CN101447960A - 层间调制方法和装置及正交频分多址接入方法和发射机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种层间调制方法，以层间调制技术为基础，在层间调制的至少一层中，在符号调制之后对信号进行幅度调整和/或相位偏移。本发明还提供相应的层间调制装置以及基于上述层间调整方案的正交频分多址接入方法和发射机。本发明技术方案使用了基于分层交织编码的层间调制技术，提高了系统的频谱利用率；并且由于在层间采用了幅度调整和/或相位偏移，增加了符号调制映射中与传输符号对应的星座点的空间距离，减轻了多层信号迭加后星座点间的干扰(即层间干扰)，提高了层间调制系统的抗干扰性能。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及层间调制方法和装置以及相应的正交频分多址接入方法和发射机。
背景技术
近年来，以正交频分复用(OFDM：Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)为代表的多载波传输技术受到了人们的广泛关注。OFDM是多载波调制(MCM：Multi-Carrier Modulation)技术中的一种，其主要思想是将载波(信道)分成若干正交子载波，将高速数据信号转换成并行的若干路低速子数据流(或者是来自不同用户的若干路子数据流)，然后进行编码并使用诸如相移键控(PSK：Phase Shift Keying)或正交幅度调制(QAM：QuadratureAmplitude Modulation)等符号调制方式将数字信号调制到每个子载波上进行传输，通常将符号调制后的载波信号的一种幅度和/或相位状态称为一个传输符号。此外，还可对各路子数据流或信号进行交织以增加信号的切换。图1示意性的给出了OFDM中某一支路的处理过程。正交信号可以通过在接收端采用相关技术进行分离，这样可以减少子载波相互之间的信道干扰(ICI：InterChannel Interference)。由于每个子载波上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子载波上的衰落可以看成平坦性衰落，从而消除传输符号间干扰。而且由于每个子载波的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，因此信道均衡变得相对容易。
可以在OFDM的基础上实现多址，即正交频分多址接入(OFDMA：Orthogonal Frequency Multiple Access)，使得同一基站下的不同移动台能够在相同的信道上同时进行通信。
在对现有技术的研究和实践过程中，本发明的发明人发现，目前基于OFDM的系统的频谱还没有得到充分的利用，频谱利用率还有进一步提高的可能。
发明内容
本发明实施例提供能够提高频谱利用率且保证系统的抗干扰性能的层间调制方法和装置以及相应的正交频分多址接入方法和发射机。
一种层间调制方法，包括：将串行数据流转换为并行传输的N层数据流，N为大于等于2的整数；分别使用各层的数据流对载波信号进行符号调制；对至少一层所述符号调制后的信号进行幅度调整和/或相位偏移；在上述符号调制的步骤之前或之后，分别对各层的数据流或信号进行交织；将各层经过符号调制、幅度调整和/或相位偏移以及交织后输出的信号迭加复用成串行信号。
一种层间调制装置，包括：串并转换单元，用于将输入的串行数据流转换为并行的N层数据流输出，N为大于等于2的整数；N个符号调制单元，分别用于使用输入的各层数据流对载波信号进行符号调制，输出符号调制后的信号；至少一个幅度相位调制单元，用于对至少一层进行符号调制后的信号进行幅度调整和/或相位偏移；N个交织单元，分别用于对各层输入所述符号调制单元之前的数据流或者进行符号调制后的信号进行交织；迭加单元，用于将各层经过符号调制、幅度调整和/或相位偏移以及交织后输出的信号迭加复用成串行信号输出。
一种正交频分多址接入方法，包括：以彼此正交的k个子载波作为载波信号，分别使用k路数据流中的每一路按照权利要求1～6任意一项所述的层间调制方法进行调制，获得k路层间调制后的子载波，k为大于等于1的整数；对所述k路层间调制后的子载波进行正交频分多址调制。
