专利名称：随机循环时延分集正交频分复用传输方法
技术领域：
本发明涉及无线信息传输领域，特别是采用正交频分复用(OFDM)技术的无线局域网、固定无线接入、移动通信、地面数字电视广播等信息传输系统和相应的通信标准。更具体地，本发明涉及一种随机循环时延分集OFDM传输方法。
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。新型无线系统将广泛采用一些新技术，如正交频分复用(OFDM)、多天线(MIMO)等。
OFDM是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符号间插入循环前缀(CP)作为保护间隔(GI)，大大减小了符号间干扰(ISI)。由于OFDM具有抗多径能力强等优点，它在xDSL、DVB、DAB和WLAN、IEEE802.16等系统中得到成功应用。目前，第三代移动通信标准化组织(3GPP)的长期演进计划(LTE)中，也把它作为下(上)行的关键传输技术。
OFDM的一个优点是它具有频率分集能力。这是因为在频率选择性衰落信道中，OFDM各个载波的信道增益不同，故它具有频率分集能力。信道的时延扩展越长，则OFDM每个载波端的信道增益差异越大，其上承载的数据符号独立性越强，越有利于正确译码。但当信道时延扩展较短或平坦衰落时，整个OFDM符号的各个载波衰落相同，故载波端的数据符号之间相关性较强，这会带来长的突发错误，即使采用编码技术也难以纠错。
为提高OFDM系统的抗突发错误能力，文献[1]提出一种循环时延分集(Cycle Delay DiversityCDD)OFDM系统，它把每幅天线支路信号进行固定时延循环移位后发射，如图1所示。接收端为多个不同时延信号的叠加，类似发射信号经过了多径传播。通过CDD，人为地增加了信道的频率选择性，降低了信道相关带宽和OFDM载波间相关性，使慢衰落信道中的OFDM获得频率分集能力。
实际上，CDD是一类发射分集技术，以前提出的空时编码(STC)OFDM也能提高系统误比特率性能，但它需要在IFFT之前对每个天线支路的发射符号进行空时编码。若它用于已有的OFDM通信技术标准，如IEEE802.11a等，需要对原标准中的系统作改动，即存在与现有技术标准不兼容的缺点。而将CDD应用于现有OFDM技术标准时，无需对原标准作较大变动，即可兼容现有OFDM技术标准。注意到已提出的CDD OFDM系统中，对每个OFDM符号时间间隔内，各天线支路采用了固定样本长度的循环移位方式，当在该时间间隔内信道变化较慢时，固定CDD方式不能完全利用信道提高的频率分集增益，为进一步提高系统性能，本发明提出一种随机循环时延分集OFDM通信方法，它能在时变信道环境中提高系统的误比特率性能。
参考文献列表[1]A.Dammann和S.Kaiser发表在IEEE Globecom，2001年11月，3100-3105页上的文章Standard conformable antenna diversitytechniques for OFDM systems andits application to the DVB-T system。
发明内容
本发明的目的在于提高慢衰落信道环境下CDD OFDM系统的频率分集能力。
为了实现上述目的，根据本发明，提出了一种随机循环时延分集正交频分复用传输方法，包括以下步骤对信息比特流进行编码调制，以生成数据符号，并对生成的数据符号进行IFFT调制，形成针对各个天线支路的发射信号；随机产生针对各个天线支路的时延样本数；根据时延样本数，对各个天线支路的发射信号进行循环移位；对每个支路移位后信号插入循环前缀形成正交频分复用符号；以及把正交频分复用符号送入对应的天线端并发射到信道。
优选地，所述方法还包括在所述循环移位步骤之前，对各个天线支路的发射信号进行逆离散傅立叶变换。
优选地，将即将进行循环移位的数据符号分为若干组，每组可包括一个或多个数据符号，并将每个数据符号组作为循环移位的基本单位。
优选地，每个数据符号组包括相同数量的数据符号。
优选地，每个数据符号组包括不同数量的数据符号。
