矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法技术

本发明专利技术公开了一种矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法。首先形成带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧，各个用户的导频序列是同一个导频序列的不同时延副本。该导频设计方法，可以使各用户的导频序列在时域上彼此错开一个MC-CDMA符号循环前缀的长度，不仅避免了多用户间干扰，还可以将多个用户的导频MC-CDMA符号安排在一帧中相同位置。然后在基站或协作伙伴端利用接收到各用户的导频序列进行信道估计，得到各个用户各子载波对应信道增益的估计值。该算法能够在避免多用户间干扰的同时尽可能提高导频资源利用率。

【技术实现步骤摘要】
矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法
本专利技术属于井下通信
，具体涉及一种矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法。
技术介绍
相比于地面无线信道，矿井巷道无线信道多径衰落更加严重，严重影响了煤矿井下无线通信系统的性能。高效综合地利用煤矿井下通信系统的空间、时间和频率等各种资源，可以使煤矿井下无线通信系统的无线覆盖性能、容量和速率等得到显著地提高。多载波调制能有效抗多径衰落，为在移动环境所带来的高度不利的无线信道条件下传输高速数据提供了一种好的解决办法。而码分多址(CodeDivisionMultipleAccess,CDMA)具有抗干扰能力强、误码率低和抗多径衰落的突出优点。矿井巷道频率资源是开放的，以多载波技术融合CDMA技术是矿井巷道无线通信的理想基础调制技术之一。在煤矿井下无线传输信道与带状受限空间结构的条件下，在上行链路中采用多载波码分多址(MultipleCarrier-CodeDivisionMultipleAccess,MC-CDMA)无线传输，可以通过充分利用矿井巷道开放的频率资源，克服多径衰落严重对矿井巷道无线传输造成不利的影响。协作分集利用无线信道的广播特性，通过多个移动用户相互协作获得上行链路发射分集，可以有效对抗无线信道多径衰落，提高数据速率。矿井巷道空间是受限的带状空间，非常适宜采用协作多跳的无线通信方式。通过为与基站间信道状况较差用户寻找一个与基站间信道状况较好的协作伙伴，可以显著提高信道状况较差用户的信道容量和误码率性能。这样就不会因为用户移动到信道状况较差的地点，而导致基站与用户间的信道容量衰减过大、通信质量很差甚至通信中断等情况的发生。协作分集的方式主要有放大转发(AmplifyandForward,AF)、解码转发(DecodeandForward,DF)和编码协作(CodedCooperation,CC)等3种方式。放大转发和解码转发只是重复转发所接收到的信息比特，效率较低。而编码协作在本质上是将码字分为2个部分，每一个部分都由协作伙伴之一进行传送，不仅获得了编码增益，而且还可以在协作伙伴之间十分灵活地分配信道编码符号，编码效率很高。在矿井巷道上行链路采用时频编码协作多载波码分多址(MultipleCarrier-codeDivisionMultipleAccess,MC-CDMA)无线传输方案，既可以充分利用矿井巷道开放的频率资源来克服多径衰落严重对矿井巷道无线传输造成的不利影响，又可以通过为与基站间信道状况较差用户寻找一个与基站间信道状况较好的协作伙伴，显著提高信道状况较差用户的信道容量和误码率性能。在矿井巷道时频编码协作MC-CDMA上行链路中，来自各个移动台的信号在到达其协作伙伴或基站前受到不同的衰落信道的影响。为使基站能正确地解调出各移动台的发射信号，基站需要估计出与各移动台之间的信道状态信息；为使用户能正确地解调出其协作伙伴的发射信号，用户需要估计出与其协作伙伴之间的信道状态信息。矿井巷道时频编码协作MC-CDMA上行链路由于涉及到多用户间的大量协作，采用基于子空间类的盲信道估计方法将不可避免地涉及到十分复杂的矩阵计算，其运算量难以承受。采用传统的基于导频的信道估计算法，可以避免复杂的矩阵运算，但需要通过将不同用户的导频符号安排在MC-CDMA帧中不同位置来避免多用户间干扰，这会降低上行链路导频资源利用率和增加系统开销。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法，包括带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧的形成及传输和利用接收到的带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧进行信道估计两部分，所述带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧的形成及传输包括以下步骤：对矿井巷道每个移动用户信源经过二相移相键控(BinaryPhaseShiftKeying，BPSK)调制的数据流进行码元分组，每组有F个码元；对每个码组进行循环冗余编码即插入N位帧检验序列(FrameCheckSequence,FCS)，N的大小为编码所采用生成多项式的长度减1；对插入FCS的码组进行码率为R的卷积编码，最终形成码元个数为Nd*P＝(F+N)/R的卷积编码帧作为矿井巷道移动用户时频码第一部分的数据分组，Nd为数据传输帧中数据MC-CDMA符号的个数；对作为矿井巷道