一种正交频分时分发射机、接收机及其方法

专利名称：一种正交频分时分发射机、接收机及其方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种在无线通信系统中通过 多个正交载波来传输信号的技术。
背景技术：
在无线通信系统中，尤其在宽带移动通信系统中，空中信号传输技
术正成为研究的焦点。为了获得较高的，例如高达10bps/Hz的，频语效 率，支持多种场景的通信需求，支持各种自适应控制技术，宽带移动通 信系统的信号传输技术必须支持比以往任何一种同类技术更好的性能， 同时维持可控制的实现复杂度。现在，宽带移动通信的信号传输技术主 要以OFDM (正交频分复用)技术为基础，并衍生出各种变种技术，如 OFDMA(正交频分多址)、MC-CDMA(多载波-码分多址)、MT-CDMA (多音-码分多址)、VSF-OFCDM (正交频分码分复用)等，此外，基 于滤波器组的广义多载波调制技术(GMC)和传统CDMA的增强4支术 CP-CDMA (循环前缀-码分多址)等也受到人们的关注和重视。
然而，综合现有这些传输技术的性能，它们在一定的条件下均表现 出优越的性能，但是，适用的场景仍然不够宽广，例如，OFDM技术的 符号长度、CP长度和频镨利用率直接相关，影响了它对不同地形和移动 场景的适应性设计，而且由它衍生出来的其它技术也有这个缺点；而单 载波技术，如CP-CDMA等技术对于信道频域的适应性不够，直接影响 了它的频域分集性能；而置于OFDM技术和单载波技术之间的GMC技 术，则不具备象OFDM和CP-CDMA等技术那样的内在的、对信道时 频平面的适应性，在实现复杂度上显得人工痕迹很重，设计不够自然， 同时，它也存在和OFDM技术一样的、场景适应性4交差的缺点。
与本发明密切相关的技术主要有OFDM和SC/FDE (单载波-频域均衡)两种，它们分别代表了两种不同的信息传输方法多载波通信和 单载波通信。
正交频分复用(OFDM)是一种多载波调制技术，它采用并行传输， 将所传送的高速数据分解并调制到多个重叠但又正交的子信道(频域) 中，使得每个调制信号的周期大于多径时延扩展，若在调制符号之间增 加一定宽度的保护间隔，则多径传输引起的符号间干扰基本上被消除， 因此OFDM系统具有很高的频谦利用率，对多径传输引起的符号间干扰 具有很强的鲁棒性，能够支持高速数据传输。
OFDM这种多载波通信方法将要传输的符号序列映射到并行的多个 子载波上去发送；在传输过程中，每个子载波上的符号仅为其对应的子 信道幅频响应加权，以及高斯加性噪声污染；在接收侧，只要将子信道 的幅频响应归一，就可以估计出子载波上发送来的符号，从而估计到发 送序列。为了便于在接收侧无损地均衡子信道的幅频响应特性，必须在 每个OFDM发送符号的前端添加至少长度为信道最大时延扩展的循环 前缀(CP)，它是从OFDM符号的尾端拷贝来的。
图1为现有技术中的OFDM无线发射机和接收机的框图。其中，无 线发射机l，包括一个串并转换装置11，，用于将经过数据调制映射得到 的串行符号流串并转换为多个并行符号流； 一个IFFT变换装置12，，用 于通过逆IDFT变换来将所述多个并行符号流调制到多个正交子载波上 并合成为OFDM符号； 一个加CP装置13'，用于将所述OFDM符号尾 部的一部分复制到符号的前端，形成最终的带CP的OFDM符号，CP 使所传输的符号具有周期性，当CP的长度比信号在信道中传输的延迟 时间长，则码间干扰(ISI)仅仅会影响OFDM符号前端的CP,从而在 接收机端可以简单通过去除CP就可消除ISI。当然，该无线发射机还应 包括用于对输入的数据进行信道编码和数据调制的信道编码和调制装 置；以及将OFDM符号进行D/A变换和模拟信号处理(例如信道成形 滤波)，并调制到射频，然后通过天线发送出去，由于这些部分与本发 明并无直接关系，因此为简明起见，在此省略。
相应地，在接收机2，中，包括一个去CP装置21'，用于将下变频到基带所获得的OFDM符号前端的CP去除； 一个FFT装置22，，用于通 过DFT变换来对去除CP后的OFDM符号进行相关解调，获得解调后 的并行符号流； 一个并串转换装置23，，用于将所解调得到的并行符号 流并串转换为串行符号流。当然，该无线接收机机还应包括接收射频信 号的接收天线；将射频信号下变频到基带的下变频装置和对下变频后的 基带信号进行匹配滤波的匹配滤波装置等；以及，基于发射端的信道编 码和调制规则来对所述串行符号流进行相应的信道译码和解调，从而获得最初传输的信号流的信il^奪码和解调装置，由于这些部分与本发明并无 直接关系，因此为简明起见，在此省略。
与传统的基于横向滤波器架构的接收机的单载波通信系统相比， OFDM系统的实现复杂度低(基于IFFT/FFT实现子信道信号成形和接 收匹配滤波)，频语效率高，便于在宽带无线通信系统中的应用，但是， OFDM的频i普利用率和功率效率随着CP在OFDM中包含的CP长度的 增长而下降，并且，为了保持较高水平的频谱利用率和功率效率，不得 不将OFDM符号的发送数据块的长度和CP长度的比值保持在一定的倍 数以上(例如，至少为4倍)，这样，就直接导致了 OFDM符号的子载 波数量在宽带无线通信场景下一般呈现较大的数值(例如，256个子载 波)，致使子载波的等效带宽远远小于信道的相千带宽，提升了接收机 对频率同步精度的敏感度，并且降低了 OFDM系统的频域分集性能；同 时，因大数量子载波的时域叠加造成了发送信号峰均比的大幅度提升， 又提高了发射机对功率放大期线形度的指标要求。总之，OFDM虽然对 信道时频平面的适应性较强，但是，它的符号设计长度受频谱利用率的 影响太大，频域子载波划分富有冗余，非常不利于在移动速度快、载波 频率高、多普勒(Doppler)频移大的通信场景中使用；反之，在低速移动、 载波频率低、Doppler频移小的通信场景中，OFDM符号的长度又不能 适当加长，以提升频谱利用率，因此，整个OFDM系统的设计显得比较 呆板，其符号长度必须针对通信场景的恶劣场景设计，从而导致了潜在 的容量损失。
