個人網絡mc－ss系統中的空碼塊碼發射、接收裝置及方法
2023-04-25 00:41:31 4
專利名稱:個人網絡mc－ss系統中的空碼塊碼發射、接收裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種多載波擴頻系統中的塊碼傳輸裝置及方法，尤其涉及一種個人網絡MC-SS系統中的空碼塊碼傳輸裝置及方法。
背景技術：
九十年代末，Alamouti提出了著名的空時塊碼技術，利用多天線在空域和時域進行塊碼傳輸，以獲得最大空間分集，改善系統性能。
隨著移動通信市場的迅速發展，傳統的窄帶通信已經不能滿足人們日益增長的需要，自第三代(3G)無線通信系統以後，寬帶無線通信系統已經成為主流。與此同時，寬帶無線通信系統中顯現的頻率選擇性衰落特性，使得傳統單載波通信系統的時域均衡代價過高，難以有力地支持關鍵的多天線技術。多載波通信系統因此取代單載波系統，成為後3G無線通信系統的主要解決方案。
在多載波系統中，傳統的空時塊碼仍然可以一樣地應用，只是在時域，用於前後相繼的兩個OFDM符號上。對於移動速度較慢的場景，信道變化緩慢，相繼兩個OFDM符號的對應子載波上信道響應基本相同，因此可以採用空時塊碼傳輸。移動速度的增大時，空時塊碼的正交性會受到一定程度的影響。此外，這種多載波系統的空時塊碼傳輸方案會對實際通信系統的幀結構設計帶來限制，要求時域傳輸單元內的OFDM符號個數是空時塊碼長度的整數倍。因此，在多載波系統中，利用多天線在空域和頻域進行塊碼傳輸，成為一種很自然的方案。隨後，將空時塊碼同空頻塊碼結合，得到多載波系統中的空時頻塊碼傳輸方案。
傳統的空時塊碼STBC應用於多載波系統時，需要在連續兩個OFDM符號上進行空時編碼，所以要求每幀中用空時塊碼傳輸的OFDM符號數量為偶數，這對多載波系統的幀長提出了額外的要求。傳統的空頻塊碼在連續兩個子載波上進行空頻編碼，其解碼算法是基於連續兩個子載波的信道相應相同的假設，由於寬帶無線通信系統的信道在頻域的變化顯著快於信道在時域上的變化，所以該假設在顯著的頻率選擇性信道下將不能很好地保持有效。以上技術均未考慮到利用擴頻碼域進行多天線塊碼傳輸。
2004年底歐盟針對個人網絡技術而提出的MC-SS空中接口方案，與傳統的OFDM系統不同，它在多載波系統的基礎上，進行了擴頻和多碼傳輸。個人網絡MC-SS系統與城域和廣域蜂窩網絡MC-CDMA系統也有所不同。在蜂窩網中，由於基站和用戶之間是點對多點的星形拓撲，所以各用戶需要進行多址接入，MC-CDMA系統中的擴頻碼主要是用於區分用戶和多址接入(MA)，並藉此提高蜂窩網系統的軟容量。在個人網絡中，MC-SS系統物理層採用網狀拓撲，各設備之間的鏈路通信主要採用時分復用，因此擴頻碼不用於區分用戶或多址接入，而是用於多碼傳輸。並且由於MC-SS系統是針對個人網絡高數據速率空中接口所設計，所以大量的多碼復用是MC-SS系統工作的主要模式。
發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種個人網絡MC-SS系統中的空碼塊碼發射、接收裝置及方法，其利用信道映射，使不同的碼道具有完全相同的映射信道，從而在頻率選擇性衰落的情況下，仍然能夠通過空域和碼域實現良好的塊碼傳輸，獲得良好的空間分集。
