CN105007243A - 基于判决门限的最优导频位置插入方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于判决门限的最优导频位置插入方法，包括下列步骤：S1、对原始输入的时域数据块s_n进行傅里叶变换得到频域数据块S_k；S2、根据频域数据块S_k和不同起始位置b，分别计算得到时域数据s_n相对应的失真度S3、根据时域数据块s_n和其相对应的失真度得到不同时域数据块符号相对应的判决门限的度量值S4、根据判决门限的度量值最小化来得到导频插入的初始位置b₀。该导频位置插入方法的关键在于根据输出判决门限的度量值的最小化来得到导频插入的初始位置。该导频位置插入方案复杂度低，能够实现最大限度地利用判决门限的信息，并且获得极低的误码率结果，适用在采用频域导频复用技术的单载波频域均衡系统中。

Description

基于判决门限的最优导频位置插入方法及装置

技术领域

本发明涉及数字无线通信的技术领域，特别涉及一种应用于发送端的基于判决门限的最优导频位置插入方法。

背景技术

当前无线通信系统存在用户速率需求与无线频谱稀缺性之间的尖锐矛盾，而解决该矛盾的关键在于实现在有限的通信带宽内进一步提高频谱利用率。传统的单载波频域均衡系统采用导频与数据正交的导频插入方法，但是数据发送效率不高。而采用频域导频复用技术的单载波频域均衡系统则可以提高数据发送效率，在一定条件下获得更高的频谱利用率。对于采用频域导频复用技术的单载波频域均衡系统，导频位置的选择决定着数据块的失真程度，进而很大程度影响了系统的性能。

现有的导频位置插入方案存在很多的不足，主要是误码率和复杂度较高，难以直接应用在单载波频域均衡系统下，所以亟待提出一种以较低的复杂度来实现数据的可靠传输，更适合单载波频域均衡系统的应用。

发明内容

本发明的第一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于判决门限的最优导频位置插入方法，该导频位置插入方法能够实现最大限度地利用判决门限的信息，并且获得极低的误码率结果，同时实现低复杂度的初始导频位置选择，适用在采用频域导频复用技术的单载波频域均衡系统的实际应用中。

本发明的另一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于判决门限的最优导频位置插入装置。

本发明的第一个目的通过下述技术方案实现：

一种基于判决门限的最优导频位置插入方法，包括下列步骤：

S1、对原始输入的时域数据块s_n进行傅里叶变换得到频域数据块S_k，两者之间的对应关系如下：

$S_k=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{s}_n{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}nk}{N}}k=0,\mathrm{...},N-1$

其中各标号的含义如下：

s_n：在时域上发送的L^2-QAM符号，其同向分量和正交分量分别独立取自符号集{±d,±3d,...,±(L-1)d}，

d：星座点间最短距离的一半，

N：每个数据块包含的符号个数，

n：下标，时域信号的位置，

k：下标，表示频域信号的位置，

L²：星座点的总数；

S2、根据所述频域数据块S_k和不同起始位置b，分别计算得到所述时域数据s_n相对应的失真度计算公式如下

${\tilde{s}}_n^{\[b\]}=-\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k\∈{\mathrm{\Ψ}}^{\[b\]}}{\Σ}{S}_k{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}},n=0,\mathrm{...},N-1,b\∈\[0,M),$

