CN110958205A - 一种基于共享cp的多符号联合均衡混合载波传输方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于共享CP的多符号联合均衡混合载波传输方法，属于信号传输技术领域，本发明解决了现有混合载波传输中采用插入循环前缀或零前缀的方式存在信息的传输速度低、传输功耗大或接收端能量消耗大、频谱效率低、传输时延大的问题。本发明提出了一种多符号共用一个循环前缀，接收端进行长度增长的频域均衡的方法；在使用充足长CP的时候，其系统的误比特率性能和使用充足CP的混合载波频域均衡系统几乎一致，但是由于是多个符号共用一个CP，提高了频谱效率性能。在使用不充足长CP的时候，本专利发明的BER性能比使用同样长CP的混合载波频域均衡系统的误比特率性能要好，并且随着符号数K的增大，BER性能的提升越明显。本发明适用于信号传输使用。
Description
技术领域
本发明属于信号传输技术领域，具体涉及一种混合载波传输方法。
背景技术
随着各种新的信息技术的出现，无线通信技术取得了飞速发展。无线通信技术广泛应用于社会生活中的各个领域，极大地促进了社会的进步和发展。近几十年来，蜂窝移动通信系统从第一代逐步发展到四代，经历了从支持单一语音业务到集成数据业务以及图像、视频等的飞跃，应用的层面越来越广。在IEEE 802.16a标准对于物理层标准的关键技术中建议使用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing正交频分复用)和SC-FDE(Single Carrier Frequency Domain Equalization单载波频域均衡)两种方案。
OFDM和SC-FDE系统中循环前缀的插入，解决了多载波传输中由于多径产生的ISI(Inter-Symbol Interference符号间干扰)和ICI(Inter-Carrier Interference载波间干扰)。此外CP(Cyclic Prefix循环前缀)的插入使得传输信息和传输信道的线性卷积变循环卷积，使得接收端可以使用相对较为简单的频域均衡来替代计算复杂度高的时域均衡。但是CP的插入既降低了信息的传输速度，又增加了传输功耗，另一种ZP(Zero Padding零前缀)，将保护间隔设为空白，虽然ZP仅仅降低了信息的传输速率，但是相对于CP接收端处理也增加了能量消耗，总体来说，ZP的使用没有为系统带来很大的性能提升。循环前缀的使用降低了系统的频谱效率，增大了传输时延。
发明内容
本发明是为了解决现有混合载波传输中采用插入循环前缀或零前缀的方式存在信息的传输速度低、频谱效率低、传输时延大的问题，提出了一种基于共享CP的多符号联合均衡混合载波传输方法。
本发明所述的一种基于共享CP的多符号联合均衡混合载波传输方法，该方法包括信号发送端处理过程和信号接收端处理过程：
信号发射端处理过程为：
步骤A1、将待发射数据分为K组字符长度为N的序列，并依次进行标号，再分别对K组序列进行串/并转换；N为正整数且N≥4，K为大于或等于1的整数；
步骤A2、对串/并转换之后的K组序列分别进行-αk阶的加权分数傅里叶变换操作；
步骤A3、对加权分数傅里叶变换后的K组序列进行并/串转换；
步骤A4、将并/串转换后的串行序列按照标号的顺序依次排列整合成一组串行数据；
步骤A5、对整合之后的串行数据加循环前缀；并发送至多径信道；
信号接收端处理过程为：
步骤B1、对从多径信道接收的数据做去循环前缀操作后进行串/并转换；
步骤B2、对步骤B1转换后的并行数据进行KN点的快速傅里叶变换；
步骤B3、对快速傅里叶变换后的数据进行频域均衡；
步骤B4、对频域均衡后的数据进行KN点的快速傅里叶反变换操作；
步骤B5、将快速傅里叶反变换后的数据按照步骤A4的标号顺序截取为K组字符长度为N的序列；
步骤B6、对截取的K组序列分别进行αk阶的加权分数傅里叶变换操作；
步骤B7、对步骤B6变换后的序列进行并/串转换，完成接收端数据处理。
进一步地，步骤A2中串/并转换之后的数据进行-αk阶的加权分数傅里叶变换的公式为：
其中，
