CN111917522B - 一种抗干扰宽带单载波空时编码传输方法 - Google Patents

一种抗干扰宽带单载波空时编码传输方法 Download PDF

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CN111917522B CN202010613912.1A CN202010613912A CN111917522B CN 111917522 B CN111917522 B CN 111917522B CN 202010613912 A CN202010613912 A CN 202010613912A CN 111917522 B CN111917522 B CN 111917522B
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Abstract

一种抗干扰宽带单载波空时编码传输方法，属于无线数据传输技术领域，其特征在于，发送端两天线，对待发送信号进行空时编码，并引入独特字；接收端多天线，截取各路接收天线接收的导频信号，对其中一条发送天线发送的已知导频信号进行循环移位并添加系数，通过求解最优化问题获得相应的最优自适应权值和系数矢量；利用所得最优自适应权值和系数矢量建立一个等效模型，在此模型的基础上获取后续信号的发射分集。本发明在传统的单载波均衡系统空时编码方法的基础上进一步提高了系统性能。在存在外界干扰的情况下，本发明所提方法表现出了良好干扰抑制能力，有效提高了通信链路在复杂电磁环境中的生存能力。

Description

一种抗干扰宽带单载波空时编码传输方法
技术领域
本发明属于无线数据传输技术领域，涉及一种抗干扰宽带单载波空时编码传输方法。
背景技术
在无线通信中，电磁波从发射端到接收端的空间传播过程会因为遇到各种障碍物而产生无数条不同的路径，多条路径的到达延时不一样，对信号的衰落也不一样，从而带来无线信道的多径衰落。码间干扰就是多径衰落导致发送的符号通过无线信道发生畸变无法正常判断的情况。要实现无线通信的高速稳定传输需要克服由多径衰落引起的码间干扰，如何克服多径衰落引起的码间干扰也是近年来无线通信领域的一大研究热点。
单载波频域均衡通过插入循环前缀，然后在频域实现低复杂度的均衡补偿信道的影响，从而有效的对抗无线信道高速传输带来的码间干扰，单载波频域均衡拥有与正交频分复用技术相似的抗多径性能，并且克服了多载波调制具有的高峰均功率比和频偏敏感特性的不足。此外，在信息论中的相关研究表明，在不同的发射天线与不同的接收天线相互正交的情况下，多天线系统能在使用同一频谱的情况下显著提高通信系统的容量和抗噪声抗信道衰落的性能。多天线技术主要包括空间复用，空间分集和空间预编码技术等，其中空间分集技术以空时编码技术为代表。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种抗干扰宽带单载波空时编码传输方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方法予以实现：
一种抗干扰宽带单载波空时编码传输方法，包括以下步骤：
步骤(1)，对待发送信号进行符号映射并引入独特字后，进行空时编码后发送；
步骤(2)，接收端多天线截取各接收天线接收到的导频信号，对频域自适应权值引入时域约束后，再对一条发送天线发送的导频信号进行循环移位并添加系数，通过求解最优化问题获得相应的最优自适应权值和系数矢量；
步骤(3)，利用步骤(2)所得的最优自适应权值和系数矢量建立信道模型，根据信道模型获取后续信号的发射分集。
本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，引入独特字的具体过程如下：
独特字包括第一独特字u与第二独特字v，第一独特字与第二独特字的长度相同。
本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，空时编码待发送信号具体为：第一个数据块为
Figure BDA0002563099950000021
第二个数据块为
Figure BDA0002563099950000022
在Alamouti编码的基础上，对第一数据块和第二数据块进行空时编码，编码后各天线发送数据信号如下：
第一发送天线发送数据信号为
Figure BDA0002563099950000023
第二发送天线发送数据信号为
Figure BDA0002563099950000024
其中，
Figure BDA0002563099950000025
表示第一独特字u的共轭反转，
Figure BDA0002563099950000026
表示第二独特字v的共轭反转，
Figure BDA0002563099950000027
表示第一个数据块
Figure BDA0002563099950000028
的共轭反转，
Figure BDA0002563099950000029
表示第二个数据块x2的共轭反转。
本发明进一步的改进在于，步骤(2)的具体过程如下：