SC/FDE(单载波频域均衡)通信系统与传统的单载波通信系统非常 接近，但是，它将发送的符号序列划分成一块块等长的数据块，并为每 个数据块拷贝一个循环前缀(CP),这个CP的设计原则类同于本发明的
OFDM正交频分复用系统，所不同的是待拷贝的数据是各个数据块的尾 部。这样，接收机侧就可以基于频域均衡方法对信道相应进行均衡，从 而修复信道对发送符号的损伤，进而估计出相应的发送符号序列。 SC/FDE系统实现复杂度低(接收端基于FFT/IFFT变换和单点迫零均銜二 器完成频域均衡)，有完备的均衡器设计准则，信号峰均比不高，CP和 数据块的长度设计比较灵活，便于在宽带无线通信系统中的应用，但是， 这种方案的设计没有考虑对信道时频特性的适应性，致使接收机很难提 供给信道译码较大的频域分集增益，综合性能不高；同时，单载波接收 算法容易造成噪声增强和扩散的后果，这也会严重影响系统的接收误码 性能。
本发明正是为了解决现有技术中存在的上述问题而提出的。

发明内容
本发明是在综合各种传统单载波和多载波传输技术优缺点的基础上 提出的一种新型的正交多载波频分时分技术_ OFTDM。
本发明的无线发射机首先基于快速傅立叶逆变换(IFFT)将经过串 并转换后的多个并行调制符号流变换成相应长度的数据块序列，并对多 个经过IFFT变换的数据块按照时间顺序进行数据块复用，将复用后的 多个数据块定义为一个OFTDM(正交频分-时分复用)符号数据部分；其 次，将该OFTDM符号数据部分的尾部多个数据拷贝，作为循环前缀(CP ) 部分，到该OFTDM符号数据部分的最前部，乂人而生成该OFTDM符号 的；再次，对OFTDM符号的组成部分(数据部分和CP部分)进行信 道成形滤波；最后，将OFTDM系统的基带信号变换成射频(RF)信号， 并由天线系统辐射到无线信道上去。
本发明的无线接收机首先将接收到的无线信号变换成基带信号，并 对接收信号进行匹配滤波，完成符号定时和频率同步；随后，去除 OFTDM符号前端的循环前缀，再对OFTDM符号的数据部分进行解复用，恢复成和发送端长度一样的多个数据块序列；最后，基于FFT傅立 叶变换将发送端数据块映射为相应的调制符号流。优选地，还可在进行 OFTDM符号数据部分的解复用之前，基于信道估计、与OFTDM符号 的数据部分长度相等的FFT/IFFT正反傅立叶变换、信道均衡器等实现 OFTDM符号级别的频域均衡(FDE )，再将经过频域均衡的OFTDM符 号数据部分提供给解复用步骤。
优选地，在本发明的无线发射^L中，还提出如下用于对IFFT变换矩 阵大小、循环前缀长度以及数据块解复用的数目进行调整的控制方法
1 )根据信道带宽和信道时延长度来调整所述IFFT变换装置的变换 矩阵的大小；
2) 根据信道时延扩展的长度和IFFT变换矩阵的大小来调整所述循 环前缀的长度，使其大于等于信道时延扩展的长度，和小于等于所述 IFFT变换矩阵的大小；也即，循环前缀(CP)必须大于信道扩展长度； 发射机IFFT变换长度至少大于CP长度(在通信过程中保持不变)；
3) 与多普勒(Doppler)频移(或者信道相干时间)的大小变化相 应地调整发射机IFFT变换数据块时域复用的数量，以使其OFTDM符 号的等效时间长度'J 、于所述信道相干时间长度。
根据本发明的第 一方面，提供了 一种在无线通信系统中用于通过多个 正交载波传输信号的无线发射机，包括 一个串并转换装置，用于将输入 的串行符号数据序列串并转换多个并行的符号数据序列； 一个IFFT变 换装置，用于对所述多个并行符号数据序列中进行IFFT正交变换，生 成多个时域数据块；其特征在于，还包括 一个数据块复用装置，用于将 所述经过IFFT正交变换后的多个时域数据块按生成时间的先后顺序复 用为基带的OFTDM符号数据序列；和一个保护间隔添加装置，用于在 所述基带的OFTDM符号数据序列头部或尾部生成特定长度的保护间 隔，以生成待传输的基带OFTDM信号。
根据本发明的第二方面，提供了 一种在无线通信系统的无线发射机 中用于通过多个正交载波发送信号的方法，其包括以下步骤将输入的 串行符号数据序列串并转换多个并行符号数据序列；对所述多个并行符
号数据序列进行IFFT正交变换，生成多个时域数据块；将所述经过IFFT 正交变换后的多个时域数据块按生成时间的先后顺序复用为基带的 OFTDM符号数据序列；在所述基带的OFTDM符号数据序列头部或尾 部添加特定长度的保护间隔。
根据本发明的第三方面，提供了 一种在无线通信系统中用于接收通 过多个正交载波传输的OFTDM信号的无线接收机，其包括.'一个保护间 隔去除装置，用于去除变换到基带的具有保护间隔的OFTDM符号序列 之间的保护间隔； 一个数据块解复用装置，用于将所述去除保护间隔的 OFTDM符号序列解复用为多个数据块序列； 一个FFT变换装置，用于按接收时间的先后顺序对所述多个数据块进行FFT变换，将其变换为多个并行符号数据序列；和一个并串转换装置，用于将所述多个并行符号 数据序列变换为串行符号数据序列。