一种正交频分多址发射机，包括：k个层间调制装置，k为大于等于1的整数，采用权利要求7～11任意一项所述的结构；所述k个层间调制装置分别使用彼此正交的k个子载波之一作为载波信号，各自输入一路数据流，输出一路层间调制后的子载波；正交频分多址调制器，用于输入k路层间调制后的子载波，进行正交频分多址调制后输出。
本发明实施例采用分层交织编码的层间调制方法，在层间调制的至少一层中，在符号调制之后对信号进行幅度调整和/或相位偏移的方法；由于使用了分层交织编码，提高了系统的频谱利用率；并且由于在层间采用了幅度调整和/或相位偏移，增加了符号调制映射中与传输符号对应的星座点的空间距离，减轻了多层信号迭加后星座点间的干扰(即层间干扰)，提高了层间调制系统的抗干扰性能。
附图说明
图1是现有OFDM技术的示意图；
图2是本发明实施例的LM方法的基本流程示意图；
图3是本发明实施例的LM装置的基本逻辑结构示意图；
图4是本发明实施例的LM装置进一步的逻辑结构示意图；
图5是本发明实施例的LM装置的信道编码单元的一种逻辑结构示意图；
图6是本发明实施例的LM装置的一种具体逻辑结构示意图；
图7是本发明实施例的LM装置的另一种具体逻辑结构示意图；
图8是本发明实施例的LM装置的又一种具体逻辑结构示意图；
图9是本发明实施例的LM装置的再一种具体逻辑结构示意图；
图10是本发明实施例的Layered OFDMA发射机的逻辑结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种采用分层交织编码的层间调制方法，在层间调制的至少一层中，在符号调制之后对信号进行幅度调整和/或相位偏移。本发明实施例还提供相应的层间调制装置、正交频分多址接入方法和正交频分多址发射机。以下分别进行详细说明。
本发明实施例的层间调制方法的基本流程可参考图2，主要包括步骤：
A1、将串行数据流转换为并行传输的N层数据流，N为大于等于2的整数。
基于本实施例层间调制(LM：Layered Modulation)方法分层复用的思想，需要将串行的数据流通过串并转换变成并行的数据流，可以进一步在数据流进行串并转换之前对串行数据流执行信道编码，或者分别对串并转换后并行传输的N层数据流进行信道编码。本文中所称信道编码是指数据流在用于载波信号调制前所进行的数字编码操作，具体可采用与数据内容相关的编码方式以及与数据格式相关的编码方式等，简明起见，将前一种称为第一信道编码，后一种称为第二信道编码。第一信道编码一般为纠错编码，例如常见的涡轮(Turbo)码、低密度奇偶校验(LDPC：Low Density Parity Check)码、卷积码等；第二信道编码一般为重复编码或扩频编码。
所执行的信道编码可任意选择第一信道编码和第二信道编码之一，也可以同时包括两者。
此外，还可以分别在串并转换前后都执行信道编码，对串行数据流执行的信道编码与分别对并行传输的N层数据流执行的信道编码可以相同也可以不同，并且各层中分别执行的信道编码可以相同也可以不同。例如，可先对串行数据流进行纠错编码，然后分别对并行传输的N层数据流中的全部或部分进行重复编码或扩频编码，以起到辅助进行层间区分的作用。
A2、分别使用各层的数据流对载波信号进行符号调制。
所称符号调制为将数据流中的数字符号(例如“0”或“1”)转换成适合信道传输特性的波形符号的过程。通常，载波信号可表示为：
S(t)＝A(t)cos[ωt+φ(t)]＝A(t)cosφ(t)cosωt-A(t)sinφ(t)sinωt
其中t表示时间，A(t)为幅度分量，ω为频率分量，φ(t)为相位分量。因此，符号调制可以对载波信号的幅度、频率和相位，或三者之间的联合进行调制，在目前的通信系统中通常使用PSK或QAM，或者二者的变种。通常将载波信号被符号调制后的一种幅度和/或相位状态称为一个传输符号，若将A(t)cosφ(t)称为同相分量，将A(t)sinφ(t)称为正交分量，分别以同相分量(I轴)和正交分量(Q轴)为横轴和纵轴画出代表传输符号映射的坐标点，得到的图像称为调制矢量图或星座图。
各层所使用的符号调制可以相同，也可以不同。
A3、对至少一层符号调制后的信号进行幅度调整和/或相位偏移。
所称幅度调整和/或相位偏移即相当于为符号调制后的信号乘以幅度相位调制因子
其中a为幅度调制因子，为角度调制因子，ej为角度基本算子。幅度调整和相位偏移可以共同作用也可以分开设计，取
即表示没有相位偏移，此时只有幅度调整工作；取a＝1，即表示幅度调整不工作，只有相位偏移工作。
