专利名称：一种多输入多输出正交频分复用系统传输方法及收发信机的制作方法
技术领域：
本发明涉及移动通信领域的收发信机技术，尤其涉及一种MIMO (Multiple Input Multiple Output,多输入多输出)OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用)系统传输方法及收发信才几。
背景技术：
MIMO系统既可以提供分集增益又可以提供复用增益，多数现存的 MIMO技术最初设计的目的是获得最大的分集增益或复用增益。例如，空时 编码STC ( Space-Time Codes )——包括空时编码(Space-Time Block Code, 简称STBC)、空频编码(Space-Frequency Block Code,筒称SFBC)和空 时格形码(Space-Time Trellis Code, STTC )——的设计是为了获得最大的 分集增益；而分层空时码(Bell Laboratories Layered Space Time, BLAST) 和垂直分层空时码(Vertical Bell Laboratories Layered Space Time, V-BLAST ) 的设计是为了获得最大的复用增益。
一个现有技术OFDM系统示意图如图1所示，其中发射端包括串/并变 换单元、IFFT (Inverse Fast Fourier Transform Algorithm,反快速傅氏变换算 法)单元、加循环前缀(Cyclic Prefix,简称CP )单元和并/串变换单元；接 收端包括串/并变换单元、去CP单元、FFT单元和并/串变换单元。这里以 一个有N个子载波的OFDM系统为例。将信息序列S分成长度为TV的数据 块，第w个数据块S("):-[S("AO,S("iV + l)，…,S("iV + iV-l)f ,其中T为周期；然 后进行OFDM调制，iVxl维的矢量S(")左乘IFFT矩阵F",这就构成了一 个OFDM数据块。频率选择性衰落信道用一个丄阶的FIR (Finite Impluse Reponse，有限脉沖响应)滤波器表示为11:=[/<0),…，/^)f ,其中/</)表示 第/个抽头系数。为了消除由于信道时延扩散引起的块间干扰(InterBlock Interference, IBI)和符号间干扰(InterSymbol Interference, ISI),在每个OFDM数据块前加入长度为ZCT》Z的CP,并且在相应的接收数据块中将其 去掉。这样可以使FIR信道矢量h由一个WxW的循环矩阵H表示，H的第 p行第q列的元素为[H]^^((pi)m。d户)。循环矩阵有一个特殊的性质将 循环矩阵右乘F",左乘F后，可以化为一个对角矩阵，由下式给出
<formula>formula see original document page 6</formula> (1)
其中，<formula>formula see original document page 6</formula>对应于信道在第A:个子载波上 的频率响应。令<formula>formula see original document page 6</formula>表示4妻收端经过FFT (Fast Fourier Transform Algorithm,快速傅氏变换算法)后的TVxl维的接收数据块， <formula>formula see original document page 6</formula>表示iVxl维的加性高斯白噪声矢量，其相关矩 阵为R力-iV。Iw，其中iV。为噪声的功率谱密度。则OFDM解调后的信号可以 表示为
<formula>formula see original document page 6</formula> (2)
其中，<formula>formula see original document page 6</formula>，由于FFT矩阵为酉矩阵，
所以n(")仍然为白噪声。
