CN109274630A - 抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法 - Google Patents

抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法，其步骤为：生成编码调制后数据；进行多载波调制；插入保护间隔和循环前缀；获得多路无线接收信号；去掉保护间隔和循环前缀操作；多载波解调；对频域子载波数据进行信道均衡；求解每个接收子载波数据的矢量分集合并权重矢量；对均衡后的多路数据进行矢量分集合并；数据解调；软译码。本发明具有抗信道频率选择性衰落的能力强，算法复杂度低，实现简单的优点，本发明最终很好的提高了多路多载波系统的分集合并性能。

Description

抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法。本发明可实现对多载波通信系统中的多路数据进行矢量分集合并来抵抗信道频率选择性衰落。
背景技术
常见的多载波系统包括：正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)，单载波频分多址接入SC-FDMA(Single-carrier Frequency-DivisionMultiple Access)，多载波码分多址MC-CDMA(Multi Carrier-Code Division MultipleAccess)，这些多载波系统在高速率，高质量的数据传输场景中得到了广泛应用，并具有易于与CDMA(Code division multiple access)，TDMA(Time division multiple access)等其它接入方法相结合；易于与MIMO(Multiple Input Multiple Output)中的空时编码、分集等相结合的特点。现在多载波技术已经在高速无线局域网系统，高比特数字用户线以及电力载波通信中得到了广泛应用。
频率选择性衰落一直是多载波系统的一个最大的障碍，如何在多载波系统的基础上抵抗信道频率选择性衰落一直也是人们所关注的问题。对抗频率选择性衰落的技术有很多，但是分集合并技术是最有效的技术之一。克服信道频率选择性衰落的分集主要可以分为：时间分集，频率分集，空间分集等。通过各种分集方式可以把不同频选信道中的摔落信号分离，但是合并技术最终会直接影响分集增益的获得，因此对于合并技术的研究是当今的一个热点。常见的合并方式有：选择合并，等增益合并，最大比合并。和结合最大比合并的高性能和选择合并的低复杂度的广义选择合并。
株式会社巨晶片在其拥有的专利技术“正交频分复用分集接收装置”(授权公告日：2011年4月20日，授权公告号：CN 101138178B)中公开了一种分集合并方法。该专利技术所使用的分集合并方法是计算每一路接收信号的平均信噪比，利用计算出来的接收信号来计算合并加权的权重，然后利用这个权值将多路信号来合并起来，由于该算法给信噪比高的那一路，即信道质量好的那一路信号乘上了大权值；并且给信道质量差的那一路乘上了小的权值，可以利用受到信道选择性衰落影响小的某一路信号来补偿受到信道选择性衰落影响大的某一路信号，可以一定程度上完成分集合并算法的目的。但是，该方法仍然存在的不足之处是，由于该方法针对每一路数据进行加权合并，导致每一路数据中的各个子载波数据的加权权重是一样大的，所以其不能最大程度的抵抗信道频率选择性衰落对系统的影响，对系统性能的提升有限。
Amr Ismail等人在其发表的论文“A Simple and Robust Equal-Power TransmitDiversity Scheme(IEEE Communications Letters,2011:15-1.)中提出了一种鲁棒的等增益分集合并方法。该方法主要是利用了不同接收基站接收到的信号所经历的信道频率选择性衰落不一样，来利用信号质量好的某路信号来补偿信号质量差的某路信号。该方法根据信道质量来生产补偿系数，可以一定程度上改善信道频率选择性衰落对系统性能的影响。但是，该方法仍然存在的不足之处是，在多数情况下，该方法不能有效的获得信道质量好的某一路信号，尤其是在现今有高速率要求的通信系统中，获得信道质量好的某一路信号带来的额外的复杂度会大大的降低传输速率，并且，该方法很难满足通信系统工程实现的有效性要求，所以，该方法很难满足高速率数据传输系统的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法，可实现多载波调制系统在信道频率选择性衰落严重通信场景下的矢量分集合并，解决了现有技术的分集合并方法抵抗信道频率选择性衰落能力弱，算法复杂度高，工程可实现性低的问题。并有效的提高了系统性能。
