基于工业5G下的OFDM/OQAM的导频方法和系统

基于工业5g下的ofdm/oqam的导频方法和系统
技术领域
1.本发明涉及导频设计技术领域，特别是涉及一种基于工业5g下的ofdm/oqam的导频方法和系统。


背景技术：

2.工业5g意味着通信系统具有更快的传输速度、更高的传输效率，而且也意味着对于快衰落信道有着更好的适应性，具有更广泛的应用空间和场景。目前，ofdm/oqam交错正交调制的正交频分复用(offset quadrature modulation based orthogonal frequency division multiplexing，ofdm/oqam)调制系统是5g技术中重要的组成部分，其在加性高斯白噪声（additive white gaussian noise，awgn）信道下具有近似理想的传输效率。同时fdm/oqam由于采用时频能量聚集性较好的脉冲成型函数，相较于传统添加循环前缀（cyclic prefix，cp）的ofdm有着较好的快衰落信道适应性，因此有着较好的应用前景。
3.ofdm/oqam系统虽然有着较好的抗快衰落信道能力，但是由于其脉冲成型函数值满足实数域正交，所以其接收端信息易受多径信道、多普勒频率的干扰，从而造成接收信息产生虚部干扰。
4.为了对虚部干扰，需对信道进行估计及均衡，就多载波调制系统而言，在计算复杂度与效率的权衡中，主要采用导频的形式获取信道状态，对信息进行均衡处理。在快衰落信道中，信息的估计离不开导频的设计。目前的导频设计都是干扰利用(interference approximation method，iam)系列导频为主。此种导频设计对于准静止信道的估计较好，但是在快衰落信道中，此种导频设计方式会导致后续信道结果不准确。不准确的信道估计会增加接收信号的误比特率（bit error ratio，ber），因此在快衰落信道下，需要对信息有着时刻的已知信息，能够获取信道的实时状态，降低接收端解调信息的ber。为此，提供一种离散导频的设计方式，增强ofdm/oqam系统的抗摔落信道的健壮性成为了本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于工业5g下的ofdm/oqam的导频方法和系统，以能够降低接收端解调信息的ber，进而增强ofdm/oqam系统的抗摔落信道的健壮性。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种基于工业5g下的ofdm/oqam的导频方法，包括：对二进制bit流进行qam映射得到qam数据集；在所述qam数据集中每l-1个qam数据间插入一个离散导频数据，得到第一数据流；所述第一数据流是列数为n，行数为k的数据矩阵；对所述第一数据流中的复数数据进行串并转换得到第二数据流；所述第二数据流是列数为k，行数为n的数据矩阵；将iam-new导频数据置于所述第二数据流之前，得到导频数据流；
基于所述导频数据流得到信道估计值；对所述信道估计值进行离散处理得到离散导频估计值；基于所述信道估计值对所述离散导频估计值进行一阶线性内插处理得到每列导频数据流的信道信息；解调所述信道信息得到解调后的二进制数据流。
7.优选地，所述对所述第一数据流中的复数数据进行串并转换得到第二数据流，具体包括：采用模型对所述第一数据流中的复数数据进行串并转换得到转换数据；其中，d为第二数据流，d1为第一个复数数据，d2为第二个复数数据，d3为第三个复数数据，dk为第k个复数数据，t为矩阵的转置，每一复数数据包括n个数据。
8.优选地，所述第二数据流的离散导频分布模型为：；；其中，n=0,1,...,n-1，k=0,1,...,k-1，mod(*)为取模运算，j为复数域，e为自然对数。
9.优选地，所述基于所述导频数据流得到信道估计值，具体包括：获取所述iam-new导频数据的伪导频数据和所述iam-new导频数据经信道接收后的数据；基于所述伪导频数据、所述iam-new导频数据和所述iam-new导频数据经信道接收后的数据确定固定信道估计值；基于离散导频数据经信道接收后的数据确定离散导频预估值；基于所述离散导频预估值和所述离散导频预估值中相邻信号的干扰值确定所述信道估计值。
