一種信號異步發射的多入多出通信方法
2023-06-12 02:33:51 2
專利名稱：一種信號異步發射的多入多出通信方法
技術領域：
本發明屬於通信技術領域，特別涉及通信技術中的使用多天線的通信方法。
背景技術：
現有的多入多出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)通信方法都是基於信號同步發射的。由於MIMO通信方法具有良好的頻譜效率，較高的系統容量和較好的通信質量，它是新一代無線通信系統的關鍵技術之一。
MIMO通信方法採用空時編碼技術，其中使用的空時碼主要有兩大類基於發射分集的空時格碼(Space Time Trellis Codes，STTC)和空時分組碼(Space Time Block Codes，STBC)；基於非發射分集的分層空時碼(Layered Space Time Codes，LSTC)。
空時格碼是一種綜合考慮了信道編碼、調製、發射分集和接收分集的設計，能夠提供較大的編碼增益、頻譜利用率和分集增益的編碼方式。空時格碼的性能很好，但其解碼的複雜度相當高。具體而言，當發射天線數固定時，空時格碼的解碼複雜度(由解碼器的網格狀態數度量)隨傳輸速率成指數級增長。有鑑於此，Alamouti提出了一種簡單的兩天線發射分集方案，並給出了較為簡單的解碼算法。Tarkh等人從中受到啟發，應用正交理論，將該方案推廣到具有任意發射天線數的發射分集系統，由此提出了空時分組碼。空時分組碼與空時格碼相比，雖然性能有所降低，但解碼複雜度卻小得多。
分層空時碼是將信源數據分為幾個並行的子數據流，對它們獨立地進行編碼和調製的技術，故它不是基於發射分集的。貝爾實驗室的Foschini等人首先提出了一種對角分層空時碼(Diagonally Bell Labs Layered Space-Time Wireless Communication Architecture，D-BLAST)，發射信息按照對角線進行空時編碼，在獨立的瑞利衰落環境下，這種結構獲得了巨大的理論容量，它的容量隨發射天線的數目線性增長，可以達到90％的香農信道容量，雖然D-BLAST具有較好的空時特性和層次結構，但是它的一個缺陷就是複雜度太高，不適合於應用。隨後提出了水平分層空時碼H-BLAST(Horizontal BLAST)和垂直分層空時碼V-BLAST(Vertical BLAST).雖然H-BLAST的解碼簡單，但其空時特性比較差；而V-BLAST的性能較好，解碼複雜度不大，因此得到廣泛應用。基於V-BLAST結構的系統已經在實驗室進行了實驗驗證，在室內慢衰落的環境下，該系統的頻譜效率高達40bit/s/Hz。
下面介紹基於分層空時碼結構的MIMO通信系統的一般結構和檢測算法。
基於分層空時碼結構的MIMO系統示意圖如圖1所示，由發射機示意圖和接收機示意圖組成。發射機包括發射數據模塊1、分層空時編碼2、數模轉換模塊3、射頻處理1模塊4，M個發射天線5，其中射頻處理1模塊4包括M個射頻處理子模塊，不同發射天線上的射頻處理子模塊可以不同。接收機包括N個接收天線6、射頻處理2模塊7、模數轉換模塊8、MIMO檢測模塊9、分層空時解碼模塊10和恢復數據模塊11，其中射頻處理2模塊7包括N個射頻處理子模塊，不同接收天線上的射頻處理子模塊可以不同。
基於分層空時碼結構的MIMO通信方法存在眾多成熟的信號檢測算法，如最大似然算法、迫零算法，最小均方誤差算法等等。下面以迫零算法為例，介紹基於分層空時碼結構的MIMO通信方法的信號檢測算法。
如圖1所示，發射數據1首先通過分層空時編碼模塊2，將發射數據編碼成並行的M路數據符號流，經過無線信道以後，在接收端被N個接收天線同時接收，將接收到的信號進行迫零檢測，最後將數據輸出。
等效基帶發射信號M維矢量我們定義為a＝(a1a2… aM)T，ak表示第k個發射天線的數據，對應的接收信號矢量為r＝(r1r2… rN)T，可表示為r＝Ha+N (1)其中 hi，j表示從第j個發射天線到第i個接收天線的信道衰落因子，假設不同的hij之間相互獨立，N表示接收端的高斯噪聲矢量。直接求逆的迫零檢測方法表示如下，發射信號矢量的估計值為＝a+HN (2)其中，(·)表示矩陣的Moore-Penrose逆。該方法的原理是直接對信道矩陣進行求逆操作，然後用該逆矩陣左乘接收的信號矢量，再同時對各個分量進行解碼，該方法的優點是簡單，複雜度低，缺點是解碼效果較差。內容詳見G.D.Golden，C.J.Foschini，「Detection algorithmand initial laboratory results using V-BLAST space-time communication architecture」，IEEEECTRONICS LETTERS 7thJan 1999，Vol.35 No.1.