根据本发明，还提出了一种复用-随机循环时延分集正交频分复用混合传输方法，将多幅天线分为复用天线和随机循环时延分集天线两组，在传送不同服务质量的业务时，将具有高服务质量要求的业务映射到随机循环时延分集天线支路上，并按照如权利要求1到5之一所述的方法进行传送；以及将具有低服务质量要求的业务映射到复用天线支路上，并按照现有的复用传输方法进行传送。
当一个OFDM符号经历低时延扩展的慢衰落信道时，它的各载波所经历的信道衰落差异不大，载波间具有较强相关性，符号容易出现连续错误，如图2中的(a)所示，译码器难以进行比特纠错。采用CDD增加了信道的频率选择性，降低了信道相关带宽及OFDM载波间相关性，使OFDM获得频率分集能力。这样，符号错误变得随机化，更有利于译码器纠正出错比特，如图2中的(b)所示。
一般的CDD OFDM系统中，每个天线支路采用固定的循环时延，如从第一幅天线发射序列向量为x1＝s(k)，从第二幅天线发射序列向量为x2＝s(k-T)，从第三幅天线发射序列向量为x3＝s(k-2T)，以此类推，如图3中的(a)所示。当两个连续OFDM符号间信道为慢变时，从整体上看，这两个CDD OFDM符号仍具有一定相关性。
为减小不同OFDM符号载波间相关性，本发明提出每天线支路采用随机循环时延分集(Random CCDRCDD)，即从第一幅天线发射的序列的向量为x1＝s(k)，从第二幅天线发射的序列的向量为x2＝s(k-T2)，从第三幅天线发射的序列的向量为x3＝s(k-T3)，等等，这里T2，T3，…为随机时延样本数，如图3中的(b)所示。从接收端看，类似于人为地使慢衰落信道产生快变，使OFDM符号各个载波的信道增益差异较大，减小了载波间的相关性，降低出现连续符号错误的概率，如图2中的(c)所示。
在本发明中，术语“随机”应当理解为通过各种方法得到的随机或伪随机情形。
设IFFT调制后的信号可以表示为下面的公式(1)s(l)=1NΣk=0N-1S(k)exp(j2πNkl)---(1)]]>式中S(k)为频域发射信号，N为载波数，s(l)为IFFT调制后的时域信号。则循环移位后的CDD信号可以表示为下面的公式(2) 可见，CDD信号等效于相位分集(PD)信号。固定CDD OFDM系统中，时延δcrc为一恒定值。而在RCDD OFDM系统中，时延δcrc∈
的随机整数值，RCDD OFDM信号可以表示为下面的公式(3) 与式(2)相比，不同之处在于CDD中的δcrc变成RCDD中的δcrc(t)，即各天线支路信号的时延随OFDM符号不同而变化。
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CDD OFDM示例；图2是用于解释RCDD OFDM的原理的示意图；图3是用于比较不同循环移位方法的示意图；图4是示出了根据本发明的RCDD OFDM传输方法的流程图；图5是示出了可应用本发明的RCDD OFDM传输方法的通信系统的方框图；图6是用于解释循环移位的示例的说明图；图7是用于解释本发明的第二实施例的示意图；图8是用于解释本发明的第三实施例的示意图；图9是示出了多径信道功率分布的图表；图10是示出了CDD OFDM发射符号的示意图；图11是示出了根据本发明的RCDD OFDM发射符号的示意图；图12是用于比较本发明与现有技术的载波增益的示意图；以及图13是示出了在16QAM调制和QPSK调制的情况下、本发明与现有技术的BER性能的仿真结果的曲线图。
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。
图4是示出了根据本发明的RCDD OFDM传输方法的流程图。
首先，在步骤401，对信息比特流进行编码调制，以生成数据符号，并对生成的数据符号进行IFFT调制。然后，在步骤402，在
区间内，随机产生针对各个天线支路的时延样本数。在步骤403，根据时延样本数，对各支路发射信号进行循环移位。之后，在步骤404，对每个支路移位后信号插入CP形成OFDM符号。最后，在步骤405，把OFDM符号送入对应的天线端并发射到信道。
通过不同发射天线发射随机时延OFDM符号，进一步人为地使慢衰落信道产生快变，使OFDM符号各个载波的信道增益差异较大，减小了载波间的相关性，降低了出现连续符号错误的概率，从而提高了系统的误比特率性能。
图5是示出了可应用本发明的RCDD OFDM传输方法的通信系统的方框图。