为xk(n)进行-αk阶的加权分数傅里叶变换后的形式，xk(n)为第k组需要发射的数据经过串/并变换之后的表达式，k取不同的值，对应系数-αk不一定相同；xk(n)＝(xk(0)xk(1)…xk(N-1))T，Xk(n)为xk(n)进行离散傅里叶变换后的形式，Xk(-n)和xk(-n)分别是Xk(n)和xk(n)的翻转形式，1≤k≤K且0≤n≤N-1；
wl(-αk)是加权系数，l＝0,1,2,3，-αk阶加权分数傅里叶变换矩阵为：
W(-αk)＝w0(-αk)I+w1(-αk)F+w2(-αk)Γ+w3(-αk)ΓF (3)
其中，矩阵I是一个N×N的单位阵，矩阵F是离散傅里叶变换的矩阵形式，矩阵F的第m行第u列元素为
矩阵Γ为：
进一步地，步骤A4中将转换之后的串行数据根据数据标号的大小，由小到大进行排列整合后的表达式为：
其中，x-α为K组序列按标号由小到大顺序首尾相接地整合到一起后的序列；
进一步地，步骤A5中对整合之后的串行数据加循环前缀后的表达式为：
其中，x-α,CP为加循环前缀后的串行数据；
表示第K组序列
中的第N-L+1个数据到第N个数据，L为不小于1的整数。
进一步地，步骤B1所述接收数据为：
h＝(h0h1…hL)为传输信道时域表达式，w是长度为KN+2L的加性高斯加性白噪声向量，
为卷积符号；
为通过多径信道接收的数据。进一步地，步骤B3中对FFT之后的数据进行频域均衡的方法包括ZF均衡和MMSE均衡。
进一步地，步骤B3中对快速傅里叶变换之后的数据进行频域均衡后的表达式为：
XZF/MMSE＝Sr·CZF/MMSE (11)
XZF/MMSE表示频域均衡后输出的结果，CZF/MMSE表示ZF均衡的的频域矩阵或MMSE均衡的频域矩阵中的一个；Sr表示步骤B2中接收的数据做去CP操作和串/并转换后进行KN点FFT得到的数据。
进一步地，步骤B6中对截取的K组序列分别进行αk阶的加权分数傅里叶变换操作，采用矩阵操作，
实现，xr,k表示KN点FFT之后截取的第k组序列，
表示αk阶的加权分数傅里叶变换之后得到的数据，与发射端第k组的输入数据对应。αk与步骤A2中的-αk互为相反数，对应的与发明内容中步骤A2的说明类似，对于不同的数据标号k，其对应的系数αk不一定相同。
本发明所述方法针对发送端数据连发的情况，提出了一种多符号共用一个循环前缀，接收端进行长度增长的频域均衡的方法。CP的长度大于或等于信道的最大时延扩展时，称为CP长度充足；当CP的长度小于信道的最大时延扩展时，称为CP长度不足。在使用充足长CP的时候，其系统的BER(Bit Error Rate，误比特率)性能和使用充足CP的HC-FDE(HybridCarrier Frequency Domain Equalization，混合载波频域均衡)系统几乎一致，但是由于是多个符号共用一个CP，提高了SE(Spectral Efficiency，频谱效率)性能。在使用不充足长CP的时候，本专发明的BER性能比使用同样长CP的HC-FDE系统的BER性能要好，并且随着系数K的增大，BER性能的提升越明显。
附图说明
图1是发送端信号处理框体；
图2是循环前缀插入方式示意图；
图3是接收端信号处理框图；
图4是CP充足时采用现有HC-FDE系统与采用本发明所述方法在K＝2,4时的BER性能仿真曲线图；
图5是CP充足时采用现有HC-FDE系统与采用本发明所述方法在K＝2,4时的SE性能仿真曲线图；
图6是CP充足时HC-FDE和无CP且参数K分别取1,2和4时采用本发明所述方法的BER性能仿真对比曲线图；
图7是充足CP时HC-FDE和无CP且参数K取1,2和4时采用本发明所述方法的SE性能仿真对比曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1到图3说明本实施方式，本实施方式所述本发明所述的一种基于共享CP的多符号联合均衡混合载波传输方法，该方法包括信号发送端处理过程和信号接收端处理过程：
信号发射端处理过程为：
步骤A1、将待发射数据分为K组字符长度为N的序列，并依次进行标号，再分别对K组序列进行串/并转换；N为正整数且N≥4，K为大于或等于1的整数；
步骤A2、对串/并转换之后的K组序列分别进行-αk阶的加权分数傅里叶变换操作；
步骤A3、对加权分数傅里叶变换后的K组序列进行并/串转换；
步骤A4、将并/串转换后的串行序列按照标号的顺序依次排列整合成一组串行数据；
