CN104796371B - 一种降低无线信道pmd效应影响的ofdm自适应极化调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低无线信道PMD效应影响的OFDM自适应极化调制方法,针对多载波通信场景下基于极化调制的OFDM系统受到无线信道PMD效应的影响而使得性能下降的问题，本发明首先给出了采用自适应极化调制的OFDM系统模型以及基本原理；其次，给出了PMD效应对基于极化调制的OFDM系统性能的影响，并提出了基于子载波分块的自适应极化调制机制：发送端根据接收端发回的有关当前信道质量情况的反馈信息来计算出每一个子载波块的平均信噪比并与信噪比门限值对比，进一步选定每一个子载波块采用最优阶极化调制来传输数据。本发明能有效降低PMD效应对基于极化调制的OFDM系统中误码性能的影响。

Description

一种降低无线信道PMD效应影响的OFDM自适应极化调制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及自适应极化调制技术和OFDM(正交频分复用)系统无线信道中存在的PMD(极化模式扩散)效应。具体地说，是一种基于子载波分块的降低无线信道PMD效应的OFDM系统自适应极化调制方法。

背景技术

在无线通信环境下，传输中的信号通常会受到信道频率选择性衰落的影响。在信道去极化特性上表现出来的频率选择性衰落被称为极化模式扩散(Polarisation ModeDispersion:PMD)。在PMD效应的影响下，同一个极化状态经过信道传输后，在接收端会产生多个不同的极化状态，并且这些极化状态因频率而异。在多载波通信场景下，由于无线信道的PMD效应，每个载波上的去极化效应将呈现出与频率相关的特性，使每个子载波的极化状态产生不同程度的改变。因此，在具有PMD效应的基于PM(极化调制)的OFDM系统中，在不同载波上的误码率(SER)性能将具有差异性，从而对基于OFDM系统中总体误码性能产生影响。

近年来，在无线通信中已有一些关于PMD效应的研究。T.Pratt首先把极化模式扩散(PMD)和极化相关损耗(PDL)引入无线通信研究领域，并且针对发现的极化模式扩散现象和极化相关损耗提出宽带场景下的极化分集、复用及极化域功率注水信道容量最大化。在存有PMD效应的无线信道中，研究者针对基于64QAM(正交振幅调制)的OFDM系统，通过把频谱划分成子带、在每个子带上进行数据传输的方法来降低干扰。此外，Dong Wei针对无线去极化信道PMD效应对基于极化幅相联合调制的多载波下行功放能效性能的影响，提出通过合理的载波-功率分配方案对抗PMD效应的影响，来使功放能效达到最优。Dongming Li还分析了无线信道中PMD现象及其对极化频谱共享的影响，在基于QPSK(正交相移键控)的OFDM系统中，研究了基于子载波分簇的极化频谱共享方法，来使得认知用户有效吞吐量最优。Yao Nie之后又提出了基于差分极化键控的OFDM系统，来消除公共相位误差(Common PhaseError:CPE)。然而，在上述对于OFDM系统自适应调制技术的研究中，都是使用自适应QAM调制方式，且都没有考虑PMD效应对OFDM系统总体误码性能的影响。

发明内容

针对多载波场景下无线信道中存在的PMD效应，本发明提供了一种适用于OFDM系统中的自适应极化调制(Adaptive Polarization Modulation:APM)机制，目的是减小PMD效应对基于极化调制的OFDM系统中总体误码性能的影响。

在PMD效应的影响下，同一个极化状态经过信道传输后，在接收端会产生多个不同的极化状态，并且这些极化状态因频率而异。在多载波通信场景下，由于无线信道的PMD效应，每个载波上的去极化效应将呈现出与频率相关的特性，从而使各个子载波上的极化状态产生不同程度的改变。因此，为了对抗无线信道中的PMD效应，如果能够根据信道条件的好坏有效分配资源，即在信道质量好时，系统采用频谱效率高的高阶极化调制，而在信道质量变差时，系统采用抗干扰能力强的低阶极化调制，这样信道就能得到充分利用且误比特率性能会得到一定的优化。