在空时处理中多采用STBC编码，在频域中处理时采用SFBC编码，二 者的数学原理相同。在现有技术中，为设计方便采用了空频编码SFBC。但 是SFBC —个显著的特点是各天线发射的信号之间正交，即信号发送矩阵满 足ggt=^|2 + |s2|2 + ...4 |2|/，其中/为单位阵，s"A，…&为发送矩阵G中 采用的信号点。当SFBC满足正交性要求时，不仅保证能够达到最大分集增 益，而且还可以降低译码复杂度。但正交关系的引入也带来了如下问题其 一，SFBC的编码增益仅与所采用的信号星座图的结构有关，目前还没有很 好的编码增益优化方法；其二，若采用有26个信号点的星座图，SFBC频带 利用率只有当发射端有两根天线时才可达到6to/(s./fe)，当天线数增加时， 其频带利用率最多只有最大值的3/4。可以说，SFBC以编码增益和部分频 带利用率为代价换取最大分集增益和低编译码复杂度。其三，这种加入循环 前缀的OFDM将一个频率选择性衰落信道转化为iV个并行的平衰落的子信 道，但是难以有效的抑制组间干扰和多用户干扰
发明内容
本发明提供一种多输入多输出正交频分复用系统传输方法及收发信机， 在不增加收发信机复杂度的情况下，调整收发信机结构得到一种高效的、适
用于采用空时频编码的MIMO OFDM系统的收发信机及相应的传输方法。
为解决上述技术问题，本发明首先提供一种多输入多输出正交频分复用 系统传输方法，包括如下步骤
(1) 发射端首先对发射数据进行空频编码处理，然后对所述处理后的 数据进行空时编码处理，再进行串/并变换、反快速傅氏变换算法变换、加 循环前缀、并/串变换处理，然后发射所述数据；
(2) 接收端接收到所述发射端发来的数据后，在连续的两个符号周期 内分别对所述接收数据进行去循环前缀、串/并变换、快速傅氏变换算法变 换、并/串变换处理，然后对处理后的数据进行空时空频译码处理，最后进 行凄t据合并。
本发明所述方法，其中，步骤(l)包括如下步骤
(1.1) 在发射数据时，所述发射端首先对输入信号进行空频编码处理；
(1.2) 然后所述发射端对所述处理后的数据进行空时编码处理； (1.3 )将所述经过空时编码后的数据变换为并行数据；
(1.4) 对所述并行数据进行子载波分配后，进行反快速傅氏变换算法
变换；
(1.5) 对所述经过反快速傅氏变换算法变换后的数据添加循环前缀；
(1.6) 将所述变换后的数据变换为串行数据后进行发射。 本发明所述方法，其中，步骤(2)包括如下步骤
(2.1) 所述接收端接收数据，并将收到的数据去循环前缀；
(2.2) 将所述去掉循环前缀后的数据变换为并行数据，然后进行快速 傅氏变换算法变换；
(2.3 )再将并行数据变换为串行数据，对得到的串行数据进行空时空
频译码；
(2.4 )将数据进行上述空时空频译码处理后，对译码后的数据进行合并，并输出给后继的处理设备。
本发明还提供一种多输入多输出正交频分复用系统编码发射机，包括串 /并变换单元、反快速傅氏变换算法单元、加循环前缀单元、并/串变换单元、 发射天线，还包括空频编码单元和空时编码单元，其中所述空频编码单元、 空时编码单元、串/并变换单元、反快速傅氏变换算法单元、加循环前缀单
元、并/串变换单元、发射天线依次相连；所述空频编码单元用于对发射数 据进行空频编码处理，所述空时编码单元用于对所述空频编码处理后的数据 进行空时编码处理后，发送给所述串/并变换单元进行后续处理。
本发明还提供一种多输入多输出正交频分复用系统编码接收机，包括接 收天线、去循环前缀单元、串/并变换单元、快速傅氏变换算法单元、并/串 变换单元，还包括空时空频译码单元，其中所述接收天线、去循环前缀单元、 串/并变换单元、快速傅氏变换算法单元、并/串变换单元、空时空频译码单 元依次相连；所述空时空频译码单元用于在连续的两个符号周期内分别对 所述并/串变换单元发送的数据进行空时空频译码处理。
本发明还提供一种多输入多输出正交频分复用系统发射方法，包括如下 步骤
(6.1)在发射数据时，发射端首先对输入信号进行空频编码处理；
(6.2 )然后所述发射端对所述处理后的数据进行空时编码处理；
(6.3 )将所述经过空时编码后的数据变换为并行数据；
(6.4.)对所述并行数据进行子载波分配后，进行反快速傅氏变换算法
变换；
(6.5 )对所述经过反快速傅氏变换算法变换后的数据添加循环前缀；
(6.6)将所述变换后的数据变换为串行数据后进行发射。
本发明还提供一种多输入多输出正交频分复用系统接收方法，包括如下 步骤
