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CN108540271A - 一种适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法、无线通信系统 - Google Patents

一种适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法、无线通信系统 Download PDF

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CN108540271A
CN108540271A CN201810258048.0A CN201810258048A CN108540271A CN 108540271 A CN108540271 A CN 108540271A CN 201810258048 A CN201810258048 A CN 201810258048A CN 108540271 A CN108540271 A CN 108540271A
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oqam
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徐玉钢
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Xidian University
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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法、无线通信系统，所述适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法利用数据的块状传输来近似抵消FBMC/OQAM系统自带的虚部干扰；通过将数据在频域上进行块状传输，利用块状结构的对称性，抵消FBMC系统自带的虚部干扰。与现有技术相比，本发明能在低时延场景和时间选择性信道下正常工作且在频率选择性信道下也有不错的性能。本发明由于采用在频域进行块状传输，解调时不需要时延，且在时间选择性信道下系统性能优于传统的时域块状传输方案。

Description

一种适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法、无线通信系统
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法、无线通信系统。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：随着4G大规模商用，面向2020年及未来的第五代移动通信技术(5G)的研发工作已经成为业界关注的热点。相比于以前移动宽带业务为主的4G，5G不仅将提供10Gbit/s量级的传输速率，支持Embb(增强移动宽带)场景，还将支持具有严格技术要求的物联网业务，包括以工业控制为代表的URLLC(超高可靠低时延)业务和以环境监控为代表mMTC(大规模机器类通信)业务。这些业务对多载波技术提出了新的需求。现在主流的多载波技术是OFDM技术，其核心思想是将信道分成多个相互正交的子信道，将高速率的数据流转换成并行的低速子数据流，这样每个子信道上的信号带宽就会小于信道的相关带宽。同时在OFDM系统中，每个符号在发送前需要添加循环前缀(CP)，以保证子载波之间在多径信道下仍然能正交，增加了系统的抗多径能力。最为关键的一点是OFDM系统可以利用IFFT/FFT实现快速调制和解调。OFDM正是基于以上这些优点，才使得它广泛应用在当今无线通信系统中，例如LTE，WiMax,Wlan,DVB-T,DAB等等。但是拥有众多优点的OFDM也有其不足。循环前缀的引入降低了系统的传输效率，特别是在信道较好的情况下，过长的CP会导致时频资源的浪费。且在某些恶劣的信道下，当CP长度小于信道最大多径时延时，系统依然存在符号间干扰(ISI)。由于现实信道中发射机和接收机相对运动会造成多普勒频移，发射机与接收机本地晶振不匹配等因素，系统的载波频率偏移都是存在的，而OFDM系统要求各个子载波严格同步，这对系统的载波频率估计以及校准都有不小的考验。OFDM系统的另外一个缺点是旁瓣较大，降低系统对频谱的感知准确度，且旁瓣较大会占用较多的能量。为了弥补OFDM的以上缺点，有专家提出采用基于滤波器组的多载波技术。由于FBMC系统使用了具有良好时频局部化特性的原型滤波器，保证了子信道之间的独立性，所以不需要使用循环前缀来提供保护间隔，且其旁瓣衰减比OFDM大，不要求各个子载波严格同步。由于以上优点，FBMC技术已经成为5G，卫星通信的候选波形之一。