CN104283660B - 一种滤波器组多载波系统的数据传输方法 - Google Patents

一种滤波器组多载波系统的数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种滤波器组多载波系统的数据传输方法，属于滤波器组多载波通信领域，利用与导频相邻的多个辅助导频符号抵消导频受到的虚部干扰并且通过编码可以发送额外数据。解决了滤波器组多载波系统中导频符号会受到虚部干扰的技术问题。本发明包括计算导频受到的虚部干扰步骤、计算编码矩阵步骤、设计导频周围的辅助导频符号步骤、发送及接收数据步骤、信道估计及均衡步骤、数据恢复步骤。本发明能够在保证良好信道估计性能的情况下，显著降低用于抵消虚部干扰的能量。

Description

一种滤波器组多载波系统的数据传输方法
技术领域
本发明属于多载波通信领域，更具体地，涉及一种滤波器组多载波系统的数据传输方法。
背景技术
近年来，滤波器组多载波偏移正交幅度调制(Filter Bank Multi Carrier-Offset Quadrature Amplitude Modulation，简称FBMC-OQAM)技术的研究引起了人们的极大关注。相较于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM)技术，FBMC-OQAM技术的频谱利用率更高。但是FBMC-OQAM存在的虚部干扰对于导频方案设计是一个巨大的挑战。
目前J-P.Javaudin的文章(J-P.Javaudin,D.Lacroix,and A.Rouxel,“Pilot-aided channel estimation for OFDM/OQAM”,in VTC'03 Spring,vol.3,pp.1581-1585,April 2003)提出了一种单个辅助导频的导频设计方案，主要通过单个辅助导频符号抵消导频受到的虚部干扰，但是该方案存在辅助导频能量过高的缺陷。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种滤波器组多载波系统的数据传输方法，其目的在于，解决FBMC系统存在的辅助导频符号用于抵消导频符号受到的虚部干扰的额外能量过高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种滤波器组多载波系统的数据传输方法，包括以下步骤：
(1)获取辅助导频符号对导频符号的干扰系数A＝[a1,a2,a3,…,an]、导频符号周围的数据D＝[d1,d2,d3,…dm]T、导频符号周围的数据对导频符号的干扰系数B＝[b1,b2,…,bm]、以及辅助导频符号携带的数据X＝[x1,x2,…,xn-1]T，其中n为导频符号周围的辅助导频符号的数量，m表示导频符号周围数据的数量；
(2)计算导频符号周围的数据D对导频符号的虚部干扰I2＝BD；
(3)根据上述获得的导频符号的干扰系数A、D对导频符号的虚部干扰I2以及辅助导频符号携带的数据X计算辅助导频符号S，其中S＝[s1,s2,…,sn]T；
(4)采用FBMC-OQAM传输导频符号、导频符号周围的辅助导频符号S、以及导频符号周围的数据D；
(5)在接收端，对传输的导频符号、辅助导频符号S、以及导频符号周围的数据D进行解调处理，以生成解调后的导频符号P'和辅助导频符号S'；
(6)根据导频符号P、以及解调后的导频符号P'进行信道估计，以生成信道的估计值H：
(7)根据估计的信道值H对解调后的辅助导频符号S'进行信道均衡，以得到均衡后的辅助导频符号S″；
(8)根据编码矩阵C对均衡后的辅助导频符号S″进行解码，以得到恢复后的待发送额外数据X′＝CTS″。
优选地，导频符号周围的数据与辅助导频符号所携带的数据的和为所有的待发送数据。
优选地，步骤(3)具体采用以下公式：
