礦井巷道上行時頻編碼協作mc-cdma信道估計方法
2023-09-11 10:33:05
礦井巷道上行時頻編碼協作mc-cdma信道估計方法
【專利摘要】本發明公開了一種礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA信道估計方法。首先形成帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀，各個用戶的導頻序列是同一個導頻序列的不同時延副本。該導頻設計方法，可以使各用戶的導頻序列在時域上彼此錯開一個MC-CDMA符號循環前綴的長度，不僅避免了多用戶間幹擾，還可以將多個用戶的導頻MC-CDMA符號安排在一幀中相同位置。然後在基站或協作夥伴端利用接收到各用戶的導頻序列進行信道估計，得到各個用戶各子載波對應信道增益的估計值。該算法能夠在避免多用戶間幹擾的同時儘可能提高導頻資源利用率。
【專利說明】礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA信道估計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於井下通信【技術領域】，具體涉及一種礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA信道估計方法。
【背景技術】
[0002]相比於地面無線信道，礦井巷道無線信道多徑衰落更加嚴重，嚴重影響了煤礦井下無線通信系統的性能。高效綜合地利用煤礦井下通信系統的空間、時間和頻率等各種資源，可以使煤礦井下無線通信系統的無線覆蓋性能、容量和速率等得到顯著地提高。
[0003]多載波調製能有效抗多徑衰落，為在移動環境所帶來的高度不利的無線信道條件下傳輸高速數據提供了一種好的解決辦法。而碼分多址(Code Division MultipleAccess, CDMA)具有抗幹擾能力強、誤碼率低和抗多徑衰落的突出優點。礦井巷道頻率資源是開放的，以多載波技術融合CDMA技術是礦井巷道無線通信的理想基礎調製技術之一。在煤礦井下無線傳輸信道與帶狀受限空間結構的條件下，在上行鏈路中採用多載波碼分多址(Multiple Carrier-Code Division Multiple Access, MC-CDMA)無線傳輸，可以通過充分利用礦井巷道開放的頻率資源，克服多徑衰落嚴重對礦井巷道無線傳輸造成不利的影響。
[0004]協作分集利用無線信道的廣播特性，通過多個移動用戶相互協作獲得上行鏈路發射分集，可以有效對抗無線信道多徑衰落，提高數據速率。礦井巷道空間是受限的帶狀空間，非常適宜採用協作多跳的無線通信方式。通過為與基站間信道狀況較差用戶尋找一個與基站間信道狀況較好的協作夥伴，可以顯著提高信道狀況較差用戶的信道容量和誤碼率性能。這樣就不會因為用戶移動到信道狀況較差的地點，而導致基站與用戶間的信道容量衰減過大、通信質量很差甚至通信中斷等情況的發生。協作分集的方式主要有放大轉發(Amplify and Forward, AF)、解碼轉發(Decode and Forward, DF)和編碼協作(CodedCooperation, CC)等3種方式。放大轉發和解碼轉發只是重複轉發所接收到的信息比特,效率較低。而編碼協作在本質上是將碼字分為2個部分，每一個部分都由協作夥伴之一進行傳送，不僅獲得了編碼增益，而且還可以在協作夥伴之間十分靈活地分配信道編碼符號，編碼效率很高。
[0005]在礦井巷道上行鏈路採用時頻編碼協作多載波碼分多址(MultipleCarrier-code Division Multiple Access, MC-CDMA)無線傳輸方案，既可以充分利用礦井巷道開放的頻率資源來克服多徑衰落嚴重對礦井巷道無線傳輸造成的不利影響，又可以通過為與基站間信道狀況較差用戶尋找一個與基站間信道狀況較好的協作夥伴，顯著提高信道狀況較差用戶的信道容量和誤碼率性能。
[0006]在礦井巷道時頻編碼協作MC-CDMA上行鏈路中，來自各個移動臺的信號在到達其協作夥伴或基站前受到不同的衰落信道的影響。為使基站能正確地解調出各移動臺的發射信號，基站需要估計出與各移動臺之間的信道狀態信息；為使用戶能正確地解調出其協作夥伴的發射信號，用戶需要估計出與其協作夥伴之間的信道狀態信息。礦井巷道時頻編碼協作MC-CDMA上行鏈路由於涉及到多用戶間的大量協作，採用基於子空間類的盲信道估計方法將不可避免地涉及到十分複雜的矩陣計算，其運算量難以承受。採用傳統的基於導頻的信道估計算法，可以避免複雜的矩陣運算，但需要通過將不同用戶的導頻符號安排在MC-CDMA幀中不同位置來避免多用戶間幹擾，這會降低上行鏈路導頻資源利用率和增加系統開銷。
