一种基于NGB-W的多天线复用传输系统

摘要

本发明提供一种基于NGB-W的多天线复用传输系统，包括发送装置和接收装置，所述发送装置包括：双天线映射模块、预编码处理模块、时间交织模块、成帧模块、频域交织模块和OFDM符号生成模块；所述接收装置包括：OFDM解调模块、信道估计模块、多天线信道矩阵处理模块、频域解交织模块、帧提取模块、时间解交织模块、多天线解调模块、多天线解映射模块。本发明通过将NGB-W系统发射信号进行预编码处理，包括常数预编码矩阵以及相位跳转矩阵处理，可以提高在广播系统相关信道传输下的性能增益，解决现有技术中NGB-W系统广播无法获得更高的传输速率的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别是涉及移动通信领域中多天线传输方法技术领域， 具体为一种基于NGB-W的多天线复用传输系统。

背景技术

随着世界经济文化的快速发展，移动用户对信息业务的需求量快速增长。单独依靠传统 广播网或传统双向通信网，都无法实现移动信息业务的最优化传输。而下一代广播电视网无 线(NGB-W)通信系统，可实现无线广播和双向通信的融合共存，是解决移动信息业务数据量 快速增长和无线网络传输容量受限之间矛盾的有效途径。NGB-W系统将同时兼顾地面广播 （移动接收和固定接收都存在）和移动广播（可以是现有CMMB业务，也可以是未来NGB-W 业务）两种主要应用场景。为了提高NGB-W系统的传输速率，NGB-W引入多天线复用传输 技术。而针对面向roof-top固定接收场景和手持设备的移动接收场景，由于广播信道的特点， 存在较强的直射路径，因而存在较强的信道相关性。并且，由于广播系统的单向传输特点， 移动通信系统中普遍采纳的基于信道反馈的多天线技术将无法适用。目前针对广播信道场景 中的多天线传输性能及关键技术的研究还不完善，更未出现可开展应用的实际系统。

现有的广播通信标准也大部分未采用多天线传输技术。例如，欧洲著名的DVB-T2系统 仅采用发送装置2天线的空间分集技术。目前，仅刚推出的DVB-NGH标准草案中采用了2 天线的空间复用技术，且不支持2流64QAM的高阶调制优化方案，无法获得更高的传输速 率。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于NGB-W的多天线复用 传输系统，用于解决现有技术中NGB-W系统广播无法获得更高的传输速率的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于NGB-W的多天线复用传输系统， 包括发送装置和接收装置，所述发送装置包括：双天线映射模块，用于将已调制的串行符号 数据序列映射为并行的两根天线上传输的符号数据序列；预编码处理模块，与双天线映射模 块的输出端相连，用于将输入的符号数据序列进行预编码矩阵处理；时间交织模块，与预编 码处理模块的输出端相连，用于完成符号数据序列在时间上的交织操作；成帧模块，与时间 交织组模块的输出端相连，用于将交织后的符号数据序列进行成帧处理；频域交织模块，与 成帧模块的输出端相连，用于符号数据序列在频域子载波上进行交织处理；OFDM符号生成 模块，与频域交织模块的输出端相连，对符号数据序列完成导频添加、IFFT变换、加循环前 缀操作，并通过两根天线的射频单元进行发送；所述接收装置包括：OFDM解调模块，与接 收天线相连接，用于将所述发送装置发送的基带信号进行OFDM解调处理；信道估计模块， 与OFDM解调模块的输出端相连接，用于完成接收信号的多天线信道衰落系数的估计；多天 线信道矩阵处理模块，与信道估计模块的输出端相连接，用于将估计的多路天线空间信道值 进行处理，以利于数据正确天线解调；频域解交织模块，与OFDM解调模块的输出端相连， 用于接收数据符号在频域子载波上的解交织处理；帧提取模块，与频域解交织模块的输出端 相连，用于将频域解交织后的符号数据序列进行帧提取处理；时间解交织模块，与帧提取模 块的输出端相连，用于完成符号数据序列在时间上的解交织操作；多天线解调模块，其与时 间解交织模块、多天线信道矩阵处理模块的输出端相连接，利用估计的信道衰落系数对采样 信号进行频域均衡；多天线解映射模块，其与多天线解调模块的输出端相连接，用于将输入 的两根天线上的并行符号数据序列变换成串行的输出符号数据序列。

