基于空-时-频三维互补码的码片级扩频编码的多载波MIMO系统

摘要

基于空-时-频三维互补码的码片级扩频编码的多载波MIMO系统，涉及基于空-时-频三维互补码的码片级扩频编码的MIMO系统。它解决了采用现有编码方式的MIMO系统的抗多径干扰性能差的问题，现有的编码方式只能用于信道响应为慢衰落的情况，即信道响应在这几个符号位元的时间内就必须保持不变。它的发射端采用空-时-频三维互补码的码片级扩频编码进行扩频；它的接收端采用空-时-频三维互补码的码片级扩频编码进行解扩。本发明的MIMO系统的抗多径干扰性能大幅提高。本发明适用于无线通信过程中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于空-时-频三维互补码的码片级扩频编码的MIMO系统。

背景技术

被称为“第四代移动通信技术”的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)便是针对高频谱利用效率而提出的一种高速传输技术。OFDM技术 具有非常多的优良特性，比如高的频谱利用率、可扩展的带宽、灵活的频谱资源分配、抗 多径衰落等等。然而，OFDM技术依然存在很多缺点如对频偏和相位噪声比较敏感、功 率峰值与均值比大等等，尤其是为了实现由多径产生的符号间干扰，OFDM引入了作为 符号间保护间隔的循环前缀(Cyclic Prefix，CP)。CP的引入确实大大的减少OFDM的衰 减，但却占用了最为宝贵的资源，反而影响了频谱的利用效率。因此期望开发一种能够满 足下一代无线通信诸多需求新的技术，其能够在保障抗多径衰落的前提下，不引入不必要 的资源消耗。

由于具有抗干扰、信号低检测性、保密性、低辐射流密度等众多优势，码分多址 (CDMA，Code Division Multiple Access)技术已经被广泛的应用于第二代和第三代移动通 信系统。CDMA技术是扩频通信技术在多用户通信系统中的应用。在CDMA系统中，各 用户都分配了不同的正交扩频码，利用扩频序列的正交性，可以使所有用户在所有的时间 共享相同的频谱。目前最常见的扩频码不外乎是M-sequence、Gold code与Walsh code以 及OVSF code等，但这些扩频码的正交性并不是非常完美的，这就使得CDMA系统受到 多址干扰(MAI，Multiple Access Interference)和多径干扰(MI，Multi-path Interference) 的影响。尤其在高的数据传输速率下，多径将导致严重的码片间干扰，并且很难对这么高 速的扩频码进行同步。因此，我们需要开发新的扩频码来解决传统CDMA系统存在的问 题，使得CDMA技术朝着下一代无线通信系统所需求的高速率、高频谱利用率的方向发 展。

时空编码是目前MIMO系统常用来实现空间分集的编码方式，其编码方式有许多种， 常见的主要有STBC(space-time block code)、STTC(space-time trellis code)及 STDC(space-time differential code)等。但是，空时编码最大的缺点是沒有考虑到多径干扰 的问题。虽然有些论文有考虑到多用户多天线之间的正交性，但是他们讨论的只是符号级 (symbol-level)的正交性，其只能用于信道响应为慢衰落的情况，使用几个符号位元来 做空时编码，信道响应在这几个符号位元的时间内就必须保持不变，否则错误率会大为上 升，这显然违背了下一代无线通信的需求。而且解码时，必须收完用于空时编码的全部位 元才能够解出信号，即无法达到即时解码。

发明内容

本发明为了解决采用现有编码方式的MIMO系统的抗多径干扰性能差的问题，从而 提供一种基于空-时-频三维互补码的码片级扩频编码的多载波MIMO系统。

基于空-时-频三维互补码的码片级扩频编码的多载波MIMO系统，对于K个用户中 的每个用户k，它的信号发射过程为：

步骤一、将待发送的数据进行串/并转换，获得并行的N路数据；

步骤二、将步骤一所述并行的N路数据分别采用空-时-频三维互补码的码片级扩频编 码进行扩频，获得N路扩频后的数据；

步骤三、采用M路子载波分别对步骤二获得的N路扩频后的数据中的每路数据进行 调制，获得一路调制信号；N路数据中共获得N路调制信号，将所述N路调制信号通过 N根发射天线发送至无线信道；所述M路子载波分别对应的频率为f₁，f₂，…，f_M；

