CN104243386B - 多载波通信系统附加通道信息传输方法 - Google Patents
多载波通信系统附加通道信息传输方法 Download PDFInfo
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Abstract
多载波通信系统附加通道信息传输方法，属于无线通信技术领域。发射方基于OFDM技术在频域叠加信息将主通道信息和附加通道信息叠加在一起，经IFFT变换和加循环前缀后发射；接收方将接收到的信息经去循环前缀、FFT变换后，先解码获得主信息，然后从接收到的信息中消去主信息，最后再解调出附加信息。其中附加信息采用kasami序列进行编码；为了获得低PSR比下的传输可靠性，附加信息在发射方通过多次重复kasami序列，接收方相关接收时叠加求平均以减少噪声干扰。本发明能够充分利用多载波通信系统中的SNR盈余，附加通道信息传输性能在主附功率比PSR较小时仍然具有较好的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及多载波通信中一种新的信息传输方式。
背景技术
正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波调制技术。它具有较高的频谱利用率，在对抗多径衰落方面有着天然的优越性，适合高速数据传输。因此OFDM在现代无线宽带接入系统中得到了广泛的应用，并被多个标准接纳为核心调制技术，如DAB、DVB-T/H、LTE、IEEE 802.11 a/g/n、WiMAX等。在规划无线OFDM通信网络时，为保证信息传输链路的稳定性，往往通过增加发射功率的方式为接收终端预留足够的SNR(信噪比)余量。如在数字地面电视广播系统中，为了网络边缘用户能稳定接收，其发射功率高达上万瓦，然而对于多数非边缘用户，由于较为靠近发射塔而存在较大的SNR盈余，即实际SNR远高于终端工作模式下信息解调的SNR门限。SNR盈余为在同一信道中开辟附加信息传输通道提供了可能。尤其是在当前无线频谱资源极为稀缺的情况下，充分利用通信网络SNR盈余，利用附加通道增大信息传输速率，这对提高频谱利用率具有重要意义。
日益涌现的高效调制/编码技术为附加通道信息传输提供了新的思路，如逼近香农限的信道编码技术如低密度校验码(LDPC)，多天线分集技术(如多输入多输出MIMO)。运用这些技术可以实现恶劣环境条件下的信息传输。然而传统的数据传输方式在低码率情况下，为了保证接收门限导致了信噪比盈余；利用SNR盈余实现附加通道信息传输，提高系统容量和频谱利用率，同时将附加通道对主通道造成的影响降到最低。鉴于OFDM调制技术的频谱利用率高，其抗多径性能可以降低叠加信息带来的同信道干扰，应用OFDM技术，在保证原服务信息(主通道)可靠性传输的前提下，在频域叠加信息(附加通道)，可以充分利用信噪比盈余，提高频谱利用率。
目前基于OFDM叠加信息的传输方式中，附加通道通过采用信道编码或扩频技术来增强其抗干扰能力。然而，加载少量信息的短码很难逼近香农限，且不同码率之间的解码门限跨度较大(造成SNR盈余)，不能充分利用SRN盈余；尽管扩频技术提高了信息的可靠性，但主附功率比(PSR)较小时，附加信息的传输可靠性不是很理想。因此，附加通道的信息加载方式有待改进。
OFDM系统叠加信息传输技术具有广阔的应用前景。利用附加通道，在移动通信中可以 承载数据业务，如低速率的音频，文字信息等；在认知无线电(CR)网络，传输各终端共享环境参数信息。使用这种技术最大的好处在于满足服务需求的同时无需额外开销频谱资源。基于以上背景，本专利提出了多载波系统附加通道信息传输方法。
发明内容
本发明提供一种多载波通信系统附加通道信息传输方法，该方法能够充分利用多载波通信系统中的SNR盈余，其附加通道信息传输性能在主附功率比PSR较小时仍然具有较好的可靠性。
本发明技术方案如下：
多载波通信系统附加通道信息传输方法，该方法基于OFDM技术在频域叠加信息，如图1所示，设发射方调制后功率归一化的主信息为X1(k)，附加信息为X2(k)，子载波数为N，主通道的平均功率为附加通道的平均功率为取 根据主附功率比(PSR)来确定，则叠加后经IFFT变换后的信息为：
