一种时频二维压缩的高谱效单载波通信方法技术

本发明专利技术公开了一种时频二维压缩的高谱效单载波通信方法，属于单载波通信技术领域。本发明专利技术在FTN调制之前，对发送符号序列进行预编码处理，从而达到改变并控制发射信号的频谱。通过选取合适的预编码系数，可以实现压缩发射信号的占用带宽，使得小于可用信道带宽，实现在频域角度提升频谱效率。相较于传统的持续减小符号间隔已到达目标谱效增益，本发明专利技术中目标谱效分解到两个维度，一部分谱效提升来自于时域压缩符号间隔，其他的来自预编码压缩频谱。本发明专利技术与现有方法相比，能够实现更低的压缩因子，实现更大的谱效提升。取得同传统奈奎斯特高阶调制信号相同容量及相同解调性能时，极大降低了解调信噪比门限，实现功率效率提升。

A high spectral efficiency single carrier communication method based on time-frequency two-dimensional compression

The invention discloses a high spectral efficiency single carrier communication method of time-frequency two-dimensional compression, belonging to the technical field of single carrier communication. Before FTN modulation, the transmission symbol sequence is pre coded to change and control the spectrum of the transmission signal. By selecting the appropriate precoding coefficient, the bandwidth occupied by the transmitted signal can be compressed, which is less than the available channel bandwidth, and the spectrum efficiency can be improved in the frequency domain. Compared with the traditional continuous reduction of symbol interval, the target spectral efficiency in the present invention is decomposed into two dimensions. One part of the spectral efficiency improvement comes from the time-domain compressed symbol interval, and the other comes from the precoding compressed spectrum. Compared with the prior method, the invention can realize lower compression factor and greater spectral efficiency improvement. The simultaneous interpreting of Nyquist's higher-order modulation signals with the same capacity and the same demodulation performance greatly reduces the threshold of SNR and achieves power efficiency improvement.