对于K个用户中的每个用户k，它的信号接收过程为：

步骤四、接收端通过N根接收天线接收发射端发射的N路调制信号；采用M路子载 波分别对所述N路调制信号中的每路调制信号进行解调，获得一路解调数据，N路调制 信号共获得N路解调后的数据；所述M路子载波分别对应的频率为f₁，f₂，…，f_M；

步骤五、将步骤四中获得的N路解调后的数据中的每路数据均采用空-时-频三维互补 码的码片级扩频编码进行解扩，获得N路解扩后的数据；

步骤六、将步骤五中的获得的N路解扩后的数据求和，并判决后输出；

K、N、M均为正整数，N_T为发射天线数。

步骤二和步骤五中空-时-频三维互补码的码片级扩频编码的产生方法为：

步骤A、采用三个M×M维正交矩阵A，B，和D，维度M为子载波个数和系统能支持 的用户数；B矩阵用于区分用户，D矩阵用于区分载波；完成区分用户的同时，完成在频 率维度的编码；

步骤B、再采用一个N_T×N_T维正交矩阵F，将矩阵F的每个行向量分给不同的天线， 完成空域的编码，N_T是发射天线数；

步骤C、对矩阵A，B，D和F的行和列向量进行排列，并将矩阵A，B，D和F中各个 矩阵行向量中的对应位相乘，获得空-时-频三维互补码的码片级扩频编码。

本发明采用空-时-频三维互补码的码片级扩频编码作为用户数据的扩频码，MIMO 系统的抗多径干扰性能大幅提高。

附图说明

图1是本发明的基于空-时-频三维互补码的码片级扩频编码的多载波MIMO系统的 信号发射流程示意图；图2是本发明的基于空-时-频三维互补码的码片级扩频编码的多载 波MIMO系统的信号接收流程示意图；图3是具体实施方式一所述的矩阵A，B，D和F的 行和列向量进行排列方式示意图；图4是两个用户及两个天线所用的码字的示意图；其中 User＝1为第一个用户，N_T＝1第一个用户的第一根天线；User＝1为第一个用户，N_T＝2第 一个用户的第二根天线；User＝2为第二个用户，N_T＝1第二个用户的第一根天线；User＝2 为第二个用户，N_T＝2第二个用户的第二根天线。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，基于空-时-频三维互补码的码片 级扩频编码的多载波MIMO系统，对于K个用户中的每个用户k，它的信号发射过程为：

步骤一、将数据进行串/并转换，获得并行的N路数据；

步骤二、将步骤一所述并行的N路数据分别采用空-时-频三维互补码的码片级扩频编 码进行扩频，获得N路扩频后的数据；

步骤三、将步骤二获得的N路扩频后的数据中的每路数据分别在f₁，f₂，…，f_M的频 率下与M路子载波进行调制，获得一路调制信号；N路数据中共获得N路调制信号，将 所述N路调制信号通过N根发射天线发送至无线信道；

对于K个用户中的每个用户k，它的信号接收过程为：

步骤四、接收端通过N根接收天线接收发射端发射的N路调制信号；并将所述N路 调制信号中的每路调制信号分别在f₁，f₂，…，f_M的频率下进行解调，获得解调后的数据， N路调制信号共获得N路解调后的数据；

步骤五、将步骤四中获得的N路解调后的数据中的每路数据均采用空-时-频三维互补 码的码片级扩频编码进行解扩，获得N路解扩后的数据；

步骤六、将步骤五中的获得的N路解扩后的数据求和，并判决后输出；

K、N、M均为正整数。

步骤二和步骤五中空-时-频三维互补码的码片级扩频编码的产生方法是基于矩阵的空-时-频三维互补码[Matrix Based Three Dimension Complementary Code(MBTDCC)]，具体为：

