CN111884761B - 一种用于单载波频域均衡系统发送端的数据发送方法 - Google Patents

一种用于单载波频域均衡系统发送端的数据发送方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于单载波频域均衡系统发送端的数据发送方法，属于无线电传输和通信技术领域。该方法根据系统要求以及传播距离、信道最大时延扩展等参数确定物理层信道帧的符号数量、独特字长度以及有效数据符号的长度比例。数据发送时，信源输出相应的数字信息，然后依次进行编码、交织、调制、插入独特字、插入独特字循环前缀、滤波、D/A变换，最后通过射频信道模块和天线发射出去。本发明能够灵活配置参数，从而可以根据系统要求满足不同传输速率、物理层传输时延、多径最大时延扩展条件下的应用。同时，本方法的信道估计不再受到其他数据带来的码间串扰的问题，提升了系统的性能。

Description

一种用于单载波频域均衡系统发送端的数据发送方法
技术领域
本发明属于无线电传输和通信领域技术领域，特别是指一种用于单载波频域均衡系统发送端的数据发送方法。
背景技术
在无线传输系统中，当信道环境存在多径衰落时，基本的传输技术可以分为多载波和单载波两大类。在多载波传输技术中，最具代表性的是OFDM技术，但是该技术峰均比(PAPR)高并且对载波偏移、定时同步误差敏感。在单载波传输技术中，单载波频域均衡(SC-FDE)系统最明显的特点是较低的PAPR和对载波频移不敏感。
单载波频域均衡系统通过使用独特字(UW字段)作为循环前缀，解决多径信道产生的符号间干扰，在接收端通过删除循环前缀使得传输信号和信道函数的线性卷积变为循环卷积，从而利用简单的频域均衡代替复杂度高的时域均衡。然而作为信道估计的UW字段仍然会受到前面数据带来的码间串扰。同时对于不同传输系统的需求，研究如何灵活配置SC-FDE系统参数对于工程实现具有重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于单载波频域均衡系统发送端的数据发送方法，该方法具有性能可靠、灵活可配置的特点，可以满足多径环境下无线通信领域的需求。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于单载波频域均衡系统发送端的数据发送方法，包括以下步骤：
步骤1：根据系统最大传输距离确定信号空间传播时延τsapce，根据系统处理器主频时钟确定物理层信号处理时延τprocs，计算空间传播时延τsapce与物理层信号处理时延τprocs之和，作为物理层总时延τtotal；
步骤2：根据系统的物理层传输时延要求τrequire，计算τrequire与物理层总时延τtotal之差，得到物理层的帧长上限FTinf；
步骤3：根据信道传输特性确定信道最大时延扩展参数τmax，再用物理层的帧长上限FTinf减去信道最大时延扩展参数τmax，得到物理层信道帧传输信号的时间FTtrans；
步骤4：根据系统要求的传输速率Rb，计算RbFTtrans，得到物理层信道帧中传输的比特数量Nbits；
步骤5：根据物理层信道帧中传输的比特数量Nbits，计算经过信道编码以及调制后的符号数量Nsym；其中，调制方式采用PSK方式或QAM方式；
步骤6：计算参数n，
Figure BDA0002583703900000021
ρ＝(2m-1)/2m；计算符号速率Rs，
Figure BDA0002583703900000022
其中
Figure BDA0002583703900000023
表示向下取整数，
Figure BDA0002583703900000024
表示向上取整数，参数m为正整数；
步骤7：从信源数据中抽取长度为2nρkη-1的数据，进行信道编码，生成长度为2nρk编码信号；其中k表示每一个调制信号包含了k比特信息，η表示编码效率；
步骤8：对步骤7中的编码信号进行交织处理，得到交织信号；
步骤9：对所述交织信号进行调制映射，得到长度为2nρ的调制信号；
步骤10：在所述调制信号前面添加长度为2n(1-ρ)的独特字字段，得到长度为2n的信号块；
步骤11：将独特字字段的后
Figure BDA0002583703900000025
个采样点添加到所述信号块的前面，生成物理层信道帧；重复步骤7～11，继续进行后续物理层信道帧的生成；
步骤12：将步骤7～11所生成的物理层信道帧依次输出到平方根升余弦滤波器、D/A变换模块后得到模拟调制信号；
