一种基于多普勒抑制的大规模天线信号空间分集发射方法与流程

本发明属于高速移动通信领域，涉及一种基于多普勒抑制的大规模天线信号空间分集发射方法。

背景技术：

由于无线传输环境具有开放性，信号在空间中传播时会产生反射、衍射、散射、干涉等现象，致使移动无线通信伴随着“多径效应”。一方面，发送信号经由空间的不同路径于不同时刻到达接收端，当时延扩展和信号的采样间隔可比拟时，经历不同时延的信号在接收端叠加在一起会造成显著的符号间干扰(isi)；从频域上看，即形成了频率选择性衰落。另一方面，发送端和接收端之间的相对运动会引起多普勒频移，由于到达接收端的角度不同，不同路径上的信号经受的多普勒频偏(dfo)也不尽相同；具有不同多普勒频偏的信号在接收端叠加在一起造成信号包络发生变化，从而形成时间选择性衰落。正是这种双选择性衰落为高速移动无线通信带来了巨大的困难。

正交频分复用(ofdm)技术将宽带信道划分为多个并行的互有重叠的窄带子信道，既有效提升了频谱效率，又通过添加循环前缀有效对抗了符号间干扰，将频率选择性衰落转变成了每个子载波上的乘性平坦衰落，成为5g无线通信的核心技术。但也正是由于子信道间互有重叠，ofdm的性能严重依赖于不同子载波之间的正交性，而这一正交性对频率偏移非常敏感。频率偏移会破坏子载波之间的正交性，从而引起严重的子载波间干扰(ici)，损害ofdm系统的性能。因此，在具有双选择性衰落特性的高速移动通信环境下采用ofdm系统时，首要面临的问题即是如何对抗多个多普勒频偏。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述现有技术的问题，提供一种基于多普勒抑制的大规模天线信号空间分集发射方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于多普勒抑制的大规模天线信号空间分集发射方法，包括以下步骤：

步骤一：在发送端将待发射的数据分块，然后对每个数据子载波在连续的多个数据块进行信号空间分集预编码；

步骤二：信号在发送端进行逐数据块的多普勒频偏补偿，然后逐数据块进行波束形成，最后进行天线加权技术处理后发射出去；

步骤三：收发信道假设为jake模型，发送信号经过信道到达基站接收端，在大规模发送天线的理想情况下，将每个数据块经过的信道等效为时不变信道，然后利用最大似然译码，得到接收信号。

本发明进一步的改进在于，步骤一的具体过程如下：

对于高速移动上行通信场景，高速列车配备m元大规模均匀线阵ula，基站端采用单天线接收；假设采用n个子载波的ofdm方式，高速列车移动带来的最大多普勒频率记为：fd＝v/λ，其中v和λ分别表示移动速度和射频波长；

假设发射端在每个块的导频子载波发射导频符号全为1；对于数据子载波i∈id，id为数据子载波的子载波索引集合；每个数据子载波在连续的k＝1,2,...,k个块进行信号空间分集预编码：

x(i)＝[x1(i)x2(i)…xk(i)]^t

其中，x(i)＝θd(i)；k为发射子载波分散的块数；θ为由的前k行k列构成的子矩阵，为归一化dft矩阵，d(i)为第i个子载波的原始信息数据符号。

本发明进一步的改进在于，步骤二的具体过程如下：

①发送信号在时延t下由频偏x带来的相位翻转φt(x)为

其中fs为采样频率；

②将选取的波束形成指向角度记为θq，q＝1,2,…,q，信号经过波束形成后的频偏为-fdcos(θq)，并且在没有时延的条件下的相位翻转为φ0(-fdcos(θq))，因此信号经过波束形成后第q波束的发射信号n×m矩阵记为：

其中为波束引入的随机相位偏转，a(θq)为对应角度θq的阵列导向矢量，sk为第k块的发射频域块对应的时域符号，xk为第k块的发射频域块，xk＝[xk(1)xk(2)…xk(n)]^t；