为了降低无线去极化信道PMD效应对基于极化调制的OFDM系统中总体误码性能的影响，本发明提出了采用基于子载波分块的自适应极化调制机制来改善该系统的误比特率性能。具体实现如下：在系统满足目标误比特性能前提下，发送端根据接收端发回的有关当前信道质量情况的反馈信息来计算出每一组子载波的平均信噪比，进一步决定每一组子载波块采用何种调制方式，其决定的标准是：在一定误码率要求下，先确定每种极化调制所对应的信噪比门限值，然后通过对比计算出的每一组子载波的平均信噪比与信噪比门限值来选定每一组子载波块所采用的最优极化调制。

一种不仅可以使存有极化模式扩散(PMD)效应的去极化信道得到充分利用而且能优化基于极化调制的OFDM系统的误码率性能的自适应极化调制方法，具体步骤如下：

步骤一：在OFDM系统中对原始数据发射信息进行极化调制、解调；

(1)对原始数据发射信息I_T进行串并变换，并假设其中一个数据块有N个字符，[x[0],x[1]，...，x[N-1]]^T；

(2)对每个子载波上的数字序列采用极化调制器实现极化调制，完成数字序列到M_j(M_j∈{2,4,8,16,32,64})阶极化状态星座的一一映射，从而将N个数字序列转换为对应的极化状态序列。

(3)对于其中的第k路子载波，经过极化调制器后的输出信号为

式中，X^H(k)为X(k)的第k路水平极化分量，X^V(k)为X(k)的第k路垂直极化分量。

(4)在接收端，为了接收极化信号y(t)，采用了与发射端相同的一对正交双极化天线。

经天线接收的接收端极化信号经OFDM解调器处理后，得到接收端极化基带信号

式中Y^H(k)为Y(k)的第k路水平极化分量，Y^V(k)为Y(k)的第k路垂直极化分量。再由极化解调处理后，最后得到接收信息。

步骤二：PMD效应对基于极化调制的OFDM系统性能的影响分析；

假设发射极化状态为

其中(δ_i,φ_i)称为极化相位描述子。

经过附加PMD效应的无线信道后，在载波f_n上相应的接收极化状态为：

其中载波f_n上正交双极化天线之间的无线信道表征为

R_H和R_V分别为发射信号到达水平极化接收天线和垂直极化接收天线经历的传播路径数，和为相应每一传播路径的时延，为在第r径上Y极化发射天线与X极化接收天线之间的信道复增益值。

则相应的接收极化状态为：

其中，和为到达水平极化接收天线的每一传播路径所经历的信道增益和时延；和为到达垂直极化接收天线的每一传播路径所经历的信道增益和时延。可以发现，当所有传播路径的时延都相等时，接收极化状态与频率f_n无关，即不同频率的载波上具有相同的接收极化状态。否则，接收极化状态则为关于f_n的函数，在不同的载波上将呈现出不同的接收极化状态，即呈现PMD效应。

步骤三：基于子载波分块的自适应极化调制机制的实现；

为了降低无线去极化信道PMD效应对基于PM的OFDM系统中总体误码性能的影响，本发明提出了采用基于子载波分块的自适应极化调制机制来改善该系统的误比特率性能。具体而言：通过把多载波划分为几个相邻的子载波块，一个块内的几个子载波采用相同的调制方式。这种算法是根据每一组子载波的平均信噪比，决定每一组子载波块采用何种调制方式，其决定的标准是：在一定误码率要求下，根据信道状况分别计算每一组子载波对应的信噪比平均值，然后根据信噪比门限来确定调制方式。

如果自适应机制基于每一个子载波，意味着需要为每一个子载波分别建立一条独立的信令环路。由接收端通知发送端每个子载波上的比特和功率分配信息，对于有多个载波的OFDM系统来说，这样的话，信令负荷将会非常庞大。实际的实时通信系统基本上很难实现，即使实现了，系统的性能也会受到影响。因此，在不严重降低系统容量的前提下，为了减少计算量，提高比特分配速率，可将其中的m个子载波作为一个子带(子载波块)，每个子载波块上所有子载波都使用相同的比特分配方式(相同的调制方式)。本发明中使用的子载波分组方式为连续子载波分组，就是将N_T个子载波根据其序号分成N_B个子载波块，这种基于子载波块的自适应调制技术可以有效降低自适应调制信息的信令开销，提高系统的吞吐量，并且实现复杂度也相应降低。