移动用户时频码第一部分数据分组的卷积编码帧进行时频变换，即将位于后半部分的码字取反移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分，作为矿井巷道移动用户时频码第二部分的数据分组；对矿井巷道移动用户时频码第一部分数据分组或第二部分数据分组1:P的串并变换，数据流被分成P路独立的并行数据分组，将被分配在MC-CDMA的P个扩频支路上分别独立发射；对每一路独立的数据分组都经过1:G的复制，形成G路相同的并行数据流，G一般取16、32或64；对复制后的G路并行数据分组用长度为G的扩频码进行频域扩频，不同的矿井巷道移动用户采用不同的扩频码；对频域扩频后的P*G路并行数据分组插入并行块状导频，就形成了带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧，用户k的导频序列是用户1导频序列在时域上延时即循环移位(k-1)*Lcp点得到的，Lcp表示矿井巷道MC-CDMA符号循环前缀的长度；对插入并行块状导频后的P*G路并行数据分组进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，将各路信号调制到相应的子载波上；将调制后P*G路子载波上的信号相加后在矿井巷道移动用户的天线上发射。所述利用接收到的带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧进行信道估计包括以下步骤：基站或协作伙伴接收到的信号是矿井巷道各移动用户的信号和噪声的叠加，对接收到的信号进行与发射端快速傅里叶逆变换(IFFT)对应的快速傅里叶变换(FFT)，恢复出P*G个子载波上的信号，形成P*G路并行数据分组；对形成的P*G路并行数据分组，分别提取出第一位，得到各移动用户块状导频经矿井巷道传输后叠加的频域数组；用上述频域数组点除用户1的频域导频序列，得到各移动用户频域信道增益的叠加；对各移动用户频域信道增益的叠加进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，得到各移动用户信道时域冲激响应的叠加；根据各用户导频序列的时移特性，从各移动用户信道时域冲激响应的叠加中，分离出个各移动用户的信道时域冲激响应；对各移动用户的信道时域冲激响应进行快速傅里叶变换(FFT)，得到各移动用户P*G个子载波对应的信道增益。本专利技术的有益效果是：本专利技术所提出的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计算法利用循环移位对不同用户的在频域上构造不同的导频序列，实现区分用户的时域冲激响应的目的。它通过将同一个频域导频序列的不同时延副本分配给各个用户进行信道估计，可以使各用户的导频序列在时域上彼此错开一个MC-CDMA符号循环前缀的长度，不仅避免了多用户间干扰，还可以将多个用户的导频MC-CDMA符号安排在一帧中相同位置，而不必为每个用户分别预留特定的位置。该算法弥补了传统的基于导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种矿井巷道上行时频编码协作MC‑CDMA信道估计方法，其特征在于，包括带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC‑CDMA数据传输帧的形成及传输和利用接收到的带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC‑CDMA数据传输帧进行信道估计两部分，所述带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC‑CDMA数据传输帧的形成及传输包括以下步骤：步骤1对矿井巷道每个移动用户信源经过二相移相键控调制的数据流进行码元分组，每组有F个码元；步骤2对每个码组进行循环冗余编码即插入N位帧检验序列，N的大小为编码所采用生成多项式的长度减1；步骤3对插入FCS的码组进行码率为R的卷积编码，最终形成码元个数为Nd*P=(F+N)/R的卷积编码帧作为矿井巷道移动用户时频码第一部分的数据分组，Nd为数据传输帧中数据MC‑CDMA符号的个数；步骤4对作为矿井巷道移动用户时频码第一部分数据分组的卷积编码帧进行时频变换，即将位于后半部分的码字取反移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分，作为矿井巷道移动用户时频码第二部分的数据分组；步骤5对矿井巷道移动用户时频码第一部分数据分组或第二部分数据分组1:P的串并变换，数据流被分成P路独立的并行数据分组，将被分配在MC‑CDMA的P个扩频支路上分别独立发射；步骤6对每一路独立的数据分组都经过1:G的复制，形成G路相同的并行数据流；步骤7对复制后的G路并行数据分组用长度为G的扩频码进行频域扩频，不同的矿井巷道移动用户采用不同的扩频码；步骤8对频域扩频后的P*G路并行数据分组插入并行块状导频，就形成了带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC‑CDMA数据传输帧，用户k的导频序列是用户1导频序列在时域上延时即循环移位(k‑1)*Lcp点得到的；其中Lcp表示矿井巷道MC‑CDMA符号循环前缀的长度；步骤9对插入并行块状导频后的P*G路并行数据分组进行快速傅里叶逆变换，将各路信号调制到相应的子载波上；步骤10将调制后P*G路子载波上的信号相加后在矿井巷道移动用户的天线上发射。...

