带循环前缀的偏移调制正交频分复用传输方法 【技术领域】
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种通信系统发送信号的生成和接收信号的处理方法。
背景技术
正交频分复用(OFDM)具有实现简单，对抗频率选择性衰落较为鲁棒及易于支持多天线技术等优点，因此成为一种支持高速无线通信的有效技术。但是OFDM存在发送信号包络波动大的缺点限制了它的功率效率，尤其是应用在无线通信系统上行链路中。近年来提出的单载波频分多址(SC-FDMA)技术克服了OFDM传输发送信号包络波动大的缺点，又能够用离散傅立叶变换扩展OFDM(DFTS-OFDM)的方法实现，从而成为无线通信上行链路中的关键技术。
在基于DFTS-OFDM的SC-FDMA系统中，在每个用户的发送数据矢量映射到OFDM系统的子载波上之前用DFT矩阵对其进行预编码。由此产生的发送信号，不管是采用峰值平均功率比(PAPR)，或者立方度量(CM)来衡量，均具有较低的包络波动。因此能够在上行链路中获得更高功率效率和信号覆盖。在该系统的接收端，能够使用低复杂度的频域均衡来对抗频率选择性衰落信道引起的符号间干扰。采用频域脉冲成型能够进一步降低发送信号的包络波动。在传统的单载波传输中，虽然发送信号的包络波动随着脉冲成型的滚降因子的增加被降低，但同时也损失了频谱效率。本发明的目的是在不损失频谱效率的前提下降低发送信号的包络波动。
偏移正交幅度调制正交频分复用(OQAM-OFDM)传输在频率选择性信道下通常会丧失正交性，从而在接收端需要更为复杂的均衡方法来消除信道间干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)的影响。这个缺点阻碍了其在实际系统中的应用。本发明基本思路是将循环前缀(CP)引入到OQAM-OFDM传输中，利用循环前缀分块传输和循环卷积的特点，获得低复杂度的均衡方法。
【发明内容】
技术问题：本发明实施例提供一种带循环前缀的偏移调制正交频分复用传输方法，包括发送信号的生成方法和接收信号的处理方法。发送信号的生成方法中采用了偏移正交幅度调制，在保持频谱效率的条件下获得了低信号包络波动性能。在接收端采用迭代检测译码的信号处理方法是传输方法在不损失频谱效率的情况保证了传输的可靠性。循环前缀分块传输的特点使得发送信号的生成方法和接收信号的处理方法均可以采用低复杂度的频域实现方法。采用基于多用户联合频域均衡的迭代接收信号处理方法以较低复杂度保证了传输的可靠性。
技术方案：本发明的一种带循环前缀的偏移调制正交频分复用传输方法包括发送信号的生成方法及接收信号的处理方法，
其中发送信号的生成方法包括以下步骤：
a.将传输的信息比特进行信道编码和符号映射得到实值数字基带调制符号；
b.将基带数字调制符号分为K个流，其中K为正整数；
c将第k个流上基带数字调制符号进行长度为2Nd的串并变换，获得该个流上长度为2Nd的发送符号矢量dk，l，其中Nd为正整数，下标l表示分块的序号，dk，l＝[dk，l(0)，…dk，l(2Nd-1)]T，(·)T表示共轭转置操作；
d.将每个流上的发送符号和该个流的时域脉冲成型滤波器系数进行循环卷积，以偏移正交幅度调制的方式调制到该个流所对应的频段上，得到该流上数字基带信号；
e.将所有的流上的数字基带信号相加合成插入循环前缀前的发送信号；
f.插入循环前缀，得到数字基带发送信号；
其中接收信号的处理方法包括以下步骤：
g.将接收信号去除循环前缀；
h.对接收信号进行针对每个流的带通滤波，多个流联合均衡，解调及译码。
所述K个流的发送符号矢量dk，l，k＝0，…，K-1，生成数字基带发送信号地过程包括以下步骤：
对dk，l的第n个元素乘调制因子n＝0，…2Nd-1，j=-1,]]>然后对得到的矢量进行2Nd点的快速傅立叶变换，得到频域发送信号矢量qk，l，qk，l＝[qk，l(0)，…，qk，l(2Nd-1)]T；