一种较佳的实现是分别对各层符号调制后的信号进行幅度调整和/或相位偏移，并且至少两层使用不同的幅度调制因子a和/或角度调制因子
在各层中，a和
可以随着输入的传输符号的变化而变化取值，也可以恒定不变。具体而言，幅度调制因子a在各层可选择使用如下例举的分配方式：
①为每层的每个传输符号分配对应的幅度调制因子a；同一层中的不同传输符号可使用不同的幅度调制因子a。
②为每层分配对应的幅度调制因子a，该幅度调制因子a对该层的所有传输符号相同。
由于幅度调整可以等价于功率分配(功率为幅度的平方)，因此上述幅度调制因子a的分配方式也可描述为如下的功率分配方案：
①符号级功率分配：每层功率在每个传输符号上不同。
②层级随机分配：为每层分配一个功率，所分配的功率对该层所有传输符号都是相同的。此功率分配方案简单易行，可实现性好。
与幅度调整类似，相位偏移也可采用如下分配方式：
①层内角度分配：每层每传输符号对应的角度调制因子不一定相同。
②层间角度分配：每层对应的角度调制因子
不一定相同，但对于每层中的每个传输符号角度调制因子相同。
A4、在上述符号调制的步骤之前或之后，分别对各层的数据流或信号进行交织。
本实施例在并行的数据流中每层分配不同的交织器对每层进行区分，简明起见，图2中将此步骤放在符号调制和幅度调整/相位偏移的步骤之后。所称交织为按照预先设定的交织规则对数据流中的数字符号或载波信号中的传输符号进行位置扰乱的过程，可视为时域的重排序，不同层的交织器具有不同的交织规则从而区分不同的数据流。交织操作可灵活的安排在各层的处理过程中，例如，可以在层内信道编码之后符号调制之前，或者在符号调制之后幅度调整/相位偏移之前，或者在幅度调整/相位偏移之后等等。
A5、将各层经过符号调制、幅度调整和/或相位偏移以及交织后输出的信号迭加复用成串行信号。
至此一路输入的串行数据流转换成为一路串行信号输出，完成LM过程。
在上述实施例的LM方法中，经过LM的分层交织再复用后，载波信号的每个传输符号中可包含更多的信息，提高了频谱效率；并且通过在符号调制之后对信号进行幅度调整和/或相位偏移来减轻层间干扰。LM系统是一个层间自干扰(MLI：Multi-Layer Interference)系统，通常其接收机通过迭代干扰消除方案进行层间干扰消除。迭代干扰消除的性能与初次迭代检测性能是直接相关的，一般而言，初次检测越准确，迭代就越有效，最后通过迭代获得的性能增益越明显。这是因为，若初次检测能够较为准确的检测出某层的数据，则在后续的迭代检测中就能够较为准确的消除该层数据对其他层数据的干扰，以此循环，从而提高整个迭代检测的性能。对于幅度调整而言，相当于采用层间不等功率分配方案，使得在初次迭代中，迭代接收机能够首先将传输功率较大层的数据先检测出来，提高接收机的初次迭代检测性能，然后在后续迭代检测中，消除传输功率较大层的数据对其他功率较小层的数据干扰，从而提高小功率层的数据检测性能。从另一个角度看，幅度调整可以视为增加星座点空间，因此能够减轻干扰，提高检测性能。对于相位偏移而言，相当于改变每层的PSK/QAM星座点位置，同样可以视为增加星座点空间，能够提高检测性能。
为便于理解，简单举例说明如下：假设N＝2，两层数据流均采用二相移键控(BPSK：Binary Phase Shift Keying)调制方式，数字符号“1”调制为传输符号“+1+0j”(实部和虚部分别为星座空间的纵、横坐标，简明起见，以下在某部分坐标为0时省略该部分)，数字符号“0”调制为传输符号“-1”，在LM后，输出的传输符号可能为“+2，0，-2”。在不考虑噪声的情况下，接收到传输符号“+2”或“-2”时可以很容易判断出两层发送的数据为{1，1}或{0，0}，但是在收到传输符号“0”的情况下，无法判断两层发送的数据是{0，1}还是{1，0}。如果在每层中采用不同的相位偏移，第一层数字符号“1”和“0”分别映射为传输符号“+1”和“-1”(即保持不变)，第二层数字符号“1”和“0”分别映射为传输符号“+j”和“-j”(相当于)。那么LM后的传输符号可能为“1+j，1-j，-1+j，-1-j”，通过这4个星座点(比相位偏移前增加了1个)，即可准确的判断出每层发送的数据。
下面对用于执行上述LM方法的本发明实施例的层间调制装置进行说明，其基本逻辑结构参考图3，主要包括：
