超奈奎斯特通信系统及其通信方法与流程

本发明属于通信领域，尤其涉及一种超奈奎斯特通信系统及其通信方法。
背景技术：
：超奈奎斯特(faster-than-nyquist,ftn)通信在第五代移动通信研究中受到了国内外大量学者的关注。首先，ftn可以进一步提高频谱的有效性。研究表明，与传统的方法相比，ftn可以在相同带宽，相同每比特能量的情况下多传输30％-100％的数据。其次，ftn不仅可以用于时域信号，而且可以用于频域信号。同时，ftn可以使人们对于信道容量有新的认识，已有文献证明了当ftn使用某些信号时，因为等效的频谱延展，其信道容量可以提高。因此，在第五代移动通信研究中，ftn是一项非常有潜力的技术。然而，ftn在接收端必须处理不可避免的码间干扰问题(intersymbolinterference，isi)，从而大大增加了ftn接收端的复杂度和译码检测延迟，这是ftn至今没有被广泛引用的一个主要原因。作为传统的isi消除技术，最大似然序列估计(maximumlikelihoodsequenceestimation,mlse)可以提供最优的性能。但是ftn严重的isi使得mlse在实践中并不可行。在当前解决此问题的研究可以大致分为三类：第一类，通过减少isi所构成网格结构的状态数来降低复杂度和译码检测延迟；第二类，通过减少在isi所构成网格结构中的搜索数来降低复杂度和译码检测延迟；第三类，不直接处理isi所构成的网格结构，通过另外的研究角度来降低复杂度和译码检测延迟。虽然已经有很多的简化算法被提出，但是其局限性导致这个问题并没有得到真正解决。因此如何降低ftn接收端的复杂度和译码检测延迟来消除ftn引起的isi问题，并提高其性能使ftn的特点充分发挥，成为了下一代移动通信的研究重点。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题在于提供一种超奈奎斯特通信系统及其通信方法，旨在降低ftn接收端的复杂度和译码检测延迟来消除ftn引起的isi问题。本发明是这样实现的，一种通信方法，包括：采用自适应调制方式对原始信号进行调制，得到调制信号；对所述调制信号进行预编码，得到预编码信号；通过无线信道发送所述预编码信号。进一步地，所述原始信号以s(t)表示，所述调制信号以x(t)表示，通过以下公式来对所述原始信号进行调制，得到所述调制信号：其中，es表示所述调制信号的平均能量，{an}表示所述原始信号s(t)的零均值、单位方差的调制信号序列，n＝0,1,2,...,nm-1，所述原始信号s(t)满足t正交，具有单位能量，即τ表示时间加速因子，τ的取值介于0和1之间。进一步地，所述对所述调制信号进行预编码，得到预编码信号包括：通过预编码器对所述调制信号进行预编码，得到所述预编码信号；以a表示所述预编码信号，其根据如下预编码产生：其中，p表示nm×nm的预编码矩阵，其为酉阵，ni表示原始信号的序列的长度，nm表示经过预编码产生的传输信号的长度，表示原始的信息序列，m(·)表示自适应调制方案；自适应调制方案m(·)选择为：表示最小二乘法的欧氏距离。进一步地，所述自适应调制方案m(·)通过次优算法来降低计算复杂度，步骤包括：初始化一个1-bit的信息序列，以使用第一子信道来传输初始化后的信息序列，即且同时将其标记为m(1)(·)，其中，表示在相应的子信道上传输的符号所携带的bit的数量；在m(1)(·)的基础上，在信息序列上多加1-bit，此1-bit的信息可以被任何满足子信道的符号携带；针对当t＝0,1,...,nm-1时，获得每种情况的相应的在所有可能的t中，选择最大的值为来获得一个2-bit序列设定的m(2)(·)；重复上述步骤，直到通过在mn-1(·)上多加1-bit信息计算出mn(·)，并最终计算得到进一步地，所述通过无线信道发送所述预编码信号包括：将所述预编码信号乘以一个放大因子，已对所述预编码信号进行放大，将放大后的预编码信号通过无线信道进行发送。进一步地，所述无线信道包括若干子信道，所述通过无线信道发送所述预编码信号包括：根据每个子信道的增益大小自适应的调整每个子信道发送信息的数量，以使增益大的子信道传输更多的信息，使增益小的子信道传输较少的信息。