其中C是编码矩阵且是一个n×(n-1)的矩阵，且满足CTC＝I，I表示单位矩阵。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于导频符号周围的多个辅助导频符号经过特殊设计，一方面可以抵消导频符号受到的虚部干扰，另一方面可以通过编码的方式发送额外数据。因此该方案解决了导频符号受到的虚部干扰问题，并且与传统的单个辅助导频方案相比，由于将单个辅助导频符号变为多个辅助导频符号，因此用于抵消虚部干扰的能量降低，并且多个符号通过编码的方式额外发送了数据，频谱效率没有降低。
附图说明
图1是一种四个辅助导频符号的导频辅助导频符号结构图；
图2是一种八个辅助导频符号的导频辅助导频符号结构图；
图3是本发明滤波器组多载波系统的数据传输方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图3所示，本发明滤波器组多载波系统的数据传输方法包括以下步骤：
(1)获取辅助导频符号对导频符号的干扰系数A＝[a1,a2,a3,…,an]、导频符号周围的数据D＝[d1,d2,d3,…dm]T、导频符号周围的数据对导频符号的干扰系数B＝[b1,b2,…,bm]、以及辅助导频符号携带的数据X＝[x1,x2,…,xn-1]T。其中辅助导频符号是指导频符号周围原本用来发送数据的符号，在本发明中这些符号不是用来直接发送数据，而是一方面用于抵消导频符号受到的虚部干扰，另一方面通过编码携带数据，因此称为辅助导频符号，图1和图2分别给出了4个辅助导频符号和8个辅助导频符号的结构图。n为导频符号周围的辅助导频符号的数量，m表示导频符号周围数据的数量，且所有的待发送数据包括导频符号周围的数据与辅助导频符号所携带的数据两部分；
(2)计算导频符号周围的数据D对导频符号的虚部干扰I2＝BD；
(3)根据上述获得的导频符号的干扰系数A、D对导频符号的虚部干扰I2以及辅助导频符号携带的数据X计算辅助导频符号S，其中S＝[s1,s2,…,sn]T，具体采用以下公式：
其中C是编码矩阵且是一个n×(n-1)的矩阵，且满足CTC＝I，I表示单位矩阵。
(4)采用滤波器组多载波偏移正交幅度调制(Filter Bank Multi Carrier-Offset Quadrature Amplitude Modulation，简称FBMC-OQAM)传输导频符号、导频符号周围的辅助导频符号S、以及导频符号周围的数据D；
(5)在接收端，对发送的导频符号、辅助导频符号S、以及导频符号周围的数据D进行解调处理，以生成解调后的导频符号P'和辅助导频符号S'；
(6)根据导频符号P、以及解调后的导频符号P'进行信道估计，以生成信道的估计值H，具体采用公式：
(7)根据估计的信道值H对解调后的辅助导频符号S'进行信道均衡，以得到均衡后的辅助导频符号S″；
(8)根据编码矩阵C对均衡后的辅助导频符号S″进行解码，以得到恢复后的待发送额外数据X′＝CTS″。
实例1
本特定实施例是是一个有256个子载波的FBMC系统，选用QPSK的调制，每个载波发送20个符号，使用的滤波器为Phydas滤波器，其长度为1024，对导频符号周围的4个辅助导频符号进行设计，S的位置如附图1所示，且S需要抵消周围3×9区域内的数据对导频符号的虚部干扰。
(1)获取导频周围的辅助导频符号对导频符号的干扰系数A＝[a1,a2,a3,a4]＝[0.2393,-0.5644,0.5644,-0.2393]，导频符号周围的数据D＝[d1,d2,d3,…d22]T(3×9区域内除去1个导频符号和4个辅助导频符号，共有22个数据)、导频符号周围的数据对导频符号的干扰系数B＝[b1,b2,…,b22]＝[0.0054,0.0429,0.1250,0.2058,0.2058,0.1250,0.0429,0,-0.0668,0,0,0.0668,0,-0.0054,0.0429,-0.1250,0.2058,0.2058,-0.1250,0.04290,-0.0054]、以及待发送额外数据X＝[x1,x2,x3]T，其中n＝4为导频符号周围的辅助导频符号的数量，m＝22表示导频符号周围数据的数量，且本实例采用的是QPSK调制，可假设待发送的额外数据X和D都是全1向量。
(2)计算导频符号受到的来自导频符号周围的数据D的虚部干扰I2＝BD＝0.9948；
