CN109150409B - 基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应系统和方法 - Google Patents

基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应系统和方法，解决了已有技术使用高阶调制和多种码率带来的码率兼容和高复杂度问题。本发明通过改变叠加编码调制模块的层数和奈奎斯特调制模块加速因子实现自适应编码调制；具体步骤有：确定编码和调制方式；获得初步的传输方案组合；仿真单层超奈奎斯特信号得信噪比；初选初步传输方案组合；仿真并确定最终的多组可供选择的传输方案组合；用于通信中实现自适应传输。本发明根据理论信噪比对传输方案初次筛选，减少了仿真工作量，提高了效率，本发明支持大的频谱效率范围，满足通信对频谱效率的要求，本发明复杂度低，且灵活性高，用于地面、卫星等无线通信系统。

Description

基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应系统和方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及超奈奎斯特系统的自适应传输，具体是一种基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应系统和方法，可用于地面、卫星等无线通信系统。
背景技术
随着无线通信技术的发展，用户对无线通信业务的需求从单一的低速话音业务转向各种多媒体业务，未来的无线通信系统也更倾向于高的频谱利用率和高速的数据传输。但是，实际的无线通信信道是时变衰落信道，根据香农信道容量公式，在一定频谱上，信道容量取决于信道特性(衰落、噪声和干扰等)，要想获得较好的信道容量就需要根据信道的状态调整传输方案，链路自适应传输技术就应运而生。传统的系统设计采用固定的传输模式(调制方式、编码方式、编码速率和发射功率等固定)，为了保证在恶劣信道条件或平均信道条件下通信不会中断，必须要牺牲频谱利用率来换取通信的可靠性。但是，链路自适应与此不同，它动态跟踪信道变化，根据信道状态确定当前信道的容量，进而确定传输的信息符号速率、发送功率、编码速率和编码方式、调制的星座图尺寸和调制方式等参数，因此可以最大限度地发送信息，实现更低的误码率，并保持恒定发射功率，以减轻对其他用户的干扰，满足不同业务的需求，提高系统的整体吞吐量。
自适应编码调制技术是一种常用的链路自适应传输技术，其基本原理是根据信道状态信息，改变发送端的编码方式及调制阶数，选择一种在满足误码率要求的前提下具有更高频谱效率的传输方式。由于信道条件随时间变换，当信道条件恶劣时，发送端可以选择较低码率或较低调制阶数的编码调制方式来满足信息传输的误码率要求，保证信息传输的可靠性；当信道条件变好时，发送端可以选择较高码率或者较高调制阶数的编码调制方式来满足信息的误码率要求，但此时若发送参数不做变化，依然使用低码率发送方式，就相当于没有充分利用频谱资源，在一定程度上造成频谱资源的浪费。同样的，若只使用高码率、高调制阶数的编码调制方式，那么信道条件不好时，将无法满足误码率要求，因此需要根据信道状况自适应的调节发送端的码率和调制阶数，使得在任意时刻既能满足误码率要求，又能达到频谱效率最优。
目前，自适应编码调制技术广泛应用在无线通信中，例如3GPP-LTE，DVB-S2标准。但是，传统的自适应编码调制系统调节的参数主要是码率和调制阶数。当码率改变时对应的码设计也要随之改变，这就增加了对码设计的要求，增加了发送端和接收端的生成矩阵的存储量；同时，多种码率带来的码率兼容问题也为自适应编码调制系统的工程实现带来了一定的复杂度和难度；除此之外，当调制阶数升高时，发送端往往也需要更高的信噪比来达到误码率要求，整体为系统提出了更高的功率要求。
与此同时，随着信息技术的迅猛发展，如何传输更多的信息成为了学术界和工业界关注的热点。因此，上世纪七十年代提出的超奈奎斯特传输又重新引起了人们的重视。超奈奎斯特传输是一种典型的非正交传输方式，其码元速率超过了奈奎斯特的无码间串扰速率，相当于人为地引入了码间串扰。但是这种码间串扰的引入在一定程度上并不意味着接收端检测性能的下降。超奈奎斯特传输的提出者J.E.Mazo发表在期刊“BellSystemTechnical Journal”上的论文“J.E.Mazo,“Faster-than-Nyquist signaling”(BellSyst.Tech.J.,vol.54,pp.1451-1462,Oct.1975.)中指出当脉冲成形波形为Sinc函数，且奈奎斯特加速因子大于0.802时，超奈奎斯特传输相比于奈奎斯特传输可以多传输约25％的比特，且接收端的检测性能基本不受影响。随后，相关学者发现这一现象同样存在于通信领域常用的升余弦函数族中，这就为超奈奎斯特技术在实际系统中的应用奠定了理论基础，并引起了广泛的关注。此外，由于码间串扰的引入，接收端的检测复杂度也会有一定的提高。为了降低检测复杂度，有关学者提出了基于叠加编码调制的超奈奎斯特结构并在接收端通过利用逐次干扰抵消检测使成指数增长的检测复杂度降低为呈线性增长，大大降低了检测复杂度。对于这种基于叠加编码调制的超奈奎斯特结构，其每一层可使用相同的编码方式通过调整叠加层数和加速因子来增加频谱利用率，这就为自适应传输提供了一种新的系统结构和思路。
随着通信发展对高频谱效率的需求，传统的自适应编码调制技术需要尽可能的降低码率同时提高调制阶数，但是低码率会在一定程度上造成频谱资源的浪费，高的调制阶数也会带来更高的复杂度和能源消耗。除此之外，传统的自适应编码调制技术主要调节码率和调制阶数，这也存在着一定的局限性。这些存在的问题不容忽视，需要针对其进行研究和改进，以更好地适应无线通信技术的发展。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的局限性，提出了一种降低复杂度的基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统和方法。
