CN103457901A - 基于信道感知的混合载波信号传输方法 - Google Patents

基于信道感知的混合载波信号传输方法 Download PDF

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Abstract

基于信道感知的混合载波信号传输方法，涉及基于信道感知的混合载波信号传输方法。它为了解决当通信过程经历信道时受到多径传输或多普勒频移，或同时受到多径传输和多普勒频移影响时，传统OFDM和单载波调制方法存在误码率高的问题。本发明所述的基于信道感知的混合载波信号传输方法当通信过程经历信道时受到多径传输或多普勒频移，或同时受到多径传输和多普勒频移影响时，相较于传统OFDM和单载波调制方法，这种传输方法能更好的适应受到这两种因素影响的通信信道，发送终端通过反馈信号可最快速的跟踪信道变化并完成对发送功率和混合载波系统调制阶数的切换，进而降低通信系统的误码率。本发明适用于通信领域。

Description

基于信道感知的混合载波信号传输方法
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及基于信道感知的混合载波信号传输方法。
背景技术
随着通信产业的发展，通信经历的信道环境将进一步复杂化，多径传输和多普勒频移为影响通信系统性能的两个主要因素。而现有的多载波调制系统如OFDM和单载波调制系统在受到这两个因素影响时的误码性能表现出了明显的差异。当同时存在多径传输和多普勒频移影响时，OFDM系统在多普勒频移较小时性能较差，其误码性能随着多普勒频移的增大而逐渐变好。单载波调制系统在多普勒频移较小的时候性能优越，其误码性能随着多普勒频移的增大而逐渐变差。当通信过程经历信道时受到多径传输或多普勒频移，或同时受到多径传输和多普勒频移影响时，传统OFDM和单载波调制方法存在误码性能差的问题。
发明内容
本发明为了解决当通信过程经历信道时受到多径传输或多普勒频移，或同时受到多径传输和多普勒频移影响时，传统OFDM和单载波调制方法存在误码率高的问题，从而提出了基于信道感知的混合载波信号传输方法。
基于信道感知的混合载波信号传输方法包括下述步骤：
步骤一、发送终端发送源数据信号的符号序列，对源数据信号的符号序列做-α阶的加权分数傅立叶变换，获得调制阶数为α的混合载波调制信号，根据该混合载波调制信号的调制阶数α确定与调制阶数α相对应的实际信道参数的最优调制阶数，执行步骤二；
步骤二、将步骤一所述的调制阶数为α的混合载波调制信号加入循环前缀处理和并串转换处理，将经并串转换处理后的信号做上变频处理通过双弥散信道发送至接收终端，执行步骤三；
步骤三、接收终端将接收到的信号做下变频处理获得基带信号，所述的基带信号包括导频符号和数据符号，导频符号为发送终端定期的在源数据信号的符号序列中插入的符号，数据符号为源数据信号传达的数据信息，执行步骤四；
步骤四、当接收终端接收到基带信号中的导频符号时，根据该导频符号获得双弥散信道的信道参数估计，所述的信道参数估计包括多径传输的各径平均功率分布和多普勒频移，通过反馈信道将信道参数估计作为信道感知结果反馈回发送终端，发送终端根据接收终端反馈的信道参数估计确定与信道参数估计相对应的混合载波调制阶数和信号发送功率；
当发送终端接收到基带信号中的数据符号时，将数据符号依次进行串并转换处理、去循环前缀处理、信道抵消处理和加权分数傅立叶变换，获得α阶加权分数傅立叶变换域估计值，对该域估计值进行符号判决得到源数据信号的比特级估计序列；
完成基于信道感知的混合载波信号传输。
步骤一所述的根据该混合载波调制信号的调制阶数α确定与调制阶数α相对应的实际信道参数的最优调制阶数获得的具体过程为：从调制阶数表中查询得到与调制阶数α相对应的实际信道参数的最优调制阶数。
步骤四所述的发送终端根据接收终端反馈的信道参数估计确定与信道参数估计相对应的混合载波调制阶数和信号发送功率的具体过程为：从调制阶数表中查询得到与信道参数估计相对应的混合载波调制阶数和信号发送功率。
本发明所述的基于信道感知的混合载波信号传输方法当通信过程经历信道时受到多径传输或多普勒频移，或同时受到多径传输和多普勒频移影响时，相较于传统OFDM和单载波调制方法，这种传输方法能更好的适应受到这两种因素影响的通信信道，发送终端通过反馈信号可最快速的跟踪信道变化并完成对发送功率和混合载波系统调制阶数的切换，进而降低通信系统的误码率。如图2中所示，在相同的误码率5×10-4时，系统所需的信噪比至少降低了2dB。
附图说明
图1为基于信道感知的混合载波信号传输方法的信号处理流程图；
图2为OFDM系统、单载波系统和混合载波系统在双弥散信道下误码仿真曲线图，图中
Figure BDA0000381363270000021
表示OFDM调制系统，
Figure BDA0000381363270000022
表示单载波调制系统，——表示在每个信噪比条件下均采用子图3中所示的最优阶数调制的混合载波系统；
图3为采用不同阶数调制的混合载波系统在双弥散信道下误码仿真曲线图，图中
Figure BDA0000381363270000023
表示调制阶数α＝０.1的混合载波调制系统，
Figure BDA0000381363270000024
表示调制阶数α＝０.2的混合载波调制系统，
Figure BDA0000381363270000025
表示调制阶数α＝０.3的混合载波调制系统，
Figure BDA0000381363270000026
表示调制阶数α＝０.4的混合载波调制系统，
Figure BDA0000381363270000027
表示调制阶数α＝０.5的混合载波调制系统，
Figure BDA0000381363270000028
表示调制阶数α＝０.6的混合载波调制系统，表示调制阶数α＝０.7的混合载波调制系统，
Figure BDA00003813632700000210
表示调制阶数α＝０.8的混合载波调制系统，
Figure BDA00003813632700000211
表示调制阶数α＝０.9的混合载波调制系统。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于信道感知的混合载波信号传输方法包括下述步骤：