步骤A5、对整合之后的串行数据加循环前缀；并发送至多径信道；
信号接收端处理过程为：
步骤B1、对从多径信道接收的数据做去循环前缀操作后进行串/并转换；
步骤B2、对步骤B1转换后的并行数据进行KN点的快速傅里叶变换；
步骤B3、对快速傅里叶变换后的数据进行频域均衡；
步骤B4、对频域均衡后的数据进行KN点的快速傅里叶反变换操作；
步骤B5、将快速傅里叶反变换后的数据按照步骤A4的标号顺序截取为K组字符长度为N的序列；
步骤B6、对截取的K组序列分别进行αk阶的加权分数傅里叶变换操作；
步骤B7、对步骤B6变换后的序列进行并/串转换，完成接收端数据处理。
进一步地，本实施方式中，步骤A2中串/并转换之后的数据进行-αk阶的加权分数傅里叶变换的公式为：
其中，
为xk(n)进行-αk阶的加权分数傅里叶变换后的形式，xk(n)为第k组需要发射的数据经过串/并变换之后的表达式，k取不同的值，对应系数αk不一定相同；xk(n)＝(xk,0(n)xk,1(n)…xk,N-1(n))T，Xk(n)为xk(n)进行离散傅里叶变换后的形式，Xk(-n)和xk(-n)分别是Xk(n)和xk(n)的翻转形式，1≤k≤K且0≤n≤N-1；
wl(-αk)是加权系数，l＝0,1,2,3，-αk阶加权分数傅里叶变换矩阵为：
W(-αk)＝w0(-αk)I+w1(-αk)F+w2(-αk)Γ+w3(-αk)ΓF (3)
其中，矩阵I是一个N×N的单位阵，矩阵F是离散傅里叶变换的矩阵形式，矩阵F的第m行第u列元素为
矩阵Γ为：
进一步地，本实施方式中，步骤A4中将转换之后的串行数据根据数据标号的大小，由小到大进行排列整合后的表达式为：
其中，x-α为k组序列按标号由小到大顺序首尾相接的整合到一起后的序列；
进一步地，结合图2进行说明，本实施方式中，步骤A5中对整合之后的串行数据加循环前缀后的表达式为：
其中，x-α,CP为加循环前缀后的串行数据；
表示第K组序列
中的第N-L+1个数据到第N个数据，L为不小于1的整数。
进一步地，本实施方式中，步骤B1所述接收数据为：
h＝(h0h1…hL)为传输信道时域表达式，w是长度为KN+2L的加性高斯加性白噪声向量，
为卷积符号；
为通过多径信道接收的数据。
进一步地，本实施方式中，步骤B3中对FFT之后的数据进行频域均衡的方法包括ZF均衡和MMSE均衡。
本实施方式中，ZF均衡的频域矩阵形式的表达式为：
HKN,0为传输信道的时域表达式h＝(h0h1…hL)进行KN点离散傅里叶变换后表达式的第一项；
HKN,KN-1为传输信道的时域表达式h＝(h0h1…hL)进行KN点离散傅里叶变换后的表达式第KN项；
HKN＝(HKN,0HKN,1…HKN,KN-1)为传输信道的时域表达式h＝(h0h1…hL)进行KN点离散傅里叶变换后的表达式。
MMSE均衡的频域矩阵形式的表达式为：
MMSE均衡矩阵对角线上的数值为：
式(10)中q∈[0,KN-1]；HKN,q为HKN＝(HKN,0HKN,1…HKN,KN-1)中的第q+1项；HKN为传输信道的频域表达式，为传输信道时域表达式h＝(h0h1…hL)做KN点离散傅里叶变换后得到的结果；γ＝Ex/σ2为信噪比，Ex为每个调制信号的平均能量，σ2表示噪声能量。
进一步地，本实施方式中，步骤B3中对快速傅里叶变换之后的数据进行频域均衡后的表达式为：
XZF/MMSE＝Sr·CZF/MMSE (11)
XZF/MMSE表示频域均衡后输出的结果，CZF/MMSE表示ZF均衡的的频域矩阵或MMSE均衡的频域矩阵中的一个；Sr表示步骤B2中接收数据做去CP操作和串/并转换后进行KN点FFT得到的数据。
进一步地，步骤B6中对截取的K组序列分别进行αk阶的加权分数傅里叶变换操作，采用矩阵操作，xαk,k＝w0(αk)Ixr,k+w1(αk)Fxr,k+w2(αk)Γxr,k+w3(αk)ΓFxr,k实现，xr,k表示步骤B5获得的第k组序列，
表示对步骤B5获得的第k组序列进行αk阶的加权分数傅里叶变换之后得到的数据，与该数据发射端第k组的输入数据对应。αk与步骤A2中的-αk互为相反数，对于不同的数据标号k，其对应的αk不一定相同。
式(12)为αk阶的加权分数傅里叶变换的矩阵形式；