优选地，如果将已调制串行数据符号序列表示为则输出的符 号数据序列以矢量形式可表示为$z_k=\left(\begin{array}{c}{z}_{2k}\\ z_{2k+1}\end{array}\right),$k＝0,1,...,N_{Cells,FEC_block}/2-1；其中N_{Cells,FEC_block}为 每个FEC块中的数据单元的数量。

优选地，在预编码处理模块中，将输出的符号数据序列z_k与预编码矩阵w(k)相乘，输出 矢量可表示为

$x_k=\left(\begin{array}{c}{x}_{2k}\\ x_{2k+1}\end{array}\right)=w\left(k\right)z_k,$k＝0,1,...,N_{Cells,FEC_block}/2-1；其中：

w(k)＝D(k)U,k＝0,1,...,N_{Cells,FEC_block}/2-1；

D(k)是是周期为8的相位跳转矩阵，$D\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{j2\mathrm{\pi k}/8}\end{array}\right),$k＝0,1,...,N_{Cells,FEC_block}/2-1；

U为常数预编码矩阵，$U=\frac{1}{\sqrt{1+a^2}}\left(\begin{array}{cc}1& -a\\ a& 1\end{array}\right),$a为常数。

优选地，在所述OFDM解调模块中，OFDM解调处理至少包括去循环前缀、FFT变换操 作。

优选地，在所述多天线信道矩阵处理模块中，用于将估计的多路天线空间信道值进行处 理包括频域解交织、帧提取和时间解交织。

如上所述，本发明的一种基于NGB-W的多天线复用传输系统，具有以下有益效果：

1、本发明提出了基于NGB-W多天线复用传输技术的包含发送装置和接收装置的多天线 复用传输系统，通过将NGB-W系统发射信号进行预编码处理，包括常数预编码矩阵以及相 位跳转矩阵处理，可以提高在广播系统相关信道传输下的性能增益，获得空间复用和空间分 集增益，可以解决现有技术中NGB-W系统广播无法获得更高的传输速率的问题。

2、本发明所提出预编码矩阵处理结构中的取值为针对NGB-W系统进行特定优化，包括 QPSK、16QAM以及64QAM的两流传输场景，可获得最优的误码率性能。

3、本发明提出了基于NGB-W系统发送信号的接收装置多天线解调结构，从而准确地获 得数据期望符号对应的频域空间信道矩阵，完成频域均衡，提高了系统性能。

附图说明

图1显示为本发明的一种基于NGB-W的多天线复用传输系统中发送装置的结构示意图。

图2显示为本发明的一种基于NGB-W的多天线复用传输系统中接收装置的结构示意图。

图3显示为本发明的一种基于NGB-W的多天线复用传输系统中不同信噪比条件下比特 误码率与a值的性能曲线图。

图4显示为传统SM和基于本发明的一种基于NGB-W的多天线复用传输系统优化的SM 系统比特误码率性能对比图。

元件标号说明

1     发送装置

11    双天线映射模块

12    预编码处理模块

13    时间交织模块

14    成帧模块

15    频域交织模块

16    OFDM符号生成模块

2     接收装置

21    OFDM解调模块

22    信道估计模块

23    多天线信道矩阵处理模块

24    频域解交织模块

25    帧提取模块

26    时间解交织模块

27    多天线解调模块

28    多天线解映射模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。

本发明的目的在于提供一种基于NGB-W的多天线复用传输系统，用于解决现有技术中 NGB-W系统广播无法获得更高的传输速率的问题。以下将详细阐述本发明的一种基于 NGB-W的多天线复用传输系统的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可 理解本发明的一种基于NGB-W的多天线复用传输系统。

本发明是针对NGB-W多天线系统提出的：第一，发明系统要利用多天线系统复用和分 集的优势，从而采取预编码矩阵处理结构，并针对特定广播相关信道场景进行编码矩阵值的 优选；第二，由于NGB-W系统发送装置的时间、频域等交织处理及与数据符号索引相关的 多天线相位旋转处理结构，接收装置多天线检测需要采用等效的特殊处理方法，从而更加有 效地进行MIMO均衡，提高系统性能。

本发明提供一种基于NGB-W的多天线复用传输系统，包括发送装置和接收装置。针对 NGB-W广播信道特点，利用预编码处理方法提高了信道相关性的系统性能增益，并针对发送 装置处理特点，提出了基于NGB-W系统发送信号的接收装置多天线解调结构，从而准确地获 得数据期望符号对应的频域空间信道矩阵，完成频域均衡，提高了系统性能。以下将分别详 细说明所述发送装置和所述接收装置。