步骤一、发送终端发送源数据信号的符号序列，对源数据信号的符号序列做-α阶的加权分数傅立叶变换(weighted-type fractional Fourier transform,WFRFT)，获得调制阶数为α的混合载波调制信号，根据该混合载波调制信号的调制阶数α确定与调制阶数α相对应的实际信道参数的最优调制阶数，执行步骤二；
步骤二、将步骤一所述的调制阶数为α的混合载波调制信号加入循环前缀处理和并串转换处理，将经并串转换处理后的信号做上变频处理通过双弥散信道发送至接收终端，执行步骤三；
步骤三、接收终端将接收到的信号做下变频处理获得基带信号，所述的基带信号包括导频符号和数据符号，导频符号为发送终端定期的在源数据信号的符号序列中插入的符号，数据符号为源数据信号传达的数据信息，执行步骤四；
步骤四、当接收终端接收到基带信号中的导频符号时，根据该导频符号获得双弥散信道的信道参数估计，所述的信道参数估计包括多径传输的各径平均功率分布和多普勒频移，通过反馈信道将信道参数估计作为信道感知结果反馈回发送终端，发送终端根据接收终端反馈的信道参数估计确定与信道参数估计相对应的混合载波调制阶数和信号发送功率；
当发送终端接收到基带信号中的数据符号时，将数据符号依次进行串并转换处理、去循环前缀处理、信道抵消处理和加权分数傅立叶变换，获得α阶加权分数傅立叶变换域估计值，对该域估计值进行符号判决得到源数据信号的比特级估计序列；
完成基于信道感知的混合载波信号传输。
根据不同的双弥散信道条件下得到的大量仿真结果可知，不同阶数调制的混合载波系统在不同的信道条件下呈现不同的性能优劣差异，且混合载波系统往往在某段信噪比区间内呈现更优于OFDM(相当于调制阶数α＝1的混合载波系统)和单载波(调制阶数α＝0的混合载波系统)调制系统的误码率性能。影响混合载波系统性能的参量包括：多径传输导致的信号时间域的统计弥散功率分布(即时延扩展)、发送终端和接收终端持续的相对位移导致的多普勒频移、系统接收终端信噪比、接收终端采用的信道抵消方法、混合载波调制阶数α(0≤α≤1)的值。
其中，时间域弥散功率分布和多普勒频移由通信信号经历的信道决定；信噪比和混合载波调制阶数由发送终端控制；接收终端采用的信道抵消方法由接收终端选取。
如图2和图3所示为三种调制系统当接收终端均采用最小均方误差线性均衡方法抵消信道时，在某典型的双弥散信道下的仿真结果。
由仿真结果可知，单载波调制系统(即α＝0时的混合载波调制系统)在较低的信噪比下误码性能最优，而随着信噪比增大单载波系统出现误码平层。
OFDM系统在0～30dB信噪比范围内未出现误码平层，但其误码性能与单载波和混合载波调制系统相比较差。混合载波调制系统在信噪比>14dB时开始呈现出更优于单载波系统的性能。然而采用不同阶数调制的混合载波系统也相继出现误码平层。不同的调制阶数出现误码平层时对应的信噪比和误比特率是不同的，此外阶数较高的混合载波出现误码平层较晚，且出现误码平层时对应的误码率也更低。因此，在可变的信道和信道抵消方法条件下，不同的信噪比范围内总存在最优的调制阶数使得混合载波调制系统的性能最优。
信道参数往往为通信系统不可控的，而接收终端采用的信道抵消方法(如图1中所示的信道抵消处理)、信噪比以及混合载波调制阶数α是系统可控的。因此，若假设发送终端已知接收终端采用的信道抵消方法，则当接收终端通过信道估计等信道感知方法获得信道参数(主要包括多径传输的各径平均功率分布和多普勒频移)后，可通过反馈的方式使发送终端获知信道信息，进而发送终端可调整发送功率(影响接收终端的信噪比)和混合载波系统的调制阶数，从而获得最优的系统性能。由于信道抵消方法的复杂多样，获得对应每种信道和信噪比条件下的最优调制阶数表达式十分困难，因此可采用实测经验信道，即事先通过现场测量获得实际应用场景经历的大量参考双弥散信道。再经过大量仿真，得到在不同的信道参数下可使混合载波调制的系统误码性能最优的调制阶数，并将不同的信道下对应的最优调制阶数记录成表。在实际收发过程中根据实际信道参数，从最优调制阶数表中查找事先记录的参考信道对应的最优阶数。此时选择的最优调制阶数对应的参考信道参数应为表中最接近实际信道的参数。通过这种方式可最快速的跟踪信道变化并完成对发送功率和混合载波系统调制阶数的切换。
本发明基于加权分数傅立叶变换(weighted-type fractional Fourier transform,WFRFT)的混合载波调制(hybrid carrier modulation,HCM)可作为一种多载波调制如OFDM和单载波调制系统的统一和扩展。多载波调制和单载波调制系统为混合载波调制系统可看成是混合载波在阶数为两个特殊值时的两种特殊情况，同时混合载波调制系统可视为从OFDM到单载波调制系统过渡的中间状态。因此考虑到OFDM和单载波调制系统在两种极端的信道条件下(大时延扩展和大多普勒频移)呈现的迥异性能特点，可知介于两者之间的混合载波调制系统能更好的适应多变的双弥散信道(即同时存在多径传输和多普勒频移的信道)环境。
本发明的接收终端的采用信道信息感知，并通过反馈信道信息到发送终端，进而控制发送终端混合载波调制(即加权分数傅立叶变换)的调制阶数和信号发送功率，获得混合载波调制系统在双弥散信道条件下最优的系统性能。整个基于信道感知的加权分数傅立叶变换域混合载波信号设计与传输方法的系统流程图如图1所示。
具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的基于信道感知的混合载波信号传输方法的区别在于，步骤一所述的根据该混合载波调制信号的调制阶数α确定与调制阶数α相对应的实际信道参数的最优调制阶数获得的具体过程为：从调制阶数表中查询得到与调制阶数α相对应的实际信道参数的最优调制阶数。
本实施方式所述的调制阶数表为采用实测经验信道，即事先通过现场测量获得实际应用场景经历的大量参考双弥散信道；经过大量仿真，得到在不同的信道参数下可使混合载波调制的系统误码性能最优的调制阶数，并将不同的信道下对应的最优调制阶数记录成表。
具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一所述的基于信道感知的混合载波信号传输方法的区别在于，步骤四所述的发送终端根据接收终端反馈的信道参数估计确定与信道参数估计相对应的混合载波调制阶数和信号发送功率的具体过程为：从调制阶数表中查询得到与信道参数估计相对应的混合载波调制阶数和信号发送功率。