為了解決上技術問題本發明所採用的技術方案是一種個人網絡MC-SS系統的空碼塊碼發射裝置，其包括SCBC編碼器，用於對輸入的經編碼交織和調製後的信號進行塊編碼，對每Q個輸入信號，經過線性變換後輸出M個發射天線和J個碼道的信號；M個擴頻及多碼復用模塊，用於對各個碼道的信號進行擴頻後，將各碼道的信號疊加在一起；M個OFDM調製模塊，用於將頻域的信號經過子載波映射，IDFT變換，插入循環前綴等，轉換為時域信號。
相應地，本發明還提供一種個人網絡MC-SS系統的空碼塊碼發射方法，包括如下步驟步驟1、首先，對輸入的經編碼交織和調製後的信號進行塊編碼，對每Q個輸入信號，經過線性變換後輸出M個發射天線和J個碼道的信號；步驟2、對各個碼道的信號進行擴頻後，將各碼道的信號疊加在一起；步驟3、將頻域的信號經過子載波映射，IDFT變換，插入循環前綴等，轉換為時域信號。
進一步地，本發明還提供一種個人網絡MC-SS系統的空碼塊碼接收裝置，其包括OFDM解調模塊，將接收到的基帶信號變換為頻域信號；信道估計模塊，利用MC-SS系統中的訓練序列和導頻信息，對頻域信號進行MIMO信道估計；均衡模塊，對數據子載波上的頻域信號，利用信道估計的結果進行頻域均衡，得到發射天線m接收天線n數據子載波p上均衡後的信號；解擴頻模塊，用於對均衡後的信號，用擴頻碼進行解擴頻和解多碼復用，得到各碼道的信號，輸出給空碼塊碼解碼器作為數據信號輸入；信道變換模塊，用於對估計出的信道響應值進行變換，得到空碼塊碼的等效信道，提供給空碼塊碼解碼器作為信道值輸入；空碼塊碼解碼器，其使用經過信道變換後的信道值，對各發射天線各碼道的信號，進行解碼。
相應地，本發明還提供一種個人網絡MC-SS系統的空碼塊碼接收方法，其包括如下步驟步驟1，將接收到的基帶信號變換為頻域信號；步驟2，利用MC-SS系統中的訓練序列和導頻信息，對頻域信號進行MIMO信道估計；步驟3，對數據子載波上的頻域信號，利用信道估計的結果進行頻域均衡，得到發射天線m接收天線n數據子載波p上均衡後的信號；步驟4，對均衡後的信號，用擴頻碼進行解擴頻和解多碼復用，得到各碼道的信號，輸出給空碼塊碼解碼器作為數據信號輸入；步驟5，對估計出的信道響應值進行變換，得到空碼塊碼的等效信道，提供給空碼塊碼解碼器作為信道值輸入；步驟6，使用經過信道變換後的信道值，對各發射天線各碼道的信號，進行解碼。
本發明中所提出的個人網絡MC-SS系統中的空碼塊碼傳輸裝置及方法其主要優勢在於同傳統的空時塊碼(STBC)方案相比，取消了對MC-SS系統幀長的限制，允許幀長為任意數量的MC-SS符號，從而可以使信令幀等保持較小的開銷；同空頻塊碼(SFBC)方案相比，由於SCBC的映射信道對於所有碼道都完全相同，所以SCBC不需要象SFBC那樣假設頻域信道相等，因此在頻率選擇性信道下，SCBC具有很好的魯棒性。
圖1是本發明的空碼塊碼傳輸的發射機的結構示意圖。
圖2是本發明的空碼塊碼傳輸的接收機的結構示意圖。
圖3是本發明的2×2 MIMO MC-SS系統的誤幀率性能。
圖4是採用SCBC的2×2 MIMO MC-SS系統，同單天線SISO MC-SS系統的誤幀率性能比較。
圖5是採用SCBC的2×2 MIMO MC-SS系統，在不同的調製編碼模式下的性能比較。
圖6是採用SCBC的2×2 MIMO MC-SS系統，在不同碼道數量下的性能比較。
圖7是採用SCBC的2×2 MIMO MC-SS系統，同採用SFBC的2×2 MIMO MC-SS系統的誤幀率性能比較。
具體實施方式下面以40MHz採樣頻率的基本MC-SS系統為基礎，以2×2的空碼塊碼為例，具體說明本發明在個人網絡中的應用方法。
對40MHz採樣頻率的MC-SS系統，其基本系統參數如表1所示表一 40MHz採樣頻率MC-SS系統的基本參數
