基于多普勒抑制波束域大规模天线正交空时编码发射方法技术

基于多普勒抑制波束域大规模天线正交空时编码发射方法，在发送端将待发送信号的数据进行正交空时编码，然后将待发送信号分成多路数据流；将多路数据流均进行波束域多普勒频偏补偿；然后将波束形成的角度依次分配给多路数据流进行波束形成；最后进行天线加权后将发送信号发射出去；发送信号经过收发信道到达基站接收端；在基站接收端利用最大似然译码，得到接收信号。本发明专利技术减轻了信道的时变性，使得接收端的信道等价于时不变信道。将传统的最大似然译码转变成线性加权的最大似然译码形式，大大降低了信道估计算法的复杂度。本发明专利技术可以在抑制多普勒扩展同时有效利用信道分集增益，提升了无线通信链路的可靠性。

Orthogonal Space-Time Coding Transmitting Method for Large-Scale Antennas in Beam Doppler Suppression Doppler Doppler Domain

【技术实现步骤摘要】
基于多普勒抑制波束域大规模天线正交空时编码发射方法
本专利技术属于高速移动通信领域，涉及一种基于多普勒抑制波束域大规模天线正交空时编码发射方法。
技术介绍
由于无线传输环境具有开放性，信号在空间中传播时会产生反射、衍射、散射、干涉等现象，致使移动无线通信伴随着“多径效应”。一方面，发送信号经由空间的不同路径于不同时刻到达接收端，当时延扩展和信号的采样间隔可比拟时，经历不同时延的信号在接收端叠加在一起会造成显著的符号间干扰(ISI)；从频域上看，即形成了频率选择性衰落。另一方面，发送端和接收端之间的相对运动会引起多普勒频移，由于到达接收端的角度不同，不同路径上的信号经受的多普勒频偏(DFO)也不尽相同；具有不同多普勒频偏的信号在接收端叠加在一起造成信号包络发生变化，从而形成时间选择性衰落。正是这种双选择性衰落为高速移动无线通信带来了巨大的困难。正交频分复用(OFDM)技术将宽带信道划分为多个并行的互有重叠的窄带子信道，既有效提升了频谱效率，又通过添加循环前缀有效对抗了符号间干扰，将频率选择性衰落转变成了每个子载波上的乘性平坦衰落，成为5G无线通信的核心技术。但也正是由于子信道间互有重叠，OFDM的性能严重依赖于不同子载波之间的正交性，而这一正交性对频率偏移非常敏感。频率偏移会破坏子载波之间的正交性，从而引起严重的子载波间干扰(ICI)，损害OFDM系统的性能。因此，在具有双选择性衰落特性的高速移动通信环境下采用OFDM系统时，首要面临的问题即是如何对抗多个多普勒频偏。并且传统的采用信道估计是利用估计信道矩阵的逆运算求解的，运算的复杂度较大，在实际中应用不广泛。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术的问题，提供一种基于多普勒抑制波束域大规模天线正交空时编码发射方法。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：基于多普勒抑制波束域大规模天线正交空时编码发射方法，包括以下步骤：步骤一：在发送端将待发送信号的数据进行正交空时编码，然后将待发送信号分成多路数据流；步骤二：将多路数据流均进行波束域多普勒频偏补偿；然后将波束形成的角度依次分配给多路数据流进行波束形成；最后进行天线加权后将发送信号发射出去；步骤三：收发信道假设为Jake信道模型，发送信号经过收发信道到达基站接收端；在基站接收端利用最大似然译码，得到接收信号。