取频域发送信号矢量qk，l的前Nd个信号，并且对其进行共轭对称扩展，得到Ns＝Nd+2Ne维频域扩展后的发送信号矢量pk，l，具体方法如下：
pk,l=[qk,l(Nd-Ne)...qk,l(Nd-1)qk,l*(Nd-1)...,]]>
qk,l*(0)qk,l(0)...qk,l(Ne-1)]T]]>
其中Ne为不大于Nd/2的非负整数；
对频域扩展后的发送信号矢量pk，l的第i个元素乘频域滤波器系数w(i)，然后乘以jk，将其值赋给Nc维矢量xk，l的第个元素，xk，l的其他元素均为0，其中k0为任一整数，Nc为系统总的子载波数，((M))N表示M除以N后的余数；
将每个流上生成的xk，l相加得到xl，进行Nc点的反快速傅立叶变换得到sl，然后串并变换之后插入循环前缀，生成发送信号。
频域滤波器系数w(i)为
其中c(i)=1-cos(π(i+0.5)/2/Ne),]]>0≤i≤2Ne-1，π为圆周率。
本发明基于带循环前缀的偏移调制正交频分复用的多址传输方法包括发送信号的生成方法及接收信号的处理方法，其中第u个用户的发送信号的生成方法包括以下步骤：
4a.将传输的信息比特进行信道编码和符号映射得到实值数字基带调制符号；
4b.将基带数字调制符号进行长度为2Nd的串并变换，获得发送符号矢量du，l；
4c.发送符号和该个用户的脉冲成型滤波器系数进行循环卷积，以偏移正交幅度调制的方式调制到该个用户所对应的频段上，得到该用户的数字基带信号；
4d.插入循环前缀，得到数字基带发送信号；
其中接收信号的处理方法包括：
4e.将接收信号去除循环前缀；
4f.对接收信号进行针对每个用户的带通滤波，多用户联合频域均衡，解调及译码。
所述发送信号的生成方法中发送符号矢量du，l生成数字基带发送信号的过程包括以下步骤：
对du，l的第n个元素乘调制因子n＝0，…2Nd-1，j=-1,]]>然后对得到的矢量进行2Nd点的快速傅立叶变换，得到频域信号矢量qu，l；
取频域发送信号矢量qu，l的前Nd个信号，并且对其进行共轭对称扩展，得到Ns＝Nd+2Ne维频域扩展后的发送信号矢量pu，l，
pu,l=[qu,l(Nd-Ne)...qu,l(Nd-1)qu,l*(Nd-1)...,]]>
qu,l*(0)qu,l(Ne-1)]T]]>
其中Ne为不大于Nd/2的非负整数；对频域扩展后的发送信号矢量pu，l的第i个元素乘频域滤波器系数w(i)，然后乘以ju，将其值赋给Nc维矢量xu，l的第个元素，xu，l的其他元素均为0，其中k0为对所有用户均相同的任一整数，Nc为系统总的子载波数，((M))N表示M除以N后的余数。
接收信号的处理方法中针对每个用户的带通滤波，多用户联合频域均衡，解调及译码步骤采用基于多用户联合均衡的迭代检测译码方法进行处理，具体包括：
对去除循环前缀后的接收信号进行Nc点的快速傅立叶变换过程；
利用先验信息的多用户联合频域均衡过程；
根据均衡输出计算比特对数似然比的软解调过程；
软输入软输出译码过程；
根据译码器输出比特对数似然比计算发送符号的均值和方差重建过程。
利用先验信息的多用户联合频域均衡过程包括：
根据信道参数和发送端子载波映射关系计算接收频域滤波器系数wu，l(i)，u＝0，1，…，K-1，i＝0，…，Ns-1；
根据频域滤波器系数计算联合频域均衡中间系数矢量和u＝0，1，…，K-1，t＝1，2，3；
根据每个用户带通后的信号，频域均衡中间系数矢量和计算联合频域均衡中间信号矢量u＝0，1，…，K-1，t＝1，2，3；根据联合频域均衡中间系数矢量、联合频域均衡中间信号矢量，噪声方差，重建的发送符号的均值和平均方差，第u个用户均衡输出和
所述的接收信号处理方法，其特征在于利用先验信息的多用户联合频域均衡过程包括：
计算接收频域滤波器系数wu，l(i)，u＝0，1，…，K-1，i＝0，…，Ns-1，
wu,l(i)=juw(i)ξu,l(Mu-1(i)),]]>
其中ξu，l(n)为第u个用户，第l块，第n个子载波的信道参数，Mu(i)表示一个映射，即将第Mu(i)个频域信号映射到第i个子载波上，Mu-1(i)表示其逆映射；