接收端多天线截取各路天线接收到的导频信号，并将接收到的导频信号转至频域，得到第m根接收天线接收到的频域导频信号
Figure BDA00025630999500000210
通过式(3)求解最优化问题，获得相应的自适应权值和系数矢量；
Figure BDA0002563099950000031
通过式(3)得到最优自适应权值和系数矢量
Figure BDA0002563099950000032
其中，R为自相关矩阵，p为互相关矢量；F为NFFT×NFFT维归一化DFT矩阵；NFFT为均衡块长度，
Figure BDA0002563099950000033
Y0,1为第1根接收天线接收到的频域导频信号，Y0,2为第2根接收天线接收到的频域导频信号，Y0,M为第M根接收天线接收到的频域导频信号，FQ为时域约束，w为最优时域自适应权值，s1为第一发送天线发送导频信号，
Figure BDA0002563099950000034
Figure BDA0002563099950000035
为对第二发送天线发送导频信号s2循环上移B个元素后形成的矢量，
Figure BDA0002563099950000036
为对第二发送天线发送导频信号s2循环上移(B-1)个元素后形成的矢量，
Figure BDA0002563099950000037
为对第二发送天线发送导频信号s2循环下移(B-1)个元素后形成的矢量，
Figure BDA0002563099950000038
为对第二发送天线发送导频信号s2循环下移B个元素后形成的矢量，B为循环移位元素的最大数值，B＜NFFT，α为系数矢量，s1为第一发送天线发送导频信号。
本发明进一步的改进在于，步骤(3)中，信道模型为：
Figure BDA0002563099950000039
其中，F为NFFT×NFFT维归一化DFT矩阵；NFFT为均衡块长度，
Figure BDA00025630999500000310
Y0,1为第1根接收天线接收到的频域导频信号，Y0,2为第2根接收天线接收到的频域导频信号，Y0,M为第M根接收天线接收到的频域导频信号，FQ为时域约束，w为最优时域自适应权值，s1为第一发送天线发送导频信号，
Figure BDA00025630999500000311
Figure BDA00025630999500000312
为对第二发送天线发送导频信号s2循环上移B个元素后形成的矢量，
Figure BDA00025630999500000313
为对第二发送天线发送导频信号s2循环上移(B-1)个元素后形成的矢量，
Figure BDA00025630999500000314
为对第二发送天线发送导频信号s2循环下移(B-1)个元素后形成的矢量，
Figure BDA00025630999500000315
为对第二发送天线发送导频信号s2循环下移B个元素后形成的矢量，B为循环移位元素的最大数值，α为系数矢量。
本发明进一步的改进在于，步骤(3)中，根据信道模型获取后续信号的发射分集的具体过程为：根据信道模型对后续信号进行空时译码后，去除独特字部分，解符号映射恢复相应二进制数据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
与单载波频域均衡相比，本发明所提方法通过对待发送信号进行空时编码设计和引入独特字的方法，获得了分集增益，进一步降低了系统误码率并提高了系统抗多径衰落的能力；与传统的单载波频域均衡系统空时编码方法相比，本发明所提方法通过对频域自适应权值引入时域约束，降低了求逆矩阵的维度，在一定程度上降低了系统的计算复杂度；并且通过引入系数矢量的方法，对单载波多天线系统进行了优化，进一步降低了系统的误码率，提高了系统性能；此外，在存在外界干扰的情况下，本发明所提方法表现出了可靠的抗干扰特性，能在复杂的电磁环境中实现可靠的信号传输，有效提高了通信链路在复杂电磁环境中的生存能力。
附图说明
图1为本发明采用的系统模型框图；
图2为本发明采用的空时编码传输帧结构图；
图3为本发明的实施例的流程示意图；
图4为本发明的实施例BER性能示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
基于单载波频域均衡系统的研究现状，考虑空地通信的信道特点，单载波频域均衡和多天线技术相结合的方法可以进一步提高频谱利用率，提高系统抗多径衰落抗外界干扰能力。单载波频域均衡和多天线技术相结合是未来高速无线通信中一个很有竞争力的方法。
本发明的一种抗干扰宽带单载波空时编码传输方法，包括以下步骤：
步骤(1)，发射端两天线，发射端对待发送信号进行符号映射并引入独特字后，进行空时编码，发送至接收端；
其中，空时编码和引入独特字的方式如下：
独特字包括第一独特字
Figure BDA0002563099950000051
与第二独特字
Figure BDA0002563099950000052
第一独特字与第二独特字的长度相同，其中NUW为第一独特字的长度，
Figure BDA0002563099950000053
表示NUW×1维矩阵；
第一发送天线发送导频信号为s1，
Figure BDA0002563099950000054