其中主附功率比：
附加通道平均功率：
噪声方差：
IFFT变换后的信息添加循环前缀后发射到通信信道中；
如图2所示，设接收方接收到的传输信息经去循环前缀、FFT变换后为R[k]，则：
其中Hest[k]为信道频域响应的估计值；
接收方在解码获得主信息后，利用主信息编码调制模式，对解调后的信息重新进行编码调制，以便将R[k]中的主信息消除。主信息的具体消除方式为：通过控制功率因子，使主信息平均功率远高于附加信息，将附加通道的影响降到最低。从图4可以看出，随着主信息与附加信息的功率比的增大，主信息误码率越来越小。根据实际设计需求，在利用SNR盈余时，主附通道的解调门限不得高于应用环境的信噪比。
假设应用环境信噪比为SNR，SNR盈余为ΔSNR，无附加信息时解调门限为SNRmin(BER＝10-6)，容易推得：
则PSR临界值PSRmin与ΔSNR的关系为：
进一步的，本发明中附加信息采用kasami序列进行编码(仿真时采用直接序列扩频进行对比)，具体编码方式为：
n阶大集合kasami序列的种数M＝(1+2n)2n/2，可调制信息比特数为log2M≈1.5n。以6阶kasami序列为例简要介绍其编码方式(如图3)，设需要传输的附加信息为二进制序列d＝[d0,d1,…,dn-1,dn,…,d1.5n-1]，根据kasami序列的生成方式，首先设定m序列寄存器初始状态为非零序列h，且h＝[a0,a1,…,a5]，与其对应采样序列寄存器的初始状态为h'＝[d0,d1,…,dn-1]，h″＝[dn,dn+1,…,d1.5n-1]，传输信息的不同，生成的kasami序列唯一。
本发明中附加通道实部和虚部采用两个不同的大集合kasami序列进行编码，发射方通过 多次重复kasami序列，相关接收时叠加求平均以减少噪声干扰。kasami序列的相关值副峰有五个取值：
B＝{-1,-1-2(n+2)/2,-1+2(n+2)/2,-1-2n/2,-1+2n/2}
在频域叠加相同的kasami序列，设kasami序列长度为P，叠加段数为K，通过统计得出每种峰值的概率。假设五种峰值出现的概率分别为Pi(i＝1,2…,5)，则一次相关检测的检测错误率为(以下关于kasami序列的计算仅考虑实部)：
其中A为相关峰，为相关值中噪声平均功率。
主信息消除后：
通过改变PSR、K、kasami序列长度，充分利用SNR盈余来获取尽可能大的信道容量和传输可靠性。假设无重复情况下采用n阶kasami序列的检测门限为SNRk，叠加K次带来的信噪比增益为10log10(K)，则
可得：
K为正整数 (12)
故采用kasami序列编码附加信息的附加通道须满足式(6)，(12)两条件。
下面介绍kasami序列检测的具体实施过程：
设消除主信息后，接收到的附加信息为r(k)，在理想同步情况下，将每个符号中的K段数据进行平均，然后本地M种kasami序列进行相关峰检测，比较式(13)中M种结果，获得最大峰值的相关序列即为发射机信息加载序列。
其中cp,m为本地kasami序列，rav为接受信号K段平均。
附加通道采用扩频通信时，为方便对比，采用复数信息，实部和虚部分别BPSK调制，只需解调一路信息即可。直接序列扩频通信，误码率与BPSK相同：
设加载的信息比特数为M，以M个比特为一个块，则块检测概率为：
Pe＝1-(1-Pem)M (15)
本发明的有益效果是：
本发明提供一种多载波通信系统附加通道信息传输方法，该方法能够充分利用多载波通信系统中的SNR盈余，附加通道信息采用kasami序列进行编码和检测，发射方通过多次重复kasami序列，相关接收时叠加求平均以减少噪声干扰，使得附加通道信息传输性能在主附功率比PSR较小时仍然具有较好的可靠性。
附图说明
图1为数据叠加传输的发射机框图
图2为数据叠加传输的接收机框图
图3为kasami序列加载信息示例，阶数n＝6
图4为不同PSR下，主信息的误码特性仿真
图5为SNRmin等于-2.6dB时，SNR盈余与PSR临界值关系
图6为PSR＝5dB时，附加通道kasami序列的检测性能仿真
图7为PSR＝5dB时，kasami的重复次数与SNR关系
图8为不同PSR下，附加通道kasami序列检测性能仿真
具体实施方式