MIMO技术通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，已经被视为无线通信的核心技术。但是由于FBMC系统仅仅在实数域正交而不是在复数域正交，导致FBMC系统内部存在的虚部干扰，这使得一些已经适用于OFDM的MIMO技术无法直接应用于FBMC系统中。Alamouti技术作为最简单的MIMO技术，如何与FBMC有机的结合已经成为当前研究的重点。其中用CDMA技术去克服FBMC系统的自有干扰，然而由于需要大量的码字，限制了其应用；利用迭代消除干扰思想，然而该方案复杂度较高。在时域上块状传输，该方案在平坦信道上能取得不错的效果，然而在时间选择性信道下，或者低时延场景下，该方案都无法直接应用。
综上所述，现有技术存在的问题是：CDMA技术去克服FBMC系统的自有干扰，由于需要大量的码字，限制了其应用；利用迭代消除干扰思想，复杂度较高。在时域上块状传输，该方案在平坦信道上能取得不错的效果，然而在时间选择性信道下，或者低时延场景下，都无法直接应用。
解决上述技术问题的难度和意义：由于前两种方案复杂度较高，时域块状传输方案在时间选择性信道下无法正常工作，这都影响了他们的实际应用。所以提出一种低复杂度能在时间选择性信道下正常工作的技术方案是有意义的。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法、无线通信系统。
本发明是这样实现的，一种适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法，所述适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法。采用在发送端的两个天线分别将整个频域分成多个块状结构，每个块内部有分成两个子块。为了防止子块之间的干扰需要插入0。其中天线1中的一个块结构和对应的天线2的块结构共同构成一个Alamouti块。为了能抵消FBMC系统内部的固有干扰，左右子块的相位旋转因子需要取共轭。
进一步，所述适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法包括以下步骤：
步骤一，发送端先对数据流进行QPSK星座映射和串并变换，进行OQAM预处理，将复数信号转换为两个实信号；
步骤二，把Nc个子载波分成Nc/NF个块状结构，每个块大小为NF，每个块结构内部又分为左右两个大小为NF/2-1的子块，子块之间插入0；
步骤三，天线1传送的数据表示为ak,n，天线2传送的数据表示为bk,n，分别对两根天线上的数据进行FBMC调制；
步骤四，得到接收信号为：
r(m)＝hasa(m)+hbsb(m)+n(m)；
其中ha，hb为两个信道，n(m)为功率谱密度为N0/2的加性背景噪声；
步骤五，进行FBMC解调，得到在时频点(k,n)的接收信号：
步骤六，利用经典Alamouti解调方案进行解调得到：
步骤七，由FBMC滤波器在频域块状传输能抵消自干扰的特性，对两边除以得到：
步骤八，对xk,n，yk,n进行OQAM解调，将实数变为复数；再进行并串转化和QPSK星座解映射，恢复出原始信号。
进一步，所述步骤三进行FBMC调制得到
其中g(m)为PHYDYAS项目组设计的原型滤波器，θk,n＝j(k+n)，当1≤k≤NF/2-1时，左半子块θk,n满足下面条件：
此时，右半子块的需满足与左半子块θk,n共轭条件：
进一步，所述步骤五对时频点(k,n)的接收信号进行如下操作：
表示取复数z的实部。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法的无线通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：与现有技术相比，本发明能在低时延场景和时间选择性信道下正常工作且在频率选择性信道下也有不错的性能。本发明由于采用在频域进行块状传输，解调时不需要时延，且在时间选择性信道下系统性能优于传统的时域块状传输方案。
传统的时域块状传输在多普勒较大时，性能下降明显，而本方法性能几乎保持不变。显示在多径时延增大时，本方案性能只下降一点，还是能够正常通信。
附图说明
图1是本发明实施例提供的频域块传输结构示意图；
图2是本发明实施例提供的经典Alamouti传输结构示意图；
图3是本发明实施例提供的Alamouti-FBMC系统框图；
图4是本发明实施例提供的在多径信道下仿真图；
图5是本发明实施例提供的在多普勒信道下，频域块状传输与时域块状传输性能比较示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过将数据在频域上进行块状传输，利用块状结构的对称性，能够抵消掉FBMC系统自带的虚部干扰。本发明相对于传统的时域块状传输Alamouti方案可以减小FBMC系统时延，且在时间选择性信道下性能远远优于时域块状传输方案。
