CN113079122A - 截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法 - Google Patents
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Abstract
截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,它属于无线通信技术领域。本发明解决了采用传统导频的压缩OFDM系统中,被压缩的导频经重构后无法消除自干扰,进而导致对信道估计的准确性差的问题。本发明针对压缩OFDM传输方法引入的自干扰影响导频辅助的信道估计的准确性问题,通过设计隔点置零的导频序列,降低压缩导频的畸变程度,提升信道估计的准确性。本发明可以应用于截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,具体涉及一种截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法。
背景技术
随着通信系统的日益发展,海量数据对通信资源的需求量随之增长,5G通信高通量场景对于高效传输的需求推动了信号编码、调制技术、滤波器设计等一系列高频谱效率传输技术的发展。对于OFDM系统而言,由于正交系统满足奈奎斯特准则,通信效率主要靠增加调制阶数,减少循环前缀、保护间隔,或降低带外辐射等手段来提升,但这些手段也有相应的局限性。例如,高阶调制使得信号对噪声更加敏感,并且对通信设备的要求更高。此外,这些技术也不能实现从符号量级提升传输效率。由此,OFDM信号的截断与外推重构方法应运而生,该方法是基于OFDM信号频带受限(带限)的特性,结合了带限信号外推思想而形成的一种新的高效传输方法。在发送端,对原始的OFDM信号截断后并发送;在接收端,通过对接收到的部分信号反复应用傅里叶变换及反变换、滤波、替换的迭代过程重构出整段OFDM信号。该方法能提升通信效率的代价与前提是通过发送端对原始信号截断,引入自干扰为代价,但接收端的重构过程基于外推方法恢复信号,尽量减少自干扰引起的信号畸变。
众所周知,信道估计是使得后续信号检测及译码过程的基础,在截断与外推重构多载波传输中,信道估计更是准确重构的基础。常用于OFDM信道估计的导频包括块状导频、梳状导频等。块状导频可视作一个完整的OFDM符号,每个OFDM符号的所有子载波都用于传输导频符号,它能够准确地估计带宽内各子载波上的信道信息,适用于频率选择性信道;而梳状导频能够更适应快时变信道的变化,但需要通过内插的方法得到整个频带内的信道信息。对于压缩OFDM系统而言,也可以采用导频辅助的信道估计方法。如果将导频信号与发送的数据一起进行压缩传输,势必会产生导频所在频点上的自干扰,而这种自干扰会对信道估计结果产生难以消除的影响,针对此问题尚未存在相应的导频插入方法设计。
发明内容
本发明的目的是为解决采用传统导频的压缩OFDM系统中,被压缩的导频经重构后无法消除自干扰,进而导致对信道估计的准确性差的问题,而提出了一种截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是:
基于本发明的一个方面,一种截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,所述方法具体包括以下步骤:
在发送端
步骤一、生成一组长度为Np的梳状导频序列,将生成的梳状导频序列作为压缩OFDM系统的导频序列xp;
步骤二、对数据序列xd进行星座点映射后,再对映射结果进行串/并转换,获得串/并转换后的结果;
其中,数据序列xd的长度为Nd;
依据梳状导频模式将导频序列xp插入串/并转换后的结果中,即将梳状导频序列的导频符号隔点置零地均匀分布在串/并转换后的结果中,得到包含梳状导频的信号x,并对信号x进行N-IDFT变换,得到N-IDFT变换后的OFDM信号xOFDM;
步骤三、将N-IDFT变换后的OFDM信号xOFDM通过截断滤波器ΦN,截取前N/2点信号,得到压缩OFDM符号xp1,comb;
将N-IDFT变换后的OFDM信号xOFDM的后LCP个点,作为压缩OFDM符号xp1,comb的循环前缀CP,得到插入循环前缀CP后的OFDM信号sp1,comb;
再对插入循环前缀CP后的OFDM信号sp1,comb进行并/串转换后,得到待发送的压缩OFDM符号SP,多个压缩OFDM符号形成数据帧,并发送;
在接收端
步骤四、对接收信号进行同步,获得同步后的接收信号RP,并从RP中获取导频符号yP;
步骤五、根据得到的导频符号yP进行信道估计,得到信道冲激响应h;