現有的多入多出通信方法都是基於信號同步發射的。對於採用分層空時碼的多入多出通信方法，由於信號在發射端同時發射，發射端不具有延時分集帶來的增益，並且接收端的接收分集度較低，從而影響了鏈路質量和系統容量。針對現有多入多出通信方法的缺點，目前已知的文獻、專利和相關出版物中還沒有提供一種信號異步發射多入多出通信方法。
發明內容
針對現有信號同步發射的多入多出通信方法的不足，本發明的目的是提供一種信號異步發射的多入多出通信方法，按照本發明的通信方法，通過發射機異步發射信號和接收機的異步MIMO檢測，可以提高多入多出系統的鏈路質量，降低誤碼率，提高系統性能。
為了方便地描述本發明的內容，首先對以下術語做一個解釋說明，如圖2、圖3所示1)分層空時編碼技術是指將輸入數據進行分層空時編碼調製，形成多路數據符號流輸出；2)成幀技術是指將輸入的數據符號流組成多個一定長度的數據幀輸出；3)延時技術是指將輸入的一定長度的數據幀在延遲一段時間後輸出；4)添加保護間隔技術是指對輸入的數據幀尾部添加一定時間長度的保護間隔，其目的是避免幀與幀之間的幹擾；5)匹配濾波技術是指對不同發射天線上的信號進行匹配，以便區分不同發射天線上的信號；6)數據採樣技術是指對輸入信號進行採樣，輸出不同時刻離散的採樣值；7)分層空時解碼技術將輸入數據進行分層空時解碼解調獲得恢復數據。
分層空時編碼技術可以是V-BLAST編碼技術，也可以是H-BLAST編碼技術或者D-BLAST編碼技術。
分層空時解碼技術可以是V-BLAST解碼技術，也可以是H-BLAST解碼技術或者D-BLAST解碼技術。
本發明提供的一種信號異步發射的多入多出通信方法，它包括發射步驟和接收步驟；
一種信號異步發射的多入多出通信方法的發射機有M(M為正整數)個發射天線(如圖2、圖5所示)，所述的發射步驟包括步驟1分層空時編碼採用分層空時編碼技術，將輸入的發射數據1編碼為M路並行的數據符號流輸出；步驟2成幀採用成幀技術，將步驟1輸出的M路數據符號流分別組成多個一定長度的數據幀輸出。每個數據幀長度相等，所述數據幀的長度大於等於2，數據幀的長度由工程上接收機複雜度要求和系統誤碼率性能要求等因素決定。具體表示為設第k個天線上第i個數據符號為bk(i)，其中k＝1，…，M，數據幀的長度為S，即包含S個數據符號，S≥2。成幀步驟將每路數據符號結合成多個長度為S的數據幀輸出，第k路數據符號對應的一個數據幀包含S個符號，即bk(0)，bk(1)，…，bk(S-1)；步驟3延時採用延時技術，將由步驟2輸出的M路上的每個數據幀分別進行時間延遲，設第k個發射天線上的數據幀的延遲時間為τk，則第k路上的數據幀延遲τk，其中k＝1，…，M。要求每幀數據的延遲時間τk小於若干個符號周期，即0≤τk＜ΔTs(Δ為大於0的正整數)；不同支路上的時延τk可以均不相等，或部分不相等，並存在一組最佳時延τ1，τ2，…，τM使系統誤碼率性能最優；工程上的τk大小由系統頻譜利用率、系統誤碼率性能要求等因素決定；步驟4添加保護間隔採用添加保護間隔技術，將步驟3輸出的每個數據幀的尾部添加一定時間長度的保護間隔。該保護間隔內可以置零，也可以放置其他可避免幀與幀之間幹擾的數據。工程上保護間隔的時間長度由每路數據的延遲時間和系統的頻譜利用率決定。假設第k路上已經延時τk的數據幀後增加時間長度為Tgk的保護間隔，要求τk+Tgk＝τm+Tgm，k，m∈{1，2，…，M}，如圖4所示，以每個天線上的一幀數據為例，假設0≤τ1＜τ2＜…＜τM＜Ts，為了消除幀與幀之間的幹擾，則第k個發射天線上的保護間隔需滿足Tgk≥τM-τk，所以第M個發射天線上的最小保護間隔可為零；步驟5數模轉換將步驟4輸出的M路的數位訊號轉換為M路模擬信號輸出；步驟6發射射頻處理將步驟5輸出的M路模擬信號進行射頻處理，獲得滿足發射要求的M路信號，從M個發射天線上發射。
