进行IFFT变换，得到信号矩阵。即a)设sj@(s(j-1)×K+1，s(j-1)×K+2，K，s(j-1)×K+K)，j＝1，2，L，Nt/V表示信号组1中的j路原始信号。V种符号模式作用于信号组1，得到V种新的信号组。
sJ(Nt/V)+i=SymbolPatternJ(sj|j=1,2,L,Nt/V),i==1,2,L,Nt/V,J=0,1,L,V-1]]>b)经过此步，信道矩阵可以表示为s(Nt×K)@(s1T，s2TLsNtT)T，对s(Nt×K)的每一列作Nt点IFFT变换，得到S(Nt×K)。
最后，进行OFDM调制，信号矩阵输入到Nt点OFDM调制模块600。每一列包含频域系数，IFFT输出的样本矩阵Si″是传输波形的时域样本。
为了抑制信道时延扩展引起的符号间干扰，Si″的每一列都加上模块620产生的循环前缀，成为新的符号矩阵Si。OFDM符号由调制模块630上变频到通带，通过天线传输。OFDM解调器和OFDM调制器如图3所示。
在本发明的接收机侧，接收方法的工作步骤如下第一步，OFDM解调，天线模块8接收信号序列，然后OFDM解调器900解调OFDM符号。信号由解调模块910下电频到基带，然后由模块910去除CP。在模块930中接收到的时域样本信号转换为频域样本信号。
第二步，信道估计，设Yi=(yi1,yi2,yi3,...,yiK)T,]]>表示OFDM解调后第i跟天线上的信号，其中rik(i＝1，2，...，Nr，k＝1，2，...，K)是i根天线上k路子载波信号。定义hijk；k＝1，2，...，K，i＝1，2，...，Nr，j＝1，2，...，Nt为i根天线上k路子载波信号的频域信道估计量，则接收信号可以由hijk和Sj，k来表示yik=Σj=1NthijkSj,k+nik]]>其中nik为零均值、方差σ2的复高斯噪声。信道参数和接收数据序列的估计量输入译码模块1200。
第三步，空频译码，空频译码模块译码器判决已估Nt/V路软信号如下a)设(Hi1k,Hi2k,...,HiNtk)=IFFT(hi1k,hi2k,...,hiNtk),]]>明显的，对于原始信号sj，k，有如下表达式成立yik=Σj=1NtHijksj,k+nik]]>b)MMSE检测模块1210将接收信号分为Nt/V路子符号流，包含有传输符号组1中子符号流和经过信道衰落的任一符号模式(从1到V-1)的相应子符号流。
yi,jk≅Σv=0V-1Hi,j+v(Nt/V)ksj+v(Nt/V),k]]>其中，i＝1，2，...，Nr，j＝1，2，...，Nt/V，k＝1，2，...，K，sgk定义为sgk＝(HHH+σ2I)-1HHykc)Y1，Y2，...，YNt/V全部输入到软译码模块1230。输入21从解调器到译码模块，作为软译码器的先验信息，第一次迭代时其值为0。软输出信号矩阵 i＝1，2，...，Nt/V可以通过软译码或其它最大后验概率(MAP)算法估算。
d)解交织模块1240解交织软信息矩阵 得到Oi，其中i＝1，2，...，Nt/V。
e)已估软信息矩阵Oi通过并串转换模块1250，得到输出O=(O1,O2,...,ONt/V).]]>最后，软符号信息O=(O1,O2,...,ONt/V)]]>解调到软比特信息，然后输入到单输入单输出(SISO)信道译码器。编码比特外部信息反馈入回空频译码模块1200，同时也可以计算出信息比特的后验信息。注意比特后验信息只能在最后一次迭代时计算，也可以得到比特流14。
在发送端，子符号流组数目设为2(V＝2)，映射结构如图6所示的情形被命名为单循环(Only One Cycle)交织，在OOC交织中，按照交织序列来选取原始数目，则循环不会出现。图7为OOC交织的一个实施例的示意图。
在发射机端，第一步，数据流分成几个块，每一块(b1，b2，K，bL)经过软输入软输出信道编码，得到编码数据(c1，c2，K，cQ)，这里Q/L为信道编码码率。编码数据(c1，c2，K，cQ)调制到符号(s1，s2，K，sKNt/V)，其中K为数据传输所用子载波数目。
第二步，每一个信号块通过串并转换后进行重排，结果为(s1，s2，K，sK)，(sK+1，sK+2，K，s2K)，...，(s(Nt-2)K/2+1，s(Nt-2)K/2+2，K，sKNt/2)。
第三步，Nt/2路并行信号由空频编码模块410编码，如图5所示。符号块(s1，s2，K，sK)，(sK+1，sK+2，K，s2K)，...，(s(Nt-2)K/2+1，s(Nt-2)K/2+2，K，sKNt/2)分别进行交织，Nt点IFFT模块420在空域进行IFFT变换得到信号矩阵。