W(αk)＝w0(αk)I+w1(αk)F+w2(αk)Γ+w3(αk)ΓF (12)
本发明在CP充足时BER和SE性能和CP不足时BER和SE性能对比仿真说明：
一、CP充足时系统的BER和SE性能
先对CP充足时进行性能分析，首先对BER性能进行仿真。
仿真信道为6-TU信道，其参数在表1中给出，表1为6-TU模型参数表，调制方式为16QAM调制，均衡方式为ZF均衡，载波体制为混合载波，理论上对于不同k值，其对应系数αk不同，但为方便说明，对任意k，取系数αk＝0.5，图4至图7中均采用α进行表示，且α＝0.5。
仿真的过程中将CP的长度设为50，CP长度充足。
表1 6-TU模型参数表
BER仿真图如图4所示，可以看出，在CP充足的情况下无论符号数K取何值，此系统的BER曲线与HC-FDE系统的BER曲线都是重合的，说明在CP充足的情况下，此方法并不能提高系统的BER性能。
接下来对系统的SE性能进行仿真，SE定义如下：
SE性能仿真图如图5所示。其仿真条件与上述BER的一致。由仿真图可以看出，此方法虽然没有带来BER性能的提升，但是由于相对减少了CP的使用，有效的提高了系统的SE性能，并且随着符号数K的增加，SE性能越好。这是由于符号数K越大，CP在数据符号中所占的比例越小，系统的SE性能提升越大。
二、CP不足时BER和SE性能
上文中提到了本专利系统中可以使用充足的CP，也可以使用长度不足的CP，甚至可以不使用CP。本部分对不使用CP的情况进行仿真和分析，因为不使用CP是使用不充足CP的极端情况，原理上两者是一致的。
首先对不使用CP时系统的BER性能进行仿真。
仿真信道为6-TU信道，调制方式为16QAM调制，均衡方式为ZF均衡，为方便说明，和CP充足时条件相同，对任意k，αk均使用α表示，且α＝0.5。由于在同一信道条件下，随着CP长度的减小，BER性能的下降程度是越来越大的，本次仿真将CP长度设为0，CP不足带来的干扰最大，系统对性能的提升最明显。
图6是本系统BER性能的仿真图，可以看出，CP充足情况下的HC-FDE系统的BER性能最好。K的取值为1的时候，本章中提出系统的BER性能就相当于不使用CP的HC-FDE系统的BER性能。本专利系统在不使用CP时，系数K取值大于1时的BER性能相对于无CP的HC-FDE系统有明显提升。且随着系数K的增大，BER性能提升越明显，并逐渐接近HC-FDE系统CP充足的情况。但是系数K越大，接收端系统的处理复杂度越大，即相当于接收端处理复杂度的增加带来了系统BER性能的提升。
分析其原因是在进行接收端的操作过程中，由于CP长度不足造成的干扰被分散到了一个更大的区间。本来应该分布在一个数据符号中的错误比特数据分布到了K个数据符号中，故系统BER性能会有所提升，且K的值越大BER性能提升程度越大。
图1为充足CP的HC-FDE和无CP且参数K取1,2和4的本专利系统的SE性能对比，对系统的SE性能进行仿真，仿真条件和BER性能仿真的仿真条件一致。由图7可以看出不论系数K取值为何值，本专利系统的SE性能都是要优于HC-FDE系统的。而随着系数K的增加SE的性能也跟着提升。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.一种基于共享CP的多符号联合均衡混合载波传输方法，其特征在于，该方法包括信号发送端处理过程和信号接收端处理过程：
信号发射端处理过程为：
步骤A1、将待发射数据分为K组字符长度为N的序列，并依次进行标号，再分别对K组序列进行串/并转换；N为正整数且N≥4，K为大于或等于1的整数；
步骤A2、对串/并转换之后的K组序列分别进行-αk阶的加权分数傅里叶变换操作；
步骤A3、对加权分数傅里叶变换后的K组序列进行并/串转换；
步骤A4、将并/串转换后的串行序列按照标号的顺序依次排列整合成一组串行数据；
步骤A5、对整合之后的串行数据加循环前缀；并发送至多径信道；
信号接收端处理过程为：
步骤B1、对从多径信道接收的数据做去循环前缀操作后进行串/并转换；
步骤B2、对步骤B1转换后的并行数据进行KN点的快速傅里叶变换；
步骤B3、对快速傅里叶变换后的数据进行频域均衡；
步骤B4、对频域均衡后的数据进行KN点的快速傅里叶反变换操作；
