基于加权分数傅里叶变换域的多分量多天线通信方法

Due to the diversity gain and multiplexing gain, compared with traditional single carrier system and the OFDM system, multi-antennas MIMO system can provide a significant improvement in communication performance. In this research, weighted fractional Fourier transform is employed to perform time-frequency domain cooperation in hybrid-carrier modulation scheme, and then, in the proposed communication system, different weighted component of time-frequency signal is transmitted by different antenna respectively. Meanwhile, in the receiver end, we apply the statistic independence of wireless channel and the restriction of time and frequency component to further improve the processing gain of MIMO signals. At the same time, since the attenuation of different weighted component is different due to channel independence, in order to maintain the constraint among different signal components, the compensation to different weighted components should be performed. Hence, in this research, we will study the compensation technologies on different weighted components so that the signal interaction and performance degradation caused by the difference of channel gain can be avoided. Moreover, in the later phase of this research we will build a hardware (FPGA or DSP) based baseband processing demo platform to verify the transmitting and receiving processing algorithms of fractional Fourier multi-component signals.

多天线MIMO技术可以提供分集增益或复用增益，对传统的单载波和OFDM系统有明确的性能提升。本课题利用加权分数傅里叶变换完成时频协同混合载波信号的设计与处理，进而将时频协同的多载波混合信号作为研究对象，将时频信号的不同加权分量通过不同天线或信道进行传输，在接收端，利用信道的统计独立性和信号时频分量的约束关系，进一步提升多天线和MIMO信号处理增益，为时频协同混合载波信号提供新型变换域处理的基本理论与方法；同时，由于信道的独立性带来了对不同加权信号分量的衰减不同，要保证信号分量之间的约束关系，就必须对多分量信号进行补偿，本课题将开展对不同信号分量的补偿技术和方法的研究，补偿信道增益不同带来的信号之间的的相互影响和接收性能下降；此外，对分数傅里叶多分量信号的发射接收处理算法，通过基带硬件平台实现关键技术的演示验证。

本项目针对多分量多天线场景下物理层通信性能和系统鲁棒性在时频双弥散复杂信道中受损的问题，以加权类分数傅里叶变换为理论基础，以单载波和多载波协同传输信号为研究对象，提出了基于多分量加权信号的多天线传输方法。通过在多天线场景下传输各种形式的时频协同信号组合，分析不同结合方式在双弥散信道下的系统性能，提出了基于加权分数傅里叶变换的多分量多天线传输方法，以较低的复杂度实现多天线系统误码率性能的提升。此外，本项目拓展了经典加权分数傅立叶变换的形式，在符合通信要求的前提下，提出了基于扩展加权分数傅立叶变换的多分量传输方法。为了解决信道特性与信号匹配设计的问题，本项目分别给出了单弥散或时频双弥散信道下的多分量信号设计。对于时间或频率弥散信道，本项目提出了扩展混合载波两分量组合信号设计方法，并理论推导出分量等功率分配下的系统增益效果。该方法所获得的增益并不占用额外的时间、频率和空间资源，只是以实现复杂度为代价换取了系统误码性能的提升。而对于双弥散信道，本项目提出了基于畸变功率方差最小化的信号-信道匹配准则以及基于时频能量分配方案的扩展混合载波信号设计，并验证了该准则与实际通信系统的匹配性及该信号设计方法的性能优势。在此基础上，建立了基于变换域信号处理的MIMO系统半实物FPGA硬件演示平台，平台包括变换域信号收发端的设计、可实现时频双弥散信道仿真的信道模块等，最终实现具备参数可调变换域MIMO系统正常通信演示功能的半实物平台。