计算联合频域均衡中间系数矢量和u＝0，1，…，K-1，t＝1，2，3，
c~u,l(2)=c~u,l(1)+Q~c~u,l(1),]]>
c^u,l(3)=-Γuc^u,l(2),]]>
其中为接收频域滤波器系数矢量，wu，l(L)和wu，l(R)均为2Ne维的矢量，(·)*表示取共轭操作，diag(A，B)表示将矩阵A和B构成的块对角矩阵；ση2为接收端白噪声方差，JN表示N点的反恒等变换阵，为第u个用户的平均方差，和是Nd维矢量满足[(c~u,l(2,L))T(c~u,l(2,R))T]T=c~u,l(2),]]>且
Q~=J2Nd-2NeJ2Ne]]>
计算联合频域均衡中间信号矢量u＝0，1，…，K-1，t＝1，2，3，
p^u,l(1)=QTW~2Ndμu,l,]]>
其中yu，l表示第u个用户所对应的频域接收信号矢量，
Q=0INeI2Nd-Ne0,]]>
W~2Nd=W2NdΘ,]]>为2Nd点归一化DFT变换矩阵，Θ为一对角阵且其第n个对角元素为
计算第u个用户均衡输出和
Ω‾u=1-ση22Ndv‾u11×2Ndc~u,l(3),]]>
d^u,l′=W~2NdHQp^u,l(3)+Ω‾uμu,l,]]>
其中(·)H表示共轭转置操作，1M×N表示M行N列的元素1矩阵，μu，l表示第u个用户第l块的重建的符号均值矢量。
有益效果：本发明带循环前缀的偏移调制正交频分复用所采用的发送信号生成方法生成的带循环前缀的偏移调制正交频分复用发送信号，在保持频谱效率的条件下获得了低信号包络波动性能。本发明也采用了基于多用户联合频域均衡的迭代接收信号处理方法以较低复杂度保证了传输的可靠性。
【附图说明】
图1为带循环前缀的偏移调制正交频分复用发送信号生产方法框图；
图2为带循环前缀的偏移调制正交频分多址传输单个用户发送信号生产方法框图；
图3为带循环前缀的偏移调制正交频分多址传输接收方法框图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明实施例偏移正交幅度调制的循环前缀OFDM传输方法进行详细描述。
本发明实施例提供的带循环前缀的偏移调制正交频分复用传输方法，可以作为一个完整的发送和接收基带信号处理方法应用于通过有线或无线信道的通信系统。令经过基带映射后的实值基带调制符号序列为d(m)，将其分为K个不同的流，每个流上的信号分割为长度为2Nd的块。令符号间间隔时间为T/2，系统的总带宽为B，则需满足Nd/T≤B。设OFDM总的子载波数为Nc。因此用符号矢量dk，l来表示第k个流上第l块符号矢量的。如图1所示，为本发明实施例的提供的发送信号的生成方法，该方法包括以下内容。
101：广义离散傅立叶变换(GDFT)
在本发明实施例中，GDFT操作为对dk，l的第m个元素即dk，l(m)乘调制因子然后进行2Nd点的FFT变换，得到第k个流上第l块的2Nd维频域信号矢量qk，l。
102：共轭对称扩展，频域滤波和子载波映射
在本发明实施例中，共轭对称扩展取频域信号矢量qk，l的前Nd个信号，并且对其进行共轭对称扩展，得到第k个流上第l块的Ns＝Nd+2Ne维频域扩展后的发送信号矢量pk，l，即
pk,l=[qk,l(Nd-Ne)...qk,l(Nd-1)qk,l*(Nd-1)...]]>
qk,l*(0)qk,l(0)...qk,l(Ne-1)]T.]]>
其中Ne为整数且满足0≤Ne≤Nd/2，而2Ne/Nd称为系统的滚降因子。
在本发明实施例中，频域滤波是对共轭对称扩展后的频域信号pk，l(i)和频域滤波器系数w(i)进行点乘，然后乘以jk，将其值赋给第k个流所对应的一组子载波，即
其中Mk(i)表示一个映射，即将第Mk(i)个频域信号映射到第i个OFDM子载波上，Ik表示第k个流所占用的子载波的序号集合。在本发明的实施例中，w(i)的值为
