CN106332095A - 基于级联频域均衡的超奈奎斯特传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于级联频域均衡的超奈奎斯特（FTN）传输方法。在接收端，接收信号经过快速傅里叶变换（FFT）模块后先通过第一个频域均衡器进行均衡，来对抗超奈奎斯特（FTN）滤波器引起的符号间干扰（ISI）；第一次均衡后的信号经过逆快速傅里叶变换（IFFT）模块后再返回FFT模块，利用信道估计信息通过第二个频域均衡器进行均衡,来对抗频率选择性衰落信道引起的符号间干扰（ISI）。通过本发明的级联均衡方法，可以提高超奈奎斯特传输在频率选择性衰落信道下的传输性能。

Description

基于级联频域均衡的超奈奎斯特传输方法
技术领域
本发明涉及无线通信，移动通信等领域。
背景技术
频谱资源紧张是目前移动通信技术所面临的严峻挑战之一，严重影响着信号的传输速度和通信质量。在这样的背景下，超奈奎斯特(FTN)传输再一次被提出。FTN传输过程中信号之间不再正交，相比于传统的传输系统，FTN传输系统可以达到更高的频谱利用率。
Nyquist准则认为，在带宽受限的条件下，高速数据传输信号在不引起符号间干扰的情况下所能达到的最大码元速率为信道带宽的两倍，否则，发送信号将会发生部分或全部重叠，引起符号间干扰(ISI, Intersymbol Interference)。尽管如此，1975年Mazo在Faster-than-Nyquist signaling一文中提出超奈奎斯特理论，并从理论证明了信号在加性高斯白噪声信道下，以超过奈奎斯特速率25%的速率进行传输，信号间的最小欧式距离保持不变，误码性能不变。
目前，针对奈奎斯特传输接收机技术及相关理论的研究已经成为移动通信领域的重点研究方向。将有ISI的FTN序列看作卷积码的一种，Anderson J.B. 在Reduced-complexity receivers for strongly narrowband inter-symbol interferenceintroduced by faster-than-Nyquist signaling 文章中提出一种基于M-BCJR算法消除符号间干扰，此方法有效的应用了最大似然序列估计准则，但是系统复杂度与迭代次数相关，较高的系统复杂度限制其不能处理FTN长抽头引起的的ISI，尤其在多径信道下，系统均衡的计算复杂度将更高。
在无线通信系统中，发送信号到达接收机之前，会通过具有频率选择性的多径衰落信道，不同的径具有不同的时间延迟与能量衰落。这种信道的时延扩展将会引起符号间干扰(ISI)。单载波频域均衡（SC-FDE）系统在对抗ISI具有非常好的效果，在多径衰落信道下进行FTN传输过程中，符号间干扰是由超奈奎斯特FTN滤波器和频率选择性衰落信道时延扩展同时引起。为了实现低复杂度的信道均衡,2013年Shi Sygiura 在Frequency-domainequalization of faster-than-Nyquist signaling文章中提出一种频域均衡接收机结构。在该文献的频域均衡设计中仅通过一个均衡器来对抗由FTN和多径信道同时引起的ISI。发送端信源经过调制之后插入独特字（UW, Unique Word)序列合成帧结构。帧序列通过FTN成形滤波得到符号间间隔为超奈奎斯特传输信号，然后信号通过多径衰落信道到达接收端。在接收端首先从接收信号中提取UW序列，利用UW对ISI进行估计，然后利用估计信息通过均衡器实现ISI均衡。通过一个均衡器来对抗由FTN和多径信道同时引起的ISI，需要较长的UW序列进行ISI估计，而且传输性能有待进一步提高。
在此背景下，本发明提出一种在频率选择性多径信道下基于级联均衡的超奈奎斯特传输方式。相比于以前的频域均衡方式，本发明可以减少UW长度，提高信息的传输效率，并且可以实现更好的系统性能。
发明内容
在超奈奎斯特FTN传输系统中，传输的符号间隔为，其中为满足奈奎斯特传输的传输系统符号间隔，FTN传输系统可表示为.
(1)
式(1)中为接收信号，表示符号能量，代表符号信息，代表符号压缩率，决定FTN符号间隔，其中。
当时，系统为符号间隔为的奈奎斯特传输系统，在整数倍采样时系统不会产生ISI；当时，系统为符号间隔为的非正交超奈奎斯特传输系统，相比于奈奎斯特传输系统，FTN传输系统可以实现更高速率的传输。当然，这种非正交传输系统使得符号间有部分甚至全部重合，不可避免的引入了符号间干扰(ISI)。
本发明提出一种基于级联均衡的超奈奎斯特(FTN)传输方法。
在发送端，信源经过调制之后插入UW(Unique Word)序列合成帧结构如图2所示,UW序列用于估计帧内符号间干扰(ISI)。然后帧序列通过FTN成形滤波得到符号间间隔为超奈奎斯特传输信号。最终通过无线信道实现超奈奎斯特传输。
在接收端，接收信号经过快速傅里叶变换（FFT）模块后先通过第一个频域均衡器进行均衡(图1步骤1)，来对抗超奈奎斯特（FTN）滤波器引起的符号间干扰（ISI）；第一次均衡后的信号经过逆快速傅里叶变换（IFFT）模块后再返回FFT模块，利用信道估计信息通过第二个频域均衡器进行均衡(图1步骤2), 来对抗频率选择性衰落信道引起的符号间干扰（ISI）。通过本发明的级联均衡方法，可以提高超奈奎斯特传输在频率选择性衰落信道下的传输性能。
本发明所设计的基于UW的帧结构如图2所示，帧结构中由数据符号与UW序列组成，UW的可用于消除帧间干扰，信号同步与信道估计。在本发明中，在数据与UW序列中间插入长度为L=M+个零符号序列作为GI（保护间隔），可提高信道估计的准确性。其中M为频率选择性衰落信道时延扩展引起的符号间干扰长度, 为超奈奎斯特FTN滤波器引起的符号间干扰长度， L为由超奈奎斯特FTN滤波器和频率选择性衰落信道时延扩展共同引起符号间干扰的总长度。
UW序列可采用Zadoff-chu序列，表示为:
(2)
在（2）式中，，其中为UW的长度， 和 为一组正交基:
(3)
相比于循环前缀（CP）序列的未知性，UW为确定的序列。由于UW在接收端是已知的信息，所以可方便地利用UW序列实现更加准确的信道估计。
在接收端，本发明所述的第一个频域均衡器和第二个频域均衡器可通过最小均方误差（MMSE）均衡算法来实现。
第k个符号的误差e 为.