A.发送装置

如图1所示，所述发送装置1由双天线映射模块11，预编码处理模块12，时间交织模块 13，成帧模块14，频域交织模块15和OFDM符号生成模块16依次连接而成。

如果将已调制串行数据符号序列表示为

$z={\left(\begin{array}{cccc}{z}_0& z_1& ...& z_{N_{\mathrm{Cells},\mathrm{FEC}\_\mathrm{block}}-1}\end{array}\right)}^T$

其中，N_{Cells,FEC_block}为每个FEC块中的数据单元的数量。

首先，双天线映射模块11的输出端与预编码处理模块12相连，用于将已调制的串行符 号数据序列映射到并行的两根天线上传输的符号数据序列，则输出的调制符号对以矢量形式 可表示为$z_k=\left(\begin{array}{c}{z}_{2k}\\ z_{2k+1}\end{array}\right),$k＝0,1,...,N_{Cells,FEC_block}/2-1。

预编码处理模块12与双天线映射模块11的输出端相连，用于将输入的数据符号进行预 编码矩阵处理，一方面可提高广播相关信道下的双天线复用传输性能，另一方面又通过相位 跳转来进一步获得空间分集增益，具体编码方案如下：

预编码处理模块12将调制符号对zk与预编码矩阵w(k)相乘，输出矢量可表示为：

$x_k=\left(\begin{array}{c}{x}_{2k}\\ x_{2k+1}\end{array}\right)=w\left(k\right)z_k,$k＝0,1,...,N_{Cells,FEC_block}/2-1；

其中预编码处理模块12由常数预编码矩阵和相位跳转矩阵两部分相乘组成，即

w(k)＝D(k)U,k＝0,1,...,N_{Cells,FEC_block}/2-1；

其中，常数预编码矩阵是针对两根天线上的调制符号对进行处理，表示为：

$U=\frac{1}{\sqrt{1+a^2}}\left(\begin{array}{cc}1& -a\\ a& 1\end{array}\right),$a为常数。

此处，我们针对该正交矩阵中参数a的取值进行了优化，以最小化NGB-W系统比特误 码率性能。该优化值分别应用于4,8,12比特/虚拟资源粒子(bpcu)场景中，即两根天线上传输 的星座符号的调制方式相同，分别为QPSK、16QAM和64QAM。参数a的具体取值在下面 的具体实例中给出。

另外，对于预编码处理中的相位跳转矩阵操作，实际即完成了天线2上数据符号相位的 周期性跳转，矩阵D(k)可表示为：

$D\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{j2\mathrm{\pi k}/8}\end{array}\right),$k＝0,1,...,N_{Cells,FEC_block}/2-1；

其中D(k)是周期为8的相位跳转矩阵，该优化值也是针对NGB-W系统进行特定优化后 给出。一方面，由于在NGB-W系统中，无论采用何种调制方式，N_{Cells,FEC_block}/2总是可以被8 整除，因此由同一个编码块生成的调制符号对总是包含整数个相位跳转周期。另一方面，周 期为8的相位跳转方式也已经能保证NGB-W系统能获得最大的空间分集增益。因而，针对 每个编码块，起始符号相位为0，并以2π/8为步长逐步增加，即跳转类型以8个调制符号对 为周期进行变化，且与系统调制方式无关。

时间交织模块13与预编码处理模块12的输出端相连，用于完成数据符号在时间上的交 织操作。

成帧模块14与时间交织组模块的输出端相连，用于将交织后的数据符号进行成帧处理。

频域交织模块15与成帧模块14的输出端相连，用于数据符号在频域子载波上进行交织 处理。

OFDM符号生成模块16与频域交织模块15的输出端相连，完成导频添加、IFFT变换、 加循环前缀等操作，最后再通过两根天线的射频单元进行发送。

B.接收装置

如图2所示，所述接收装置2由OFDM解调模块21，信道估计模块22，多天线信道矩 阵处理模块23，频域解交织模块24，帧提取模块25，时间解交织模块26，多天线解调模块 27和多天线解映射模块28组成，连接次序如图2所示。