其中c(i)=1-cos(π(i+0.5)/2/Ne),]]>0≤i≤2Ne-1。将所有K个流的频域信号相加得到频域发送信号，即
xl(n)=Σk=0K-1xk,l(n),]]>n＝0，…，Nc-1。
第l块的频域发送信号的矢量形式用xl＝[xl(0)，xl(1)，…，xl(Nc-1)]T来表示。
103：反快速傅立叶变换
在本发明实施例中，对频域发送信号矢量xl进行Nc点反快速傅立叶变换以完成多载波调制，得到第l块的时域信号sl。
104：插入循环前缀
在本发明实施例中，插入循环前缀的过程为将sl的最后Ng个信号放到sl的前面，生成发送端的发送信号。
本发明实施例提供了一种支持K个用户的偏移正交幅度调制的循环前缀正交频分多址传输方法，可以应用于多个无线终端例如手机到基站的通信。不同用户采用占用不同的频带以获得频分多址，其中第u个用户占用的归一化中心频率fu为fu＝u/K+f0，其中0≤f0≤1/K。假设采用该传输方法的通信系统系统共有Nc个子载波，则KNd＝Nc。由于无线信道存在着频率选择性衰落，因此破坏了在接收端不同用户信号之间的正交性。而频率选择性衰落也会引起单个用户的符号间干扰，因此需要采用多用户联合均衡的方法去除多用户干扰和符号间干扰。为了抵抗噪声和干扰，通信系统通常采用差错控制编码。在基站侧的信号接收端，检测器同译码器迭代工作的迭代检测译码接收机中，检测器是软输入软输出的。其中，软输入软输出表示检测器不仅能够输出软信息至译码器，而且能够使用译码器反馈的软信息作为先验信息输入检测器。
如图2所示，为本发明实施例的提供的第u个用户发送信号的生成方法，该方法包括以下内容。
201：信源
在本发明的实施例中，信源生成二进制符号0，1构成的比特序列，表示待传输的信息。
202：差错控制编码，比特交织和符号映射
在本发明的实施例中，差错控制编码为将二进制比特序列加入冗余信息，获得编码比特的过程，包括众所周知的卷积码，涡轮(Turbo)码和低密度奇偶校验(LDPC)码等。比特交织为将编码比特以一定的规则打乱顺序，可以采用质数交织器，随机交织器等。符号映射用脉冲幅度调制将二进制比特序列映射为实值的基带符号。将映射后的符号分为长度为2Nb的块，用du，l(m)表示第u个用户第l块的第m个信号，其矢量形式用2Nb维矢量du，l来表示。
203：广义离散傅立叶变换(GDFT)
在本发明实施例中，GDFT操作为对du，l的第m个元素即du，l(m)乘调制因子然后进行2Nd点的FFT变换，得到第u个用户第l块的2Nd维频域信号矢量qu，l。
204：共轭对称扩展，频域滤波和子载波映射
在本发明实施例中，共轭对称扩展取频域信号矢量qu，l的后Nd个信号，并且对其进行共轭对称扩展，得到第个流上第l块的Ns＝Nd+2Ne维频域扩展后的发送信号矢量pu，l，即
pu,l=[qu,l(Nd-Ne)...qu,l(Nd-1)qu,l*(Nd-1)...]]>
qu,l*(0)qu,l(0)...qu,l(Ne-1)]T.]]>
其中Ne为整数且满足0≤Ne≤Nd/2，而2Ne/Nd称为系统的滚降因子。频域滤波是对共轭对称扩展后的频域信号pu，l(i)和频域滤波器系数w(i)进行点乘，然后乘以ju，将其值赋给第u个用户所对应的一组子载波，即
其中Mu(i)表示一个映射，即将第Mu(i)个频域信号映射到第i个OFDM子载波上，Iu表示第u个流所占用的子载波的序号集合。在本发明的实施例中，w(i)的值为
其中c(i)=1-cos(π(i+0.5)/2/Ne),]]>0≤i≤2Ne-1。
205：反快速傅立叶变换
在本发明实施例中，对频域发送信号矢量xu，l进行Nc点反快速傅立叶变换以完成多载波调制，得到第u个用户第l块的时域信号su，l。
206：插入循环前缀
在本发明实施例中，插入循环前缀的过程为将su，l的最后Ng个信号放到su，l的前面，生成第u个用户第l块的发送信号。
如图3所示，为本发明实施例的提供的基站侧的接收信号处理方法，该方法包括以下内容。
301：去除循环前缀
