專利名稱：一種空時分組碼mt－cdma系統(tǒng)上行鏈路發(fā)射與接收方法
技術領域：
本發(fā)明屬于多載波(MC)碼分多址(CDMA)蜂窩移動通信系統(tǒng)多輸入多輸出(MIMO)技術領域。
背景技術：
在第三代(3G)移動通信系統(tǒng)中，CDMA是一種最主要的技術，而多載波調制將是未來廣帶無線傳輸體制的關鍵技術。以多載波技術融合CDMA技術，構成多載波CDMA系統(tǒng)是未來移動通信發(fā)展的重要方向之一。多載波技術與CDMA技術相結合的方案主要有多載波CDMA(MC-CDMA)、多載波直接序列擴頻CDMA(MC-DS-CDMA)和多音調制CDMA(MT-CDMA)三種主要形式。通常，MC-CDMA和MC-DS-CDMA方案的子載波數與擴頻序列的長度相同，而MT-CDMA方案采用更長的擴頻序列和比擴頻序列長度少得多的子載波數，這樣MT-CDMA方案與其他兩種方案相比具有抑制多址干擾性能好和發(fā)射、接收機復雜度低的優(yōu)點，將在未來移動通信體系結構中獲得重要的應用。但現有的MT-CDMA方案在系統(tǒng)的誤碼率、頻譜效率和容量等方面還難以滿足未來移動通信對高傳輸質量、高頻譜效率和大容量的要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明為進一步提高MT-CDMA系統(tǒng)的性能，提出了一種將多輸入多輸出(MIMO)的空時分組碼(STBC)技術應用于MT-CDMA系統(tǒng)上行鏈路的發(fā)射與接收方法，在不犧牲頻率資源的情況下，顯著地提高了MT-CDMA系統(tǒng)的性能。
本發(fā)明所采用的一種空時分組碼MT-CDMA(STBC-MT-CDMA)系統(tǒng)上行鏈路發(fā)射與接收方發(fā)的技術方案，包括以下步驟A.發(fā)射步驟(1)每個用戶經過BPSK調制的數據流經過1P的串并變換，形成P路并行數據流，組成長度為P的并行數據塊；(2)數據塊流經過2×2的正交空時分組編碼后，形成兩路數據塊流，將被分配在兩個發(fā)射天線上分別發(fā)射；(3)對每一路數據塊流的P路子數據流都用長度為G的擴頻碼進行時域擴頻，不同的用戶采用不同的擴頻碼；(4)對時域擴頻后的P路并行信號進行快速付里葉逆變換(IFFT)，將各路信號調制到相應的子載波上；(5)將調制后的P路子載波信號相加后發(fā)射。
B.接收步驟
(1)每個天線接收到的信號包括各用戶、各發(fā)射天線的信號以及噪聲的疊加，對每一天線接收到的信號進行與發(fā)射端快速付里葉逆變換(IFFT)對應的快速付里葉變換(FFT)，恢復出各子載波的信號；(2)對每一用戶每一子載波每一徑的信號都進行與發(fā)射端對應的解擴與匹配濾波處理，得到每一用戶每一子載波每一徑解擴后的信號；(3)對得到的每一用戶每一子載波每一徑解擴后的信號都進行與發(fā)射端對應的空時解碼，空時解碼包括一個延時單元、一個共軛運算單元和一個空時解碼合并單元，空時解碼后得到每一用戶每一子載波每一徑兩個連續(xù)比特的輸出信號；(4)對每一用戶每一子載波每一徑空時解碼輸出信號進行多徑信號的時域合并，得到每一用戶每一子載波多徑合并后的信號；(5)對同一用戶同一子載波在每一個接收天線上多徑合并后的信號再進行空域合并，得到用戶在每一子載波信號的最終判決變量；(6)對各子載波信號的最終判決變量進行BPSK解調，恢復出用戶在各子載波上的數據信號；(7)對所恢復出的數據信號進行并串轉換恢復出用戶的數據流。
以下對本發(fā)明的方法加以論述。
