积极利用多径效应的数据传输方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种积极利用多径效应的数据传输方法和系统，用于解决宽带无线通信中多径效应引起码间干扰的问题。当通信终端的体积、重量、功耗、天线增益以及通信带宽受限时出现严重多径效应，又无法利用MIMO‑OFDM技术和基于扩频的Rake接收技术来解决时，本发明专利技术能实现高速数据的可靠传输。由于FDM使每一路符号速率降低数倍，带有循环前缀和循环后缀的帧结构可吸收较长的双向码间干扰，因而系统允许的最大多径时延差能适应许多重要应用场合。基于多轮部分符号判决、重构信号抵消、再检测剩余符号的均方误差最小频域均衡法，使系统能在最恶劣信道条件下的误码率低于译码门限，传输2Mbps时的链路特性都能接近于自由空间传播。

【技术实现步骤摘要】
积极利用多径效应的数据传输方法和系统
本专利技术属于通信
，涉及数据传输，具体的说是一种积极利用多径效应的数据传输方法和由此构成的无线通信系统，应用于宽带无线通信、散射通信和地空通信。
技术介绍
宽带无线通信发展的最大障碍是多径效应，由于电磁波除了视距直达(LOS)传输之外还有许多反射、折射路径传输，其强度可能都很强；这些传输路径的最大距离差可能达到几百米甚至几千米，其相应的传输时延差是射频载波周期的成千上万倍；因此当它们传输到接收端相加时，每一个时刻的信号都是由无穷多个相位随机地分布在[0，2π]的正弦信号相加，其复增益因子的模一般是瑞利分布随机变量，只有其中的LOS分量的增益因子的模才表现为莱斯分布。整个接收信号的幅度也是瑞利分布或莱斯分布，二者分别对应于无LOS(或有LOS)分量时的情况。在许多实际应用场合中信道的莱斯因子FRice(＝LOS分量功率/多径延迟分量总功率)都很小，存在严重的多径衰落现象。对于宽带无线通信，当一个通信符号周期比多径传输最大时延差还要大时，多径衰落表现为频率选择性衰落；每一个符号都受到前面多个符号的多径延迟分量的干扰(即码间干扰ISI)，以至于无论怎样加大发射功率和增大发送、接收天线的增益，都不能进行正常传输，其误比特率总在50％左右。因此多径衰落现象是提高通信速率的最大障碍。对抗多径衰落技术的研究，开始于19-60年代末，在此后的几十年中成千上万的学者对此进行了十分深入广泛的研究；不仅提出了许多能显著改善多径衰落条件下传输特性的信道均衡算法，例如：迫零均衡器、MMSE(最小均方误差)均衡器、判决反馈均衡器、多种自适应均衡器、Turbo均衡器等，而且还提出了最大似然序列检测算法(MLSE)。原理上MLSE算法是一种最佳算法，但实际上并不能有效地积极利用多径信道的功率，而且当最大多径时延较大(例如大于5个QPSK符号)时，其实现复杂度很高而很难推向实际应用。多径效应是可以用线性卷积模型较好地描述的，发送端的数字基带调制复信号，即其符号星座点序列{x(n)}，经多径信道传输到接收端，通过正交下变频和利用波形匹配滤波进行基带解调后，所得复信号{y(n)}等于信号{x(n)}与信道单位冲激响应{h(k)，k＝1：Ld}的卷积，即y(n)＝x(n)*h(n)，n＝1：∞。消除多径效应的接收信号处理，本质上就是去卷积处理，照理说是可以成功的；实际上当莱斯因子较大时，例如：FRice＞0.5时采用MMSE频域均衡法就可能获得很好的效果。但是，实际应用中FRice可能很小，而且独立的多径分量个数(Ld-1)可能很多，以至于信道系统函数H(z)可能有许多零点处在单位圆之外，此时信道均衡很难获得好的效果，甚至完全无效。实际上，基于非定向天线单载波发射的宽带数字调制信号，如果接收端也不能用高增益自适应窄波束天线进行接收的话，所得接收信号要消除或积极利用多径效应都是非常困难的；除非采用基于扩频的Rake接收机。当然，19-90年代出现的MIMO-OFDM(多发送接收天线与正交频分复用相结合)之类的技术也可积极利用多径效应，而且其频带效率可以提高到几十bps/Hz，而且不像Rake接收机那样因为基于直接序列扩频而需要占用很多的频率资源。MIMO-OFDM之类的时频联合编码和信号处理技术，是最近20年来无线移动通信之所以能够如此飞速发展的关键因素。尽管无线通信目前已发展到很高的程度，通信距离可达数百万公里，传输速率可达到1Gbps以上。这看起来似乎是无所不能了，其实宽带无线通信的发展还是遗留下了一个很难突破的课题；这就是当通信终端的体积、重量、功耗、天线增益以及通信带宽存在某些限制时，其可靠传输信息速率的提高会因多径效应的影响而受到很大限制，甚至想要在各种环境下都可靠传输2Mbps以上的速率都无法做到。例如大疆公司生产的小型无人机2Mbps的航拍视频信息传输系统，在距离超过8Km时就无法传输；而按照它的发射功率为26dBm(≈400mW)，在自由空间中可靠传输的距离应可达到40.2km，因其多径效应没有很好消除而使链路额外地损失了14dB，因为(40.2/8)2≈25.25倍＝14dB。