第二发送天线发送导频信号为s2，
Figure BDA0002563099950000055
其中NFFT为均衡块长度，s1和s2的后NUW个元素为第一独特字u，
Figure BDA0002563099950000056
表示NFFT×1维矩阵；
以前两个数据块为例，随后的数据块采用和这两个数据块相同的空时编码方式；第一个数据块为
Figure BDA0002563099950000057
第二个数据块为
Figure BDA0002563099950000058
在Alamouti编码的基础上，对第一数据块和第二数据块进行空时编码，编码后各天线发送数据信号如下：
第一发送天线发送数据信号
Figure BDA0002563099950000059
第二发送天线发送数据信号
Figure BDA00025630999500000510
其中，
Figure BDA00025630999500000511
表示第一独特字u的共轭反转，
Figure BDA00025630999500000512
表示第二独特字v的共轭反转，
Figure BDA00025630999500000513
表示第一个数据块x1的共轭反转，
Figure BDA00025630999500000514
表示第二个数据块x2的共轭反转，此空时编码方式可获得分集增益。
步骤(2)，接收端多天线截取各接收天线接收到的导频信号，对频域自适应权值引入时域约束后，再对步骤(1)中其中一条发送天线发送的已知导频信号进行循环移位并添加系数，通过求解最优化问题获得相应的最优自适应权值和系数矢量；具体过程如下：
Figure BDA0002563099950000061
为第m根接收天线第j块频域接收矢量，m＝{1,...,M}；
Figure BDA0002563099950000062
为第m根接收天线接收到的频域导频信号，m＝{1,...,M}；
Figure BDA0002563099950000063
为对第二发送天线发送导频信号s2循环下移i个元素后形成的矢量，若i＜0，则为循环上移，i为循环移位相关系数，-B≤i≤B；
接收端多天线截取各路天线接收到的导频信号，并将接收到的导频信号转至频域，得到第m根接收天线接收到的频域导频信号
Figure BDA0002563099950000064
通过求解最优化问题获得相应的自适应权值和系数矢量：
Figure BDA0002563099950000065
其中，Wm为第m条天线的频域自适应权值；
Figure BDA0002563099950000066
αi为对第二发送天线发送导频信号s2循环下移i个元素后形成的矢量
Figure BDA0002563099950000067
的系数；
F为NFFT×NFFT维归一化DFT矩阵；
M为接收端接收天线数；
Y0,m为第m根接收天线接收到的频域导频信号；
s1为第一发送天线发送导频信号；
Figure BDA0002563099950000068
为对第二发送天线发送导频信号s2循环下移i个元素后形成的矢量；
B为循环移位元素的最大数值，B＜NFFT；
对第m条天线的频域自适应权值Wm引入时域约束FQ，得到Wm＝FQwm，其中FQ为由NFFT×NFFT维归一化DFT矩阵F的第一列和后NQ列矢量组成，(NQ+1)为时域约束FQ的列数，有
Figure BDA0002563099950000069
wm为第m条天线的频域自适应权值Wm对应的时域自适应权值；
将Wm＝FQwm代入式(1)，可得：
Figure BDA0002563099950000071
令，
Figure BDA0002563099950000072
Figure BDA0002563099950000073
定义，
时域自适应权值
Figure BDA00025630999500000710
系数矢量α＝[α-B α-B+1 … αB-1 αB]T；B为循环移位元素的最大数值，B＜NFFT。
可将式(2)简化为以下形式：
Figure BDA0002563099950000074
通过式(3)可得最优自适应权值和系数矢量
Figure BDA0002563099950000075
其中，自相关矩阵
Figure BDA0002563099950000076
互相关矢量
Figure BDA0002563099950000077
Figure BDA0002563099950000078
为组合矩阵。
步骤(3)，利用步骤(2)所得的最优自适应权值和系数矢量建立一个信道模型，在此模型的基础上获取后续信号的发射分集。具体过程如下：
将所得的最优自适应权值w进行多通道合并后，在理想情况下对于导频所得到的信道模型可以表示为：
Figure BDA0002563099950000079
该信道模型等价于：两条发送天线发送两个不同的数据流，其中一条天线发送的数据流为第一发送天线发送导频信号s1，信道响应为1，另一条天线发送的数据流为第二发送天线发送导频信号s2，信道响应为系数矢量α；在此信道模型的基础上对后续信号进行空时译码后，去除独特字部分，解符号映射即可恢复相应二进制数据。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明适用的系统模型参见图1。在本发明采用的无线通信模型中，发射端两天线，接收端为由M天线组成的天线阵列，实施例中M＝4。无线信道模型是服从瑞利衰落的多径延时信道。
