专利名称：一种基于循环前缀的信号传输方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于信息技术领域，涉及采用频域均衡技术的基于循环前缀的信号传输方法及装置。
背景技术：
在宽带移动通信系统中，由于码元周期的减小，传输的信号严重受到信道多径的影响。为克服多径造成的符号间干扰(ISI)的影响，传统的技术是采用时域信道均衡，如宽带码分多址(WCDMA)系统。对于宽带传输系统，当信道冲击响应较长时，时域均衡器将变得非常复杂。多载波码分多址(MC-CDMA)系统(Shinsuke Hara，Ramjee Prasad.“Overview ofMulticarrier CDMA，”IEEE Communications Magazine，pp126-133，Dec，1997.pp126-133．)将宽带频率选择性衰落信道分割成许多窄带平坦衰落子信道，同时在频域实现扩频，因而提高了系统抗符号间干扰的性能。然而，峰均比和载波频偏将会影响多载波码分多址系统的性能。许多文献(例如Shinsuke Hara，Ramjee Prasad.“Overview of MulticarrierCDMA，”IEEE Communications Magazine，pp126-133，Dec，1997.pp126-133；NevioBenvenuto，Stefano Tomasin，“On the Comparison Between OFDM and Single CarrierModulation With a DFE Using a Frequency-Domain Feedforward Filter，”IEEE Trans onCommun.，Vol.50，No.6，pp.947-955，June.2002)的研究表明，与多载波系统相比，单载波调制系统在许多方面具有优势。另有文献(例如David Falconer，S.Lek Ariyavisitakul，Anader Benyamin-Seeyar，Brian Edison.“White paperFrequency Domain Equalizationfor Single-Carrier Broadband Wireless Systems，”http//www.sce.carleton.ca/bbw/papers/whitepaper2.pdf；Frederick W.Vook，Timothy A.Thomas，and Kevin L.Baum.”Cyclic-prefix CDMA with Antenna Diversity，”VTC Spring 2002.IEEE 55th，Vol.2，pp1002-1006Kevin L.Baum；Timothy A.Thomas，T.A.；FrederickW.Vook；Nangia.V.“Cyclic-prefix CDMAan improved transmission method forbroadband DS-CDMA cellular systems，”WCNC2002.2002，Vol.1pp183-188.)提出了采用循环前缀(CP)的单载波直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)宽带传输系统CP-CDMA。通过在传统的WCDMA信号上附加循环前缀，CP-CDMA系统可直接应用于当前的第三代移动通信系统WCDMA，并且发射端所需的调整几乎可以忽略。
基于循环前缀的单载波传输系统在接收端需要进行大点数的频域均衡。这将造成接收机实现复杂度和电源功耗增加。对于固定和便携式接收，信道时变较慢。此时，若将接收端估计的信道冲击响应返回给发射端，对发射信号进行预均衡，则可以省略接收端的均衡电路，节省接收机的电源功耗。
传统的采用频域均衡技术的基于循环前缀的单载波传输系统能够提高克服对频率选择性衰落带来的符号间干扰(ISI)的鲁棒性。假定性道是具有慢衰落或游牧式衰落的准静态特性，发射机已知信道状态信息(CSI)，通过少量的增加发送信令开销，信道在发送端被预均衡，使得接收端消耗的功率能够大幅度的减少。然而，预均衡方案对信道估计误差，尤其是定时误差非常敏感。传统的预均衡方案需要依靠准确的定时同步，这在瑞利衰落信道下往往难以实现。当预均衡存在定时误差时，接收端时域解复用的定时位置将存在误差，从而导致系统性能恶化。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的采用预均衡技术的基于循环前缀的信号传输系统，提供一种新的基于循环前缀的信号传输方法和装置，克服符号定时误差对预均衡的影响。