(7.1) 接收端接收数据，并将收到的数据去循环前缀；
(7.2) 将所述去掉循环前缀后的数据变换为并行数据，然后进行快速 傅氏变换算法变换；(7.3) 再将并行数据变换为串行数据，对得到的串行数据进行空时空
频译码；
(7.4) 将数据进行上述空时空频译码处理后，对译码后的数据进行合
并，并输出给后继的处理设备。
本发明的方案具有以下优点第一，设计的MIMO OFDM收发信机， 仅对结构进行调整，不需要额外开销，结构简洁；第二，本发明方法可以同 时获得2阶的空间和2阶的时间分集增益；第三，本发明方法的编码和译码 的过程都是基于线性处理的，计算简单。
图1为现有技术OFDM系统示意图2为本发明实施例的发射机示意图3为本发明实施例的接收机示意图4为本发明实施例的发射机/接收机仿真效果图。
具体实施例方式
以下结合附图和具体实施方式
对本发明进行描述，但不作为对本发明的 限定。
本发明的目的是在不增加收发信机复杂度的情况下，调整收发信机结构 得到一种高效的、适用于采用空时频编码的MIMO OFDM系统的收发信机 及相应的传输方法，其核心思想是发射端联合使用了 SFBC和STBC,接收 端在连续的两个符号周期内分别进行空时译码和空频译码。本发明方法与传 统的方法相比，可以同时获得2阶的空间和2阶的时间分集增益，而且编码 和译码的过程都是基于线性处理的，计算简单。
本发明提供的适用于MIMO OFDM系统的方法包括以下步骤
发射端在发射数据时
步骤101，令<formula>formula see original document page 9</formula>表示长度为iV周期为r的输入数据符号，发射端对输入信号做sfbc空频编码处理，得到输出为
<formula>formula see original document page 10</formula>(1)
步骤102,然后进行空时编码，把s的两列作为两个连续的符号矢量&和 X2，则有<formula>formula see original document page 10</formula>
(3)
将X,和X2进行空时编码，等价的空时编码传输矩阵可以表示为<formula>formula see original document page 10</formula>(4)
步骤103,将经过stbc空时编码后的数据变换为并行数据； 步骤104,对并行数据进行子载波分配后，进行ifft变换； 步骤105,对经过ifft变换后的数据添加循环前缀cp; 步骤106,将变换后的数据变换为串行数据后进行发射。 接收端在接收数据时
步骤201,接收端接收数据，并将收到的数据去cp;
步骤202,将去掉cp后的数据变换为并行数据，然后进行fft;
令h;， h;+、 H;和Hf为四个对角矩阵，其对角线元素分别为信道h;, h;+、 h;和h『在相应子载波上的频率响应。在？和&r时刻，fft后的符号
矢量分别表示为
<formula>formula see original document page 10</formula>(5)<formula>formula see original document page 11</formula>在传统的STBC-OFDM中，假定信道的脉冲响应在两个符号周期内保持 不变，即h卜h',, h'2=hf ，这样就牺牲了时间分集增益。可以假定复信道 增益在每两个相邻的子载波上保持不变，由于相邻子载波之间有着非常强的 相关性，因此我们的假设是合理的。即
<formula>formula see original document page 11</formula> 步骤203,再将并行数据变换为串行数据，对得到的串行数据进行空时
频译码；
假定接收端准确已知信道信息(或者可以准确的估计出信道)，不失一
般性，考虑前两个符号S("iV)和S("iV+l),将等式(5)和(6)的前两行重写 如下
及,("AO =巧(O)S("iV) + g (O)S("iV +1) +仏("AO ("iV +1) = —("W +1) + g ("AO + ("iV +1)
《+r ("iV)=—《(O)S' ("iV +1) +《(0)S*阔+ ",+r ("TV)
