無線通信系統中的信號發送和接收方法與裝置的製作方法
2023-07-26 08:03:36
專利名稱：無線通信系統中的信號發送和接收方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信技術領域，特別涉及一種無線通信系統中的信號發送和接收方法與裝置。
背景技術：
均衡技術通常可分為線性均衡和非線性均衡兩類。線性均衡器相對簡單，信道衰落不嚴重時可以較好地消除信道影響，常用的算法有迫零(ZF)算法和最小均方誤差 (MMSE)算法。當無線信道多徑衰落嚴重時，信道頻域響應中會出現很深的零點。為了補償零點附近的幅度衰落，線性均衡器必須對該段頻譜進行放大，從而也使該頻段的噪聲增強 (特別是ZF均衡器)，降低系統的信噪比。而非線性均衡器在這種惡劣的信道下會有較好的效果，判決反饋均衡器(DFE)是非線性均衡器中常見的一種。多載波正交頻分復用(OFDM)是一種用於頻率選擇性信道的調製方式，它採用K個等間隔的子載波，每個子載波被單獨調製，符號周期是同速率單載波系統的K倍，可以有效地對抗多徑幹擾。同時，OFDM系統在各個符號間插入保護間隔來消除跨符號幹擾。OFDM信號的調製和解調可採用IFFT和FFT實現。由於部分子信道也會面臨深衰落而產生高誤碼率，會對OFDM系統造成誤碼平臺，一般採用強的糾錯編碼來糾正錯誤。但是長信道糾錯編碼會導致系統處理時延很大。故也採用頻域的分集來改善信道。即在不同的子載波上發送相同的信息符號，當各個子載波的衰落獨立的時候可以獲取分集增益，避免深衰落造成的子載波上的數據高誤碼率。採用非ZF算法的線性均衡器，如匪SE均衡器會降低對頻域零點的噪聲放大。但是將帶來均衡器殘餘跨符號幹擾的問題，該殘餘跨符號幹擾會顯著降低調製系統的性能， 導致誤碼率的平臺。非線性均衡器DFE在數據速率較高時的處理複雜度較高，也有穩定性和判決誤碼傳播的問題。因此線性或者非線性的均衡器都有一些缺點，尤其是信道比較惡劣的時候，信道時延比較長，導致了較大跨符號幹擾和較多的頻域零點，MMSE均衡器和DFE 均衡器此時的性能都會較差。OFDM的分集技術可以改善信道響應，這和信道均衡方式不同。不論是線性還是非線性的均衡都是去適應比較差的信道條件，但是比較嚴重的信道跨符號幹擾這時已經形成，單靠均衡器去糾正則為時已晚。但是OFDM的硬體結構很複雜，耗能也高。由於信號被割裂為多個子載波，當所有子載波信號的符號都相同的時候，就會有信號的幅度疊加問題， 稱之為峰均功率比問題(PAPR)。峰均功率比問題使得發射耗能增加數dB，也對自動電平控制(AGC)控制以及高頻部分電路的線性提出了較高的要求。所以OFDM的複雜度、功耗和成本都相對較高。
發明內容
在下文中給出了關於本發明的簡要概述，以便提供關於本發明的某些方面的基本理解。但是，應當理解，這個概述並不是關於本發明的窮舉性概述。它並不是意圖用來確定本發明的關鍵性部分或重要部分，也不是意圖用來限定本發明的範圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出關於本發明的某些概念，以此作為稍後給出的更詳細描述的前序。本發明提出一種時頻域交織的頻域分集線性均衡處理(TFI-FD-LE)技術。通過在發端將原始數據塊進行數據順序重排，再在收端進行頻域最大比合併，可以獲得和OFDM頻分系統相同的子載波頻域分集增益，在長時延信道下顯著改進信道深衰落的狀況。根據本發明的TFI-FD-LE技術的頻域分集增益要求信道的相干帶寬要遠小於通信系統傳輸頻帶。一般來說，在室內的RMS時延為50ns，對應3MHz的相干帶寬；在室外是RMS時延為30us，對應5KHz的相干帶寬。而很多信道，比如說超寬帶室內信道，佔用了 500MHz帶寬；室外無線蜂窩3GPP的LTE有高達20MHz帶寬，遠遠高於響應的相干帶寬。故本發明的使用範圍很廣。根據本發明的TFI-FD-LE技術藉助了頻率選擇性信道中內在的分集特性來完成該時頻交織。因此，根據本發明的TFI-FD-LE技術並不要求如背景技術中描述的那樣利用多天線分集所需的額外RF前端、多天線、單個終端間的中繼操作。