设sj@(s(j-1)×K+1，s(j-1)×K+2，K，s(j-1)×K+K)，j＝1，2，L，Nt/V表示第J路原始信号。符号块sj通过相关得到一个新的符号序列s(j+Nt/2)@(t(j-1)×K+1，t(j-1)×K+2，K，t(j-1)×K+K)，j＝1，2，L，Nt/2现在，符号序列为s(Nt×K)@(s1T，s2TsNtT)T。对s(Nt×K)的每一列进行IFFT变换得到S(Nt×K)。为了描述这个符号中的导频，表示信号矩阵为S(Nt×K)T@F(K×Nt)@(F1T，F2T，L，FKT)T@(U1T，U2TLUNT)T，其中Uj=(F(j-1)M+1T,F(j-1)M+2T,L,FjMT)T,]]>j＝1，2，L N，N=C-KNt,]]>M=KN,]]>C是子载波数目。导频P插入到信号矩阵SNt×KT中，P=p0O0pNt×Nt=(pe1,pe2,L,peNt),]]>ek代表Nt个元素的向量，这个向量中，第k个元素为1，其它元素都为0。导频矩阵的数目为N。插导频之后，得到S′=(P,U1T,P,U2T,L,P,UNT)T@(S1′,S2′,L,SNt′).]]>其中s′的维数是C×Nt，Si′=(peiT,U1iT,peiT,U2iT,L,peiT,UNiT)T,]]>Uji@(s(j-1)M+1，i′，s(j-1)M+2，i′，L，sjM，i′)T，i＝1，2，LNt，j＝1，2，LN。
最后，信号矩阵馈入到Nt点OFDM调制模块600。每一列包含频域系数，IFFT输出的样本矩阵Si″是传输波形的时域样本。
在接收机端，第一步，天线模块8接收信号序列，然后OFDM解调器900解调OFDM符号。信号由解调模块910下变频到基带，然后由模块910去除CP。在模块930中接收到的时域样本信号转换为频域样本信号。
第二步，设Ri=(ri1,ri2,ri3,...,riC)T,]]>表示OFDM解调后第i根天线上的信号，其中rik(i＝1，2，...，Nr，k＝1，2，...，K)是i根天线上k路子载波信号。分离导频序列和数据序列，得到pi@(pi1，pi2，L，piC-K)T，i＝1，2，...，Nr，Y@(Y1T，Y2T，...，YNrT)T，Yi@(yi1，yi2，L，yiK)T，i＝1，2，L Nr。
第三步，导频输入到信道估计模块1100，估计信道参数hijk；k＝1，2，...，K，i＝1，2，...，Nr，j＝1，2，...，Nt。i根天线上k路子载波频域接收信号可以由hijk和sj，k来表示yik=Σj=1NthijkSj,k+nik]]>其中nik为零均值、方差σ2的复高斯噪声。估计的信道参数和接收数据序列输入译码模块1200。
第四步，空时译码模块按如下方案判决Nt/2个已估软符号A.(Hi1k,Hi2k,...,HiNtk)=IFFT(hi1k,hi2k,...,hiNtk),]]>明显的，对于原始信号sj，k，有如下表达式成立yik=Σj=1NtHijksj,k+nik]]>B. MMSE检测模块1210将接收信号分为Nt/2路子符号流，包含有传输符号组1中子符号流和经过信道衰落的已交织子符号流。
yi,jk≅Hi,jksj,k+Hi,j+Nt/2ksj+Nt/2,k]]>
其中，i＝1，2，...，Nr，j＝1，2，...，Nt/2，k＝1，2，...，K，sgk定义为sgk＝(HHH+σ2I)-1HHyk设Yj@(Yj1，Yj2，...，YjK)，Yjk@(y1，jk，y2，jk，...，yNr，jk)T，j＝1，2，...，Nt/2，矩阵Yj输入到序列重排模块1220。
C. Yj，j＝1，2，...，Nt/2是序列重排模块1220根据OOC交织器重排后得到的列。图3为重排的示例。为了方便，我们仍然使用Y1，Y2，...，YNt/2和hijk来表示重排后的已估信号矩阵和信道矩阵。
D. Y1，Y2，...，YNt/2全部输入到软译码模块1230。输入21连接解调器和译码模块，作为软译码器的先验信息，第一次迭代时其值为0。软输出信号矩阵 i＝1，2，...，Nt/2可以通过软译码或其它最大后验概率(MAP)算法估算，其中M为每个符号所含的信息数。
E.解交织模块1240解交织软信息矩阵 得到Qi，其中i＝1，2，...，Nt/2F.软信息矩阵估计量Oi通过并串转换模块1250，得到输出O=(O1,O2,...,ONt/2)]]>最后，软符号信息O=(O1,O2,...,ONt/2)]]>解调到软比特信息，然后输入到单输入单输出(SISO)信道译码器。编码比特外部信息反馈回软译码模块1200，同时也可以计算出信息比特的后验信息。注意比特后验信息只能在最后一次迭代时计算，也可以得到比特流14。