本发明的优点：

1、本发明中的自适应极化调制机制使用的是以信号极化状态属性来承载信息，充分利用了信号极化域的矢量特性，不同于传统的OFDM系统自适应QAM机制所使用信号的幅度和相位(信号标量特性)来承载信息。

2、本发明中考虑了多载波通信场景下去极化信道中出现的极化模式扩散(PMD)效应，并采用基于子载波分块的自适应极化调制机制，通过选定最优阶极化调制传输数据，减小PMD效应对系统总体误码性能的影响。

3、与采用固定阶数极化调制的OFDM系统相比，本发明的自适应极化调制的误码率性能可以得到一定的优化。

附图说明

图1是本发明中采用的自适应极化调制系统模型；

图2是本发明中系统仿真条件；

图3是本发明中基于子载波分块的自适应极化调制机制的算法流程图；

图4是本发明中采用极化调制的OFDM系统误比特率性能；

图5是本发明中在AWGN(加性高斯白噪声)信道下以及在附加PMD效应的无线信道中16PM(16阶极化调制)的误比特率对比；

图6是本发明中在AWGN信道下以及在存有PMD效应的去极化信道中采用固定调制阶数与采用自适应极化调制技术的OFDM系统误比特率对比；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种不仅可以使附加极化模式扩散(PMD)效应的去极化信道得到充分利用而且能优化基于PM的OFDM系统的误码率性能的自适应极化调制方法。

在多载波通信场景下，PMD效应会使不同的载波上传输的比特遭受到不同的去极化效应损害，从而接收端的极化状态产生不同程度的改变。因此，为了对抗无线信道中的PMD效应，如果能够根据信道条件的好坏有效分配资源，即在信道质量好时，系统采用频谱效率高的高阶极化调制，而在信道质量变差时，系统采用抗干扰能力强的低阶极化调制，这样信道就能得到充分利用且误比特率性能会得到一定的优化。

为了降低无线去极化信道PMD效应对基于的OFDM系统中总体误码性能的影响，本发明提出了采用基于子载波分块的自适应极化调制机制来改善该系统的误比特率性能。具体实现如下：在系统满足目标误比特性能前提下，发送端根据接收端发回的有关当前信道质量情况的反馈信息来计算出每一组子载波的平均信噪比，进一步决定每一组子载波块采用何种调制方式，其决定的标准是：在一定误码率要求下，先确定每种极化调制所对应的信噪比门限值，然后通过对比计算出的每一组子载波的平均信噪比与信噪比门限值来选定每一组子载波块所采用的最优极化调制。

本发明提出的不仅可以使存有极化模式扩散(PMD)效应的去极化信道得到充分利用而且能优化基于极化调制的OFDM系统的误码率性能的自适应极化调制方法，包括极化调制、解调，PMD效应对基于极化调制的OFDM系统的影响分析，自适应极化调制的实现过程，误码率分析等内容，具体如下：

步骤一：在OFDM系统中对原始数据发射信息进行极化调制、解调；

采用自适应极化调制的OFDM系统模型如图1所示，其中串并变换将串行的数字序列变为并行的数字序列；调制器将数字序列调制为相应的极化状态；IFFT完成快速傅里叶反变换；P/S+GL+CP处理器则完成对OFDM信号插入保护间隔，加入循环前缀等工作；信道估计器估算当前的信道状态并将其反馈至发送端；去CP+GR+S/P处理器则完成去除信号间的保护间隔与循环前缀等工作；FFT完成快速傅里叶变换；解调器将极化状态解调为相应的数字序列；并串变换则将并行的数字序列变为串行的数字序列，具体流程如下：

(1)对原始数据发射信息I_T进行串并变换，并假设其中一个数据块有N个字符，[x[0],x[1]，...，x[N-1]]^T；

(2)对每个子载波上的数字序列采用极化调制器实现极化调制，完成数字序列到M_j(M_j∈{2,4,8,16,32,64})阶极化状态星座的一一映射，从而将N个数字序列转换为对应的极化状态序列。

