CN108900280A - 联合wfrft预处理的新型自适应编码调制方法、无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信网络技术领域，公开了一种联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法、无线通信系统，传统自适应编码调制部分加入了新型时频变换技术WFRFT对原始基带信号进行基带预处理；结合多入多出技术，并结合空时编码来进一步对信道中的多径衰落进行抑制；最终在接收端对接收信号进行信噪比的估计及门限判决，实现对基带调制阶数、编码速率及WFRFT调制阶数的动态选择与控制，实现通信系统整体误码率和吞吐量的有效权衡优化。尤其在系统整体吞吐量一定，且ACM的调制、编码参数确定的前提下，通过合理设定WFRFT调制阶数可以进一步提升系统的抗干扰性能。

Description

联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法、无线通信系统
技术领域
本发明属于无线通信网络技术领域，尤其涉及一种联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法、无线通信系统。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：编码与调制技术是无线通信中最为关键的技术之一，为了与信道状态进行良好地匹配，进行编码、调制的自适应控制是常采用的设计手段。在干扰较小的情况下采用高速率的编码调制方案，反之，采用低速率的编码调制方案。传统的自适应编码调制(ACM)方案主要是通过采用信道编码与基带星座阶数大小联合自适应设置来实现，编码码率、基带星座大小共同来决定最终的系统传输速率。传统ACM方案在一定程度上可以实现系统的抗干扰能力与吞吐量的合理权衡，但由于通信实现过程信道估计存在不同程度的偏差，因而接收方最终仍存在相当部分的乘性干扰。因此，如何在保持系统吞吐量不变的前提下(即传输速率保持不变)，通过进一步抑制由于信道估计不理想引起的乘性残余干扰，是自适应编码调制(ACM)系统的一个重要研究内容。目前关于ACM已有研究内容较少从信道估计残余乘性干扰的抑制角度考虑，且缺乏具体的残余乘性干扰抑制手段。本发明正是基于此，探索一种残余信道乘性干扰的抑制方法。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统自适应编码调制系统存在多径衰落均衡过程抑制不充分的缺陷，而基带信号固定的时频分布特性使得原有系统对残余信道乘性干扰抑制不充分、不灵活，且不能结合残余乘性干扰的具体分析情况，进行最优的基带信号分布预处理。
解决上述技术问题的难度和意义：如何进行基带信号分布的预处理，使得基带信号的时频域分布灵活可控，在不影响自身系统原有通信系统吞吐量的前提下实现接收端对残余信道乘性干扰的最佳抑制，且不会给硬件实现方面增加太多负担，是解决上述问题的难度所在。本发明提出的联合WFRFT预处理新型自适应编码调制方法可以通过WFRFT阶数的灵活自适应设置，使得原始基带信号时频域分布特性更加灵活可控，从而能够在保证原有通信系统吞吐量保持不变的基础上，进一步提升系统的抗干扰能力。鉴于WFRFT变换实现过程硬件成本较低(与传统IFFT结构复杂度相当)，因而基于WFRFT的基带信号预处理方案也可以给其他干扰场景下的最优抑制研究提供重要借鉴。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法、无线通信系统。
本发明是这样实现的，一种联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法，所述联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法的发射端选择一组预设的ACM速率参数RateID，令原始输入信号为x0，进行基带信号编码与调制之后输出信号为x，再经过WFRFT处理得出的WACM信号为w＝Wαx；结合通信系统的均衡接收及多径信道处理过程，取w中连续两个时隙的信号s1、s2作为基本的信号处理单元，通过插入零载波、进行子载波映射等操作实现IFFT帧组装设计得到通信组帧数据；进而结合空时编码及OFDM发射技术，插入导频序列及循环前缀，最终发射至无线空间；在接收端，结合IFFT的组帧结构与循环前缀设计，利用导频序列进行信道估计，利用STBC译码准则进行基带信号的初步还原；进行逆向编码调制、逆向WFRFT处理，得到还原出数据；对于还原得到的数据，利用SNR估计模块，结合门限设计与判决，通过反馈链路来实时动态控制系统的编码调制速率RateID及WFRFT调制阶数；通过WFRFT调制阶数的优化实现系统抗干扰性能的最优化。
进一步，合理设计导频率序列与数据序列的时间周期比值，循环前缀的长度直接与系统整体的抗多径时延直接相关。
