无线通信系统中的信号发送和接收方法与装置与流程

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种无线通信系统中的信号发送和接收方法与装置。

背景技术：

均衡技术通常可分为线性均衡和非线性均衡两类。线性均衡器相对简单，信道衰落不严重时可以较好地消除信道影响，常用的算法有迫零(ZF)算法和最小均方误差(MMSE)算法。当无线信道多径衰落严重时，信道频域响应中会出现很深的零点。为了补偿零点附近的幅度衰落，线性均衡器必须对该段频谱进行放大，从而也使该频段的噪声增强(特别是ZF均衡器)，降低系统的信噪比。而非线性均衡器在这种恶劣的信道下会有较好的效果，判决反馈均衡器(DFE)是非线性均衡器中常见的一种。

多载波正交频分复用(OFDM)是一种用于频率选择性信道的调制方式，它采用K个等间隔的子载波，每个子载波被单独调制，符号周期是同速率单载波系统的K倍，可以有效地对抗多径干扰。同时，OFDM系统在各个符号间插入保护间隔来消除跨符号干扰。OFDM信号的调制和解调可采用IFFT和FFT实现。由于部分子信道也会面临深衰落而产生高误码率，会对OFDM系统造成误码平台，一般采用强的纠错编码来纠正错误。但是长信道纠错编码会导致系统处理时延很大。故也采用频域的分集来改善信道。即在不同的子载波上发送相同的信息符号，当各个子载波的衰落独立的时候可以获取分集增益，避免深衰落造成的子载波上的数据高误码率。

采用非ZF算法的线性均衡器，如MMSE均衡器会降低对频域零点的噪声放大。但是将带来均衡器残余跨符号干扰的问题，该残余跨符号干扰会显著降低调制系统的性能，导致误码率的平台。非线性均衡器DFE在数据速率较高时的处理复杂度较高，也有稳定性和判决误码传播的问题。因此线性或者非线性的均衡器都有一些缺点，尤其是信道比较恶劣的时候，信道时延比较长，导致了较大跨符号干扰和较多的频域零点，MMSE均衡器和DFE均衡器此时的性能都会较差。

OFDM的分集技术可以改善信道响应，这和信道均衡方式不同。不论是线性还是非线性的均衡都是去适应比较差的信道条件，但是比较严重的信道跨符号干扰这时已经形成，单靠均衡器去纠正则为时已晚。但是OFDM的硬件结构很复杂，耗能也高。由于信号被割裂为多个子载波，当所有子载波信号的符号都相同的时候，就会有信号的幅度叠加问题，称之为峰均功率比问题(PAPR)。峰均功率比问题使得发射耗能增加数dB，也对自动电平控制(AGC)控制以及高频部分电路的线性提出了较高的要求。所以OFDM的复杂度、功耗和成本都相对较高。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。但是，应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图用来确定本发明的关键性部分或重要部分，也不是意图用来限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出关于本发明的某些概念，以此作为稍后给出的更详细描述的前序。

本发明提出一种时频域交织的频域分集线性均衡处理(TFI-FD-LE)技术。通过在发端将原始数据块进行数据顺序重排，再在收端进行频域最大比合并，可以获得和OFDM频分系统相同的子载波频域分集增益，在长时延信道下显著改进信道深衰落的状况。

根据本发明的TFI-FD-LE技术的频域分集增益要求信道的相干带宽要远小于通信系统传输频带。一般来说，在室内的RMS时延为50ns，对应3MHz的相干带宽；在室外是RMS时延为30us，对应5KHz的相干带宽。而很多信道，比如说超宽带室内信道，占用了500MHz带宽；室外无线蜂窝3GPP的LTE有高达20MHz带宽，远远高于响应的相干带宽。故本发明的使用范围很广。

根据本发明的TFI-FD-LE技术借助了频率选择性信道中内在的分集特性来完成该时频交织。因此，根据本发明的TFI-FD-LE技术并不要求如背景技术中描述的那样利用多天线分集所需的额外RF前端、多天线、单个终端间的中继操作。这样，根据本发明的TFI-FD-LE技术的功率消耗和终端的大小得以降低。