每個發射天線上以一幀數據為例，採用保護間隔內置零的方法，經過步驟1、2、3、4後，得到對應於發射天線k的低通等效復基帶信號可表示為sk(t)=EsMi=0S-1bk(i)g(t-iTs-k),k=1,,M---(3)]]>其中，bk(i)為對應於第k個發射天線第i個符號持續時間內發射的符號，bk(i)＝0，i{0，1，…，S-1}；Es為符號能量，公式(4)中表示發射天線採用平均功率分配的形式，每個發射天線的發射功率為 Ts為數據bk(i)一個符號的周期；g(t)為發射天線的等效復基帶波形，g(t)滿足g(t)＝0，t
]>其中上標*表示復共軛。
假設一種信號異步發射的多入多出通信方法的接收機有N(N為正整數)個接收天線(如圖3、圖6所示)，所述的接收步驟包括步驟7接收射頻處理接收天線6收到的信號經過接收射頻處理後，得到N個基帶信號rj(t)，j＝1，…，N；如圖3所示，接收機第j個接收天線6經過接收射頻處理步驟7後的信號rj(t)為rj(t)=EsMi=0S-1k=1Mbk(i)hj,k(i)g(t-iTs-k)+nj(t)---(5)]]>其中，hj，k(i)為i時刻從第k個發射天線到第j個接收天線的信道衰落因子，nj(t)是第j個接收天線上的加性復高斯白噪聲。
步驟8匹配濾波對步驟7輸出的N個基帶信號rj(t)，j＝1，…，N進行匹配濾波處理，如圖3所示，第j個接收天線上的基帶信號rj(t)通過M個匹配濾波器，輸出M路信號。同理，N個接收天線上的基帶信號分別通過M個匹配濾波器後，共得到M×N路信號。該步驟表示如下接收信號rj(t)通過發射天線m(1≤m≤M的正整數)的匹配濾波器後l時刻的輸出為yjm(l)=lTs+m(l+1)Ts+mrj(t)g*(t-lTs-m)dt,m=1,M---(6)]]>將(5)式帶入(6)式得到yjm(l)=EsMi=0S-1k=1Mhj,k(i)bk(i)lTs+m(l+1)Ts+mg(t-iTs-k)g*(t-lTs-m)dt]]>+lTs+m(l+1)Ts+mnj(t)g*(t-lTs-m)dt]]>(7)設Rm,k(l-i)=lTs+m(l+1)Ts+mg(t-iTs-k)g*(t-lTs-m)dt---(8)]]>njm(l)=lT+m(l+1)T+mnj(t)g*(t-lT-m)dt---(9)]]>則(7)式可簡化為yjm(l)=EsMi=0S-1k=1MRm,k(l-i)hj,k(i)bk(i)+njm(l)---(10)]]>步驟9數據採樣採用數據採樣技術對步驟8中匹配濾波器輸出的信號，在t時刻連續進行採樣，得到多個離散的採樣值。該步驟表示為對於第m個匹配濾波器的輸出信號在t＝(l+1)T+τm(l＝0，…，S-1，τm為第m個發射天線上信號的時延)獲得S個採樣值yjm(0)，yjm(1)，…，yjm(S-1)，m＝1，…，M，j＝1，…，N，不同的接收天線上的信號通過數據採樣獲得的採樣值不同。
步驟10異步MIMO檢測首先，對第j個接收天線上經過數據採樣步驟9獲得的採樣值yjm(l)(m＝1，…，M，j＝1，…，N，l＝0，…，S-1)進行數據組合得到對應的矩陣表達式，具體表示如下引入MT×MT的信道相關矩陣R(l-i)，其元素為Rm，k(l-i)。R(l-i)滿足R(l-i)＝RH(i-l) (11)其中(·)H表示復共軛轉置。
由g(t)＝0，t