其中各标号的含义如下：

b：不同起始位置选择，

Ψ^[b]＝{b,M+b,...,(N_p-1)M+b}：导频插入位置，

N_p：导频个数，

M：相邻导频间的间隔且满足M＝N/N_p；

S3、根据所述时域数据块s_n和其相对应的所述失真度得到不同时域数据块符号相对应的判决门限的度量值

S4、根据所述判决门限的度量值最小化来得到导频插入的初始位置b₀，具体实现如下：

$b_0=\arg \underset{\∀b}{max}\[\underset{\∀b}{\min }{T}_n^{\[b\]}\].$

进一步的，所述步骤S3中判决门限的度量值通过下式求得：

$T_n^{\[b\]}=\min \{I_n^{\[b\]},Q_n^{\[b\]}\},n=0,\mathrm{...},N-1,b\∈\[0,M),$

其中，表示同相输入：

表示正交输入：

进一步的，所述步骤S1之前还包括下列步骤：

S0、设置每个数据块包含的符号个数N，其中N＝64,128,256,512,1024，…；设置时域数据符号的调制方式，设置导频个数N_p。

进一步的，所述步骤S4之后还包括下列步骤：

S5、发送端确定导频插入位置，通过下式确定：

${\mathrm{\Ψ}}^{\[b_0\]}=\{b_0,M+b_0,\mathrm{...},(N_p-1)M+b_0\}.$

进一步的，所述调制方式包括PAM脉冲幅度调制或QAM正交振幅调制。

本发明的另一个目的通过下述技术方案实现：

一种基于判决门限的最优导频位置插入装置，包括下列模块：

傅里叶变换模块，该模块用于对原始输入的时域数据块s_n进行傅里叶变换得到频域数据块S_k，两者之间的对应关系如下：

$S_k=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{s}_n{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}nk}{N}},k=0,\mathrm{...},N-1$

其中各标号的含义如下：

s_n：在时域上发送的L^2-QAM符号，其同向分量和正交分量分别独立取自符号集{±d,±3d,...,±(L-1)d}，

d：星座点间最短距离的一半，

N：每个数据块包含的符号个数，

n：下标，时域信号的位置，

k：下标，表示频域信号的位置，

L²：星座点的总数；

失真度计算模块，该模块用于根据所述频域数据块S_k和不同起始位置b，分别计算得到所述时域数据s_n相对应的失真度计算公式如下

${\tilde{s}}_n^{\[b\]}=-\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k\∈{\mathrm{\Ψ}}^{\[b\]}}{\Σ}{S}_k{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}},n=0,\mathrm{...},N-1,b\∈\[0,M),$

其中各标号的含义如下：

b：不同起始位置选择，

Ψ^[b]＝{b,M+b,...,(N_p-1)M+b}：导频插入位置，

N_p：导频个数，

M：相邻导频间的间隔且满足M＝N/N_p；

判决门限度量值计算模块，该模块用于根据所述时域数据块s_n和其相对应的所述失真度得到不同时域数据块符号相对应的判决门限的度量值

导频插入初始位置确定模块，该模块用于根据所述判决门限的度量值最小化来得到导频插入的初始位置b₀，具体实现如下：

$b_0=\arg \underset{\∀b}{max}\[\underset{\∀n}{min}{T}_n^{\[b\]}\].$

进一步的，还包括下列模块：

初始参数设置模块，该模块用于设置每个数据块包含的符号个数N，其中N＝64,128,256,512,1024，…；设置时域数据符号的调制方式，设置导频个数N_p。

进一步的，还包括下列模块：

导频插入位置确定模块，该模块用于发送端导频插入位置，通过下式确定： ${\mathrm{\Ψ}}^{\[b_0\]}=\{b_0,M+b_0,\mathrm{...},(N_p-1)M+b_0\}.$

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)基于判决门限的最优导频位置插入方法并无复杂的计算，不需要额外信道和噪声的信息，便于单载波频域均衡系统的实时处理；

2)判决门限的度量值可以直接反映信号的失真结果，较大的度量值表示该信号更易于准确判决；

3)基于判决门限的最优导频位置插入方法可实现最大限度地利用判决门限的信息，并且获得极低的误码率结果。

附图说明

图1是频域导频复用技术的导频插入示意图；

图2是本实施例一中基于判决门限的最优导频位置插入方法流程步骤图；

图3是在高斯白噪声信道下的几种导频位置插入方案与本实施例一中的基于判决门限的最优导频位置插入方法的性能比较结果图；

图4是在频选信道下的几种导频位置插入方案与本实施例一中的基于判决门限的最优导频位置插入方法的性能比较结果图；

图5是本实施例二中基于判决门限的最优导频位置插入装置的结构组成图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。

