CN107438046B - 基于准正交补偿的非正交信号解调方法 - Google Patents

Abstract

为了解决现有非正交传输下的接收方法复杂的问题，本发明提供一种基于准正交补偿的非正交信号解调方法，属于信息与通信技术领域。所述解调方法包括发送步骤和接收步骤，所述发送步骤为：将比特信息发送序列转换为非正交的多载波并发送；所述接收步骤包括：步骤B1：接收信号矢量，将接收的信号矢量输入至QOC模型进行重构，获得包含K‑N个符号的重构信号s_com；步骤B2：在接收的信号矢量的末尾补上重构信号s_com，获得时域接收符号序列；步骤B3：对获得的时域接收符号序列进行子载波映射，子载波映射后进行K点FFT变换，截取变换后的前N个符号作为频域接收符号序列；步骤B4：对频域接收符号序列进行译码，解调出接收信号。本发明相比现有的迭代方法具有非常低的复杂度，并且性能有较大提升。

Description

基于准正交补偿的非正交信号解调方法

技术领域

本发明涉及一种非正交的高效频分复用信号的解调方法，属于信息与通信技术领域。

背景技术

5G时代更高的传输速率的需求以满足机器到机器通信，物联网数据传输，以及融合传统移动通信等，频谱资源越显得稀缺，OFDM(正交频分复用)以保证子载波间正交的最小间隔部署子载波频谱资源分割具有较高的频谱利用率，然而面对未来更加快速的数据传输速率需求，子载波正交的传输方案不再完全适用。满足相同传输速率的情况下，IzzatDarwazeh等人提出的非正交的SEFDM(高效频分复用)传输方案能够在OFDM频谱结构的基础之上进一步压缩子载波间隔达到节省频谱资源的目的。SEFDM作为一种非正交多载波传输方案在5G候选波形设计中备受关注。

由于非正交子载波的部署，SEFDM相对于OFDM以牺牲子载波间的正交性达到频谱利用率的提升。然而这种体制自带的子载波间干扰导致传输性能恶化。S.Isam等人指出子载波间干扰与带宽压缩程度和子载波个数有关。因此，SEFDM系统接收机设计必须考虑子载波间干扰消除的问题。Izzat Darwazeh设计了基于IFF的SEFDM信号快速实现方法，并给出了对应的基于FFT的SEFDM接收机模型。尽管最大似然接收的算法可以达到最优性能，但实际难以实现。I.Kanaras等人提出球形译码方法应用于SEFDM接收机以降低最大似然方法的复杂度。S.Isam进一步提出了基于截短奇异值分解的方法，并给出了联合截短奇异值分解与固定球形译码的解调方法。研究结果表明基于截短奇异值分解的方法具备优于线性解调器的方法。S.J.Heydari等出给了补偿SEFDM子载波间干扰迭代检测的方法，该方法具有与球形译码相似的性能，但在算法复杂度上具有极大的优势。T.Xu在此基础之上进一步给出了联合迭代检测与固定球形译码的解调方法，该方法相较上述方法在解调性能和算法复杂度方面都具有优势。

综上所述，SEFDM作为一种高效频分复用方案利用非正交传输体制减小子载波间隔达到压缩频谱进一步提升频谱效率，然而非正交体制无可避免带来的子载波间干扰恶化了接收机性能，并且针对非正交信号解调的接收机设计复杂度较高不利于实现。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有非正交传输下的接收方法复杂的问题，本发明提供一种基于准正交补偿的非正交信号解调方法。