在本具本實施例中，所述的發射機包括SCBC編碼器，用於對輸入的經編碼交織和調製後的信號進行塊編碼，對每Q個輸入信號，經過線性變換後輸出M個發射天線和J個碼道的信號；Q是SCBC編碼器每次處理的輸入數據個數，J是SCBC編碼器每次輸出到的碼道個數，比如2×2的SCBC編碼器，每次處理2個輸入數據s1和s2，輸出到2個碼道。每次輸出的碼道個數J應是總碼道個數K的因子，比如，共使用K＝8個碼道，每次輸出J＝2個碼道，則SCBC編碼器處理4次後，完成一組8個碼道的輸出。
M個擴頻及多碼復用模塊，用於對各個碼道的信號進行擴頻後，將各碼道的信號疊加在一起；M個OFDM調製模塊，用於將頻域的信號經過子載波映射，IDFT變換，插入循環前綴等，轉換為時域信號。
所述時域信號經過峰均比抑制、上變頻等後續環節後，從對應的天線(共有M個天線)上發射出去。
對應地，發射機實施的具體步驟如下1)MC-SS系統經過編碼交織和調製後的信號s(k)，送入SCBC編碼器。
2)SCBC編碼器對輸入的信號進行塊編碼，對每相鄰2個輸入信號s(2k)和s(2k+1)(k＝0，1，…)，經過如下的線性變換後，輸出2個發射天線的2個碼道的信號s1(2k)s2(2k)s1(2k+1)s2(2k+1)=10000010000-10100s(2k)s*(2k)s(2k+1)s*(2k+1)]]>或s1(2k)＝s(2k) s2(2k)＝s(2k+1)s1(2k+1)＝-s*(2k+1) s2(2k+1)＝s*(2k)其中sm(k)表示輸出到第m個發射天線的第k個輸出信號，m＝1，2，上標*表示復共扼。對第m個發射天線上的輸出信號skm，依次輸出到相繼的碼道，8個碼道用完後，繼續輸出到下一個擴頻子載波組，一個MC-SS符號的24個擴頻子載波組用完後，繼續輸出到下一個MC-SS符號。
3)對每個發射天線，各個碼道的信號分別經過該碼道對應的擴頻碼進行擴頻後，送入擴頻及多碼復用模塊。對於第m個發射天線第q個擴頻子載波組中的8個碼道上的一組信號，擴頻及多碼復用模塊的算法可以由下式表示xm(8q)xm(8q+1)Mxm(8q+7)=W8sm(8q)sm(8q+1)Msm(8q+7),]]>q＝0，1，L，23其中xm(p)為數據子載波p上的發送信號，p＝0，1，…，191，W8是以長度為SF＝8的各個擴頻碼字為列向量所構成的擴頻矩陣。對於8個碼道的MC-SS傳輸系統，W8可以取為
W8=111111111-11-11-11-111-1-111-1-11-1-111-1-111111-1-1-1-11-11-1-11-1111-1-1-1-1111-1-11-111-1]]>4)對每個發射天線，在OFDM調製模塊中，將192個數據信號映射到相應的192個數據子載波上，經過大小為256*KOS的IDFT變換(KOS為過採樣因子)，插入循環前綴等，轉換為時域信號。該時域信號經過峰均比抑制、上變頻等後續環節後，從天線上發射出去。
進一步地，如圖2所示本發明的個人網絡MC-SS系統的空碼塊碼接收裝置包括OFDM解調模塊，將接收到的基帶信號變換為頻域信號；設接收天線n數據子載波p上的接收信號為rnp。
信道估計模塊，利用MC-SS系統中的訓練序列和導頻信息，對頻域信號進行MIMO(多輸入多輸出)信道估計；設發射天線m接收天線n數據子載波p的信道響應估計值為
均衡模塊，對數據子載波上的頻域信號，利用信道估計的結果進行頻域均衡，得到發射天線m接收天線n數據子載波p上均衡後的信號為zm,np=gm,nprnp]]>其中gm，np為均衡器係數，它可以是信道響應估計值