图2为本发明采用的空时编码传输帧结构图。图中
Figure BDA0002563099950000081
和
Figure BDA0002563099950000082
为两个独特字，其中NUW为独特字长度。
Figure BDA0002563099950000083
为发送天线1发送导频信号，
Figure BDA0002563099950000084
为发送天线2发送导频信号，其中NFFT为均衡块长度，s1和s2的后NUW个元素为独特字u。图中展示了前两个数据块
Figure BDA0002563099950000085
和
Figure BDA0002563099950000086
的空时编码情况，在Alamouti编码的基础上对数据块进行空时编码，后续数据块采用和x1，x2相同的空时编码方式。其中，
Figure BDA0002563099950000087
和
Figure BDA0002563099950000088
分别表示u，v，x1和x2的共轭反转。记u＝[u(0) u(1) … u(NUW-1)]T，其反转矢量表示为
Figure BDA0002563099950000089
在实施例中，独特字长度NUW＝64，均衡块长度NFFT＝512，均采用QPSK调制。
图3为本发明所提抗干扰宽带单载波空时编码传输方法的实施例示意图。与传统单载波频域均衡系统空时编码方法的不同之处在于，最优自适应权值和系数矢量的计算以及后续的等效模型建立，其具体实施步骤如下：
Figure BDA00025630999500000810
为第m根接收天线第i块频域接收矢量，m＝{1,...,M}，
Figure BDA00025630999500000811
为第m根接收天线接收到的频域导频信号，m＝{1,...,M}，
Figure BDA00025630999500000812
为对导频信号s2循环下移i个元素后形成的矢量，若i＜0，则为循环上移。
截取各路天线接收到的导频信号，并将接收到的导频信号转至频域，即得到Y0,m，通过求解最优化问题获得相应自适应权值和系数：
Figure BDA00025630999500000813
其中，F为NFFT×NFFT维归一化DFT矩阵，
Figure BDA0002563099950000091
为第m条天线的频域自适应权值，
B为循环移位元素的最大数值，B＜NFFT，
αi为对应矢量
Figure BDA0002563099950000092
的系数。
对第m条天线的频域自适应权值Wm引入时域约束FQ，得到Wm＝FQwm，其中
Figure BDA0002563099950000093
由F的第一列和后NQ列矢量组成，wm为Wm对应的时域自适应权值；将Wm＝FQwm代入式(1)，可得：
Figure BDA0002563099950000094
令，
Figure BDA0002563099950000095
Figure BDA0002563099950000096
时域自适应权值
Figure BDA00025630999500000911
系数矢量α＝[α-B α-B+1 … αB-1 αB]T。
可将式(2)简化为以下形式：
Figure BDA0002563099950000097
通过式(3)可得最优自适应权值和系数矢量
Figure BDA0002563099950000098
其中，自相关矩阵
Figure BDA0002563099950000099
互相关矢量
Figure BDA00025630999500000910
将所得的最优自适应权值w进行多通道合并后，在理想情况下对于导频所得到的信道可以表示为：
Figure BDA0002563099950000101
等价于发射数据流s1的信道为1，发射数据流s2的信道为一个多抽头的频选信道α。在此模型的基础上获取后续信号的发射分集。
在实施例中，循环移位元素的最大数值B＝30，时域约束矩阵FQ的列数(NQ+1)＝30。
图4为本发明所提抗干扰宽带单载波空时编码传输方法的实施例BEM性能示意图。综上所述，实施例参数设置如下：发射端两天线，接收端为由M＝4天线组成的天线阵列；独特字长度NUW＝64，均衡块长度NFFT＝512，均采用QPSK调制；循环移位元素的最大数值B＝30，时域约束矩阵FQ的列数(NQ+1)＝30。此外，存在外界干扰时，信干比SIR＝0dB。图中对比方法为传统的单载波频域均衡与空时编码结合方法，其参数设置与本发明所提方法相同，为公平对比，对二者的频域自适应权值进行相同时域约束。从仿真结果可以看出，不管外界干扰存在与否，本发明方法均表现出了优于对比方法的优良性能；当存在外界干扰时，对比方法性能迅速下降，而所提方法对外界干扰则表现出了一定的鲁棒性，有效提高了通信链路在复杂电磁环境中的生存能力。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种抗干扰宽带单载波空时编码传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，对待发送信号进行符号映射并引入独特字后，进行空时编码后发送；其中，空时编码待发送信号具体为：第一个数据块为