本发明首先是一种基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统，包括有发送端和接收端，发送端包括叠加编码调制模块和超奈奎斯特调制模块，接收端包括匹配滤波器和超奈奎斯特检测与译码模块，发送端中的叠加编码调制模块的层数与接收端中的超奈奎斯特检测与译码模块的层数一一对应，接收端的匹配滤波器的输出作为信道估计器的输入对信道状态进行估计，信道估计器将信道状态信息传送给传输方案选择器，传输方案选择器将选择的传输方案结果同时反馈给发送端和接收端，其特征在于，通过增加或者减少叠加编码调制模块的层数K以及改变超奈奎斯特调制模块的超奈奎斯特加速因子τ，实现超奈奎斯特系统的自适应编码调制；所述实现超奈奎斯特系统的自适应编码调制是根据信道估计器的信道状态信息从多组可供选择的叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ的组合形式(K,τ)中选取一种组合形式作为当前传输方案，发送端根据当前传输方案改变发送端叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ，接收端相应地改变存储的功率分配方案和符号间干扰个数，实现超奈奎斯特系统的自适应编码调制。
本发明还是一种基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输方法，在权利要求1所述的基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统上实现，其特征在于，包括有如下步骤：
(1)确定编码方式和调制方式：选择适合超奈奎斯特系统的信道编码方式，例如Turbo码，选择最简单的调制方式二进制相移键控，即BPSK；
(2)获得初步的传输方案组合(K,τ)：根据基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统的频谱效率的计算公式和其要求的频谱效率范围，计算获得初步的叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ的组合(K,τ)；
(3)以不同的τ值仿真单层超奈奎斯特信号，得到达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0：针对得到的所有初步的叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ的组合(K,τ)，分别对其中不同的τ值，仿真其在单层超奈奎斯特信号下达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0；
(4)计算及初次筛选初步的传输方案组合(K,τ)：根据仿真得到的单层超奈奎斯特信号在不同超奈奎斯特加速因子τ下达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0，计算初步的传输方案组合(K,τ)各自对应的频谱效率、功率分配以及理论信噪比，并根据计算得到的频谱效率和理论信噪比对初步的传输方案组合(K,τ)进行初次筛选；
(5)仿真和进一步筛选传输方案组合(K,τ)：对初次筛选后保留下来的传输方案进行仿真，根据频谱效率颗粒度，筛选得到最终可供选择的多组传输方案组合(K,τ)；
(6)在通信中实现基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输：根据接收端匹配滤波器的输出结果，估计信道的状态，再根据估计得到的信道的状态信息选择可供选择的多组传输方案组合(K,τ)中的一种组合形式作为当前的传输方案，随后，发送端根据选定的传输方案改变发送端叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ，接收端相应地改变存储的功率分配方案和符号间干扰个数，实现系统的自适应传输。
本发明在发送端通过调节叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ来获得更高的频谱效率，用于解决传统自适应编码调制主要调节码率和调制阶数存在的局限性以及使用多种码率和高阶调制带来的码率兼容和高复杂度问题。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明采用的基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应系统，可通过调节叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ来实现系统的自适应传输，克服了传统的自适应编码调制系统主要调节码率和调制阶数来实现系统自适应的局限性，同时为自适应编码调制系统设计提供了一种新的思路。
2.本发明采用基于叠加编码调制的超奈奎斯特系统，并且对系统的每一层应用相同的编码方式和调制方式，在一定程度上避免了码率兼容的问题，降低了系统设计复杂度。
3.本发明提出的基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输方法，可以支持很大的频谱效率传输范围，甚至在某些情况下可以略微超过正交系统的受限容量，能够为高速卫星通信提供技术保障，满足通信对高频谱效率的需求。
4.本发明由于利用计算得到的理论信噪比对传输方案进行筛选，减少了仿真工作量，提高了对自适应方案的选择效率。
附图说明
图1为基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统框图；
图2为基于叠加编码调制的超奈奎斯特系统的自适应传输方法流程图；
图3为基于叠加编码调制的超奈奎斯特系统的自适应传输方法的可达容量同正交调制系统的受限和非受限容量以及滚降系数为0.3的脉冲波形的滚降可达容量比较图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明：
实施例1