]>其中yj(l)=(yj1(l),yj2(l),,yjM(l))T,]]>b(i)＝(b1(i)，b2(i)，…，bM(i))T，nj(l)=(nj1(l),nj2(l),,njM(l))T.]]>下面把式(14)表示成更簡潔的矩陣形式。定義 Hj＝diag{hj(0)，hj(1)，…，hj(S-1)} (16)Yj=(yjT(0),yjT(1),,yjT(S-1))T---(17)]]>b＝(bT(0)，bT(1)，…，bT(S-1))T(18)nj=(njT(0),njT(1),,njT(S-1))T---(19)]]>R是SMT×SMT的塊對稱Toeplitz矩陣，Hj是SMT×SMT對角矩陣。這樣，從符號時隙0到S-1在接收天線j上進行匹配濾波，提取到的信號Yj可表示為
Yj=EsMRHjb+nj---(20)]]>上式即第j個接收天線上的採樣值yjm(l)(m＝1，…，M，j＝1，…，N，l＝0，…，S-1)進行數據組合後得到的矩陣表達式。同理，N個接收天線上經過數據採樣步驟9獲得的採樣值進行數據組合後可得到N個不同的矩陣表達式。
接著，將這N個矩陣表達式進行最大比合併，具體表示如下對N個不同的接收天線對應的矩陣表達式進行最大比合併可得N個接收天線的聯合矩陣表達式Y=j=1NHjHYj]]>=EsMj=1NHjHRHjb+j=1NHjHnj]]>(21)設H=j=1NHjHRHj,]]>N=j=1NHjHnj,]]>則上式可化為Y=EsMHb+N---(22)]]>最後，基於N個接收天線的聯合矩陣表達式(22)，利用直接迫零(ZFZero-Forcing)、排序幹擾對消等方法可恢復出碼元符號b的估計值，其他任何可恢復出估計值的檢測方法也適用於本發明的檢測步驟。
步驟11分層空時解碼採用分層空時解碼技術，將步驟10得到的碼元符號的估計值解碼，得到恢復數據。
經過以上步驟後，就可以實現本發明提供的信號異步發射的多入多出通信方法。
需要說明的是步驟1中的M路數據符號流對應於M個發射天線；步驟5中不同發射天線所對應的射頻處理過程可以不同；步驟7中接收射頻處理的目的就是使信號rj(t)能夠滿足後級電路的處理要求；
步驟7中不同接收天線所對應的射頻處理過程可以不同；本發明的工作過程如圖2、圖3所示，發射數據首先經過分層空時編碼模塊2編碼得到M路數據符號流；然後M路數據符號流經過成幀模塊12組成多個長度為S的數據幀；各路數據幀經過延時模塊13中的子模塊進行各自的延時；經過延時後的各路數據幀經過添加保護間隔模塊14在數據幀後添加各自的保護間隔；然後經過處理的數據幀經過數模轉換模塊3和射頻處理3模塊15後從發射天線上發射。接收天線6接收到信號後通過射頻處理4模塊16得到N個接收信號rj(t)，j＝1，…，N，接收信號rj(t)通過匹配濾波器組模塊17對不同天線上的發射信號進行匹配濾波，匹配後的信號通過數據採樣模塊18進行採樣，得到一組採樣值yjm(0)，yjm(1)，…，yjm(S-1)，m＝1，…，M，j＝1，…，N，不同的接收天線上的信號通過數據採樣模塊18獲得的採樣值不同。數據採樣模塊18輸出的採樣值輸入異步MIMO檢測模塊，先將第j個接收天線上的採樣值組合成矩陣表達形式，再把不同接收天線上的矩陣表達式進行最大比合併，然後得到碼元符號的估計值，最後通過分層空時解碼獲得恢復數據。
本發明的創新之處現有的多入多出通信方法中，信號都是同步發射的，並採用MIMO的檢測方法恢復出發射信號。本發明提出的一種信號異步發射的多入多出通信方法，通過對發射信號進行不同的延時，使發射信號異步發射，在接收端採用相應的異步MIMO檢測方法恢復發射信號。發射端信號的異步發射利用了延時分集，接收端的異步MIMO檢測算法增加了接收分集度，能夠提高多入多出系統的鏈路質量，降低誤碼率，提高系統性能。