(3)根据上述获得的导频符号的干扰系数A、D对导频符号的虚部干扰I2以及辅助导频符号携带的数据X计算辅助导频符号S，其中S＝[s1,s2,s3,s4]T，具体采用以下公式：
求解得到导频符号周围辅助导频符号的值为S＝[1.0414,1.7301,-0.3159,0.3728]T，其中C取值如下：
C的具体求解方法实例1所有步骤之后。
(4)采用滤波器组多载波偏移正交幅度调制(Filter Bank Multi Carrier-Offset Quadrature Amplitude Modulation，简称FBMC-OQAM)传输导频符号、导频符号周围的辅助导频符号S、以及导频符号周围的数据D；
(5)在接收端，对传输的导频符号、辅助导频符号S、以及导频符号周围的数据D进行解调处理，以生成解调后的导频符号P'和辅助导频符号S'；
(6)根据导频符号P、以及解调后的导频符号P'进行信道估计，以生成信道的估计值H，具体采用公式：
(7)根据估计的信道值H对解调后的辅助导频符号S'进行信道均衡，以得到均衡后的辅助导频符号S″；
(8)根据编码矩阵C对均衡后的辅助导频符号S″进行解码，得到恢复后的待发送额外数据X′＝CTS″。
附：编码矩阵C的计算步骤如下：
本发明要求编码矩阵C是与辅助导频符号对导频符号的干扰系数A正交的矩阵，满足AC＝0，其中C＝(c1,c2,c3)，ci,i＝1,2,3是4×1的列向量。由AC＝0得，Aci＝0。实例1采用施密特正交化(Gram-Schmidt)算法等求解C。首先可以发现c1＝[0.7071,0,0,0.7071]T,c2＝[0,0.7071,0.7071,0]T是正交于A的两个列向量。然后将A单位化得到A1＝[0.2760,-0.6510,0.6510,-0.2760]。随机生成一个与A1,c1,c2不相关的向量c3'＝[1,0,0,0]T(c3'取值不唯一)，根据施密特正交化(Gram-Schmidt)算法，可以得到
其中，＜a,b＞＝aTb表示两个向量的内积。最后将c3″单位化得到c3＝[0.6510,0.2760,-0.2760,0.6510]T。那么编码矩阵可写为：
值得注意的是，c1、c2取不同值时，编码矩阵C也是不同的，因此编码矩阵C也是不唯一的。
实例2
本特定实施例是是一个有256个子载波的FBMC系统，选用QPSK的调制，每个载波发送20个符号，使用的滤波器为Phydas滤波器，对导频符号周围的8个辅助导频符号进行设计，S的位置如附图2所示，且S需要抵消周围3×9区域内的数据对导频符号的虚部干扰。
(1)获取导频周围的辅助导频符号对导频符号的干扰系数A＝[a1,…,a8]＝[0.2058,0.2393,0.2058,-0.5644,0.5644,0.2058,-0.2393,0.2058]、导频符号周围的数据D＝[d1,d2,d3,…d18]T(3×9区域内除去1个导频符号和8个辅助导频符号，共有18个数据)、导频符号周围的数据对导频符号的干扰系数B＝[b1,b2,…,b18]＝[0.0054,0.0429,0.1250,0.1250,0.0429,0.0054,0,-0.0668,0,0,0.0668,0,-0.0054,0.0429,-0.1250,-0.1250,0.0429,-0.0054]、以及待发送额外数据X＝[x1,x2,…x7]T，其中n＝8为导频符号周围的辅助导频符号的数量，m＝18表示导频符号周围数据的数量，且本实例采用的是QPSK调制，可假设待发送的额外数据X和D都是全1向量。
(2)计算导频符号受到的导频符号周围的数据D的虚部干扰I2＝BD＝0.1716；
(3)根据上述获得的导频符号的干扰系数A、D对导频符号的虚部干扰I2以及辅助导频符号携带的数据X计算辅助导频符号S，其中S＝[s1,s2,…,s8]T具体采用以下公式：
求解得到导频符号周围辅助导频符号的值为S＝[-0.6817,0.8233,0.8481,1.4167,0.5833,0.8481,1.1767,0.8481]T，其中C取值如下：
，其具体计算步骤参考实例1。