(3)对于其中的第k路子载波，经过极化调制器后的输出信号为

式中，X^H(k)为X(k)的第k路水平极化分量，X^V(k)为X(k)的第k路垂直极化分量。将极化信号的水平分量和垂直分量分别送入上下两个支路，经OFDM调制器后得到OFDM信号，其中OFDM调制器完成了IFFT，加循环前缀等操作，变为模拟连续信号x(t)后经一对正交双极化天线发射，极化信号的两个分量会在信道中耦合为一路具有特定极化状态的极化信号。由于OFDM系统为宽带传输系统，本发明中考虑的是附加PMD效应的去极化信道，为了降低信道中的PMD效应影响，采用信道估计器获得关于信道的状态信息，并反馈至发射端。

(4)在接收端，为了接收极化信号y(t)，采用了与发射端相同的一对正交双极化天线。

经天线接收的接收端极化信号经OFDM解调器处理后，得到接收端极化基带信号

式中Y^H(k)为Y(k)的第k路水平极化分量，Y^V(k)为Y(k)的第k路垂直极化分量。再由极化解调处理后，最后得到接收信息。

步骤二：PMD效应对基于极化调制的OFDM系统性能的影响分析；

假设发射极化状态为

其中(δ_i,φ_i)称为极化相位描述子。

经过附加PMD效应的无线信道后，在载波f_n上相应的接收极化状态为：

其中载波f_n上正交双极化天线之间的无线信道表征为

R_H和R_V分别为发射信号到达水平极化接收天线和垂直极化接收天线经历的传播路径数；和为相应每一传播路径的时延，为在第r径上Y极化发射天线与X极化接收天线之间的信道复增益值。

则相应的接收极化状态为：

其中，和为到达水平极化接收天线的每一传播路径所经历的信道增益和时延；和为到达垂直极化接收天线的每一传播路径所经历的信道增益和时延。可以发现，当所有传播路径的时延都相等时，接收极化状态与频率f_n无关，即不同频率的载波上具有相同的接收极化状态。否则，接收极化状态则为关于f_n的函数，在不同的载波上将呈现出不同的接收极化状态，即呈现PMD效应。

考虑具有PMD效应的无线信道矩阵，对其进行奇异值分解会发现信道的两个特征值也为关于f_n的函数，可见在具有PMD效应的基于极化调制的OFDM系统中，在不同的载波上将会对极化状态产生不同程度的改变，导致在不同载波上的SER性能将具有差异性，从而对基于极化调制的OFDM系统中总体误码性能产生影响。

步骤三：基于子载波分块的自适应极化调制机制的实现；

为了降低无线去极化信道PMD效应对基于极化调制的OFDM系统中总体误码性能的影响，本发明提出了采用基于子载波分块的自适应极化调制机制来改善该系统的误比特率性能。具体而言：通过把多载波划分为几个相邻的子载波块，一个块内的几个子载波采用相同的调制方式。这种算法是根据每一组子载波的平均信噪比，决定每一组子载波块采用何种调制方式，其决定的标准是：在一定误码率要求下，根据信道状况分别计算每一组子载波对应的信噪比平均值，然后根据信噪比门限来确定调制方式。

如果自适应机制基于每一个子载波，意味着需要为每一个子载波分别建立一条独立的信令环路。由接收端通知发送端每个子载波上的比特和功率分配信息，对于有多个载波的OFDM系统来说，这样的话，信令负荷将会非常庞大。实际的实时通信系统基本上很难实现，即使实现了，系统的性能也会受到影响。因此，在不严重降低系统容量的前提下，为了减少计算量，提高比特分配速率，可将其中的m个子载波作为一个子带(子载波块)，每个子载波块上所有子载波都使用相同的比特分配方式(相同的调制方式)。本发明中使用的子载波分组方式为连续子载波分组，就是将N_T个子载波根据其序号分成N_B个子载波块，这种基于子载波块的自适应调制技术可以有效降低自适应调制信息的信令开销，提高系统的吞吐量，并且实现复杂度也相应降低。