(4)
均方误差为.
(5)
在(4)和(5)，为发送信号，为接收信号，为均方误差，代表均衡性能指数，为均衡器矩阵。
式(5)对求导数。
(6)
(7)
由于式(7)大于0恒成立，所以存在最小值。令(6)等于零得到Wienner-Hopf方程
(8)
最终得到MMSE均衡矩阵
(9)
(10)
其中，为信道的频率响应，为噪声功率，代表接收端接收到的UW序列，代表发射端插入的UW序列，N 为UW序列总长度。
附图说明
图1为本发明所述的基于级联均衡的超奈奎斯特(FTN)传输示意图；
图2为本发明所述的传输系统帧结构示意图；
图3为采用单一均衡器的超奈奎斯特(FTN)传输系统误码率性能图；
图4为本发明所述的基于级联均衡的超奈奎斯特(FTN)传输系统误码率性能图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，对本发明做进一步发明方法的仿真说明。
仿真参数
在FTN传输系统中，采用升余弦（RC）滤波器进行成形滤波，其参数为。
表1 FTN抽头
表1为升余弦衰落因子时，不同(时间相关因子)对应的抽头系数，我们可以看出，随着码率的增加(的减小)，单位时间内传输的符号数增加，相应的符号间干扰ISI也随之增大。
在SC-FDE(单载波频域均衡)系统下基于级联均衡的超奈奎斯特传输方法。设帧长为1024。采用Zadoff-Chu序列进行信道估计。在接收端应用MMSE均衡器进行信道均衡。设置采样率为1/τ10MHz/s，仿真参数如表2所示。
表2 仿真参数
在仿真过程中，我们利用国际电信联盟(ITU)提出的ITU-Pedestrian-A 4抽头模型
表3 ITU-Pedestrian-A 4抽头信道模型时间延长功率衰落参数
其中M为频率选择性衰落信道时延扩展引起的符号间干扰长度，其长度等于信道模型抽头个数，本次仿真利用国际电信联盟(ITU)提出的ITU-Pedestrian-A 4抽头模型，M=5；N FTN 为超奈奎斯特FTN滤波器引起的符号间干扰长度,其长度等于FTN抽头长度,如表1所示。
仿真结果
图3为SC-FDE系统中基于单一均衡器的超奈奎斯特(FTN)传输系统在多径信道下的误码率性能图。单一均衡器是只采用一个均衡器来同时对抗由超奈奎斯特（FTN）滤波器和频率选择性衰落信道引起符号间干扰（ISI）。在仿真中，UW长度为128。当和时，在信噪比为20dB下系统误码率可达到；当时，系统要达到相同的误码性能，信噪比需大于25dB；当时，在信噪比为30dB时，系统误码性能才接近于。
图4为SC-FDE系统中采用本发明所述的基于级联均衡的超奈奎斯特(FTN)传输系统在多径信道下的误码率性能图。在仿真中，UW长度为128。当时，在信噪比为22dB下系统误码率可达到，在30dB时系统误码率达到。相比于图3，可发现在相同的传输速率(符号压缩率)下，本发明相比于单一均衡器可以实现更好的传输性能。当时，在信噪比为30dB时，系统误码率也接近于，而在相同的信噪比下，图3误码率仅为。
因此，本发明通过采用级联均衡的FTN传输方法，保证误码性能的条件下，提高了传输速率，提高了频谱利用率。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超奈奎斯特(FTN)传输方法，其特征在于利用两个级联的频域均衡器来对抗超奈奎斯特（FTN）滤波器引起的符号间干扰（ISI, Intersymbol Interference）和频率选择性衰落信道时延扩展引起的符号间干扰。
2.一种如权利要求1所述的传输方法，其特征在于在接收端的第一个频域均衡器用于对抗超奈奎斯特（FTN）滤波器引起的符号间干扰， 在接收端的第二个频域均衡器可用于对抗由频率选择性衰落信道时延扩展引起的符号间干扰。
3.一种如权利要求1所述的传输方法，其特征在于在接收端，接收信号经过快速傅里叶变换（FFT）模块后先通过如权利要求2所述的第一个频域均衡器进行均衡；第一个均衡器的均衡后信号经过逆快速傅里叶变换（IFFT）模块后再返回FFT模块，利用信道估计信息通过如权利要求2所述的第二个频域均衡器进行均衡。
4.一种如权利要求1所述的传输方法，其特征在于如权利要求2所述的第一个频域均衡器和第二个频域均衡器可通过最小均方误差（MMSE）均衡算法来实现。
5.一种用于如权利要求1所述的传输方法的基于UW(独特字)的帧结构，其特征在于在信息数据与UW中间插入长度不小于L的零符号序列作为保护间隔(GI),其中L为由超奈奎斯特FTN滤波器和频率选择性衰落信道时延扩展共同引起符号间干扰的总长度。
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