10.优选地，所述对所述信道估计值进行离散处理得到离散导频估计值，具体包括：所述解调所述信道信息得到解调后的二进制数据，具体包括：对所述信道信息进行zf均衡处理后，进行串并转换处理和qam映射处理，以得到解调后的二进制数据。
11.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于工业5g下的ofdm/oqam的导频方法，通过对二进制bit流进行qam映射得到qam数据集，再在qam数据集中每l-1个qam数据间插入一个离散导频数据，得到第一数据流后，对第一数据流中的复数数据进行串并转换得到第二数据流，接着，将iam-new导频数据置于第二数据流之前得到导频数据流后，基于导频数据流得到信道估计值，对信道估计值进行离散处理得到离散导频估计值，然后，基于信道估计值对离散导频估计值进行一阶线性内插处理得到每列导频数据流的信道信息后，解调信道信息得到解调后的二进制数据流，以能够降低接收端解调信息的ber，进而增强ofdm/oqam系统的抗摔落信道的
健壮性。
12.对应于上述提供的基于工业5g下的ofdm/oqam的导频方法，本发明还提供了一种基于工业5g下的ofdm/oqam的导频系统，该系统包括：数据映射模块，用于对二进制bit流进行qam映射得到qam数据集；数据插入模块，用于在所述qam数据集中每l-1个qam数据间插入一个离散导频数据，得到第一数据流；所述第一数据流是列数为n，行数为k的数据矩阵；数据转换模块，用于对所述第一数据流中的复数数据进行串并转换得到第二数据流；所述第二数据流是列数为k，行数为n的数据矩阵；导频数据模块，用于将iam-new导频数据置于所述第二数据流之前，得到导频数据流；信道估计模块，用于基于所述导频数据流得到信道估计值；离散估计模块，用于对所述信道估计值进行离散处理得到离散导频估计值；内插处理模块，用于基于所述信道估计值对所述离散导频估计值进行一阶线性内插处理得到每列导频数据流的信道信息；数据解调模块，用于解调所述信道信息得到解调后的二进制数据流。
13.优选地，所述数据转换模块包括：数据转换单元，用于采用模型对所述第一数据流中的复数数据进行串并转换得到转换数据；其中，d为第二数据流，d1为第一个复数数据，d2为第二个复数数据，d3为第三个复数数据，dk为第k个复数数据，t为矩阵的转置，每一复数数据包括n个数据。
14.优选地，所述信道估计模块包括：数据获取单元，用于获取所述iam-new导频数据的伪导频数据和所述iam-new导频数据经信道接收后的数据；固定信道估计单元，用于基于所述伪导频数据、所述iam-new导频数据和所述iam-new导频数据经信道接收后的数据确定固定信道估计值；导频点预估单元，用于基于离散导频数据经信道接收后的数据确定导频点预估值；信道估计单元，用于基于所述导频点预估值和所述导频点预估值中相邻信号的干扰值确定所述信道估计值。
15.优选地，所述数据解调模块包括：数据解调单元，用于对所述信道信息进行zf均衡处理后，进行串并转换处理和qam映射处理，以得到解调后的二进制数据。
16.因本发明提供的基于工业5g下的ofdm/oqam的导频系统实现的技术效果与上述提供的基于工业5g下的ofdm/oqam的导频方法所实现的技术效果相同，故在此不再进行赘述。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图。
18.图1为本发明提供的基于工业5g下的ofdm/oqam的导频方法的流程图；图2为ofdm/oqam的基带实现框图；图3为本发明实施例提供的导频插入框图；图4为本发明实施例提供的仿真结果示意图；图5为本发明提供的基于工业5g下的ofdm/oqam的导频系统的结构示意图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.本发明的目的是提供一种基于工业5g下的ofdm/oqam的导频方法和系统，以能够降低接收端解调信息的ber，进而增强ofdm/oqam系统的抗摔落信道的健壮性。