实施例一

请参见图1，图1是频域导频复用技术的导频插入示意图，图1给出了直观的导频等间隔插入数据块的方法，清楚可见，要实现导频等间隔插入的关键，是如何确定导频插入的起始位置b₀。

请参见图2，图2是本实施例一中基于判决门限的最优导频位置插入方法流程步骤图，该流程步骤图详细给出了如何确定导频插入的起始位置b₀的流程步骤，该基于判决门限的最优导频位置插入方法具体包括以下步骤：

S0初始参数设置步骤：设置每个数据块包含的符号个数N，如N＝64,128,256,512,1024，…；设置时域数据符号的调制方式，如PAM(Pulse AmplitudeModulation)脉冲幅度调制和QAM(Quadrature Amplitude Modulation)正交振幅调制，其实PAM是QAM的特殊情况，PAM就只有单纯I路，而没有Q路。本实施例中选择16-QAM的调制方式；设置导频个数N_p，如N_p＝16。

S1傅里叶变换步骤：对当前的时域数据块s_n进行傅里叶变换得到频域数据块，两者之间的对应关系如下：

$S_k=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{s}_n{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}nk}{N}},k=0,\mathrm{...},N-1---\left(1\right)$

其中各标号的含义如下：

s_n：在时域上发送的L^2-QAM符号，其同向(I路)分量和正交(Q路)分量分别独立取自符号集{±d,±3d,...,±(L-1)d}；

d：星座点间最短距离的一半；

N：每个数据块包含的符号个数；

n：下标，时域信号的位置；

k：下标，表示频域信号的位置；

L²：星座点的总数。

S2失真度计算步骤：根据傅里叶变换的输出和不同起始位置b，计算得到频域数据符号S_k相对应的失真度

${\tilde{s}}_n^{\[b\]}=-\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k\∈{\mathrm{\Ψ}}^{\[b\]}}{\Σ}{S}_k{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}},n=0,\mathrm{...},N-1,b\∈\[0,M)---\left(2\right)$

其中各标号的含义如下：

b：不同起始位置选择；

Ψ^[b]＝{b,M+b,...,(N_p-1)M+b}：导频插入位置；

N_p：导频个数；

M：相邻导频间的间隔且满足M＝N/N_p。

S3判决门限度量值计算步骤：根据当前的时域数据块s_n和相对应的失真度来得到不同符号相对应的判决门限的度量值：

$T_n^{\[b\]}=\min \{I_n^{\[b\]},Q_n^{\[b\]}\},n=0,\mathrm{...},N-1,b\∈\[0,M).---\left(3\right)$

其中，表示同相(I路)输入：

表示正交(Q路)输入：

表示对失真度取实部，表示对失真度取虚部。

S4导频插入初始位置计算步骤：根据输出判决门门限的度量值的最小化来得到导频插入的初始位置b₀，获得导频插入的初始位置具体实现如下：

$b_0=\arg \underset{\∀b}{max}\[\underset{\∀n}{\min }{T}_n^{\[b\]}\];$

S5发送端导频插入位置确定步骤：当导频插入的初始位置b₀确定之后，发送端可以得到导频的插入位置为 ${\mathrm{\Ψ}}^{\[b_0\]}=\{b_0,M+b_0,\mathrm{...},(N_p-1)M+b_0\}.$

通过Matlab搭建单载波频域均衡通信系统的仿真平台，选择了16-QAM的调制方式，每个数据块包含的符号个数N＝512，导频个数N_p＝16；为了消除符号块间的干扰，每个符号块添加了长度为12的循环前缀。仿真使用了Chu序列作为导频信号，并且使用三角插值的方式对频域信道响应进行估计；选择能量损失最小化导频位置插入方案与本发明的基于判决门限的最优导频位置插入方案进行仿真比较。如图3和图4所示，从图中可以看出本发明的基于判决门限的最优导频位置插入方案无论是在高斯白噪声信道还是频率选择性衰落信道，都显著优于能量损失最小化导频位置插入方案。同时，在高斯白噪声信道下，本发明的基于判决门限的最优导频位置插入方案随信噪比增加误比特率下降很明显，而能量损失最小化导频位置插入方案则出现了误比特率的平台效应。在频率选择性衰落信道，本发明的基于判决门限的最优导频位置插入方案误比特率随着信噪比增加的下降速度明显快于能量损失最小化导频位置插入方案。