步骤六、根据得到的信道冲激响应h,对接收到的数据部分进行均衡及外推重构,再将外推重构所得信号进行后续检测,以恢复出发送端发送的数据。
基于本发明的另一个方面,一种截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,所述方法具体包括以下步骤:
在发送端
步骤1、生成一组长度为N/2的块状导频序列,并对生成的块状导频序列进行隔点插零操作,使块状导频序列的长度补齐为N;
依次对补齐后的块状导频序列进行串/并转换和N-IDFT变换后,将N-IDFT变换后的块状导频序列xp1,block经过截断滤波器ΦN,得到压缩OFDM块状导频符号sp1,block;
并将N-IDFT变换后的块状导频序列xp1,block的后LCP个点作为压缩OFDM块状导频符号sp1,block的循环前缀CP,将循环前缀CP插入压缩OFDM块状导频符号,获得插入循环前缀CP后的块状导频符号;
再对插入循环前缀CP后的块状导频符号进行并/串转换,得到并/串转换后的块状导频符号;
步骤2、对信源比特数据xd进行星座点映射、S/P转换和N-IDFT后,得到初始数据符号xd1,block;并将初始数据符号通过截断滤波器ΦN,得到压缩OFDM数据符号sd1,block;
再将初始数据符号xd1,block的后LCP个点作为压缩OFDM数据符号sd1,block的循环前缀CP,将循环前缀CP插入压缩OFDM数据符号sd1,block中,得到插入循环前缀CP后的数据符号;
并对插入循环前缀CP后的数据符号进行并/串转换,得到待发送的压缩OFDM数据符号,多个待发送的压缩OFDM数据符号形成待发送的数据帧;
步骤3、将步骤1获得的并/串转换后的块状导频符号以周期Tt插入步骤2获得的待发送的数据帧中,其中,Tt为T的整数倍,T表示一个OFDM数据符号的周期时长;
在接收端
步骤4、对接收信号进行同步,获得同步后的接收信号RP,并从RP中获取导频符号yP;
步骤5、根据步骤4得到的导频符号yP进行信道估计,得到信道冲激响应h;
步骤6、根据步骤5得到的信道冲激响应h,对接收到的数据部分进行均衡及外推重构,再对外推重构所得信号进行后续检测,恢复出发送端发送的数据。
本发明的有益效果是:本发明提出了一种截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,本发明针对压缩OFDM传输方法引入的自干扰影响导频辅助的信道估计的准确性问题,通过设计隔点置零的导频序列,降低压缩导频的畸变程度,提升信道估计的准确性。
附图说明
图1是8点未压缩的全1导频频谱示意图;
图1中横坐标上的1~8代表每个子载波的中心频率,未压缩时,各个子载波间正交,即每个中心频率上的采样点为当前子载波的幅值,不存在其他子载波的干扰;
图2是8点未经设计的压缩导频频谱示意图;
图2中的两条虚线分别代表了压缩导频第一/四个子载波采样点处包含自干扰的幅值。第一条虚线处可见,此时自干扰主要包括右侧相邻的第二个子载波的干扰,及其他偶数个子载波的干扰,则第一个压缩导频子载波处的自干扰幅值可表示为:
类似地,第二条虚线处由于处于中间位置,同时收到两侧相邻导频子载波的强烈干扰,并同时受到其他奇数子载波的干扰,则第四个压缩导频子载波处的自干扰幅值可表示为:
其中,2t-1遍历了N个子载波内的奇数次子载波。
图3是本发明设计的8点插零导频频谱示意图;
图4是本发明设计的8点插零压缩导频频谱示意图;
与图2相对应地,图3中两条虚线的位置分别代表插零导频第一/四个子载波采样点处包含自干扰的幅值,而图4是对图3导频截断压缩后的第一/四个子载波采样点处包含自干扰的幅值。由图4可见,压缩OFDM信号进行信道估计时,只需要奇数次子载波处的导频信息(即图中第1、3、5、7子载波处);虽然第4子载波处依然存在自干扰,但并不会影响信道估计的结果,这是因为第4子载波处的信道信息可以根据奇数次子载波的信道信息进行插值获得;
图5是插入梳状导频的截断与外推重构多载波系统收发端流程图;
图6是本发明中插入梳状导频的示意图;
由图6可见,对于采用梳状导频的系统,直接在单个符号中插入导频序列,在插入梳状导频的过程中,在前后各加零,以抵消非正交的数据对导频的影响;
图7是插入块状导频的截断与外推重构多载波系统收发端流程图;
图8是本发明中插入块状导频的示意图;
由图8可见,插入的块状导频符号隔点置零,因此在每个子载波频点处不存在自干扰,而数据部分由于未进行隔点置零操作,依然存在自干扰。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图5说明本实施方式。本实施方式所述的一种截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,所述方法具体包括以下步骤:
在发送端
步骤一、生成一组长度为Np的梳状导频序列,将生成的梳状导频序列作为压缩OFDM系统的导频序列xp;
步骤二、对数据序列xd进行星座点映射后,再对映射结果进行串/并转换(S/P转换),获得串/并转换后的结果;
其中,数据序列xd的长度为Nd;
依据梳状导频模式将导频序列xp插入串/并转换后的结果中,即将梳状导频序列的导频符号隔点置零地均匀分布在串/并转换后的结果中,得到包含梳状导频的信号x,并对信号x进行N-IDFT变换(N点离散傅里叶逆变换),得到N-IDFT变换后的OFDM信号xOFDM;
其中,IDFT过程可表达为
步骤三、将N-IDFT变换后的OFDM信号xOFDM通过截断滤波器ΦN,截取前N/2点信号,得到压缩OFDM符号xp1,comb;
将N-IDFT变换后的OFDM信号xOFDM的后LCP个点,作为压缩OFDM符号xp1,comb的循环前缀CP,得到插入循环前缀CP后的OFDM信号sp1,comb;
再对插入循环前缀CP后的OFDM信号sp1,comb进行并/串转换(P/S转换)后,得到待发送的压缩OFDM符号SP,多个(大于等于2个)压缩OFDM符号形成数据帧,并发送;
在接收端
步骤四、对接收信号进行同步,获得同步后的接收信号RP,并从RP中获取导频符号yP;
步骤五、根据得到的导频符号yP进行信道估计,得到信道冲激响应h;
需要注意的是,对于不同的压缩传输通信场景,应采用不同的信道估计方法。例如,对于大规模的毫米波通信场景,传统参数估计的方法大多不适用,需采用基于压缩感知或深度学习的信道估计;而对于单天线或小规模天线的信道环境下,可采用传统的LS,MMSE,卡尔曼滤波信道估计方法等;
步骤六、根据得到的信道冲激响应h,对接收到的数据部分进行均衡及外推重构,再将外推重构所得信号进行后续检测,以恢复出发送端发送的数据。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是,所述包含梳状导频的信号x的长度为N=Np+Nd。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式二不同的是,所述步骤一中生成一组长度为Np的梳状导频序列,所述梳状导频序列为PN序列、全一序列或随机序列。
针对多径信道,尤其在多天线系统中,采用相关性良好的PN序列作为导频序列;所述PN序列满足:
可通过生成器直接生成m序列、Gold序列、格雷序列等,幅值APN∈{-1,+1}。
所述随机序列为xp=randi(1,Np)。
具体实施方式四:结合图6说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式三不同的是,所述包含梳状导频的信号x中,导频符号间隔小于信道的相干带宽。
其中,相干带宽由多径信道时延决定,指多径信道中任意两个频率分量具有强幅度相关性的频率范围。
本实施方式在保证压缩传输的同时,抑制了导频信号由于压缩而产生的自干扰。虽然对导频进行隔点置零操作,但导频序列占用的时频资源并未增加。相对于不置零的导频序列,虽然有效点数减少,但自干扰造成的导频畸变被抑制。同时,由于置零操作并不需要复乘法等过程,发送端的计算复杂度并未提升。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式四不同的是,所述将N-IDFT变换后的OFDM信号xOFDM通过截断滤波器ΦN,截取前N/2点信号,得到压缩OFDM符号xp1,comb;其具体过程为:
步骤三一、生成截断滤波器ΦN:
步骤三二、在时域上对N-IDFT变换后的OFDM信号xOFDM进行截断处理,得到压缩OFDM符号xp1,comb:
xp1,comb=xOFDM·ΦN。
需要注意的是,梳状导频的插入周期ff与信道最大时延拓展σmax的关系为
ff≤1/σmax
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式五不同的是,所述获取导频符号yP的具体过程为:
对同步后的接收信号RP进行N-DFT变换(N点离散傅里叶变换),获得N-DFT变换后的结果;并在N-DFT变换后结果的频域上获取梳状导频频段。
其中,DFT过程可表达为
具体实施方式七、结合图7和图8说明本实施方式。本实施方式所述的一种截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,所述方法具体包括以下步骤:
在发送端
步骤1、生成一组长度为N/2的块状导频序列,并对生成的块状导频序列进行隔点插零操作,使块状导频序列的长度补齐为N;
