CN110730059A - 一种分集拷贝接收性能优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种分集拷贝接收性能优化方法，是利用最大信噪比合并均衡方式而做出的特殊方法：对I路和Q路的信道矢量重新进行整合，组成新的信道矩阵，组合I路和Q路的接收信号，这些信号对应的原始比特信息是同一个，通过变形的最大信噪比合并均衡矩阵，可基于比特级的最大信噪比进行接收。

Description

一种分集拷贝接收性能优化方法

技术领域

本发明涉及电力信息采集系统中的通信技术，尤其涉及电力信息采集系统中的高速载波通信系统帧控制中特殊的比特级分集拷贝下的接收性能优化方法。

背景技术

通常在OFDM通信系统中，取一个或多个比特流信息进行星座点映射后放在不同信道下的某个子载波上，也就是说所有分集的星座点调制信息是相同的。然而在电力线通信系统中控制帧的分集发射处理比较特别，每个分集中星座点的调制信息都是不同的，各自以I路和Q路为处理单位；控制帧的每个OFDM符号m，可用子载波对于I路来说：输入的比特流(比如256比特)按照特定的偏置Offset1[m]顺序拷贝到对应的载波上,直至完成本次可用载波的拷贝，即在有效子载波上顺序填充的比特编号为(c+Offset1[m])mod256，c的值顺序从0到255；对于Q路来说，输入的比特流(256比特)加上一个特定的偏置Offset2[m]拷贝到对应的载波上，直至完成本次可用载波的拷贝，即在有效子载波上顺序填充的比特编号为(c+Offset2[m])mod256，c的值顺序从0到255。也就是说，如果通信频段设置为0的时候，可用子载波数为411，同样的256个比特信息不仅在I路上循环重复拷贝，而且只有部分比特信息重复拷贝。同样的在Q路上也是这样的道理，而且重复拷贝的比特信息与I路上的是不一样的，因为拷贝比特流的起始编号不同。如果通信频段设置为1，2和3的时候，由于可用子载波数远小于256，在一个符号的I路或Q路中只有部分比特信息得以拷贝，只能通过多个符号来完成一个完整256比特信息的拷贝。

所述的分集是对所发射的比特信息在不同的子载波上发射，子载波数可以根据需要配置不同的值；所述的星座点映射是每若干个比特数组成一个复数域的值，用来调制OFDM符号上的某个子载波，等价于该子载波的幅值和相位信息。

因此通常的分级拷贝接收方法都是在星座解调输出后的软信息进行合并，如QPSK下，对所有频域上的可用子载波上的复数进行星座解调，输出I路和Q路的软信息，然后根据映射规则解映射，分别合并对应同一个比特软信息。

现有技术在标准协议规定的帧控制分集映射的特殊性，拷贝中特殊的星座点映射的调制方式存在的分集均衡接收方面的缺陷，目前的信道均衡接收都是基于多个子载波整体来均衡接收的，参与合并的子载波上承载的比特信息是相同的，但无法找到承载相同信息的子载波，子载波级的合并无法实现。

由于无法在解调模块前面进行最优合并再输入解调模块，使得在译码器端的软信息达不到最优的信噪比。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种分集拷贝接收性能优化方法。

本发明的一种分集拷贝接收性能优化方法，包括以下步骤：

第一步，根据通信系统中的前导信息，我们可以得到所有承载发射有用信息的子载波的信道估计：

h(k) k∈(0,N-1) (1)

N为有用子载波数；

第二步，根据当前控制帧的分集拷贝的映射规则，每个OFDM符号的频域数据均是由I路、Q路组成的复数值，I路对应复数值的实部，Q路对应复数值的虚部；

对原始发送的比特信息流s∈(s₀,…,s₂₅₅)，在接收端FFT之后进行拷贝信息组合，首先找出所有对应当前比特s的所有OFDM符号中不同子载波上的I路多个接收数据r_I(i)，组成矢量r_I；并同时把各I路对应的子载波信道估计h_I(i)＝h(i)组成矢量h_I；这里的I路是指相应复数值的实部，下述的Q路是指复数值的虚部；