根据本发明的一方面，提供了一种无线通信系统中的信号发送方法，其包括如下步骤：接收将要发送的原始数据块，所述原始数据块的长度为M，其中M为整数；对所述原始数据块进行一次或多次扰乱，使得在所述一次或多次扰乱中的每一次扰乱中，所述原始数据块中的M个数据符号被重新排列，从而得到一个或多个长度为M的乱序数据块；使用循环前缀连接所述原始数据块和所述一个或多个乱序数据块，以形成时频域交织的频域分集均衡信号；以及通过单载波发送所述频域分集均衡信号。

根据本发明的另一方面，还提供了一种无线通信系统中的信号接收方法，其包括如下步骤：获得时频域交织的频域分集均衡信号，所述频域分集均衡信号包括使用循环前缀连接的原始数据块和一个或多个乱序数据块；去除所述循环前缀，以获得所述原始数据块和所述一个或多个乱序数据块；以及对所述原始数据块和所述一个或多个乱序数据块进行时域信号合并，以获得频域分集合并信号。

根据本发明的另一方面，还提供了一种无线通信系统中的信号发送装置，其包括：原始数据块接收单元，用于接收将要发送的原始数据块，所述原始数据块的长度为M，其中M为整数；扰乱单元，用于对所述原始数据块接收单元所接收的所述原始数据块进行一次或多次扰乱，使得在所述一次或多次扰乱中的每一次扰乱中，所述原始数据块中的M个数据符号被重新排列，从而得到一个或多个长度为M的乱序数据块；连接单元，用于使用循环前缀连接所述原始数据块接收单元所接收的所述原始数据块和所述扰乱单元所扰乱的所述一个或多个乱序数据块，以形成时频域交织的频域分集均衡信号；以及发送单元，用于通过单载波发送所述连接单元所形成的所述频域分集均衡信号。

根据本发明的另一方面，还提供了一种无线通信系统中的信号接收装置，其包括：频域分集均衡信号获得单元，用于获得时频域交织的频域分集均衡信号，所述频域分集均衡信号包括使用循环前缀连接的原始数据块和一个或多个乱序数据块；信号前缀去除单元，用于去除所述循环前缀，以获得所述原始数据块和所述一个或多个乱序数据块；以及合并单元，用于对通过所述信号前缀去除单元获得的所述原始数据块和所述一个或多个乱序数据块进行时域信号合并，以获得频域分集合并信号。

相对于OFDM的子载波频率分集方式，根据本发明的TFI-FD-LE技术没有峰均比问题。根据本发明的TFI-FD-LE技术的单载波调制大大降低了OFDM的射频器件线性度的要求。降低了设备成本和硬件复杂度。且相对OFDM方式，显著降低了无线通信的射频部分功耗(无需数dB的功率回退)，特别适合电池供电的手持超宽带无线设备。因此应用较广。

根据本发明的TFI-FD-LE技术进行的是时域的交织、收端的最大比合并频域子信道。在有深衰落的宽带无线通信传输，将很大改善信道，提高接收端的线性均衡器的性能。而且因为这种TFI-FD-LE的分集方式并不要多天线分集的多射频前端电路。这样，TFI-FD-LE系统的功率消耗和终端的体积得以降低。

根据本发明的技术方案，没有非线性时域均衡器的复杂度和稳定性问题。线性均衡是FIR系统，因此根据本发明的TFI-FD-LE系统比较稳定可靠。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的详细描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并形成说明书的一部分，用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1是示出根据本发明实施例的无线通信系统中的信号发送方法的流程图；

图2是示出根据本发明实施例的TFI-FD-LE发端对数据顺序乱序的数据块重复发送的示意图；

图3是示出根据本发明实施例的无线通信系统中的信号接收方法的流程图；

图4是示出根据本发明实施例的TFI-FD-LE在收端的解调算法的示意图；

图5是示出根据本发明实施例的无线通信系统中的信号发送装置的框图；以及

图6是示出根据本发明实施例的无线通信系统中的信号接收装置的框图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其它元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其它细节。

