一种无循环前缀猝发正交频分复用信号传输方法与流程

本发明涉及无线通信系统信号传输领域，具体涉及一种无循环前缀猝发正交频分复用信号传输方法。

背景技术：

随着各种新的信息技术的出现，无线通信技术取得了飞速发展。无线通信技术广泛应用于社会生活中的各个领域，极大地促进了社会的进步和发展。近几十年来，蜂窝移动通信系统从第一代逐步发展到四代，经历了从支持单一语音业务到集成数据业务以及图像、视频等综合大的飞跃，应用的层面越来越广。ofdm技术因其高的频谱效率和强的抗多径衰落能力而被广泛应用于现代通信系统中。即将到来的5g对系统的传输时延，频谱效率有了更高的要求。

ofdm系统中循环前缀(cyclicprefix，cp)的插入，解决了多载波传输中由于多径产生的符号间干扰(inter-symbolinterference，isi)和载波间干扰(inter-carrierinterference，ici)。此外cp的插入使得传输信息和传输信道的线性卷积变循环卷积，使得接收端可以使用相对较为简单的频域均衡来替代计算复杂度高的时域均衡。但是cp的插入既降低了信息的传输速度，又增加了传输功率，另一种空白保护间隔(zeropadding，zp)，将保护间隔设为空白，虽然zp仅仅降低了信息的传输功率，但是相对于cp接收端处理也增加了能量消耗，总体来说，zp的使用没有为系统带来很大的性能提升。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对于发送端数据猝发的情况，提出了一种发送端不使用循环前缀，接收端采用窗口截取加补零抽取的处理的系统，由于不使用保护间隔此系统提高了系统的频谱利用率，降低了发射机功耗。同时，消除了isi和ici，接收端的系统结构使得接收端也可以使用计算复杂度低的频域均衡，并且此系统可以达到和ofdm系统使用足够长的循环前缀一样的系统误码率性能。

本发明采用的技术方案为：

一种无循环前缀猝发正交频分复用信号传输方法，包括以下步骤：

发送端：

步骤1：将发送端信号进行串并转换，得到串并变换后的信号；发送端信号长度为n，表达式为x＝(x0x1…xn-1)^t；

步骤2：将串并转换后的信号进行ifft变换，ifft变换后的信号表示为x＝(x0x1…xn-1)^t；

步骤3：将ifft变换后的信号进行并串转换，并且将并串转换后的信号进行数模变换，得到数模变换后的信号；

步骤4：将数模变换后的信号经过无线传输信道发送，无线传输信道的时域表达式为h＝(h1h2…hl)^t；

接收端：

步骤5：接收端采用窗口截取的方式接收无线传输信道传输的信号，并进行模数转换，得到模数转换后的信号；

步骤6：将模数转换后的信号进行串并转换，得到串并转换后的信号；

步骤7：将步骤6中得到的串并转换后的信号进行信号补零至2n点，并且进行2n点ifft，得到信号表示为s2n，长度为2n；

步骤8：将步骤7得到的信号，进行隔点抽取操作，抽取信号sn；

步骤9：将步骤8中得到的抽取信号sn，采用迫零均衡或最小均方误差均衡的方式进行频域均衡；

步骤10：将频域均衡后的信号进行并串转换后输出，完成整个信号传输过程。

其中，步骤5中接收端采用窗口截取的方式接收无线传输信道传输的信号时，接收窗口从信号初始提前时间τ开始截取，并对连续信号截取之后的前τ/t点进行补零，补零之后相当于从信号初始开始截取的循环移位，则截取窗口提前时间τ截取到的信号为：其中，s为接收端从信号初始开始截取到的信号，表示为s＝x*h+n，k表示第k个采样点的信号，t为系统对连续信号的抽取时间间隔，τ为系统对连续信号的抽取时间间隔t的整数倍，n为加性高斯白噪声，j表示接收端接收数据的路径，1≤j≤l。

本发明具有以下优点：

(1)本专利系统的核心为通过对接收信号进行补零隔点抽取操作使得接收端可以进行频域均衡，替代了传统ofdm系统中通过添加循环前缀来使接收端进行频域均衡的操作，由于不使用循环前缀，本专利系统有效的提高了系统的频谱利用率。

(2)本专利消除了isi和ici，接收端的系统结构使得接收端也可以使用计算复杂度低的频域均衡，并且此系统可以达到和ofdm系统使用足够长的循环前缀一样的系统误码率性能。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明截取窗口示意图；

图3是zf均衡情况下ofdm系统和本发明系统的误比特性能比较图；

图4是mmse均衡情况下ofdm系统和本发明系统的误比特性能比较图。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2、附图3、附图4对本发明的进行详细的描述。

如图1所示，本发明一种无循环前缀猝发正交频分复用信号传输方法，包括以下步骤：

发送端操作过程：

步骤1：假设发送端发送数据的长度为n，其表达式为x＝(x0x1…xn-1)^t；将发送端信号进行串并转换，得到串并变换后的信号；

步骤2：将串并转换后的信号进行ifft变换，ifft变换后的信号表示为x＝(x0x1…xn-1)^t；

步骤3：将ifft变换后的信号进行并串转换，并且将并串转换后的信号进行数模变换(d/a变换)，得到数模变换后的信号；

步骤4：将数模变换后的信号经过无线传输信道发送，无线传输信道的时域表达式为h＝(h1h2…hl)^t；

接收端的操作过程

步骤5：接收端接收无线传输信道传输的信号，并进行模数转换，得到模数转换后的信号；

假设接收端的接收窗口可以无偏差的对信号进行截取，那么收到的信号表达式为

s＝x*h+n(1)

