一种基于频域分集的多载波通信系统及方法与流程

1.本发明涉及多载波通信技术领域，更具体地，涉及一种基于频域分集的多载波通信系统及方法。


背景技术：

2.多载波通信系统利用多个载波进行数据传输。这些多载波可通过 正交频分复用(ofdm)、其他多载波调制技术或其他构思来提供。ofdm把整个系统带宽有效地分成多(n)个正交的子带。这些子带也被称为音频带(tone)、载波、子载波、频率段(bin)和频率信道。采用ofdm，使每个子带与一个相应的子载波相关联，该子载波可用数据进行调制。
3.多载波通信系统中的基站可以同时发送多个数据流。各数据流可在基站中进行单独处理(如编码和调制)，并被无线设备独立地恢复(如解调和解码)。多个数据流可能具有固定的或可变的数据速 率并且可使用相同或不同的编码和调制方案。
4.由于多载波通信系统具有频谱效率高、灵活性强以及复杂度低等特点，广泛应用于当前及下一代各种通信体质中。但是无线通信系统的性能主要由无线信道环境决定，而无线信道一个典型的特征是“衰落”，信道的衰落和加性噪声会导致接收到的信号不可避免的发生错误。尤其是在多载波通信系统中，信道的频率选择性衰落一直是多载波收发机系统设计中的重大挑战之一。


技术实现要素：

5.本发明需要解决的是现有技术中存在的信道的衰落和加性噪声会导致接收到的信号不可避免的发生错误的技术问题。
6.本发明提供了一种基于频域分集的多载波通信系统，包括用于接收信号的收端系统和用于发送信号的发端系统，所述发端系统包括bit交织、编码及调制模块，符号重映射模块和多载波调制模块，收端系统包括信道估计模块、合并均衡模块、软判决模块、译码模块；所述bit交织、编码及调制模块用于源信息比特的编码和符号调制；所述符号重映射模块用于发端系统的频域分集；所述多载波调制模块用于将携带信息的符号调制到对应的子载波上；所述信道估计模块用于从收端接收的信号中提取导频信号；所述合并均衡模块用于实现对各路子载波上的相同符号进行合并均衡；所述软判决模块用于对均衡后的数据进行软判决；所述译码模块用于根据发端系统的编码方案，采用对应的译码算法进行译码。
7.优选地，所述符号重映射模块具体用于将数据符号和导频符号分别映射到各自对应的子载波上，其中数据符号的映射遵循分集规律。
8.优选地，所述分集规律为集中式分集方案，具体地，同一数据符号在连续n个子载波上重复n次映射，然后再依次映射下一个数据符号，其中，n为分级系数。
9.优选地，所述分集规律为分布式分集方案，具体地，先依次将一个ofdm符号对应的所有数据符号映射一遍，然后按子载波顺序再将所有数据符号重复映射，直到完成n次映射，其中，n为分级系数。
10.优选地，所述信道估计模块用于从收端接收的信号中提取导频信号具体包括：首先估计导频信号位置的信道衰减系数；然后根据已知的导频子载波位置处的信道衰减系数对数据子载波位置处对应的信道衰减系数进行插值。
11.优选地，所述合并均衡模块通过合并均衡得到的接收数据的具体算法如下：均衡模块通过合并均衡得到的接收数据的具体算法如下：表示第i个均衡后的接收数据，n表示分集支路数，表示第i个接收数据的第j个支路的值，表示第i个接收数据的第j个支路对应的信道衰减系数，l表示发端发送数据符号个数。
12.优选地，所述软判决模块具体用于计算接收符号的信息比特最大后验概率的对数似然比，即为接收信息的软比特信息；然后根据软比特信息判决接收比特是0还是1。
13.本发明还提供了一种基于频域分集的多载波通信方法，包括：s1，从收端接收的信号中提取导频信号，首先估计导频信号位置的信道衰减系数，然后根据已知的导频子载波位置处的信道衰减系数对数据子载波位置处对应的信道衰减系数进行插值；s2，利用估计的信道衰减系数对接收数据进行均衡；s3，计算每个数据符号对应信道的合并加权系数；s4，计算合并均衡后的接收数据；s5，对均衡后的数据进行判决、解调、译码。
14.有益效果：本发明提供的一种基于频域分集的多载波通信系统及方法，s1，从收端接收的信号中提取导频信号，首先估计导频信号位置的信道衰减系数，然后根据已知的导频子载波位置处的信道衰减系数对数据子载波位置处对应的信道衰减系数进行插值；s2，利用估计的信道衰减系数对接收数据进行均衡；s3，计算每个数据符号对应信道的合并加权系数；s4，计算合并均衡后的接收数据；s5，对均衡后的数据进行判决、解调、译码。通过在发端利用频域分集，收端采用频域最大比合并的均衡算法。该方案能在减小频率选择性衰落影响的同时获得合并增益，在不增加计算复杂度的情况下比普通的直接累加合并性能明显提升。且根据采用不同的分集系数解调性能明显提升，并且分集系数越大，解调性能提升越多。
附图说明
15.图1为本发明提供的一种基于频域分集的多载波通信系统的原理框图；图2为本发明提供的一种基于频域分集的多载波通信方法流程图；
图3为本发明提供的集中式分集方案示意图；图4为本发明提供的分布式分集方案示意图。
具体实施方式
16.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
17.如图1所示，本发明实施例提供了一种基于频域分集的多载波通信系统，包括用于接收信号的收端系统和用于发送信号的发端系统，所述发端系统包括bit交织、编码及调制模块，符号重映射模块和多载波调制模块，收端系统包括信道估计模块、合并均衡模块、软判决模块、译码模块；所述bit交织、编码及调制模块用于源信息比特的编码和符号调制；所述符号重映射模块用于发端系统的频域分集；所述多载波调制模块用于将携带信息的符号调制到对应的子载波上；所述信道估计模块用于从收端接收的信号中提取导频信号；所述合并均衡模块用于实现对各路子载波上的相同符号进行合并均衡；所述软判决模块用于对均衡后的数据进行软判决；所述译码模块用于根据发端系统的编码方案，采用对应的译码算法进行译码。该方案能在减小频率选择性衰落影响的同时获得合并增益，在不增加计算复杂度的情况下比普通的直接累加合并性能明显提升。且根据采用不同的分集系数解调性能明显提升，并且分集系数越大，解调性能提升越多。
18.在一个具体的实施场景中：该方案基于多载波通信系统，发端利用频域分集，收端采用频域最大比合并（frequency max rate combine，fmrc）的均衡算法。该方案能在减小频率选择性衰落影响的同时获得合并增益，在不增加计算复杂度的情况下比普通的直接累加合并性能明显提升。
19.为了实现上述功能，提出的收发机系统的技术方案主要由发端系统和收端系统组成。发端系统包括bit交织、编码、调制模块、符号重映射模块和多载波调制模块。收端系统主要包括信道估计模块、合并均衡模块、软判决模块、译码模块。基于频域分集的多载波通信系统的具体功能框图如图1所示。
20.发端系统的各模块及其功能描述如下：bit交织、编码和调制模块：主要实现源信息比特的编码和符号调制；符号重映射模块：主要功能是实现发端系统的频域分集，将数据符号和导频符号分别映射到各自对应的子载波上，其中数据符号的映射遵循分集规律，假设分集系数为n。这里分集方案有两种，第一种是集中式分集方案，即同一数据符号在连续n个子载波上重复n次，然后再依次映射下一个数据符号；第二种是分布式分集方案，即先依次将一个ofdm符号对应的所有数据符号映射一遍，然后按子载波顺序再将所有数据符号重复映射，直到完成n次映射；集中式分集方案和分布式分集方案示意图分别如图3和图4所示。
21.多载波调制模块：实现将携带信息的符号调制到对应的子载波上。
22.收端系统主要模块及其功能描述如下：
信道估计模块：从收端接收的信号中提取导频信号，首先估计导频信号位置的信道衰减系数；然后对数据子载波位置处对应的信道衰减系数进行插值。
23.合并均衡模块：实现对n路相同符号的合并均衡，按照如下合并均衡算法，得到合并均衡后的接收数据：并均衡后的接收数据：表示第i个均衡后的接收数据，n表示分集支路数，表示第i个接收数据的第j个支路的值，表示第i个接收数据的第j个支路对应的信道衰减系数，l表示发端发送数据符号个数。
24.软判决模块：对均衡后的数据进行软判决，即计算接收符号的信息比特最大后验概率的对数似然比，即为接收信息的软比特信息。根据软比特信息判决接收比特是0还是1。
25.译码模块：根据发端的编码方案，采用对应的译码算法。
26.本发明还提供了一种基于频域分集的多载波通信方法，包括：s1，从收端接收的信号中提取导频信号，首先估计导频信号位置的信道衰减系数，然后根据已知的导频子载波位置处的信道衰减系数对数据子载波位置处对应的信道衰减系数进行插值；s2，利用估计的信道衰减系数对接收数据进行均衡；s3，计算每个数据符号对应信道的合并加权系数；s4，计算合并均衡后的接收数据；s5，对均衡后的数据进行判决、解调、译码。
27.该方法应用于前述基于频域分集的多载波通信系统上，前述基于频域分集的多载波通信系统的每个模块均可以用来实施该方法。在此不再赘述。
28.在一个具体的实施场景中，具体流程框图如图2所示。该方法包括以下步骤：步骤1：从收端接收的信号中提取导频信号，首先估计导频信号位置的信道衰减系数，然后根据已知的导频子载波位置处的信道衰减系数对数据子载波位置处对应的信道衰减系数进行插值。
29.具体在本实施例的具体实现中为：一个ofdm（正交频分复用技术）符号划分为个子载波，其中符号两端分别留出一段保护带宽，设每一段保护带宽的子载波个数为，剩下的子载波分为数据子载波和导频子载波，数据子载波个数为，导频子载波个数为，同时考虑直流子载波个数为。以上满足。
30.收端首先估计导频处的信道系数，此处估计算法可采用现有技术的ls，mmse等估计算法。然后通过插值方式获取数据子载波处的信道系数。
31.步骤2：利用估计的信道系数（即信道衰减系数）对接收数据进行均衡：
公式中的上角标h表示取共轭。
32.步骤3：计算每个数据符号对应信道的合并加权系数个数据符号对应信道的合并加权系数步骤4：计算合并均衡后的接收数据。
33.例如，假如，则，其中和是分集发送的同一个符号。
34.表示第i个均衡后的接收数据，n表示分集支路数，表示第i个接收数据的第j个支路的值，表示第i个接收数据的第j个支路对应的信道衰减系数，l表示发端发送数据符号个数。
35.步骤5：对均衡后的数据进行判决、解调、译码。可根据具体要求采用现有的合适的调制和编码方式。
36.为验证该发明方案的性能，在matlab中按照上述实施步骤进行了仿真，本实施例中仿真的信道环境采用莱斯多径信道，多径信道的时延和信道增益分别为：时延：( 0 10 20 30 50 80 )ns；信道增益：( 0
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0.3
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0.6
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0.9
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1.3
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2 )db;分别仿真了集中式分集方案下，支路数为1,2,4三种情况，结果显示随着分集支路的增加系统的误比特率性能是逐渐增加的。当分集支路数为4时，本发明所述集中式合并分集方案的系统性能与均衡后累加合并的系统性能的对比，在系统低性噪比（小于6db）时，本发明有1db的性能提升，在高性噪比（大于6db）时，性能提升大于2db。
37.需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
38.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd
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rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
39.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实
现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
40.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
41.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
42.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
43.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。