【技术实现步骤摘要】
一种时频二维压缩的高谱效单载波通信方法
本专利技术属于通信领域中的单载波通信技术，具体涉及到一种在时频两个维度同时压缩发射信号的调制方法。
技术介绍
相较于4G(第四代移动通信技术)，5G的服务对象从过去的人与人通信，增加了人与物、物与物的通信。据预测，随着用户需求的持续增长，未来10年移动通信网络将会面对：1000倍的数据容量增长，10到100倍的用户速率需求等。为了实现更高传输速率，大体上有两种方法，其一是增加频谱带宽。目前4G主要集中在2GHz以下的频谱，业务频带非常拥挤。6～100GHz高频段具有更加丰富的空闲频谱资源，可作为5G的辅助频段。然而，30GHz以上频段属于毫米波的范畴，其最大特性是在空气中衰减较大，且绕射能力较弱，传播特性差。其二是增加频谱利用率，使得系统在相同带宽的频带内可以传输更多的数据，实现在有限的频谱资源的前提下极大地提升系统的容量。围绕着这一目标，如何在频谱资源日渐匮乏的情况下，将频谱效率进一步提升数倍，是未来通信技术研究的关键问题之一。现有大多数通信系统设计是基于奈奎斯特第一准则，即通过正交调制以避免符号间干扰(ISI)，接收机实现低复杂度逐符号解调。在这一系统架构下，提升谱效的一种直接方式是采用高阶调制(比如256-QAM)，即每个发射符号携带更多的信息比特。但是，高阶调制对信道特征(多径衰落)及非线性因素(相位噪声)等非常敏感。同时，要达到与低阶调制相同的解调性能，需要更高的解调信噪比(SNR)，降低了系统功率效率。超奈奎斯特调制(FTNs)最先由Mazo提出，通过放弃正交性，即在时间方向上进一步减小(或压缩)符号间隔(也即两个连续成型脉冲间隔)以实现在相同的时间内传送更多符号。虽然引入了符号间干扰(ISI)，但是只要压缩因子(τ)大于Mazo限时，最大似然检测(MLSE)或最大后验检测(MAP)的性能损失不会受到恶化。类似地，对于多载波传输系统，通过减小子载波间隔实现给定频带上放置更多的子载波。进一步地，也可在时频二维资源栅格上同时压缩符号间以及子载波间隔。仿真结果显示，时频二维同时压缩相较于单一域(时域或者频域)的压缩能够得到更高谱效增益。对于单载波FTN(FedexTradeNetworks)系统，目前仅有通过压缩符号间隔实现谱效提升。因而，除时域维度之外，若能找到其他维度并进行压缩以实现二维同时压缩将有效提高单载波FTN系统的谱效增益。对于引入的ISI，MLSE及MAP虽然能够得到最佳的解调性能，但是其复杂度关于ISI长度呈指数增长。且引入的串扰扩散长度随着压缩因子的减小逐渐增大。线性均衡器，如基于迫零、最小均衡误差准则，均衡复杂度虽然与串扰长度呈线性相关，但是均衡器输出端的噪声严重放大恶化了均衡性能。因而，目前FTN系统中大都采用低阶调制(如QPSK)以及相对较大的压缩因子(如τ＝0.8)，同时这也限制了可达频谱效率提升。结合前向纠错码，同时接收机采用Turbo均衡，通过引入编码冗余，可以进一步降低压缩因子。对于16-QAM调制FTN信号，采用(7,5)卷积码，当压缩因子为2/3时，解调性能在BER＝10-4时不存在解调损失。但是，当压缩因子进一步减小时，将会存在严重的性能损失。另一方面，由于FTN引入的串扰是在发端是完全确定的，因而串扰可以在发端基于迫零准则进行预消除。但是当压缩因子较小的时候，会出现谱零点，FTN引入的ISI无法通过谱分解准确的获取。同时，串扰系数矩阵此时也变得奇异，限制矩阵求逆操作以及后续的迫零均衡。事实上，预编码也会改变发射信号的频谱，甚至超过奈奎斯特信号的占用带宽。在这种情况下，频谱展宽带来的谱效减小中和了复杂度的降低，以及FTN系统的收益。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对上述存在的问题，在发射端提供了一种新的时频二维同时压缩FTN发射信号的调制成型技术，从而使得接收端在相同的接收机处理下支持更小的压缩因子，实现频谱效率进一步提升。本专利技术的时频二维压缩的高谱效单载波通信方法，具体包括下述步骤：在单载波FTN系统的发射端对发送符号序列{a[k]}进行FTN调制处理之前，增加预编码处理；使得FTN调制的对象为预编码处理后的发送符序列{c[k]}；即发射端在对待发送的二进制信息比特序列进行信道编码，得到编码比特序列，并对编码比特序列进行交织处理，得到交织比特序列，再对交织比特序列进行符号映射处理，得到发送符号序列{a[k]}，其中k表示符号标识符；然后对发送符号序列{a[k]}进行预编码处理，得到预编码处理后的发送符序列{c[k]}，再对发送符序列{c[k]}进行FTN调制处理；其中预编码处理通过预设的有限阶滤波器实现，所述滤波器的系数为滤波器的输出为预编码处理后的发送符序列{c[k]}，即Lb表示滤波器阶数。具体的，本专利技术中滤波器的系数的设置方式可以是：设置FTN调制处理中所需的成形脉冲，所述成型脉冲对应的带宽为单载波FTN系统分配的信道带宽W；且所述成型脉冲的过采样倍数为N，其中N为大于2的正整数；并基于给定的时域压缩因子τ，将其分解为：τ＝τ′ζ，时域压缩因子τ′与频谱压缩因子ζ的积，其中，0＜τ≤1，0＜ζ≤1；使得FTN调制处理时符号序列{c[k]}的过采样倍数为τ′N，其中τ′N为正整数；以及使得FTN调制处理后的信号为sa[n]＝∑kc[k]φ[n-kτ′N]，其中，φ[·]表示成形滤波器的成形脉冲；将频谱压缩因子ζ和指定的滤波器阶数Lb作为约束条件，基于预设的关于单载波FTN系统性能的优化目标，基于优化求解的方式确定滤波器的系数。在预编码的滤波器的系数的设置处理中，通过所设置的频谱压缩因子ζ，使得FTN调制输出信号的频谱占用带宽为ζW。本专利技术中，在基于优化求解的方式确定滤波器的系数时，采用单优化目标、多约束条件的方式进行求解，所预设的关于单载波FTN系统性能的优化目标为下述列举的优化目标中的任一一个即可：最大化发射FTN信号之间的最小欧式空间距离(即其中max和min分别表示求最大值和最小值，a1和a2表示两个不同的发送符号序列，||·||2表示二范数)；最大化系统可达容量，即接收机解调估计符号序列与发送符号序列{a[k]}之间的互信息量；最小化预编码和FTN调制所引入的符号间串扰(ISI)；对于接收机采用线性均衡的方式，最小化均衡器输出误差方差(MSE)或者最大化信号功率与干扰信号功率比值(SINR)；最小化接收机解调误符号率(SER)或者误比特率(BER)。进一步的，优化求解过程中也可以考虑一些其他约束，包括：频谱模板发；射功率约束；峰值平均功率比(PAPR)约束，以提高功放效率；通带纹波约束等。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术在发射端对信号调制过程中引入特定相关性，重塑并压缩了发射FTN信号功率谱，减小了占用带宽，实现从频域角度实现频谱效率提升。结合FTN时域压缩技术，本专利技术实现时频二维同时压缩，相同的时域压缩因子τ时，进一步提升频谱效率。同时，预编码器设计中存在的自由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时频二维压缩的高谱效单载波通信方法，其特征在于，包括下列步骤：/n在单载波FTN系统的发射端对发送符号序列{a[k]}进行FTN调制处理之前，增加预编码处理；使得FTN调制处理的对象为预编码处理后的发送符序列{c[k]}，其中k，表示符号标识符；/n其中预编码处理通过预设的有限阶滤波器实现，所述滤波器的系数为

【技术特征摘要】
1.一种时频二维压缩的高谱效单载波通信方法，其特征在于，包括下列步骤：
在单载波FTN系统的发射端对发送符号序列{a[k]}进行FTN调制处理之前，增加预编码处理；使得FTN调制处理的对象为预编码处理后的发送符序列{c[k]}，其中k，表示符号标识符；
其中预编码处理通过预设的有限阶滤波器实现，所述滤波器的系数为Lb表示滤波器的阶数；滤波器的输出为预编码处理后的发送符序列{c[k]}，即


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预编码处理的滤波器的系数的设置方式为：
设置FTN调制处理中所需的成形脉冲，所述成型脉冲对应的带宽为单载波FTN系统分配的信道带宽W；且所述成型脉冲的过采样倍数为N，其中N为大于2的正整数；并基于给定的时域压缩因子τ，将其分解为：τ＝τ′ζ，时域压缩因子τ′与频谱压缩因子ζ的积，其中，0＜τ≤1，0＜ζ≤1；使得FTN调制处理时符号序列{c[k]}的过采样倍数为τ′N，其中τ′N为正整数；
以及使得FTN调制处理后的信号为sa[n]＝∑kc[k]φ...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘光辉，文山，瞿辉洋，李林洲，韩丰，朱树元，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51