优选地，所述无线接收机还包括 一个信道估计装置，用于根据所述变换到基带的OFTDM符号序列来对时域的信道响应进行估计，以获得信道响应的估计值； 一个时/频变换装置，用于将所述去除保护间隔的 OFTDM数据块序列变换为频域的OFTDM数据块序列； 一个频域均衡 器，用于基于所述信道响应的估计值，来对所述被变换到频域的OFTDM 数据块序列进行信道损伤的相位补偿和幅度补偿，以获得经过频域均衡 的频域OFTDM数据块序列； 一个频/时变换装置，用于将已经过频域均 衡的频域OFTDM数据块序列重新变换为时域的OFTDM数据块序列， 传输给所述数据块解复用装置。
根据本发明的第四方面，提供了 一种在无线通信系统的无线接收才几 中用于接收通过多个正交载波传输的OFTDM信号的方法，其包括以下 步骤去除基带OFTDM符号的保护间隔;将所述去除保护间隔的 OFTDM符号序列解复用为多个数据块序列；按接收时间的先后顺序对 所述多个数据块进行FFT变换，将其变换为多个并行符号数据序列；和， 将所述多个并行数据符号序列并串变换为串行符号数据序列。
优选地，所述接收方法还包括以下步骤根据所述变换到基带的 OFTDM符号序列或导频训练序列来对时域的信道响应进行估计，以获得信道响应的估计值；将所述去除保护间隔的OFTDM数据块序列变换 为频域的OFTDM数据块序列；基于所述信道响应的估计值，来对所述 被变换到频域的OFTDM数据块序列进行信道损伤的相位补偿和幅度补 偿，以获得经过频域均衡的频域OFTDM数据块序列；将已经过频域均 衡的频域OFTDM数据块序列重新变换为时域的OFTDM数据块序列， 用于进行所述数据块解复用操作。
本发明的无线发射机和接收机是传统基于循环前缀(CP)的正交频 分复用系统(OFDM)和单载波频域均衡系统(SC/FDE)的一种新颖的 结合和扩展方案，既具有OFDM的低实现复杂度、高频谱效率的优点， 又具有SC/FDE的频移稳健、易于频率同步的优点；既具有和OFDM等 同的接收误码性能特性，又具有比OFDM大得多的移动速度适应范围。 基于OFTDM技术方案，可以在同 一种通信系统上同时集成多载波通信 和单载波通信的内在优势，同时，又可以尽量避免它们的不足，使系统 总体性能和复杂度达到较好的折衷。
更具体地，与现有技术相比，本发明既具有多载波传输技术(如 OFDM)的频语适应性，又具有单载波通信的灵活性，并且在传输性能 上与OFDM技术相当，实现复杂度较低。更为重要的是，通过控制发射 机IFFT变换数据块时域复用数量的大小，系统可以获得较大的吞吐量 增益，范围更加宽广的移动速度适应性；通过基于信道相干带宽设计发 射机IFFT变换的大小，可以提升系统的频移鲁棒性；通过引进CP前缀， 可以使OFTDM保持系统与OFDM在定时方面类似的稳健性能。


下面参照附图对本发明进行详细描述，其中相同或相似的附图标 记代表相同的部件。
图1为现有技术中的OFDM无线发射机和接收机的框图。
图2为根据本发明一个具体实施方式
的在宽带移动通信网络中用 于经由正交多载波传输信号的无线发射机的框图3为根据本发明一个具体实施方式
的在宽带移动通信网络中用
于经由正交多载波传输信号的无线发射方法的流程图4为添加了循环前缀的OFTDM符号序列的构造示意图5为根据本发明一个具体实施方式
的在宽带移动通信网络中用
于经由正交多载波传输信号的无线接收机的框图6为根据本发明一个具体实施方式
的在宽带移动通信网络中用
于经由正交多载波传输信号的无线接收方法的流程图7示出了基于MATLAB/SIMULink仿真平台的仿真原理图8示出在图6所示仿真平台上对本发明的OFTDM方案与现有技术 的OFDM和SC/FDE方案等三种方案在如下仿真参数条件下进行仿真 运算获得的结果(误码率)。
具体实施例方式
下面参考附图，并结合具体实施例对本发明作详细描述。应当理 解，本发明并不限于具体实施例。
图2示出根据本发明一个具体实施方式
的在无线通信网络，尤其 是宽带移动通信网络中用于通过多个正交载波发送信号的无线发射 机1的框图。其中包括一个信道编码装置11、 一个数字调制装置12、 一个串并转换装置13、 一个逆傅立叶(IDFT)变换装置14、 一个数 据块复用装置15、一个保护间隔添加装置16、一个成形滤波装置17、 一个RF变频装置18和一个发射天线19。
需要说明的是，图2中所示出的信道编码装置、数字调制装置、 成形滤波装置、RF变频装置和发射天线与本发明的目的并无直接关 系，仅作为一个优选实施方式，在此一并进行描述。
假定{ak，k = 0，1，2....}为输入无线发射机的输出数字序列，下面参照图2 并结合图3来对本发明的无线发射机进行详细说明
信道编码装置11用于采用预定的信道编码规则来对输入数据序列 k,^0,l,2…J信道编码，将其变换成输出数据序列{~,^ = 0，1,2....},其中所述 信道编码身见则可以采用例如RS码和巻积码组成的《及联码，Turbo码，或 者LDPC码，也可以为多种一支术组成的自适应编码方案，如自适应编码调制方案(AMC);
