CN108933749B - 混叠广义频分复用多载波调制系统 - Google Patents

混叠广义频分复用多载波调制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型混叠广义频分复用多载波调制系统，包括：1)发射端：二进制比特流b被编码为bc，随后根据符号映射方式映射为复数星座符号，复数星座符号中的每个子符号在调制过程中都会对应不同的传输脉冲；发送信号为所有子载波上的子符号与传输脉冲的叠加；将多载波传输脉冲采样用向量形式表示，对上述叠加改写为由传输矩阵和复数星座符号表示；在发送端的最后加上循环前缀从而得到发送向量，随后经过水声信道；2)接收端：接收到发送向量的对应向量后首先进行去除循环前缀操作，对水声信道模型y进行简化；水声信道模型y经过信道均衡得到向量z，随后信号z经过O‑GFDM中的解调器解调，得到向量
Figure DDA0001690381730000011
进而被逆映射得到向量
Figure DDA0001690381730000012
最后再解码为二进制输出向量。

Description

混叠广义频分复用多载波调制系统
技术领域
本发明涉及非正交的数字多载波传输技术领域，在广义频分复用(generalizedfrequency division multiplexing，GFDM)的基础上，将混叠系数的概念引入其中，提出一种混叠广义频分复用多载波调制系统(O-GFDM)。
背景技术
目前，水声(underwater acoustic，UWA)通信已被广泛应用于海洋监测及军事等诸多领域。因多径传输及声波在水下传播速度慢等影响导致水声信道在时间及频率上均会表现出很大程度上的色散，因而水声信道是一种十分具备挑战性的通信信道。
正交频分复用(orthogonal frequency division multiplex,OFDM)因具有可以应对多径信道的鲁棒性，早期就被引入水声通信中进行研究及应用。OFDM可通过长度大于信道脉冲持续时间的循环前缀(CP)来很好的消除因时间色散所引起的符号间干扰(inter-symbol interference，ISI)。然而，因OFDM的每个符号都需要一个额外的CP，自然会导致频谱资源的浪费，且因OFDM对于频率偏移较为敏感，还会带来子载波间干扰(inter-carrierinterference，ICI)。
随后，为解决UWA信道频率色散问题，滤波器组多载波调制(filter-bank basedmulticarrier，FBMC)被引入水声通信。FBMC采用一组并行子载波滤波器对多载波信号进行单独滤波，载波间无需同步。此外，因其旁瓣较小，ICI也随之变小。然而，FBMC 滤波器设计的复杂度过高，难于实现。
为了提高灵活性和频谱效率，广义频分复用(GFDM)被提出。一个GFDM传输块包含多个子载波及多个子符号，整个块只需一个CP，可大幅提升频谱效率。此外，GFDM 可以通过一个传输块中子载波个数及子符号个数的设定来改变块的大小，以配合不同的数据流要求。
发明内容
本发明提供了一种混叠广义频分复用多载波调制系统，本发明在GFDM多载波传输系统的基础上，结合混叠系数的概念，完成O-GFDM新型多载波传输系统的设计，旨在提高通信系统的频谱效率，降低误码率(bit error rate，BER)，进一步提高系统的灵活性，详见下文描述：
一种混叠广义频分复用多载波调制系统，所述系统包括：
1)发射端
二进制比特流b被编码为bc，随后根据符号映射方式映射为复数星座符号，复数星座符号中的每个子符号在调制过程中都会对应不同的传输脉冲；
发送信号为所有子载波上的子符号与传输脉冲的叠加；
将多载波传输脉冲采样用向量形式表示，对上述叠加改写为由传输矩阵和复数星座符号表示；
在发送端的最后加上循环前缀从而得到发送向量，随后经过水声信道；
2)接收端
接收到发送向量的对应向量后首先进行去除循环前缀操作，对水声信道模型y进行简化；
水声信道模型y经过信道均衡得到向量z，随后信号z经过O-GFDM中的解调器解调，得到向量
Figure GDA0002774283630000021
进而被逆映射得到向量
Figure GDA0002774283630000022
最后再解码为二进制输出向量。
所述传输脉冲具体为：
Figure GDA0002774283630000023