【發明內容】
[0007]針對上述現有技術中存在的問題，本發明提供了一種礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA信道估計方法。
[0008]本發明所採用的技術方案是:
[0009]一種礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA信道估計方法，包括帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀的形成及傳輸和利用接收到的帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀進行信道估計兩部分，所述帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀的形成及傳輸包括以下步驟:
[0010]對礦井巷道每個移動用戶信源經過二相移相鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)調製的數據流進行碼元分組，每組有F個碼元；
[0011]對每個碼組進行循環冗餘編碼即插入N位幀檢驗序列(Frame CheckSequence, FCS)，N的大小為編碼所採用生成多項式的長度減I ;
[0012]對插入FCS的碼組進行碼率為R的卷積編碼,最終形成碼元個數為Nd*P=(F+N)/R的卷積編碼幀作為礦井巷道移動用戶時頻碼第一部分的數據分組，Nd為數據傳輸幀中數據MC-CDMA符號的個數；
[0013]對作為礦井巷道移動用戶時頻碼第一部分數據分組的卷積編碼幀進行時頻變換，即將位於後半部分的碼字取反移至前半部分，將位於前面部分的碼字移至後半部分，作為礦井巷道移動用戶時頻碼第二部分的數據分組；
[0014]對礦井巷道移動用戶時頻碼第一部分數據分組或第二部分數據分組1:P的串並變換，數據流被分成P路獨立的並行數據分組，將被分配在MC-CDMA的P個擴頻支路上分別獨立發射；
[0015]對每一路獨立的數據分組都經過1:G的複製，形成G路相同的並行數據流，G—般取 16、32 或 64 ；
[0016]對複製後的G路並行數據分組用長度為G的擴頻碼進行頻域擴頻，不同的礦井巷道移動用戶採用不同的擴頻碼；
[0017]對頻域擴頻後的P*G路並行數據分組插入並行塊狀導頻，就形成了帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀，用戶k的導頻序列是用戶I導頻序列在時域上延時即循環移位(k-l)*Lep點得到的，Lep表示礦井巷道MC-CDMA符號循環前綴的長度；
[0018]對插入並行塊狀導頻後的P*G路並行數據分組進行快速傅立葉逆變換(IFFT)，將各路信號調製到相應的子載波上；
[0019]將調製後P*G路子載波上的信號相加後在礦井巷道移動用戶的天線上發射。
[0020]所述利用接收到的帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀進行信道估計包括以下步驟:
[0021]基站或協作夥伴接收到的信號是礦井巷道各移動用戶的信號和噪聲的疊加，對接收到的信號進行與發射端快速傅立葉逆變換(IFFT)對應的快速傅立葉變換(FFT)，恢復出P*G個子載波上的信號，形成P*G路並行數據分組；
[0022]對形成的P*G路並行數據分組，分別提取出第一位，得到各移動用戶塊狀導頻經礦井巷道傳輸後疊加的頻域數組；
[0023]用上述頻域數組點除用戶I的頻域導頻序列，得到各移動用戶頻域信道增益的疊加；
[0024]對各移動用戶頻域信道增益的疊加進行快速傅立葉逆變換(IFFT)，得到各移動用戶信道時域衝激響應的疊加；
[0025]根據各用戶導頻序列的時移特性，從各移動用戶信道時域衝激響應的疊加中，分離出個各移動用戶的信道時域衝激響應；
[0026]對各移動用戶的信道時域衝激響應進行快速傅立葉變換(FFT)，得到各移動用戶P*G個子載波對應的信道增益。
[0027]本發明的有益效果是:
[0028]本發明所提出的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA信道估計算法利用循環移位對不同用戶的在頻域上構造不同的導頻序列，實現區分用戶的時域衝激響應的目的。它通過將同一個頻域導頻序列的不同時延副本分配給各個用戶進行信道估計，可以使各用戶的導頻序列在時域上彼此錯開一個MC-CDMA符號循環前綴的長度，不僅避免了多用戶間幹擾，還可以將多個用戶的導頻MC-CDMA符號安排在一幀中相同位置，而不必為每個用戶分別預留特定的位置。該算法彌補了傳統的基於導頻的信道估計算法的不足，能夠在避免多用戶間幹擾的同時儘可能提高導頻資源利用率，節約了系統開銷。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA無線傳輸系統；