下面参照附图详细描述根据本发明实施例的无线通信系统中的信号发送方法。

图1是示出根据本发明实施例的无线通信系统中的信号发送方法的流程图。

首先，在步骤S110中，接收将要发送的原始数据块。

这里，假定原始数据块的长度为M，其中M为整数。

下一步，在步骤S120中，对原始数据块进行一次或多次扰乱，得到一个或多个乱序数据块。

根据本发明，在一次或多次扰乱中的每一次扰乱中，原始数据块中的M个数据符号被重新排列。得到的一个或多个乱序数据块的长度均为M。

下一步，在步骤S130中，使用循环前缀连接原始数据块和一个或多个乱序数据块，以形成时频域交织的频域分集均衡信号。

最后，在步骤S140中，通过单载波发送频域分集均衡信号。

根据本发明，TFI-FD-LE在发端对SC-FDE的数据块进行数据重排发送，每重复发送一个数据重排的数据块，在频域上，相当于增加一个分集支路，即多天线系统的一个天线支路或OFDM频分系统的一个子载波。如随机乱序的等效子信道之间的衰落为独立，则在最大比(MRC)合并下的分集增益为最大。

根据本发明的优选实施例，通过单载波在准静态信道上发送频域分集均衡信号。

根据本发明的优选实施例，基于无线通信系统中的最低传输速率的要求和发送频域分集均衡信号的信道的状态，来确定对原始数据块进行扰乱的次数。

为了更加具体地描述根据本发明实施例的无线通信系统中的信号发送方法，下面参照图2进行说明。

图2是示出根据本发明实施例的TFI-FD-LE发端对数据顺序乱序的数据块重复发送的示意图。

时频域交织的TFI-FD-LE采用如频域均衡器(FDE)一样的块传输方式，以应付频率选择性信道，这样可转换线性卷积到循环卷积的方式。循环前缀(CP)的长度为N，CP的长度超过信道时延传播的长度，它对每一个数据块的后部进行复制并连接到每个数据块的前面。然后，通过CP的移除，跨数据块的多径干扰在接收端被消除。考虑在频域内交织的可能性，在发送端设计以下的时频域交织的传输块结构。在时域，TFI-FD-LE的每个数据块被传输两次。第一个数据块内的数据顺序和原始数据一样。第二个数据块内的数据顺序是对原始数据进行扰乱，如图2所示。设第k次传数块的第m次符号为s^k(m)。在时间k＝0，2，4，...，每对长为M的块s^k(m)和s^k+1(m)，通过同一个原始数据块产生，其排列方式定义如下：

上面的代表随机乱序的序号；这里的s^k(m)就是数据顺序不变的原始数据块；s^k+1(m)是s^k(m)中的数据序号乱序的排列。而且要保证数据符号的序号不会重复。通过该交织的操作，可以在做相应的FDE均衡的时候弥补频率选择性信道的频域零点，这样也避免了噪声能量在这些零点的大量增加。

以上的方法可以类推到更多的数据块序列重新排列，以提高频域分集增益。如果同一个数据块被传送为三次，第一次和第二次传送的数据块和前面的定义相同，定义第三次重传的重新排序数据块为s^k+2(m)，其数据排列的顺序如下式表示：

这里的代表s^k(m)重新的乱序序号。以上的方法可以类推到s^k+3(m)、s^k+4(m)等。同时，以上的数据块重新排列也可以用以下的置换矩阵来表示：

s^k+1＝As^k

这里的A是一个M×M的等效s^k的置换矩阵。同时，置换矩阵A在接收端已经预知，便于信号均衡解调。每把数据块重新排列并发送一次，会导致频谱利用率的下降，这使得总的传输系统的数据速率下降，但是也会提高发送信号的功率，并且增加频域子频带的分集增益。根据系统的最低传输速率的要求和信道的好坏情形，可以调整数据块重发的次数，以达到信号传输性能和频谱利用率的最佳折衷。