数字调制装置12用于，例如依据Gray编码规范，将经过信道编码 的数据序列映射到调制符号的点阵图上去，所选择的调制方式由系统设 计决定，可以确定为BPSK、 QPSK、 QAM调制方式中的一种，也可以 为根据误码率和载扰比自适应选择的多种动态调制方式。经过数字调制 装置12，输入数据序列^^ = 0,1，2....}变换成输出符号序列{《,* = 0,1,2....};
串/并转换装置13用于将数字调制映射得到的串行符号序列按照其 后的IFFT变换矩阵的大小分为多个串行符号数据块，并对所述多个串 行符号数据块进行串并转换操作，以形成相应多个并行符号数据块。经 过串/并转换装置13，输入的串行符号序列{《,^-0,1,2....}变换成多个并行 的符号数据块^，/t-0,1,2....}，这里，^表示一个元素数量和IFFT变换大 小一样的列向量；
逆傅立叶(IDFT)变换装置14，优选地，可由逆快速傅立叶变换 (IFFT )模块来实现，用于对输入的每个并行符号数据块进行IDFT变 换，生成相应的多个时域符号数据块，其中该IDFT变换等同于对所述 输入的并行数据进行正交多载波调制和合成，经过IFFT变换模块，输 入并行的数据块序列^ J = 0，l，2,...}变换成相应的时域数据块序列 {, = 0，1，2,.-.},相互之间的关系服从/;=/^^(^),这里，A也表示一个元 素数量和IFFT变换大小 一样的列向量；
数据块复用装置15用于将特定数目的经过IFFT变换后的数据块按 照产生的先后次序复用成长度更长的正交频分时分复用(OFTDM)符 号的数据部分。经过数据块复用，输入的数据块序列{力，^ = 0，1,2,...}变换 成OFTDM符号的数据部分的序列{&,& = 0,1,2，...},这里，^表示一个元 素数量和OFTDM符号数据部分大小 一样的列向量；
保护间隔添加装置16用于在经过数据块复用后的OFTDM)符号数 据部分的头或尾部添加一个特定长度的保护间隔，用于减少信道间干扰 (该保护间隔的长度应大于信道最大时延扩展长度)。优选地，保护间 隔添加装置可采用循环前缀(CP)添加装置，也即将所述OFTDM符号 数据部分尾部的一部分复制到OFTDM符号数据部分的前端，形成最终的带CP的OFTDM符号，CP使所传输的符号具有周期性，当CP的长 度比信号在信道中传输的最大延迟时间长，则码间干扰(ISI)仅仅会影 响OFTDM符号前端的CP,从而在接收机端可以简单通过去除CP就可 消除ISI。经过循环前缀添加装置，输入序列{^,^ = 0,1,2,..}变换成完整的 OFTDM符号序列{hk,k= 0,1,2，...},这里，^表示一个元素数量和OFTDM 符号大小一样的列向量，其构造示意图如图4所示；
信道信号成形装置17用于按照频语模板对待发送的OFTDM信号波 形进行成形滤波。经过信号成形装置17，输入的OFTDM符号序列{hk,k= 0,1,2，...}变换成输出波形序列列{ik,k = 0,1,2,..-};
RF 变换装置18用于将基带的OFTDM 符号序列变换成射频信号，并经由发射天线发射到无线信道中去。 ' 、'
优选地，无线发射机1还包括一个控制装置19 (图中未示出)，用 于执行以下功能
1 )根据信道带宽和信道时延长度来调整所述IFFT变换装置的变换 矩阵的大小；
2) 根据信道时延扩展的长度和IFFT变换矩阵的大小来调整所述循 环前缀的长度，使其大于等于信道时延扩展的长度，和小于等于所述 IFFT变换矩阵的大小；也即，循环前缀(CP)必须大于信道扩展长度； 发射机IFFT变换长度至少大于CP长度(在通信过程中保持不变)；
3) 与多普勒(Doppler)频移(或者信道相千时间)的大小变化成 反向地扩大或者缩小发射机IFFT时域复用的数量；并根据信道相干时 间长度来调整所述数据块复用的数量，以使其OFTDM符号的等效时间 长度小于所述信道相干时间长度。
图3为根据本发明一个具体实施方式
的在宽带移动通信网络中用 于经由正交多载波传输信号的无线发射方法的流程图。
需要说明的是，图2中所示出的信道编码步骤、数字调制步骤、 成形滤波步骤、RF变频步骤和发射无线信号的步骤与本发明的目的 本无直接关系，仅作为一个优选实施方式，在此一并进行描述。
同样，假定{ak, k=0，1,2......}为输入无线发射机的输出数字序列；
在步骤S101中，釆用预定信道编码规则来对输入数据序列 k，"0，l,2.…H言道编码，将其变换成输出数据序列{6^ = 0,1,2....},其中所述
信道编码身见则可以采用例如RS码和巻积码组成的级联码，Turbo码，或 者LDPC码，也可以为多种4支术组成的自适应编码方案，如自适应编码 调制方案(AMC);
在步骤S102中，例如依据Gray编码规范，将经过信道编码的数据 序列映射到调制符号的点阵图上去，所选择的调制方式由系统设计决 定，可以确定为BPSK、 QPSK、 QAM调制方式中的一种，也可以为才艮 据误码率和载扰比自适应选择的多种动态调制方式。经过调制操作，输 入数据序列K,* = 0,1,2....}变换成输出符号序列,/t = 0,1,2....};
在步骤S103中，将符号调制之后的串行符号序列按照其后的IFFT 变换矩阵的大小分为多个串行符号数据块，并对所述多个串行符号数据 块进行串并转换操作，以形成相应多个并行符号数据块。经过串/并转换 操作，输入的串行符号序列= 0,1,2....}变换成多个并行的符号数据块 k，& = 0,1,2....},这里，^表示一个元素数量和IFFT变换大小一样的列向