这就是说如果完全消除了多径效应的影响，只需要发射15.8mW就能传输8Km。可见消除和利用多径效应的潜力还很大。另一个例子是：美军的数据链自19-80年代全面装备部队后，经过了许多次改进，一般终端的最高信息速率可达到238kbps，但在最大传输距离达到200Km时需要终端发射200W的突发射频功率。目前增强型LINK16终端的最高速率也只达到1.2Mbps，此时最大传输距离是否也能达到200Km尚不可知。尽管进一步提高传输速率的需求十分迫切，但目前没有找到好办法能实现这个目标。我们对Link16进行链路估算的结果是：信息速率238kbps，传输距离达到200Km时只需终端发射1.5W的突发射频功率。这与Link16终端需要发射200W相比，产生了133.3倍功率的损失，即出现了21.25dB的链路损失。这说明Link16没有采取很好的措施消除多径效应。上述两个典型的事例，就是宽带无线通信领域遗留下来一个世界级难题的证据。概括地说，在通信终端的体积、重量、功耗、天线增益以及通信带宽存在明显的限制，又无法利用MIMO-OFDM技术和基于扩频的Rake接收技术的应用场合，要想克服或积极利用多径效应来实现传输速率的提高，使速率达到2Mbps以上就是一个世界性难题；这个难题是成千上万的人经过50多年努力也没有圆满解决的，正是本专利技术要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术是一种积极利用多径效应的数据传输方法和系统，其发射端和接收端的系统结构框图分别如图1、图2所示。下面分4部分来叙述这个系统的结构、流程及信号处理方法和步骤。1.系统的基本结构及其信息、信号处理方法和步骤：(1-1)系统采用频带数为M(M＝1～16)的频分复用(FDM)方式，将一个速率较高的数据比特流串并转换为M个速率较低的数据比特流进行传输；发送端和接收端都基于基带复信号处理实现FDM信号的复接和分接；发送端与接收端共享一幅天线进行无线发射与接收；(1-2)发送端中包括有一个用户数据1→M的串并转换单元①；对应于M个FDM通道各包括有一个分组纠错编码单元②、一个帧结构形成单元③和一个QPSK调制单元④；还包括有对于FDM复数字信号进行数模转换的一对D/A变换器⑤、一个模拟的射频(或中频)载波调制器⑥、一个射频信号放大器⑦和一个双向隔离射频耦合器⑧；单元①将待传数据比特流进行串/并转换，变为M个数据比特流分别逐帧地送到各个FDM通道的②进行分组纠错编码和交织处理，在③中形成帧结构；在④中进行QPSK调制，得M个调制在不同中频载波上的复数字信号，这M个数字信号直接相加便得到一个FDM复数字信号；其实部和虚部分别在⑤中进行D/A变换变为模拟信号，用作单元⑥的I、Q两路输入信号，在其中进行射频正交载波调制；调制为射频信号后再经单元⑦放大，通过⑧耦合到天线进行发射；对于发射频率很高的情况，例如Ku或Ka频段，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种积极利用多径效应的数据传输方法和系统，其特征在于系统的结构流程及信号处理方法和步骤如下：/n(1)系统采用频带数为M(M＝1～16)的频分复用(FDM)方式，将一个速率较高的数据比特流串并转换为M个速率较低的数据比特流进行传输；发送端和接收端都基于基带复信号处理实现FDM信号的复接和分接；发送端与接收端共享一幅天线进行无线发射与接收；/n(2)发送端中包括有一个用户数据1→M的串并转换单元①；对应于M个FDM通道各包括有一个分组纠错编码单元②、一个FDM帧结构形成单元③和一个QPSK调制单元④；还包括有对于FDM复数字信号进行数模转换的一对D/A变换器⑤、一个模拟(射频或中频)正交调制器⑥、一个射频信号放大器⑦和一个双向耦合器⑧；单元①将待传数据比特流进行串/并转换，变为M个数据比特流分别逐帧地送到各个FDM通道的②进行分组纠错编码和交织处理，在③中形成帧结构，在④中进行数字式QPSK调制，得到M个不同载波调制的复数字信号，相加得到一个FDM复数字信号；其实部和虚部分别在⑤中进行D/A变换，变为I、Q两路模拟信号送到单元⑥进行正交载波调制；调制为射频信号后再经单元⑦放大，通过⑧耦合到天线进行发射；对于发射频率很高的情况，例如Ku或Ka频段，在单元⑥中只调制到一个较高的中频频率(例如140MHz)，再用模拟变频器变换到射频之后发射；/n(3)所述分组纠错编码单元②和帧结构形成单元③的信息处理方法和步骤如下：/nA)设每一帧待发送的数据为2rN比特，经分组纠错编码后变为2N比特，将它的每2比特映射为一个QPSK符号星座点值，形成N长的序列x...