本实施例是实现基于判决门限的最优导频位置插入方法，在误码率性能方面显著优于能量损失最小化导频位置插入方法；在上述实施例中，基于判决门限的最优导频位置插入方法引入了判决门限的度量值，其度量值的计算无需额外信道和噪声的信息，并且复杂度显著低于最小误比特率的导频位置插入方案。

实施例二

请参见图5，图5是是本实施例二中基于判决门限的最优导频位置插入装置的结构组成图，图5给出了直观的基于判决门限的最优导频位置插入装置的组成，清楚可见，该装置包括下列模块：

1、初始参数设置模块

该模块用于设置每个数据块包含的符号个数N，其中N＝64,128,256,512,1024，…；设置时域数据符号的调制方式，设置导频个数N_p。

2、傅里叶变换模块

该模块用于对原始输入的时域数据块s_n进行傅里叶变换得到频域数据块S_k，两者之间的对应关系如下：

$S_k=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{s}_n{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}nk}{N}},k=0,\mathrm{...},N-1$

其中各标号的含义如下：

s_n：在时域上发送的L^2-QAM符号，其同向分量和正交分量分别独立取自符号集{±d,±3d,...,±(L-1)d}，

d：星座点间最短距离的一半，

N：每个数据块包含的符号个数，

n：下标，时域信号的位置，

k：下标，表示频域信号的位置，

L²：星座点的总数。

3、失真度计算模块

该模块用于根据所述频域数据块S_k和不同起始位置b，分别计算得到所述时域数据s_n相对应的失真度计算公式如下

${\tilde{s}}_n^{\[b\]}=-\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k\∈{\mathrm{\Ψ}}^{\[b\]}}{\Σ}{S}_k{e}^{j\frac{\mathrm{\π}kn}{N}},n=0,\mathrm{...},N-1,b\∈\[0,M),$

其中各标号的含义如下：

b：不同起始位置选择，

Ψ^[b]＝{b,M+b,...,(N_p-1)M+b}：导频插入位置，

N_p：导频个数，

M：相邻导频间的间隔且满足M＝N/N_p。

4、判决门限度量值计算模块

该模块用于根据所述时域数据块s_n和其相对应的所述失真度得到不同时域数据块符号相对应的判决门限的度量值

5、导频插入初始位置确定模块

该模块用于根据所述判决门限的度量值最小化来得到导频插入的初始位置b₀，具体实现如下：

$b_0=\arg \underset{\∀b}{max}\[\underset{\∀n}{min}{T}_n^{\[b\]}\].$

6、导频插入位置确定模块

该模块用于发送端导频插入位置，通过下式确定：

${\mathrm{\Ψ}}^{\[b_0\]}=\{b_0,M+b_0,\mathrm{...},(N_p-1)M+b_0\}.$

值得注意的是，上述装置实施例中，所包括的各个模块和单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各装置和单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于判决门限的最优导频位置插入方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1、对原始输入的时域数据块s_n进行傅里叶变换得到频域数据块S_k，两者之间的对应关系如下：

$S_k=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{s}_n{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}nk}{N}},k=0,...,N-1$

其中各标号的含义如下：

s_n：在时域上发送的L^2-QAM符号，其同向分量和正交分量分别独立取自符号集{±d,±3d,...,±(L-1)d}，

d：星座点间最短距离的一半，

N：每个数据块包含的符号个数，

n：下标，时域信号的位置，

k：下标，表示频域信号的位置，

L²：星座点的总数；

S2、根据所述频域数据块S_k和不同起始位置b，分别计算得到所述时域数据s_n相对应的失真度计算公式如下

${\tilde{s}}_n^{\[b\]}=-\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k\∈{\mathrm{\Ψ}}^{\[b\]}}{\Σ}{S}_k{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}},n=0,...,N-1,b\∈\[0,M),$