进一步，发射端采用卷积编码方式，接收端对应采用Viterbi译码；对于发射端、接收端其余编码、调制部分，采用互为正、反变换的模块处理。
进一步，对SNR门限、调控准则、反馈作用机制结合实际通信环境进行调试。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法的无线通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：针对无线通信的多径衰落信道下，为有效兼顾系统自身抗干扰性能(误码率)和频谱利用率(吞吐量)，提出联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制(WACM)方法。传统的ACM相比发射端采用单载波或多载波结构，且基带信号仅分布在时域范围，因而对于信道均衡不理想引起的乘性干扰抑制效果不一定最优。本发明提出的WACM方法可以有效解决了传统自适应编码调制(ACM)多径衰落抑制干扰不充分、误码率与吞吐量难以同时有效兼顾的问题。所提出的方法有利于增强多径衰落信道的通信系统抗干扰能力，同时通过参数的自适应设置与反馈机制，能够在保证既有系统吞吐量的前提下，实现通信系统自身误码率的最优化。
现有的编码调制(ACM)方案较少考虑残余干扰抑制的问题，因而缺乏对由信道估计偏差引起残余干扰的抑制手段。本发明将WFRFT预处理技术引入传统编码调制中，避免了传统ACM系统干扰分布不均匀而引起的通信系统误码率性能的恶化。通过WFRFT调制阶数的灵活设定，实现对干扰分布的最优匹配，以保证整体吞吐量不变的情况下进一步提升系统的抗干扰性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法流程图。
图2是本发明实施例提供的通信系统整体框图。
图3是本发明实施例提供的联合WFRFT预处理的自适应编码调制(ACM)发射端组成图。
图4是本发明实施例提供的采用的空时分组编码(STBC)编码发射端的基本组成图。
图5是本发明实施例提供的STBC译码接收结构图。
图6是本发明实施例提供的自适应参数优化控制组成图。
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。
本发明通过将新型时频处理工具WFRFT引入ACM的基带编码调制中，作为一种预处理手段，WFRFT能够使得接收端的乘法干扰得到进一步抑制，从而可以增强系统整体的抗干扰能力。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法包括以下步骤：
S101：发射端选择一组预设的ACM速率参数RateID，并且设定WFRFT的初始调制阶数，进行基本的基带信号编码与调制，并最终进行IFFT帧组装设计，确保不同速率参数RateID与WFRFT调制阶数条件下，系统具有统一的数据组帧结构；
S102：得到通信组帧数据，结合空时编码(STBC)及OFDM发射技术，最终发射至无线空间；
S103：经过多径衰落及加性高斯白噪声(AWGN)信道之后，在接收端，结合IFFT的组帧结构与循环前缀设计，利用导频序列进行信道估计，利用STBC译码准则进行基带信号的初步还原；
S104：与发射过程的WACM一致，进行逆向编码调制、逆向WFRFT处理，得到还原出数据；
S105：对于还原得到的数据，利用SNR估计模块，结合门限设计与判决，进而通过反馈链路来实时动态控制系统的编码调制速率RateID及WFRFT调制阶数；实现系统整体吞吐量保持不变的情况下，通过WFRFT调制阶数的优化实现系统抗干扰性能的最优化。
本发明实施例提供的联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法包括以下步骤：
步骤一，发射端选择一组预设的ACM速率参数RateID，并且设定WFRFT的初始调制阶数α，进行基本的基带信号编码与调制，并最终进行IFFT帧组装设计，确保不同速率参数RateID与WFRFT调制阶数α条件下，系统具有统一的数据组帧结构。
步骤二，通过上一步骤得到通信组帧数据，结合空时编码(STBC)及OFDM发射技术，最终发射至无线空间。STBC与OFDM技术可以实现系统抗多径与提升吞吐量的有机统一。
步骤三，经过多径衰落及加性高斯白噪声(AWGN)信道之后，在接收端，结合IFFT的组帧结构与循环前缀设计，利用导频序列进行信道估计，利用STBC译码准则进行基带信号的初步还原。
步骤四，与发射过程的WACM一致，进行逆向编码调制、逆向WFRFT处理，进而得到还原出数据。
步骤五，对于还原得到的数据，利用SNR估计模块，结合门限设计与判决，进而通过反馈链路来实时动态控制系统的编码调制速率RateID及WFRFT调制阶数α。从而能够实现系统整体吞吐量保持不变的情况下，通过WFRFT调制阶数α的优化实现系统抗干扰性能的最优化。