本發明的實質本發明提出的一種信號異步發射的多入多出通信方法，其特徵是採用分層空時碼結構，發射機對不同發射天線上的信號延遲後異步發射，接收機採用異步MIMO檢測方法對信號進行檢測。在發射端通過對發射信號進行不同的延時，利用了延時分集帶來的增益；在接收端採用異步MIMO檢測算法，增加了接收分集度，能夠提高多入多出系統的鏈路質量，降低誤碼率，提高系統性能。
本發明的優點是本發明提出的一種信號異步發射的多入多出通信方法，在保留現有採用分層空時碼的MIMO通信方法頻譜利用率高，系統容量大的基礎上，引入了延時分集，增加了接收分集度，進一步降低了誤碼率，能夠提高鏈路質量和整體系統性能。
綜上所述，本發明提出的一種信號異步發射的多入多出通信方法，通過在發射端對不同發射天線上的信號進行時延，使信號異步發射；在接收機採用異步MIMO檢測方法恢復出信號。發射端對不同發射天線上的信號的不同時延，引入了延遲分集，接收端的異步MIMO檢測算法增加了接收分集度，能夠提高多入多出系統的鏈路質量，降低誤碼率，提高系統性能。
圖1是現有的基於分層空時碼結構的MIMO系統示意圖其中，1是發射數據模塊，2是分層空時編碼模塊，3是數模轉換模塊，4是射頻處理1模塊4，5是發射天線，6是接收天線，7是射頻處理2模塊，8是模數轉換模塊，9是MIMO檢測模塊，10是分層空時解碼模塊，11是恢復數據模塊，TX1代表發射天線1，TXk代表發射天線k，TXM代表發射天線M，RX1代表接收天線1，RXk代表接收天線k，RXN代表接收天線N，D/A代表數模轉換，A/D代表模數轉換，射頻1_1代表射頻處理1模塊的第1個子模塊，射頻1_k代表射頻處理1模塊的第k個子模塊，射頻1_M代表射頻處理1模塊的第M個子模塊，射頻2_1代表射頻處理2模塊的第1個子模塊，射頻2_k代表射頻處理2模塊的第k個子模塊，射頻2_N代表射頻處理2模塊的第N個子模塊。圖2是本發明的異步發射信號多入多出通信方法發射機示意圖其中，1是發射數據模塊，2是分層空時編碼模塊，12是成幀模塊，13是延時模塊，14是添加保護間隔模塊，3是數模轉換模塊，15是射頻處理3模塊，5是發射天線，TX1代表發射天線1，TXk代表發射天線k，TXM代表發射天線M，D/A代表數模轉換，τ1表示第1個發射天線上信號的延遲，τk表示第k個發射天線上信號的延遲，τM表示第M個發射天線上信號的延遲，射頻3_1代表射頻處理3模塊的第1個子模塊，射頻3_k代表射頻處理3模塊的第k個子模塊，射頻3_M代表射頻處理3模塊的第M個子模塊，。
圖3是本發明的異步發射信號多入多出通信方法接收機示意圖其中，6是接收天線，16是射頻處理4模塊，17是匹配濾波器組模塊，18是數據採樣模塊，19是異步MIMO檢測模塊，10是分層空時解碼模塊，11是恢復數據模塊，r1(t)表示第1個接收天線上經過射頻處理後得到的信號，rN(t)表示第1個接收天線上經過射頻處理後得到的信號，yjm(l)(m＝1，…，M，j＝1，…，N，l＝0，…，S-1)表示第j個接收天線上的信號經過發射天線m匹配濾波器後在l時刻的採樣，t＝(l+1)T+τm(m＝1，…，M)表示經過發射天線m匹配濾波器後的信號在不同l時刻的採樣時間。
圖4是本發明的異步發射信號示意圖其中，τk(k＝1，…，M)表示第k個發射天線上信號的延遲，Tgk(k＝1，…，M)為第k個發射天線上添加的保護間隔的時間長度，bk(i)(k＝1，…，M，i＝0，…，S-1)為第k個發射天線第i個符號持續時間內發射的符號。
圖5是本發明異步發射信號多入多出通信方法的發射流程示意框6是本發明異步發射信號多入多出通信方法的接收流程示意框圖