③经过上述步骤②后，发送信号经过天线加权技术，得到的总的多天线发射信号矩阵记sk为：

其中，w为天线加权的权重矢量。

本发明进一步的改进在于，步骤三的具体过程如下：

发送信号经过的收发信道假设为jake模型；假设收发端之间信道包含1+lp个抽头；定义抽头l＝0,1,…,lp，其中第l个抽头由在内0～π的无穷多个多径成分构成；将第l抽头对应角度θ的入射径的增益记为κl(θ)；

①假设接收端配备单天线，其基站处对应k数据块的接收信号矢量表示为：

其中sk(l)表示在cp扩展情况下发射端信号矩阵sk下移l位的版本，表示如下：

其中表示sk循环下移l位的版本；

将上述的在cp扩展情况下发射端信号矩阵sk下移l位的版本sk(l)代入到接收信号矢量yk中，得到：

②针对大规模天线阵列，考虑m趋于足够大时，将对应角度的导向矢量假设为正交，得到接收信号矢量下：

在理想情况下，收发端在k数据块中等价于经过了一个时不变信道，不同块之间又存在信道快跳变；

第k块等效的时域信道用矩阵的形式表示为：

hk＝[hk,0hk,1…hk,lp]^t

对应频域信道响应为：

接收信号的频域表示：

yk＝fyk＝diag(hk)xk

对于数据子载波i∈id，接收信号的频域表示：

y(i)＝[y1(i)y2(i)…yk(i)]^t

即：

y(i)＝h(i)θd(i)

其中h(i)＝diag(h1(i)h2(i)…hk(i))；

③将接收端接收到的信号进行最大似然译码，得到接收信号。

本发明进一步的改进在于，步骤②中，针对大规模天线阵列，考虑m趋于足够大的理想情况下，收发端在k数据块中等价于经过一个时不变信号，不同块之间又存在信道快跳变。

本发明进一步的改进在于，步骤③中，最大似然译码如下：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明主要利用波束域多普勒预补偿和天线加权来抑制多普勒扩展，可以很大程度的最小化多普勒扩展。当天线足够多时，每个数据块内的信道可以认为是时不变的。从而，接收端可基于传统时不变信道的信道估计与均衡方法实现接收，无需时变信道估计跟踪等高复杂度操作。

2)本发明通过给波束引入逐块随机相位，由此引入信道在数据块间的快跳变，使得接收端的信道变成的标准的块时变信道。基于此，本发明进一步基于信号空间分集技术来获取信道分集增益。基于此，本发明可以在抑制多普勒扩展同时有效利用信道分集增益，提升了无线通信链路的可靠性。

附图说明

图1为本发明采用的系统模型框图；

图2为本发明采用的最佳天线加权技术说明框图；

图3为本发明同对比方案的ser性能示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明的方法包括以下步骤：

步骤一：在发送端将待发射的数据分块，然后对每个数据子载波在连续的多个数据块进行信号空间分集预编码，具体过程如下：

考虑高速移动上行通信场景。高速列车配备m元大规模均匀线阵ula，基站端采用单天线接收。假设采用n个子载波的ofdm方式。高铁移动带来的最大多普勒频率记为：fd＝v/λ。其中v和λ分别表示移动速度和射频波长。

假设发射端在每个块的导频子载波发射导频符号全为1。定义以下符号：

id：数据子载波的子载波索引集合；

k：发射子载波分散的块数；

d(i)：为第i个子载波的原始信息数据符号；

归一化dft矩阵，

θ：由的前k行k列构成的子矩阵。

xk：第k块的发射频域块,xk＝[xk(1)xk(2)…xk(n)]^t；

sk：第k块的发射频域块对应的时域符号,

对于i∈id，每个数据子载波在连续的k＝1,2,...,k个块进行信号空间分集预编码：

x(i)＝[x1(i)x2(i)…xk(i)]^t

其中，x(i)＝θd(i)。

步骤二：信号在发送端进行逐数据块的多普勒频偏补偿；然后逐数据块进行波束形成；最后进行天线加权技术处理后发射出去；具体过程如下：

①发送信号在时延t下由频偏x带来的相位翻转φt(x)为

其中fs为采样频率。

②将选取的波束形成指向角度记为θq，q＝1,2,…,q，信号经过波束形成后的频偏为-fdcos(θq)，并且在没有时延的条件下的相位翻转为φ0(-fdcos(θq))。因此信号经过波束形成后第q波束的发射信号n×m矩阵记为：