步骤13：将所述模拟调制信号经过射频信道模块和天线发射出去。
进一步的，所述步骤1中的物理层信号处理时延τprocs包含发送端处理时间和接收端处理时间，其中，发送端处理时间包含调制、信道编码、信号交织以及信号发送至天线的时间，接收端处理时间包含从天线接收信号、信道解码、信号解交织以及信号解调的时间。
进一步的，所述步骤5中符号数量的计算方法为Nsym＝Nbitsk/η，其中k表示每一个调制信号包含了k比特信息，η表示编码效率。
进一步的，所述步骤6中，如果
Figure BDA0002583703900000031
大于2n(1-ρ)，则重新选择参数m，以满足
Figure BDA0002583703900000032
如果Rs大于10Mbps，且2n(1-ρ)小于128，则重新选择参数m，以满足
Figure BDA0002583703900000033
同时产生新的参数ρ。
进一步的，所述独特字同时满足以下要求：
(1)
Figure BDA0002583703900000034
(2)
Figure BDA0002583703900000035
(3)
Figure BDA0002583703900000036
(4)
Figure BDA0002583703900000037
其中，uw()表示独特字时域序列，UW()表示独特字频域变化序列，c为常数，N表示独特字序列的长度，上标*表示取共轭复数；δ()表示单位阶跃函数，a、d、i、l均为序号。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明方法能够满足不同传输速率、物理层传输时延、多径最大时延扩展条件下的应用。
2、本发明根据多径环境的最大时延扩展，通过对UW字段添加相应长度的循环前缀，避免了作为信道估计的UW字段仍然会受到前面数据带来的码间串扰的问题，提升了信道估计与均衡的质量。
附图说明
图1是本发明实施例中理层信道帧的结构示意图。
图2是本发明实施例中发送方法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
参照图1和图2，一种用于单载波频域均衡系统发送端的数据发送方法，包括以下步骤：
步骤1：根据系统最大传输距离确定信号空间传播时延τsapce，根据系统处理器主频时钟确定物理层信号处理时延τprocs，计算空间传播时延与物理层信号处理时延之和，称之为物理层总时延τtotal，τtotal＝τsapce+τprocs。其中τprocs包含发送端处理时间和接收端处理时间；发送端处理时间包含调制、信道编码、信号交织、信号发送至天线时间，接收端处理时间包含从天线接收信号、信道解码、信号解交织、信号解调时间；
步骤2：根据系统的物理层传输时延要求τrequire，计算τrequire和物理层总时延τtotal之差，得到物理层的帧长上限FTinf，FTinf＝τrequire-τtotal；
步骤3：根据信道传输特性确定信道最大时延扩展参数τmax，再用步骤2中的物理层的帧长上限FTinf减去信道最大时延扩展τmax，得到物理层信道帧传输信号的时间FTtrans，FTtrans＝FTinf-τmax；
步骤4：根据系统要求的传输速率Rb，计算RbFTtrans，得到物理层信道帧中传输的比特数量Nbits，Nbits＝RbFTtrans；其中FTtrans是物理层信道帧传输信号的时间；
步骤5：根据步骤4中物理层信道帧中传输的比特数量，计算经过信道编码以及调制后的符号数量Nsym；其中调制方式采用PSK方式或者是QAM方式；
步骤6：计算参数n
Figure BDA0002583703900000051
计算符号速率Rs
Figure BDA0002583703900000052
其中
Figure BDA0002583703900000053
表示向下取整数，
Figure BDA0002583703900000054
表示向上取整数，参数m为正整数。
如果
Figure BDA0002583703900000055
大于2n(1-ρ)，则重新选择参数m，以满足
Figure BDA0002583703900000056
如果Rs大于10Mbps，2n(1-ρ)小于128，则重新选择参数m，以满足
Figure BDA0002583703900000057
并产生新的参数ρ；
步骤7：从信源数据中抽取长度为2nρkη-1的数据，进行信道编码，生成长度为2nρk编码信号；其中k表示每一个调制信号包含了k比特信息，η表示编码效率；