在本发明的优选实施例中，步骤一中，ACM不同RateID方案下，对应的基带方式、编码速率对数据帧结构都会产生影响，因而设计通用的IFFT帧结构是ACM运行的基本要求。
在本发明的优选实施例中，步骤二和步骤三中为了使得STBC与OFDM技术能够有机结合并且实现较好的信道估计，需要合理设计导频率序列与数据序列的时间周期比值，此外，循环前缀的长度直接与系统整体的抗多径时延直接相关。因此，导频序列、循环前缀的具体设计过程都需要考虑实际的通信场景及通信信道衰落程度情况。
在本发明的优选实施例中，步骤四中，发射端采用了卷积编码方式，接收端对应采用了Viterbi译码。对于发射端、接收端其余编码、调制部分，均采用互为正、反变换的模块处理。
在本发明的优选实施例中，步骤五中，由于需要实时动态地对接收端进行信号偏差的SNR估计，因而反馈链路的时效性、门限的设计及动态判决准则直接关系最终的WACM系统整体运行情况。因此，在系统实际运行过程，对SNR门限、调控准则、反馈作用机制都需要结合实际通信环境进行调试设计。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
图1给出了本发明搭建的联合WFRFT预处理的自适应编码调制(WACM)的通信系统整体框图。图中实线箭头对应实际的信号流向，虚线箭头对应表示整个通信收发过程的反馈控制链路。
图2展示了本发明联合WFRFT预处理的自适应编码调制(ACM)发射端组成图，图中可以看出相较于传统的自适应编码调制(ACM)方法，本发明通过加入了WFRFT预处理过程能够使得原来的ACM信号能够在时频域更加发散，一方面有利于增强系统整体的抗截获、抗干扰性能；另一方面，由于收、发两端的正反变换，最终对于自身通信误码率性能不会产生影响。
图2中以五种常用的自适应编码调制方案，其对应的基带映射方式及码率分别为：4QAM 3/4、16QAM 1/2、16QAM 3/4、64QAM 2/3、64QAM 3/4，即对应五种速率控制Rate0、1、2、3、4。此外，如图2中下侧编码调制基本模块组成所示，本发明采用了RS编码、卷积编码、交织等信道编码技术来增强系统整体的容错、纠错能力。经过接收端反馈判决机制进行RateID选择，最后再经过WFRFT矩阵处理，从而实现本发明的联合WFRFT预处理的自适应编码调制(WACM)。
利用矩阵形式进行公式理论推导，WFRFT可以利用经典的FFT\IFFT结构实现，其矩阵表达式为：
Wα＝ω0(α)I+ω1(α)F+ω2(α)T+ω3(α)F-1
\*MERGEFORMAT(1)
其中ωl(α)为加权系数，且I,F,T,F-1分别表示单位矩阵、归一化傅里叶变换矩阵、移位矩阵(使得原序列的首元素不变，后序无序逆序排列)、归一化逆傅里叶变换矩阵。
从而对于原始输入信号x0，经过ACM处理之后转化为x信号，再经过WFRFT处理得到WACM信号为：
w＝Wαx \*MERGEFORMAT(2)
图1中的IFFT块组帧过程包含了具体的数据载波位置映射、零载波设置过程，但为了推导简便，此处进行省略简化处理，认为STBC编码的具体信号源s1,s2直接来源于WACM的输出信号w。从而如图3所示，本发明以2发、1收过程为例，进行具体的理论推导。其他类型的多发、多收过程可以进行类似的推导扩展。图3中，处理单元在两个时间间隔内将原来的输入信号s1,s2进行矩阵映射得出时间、空间两个维度分集的发送信号矩阵为：
再进行相应的OFDM组帧，通过邻近数据的时间累积构成OFDM发射机的基本数据单元，本发明中以201×2的数据维度为例进行推导。根据上述s1,s2的空间、时间映射矩阵最终得出的两个OFDM级帧数据为t1,t2，且t1中201×2数据为：
其中,s1，0,s2,0…s1，200,s2,200表示时间邻近的201个来自于式(3)中的数据，(·)T为转置运算符。同时，t2中201×2数据为：
为了确保过程中多径信道近似为稳态过程，在图1中的OFDM发射机处理过程，首先通过插入导频序列来实现实时动态信道估计及相应频率均衡；此外，通过循环前缀的插入，可以确保对符号间干扰、载波间干扰的有效抑制。进而经过插入导频、循环前缀过程，原始的OFDM组帧数据t1,t2维度均由201×2变成256×3，行维度由201变成256是插入循环前缀引起，而列维度由2变成3是由于插入了导频序列引起。
虽然整体数据维度发生了变化，但是对于OFDM单个时间处理单元数据的基本分析原理仍可以从式(3)的基本时间、空间映射矩阵展开，对于接收端而言，经过多径衰落接收信号可以表示为：
r＝Hs+n \*MERGEFORMAT(6)
其中，H为多径信道衰落系数矩阵，且n为加性高斯白噪声(AWGN)，且s为邻近时隙两个输入信号，且s＝(s1,s2)T，接收信号为。
利用导频序列实时估计出信道值，最后实现均衡(STBC的联合接收均衡)，考虑到本发明式(3)中s1,s2有相应的h1,h2来进行实时的多径衰落信道估计，从而本发明采用的最终译码过程可以简化为：
