专利名称：信道自适应的补零分块传输方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线信息传输领域，如无线局域网、移动通信、地面数字电视广播传输等的通信系统及其方法，更具体地讲，本发明涉及一种信道自适应的补零分块传输方法以及信道自适应补零分块的正交频分复用传输系统，能够根据信道条件调整补零数目，以提高其带宽效率。
背景技术：
随着无线网络、多媒体技术和因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信系统。该系统从物理层、媒体接入控制层到网络层，将广泛采用一些新技术，如正交频分复用(OFDM)等。
在通信系统中，串行和并行传输是两种基本的传输方式。串行系统中，一般采用自适应均衡器消除符号间干扰(ISI)，但随着传输速率的提高，均衡器的抽头数增多，系统复杂度增加。而在并行传输方式中，每支路传输速率相对较低，具有抗ISI和信道衰落的能力。OFDM是利用离散傅氏变换实现的多载波调制并行传输技术，它将高速数据调制到多个正交子信道中并行传输。同时，符号之间插入保护间隔(GI)消除符号块间串扰。这种对输入符号进行分块、并在符号块间加入保护时隙的传输方式又称为分块传输。
分块传输的OFDM系统在频域把信道分成许多正交子信道，整个宽带频率选择性信道被分成相对平坦的子信道，同时，在每个OFDM符号间插入保护间隔，大大降低了符号间干扰。由于OFDM具有抗多径能力强、频谱效率高等优点，在xDSL、DVB、DAB和WLAN等系统中得到成功的应用，人们普遍认为它是新一代无线传输链路的关键技术。
在OFDM系统中，一个重要特点是引入了保护间隔以降低多径信道时延扩展引起的ISI影响。传统的OFDM系统中，采用循环前缀(CP)作为GI，如图1(a)。近来提出了在OFDM符号后补零(ZP)，即在两个符号块之间的一定时间间隔内不发送信号，如图1(b)，又称该类符号为ZP OFDM符号。研究表明，CP OFDM利用CP冗余消除ISI，当承载信息符号的某个子载波处于深度衰落时，会造成信息损失，即不能保证符号的恢复；ZP OFDM能保证符号恢复，且对频率偏差不敏感。但一般系统是插入固定的补零数，当移动终端从高时延扩展信道进入低时延扩展信道时，过多的补零引入了较大时延，浪费了系统资源。针对单/多载波形式的符号块补零传输系统，本发明提出一种信道自适应的传输方案，能根据信道条件调整补零数目，以提高其带宽效率。
参考文献列表[1]张贤达，矩阵分析与应用，清华大学出版社，2004。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适应信道环境变化的单/多载波补零分块传输方法及系统。
单/多载波分块传输是并行传输的两种方式，为降低多径信道时延扩展影响，在各符号块间插入保护间隔以抗符号块间干扰。在符号块间补零是一类有效的保护间隔插入方式，它总能保证信道可逆并恢复发射符号。
为恢复信号，不同分块传输方式的接收端均采用了均衡方式。而系统误比特率性能取决于均衡器输出信噪比，该信噪比越高，系统传输性能越好。同时，输出信噪比与均衡器输入信噪比和补零信道传输矩阵的条件数密切相关。信道的条件数越低，输出信噪比越高。考虑到这些因素，本发明的思想是通过删除补零信道矩阵的最后几行，降低信道矩阵的条件数，增加输出信噪比，同时减小了补零带来的冗余数，达到同时提高误比特率性能和带宽效率的目的。具体地讲，本发明提出的传输方法的步骤如下第一步，发送端每隔一定周期发射补零分块传输的导频符号，接收端估计出补零后的信道传输矩阵系数；第二步，对信道矩阵进行特征值分解以得到其特征值；第三步，比较信道矩阵最后若干行的特征值大小，找到特征值较小的行并记下行数；第四步，从总的补零数中减去记下的行数，得到当前信道条件下的补零数，并反馈到发射端ZP控制装置；第五步，ZP控制装置根据获得补零信息对发射符号块补零后再发送到信道。
这样，通过把信道状态信息作为系统设计参数，使系统具有信道自适应能力，同时具有高带宽效率的优点。