本方案在子信号流组数目为2的4×4MIMO OFDM系统上进行性能评估。带宽为20MHz，分成1024个子载波，虚子载波数目为180。数据经过编码速率为1/2的卷积编码，然后经过四相移键控(QPSK)调制。使用标准通道标识符(SUI)信道模型，信道估计使用频域梳状插导频的估计方法。
图8给出了在速率为3km/h的PA信道下误比特率对信躁比性能曲线。可以看到本方案相比传统D-STTD性能有了很大的提高。二次迭代Turbo处理有一个性能的收敛点，本方案采用二次迭代Turbo处理，在误比特率为10-3时，相比D-STTD有3dB的性能改善。
如图9，我们在速率为3km/h的PB信道作另外一个仿真。如果本方案不采用迭代，则相比传统D-STTD性能大约差1dB。加上一次迭代，则系统性能相比传统D-STTD大约好2dB。
以上所介绍的，仅仅是本发明的较佳实施例而已，不能以此来限定本发明实施的范围，即本技术领域内的一般技术人员根据本发明所作的均等的变化，例如将以上实施例中的各个方法步骤进行组合。以及本领域内技术人员熟知的改进，都应仍属于本发明专利涵盖的范围。
权利要求
1.一种多天线正交频分复用迭代发射机，包括依次连接的编码调制模块、串并转换模块、空频编码模块、OFDM调制模块和射频传送模块；其特征在于，所述的空频编码模块包括V个符号模式模块，其分别接收串并转换模块输出的多个子符号流信号并对该信号进行映射后形成多路输出；IFFT模块，其接收符号模式模块输出的信号并对该信号作Nt点的逆傅立叶变换后将多路信号输出给OFDM调制模块。
2.根据权利要求1所述的多天线正交频分复用迭代发射机，其特征在于，所述的V为可以被Nt整除的正整数。
3.根据权利要求1所述的多天线正交频分复用迭代发射机，其特征在于，所述每个符号模式模块所采用的映射方式均不同。
4.根据权利要求1所述的多天线正交频分复用迭代发射机，其特征在于，所述的OFDM调制模块由进行逆快速傅里叶变换调制的IFFT调制器，对信号加CP的加CP模块和对数据进行调制的调制模块依次连接而成。
5.一种多天线正交频分复用迭代接收机，包括射频接收模块、OFDM解调模块、空频译码模块、解调译码模块、信道估计模块，其特征在于，所述的空频译码模块包括MMSE检测模块，其接收来自信道估计模块及OFDM解调模块输出的信号，并将接收信号分为Nt/V路子符号流；Nt/V个序列重排模块，其分别接收来自MMSE检测模块1210的信号，并对该信号进行单循环交织器重排后得到重排后的已估信号矩阵和信道矩阵；Nt/V软译码模块，其接收来自序列重排模块1220、解调译码模块1300的信号，并将该信号进行迭代计算形成软信息矩阵；Nt/V解交织模块，其接收来自软译码模块输出的信号并将软信息解交织为原来的发送符号顺序；并串转换模块，其接收来自解交织模块输出的信号，将多路并行数据转化为串行数据。
6.如权利要求5所述的一种多天线正交频分复用迭代接收机，其特征在于，所述的OFDM解调模块由对数据进行解调的解调模块，去除信号CP的去CP模块和对数据进行快速傅里叶变换的FFT模块依次连接而成。
7.一种多天线正交频分复用迭代发射方法，其特征在于包括如下步骤接收串并转换后的多个子符号流信号并对该信号进行V种模式的映射后形成多路输出；接收映射后的信号并对该信号作Nt点的傅立叶变换后将多路信号进行OFDM调制。
8.根据权利要求7所述的多天线正交频分复用迭代发射方法，其特征在于，还包括在每一根发射天线上，OFDM调制器对空间序列进行IFFT变换，加循环前缀，最后上变频传输；
9.一种多天线正交频分复用迭代接收方法，其特征在于，包括如下步骤将信道估计后的信号分成Nt/V个子符号流，子符号流由所有的传输信号组成；进行单循环交织器重排后得到重排后的已估信号矩阵和信道矩阵；将该信号进行迭代计算形成软信息矩阵；将软信息解交织为原来的发送符号顺序；将多路并行数据转化为串行数据。
10.根据权利要求9所述的多天线正交频分复用迭代接收方法，其特征在于，还包括在接收端，每根接收天线上，去除循环前缀和进行傅立叶变换后，在空域对所有接收天线作傅立叶变换。
全文摘要
一种多天线正交频分复用迭代发射接收机，其发射端包括依次连接的编码调制模块、串并转换模块、空频编码模块、OFDM调制模块和射频传送模块；所述的空频编码模块包括V个符号模式模块，其分别接收串并转换模块输出的多个子符号流信号并对该信号进行映射后形成多路输出；IFFT模块，其接收符号模式模块输出的信号并对该信号作N
文档编号H04L27/26GK1941760SQ20051003027
公开日2007年4月4日 申请日期2005年9月30日 优先权日2005年9月30日
发明者熊勇, 林文峰, 卜智勇, 张小东, 王海峰 申请人:上海无线通信研究中心