本发明的一种基于准正交补偿的非正交信号解调方法，所述解调方法包括发送步骤和接收步骤，所述发送步骤为：

将比特信息发送序列转换为非正交的多载波并发送；

所述接收步骤包括：

步骤B1：接收信号矢量，将接收的信号矢量输入至QOC模型进行重构，获得包含K-N个符号的重构信号s_com；

步骤B2：在接收的信号矢量的末尾补上重构信号s_com，获得时域接收符号序列；

步骤B3：对获得的时域接收符号序列进行子载波映射，子载波映射后进行K点FFT变换，截取变换后的前N个符号作为频域接收符号序列；

步骤B4：对频域接收符号序列进行译码，解调出接收信号。

优选的是，所述步骤B4中，对频域接收符号序列采用固定球形译码，解调出接收信号。

优选的是，所述步骤B1中，将接收的信号矢量输入至QOC模型进行重构，获得包含K-N个符号的重构信号s_com包括：

步骤B11：在接收的信号矢量的末尾补K-N个零；

步骤B12：对补上K-N个零的信号矢量进行K点FFT变换，截取变换后的后K-N个符号进行最小均方差MMSE重构，获得重构信号s_com。

优选的是，所述发送步骤包括：

步骤A1：将比特信息发送序列调制成N个子载波组成的调制符号序列，并在该调制序列的尾部补K-N个零；

步骤A2：对补了K-N个零的调制符号序列进行K点IFFT变换，截取变换后的序列中的前N个符号作为时域发送符号矢量发送。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明的有益效果在于，本发明相比现有的迭代方法具有非常低的复杂度，并且性能有较大提升，同时本发明将QOC(Quasi orthogonal compensation，准正交补偿)与固定球形译码FSD相结合，与现有比较好的ID迭代检测-固定球形译码FSD方法相比，性能更好，复杂度更低。从而效抑制非正交子载波干扰，较大提升SEFDM系统传输的可靠性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中基于IFFT的非正交信号发射原理示意图；

图2是本发明具体实施方式中基于准正交补偿的SEFDM接收原理示意图；

图3是本发明具体实施方式中基于最小均方差MMSE进行重构的原理示意图；

图4是本发明的QOC与ID迭代检测的比特差错概率性能比较示意图；

图5是本发明的QOC-FSD与ID-FSD比特差错概率性能比较示意图；

图6本发明的QOC的复数乘法复杂度与ID对比示意图；

图7本发明的QOC的复数加法复杂度与ID对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式所述的基于准正交补偿的非正交信号解调方法，包括发送步骤和接收步骤，发送步骤为：

将比特信息发送序列转换为非正交的多载波并发送；

本实施方式的接收步骤包括：

步骤B1：接收信号矢量，将接收的信号矢量输入至QOC模型进行重构，获得包含K-N个符号的重构信号s_com；

步骤B2：在接收的信号矢量的末尾补上重构信号s_com，获得时域接收符号序列；

步骤B3：对获得的时域接收符号序列进行子载波映射，子载波映射后进行K点FFT变换，截取变换后的前N个符号作为频域接收符号序列；

步骤B4：对频域接收符号序列进行译码，解调出接收信号。

本实施方式中，基于准正交补偿的低复杂度非正交信号解调方法，相比传统的迭代方法具有非常低的复杂度，并且性能有较大提升。

优选实施例中，步骤B4中，对频域接收符号序列采用固定球形译码，解调出接收信号。

本实施方式将固定球形译码FSD与QOC重构相结合，与现有比较好的迭代检测与固定球形译码相结合的ID-FSD方法相比，性能更好，复杂度更低。

优选实施例中，本实施方式步骤B1中，将接收的信号矢量输入至QOC模型进行重构，获得包含K-N个符号的重构信号s_com包括：

步骤B11：在接收的信号矢量的末尾补K-N个零；

步骤B12：对补上K-N个零的信号矢量进行K点FFT变换，截取变换后的后K-N个符号进行最小均方差MMSE重构，获得重构信号s_com。

本实施方式给出了基于最小均方差MMSE信号重构方法的模型。

优选实施例中，发送步骤包括：

步骤A1：将比特信息发送序列调制成N个子载波组成的调制符号序列，并在该调制序列的尾部补K-N个零；

步骤A2：对补了K-N个零的调制符号序列进行K点IFFT变换，截取变换后的序列中的前N个符号作为时域发送符号矢量发送。

本实施方式是基于IFFT的非正交信号的发送方法。

实施例：

步骤A1：将比特信息发送序列调制成N个子载波组成的调制符号序列S＝[S₀,...,S_k,...S_N-1]^T，并在该调制序列的尾部补K-N个零；

步骤A2：对补了K-N个零的调制符号序列进行K点IFFT变换，截取变换后的序列中的前N个符号作为时域发送符号矢量s＝[s₀,...,s_n,...s_N-1]^T发送：