曰
f;
在步骤S104中，对输入的每个并行符号数据块进行IDFT变换，生 成相应的多个时域符号数据块(其中该IDFT变换等同于对所述输入的 并行数据进行正交多载波调制和合成)，优选地，IDFT变换可由逆快速 傅立叶变换(IFFT)算法来实现。经过IFFT变换操作，输入并行的数 据块序列&,A = 0,1,2, .}变换成相应的时域数据块序列= 0,l,2, ..}，相互 之间的关系服从/^/i^T(q)，这里，A也表示一个元素数量和IFFT变换 大小一样的列向量；
在步骤S105中，将特定数目的经过IFFT变换后的数据块按照产生 的先后次序复用成长度更长的正交频分时分复用(OFTDM)符号的数
据部分。经过数据块复用操作，输入的数据块序列= 0,1，2,...}变换成
OFTDM符号的数据部分的序列fe，A-0,l，2,…"这里，^表示一个元素数 量和OFTDM符号数据部分大小一样的列向量；
在步骤S106中，在经过数据块复用后的OFTDM )符号数据部分的头或尾部添加一个特定长度的保护间隔，用于减少信道间干扰(该保护 间隔的长度应大于信道最大时延扩展长度)。优选地，保护间隔为循环前缀(CP),也即，将所述OFTDM符号数据部分尾部的一部分复制到 OFTDM符号数据部分的前端，形成最终的带CP的OFTDM符号，CP使所传输的符号具有周期性，当CP的长度比信号在信道中传输的最大 延迟时间长，则码间干扰(ISI)仅仅会影响OFTDM符号前端的CP, 从而在接收机端可以简单通过去除CP就可消除ISI。经过循环前缀添加 步骤，输入序列{&J = o,l,2，...}变换成完整的OFTDM符号序列 {/^,/t = 0,1,2,...},这里，/^表示一个元素数量和OFTDM符号大小一样的列 向量，其构造示意图如图4所示；
在步骤S107中，按照频语模板对待发送的OFTDM信号波形进行成 形滤波。经过信号成形操作，输入的OFTDM符号序列{/^,^ = 0,1,2，...}变 换成输出波形序列化,A = 0,l,2,...};
在步骤S108中，将基带的OFTDM符号序列变换成射频信号；
在步骤S109中，经由发射天线发射到无线信道中去。
优选地，本发明的无线发射方法还包括如下控制步骤
1 )根据信道带宽和信道时延长度来调整所述IFFT变换装置的变换 矩阵的大小；
2) 根据信道时延扩展的长度和IFFT变换矩阵的大小来调整所述循 环前缀的长度，使其大于等于信道时延扩展的长度，和小于等于所述 IFFT变换矩阵的大小；也即，循环前缀(CP)必须大于信道扩展长度； 发射机IFFT变换长度至少大于CP长度(在通信过程中保持不变)；
3) 与多普勒(Doppler)频移(或者信道相干时间)的大小变化相 应地扩大或者缩小发射机IFFT时域复用的数量；并根据信道相干时间 长度来调整所述数据块复用的数量，以使其OFTDM符号的等效时间长 度小于所述信道相干时间长度。
图5为根据本发明一个具体实施方式
的在无线通信网络，尤其是宽带移动通信网络中用于接收经由多个正交载波传输的信号的无线 接收机2的框图。其中，无线接收机包括匹配滤波/同步装置21、保
护间隔去除装置22、信道估计装置23、频/时变换装置24、单点频域 均衡装置25、时/频变换装置26、数据块解复用装置27、 FFT变换装 置28、并/串变换装置29、解码装置30、信道译码装置31。
其中，需要说明的是，用于基带处理的匹配滤波装置、解码装置、 信道译码装置与本发明的目的并无直接关系，仅作为 一个优选实施方式，在此一并进行描述。另外，无线接收机还应包括用于接收无线信 号的接收天线和用于将无线信号下变频到基带的射频变频装置，它们 与本发明的目的也无直接关系，由于为简明起见，在图中未示出。
假定经过接收天线和RF射频转换模块，无线接收机2可以获得一 个基带信号仏,/^0,1,2，...}。下面，参照图5并结合图6来对本发明的无线 接收才几进行详细说明
匹配滤波与同步装置21用于对接收到的基带信号进行匹配滤波，同 时，完成接收信号的时频同步功能。经过匹配滤波与同步装置21，输入 数据序列仏,= o,l,2,...}变换成输出数据序列{ ,& = o,i,2,...};
保护间隔去除装置22用于去除添加在OFTDM符号序列上的保护间 隔。当保护间隔为循环前缀时，其用于去除OFTDM符号前端的循环前 缀(CP)，从而可以消除OFTDM符号间的千扰。经过去除循环前缀， 输入数据序列{ ,= 0,1,2，. }变换成输出数据块序列{ J = 0,1,2,...},这里， ",表示一个元素数量和3-5中的FFT变换大小一样的列向量；
信道估计装置23用于基于所述OFTDM符号序列或导频训练序列来 在时域对信道响应进行估计。经过信道估计装置23，可以获得信道响应 的估计值{^,/1 = 0,1,2,...丄-1},这里，L为时域响应的最大时延；
时/频变换装置24用于将所接收的一定长度的时域数据块变换到频 域中去，以便频域均衡器能够消除信道对该数据块的影响，具体地，时 /频变换装置可通过DFT、 FFT变换等算法来实现。经过时/频变换装置， 输入数据块序列{nJ = o, 1,2，...}变换成输出数据块序列h,"o,l,2,,相互 之间的关系服从o^^T("j，这里，^表示一个元素数量和FFT变换大小一样的列向量；