根据本发明的另一个方面，提供一种信道自适应补零分块的正交频分复用传输系统，所述正交频分复用系统包括发送端和接收端，其特征在于所述发送端包括数据分块装置，用于把输入信息流串并变换为数据块；逆离散傅氏变换单元，用于把预编码数据块调制成正交频分复用符号；加入补零装置，用于在每个正交频分复用符号后填零；射频链，用于对正交频分复用基带符号进行调制；天线，用于将调制后的正交频分复用基带符号发射到信道；以及补零控制装置，用于利用来自接收端的信道信息调整补零的长度；以及所述接收端包括天线，用于接收来自发送端的信号；射频链，把天线接收到的信号下变频为基带信号；数据分块装置，用于把串行信息流转换为数据块；离散傅氏变换装置，用于对正交频分复用符号块进行解调；均衡装置，用于对解调正交频分复用符号进行均衡，并恢复信号；信道估计装置，用于利用接收到的导频信号估计出信道衰落系数，并反馈到发射端的补零控制装置。
根据本发明的另一个方面，提供一种信道自适应补零分块的单载波传输系统，所述单载波传输系统包括发送端和接收端，其特征在于所述发送端包括数据分块装置，用于把输入信息流串并变换为数据块；加入补零装置，用于在每个正交频分复用符号后填零；射频链，用于对基带正交频分复用符号进行调制；天线，用于将调制后的基带符号发射到信道；补零控制装置，用于利用来自接收端的信道信息调整补零的长度；以及所述接收端包括天线，用于接收来自发送端的信号；射频链，用于把天线接收到的信号下变频为基带信号；数据分块装置，用于把串行信息流转换为数据块；离散傅氏变换装置，用于把符号块变换到频域；均衡装置，用于对信号进行频域均衡；信道估计装置，计算得到信道衰落系数，并反馈到发射端的补零控制装置。
下面将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中图1示出了OFDM符号的示例；图2示出了ZP OFDM系统的示意图；图3示出了单载波补零分块传输系统的示意图；图4示出了根据本发明的ZP控制方法的流程图；图5示出了补零操作的示例的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。所描述的各种数值并非用于限定本发明，这些数值可以根据本领域普通技术人员的需要进行任何适当的修改。
先分析ZP OFDM原理。定义数据分块后第i个发射符号块为u(i)＝[u(iN)，u(iN+1)，…，u(iN+N-1)]T，经过L阶FIR多径信道h＝[h(0)，h(1)，…，h(L)]T(信道抽头值{h(l)}l＝0L为零均值的复高斯随机变量)传播后，接收符号块为y(i)＝[y(iN)，y(iN+1)，…，y(iN+N-1)]T。它们满足下面的公式(1)给出的关系y(i)＝H0u(i)+H1u(i-1)+n(i) (1)
其中H0是第一列为[h(0)，…，h(L)，0，…0]T的下三角Toeplitz(托普利兹)阵；H1是第一行为
T的上三角Toeplitz阵，AWGN(加性白高斯噪声)向量为n(i)；式中第二项表示发射信号多径传播后产生的ISI。为了消除ISI，从接收符号块y(i)出发考虑，引入了N×K保护矩阵T，则y(i)＝H0Tu(i)+H1Tu(i-1)+n(i)。当采用ZP分块传输时，T=TZP=IKT0L×KTT,]]>即在两个符号块之间的保护时间内不发送信号，因H1TZP＝0K×J，得到无ISI的接收符号由公式(2)表示y(i)＝Hu(i)+n(i) (2)公式(2)中H为符号块补零后的信道矩阵，高矩阵(行数大于列数)H＝H0TZP总为满秩，总能保证信道可逆并恢复发射符号，这也是补零分块传输的优点。相应地，符号块间补零也降低了带宽利用率。因此，本发明的目的是提高补零分块传输系统的带宽效率同时保持该系统较好的性能。不同补零分块传输方式的发射端虽然不同，而接收端均采用了频域均衡方式恢复发射信号，下面从接收端出发分析。