具體實施例方式本發明提供的一種信號異步發射的多入多出通信方法，包括發射機和接收機兩大部分，如圖2、圖3所示。下面給出該方法的一個實施例，發射天線數M＝2，接收天線數N＝2，數據幀的幀長為S＝2，Es＝1，採用平均功率分配，基帶脈衝波形採用矩形波，發射天線的延時分別為τ1＝0，τ2＝0.6Ts，Ts＝1μs，添加的保護間隔Tg1＝0.6Ts，Tg2＝0，保護間隔內數據為零。
在上述參數的情況下，本發明提供的一種信號異步發射的多入多出通信方法的具體實現步驟描述如下，發射機如圖2所示在發射端，發射數據經過分層空時編碼2、成幀模塊12、延時模塊13和添加保護間隔模塊14後，發射天線1上和發射天線2上的低通等效復基帶信號可分別表示為s1(t)=12i=01b1(i)g(t-iTs)---(23)]]>s2(t)=12i=01b2(i)g(t-iTs-0.6Ts)---(24)]]>發射天線1和發射天線2上的信號經過射頻處理步驟後發送到無線信道中。
接收機如圖3所示，在接收端，通過射頻處理步驟後得到接收信號r1(t)和r2(t)，表示如下
r1(t)=12i=01k=12bk(i)h1,k(i)g(t-iTs-k)+n1(t)---(25)]]>r2(t)=12i=01k=12bk(i)h2,k(i)g(t-iTs-k)+n2(t)---(26)]]>經過匹配濾波器組模塊17和數據採樣模塊18後，接收天線1和接收天線2上第m個匹配濾波器在l時刻的採樣值可表示如下y1m(l)=12i=01k=12Rm,k(l-i)h1,k(i)bk(i)+n1m(l)---(27)]]>y2m(l)=12i=01k=12Rm,k(l-i)h2,k(i)bk(i)+n2m(l)---(28)]]>接收天線1和接收天線2的採樣值輸入異步MIMO檢測模塊後，經過數據重新組合成的矩陣表達式可分別表示為Y1=12RH1b+n1---(29)]]>Y2=12RH2b+n2---(30)]]>上式各變量定義如(15)式～(19)式所示。對接收天線1的信號和接收天線2進行最大比合併可得Y=12Hb+N---(31)]]>最後進行迫零檢測恢復出信號的估計值表示如下＝b+HN (32)信號的估計值通過分層空時解碼模塊10後得到恢復數據。
上述一種信號異步發射的多入多出通信方法的實施例可採用C語言編程實現，通過計算機仿真可知，與現有信號同步發射的多入多出通信方法相比，它具有提高多入多出系統的鏈路質量，降低誤碼率，提高系統性能等優點。
權利要求
1.一種信號異步發射的多入多出通信方法，其特徵是它包括發射步驟和接收步驟；一種信號異步發射的多入多出通信方法的發射機有M(M為正整數)個發射天線，所述的發射步驟包括步驟1分層空時編碼採用分層空時編碼技術，將輸入的發射數據(1)編碼為M路並行的數據符號流輸出，其中分層空時編碼技術可以是V-BLAST編碼技術，也可以是H-BLAST編碼技術或者D-BLAST編碼技術；步驟2成幀採用成幀技術，將步驟1輸出的M路數據符號流分別組成多個一定長度的數據幀輸出；每個數據幀長度相等，所述數據幀的長度大於等於2，數據幀的長度由工程上接收機複雜度要求和系統誤碼率性能要求等因素決定；具體表示為設第k個天線上第i個數據符號為bk(i)，其中k＝1，…，M，數據幀的長度為S，即包含S個數據符號，S≥2；成幀步驟將每路數據符號結合成多個長度為S的數據幀輸出，第k路數據符號對應的一個數據幀包含S個符號，即bk(0)，bk(1)，…，bk(S-1)；步驟3延時採用延時技術，將由步驟2輸出的M路上的每個數據幀分別進行時間延遲，設第k個發射天線上的數據幀的延遲時間為τk，則第k路上的數據幀延遲τk，其中k＝1，…，M；要求每幀數據的延遲時間τk小於若干個符號周期，即0≤τk＜ΔTs(Δ為大於