步骤B5、将快速傅里叶反变换后的数据按照步骤A4的标号顺序截取为K组字符长度为N的序列；
步骤B6、对截取的K组序列分别进行αk阶的加权分数傅里叶变换操作；
步骤B7、对步骤B6变换后的序列进行并/串转换，完成接收端数据处理。
2.根据权利要求1所述一种基于共享CP的多符号联合均衡混合载波传输方法，其特征在于，步骤A2中串/并转换之后的数据进行-αk阶的加权分数傅里叶变换的公式为：
其中，
为xk(n)进行-αk阶的加权分数傅里叶变换后的形式，xk(n)为第k组需要发射的数据经过串/并变换之后的表达式；xk(n)＝(xk(0)xk(1)…xk(N-1))T，Xk(n)为xk(n)进行离散傅里叶变换后的形式，Xk(-n)和xk(-n)分别是Xk(n)和xk(n)的翻转形式，1≤k≤K且0≤n≤N-1；
wl(-αk)是加权系数，l＝0,1,2,3，-αk阶加权分数傅里叶变换矩阵为：
W(-αk)＝w0(-αk)I+w1(-αk)F+w2(-αk)Γ+w3(-αk)ΓF (3)
其中，矩阵I是一个N×N的单位阵，矩阵F是离散傅里叶变换的矩阵形式，矩阵F的第m行第u列元素为
m,u∈[0,N-1]。
矩阵Γ为：
3.根据权利要求1所述一种基于共享CP的多符号联合均衡混合载波传输方法，其特征在于，步骤A4中将并/串转换后的串行序列按照标号的顺序依次排列整合成一组串行数据表达式为：
其中，x-α为K组序列按照标号的顺序依次首尾相接的整合到一起后的序列；
4.根据权利要求3所述一种基于共享CP的多符号联合均衡混合载波传输方法，其特征在于，步骤A5中对整合之后的串行数据加循环前缀后的表达式为：
其中，x-α,CP为加循环前缀后的串行数据；
表示第K组序列
中的第N-L+1个数据到第N个数据，L为不小于1的整数。
5.根据权利要求1所述一种基于共享CP的多符号联合均衡混合载波传输方法，其特征在于，步骤B1所述接收数据为：
h＝(h0 h1…hL)为传输信道时域表达式，w是长度为KN+2L的加性高斯加性白噪声向量，
为卷积符号；
为通过多径信道接收的数据。
6.根据权利要求1所述一种基于共享CP的多符号联合均衡混合载波传输方法，其特征在于，步骤B3中对FFT之后的数据进行频域均衡的方法包括ZF均衡和MMSE均衡。
7.根据权利要求6所述一种基于共享CP的多符号联合均衡混合载波传输方法，其特征在于，ZF均衡的频域矩阵形式的表达式为：
HKN,0为传输信道的时域表达式h＝(h0 h1…hL)进行KN点离散傅里叶变换后表达式的第一项；
HKN,KN-1为传输信道的时域表达式h＝(h0 h1…hL)进行KN点离散傅里叶变换后的表达式第KN项；
HKN＝(HKN,0 HKN,1…HKN,KN-1)为传输信道的时域表达式h＝(h0 h1…hL)进行KN点离散傅里叶变换后的表达式。
8.根据权利要求6所述一种基于共享CP的多符号联合均衡混合载波传输方法，其特征在于，MMSE均衡的频域矩阵形式的表达式为：
MMSE均衡矩阵对角线上的数值为：
式(10)中q∈[0,KN-1]；HKN,q为HKN＝(HKN,0 HKN,1…HKN,KN-1)中的第q+1项；HKN为传输信道的频域表达式，为传输信道时域表达式h＝(h0 h1…hL)做KN点离散傅里叶变换后得到的结果；γ＝Ex/σ2为信噪比，Ex为每个调制信号的平均能量，σ2表示噪声能量。
9.根据权利要求6所述一种基于共享CP的多符号联合均衡混合载波传输方法，其特征在于，步骤B3中对快速傅里叶变换之后的数据进行频域均衡的表达式为：
XZF/MMSE＝Sr·CZF/MMSE (11)
XZF/MMSE表示频域均衡后输出的结果，CZF/MMSE表示ZF均衡的频域矩阵或MMSE均衡的频域矩阵中的一个；Sr表示步骤B2中接收的数据做去CP操作和串/并转换后再进行KN点FFT得到的数据。
10.根据权利要求1所述一种基于共享CP的多符号联合均衡混合载波传输方法，其特征在于，步骤B6中对截取的K组序列分别进行αk阶的加权分数傅里叶变换操作的具体方法为：
采用矩阵操作，
实现；式中，xr,k表示步骤B5获得的第k组序列，
表示对步骤B5获得的第k组序列进行αk阶的加权分数傅里叶变换之后得到的数据。
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