产生三个相同或者不同M×M维矩阵正交矩阵A，B，和D。维度M决定了子载波 个数和系统能支持的用户数。B矩阵用来区分用户，D矩阵用来区分载波，即B矩阵的每 个行向量分给不同的用户，D矩阵的每个行向量分给不同的载波。完成区分用户的同时， 在频率维度的编码。

再产生一个N_T×N_T维正交矩阵F，N_T是发射天线数。矩阵F的每个行向量分给不同 的天线，完成空域的编码。

通过矩阵A，B，D和F的行和列向量，按照图3所示的方式进行排列后，能够得到3 维MIMO码片级扩频编码的产生方式。其中为F矩阵的行向量，为矩阵的第n_T行 第1个元素；B_k为B矩阵的行向量，b_k1为矩阵的第k行第1个元素；A_M为A矩阵的行 向量，D_M为D矩阵本身；将上述中各个矩阵行向量中的对应位相乘后得到空-时-频三维 互补码的码片级扩频编码。

以下通过具体的实施例说本发明中的空-时-频三维互补码的码片级扩频编码方法：

假设矩阵$A=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right),B=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right),D=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right)$和$F=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right),$此时M＝2，N_T＝2。另 外，这仅仅是2×2正交矩阵的一个例子，还可以选取其他的正交矩阵。为了简化说明过 程，选取了相同的正交矩阵，也就是说可以任选2×2的正交矩阵。因为M＝2，所以码组 能支持的用户数为2，码长为N＝M²N_T。两个用户及两个天线所用的码字如图4所示。

下面为部分典型的空时频三维互补码的码片级编码，以下改用N_T表示天线数：

当M＝2且N_T＝1.

k＝1；N_T＝1

b(：，：，1，1)

+++-；

+-++；

k＝2；N_T＝1

b(：，：，1，2)

++-+；

+---；

当M＝2且N_T＝2.

k＝1；N_T＝1

b(：，：，1，1)

+++-+++-；

+-+++-++；

k＝1；N_T＝2

b(：，：，2，1)

+++----+；

+-++-+--；

k＝2；N_T＝1

b(：，：，1，2)

++-+++-+；

+---+---；

k＝2；N_T＝2

b(：，：，2，2)

++-+--+-；

+----+++；

当M＝2且N_T＝4.

k＝1；N_T＝1

b(：，：，1，1)

+++-+++-+++-+++-；

+-+++-+++-+++-++；

k＝1；N_T＝2

b(：，：，2，1)

+++----++++----+；

+-++-+--+-++-+--；

k＝1；N_T＝3

b(：，：，3，1)

+++-+++----+---+；

+-+++-++-+---+--；

k＝1；N_T＝4

b(：，：，4，1)

+++----+---++++-；

+-++-+---+--+-++；

k＝2；N_T＝1

b(：，：，1，2)

++-+++-+++-+++-+；

+---+---+---+---；

k＝2；N_T＝2

b(：，：，2，2)

++-+--+-++-+--+-；

+----++++----+++；

k＝2；N_T＝3

b(：，：，3，2)

++-+++-+--+---+-；

+---+----+++-+++；

k＝2；N_T＝4

b(：，：，4，2)

++-+--+---+-++-+；

+----+++-++++---；

当M＝2且N_T＝8.

k＝1；N_T＝1

b(：，：，1，1)

+++-+++-+++-+++-+++-+++-++

+-+++-；

+-+++-+++-+++-+++-+++-+++-

+++-++；

k＝1；N_T＝2

b(：，：，2，1)

+++----++++----++++----+++

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+-++-+--+-++-+--+-++-+--+-

++-+--；

k＝1；N_T＝3

b(：，：，3，1)

+++-+++----+---++++-+++---

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+-+++-++-+---+--+-+++-++-+

---+--；

k＝1；N_T＝4

b(：，：，4，1)

+++----+---++++-+++----+--

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+-++-+---+--+-+++-++-+---+

--+-++；

k＝1；N_T＝5

b(：，：，5，1)