频域均衡装置25用于基于信道估计装置23所提供的信道估计值来 在频域对所述去除循环前缀的OFTDM符号数据进行信道损伤的相位和 幅度补偿。其中，频域均衡装置可以采用单点频域最小均方误差MMSE 均衡器或者单点频域迫零均衡器。具体地，如果通过单点迫零(ZF)方 法来完成频域均衡，则经过频域均衡装置25，输出数据块序列 {0K,K = 0,1,2，...}和输入数据块序歹'J {0/^ = 0,1,2，.--}之间的关系为 pk=diag{[1/W0,1/W1,...,1/WL-1]}0K,这里，diag()表示对某个矢量的对角化操作，t =FFT(w)， 而后者w=[w。
w1 … wL-1]t, 即信道响应歹'J向量。
频/时变换装置26用于将将已经经过频域均衡的频域子带信号合成
恢复到时域中去，以便进一步处理，具体地，频/时变换装置可以通过
IDFT, IFFT变换等算法来实现。经过频/时变换装置26,输入数据块序 列{A,/t = 0,1,2，...}变换成输出数据块序列{^,^ = 0，1,2,...},这里，& =/^T(A),
而且，a和&表示元素数量和IFFT变换大小一样的列向量；
数据块解复用装置27用于将与无线发射机端的OFTDM符号的数据 部分大小相同的数据块解复用成与无线发射机端IFFT变换矩阵大小相 同的数据块序列。经过数据块解复用装置27,输入的OFTDM符号数据
}被变换成多个数据块序列化，"0，1,2，...},这里，^表示一个
元素数量和发射机端IFFT变换大小一样的列向量；
与上述OFTDM发射机端IFFT变换装置的变换矩阵大小 一样的FFT 变换装置28用于对所述多个符号数据块执行与发射机端IFFT变换对应 的逆操作，用于将输入的时域数据块重新映射到频域中去。经过FFT变 换装置28，输入OFTDM数据块序列{^* = 0,1,2，...}变换成并行的符号数 据块块序列^J-(U，2，…"^表示一个元素数量和FFT变换大小一样的 列向量；
并/串变换装置29用于将输入的并行符号数据块序列变换成串行的 符号数据序列。经过并/串变换装置29，输入的符号数据块序列 ",A = o, l， 2，...}变换成串行数据序列仏，A: = o, l, 2, };
数字解调装置30用于依据发射机端的Gray编码规则将输入的数据 序列解调成相应的数字序列。如果即将执行的信道译码算法基于硬判决 输入信息，则输出的硬信息数字序列是{0}和{1}的随机排列，否则，符 号解调装置30将提供相应的基于数比特量化的软信息数字序列。经过 数字解调装置30,输入的数据序列{tk,k=0,1,2,..}变换成输出的数字信息{uk,k=0,1,2,..};
信道译码装置31用于基于发射机端的信道编码规则来执行信道译 码算法。经过信道译码装置31，输入数字序列{uk,k=0,1,2,..},变换成输出 数字序列{vk,k=0,1,2,..}.
图6为根据本发明一个具体实施方式
的在宽带移动通信网络中用
于经由正交多载波传输信号的无线接收方法的流程图。
需要说明的是，图中所示出的接收无线信号的步骤、将无线信号 下变频到基带的步骤、匹配滤波步骤、数字解调步骤、信道译码步骤 与本发明的目的本无直接关系，仅作为一个优选实施方式，在此一并
进行描迷。
其中，在步骤S201中，通过接收天线接收无线信号；
在步骤S202中，将无线信号下变频为基带OFTDM信号，假定经 过接收步骤和下变频步骤，获得基带OFTDM信号{lk,k=0,1,2,..},
在步骤S203中，对接收到的基带OFTDM信号进行匹配滤波，同时， 完成接收信号的时频同步功能。经过匹配滤波与同步步骤，输入数据序 列{lk,k=0,1,2,..},变换成OFTDT符号数据序列{mk,k=0,1,2,...L-1};
在步骤S204中，去除添加在OFTDM符号序列上的保护间隔。当保 护间隔为循环前缀时，其用于去除OFTDM符号前端的循环前缀(CP), 从而可以消除OFTDM符号间的干扰。经过所述去除循环前缀步骤，输 入数据序列{mk,k=0,l,2,…)变换成输出数据块序列{nk,k=0,1,2,..},这里，nk 表示一个元素数量和3-5中的FFT变换大小一样的列向量；
在步骤S205中，基于所述OFTDM符号序列或导频训练序列来在时 域对信道响应进行估计，以获得信道估计值{wk,k=0,1,2,...L-1}，这里，L 为时域响应的最大时延；
在步骤S206中，将一定长度的接收数据块变换到频域中去，以便能 够通过频域均衡来消除信道对该数据块的影响，具体地，该步骤可通过DFT、 FFT变换等算法来实现。经过时/频转换步骤，输入数据块序列 {nk,k=0， 1,2，..}变换成输出数据块序列= {0k,k=0,1,2， },相互之间的关系服从0k=FFT(nk),这里，ok表示一个元素数量和FFT变换大小一样的列向量；
在步骤S207中，用于基于上述信道估计值，通过单点频域均衡来在 频域对所述去除循环前缀的OFTDM符号数据进行信道损伤的相位和幅 度补偿。其中，频域均衡装置可以采用单点频域最小均方误差MMSE 均衡器或者单点频域迫零均衡器。具体地，如果通过单点迫零(ZF)方 法来完成频域均衡，则经过频域均衡操作，输出数据块序列{pk，k = 0,1,2，...} 和输入数据块序列 {ok,k = 0,l,2,..}之间的关系为pk=diag{1/w0,1/w1...,1/w1.1]}ok,这里，diag()表示对某个矢量的对角化操作，[w0,w1...wl-1]T=FFT(w),而后者w=[w0,w1...wb-1]T,即信道响应列向量。