为了实现上述目的，本发明方法的思路是：对于某个多载波符号的每个子载波数据进行精细化加权合并。利用信道频率响应来表征某个多载波符号的每个子载波数据的可靠性。认为信道衰减大的子载波位置的数据一定差，信道衰减小的子载波位置的数据一定好，所以在多路信号合并的时候可以利用多路信道估计所得的多路信道频率响应来计算权值，并且对多路信号按照子载波数据进行合并。在将合并信号进行解调译码。
本发明方法的实现步骤如下：
(1)生成编码调制后数据：
多载波调制系统生成一个二进制序列，将二进制序列进行编码和调制，得到编码调制后数据；
(2)进行多载波调制：
利用多载波调制方式，对编码调制后数据进行多载波调制，得到调制后的多载波无线信号；
(3)插入保护间隔和循环前缀：
在调制后的多载波无线信号中，插入与多载波调制方式一一对应的保护间隔和循环前缀，得到多载波调制系统的无线发送信号；
(4)获得多路无线接收信号：
多载波调制系统广播无线发送信号，多个接收机分别接收经过不同程度频率选择性衰落的无线信道的无线发送信号，得到多路无线接收信号；
(5)去掉保护间隔和循环前缀操作：
采用与插入保护间隔操作和循环前缀一一对应的方法，去除多路无线接收信号中的保护间隔和循环前缀，得到去冗余后的多路有效数据；
(6)多载波解调：
采用与多载波调制方式一一对应的方法，对去冗余后的多路有效数据进行多载波解调，得到多路频域子载波数据；
(7)对频域子载波数据进行信道均衡：
(7a)采用信道估计算法，对多路频域子载波数据进行信道估计，得到无线信道的信道频率响应向量；
(7b)采用信道均衡算法，利用无线信道的信道频率响应向量对频域子载波数据进行信道均衡，得到均衡后的多路接收数据；
(8)求解每个接收子载波数据的矢量分集合并权重矢量：
(8a)按照下式，根据最大化信干比原则构建优化问题：
subject:||Mi||2≤K
其中，max表示取最大值操作，F(·)表示求信干比操作，Mi表示第i个接收子载波数据的合并权重矢量，·表示相乘操作，Xi表示第i个均衡后的多路接收数据，H表示共轭操作，Si表示多载波解调后的第i个子载波数据，Ni表示第i个子载波数据中的高斯白噪声，Hi表示第i个子载波的信道频率响应，|·|表示取模值操作，subject:表示约束条件符号，||·||2表示二范数操作，K表示多路接收数据的总数；
(8b)根据拉格朗日法对矢量合并权重矢量的求解过程，求解满足最大化信干比原则的每个接收子载波数据的合并权重矢量的最优解：
其中，表示满足优化问题的最优的个接收子载波数据的合并权重矢量，b表示乘性系数，b的取值为大于0小于K的整数，×表示相乘操作，表示满足优化问题的信道频率响应，表示满足优化问题高斯白噪声，+表示相加操作，L表示归一化系数，c表示加性系数，c的取值为大于0小于K的整数，d表示取幂操作，d的取值为非零小于K的整数；
(9)按照下式，对均衡后的多路数据进行矢量分集合并：
其中，Rj表示第j个矢量分集合并后具有最大信干比的数据，j表示子载波数据的序号；
(10)数据解调：
采用与调制操作一一对应的解调操作方法，对矢量分集合并后具有最大信干比的数据进行解调，得到解调后的受信道频率选择性衰落很小的比特数据；
(11)软译码：
(11a)使用最大似然比函数计算公式，对解调后的比特数据进行软判决，得到受信道频率选择性衰落很小的软信息；
(11b)利用受信道频率选择性衰落很小的软信息进行译码。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明在计算分集合并权重中，先构造了以减小信道频率选择性衰落为目标的优化问题，解出符合减小信道频率选择性衰落原则的分集合并权重矢量，考虑信道频率选择性衰落特性，克服了现有技术的分集合并方法，由于使用单一数值作为分集合并权重导致的信道频率选择性衰落对通信质量影响严重的问题，使得本发明具有更好的抗信道频率选择性衰落特性。