传统的自适应编码调制系统主要是通过调节码率和调制阶数来实现系统的自适应传输。但是，当码率改变时，发送端的编码方式和接收端的译码方式要相应地做出改变，这就对码设计和硬件的码率兼容提出了更高的要求，同时，发送端和接收端均需要存储每一种码对应的生成矩阵，这就为硬件实现带来了更大的存储量和难度。此外，随着无线通信业务的增长，需要更高阶的调制来满足更高的频谱效率需求，但是，当调制阶数升高时，发送端往往也需要更高的信噪比来达到误码率要求，这就导致发送端需要更高的发送功率，这也会造成很大的能源消耗。针对这些问题，本发明展开了研究，提出一种基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统和方法。
本发明首先是一种基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统，包括有发送端和接收端，发送端包括叠加编码调制模块和超奈奎斯特调制模块，接收端包括匹配滤波器和超奈奎斯特检测与译码模块，发送端中的叠加编码调制模块的层数与接收端中的超奈奎斯特检测与译码模块的层数一一对应，接收端的匹配滤波器的输出作为信道估计器的输入对信道状态进行估计，信道估计器将信道状态信息传送给传输方案选择器，传输方案选择器将选择的传输方案结果同时反馈给发送端和接收端。参见图1，信源序列u经过串并变换后被分为K路子序列u1,u2,...,uK，每一路子序列依次经过该层的编码器、交织器和符号映射单元，然后整合为x，x再经过超奈奎斯特调制输出s(t)，s(t)经过信道到达接收端，接收端首先接收到信号r(t)，r(t)经过匹配滤波器到达超奈奎斯特检测与译码模块，接收端采用逐次干扰抵消和M-BCJR算法进行检测，层与层之间进行迭代，每层检测后的输出
Figure BDA0001820116300000051
经过并串转换输出
Figure BDA0001820116300000052
此外，信道估计器根据匹配滤波器的输出对信道状态进行估计，然后将估计到的信道状态信息传送给传输方案选择器，传输方案选择器选择传输方案后将结果同时反馈给发送端和接收端。本发明通过增加或者减少叠加编码调制模块的层数K以及改变超奈奎斯特调制模块的加速因子τ，实现超奈奎斯特系统的自适应编码调制；所述实现超奈奎斯特系统的自适应编码调制是根据信道状态信息从多组可供选择的叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ的组合形式(K,τ)中选取一种组合形式作为当前传输方案，发送端根据当前传输方案改变发送端叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ，接收端相应地改变存储的功率分配方案和符号间干扰个数，实现超奈奎斯特系统的自适应编码调制。
本发明解决了传统的自适应编码调制主要调节码率和调制阶数的局限性，以及因多种码率和调制阶数过高而带来的码率兼容和高复杂度问题，同时，本发明能支持更大的频谱效率范围，解决对高频谱效率的需求。
实施例2
基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统的总体构成同实施例1，本发明中的多组可供选择的叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ的组合形式(K,τ)中的每一个组合均是由一个层数K和一个加速因子τ组合形成，多组中任意一个组合都是不尽相同的，但均需要满足K≥1，0＜τ＜1，以及频谱效率范围和频谱效率颗粒度的要求。计算获得初步的叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ的组合(K,τ)，是根据基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统的频谱效率的计算公式和其要求的频谱效率范围的要求。
实施例3
本发明还是一种基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输方法，在上述的基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统上实现，该系统包括发送端的叠加编码调制模块和超奈奎斯特调制模块，以及接收端的匹配滤波器和超奈奎斯特检测与译码模块。参见图2，本发明通过增加或者减少叠加编码调制模块的层数以及改变超奈奎斯特调制模块的加速因子，实现超奈奎斯特系统的自适应编码调制，包括有如下步骤：
(1)确定编码方式和调制方式：选择适合超奈奎斯特系统的信道编码方式，例如Turbo码，选择最简单的调制方式二进制相移键控，即BPSK。
(2)获得初步的传输方案组合(K,τ)：根据基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统的频谱效率的计算公式和其要求的频谱效率范围，计算获得初步的叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ的组合(K,τ)，简称初步的传输方案组合(K,τ)；
(3)以不同的τ值仿真单层超奈奎斯特信号，得到达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0：仿真单层超奈奎斯特信号在步骤(2)中得到的不同超奈奎斯特加速因子τ下达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0；针对步骤(2)中得到的所有初步的传输方案组合(K,τ)，分别对其中不同的τ值，仿真其在单层超奈奎斯特信号下达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0，即仿真单层超奈奎斯特信号在不同超奈奎斯特加速因子下的性能，并画出信噪比值Eb/N0和误码率BER的曲线，在性能曲线图上找到特定误码率对应的信噪比值，即为在该超奈奎斯特加速因子下单层超奈奎斯特信号下达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0
(4)计算及初次筛选步骤(2)中初步的传输方案组合(K,τ)：根据步骤(3)中仿真得到的单层超奈奎斯特信号在不同超奈奎斯特加速因子τ下达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0，计算初步的传输方案组合(K,τ)各自对应的频谱效率、功率分配以及理论信噪比，并根据计算得到的频谱效率和理论信噪比对初步的传输方案组合(K,τ)进行初次筛选，即删除性能相对较差的传输方案组合。