在本发明实施例中，去除循环前缀的过程为将接收信号分割为长度为Ng+Nc的块，取后Nc个信号，得到第l块的Nc维时域接收信号矢量rl。
302：快速傅立叶变换
在本发明实施例中，对rl进行Nc点的快速傅立叶变换，得到Nc维频域接收信号矢量yl。
303：利用先验信息的多用户联合频域均衡
在本发明实施例中，软输入表示均衡器能够使用译码器反馈的软信息作为先验信息输入以提高信息量。在本发明实施例中，软输入均衡的输入频域接收信号矢量yl，软调制器重建的。多用户联合软输入软输出均衡包括以下几个步骤：
1)计算接收频域滤波器系数wu，l(i)，u＝0，1，…，K-1，i＝0，…，Ns-1，
wu,l(i)=juw(i)ξu,l(Mu-1(i)),]]>
其中ξu，l(n)为第u个用户，第l块，第n个子载波的信道参数，Mu(i)表示一个映射，即将第Mu(i)个频域信号映射到第i个子载波上，Mu-1(i)表示其逆映射；
2)计算联合频域均衡中间系数矢量和u＝0，1，…，K-1，
t＝1，2，3，
c~u,l(2)=c~u,l(1)+Q~c~u,l(1),]]>
c^u,l(3)=-Γuc^u,l(2),]]>
其中为接收频域滤波器系数矢量，wu，l(L)和wu，l(R)均为2Ne维的矢量，(·)*表示取共轭操作，diag(A，B)表示将矩阵A和B构成的块对角矩阵；ση2为接收端白噪声方差，JN表示N点的反恒等变换阵，为第u个用户的平均方差，和是Nd维矢量满足
[(c~u,l(2,L))T(c~u,l(2,R))T]T=c~u,l(2),]]>且
Q~=J2Nd-2NeJ2Ne]]>
3)计算联合频域均衡中间信号矢量u＝0，1，…，K-1，t＝1，2，3，
p^u,l(1)=QTW~2Ndμu,l,]]>
其中yu，l表示第u个用户所对应的频域接收信号矢量，
Q=0INeI2Nd-Ne0,]]>
W~2Nd=W2NdΘ,]]>为2Nd点归一化DFT变换矩阵，Θ为一对角阵且其第n个对角元素为
4)计算第u个用户均衡输出和
Ω‾u=1-ση22Ndv‾u11×2Ndc~u,l(3),]]>
d^u,l′=W~2NdHQp^u,l(3)+Ω‾uμu,l,]]>
其中(·)H表示共轭转置操作，1M×N表示M行N列的元素1矩阵，μu，l表示第u个用户第l块的重建信号均值。
304：软解调
在本发明实施例中，软解调过程为根据联合频域均衡的输出和计算每个编码比特的对数似然比，送给解交织器。比特bi的对数似然比由以下公式计算
其中α为du，l(m)所有可能的取值，且
305：软输入软输出译码
在本发明实施例中，软输入软输出译码过程为根据发送端不同的编码方式和软解调器输出的编码比特的似然比，计算新的似然比，输出给译码器。例如卷积码的软输出维特比译码，Turbo码的迭代译码等等。
306：解交织
在本发明实施例中，解交织为发送端比特交织的逆过程。
307：交织
在本发明实施例中，交织即按照发送端比特交织的顺序对译码输出似然比进行交织。
308：均值方差重建
在本发明实施例中，均值方差重建过程为根据交织后的似然比和发送端的符号映射计算符号的均值和平均方差。令bj，j＝1，…，Mc为映射到符号du，l(m)的Mc个比特，Lc(bj)为对应的译码输出似然比，则du，l(m)的均值μ(m)和v(m)根据以下计算
μ(m)=Σα∈χαP(du,l(m)=α)]]>
其中
平均方差计算方法为
v‾=12NdΣk=02Nd-1v(m).]]>
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法，在没有超过本申请的精神和范围内，可以通过其他的方式实现。当前的实施例只是一种示范性的例子，不应该作为限制，所给出的具体内容不应该限制本申请的目的。例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
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。