其中，Ω_N(·)代表取列矢量或矩阵的前N行。

代表K点的傅里叶逆变换矩阵，其中第n行第k列元素可以表示为：

由式(1)，SEFDM第n个时域发送符号可以表示为：

其中，α＝N/K代表带宽压缩因子，假设采样频率为F_s＝N△f，△f代表非正交子载波间隔，假设一个符号周期为T，则△f＝α/T，特别地，当α＝1时，△f＝1/T时代表正交的正交频分复用(OFDM)系统。

所述接收步骤包括：

步骤B1：接收信号矢量，将接收的信号矢量输入至QOC模型进行重构，获得包含K-N个符号的重构信号s_com：

接收的信号矢量表示为：

y＝[I_N×N 0_N×(K-N)]·s_K+n (4)

其中，s_K代表发送端K点IFFT变换输出的全部样值。接收的信号矢量y送入QOC模型重构补偿ICI干扰，重构的信号矢量表示为s_com；

s_com的获取方法为：

如图3所示，首先对接收的信号矢量y尾部补零K-N个，然后进行FFT变换，得到FFT输出的频域信号矢量，截取末K-N点数据表示为：

其中，Φ_K-N(·)代表取列矢量或矩阵的末K-N行。式(6)进一步表示为：

其中，r′表示为：

r＝s_K+n′ (8)

矩阵B表示为：

式(7)中第一项计算表示为：

式(7)中第二项计算表示为：

其中，s_ignored代表发射机丢弃的部分。

综上所述，式(6)可进一步简化为：

Z＝V₁·n-V₂·s_ignored (14)

利用最小均方差MMSE重构s_ignored得到：

步骤B2：在接收的信号矢量的末尾补上重构信号s_com，获得时域接收符号序列；

步骤B3：对获得的时域接收符号序列进行子载波映射，子载波映射后进行K点FFT变换，截取变换后的前N个符号作为频域接收符号序列：

补偿后的信号矢量进一步通过K点的FFT变换输出频域信号矢量表示为：

其中，F_K代表K点傅里叶变换矩阵，矩阵F_K的第k行第n列元素为

步骤B4：对频域接收符号序列进行固定球形译码，解调出接收信号。

本实施例首先在发射时，通过IFFT调制截短发送的非正交SEFDM信号，在接收时通过QOC模型重构补偿出发射信号发送前截短丢弃的部分，然后再进行FFT变换得到ICI补偿后的准正交频域接收信号，最后采用固定球形译码的方法解调出发送信号。本发明的信号解调方法具有较低的复杂度，可有效抑制非正交子载波干扰，较大提升SEFDM系统传输的可靠性。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (2)

1.一种基于准正交补偿的非正交信号解调方法，其特征在于，所述解调方法包括发送步骤和接收步骤，所述发送步骤为：

将比特信息发送序列转换为非正交的多载波并发送；

所述接收步骤包括：

步骤B1：接收信号矢量，将接收的信号矢量输入至QOC模型进行重构，获得包含K-N个符号的重构信号s_com：

步骤B11：在接收的信号矢量的末尾补K-N个零；

步骤B12：对补上K-N个零的信号矢量进行K点FFT变换，截取变换后的后K-N个符号进行最小均方差MMSE重构，获得重构信号s_com；

步骤B2：在接收的信号矢量的末尾补上重构信号s_com，获得时域接收符号序列；

步骤B3：对获得的时域接收符号序列进行子载波映射，子载波映射后进行K点FFT变换，截取变换后的前N个符号作为频域接收符号序列；

步骤B4：对频域接收符号序列采用固定球形译码，解调出接收信号。

2.根据权利要求1所述的基于准正交补偿的非正交信号解调方法，其特征在于，所述发送步骤包括：

步骤A1：将比特信息发送序列调制成N个子载波组成的调制符号序列，并在该调制序列的尾部补K-N个零；

步骤A2：对补了K-N个零的调制符号序列进行K点IFFT变换，截取变换后的序列中的前N个符号作为时域发送符号矢量发送。

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