其中，k＝0,...,K-1，m＝0,...,M-1，n为采样索引值n＝0,...,N-1；K为子载波数，每个子载波上含有M个子符号，γ为混叠系数，表示子符号间的混叠程度。
所述多载波传输脉冲采样用向量形式表示具体为：gk,m＝(gk,m[n])T，则x＝pinv(G)d
其中，x为一个N×1的向量，G是一个大小为N×KM的传输矩阵，d为N×1的向量，即所需要调制到载波上的符号信息。
所述γ的大小会影响传输矩阵的矩形的边长，当γ＝0时，传输矩阵为方阵。
所述系统还包括：
O-GFDM相对于OFDM系统的频谱效率增益为：
Figure GDA0002774283630000024
O-GFDM相对于GFDM系统的频谱效率增益为：
Figure GDA0002774283630000025
其中，NCP＝K/4，当γ＜0.2时，O-GFDM频谱效率高于OFDM；当γ＜0时，O-GFDM 频谱效率高于GFDM。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明基于GFDM结合混叠系数的概念实现非正交多载波传输，利用混叠系数的设定来灵活改变通信系统发送矩阵及接收矩阵的形状；
2、本发明改变通信系统携带信息的能力，通过合适的混叠系数设定，从而实现频谱利用率的提升和误码率的降低。
附图说明
图1为O-GFDM的结构示意图；
图2为O-GFDM在不同混叠系数下BER性能图；
图3为O-GFDM基于OFDM及GFDM的频谱效率增益图；
图4为基于不同水声信道的OFDM，FBMC，GFDM及O-GFDM(本系统)的BER 性能仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了进一步提高通信系统频谱效率和误码率，本发明实施例将混叠的概念引入GFDM，提出了一种混叠广义频分复用(O-GFDM)的多载波传输方案。
实施例1
本发明实施例设计了一种基于GFDM的混叠广义频分复用调制系统，以GFDM为基础，将混叠系数与其融合，使得O-GFDM的传输矩阵及接收矩阵不再如传统GFDM一样拘泥于方阵，而是可以根据混叠系数的设置来改变传输矩阵及接收矩阵的形状。系统组成及流程如下：
一、发射端
1、二进制比特流b被编码为bc，随后根据符号映射方式映射为复数星座符号，复数星座符号中的每个子符号在调制过程中都会对应不同的传输脉冲；
2、发送信号为所有子载波上的子符号与传输脉冲的叠加；
3、将传输脉冲采用向量形式表示，对上述叠加改写为由传输矩阵和复数星座符号表示；
4、在发送端的最后加上循环前缀从而得到发送向量，随后经过水声信道。
二、接收端
接收端接收到发送向量的对应向量后首先进行去除循环前缀操作，对水声信道模型y进行简化；
水声信道模型y经过信道均衡得到向量z，随后信号z经过O-GFDM中的解调器解调，得到向量
Figure GDA0002774283630000041
进而被逆映射得到向量
Figure GDA0002774283630000042
最后再解码为二进制输出向量。
实施例2
下面结合具体的计算公式、图1-图4、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
一、发射端
二进制比特流b被编码为bc，随后根据符号映射方式Q-QAM映射为复数星座符号d，d为N×1的向量，且N＝KM-γKM+Kγ，该N个元素可以分解到K个子载波上，每个子载波上含有M个子符号，γ为混叠系数，可表示子符号间的混叠程度，且γ∈[-∞,1)。
同时d＝(d0 T,...,dK-1 T)，dk＝(dk,0 T,...,dk,M-1 T)，dk,m表示向量d中第k个子载波上的第m个子符号。
每个子符号dk,m在调制过程中都会对应不同传输脉冲，如式(1)所示：
Figure GDA0002774283630000043
其中，k＝0,...,K-1，m＝0,...,M-1，n为采样索引值n＝0,...,N-1。
对于给定的g[n]，gk,m[n[可以看作是其在时间和频率上的位移。
发送信号x＝(x[n])T为所有子载波上的已调符号的叠加，即：
Figure GDA0002774283630000044
将多载波传输脉冲采样用向量形式可表示为gk,m＝(gk,m[n])T，则式(2)可以写成：
x＝pinv(G)d (3)
其中，x为一个N×1的向量，G是一个大小为N×KM的传输矩阵，其具体构成如下：