(5)仿真和进一步筛选传输方案组合(K,τ)：对步骤(4)初次筛选后保留下来的传输方案进行仿真，根据频谱效率颗粒度，筛选得到最终可供选择的多组传输方案组合(K,τ)，即在频谱效率范围内，按照相邻传输方案组合的频谱效率间隔不大于频谱效率颗粒度，选择传输方案组合，并按照传输方案组合对应的频谱效率从小到大的顺序对传输方案组合进行排序。
(6)在通信中实现基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输：根据接收端匹配滤波器的输出结果，估计信道的状态，再根据估计得到的信道的状态信息选择步骤(5)中可供选择的多组传输方案组合(K,τ)中的一种组合形式作为当前的传输方案，随后，发送端根据选定的传输方案改变发送端叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ，接收端相应地改变存储的功率分配方案和符号间干扰个数，实现系统的自适应传输。
本发明由于利用计算得到的理论信噪比对传输方案进行筛选，减少了仿真工作量，提高了对自适应方案的选择效率。同时，本发明能够支持很大的频谱效率传输范围，甚至在某些情况下可以略微超过正交系统的受限容量，为高速卫星通信提供技术保障。
实施例4
基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统和方法同实施例1-3，在本发明的自适应传输方法的步骤(2)中所述的基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统的频谱效率计算公式如下所示：
Figure BDA0001820116300000071
其中：R为码率；K为发送端叠加编码调制层数，且K≥1；τ为超奈奎斯特加速因子，且0＜τ＜1；β为脉冲波形的滚降系数。在获得初步的传输方案组合时，考虑实际应用因素，先对τ选取一些合适的离散的值，再选择合适的(K,τ)组合，使其代入频谱效率公式中计算得到的频谱效率在要求的频谱效率范围内。假设要求的频谱效率范围是0.8～1.8，选取的τ值有0.7，2/3，0.6，0.55，0.5，那么初步的传输方案组合有：(1,0.6)，(1,0.55)，(1,0.5)，(2,0.7)，(2,2/3)，(2,0.6)，各传输方案组合对应的频谱效率分别为：0.85，0.93，1.03，1.47，1.54，1.71，频谱效率单位为bits/s/Hz。事实上，对τ的取值还可以更细化，具体细化的程度要视系统要求的频谱效率颗粒度而定。
实施例5
基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统和方法同实施例1-4，在本发明的自适应传输方法的步骤(4)中所述的初步的传输方案组合(K,τ)各自对应的频谱效率、功率分配以及理论信噪比，具体计算如下：
(4a)计算频谱效率：对每一个传输方案组合(K,τ)，根据实施例4中所示的频谱效率计算公式，计算其对应的频谱效率；事实上，在获得初步的传输方案组合的过程中就已经得到了各传输方案组合对应的频谱效率，正如实施例4所示，在得到传输方案组合(1,0.6)，(1,0.55)，(1,0.5)，(2,0.7)，(2,2/3)，(2,0.6)的过程中，各传输方案组合对应的频谱效率也分别得到，为：0.85，0.93，1.03，1.47，1.54，1.71，频谱效率单位为bits/s/Hz。
(4b)查找得到ρ：对每一个传输方案组合(K,τ)，在仿真结果中找到单层超奈奎斯特信号在对应的加速因子τ下达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0，并记为ρ。
(4c)计算功率分配和信道噪声的单边功率谱密度N0：对每一个传输方案组合(K,τ)，其对应的功率分配是基于接收端所使用的逐次干扰抵消算法和M-BCJR检测算法，并将符号间干扰看作白噪声得到的，将步骤(4b)中找到的传输方案组合(K,τ)对应的ρ值代入以下方程组中：
Figure BDA0001820116300000081
其中：Pk为第k层信号的发送功率，SINRk为第k层信号的信干噪比，定义为第k层信号能量与噪声能量和所受所有干扰信号能量总和的比值，即：
Figure BDA0001820116300000082
其中：T为奈奎斯特符号传输间隔，N0为信道噪声的单边功率谱密度，LISI为单边符号干扰个数，L为接收端所用的M-BCJR检测算法向后遍历的符号个数，gn为脉冲成型函数h(t)的自相关函数，t为脉冲成形函数h(t)的自变量，n为第n个干扰符号，gn的表达式如下所示：
Figure BDA0001820116300000091
解方程组得到传输方案组合(K,τ)对应的功率分配Pk(k＝1,2,...,K)和信道噪声的单边功率谱密度N0。例如：对传输方案组合(2,2/3)，即K＝2，τ＝2/3，经仿真得到单层超奈奎斯特信号在τ＝2/3下达到特定误码率门限为10-5的信噪比值Eb/N0＝0.6dB，即ρ＝0.6dB，LISI＝22，L＝3，解方程组便可得到P1＝0.674，P2＝0.326，N0＝0.275。因为此步手动计算繁琐，常用编程实现以减少工作量。
(4d)计算信噪比：根据已知的比特能量Eb，得到传输方案组合达到特定误码率要求所需的理论信噪比Eb/N0。例如，使用最简单的BPSK调制，则Eb＝0.5，步骤(4d)中得到的N0＝0.275，则传输方案组合(2,2/3)达到特定误码率门限为10-5所需的理论信噪比为Eb/N0＝10lg(0.5/0.275)＝2.6dB。
实施例6
基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统和方法同实施例1-5，在本发明的自适应传输方法的步骤(4)中所述的根据计算得到的频谱效率和理论信噪比对初步的传输方案组合(K,τ)进行初次筛选，具体筛选过程包括有如下步骤：
(4e)对所有初步的传输方案组合(K,τ)各自对应的频谱效率和达到特定误码率要求所需的理论信噪比进行列表。