上式中的n为加性高斯白噪声，接收到信号的长度为n+l；

假设的截取窗口是无偏差的截取信号，实际中截取窗口并不一定能准确地从信号的初始开始截取，这里进行进一步的说明：

假设信道最大时延扩展为l·t，其中t为系统对连续信号的抽取时间间隔。接收到的数据为l条路径到达接收端的发送数据的和，长度为l+n，沿路径j，1≤j≤l到达接收端的数据的衰落系数为hj。接收端窗口截取的示意图如图2所示。可以看出截取窗口并不一定能准确地从信号的初始开始截取。假设接收端从信号初始提前时间τ开始截取，其中τ为抽取间隔t的整数倍，那么对连续信号抽取之后的前τ/t点为零值。

补零之后就相当于从信号初始开始截取的循环移位。上文中假设接收端从信号初始开始截取，截取到的符号为

s＝x*h+n(2)

那么截取窗口提前时间τ截取到的信号为

sτ-zp表示补零后提前时间τ开始截取的信号，s0-zp表示补零后从信号初始开始截取的信号，k表示第k个采样点的信号。

步骤6：将模数转换后的信号进行串并转换，得到串并转换后的信号；

步骤7：将步骤6中得到的串并转换后的信号进行信号补零至2n点，并且进行2n点ifft，得到信号表示为s2n，长度为2n；

步骤8：将步骤7得到的信号，进行隔点抽取操作，抽取信号sn；

本发明系统的核心为通过对接收信号进行补零隔点抽取操作使得接收端可以进行频域均衡，替代了传统ofdm系统中通过添加循环前缀来使接收端进行频域均衡的操作，由于不使用循环前缀，本发明系统有效的提高了系统的频谱利用率；

步骤9：将步骤8中得到的抽取信号sn，进行频域均衡，常见的均衡方式有迫零均衡(zeroforcing，zf)和最小均方误差均衡(minimummeansquareerror，mmse)。假设接收端已经有了传输信道的信息，使用zf均衡处理之后的表达式为

使用mmse均衡处理之后的表达式为

上式中γ为信噪比。

步骤10：将频域均衡后的信号进行并串转换后输出，完成整个信号传输过程。

其中，接收端进行频域均衡的实现原理如下：

发送端发送数据和信道时域表达式分别补零至2n点之后的表达式为xzp＝(x0x1…xn-10…0)^t和hzp＝(h0h1…hl0…0)^t，xzp和hzp的线性卷积的前2n点和其循环卷积值是相同的，并且x和h线性卷积后补零至2n点的值与xzp和hzp的线性卷积的前2n点是相同的，故接收端将接收信号补零至2n点的值为xzp和hzp的循环卷积值，即

其中(·)zp-2n指的是将括号内的值补零至2n点。取上述等式的最左端和最右端式子，对其进行2n点fft之后

其中xzp和hzp分别为xzp和hzp的2n点fft。在时域的补零相当于在频域插值，故xzp和hzp的奇数项为x和h的值。故下式成立

{fft((x*h)zp-2n)2n}n＝{xzp·hzp}n＝x·h(8)

上式中{·}n表示的是进行奇数点抽取，抽取n个点。若接收端采用的是迫零均衡

{fft((x*h)zp-2n)2n}n/h＝x(9)

就可以得到发送端发送数据。

为了说明专利发明的性能，设计了如下的误码率仿真与频谱利用率分析：

一、误码率性能

发送端每个bit的平均能量eb，加性高斯白噪声的噪声方差为σ²，经过zf均衡之后其噪声方差变为σ²/h(i)，h(i)为第i个子载波上的信道响应，在信号判决处每一点的信噪比为

上式中的i的取值范围0≤i≤n-1。调制方式为m-qam调制，则理论情况下的误码率性能为

其中c2＝3/(m-1)；

q函数q函数中的x≥0。

同理接收端使用mmse均衡时，信号判决处每一点的信噪比为

上式中的i的取值范围0≤i≤n-1。理论情况下的误码率性能为

本专利系统使用了一种新的不使用循环前缀情况下能够使接收端进行频域均衡的方法，故接收端端使用相同的均衡方式时，误码率性能和传统的ofdm是一样的。

图3和图4的仿真图中，当本专利系统与ofdm系统使用相同的均衡方式均衡时，两者误码率是一致的，印证了上述结论。仿真图中仿真参数设定为发射端ifft点数为1024，信道最大时延扩展为10，ofdm系统中的循环前缀长度为10，调制方式为4qam调制。图3接收端使用的是zf均衡，图4接收端使用的是mmse均衡。

二、频带利用率和功耗

由于本专利系统没有使用循环前缀，故提高了系统的频带利用率。若每一个子信道可以视为平坦衰落信道，则每一个子信道的频带利用率为

ci＝log2(1+γi)(14)

γi为信号判决处每一点的信噪比，考虑到循环前缀的使用，ofdm系统的频带利用率为

由于本专利系统没有使用循环签注，其频带利用率为

故本专利系统的频带利用率为ofdm系统的(n+l)/n倍。