串并转换单元101，用于将输入的串行数据流转换为并行的N层数据流输出，N为大于等于2的整数；
N个符号调制单元，可以相同也可以不同，图3中统一标号为102，分别用于使用输入的各层数据流对载波信号进行符号调制，输出符号调制后的信号；
至少一个幅度相位调制单元，用于对至少一层进行符号调制后的信号进行幅度调整和/或相位偏移；当然，幅度相位调制单元可每层均有一个，分别为幅度相位调制单元1～N，图3中即画出此种情形，统一标号为103；各层的幅度相位调制单元不完全相同，具体幅度调制因子a与角度调制因子
的分配策略可参照前述方法中的说明，不再赘述；
N个交织单元1～N，图3中统一标号为104，分别用于对各层输入符号调制单元102之前的数据流或者进行符号调制后的信号进行交织；简明起见，图3中将交织单元1～N置于各层的符号调制单元102之前，实际也可在符号调制单元102或幅度相位调制单元103之后；
迭加单元105，用于将各层经过符号调制、幅度调整和/或相位偏移以及交织后输出的信号迭加复用成串行信号输出。
本实施例中的符号调制单元102具体可采用PSK调制器或QAM调制器。
参考图4，在上述基本逻辑结构的基础上，本发明实施例的层间调制装置还可进一步包括：
信道编码单元106，用于对输入串并转换单元101之前的串行数据流进行信道编码。
当然，也可以将信道编码单元置于串并转换单元之后，即使用N个信道编码单元，分别对并行传输的N层数据流进行信道编码。
信道编码单元106具体可采用如图5所示的结构，包括依次作用的第一编码单元1061和第二编码单元1062，当然信道编码单元也可择一使用该两个编码单元。所称第一编码单元具体可采用纠错编码器，所称第二编码单元具体可采用重复编码器或扩频编码器。
此外，第一编码单元和第二编码单元也可以分别位于串并转换单元之前或之后，或者在串并转换单元之前和之后重复使用第一编码单元和/或第二编码单元，各种不同的组合变化情况包括但不限于图6～图9所示的情形(简明起见，在图6～图9中以纠错编码器代表第一编码单元，以重复编码器代表第二编码单元)。图6中的LM装置使用一个纠错编码器对串行数据流进行纠错编码，然后使用N个重复编码器分别对并行传输的N层数据流进行重复编码；图7中的LM装置将图6中的重复编码器从各层中移出放置到串并转换单元之前；图8中的LM装置则将图6中的纠错编码器放到各层中；图9中的LM装置则省略了重复编码器而在串并转换前后均使用了纠错编码器。
在上述各种LM装置中，若各层中设置有编码器，则编码器与交织单元的位置可互换，编码器设置在符号调制单元之前即可。
下面对基于上述LM方法的本发明实施例的Layered OFDMA方法以及Layered OFDMA发射机进行说明。
前述本发明实施例的LM方法作为一种调制方式可以与各种其他传输技术相结合，例如可与OFDMA技术相结合，这种结合的技术可简称为LayeredOFDMA或者LOFDMA。本发明实施例的Layered OFDMA方法是基于前述本发明实施例的LM方法的一种OFDMA方法，其多址方式与通常的OFDMA相同，只是各路子载波分别作为LM中的载波信号采用本发明实施例的LM方法进行调制，然后将k路经过LM调制后的信号按照与子载波的对应关系经OFDM调制映射到OFDM载波上进行传输。
本发明实施例的Layered OFDMA发射机的逻辑结构参考图10，包括：
k个LM装置201，k为大于等于1的整数；该k个LM装置分别使用彼此正交的k个子载波之一作为载波信号，各自输入一路数据流，输出一路LM后的子载波；各个LM装置201可采用前述实施例中的各种LM装置的结构，图10以图6中的LM装置为示例画出，但将纠错编码器视为LM装置之外并将符号调制单元的调制方式设置为PSK/QAM；显然，若所使用的LM装置未提供所需要的信道编码，则本发射机可在各路串行数据流输入LM装置之前先执行相应的信道编码，例如使用图10中的纠错编码器203；
OFDM调制器202，用于输入k路层间调制后的子载波，进行正交频分多址调制后输出。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上对本发明实施例所提供的层间调制方法和装置以及相应的正交频分多址接入方法和发射机进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (13)
1、一种层间调制方法，其特征在于，包括：