由于基于子载波分块的自适应极化调制机制要使用到各个调制方式在目标误比特率(如BER_tar＝10^-3)下的信噪比门限值，所以首先需要通过仿真得到AWGN信道下6种不同的调制阶数(2、4、8、16、32、64阶极化调制)的理论误码率曲线，根据仿真结果得到门限值分别为基于子载波分块的自适应极化调制算法的系统仿真条件如图2所示，算法流程图如图3所示，以下是该算法实现的步骤：

(1)首先假设一共有N_T个子载波，并且所有子载波可以分为N_B组(连续分组)，初始化：计算各个子载波对应的信噪比SNR_i，i＝1,2,...,N_T，并根据每个子载波的频率附加不同程度的PMD效应。

(2)设置信噪比门限。仿真得到AWGN信道下每一种调制方式的误码率曲线，并将每种调制方式在目标BER下的门限值保存下来，记为然后计算各个子载波块的平均信噪比：

SNR_mean(j)，j＝1，2，...，NB (7)

(3)设置初始调制深度R_target，例如，假设不使用自适应调制时OFDM系统的固定调制方式为4阶极化调制,则令R_target＝2，还要设置要分配的比特总数R_T；

(4)根据信噪比门限和各组SNR_i确定相应的调制方式，得到：

从中选择使ΔR_i最小的R_i，R_i∈{1,2,3,4,5,6}，则初始分配了各个子载波上的比特数R_i，然后更新：

(5)若R_sum≠R_T，则调整R_i，直到R_sum＝R_T。调整方法为：

若R_sum＞R_T，找到最小的ΔR_i且ΔR_i>0，调整

R_i＝R_i-1 (11)

若R_sum＜R_T，找到最大的ΔR_i且ΔR_i<0，调整

R_i＝R_i+1 (14)

步骤四：误码率性能分析；

为了评估自适应极化调制在降低误码率方面的性能优势，给出了相应的分析。通常而言，极化调制中的误码率与星座点间的距离和干扰程度的大小有关。本发明中所采用的极化调制电平为M_j＝2^j+1∈{2,4,8,16,32,64}。因此，基于子载波分块自适应极化调制机制可以从M₀到M_J中选择最优的极化调制阶数，在满足相同信噪比前提下，与固定阶数极化调制相比，使用了自适应极化调制机制的传输系统在误码率性能方面获得了优化。

当系统没有发生中断，且信道条件非常好的子信道中一直采用高阶极化调制进行通信，而在衰落非常严重的子信道中，系统便采用低阶极化调制甚至中断传输，从而在保证一定的传输速率的情况下降低系统的误码率。

仿真结果：

系统仿真条件如图2所示，其中信道模型为附加PMD效应的去极化信道。

图4首先给出了采用极化调制的OFDM系统在AWGN信道中的BER特性，图中极化调制的调制阶数从2到64阶。可以看到，随着SNR的增大，系统的BER在下降。极化调制在调制阶数越高时，系统的BER性能也越差，这是因为阶数越高，星座点间的距离越近也就是判决距离越小的情况下，越容易产生判决错误，造成BER的增大。此外，当固定一个目标误比特率值，便可以获得满足该目标误比特率的不同极化调制阶数所对应的信噪比门限值。例如，系统所需要的目标误比特值假定为BER＝10^-3，根据图3的结果，可以获得满足BER＝10^-3的2阶、4阶、8阶、16阶、32阶、64阶极化调制的信噪比门限值。

图5则给出了采用16PM的OFDM系统在AWGN信道下以及在存有PMD效应的去极化信道中的误比特率性能对比。显而易见，该图很好的说明了，受PMD效应的影响，该系统的误比特率性能变差。这是因为在具有PMD效应的基于极化调制的OFDM系统中，在不同载波上的SER性能将具有差异性，从而对基于极化调制的OFDM系统中总体误码性能产生影响。

图6则对比了采用了极化调制的OFDM系统在AWGN信道下的误比特率性能、以及在附加PMD效应的去极化信道中采用固定调制技术与采用了自适应极化调制技术这三种情况下OFDM系统的误比特率性能。这里固定极化调制传输选择以16PM为例。从图中可以看出信噪比越大，系统的误码率越小，且曲线平滑。此外，在同样信噪比条件下，采用了自适应极化调制技术的OFDM系统误比特率性能要低于采用固定调制技术的情况。这是因为，采用了自适应极化调制技术的OFDM系统可以根据信道条件的好坏有效分配资源：在衰落非常严重的子信道中，系统便采用低阶极化调制或者甚至中断传输；在信道条件非常好的子信道中系统便采用高阶极化调制。