如模型公式(2)，定义均衡器输入信噪比SNRin=||Hu||2||n||2,]]>输出信噪比 Hy为均衡器的输出，“”表示伪逆，H的条件数k2(H)=σmaxσmin.]]>其中σmax、σmin分别为H的最大和最小特征植。根据矩阵摄动理论分析得到下面的公式(3)(参见参考文献[1])SNRout≥SNRin4k22(H)---(3)]]>由公式(3)发现，输出信噪比SNRout与输入信噪比和H的条件数密切相关，k2(H)越低，SNRout越高。而输出信噪比决定系统误比特率(BER)性能，SNRout越高，BER性能越好，故k2(H)越小，系统BER越佳。而k2(H)由信道矩阵H的特征值决定，设其特征值为σ1≥…≥σN′…≥σN≥0，一般有σ1＞＞σN，σN对矩阵摄动最为敏感。若把H的最后几行删除，则σN增大为σN′，k2(H)变小，故提高了系统BER性能。
基于上述分析结果，下面结合单/多载波补零系统作实施说明。
图2示出了ZP OFDM系统。在发送端，数据分块单元201把输入信息流串并变换为数据块，IDFT单元202把预编码数据块调制成OFDM符号，加入ZP单元203在每个OFDM符号后填零，RF链204把OFDM基带符号调制后经天线205发射到信道，ZP控制单元206利用信道信息调整补零的长度。在接收端，RF链208把从天线207接收到的信号下变频为基带信号，数据分块单元209把串行信息流转换为数据块，DFT单元210对OFDM符号块进行解调，均衡单元211对解调OFDM符号进行均衡以恢复信号，信道估计单元212利用接收到的导频信号估计出信道衰落系数并反馈到发射端的ZP控制单元206。与一般的ZP OFDM装置不同，本装置中采用了ZP控制单元206来调整ZP长度。
图3示出了单载波补零分块传输系统。与ZP OFDM相比，单载波补零分块(ZP SC)传输也属于补零分块传输体制。二者相同之处是均是把符号分成数据块并在数据块后附加零符号。不同之处有两方面在发射端，ZP OFDM是多载波调制，ZP SC是单载波调制；在接收端，ZP SC必须采用频域均衡恢复信号，而ZP OFDM没有严格限制。
如图3所示，在发送端，数据分块单元301把输入信息流串并变换为数据块，加入ZP单元302在每个OFDM符号后填零，RF链303把OFDM基带符号调制后经天线304发射到信道，ZP控制单元305利用信道信息调整补零的长度。接收端，RF链307把从天线306接收到的信号下变频为基带信号，数据分块单元308把串行信息流转换为数据块，DFT单元309把符号块变换到频域，均衡单元310对信号进行频域均衡，信道估计单元311计算得到信道衰落系数并反馈到ZP控制单元305。
图4示出了根据本发明的ZP控制方法的流程图。在图2和3所示的上述两类系统中，主要由ZP控制单元完成补零操作，且可采用相同的补零算法。
具体地讲，在步骤S401，发送端每隔一定周期发射补零分块传输的导频符号，接收端估计补零符号块对应的信道传输矩阵系数。在步骤S402，对信道传输矩阵进行特征值分解以得到其特征值。在步骤S403，比较矩阵中特征值的大小，若某一行及以后连续若干行的特征值均小于该行之前的行的特征值，则可记下这些行的行数，得到特征值小于预定阈值的行的总行数。上面描述的只是确定较小特征值的行的一种方法，也可以使用其他方法，例如该行的特征值与最大特征值之间的比值小于预定阈值，则确定该行的特征值较小。当然，本领域普通技术人员还能够采用其他适当的方法来确定较小特征值所在的行。在步骤S404，从原补零数中减去上述总行数，得到当前信道条件下的补零数，并反馈到发射端的ZP控制单元。在步骤S405，ZP控制单元根据获得补零信息对发射符号块重新补零后再发送到信道。
为了更清楚地描述本发明的信道自适应的补零分块传输方法，图5示出了补零操作的示例。图中左端为数据，右端为对应的信道矩阵。
设OFDM载波数为N，初始补零数为P，则信道传输矩阵H为(N+P)×N的Toeplitz矩阵，其第一列为[h(0)，…，h(L)，0，…0]T，即信道阶数为L。在当前时刻，对H特征分解得到其特征值A＝diag(σ1，…，σN+P)，比较其特征值，找到较小特征值的行，如σN+P′…σN+P，并删除这些行，得到更新的补零符号块d′及对应信道矩阵的特征值A′。
这样，通过删除信道矩阵特征值较小的行及相应的补零行，使信道矩阵的特征数减小，输出信噪比提高，从而获得更佳的BER性能。同时，减少了对发射数据补零的数目，提高了传输效率。