其中为波束引入的随机相位偏转。注意每个块会独立引入随机的随机相位。a(θq)为对应角度θq的阵列导向矢量。h表示共轭转置。

③经过上述步骤②后，发送信号经过天线加权技术，得到的总的多天线发射信号矩阵记为：

其中，w为天线加权的权重矢量。

步骤三：收发信道假设为jake模型，发送信号经过信道到达基站接收端；在大规模发送天线的理想情况下，将每个数据块经过的信道等效为时不变信道，然后利用最大似然译码，得到接收信号。具体过程如下：

发送信号经过的收发信道假设为jake模型。假设收发端之间信道包含1+lp个抽头。定义抽头l＝0,1,…,lp。其中第l个抽头由在内0～π的无穷多个多径成分构成。将第l抽头对应角度θ的入射径的增益记为κl(θ)。

①假设接收端配备单天线。其基站处对应k数据块的接收信号矢量可以表示为：

其中sk(l)表示在cp扩展情况下发射端信号矩阵sk下移l位的版本，表示如下：

其中表示sk循环下移l位的版本。

因此，将上述的在cp扩展情况下发射端信号矩阵sk下移l位的版本sk(l)代入到接收信号矢量yk中，得到：

②本发明所提出的模型是大规模天线阵列，对于m条天线因此考虑m趋于足够大时，将对应角度的导向矢量假设为正交。可以得到接收时域信号如下：

可以看到，在该理想情况下，收发端在k数据块中等价于经过了一个时不变信号。而不同块之间又存在信道快跳变。

第k块等效的时域信道可以用矩阵的形式表示为：

对应频域信道响应为：

接收信号的频域表示:

yk＝fyk＝diag(hk)xk

对于数据子载波i∈id，接收信号的频域表示：

y(i)＝[y1(i)y2(i)…yk(i)]^t

即：

y(i)＝h(i)θd(i)

其中h(i)＝diag(h1(i)h2(i)…hk(i))

③将接收端接收到的信号进行最大似然译码，最大似然译码如下：

下面通过一个实施例对本发明进行详细描述。

本发明适用的系统模型参见图1。在本发明的高速移动上行通信场景中，高速列车配备m元大规模均匀线阵ula，基站端采用单天线接收。无线信道模型假设为jake信道。

图2为本发明采用的最佳天线加权技术说明框图。参见图2，步骤二的具体过程如下：

①空间分块的发送信号经过多普勒频移补偿后，发送信号在时延t下由频偏x带来的相位翻转为

其中fs为采样频率。

②经过多普勒频移补偿的信号会经过波束形成。将选取的波束形成指向角度记为θq，q＝1,2,…,q，信号经过波束形成后第q波束的发射信号n×m矩阵记为：

其中为波束引入的随机相位偏转。注意每个块会独立引入随机的随机相位。a(θq)为对应角度θq的阵列导向矢量。

③经过上述步骤②后，发送信号经过天线加权技术，得到的总的多天线发射信号矩阵记为：

图3为本发明提出的一种基于多普勒抑制的大规模天线信号空间分集发射方法同传统对比方法(即无多普勒抑制方法、普通的多普勒抑制方法)的ser性能示意图。参数设置为：高速移动列车上采用m＝64的ula天线，子载波个数n＝1024。射频载波5.5ghz。高铁移动速度540km/h，ofdm符号速率15.36mhz。信道假设为jake模型。假设在每个数据块中等间隔地共仿真64个导频子载波进行信道估计。导频符号全为1。数据符号为16qam。从仿真结果可以看出：随着snr的增加，三种方法的ser性能都呈改善趋势。但是本发明提出的ser性能远远优于传统算法。随着snr提升，本发明的ser曲线下降斜率明显大于另外两种对比方法，表明本发明方法有效挖掘了信道分集增益。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方法基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。