Claims (3)

1.基于信道感知的混合载波信号传输方法，其特征在于：它包括下述步骤：
步骤一、发送终端发送源数据信号的符号序列，对源数据信号的符号序列做-α阶的加权分数傅立叶变换，获得调制阶数为α的混合载波调制信号，根据该混合载波调制信号的调制阶数α确定与调制阶数α相对应的实际信道参数的最优调制阶数，执行步骤二；
步骤二、将步骤一所述的调制阶数为α的混合载波调制信号加入循环前缀处理和并串转换处理，将经并串转换处理后的信号做上变频处理通过双弥散信道发送至接收终端，执行步骤三；
步骤三、接收终端将接收到的信号做下变频处理获得基带信号，所述的基带信号包括导频符号和数据符号，导频符号为发送端定期的在源数据信号的符号序列中插入的符号，数据符号为源数据信号传达的数据信息，执行步骤四；
步骤四、当接收终端接收到基带信号中的导频符号时，根据该导频符号获得双弥散信道的信道参数估计，所述的信道参数估计包括多径传输的各径平均功率分布和多普勒频移，通过反馈信道将信道参数估计作为信道感知结果反馈回发送终端，发送终端根据接收终端反馈的信道参数估计确定与信道参数估计相对应的混合载波调制阶数和信号发送功率；
当发送终端接收到基带信号中的数据符号时，将数据符号依次进行串并转换处理、去循环前缀处理、信道抵消处理和加权分数傅立叶变换，获得α阶加权分数傅立叶变换域估计值，对该域估计值进行符号判决得到源数据信号的比特级估计序列；
完成基于信道感知的混合载波信号传输。
2.根据权利要求1所述的基于信道感知的混合载波信号传输方法，其特征在于：步骤一所述的根据该混合载波调制信号的调制阶数α确定与调制阶数α相对应的实际信道参数的最优调制阶数获得的具体过程为：从调制阶数表中查询得到与调制阶数α相对应的实际信道参数的最优调制阶数。
3.根据权利要求1所述的基于信道感知的混合载波信号传输方法，其特征在于：步骤四所述的发送终端根据接收终端反馈的信道参数估计确定与信道参数估计相对应的混合载波调制阶数和信号发送功率的具体过程为：从调制阶数表中查询得到与信道参数估计相对应的混合载波调制阶数和信号发送功率。
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