和信噪比γ等參數的函數。
解擴頻模塊，用於對均衡後的信號，用擴頻碼進行解擴頻和解多碼復用，得到各碼道的信號，輸出給空碼塊碼解碼器作為數據信號輸入。
信道變換模塊，用於對估計出的信道響應值
進行變換，得到空碼塊碼的等效信道，提供給空碼塊碼解碼器作為信道值輸入。
作為一個示例，對應於第m個發射天線的第q個擴頻子載波組的SCBC等效信道估計值可以表示為H^m,nq=(p=(q-1)SFqSF-1gm,np)-1]]>其中SF為MC-SS系統的擴頻因子。
值得指出的是映射信道值與碼道無關，碼道1～K的映射信道完全相同。這為空碼塊碼的應用提供了良好的基礎。
空碼塊碼解碼器，其使用經過信道變換後的信道值，對各發射天線各碼道的信號，進行解碼。
將空碼塊碼解碼器的輸出信號，送入後續的MC-SS解碼檢測裝置，獲得發送的數據信息。
相應地，本實施例中接收機的相應步驟具體如下1)對接收到的基帶信號，通過OFDM解調，變換為頻域信號，設第n個接收天線第p個數據子載波上的接收信號為rnp。
2)利用MC-SS系統中的訓練序列和導頻信息，進行信道估計，設第m個發射天線第n個接收天線第p個數據子載波的信道響應估計值為
3)對每個接收天線的數據子載波上的頻域信號，利用信道估計得到的MIMO信道響應，進行頻域均衡，得到第m個發射天線第n個接收天線第p個數據子載波上均衡後的信號為zm,np=gm,nprnp]]>對ZF均衡器，均衡器係數gm，np為gm,np=H^m,npH/|H^m,np|2]]>其中運算|X|2可以表示為|X|2＝XHX，上標H表示共扼轉置。
4)對192個數據子載波上的信號，分別用擴頻矩陣W8對數據子載波上的信號進行解擴頻和解多碼復用。對於發射天線m的擴頻子載波組q中的8個碼道上的一組信號，解擴頻模塊的輸出可表示為ym,n(8q)ym,n(8q+1)Mym,n(8q+7)=W8Tzm,n8qzm,n8q+1Mzm,n8q+7,]]>q＝0，1，L，24其中上標T表示矩陣轉置。
將各碼道的信號輸出給空碼塊碼解碼器作為數據信號輸入。
5)信道變換模塊利用均衡器係數gm，np作為輸入，得到空碼塊碼的等效信道，提供給空碼塊碼解碼器作為信道值輸入。
對應於第m個發射天線的第q個擴頻子載波組的SCBC等效信道估計值可以表示為H^m,nq=|p=8(q-1)8q-1gm,np|-2]]>
其中SF為MC-SS系統的擴頻因子，gm，np為均衡器係數，它可以是信道響應估計值
和信噪比γ等參數的函數，運算操作|X|-2＝1/|X|2。
6)空碼塊碼解碼器使用變換後的信道值
對2個發射天線對應的第q個擴頻子載波組中的每相鄰2個碼道的信號ym，n(k)和ym，n(k+1)，進行聯合解碼，解碼算法可以表示如下s^(2k)=n=1NH^1,nqy1,n(k)+H^2,nqy2,n*(k+1)n=1NH^1,nq+H^2,nq]]>s^(2k+1)=n=1NH^2,nqy2,n(k)+H^1,nqy1,n*(k+1)n=1NH^1,nq+H^2,nq]]>其中
為空碼塊碼解碼模塊的輸出信號。
7)將空碼塊碼解碼器的輸出信號，送入後續的MC-SS解碼檢測裝置，檢測出發送的數據信息。
以下為應用本發明的方法和裝置於MIMO MC-SS系統中，獲得的誤幀率性能仿真結果。仿真在SystemC平臺上進行，採用40MHz採樣頻率的MC-SS系統的標準參數配置，採用MAGNET根據個人網絡場景測量獲得的頻率選擇性信道模型，調製編碼方式為16QAM調製，2/3卷積編碼，8個碼道傳輸，MIMO信道估計採用基於雙天線正交訓練序列的LS算法和線性插值。