依次对补齐后的块状导频序列进行串/并转换(S/P转换)和N-IDFT变换(N点离散傅里叶逆变换)后,将N-IDFT变换后的块状导频序列xp1,block经过截断滤波器ΦN,得到压缩OFDM块状导频符号sp1,block;
并将N-IDFT变换后的块状导频序列xp1,block的后LCP个点作为压缩OFDM块状导频符号sp1,block的循环前缀CP,将循环前缀CP插入压缩OFDM块状导频符号,获得插入循环前缀CP后的块状导频符号;
再对插入循环前缀CP后的块状导频符号进行并/串转换(P/S转换),得到并/串转换后的块状导频符号;
步骤2、对信源比特数据xd进行星座点映射、S/P转换和N-IDFT后,得到初始数据符号xd1,block;并将初始数据符号通过截断滤波器ΦN,得到压缩OFDM数据符号sd1,block;
再将初始数据符号xd1,block的后LCP个点作为压缩OFDM数据符号sd1,block的循环前缀CP,将循环前缀CP插入压缩OFDM数据符号sd1,block中,得到插入循环前缀CP后的数据符号;
并对插入循环前缀CP后的数据符号进行并/串转换,得到待发送的压缩OFDM数据符号,多个(大于等于2个)待发送的压缩OFDM数据符号形成待发送的数据帧;
步骤3、将步骤1获得的并/串转换后的块状导频符号以周期Tt插入步骤2获得的待发送的数据帧中;
在接收端
步骤4、对接收信号进行同步,获得同步后的接收信号RP,并从RP中获取导频符号yP;
若采用块状导频的插入方式,在时域上周期截取接收信号中的块状导频时段,已知导频符号的插入周期为Tt;则对于RP,找到第一个导频块位置后,每隔Tt获得的完整符号,即为导频符号yP;
步骤5、根据步骤4得到的导频符号yP进行信道估计,得到信道冲激响应h;
步骤6、根据步骤5得到的信道冲激响应h,对接收到的数据部分进行均衡及外推重构,再对外推重构所得信号进行后续检测,恢复出发送端发送的数据。
本实施方式是基于发送端过程而设计的,在压缩传输的非正交环境下,对不同的导频插入方式,采用不同的提取手段,提取的导频可以视为近似正交的关系;近似正交可以实现自干扰的近似消除,实现少导频数的更精准信道估计。
本发明中,在导频序列中:Np=N,Nd=0;在数据序列中:Np=0,Nd=N。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式七不同的是,所述步骤1中生成一组长度为N/2的块状导频序列,所述导频序列为PN序列、全一序列或随机序列。
针对多径信道,尤其在多天线系统中,采用相关性良好的PN序列作为导频序列;所述PN序列满足:
可通过生成器直接生成m序列、Gold序列、格雷序列等,幅值APN∈{-1,+1}。
所述随机序列为xp=randi(1,Np)。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式八不同的是,所述截断滤波器ΦN的形式为:
将导频序列xp1,block经过截断滤波器ΦN:
sp1,block=xp1,block·ΦN
其中,sp1,block为压缩OFDM块状导频符号;
将初始数据符号xd1,block经过截断滤波器ΦN:
sd1,block=xd1,block·ΦN
其中,sd1,block为压缩OFDM数据符号。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式九不同的是,所述周期Tt与信道最大多普勒频移fd的关系为:Tt≤1/fd。
具体实施方式十一:本实施方式与具体实施方式十不同的是,所述周期Tt为T的整数倍,T表示一个OFDM数据符号的周期时长。
本发明在保证压缩传输的同时,阐述了插入不同导频的截断与外推重构多载波信号发送端设计方法。由于块状导频能够准确地估计带宽内各子载波上的信道信息,适用于频率选择性信道;而梳状导频能够更有效估计快时变信道,都具有一定的实际应用意义。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (11)
1.截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,其特征在于,所述方法具体包括以下步骤:
在发送端
步骤一、生成一组长度为Np的梳状导频序列,将生成的梳状导频序列作为压缩OFDM系统的导频序列xp;
步骤二、对数据序列xd进行星座点映射后,再对映射结果进行串/并转换,获得串/并转换后的结果;
其中,数据序列xd的长度为Nd;
依据梳状导频模式将导频序列xp插入串/并转换后的结果中,即将梳状导频序列的导频符号隔点置零地均匀分布在串/并转换后的结果中,得到包含梳状导频的信号x,并对信号x进行N-IDFT变换,得到N-IDFT变换后的OFDM信号xOFDM;