第三步，找出所有对应该比特s的所有OFDM符号中不同子载波上的Q路多个接收数据r_Q(q)，组成矢量r_Q；并同时把各Q路对应的子载波信道估计h_Q(q)＝h(q)组成矢量h_Q；

第四步，得到最优信噪比合并输出结果，即译码器需要的软信息输入；

是指I路上对应的信道估计的共轭值；是Q路上对应的信道估计的共轭值；

第五步，进入对下一个比特信息s的处理过程，返回上述第一步至第四部，用同样的方式处理，逐一进行处理映射到频域上子载波中，得到所有剩余的最大信噪比合并值。

本发明提供的一种分集拷贝接收性能优化方法，是尽可能的利用最大信噪比合并均衡方式而做出的特殊方法：对I路和Q路的信道矢量重新进行整合，组成新的信道矩阵，组合I路和Q路的接收信号，这些信号对应的原始比特信息是同一个，通过变形的最大信噪比合并均衡矩阵，可基于比特级的最大信噪比进行接收。

附图说明

图1为本发明分集拷贝接收性能优化方法的处理流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种分集拷贝接收性能优化方法，包括以下步骤：

第一步，根据通信系统中的前导信息，我们可以得到所有承载发射有用信息的子载波的信道估计：

h(k) k∈(0,N-1) (1)

N为有用子载波数；

信道估计最简单的可用接收信号除以预先知道的发射信号来获得，并可以继续优化；

第二步，根据当前控制帧的分集拷贝的映射规则，如下表：

即每个子载波发射两个比特信息，子载波有多余的，则重复发送原始比特信息；每个OFDM符号的频域数据均是由I路、Q路组成的复数值，I路对应复数值的实部，Q路对应复数值的虚部；例如，频域数据的每个子载波根据上表可以生成复数值：1+j，或者是1-j,或者是-1+j，或者是-1-j；

控制帧是用来提供当前帧的标识符、帧长、分集拷贝模式等信息；在本发明的实施例中，控制帧包含256个比特按映射规则分别投射到I路或Q路上去；

对原始发送的比特信息流s∈(s₀,…,s₂₅₅)，在接收端FFT之后进行拷贝信息组合，首先找出所有对应当前比特s的所有OFDM符号中不同子载波上的I路多个接收数据r_I(i)，组成矢量r_I；并同时把各I路对应的子载波信道估计h_I(i)＝h(i)组成矢量h_I；这里的I路是指相应复数值的实部，下述的Q路是指复数值的虚部；比特信息流指的是数字化的比特值，0或1，比特流是一连串的0或1的值，本实施例有256个比特，逐一进行处理映射到频域上子载波中；

第三步，找出所有对应该比特s的所有OFDM符号中不同子载波上的Q路多个接收数据r_Q(q)，组成矢量r_Q；并同时把各Q路对应的子载波信道估计h_Q(q)＝h(q)组成矢量h_Q；

第四步，得到最优信噪比合并输出结果，即译码器需要的软信息输入；

是指I路上对应的信道估计的共轭值；是Q路上对应的信道估计的共轭值；

第五步，进入对下一个比特信息s的处理过程，返回上述第一步至第四部，用同样的方式处理，逐一进行处理映射到频域上子载波中，得到所有剩余的最大信噪比合并值。

本发明技术方案的引出见如下所述：

对于电力线传送的OFDM载波系统，由于底噪通常比较稳定，各分集的噪声也有相同的特性，所以，一般采用MRC最大信噪比的合并方法，通常MRC合并使用场合是子载波级的合并，但正如前面说的，无法实现。本技术方案为实现最大信噪比合并，把每个子载波分拆成比特级的信息，对相同信息的实部或虚部进行合并，从而达到最大信噪比的合并，理论上能达到最优的信噪比接收。底噪就是接收机存在无法避免的噪声，如热噪声，相位噪声，频偏引起的噪声等等。各分集承载的是相同的发射比特信息。