1.發(fā)射信號考察有K個用戶的STBC-MT-CDMA系統(tǒng)上行鏈路的發(fā)射過程。每一用戶都采用BPSK調制，具有相同的發(fā)射功率S和數據速率1/Tb。對用戶調制后的數據流首先進行1P的串并變換，形成P路并行數據流，組成長度為P的并行數據塊，第n個數據塊表示為bk(n)=[bk,1(n).....bk,P(n)]T]]>，其中，(·)T表示轉置，串并變換后的符號周期Ts＝PTb。第2n和2n+1兩個連續(xù)的數據塊bk(2n)和bk(2n+1)的空時編碼輸出形成下面的2P×2矩陣ak,1(2n+1)ak,1(2n)ak,2(2n+1)ak,2(2n)=12-bk(2n+1)bk(2n)bk(2n)bk(2n+1)]]>[公式1]其中，ak.i(n)=[ak,i,1(n)...ak,i,P(n)]T,]]>i＝1，2，表示第k個用戶對應在第i個發(fā)射天線上的第n個數據塊， 是發(fā)射符號能量的歸一化系數。
對上述發(fā)射過程，第k個用戶在第i個發(fā)射天線上所發(fā)射的信號可表示為sk,i(t)=2SΣp=1Pak,i,p(t)ck(t)exp(j2πfpt)]]>[公式2]式中，ak,i,p(t)=Σn=-∞∞ak,i,p(n)gTs(t-nTs)]]>表示第k個用戶對應在第i個發(fā)射天線上所發(fā)射的第p(1≤p≤P)個數據流，其中，ak，i，p(n)表示對應的第n個數據比特。ck(t)=Σm=1Gck(m)gTs(t-mTc)]]>是第k個用戶的擴頻碼波形，ck(m)是對應的第m個切普，G為擴頻處理增益。gTs(t)和gTc(t)分別是定義在
]>[公式3]其中，L為信道可分辨的多徑數，βk，i，j，p，lejγk，i ，j，p，l為復信道系數，βk，i，j，p，l是信道的幅度增益，γk，i，j，p，l是信道的相位增益，tk，l是多徑時延，δ(t)為delta函數。由于所提出的方案是用于高速無線傳輸的，可假設在兩個符號間隔[2nTs(2n+1)Ts]信道多徑衰落是準靜態(tài)的，有βk,i,j,p,l(2n)≈βk,i,j,p,l(2n+1)=βk,i,j,p,l]]>γk,i,j,p,l(2n)≈γk,i,j,p,l(2n+1)=γk,i,j,p,l]]>[公式4]3.接收信號對上行鏈路，經歷了公式3所描述的信道后，在接收端第j個天線的接收信號可表示為rj(t)=2SΣk=1KΣi=12Σp=1PΣl=1Lβk,i,j,p,lak,i,p(t-tk,l-τk,i,j)ck(t-tk,l-τk,i,j)]]>·exp[j(2πfpt+k，i，j，p，l(t))]+ηj(t)[公式5]其中，τk，i，j為用戶k從第i個發(fā)射天線到第j個接收天線的傳播時延。
k，i，j，p，l(t)＝(γk，i，j，p，l-2πfptk，l-2πfpτk，i，j)mod 2π為用戶k第p個子載波第l徑上的信號從第i個發(fā)射天線到第j(j＝1，…，J)個接收天線間的相移，ηj(t)表示加性高斯白噪聲。
4.信號的解調不失一般性，假設用戶k為期望用戶，令τk，i，j＝0。對上述接收過程，在第j個接收天線上用戶k的第p個載波第l徑信號的第n個符號的解擴與匹配濾波輸出為yk,j,p,l(n)=∫nTs+tk,l(n+1)Ts+tk,lrj(t)exp[-j(2πfpt)]ck(t-tk,l)dt]]>[公式6]分別用αk，j，p，l，1(2n)，αk，j，p，l(2n)和αk，j，p，l，1(2n+1)，αk，j，p，l，2(2n+1)，表示在第j個接收天線上，用戶k第p個載波第l徑信號空時解碼延時單元和共軛運算單元在兩個連續(xù)符號周期的輸出yk，j，p，l(2n)和(yk，j，p，l(2n+1)*的合并系數，空時解碼合并采用最大比(MRC)合并準則。