下面将构建仿真平台，并给出仿真结果图。系统仿真参数：FFT点数为512，CP长度为128,主通道为QPSK调制,6阶kasami序列长度P＝63，8阶kasami序列长度P＝255。分实部和虚部两路传输，附加信息的接收只考虑一路信息即可。若附加通道为直接序列扩频，可以选择截断PN序列使扩频后的附加信息与OFDM子载波长度一致。以下步骤中仅说明kasami序列加载信息。
1)将主信息进行1/4LDPC编码，QPSK调制。
2)假设附加信息已预先进行kasami序列编码，K次重复kasami序列，并添0补足一个OFDM符号长度。
3)根据PSR产生功率因子,将主信息与附加信息叠加。
4)接收信息时，先进行QPSK解调，LDPC解码获得主信息，然后将解码后的信息进行LDPC编码，QPSK调制，将传输信息中的主信息消除。
5)重复序列求平均，相关解调获得发送的kasami序列。
图4为不同PSR下，主信息的误码特性仿真。由图中可以看出随着PSR的减小，即附加功率增大，主信息的解码门限越来越大。根据实际需求，选着合理的PSR，使得在利用SNR盈余时主信息在应用环境下能正确接收。
图5为SNRmin等于-2.6dB时，SNR盈余与PSR临界值关系。根据公式(8)得到理论曲线。仿真时由SNR盈余得出主信息的解码门限，据此SNR门限，仿真得到PSR的最小值。此图说明利用SNR盈余时，主附功率比必须大于其临界值，主信息才能正确接收。
图6为PSR＝5dB时，附加通道kasami的检测性能仿真。根据中心极限定理，主信息可以看做高斯白噪声，此仿真假设主信息完全消除，根据式(2)～(4)，调整叠加次数，添加相应噪声对kasami序列进行仿真。由图可知，通过调整kasami序列重复次数改善其检测门限，使得在应用环境SNR下附加信息能正确接收。
图7为PSR＝5dB时，kasami的重复次数与SNR关系。根据不等式(13)得到取等号时的理论曲线。仿真得到不同重复次数下，kasami序列的检测门限。此图说明利用SNR盈余时，kasami序列重复次数必须大于其临界值，附加信息才能正确接收。
图8为不同PSR下，附加通道kasami序列的检测性能仿真。8阶kasami重复两次与6阶kasami重复8次序列长度一致。由图中可以看出，PSR＝10dB时，主信息解码门限为-1.8dB，选择8阶kasami序列2次叠加，附加信息的可靠性高；PSR＝5dB时，选择6阶kasami序列8次叠加，检测门限逼近主信息，且阶数越低，检测复杂度低。在不同PSR下，根据主信息的解码门限，合理选择kasami序列阶数，叠加次数，改善系统性能。
Claims (5)
1.多载波通信系统附加通道信息传输方法，该方法基于OFDM技术在频域叠加信息，设发射方调制后功率归一化的主信息为X1[k]，附加信息为X2[k]，子载波数为N，主通道的平均功率为附加通道的平均功率为取 根据主附功率比(PSR)来确定，则叠加后经IFFT变换后的信息为：
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其中主附功率比：
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附加通道平均功率：
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噪声方差：
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IFFT变换后的信息添加循环前缀后发射到通信信道中；
设接收方接收到的传输信息经去循环前缀、FFT变换后为R[k]，则：
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其中Hest[k]为信道频域响应的估计值，H(k)为信道频域响应，W[k]为加性高斯白噪声；
其特征在于：
接收方在解码获得主信息后，利用主信息编码调制模式，对解调后的信息重新进行编码调制，以便将R[k]中的主信息消除；主信息的具体消除方式为：通过控制主附功率比，使主信息平均功率远高于附加信息，将附加通道的影响降到最低；根据实际设计需求，在利用SNR盈余时，主附通道的解调门限不得高于应用环境的信噪比；