接收信号向量：r_Nt×1＝h_Nt×1·s+n_Nt×1 (3)

h_Nt×1为信道系数矩阵(多发1收时退化为列向量)，Nt为分集拷贝数，Nt×1是一个信号分别通过Nt个子载波发射)；s为发射信号；假定功率是归一的，即

E|s|²＝1 (4)

n_Nt×1为各分集接收的噪声，均值为0，自相关矩阵

E(nn^H)＝σ²I_Nt×Nt (5)

nn^H是指噪声的相关矩阵；是指噪声的方差，等效于噪声的功率；I_Nt×Nt是指单位对角矩阵；

最大信噪比合并MRC(Maximal Ratio Combining)合并算法的目的是寻找最优合并系数向量w_opt，使得合并输出的信噪比达到最大，记合并信号1；记合并信号1的意思是：一次最优合并就是一次信息比特发射对应的每个分集的频域接收值乘以各自子载波所处信道的估计值，然后累加；在最优合并系数向量w_opt的情况下，合并输出的信噪比为最大，是指下一次合并信号对其它信息比特接收做同样的分集合并处理，即每个信息比特使用的合并规则都是一样的：每个分集的频域接收值与各自子载波所处信道的估计值相乘，然后累加得到最大信噪比合并；

是指对原始发射信号的估计值，w是指根据信道估计值得到的权重向量,w^H就是w的共轭转置；r是由分集接收组成的接收向量；h是各分集分量所处的信道估计值，s是指发射原始信号；n是指噪声向量，每个分集都有各自的噪声；

则输出信噪比

||·||²表示复向量的欧式范数，利用柯西不等式

|w^Hh|²≤||w||²||h||² (8)

得到

等号成立的条件是

w＝c·h (10)

c为任意非0常数，也就是说，如果取合并系数向量w_opt等于信道系数矩阵(向量)h，那么我们可以获得最大的合并输出信噪比

p是指分集的索引，从1到最大分集数Nt；

从前面的推导过程可以看出，采用最大比合并算法时，合并输出的信噪比正好等于合并前各接收天线的信噪比(线性值)之和，也就是说在高斯白噪声下，分集次数每增加一倍(分集最本质的目标就是通过多次合并抑制噪声，提高有用信号的强度，进而提高信噪比，提升接收性能)，相应的接收性能就能提升3dB。

在实际实现时，我们只能根据信道估计的结果来做最大信噪比合并，即最优合并系数向量w_opt是用信道估计

来近似的。在非理想信道估计的条件下，合并输出信噪比最大化只具有理论上的意义。

上面的理论分析通常是针对子载波级别的分集合并来的，还不能简单的用在帧控制的比特级分集拷贝合并上。子载波级别的分集合并相当于把当前频域上接收的子载波的幅值和相位信息做一整体即复数值参与其它子载波上的复数值加权合并。帧控制的比特级分集拷贝合并，是由于帧控制的频域上的子载波幅值和相位可以分解为实部和虚部，即I路和Q路，分别对应一个比特信息，在本技术方案中可以分开各自与其它子载波上I路或Q路比特信息进行合并。

合并公式需要进一步的处理，把对应发射端同一比特信息s的I路接收值r_I和Q路接收值r_Q，结合各自所在的子载波信道估计值统一做如下处理：

通信系统中有用于信道估计的模块，利用已知的导频算出当前通信信号的信道状态，在OFDM系统中就是为每个子载波提供一个信道估计h，由此前述的子载波接收中对应的I路或Q路所对应的h_I或h_Q就来自这个信道估计值h，以及无法避免的背景噪声n_I；

则合并方式如下：

这里的c可取为1，由此可以得到符合MRC合并算法原理的改进方案，以满足电力线高速载波通信帧控制中特殊拷贝分级方式下的信噪比最优均衡方式。

根据上述算法推理，我们可以据此采取如下步骤：

第一步，根据通信系统中的前导信息，我们可以得到所有有用子载波的信道估计

h(k) k∈(0,N-1) (14)