《+r ("iV +1)=-《(l)S("iV)-《(l)S("iV +1) + 77<+r (wiV +1)
(11)
(12)
从等式(11)和(12),可以分别得到在^和z+r时刻s("Ao和s("w+i)
的判决量，由接下来的两个等式给出
i,("W) = (|//1'(0)|2 + |/^(0)|2)S("W) + [iir1((0)]*",("AO+/^(0)77;("Ar + l) ( 13 )
+ 1) = (li/〖(0)12 + IK(0)IV("W + 1) + [i^(0)]'77,("W) + //〖(0);7;("W + 1)
= (|",0)|2+|//r(o)|2)s("AO+/^+r(o)《+r("AO—[/Cr(o)]、+r("w+i)(14) i,+7, ("w+1) = (o)|2+(o)|2讽"w+1)-(o)]、+r ("w+1) - /Cr (o)";
步骤204，将数据进行上述空时空频译码处理后，对译码后的数据进行合并，并输出给后继的处理i殳备。
合并式(13)和(14),可以得到
iOzAO:《02AO+i,+r(wAO:(h'(0)l2+l/^(0)l2+l/7r(0)l2+li/广(0)l2)SOzAO +叫 (15 )
+1)=次("W+1)+i,+r (W+1) = (|巧(0)|2 +(0)|2 + |《+r (0)|2 + (0)| +1) +
其中叫和q都为噪声项。
本发明实施例提供的用于MIMO OFDM系统的发射机示意图如图2所 示，包括
SFBC编码单元，用于对向量编码单元得到的两路数据Si和S2分别进 行SFBC编码，得到如式(1)所示的矩阵；
STBC编码单元，把5的两列作为两个连续的符号矢量\和&,得到，空时编码传输矩阵s2=「x' _X^;
串/并变换单元，用于对STBC编码单元得到的数据变换为并行数据； IFFT单元，用于对串/并变换单元得到的并行数据进行IFFT变换； 加CP单元，对经过IFFT变换后的数据添加循环前缀CP; 并/串变换单元，用于将IFFT单元得到的并行单元变换为串行数据； 发射天线，用于发送并/串变换单元得到的串行数据。
本发明实施例提供的用于MIMO OFDM系统的接收机示意图如图3所 示，包括
接收天线，用于接收发射机发射的数据；
去CP单元，用于对接收天线接收到的信号进行去CP操作；
串/并变换单元，用于将去CP单元得到的数据变换为并行数据；
FFT单元，用于对串/并变换单元得到的并行数据进行FFT变换，得到 的数据如式(5) 、 (6);并/串变换单元，用于将FFT变换单元得到的数据变换为串行数据；
空时空频译码单元，用于对并/串变换单元得到的串行数据进行空时空 频译码；译码的方法如式(13) 、 (14)所示；
数据合并单元，用于将空时空频译码单元译码后的数据进行合并，并输 出给后继的处理设备。这部分是常规方式，框图中并未直接给出。
图4为本发明实施例的发射机/接收机仿真效果图。仿真的条件如下 信道为频率选择性慢衰落信道，发射天线和接收天线之间的信道用FIR滤波 器来仿真，FIR滤波器的阶数^ = 4,抽头系数在一帧内保持不变，帧与帧 之间随机变化。每个发射天线上每个数据块的长度为256， /FFT和FFr变换 的点数为256，循环前缀的长度为5，噪声为均值为O,方差为^=1的复高 斯随机变量。信噪比57W 定义为S層w2/^，其中一表示信号的能量，采用 QPSK调制。图中给出了本发明所提出的方法在两个发射天线和一个接收天 线下与STBC在四个发射天线和一个接收天线下的性能比较，可以看出两者 的性能非常接近，都具有4倍的分集增益。
本发明上述实施例为两个信道，本发明还可以推广到N (N大于2)个 信道，其中N为整数。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的 形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1、一种多输入多输出正交频分复用系统传输方法，其特征在于，包括如下步骤(1)发射端首先对发射数据进行空频编码处理，然后对所述处理后的数据进行空时编码处理，再进行串/并变换、反快速傅氏变换算法变换、加循环前缀、并/串变换处理，然后发射所述数据；(2)接收端接收到所述发射端发来的数据后，在连续的两个符号周期内分别对所述接收数据进行去循环前缀、串/并变换、快速傅氏变换算法变换、并/串变换处理，然后对处理后的数据进行空时空频译码处理，最后进行数据合并。