OFDM解调模块21与接收天线相连接，用于将无线信道中的接收下的基带信号，进行 OFDM解调处理，包含去循环前缀、FFT变换等操作。

信道估计模块22与OFDM解调模块21的输出端相连接，用于完成接收信号的多天线信 道衰落系数的估计。

多天线信道矩阵处理模块23与信道估计模块22的输出端相连接，用于将估计的4路多 天线空间信道值进行与数据类似的处理过程，包括频域解交织、帧提取和时间解交织模块26， 以利于数据的多正确天线解调。

频域解交织模块24与OFDM解调模块21的输出端相连，用于接收数据符号在频域子载 波上的解交织处理。

帧提取模块25与频域解交织模块24的输出端相连，用于将频域解交织后的数据符号进 行帧提取处理。

时间解交织模块26与帧提取模块25的输出端相连，用于完成数据符号在时间上的解交 织操作。

多天线解调模块27与时间解交织模块26、多天线信道矩阵处理模块23的输出端相连接， 其利用估计的信道衰落系数对采样信号进行频域均衡。

多天线解映射模块28与多天线解调模块27的输出端相连接，用于将输入的两根天线上 的并行数据序列变换成串行的输出数据序列。这样就恢复出了在原始星座点上的串行符号。

下面详细说明接收装置2解调的原理，并说明本发明的接收装置2处理方法和传统OFDM 信号多天线解调的不同。

假设发端2*2的多天线信道，则经过预编码矩阵处理后，两根天线的发送信号表示如下：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{k,1}\\ x_{k,2}\end{array}\right)=W\left(k\right)=D\left(k\right)U\left(\begin{array}{c}{z}_{2k}\\ z_{2k+1}\end{array}\right),$k＝0,?,N_{Cells,FEC_block}/2-1。

以下发端和收端数据表达中，小写字母代表天线1，大写字母代表天线2。

假设经过预编码处理后的两流数据为：$X=\left(\begin{array}{cccc}{x}_{\mathrm{0,1}}& x_{\mathrm{1,1}}& ...& x_{N-\mathrm{1,1}}\\ x_{\mathrm{0,2}}& x_{\mathrm{1,2}}& ...& x_{N-\mathrm{1,2}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\end{array}\right),$其中 X_i＝[x_0,i x_1,i ... x_N-1,i],i＝0,1，N＝N_{Cells,FEC_block}/2。

发送装置1经过交织处理后，并经过OFDM符号生成，即IFFT变换，而后过完MIMO 信道，再进行OFDM解调，在频域上可等效如下：

$Y=H\left(\begin{array}{cc}B& 0_{N\times N}\\ 0_{N\times N}& B\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{X}_1^T\\ X_2^T\end{array}\right),$其中$Y=\left(\begin{array}{c}{Y}_1^T\\ Y_2^T\end{array}\right),$Y_i＝[y_0,i y_1,i ... y_N-1,i],i＝0,1，

$H=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{diag}(h_{11}^0,h_{11}^1...h_{11}^{N-1})& \mathrm{diag}(h_{12}^0,h_{12}^1...h_{12}^{N-1})\\ \mathrm{diag}(h_{21}^0,h_{21}^1...h_{21}^{N-1})& \mathrm{diag}(h_{22}^0,h_{22}^1...h_{22}^{N-1})\end{array}\right),$频域和时域交织处理操作可统一表示为 交织矩阵B，且满足矩阵B是N×N阶酉矩阵。

在接收装置2中，首先考虑对接收信号进行解交织操作，即为：

$\bar{X}=\left(\begin{array}{cc}{B}^T& 0_{N\times N}\\ 0_{N\times N}& B^T\end{array}\right),Y=\left(\begin{array}{cc}{B}^T& 0_{N\times N}\\ 0_{N\times N}& B^T\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{Y}_1^T\\ Y_2^T\end{array}\right),$

其中B^T为解交织矩阵，满足B^TB＝BB^T＝I

即为$\left(\begin{array}{c}\bar{X}=\left(\begin{array}{cc}{B}^T& 0_{N\times N}\\ 0_{N\times N}& B^T\end{array}\right)H\left(\begin{array}{cc}B& 0_{N\times N}\\ 0_{N\times N}& B\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{X}_1^T\\ X_2^T\end{array}\right)\\ =\left(\begin{array}{cc}{B}^T& 0_{N\times N}\\ 0_{N\times N}& B^T\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{H}_{11}& H_{12}\\ H_{21}& H_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}B& 0_{N\times N}\\ 0_{N\times N}& B\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{X}_1^T\\ X_2^T\end{array}\right)\\ =\left(\begin{array}{cc}{B}^T{H}_{11}& B^T{H}_{12}\\ B^T{H}_{21}& B^T{H}_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}B& 0_{N\times N}\\ 0_{N\times N}& B\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{X}_1^T\\ X_2^T\end{array}\right)\\ =\begin{array}{}\end{array}\left(\begin{array}{cc}{B}^T{H}_{11}B& B^T{H}_{12}B\\ B^T{H}_{21}B& B^T{H}_{22}B\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{X}_1^T\\ X_2^T\end{array}\right)\end{array}\right)$