本发明实施例还提供了一种通信方法，包括：根据预置的预编码矩阵，对预编码信号进行分解检测，以消除所述预编码信号的码间干扰；将接收信道分解成若干个并行子信道，每个所述子信道通过点对点的调制方式调制分解后的预编码信号，得到估计数据。进一步地，所述预编码信号以矩阵形式表示为：y＝hra+w；其中，预编码信号a的矩阵噪声矩阵h表示发射端与接收端之间的信道系数，矩阵r表示码间干扰isi，其表示为：其中，r_n-1表示前一个符号对本符号的干扰，r_n表示自身信号的放大增益，r_n+1表示后一个符号对本符号的干扰，码间干扰isi的网格状态数为2(l1+l2)，进一步地，所述对预编码信号进行分解检测包括：通过乘法器u*左乘矩阵y以对所述预编码信号中的调制信号m(b)进行分解：y′＝u*y＝hu*[uλv*]pm(b)+u*w＝hλm(b)+w′其中，等效噪声w′＝u*w表示白高斯噪声，其协方差矩阵与w相同，λ表示对角矩阵。本发明实施例还提供了一种超奈奎斯特通信系统，包括发射端和接收端，所述发射端用于执行上述的通信方法，所述接收端用于执行上述的通信方法。本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明实施例通过自适应调制方式对原始信号进行调试，提高了检测性能，并采用预编码方案对调制后的信号进行预编码，接收端通过线下计算的预编码矩阵，对接收到的预编码信号的全部信息进行分解检测，将原始的接收信道分解为无任何码间干扰的并行子信道。每个子信道都可以通过点对点的解调得到估计数据，本发明实施例解决了isi网格结构带来的高实现复杂度的难题，降低了ftn系统的译码检测延迟，实现更低的ber。附图说明图1是本发明一实施例提供的通信方法的流程图；图2是本发明另一实施例提供的通信方法的流程图；图3是本发明另一实施例提供超奈奎斯特通信系统的通信方法的流程图；图4是本发明实施例提供的对角矩阵λ对角线元素分布图；图5是本发明实施例提供的次优算法的流程图；图6是本发明提供超奈奎斯特通信系统在τ＝1/2时与补偿维特比算法和补偿bcjr算法的性能比较图；图7是本发明所述的系统在τ＝1/3时与补偿维特比算法和补偿bcjr算法的性能比较图；图8是本发明所述的系统在τ＝1/4时与补偿维特比算法和补偿bcjr算法的性能比较图。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，以下结合附图及实施例，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。本发明实施例提供了一种基于自适应调制和预编码的，可进行并行计算高性能的超奈奎斯特通信系统，该系统通过在发射端采用一种新的自适应调制方案和ftn系统预编码方案，在接收端执行一个简单但最优的分解检测来将原始信道分解为无任何isi的并行子信道。每个子信道都可以通过点对点的解调得到估计数据，并且在接收端的译码检测延迟与isi的网格状态数无关，因此可适用于处理ftn中加速因子τ较小时的情况(即严重isi的情况)，解决了isi网格结构带来的高实现复杂度的难题，降低了ftn系统的译码检测延迟，实现更低的ber。图1示出了本发明一实施例提供的一种通信方法，包括：s101，采用自适应调制方式对原始信号进行调制，得到调制信号；s102，对所述调制信号进行预编码，得到预编码信号；s103，通过无线信道发送所述预编码信号。图2示出了本发明另一实施例提供的一种通信方法，包括：s201，根据预置的预编码矩阵，对预编码信号进行分解检测，以消除所述预编码信号的码间干扰；s202，将接收信道分解成若干个并行子信道，每个所述子信道通过点对点的调制方式调制分解后的预编码信号，得到估计数据。本发明实施例提供的超奈奎斯特通信系统，包括发射端和接收端，该发射端用于执行图1所示的通信方法，该接收端用于执行图2所示的通信方法，下面通过图3到图8对本发明实施例进行进一步地阐述：如图3所示，本发明实施例提供的基于自适应调制和预编码的并行计算的高性能超奈奎斯特通信系统，包括如下步骤：步骤1：在发射端采用新的自适应调制方式对原始信号进行调制，其中，调制方式为采用自适应调制方案m(b)而非采用固定的调制。