第二，由于本发明在求解每个接收子载波数据的矢量分集合并权重矢量时，利用已有的信道信息进行矢量分集合并权重，不需要额外计算每个多载波信号的信噪比等信息，大大的减小了算法的复杂度，克服了现有技术的分集合并方法需要额外的复杂度来计算分集合并权重的缺点，相对于现有的算法具有更高的工程可实现性，尤其在无线通信高速率数据传输领域，使得本发明具有更高的实用性。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明法的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
参照附图1，对本发明的实现步骤做进一步的描述。
步骤1，生成编码调制后数据。
多载波调制系统生成一个二进制序列，将二进制序列进行编码和调制，得到编码调制后数据。
所述的编码是指采用turbo编码，分组编码，卷积编码，LDPC编码，咬尾卷积编码方式中的任意一种。
所述的调制是指采用调频调制方式、调相调制方式、调幅调制方式三种方式中的任意一种。
步骤2，进行多载波调制。
利用多载波调制方式，对编码调制后数据进行多载波调制，得到调制后的多载波无线信号。
所述的多载波调制是指正交频分复用调制，单载波频分多址接入调制，或多载波码分多址调制等多载波调制方式中的一种。
步骤3，插入保护间隔和循环前缀。
在调制后的多载波无线信号中，插入与多载波调制方式一一对应的保护间隔和循环前缀，得到多载波调制系统的无线发送信号。
步骤4，获得多路无线接收信号。
多载波调制系统广播无线发送信号，多个接收机分别接收经过不同程度频率选择性衰落的无线信道的无线发送信号，得到多路无线接收信号。
步骤5，去掉保护间隔和循环前缀操作。
采用与插入保护间隔操作和循环前缀一一对应的方法，去除多路无线接收信号中的保护间隔和循环前缀，得到去冗余后的多路有效数据。
步骤6，多载波解调。
采用与多载波调制方式一一对应的方法，对去冗余后的多路有效数据进行多载波解调，得到多路频域子载波数据。
步骤7，对频域子载波数据进行信道均衡。
采用信道估计算法，对多路频域子载波数据进行信道估计，得到无线信道的信道频率响应向量。
所述的信道估计算法是指盲信道估计算法，半盲信道估计算法和基于参考信号的信道估计算法中的一种。
采用信道均衡算法，利用无线信道的信道频率响应向量对频域子载波数据进行信道均衡，得到均衡后的多路接收数据。
所述的信道均衡算法是指迫零均衡算法，最小均方误差均衡算法，改进迫零均衡算法和改进最小均方误差均衡算法中的一种。
步骤8，求解每个接收子载波数据的矢量分集合并权重矢量。
按照下式，根据最大化信干比原则构建优化问题。
subject:||Mi||2≤K
其中，max表示取最大值操作，F(·)表示求信干比操作，Mi表示第i个接收子载波数据的合并权重矢量，·表示相乘操作，Xi表示第i个均衡后的多路接收数据，H表示共轭操作，Si表示多载波解调后的第i个子载波数据，Ni表示第i个子载波数据中的高斯白噪声，Hi表示第i个子载波的信道频率响应，|·|表示取模值操作，subject:表示约束条件符号，||·||2表示二范数操作，K表示多路接收数据的总数。
根据拉格朗日法对矢量合并权重矢量的求解过程，求解满足最大化信干比原则的每个接收子载波数据的合并权重矢量的最优解。
其中，表示满足优化问题的最优的个接收子载波数据的合并权重矢量，b表示乘性系数，b的取值为大于0小于K的整数，×表示相乘操作，表示满足优化问题的信道频率响应，表示满足优化问题高斯白噪声，+表示相加操作，L表示归一化系数，c表示加性系数，c的取值为大于0小于K的整数，d表示取幂操作，d的取值为非零小于K的整数。
所述的拉格朗日法对矢量合并权重矢量的求解过程如下。
第一步，按照下式，对优化问题进行拉格朗日法合并，获得拉格朗日合并式。
max MiXi+λ(||Mi||2-K)
其中，λ表示拉格朗日乘子。
第二步，利用下述的拉格朗日法合并后公式，求解拉格朗日乘子。
第三步，按照下式，获得矢量分集合并权重。
其中，Μi表示矢量分集合并权重。
所述的归一化系数L是根据信道频率响应受限方式确定其取值大小的，当信道频率响应模值的均值受限时，归一化系数取信道频率响应模值的平均值；当信道频率响应模值的峰值受限时，归一化系数取信道频率响应模值的最大值；当信道频率响应模值的均方值受限时，归一化系数取信道频率响应模值次幂的平均值；当信道频率响应模值不受限时，归一化系数取1。
步骤9，按照下式，对均衡后的多路数据进行矢量分集合并。