[0030]圖2為礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA無線傳輸系統發射機框圖；
[0031]圖3為礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA無線傳輸系統接收機框圖；
[0032]圖4為帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀結構；
[0033]圖5為礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA傳輸信道鏈路；
[0034]圖6為在礦井巷道時頻編碼協作MC-CDMA上行鏈路中採用所提出的信道估計算法與理想信道估計，用戶I誤比特率對比情況；
【具體實施方式】
[0035]為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。
[0036]一種礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA信道估計方法，包括帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀的形成及傳輸和利用帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀進行信道估計兩部分。
[0037]實施例1:以下對本發明的方法加以論述:
[0038]考慮圖1顯示的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA無線傳輸系統，採用圖2和圖3顯示的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA收發機進行傳輸。當目標用戶與基站間信道狀況較差時，基站按一定的規則為其選擇一個與基站間信道狀況較好協作夥伴。
[0039]1.發射信號
[0040]考察系統中有K (K > O)個用戶的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA無線傳輸中，任一用戶k的發射過程。將礦井巷道移動用戶上行傳輸時隙均分成兩個時間周期。用戶k的信源經過二相移相鍵控(BPSK)調製後首先分為符號組，每組有F個比特或碼元，將任一符號組的F個符號表示為[ak(1)，…，ak(F)]，取值為+1或-1。圖4給出了帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀的形成過程，每組的F個符號依次經過循環冗餘編碼即插入N位幀檢驗序列、碼率為R的卷積編碼形成時頻碼第一部分數據分組。再經時頻變換形成時頻碼第二部分數據分組。時頻碼包括兩個部分，分別在兩個時間周期傳輸。
[0041]假定用戶k由卷積碼編碼形成時頻碼第一部分數據分組為:
[0042]
【權利要求】
1.一種礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA信道估計方法，其特徵在於，包括帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀的形成及傳輸和利用接收到的帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀進行信道估計兩部分，所述帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀的形成及傳輸包括以下步驟: 步驟I對礦井巷道每個移動用戶信源經過二相移相鍵控調製的數據流進行碼元分組，每組有F個碼元； 步驟2對每個碼組進行循環冗餘編碼即插入N位幀檢驗序列，N的大小為編碼所採用生成多項式的長度減I ; 步驟3對插入FCS的碼組進行碼率為R的卷積編碼，最終形成碼元個數為Nd*P= (F+N) /R的卷積編碼幀作為礦井巷道移動用戶時頻碼第一部分的數據分組，Nd為數據傳輸幀中數據MC-CDMA符號的個數； 步驟4對作為礦井巷道移動用戶時頻碼第一部分數據分組的卷積編碼幀進行時頻變換，即將位於後半部分的碼字取反移至前半部分，將位於前面部分的碼字移至後半部分，作為礦井巷道移動用戶時頻碼第二部分的數據分組； 