本发明实施例提供的适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法包括以下步骤：
(1)发送端先对数据流进行QPSK星座映射和串并变换，然后进行OQAM预处理，将复数信号转换为两个实信号。
(2)把Nc个子载波分成个块状结构，每个块大小为NF，每个块结构内部又分为左右两个大小为NF/2-1的子块，子块之间插入0。图1为一个Alamouti频域块示意图。
其中k子载波数，n表示符号数。
(3)天线1传送的数据表示为ak,n，天线2传送的数据表示为bk,n。分别对两根天线上的数据进行FBMC调制，可以得到：
其中g(m)为PHYDYAS项目组设计的原型滤波器，θk,n＝j(k+n)，当1≤k≤NF/2-1时，左半子块θk,n满足下面条件：
此时，右半子块的需满足与左半子块θk,n共轭条件：
(4)如图2所示，接收信号为：
r(m)＝hasa(m)+hbsb(m)+n(m)；
其中ha，hb为两个信道，假设为已知。n(t)为功率谱密度为N0/2的加性背景噪声。
(5)进行FBMC解调，得到在时频点(k,n)的接收信号；
(6)用经典Alamouti解调方案进行解调得到：
表示取复数z的实部。
(7)利用FBMC滤波器在频域块状传输能抵消自干扰的特性，对两边除以得到：
(7)对xk,n，yk,n进行OQAM解调，将实数变为复数。再进行并串转化和QPSK星座解映射，最终恢复出原始信号。
在本发明实施例中采用QPSK星座映射，子载波间隔取15Hz,子载波数取1024个，采用原型滤波器为PHYDYAS项目设计的原型滤波器，重叠因子K＝4，多径信道的路径数为5，路径时延为0～τmax均匀分布，其中τmax取值范围为10-8～10-6s,功率时延分布服从指数衰减。时间选择性信道采用Jakes模型，多普勒从0到150Hz。
由图4可得，本发明在最大多径时延较小时与传统方法性能基本一致，当最大多径时延增大时，通过降低频域块大小，本发明可以正常工作。
由图5可知，本发明在时间选择性信道下，性能基本不变，而传统的时域块状传输性能下降明显。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法，其特征在于，所述适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法利用数据的块状传输来近似抵消FBMC/OQAM系统自带的虚部干扰；通过将数据在频域上进行块状传输，左右子块相位旋转因子取共轭，利用块状结构的对称性，抵消FBMC系统自带的虚部干扰。
2.如权利要求1所述的适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法，其特征在于，所述适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法包括以下步骤：
步骤一，发送端先对数据流进行QPSK星座映射和串并变换，进行OQAM预处理，将复数信号转换为两个实信号；
步骤二，把Nc个子载波分成Nc/NF个块状结构，每个块大小为NF，每个块结构内部又分为左右两个大小为NF/2-1的子块，子块之间插入0；
步骤三，天线1传送的数据表示为ak,n，天线2传送的数据表示为bk,n，分别对两根天线上的数据进行FBMC调制；
步骤四，得到接收信号为：
r(m)＝hasa(m)+hbsb(m)+n(m)；
其中ha，hb为两个信道，n(m)为功率谱密度为N0/2的加性背景噪声；
步骤五，进行FBMC解调，得到在时频点(k,n)的接收信号：
步骤六，利用经典Alamouti解调方案进行解调得到：
步骤七，由FBMC滤波器在频域块状传输能抵消自干扰的特性，对两边除以(|ha|2+|hb|2)得到：
步骤八，对xk,n，yk,n进行OQAM解调，将实数变为复数；再进行并串转化和QPSK星座解映射，恢复出原始信号。
3.如权利要求2所述的适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法，其特征在于，所述步骤三进行FBMC调制得到
其中g(m)为PHYDYAS项目组设计的原型滤波器，θk,n＝j(k+n)，当1≤k≤NF/2-1时，左半子块θk,n满足下面条件：
此时，右半子块的需满足与左半子块θk,n共轭条件：
4.如权利要求2所述的适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法，其特征在于，所述步骤五对时频点(k,n)的接收信号进行如下操作：
表示取复数z的实部。
5.一种应用权利要求1～4任意一项所述适用于FBMC/OQAM的Alamouti传输方法的无线通信系统。
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