CN102857468B - 基于map均衡的sc-fde系统及该系统中导频结构的构建方法 - Google Patents

Abstract

基于MAP均衡的SC-FDE系统及该系统中导频结构的构建方法，它涉及SC-FDE系统及该系统中导频结构构建方法。它为解决OFDM系统发射信号峰均比高，对频偏和相位噪声比较敏感的问题。映射单元的映射信号输入端与信号发生装置的信号输出端相连，调制器的调制信号输出端连信道的信号输入端；信道的信号输出端与傅里叶变换模块的信号输入端相连；傅里叶变换模块的变换信号输出端与信道估计和均衡单元的变换信号输入端相连；信道估计和均衡单元的信号输出端与反傅里叶变换模块的信号输入端相连；解调器的解调信号输出端连译码器的解调信号输入端；译码器的译码信号输出端连判断单元的译码信号输入端。它用于消除单载波系统的多径效应。

Description

基于MAP均衡的SC-FDE系统及该系统中导频结构的构建方法

技术领域

本发明涉及SC-FDE系统及该系统中导频结构构建方法。

背景技术

通信系统的导频结构，也可称为帧结构，即传输中数据的构成方案。如图1，一般的导频结构包括三部分，CP(Cyclic Prefixed)、导频和数据。CP为循环前缀，其作用是用于抵抗多径时延，通常是将一帧数据的最后一段复制到整个帧的最前端。CP的长度要根据信道状况来确定，通常要大于最大的多径时延长，这样才能保证CP后面的数据不受码间串扰影响。导频部分的用途主要是用于接收端的信道估计和均衡。接收端的均衡模块已经被理论和实践证明能在很大程度上提升系统的性能，特别是在多径衰落信道环境下。数据部分就是真正要传输的内容，CP和导频都是起到辅助传输作用。但由于CP和导频都属于无效数据，为了提高系统的传输效率，因此将CP和导频合并，此时导频将替代CP的作用，这种方案已经成熟应用到很多场合。导频结构从形状上可以分为串型帧结构和块状帧结构两种。

系统接收端的信道估计和均衡方法对单载波系统性能的影响至关重要，信道估计大体分为盲估计和非盲估计。盲估计不依赖于导频传输，能节省系统资源，提高传输效率。但盲估计存在着复杂度较高，精度有限的缺点。信道估计和均衡算法能在很大程度上解决多径效应问题，同时不同的导频结构也是影响频域均衡系统性能和通信效率的一个重要因素。一般的导频结构设计需要依赖于特定的信道估计方法或者均衡方法，因为不同的估计和均衡算法下，导频结构的变化和导频序列的选取会产生不同的效果。

传统的单载波系统采用时域均衡来消除多径效应，但这普遍被认为复杂度较高。正交频分复用OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing系统的出现解决了均衡复杂度高的问题，但OFDM系统存在着发射信号峰均比高，对频偏和相位噪声比较敏感的缺点。

发明内容

本发明是为解决OFDM系统发射信号峰均比高，对频偏和相位噪声比较敏感的问题，提出的基于MAP均衡的SC-FDE系统及该系统中导频结构的构建方法。

基于MAP均衡的SC-FDE系统，SC-FDE系统由发射端模块、信道机构和接收端模块组成的；所述发射端模块由映射单元、解码器和调制器构成；所述信道机构由信道构成；所述接收端模块由傅里叶变换模块、信道估计和均衡度单元、反傅里叶变换模块、解调器、译码器和判断单元组成；所述映射单元的映射信号输入端与信号发生装置的信号输出端相连，所述映射单元的映射信号输出端与解码器的映射信号输入端相连，所述解码器的解码信号输出端与调制器的解码信号输入端相连；所述调制器的调制信号输出端与信道的信号输入端相连；信道的信号输出端与傅里叶变换模块的信号输入端相连；所述傅里叶变换模块的变换信号输出端与信道估计和均衡单元的变换信号输入端相连；所述信道估计和均衡单元的信号输出端与反傅里叶变换模块的信号输入端相连；所述反傅里叶变换模块的变换信号输出端于解调器的变换信号输入端相连：所述解调器的解调信号输出端与译码器的解调信号输入端相连；所述译码器的译码信号输出端与判断单元的译码信号输入端相连；所述判断单元的判决信号输出端与外部信号接收装置的信号接收端口相连。