Figure FDA0003001890410000011
第二个数据块为
Figure FDA0003001890410000012
在Alamouti编码的基础上，对第一数据块和第二数据块进行空时编码，编码后各天线发送数据信号如下：
第一发送天线发送数据信号为
Figure FDA0003001890410000013
第二发送天线发送数据信号为
Figure FDA0003001890410000014
其中，
Figure FDA0003001890410000015
表示第一独特字u的共轭反转，
Figure FDA0003001890410000016
表示第二独特字v的共轭反转，
Figure FDA0003001890410000017
表示第一个数据块x1的共轭反转，
Figure FDA0003001890410000018
表示第二个数据块x2的共轭反转；
步骤(2)，接收端多天线截取各接收天线接收到的导频信号，对频域自适应权值引入时域约束后，再对一条发送天线发送的导频信号进行循环移位并添加系数，通过求解最优化问题获得相应的最优自适应权值和系数矢量；具体过程如下：
接收端多天线截取各路天线接收到的导频信号，并将接收到的导频信号转至频域，得到第m根接收天线接收到的频域导频信号Y0,m，
Figure FDA0003001890410000019
通过式(3)求解最优化问题，获得相应的自适应权值和系数矢量；
Figure FDA00030018904100000110
通过式(3)得到最优自适应权值和系数矢量
Figure FDA00030018904100000111
其中，R为自相关矩阵，p为互相关矢量；F为NFFT×NFFT维归一化DFT矩阵；NFFT为均衡块长度，
Figure FDA0003001890410000021
Y0,1为第1根接收天线接收到的频域导频信号，Y0,2为第2根接收天线接收到的频域导频信号，Y0,M为第M根接收天线接收到的频域导频信号，FQ为时域约束，w为最优时域自适应权值，s1为第一发送天线发送导频信号，
Figure FDA0003001890410000022
Figure FDA0003001890410000023
为对第二发送天线发送导频信号s2循环上移B个元素后形成的矢量，
Figure FDA0003001890410000024
为对第二发送天线发送导频信号s2循环上移(B-1)个元素后形成的矢量，
Figure FDA0003001890410000025
为对第二发送天线发送导频信号s2循环下移(B-1)个元素后形成的矢量，
Figure FDA0003001890410000026
为对第二发送天线发送导频信号s2循环下移B个元素后形成的矢量，B为循环移位元素的最大数值，B<NFFT，α为系数矢量，s1为第一发送天线发送导频信号；步骤(3)，利用步骤(2)所得的最优自适应权值和系数矢量建立信道模型，根据信道模型获取后续信号的发射分集；其中，信道模型为：
Figure FDA0003001890410000027
其中，F为NFFT×NFFT维归一化DFT矩阵；NFFT为均衡块长度，
Figure FDA0003001890410000028
Y0,1为第1根接收天线接收到的频域导频信号，Y0,2为第2根接收天线接收到的频域导频信号，Y0,M为第M根接收天线接收到的频域导频信号，FQ为时域约束，w为最优时域自适应权值，s1为第一发送天线发送导频信号，
Figure FDA0003001890410000029
Figure FDA00030018904100000210
为对第二发送天线发送导频信号s2循环上移B个元素后形成的矢量，
Figure FDA00030018904100000211
为对第二发送天线发送导频信号s2循环上移(B-1)个元素后形成的矢量，
Figure FDA00030018904100000212
为对第二发送天线发送导频信号s2循环下移(B-1)个元素后形成的矢量，
Figure FDA00030018904100000213
为对第二发送天线发送导频信号s2循环下移B个元素后形成的矢量，B为循环移位元素的最大数值，α为系数矢量。
2.根据权利要求1所述的一种抗干扰宽带单载波空时编码传输方法，其特征在于，步骤(1)中，引入独特字的具体过程如下：
独特字包括第一独特字u与第二独特字v，第一独特字与第二独特字的长度相同。
3.根据权利要求1所述的一种抗干扰宽带单载波空时编码传输方法，其特征在于，步骤(3)中，根据信道模型获取后续信号的发射分集的具体过程为：根据信道模型对后续信号进行空时译码后，去除独特字部分，解符号映射恢复相应二进制数据。
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