Claims (1)

1.一种降低无线信道极化模式扩散(PMD)效应影响的OFDM自适应极化调制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：在OFDM系统中对原始数据发射信息进行极化调制、解调；

具体流程为：

(1)对原始数据发射信息I_T进行串并变换，并假设其中一个数据块有N个字符，表示为[x[0],x[1]，...，x[N-1]]^T；

(2)对每个子载波上的数字序列采用极化调制器实现极化调制，完成数字序列到M_j阶极化状态星座的一一映射，M_j∈{2,4,8,16,32,64}，从而将N个数字序列转换为对应的极化状态序列；

(3)对于其中的第k路子载波，经过极化调制器后的输出信号为

式中，X^H(k)为X(k)的第k路水平极化分量，X^V(k)为X(k)的第k路垂直极化分量，将极化信号的水平分量和垂直分量分别送入上下两个支路，经OFDM调制器后得到OFDM信号，其中OFDM调制器完成了IFFT，加循环前缀等操作，变为模拟连续信号x(t)后经一对正交双极化天线发射，极化信号的两个分量会在信道中耦合为一路具有特定极化状态的极化信号；在此基础上采用信道估计器获得关于信道的状态信息，并反馈至发射端；

(4)采用了与发射端相同的一对正交双极化天线，经天线接收的接收端极化信号经OFDM解调器处理后，得到接收端极化基带信号

式中：Y^H(k)为Y(k)的第k路水平极化分量，Y^V(k)为Y(k)的第k路垂直极化分量，再由极化解调处理后，最后得到接收信息；

步骤二：PMD效应对基于极化调制的OFDM系统性能的影响分析；

假设发射极化状态为

其中(δ_i,φ_i)称为极化相位描述子；

经过附加PMD效应的无线信道后，在载波f_n上相应的接收极化状态为：

其中：载波f_n上正交双极化天线之间的无线信道表征为

R_H和R_V分别为发射信号到达水平极化接收天线和垂直极化接收天线经历的传播路径数，和为相应每一传播路径的时延，为在第r径上Y极化发射天线与X极化接收天线之间的信道复增益值；

则相应的接收极化状态为：

其中，和为到达水平极化接收天线的每一传播路径所经历的信道增益和时延，和为到达垂直极化接收天线的每一传播路径所经历的信道增益和时延；可以发现，当所有传播路径的时延都相等时，接收极化状态与频率f_n无关，即不同频率的载波上具有相同的接收极化状态；否则，接收极化状态则为关于f_n的函数，在不同的载波上将呈现出不同的接收极化状态，即呈现PMD效应；

步骤三：基于子载波分块的自适应极化调制方法；

具体为：

(1)首先假设一共有N_T个子载波，并且所有子载波分为N_B组，即连续分组，初始化：计算各个子载波对应的信噪比SNR_i，i＝1,2,…,N_T，并根据每个子载波的频率附加不同程度的PMD效应；

(2)设置信噪比门限，仿真得到加性高斯白噪声(AWGN)信道下每一种调制方式的误码率(BER)曲线，并将每种调制方式在目标BER下的门限值保存下来，记为然后计算各个子载波块的平均信噪比：

SNR_mean(j),j＝1,2,...,N_B (7)

(3)设置初始调制深度R_target，设置要分配的比特总数R_T；

(4)根据信噪比门限和各组SNR_i确定相应的调制方式，得到：

从中选择使ΔR_i最小的R_i，R_i∈{1,2,3,4,5,6}，则初始分配了各个子载波上的比特数R_i，然后更新：

(5)若R_sum≠R_T，则调整R_i，直到R_sum＝R_T； 调整方法为：

若R_sum＞R_T，找到最小的ΔR_i且ΔR_i>0，调整

R_i＝R_i-1 (11)

若R_sum＜R_T，找到最大的ΔR_i且ΔR_i<0，调整

R_i＝R_i+1 (14)

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