其中$H_{\mathrm{ij}}=\mathrm{diag}(h_{\mathrm{ij}}^0,h_{\mathrm{ij}}^1...h_{\mathrm{ij}}^{N-1})=\mathrm{diag}\left(h_{\mathrm{ij}}\right).$

由于交织矩阵存在如下性质：

${\mathrm{BH}}_{\mathrm{ij}}=\mathrm{diag}\left({\mathrm{Bh}}_{\mathrm{ij}}^T\right)B$

因此，$B^T{H}_{\mathrm{ij}}=\mathrm{diag}\left(B^T{h}_{\mathrm{ij}}^T\right)B^T,$即$B^T{H}_{\mathrm{ij}}B=\mathrm{diag}\left(B^T{h}_{\mathrm{ij}}^T\right).$因而，接收装置2中，数据可 进一步表示如下：

$\bar{X}=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{diag}\left(B^T{h}_{11}^T\right)& \mathrm{diag}\left(B^T{h}_{12}^T\right)\\ \mathrm{diag}\left(B^T{h}_{21}^T\right)& \mathrm{diag}\left(B^T{h}_{22}^T\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{X}_1^T\\ X_2^T\end{array}\right)$

根据以上分析，可得到等价的接收信号传输矩阵，巧妙的解决了由于相位跳转处理以及 交织模块带来的每个符号的等效信道无法获取的问题，从而得到如图2所示的接收装置2结 构，为得到发射信号的估计值，接收装置2对数据部分做解交织的同时，需要对信道响应的 估计值进行同样的解交织处理，从而准确地获得数据期望符号对应的频域空间信道矩阵，完 成频域均衡，提高了系统性能。

下面以具体仿真实例和结果进一步说明本发明的基于NGB-W的多天线复用传输系统的 效果。在仿真时，仿真参数的设置请参阅表1。

表1系统仿真参数

具体的仿真情况请参阅图3和图4，分别显示为本发明的一种基于NGB-W的多天线复用 传输系统中不同信噪比条件下比特误码率与a值的性能曲线图和传统SM和基于本发明的一 种基于NGB-W的多天线复用传输系统优化的SM系统比特误码率性能对比图。

由图3可见，针对两流均为64QAM调制场景，当遍历预编码矩阵的a值时，在广播高 相关信道场景下，存在最优的a值最小化系统误码率性能，并且，针对不同的信噪比条件， 该优化a值相同，例如在64QAM场景下该值约为2.75。

图4则给出了在该优化角度下的两天线复用传输性能，相比未作处理的传统SM有较大 性能增益。因而，针对4,8,12比特/虚拟资源粒子（bpcu）场景,即两根天线上传输的星座符 号的调制方式为QPSK、16QAM和64QAM，我们可以给出正交矩阵中参数a的取值，如表2 所示。

表2a的取值

综上所述，本发明的一种基于NGB-W的多天线复用传输系统，达到了以下有益效果：

1、本发明提出了基于NGB-W多天线复用传输技术的包含发送装置和接收装置的多天线 复用传输系统，通过将NGB-W系统发射信号进行预编码处理，包括常数预编码矩阵以及相 位跳转矩阵处理，可以提高在广播系统相关信道传输下的性能增益，获得空间复用和空间分 集增益，可以解决现有技术中NGB-W系统广播无法获得更高的传输速率的问题。

2、本发明所提出预编码矩阵处理结构中的取值为针对NGB-W系统进行特定优化，包括 QPSK、16QAM以及64QAM的两流传输场景，可获得最优的误码率性能。

3、本发明提出了基于NGB-W系统发送信号的接收装置多天线解调结构，从而准确地获 得数据期望符号对应的频域空间信道矩阵，完成频域均衡，提高了系统性能。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。