(4f)如果表中出现A、B两种传输方案组合，其在达到特定的相同误码率时需要相同的信噪比，同时传输方案组合A的频谱效率并没有传输方案组合B的频谱效率高，则淘汰传输方案组合A，保留传输方案组合B。例如：传输方案组合A(3,0.55)和传输方案组合B(4,0.7)在达到特定误码率门限为10-5时需要相同的信噪比约6.2dB，而传输方案组合A所需的频谱效率为2.80bits/s/Hz，传输方案组合B所需的频谱效率为2.93bits/s/Hz，则认为传输方案组合A劣于传输方案组合B，则淘汰传输方案组合A，保留传输方案组合B。
(4g)如果表中出现A、B两种传输方案组合，其在达到特定的相同误码率时需要相同的频谱效率，同时传输方案组合A的信噪比高于传输方案组合B的信噪比，则淘汰传输方案组合A，保留传输方案组合B。例如：传输方案组合A(5,0.5)和传输方案组合B(6,0.6)在达到特定误码率门限为10-5时需要相同的频谱效率约5.13bits/s/Hz，而传输方案组合A所需的信噪比为13.7dB，传输方案组合B所需的信噪比为13.2dB，则认为传输方案组合A劣于传输方案组合B，则淘汰传输方案组合A，保留传输方案组合B。
(4f)和(4g)的进行不分先后顺序，具体根据不同的情况而定，可以是先(4f)后(4g)，反之亦可。
本发明由于利用计算得到的理论信噪比对传输方案进行筛选，减少了仿真工作量，提高了对自适应方案的选择效率。
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明：
实施例7
基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统和方法同实施例1-6，为了便于实现，本实施例采用适合超奈奎斯特系统的码率和编码方式、最简单的调制方式，并设定频谱效率颗粒度为0.3bits/s/Hz，频谱效率范围为0.7～5.2，根升余弦脉冲函数的滚降系数为β＝0.3。本例的详细步骤如下：
(1)选择适合超奈奎斯特系统的信道编码方式。
本实施例中采用码率为1/3的Turbo码作为信道编码的编码方式，组成其的两个递归系统卷积码的生成矩阵分别为
Figure BDA0001820116300000101
和
Figure BDA0001820116300000102
为了便于实现以及减少检测复杂度，采用最简单的二进制相移键控作为调制方式，即BPSK；
(2)根据基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统的频谱效率的计算公式和其要求的频谱效率范围，计算获得初步的叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ的组合(K,τ)；
本实施例中选取了一些典型的τ值，从大到小依次有：0.8，0.7，2/3，0.625，0.6，0.55，0.5，根据频谱效率范围0.7bits/s/Hz～5.2bits/s/Hz、频谱效率颗粒度0.3bits/s/Hz，以及频谱效率计算公式η＝2KR/(τ(1+β))，便可得到初步的传输方案组合如下：(1,0.8)，(1,0.7)，(1,2/3)，(1,0.625)，(1,0.6)，(1,0.55)，(1,0.5)，(2,0.8)，(2,0.7)，(2,2/3)，(2,0.625)，(2,0.6)，(2,0.55)，(2,0.5)，(3,0.8)，(3,0.7)，(3,2/3)，(3,0.625)，(3,0.6)，(3,0.55)，(3,0.5)，(4,0.8)，(4,0.7)，(4,2/3)，(4,0.625)，(4,0.6)，(4,0.55)，(4,0.5)，(5,0.8)，(5,0.7)，(5,2/3)，(5,0.625)，(5,0.6)，(5,0.55)，(5,0.5)，(6,0.8)，(6,0.7)，(6,2/3)，(6,0.625)，(6,0.6)，(7,0.8)，(7,0.7)。
(3)针对步骤(2)中得到的所有初步的传输方案组合(K,τ)，分别对其中不同的τ值，仿真其在单层超奈奎斯特信号下达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0，即仿真单层超奈奎斯特信号在不同超奈奎斯特加速因子下的性能，并画出信噪比值Eb/N0和误码率BER的曲线，在性能曲线图上找到特定误码率对应的信噪比值，即为在该超奈奎斯特加速因子下单层超奈奎斯特信号下达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0。
本实例中分别仿真了单层超奈奎斯特信号在超奈奎斯特加速因子为0.8、0.7、2/3、0.625、0.6、0.55、0.5时的性能曲线，并得到达到特定误码率门限为10-5的信噪比，如表1所示：
表1单层超奈奎斯特信号在不同τ值下达到误码率为10-5所需的信噪比值Eb/N0(dB)
τ 0.8 0.7 2/3 0.625 0.6 0.55 0.5
E<sub>b</sub>/N<sub>0</sub> 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1.1 1.4
(4)根据步骤(3)中仿真得到的单层超奈奎斯特信号在不同超奈奎斯特加速因子τ下达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0，计算初步的传输方案组合(K,τ)各自对应的频谱效率、功率分配以及理论信噪比，并根据计算得到的频谱效率和理论信噪比对初步的传输方案组合(K,τ)进行初次筛选；
本实施例中计算得到的各初步的传输方案组合对应的频谱效率和理论信噪比如下表2所示。本实施例中根据频谱效率和理论信噪比对上表中的所有初步的传输方案组合就行筛选，删除性能相对较差的传输方案组合，则初次筛选后剩下的传输方案组合如下表3所示。比较表2和表3发现，初步的传输方案组合有42个，筛选后剩余的方案组合有32个，共删除了10个性能相对较差的传输方案组合，会后接下来的仿真减少大约24％的工作量，由此可以看出本发明利用计算得到的理论信噪比并结合频谱效率对传输方案进行筛选，提高了对自适应方案的选择效率。