對本發(fā)明所采用的合并方案，用戶k第p個載波第2n和2n+1比特bk，p(2n)和bk，p(2n+1)的最終判決變量分別為Yk,p(2n)=Σj=1JΣl=1LRe{yk,j,p,l(2n)αk,j,p,l,1(2n)+(yk,j,p,l(2n+1))*αk,j,p,l,2(2n)}]]>[公式7]Yk,p(2n)=Σj=1JΣl=1LRe{yk,j,p,l(2n)αk,j,p,l,1(2n+1)+(yk,j,p,l(2n+1))*αk,j,p,l,2(2n+1)}]]>[公式8]式中，(·)*表示復共軛。
對本發(fā)明空時解碼合并所采用的最大比合并準則，合并系數αk，j，p，l，1(2n)，αk，j，p，l，2(2n)和αk，j，p，l，1(2n+1)，αk，j，p，l，2(2n+1)分別為 [公式9]和 [公式10]對所得到的最終判決變量進行BPSK解調和并串變換后即得到期望用戶k的信息數據。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明所提出的STBC-MT-CDMA方案與以往的MT-CDMA系統(tǒng)相比，由于獲得了空時發(fā)射與接收分集增益，其鏈路性能即誤碼率顯著降低，而系統(tǒng)的頻譜效率和容量則得到了顯著提高，對改善MT-CDMA系統(tǒng)的性能具有顯著的作用。


圖1為空時分組碼MT-CDMA系統(tǒng)上行鏈路任一用戶k的發(fā)射過程圖；圖2為空時分組碼MT-CDMA系統(tǒng)上行鏈路任一用戶k的接收過程圖；圖3為兩系統(tǒng)誤碼率(BER)對信噪比仿真結果的比較；圖4為兩系統(tǒng)誤碼率(BER)對用戶數仿真結果的比較；圖5為兩系統(tǒng)帶寬效率對信噪比仿真結果的比較；圖6為空時解碼合并分別采用最大比合并和等增益(EGC)合并時BER性能的仿真結果。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的方法加以詳細說明。
參照圖1的一種空時分組碼MT-CDMA系統(tǒng)上行鏈路任一用戶k的發(fā)射過程，具體步驟包括(1)任一用戶k的信源10產生的二進制信號，經過BPSK調制11，產生的數據流經過1P的串并變換12，形成P路并行數據流，組成長度為P的并行數據塊，第n個數據塊表示為bk(n)=[bk,1(n).....bk,P(n)]T,]]>其中，(·)T表示轉置；(2)兩個連續(xù)的數據塊bk(2n)和bk(2n+1)經過2×2的正交空時分組編碼13，形成下面的2P×2矩陣ak,1(2n+1)ak,1(2n)ak,2(2n+1)ak,2(2n)=12-bk(2n+1)bk(2n)bk(2n)bk(2n+1)]]>其中，ak.i(n)=[ak,i,1(n)...ak,i,P(n)]T,]]>i＝1，2，表示第k個用戶對應在第i個發(fā)射天線上的第n個數據塊， 是發(fā)射符號能量的歸一化系數；(3)P路并行數據流經過長度為G的擴頻碼的時域擴頻14，得到用戶k對應在第i個發(fā)射天線上任一路p擴頻后的信號為αk，i，p(t)ck(t)其中，ck(t)是第k個用戶的擴頻碼波形；(4)時域擴頻后的P路并行信號經過快速付里葉逆變換(IFFT)15，將各路信號調制到相應的子載波上，得到用戶k對應在第i個發(fā)射天線上調制后任一子載波p上的信號為2Sak,i,p(t)ck(t)exp(j2πfpt)]]>其中，S為用戶發(fā)射功率，fp為第p個子載波的頻率；(5)調制后P路子載波的信號經過相加16后在對應的天線上發(fā)射，用戶k在第i個發(fā)射天線上發(fā)射的信號可表示為sk,i(t)=2SΣp=1Pak,i,p(t)ck