在发射端，首先经过调制的符号流基于发射端变换，被分割成相应大小的数据块。发射端变换可以是正交变换(如傅立叶变换和沃尔什哈达码变换等)或非正交变换。然后，将若干个变换后的数据块在时域复用为一个大数据块，并在该数据块的两端添加接收端已知的两段保护间隔。该保护间隔的主要作用是去除定时误差对预均衡造成的影响。接着，通过快速傅立叶变换，将包含有效数据部分和保护间隔部分的传输符号变换到频域，并利用由反馈信道获得的信道状态信息均衡后，再通过快速傅立叶逆变换，变换回时域。最后，均衡后的传输符号添加循环前缀后，经过成形滤波，上变频，然后发射出去。在接收端，接收的信号首先经过下变频形成基带信号。经过匹配滤波，频率同步后，根据符号定时去除循环前缀。然后通过搜索保护间隔，将接收符号按发射端复用的数目，分割为若干个数据块。最后，分别将这些数据块进行与发射端对应的逆变换，获得传输数据。
为达到上述目的，本发明的解决方案是一种基于循环前缀的的信号传输方法，采用频域均衡技术，信道在发送端被预均衡，在构成传输符号的有效数据两端插入用于定时误差保护和定时误差精确估计的保护间隔G1和G2，构成预均衡前的传输符号的数据部分。
进一步，该保护间隔G1和G2设计为自相关特性较好的序列；例如，伪随机序列。
前一个时刻接收信号没有定时误差，当前时刻接收信号也准确定时，通过互相关操作，搜索数据部分中的保护带G1和G2序列，获得传输符号有效数据部分的位置，然后提取变换数据块。
前一个时刻接收信号没有定时误差，而当前时刻接收信号存在定时误差，通过互相关操作，同时搜索数据部分中的G1和G2序列，根据两个相关峰值中的大者对应的序列位置，判定接收符号有效数据部分的位置，提取变换数据块。
前一个时刻接收信号有定时误差，而当前时刻接收信号没有定时误差，通过互相关操作，同时搜索数据部分中的G1和G2序列，根据两个相关峰值中的大者对应的序列位置，提取变换数据块。
前一个时刻接收信号有定时误差，当前时刻接收信号也存在定时误差，通过互相关操作，同时搜索数据部分中的G1和G2序列，根据两个相关峰值中的大者对应的序列位置，即可提取变换数据块。
一种基于循环前缀的单载波传输装置，其具有能实现前述任一方法的结构。
包括发射端和接收端，在发射端的的数据块复用模块设置有两个保护间隔的预均衡数据帧结构；在接收端的数据块解复用模块设置有可以通过搜索接收符号中的保护间隔序列的位置从接收符号中提取有效数据部分的结构。
由于采用了上述方案，在存在定时误差的条件下，与未添加保护间隔的系统相比，在大多数信噪比范围内，系统的吞吐量有明显提高。本发明提出的帧结构可以克服定时误差对预均衡造成的相位旋转影响，实施容易，同时系统性能有明显提高。
图1是本发明一种实施例基于循环前缀单载波预均衡传输系统的发射端结构示意图；图2是本发明一种实施例预均衡前的传输符号数据部分结构示意图；图3是本发明一种实施例预均衡模块结构示意图；图4是本发明一种实施例预均衡后的传输符号的结构示意图；图5是本发明一种实施例基于循环前缀单载波预均衡传输系统的接收机结构；图6是本发明一种实施例在预均衡无定时误差，接收端有超前定时误差时获得的接收符号数据部分结构示意图；图7是本发明一种实施例在预均衡存在超前定时误差，接收机没有定时误差时获得的接收符号数据部分结构示意图；图8是本发明一种实施例在预均衡有超前定时误差，接收端也有超前定时误差时获得的接收符号数据部分结构示意图；图9-12是采用有和没有保护间隔(GI)帧结构的基于预均衡系统在不同定时误差时的BER性能对比示意图；其中图9是fDTD＝0时的误比特曲线示意图；图10是fDTD＝0.002时的误比特曲线示意图；图11是fDTD＝0.01时的误比特曲线示意图；图12是fDTD＝0.02时的误比特曲线示意图；图13-15是系统吞吐量性能的进一步分析图。其中图13是fDTD＝0时的系统吞吐量示意图；图14是fDTD＝0.01时的系统吞吐量示意图；图15是fDTD＝0.02时的系统吞吐量示意图。
具体实施例方式