0的正整數)；不同支路上的時延τk可以均不相等，或部分不相等，並存在一組最佳時延τ1，τ2，…，τM使系統誤碼率性能最優；工程上的τk大小由系統頻譜利用率、系統誤碼率性能要求等因素決定；步驟4添加保護間隔採用添加保護間隔技術，將步驟3輸出的每個數據幀的尾部添加一定時間長度的保護間隔；該保護間隔內可以置零，也可以放置其他可避免幀與幀之間幹擾的數據；工程上保護間隔的時間長度由每路數據的延遲時間和系統的頻譜利用率要求決定；假設第k路上已經延時τk的數據幀後增加時間長度為Tgk的保護間隔，要求τk+Tgk＝τm+Tgm，k，m∈{1，2，…，M}；步驟5數模轉換將步驟4輸出的M路的數位訊號轉換為M路模擬信號輸出；步驟6發射射頻處理將步驟5輸出的M路模擬信號進行射頻處理，獲得滿足發射要求的M路信號，從M個發射天線上發射，其中不同發射天線所對應的射頻處理過程可以不同；每個發射天線上以一幀數據為例，採用保護間隔內置零的方法，經過步驟1、2、3、4後，得到對應於發射天線k的低通等效復基帶信號可表示為sk(t)=EsMi=0S-1bk(i)g(t-iTs-k),k=1,,M---(1)]]>其中，bk(i)為對應於第k個發射天線第i個符號持續時間內發射的符號，bk(i)=0,i{0,1,,S-1};]]>Es為符號能量，公式(1)中表示發射天線採用平均功率分配的形式，每個發射天線的發射功率為 本發明的發射天線也可採用其他功率分配形式；Ts為數據bk(i)一個符號的周期；g(t)為發射天線的等效復基帶波形，g(t)滿足g(t)=0,t
]>||g(t)||2=0Tsg*(t)g(t)dt=1,]]>其中上標*表示復共軛；一種信號異步發射的多入多出通信方法的接收機有N(N為正整數)個接收天線，所述的接收步驟包括步驟7接收射頻處理接收天線6收到的信號經過接收射頻處理後，得到N個基帶信號rj(t)，j＝1，…，N，不同接收天線所對應的射頻處理過程可以不同；接收機第j個接收天線6經過接收射頻處理步驟7後的信號rj(t)為rj(t)=EsMi=0S-1k=1Mbk(i)hj,k(i)g(t-iTs-k)+nj(t)---(2)]]>其中，hj，k(i)為i時刻從第k個發射天線到第j個接收天線的信道衰落因子，nj(t)是第j個接收天線上的加性復高斯白噪聲；步驟8匹配濾波對步驟7輸出的N個基帶信號rj(t)，j＝1，…，N進行匹配濾波處理，第j個接收天線上的基帶信號rj(t)通過M個匹配濾波器，輸出M路信號；同理，N個接收天線上的基帶信號分別通過M個匹配濾波器後，共得到M×N路信號；該步驟表示如下接收信號rj(t)通過發射天線m(1≤m≤M的正整數)的匹配濾波器後l時刻的輸出為yjm(l)=lTs+m(l+1)Ts+mrj(t)g*(t-lTs-m)dt,m=1,M---(3)]]>將(2)式帶入(3)式得到yjm(l)=EsMi=0S-1k=1Mhj,k(i)bk(i)lTs+m(l+1)Ts+mg(t-iTs-k)g*(t-lTs-m)dt]]>+lTs+m(l+1)Ts+mnj(t)g*(t-lTs-m)dt]]>(4)設Rm,k(l-i)=lTs+m(l+1)Ts+mg(t-iTs-k)g*(t-lTs-m)dt---(5)]]>njm(l)=lTs+m(l+1)Ts+mnj(t)g*(t-lTs-m)dt---(6)]]>則(4)式可簡化為yjm(l)=EsMi=0S-1k=1MRm,k(l-i)hj,k(i)bk(i)+njm(l)---(7)]]>步驟9數據採樣採用數據採樣技術對步驟8中匹配濾波器輸出的信號，在t時刻連續進行採樣，得到多個離散的採樣值；該步驟表示為對於第j個接收天線第m個匹