本专利技术进一步的改进在于，步骤一的具体过程如下：1)高速列车配备M元大规模均匀线阵ULA，基站端采用单天线接收；假设采用Nc个子载波的OFDM调制方式；高速列车移动带来的最大多普勒频率记为：fd＝v/λ，其中v和λ分别表示高速列车移动速度和射频波长；发射帧的起始为一个参考信号块，用来辅助接收端完成对波束域的信道估计；参考信号后面紧跟着发送信号；假设发送信号由两个数据块构成，即发送信号X＝[x1,x2]，其中x1,x2均为Nc×1的列矢量；参考信号块和每个数据块的信号都由Nc个符号和循环前缀CP构成；2)将发送信号进行Alamouti编码，发送信号在进行Alamouti编码时采用以下编码矩阵：发送信号的两个数据块是由Alamouti编码后的数据块构成；在发送第一个发送数据块时，第一路数据流发送数据x1，此时第二路数据流发送数据x2；在发送第二个发送数据块时，第一路数据流发送数据-x2*，此时第二路数据流发送数据x1*；编码后的符号序列分成两部分数据流X1,X2发送；其中数据流X1,X2分别经过反离散傅里叶变换后，发送的时域信号为：S1＝FHX1＝[s1,1s1,2],S2＝FHX2＝[s2,1s2,2]；其中F表示归一化的DFT矩阵；然后在每个数据块前加上循环前缀；发送信号经过串并转换被发射到信道中，对应数据流X1,X2的时域信号记为：z1和z2；z1和z2均为N×1矩阵，其中N代表发送的时域信号S1和S2经过加导频序列、循环前缀和串并转换成一列之后的发送信号长度。本专利技术进一步的改进在于，循环前缀的长度大于或等于信道的冲激响应的长度。本专利技术进一步的改进在于，将第一路数据流与第二路数据流均进行波束域多普勒频偏补偿，然后将波束形成的角度记为q＝1,2,...,Q，并将这些角度分配给第一路数据流与第二路数据流进行波束形成，将波束形成的角度按照索引的奇偶方式分配给第一路数据流与第二路数据流；第一路数据流采用奇数索引的波束指向q＝1,3,...，第二路数据流采用偶数索引的波束指向q＝2,4,...；最后进行天线加权后将发送信号发射出去；本专利技术进一步的改进在于，步骤二的具体过程如下：1)表示由频移x引入的相位旋转矩阵，其中t表示采样时间的初始偏移位置，fs为采样频率；2)将选取的波束形成指向角度记为q＝1,2,...,Q，第q个匹配滤波波束是其中代表对应方向的阵列导向矢量矩阵，d代表归一化天线阵元间距；代表第q个随机相位；频移x为第q路波束的发射信号N×M矩阵记为：其中i＝1,2分别代表两路发送的OFDM时域符号序列；经过奇偶路波束形成后得到的发送信号为：发送信号经过天线加权技术，得到的总的多天线发射信号矩阵Z记为：其中w＝[w1w2…wM]T∈CM×1代表天线加权的权重矢量，Cm×n代表m×n的向量空间复矩阵；最后将进行天线加权后的发送信号发射出去。本专利技术进一步的改进在于，步骤三的具体过程为：发送信号经过的收发信道假设为Jake信道模型；假设收发端之间信道包含1+L个抽头；定义抽头l∈(0,1,…,L)；其中第l个抽头由在内0～π的无穷多个多径成分构成；将第l抽头对应角度θ的入射径的增益记为κl(θ)；将表示由频移x引入的相位旋转矩阵Φt(x)对应第k个数据块的相位旋转子矩阵提取，得到其中NCP是循环前缀CP长度，k＝0,1,2，这里k＝0代表参考信号对应的数据块，k＝1,2代表发送信号对应的数据块；假设接收端配备单天线；在接收端进行串并转换，去掉循环前缀CP，得到接收信号y0代表参考信号对应的接收数据块，y1和y2分别代表发射信号对应的第一个发送数据块和第二个发送数据块的接收信号；其中第k块数据对应的接收信号矢量表示为：其中k＝1,2，yk代表接收端的第k块接收数据；表示对应第k个数据块对应的信道的多普勒频移；Zk(l)表示在CP扩展情况下发射端信号矩阵Z的第k个数据块下移l位的版本，表示如下：其中表示发送信号si,k循环下移l位的版本，表示对应第k个数据块做多普勒补偿的矩阵块；因此，将上述的Sk(l)代入到接收信号y中，得到的基站处接收时域信号表示为:考虑M趋于足够大时，将对应角度的导向矢量假设为正交，得到第k块接收信号yk：其中第i个数据流中任何一块数据块对应的等效时域信道hi表示为：hi＝[hi,0hi,1…hi,L]T经过多普勒补偿之后每块数据经过的信道近似相同，因此时域信道对应的频域信道响应Hi为：其中表示归一化的DFT矩阵，将时域信号做傅里叶变换转变成频域信号，两个数据块的接收信号的频域表示分别为：这里Y1表示第一个发送数据块对应的接收信号，这里Y2表示第二个发送数据块对应的接收信号；·表示点乘运算；利用导频信号估计信道；用k＝0时