21.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
22.如图1所示，本发明提供的基于工业5g下的ofdm/oqam的导频方法，包括：步骤100：对二进制bit流进行qam映射得到qam数据集。qam映射为星座图映射。
23.步骤101：在qam数据集中每l-1个qam数据间插入一个离散导频数据，得到第一数据流。第一数据流是列数为n，行数为k的数据矩阵。其中，假设子载波数量为n，则每n-l个qam数据中插入l个离散导频数据，构成l个导频和n-l个qam数据的复数数据，以形成第一数据流。
24.假设s=n/l，则第一数据流中第1行的n个数据为d1：d1=[1,s-1个数据,j,s-1个数据,-1,s-1个数据,-j,s-1个数据,...,-j,s-1个数据]。
[0025]
第2行的n个数据为d2：d2=[1个数据,j,s-1个数据,-1,s-1个数据,-j,s-1个数据,1,s-1个数据,...,1,s-2个数据]。
[0026]
第3行n个数据为d3：d3=[2个数据,-1,s-1个数据,-j,s-1个数据,1,s-1个数据,j,s-1个数据,...,j,s-3个数据]。
[0027]
依次类推，第k行n个数据为设为dk。
[0028]
步骤102：对第一数据流中的复数数据进行串并转换得到第二数据流。第二数据流是列数为k，行数为n的数据矩阵。例如，采用模型对第一数据流中的复数数据进行串并转换得到转换数据。第二数据流的离散导频分布模型为：；。
[0029]
其中，d为第二数据流，d1为第一个复数数据，d2为第二个复数数据，d3为第三个复数数据，dk为第k个复数数据，t为矩阵的转置，每一复数数据包括n个数据，n=0,1,...,n-1，k=0,1,...,k-1，mod(*)为取模运算，j为复数域，e为自然对数。每k列复数数据为一帧，每帧复数数据中，离散导频的总数量为n/l*k，每帧的实际传输的数据效率为[(k-1/k+3)* n/n+1]b/hz。
[0030]
步骤103：将iam-new导频数据置于第二数据流之前，得到导频数据流。得到的导频数据流为3列。
[0031]
步骤104：基于导频数据流得到信道估计值。具体的：获取iam-new导频数据的伪导频数据和iam-new导频数据经信道接收后的数据。
[0032]
基于伪导频数据、iam-new导频数据和iam-new导频数据经信道接收后的数据确定固定信道估计值。
[0033]
基于离散导频数据经信道接收后的数据确定离散导频预估值。
[0034]
基于离散导频预估值和离散导频预估值中相邻信号的干扰值确定信道估计值。
[0035]
步骤105：对信道估计值进行离散处理得到离散导频估计值。
[0036]
步骤106：基于信道估计值对离散导频估计值进行一阶线性内插处理得到每列导频数据流的信道信息。
[0037]
步骤107：解调信道信息得到解调后的二进制数据流。例如，对信道信息进行zf均衡处理后，进行串并转换处理和qam映射处理，以得到解调后的二进制数据。
[0038]
在实施过程中，每次发送一帧数据，依据步骤100-步骤103插入相应的离散导频和iam-new导频数据。
[0039]
ofdm/oqam的基带实现框图如图2所示，产生随机数据比特流，然后进行qam映射，进行串并转换，然后加入导频，此后数据的实数部分与虚数部分分别加入相位偏移量，然后进行ofdm的调制，随后加入采用各向同性正交变换算法(isotropic orthogonal transform algorithm，iota)的时频聚集性(time frequency localization，tfl)较好的函数，最后进入到信道，构成基带发射信号。
[0040]
接收过程是发送过程的逆变化，在此就不再多述。均衡则可采用迫零（zero forcing，zf）方式，具体的仿真参数如表1所示。
[0041]