(t)exp(j2πfpt)]]>參照圖2的一種空時分組碼MT-CDMA系統(tǒng)上行鏈路任一用戶k的接收過程，具體步驟包括(1)每個天線接收到的信號包括各用戶、各發(fā)射天線的信號以及噪聲的疊加，每一天線接收到的信號經過與發(fā)射端快速付里葉逆變換(IFFT)相對應的快速付里葉變換(FFT)21，恢復出各子載波上的信號，所恢復出的任一子載波p上的信號為rj(t)exp[-j(2πfpt)]其中，rj(t)為接收端第j個天線上的接收信號；(2)每一用戶每一子載波每一徑的信號都經過與發(fā)射端對應的解擴與匹配濾波22處理，得到每一用戶每一子載波每一徑解擴后的信號，用戶k任一子載波p第l徑信號解擴與匹配濾波處理后第n比特的輸出信號為yk,j,p,l(n)=∫nTs+tk,l(n+1)Ts+tk,lrj(t)exp[-j(2πfpt)]ck(t-tk,l)dt]]>其中，tk，l是多徑時延；(3)對得到的每一用戶每一子載波解擴后的信號都進行與發(fā)射端對應的空時解碼23，空時解碼包括一個延時單元、一個共軛運算單元和一個空時解碼合并單元，用戶k任一子載波p第l徑信號空時解碼兩個連續(xù)比特2n和2n+1的輸出信號分別為Re{yk,j,p,l(2n)αk,j,p,l,1(2n)+(yk,j,p,l(2n+1))*αk,j,p,l,2(2n)}]]>Re{yk,j,p,l(2n)αk,j,p,l,1(2n+1)+(yk,j,p,l(2n+1))*αk,j,p,l,2(2n+1)}]]>其中，αk，j，p，l，1(2n)，αkj，p，l，2(2n)和αk，j，p，l，1(2n+1)，αk，j，p，l，2(2n+1)分別表示第j個天線接收的用戶k第p個子載波第l徑信號空時解碼延時單元和共軛運算單元在兩個連續(xù)符號2n和2n+1周期輸出的合并系數，合并采用最大比合并，合并系數αk，j，p，l，1(2n)，αkj，p，l，2(2n)和αk，j，p，l，1(2n+1)，αk，j，p，l，2(2n+1)分別為 和 (4)對每一用戶每一子載波每一徑空時解碼輸出信號進行多徑信號的時域合并24，用戶k任一子載波p多徑信號時域合并后兩個連續(xù)比特2n和2n+1的輸出信號分別為Σl=1LRe{yk,j,p,l(2n)αk,j,p,l,1(2n)+(yk,j,p,l(2n+1))*αk,j,p,l,2(2n)}]]>Σl=1LRe{yk,j,p,l(2n)αk,j,p,l,1(2n+1)+(yk,j,p,l(2n+1))*αk,j,p,l,2(2n+1)}]]>(5)對同一用戶同一子載波在每一個接收天線上多徑合并后的信號再進行空域合并25，得到用戶在每一子載波信號的最終判決變量，用戶k第p個子載波的第2n和2n+1比特的最終判決變量分別為Yk,p(2n)=Σj=1JΣl=1LRe{yk,j,p,l(2n)αk,j,p,l,1(2n)+(yk,j,p,l(2n+1))*αk,j,p,l,2(2n)}]]>
Yk,p(2n+1)=Σj=1JΣl=1LRe{yk,j,p,l(2n)αk,j,p,l,1(2n+1)+(yk,j,p,l(2n+1))*αk,j,p,l,2(2n+1)}]]>(6)對各子載波信號的最終判決變量進行BPSK解調26，恢復出用戶在各子載波上的數據信號；(7)對所恢復出的信號進行并串變換27恢復出用戶的數據流。
為評價本發(fā)明一種空時分組碼MT-CDMA系統(tǒng)上行鏈路發(fā)射與接收方法的性能，對2發(fā)射天線2接收天線下所提出的STBC-MT-CDMA系統(tǒng)與原MT-CDMA系統(tǒng)的誤碼率(BER)和帶寬效率進行了計算機仿真比較。為了進行比較，假設系統(tǒng)具有相同的帶寬、數據速率和信道參數。仿真中，擴頻碼采用了偽隨機(PN)碼，載波數為16，擴頻增益為512，誤碼率門限為10-3。