其中，Rj表示第j个矢量分集合并后具有最大信干比的数据，j表示子载波数据的序号。
步骤10，数据解调。
采用与调制操作一一对应的解调操作方法，对矢量分集合并后具有最大信干比的数据进行解调，得到解调后的受信道频率选择性衰落很小的比特数据。
步骤11，软译码。
使用最大似然比函数计算公式，对解调后的比特数据进行软判决，得到受信道频率选择性衰落很小的软信息。
所述的最大似然比函数计算公式如下。
其中，LLRw表示第w个比特的软信息，ln表示以自然常数e为底的求对数操作，P(|)表示求条件概率操作，qw表示数据解调后的第w个比特值，bw表示与qw对应的第w个比特值的标准星座点。
利用受信道频率选择性衰落很小的软信息进行译码。
下面通过本发明的仿真实验对本发明的效果做进一步说明。
1.仿真条件：
本发明的仿真实验使用Matlab R2017a仿真软件，系统编码采用卷积编码器，调制方式采用二进制相移键控调制，傅里叶变换点数取64点，，信道采用三径的瑞利衰落信道模型，解调方式采用二进制相移键控解调，译码器采用维特比译码。
2.仿真内容及其结果分析：
本发明的仿真实验是使用Matlab R2017a仿真软件，采用本发明的方法以及两个现有技术(最大比分集合并方法、现有的单路信号发送方法)分别对正交频分复用系统的误比特率指标进行仿真，得到图2中的三条曲线。
图2为仿真正交频分复用系统利用本发明方法，最大比分集合并方法和单路不分集合并方法，分别得到的两路分集矢量分集的系统误比特率曲线，两路分集最大比合并的系统误比特率曲线，单路信号的系统误比特率曲线如图2所示。图2中的横轴表示信道传输信号的信噪比，单位为dB，纵轴表示错误传输比特占总发送比特的比率。图2中以“*”标示的曲线表示正交频分复用系统使用本发明的方法仿真得到的误比特率曲线，以“o”标示的曲线表示正交频分复用系统使用最大比合并方法仿真得到的误比特率曲线，以“+”标示的曲线表示正交频分复用系统使用单路信号发送仿真得到的误比特率曲线。
由图2的仿真图可见，在误比特率为10-2时，本发明方法与现有技术的最大比合并方法相比，有2.5dB的误比特率增益，与单路信号发送的方法对比，有6db的误比特率增益，由此可见，本发明的矢量分集合并方法与现有技术相比，能够有效的提示在频率选择性衰落信道下正交频分复用系统的误比特率性能。

Claims (9)

1.一种抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法，其特征在于，求解每个接收子载波数据的矢量分集合并权重矢量；根据最大化信干比原则构建优化问题；求解满足最大化信干比原则的每个接收子载波数据的合并权重矢量的最优解；对均衡后的多路数据进行矢量分集合并；该方法的步骤包括如下：
(1)生成编码调制后数据：
多载波调制系统生成一个二进制序列，将二进制序列进行编码和调制，得到编码调制后数据；
(2)进行多载波调制：
利用多载波调制方式，对编码调制后数据进行多载波调制，得到调制后的多载波无线信号；
(3)插入保护间隔和循环前缀：
在调制后的多载波无线信号中，插入与多载波调制方式一一对应的保护间隔和循环前缀，得到多载波调制系统的无线发送信号；
(4)获得多路无线接收信号：
多载波调制系统广播无线发送信号，多个接收机分别接收经过不同程度频率选择性衰落的无线信道的无线发送信号，得到多路无线接收信号；
(5)去掉保护间隔和循环前缀操作：
采用与插入保护间隔操作和循环前缀一一对应的方法，去除多路无线接收信号中的保护间隔和循环前缀，得到去冗余后的多路有效数据；
(6)多载波解调：
采用与多载波调制方式一一对应的方法，对去冗余后的多路有效数据进行多载波解调，得到多路频域子载波数据；
(7)对频域子载波数据进行信道均衡：
(7a)采用信道估计算法，对多路频域子载波数据进行信道估计，得到无线信道的信道频率响应向量；
(7b)采用信道均衡算法，利用无线信道的信道频率响应向量对频域子载波数据进行信道均衡，得到均衡后的多路接收数据；
(8)求解每个接收子载波数据的矢量分集合并权重矢量：
(8a)按照下式，根据最大化信干比原则构建优化问题：
subject:||Mi||2≤K
其中，max表示取最大值操作，F(·)表示求信干比操作，Mi表示第i个接收子载波数据的合并权重矢量，·表示相乘操作，Xi表示第i个均衡后的多路接收数据，H表示共轭操作，Si表示多载波解调后的第i个子载波数据，Ni表示第i个子载波数据中的高斯白噪声，Hi表示第i个子载波的信道频率响应，|·|表示取模值操作，subject:表示约束条件符号，||·||2表示二范数操作，K表示多路接收数据的总数；