将串行数据流转换为并行传输的N层数据流，N为大于等于2的整数；
分别使用各层的数据流对载波信号进行符号调制；
对至少一层所述符号调制后的信号进行幅度调整和/或相位偏移；
在上述符号调制的步骤之前或之后，分别对各层的数据流或信号进行交织；
将各层经过符号调制、幅度调整和/或相位偏移以及交织后输出的信号迭加复用成串行信号。
2、根据权利要求1所述的层间调制方法，其特征在于：所述符号调制为相移键控调制或正交幅度调制。
3、根据权利要求1所述的层间调制方法，其特征在于：分别对各层符号调制后的信号进行幅度调整和/或相位偏移，所称幅度调整为乘以幅度调制因子a，所称相位偏移为乘以
，其中ej为角度基本算子，为角度调制因子；
至少两层使用不同的幅度调制因子a和/或角度调制因子。
4、根据权利要求3所述的层间调制方法，其特征在于，所述分别对各层符号调制后的信号进行幅度调整和/或相位偏移的步骤中采用如下方式为各层分配幅度调制因子a和/或角度调制因子：
为每层的每个传输符号分配对应的幅度调制因子a和/或角度调制因子，所述传输符号每一个表示符号调制后的信号的一种幅度和/或相位状态；或者，
为每层分配对应的幅度调制因子a和/或角度调制因子，该幅度调制因子a和/或角度调制因子对该层的所有传输符号相同。
5、根据权利要求1～4任意一项所述的层间调制方法，其特征在于，还包括：
对所述串行数据流进行信道编码，所述信道编码包括第一和/或第二信道编码；或者，
分别对所述并行传输的N层数据流进行信道编码；或者，
先对所述串行数据流进行第一信道编码，然后分别对所述并行传输的N层数据流进行第二信道编码。
6、根据权利要求5所述的层间调制方法，其特征在于：所述第一信道编码为纠错编码，所述第二信道编码为重复编码或扩频编码。
7、一种层间调制装置，其特征在于，包括：
串并转换单元，用于将输入的串行数据流转换为并行的N层数据流输出，N为大于等于2的整数；
N个符号调制单元，分别用于使用输入的各层数据流对载波信号进行符号调制，输出符号调制后的信号；
至少一个幅度相位调制单元，用于对至少一层进行符号调制后的信号进行幅度调整和/或相位偏移；
N个交织单元，分别用于对各层输入所述符号调制单元之前的数据流或者进行符号调制后的信号进行交织；
迭加单元，用于将各层经过符号调制、幅度调整和/或相位偏移以及交织后输出的信号迭加复用成串行信号输出。
8、根据权利要求7所述的层间调制装置，其特征在于：所述符号调制单元为相移键控调制器或正交幅度调制器。
9、根据权利要求7所述的层间调制装置，其特征在于，所述幅度相位调制单元每层一个，所称幅度调整为乘以幅度调制因子a，所称相位偏移为乘以
，其中ej为角度基本算子，为角度调制因子；至少两个幅度相位调制单元使用不同的幅度调制因子a和/或角度调制因子。
10、根据权利要求7～9任意一项所述的层间调制装置，其特征在于，还包括：
信道编码单元，包括依次作用的第一编码单元和/或第二编码单元，用于对输入所述串并转换单元之前的串行数据流进行信道编码；或者，
N个信道编码单元，每个包括依次作用的第一编码单元和/或第二编码单元，分别用于对所述并行传输的N层数据流进行信道编码；或者，
第一编码单元和N个第二编码单元；所述第一编码单元，用于对输入所述串并转换单元之前的串行数据流进行第一信道编码；所述N个第二编码单元，分别用于对所述并行传输的N层数据流进行第二信道编码。
11、根据权利要求10所述的层间调制装置，其特征在于：所述第一编码单元为纠错编码器，所述第二编码单元为重复编码器或扩频编码器。
12、一种正交频分多址接入方法，其特征在于，包括：
以彼此正交的k个子载波作为载波信号，分别使用k路数据流中的每一路按照权利要求1～6任意一项所述的层间调制方法进行调制，获得k路层间调制后的子载波，k为大于等于1的整数；
对所述k路层间调制后的子载波进行正交频分多址调制。
13、一种正交频分多址发射机，其特征在于，包括：
k个层间调制装置，k为大于等于1的整数，采用权利要求7～11任意一项所述的结构；所述k个层间调制装置分别使用彼此正交的k个子载波之一作为载波信号，各自输入一路数据流，输出一路层间调制后的子载波；
正交频分多址调制器，用于输入k路层间调制后的子载波，进行正交频分多址调制后输出。
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