步骤8：对步骤7中的编码信号进行交织处理，得到交织信号；
步骤9：对步骤8中的交织信号进行调制映射，得到长度为2nρ调制信号；
步骤10：在步骤9调制信号前面添加长度为2n(1-ρ)的独特字(Unique word，UW)字段，得到长度为2n的信号块；
步骤11：将UW字段的后
Figure BDA0002583703900000058
个采样点添加在步骤10所得信号块的前面，生成物理层信道帧；返回步骤7继续进行下一个物理层信道帧的生成；其中Rs为步骤6中的符号速率，τmax为步骤3中的最大时延扩展参数。
步骤12：将步骤11中的物理层信道帧依次输出到平方根升余弦滤波器、D/A变换模块后得到模拟调制信号。
步骤13：将步骤12中模拟调制信号经过射频信道模块和天线发射出去。
其中，对于步骤10和步骤11生成的物理层信道帧而言，当前的物理层信道帧的独特字前缀和独特字将作为上一个物理层信道帧的循环前缀；下一个物理层信道帧的独特字前缀和独特字将作为当前的物理层信道帧的循环前缀。同时在物理层信道帧内部，UW前缀将作为UW字段的循环前缀。通过这种机制能够避免了作为信道估计的UW字段仍然会受到前面数据带来的码间串扰的问题，提升信道估计与均衡的质量。
现对上述方法的具体原理分析如下：
Figure BDA0002583703900000061
表示第i个分块信号向量，
Figure BDA0002583703900000062
可以表示UW向量，也可以表示物理层信道帧数据部分和下一个物理层信道帧独特字前缀以及该独特字这三个序列组成的向量，其中N表示向量的长度。
Figure BDA0002583703900000063
表示
Figure BDA0002583703900000064
插入循环前缀后的向量，InsertCP表示添加循环前缀操作。
Figure BDA0002583703900000065
其中
Figure BDA0002583703900000066
表示Ng×(N-Ng)维零矩阵，
Figure BDA0002583703900000067
表示Ng×Ng维单位阵，Ng表示添加循环前缀的长度。
Figure BDA0002583703900000068
Figure BDA0002583703900000069
表示接收端向量，
Figure BDA00025837039000000610
表示加性噪声向量，其中H0是Nb×Nb维的下三角矩阵，其中H-1是Nb×Nb维的上三角矩阵，Nb＝N+Ng，如下：
Figure BDA00025837039000000611
Figure BDA00025837039000000612
Figure BDA00025837039000000613
表示
Figure BDA00025837039000000614
删除前缀的向量，RemoveCP表示删除向量，
Figure BDA00025837039000000615
当Ng≥L时，有RemoveCPH-1＝0，L表示信道冲激响应长度，此时，
Figure BDA0002583703900000071
表示如下：
Figure BDA0002583703900000072
Figure BDA0002583703900000073
H作为循环矩阵，则有H＝FHΛF，F是FFT变换矩阵，其第(k,n)个元素
Figure BDA0002583703900000074
Λ是对角矩阵，Λ＝diag(H0,H1,...HN-1)，其中Hk是信道冲激响应矢量的频域系数，
Figure BDA0002583703900000075
Figure BDA0002583703900000076
Figure BDA0002583703900000077
表示
Figure BDA0002583703900000078
的频域变换，
Figure BDA0002583703900000079
表示
Figure BDA00025837039000000710
的频域变换。
可见，无论是UW的循环前缀还是物理层信道帧的循环前缀，都避免了前面数据带来的码间串扰的问题，提升了信道估计与均衡的质量。
采用上述数据发送方式发送端可与现有技术中的接收端配合使用，只需接收端知晓本发送端的物理层信道帧格式，同时知晓发送端的UW字段格式、数据载荷段长度、数据调制方式、信道编码方式、交织方式即可。具体的数据接收方式为本领域技术人员的公知常识，此处不再赘述。