(8b)根据拉格朗日法对矢量合并权重矢量的求解过程，求解满足最大化信干比原则的每个接收子载波数据的合并权重矢量的最优解：
其中，表示满足优化问题的最优的个接收子载波数据的合并权重矢量，b表示乘性系数，b的取值为大于0小于K的整数，×表示相乘操作，表示满足优化问题的信道频率响应，表示满足优化问题高斯白噪声，+表示相加操作，L表示归一化系数，c表示加性系数，c的取值为大于0小于K的整数，d表示取幂操作，d的取值为非零小于K的整数；
(9)按照下式，对均衡后的多路数据进行矢量分集合并：
其中，Rj表示第j个矢量分集合并后具有最大信干比的数据，j表示子载波数据的序号；
(10)数据解调：
采用与调制操作一一对应的解调操作方法，对矢量分集合并后具有最大信干比的数据进行解调，得到解调后的受信道频率选择性衰落很小的比特数据；
(11)软译码：
(11a)使用最大似然比函数计算公式，对解调后的比特数据进行软判决，得到受信道频率选择性衰落很小的软信息；
(11b)利用受信道频率选择性衰落很小的软信息进行译码。
2.根据权利要求1所述的抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法，其特征在于，步骤(1)中所述的编码是指采用turbo编码，分组编码，卷积编码，LDPC编码，咬尾卷积编码方式中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法，其特征在于，步骤(1)中所述的调制是指采用调频调制方式、调相调制方式、调幅调制方式三种方式中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法，其特征在于，步骤(2)中所述的多载波调制是指正交频分复用调制，单载波频分多址接入调制，或多载波码分多址调制等多载波调制方式中的一种。
5.根据权利要求1所述的抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法，其特征在于，步骤(7a)中所述的信道估计算法是指盲信道估计算法，半盲信道估计算法和基于参考信号的信道估计算法中的一种。
6.根据权利要求1所述的抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法，其特征在于，步骤(7b)中所述的信道均衡算法是指迫零均衡算法，最小均方误差均衡算法，改进迫零均衡算法和改进最小均方误差均衡算法中的一种。
7.根据权利要求1所述的抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法，其特征在于，步骤(8b)中所述的拉格朗日法对矢量合并权重矢量的求解过程如下：
第一步，按照下式，对优化问题进行拉格朗日法合并，获得拉格朗日合并式：
max MiXi+λ(||Mi||2-K)
其中，λ表示拉格朗日乘子；
第二步，利用下述的拉格朗日法合并后公式，求解拉格朗日乘子：
第三步，按照下式，获得矢量分集合并权重：
其中，Μi表示矢量分集合并权重。
8.根据权利要求1所述的抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法，其特征在于，步骤(8b)中所述的归一化系数L是根据信道频率响应受限方式确定其取值大小的，当信道频率响应模值的均值受限时，归一化系数取信道频率响应模值的平均值；当信道频率响应模值的峰值受限时，归一化系数取信道频率响应模值的最大值；当信道频率响应模值的均方值受限时，归一化系数取信道频率响应模值次幂的平均值；当信道频率响应模值不受限时，归一化系数取1。
9.根据权利要求1所述的抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法，其特征在于，步骤(11a)中所述的最大似然比函数计算公式如下：
其中，LLRw表示第w个比特的软信息，ln表示以自然常数e为底的求对数操作，P(|)表示求条件概率操作，qw表示数据解调后的第w个比特值，bw表示与qw对应的第w个比特值的标准星座点。
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