(4)采用滤波器组多载波偏移正交幅度调制(Filter Bank Multi Carrier-Offset Quadrature Amplitude Modulation，简称FBMC-OQAM)传输导频符号、导频符号周围的辅助导频符号S、以及导频符号周围的数据D；
(5)在接收端，对发送的导频符号、辅助导频符号S、以及导频符号周围的数据D进行解调处理，以生成解调后的导频符号P'和辅助导频符号S'；
(6)根据导频符号P、以及解调后的导频符号P'进行信道估计，以生成信道的估计值H，具体采用公式：
(7)根据估计的信道值H对解调后的辅助导频符号S'进行信道均衡，以得到均衡后的辅助导频符号S″；
(8)根据编码矩阵C对均衡后的辅助导频符号S″进行解码，得到恢复后的待发送额外数据X′＝CTS″。
仿真结果
采用实例1和实例2给出的参数，对本发明进行了仿真证明，如表1所示。
表1 实例1和实例2仿真结果比较
通过表1的仿真结果，可以明显的看出本发明提出的滤波器组多载波数据传输方法中，辅助导频符号用于抵消导频符号受到的虚部干扰的能量显著降低，当使用的辅助导频数量越多时，用于抵消虚部干扰能量越少，但是使用辅助导频符号的数目较少的时候，导频符号受到的虚部干扰也可以完全抵消。综上所述，本发明利用与导频符号相邻的多个辅助导频符号，一方面抵消了导频符号受到的虚部干扰，另一方面通过编码可以发送额外数据。既解决了滤波器组多载波系统中导频符号会受到虚部干扰的技术问题，保证了信道估计性能；又解决了现有单个辅助导频符号方案中用于抵消虚部干扰的额外能量过高的问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种滤波器组多载波系统的数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取辅助导频符号对导频符号的干扰系数A＝[a1,a2,a3,…,an]、导频符号周围的数据D＝[d1,d2,d3,...dm]T、导频符号周围的数据对导频符号的干扰系数B＝[b1,b2,…,bm]、以及辅助导频符号携带的数据X＝[x1,x2,…,xn-1]T，其中n为导频符号周围的辅助导频符号的数量，m表示导频符号周围数据的数量，n大于2；
(2)计算导频符号周围的数据D对导频符号的虚部干扰I2＝BD；
(3)根据上述获得的导频符号的干扰系数A、D对导频符号的虚部干扰I2以及辅助导频符号携带的数据X计算辅助导频符号S，其中S＝[s1,s2,…,sn]T，具体采用以下公式：
<mrow> <mi>S</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <msup> <mi>A</mi> <mi>T</mi> </msup> <mrow> <mo>|</mo> <mi>A</mi> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>I</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>C</mi> <mi>X</mi> </mrow>
其中C是编码矩阵且是一个n×(n-1)的矩阵，且满足CTC＝I，I表示单位矩阵，导频符号周围的数据与辅助导频符号所携带的数据的和为所有的待发送数据；
(4)采用FBMC-OQAM传输导频符号、导频符号周围的辅助导频符号S、以及导频符号周围的数据D；
(5)在接收端，对传输的导频符号、辅助导频符号S、以及导频符号周围的数据D进行解调处理，以生成解调后的导频符号P'和辅助导频符号S'；
(6)根据导频符号P、以及解调后的导频符号P'进行信道估计，以生成信道的估计值H：
(7)根据估计的信道值H对解调后的辅助导频符号S'进行信道均衡，以得到均衡后的辅助导频符号S”；
(8)根据编码矩阵C对均衡后的辅助导频符号S”进行解码，以得到恢复后的待发送额外数据X′＝CTS”。
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