下面以产生4qam信号为例，对上述提供的基于工业5g下的ofdm/oqam的导频方法的具体实施过程进行说明。
[0042]
步骤1.产生二进制bit流，进行4qam映射，得到4qam数据。
[0043]
步骤2.对步骤1的数据每隔31个4qam数据插入1个离散导频，假设子载波数量为2048，则每1984个qam数据中插入64个离散导频数据，构成64个导频和1984个qam数据的复数数据则：第1个2048个复数数据为d1：d1=[1,31个数据,j,31个数据,-1,31个数据,-j,31个数据,...,-j,31个数据]。
[0044]
第2行的2048个复数数据为d2：d2=[1个数据,j,31个数据,-1,31个数据,-j,31个数据,1,31个数据,...,1,30个数据]。
[0045]
第3行的2048个复数数据为d3：d3=[2个数据,-1,31个数据,-j,31个数据,1,31个数据,j,31个数据,...,j,29个数据]。
[0046]
依次类推，第20行2048个复数数据为dk：d
20
=[19个数据,-1,31个数据,-j,31个数据,1,31个数据,j,31个数据,...,j,12个数据]。
[0047]
步骤3.将步骤2的将数据流进行串并转换，每列数据为2048，每20列为一帧数据。
[0048]
则此步骤3的数学模型为：;假设，mod是取模运算，设一帧数据的编号列编号k(k=0，1，
2，
…
，19)，每列数据的编号为n(n=0，1，2...n-1)，则离散导频的数学模型为：。
[0049]
步骤4.将iam-new导频放到步骤3的数据d前面，得到一个3列矩阵，其中，第1列和第3列为0，第2列为{1，j，-1，-j，...1，j，-1，-j}，其导频结构如图3所示。
[0050]
每次发送一帧数据，依据步骤1-步骤4插入相应的离散导频和iam-new导频。
[0051]
ofdm/oqam采用傅里叶快速算法（ifft与fft）能够降低实现复杂度，而采用iota函数，能够降低旁瓣的功率，提升快衰落信道的健壮性。加入导频后的数据同时要加入快车a信道模型。因为现有常规技术，故对这一处理的具体步骤不做具体说明。
[0052]
步骤5:经过iam-new后利用干扰利用方法得到固定干扰部分的信道估计值为。
[0053]
iam-new导频数据的伪导频数据为icin：。
[0054]
其中，pn为iam-new导频数据，p
n+p
为iam-new导频数据的相邻导值，《g》为内积，在这里可以理解为相邻数据间的相关值。
[0055]
则利用iam-new得到的固定信道估计值为：，其中，为iam-new导频数据经信道接收后的结果。
[0056]
步骤6：利用离散导频获取的信道估计值设n为子载波数量（取值范围0-2047），k为离散导频与4qam混合的信号列数（取值范围为0-19），则（离散）导频点预估值为：，为离散导频数据经过信道接收后的结果。
[0057]
离散导频估计值中有相邻信号的干扰值，即虚部干扰(interference between real symbols，irs)，真实的信道估计值为预估值减去irs，其表达式为：，其中，q为并行数据中的列数序号，p为并行数据中的行数序号，为与接收端数据相邻的数据值，为与当前信道估计值相邻信道估计值，为接收端的滤波器内积值。
[0058]
步骤7：对离散导频的信道估计结果进行一阶线性内插得到：，其中，为内插后的数据，为导频位置的信道估计值，i为相邻导频之间数据序号。
[0059]
由此可以获取每列导频的信道信息，估计出信道中的快速变化部分。
[0060]
将估计后的数据信息进行zf均衡，随后进行串并转换，qam逆映射，得出解调出的二进制数据，本发明的ber仿真结果为p-combine。本发明从有效性（数据的实际传输率）和
可靠性（ber）行分析，并计算出计算复杂度和工程可实现性进行了分析。
[0061]
（1）有效性就本次仿真参数来说，采用的为iota函数，抽头数量为子载波数量的4n，则其有效数据传输速率为：η=20/27=74.1%。
[0062]