N为有用子载波数；

第二步，根据当前控制帧的分集拷贝的映射规则(当前控制帧的分集拷贝的映射规则是协议制定好的，发射端实现映射，本技术方案特点是在接收端还原)，见下表的映射规则表：

对原始发送的比特信息流s＝s₀,…,s₂₅₅，在接收端FFT之后进行拷贝信息组合(本发明是在FFT之后，分拆频域数据的实部和虚部，把对应相同比特信息的实部或虚部用信道估计值进行加权合并)；首先找出所有对应当前比特s的所有OFDM符号中不同子载波上的I路多个接收数据r_I(i)(这些数据存放于数字信号处理器中专门的缓冲区)，组成矢量r_I(矢量r_I是由多个实数组成的一维矢量)，同时把各I路对应的子载波信道估计h_I(i)＝h(i)组成矢量h_I(矢量h_I是由多个信道估计复数组成的一维矢量)；

第三步，找出对应该比特s的所有OFDM符号中不同子载波上的Q路多个接收数据r_Q(q)，(所有OFDM符号进行FFT快速傅里叶变换后的频域数据都会存储在数字信号处理器的相应缓冲区中，比特s所需要的分集接收信号都是存储在根据协议所指定的子载波位置，需要时就可以调出来参与分集合并)组成矢量r_Q(矢量r_Q是由多个实数组成的一维矢量)；并同时把各Q路对应的子载波信道估计h_Q(q)＝h(q)组成矢量h_Q(各Q路对应的子载波信道估计h_Q(q)＝h(q)由信道估计器件获取；矢量h_Q是由多个信道估计复数组成的一维矢量)。

第四步，得到最优信噪比合并输出结果，即译码器需要的软信息输入；

是指I路上对应的信道估计的共轭值；

是Q路上对应的信道估计的共轭值；

本技术方案中，以第一个比特为例，记为s₀；从规则表中可以看出s₀分别被映射到OFDM符号1中I路的子载波0，OFDM符号1中Q路的子载波128，OFDM符号2中I路的子载波192，OFDM符号2中Q路的子载波64，OFDM符号3中I路的子载波160，OFDM符号3中Q路的子载波32，OFDM符号4中I路的子载波96，OFDM符号4中Q路的子载波224。总共8个分集发射，分别在接收端对应8个接收值记为：r_i,i＝1,...,8，这8个分集发射所在的子载波对应的信道估计值记为：h_i,i＝1,...,8；然后进行分集合并，最大信噪比合并MRC合并方法是：

这里的

是h_i的共轭；

就是接收第一个比特最大信噪比接收下的有用信号估计值；

第五步，对余下的比特信息s₁,…,s₂₅₅做同样的方式处理，得到所有剩余的最大信噪比合并估计值

比特信息s处理顺序是协议所要求发射的信息比特顺序，本实施例指的是256个比特。

此外，基于上述处理方式，我们可以看出此最大信噪比合并方式得到的软信息完全不需要星座解调模块，直接把输出送给译码器端，进行译码比特输出。针对BPSK和QPSK星座映射方式的处理方法都可以这样进行。此方法摒弃了传统的最大信噪比接收合并必须基于子载波级的思维及其局限性，把该技术处理手段应用到了比特级范畴，极大的提升了最大信噪比分集接收方法的应用价值，也有助于信道编码输出的码流的分集映射方式的灵活性。

下面结合图1对本发明在优选实施例中作进一步的描述。

本发明提供的一种电力线高速载波通信中的帧控制信息的最大信噪比分集合并方法，帧控制信息在本实施例中总共占用4个OFDM符号，每个符号占用子载波数相同，每个子载波分出I路和Q路信息，分别对应不同的比特数据，见规则表；图1中是实施方案的流程图，具体步骤如下：