采用上述的基于MAP均衡的SC-FDE系统的导频结构构建方法；所述构建方法由如下步骤完成：

步骤一：确定多径衰落信道模型，所述SC-FDE系统中衰落信道模型见公式1；

公式1

公式1中参数N为路径数目，参数ai和参数τi分别表示第i条路径的振幅衰减系数和传播时延，参数是直线路径和发射路径之间的相位；

参数Tm表示最大多径时延长；即最大多径时延长是各径时延的最大值乘以传输速率；同时根据多径信道模型确定帧长T；所述帧长T的长度要保证在一帧数据传输时长内信道状态不发生改变；

步骤二：利用步骤一确定的最大多多径时延长T_m和帧长T，结合MAP均衡方式来确定导频结构的一帧数据中的导频长度T_p和有效数据长度T_d；MAP均衡方式下信噪比和有效帧长的关系见公式2；

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{MAP},\mathrm{eff}}=\frac{T-T_p}{T}\frac{d_{\min }^2}{4{\mathrm{\σ}}^2}{(1+\frac{L}{T_p-L+1})}^{-1}$ 公式2

公式2中参数T_p为导频长，参数为信道最小距离，参数L为信道记忆长度，参数σ²为环境噪声功率值；所述导频长度Tp的长度小于帧长T的长度；应用博弈理论中的纳什均衡等式见公式3：

$J_i({T_p}^{*},T_d^{*})\≥J_i(T_{p_i},T_{d_i}),\∀i=\mathrm{1,2},\·\·\·,N.$ 公式3

通过对纳什均衡等式进行推导，得到的理想导频长和数据长分别为：

T_p＝T/4+T_m/2和T_d＝T/4-T_m/2；

步骤三：根据步骤二中确定的导频长度T_p，按照Zadoff-Chu复数序列x(n)的公式生成导频长度为T_p的导频；

步骤四：信道估计和均衡度单元9接收到包含导频的数据，并对此数据中的导频和有效数据进行提取后，根据LS信道估计算法进行信道估计，并输估计后的信道函数所述为一个冲击函数；

步骤五：通过步骤四的LS信道估计后得到冲击响应函数将此冲击响应函数送至MAP均衡器利用MAP均衡器的关系式进行均衡处理；

步骤六：将步骤五的MAP均衡器处理后得到的数据通过SC-FDE系统中的解码器和译码器进行解码译码，得到最终的有效数据。

本发明所述基于MAP均衡的SC-FDE系统具有发射信号峰均比低，对频偏和相位噪声不敏感，复杂度较低，精度较高，传输效率较高的优点。

附图说明

图1为现有导频结构示意图；

图2为本申请所述基于MAP均衡的SC-FDE系统的模块结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述基于MAP均衡的SC-FDE系统，SC-FDE系统由发射端模块1、信道机构2和接收端模块3组成的；所述发射端模块1由映射单元4、解码器5和调制器6构成；所述信道机构2由信道7构成；所述接收端模块3由傅里叶变换模块8、信道估计和均衡度单元9、反傅里叶变换模块10、解调器11、译码器12和判断单元14组成；所述映射单元4的映射信号输入端与信号发生装置的信号输出端相连，所述映射单元4的映射信号输出端与解码器5的映射信号输入端相连，所述解码器5的解码信号输出端与调制器6的解码信号输入端相连；所述调制器6的调制信号输出端与信道7的信号输入端相连；信道7的信号输出端与傅里叶变换模块8的信号输入端相连；所述傅里叶变换模块8的变换信号输出端与信道估计和均衡单元9的变换信号输入端相连；所述信道估计和均衡单元9的信号输出端与反傅里叶变换模块10的信号输入端相连；所述反傅里叶变换模块10的变换信号输出端于解调器11的变换信号输入端相连：所述解调器11的解调信号输出端与译码器12的解调信号输入端相连；所述译码器12的译码信号输出端与判断单元13的译码信号输入端相连；所述判断单元13的判决信号输出端与外部信号接收装置的信号接收端口相连。

在发射端模块1中，首先将接收到的信号数据Sn映射解码，经过调制后通过衰落信道。经过信道的信号在到达接收端之前，会有噪声Wn添加进来。接收端接收到数据后，先进行傅里叶变换(FFT)，然后进行信道估计和均衡，目的是为了抵抗信道传输中的多径干扰等因素。均衡过后就是反傅里叶变换(IFFT)，最后解调解码在进行判决即可得到想要的数据Rn。SC-FDE系统即single carrier with frequency-domain equalization系统，MAP均衡即maximum a posterior均衡。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式为采用具体实施方式一所述的基于MAP均衡的SC-FDE系统的导频结构构建方法；所述构建方法由如下步骤完成：