這樣，根據本發明的 TFI-FD-LE技術的功率消耗和終端的大小得以降低。根據本發明的一方面，提供了一種無線通信系統中的信號發送方法，其包括如下步驟接收將要發送的原始數據塊，所述原始數據塊的長度為M，其中M為整數；對所述原始數據塊進行一次或多次擾亂，使得在所述一次或多次擾亂中的每一次擾亂中，所述原始數據塊中的M個數據符號被重新排列，從而得到一個或多個長度為M的亂序數據塊；使用循環前綴連接所述原始數據塊和所述一個或多個亂序數據塊，以形成時頻域交織的頻域分集均衡信號；以及通過單載波發送所述頻域分集均衡信號。根據本發明的另一方面，還提供了一種無線通信系統中的信號接收方法，其包括如下步驟獲得時頻域交織的頻域分集均衡信號，所述頻域分集均衡信號包括使用循環前綴連接的原始數據塊和一個或多個亂序數據塊；去除所述循環前綴，以獲得所述原始數據塊和所述一個或多個亂序數據塊；以及對所述原始數據塊和所述一個或多個亂序數據塊進行時域信號合併，以獲得頻域分集合併信號。根據本發明的另一方面，還提供了一種無線通信系統中的信號發送裝置，其包括 原始數據塊接收單元，用於接收將要發送的原始數據塊，所述原始數據塊的長度為M，其中 M為整數；擾亂單元，用於對所述原始數據塊接收單元所接收的所述原始數據塊進行一次或多次擾亂，使得在所述一次或多次擾亂中的每一次擾亂中，所述原始數據塊中的M個數據符號被重新排列，從而得到一個或多個長度為M的亂序數據塊；連接單元，用於使用循環前綴連接所述原始數據塊接收單元所接收的所述原始數據塊和所述擾亂單元所擾亂的所述一個或多個亂序數據塊，以形成時頻域交織的頻域分集均衡信號；以及發送單元，用於通過單載波發送所述連接單元所形成的所述頻域分集均衡信號。根據本發明的另一方面，還提供了一種無線通信系統中的信號接收裝置，其包括 頻域分集均衡信號獲得單元，用於獲得時頻域交織的頻域分集均衡信號，所述頻域分集均衡信號包括使用循環前綴連接的原始數據塊和一個或多個亂序數據塊；信號前綴去除單元，用於去除所述循環前綴，以獲得所述原始數據塊和所述一個或多個亂序數據塊；以及合併單元，用於對通過所述信號前綴去除單元獲得的所述原始數據塊和所述一個或多個亂序數據塊進行時域信號合併，以獲得頻域分集合併信號。
相對於OFDM的子載波頻率分集方式，根據本發明的TFI-FD-LE技術沒有峰均比問題。根據本發明的TFI-FD-LE技術的單載波調製大大降低了 OFDM的射頻器件線性度的要求。降低了設備成本和硬體複雜度。且相對OFDM方式，顯著降低了無線通信的射頻部分功耗(無需數dB的功率回退)，特別適合電池供電的手持超寬帶無線設備。因此應用較廣。根據本發明的TFI-FD-LE技術進行的是時域的交織、收端的最大比合併頻域子信道。在有深衰落的寬帶無線通信傳輸，將很大改善信道，提高接收端的線性均衡器的性能。而且因為這種TFI-FD-LE的分集方式並不要多天線分集的多射頻前端電路。這樣， TFI-FD-LE系統的功率消耗和終端的體積得以降低。根據本發明的技術方案，沒有非線性時域均衡器的複雜度和穩定性問題。線性均衡是FIR系統，因此根據本發明的TFI-FD-LE系統比較穩定可靠。
本發明可以通過參考下文中結合附圖所給出的詳細描述而得到更好的理解，其中在所有附圖中使用了相同或相似的附圖標記來表示相同或者相似的部件。所述附圖連同下面的詳細說明一起包含在本說明書中並形成說明書的一部分，用來進一步舉例說明本發明的優選實施例和解釋本發明的原理和優點。在附圖中圖1是示出根據本發明實施例的無線通信系統中的信號發送方法的流程圖；圖2是示出根據本發明實施例的TFI-FD-LE發端對數據順序亂序的數據塊重複發送的示意圖；圖3是示出根據本發明實施例的無線通信系統中的信號接收方法的流程圖；圖4是示出根據本發明實施例的TFI-FD-LE在收端的解調算法的示意圖；圖5是示出根據本發明實施例的無線通信系統中的信號發送裝置的框圖；以及圖6是示出根據本發明實施例的無線通信系統中的信號接收裝置的框圖。本領域技術人員應當理解，附圖中的元件僅僅是為了簡單和清楚起見而示出的， 而且不一定是按比例繪製的。例如，附圖中某些元件的尺寸可能相對於其它元件放大了，以便有助於提高對本發明實施例的理解。