下面参照附图详细描述根据本发明实施例的无线通信系统中的信号接收方法。

图3是示出根据本发明实施例的无线通信系统中的信号接收方法的流程图。

首先，在步骤S310中，获得时频域交织的频域分集均衡信号，所述频域分集均衡信号包括使用循环前缀连接的原始数据块和一个或多个乱序数据块。

在步骤S310中获得的时频域交织的频域分集均衡信号可以是通过如上所述的根据本发明实施例的无线通信系统中的信号发送方法而发送的频域分集均衡信号。

下一步，在步骤S320中，去除循环前缀，以获得原始数据块和一个或多个乱序数据块。

最后，在步骤S330中，对原始数据块和一个或多个乱序数据块进行时域信号合并，以获得频域分集合并信号。

根据本发明，TFI-FD-LE在收端采用线性合并，合并得到频域分集增益，该线性合并在时域上进行，但等效于频域的合并，这样就可以避免因为传统的在频域合并频域分集导致的频分系统和多天线系统的较高复杂度。因此，本系统无需多天线，也无需OFDM频分系统，或其他复杂的频分分集，如跳频方式的分集。

根据本发明的优选实施例，获得时频域交织的频域分集均衡信号可以通过以下实现：通过射频前端接收包含频域分集均衡信号的信息的无线信号；以及通过模数转换器和数字滤波器对无线信号进行处理，以获得频域分集均衡信号。

根据本发明的优选实施例，时域信号合并是最大比合并。

根据本发明的优选实施例，该信号接收方法进一步包括以下步骤：通过最小均方误差算法对频域分集合并信号进行线性均衡；对线性均衡后的频域分集合并信号进行符号判决或信道解码，以获得与原始数据块相对应的结果数据块；以及输出结果数据块作为原始数据块的接收结果。

参考图4可以更好地理解根据本发明实施例的无线通信系统中的信号接收方法。

图4是示出根据本发明实施例的TFI-FD-LE在收端的解调算法的示意图。

在接收端，采用如图4的接收算法，此时虽然是时域的信号合并，但是等效为频域的分集合并。采用最大比(MRC)的分集合并，可获得MRC合并的最佳分集阶数。这样，在接收端避免了多天线系统的多射频、多ADC转换等等附件，可以降低传输系统的复杂度和功耗，降低系统成本。

为了便于理解本发明，下面给出当重复发送的数据块的数量为2时的收端解调算法的实例。这相当于分集支路为2时的情形。当重复发送的重新排序的数据块超过2的时候，处理的流程和下述的一致，故支路为2的实例可作为通用算法予以参考。

在ADC采样并在时域中移去CP后，在只有一根发送和接受天线的TFI-FD-LE收发器上，收端的数据块k和块k+1可以视作一个向量且可表达为以下：

这里，H₁是一个M×M循环的信道矩阵；而H₂＝H₁A是一个H₁列重新排列过的信道矩阵。H₀是一个2M×M复合的信道矩阵包括H₁和H₂。而且，假设在每两个连续的数据块，信道脉冲响应(CIR)是静态不变的。基于矩阵操作和以上的设想，得到下式：

这里的(·)^H代表一个复性转置共轭操作；也是一个循环矩阵，可以做特征值分解。记其特征值分解的结果为|Λ₁|²，即信道的频域响应(这里Λ₁是一个M×M对角矩阵)。根据A的置换矩阵特性，这个是一个矩阵特征值的置换矩阵，它具有特征值|Λ₂|²为特征值|Λ₁|²的乱序排列的性质，这意味着原来的深衰落的频域子信道被不相关的频域其它子信道所弥补，最终的的特征值的分解结果为|Λ₀(i，i)|²＝|Λ₁(i，i)|²+|Λ₂(i，i)|²，即|Λ₀|²是一个对角矩阵，是一组复合信道冲击响应的频域变换分量。这里的分集合并过程等效为一个频域最大比(MRC)的分集合并。因此该分集支路为2的TFI-FD-LE获得了2阶的频率分集。