假设应用环境信噪比为SNR，SNR盈余为△SNR，无附加信息时解调门限为SNRmin，BER＝10-6，容易推得：
<mrow>
<mi>P</mi>
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则PSR临界值PSRmin与△SNR的关系为：
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</mrow>
2.根据权利要求1所述的多载波通信系统附加通道信息传输方法，其特征在于，所述附加信息采用kasami序列进行编码。
3.根据权利要求2所述的多载波通信系统附加通道信息传输方法，其特征在于，所述附加信息采用kasami序列进行编码的具体方式为：n阶大集合kasami序列的种数M＝(1+2n)2n /2，可调制信息比特数为log2M≈1.5n；设需要传输的附加信息为d＝[d0,d1,…,dn-1,dn,…,d1.5n-1]，d为二进制序列，根据kasami序列的生成方式，首先设定m序列寄存器初始状态为非零序列即可，设m序列寄存器初始状态非零序列为h＝[a0,a1,…,a5]，与其对应采样序列寄存器的初始状态分别为h'＝[d0,d1,…,dn-1]和h”＝[dn,dn+1,…,d1.5n-1]，传输信息的不同，生成的kasami序列唯一。
4.根据权利要求3所述的多载波通信系统附加通道信息传输方法，其特征在于，附加通道实部和虚部采用两个不同的大集合kasami序列进行编码，发射方通过多次重复kasami序列，接收方相关接收时叠加求平均以减少噪声干扰；kasami序列的相关值副峰有五个取值，这五个取值用B表示：
B＝{-1,-1-2(n+2)/2,-1+2(n+2)/2,-1-2n/2,-1+2n/2}
在频域叠加相同的kasami序列，设kasami序列长度为P，叠加段数为K，通过统计得出每种峰值的概率；假设五种峰值出现的概率分别为Pi，i＝1,2…,5，则一次相关检测的检测错误率为：
<mrow>
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<mi>P</mi>
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</mrow>
其中A为相关峰，为相关值中噪声平均功率，Q(·)表示Q函数，Bi为kasami序列的相关值副峰取值B中的第i个取值，i＝1,2…,5；
主信息消除后：
<mrow>
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<mi>n</mi>
<mn>2</mn>
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通过改变PSR、K、kasami序列长度，充分利用SNR盈余来获取尽可能大的信道容量和传输可靠性；假设无重复情况下采用n阶kasami序列的检测门限为SNRk，叠加K次带来的信噪比增益为10log10(K)，则
<mrow>
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<mi>SNR</mi>
<mi>k</mi>
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<mn>11</mn>
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</mrow>
可得：
K为正整数 (12)
故采用kasami序列编码附加信息的附加通道须满足式(6)，(12)两条件。
5.根据权利要求4所述的多载波通信系统附加通道信息传输方法，其特征在于，kasami序列检测的具体实施过程为：
设主信息消除后，接收到的附加信息为r(k)，在理想同步情况下，将每个符号中的K段数据进行平均，然后本地M种kasami序列进行相关峰检测，比较式(13)中M种结果，获得最大峰值的相关序列即为发射机信息加载序列c(m)：
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