具体的，本实施例中通过提出一种次优算法来降低实现该自适应调制方案的复杂度，此算法能最大化接收信号间的最小距离，从而在不增加传输功率的条件下提高系统性能。需要说明的是，最小距离dmin作为一个重要的参数，对于决定错误概率起到了关键的作用。因此，调制映射应选用一个能够最大化最小距离dmin的策略。由于调制信号x(t)是由所有不同的{an}序列以一个调制映射m(·)组成，假设有两个信号xi(t)和xj(t)，且其相应的序列{an}至少有一处不同，则对于一个指定的调制映射m(·)，其最小二乘法的欧式距离可以表达为：其中，c为常数。根据以上讨论，调制策略m(·)可以选择为：步骤2：在发射端对经过步骤1中的自适应调制方案产生的调制信号m(b)进行预编码。具体的，本实施例中在发射端采用的预编码方案，将ftn应用于一个窄带的通信系统，即将一个原始的、未经调试的基带脉冲信号s(t)用以下方式来进行线性调制：其中，es是调制后信号的平均能量，{an}表示所述原始信号s(t)的零均值、单位方差的调制信号序列，n＝0,1,2,...,nm-1。基带脉冲信号s(t)满足t正交，而且具有单位能量，即相比传统的正交采样系统，本发明实施例提供的超奈奎斯特通信系统增加了时间加速因子τ，τ的取值介于0和1之间。根据上述的ftn通信系统，本发明实施例在发射端将通过该预编码器生成如下的{an}信息序列：其中，p是一个nm×nm的预编码矩阵，其设计与isi矩阵有关，将在下文介绍；ni表示原始信号的序列的长度，nm表示经过预编码产生的传输信号的长度，为原始的信息序列，m(·)用来表示自适应调制方案。步骤3：根据线下计算的预编码矩阵，接收端可以通过解调器进行简单但是最优的分解检测从而完全消除码间干扰(intersymbolinterference，isi)，并将发射端的原始信道分解为多个并行子信道，每个子信道都可以通过点对点的解调得到估计数据。具体的，本实施例中，根据上述的预编码方案，接收端接收到的信号用矩阵形式可以表示为：y＝hra+w；其中，预编码矩阵a的接收信号矩阵噪声矩阵h表示发射端与接收端之间的信道系数；矩阵r用来表示isi，因为矩阵r仅取决于发射端发射脉冲的形状和时间加速因子τ，在本实施例中，发射端预先设置矩阵r的全部信息。由于isi矩阵r可以表示为如下形式：其中，其中，r_n-1表示前一个符号对本符号的干扰，r_n表示自身信号的放大增益，r_n+1表示后一个符号对本符号的干扰，isi的网格状态数为2(l1+l2)，具体地，r表示inter-symbolinterference(码间干扰)，r_-1表示前一个符号对本符号的干扰，r_0表示自身信号的放大增益，r_1表示后一个符号对本符号的干扰，以此类推。由于发射端已预先设置了r的全部信息，可对其进行奇异值分解为：r＝uλv；其中，u和v都是酉阵，(·)*是矩阵的共轭转置运算，是一个由矩阵r的奇异值组成的对角矩阵。根据上述信息，发射端的预编码矩阵可以设定为p＝v。需要说明的是，如图4所示，当时间加速因子τ分别为1/2、1/3、1/4，s(t)采用30％带宽扩展的rrc脉冲，信息序列长度为800比特时，对角矩阵λ的对角线元素并不相等。而且，当时间加速因子τ变小时，较小数值的对角线元素所占的比例越大。也就是说，本发明实施例通过预编码得到的子信道拥有不同的信道增益。在这种情况下，如果选用一个固定的调制策略在每个子信道上传递数量相同的信息是不明智的。在本发明实施例中，根据步骤1中的自适应调制方案，由于接收端预先知道矩阵λ的信息，因此可以根据每个子信道的情况来自适应地调整每个子信道发送信息的数量，其基本思想是让增益大的子信道传递更多的信息而让增益小的子信道传递较少的信息。在极限的情况下，有些增益很小的子信道将直接被弃用。在一些子信道被丢弃的情况下，为了保证发射的信号具有单位能量，矩阵a需要通过一个放大器乘以一个放大因子β。对于给定的m(·)，为之中非零取值的个数，则发射端的放大系数可以设定为来保证整个传输块的功率恒定。需要说明的是，步骤三中所述的简单但是最优的分解检测方法，是接收端可以通过乘法器u*左乘y来对调制信号进行分解：y′＝u*y＝hu*[uλv*]pm(b)+u*w；＝hλm(b)+w′其中，等效噪声w′＝u*w是白高斯噪声，并且其协方差矩阵与w相同。