2、 如权利要求l所述方法，其特征在于，步骤(l)包括如下步骤(1.1) 在发射数据时，所述发射端首先对输入信号进行空频编码处理；(1.2) 然后所述发射端对所述处理后的数据进行空时编码处理； (1.3 )将所述经过空时编码后的数据变换为并行数据；(1.4) 对所述并行数据进行子载波分配后，进行反快速傅氏变换算法变换；(1.5) 对所述经过反快速傅氏变换算法变换后的数据添加循环前缀；(1.6) 将所述变换后的数据变换为串行数据后进行发射。
3、 如权利要求l所述方法，其特征在于，步骤(2)包括如下步骤(2.1) 所述接收端接收数据，并将收到的数据去循环前缀；(2.2) 将所述去掉循环前缀后的数据变换为并行数据，然后进行快速 傅氏变换算法变换；(2.3) 再将并行数据变换为串行数据，对得到的串行数据进行空时空 频译码；(2.4 )将数据进行上述空时空频译码处理后，对译码后的数据进行合 并，并输出给后继的处理设备。
4、 一种多输入多输出正交频分复用系统编码发射机，包括串/并变换单元、反快速傅氏变换算法单元、加循环前缀单元、并/串变换单元、发射天 线，其特征在于，还包括空频编码单元和空时编码单元，其中所述空频编码 单元、空时编码单元、串/并变换单元、反快速傅氏变换算法单元、加循环前缀单元、并/串变换单元、发射天线依次相连；所述空频编码单元用于对 发射&据进行空频编码处理，所述空时编码单元用于对所述空频编码处理后 的数据进行空时编码处理后，发送给所述串/并变换单元进行后续处理。
5、 一种多输入多输出正交频分复用系统编码接收机，包括接收天线、 去循环前缀单元、串/并变换单元、快速傅氏变换算法单元、并/串变换单元， 其特征在于，还包括空时空频译码单元，其中所述接收天线、去循环前缀单 元、串/并变换单元、快速傅氏变换算法单元、并/串变换单元、空时空频译 码单元依次相连；所述空时空频译码单元用于在连续的两个符号周期内分 别对所述并/串变换单元发送的数据进行空时空频译码处理。
6、 一种多输入多输出正交频分复用系统发射方法，其特征在于，包括 如下步骤(6.1) 在发射数据时，发射端首先对输入信号进行空频编码处理；(6.2) 然后所述发射端对所述处理后的lt据进行空时编码处理； (6.3 )将所述经过空时编码后的数据变换为并行数据；(6.4)对所述并行数据进行子载波分配后，进行反快速傅氏变换算法变换；(6.5 )对所述经过反快速傅氏变换算法变换后的数据添加循环前缀； ,(6.6 )将所述变换后的数据变换为串行数据后进行发射。
7、 一种多输入多输出正交频分复用系统接收方法，其特征在于，包括 如下步骤(7.1) 接收端接收数据，并将收到的数据去循环前缀；(7.2) 将所述去掉循环前缀后的数据变换为并行数据，然后进行快速 傅氏变换算法变换；(7.3 )再将并行数据变换为串行数据，对得到的串行数据进行空时空 频译码；(7.4)将数据进行上述空时空频译码处理后，对译码后的数据进行合 并，并输出给后继的处理设备。
全文摘要
本发明公开了一种多输入多输出正交频分复用系统传输方法，包括(1)发射端对发射数据进行空频编码，然后对数据进行空时编码，再进行串/并变换、反快速傅氏变换算法变换、加循环前缀、并/串变换，然后发射数据；(2)接收端接收到发射端发来的数据后，在连续的两个符号周期内分别对接收数据进行去循环前缀、串/并变换、快速傅氏变换算法变换、并/串变换，然后对数据进行空时空频译码，最后进行数据合并。还公开一种MIMO OFDM系统编码发射机和接收机，以及发射方法和接收方法。本发明在不增加收发信机复杂度的情况下，调整收发信机结构得到一种高效的、适用于采用空时频编码的MIMO OFDM系统的收发信机及相应的传输方法。
文档编号H04B7/02GK101321144SQ20071011063
公开日2008年12月10日 申请日期2007年6月6日 优先权日2007年6月6日
发明者力 张, 王衍文, 郝东来 申请人:中兴通讯股份有限公司