步骤三、将N-IDFT变换后的OFDM信号xOFDM通过截断滤波器ΦN,截取前N/2点信号,得到压缩OFDM符号xp1,comb;
将N-IDFT变换后的OFDM信号xOFDM的后LCP个点,作为压缩OFDM符号xp1,comb的循环前缀CP,得到插入循环前缀CP后的OFDM信号sp1,comb;
再对插入循环前缀CP后的OFDM信号sp1,comb进行并/串转换后,得到待发送的压缩OFDM符号SP,多个压缩OFDM符号形成数据帧,并发送;
在接收端
步骤四、对接收信号进行同步,获得同步后的接收信号RP,并从RP中获取导频符号yP;
步骤五、根据得到的导频符号yP进行信道估计,得到信道冲激响应h;
步骤六、根据得到的信道冲激响应h,对接收到的数据部分进行均衡及外推重构,再将外推重构所得信号进行后续检测,以恢复出发送端发送的数据。
2.根据权利要求1所述的截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,其特征在于,所述包含梳状导频的信号x的长度为N=Np+Nd。
3.根据权利要求2所述的截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,其特征在于,所述步骤一中生成一组长度为Np的梳状导频序列,所述梳状导频序列为PN序列、全一序列或随机序列。
4.根据权利要求3所述的截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,其特征在于,所述包含梳状导频的信号x中,导频符号间隔小于信道的相干带宽。
6.根据权利要求5所述的截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,其特征在于,所述获取导频符号yP的具体过程为:
对同步后的接收信号RP进行N-DFT变换,获得N-DFT变换后的结果;并在N-DFT变换后结果的频域上获取梳状导频频段。
7.截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,其特征在于,所述方法具体包括以下步骤:
在发送端
步骤1、生成一组长度为N/2的块状导频序列,并对生成的块状导频序列进行隔点插零操作,使块状导频序列的长度补齐为N;
依次对补齐后的块状导频序列进行串/并转换和N-IDFT变换后,将N-IDFT变换后的块状导频序列xp1,block经过截断滤波器ΦN,得到压缩OFDM块状导频符号sp1,block;
并将N-IDFT变换后的块状导频序列xp1,block的后LCP个点作为压缩OFDM块状导频符号sp1,block的循环前缀CP,将循环前缀CP插入压缩OFDM块状导频符号,获得插入循环前缀CP后的块状导频符号;
再对插入循环前缀CP后的块状导频符号进行并/串转换,得到并/串转换后的块状导频符号;
步骤2、对信源比特数据xd进行星座点映射、S/P转换和N-IDFT后,得到初始数据符号xd1,block;并将初始数据符号通过截断滤波器ΦN,得到压缩OFDM数据符号sd1,block;
再将初始数据符号xd1,block的后LCP个点作为压缩OFDM数据符号sd1,block的循环前缀CP,将循环前缀CP插入压缩OFDM数据符号sd1,block中,得到插入循环前缀CP后的数据符号;
并对插入循环前缀CP后的数据符号进行并/串转换,得到待发送的压缩OFDM数据符号,多个待发送的压缩OFDM数据符号形成待发送的数据帧;
步骤3、将步骤1获得的并/串转换后的块状导频符号以周期Tt插入步骤2获得的待发送的数据帧中;
在接收端
步骤4、对接收信号进行同步,获得同步后的接收信号RP,并从RP中获取导频符号yP;
步骤5、根据步骤4得到的导频符号yP进行信道估计,得到信道冲激响应h;
步骤6、根据步骤5得到的信道冲激响应h,对接收到的数据部分进行均衡及外推重构,再对外推重构所得信号进行后续检测,恢复出发送端发送的数据。
8.根据权利要求7所述的截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,其特征在于,所述步骤1中生成一组长度为N/2的块状导频序列,所述导频序列为PN序列、全一序列或随机序列。
10.根据权利要求9所述的截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,其特征在于,所述周期Tt与信道最大多普勒频移fd的关系为:Tt≤1/fd。
11.根据权利要求10所述的截断与外推重构多载波信号中导频序列的设计方法,其特征在于,所述周期Tt为T的整数倍,T表示一个OFDM数据符号的周期时长。
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