G＝(g0,0…g0,M-1g1,0…gK-1,M-1) (4)
矩阵G如图2所示，以及其三列采样值如图2所示。可以看出g0,1＝[A]n,2和 g1,m＝[A]n,M+1分别为g0,0＝[A]n,1在时域及频域上的位移。
即，γ的大小会影响传输矩阵的矩形的边长，当γ＝0时，传输矩阵为方阵。
在发送端的最后要加上循环前缀从而得到发送向量
Figure GDA0002774283630000051
随后经过水声信道。
二、接收端
接收端接收到
Figure GDA0002774283630000052
的对应向量
Figure GDA0002774283630000053
后首先进行去除循环前缀操作，在假设可以进行完全同步的情况下，CP的利用可以简化信道模型，则接收信号可以表示为：
y＝Hx+w＝HGd+w (5)
其中，H是一个N×N的信道循环卷积矩阵(具体取值由实际情况确定)，w为N×1的高斯白噪声向量。y经过信道均衡得到向量z，则
Figure GDA0002774283630000054
随后信号z经过O-GFDM解调器，该过程可表示为：
Figure GDA0002774283630000055
随后，向量
Figure GDA0002774283630000056
被逆映射得到向量
Figure GDA0002774283630000057
最后再解码为二进制输出向量
Figure GDA0002774283630000058
三、频谱效率增益
O-GFDM相对于OFDM系统的频谱效率增益公式可以归纳为：
Figure GDA0002774283630000059
O-GFDM相对于GFDM系统的频谱效率增益公式可以归纳为：
Figure GDA0002774283630000061
其中，NCP＝K/4，当γ＜0.2时，O-GFDM频谱效率高于OFDM。当γ＜0时，O-GFDM 频谱效率高于GFDM。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (4)

1.一种混叠广义频分复用多载波调制系统，其特征在于，所述系统包括：
1)发射端
二进制比特流b被编码为bc，随后根据符号映射方式映射为复数星座符号，复数星座符号中的每个子符号在调制过程中都会对应不同的传输脉冲；发送信号为所有子载波上的子符号与传输脉冲的叠加；将多载波传输脉冲采样用向量形式表示，对上述叠加改写为由传输矩阵和复数星座符号表示；在发送端的最后加上循环前缀从而得到发送向量，随后经过水声信道；
2)接收端
接收到发送向量的对应向量后首先进行去除循环前缀操作，对水声信道模型y进行简化；
水声信道模型y经过信道均衡得到向量z，随后信号z经过O-GFDM中的解调器解调，得到向量
Figure FDA0002774283620000011
进而被逆映射得到向量
Figure FDA0002774283620000012
最后再解码为二进制输出向量；其中，所述传输脉冲具体为：
Figure FDA0002774283620000013
其中，k＝0,...,K-1，m＝0,...,M-1，K为子载波的个数，M为子符号的个数，n为采样索引值n＝0,...,N-1；γ为混叠系数，γ∈[-∞,1)，表示子符号间的混叠程度。
2.根据权利要求1所述的一种混叠广义频分复用多载波调制系统，其特征在于，所述多载波传输脉冲采样用向量形式表示具体为：gk,m＝(gk,m[n])T，则x＝pinv(G)d
其中，x为一个N×1的向量，G是一个大小为N×KM的传输矩阵，d为N×1的向量，即所需要调制到载波上的符号信息。
3.根据权利要求1所述的一种混叠广义频分复用多载波调制系统，其特征在于，所述γ的大小会影响传输矩阵的矩形的边长，当γ＝0时，传输矩阵为方阵。
4.根据权利要求3所述的一种混叠广义频分复用多载波调制系统，其特征在于，所述系统还包括：
O-GFDM相对于OFDM系统的频谱效率增益为：
Figure FDA0002774283620000021
O-GFDM相对于GFDM系统的频谱效率增益为：
Figure FDA0002774283620000022
其中，NCP＝K/4，当γ＜0.2时，O-GFDM频谱效率高于OFDM；当γ＜0时，O-GFDM频谱效率高于GFDM。
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