可应用本明的RCDD OFDM传输方法的通信系统包括NT幅发射天线和NR幅接收天线。在发送端，输入比特流经编码调制模块501调制为符号流(步骤401)。插入导频模块502把导频符号插入到数据符号流，IDFT模块503对导频和数据符号进行逆离散傅氏变换。发送端循环移位模块506～506”根据不同的时延，进行循环移位(步骤403)，并将所得到的发射信号送入到每幅天线端。插入CP模块504～504”对每幅天线端的OFDM符号插入保护间隔后(步骤404)，通过天线505～505”发射到信道(步骤405)。
经循环移位形成的待发射OFDM符号示例如图6所示，发射端基带产生并存储经IFFT调制的信号，然后利用给定的各天线支路端移位样本数，把IFFT输出符号移位，并插入CP后送入各天线支路端。具体地，参照图6，循环移位是根据时延，将IFFT输出符号中、与所述时延相对应的在先符号组(A’)移位到符号序列的前端(A)。CP是循环移位后的符号序列中、与之长度相等的在先符号组(CP’)的副本。
在接收端，移出CP模块508～508”把每个天线支路507～507”接收的OFDM符号的CP删除，合并模块509把所有天线接收信号合并后，利用DFT模块510把接收OFDM符号进行傅氏变换解调后，均衡模块511对接收信号进行均衡消除符号间干扰，经解调译码512后输出比特流。
第一实施例返回图3，参考图3中的(b)，把IFFT调制的数据符号作为一个整体，利用产生的随机时延，对该数据符号进行循环移位。天线1发射符号为1，2，3，4，5，6，7，8，9，10；相对天线1，天线2的发射符号循环移位4个样本，即为7，8，9，10，1，2，3，4，5，6；相对天线1，天线3的发射符号循环移位1个样本，为10，1，2，3，4，5，6，7，8，9。由此可见，天线2，3相对天线1的循环移位样本数是随机的。
第二实施例从发射端看，第一实施例的方法实际上是把各天线支路发射数据进行交织，且每个天线各符号的交织长度不同(即，循环移位的长度不同)。把它推广到更一般的情况下，例如，将IFFT调制的数据符号分成若干组，每组可包括一个或多个数据符号，将每组符号作为循环移位的基本单位。
图7是用于解释本发明的第二实施例的示意图。如图7所示，把每2个OFDM载波数据分为一组，然后，进行随机循环移位(交织)，并进行发射。若天线1的发射符号为(1，2)，(3，4)，(5，6)，(7，8)，(9，10)；天线2的发射符号为循环移位2组符号后所得到的符号(7，8)，(9，10)，(1，2)，(3，4)，(5，6)；天线3的发射符号为循环移位0组符号后所得到的符号(1，2)，(3，4)，(5，6)，(7，8)，(9，10)。
在本实施例中，给出了每组包括相同数量的数据符号的示例，但应当清楚，每组可以包括不同数量的数据符号。例如，可以将天线1的发射符号分组为(1，2，3)，(4)，(5，6，7，8)，(9，10)。在这种情况下，如果参照上述情形，天线2的发射符号为循环移位2组符号后所得到的符号(5，6，7，8)，(9，10)，(1，2，3)，(4)；天线3的发射符号为循环移位0组符号后所得到的符号(1，2，3)，(4)，(5，6，7，8)，(9，10)。
第三实施例充分利用CDD OFDM易于实现的特点，在不改变MIMO系统结构的前提下，提出了一种混合循环时延分集和复用的MIMO OFDM系统，如图8中的(b)所示。该系统包括复用和CDD两部分，复用天线支路1和CDD天线支路2，3，4分别传送不同数据流，提高系统速率。而CDD的各天线支路2，3，4(可以分别对应于图7中的天线支路1，2，3)传送相同的数据符号，但各支路数据在时间上是随机交织的，以提高系统误比特率性能。
这样，在传送不同服务质量QoS的业务时，可以把具有高QoS要求的多媒体业务映射到CDD天线支路传送，而把低QoS要求的业务映射到复用天线支路传送。同时，实现该系统无需对原多天线系统的结构进行较大的变动，如图8中的(a)所示。
仿真实验通过仿真实验，验证本发明的性能，设系统参数为·4根发射天线，1根接收天线·每个OFDM符号总载波数N＝64·1/2速率卷积编码·多径信道功率呈指数分布，如图9所示，将每径功率对第一径进行归一化，由此得到每径的功率依次为[exp(0)exp(-1)exp(-2)exp(-3)exp(-4)exp(-5)exp(-6)exp(-7)]。