本发明的装置包括无线发射机和无线接收机两个部分。现结合图1对无线发射机加以描述其中，1-1为欲发送的数据源模块，产生由{0}和{1}组成的随机序列，以{ak，k＝0，1，…，K}表示模块的输出序列。
1-2为信道编码模块，所采用的信道编码技术可以确定为某种方案，如RS码和卷积码组成的级联码，Turbo码或者LDPC码，也可以为多种技术组成的自适应编码方案。经过信道编码模块，输入数据序列{ak，k＝0，1，…，K}变换成输出数据序列{bk，k＝0，1，…，N}。K/N是自适应编码调制方案(AMC)所能采用的编码速率。
1-3为符号调制模块。负责依据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星座图上去，所选择的调制方式由系统设计决定。经过调制模块，输入的数据序列{bk，k＝0，1，…，N}变换成输出符号序列{dk，k＝0，1，…，M}。N/M对应着相应的调制方式，1为BPSK，2为QPSK，4为16QAM。
1-4为串/并转换模块，负责将调制之后的符号序列按照其后的变换块的大小分块，并进行串并转换操作。经过串/并转换模块，输入符号序列{dk，k＝0，1，…，M}变换成D个并行的数据块{ek，k＝0，1，…，L}，这里D＝M/L，L是预先设定的子块数。
1-5为发射端变换模块，负责对输入的每个并行数据块进行正交或非正交变换T，生成相应的时域信号波形。经过变换模块，D个并行输入的数据块序列{ek，k＝0，1，…，L}变换成相应的时域数据块序列{fk，k＝0，1，…，L}，相互之间的关系服从fk＝T(ek)。
1-6为变换后的数据块复用模块，负责将特定数目的经过变换后的数据块按照产生的先后次序复用成长度更长的数据块，构成传输符号的有效数据部分。然后在有效数据两端插入用于定时误差保护和定时误差精确估计的保护间隔G1和G2(可为伪随机序列)，构成预均衡前的传输符号的数据部分。其内部结构见图2。经过数据块复用模块，输入的数据块序列{fk，k＝0，1，2，…}复用成传输符号的数据部分的序列{gk，k＝0，1，2，…}，这里，gk表示一个元素数量与一个传输符号数据部分大小一样的列向量；1-7为预均衡模块，负责根据接收端估计的信道预校正发射信号的频谱，从而使得经过多径信道后的接收信号的频谱保持平坦。其内部结构见图3；{hk}为通过返回信道获得的由接收端估计的信道响应。当信道变化较慢时，可以认为当前时刻的信道响应与前一个时刻的信道响应相同。因此，将复用后的数据块{gk}经过与一个传输符号中数据部分大小相同点数的FFT变换后，利用估计的信道频率响应，进行迫零(ZF)或者最小均方误差(MMSE)均衡。最后经过IFFT变换后，即可获得预均衡后的时域序列{ik，k＝0，1，2，…}，这里，ik表示一个元素数量与一个传输符号数据部分大小一样的列向量；1-8为循环前缀(CP)添加模块，负责拷贝经1-7预均衡后的数据部分的尾部特定数量(在时域上的长度至少大于信道最大时延扩展长度)的数据到数据部分的头部，以便共同组成传输符号。经过循环前缀添加模块，输入序列{ik，k＝0，1，2，…}变换成完整的传输符号序列{jk，k＝0，1，2，…}，这里，jk表示一个元素数量和传输符号大小一样的列向量，其结构见图41-9为信道信号成形模块，负责按照频谱模板对待发送的信号波形进行滤波。经过信号成形模块，输入的传输符号序列{jk，k＝0，1，2，…}变换成输出波形序列{lk，k＝0，1，2，…}；1-10为RF射频和发射天线模块，负责将基带信号变换成RF射频信号，经由天线系统发射到无线信道中去。
无线接收机的结构结合图5描述其中，5-1为接收天线和RF射频模块，负责将无线信道中的信号接收下来，变频到基带进行进一步的处理。经过接收天线和RF射频模块，无线接收机可以获得输出基带信号{mk，k＝0，1，…，M+2C+P}；5-2为匹配滤波模块，负责对接收到的基带信号进行匹配滤波。经过匹配滤波模块，输入数据序列{mk，k＝0，1，…，M+2C+P}变换成输出数据序列{nk，k＝0，1，…，M+2C+P}；5-3为时、频同步模块，负责利用时域前导序列，完成接收信号的定时、载波和采样种频率同步功能。经过同步模块，输入数据序列{nk，k＝0，1，…，M+2C+P}变换成输出数据序列{ok，k＝0，1，…，M+2C+P}；5-4为信道估计模块，负责在时域对信道响应进行估计。