其中，(·)H为共轭转置运算符。
图4中，在接收端通过奇、偶导频序列来对两发、一收衰落信道进行衰落系数估计即可得到信道估计矩阵H的子元素h1,h2，且结合图1所示的基本OFDM发射、接收机结构，信道估计系数h1,h2可以便捷地通过频域卷积定理推导得出。
图5展示了本发明的核心部分，即自适应的WFRFT预处理编码调制反馈控制部分。从图5中右上方的解调译码基本模块组成可知：QAM解调、解交织、Viterbi译码、RS译码与图2中的QAM调制、交织、卷积编码、RS编码一一对应。进而，通过对比各个解调子模块，得出相应的误差值Err0～Err4，设误值变量为u，经过SNR估计处理，得出基本的判决变量tSNR为：
其中，表示对u取均方根(RMS)运算。
将tSNR与预设的的五个门限值进行比较，从而选择适应的通信速率参数RateID，以期实现对系统误码率与吞吐量的合理权衡。
此外，与常规的ACM相比，本发明增加了WFRFT预处理过程。在计算出tSNR结果及相应选择RateID之后。鉴于实际过程中，多径衰落信道中信道估计参数h1,h2存在一定的偏差，因而可以通过WFRFT调制阶数α的合理选择，以进一步提升系统整体的抗多径衰落性能。结合固有经验，设计WFRFT调制阶数α取值范围为[0.3,0.7]，且单位增量大小设计为0.1。从而本发明的WACM是在RateID设定之后，进一步优化选择WFRFT调制阶数α来实现对原有系统吞吐量维持不变的前提下，进一步提升系统的抗多径干扰能力。
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 (6)

1.一种联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法，其特征在于，所述联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法的发射端选择一组预设的ACM速率参数RateID，进行基带信号编码与调制、IFFT帧组装设计；得到通信组帧数据，结合空时编码及OFDM发射技术，发射至无线空间；在接收端，结合IFFT的组帧结构与循环前缀设计，利用导频序列进行信道估计，利用STBC译码准则进行基带信号的初步还原；进行逆向编码调制、逆向WFRFT处理，得到还原出数据；对于还原得到的数据，利用SNR估计模块，结合门限设计与判决，通过反馈链路来实时动态控制系统的编码调制速率RateID及WFRFT调制阶数；通过WFRFT调制阶数的优化实现系统抗干扰性能的最优化。
2.如权利要求1所述的联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法，其特征在于，合理设计导频率序列与数据序列的时间周期比值，循环前缀的长度直接与系统整体的抗多径时延直接相关。
3.如权利要求1所述的联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法，其特征在于，发射端采用卷积编码方式，接收端对应采用Viterbi译码；对于发射端、接收端其余编码、调制部分，采用互为正、反变换的模块处理。
4.如权利要求1所述的联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法，其特征在于，对SNR门限、调控准则、反馈作用机制结合实际通信环境进行调试。
5.如权利要求1所述的联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法，其特征在于，所述联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法具体包括:
发射端选择一组预设的ACM速率参数RateID，令原始输入信号为x0，进行基带信号编码与调制之后输出信号为x，再经过WFRFT处理得出的WACM信号为w＝Wαx；结合通信系统的均衡接收及多径信道处理过程，取w中连续两个时隙的信号s1、s2作为基本的信号处理单元，通过插入零载波、进行子载波映射操作实现IFFT帧组装设计得到通信组帧数据；结合空时编码及OFDM发射技术，插入导频序列及循环前缀，最终发射至无线空间；
在接收端，结合IFFT的组帧结构与循环前缀设计，利用导频序列进行信道估计，利用STBC译码准则进行基带信号的初步还原；进行逆向编码调制、逆向WFRFT处理，得到还原出数据；对于还原得到的数据，利用SNR估计模块，结合门限设计与判决，通过反馈链路来实时动态控制系统的编码调制速率RateID及WFRFT调制阶数；通过WFRFT调制阶数的优化实现系统抗干扰性能的最优化。
6.一种应用权利要求1～4任意一项所述联合WFRFT预处理的新型自适应编码调制方法的无线通信系统。
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