(5)对步骤(4)初次筛选后保留下来的传输方案进行仿真，根据频谱效率颗粒度，筛选得到最终可供选择的多组传输方案组合(K,τ)，即在频谱效率范围内，按照相邻传输方案组合的频谱效率间隔不大于频谱效率颗粒度，选择传输方案组合，并按照传输方案组合对应的频谱效率从小到大的顺序对传输方案组合进行排序。
本实施例采用步骤(1)中确定的编码方式和调制方式，每一层使用的码字信息位长度为10000，码率为1/3，每一层的超奈奎斯特检测器和Turbo码译码器之间的迭代次数为50，整体迭代次数为3，M-BCJR检测算法参数为M＝8，L＝3，根升余弦脉冲函数的滚降系数为0.3，进行仿真。根据频谱效率颗粒度得到最终可供选择的多组传输方案组合如表4所示，各传输方案组合对应的功率分配方案如表5所示。
表2各初步的传输方案组合对应的频谱效率η和理论信噪比计算值Eb/N0
(K,τ) (1,0.8) (1,0.7) (1,2/3) (1,0.625) (1,0.6) (1,0.55)
η(bits/s/Hz) 0.64 0.73 0.77 0.82 0.86 0.93
E<sub>b</sub>/N<sub>0</sub>(dB) 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1.1
(K,τ) (1,0.5) (2,0.8) (2,0.7) (2,2/3) (2,0.625) (2,0.6)
η(bits/s/Hz) 1.03 1.28 1.47 1.54 1.64 1.71
E<sub>b</sub>/N<sub>0</sub>(dB) 1.4 1.9 2.3 2.5 2.7 3
(K,τ) (2,0.55) (2,0.5) (3,0.8) (3,0.7) (3,2/3) (3,0.625)
η(bits/s/Hz) 1.87 2.05 1.92 2.20 2.31 2.46
E<sub>b</sub>/N<sub>0</sub>(dB) 3.6 4.2 3.6 4.2 4.5 4.9
(K,τ) (3,0.6) (3,0.55) (3,0.5) (4,0.8) (4,0.7) (4,2/3)
η(bits/s/Hz) 2.56 2.80 3.08 2.56 2.93 3.08
E<sub>b</sub>/N<sub>0</sub>(dB) 5,3 6.2 7.2 5.4 6.2 6.7
(K,τ) (4,0.625) (4,0.6) (4,0.55) (4,0.5) (5,0.8) (5,0.7)
η(bits/s/Hz) 3.28 3.42 3.73 4.10 3.21 3.66
E<sub>b</sub>/N<sub>0</sub>(dB) 7.2 7.7 9 10.4 7.2 8.4
(K,τ) (5,2/3) (5,0.625) (5,0.6) (5,0.55) (5,0.5) (6,0.8)
η(bits/s/Hz) 3.85 4.10 4.27 4.66 5.13 3.85
E<sub>b</sub>/N<sub>0</sub>(dB) 9 9.7 10.3 11.9 13.7 9.2
(K,τ) (6,0.7) (6,2/3) (6,0.625) (6,0.6) (7,0.8) (7,0.7)
η(bits/s/Hz) 4.40 4.62 4.92 5.13 4.487 5.13
E<sub>b</sub>/N<sub>0</sub>(dB) 10.7 11.4 12.3 15.9 11.2 13
表3筛选后剩下的传输方案组合及其对应的频谱效率η和理论信噪比计算值Eb/N0
(K,τ) (1,0.8) (1,0.7) (1,2/3) (1,0.625) (1,0.6) (1,0.55)
η(bits/s/Hz) 0.64 0.73 0.77 0.82 0.86 0.93
E<sub>b</sub>/N<sub>0</sub>(dB) 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1.1
(K,τ) (1,0.5) (2,0.8) (2,0.7) (2,2/3) (2,0.625) (2,0.6)
η(bits/s/Hz) 1.03 1.28 1.47 1.54 1.64 1.71
E<sub>b</sub>/N<sub>0</sub>(dB) 1.4 1.9 2.3 2.5 2.7 3
(K,τ) (3,0.8) (3,0.7) (3,2/3) (3,0.625) (3,0.6) (3,0.55)
η(bits/s/Hz) 1.92 2.20 2.31 2.46 2.56 2.80
E<sub>b</sub>/N<sub>0</sub>(dB) 3.6 4.2 4.5 4.9 5.3 6.2
(K,τ) (4,0.7) (4,2/3) (4,0.625) (4,0.6) (5,0.7) (5,2/3)
η(bits/s/Hz) 2.93 3.08 3.28 3.42 3.66 3.85
E<sub>b</sub>/N<sub>0</sub>(dB) 6.3 6.7 7.2 7.7 8.4 9
(K,τ) (5,0.625) (5,0.6) (5,0.55) (6,0.7) (6,2/3) (6,0.625)
η(bits/s/Hz) 4.10 4.27 4.66 4.40 4.62 4.92
E<sub>b</sub>/N<sub>0</sub>(dB) 9.7 10.3 11.9 10.7 11.4 12.3
(K,τ) (7,0.8) (7,0.7)
η(bits/s/Hz) 4.49 5.13
E<sub>b</sub>/N<sub>0</sub>(dB) 11.2 13
表4最终可供选择的多组传输方案组合及其对应的频谱效率和仿真信噪比值
Figure BDA0001820116300000131
Figure BDA0001820116300000141
表5最终可供选择的多组传输方案组合对应的功率分配
(K,τ) P<sub>1</sub>/P P<sub>2</sub>/P P<sub>3</sub>/P P<sub>4</sub>/P P<sub>5</sub>/P P<sub>6</sub>/P P<sub>7</sub>/P
(1,0.7) 1 - - - - - -
(1,0.5) 1 - - - - - -
(2,0.8) 0.649 0.351 - - - - -