总之，该方法根据系统要求以及传播距离、信道最大时延扩展等参数确定物理层信道帧的符号数量、独特字长度以及有效数据符号的长度比例。数据发送时，信源输出相应的数字信息，然后依次进行编码、交织、调制、插入独特字、插入独特字循环前缀、滤波、D/A变换，最后通过射频信道模块和天线发射出去。本发明能够灵活配置参数，从而可以根据系统要求满足不同传输速率、物理层传输时延、多径最大时延扩展条件下的应用。同时，本方法的信道估计不再受到其他数据带来的码间串扰的问题，提升了系统的性能。

Claims (3)

1.一种用于单载波频域均衡系统发送端的数据发送方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：根据系统最大传输距离确定信号空间传播时延τsapce，根据系统处理器主频时钟确定物理层信号处理时延τprocs，计算空间传播时延τsapce与物理层信号处理时延τprocs之和，作为物理层总时延τtotal；
步骤2：根据系统的物理层传输时延要求τrequire，计算τrequire与物理层总时延τtotal之差，得到物理层的帧长上限FTinf；
步骤3：根据信道传输特性确定信道最大时延扩展参数τmax，再用物理层的帧长上限FTinf减去信道最大时延扩展参数τmax，得到物理层信道帧传输信号的时间FTtrans；
步骤4：根据系统要求的传输速率Rb，计算RbFTtrans，得到物理层信道帧中传输的比特数量Nbits；
步骤5：根据物理层信道帧中传输的比特数量Nbits，计算经过信道编码以及调制后的符号数量Nsym；其中，调制方式采用PSK方式或QAM方式；
步骤6：计算参数n，
Figure FDA0003123388440000011
ρ＝(2m-1)/2m；计算符号速率Rs，
Figure FDA0003123388440000012
其中
Figure FDA0003123388440000013
表示向下取整数，
Figure FDA0003123388440000014
表示向上取整数，参数m为正整数；如果
Figure FDA0003123388440000015
大于2n(1-ρ)，则重新选择参数m，以满足
Figure FDA0003123388440000016
如果Rs大于10Mbps，且2n(1-ρ)小于128，则重新选择参数m，以满足
Figure FDA0003123388440000017
同时产生新的参数ρ；
步骤7：从信源数据中抽取长度为2nρkη-1的数据，进行信道编码，生成长度为2nρk编码信号；其中k表示每一个调制信号包含了k比特信息，η表示编码效率；
步骤8：对步骤7中的编码信号进行交织处理，得到交织信号；
步骤9：对所述交织信号进行调制映射，得到长度为2nρ的调制信号；
步骤10：在所述调制信号前面添加长度为2n(1-ρ)的独特字字段，得到长度为2n的信号块；所述独特字同时满足以下要求：
(1)
Figure FDA0003123388440000021
(2)
Figure FDA0003123388440000022
(3)
Figure FDA0003123388440000023
(4)
Figure FDA0003123388440000024
其中，uw()表示独特字时域序列，UW()表示独特字频域变化序列，c为常数，N表示独特字序列的长度，上标*表示取共轭复数；δ()表示单位阶跃函数，a、d、i、l均为序号；
步骤11：将独特字字段的后
Figure FDA0003123388440000025
个采样点添加到所述信号块的前面，生成物理层信道帧；重复步骤7～11，继续进行后续物理层信道帧的生成；
步骤12：将步骤7～11所生成的物理层信道帧依次输出到平方根升余弦滤波器、D/A变换模块后得到模拟调制信号；
步骤13：将所述模拟调制信号经过射频信道模块和天线发射出去。
2.根据权利要求1所述的一种用于单载波频域均衡系统发送端的数据发送方法，其特征在于，所述步骤1中的物理层信号处理时延τprocs包含发送端处理时间和接收端处理时间，其中，发送端处理时间包含调制、信道编码、信号交织以及信号发送至天线的时间，接收端处理时间包含从天线接收信号、信道解码、信号解交织以及信号解调的时间。
3.根据权利要求1所述的一种用于单载波频域均衡系统发送端的数据发送方法，其特征在于，所述步骤5中符号数量的计算方法为Nsym＝Nbitsk/η，其中k表示每一个调制信号包含了k比特信息，η表示编码效率。
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