图10是示出了CDD OFDM发射符号的示意图，表示CDD OFDM系统中，每幅天线发送的信号实部(QPSK调制)。在图10中，(a)为从第一幅天线发送信号，(b)为从第二幅天线发送的移位信号，(c)为从第三幅天线发送的移位信号，(d)为从第四幅天线发送的移位信号。
图11是示出了根据本发明的RCDD OFDM发射符号的示意图，表示RCDD OFDM系统中，每幅天线发送的信号实部。在图11中，(a)为从第一幅天线发送信号，(b)为从第二幅天线发送的移位信号，(c)为从第三幅天线发送的移位信号，(d)为从第四幅天线发送的移位信号。比较图10与图11，可以发现，CDD OFDM的各支路信号以规则时延发射，RCDD OFDM各支路信号以随机时延发射。
图12是用于比较本发明与现有技术的载波增益的示意图，其中(a)表示在某时隙内一般OFDM系统各载波信道增益，在由虚线椭圆框表示的区域中，载波的增益变化不大，载波间存在较强的相关性；以及(b)表示RCDD OFDM系统各载波信道增益，在由虚线椭圆框表示的相同区域中，RCDD OFDM的各载波增益变化较大，载波间独立性增强，从而可获得频率分集能力。
图13是示出了在16QAM调制和QPSK调制的情况下、本发明与现有技术的BER性能的仿真结果的曲线图，其中(a)表示16QAM调制，信道时延为200ns条件下的系统误比特率(BER)性能；以及(b)表示QPSK调制，信道时延为100ns条件下的BER性能。可以看到，在不同调制方式下，本发明的RCDD OFDM传输方法的BER性能均优于一般的CDD OFDM传输方法。
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
1.一种随机循环时延分集正交频分复用传输方法，包括以下步骤对信息比特流进行编码调制，以生成数据符号，并对生成的数据符号进行IFFT调制，形成针对各个天线支路的发射信号；随机产生针对各个天线支路的时延样本数；根据时延样本数，对各个天线支路的发射信号进行循环移位；对每个支路移位后信号插入循环前缀形成正交频分复用符号；以及把正交频分复用符号送入对应的天线端并发射到信道。
2.根据权利要求1所述的随机循环时延分集正交频分复用传输方法，其特征在于还包括在所述循环移位步骤之前，对各个天线支路的发射信号进行逆离散傅立叶变换。
3.根据权利要求1或2所述的随机循环时延分集正交频分复用传输方法，其特征在于将即将进行循环移位的数据符号分为若干组，每组可包括一个或多个数据符号，并将每个数据符号组作为循环移位的基本单位。
4.根据权利要求3所述的随机循环时延分集正交频分复用传输方法，其特征在于每个数据符号组包括相同数量的数据符号。
5.根据权利要求3所述的随机循环时延分集正交频分复用传输方法，其特征在于每个数据符号组包括不同数量的数据符号。
6.一种复用-随机循环时延分集正交频分复用混合传输方法，将多幅天线分为复用天线和随机循环时延分集天线两组，在传送不同服务质量的业务时，将具有高服务质量要求的业务映射到随机循环时延分集天线支路上，并按照如权利要求1到5之一所述的方法进行传送；以及将具有低服务质量要求的业务映射到复用天线支路上，并按照现有的复用传输方法进行传送。
全文摘要
本发明提供了一种提高循环时延分集OFDM系统各载波频率分集的传输方法。通过不同天线支路发射互为随机时延的OFDM符号，人为地获得慢衰落信道的时间和频率选择性，使OFDM各个载波信道增益产生快变，从而降低出现连续符号错误的概率，达到提高系统误比特率性能的目的。所述方法包括以下步骤对信息比特流进行编码调制，以生成数据符号，并对生成的数据符号进行IFFT调制，形成针对各个天线支路的发射信号；随机产生针对各个天线支路的时延样本数；根据时延样本数，对各个天线支路的发射信号进行循环移位；对每个支路移位后信号插入循环前缀形成正交频分复用符号；以及把正交频分复用符号送入对应的天线端并发射到信道。
文档编号H04B7/02GK1980209SQ20051012950
公开日2007年6月13日 申请日期2005年12月5日 优先权日2005年12月5日
发明者黎海涛, 李继峰 申请人:松下电器产业株式会社