配濾波器的輸出信號在t＝(l+1)T+τm(l＝0，…，S-1，τm為第m個發射天線上信號的時延)獲得S個採樣值yjm(0)，yjm(1)，…，yjm(S-1)，m＝1，…，M，j＝1，…，N，不同的接收天線上的信號通過數據採樣獲得的採樣值不同；步驟10異步MIMO檢測首先，對第j個接收天線上經過數據採樣步驟9獲得的採樣值yjm(l)(m＝1，…，M，j＝1，…，N，l＝0，…，S-1)進行數據組合得到對應的矩陣表達式，具體表示如下引入MT×MT的信道相關矩陣R(l-i)，其元素為Rm，k(l-i)；R(l-i)滿足R(l-i)＝RH(i-l) (8)其中(·)H表示復共軛轉置；由g(t)=0,t
]>且0≤τk＜ΔTs，R(l-i)＝0，|l-i|＞Δ (9)設第j個接收天線在第l個符號對應時隙的對角信道矩陣為hj(l)＝diag{hj，1(l)，hj，2(l)，…，hj，M(l)}(10)第j個接收天線M個匹配濾波器在l＝0，1，…，S-1時刻的輸出式(7)可表示為向量形式yj(l)=EsMTi=0S-1R(l-i)hj(i)b(i)+nj(l)---(11)]]>其中yj(l)=(yj1(l),yj2(l),,yjM(l))T,]]>b(i)＝(b1(i)，b2(i)，…，bM(i))T，nj(l)=(nj1(l),nj2(l),,njM(l))T;]]>下面把(11)式表示成更簡潔的矩陣形式；定義 Hj＝diag{hj(0)，hj(1)，…，hj(S-1)}(13)Yj=(yjT(0),yjT(1),,yjT(S-1))T---(14)]]>b＝(bT(0)，bT(1)，…，bT(S-1))T(15)nj=(njT(0),njT(1),,njT(S-1))T---(16)]]> 是SMT×SMT的塊對稱Toeplitz矩陣，Hj是SMT×SMT對角矩陣；從符號時隙0到S-1在接收天線j上進行匹配濾波，提取到的-信號採樣值Yj可表示為 上式即第j個接收天線上的採樣值yjm(l)(m＝1，…，M，j＝1，…，Nl＝0，…，S-1)進行數據組合後得到的矩陣表達式；同理，N個接收天線上經過數據採樣步驟9獲得的採樣值進行數據組合後可得到N個不同的矩陣表達式；接著，將這N個矩陣表達式進行最大比合併，具體表示如下對N個不同的接收天線對應的矩陣表達式進行最大比合併可得N個接收天線的聯合矩陣表達式Y=j=1NHjHYj]]> (18)設 N=j=1NHjHnj,]]>則上式可化為Y=EsMHb+N---(19)]]>最後，基於N個接收天線的聯合矩陣表達式(19)，利用直接迫零(ZFZero-Forcing)、排序幹擾對消等方法可恢復出碼元符號b的估計值 其他任何可恢復出估計值 的檢測方法也適用於本發明的檢測步驟；步驟11分層空時解碼採用分層空時解碼技術，將步驟10得到的碼元符號的估計值 解碼，得到恢復數據，其中分層空時解碼技術可以是V-BLAST解碼技術，也可以是H-BLAST解碼技術或者D-BLAST解碼技術。
全文摘要
本發明公開了一種信號異步發射的多入多出通信方法，其特徵是採用分層空時碼結構，發射機對不同發射天線上的信號延遲後異步發射，接收機採用異步MIMO檢測方法對信號進行檢測。在發射端通過對發射信號進行不同的延時，利用了延時分集帶來的增益；在接收端採用異步MIMO檢測算法，增加了接收分集度，能夠提高多入多出系統的鏈路質量，降低誤碼率，提高系統性能。
文檔編號H04L1/06GK1901434SQ200510021289
公開日2007年1月24日 申請日期2005年7月19日 優先權日2005年7月19日
發明者唐友喜, 孔婷, 趙宏志, 邵士海 申請人:電子科技大學