【技术特征摘要】
1.一种矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA(多载波码分多址)信道估计方法，其特征在于，包括带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧的形成及传输和利用接收到的带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧进行信道估计两部分；其中：所述带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧的形成及传输包括以下步骤：步骤1对矿井巷道每个移动用户信源经过二相移相键控调制的数据流进行码元分组，每组有F个码元；步骤2对每个码组进行循环冗余编码即插入N位FCS(帧检验序列)，N的大小为编码所采用生成多项式的长度减1；步骤3对插入FCS的码组进行码率为R的卷积编码，最终形成码元个数为Nd*P＝(F+N)/R的卷积编码帧作为矿井巷道移动用户时频码第一部分的数据分组，Nd为数据传输帧中数据MC-CDMA符号的个数；步骤4对作为矿井巷道移动用户时频码第一部分数据分组的卷积编码帧进行时频变换，即将位于后半部分的码字取反移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分，作为矿井巷道移动用户时频码第二部分的数据分组；步骤5对矿井巷道移动用户时频码第一部分数据分组或第二部分数据分组1:P的串并变换，数据流被分成P路独立的并行数据分组，将被分配在MC-CDMA的P个扩频支路上分别独立发射；步骤6对每一路独立的数据分组都经过1:G的复制，形成G路相同的并行数据流；步骤7对复制后的G路并行数据分组用长度为G的扩频码进行频域扩频，不同的矿井巷道移动用户采用不同的扩频码；步骤8对频域扩频后的P*G路并行数据分组插入并行块状导频，就形成了带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧，用户k的导频序列是用户1导频序列在时域上延时即循环移位(k-1)*Lcp点得到的；其中Lcp表示矿井巷道MC-CDMA符号循环前缀的长度；步骤9对插入并行块状导频后的P*G路并行数据分组进行快速傅里叶逆变换，将各路信号调制到相应的子载波上；步骤10将调制后P*G路子载波上的信号相加后在矿井巷道移动用户的天线上发射；所述利用接收到的带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧进行信道估计包括以下步骤：步骤1基站或协作伙伴接收到的信号是矿井巷道各移动用户的信号和噪声的叠加，对接收到的信号进行与发射端快速傅里叶逆变换对应的快速傅里叶变换，恢复出P*G个子载波上的信号，形成P*G路并行数据分组；步骤2对形成的P*G路并行数据分组，分别提取出第一位，得到各移动用户块状导频经矿井巷道传输后叠加的频域数组；步骤3用上述频域数组点除用户1的频域导频序列，得到各移动用户频域信道增益的叠加；步骤4对各移动用户频域信道增益的叠加进行快速傅里叶逆变换，得到各移动用户信道时域冲激响应的叠加；步骤5根据各用户导频序列的时移特性，从各移动用户信道时域冲激响应的叠加中，分离出个各移动用户的信道时域冲激响应；步骤6对各移动用户的信道时域冲激响应进行快速傅里叶变换，得到各移动用户P*G个子载波对应的信道增益。2.根据权利要求1所述矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA信道估计方法，其特征在于，所述带有导频的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA数据传输帧的形成及传输，对任一用户k，包括以下数据传输帧形成和传输步骤：步骤1任一矿井巷道移动用户k信源经过二相移相键控调制的数据流进行码元分组，每组有F个码元，每组的F个码元表示为[ak(1),…,ak(F)]，取值为+1或-1；步骤2对每个码组进行循环冗余编码即插入N位帧检验序列；步骤3对插入FCS的码组进行码率为R的卷积编码，最终形成码元个数为Nd*P＝(F+N)/R的卷积编码帧作为矿井巷道移动用户时频码第一部分的数据分组，Nd为数据传输帧中数据MC-CDMA符号的个数；步骤4对作为矿井巷道移动用户时频码第一部分数据分组的卷积编码帧进行时频变换，即将位于后半部分的码字取反移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分，作为矿井巷道移动用户时频码第二部分的数据分组，将由Nd*P个码元组成的时频码任一部分记为[Sk1,…,SkNd*P]，取值为+1或-1；步骤5对每个要传输的时频码第一部分数据分组或第二部分数据分组[Sk1,…,SkNd*P]进行1:P的串并变换，数据流被分成P路独立的并行分组[Sk1,…,SkP；···；Sk(Nd-1)*P+1,…,SkNd*P]T，将被分配在MC-CDMA的P个扩频支路上分别独立发射，[]T表示转置运算；步骤6每一路独立的数据流都经过1:G的复制，形成G路相同的并行数据流，G一般取16、32或64；步骤7对复制后的G路并行数据流用长度为G的扩频码进行频域扩频，不同的矿井巷道...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琳园，杨维，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11