圖3是本實施例的2×2 MIMO MC-SS系統所獲得的誤幀率性能。圖中點劃線是理想信道估計下的誤幀率，實線是真實信道估計下的誤幀率。由圖可見，真實信道估計的誤幀率性能與理想信道估計的誤幀率性能相差不大，約在0.3dB的範圍內。
圖4是採用SCBC的2×2 MIMO MC-SS系統，同單天線SISO MC-SS系統的誤幀率性能比較。由圖可見，在多天線MIMO MC-SS系統中採用本發明提出的SCBC方法和裝置，能夠獲得空間分集增益，同單天線MC-SS系統相比，誤幀率性能獲得顯著改善。在10-1誤幀率下，信噪比改善約11dB。
圖5是採用SCBC的2×2 MIMO MC-SS系統，在不同的調製編碼模式下的性能比較。由圖可見，在10-1誤幀率下，QPSK調製1/2卷積編碼的性能，比16QAM調製2/3卷積編碼好6dB左右，64QAM調製3/4卷積編碼的性能，比16QAM調製2/3卷積編碼差7dB左右。在很高信噪比下，64QAM高階調製出現性能平板效應，這是因為MC-SS系統的8個碼道之間存在自幹擾，在採用64QAM高階調製的SISO MC-SS系統中，也存在類似的現象。
圖6是採用SCBC的2×2 MIMO MC-SS系統，在不同碼道數量下的性能比較。調製編碼方式為64QAM高階調製，3/4卷積編碼。由圖可見，隨著碼道數量的減少，MC-SS系統的誤幀率性能改善，性能平板效應很快消失。
圖7是採用SCBC的2×2 MIMO MC-SS系統，同採用SFBC的2×2 MIMO MC-SS系統的誤幀率性能比較。由圖可見，SCBC方法所獲得的性能同SFBC非常接近。
權利要求
1.一種個人網絡MC-SS系統的空碼塊碼發射裝置，其特徵在於，包括SCBC編碼器，用於對輸入的經編碼交織和調製後的信號進行塊編碼，對每Q個輸入信號，經過線性變換後輸出M個發射天線和J個碼道的信號；M個擴頻及多碼復用模塊，用於對各個碼道的信號進行擴頻後，將各碼道的信號疊加在一起；M個OFDM調製模塊，用於將頻域的信號經過子載波映射，IDFT變換，插入循環前綴等，轉換為時域信號。
2.一種個人網絡MC-SS系統的空碼塊碼發射方法，其特徵在於，包括如下步驟步驟1、首先，對輸入的經編碼交織和調製後的信號進行塊編碼，對每Q個輸入信號，經過線性變換後輸出M個發射天線和J個碼道的信號；步驟2、對各個碼道的信號進行擴頻後，將各碼道的信號疊加在一起；步驟3、將頻域的信號經過子載波映射，IDFT變換，插入循環前綴等，轉換為時域信號。
3.一種個人網絡MC-SS系統的空碼塊碼接收裝置，其特徵在於，包括OFDM解調模塊，將接收到的基帶信號變換為頻域信號；信道估計模塊，利用MC-SS系統中的訓練序列和導頻信息，對頻域信號進行MIMO信道估計；均衡模塊，對數據子載波上的頻域信號，利用信道估計的結果進行頻域均衡，得到發射天線m接收天線n數據子載波p上均衡後的信號；解擴頻模塊，用於對均衡後的信號，用擴頻碼進行解擴頻和解多碼復用，得到各碼道的信號，輸出給空碼塊碼解碼器作為數據信號輸入；信道變換模塊，用於對估計出的信道響應值進行變換，得到空碼塊碼的等效信道，提供給空碼塊碼解碼器作為信道值輸入；空碼塊碼解碼器，其使用經過信道變換後的信道值，對各發射天線各碼道的信號，進行解碼。
4.根據權利要求
3所述的個人網絡MC-SS系統的空碼塊碼接收裝置，其特徵在於，所述信道變換模塊的輸入信號，可以直接為信道估計模塊的輸出，也可以間接為均衡模塊的輸出。