具體實施例方式在下文中將結合附圖對本發明的示範性實施例進行描述。為了清楚和簡明起見， 在說明書中並未描述實際實施方式的所有特徵。然而，應該了解，在開發任何這種實際實施例的過程中必須做出很多特定於實施方式的決定，以便實現開發人員的具體目標，例如，符合與系統及業務相關的那些限制條件，並且這些限制條件可能會隨著實施方式的不同而有所改變。此外，還應該了解，雖然開發工作有可能是非常複雜和費時的，但對得益於本公開內容的本領域技術人員來說，這種開發工作僅僅是例行的任務。在此，還需要說明的一點是，為了避免因不必要的細節而模糊了本發明，在附圖中僅僅示出了與根據本發明的方案密切相關的裝置結構和/或處理步驟，而省略了與本發明關係不大的其它細節。下面參照附圖詳細描述根據本發明實施例的無線通信系統中的信號發送方法。圖1是示出根據本發明實施例的無線通信系統中的信號發送方法的流程圖。
首先，在步驟SllO中，接收將要發送的原始數據塊。這裡，假定原始數據塊的長度為M，其中M為整數。下一步，在步驟S120中，對原始數據塊進行一次或多次擾亂，得到一個或多個亂序數據塊。根據本發明，在一次或多次擾亂中的每一次擾亂中，原始數據塊中的M個數據符號被重新排列。得到的一個或多個亂序數據塊的長度均為M。下一步，在步驟S130中，使用循環前綴連接原始數據塊和一個或多個亂序數據塊，以形成時頻域交織的頻域分集均衡信號。最後，在步驟S140中，通過單載波發送頻域分集均衡信號。根據本發明，TFI-FD-LE在發端對SC-FDE的數據塊進行數據重排發送，每重複發送一個數據重排的數據塊，在頻域上，相當於增加一個分集支路，即多天線系統的一個天線支路或OFDM頻分系統的一個子載波。如隨機亂序的等效子信道之間的衰落為獨立，則在最大比(MRC)合併下的分集增益為最大。根據本發明的優選實施例，通過單載波在準靜態信道上發送頻域分集均衡信號。根據本發明的優選實施例，基於無線通信系統中的最低傳輸速率的要求和發送頻域分集均衡信號的信道的狀態，來確定對原始數據塊進行擾亂的次數。為了更加具體地描述根據本發明實施例的無線通信系統中的信號發送方法，下面參照圖2進行說明。圖2是示出根據本發明實施例的TFI-FD-LE發端對數據順序亂序的數據塊重複發送的示意圖。時頻域交織的TFI-FD-LE採用如頻域均衡器(FDE) —樣的塊傳輸方式，以應付頻率選擇性信道，這樣可轉換線性卷積到循環卷積的方式。循環前綴(CP)的長度為N，CP的長度超過信道時延傳播的長度，它對每一個數據塊的後部進行複製並連接到每個數據塊的前面。然後，通過CP的移除，跨數據塊的多徑幹擾在接收端被消除。考慮在頻域內交織的可能性，在發送端設計以下的時頻域交織的傳輸塊結構。在時域，TFI-FD-LE的每個數據塊被傳輸兩次。第一個數據塊內的數據順序和原始數據一樣。第二個數據塊內的數據順序是對原始數據進行擾亂，如圖2所示。設第k次傳數塊的第m次符號為sk(m)。在時間k = 0， 2，4，...，每對長為M的塊sk(m)和sk+1 (m)，通過同一個原始數據塊產生，其排列方式定義如下 sk+\m) = sk(I1random ) form = 0,1,...,M-I上面的/Lta代表隨機亂序的序號；這裡的sk(m)就是數據順序不變的原始數據塊；sk+1(m)是sk(m)中的數據序號亂序的排列。而且/Lta要保證數據符號的序號不會重複。 通過該交織的操作，可以在做相應的FDE均衡的時候彌補頻率選擇性信道的頻域零點，這樣也避免了噪聲能量在這些零點的大量增加。以上的方法可以類推到更多的數據塊序列重新排列，以提高頻域分集增益。如果同一個數據塊被傳送為三次，第一次和第二次傳送的數據塊和前面的定義相同，定義第三次重傳的重新排序數據塊為sk+2 (m)，其數據排列的順序如下式表示s Sk(I1random ) form = QX...,M-\
