[发明专利]一种信号异步发射的多入多出通信方法

摘要

本发明公开了一种信号异步发射的多入多出通信方法，其特征是采用分层空时码结构，发射机对不同发射天线上的信号延迟后异步发射，接收机采用异步MIMO检测方法对信号进行检测。在发射端通过对发射信号进行不同的延时，利用了延时分集带来的增益；在接收端采用异步MIMO检测算法，增加了接收分集度，能够提高多入多出系统的链路质量，降低误码率，提高系统性能。

主权项

1、一种信号异步发射的多入多出通信方法，其特征是它包括发射步骤和接收步骤；一种信号异步发射的多入多出通信方法的发射机有M(M为正整数)个发射天线，所述的发射步骤包括：步骤1：分层空时编码采用分层空时编码技术，将输入的发射数据(1)编码为M路并行的数据符号流输出，其中分层空时编码技术可以是V-BLAST编码技术，也可以是H-BLAST编码技术或者D-BLAST编码技术；步骤2：成帧采用成帧技术，将步骤1输出的M路数据符号流分别组成多个一定长度的数据帧输出；每个数据帧长度相等，所述数据帧的长度大于等于2，数据帧的长度由工程上接收机复杂度要求和系统误码率性能要求等因素决定；具体表示为：设第k个天线上第i个数据符号为b_k(i)，其中k＝1，…，M，数据帧的长度为S，即包含S个数据符号，S≥2；成帧步骤将每路数据符号结合成多个长度为S的数据帧输出，第k路数据符号对应的一个数据帧包含S个符号，即b_k(0)，b_k(1)，…，b_k(S-1)；步骤3：延时采用延时技术，将由步骤2输出的M路上的每个数据帧分别进行时间延迟，设第k个发射天线上的数据帧的延迟时间为τ_k，则第k路上的数据帧延迟τ_k，其中k＝1，…，M；要求每帧数据的延迟时间τ_k小于若干个符号周期，即0≤τ_k＜ΔT_s(Δ为大于0的正整数)；不同支路上的时延τ_k可以均不相等，或部分不相等，并存在一组最佳时延τ₁，τ₂，…，τ_M使系统误码率性能最优；工程上的τ_k大小由系统频谱利用率、系统误码率性能要求等因素决定；步骤4：添加保护间隔采用添加保护间隔技术，将步骤3输出的每个数据帧的尾部添加一定时间长度的保护间隔；该保护间隔内可以置零，也可以放置其他可避免帧与帧之间干扰的数据；工程上保护间隔的时间长度由每路数据的延迟时间和系统的频谱利用率要求决定；假设第k路上已经延时τ_k的数据帧后增加时间长度为T_gk的保护间隔，要求τ_k+T_gk＝τ_m+T_gm，k，m∈{1，2，…，M}；步骤5：数模转换将步骤4输出的M路的数字信号转换为M路模拟信号输出；步骤6：发射射频处理将步骤5输出的M路模拟信号进行射频处理，获得满足发射要求的M路信号，从M个发射天线上发射，其中不同发射天线所对应的射频处理过程可以不同；每个发射天线上以一帧数据为例，采用保护间隔内置零的方法，经过步骤1、2、3、4后，得到对应于发射天线k的低通等效复基带信号可表示为：sk(t)=EsMΣi=0S-1bk(i)g(t-iTs-τk),k=1,···,M---(1)]]>其中，b_k(i)为对应于第k个发射天线第i个符号持续时间内发射的符号，bk(i)=0,i∉{0,1,···,S-1};]]>E_s为符号能量，公式(1)中表示发射天线采用平均功率分配的形式，每个发射天线的发射功率为本发明的发射天线也可采用其他功率分配形式；T_s为数据b_k(i)一个符号的周期；g(t)为发射天线的等效复基带波形，g(t)满足：g(t)=0,t∉[0,Ts),]]>||g(t)||2=∫0Tsg*(t)g(t)dt=1,]]>其中上标*表示复共轭；一种信号异步发射的多入多出通信方法的接收机有N(N为正整数)个接收天线，所述的接收步骤包括：步骤7：接收射频处理接收天线6收到的信号经过接收射频处理后，得到N个基带信号r_j(t)，j＝1，…，N，不同接收天线所对应的射频处理过程可以不同；接收机第j个接收天线6经过接收射频处理步骤7后的信号r_j(t)为：rj(t)=EsMΣi=0S-1Σk=1Mbk(i)hj,k(i)g(t-iTs-τk)+nj(t)---(2)]]>其中，h_j，k(i)为i时刻从第k个发射天线到第j个接收天线的信道衰落因子，n_j(t)是第j个接收天线上的加性复高斯白噪声；步骤8：匹配滤波对步骤7输出的N个基带信号r_j(t)，j＝1，…，N进行匹配滤波处理，第j个接收天线上的基带信号r_j(t)通过M个匹配滤波器，输出M路信号；同理，N个接收天线上的基带信号分别通过M个匹配滤波器后，共得到M×N路信号；该步骤表示如下：接收信号r_