(2,2/3) 0.674 0.326 - - - - -
(2,0.6) 0.692 0.308 - - - - -
(3,0.8) 0.544 0.296 0.160 - - - -
(3,0.7) 0.569 0.287 0.144 - - - -
(3,0.625) 0.596 0.277 0.127 - - - -
(3,0.6) 0.606 0.272 0.122 - - - -
(3,0.55) 0.633 0.261 0.106 - - - -
(4,2/3) 0.545 0.265 0.128 0.062 - - -
(4,0.625) 0.562 0.261 0.121 0.056 - - -
(4,0.6) 0.574 0.258 0.116 0.025 - - -
(5,0.7) 0.513 0.258 0.130 0.066 0.033 - -
(5,2/3) 0.528 0.257 0.125 0.001 0.029 - -
(5,0.625) 0.548 0.254 0.118 0.055 0.025 - -
(6,0.7) 0.505 0.254 0.128 0.065 0.032 0.016 -
(6,2/3) 0.521 0.253 0.123 0.060 0.029 0.014 -
(6,0.625) 0.541 0.251 0.117 0.054 0.025 0.012 -
(7,0.7) 0.501 0.252 0.127 0.064 0.032 0.016 0.008
实施例8
基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统和方法同实施例1-7。
仿真条件和内容：本发明的仿真使用Microsoft Visual Studio 2012仿真软件和Matlab R2014a仿真软件，在Windows7系统平台上对基于叠加编码调制的超奈奎斯特系统的自适应传输方法的可达容量、正交调制系统的受限和非受限容量以及滚降系数为0.3的余弦脉冲的滚降容量进行比较，得到容量曲线比较图如图3所示。
参见图3，图3的横坐标表示系统仿真时的信噪比，纵坐标表示系统仿真时的频谱效率。其中的实折线表示本发明基于叠加编码调制的超奈奎斯特系统的自适应传输系统和方法确定的多组自适应传输方案组合对应的频谱效率；虚线为用正交调制系统获得的容量限；点画线为滚降系数为β＝0.3的脉冲波形的滚降可达容量限；上三角标志表示8PSK的容量的离散点；菱形标志表示16QAM的容量的离散点；正方形标志表示32QAM的容量的离散点；右三角标志表示64QAM的容量的离散点；“*”标志表示128QAM的容量的离散点；左三角标志表示256QAM的容量的离散点，这些不同调制方式下的容量的离散点，是为了和本发明的自适应传输方案进行性能对比，而从各自容量曲线上选取的一些离散点，且这些调制方式下的容量均为正交调制系统的受限容量。从图3中可以看出本发明的自适应传输方案可以支持很大的频谱效率范围，在此大的频谱效率范围内本发明均可通过自适应正常稳定工作。本发明的自适应传输方案的频谱效率折线的离散点很好的逼近正交系统容量限，甚至有时可以略微超过正交调制系统的受限容量，这也证明了本发明的自适应传输系统和方法拥有良好的容量性能，能够满足通信对高频谱效率高容量的需求。本发明通过调节叠加层数K和超奈奎斯特加速因子τ来实现自适应传输，同时本方案通过计算理论信噪比来筛选方案，实际的仿真结果证明该筛选方法具有较高的准确度。按照本方案实施步骤最终得到了一套谱效率颗粒度0.3bits/s/Hz的自适应传输方案，并且其具有逼近正交系统受限容量限的性能。本发明的实现复杂度低，且灵活性高。
简而言之，本发明公开的基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应系统和方法，主要解决已有技术使用高阶调制和多种码率带来的码率兼容和高复杂度问题。本发明通过改变叠加编码调制模块的层数和奈奎斯特调制模块加速因子实现自适应编码调制；具体步骤有：(1)确定编码和调制方式；(2)获得初步的传输方案组合；(3)以不同的τ值仿真单层超奈奎斯特信号，得到达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0；(4)初次筛选初步的传输方案组合(K,τ)；(5)仿真并确定最终的多组可供选择的传输方案组合；(6)用于通信中实现自适应传输。本发明根据理论信噪比对传输方案初次筛选，减少了仿真工作量，提高了效率，本发明支持大的频谱效率范围，满足通信对频谱效率的要求，同时，本发明复杂度低，且灵活性高，用于地面、卫星等无线通信系统。

Claims (6)

1.一种基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统，包括有发送端和接收端，发送端包括叠加编码调制模块和超奈奎斯特调制模块，接收端包括匹配滤波器和超奈奎斯特检测与译码模块，发送端中的叠加编码调制模块的层数与接收端中的超奈奎斯特检测与译码模块的层数一一对应，接收端的匹配滤波器的输出作为信道估计器的输入对信道状态进行估计，信道估计器将信道状态信息传送给传输方案选择器，传输方案选择器将选择的传输方案结果同时反馈给发送端和接收端，其特征在于，通过增加或者减少叠加编码调制模块的层数K以及改变超奈奎斯特调制模块的超奈奎斯特加速因子τ，实现超奈奎斯特系统的自适应编码调制；所述实现超奈奎斯特系统的自适应编码调制是根据信道状态信息从多组可供选择的叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ的组合形式(K,τ)中选取一种组合形式作为当前传输方案，发送端根据当前传输方案改变发送端叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ，接收端相应地改变存储的功率分配方案和符号间干扰个数，实现超奈奎斯特系统的自适应编码调制。
2.根据权利要求1所述的基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统，其特征在于，所述的多组可供选择的叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ的组合形式(K,τ)中的每一个组合均是由一个层数K和一个加速因子τ组合形成，多组中任意一个组合都是不尽相同的。