這裡的/Ltom代表sk(m)重新的亂序序號。以上的方法可以類推到sk+3(m)、sk+4(m) 等。同時，以上的數據塊重新排列也可以用以下的置換矩陣來表示sk+1 = Ask這裡的A是一個MXM的等效Sk的置換矩陣。同時，置換矩陣A在接收端已經預知，便於信號均衡解調。每把數據塊重新排列並發送一次，會導致頻譜利用率的下降，這使得總的傳輸系統的數據速率下降，但是也會提高發送信號的功率，並且增加頻域子頻帶的分集增益。根據系統的最低傳輸速率的要求和信道的好壞情形，可以調整數據塊重發的次數，以達到信號傳輸性能和頻譜利用率的最佳折衷。下面參照附圖詳細描述根據本發明實施例的無線通信系統中的信號接收方法。圖3是示出根據本發明實施例的無線通信系統中的信號接收方法的流程圖。首先，在步驟S310中，獲得時頻域交織的頻域分集均衡信號，所述頻域分集均衡信號包括使用循環前綴連接的原始數據塊和一個或多個亂序數據塊。在步驟S310中獲得的時頻域交織的頻域分集均衡信號可以是通過如上所述的根據本發明實施例的無線通信系統中的信號發送方法而發送的頻域分集均衡信號。下一步，在步驟S320中，去除循環前綴，以獲得原始數據塊和一個或多個亂序數據塊。最後，在步驟S330中，對原始數據塊和一個或多個亂序數據塊進行時域信號合併，以獲得頻域分集合併信號。根據本發明，TFI-FD-LE在收端採用線性合併，合併得到頻域分集增益，該線性合併在時域上進行，但等效於頻域的合併，這樣就可以避免因為傳統的在頻域合併頻域分集導致的頻分系統和多天線系統的較高複雜度。因此，本系統無需多天線，也無需OFDM頻分系統，或其他複雜的頻分分集，如跳頻方式的分集。根據本發明的優選實施例，獲得時頻域交織的頻域分集均衡信號可以通過以下實現通過射頻前端接收包含頻域分集均衡信號的信息的無線信號；以及通過模數轉換器和數字濾波器對無線信號進行處理，以獲得頻域分集均衡信號。根據本發明的優選實施例，時域信號合併是最大比合併。根據本發明的優選實施例，該信號接收方法進一步包括以下步驟通過最小均方誤差算法對頻域分集合併信號進行線性均衡；對線性均衡後的頻域分集合併信號進行符號判決或信道解碼，以獲得與原始數據塊相對應的結果數據塊；以及輸出結果數據塊作為原始數據塊的接收結果。參考圖4可以更好地理解根據本發明實施例的無線通信系統中的信號接收方法。圖4是示出根據本發明實施例的TFI-FD-LE在收端的解調算法的示意圖。在接收端，採用如圖4的接收算法，此時雖然是時域的信號合併，但是等效為頻域的分集合併。採用最大比(MRC)的分集合併，可獲得MRC合併的最佳分集階數。這樣，在接收端避免了多天線系統的多射頻、多ADC轉換等等附件，可以降低傳輸系統的複雜度和功耗，降低系統成本。為了便於理解本發明，下面給出當重複發送的數據塊的數量為2時的收端解調算法的實例。這相當於分集支路為2時的情形。當重複發送的重新排序的數據塊超過2的時候，處理的流程和下述的一致，故支路為2的實例可作為通用算法予以參考。
在ADC採樣並在時域中移去CP後，在只有一根發送和接受天線的TFI-FD-LE收發 器上，收端的數據塊k和塊k+1可以視作ー個向量且可表達為以下
權利要求
1.一種無線通信系統中的信號發送方法，包括接收將要發送的原始數據塊，所述原始數據塊的長度為M，其中M為整數； 對所述原始數據塊進行一次或多次擾亂，使得在所述一次或多次擾亂中的每一次擾亂中，所述原始數據塊中的M個數據符號被重新排列，從而得到一個或多個長度為M的亂序數據塊；使用循環前綴連接所述原始數據塊和所述一個或多個亂序數據塊，以形成時頻域交織的頻域分集均衡信號；以及通過單載波發送所述頻域分集均衡信號。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，通過所述單載波在準靜態信道上發送所述頻域分集均衡信號。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，基於所述無線通信系統中的最低傳輸速率的要求和發送所述頻域分集均衡信號的信道的狀態，來確定對所述原始數據塊進行擾亂的次數。
4.一種無線通信系統中的信號接收方法，包括獲得時頻域交織的頻域分集均衡信號，所述頻域分集均衡信號包括使用循環前綴連接的原始數據塊和一個或多個亂序數據塊；去除所述循環前綴，以獲得所述原始數據塊和所述一個或多個亂序數據塊；以及對所述原始數據塊和所述一個或多個亂序數據塊進行時域信號合併，以獲得頻域分集合併信號。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，獲得時頻域交織的頻域分集均衡信號是通過以下實現的通過射頻前端接收包含所述頻域分集均衡信號的信息的無線信號；以及通過模數轉換器和數字濾波器對所述無線信號進行處理，以獲得所述頻域分集均衡信號。
6.根據權利要求4所述的方法，其中，所述時域信號合併是最大比合併。
7.根據權利要求4所述的方法，進一步包括通過最小均方誤差算法對所述頻域分集合併信號進行線性均衡； 對線性均衡後的所述頻域分集合併信號進行符號判決或信道解碼，以獲得與所述原始數據塊相對應的結果數據塊；以及輸出所述結果數據塊作為所述原始數據塊的接收結果。
8.一種無線通信系統中的信號發送裝置，包括原始數據塊接收單元，用於接收將要發送的原始數據塊，所述原始數據塊的長度為M， 其中M為整數；擾亂單元，用於對所述原始數據塊接收單元所接收的所述原始數據塊進行一次或多次擾亂，使得在所述一次或多次擾亂中的每一次擾亂中，所述原始數據塊中的M個數據符號被重新排列，從而得到一個或多個長度為M的亂序數據塊；連接單元，用於使用循環前綴連接所述原始數據塊接收單元所接收的所述原始數據塊和所述擾亂單元所擾亂的所述一個或多個亂序數據塊，以形成時頻域交織的頻域分集均衡信號；以及發送單元，用於通過單載波發送所述連接單元所形成的所述頻域分集均衡信號。
9.根據權利要求8所述的裝置，其中，所述發送單元通過所述單載波在準靜態信道上發送所述連接單元所形成的所述頻域分集均衡信號。
10.根據權利要求8所述的裝置，其中，基於所述無線通信系統中的最低傳輸速率的要求和發送所述頻域分集均衡信號的信道的狀態，所述擾亂單元確定對所述原始數據塊進行擾亂的次數。
11.一種無線通信系統中的信號接收裝置，包括頻域分集均衡信號獲得單元，用於獲得時頻域交織的頻域分集均衡信號，所述頻域分集均衡信號包括使用循環前綴連接的原始數據塊和一個或多個亂序數據塊；信號前綴去除單元，用於去除所述循環前綴，以獲得所述原始數據塊和所述一個或多個亂序數據塊；以及合併單元，用於對通過所述信號前綴去除單元獲得的所述原始數據塊和所述一個或多個亂序數據塊進行時域信號合併，以獲得頻域分集合併信號。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中，所述頻域分集均衡信號獲得單元包括射頻前端，用於接收包含所述頻域分集均衡信號的信息的無線信號；以及模數轉換器和數字濾波器，用於對通過所述射頻前端接收的所述無線信號進行處理， 以獲得所述頻域分集均衡信號。
13.根據權利要求11所述的裝置，其中，所述合併單元進行的所述時域信號合併是最大比合併。
14.根據權利要求11所述的裝置，進一步包括均衡單元，用於通過最小均方誤差算法對通過所述合併單元獲得的所述頻域分集合併信號進行線性均衡；符號判決/信道解碼單元，用於對通過所述均衡單元線性均衡後的所述頻域分集合併信號進行符號判決或信道解碼，以獲得與所述原始數據塊相對應的結果數據塊；以及輸出單元，用於輸出通過所述符號判決/信道解碼單元獲得的所述結果數據塊作為所述原始數據塊的接收結果。
全文摘要
本發明公開了一種無線通信系統中的信號發送和接收方法與裝置。根據本發明的無線通信系統中的信號發送方法包括接收將要發送的原始數據塊，所述原始數據塊的長度為M，其中M為整數；對所述原始數據塊進行一次或多次擾亂，使得在所述一次或多次擾亂中的每一次擾亂中，所述原始數據塊中的M個數據符號被重新排列，從而得到一個或多個長度為M的亂序數據塊；使用循環前綴連接所述原始數據塊和所述一個或多個亂序數據塊，以形成時頻域交織的頻域分集均衡信號；以及通過單載波發送所述頻域分集均衡信號。
文檔編號H04L25/03GK102387104SQ201010273310
公開日2012年3月21日 申請日期2010年9月2日 優先權日2010年9月2日
發明者朱亮, 葛寧, 裴玉奎 申請人:清華大學, 索尼公司