接收信号y0所估计的信道的表达两路数据流经过的信道，得到每块数据块对应的信道都是等价的，即估计的信道与接收端的信号线性加权组合进行最大似然译码：其中和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于多普勒抑制波束域大规模天线正交空时编码发射方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在发送端将待发送信号的数据进行正交空时编码，然后将待发送信号分成多路数据流；步骤二：将多路数据流均进行波束域多普勒频偏补偿；然后将波束形成的角度依次分配给多路数据流进行波束形成；最后进行天线加权后将发送信号发射出去；步骤三：收发信道假设为Jake信道模型，发送信号经过收发信道到达基站接收端；在基站接收端利用最大似然译码，得到接收信号。

【技术特征摘要】
1.基于多普勒抑制波束域大规模天线正交空时编码发射方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在发送端将待发送信号的数据进行正交空时编码，然后将待发送信号分成多路数据流；步骤二：将多路数据流均进行波束域多普勒频偏补偿；然后将波束形成的角度依次分配给多路数据流进行波束形成；最后进行天线加权后将发送信号发射出去；步骤三：收发信道假设为Jake信道模型，发送信号经过收发信道到达基站接收端；在基站接收端利用最大似然译码，得到接收信号。2.根据权利要求1所述的基于多普勒抑制波束域大规模天线正交空时编码发射方法，其特征在于，步骤一的具体过程如下：1)高速列车配备M元大规模均匀线阵ULA，基站端采用单天线接收；假设采用Nc个子载波的OFDM调制方式；高速列车移动带来的最大多普勒频率记为：fd＝v/λ，其中v和λ分别表示高速列车移动速度和射频波长；发射帧的起始为一个参考信号块，用来辅助接收端完成对波束域的信道估计；参考信号后面紧跟着发送信号；假设发送信号由两个数据块构成，即发送信号X＝[x1,x2]，其中x1,x2均为Nc×1的列矢量；参考信号块和每个数据块的信号都由Nc个符号和循环前缀CP构成；2)将发送信号进行Alamouti编码，发送信号在进行Alamouti编码时采用以下编码矩阵：发送信号的两个数据块是由Alamouti编码后的数据块构成；在发送第一个发送数据块时，第一路数据流发送数据x1，此时第二路数据流发送数据x2；在发送第二个发送数据块时，第一路数据流发送数据-x2*，此时第二路数据流发送数据x1*；编码后的符号序列分成两部分数据流X1,X2发送；其中数据流X1,X2分别经过反离散傅里叶变换后，发送的时域信号为：S1＝FHX1＝[s1,1s1,2],S2＝FHX2＝[s2,1s2,2]；其中F表示归一化的DFT矩阵；然后在每个数据块前加上循环前缀；发送信号经过串并转换被发射到信道中，对应数据流X1,X2的时域信号记为：z1和z2；z1和z2均为N×1矩阵，其中N代表发送的时域信号S1和S2经过加导频序列、循环前缀和串并转换成一列之后的发送信号长度。3.根据权利要求2所述的基于多普勒抑制波束域大规模天线正交空时编码发射方法，其特征在于，循环前缀的长度大于或等于信道的冲激响应的长度。4.根据权利要求2所述的基于多普勒抑制波束域大规模天线正交空时编码发射方法，其特征在于，将第一路数据流与第二路数据流均进行波束域多普勒频偏补偿，然后将波束形成的角度记为并将这些角度分配给第一路数据流与第二路数据流进行波束形成，将波束形成的角度按照索引的奇偶方式分配给第一路数据流与第二路数据流；第一路数据流采用奇数索引的波束指向第二路数据流采用偶数索引的波束指向最后进行天线加权后将发送信号发射出去。5.根据权利要求4所述的基于多普勒抑制波束域大规模天线正交空时编码发射方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张渭乐，胡志男，穆鹏程，王文杰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61