其中，iota为4抽头，会导致出现3n长度的数据，而块状导频需要3n数据，离散导频有n个数据。本发明、ofdm-cp与iam-new的有效数据传输速率如表2所示。
[0063]
从表2中可以看出，ofdm/cp的有效传输速率最高，本发明最低。
[0064]
（2）ber性能对比从可靠性上可以看出，本发明相比与ofdm/cp与iam-new的表现效果较好，如图4所示，在ber=2*10-3
下，本发明(p-combine)要比ofdm/cp与iam-new相比少2db的能量。
[0065]
（3）计算复杂度如表3所示，本发明的计算复杂度集中在相邻信道的干扰消除，其乘性与加性复杂度随着子载波数量与长度呈正比。
[0066]
本发明利用iam-new块状导频估计出信道的固定干扰部分，通过设计离散导频，对信道的快速变化部分进行进一步消除。通过牺牲一定量的有效信息传输速率与计算复杂度，通过仿真，验证了本发明设计的有效性。
[0067]
基于此，本发明中针对导频设计方式分成离散导频设计和块状导频设计，其设计思想在于针对时变快衰落信道，块状导频针对的是时变信道中固有的信道干扰部分，利用最大伪导频功率特点，可以得到信道频域响应的固有干扰部分。本发明离散导频的设计则是利用当前信息，对信道部分时域、频域中的突发干扰或者随机干扰进行估计，获取信道的快速变化部分，针对信道变化的情况，离散导频插入数量需要进行及时调整，得出信道的估计值，在解调端，可以提升接收信息质量。
[0068]
对应于上述提供的基于工业5g下的ofdm/oqam的导频方法，本发明还提供了一种基于工业5g下的ofdm/oqam的导频系统，如图5所示，该系统包括：数据映射模块500，用于对二进制bit流进行qam映射得到qam数据集。
[0069]
数据插入模块501，用于在qam数据集中每l-1个qam数据间插入一个离散导频数据，得到第一数据流。第一数据流是列数为n，行数为k的数据矩阵。
[0070]
数据转换模块502，用于对第一数据流中的复数数据进行串并转换得到第二数据流。第二数据流是列数为k，行数为n的数据矩阵。
[0071]
导频数据模块503，用于将iam-new导频数据置于第二数据流之前，得到导频数据流。
[0072]
信道估计模块504，用于基于导频数据流得到信道估计值。
[0073]
离散估计模块505，用于对信道估计值进行离散处理得到离散导频估计值。
[0074]
内插处理模块506，用于基于信道估计值对离散导频估计值进行一阶线性内插处理得到每列导频数据流的信道信息。
[0075]
数据解调模块507，用于解调信道信息得到解调后的二进制数据流。
[0076]
作为本发明的一优选实施例，上述采用的数据转换模块502包括：数据转换单元，用于采用模型对第一数据流中的复数数据进行串并转换得到转换数据。
[0077]
其中，d为第二数据流，d1为第一个复数数据，d2为第二个复数数据，d3为第三个复数数据，dk为第k个复数数据，t为矩阵的转置，每一复数数据包括n个数据。
[0078]
作为本发明的另一优选实施例，上述采用的信道估计模块504包括：数据获取单元，用于获取iam-new导频数据的伪导频数据和iam-new导频数据经信道接收后的数据。
[0079]
固定信道估计单元，用于基于伪导频数据、iam-new导频数据和iam-new导频数据经信道接收后的数据确定固定信道估计值。
[0080]
导频点预估单元，用于基于离散导频数据经信道接收后的数据确定导频点预估值。
[0081]
信道估计单元，用于基于导频点预估值和导频点预估值中相邻信号的干扰值确定信道估计值。
[0082]
作为本发明的又一优选实施例，上述采用的数据解调模块包括：数据解调单元，用于对信道信息进行zf均衡处理后，进行串并转换处理和qam映射处理，以得到解调后的二进制数据。
[0083]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0084]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。