【技术特征摘要】
1.一种积极利用多径效应的数据传输方法和系统，其特征在于系统的结构流程及信号处理方法和步骤如下：
(1)系统采用频带数为M(M＝1～16)的频分复用(FDM)方式，将一个速率较高的数据比特流串并转换为M个速率较低的数据比特流进行传输；发送端和接收端都基于基带复信号处理实现FDM信号的复接和分接；发送端与接收端共享一幅天线进行无线发射与接收；
(2)发送端中包括有一个用户数据1→M的串并转换单元①；对应于M个FDM通道各包括有一个分组纠错编码单元②、一个FDM帧结构形成单元③和一个QPSK调制单元④；还包括有对于FDM复数字信号进行数模转换的一对D/A变换器⑤、一个模拟(射频或中频)正交调制器⑥、一个射频信号放大器⑦和一个双向耦合器⑧；单元①将待传数据比特流进行串/并转换，变为M个数据比特流分别逐帧地送到各个FDM通道的②进行分组纠错编码和交织处理，在③中形成帧结构，在④中进行数字式QPSK调制，得到M个不同载波调制的复数字信号，相加得到一个FDM复数字信号；其实部和虚部分别在⑤中进行D/A变换，变为I、Q两路模拟信号送到单元⑥进行正交载波调制；调制为射频信号后再经单元⑦放大，通过⑧耦合到天线进行发射；对于发射频率很高的情况，例如Ku或Ka频段，在单元⑥中只调制到一个较高的中频频率(例如140MHz)，再用模拟变频器变换到射频之后发射；
(3)所述分组纠错编码单元②和帧结构形成单元③的信息处理方法和步骤如下：
A)设每一帧待发送的数据为2rN比特，经分组纠错编码后变为2N比特，将它的每2比特映射为一个QPSK符号星座点值，形成N长的序列x1(1：N)，其中N是分组纠错码的码长为2N，N＝26～29，r是一种分组纠错编码的码率r＝1/8～7/8，这里rN是整数；在其前面加Ld个(Ld＝1～N-10)符号的循环前缀，在其后加2个符号的循环后缀，得到一个长度Lab(＝N+Ld+2)的序列
X1(1：Lab)＝[x1(N-Ld+1：N)，x1(1：N)，x1(1：2)]；
B)将x1(1：N)交织处理后得到x2(1：N)＝intrlv(x1(1：N))，也如上那样加上其循环前缀和循环后缀，得到一个类似于X1的序列
X2(1：Lab)＝[x2(N-Ld+1：N)，x2(1：N)，x2(1：2)]；
C)设计一个长度为Lc、用于同步和信道估计的伪随机码m序列s(1：Lc)，将其中Lc个码片都各表示为一个QPSK符号星座点值，也像上面那样加上其循环前缀和循环后缀，得到S(1：Lcd)＝[s(Lc-Ld+1：Lc)，s(1：Lc)，s(1：2)]，它是一个含有Lcd个QPSK符号星座点值的序列，其中Lcd＝Lc+Ld+2；
D)将上述三序列串行排列得到一个含有LF个QPSK符号星座点值的序列[X1SX2]，即构成一个完整的信息帧，其中帧长LF＝2N+Lc+3Ld+6；如此一帧一帧地形成QPSK符号星座点值序列，再经平方根升余弦谱特性的成形滤波器{gn}处理后，形成一个零中频基带复信号，送到发送端QPSK信号正交调制单元④进行数字中频载波调制，得到M个调制在不同中频载波上的QPSK信号，相加即形成一个FDM中频数字信号；其实部和虚部分别在⑤中进行D/A变换变为模拟信号，再送到单元⑥进行正交载波调制；再经单元⑦放大，通过⑧耦合到天线进行发射；
(4)接收端包括有一个低噪声放大器(LNA)①、自动增益控制(AGC)射频/中频放大器②、模拟正交解调器③、两路A/D变换器④、FDM分接单元⑤和一个M→1并串转换单元⑨；对应于每个FDM通道，各包括有一个最小均方误差(MMSE)频域均衡器⑥、一个QPSK解调软/硬判决单元⑦、分组纠错译码及解交织处理单元⑧；由收发共享天线接收到的射频信号经①、②、③、④处理之后得到一个宽带复数字信号，送到⑤中采用数字正交下变频器和{gn}波形匹配滤波器进行FDM分接处理，产生M个零中频复数字信号；然后分别送到相应的⑥单元中进行MMSE频域均衡处理，再送到⑦中转换为各符号的软判决量，在单元⑧中进行分组纠错译码得到M个数据流，在单元⑨中进行M：1的并/串转换，变为一个数据流传输到用户终端。


2.根据权利要求1所述的积极利用多径效应的数据传输方法和...

【专利技术属性】
技术研发人员：易鸿锋，杨宝林，张方，
申请(专利权)人：西安英诺视通信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61