步骤一：确定多径衰落信道模型，所述SC-FDE系统中衰落信道模型见公式1；

公式1

公式1中参数N为路径数目，参数a_i和参数τ_i分别表示第i条路径的振幅衰减系数和传播时延，参数是直线路径和发射路径之间的相位；

参数Tm表示最大多径时延长；即最大多径时延长是各径时延的最大值乘以传输速率；同时根据多径信道模型确定帧长T；所述帧长T的长度要保证在一帧数据传输时长内信道状态不发生改变；

步骤二：利用步骤一确定的最大多多径时延长T_m和帧长T，结合MAP均衡方式来确定导频结构的一帧数据中的导频长度T_p和有效数据长度T_d；MAP均衡方式下信噪比和有效帧长的关系见公式2；

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{MAP},\mathrm{eff}}=\frac{T-T_p}{T}\frac{d_{\min }^2}{4{\mathrm{\σ}}^2}{(1+\frac{L}{T_p-L+1})}^{-1}$ 公式2

公式2中参数T_p为导频长，参数为信道最小距离，参数L为信道记忆长度，参数σ²为环境噪声功率值；所述导频长度Tp的长度小于帧长T的长度；应用博弈理论中的纳什均衡等式见公式3：

$J_i({T_p}^{*},T_d^{*})\≥J_i(T_{p_i},T_{d_i}),\∀i=\mathrm{1,2},\·\·\·,N.$ 公式3

通过对纳什均衡等式进行推导，得到的理想导频长和数据长分别为：

T_p＝T/4+T_m/2和T_d＝T/4-T_m/2；

步骤三：根据步骤二中确定的导频长度T_p，按照Zadoff-Chu复数序列x(n)的公式生成导频长度为T_p的导频；

步骤四：信道估计和均衡度单元9接收到包含导频的数据，并对此数据中的导频和有效数据进行提取后，根据LS信道估计算法进行信道估计，并输估计后的信道函数所述为一个冲击函数；

步骤五：通过步骤四的LS信道估计后得到冲击响应函数将此冲击响应函数送至MAP均衡器利用MAP均衡器的关系式进行均衡处理；

步骤六：将步骤五的MAP均衡器处理后得到的数据通过SC-FDE系统中的解码器和译码器进行解码译码，得到最终的有效数据。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同点在于所述基于MAP均衡的SC-FDE系统的导频结构构建方法，步骤三中的Zadoff-Chu复数序列x(n)的公式为：

公式4

其中，n＝1，2，...，T_p，j是虚数符号。其它参数及步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同点在于所述基于MAP均衡的SC-FDE系统的导频结构构建方法，步骤四中的LS信道估计算法的公式为：

${\hat{H}}_{\mathrm{LS}}=X^{-1}\stackrel{\‾}{Y}={\left[(X_k/Y_k)\right]}^T,(k=\mathrm{0,1},...,N-1)$ 公式5

其中，参数为信道估计输出的冲激函数，参数X是对已知导频数据进行插值后得到的估计值，参数Y是在接收端模块3经过傅里叶变换得到的数据。其它参数及步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二不同点在于所述基于MAP均衡的SC-FDE系统的导频结构构建方法，步骤五中的MAP均衡器的关系式为

$\underset{\‾}{\overset{^}{S}}\arg \underset{\underset{\‾}{u}}{\min }\left(\right||\underset{\‾}{x}-\mathrm{\τ}\left(\underset{\‾}{h}\right)\underset{\‾}{u}||:\underset{\‾}{u}\∈A^{T+L-1})$ 公式6

公式6中参数是待求符号转置的估计值，参数argmin是使目标函数最小的变量u值，参数x是均衡器的输入信号，参数h是信道冲激函数，参数τ是Toeplitz矩阵，参数A是对应调制方式的数据集合，使用BPSK调制A＝{+1，-1}。其它参数及步骤与具体实施方式二相同。

Claims (4)