尽管已经针对典型实施例示出和描述了本发明，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明不应该被理解为被局限于上述特定实例，而应当由所附权利要求所限定。
权利要求
1.一种信道自适应的补零分块传输方法，包括以下步骤发送端周期性地发射补零分块传输的导频符号；接收端估计补零符号块对应的信道传输矩阵系数；对信道传输矩阵进行特征值分解以得到其特征值；在信道传输矩阵中与补零数据符号相对应的行的特征值中，根据特定的判定准则，确定特征值较小的行，并得到特征值较小的行的总行数；从原补零数中减去上述总行数，得到当前信道条件下的补零数，并反馈到发射端的补零控制装置；发射端的补零控制装置根据获得的补零信息，对发射符号块进行重新补零，并将其发送到信道。
2.根据权利要求1所述的信道自适应的补零分块传输方法，其特征在于所述的特定判定准则为该行的特征值小于预定阈值。
3.根据权利要求1所述的信道自适应的补零分块传输方法，其特征在于所述的特定判定准则为该行的特征值与最大特征值之间的比值小于预定阈值。
4.根据权利要求1所述的信道自适应的补零分块传输方法，其特征在于所述的特定判定准则为该行及以后连续若干行的特征值均比其他行的特征值小。
5.根据权利要求1到4中的任何一项所述的信道自适应的补零分块传输方法，其特征在于将所述方法应用于补零正交频分复用系统。
6.根据权利要求1到4中的任何一项所述的信道自适应的补零分块传输方法，其特征在于将所述方法应用于单载波补零分块传输系统。
7.一种信道自适应补零分块的正交频分复用传输系统，所述正交频分复用系统包括发送端和接收端，其特征在于所述发送端包括数据分块装置，用于把输入信息流串并变换为数据块；逆离散傅氏变换单元，用于把预编码数据块调制成正交频分复用符号；加入补零装置，用于在每个正交频分复用符号后填零；射频链，用于对正交频分复用基带符号进行调制；天线，用于将调制后的正交频分复用基带符号发射到信道；以及补零控制装置，用于利用来自接收端的信道信息调整补零的长度；以及所述接收端包括天线，用于接收来自发送端的信号；射频链，把天线接收到的信号下变频为基带信号；数据分块装置，用于把串行信息流转换为数据块；离散傅氏变换装置，用于对正交频分复用符号块进行解调；均衡装置，用于对解调正交频分复用符号进行均衡，并恢复信号；信道估计装置，用于利用接收到的导频信号估计出信道衰落系数，并反馈到发射端的补零控制装置。
8.一种信道自适应补零分块的单载波传输系统，所述单载波传输系统包括发送端和接收端，其特征在于所述发送端包括数据分块装置，用于把输入信息流串并变换为数据块；加入补零装置，用于在每个正交频分复用符号后填零；射频链，用于对基带正交频分复用符号进行调制；天线，用于将调制后的基带符号发射到信道；补零控制装置，用于利用来自接收端的信道信息调整补零的长度；以及所述接收端包括天线，用于接收来自发送端的信号；射频链，用于把天线接收到的信号下变频为基带信号；数据分块装置，用于把串行信息流转换为数据块；离散傅氏变换装置，用于把符号块变换到频域；均衡装置，用于对信号进行频域均衡；信道估计装置，计算得到信道衰落系数，并反馈到发射端的补零控制装置。
全文摘要
本发明提出了一种信道自适应的补零分块传输方法，包括发送端周期性地发射补零分块传输的导频符号；接收端估计补零符号块对应的信道传输矩阵系数；对信道传输矩阵进行特征值分解得到其特征值；在信道传输矩阵中与补零数据符号相对应的行的特征值中，确定特征值较小的行，并得到特征值较小的行的总行数；从原补零数中减去上述总行数，并反馈到发射端的补零控制装置；以及发射端的补零控制装置根据获得补零信息，对发射符号块进行重新补零，并将其发送到信道。通过删除补零信道矩阵和对应发射数据向量的一些补零行，降低信道矩阵的条件数，增加输出信噪比，使系统的误比特率性能更好，减小数据补零带来的冗余，同时提高了误比特率性能和带宽效率。
文档编号H04L1/00GK1909535SQ20051008829
公开日2007年2月7日 申请日期2005年8月2日 优先权日2005年8月2日
发明者黎海涛, 李继峰 申请人:松下电器产业株式会社