因为λ是一个对角矩阵，所以原先的信道分解成了nm个独立的平行子信道。对于第j个子信道，其等价信道增益为hλj。最后，调制信号m(b)可以被子信道简单的解调独立检测到，从而得到估计数据。需要说明的是，上述的简单但是最优的分解检测方法通过预编码方案可以完全消除isi。此方法不需要采用维特比算法或者bcjr算法，因此与isi所对应的网格结构没有关系。同时，在接收端不存在判断和循环的操作，所包含的矩阵乘法可以通过并行计算来实现，这将极大降低接收端的译码检测延迟，可以处理ftn中加速因子τ较小时的情况(即严重isi的情况)。如图5所示，构建步骤1所述的自适应调制策略，直接使用上述的m(·)计算最小距离的计算复杂度很高，特别是在信息长度较大的情况下。因此，该调制方案通过提出一种次优算法来降低实现复杂度。其中，该次优算法能最大化接收信号间的最小距离，从而在不增加传输功率的条件下提高系统性能，该算法具体包括如下步骤：步骤31：初始化一个1-bit的信息序列，使用第一个子信道来传输此序列。即且同时将其标记为m(1)(·)。其中，表示在相应的子信道上传输的符号所携带的bit的数量；步骤32：在m(1)(·)的基础上，在信息序列上多加1-bit，此1-bit的信息可以被任何满足子信道的符号携带；步骤33：针对当t＝0,1,...,nm-1时，获得每种情况的相应的步骤34：在所有可能的t中，选择最大的值为来获得一个2-bit序列的设定的m(2)(·)；步骤35：重复步骤32，33，34，直到通过在mn-1(·)上多加1-bit信息计算出mn(·)；步骤36：计算出由此可见，m(·)只取决于发射端已知的对角矩阵λ，因此，m(·)可以线下计算获得。在上述步骤31中，信息序列为发射端的原始信号，该发射端的原始信号是假设已准备好了的，实际上物理层的信号来自于上层mac层，该物理层指的是本申请中描述的场景。而在步骤31到步骤36中为了实现自适应调制方案，指的是具体的自适应调解方案的计算过程，自适应调制后才进行预编码。为了评估本发明提出的基于自适应调制和预编码的并行计算超奈奎斯特通信系统在性能上优于补偿维特比算法(viterbialgorithm,va)和补偿bcjr算法。首先如图6所示，以时间加速因子τ为1/2的非编码ftn系统为例，选取常用的带宽扩展30％的rrc脉冲，二进制位密度为2/τbits/hz-s，使用3db的带宽，信息序列长度为800比特。图6比较了本发明实施例提供的系统在不同的isi状态大小下的基准与补偿维特比算法和补偿bcjr算法的ber比较。isi的网格状态数为2(m-1)，通常情况下，选择越小的m，ftn信号将会有越少的检测延迟。同时，m的下降导致了补偿va算法和补偿bcjr算法性能的下降。需要说明的是，补偿va算法和补偿bcrj算法的目的是要减少isi状态的总数而不是isi状态的搜索数。因此，一旦isi的网格被确定了，所有的isi网格都将被搜索到。可是看出，本发明实施例提供的基于自适应调制和预编码的超奈奎斯特通信系统在所有模拟的信噪比(signal-to-noiseratio,snr)范围内的基准上优于补偿va算法和补偿bcrj算法。相比于补偿va算法，本发明实施例提供的系统在ber为10-4，m为6时，可以有2db的增益。此外，仿真结果表明，当m为2时，补偿va算法和补偿bcrj算法的性能差于4ask(振幅偏移键控)的奈奎斯特速率系统，这说明ftn信号的潜在的益处被isi隐藏了。并且，可以看出，本发明实施例的分析性能可以很好地与仿真结果相匹配。其次如图7所示，本发明实施例以时间加速因子τ为1/3的非编码ftn系统为例来模拟更严重的isi情况。从图7可以看出，本发明实施例的性能要优于补偿va算法和补偿bcrj算法。相比于补偿va算法，本发明所提出的通信系统在ber为10-4，m为7时，可以有2.2db的增益。在这种情况下，对于补偿va算法和补偿bcrj算法，需要考虑更多isi状态来提高性能，这将导致更多的检测延迟。同时，由于本发明实施例提供的基于自适应调制和预编码的并行计算超奈奎斯特通信系统与isi网格数无关，所以本发明实施例的检测延迟不会增加。此外如图8所示，本发明实施例考虑了isi更严重的情况，也就是当时间加速因子τ为1/4的非编码ftn系统。