在步骤S208中，将已经经过频域均衡的频域子带信号合成恢复到时 域中去，以便进一步处理，具体地，其可以通过IDFT, IFFT变换等算 法来实现。经过频/时变换装置26,输入数据块序列{qk,k=0,1,2...},这里，qk=IFFT(Pk),而且，Pk和qk表示 元素数量和IFFT变换大d、一样的列向量；
在步骤S209中，将与无线发射机端的OFTDM符号数据部分大小 相同的数据块解复用成与无线发射机端IFFT变换矩阵大小相同的数据 块序列。经过所述数据块解复用步骤，输入OFTDM符号数据序列{qk,k=0,1,2...}变换成多个符号数据块序列{rk,k=0,1,2，...}，这里，rk表示一个元素数量和发射机端IFFT变换大小一样的列向量；
在步骤S210中，通过与上述OFTDM发射机端IFFT变换矩阵大小 一样的FFT变换矩阵来对所述多个符号数据块执行与发射机端IFFT变 换对应的逆操作，用于将输入的时域数据块重新映射到频域中去。经过 所述FFT变换步骤，输入的多个OFTDM符号数据块序列{rk,k= 0,1,2,...}变 换成多个并行的符号数据块块序列{sk,k = o，l,2,..}， sk表示一个元素数量和FFT变换大小一样的列向量；
在步骤S211中，将输入的并行符号数据块序列并/串变换成串行的 符号数据序列。经过并/串变换操作，输入的多个符号数据块序列{sk,k= 0,1,2， .}变换成串行数据序列{tk,k= o,l,2,.. };
在步骤S212中，依据发射机端的Gray编码少见则将输入的数据序列 解调成相应的数字序列。如果即将执行的信道译码算法基于硬判决输入 信息，则输出的硬信息数字序列是{0}和{1}的随机排列，否则，将输出 相应的基于数比特量化的软信息数字序列。经过符号解调步骤，输入的 数据序列{ik,k= o,l,2, }变换成输出的数字信息{uk,k = o, 1,2,...};
在步骤S213中，基于发射机端的信道编码规则来执行信道译码算 法。经过信道译码步骤，输入数字序列{uk,k = 0，1,2,...}变换成输出数字序列 {vk,k=0,l，2,...}。
图7示出了基于MATLAB/SIMULink仿真平台德方针原理图8示出在图6所示仿真平台上对本发明的OFTDM方案与现有技术 的OFDM和SC/FDE方案等三种方案在如下仿真参数条件下进行仿真 运算获得的结果(误码率)，由图7可以看出，本发明的OFTDM的 误码率明显优于SC/FDE方案的误码率，与OFDM的误码率相当，但 由于本发明的实现复杂性(256个子载波)由于OFDM ( 2048个子载 波)，因此本发明在性能和实现复杂度之间获得了一个良好的折中。
设定仿真环境参数如下
信道带宽IOM，信道模型SUI-4，信道编码巻积码(编码码率 1/2,约束长度7，生成多项式[171, 133],译码8级3bit量化，Viterbi软 译码，译码深度34)
设定系统仿真参数
OFTDM子载波个数256，数据块复用个数8,频域均衡点数2048， 频域均衡方法单点迫零(ZF)均衡器
设定参与比较的系统参数
OFDM:
子载波个数2048,频域均衡点数2048，频域均衡方法单点迫零(ZF) 均衡器；
SC-FDE/LE:
频域均衡点数2048,频域均衡方法单点迫零(ZF)均tf器；
基于MATLAB/SIMULink仿真平台的仿真原理图
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解对是，本发明 并不局限于上述特定对实施方式，本领域技术人员可以在所附权利要 求的范围内做出各种变形或修改。
权利要求
1.一种在无线通信系统中用于通过多个正交载波传输信号的无线发射机，包括一个串并转换装置，用于将输入的串行符号数据序列串并转换多个并行的符号数据序列；一个IFFT变换装置，用于对所述多个并行符号数据序列中进行IFFT正交变换，生成多个时域数据块；其特征在于，还包括一个数据块复用装置，用于将所述经过IFFT正交变换后的多个时域数据块按生成时间的先后顺序复用为基带的OFTDM符号数据序列；和一个保护间隔添加装置，用于在所述基带的OFTDM符号数据序列头部或尾部生成特定长度的保护间隔，以生成待传输的基带OFTDM信号。
2. 根据权利要求1所述的无线发射机，其特征在于，还包括 所述保护间隔添加装置为一个循环前缀生成装置，其用于将所述OFTDM符号数据序列的尾部的特定数量数据，作为循环前缀，复制到 所述OFTDM数据序列的头部，生成具有循环前缀的正交频分时分符号序列。
3. 根据权利要求1或2所述的无线发射机，其特征在于，还包括 一个控制装置，还用于根据信道带宽，信道相干带宽和信道时延长度来调整所述IFFT变换装置的变换矩阵的大小。
4. 根据权利要求3所述的无线发射机，其特征在于， 所述控制装置还用于根据信道时延扩展的长度和IFFT变换矩阵的大小来调整所述循环前缀的长度，使其大于等于信道时延扩展的长度， 和小于等于所述IFFT变换矩阵的大小。
5. 根据权利要求4所述的无线发射机，其特征在于， 所述控制装置还用于与多普勒频移或信道相千时间的大小变化相应地调整所述数据块复用的数量，以使其OFTDM符号的等效时间长度小 于所述信道相干时间长度。