因此总结如上的本TFI-FD-LE收端信号处理为：最小均方误差(MMSE)均衡估计输出的可以在时域上被表达为如下的矩阵形式：

这里的I_M是一个M×M的单位对角矩阵；SNR是接收机收到信号的信噪比。如图4所示，之后可对MMSE均衡估计输出的进行符号判决或信道解码及软判决。

下面参照附图详细描述根据本发明实施例的无线通信系统中的信号发送装置。

图5是示出根据本发明实施例的无线通信系统中的信号发送装置500的框图。

如图5所示，根据本发明实施例的信号发送装置500包括原始数据块接收单元510、扰乱单元520、连接单元530和发送单元540。

原始数据块接收单元510用于接收将要发送的原始数据块，所述原始数据块的长度为M，其中M为整数。

扰乱单元520用于对原始数据块接收单元510所接收的原始数据块进行一次或多次扰乱，使得在所述一次或多次扰乱中的每一次扰乱中，原始数据块中的M个数据符号被重新排列，从而得到一个或多个长度为M的乱序数据块。

连接单元530用于使用循环前缀连接原始数据块接收单元510所接收的原始数据块和扰乱单元520所扰乱的一个或多个乱序数据块，以形成时频域交织的频域分集均衡信号。

发送单元540用于通过单载波发送连接单元530所形成的频域分集均衡信号。

根据本发明的实施例，发送单元540通过单载波在准静态信道上发送连接单元530所形成的频域分集均衡信号。

根据本发明的实施例，基于无线通信系统中的最低传输速率的要求和发送频域分集均衡信号的信道的状态，扰乱单元520确定对原始数据块进行扰乱的次数。

该信号发送装置500中的上述各个单元的各种具体实施方式前面已经作过详细描述，在此不再重复说明。

下面参照附图详细描述根据本发明实施例的无线通信系统中的信号接收装置。

图6是示出根据本发明实施例的无线通信系统中的信号接收装置600的框图。

如图6所示，根据本发明实施例的信号接收装置600包括频域分集均衡信号获得单元610、信号前缀去除单元620和合并单元630。

频域分集均衡信号获得单元610用于获得时频域交织的频域分集均衡信号，所述频域分集均衡信号包括使用循环前缀连接的原始数据块和一个或多个乱序数据块。

信号前缀去除单元620用于去除循环前缀，以获得原始数据块和一个或多个乱序数据块。

合并单元630用于对通过信号前缀去除单元620获得的原始数据块和一个或多个乱序数据块进行时域信号合并，以获得频域分集合并信号。

根据本发明的实施例，频域分集均衡信号获得单元610可以包括：射频前端(未示出)，用于接收包含频域分集均衡信号的信息的无线信号；以及模数转换器和数字滤波器(未示出)，用于对通过射频前端接收的无线信号进行处理，以获得频域分集均衡信号。

根据本发明的实施例，合并单元630进行的时域信号合并是最大比合并。

根据本发明的实施例，信号接收装置600可以进一步包括：均衡单元(未示出)，用于通过最小均方误差算法对通过合并单元630获得的频域分集合并信号进行线性均衡；符号判决/信道解码单元(未示出)，用于对通过均衡单元线性均衡后的频域分集合并信号进行符号判决或信道解码，以获得与原始数据块相对应的结果数据块；以及输出单元(未示出)，用于输出通过符号判决/信道解码单元获得的结果数据块作为原始数据块的接收结果。

该信号接收装置600中的上述各个单元的各种具体实施方式前面已经作过详细描述，在此不再重复说明。

在本发明的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。并且，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。

以上虽然结合附图详细描述了本发明的实施例，但是应当明白，上面所描述的实施方式只是用于说明本发明，而并不构成对本发明的限制。对于本领域的技术人员来说，可以对上述实施方式作出各种修改和变更而没有背离本发明的实质和范围。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求及其等效含义来限定。