3.一种基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输方法，在权利要求1-2所述的任一种基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统上实现，其特征在于，包括有如下步骤：
(1)确定编码方式和调制方式：选择适合超奈奎斯特系统的信道编码方式，选择最简单的调制方式二进制相移键控，即BPSK；
(2)获得初步的传输方案组合(K,τ)：根据基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统的频谱效率的计算公式和其要求的频谱效率范围，计算获得初步的叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ的组合(K,τ)；
(3)以不同的τ值仿真单层超奈奎斯特信号，得到达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0：针对得到的所有初步的叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ的组合(K,τ)，分别对其中不同的τ值，仿真其在单层超奈奎斯特信号下达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0，Eb为比特能量，N0为信道噪声的单边功率谱密度；
(4)计算及初次筛选初步的传输方案组合(K,τ)：根据单层超奈奎斯特信号在不同超奈奎斯特加速因子τ下达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0，计算初步的传输方案组合(K,τ)各自对应的频谱效率、功率分配以及理论信噪比，并根据计算得到的频谱效率和理论信噪比对初步的传输方案组合(K,τ)进行初次筛选；
(5)仿真和进一步筛选传输方案组合(K,τ)：对初次筛选后保留下来的传输方案进行仿真，根据频谱效率颗粒度，筛选得到最终可供选择的多组传输方案组合(K,τ)；
(6)在通信中实现基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输：根据接收端匹配滤波器的输出结果，估计信道的状态，再根据估计得到的信道的状态信息选择可供选择的多组传输方案组合(K,τ)中的一种组合形式作为当前的传输方案，随后，发送端根据选定的传输方案改变发送端叠加编码调制的层数K和超奈奎斯特加速因子τ，接收端相应地改变存储的功率分配方案和符号间干扰个数，实现系统的自适应传输。
4.根据权利要求3中所述的一种基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输方法，其特征在于，步骤(2)中所述的基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输系统的频谱效率计算公式如下所示：
Figure FDA0002966001890000021
其中：R为码率；K为发送端叠加编码调制的层数，且K≥1；τ为超奈奎斯特加速因子，且0＜τ＜1；β为脉冲波形的滚降系数。
5.根据权利要求3中所述的一种基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输方法，其特征在于，步骤(4)中所述的初步的传输方案组合(K,τ)各自对应的频谱效率、功率分配以及理论信噪比，具体计算如下：
(4a)计算频谱效率：对每一个传输方案组合(K,τ)，根据频谱效率计算公式，计算其对应的频谱效率；
(4b)查找得到ρ：对每一个传输方案组合(K,τ)，在仿真结果中找到单层超奈奎斯特信号在对应的超奈奎斯特加速因子τ下达到特定误码率门限的信噪比值Eb/N0，并记为ρ；
(4c)计算功率分配和信道噪声的单边功率谱密度N0：对每一个传输方案组合(K,τ)，其对应的功率分配是基于接收端所使用的逐次干扰抵消算法和M-BCJR检测算法，并将符号间干扰看作白噪声得到的，将步骤(4b)中找到的传输方案组合(K,τ)对应的ρ值代入以下方程组中：
Figure FDA0002966001890000031
其中：Pk为第k层信号的发送功率，SINRk为第k层信号的信干噪比，定义为第k层信号能量与噪声能量和所受所有干扰信号能量总和的比值，即：
Figure FDA0002966001890000032
其中：T为奈奎斯特符号传输间隔，N0为信道噪声的单边功率谱密度，LISI为单边符号干扰个数，L为接收端所用的M-BCJR检测算法向后遍历的符号个数，gn为脉冲成形函数h(t)的自相关函数，t为脉冲成形函数h(t)的自变量，n为第n个干扰符号，gn的表达式如下所示：
Figure FDA0002966001890000033
解方程组得到传输方案组合(K,τ)对应的功率分配Pk(k＝1,2,...,K)和信道噪声的单边功率谱密度N0；
(4d)计算信噪比：根据已知的比特能量Eb，得到当前传输方案组合达到特定误码率要求所需的理论信噪比Eb/N0。
6.根据权利要求3中所述的一种基于叠加编码调制的超奈奎斯特的自适应传输方法，其特征在于，步骤(4)中所述的根据计算得到的频谱效率和理论信噪比对初步的传输方案组合(K,τ)进行初次筛选，具体筛选过程包括有如下步骤：
(4e)对所有初步的传输方案组合(K,τ)各自对应的频谱效率和达到特定误码率要求所需的理论信噪比进行列表；
(4f)如果表中出现A、B两种传输方案组合，其在达到特定的相同误码率时需要相同的信噪比，同时传输方案组合A的频谱效率并没有传输方案组合B的频谱效率高，则淘汰传输方案组合A，保留传输方案组合B；
(4g)如果表中出现A、B两种传输方案组合，其在达到特定的相同误码率时需要相同的频谱效率，同时传输方案组合A的信噪比高于传输方案组合B的信噪比，则淘汰传输方案组合A，保留传输方案组合B。
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