+++-+++-+++-+++----+---+--

-+---+；

+-+++-+++-+++-++-+---+---+

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k＝1；N_T＝6

b(：，：，6，1)

+++----++++----+---++++---

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+-++-+--+-++-+---+--+-++-+

--+-++；

k＝1；N_T＝7

b(：，：，7，1)

+++-+++----+---+---+---+++

+-+++-；

+-+++-++-+---+---+---+--+-

+++-++；

k＝1；N_T＝8

b(：，：，8，1)

+++----+---++++----++++-++

+----+；

+-++-+---+--+-++-+--+-+++-

++-+--；

k＝2；N_T＝1

b(：，：，1，2)

++-+++-+++-+++-+++-+++-+++

-+++-+；

+---+---+---+---+---+---+-

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k＝2；N_T＝2

b(：，：，2，2)

++-+--+-++-+--+-++-+--+-++

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k＝2；N_T＝3

b(：，：，3，2)

++-+++-+--+---+-++-+++-+--

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++-+++；

k＝2；N_T＝4

b(：，：，4，2)

++-+--+---+-++-+++-+--+---

+-++-+；

+----+++-++++---+----+++-+

+++---；

k＝2；N_T＝5

b(：，：，5，2)

++-+++-+++-+++-+--+---+---

+---+-；

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++-+++；

k＝2；N_T＝6

b(：，：，6，2)

++-+--+-++-+--+---+-++-+--

+-++-+；

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+++---；

k＝2；N_T＝7

b(：，：，7，2)

++-+++-+--+---+---+---+-++

-+++-+；

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k＝2；N_T＝8

b(：，：，8，2)

++-+--+---+-++-+--+-++-+++

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当M＝4且N_T＝1.

k＝1；N_T＝1

b(：，：，1，1)

+++++-+-++--+--+；

+-+-+++++--+++--；

++--+--++++++-+-；

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k＝2；N_T＝1

b(：，：，1，2)

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++---++-++++-+-+；

+--+--+++-+-----；

k＝3；N_T＝1

b(：，：，1，3)

+++++-+---++-++-；

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++--+--+-----+-+；

+--+++---+-+----；

k＝4；N_T＝1

b(：，：，1，4)

++++-+-+--+++--+；

+-+------++-++--；

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当M＝4且N_T＝2.

k＝1；N_T＝1

b(：，：，1，1)

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k＝1；N_T＝2

b(：，：，2，1)

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k＝2；N_T＝1

b(：，：，1，2)

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k＝2；N_T＝2

b(：，：，2，2)

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k＝3；N_T＝1

b(：，：，1，3)

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k＝3；N_T＝2

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k＝4；N_T＝1

b(：，：，1，4)

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k＝4；N_T＝2

b(：，：，2，4)

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当M＝4且N_T＝4.

k＝1；N T＝1

b(：，：，1，1)

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k＝1；N_T＝2

b(：，：，2，1)

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k＝1；N_T＝3

b(：，：，3，1)

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k＝1；N_T＝4

b(：，：，4，1)

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k＝2；N_T＝1

b(：，：，1，2)

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k＝2；N_T＝2

b(：，：，2，2)

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k＝2；N_T＝3

b(：，：，3，2)

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k＝2；N_T＝4

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b(：，：，1，3)

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b(：，：，3，3)

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b(：，：，4，3)

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k＝4；N_T＝1

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k＝4；N_T＝2

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k＝4；N_T＝3

b(：，：，3，4)

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k＝4；N_T＝4

b(：，：，4，4)

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本发明提出一种使用基于空时频三维互补码的码片级编码方法，将二维扩频编码发 展为采用时-空-频三维扩频编码的新技术。空时频三维互补码的码片级编码作为扩频码应 用在多载波的MIMO CDMA系统，保证了频谱利用率和多用户的个数。另外本发明设计 的扩频码，应用在一个全新的CDMA-MIMO物理层系统架构，不使用OFDM技术，避 免了OFDM对频偏和相位噪声比较敏感、功率峰值与均值比大的缺点，同时避免了OFDM 系统中的CP，节省资源并能够提高频谱利用率。