步驟5對礦井巷道移動用戶時頻碼第一部分數據分組或第二部分數據分組1: P的串並變換，數據流被分成P路獨立的並行數據分組，將被分配在MC-CDMA的P個擴頻支路上分別獨立發射； 步驟6對每一路獨立的數據分組都經過1:G的複製，形成G路相同的並行數據流；步驟7對複製後的G路並行數據分組用長度為G的擴頻碼進行頻域擴頻，不同的礦井巷道移動用戶採用不同的擴頻碼； 步驟8對頻域擴頻後的P*G路並行數據分組插入並行塊狀導頻，就形成了帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀，用戶k的導頻序列是用戶I導頻序列在時域上延時即循環移位Ο?-1)*Ι^Α得到的；其中Lep表示礦井巷道MC-CDMA符號循環前綴的長度； 步驟9對插入並行塊狀導頻後的P*G路並行數據分組進行快速傅立葉逆變換，將各路信號調製到相應的子載波上； 步驟10將調製後P*G路子載波上的信號相加後在礦井巷道移動用戶的天線上發射。
2.根據權利要求1所述帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀的形成及傳輸，其特徵在於，對任一用戶k，包括以下數據傳輸幀形成和傳輸步驟: 步驟I任一礦井巷道移動用戶k信源經過二相移相鍵控調製的數據流進行碼元分組，每組有F個碼元,每組的F個碼元表示為[ak(1),…，ak(F)],取值為+1或-1 ; 步驟2對每個碼組進行循環冗餘編碼即插入N位幀檢驗序列； 步驟3對插入FCS的碼組進行碼率為R的卷積編碼，最終形成碼元個數為Nd*P= (F+N) /R的卷積編碼幀作為礦井巷道移動用戶時頻碼第一部分的數據分組，Nd為數據傳輸幀中數據MC-CDMA符號的個數； 步驟4對作為礦井巷道移動用戶時頻碼第一部分數據分組的卷積編碼幀進行時頻變換，即將位於後半部分的碼字取反移至前半部分，將位於前面部分的碼字移至後半部分，作為礦井巷道移動用戶時頻碼第二部分的數據分組，將由Nd*P個碼元組成的時頻碼任一部分記為[^，…。/』，取值為打或-!；步驟5對每個要傳輸的時頻碼第一部分數據分組或第二部分數據分組[Sk1,…，SkN#p]進行1:P的串並變換，數據流被分成P路獨立的並行分組[仏…^二…義廣廣+1，…，SkN#p]T，將被分配在MC-CDMA的P個擴頻支路上分別獨立發射，[]τ表示轉置運算； 步驟6每一路獨立的數據流都經過1:G的複製，形成G路相同的並行數據流，G —般取.16、32 或 64 ； 步驟7對複製後的G路並行數據流用長度為G的擴頻碼進行頻域擴頻，不同的礦井巷道移動用戶採用不同的擴頻碼； 步驟8對頻域擴頻後的P*G路並行數據分組插入並行塊狀導頻，就形成了帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀，用戶k導頻序列的頻域表達式為:
3.利用接收到的權利要求1所述的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀，其特徵在於:所述信道估計包括以下具體步驟: 步驟I基站或協作夥伴接收到的信號是礦井巷道各移動用戶的信號和噪聲的疊加，對接收到的信號進行與發射端快速傅立葉逆變換對應的快速傅立葉變換，恢復出P*G個子載波上的信號，形成P*G路並行數據分組； 步驟2對形成的P*G路並行數據分組，分別提取出第一位，得到各移動用戶塊狀導頻經礦井巷道傳輸後疊加的頻域數組； 步驟3用上述頻域數組點除用戶I的頻域導頻序列，得到各移動用戶頻域信道增益的置加； 步驟4對各移動用戶頻域信道增益的疊加進行快速傅立葉逆變換，得到各移動用戶信道時域衝激響應的疊加； 步驟5根據各用戶導頻序列的時移特性，從各移動用戶信道時域衝激響應的疊加中，分離出個各移動用戶的信道時域衝激響應； 步驟6對各移動用戶的信道時域衝激響應進行快速傅立葉變換，得到各移動用戶P*G個子載波對應的信道增益。
4.根據權利要求3所述的利用接收到的帶有導頻的礦井巷道上行時頻編碼協作MC-CDMA數據傳輸幀進行信道估計，其特徵在於:對任一用戶k，包括以下信道估計步驟: 步驟I基站或協作夥伴q接收到的信號是礦井巷道各移動用戶的信號和噪聲的疊加，對接收到的信號進行與發射端快速傅立葉逆變換對應的快速傅立葉變換，恢復出P*G個子載波上的信號，各用戶導頻序列經歷了礦井巷道多徑信道後，基站和某一用戶的的協作夥伴q接收到的信號分別可表示為:
【文檔編號】H04L25/03GK103986674SQ201410157887
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】張琳園, 楊維 申請人:北京交通大學