从图8可以看出，本发明实施例提供的系统的性能的增益要大于图6与图7所示的基准值。同时，对于补偿va算法和补偿bcrj算法，为了获取优良的性能，需要考虑到更多的isi状态，因此它们的检测延迟有一个显著的增加。因此，本发明实施例提供的系统在isi更严重的情况下，相比于补偿va算法和补偿bcrj算法，有明显的优势。为了比较图6、图7与图8中的各个算法的检测延迟，表1列出了各算法在在100帧仿真时所需要的时间。这里时间的统计是从发射端生成信息比特到接收端解码结束。从表中可以看出，本发明实施例具有最少的运行时间。而且，随着时间加速因子τ的进一步减小，补偿va算法和补偿bcjr算法需要更多的主状态数以尽可能消除isi，这将进一步增大这两种算法的检测延迟。而本发明实施例其算法和isi的网格结构没有关系，因此，即使时间加速因子τ进一步减小，本发明实施例提供的算法的检测延迟仍然不会增加，即解决了isi网格结构带来的高实现检测延迟的难题，又降低了ftn系统的译码检测延迟，实现了更低的误码率。表1各算法100帧仿真时所需时间算法所需时间(秒)本发明实施例所提供的算法3.83补偿va算法，m＝2时29.89补偿va算法，m＝4时48.71补偿va算法，m＝7时287.67补偿bcjr算法，m＝2时27.97补偿bcjr算法，m＝7时186.01补偿bcjr算法，m＝10时2762.84从上述的仿真结果看出，本发明实施例所提供的一种基于自适应调制和预编码的并行计算超奈奎斯特通信系统，其性能的改善主要基于以下两个方面。首先，发射端的预编码方案和接收端的分解检测可以完全消除isi。第二，本发明所提出的自适应调制策略充分利用了并行子信道。因此，更多比特量的信息可以通过具有更好信道状况的子信道进行传输来提高可靠性。综上所述，本发明实施例提供的一种基于自适应调制和预编码的并行计算超奈奎斯特通信系统，该系统包括发射端和接收端，分别执行上述所述的各项步骤，通过本发明所述的基于预编码和自适应调制的发射端与接收端联合设计的通信系统，可以降低ftn系统的译码检测延迟，实现更低的ber。一方面，提出一种新的在发射端使用的自适应调制方案，该自适应的调制方案通过提出一种次优算法来降低实现复杂度，此算法能最大化接收信号间的最小距离，从而在不增加传输功率的条件下提高系统性能。同时，由于接收端预先知道对角矩阵λ的信息，因此可以根据每个子信道的情况来自适应地调整每个子信道发送信息的数量，其基本思想是让增益大的子信道传递更多的信息而让增益小的子信道传递较少的信息。在极限的情况下，有些增益很小的子信道将直接被弃用。在子信道被丢弃的情况下，信息矩阵a需要乘以一个放大因子β来保证发射的信号具有单位能量。第二方面，在发射端采用一种预编码方案，对上述经过自适应调制方案产生的调制信号m(b)进行预编码。此预编码方案，将ftn应用于一个窄带的通信系统，相比传统的正交采样系统，此系统增加了时间加速因子τ，τ的取值介于0和1之间。第三方面，在接收端通过线下计算的预编码矩阵的全部信息，执行一个简单但最优的分解检测来将原始信道分解为无任何isi的并行子信道。每个子信道都可以通过点对点的解调得到估计数据，并且在接收端的译码检测延迟与isi的网格状态数无关。同时，在接收端不存在判断和循环的操作，所包含的矩阵乘法可以通过并行计算来实现，这将极大降低接收端的译码检测延迟，因此可适用于处理ftn中加速因子τ较小时的情况(即严重isi的情况)。本发明实施例还提供了一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上且在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现如图1或图2所示的通信方法中的各个步骤。本发明实施例中还提供一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如图1或图2所示的通信方法中的各个步骤。另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。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。当前第1页12