其中各标号的含义如下：

b：不同起始位置选择，

Ψ^[b]＝{b,M+b,...,(N_p-1)M+b}：导频插入位置，

N_p：导频个数，

M：相邻导频间的间隔且满足M＝N/N_p；

S3、根据所述时域数据块s_n和其相对应的所述失真度得到不同时域数据块符号相对应的判决门限的度量值

S4、根据所述判决门限的度量值最小化来得到导频插入的初始位置b₀，具体实现如下：

$b_0=\arg \underset{\∀b}{max}\[\underset{\∀n}{min}{T}_n^{\[b\]}\].$

2.根据权利要求1所述的一种基于判决门限的最优导频位置插入方法，其特征在于，所述步骤S3中判决门限的度量值通过下式求得：

$T_n^{\[b\]}=\min \{I_n^{\[b\]},Q_n^{\[b\]}\},n=0,...,N-1,b\∈\[0,M),$

其中，表示同相输入：

表示正交输入：

3.根据权利要求1或2所述的一种基于判决门限的最优导频位置插入方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括下列步骤：

S0、设置每个数据块包含的符号个数N，其中N＝64,128,256,512,1024，…；设置时域数据符号的调制方式，设置导频个数N_p。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于判决门限的最优导频位置插入方法，其特征在于，所述步骤S4之后还包括下列步骤：

S5、发送端确定导频插入位置，通过下式确定：

${\mathrm{\Ψ}}^{\[b_0\]}=\{b_0,M+b_0,...,(N_p-1)M+b_0\}.$

5.根据权利要求3所述的一种基于判决门限的最优导频位置插入方法，其特征在于，所述调制方式包括PAM脉冲幅度调制或QAM正交振幅调制。

6.一种基于判决门限的最优导频位置插入装置，其特征在于，包括下列模块：

傅里叶变换模块，该模块用于对原始输入的时域数据块s_n进行傅里叶变换得到频域数据块S_k，两者之间的对应关系如下：

$S_k=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{s}_n{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}nk}{N}},k=0,...,N-1$

其中各标号的含义如下：

s_n：在时域上发送的L^2-QAM符号，其同向分量和正交分量分别独立取自符号集{±d,±3d,...,±(L-1)d}，

d：星座点间最短距离的一半，

N：每个数据块包含的符号个数，

n：下标，时域信号的位置，

k：下标，表示频域信号的位置，

L²：星座点的总数；

失真度计算模块，该模块用于根据所述频域数据块S_k和不同起始位置b，分别计算得到所述时域数据s_n相对应的失真度计算公式如下

${\tilde{s}}_n^{\[b\]}=-\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k\∈{\mathrm{\Ψ}}^{\[b\]}}{\Σ}{S}_k{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}},n=0,...,N-1,b\∈\[0,M),$

其中各标号的含义如下：

b：不同起始位置选择，

Ψ^[b]＝{b,M+b,...,(N_p-1)M+b}：导频插入位置，

N_p：导频个数，

M：相邻导频间的间隔且满足M＝N/N_p；

判决门限度量值计算模块，该模块用于根据所述时域数据块s_n和其相对应的所述失真度得到不同时域数据块符号相对应的判决门限的度量值

导频插入初始位置确定模块，该模块用于根据所述判决门限的度量值最小化来得到导频插入的初始位置b₀，具体实现如下：

$b_0=\arg \underset{\∀b}{max}\[\underset{\∀n}{min}{T}_n^{\[b\]}\].$

7.根据权利要求6所述的一种基于判决门限的最优导频位置插入装置，其特征在于，还包括下列模块：

初始参数设置模块，该模块用于设置每个数据块包含的符号个数N，其中N＝64,128,256,512,1024，…；设置时域数据符号的调制方式，设置导频个数N_p。

8.根据权利要求6或7所述的一种基于判决门限的最优导频位置插入装置，其特征在于，还包括下列模块：

导频插入位置确定模块，该模块用于发送端导频插入位置，通过下式确定： ${\mathrm{\Ψ}}^{\[b_0\]}=\{b_0,M+b_0,...,(N_p-1)M+b_0\}.$