圖3給出了兩系統(tǒng)BER性能對信噪比Eb/N0的仿真結果；圖4給出了兩系統(tǒng)BER性能對用戶數的仿真結果。從圖3和圖4中可清楚地看出，采用所提出的空時分組碼MT-CDMA方案與原MT-CDMA方案相比顯著地提高了系統(tǒng)的BER性能。
圖5給出了兩系統(tǒng)帶寬效率對信噪比Eb/N0的仿真結果。從圖5可以清楚地看出采用所提出的空時分組碼MT-CDMA方案與原MT-CDMA方案相比，顯著地提高了系統(tǒng)的帶寬效率或系統(tǒng)的容量。
圖6給出了空時解碼合并分別采用最大比合并和等增益合并時所提方案BER性能的仿真結果。從圖6中可以看出，空時解碼合并采用最大比合并時系統(tǒng)的BER性能要明顯優(yōu)于采用等增益合并時系統(tǒng)的BER性能，因此空時解碼合并采用最大比合并的方式是合適的。
權利要求
1.一種空時分組碼MT-CDMA系統(tǒng)上行鏈路發(fā)射與接收方法，其特征在于任一用戶k的發(fā)射與接收過程，包括以下步驟A.發(fā)射步驟(1)任一用戶k的信源(10)產生的二進制信號，經過BPSK調制(11)，產生的數據流經過1P的串并變換(12)，形成P路并行數據流，組成長度為P的并行數據塊，第n個數據塊表示為bk(n)=[bk,1(n)·····bk,p(n)]T,]]>其中，(·)T表示轉置；(2)兩個連續(xù)的數據塊bk(2n)和bk(2n+1)經過2×2的正交空時分組編碼(13)，形成下面的2P×2矩陣ak,1(2n+1)ak,1(2n)ak,2(2n+1)ak,2(2n)=12-bk(2n+1)bk(2n)bk(2n)bk(2n+1)]]>其中，ak,i(n)=[ak,i,1(n)···ak,i,P(n)]T,i=1,2,]]>表示第k個用戶對應在第i個發(fā)射天線上的第n個數據塊， 是發(fā)射符號能量的歸一化系數；(3)P路并行數據流經過長度為G的擴頻碼的時域擴頻(14)，得到用戶k對應在第i個發(fā)射天線上任一路p擴頻后的信號為ak，i，p(t)ck(t)其中，ck(t)是第k個用戶的擴頻碼波形；(4)時域擴頻后的P路并行信號經過快速付里葉逆變換(15)，將各路信號調制到相應的子載波上，得到用戶k對應在第i個發(fā)射天線上調制后任一子載波p上的信號為2Sak,i,p(t)ck(t)exp(j2πfpt)]]>其中，S為用戶發(fā)射功率，fp為第p個子載波的頻率；(5)調制后P路子載波的信號經過相加(16)后在對應的天線上發(fā)射，用戶k在第i個發(fā)射天線上發(fā)射的信號可表示為sk,,i(t)=2SΣp=1Pak,i,p(t)ck(t)exp(j2πfpt)]]>B.接收步驟(1)每個天線接收到的信號包括各用戶、各發(fā)射天線的信號以及噪聲的疊加，每一天線接收到的信號經過與發(fā)射端快速付里葉逆變換相對應的快速付里葉變換(21)，恢復出各子載波上的信號，所恢復出的任一子載波p上的信號為rj(t)exp[-j(2πfpt)]其中，fj(t)為接收端第j個天線上的接收信號；(2)每一用戶每一子載波每一徑的信號都經過與發(fā)射端對應的解擴與匹配濾波(22)處理，得到每一用戶每一子載波每一徑解擴后的信號，用戶k任一子載波p第l徑信號解擴與匹配濾波處理后第n比特的輸出信號為yk,j,pl(n)=∫nTs+tk,l(n+1)Ts+tk,lrj(t)exp[-j(2πfpt)]ck(t-tk,l)dt]]>其中，tk，l是多徑時延；(3)對得到的每一用戶每一子載