经过信道估计模块，可以获得信道响应的估计值{hk，k＝0，1，2，…L-1}，这里，L为时域响应的最大时延。同时，估计的信道响应通过返回信道，传输给发射端用于预均衡；5-5为去除循环前缀(CP)模块，负责删除吸收符号间干扰成分的CP。经过去除循环前缀模块，输入数据序列{ok，k＝0，1，…，M+2C+P}变换成输出数据块序列{pk，k＝0，1，…，M+2C}，这里，pk表示一个元素数量与一个传输符号数据部分大小一样的列向量；5-6为数据块解复用模块，负责从去除循环前缀的接收符号中提取有效数据部分，并且将其解复用成与无线发射机端正交/非正交变换(图1中1-5模块)大小相同的数据块序列。从接收符号中提取有效数据部分可以通过搜索接收符号中的保护间隔序列的位置来完成。假定信道理想估计，由于接收端定时误差的影响，使得当前接收信号会出现以下几种情况第一种情况前一个时刻接收信号没有定时误差，亦即用于预均衡的信道冲击响应没有定时偏差，当前时刻接收信号也准确定时。此时，接收的符号去除循环前缀后，获得的数据部分与预均衡之前的发送数据(图2中的数据部分)相同。此时，可以通过搜索数据部分中的保护带G1和G2序列，获得传输符号有效数据部分的位置，然后提取变换数据块。
第二种情况前一个时刻接收信号没有定时误差，而当前时刻接收信号存在定时误差。此时，只要接收定时误差(滞后或超前)保持在G1或G2之内，就可以通过同时搜索数据部分中的G1和G2序列，根据两个相关峰值中的大者对应的序列位置，判定接收符号有效数据部分的位置，从而提取变换数据块。图6所示为存在超前定时误差时接收的符号去除循环前缀后，获得的数据部分如。
第三种情况前一个时刻接收信号有定时误差，而当前时刻接收信号没有定时误差。此时，由于预均衡定时误差的影响，接收符号去除循环前缀后，接收符号中的数据部分的采样值序列产生循环位移。循环位移量取决于预均衡定时误差，而循环位移方向取决于定时是超前还是滞后。图7所示为存在预均衡超前定时误差时获得的数据部分，图中G1＝[G1′G1″]。
由图7可见，只要预均衡定时误差保持在G1和G2之内，同时搜索数据部分中的G1和G2序列，根据两个相关峰值中的大者对应的序列位置，即可正确提取变换数据块。
第四种情况前一个时刻接收信号有定时误差，当前时刻接收信号也存在定时误差。如果定时误差在CP之内，此时接收符号去除循环前缀后，获得的接收符号除了预均衡定时误差的造成的循环位移外，还有接收定时误差的影响。不过，只要预均衡定时误差与接收定时误差之和保持在G1和G2之内，通过同时搜索数据部分中的G1和G2序列，根据两个相关峰值中的大者对应的序列位置，即可正确提取变换数据块。图8所示为预均衡有超前定时误差，接收端也有超前定时误差时获得的接收符号数据部分。
经过数据块解复用模块，输入数据块序列{pk，k＝0，1，…，M+2C}变换成输出数据块序列{qk，k＝0，1，…，L}，这里，qk表示一个元素数量和发射机端正交/非正交变换大小一样的列向量；5-7为与发射机端正交/非正交变换大小一样的逆变换模块，执行与发射机端变换对应的反操作。经过逆变换模块，输入数据块序列{qk，k＝0，1，…，L}变换成输出数据块序列{sk，k＝0，1，…，L}，sk表示一个元素数量和变换大小一样的列向量；5-8为并/串变换模块，负责将输入的并行数据块序列变换成串行的输出数据序列。经过并/串变换模块，输入的数据块序列{sk，k＝0，1，…，L}变换成输出数据序列{tk，k＝0，1，…，M}；5-9为符号解调模块，负责依据发射机端的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，符号解调模块将提供相应的基于数比特量化的软信息数字序列。经过符号解调模块，输入的数据序列{tk，k＝0，1，…，M}变换成输出的数字信息{uk，k＝0，1，…，N}；5-10为信道译码模块，负责执行相应的信道译码算法。经过信道译码模块，输入数字序列{uk，k＝0，1，…，N}变换成输出数字序列{vk，k＝0，1，…，K}；5-11为判决接收的数据序列，以{vk，k＝0，1，…，K}表示。
设定仿真环境参数信道带宽10M，信道模型SUI-4，信道编码卷积码(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)。