j(t)通过发射天线m(1≤m≤M的正整数)的匹配滤波器后l时刻的输出为yjm(l)=∫lTs+τm(l+1)Ts+τmrj(t)g*(t-lTs-τm)dt,m=1,···M---(3)]]>将(2)式带入(3)式得到：yjm(l)=EsMΣi=0S-1Σk=1Mhj,k(i)bk(i)∫lTs+τm(l+1)Ts+τmg(t-iTs-τk)g*(t-lTs-τm)dt]]>+∫lTs+τm(l+1)Ts+τmnj(t)g*(t-lTs-τm)dt]]>(4)设Rm,k(l-i)=∫lTs+τm(l+1)Ts+τmg(t-iTs-τk)g*(t-lTs-τm)dt---(5)]]>njm(l)=∫lTs+τm(l+1)Ts+τmnj(t)g*(t-lTs-τm)dt---(6)]]>则(4)式可简化为yjm(l)=EsMΣi=0S-1Σk=1MRm,k(l-i)hj,k(i)bk(i)+njm(l)---(7)]]>步骤9：数据采样采用数据采样技术对步骤8中匹配滤波器输出的信号，在t时刻连续进行采样，得到多个离散的采样值；该步骤表示为：对于第j个接收天线第m个匹配滤波器的输出信号在t＝(l+1)T+τ_m(l＝0，…，S-1，τ_m为第m个发射天线上信号的时延)获得S个采样值y_j^m(0)，y_j^m(1)，…，y_j^m(S-1)，m＝1，…，M，j＝1，…，N，不同的接收天线上的信号通过数据采样获得的采样值不同；步骤10：异步MIMO检测首先，对第j个接收天线上经过数据采样步骤9获得的采样值y_j^m(l)(m＝1，…，M，j＝1，…，N，l＝0，…，S-1)进行数据组合得到对应的矩阵表达式，具体表示如下：引入M_T×M_T的信道相关矩阵R(l-i)，其元素为R_m，k(l-i)；R(l-i)满足：                       R(l-i)＝R^H(i-l)                           (8)其中(·)^H表示复共轭转置；由g(t)=0,t∉[0,Ts)]]>且0≤τ_k＜ΔT_s，                       R(l-i)＝0，|l-i|＞Δ                      (9)设第j个接收天线在第l个符号对应时隙的对角信道矩阵为                h_j(l)＝diag{h_j，1(l)，h_j，2(l)，…，h_j，M(l)}    (10)第j个接收天线M个匹配滤波器在l＝0，1，…，S-1时刻的输出式(7)可表示为向量形式yj(l)=EsMTΣi=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)，…，b_M(i))^T，nj(l)=(nj1(l),nj2(l),···,njM(l))T;]]>下面把(11)式表示成更简洁的矩阵形式；定义H_j＝diag{h_j(0)，h_j(1)，…，h_j(S-1)}    (13)Yj=(yjT(0),yjT(1),···,yjT(S-1))T---(14)]]>b＝(b^T(0)，b^T(1)，…，b^T(S-1))^T        (15)nj=(njT(0),njT(1),···,njT(S-1))T---(16)]]>是SM_T×SM_T的块对称Toeplitz矩阵，H_j是SM_T×SM_T对角矩阵；从符号时隙0到S-1在接收天线j上进行匹配滤波，提取到的-信号采样值Y_j可表示为：上式即第j个接收天线上的采样值y_j^m(l)(m＝1，…，M，j＝1，…，Nl＝0，…，S-1)进行数据组合后得到的矩阵表达式；同理，N个接收天线上经过数据采样步骤9获得的采样值进行数据组合后可得到N个不同的矩阵表达式；接着，将这N个矩阵表达式进行最大比合并，具体表示如下：对N个不同的接收天线对应的矩阵表达式进行最大比合并可得N个接收天线的联合矩阵表达式Y=Σj=1NHjHYj]]>(18)设N=Σj=1NHjHnj,]]>则上式可化为Y=EsMHb+N---(19)]]>最后，基于N个接收天线的联合矩阵表达式(19)，利用直接迫零(ZF：Zero-Forcing)、排序干扰对消等方法可恢复出码元符号b的估计值其他任何可恢复出估计值的检测方法也适用于本发明的检测步骤；步骤11：分层空时解码采用分层空时解码技术，将步骤10得到的码元符号的估计值解码，得到恢复数据，其中分层空时解码技术可以是V-BLAST解码技术，也可以是H-BLAST解码技术或者D-BLAST解码技术。