波解擴后的信號都進行與發(fā)射端對應的空時解碼(23)，空時解碼包括一個延時單元、一個共軛運算單元和一個空時解碼合并單元，用戶k任一子載波p第l徑信號空時解碼兩個連續(xù)比特2n和2n+1的輸出信號分別為Re{yk,j,p,l(2n)αk,j,p,l,1(2n)+(yk,j,p,l(2n+1))*αk,j,p,l,2(2n)}]]>Re{yk,j,p,l(2n)αk,j,p,l,1(2n+1)+(yk,j,p,l(2n+1))*αk,j,p,l,2(2n+1)}]]>其中，αk，j，p，l，1(2n)，αk，j，p，l，2(2n)和αk，j，p，l，1(2n+1)，αk，j，p，l，2(2n+1)分別表示第j個天線接收的用戶k第p個子載波第l徑信號空時解碼延時單元和共軛運算單元在兩個連續(xù)符號2n和2n+1周期輸出的合并系數；(4)對每一用戶每一子載波每一徑空時解碼輸出信號進行多徑信號的時域合并(24)，用戶k任一子載波p多徑信號時域合并后兩個連續(xù)比特2n和2n+1的輸出信號分別為Σl=1LRe{yk,j,p,l(2n)αk,j,p,l,1(2n)+(yk,j,p,l(2n+1))*αk,j,p,l,2(2n)}]]>Σl=1LRe{yk,j,p,l(2n)αk,j,p,l,1(2n+1)+(yk,j,p,l(2n+1))*αk,j,p,l,2(2n+1)}]]>(5)對同一用戶同一子載波在每一個接收天線上多徑合并后的信號再進行空域合并(25)，得到用戶在每一子載波信號的最終判決變量，用戶k第p個子載波的第2n和2n+1比特的最終判決變量分別為Yk,p(2n)=Σj=1JΣl=1LRe{yk,j,p,l(2n)αk,j,p,l,1(2n)+(yk,j,p,l(2n+1))*αk,j,p,l,2(2n)}]]>Yk,p(2n+1)=Σj=1JΣl=1LRe{yk,j,p,l(2n)αk,j,p,l,1(2n+1)+(yk,j,p,l(2n+1))*αk,j,p,l,2(2n+1)}]]>(6)對各子載波信號的最終判決變量進行BPSK解調(26)，恢復出用戶在各子載波上的數據信號；(7)對所恢復出的信號進行并串變換(27)恢復出用戶的數據流。
2.根據權利要求1所述一種空時分組碼MT-CDMA系統(tǒng)上行鏈路發(fā)射與接收方法，其特征在于接收步驟(3)對用戶k第p個子載波第l徑信號空時解碼延時單元和共軛運算單元在兩個連續(xù)符號2n和2n+1周期輸出的合并采用最大比合并，合并系數αk，j，p，l，1(2n)，αk，j，p，l，2(2n)和αk，j，p，l，1(2n+1)，αk，j，p，l，2(2n+1)分別為 和
全文摘要
一種空時分組碼MT－CDMA系統(tǒng)上行鏈路發(fā)射與接收方法包括以下步驟發(fā)射步驟，對每個用戶的數據流進行串并變換；數據塊流經過2×2的正交空時分組編碼；對每一路數據塊流的子數據流進行時域擴頻；進行快速付里葉逆變換；相加后發(fā)射；接收步驟，對每一天線接收到的信號進行快速付里葉變換；對每一用戶每一子載波每一徑的信號進行解擴與匹配濾波處理；然后進行空時解碼；之后進行多徑信號的時域合并；對多徑合并后的信號再進行空域合并，得到用戶在每一子載波信號的最終判決變量；對最終判決變量進行BPSK解調，恢復出用戶在各子載波上的數據信號；再進行并串轉換恢復出用戶的數據流。該方法顯著提高了MT－CDMA系統(tǒng)性能。
文檔編號H04L1/06GK1770672SQ20051008669
公開日2006年5月10日 申請日期2005年10月21日 優(yōu)先權日2005年10月21日
發(fā)明者楊維, 王新生, 顏永慶, 尤肖虎 申請人:北京交通大學