接收机定时误差10采样值，理想频率同步和信道估计。
设定系统仿真参数发送端变换64点IFFT，频域均衡点数1024，循环前缀长度64，数据块长度960，保护间隔长度(G1+G2)64，调制方式QPSK，频域预均衡方法最小均方误差(MMSE)均衡器。
仿真结果图9-12比较了采用有和没有保护间隔(GI)帧结构的基于预均衡系统在不同定时误差时的BER性能。图中fD表示最大多普勒频移，TD是实际信道和估计信道的时间延时，定时误差(TimingOffse)定义为接收符号中有效数据部分的起始位置与理想位置之间的偏差。由图可见，提出的方案能够明显的改进系统性能。采用添加了保护间隔帧结构的系统性能与理想定时估计下性能非常接近。
同传统方案相比，通过在帧的两端都添加保护间隔，本发明对定时误差具有更强的鲁棒性。然而，添加的两个保护间隔带来的冗余将会降低频谱效率。
图17-19进一步的分析了系统吞吐量性能。由图可见，当定时误差为3或5个符号，分别对应信噪比小于9或12dB时，本案能提供更高的系统吞吐量。
本发明可适用于准静态或慢衰落信道，尤其适合于不需要反馈信道状态信息的时分双工(TDD)模式。
虽然以上主要是单载波传输系统介绍本发明的方法，但熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些说明做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于循环前缀的的信号传输方法，采用频域均衡技术，信道在发送端被预均衡，其特征在于在构成传输符号的有效数据两端插入用于定时误差保护和定时误差精确估计的保护间隔G1和G2，构成预均衡前的传输符号的数据部分。
2.根据权利要求1所述的基于循环前缀的的信号传输方法，其特征在于该保护间隔G1和G2为自相关性较好的序列。
3.根据权利要求1或2所述的基于循环前缀的的信号传输方法，其特征在于前一个时刻接收信号没有定时误差，当前时刻接收信号也准确定时，通过搜索数据部分中的保护带G1和G2序列，获得传输符号有效数据部分的位置，然后提取变换数据块。
4.根据权利要求1或2所述的基于循环前缀的的信号传输方法，其特征在于前一个时刻接收信号没有定时误差，而当前时刻接收信号存在定时误差，通过同时搜索数据部分中的G1和G2序列，根据两个相关峰值中的大者对应的序列位置，判定接收符号有效数据部分的位置，提取变换数据块。
5.根据权利要求1或2所述的基于循环前缀的的信号传输方法，其特征在于前一个时刻接收信号有定时误差，而当前时刻接收信号没有定时误差，同时搜索数据部分中的G1和G2序列，根据两个相关峰值中的大者对应的序列位置，提取变换数据块。
6.根据权利要求1或2所述的基于循环前缀的的信号传输方法，其特征在于前一个时刻接收信号有定时误差，当前时刻接收信号也存在定时误差，通过同时搜索数据部分中的G1和G2序列，根据两个相关峰值中的大者对应的序列位置，即可提取变换数据块。
7.一种基于循环前缀的单载波传输装置，其特征在于其具有能实现权利要求1-6中任一所述方法的结构。
8.根据权利要求7所述的基于循环前缀的单载波传输装置，包括发射端和接收端，其特征在于在发射端的的数据块复用模块设置有两个保护间隔的预均衡数据帧结构；在接收端的数据块解复用模块设置有可以通过搜索接收符号中的自相关性较好的序列的位置从接收符号中提取有效数据部分的结构。
全文摘要
一种基于循环前缀的信号传输方法和装置，采用频域均衡技术，信道在发送端被预均衡，在发射端，首先经过调制的符号流基于发射端变换，被分割成相应大小的数据块；然后，将若干个变换后的数据块在时域复用为一个大数据块，并在该数据块的两端添加接收端已知的两段保护间隔。该保护间隔的主要作用是去除定时误差对预均衡造成的影响。在接收端，通过搜索保护间隔，将接收符号按发射端复用的数目，分割为若干个数据块。最后，分别将这些数据块进行与发射端对应的逆变换，获得传输数据。在存在定时误差的条件下，与未添加保护间隔的系统相比，在大多数信噪比范围内，系统的吞吐量有明显提高。
文档编号H04L25/03GK1848828SQ200510025138
公开日2006年10月18日 申请日期2005年4月15日 优先权日2005年4月15日
发明者李明齐, 唐琳, 张小东, 卜智勇, 王海峰 申请人:上海无线通信研究中心