5.一種個人網絡MC-SS系統的空碼塊碼接收方法，其特徵在於，包括如下步驟步驟1，將接收到的基帶信號變換為頻域信號；步驟2，利用MC-SS系統中的訓練序列和導頻信息，對頻域信號進行MIMO信道估計；步驟3，對數據子載波上的頻域信號，利用信道估計的結果進行頻域均衡，得到發射天線m接收天線n數據子載波p上均衡後的信號；步驟4，對均衡後的信號，用擴頻碼進行解擴頻和解多碼復用，得到各碼道的信號，輸出給空碼塊碼解碼器作為數據信號輸入；步驟5，對估計出的信道響應值進行變換，得到空碼塊碼的等效信道，提供給空碼塊碼解碼器作為信道值輸入；步驟6，使用經過信道變換後的信道值，對各發射天線各碼道的信號，進行解碼。
6.根據權利要求
5所述的個人網絡MC-SS系統的空碼塊碼接收方法，其特徵在於，步驟5中，對應於第m個發射天線的第q個擴頻子載波組的SCBC等效信道估計值可以表示為H^m,nq=(p=(q-1)SFqSF-1gm,np)-1]]>其中SF為MC-SS系統的擴頻因子，其中gm，np為均衡器係數，它可以是信道響應估計值
和信噪比γ等參數的函數。
7.根據權利要求
5所述的個人網絡MC-SS系統的空碼塊碼接收方法，其特徵在於，對應於第m個發射天線的第q個擴頻子載波組的SCBC等效信道估計值可以表示為H^m,nq=|p=(q-1)SFqSF-1gm,np|-2]]>其中SF為MC-SS系統的擴頻因子，gm，np為均衡器係數，它可以是信道響應估計值
和信噪比γ等參數的函數，運算操作|X|-2＝1/|X|2。
8.根據權利要求
5所述的個人網絡MC-SS系統的空碼塊碼接收方法，其特徵在於，步驟6中的解碼算法可以表示如下s^(2k)=n-1NH^1,nqy1,n(k)+H^2,nqy2,n*(k+1)n=1NH^1,nq+H^2,nq]]>s^(2k+1)=n=1NH^2,nqy2,n(k)-H^1,nqy1,n*(k+1)n=1NH^1,nq+H^2,nq]]>其中
為空碼塊碼解碼模塊的輸出信號，
為空碼塊碼解碼器使用變換後的信道值，ym，n(k)和ym，n(k+1)為2個發射天線對應的第q個擴頻子載波組中的每相鄰2個碼道的信號。
專利摘要
本發明提供一種個人網絡MC－SS系統的空碼塊碼發射裝置，其包括SCBC編碼器，用於對輸入的經編碼交織和調製後的信號進行塊編碼，對每Q個輸入信號，經過線性變換後輸出M個發射天線和J個碼道的信號；M個擴頻及多碼復用模塊，用於對各個碼道的信號進行擴頻後，將各碼道的信號疊加在一起；M個OFDM調製模塊，用於將頻域的信號經過子載波映射，IDFT變換，插入循環前綴等，轉換為時域信號。本發明與傳統的空時塊碼方案相比，取消了對MC－SS系統幀長的限制，允許幀長為任意數量的MC－SS符號，從而可以使信令幀等保持較小的開銷；同空頻塊碼方案相比，在頻率選擇性信道下，SCBC具有很好的魯棒性。
文檔編號H04L27/26GK1992584SQ200510112063
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月27日
發明者戎璐, 薛奕冰, 周正嵩, 熊勇, 張小東, 卜智勇 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所, 上海無線通信研究中心導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan