一种提升极化调制误码率性能的XPD补偿方法与流程

本发明属于无线通信
技术领域：
，是一种在接收端进行补偿的对抗XPD效应的方法，尤其涉及一种提升极化调制误码率性能的XPD补偿方法。
背景技术：
：极化调制作为一种新型的调制技术，即利用信号的极化状态承载信息,在无线通信中已得到深入的研究。然而复杂的无线信道特性将产生复杂多变的去极化效应，如交叉极化鉴别度(CrossPolarizationDiscrimination:XPD)，将严重影响发射信号的极化状态。去极化效应XPD描述的是双极化信道下共极化信道和交叉极化信道之间的功率泄漏，由此造成的交叉极化干扰将严重改变接收信号的极化状态分量的幅度比和相位差，使得接收端无法正确解调，影响极化调制性能。目前针对去极化效应XPD的研究主要关注XPD在极化分集和极分多址技术方面的影响。在极化MIMO-OFDM系统下，研究者通过引入MIMO信道的迫零算法(MIMO-ZF)和迫零串行干扰消除算法(ZF-SIC)来对抗XPD带来的两路信号之间的交叉极化干扰，从而提高极化分集增益。此外，研究者提出一种在无线极化衰落信道下的极分多址接入(PolarizationDivisionMultipleAccess:PDMA)技术，该技术通过调整发射极化信号可以在接收端获取每个子载波上的XPD，并利用XPD实现极化滤波检测得到期望的发射信号。然而，XPD对以信号的极化状态承载信息的极化调制的影响需要进一步的研究。技术实现要素：本发明提出了一种极化调制中对抗XPD效应的补偿方法，目的是提升XPD效应影响下的极化调制误码率性能。XPD会使得某一极化信号两路分量的极化状态之间发生交叉功率泄漏造成干扰，严重改变接收信号的极化状态分量的幅度比和相位差，使得接收端无法正确解调，影响极化调制性能。从降低XPD效应对极化调制性能的影响出发，本发明提出了一种提升极化调制误码率性能的XPD补偿方法，即通过分析XPD对极化调制信号极化状态的影响，利用信道状态信息计算得到补偿因子，并在接收端对接收信号极化状态进行补偿，来减小由XPD带来的交叉功率泄漏，进而降低极化调制的星座失真，提升极化调制的误码率性能。一种提升极化调制误码率性能的XPD补偿方法，具体步骤如下：步骤一：建立极化调制中对抗XPD效应的系统模型，分析XPD效应对极化调制的影响；由于极化调制是利用信号的极化状态属性承载信息，而无线信道中的去极化效应XPD带来的交叉功率泄漏会改变信号的极化状态。因此本发明中首先建立了极化调制中对抗XPD的系统模型。经过双极化传输信道后，极化信号会受到噪声和去极化效应XPD的影响。接收端信号的极化状态的幅度比和相位差发生改变，表现在庞加莱(Poincare)球上每个接收极化状态的分布是一个不确定的圆环，即极化状态发生扩散，从而影响极化调制的性能。步骤二：对信道状态信息进行估计，利用估计得到的信道状态信息计算得到补偿因子，并在接收端对信号进行补偿；为了简化分析，本发明采用最常用的信道估计方法，即基于导频的信道估计算法来对信道状态信息进行估计。在信道估计理想情况下，假设在每一个发送符号间隔内信道信息保持不变，计算得到补偿因子。然后在接收端对信号进行处理，即对每一时刻接收信号的极化状态乘以补偿因子，从而对抗去极化效应XPD带来的两路信号分量之间的交叉功率衰减，提升极化调制的误码率性能。本发明的优点：1、本发明采取了新型的极化调制技术，即利用信号的极化状态承载信息；2、本发明通过信道估计算法对信道状态信息进行估计，利用信道状态信息得到补偿因子；3、本发明在接收端对受XPD效应影响的信号极化状态进行补偿，减小星座失真；4、本发明相比补偿之前，极化调制的误码率性能有很大提升。附图说明图1是本发明中极化调制中XPD补偿算法的实现框图；图2是本发明中极化状态受XPD影响前后的轨迹对比曲线；图3是本发明中二阶极化调制(2PM)中补偿前后极化状态在Poincare球上的分布图；图4是本发明中补偿前后2PM的误码率对比曲线；图5是本发明的方法流程图。具体实施方式下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。本发明提出了一种提升极化调制误码率性能的XPD补偿方法。在无线通信系统中，无线信号传播环境本身的复杂性，导致了无线信道特性十分复杂。然而，复杂的无线信道特性随之而来将产生复杂多变的去极化效应，如交叉极化鉴别度XPD，将严重影响发射信号的极化状态。去极化效应XPD描述的是双极化信道下共极化信道和交叉极化信道之间的功率泄漏，由此造成的交叉极化干扰将严重改变接收信号的极化状态分量的幅度比和相位差，使得接收端无法正确解调，影响极化调制性能。本发明提出了一种提升极化调制误码率性能的XPD补偿方法，即通过分析XPD对极化调制信号极化状态的影响，利用信道状态信息计算得到补偿因子，并在接收端对接收信号极化状态进行补偿，从而提升极化调制的误码率性能。本发明提出的提升极化调制误码率性能的XPD补偿方法，包括XPD对极化状态的影响分析、补偿因子的计算和误码率分析等，具体步骤如下：步骤一：建立极化调制中对抗XPD效应的系统模型，分析XPD效应对极化调制的影响；在该系统模型中，首先对发射信息I进行信源编码和信道编码得到二进制数字序列通过极化状态映射成M阶极化状态星座极化状态可以用极化相位描述子(δi,φi)表示，δi∈[0,π/2],φi∈[0,2π]。然后通过极化状态控制单元得到极化信号，并通过一对正交双极化天线将极化信号发射出去完成极化状态调制。(1)接收极化信号可以表示为：R＝H(t)·E+w(t)(1)其中，E和w(t)分别代表2×1的发送极化信号和信道中的高斯白噪声。H(t)表示2×2的双极化信道矩阵。发送极化信号可以分解为任意正交的两个极化分量，这里将其分解为水平和垂直的正交极化分量，可以表示为：E=EiHEiV=cosδisinδi·ejφi---(2)]]>其中，δi和φi分别表示极化信号两分量之间的幅度比和相位差。以二阶极化调制为例，假设经二阶极化调制后发送信号对应的两种极化状态分别为水平极化状态和垂直极化状态，即令公式(2)中：δi=0,i=1π/2,i=2---(3)]]>经过双极化传输信道后，极化信号会受到噪声和去极化效应XPD的影响。双极化信道矩阵可以表示为：H(t)=HHH(t)HHV(t)HVH(t)HVV(t)---(4)]]>其中，HXY(t)表示接收端极化分量X和发送端极化分量Y之间的信道增益。考虑到信道的去极化效应XPD，其信道条件满足：E[|HHH|2]=E[|HVV|2]=1E[|HHV|2]=E[|HVH|2]=χ,0≤χ1---(5)]]>其中χ是XPD的倒数，通常XPD定义为：XPD=1χ=E[HHH·HHH*]E[HVH·HVH*]=E[HVV·HVV*]E[HHV·HHV*]---(6)]]>经过无线信道后，接收极化信号表示为：RiHRiV=H(t)EiHEiV+w(t)=EiHHHH(t)+EiVHHV(t)EiHHVH(t)+EiVHVV(t)+w(t)---(7)]]>根据公式(2)和公式(3)，接收极化信号可以化简为：R1HR1V=HHHHVH+w(t)R2HR2V=HHVHVV+w(t)---(8)]]>(2)为了直观地观测XPD对信号极化状态的影响，这里根据公式(2)和公式(3)计算得到发射和接收极化信号的stokes矢量参数的表现形式如下。发送极化信号的stokes矢量参数为：gi0=|EiH|2+|EiV|2gi1=|EiH|2-|EiV|2gi2=2|EiH|·|EiV|·cosφigi3=2|EiH|·|EiV|·sinφi---(9)]]>接收极化信号的stokes矢量参数为：gir0=(1+χ)(|EiH|2+|EiV|2)=1+χgir1=(1-χ)(|EiH|2-|EiV|2)/(1+χ)gir2=2|RiH|·|RiV|·cosφi′/(1+χ)gir3=2|RiH|·|RiV|·sinφi′/(1+χ)---(10)]]>其中φi和φ'i分别代表发送端和接收端信号极化状态两路分量的相位差。需要注意的是，和代表的是信号两路分量的功率总和。在球面坐标系下，信号的stokes矢量参数和信号的极化状态是一一对应的关系。或表示的是Poincare球上某一点的坐标。根据发送端和接收端信号的stokes矢量参数可以发现，信号受到去极化效应XPD影响后，极化调制信号的极化状态的幅度比和相位差发生改变，表现在Poincare球上每个接收极化状态的分布是一个不确定的圆环，即极化状态发生扩散，从而影响极化调制的性能。此外，忽略噪声的影响，由公式(8)可以计算得到相应的接收信号的功率为：{P1′=E[|HHH|2]+E[|HVH|2]=1+χP2′=E[|HHV|2]+E[|HVV|2]=χ+1---(11)]]>则归一化之后的接收端有用信号的总功率P'R为：P′R=11+χ---(12)]]>由公式(12)可以发现，去极化效应XPD也会降低接收端有用信号功率，即由交叉极化功率泄漏造成系统接收信噪比下降，降低极化调制的性能。步骤二：对信道状态信息进行估计，利用估计得到的信道状态信息计算得到补偿因子，并在接收端对信号进行补偿；(1)为了简化分析，本发明采用最常用的信道估计方法，即基于导频的信道估计算法来对信道状态信息进行估计。在信道估计理想情况下，假设在每一个发送符号间隔内信道信息保持不变，计算得到补偿因子W：W=11-χ1-χ-χ1---(13)]]>(2)在接收端对信号进行处理，即对每一时刻接收信号的极化状态乘以补偿因子W,得到补偿后接收极化信号(忽略噪声的影响)，可以表示为:RiH′RiV′=W·(H(t)·EiHEiV)=11-χ1-χ-χ1·EiHHHH+EiVHHVEiHHVH+EiVHVV=11-χEiH(HHH-χHVH)+EiV(HHV-χHVV)EiV(HVV-χHHV)+EiH(HVH-χHHH)---(14)]]>根据公式(4)和公式(5)中考虑去极化效应XPD时信道满足的条件以及XPD的定义，上式可以化简为：RiH′RiV′=EiH·HHHEiV·HVV---(15)]]>则可以计算得到补偿之后接收信号两路分量的功率分别为：PiH′′=|EiH|2PiV′′=|EiV|2---(16)]]>由此可以发现，该补偿算法可以有效对抗去极化效应XPD带来的两路信号分量之间的交叉功率衰减，并根据公式(15)得到补偿之后的接收信号的极化状态，依据极化状态的映射规则进行逆映射得到数字序列，并经过译码得到发射信息。步骤三：极化调制的误码率性能分析及仿真结果；关于本发明方法中极化调制误码率性能的相关说明：针对去极化效应XPD对极化调制的影响，本发明提出一种补偿算法在接收端对信号极化状态进行补偿。接下来具体分析XPD效应对2PM的误码率性能的影响。根据公式(12)得到的接收端有用信号总功率,可以计算得到补偿前的接收信噪比为：RSNR=PR′/N0=11+χ/N0---(17)]]>根据公式(16)得到的补偿之后接收端有用信号两路分量的功率,可以计算得到补偿后的接收信噪比为：RSNR'＝(PiH”+PiR”)/N0＝1/N0(18)极化调制的误码率表达式为：SER=1/MPΣi=1MPPei---(19)]]>其中Mp为极化调制的调制阶数，为关于极化调制每个接收星座点的SER函数，当MP＝2时：其中θ0为相邻星座点距离的一半，函数α(θ,t)为α(θ,t)＝2arccos(tanθ/tant)。ti,分别为极化状态的经度和纬度，可用极化状态的几何描述子表示。而关于RSNR的联合概率分布函数可以描述为：仿真结果：仿真采用的调制方式为二阶极化调制，在仿真中，通常去极化效应XPD值取5～15dB，XPD＝1/χ且0≤χ≤1。为了简化分析，信息传输的比特率Rb＝1kbit，每比特信息的码元间隔Tb＝1ms，信噪比的范围为0～20dB。首先，如图2所示，对比了某一特定极化状态受到信道去极化效应XPD不同程度影响前后在Poincare球上的轨迹；从图2(a)和(b)可以看出，发送某一特定极化状态如图中红点所示，在受到信道去极化效应XPD不同程度影响后，接收信号极化状态在Poincare球上的分布如图中黑色圆环所示。由于信道中去极化效应XPD是衡量双极化信道固有属性的一个统计值，因此图中信号极化状态在受到XPD影响后，接收信号的极化状态在Poincare球上的分布为信道循环多次统计得到的结果。根据公式(10)计算得到接收极化信号的stokes矢量参数，在Poincare球上表现为围绕在发送极化状态周围不同半径的圆环。随着XPD的增大即信道中XPD影响程度减弱，该圆环的半径减小，图中表现为向着发送极化状态的点向内收缩。其次，本发明设置三种仿真环境，依次为只考虑AWGN信道、受信道XPD效应影响和在接收端对信号进行补偿这三种情况，并依次分析接收信号极化状态在Poincare球上的分布情况以及极化调制的误码率性能。以二阶极化调制为例，在仿真中假设发送端发送一个长度为num＝100000的二进制序列，通过极化状态映射对应得到水平垂直两种极化状态，取N＝200即信道循环200次。图3和图4分别给出了XPD＝7.5dB情况下，二阶极化调制下补偿前后接收信号极化状态在Poincare球上的分布以及误码率曲线，并同时与AWGN信道条件下二阶极化调制的极化状态分布以及误码率进行对比。从图3可以发现，圆圈部分为信号经过AWGN信道后接收信号极化状态的分布情况；受信道去极化效应XPD影响后，接收信号极化状态从发送信号极化状态的中心整体向外偏移，即黑点部分所示；在接收端对信号进行补偿之后，极化状态的分布如三角部分所示，接近AWGN信道条件下的分布。从图4可以发现，在接收端对信号进行补偿之后，其误码率性能介于AWGN信道与未补偿时受信道去极化效应XPD影响时极化调制的误码率性能之间。随着信噪比不断增加，极化调制的误码率性能逐渐提升。此外，当误码率BER＝10-5时，AWGN信道下所需信噪比为13dB，受XPD影响后所需信噪比为17dB，补偿后所需信噪比为14.5dB。由此可以看出，该补偿算法对比未补偿之前的性能有2.5dB的提升。然而，实际中的补偿无法达到未受影响的信道环境，因此其性能总不如只考虑AWGN信道下的二阶极化调制的误码率性能。当前第1页1 2 3