1.基于MAP均衡的SC-FDE系统的导频结构构建方法；所述构建方法所基于的系统为基于MAP均衡的SC-FDE系统，SC-FDE系统由发射端模块(1)、信道机构(2)和接收端模块(3)组成的；所述发射端模块(1)由映射单元(4)、解码器(5)和调制器(6)构成；所述信道机构(2)由信道(7)构成；所述接收端模块(3)由傅里叶变换模块(8)、信道估计和均衡度单元(9)、反傅里叶变换模块(10)、解调器(11)、译码器(12)和判断单元(14)组成；所述映射单元(4)的映射信号输入端与信号发生装置的信号输出端相连，所述映射单元(4)的映射信号输出端与解码器(5)的映射信号输入端相连，所述解码器(5)的解码信号输出端与调制器(6)的解码信号输入端相连；所述调制器(6)的调制信号输出端与信道(7)的信号输入端相连；信道(7)的信号输出端与傅里叶变换模块(8)的信号输入端相连；所述傅里叶变换模块(8)的变换信号输出端与信道估计和均衡单元(9)的变换信号输入端相连；所述信道估计和均衡单元(9)的信号输出端与反傅里叶变换模块(10)的信号输入端相连；所述反傅里叶变换模块(10)的变换信号输出端于解调器(11)的变换信号输入端相连：所述解调器(11)的解调信号输出端与译码器(12)的解调信号输入端相连；所述译码器(12)的译码信号输出端与判断单元(13)的译码信号输入端相连；所述判断单元(13)的判决信号输出端与外部信号接收装置的信号接收端口相连；

其特征在于所述构建方法由如下步骤完成：

步骤一：确定多径衰落信道模型，所述SC-FDE系统中衰落信道模型见公式1；

                              公式1

公式1中参数N为路径数目，参数a_i和参数τ_i分别表示第i条路径的振幅衰减系数和传播时延，参数是直线路径和发射路径之间的相位；

参数T_m表示最大多径时延长；即最大多径时延长是各径时延的最大值乘以传输速率；同时根据多径信道模型确定帧长T；所述帧长T的长度要保证在一帧数据传输时长内信道状态不发生改变；

步骤二：利用步骤一确定的最大多多径时延长T_m和帧长T，结合MAP均衡方式来确定导频结构的一帧数据中的导频长度T_p和有效数据长度T_d；MAP均衡方式下信噪比和有效帧长的关系见公式2；

                 公式2

公式2中参数T_p为导频长，参数为信道最小距离，参数L为信道记忆长度，参数σ²为环境噪声功率值；所述导频长度Tp的长度小于帧长T的长度；应用博弈理论中的纳什均衡等式见公式3：

                   公式3

通过对纳什均衡等式进行推导，得到的理想导频长和数据长分别为：

T_p＝T/4+T_m/2和T_d＝T/4-T_m/2；

步骤三：根据步骤二中确定的导频长度T_p，按照Zadoff-Chu复数序列x(n)的公式生成导频长度为T_p的导频；

步骤四：信道估计和均衡度单元(9)接收到包含导频的数据，并对此数据中的导频和有效数据进行提取后，根据LS信道估计算法进行信道估计，并输出估计后的信道函数所述为一个冲击函数；

步骤五：通过步骤四的LS信道估计后得到冲击函数将此冲击函数送至MAP均衡器利用MAP均衡器的关系式进行均衡处理；

步骤六：将步骤五的MAP均衡器处理后得到的数据通过SC-FDE系统中的解码器和译码器进行解码译码，得到最终的有效数据。

2.根据权利要求1所述的基于MAP均衡的SC-FDE系统的导频结构构建方法，其特征在于步骤三中的Zadoff-Chu复数序列x(n)的公式为：

                    公式4

其中，n＝1,2,...,T_p，j是虚数符号。

3.根据权利要求1所述的基于MAP均衡的SC-FDE系统的导频结构构建方法，其特征在于步骤四中的LS信道估计算法的公式为：

                公式5

其中，参数为信道估计输出的冲击函数，参数X是对已知导频数据进行插值后得到的估计值，参数Y是在接收端模块(3)经过傅里叶变换得到的数据。

4.根据权利要求1所述的基于MAP均衡的SC-FDE系统的导频结构构建方法，其特征在于步骤五中的MAP均衡器的关系式为

公式6

公式6中参数是待求符号转置的估计值，参数argmin是使目标函数最小的变量u值，参数x是均衡器的输入信号，参数h是信道冲击函数，参数τ是Toeplitz矩阵，参数A是对应调制方式的数据集合，使用BPSK调制Α＝{+1,-1}。