1、首先利用前导信息得到所有可用子载波的信道估计参数。

2、先从OFDM符号1开始，按顺序把I路信号的每个比特信息按协议规定的映射方式提取出数据及对应的子载波位置，再同样的方式把OFDM符号2、3和4的I路信号对应同一个比特信息的数据和子载波位置都提取出来。把这些数据组合成2个一维的矢量，分别是接收的数据和这些数据对应的子载波信道估计。

3、按顺序把Q路信号的每个比特信息按协议规定的映射方式提取出数据及对应的子载波位置，再同样的方式把OFDM符号2、3和4的Q路信号对应同一个比特信息的数据和子载波位置都提取出来。把这些数据组合成2个一维的矢量，分别是接收的数据和这些数据对应的子载波信道估计。

4、对每个比特信息分集到所有I路和Q路的矢量值进行整合，得到完整的接收矢量数据r，和对应的子载波信道估计矢量h。

5、利用本发明的最大信噪比分集合并方式让上述2个参数相乘，得到合并输出。

6、重复上述4个步骤，直至所有原始比特信息对应的合并输出完毕。

7、在本实施例中原始比特流有256个，不同的比特流分集次数不同，但根据本发明的实施例可以看出，分集合并可以根据实际次数灵活运用，不影响合并方法的效果。

本实施例星座点调制信息：帧控制的可用载波数为411，子载波编号从80到490，采用QPSK调制方式，有4个帧控制符号。帧控制的第1个符号，对于I路来说，输入的比特流(256比特)按照顺序拷贝到对应的载波上；对于Q路来说，输入的比特流(256比特)加上一个128的偏置拷贝到对应的载波上，直至完成本次可用载波的拷贝，即在有效子载波上顺序填充的比特编号为(c+128)mod256，c的值顺序从0到255。帧控制的第2个符号，对于I路来说，输入的比特流(256比特)加上一个192的偏置拷贝到对应的载波上；对于Q路来说，输入的比特流(256比特)加上一个64的偏置拷贝到对应的载波上。帧控制的第3个符号，对于I路来说，输入的比特流(256比特)加上一个160的偏置拷贝到对应的载波上；对于Q路来说，输入的比特流(256比特)加上一个32的偏置拷贝到对应的载波上。帧控制的第4个符号，对于I路来说，输入的比特流(256比特)加上一个96的偏置拷贝到对应的载波上；对于Q路来说，输入的比特流(256比特)加上一个224的偏置拷贝到对应的载波上。详细定义如规则表。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种分集拷贝接收性能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据通信系统中的前导信息，我们可以得到所有承载发射有用信息的子载波的信道估计：

h(k) k∈(0,N-1) (1)

N为有用子载波数；

第二步，根据当前控制帧的分集拷贝的映射规则，每个OFDM符号的频域数据均是由I路、Q路组成的复数值，I路对应复数值的实部，Q路对应复数值的虚部；

对原始发送的比特信息流s∈(s₀,…,s₂₅₅)，在接收端FFT之后进行拷贝信息组合，首先找出所有对应当前比特s的所有OFDM符号中不同子载波上的I路多个接收数据r_I(i)，组成矢量r_I；并同时把各I路对应的子载波信道估计h_I(i)＝h(i)组成矢量h_I；这里的I路是指相应复数值的实部，下述的Q路是指复数值的虚部；

第三步，找出所有对应该比特s的所有OFDM符号中不同子载波上的Q路多个接收数据r_Q(q)，组成矢量r_Q；并同时把各Q路对应的子载波信道估计h_Q(q)＝h(q)组成矢量h_Q；

第四步，得到最优信噪比合并输出结果，即译码器需要的软信息输入；

是指I路上对应的信道估计的共轭值；

是Q路上对应的信道估计的共轭值；

第五步，进入对下一个比特信息s的处理过程，返回上述第一步至第四部，用同样的方式对下一个比特信息s处理，逐一进行处理映射到频域上子载波中，得到所有剩余的最大信噪比合并值。

Images