6. —种在无线通信系统的无线发射机中用于通过多个正交载波发送信号的方法，其包括以下步骤将输入的串行符号数据序列串并转换多个并行符号数据序列； 对所述多个并行符号数据序列进行IFFT正交变换，生成多个时域数据块；将所述经过IFFT正交变换后的多个时域数据块按生成时间的先后 顺序复用为基带的OFTDM符号数据序列；在所述基带的OFTDM符号数据序列头部或尾部添加特定长度的保护间隔。
7. 根据权利要求6的方法，其特征在于，所述生成保护间隔的步骤 包括将所述OFTDM符号数据序列的尾部的特定数量数据，作为循环前 缀，复制到所述OFTDM符号数据序列的头部，生成具有循环前缀的 OFTDM符号序列。
8. 根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤 根据信道带宽和信道时延长度来调整所述IFFT变换装置的变换矩阵的大小。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据信道时延扩展的长度和IFFT变换矩阵的大小来调整所述循环 前缀的长度，使其大于等于信道时延扩展的长度，和小于等于所述IFFT 变换矩阵的大小自适应地调整所述IFFT变换装置的变换矩阵的长度， 使其大于等于所述循环前缀的长度。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤 与多普勒偏移或信道相干时间的大小变化相应地调整所述IFFT变换装置的数量，以使其OFTDM符号的等效时间长度小于所述信道相干 时间长度
11. 一种在无线通信系统中用于接收通过多个正交载波传输的 OFTDM信号的无线接收机，其包括一个保护间隔去除装置，用于去除变换到^_的具有保护间隔的OFTDM符号序列之间的保护间隔；一个数据块解复用装置，用于将所述去除保护间隔的OFTDM符号 序列解复用为多个数据块序列；一个FFT变换装置，用于按接收时间的先后顺序对所述多个数据块 进行FFT变换，将其变换为多个并行符号数据序列；一个并串转换装置，用于将所述多个并行符号数据序列变换为串行 符号数据序列。
12. 根据权利要求11所述的无线接收机，其特征在于，还包括 一个信道估计装置，用于根据所述变换到基带的OFTDM符号序列来对时域的信道响应进行估计，以获得信道响应的估计值；一个时/频变换装置，用于将所述去除保护间隔的OFTDM数据块序列变换为频域的OFTDM数据块序列；一个频域均衡器，用于基于所述信道响应的估计值，来对所述被变换到频域的OFTDM数据块序列进行信道损伤的相位补偿和幅度补偿，以获得经过频域均衡的频域OFTDM数据块序列；一个频/时变换装置，用于将已经过频域均衡的频域OFTDM数据块序列重新变换为时域的OFTDM数据块序列，传输给所述数据块解复用装置。
13. 根据权利要求11或12所述的无线接收机，其特征在于， 所述频域均衡器包括单点频域最小均方误差MMSE均衡器。
14. 根据权利要求11或12所述的无线接收机，其特征在于， 所述频域均衡器为单点频域迫零均衡器。
15. —种在无线通信系统的无线接收机中用于接收通过多个正交载 波传输的OFTDM信号的方法，其包括以下步骤去除基带OFTDM符号的保护间隔；将所述去除保护间隔的OFTDM符号序列解复用为多个数据块序列；为多个并行符号数据序列；将所述多个并行数据符号序列并串变换为串行符号数据序列。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤 根据所述变换到基带的OFTDM符号序列或导频训练序列来对时域的信道响应进4于估计，以获得信道响应的估计值；将所述去除保护间隔的OFTDM凄t据块序列变换为频域的OFTDM 数据块序列；基于所述信道响应的估计值，来对所述^^皮变换到频域的OFTDM数 据块序列进行信道损伤的相位补偿和幅度补偿，以获得经过频域均衡的 频域OFTDM数据块序列；将已经过频域均衡的频域OFTDM数据块序列重新变换为时域的 OF丁DM数据块序列，用于进行所述数据块解复用操作。
17. 根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于， 所述频域均衡步骤为单点频域最小均方误差MMSE均ff方法。
18. 根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于， 所述频域均衡步骤为单点频域迫零均衡方法。
全文摘要
本发明基于在现有技术中的正交频分复用技术和单点-频域均衡技术基础上提出的一种新颖的正交多载波频分时分(OFTDM)技术。在发射机端，对输入的串行数据流进行串并变换和IFFT变换，随后对多个经过IFFT变换的数据块按照时间顺序来复用为一个OFTDM符号数据部分；然后在其前端添加上循环前缀以形成最终的OFTDM符号。在接收机端，首先将变频到基带的OFTDM符号前端的循环前缀去除，在进行与发射机端相对应的数据解复用、FFT变换和并串变换等操作后即可恢复最初传输的串行数据流。除包含上述现有技术的优点之外，本发明还避免它们的不足，使系统总体性能和复杂度达到较好的折衷。
文档编号H04J11/00GK101204030SQ200580049922
公开日2008年6月18日 申请日期2005年5月25日 优先权日2005年5月25日
发明者卜智勇, 平 周, 斌 周, 张小东, 李明齐, 杨秀梅 申请人:上海无线通信研究中心;中国科学院上海微系统与信息技术研究所