一种非正交多载波传输系统的导频序列设计方法及装置

1.本发明涉及一种非正交多载波传输系统的导频序列设计方法及装置，属于技术领域。


背景技术：

2.频谱效率是无线通信所追求的重要目标之一。非正交调制技术相比传统正交调制可获得更高的频谱效率，因此受到了众多研究者的关注。与传统的正交调制技术相比，非正交调制技术的主要思路是通过进一步减小符号传输间隔或者子载波间隔，从而达到提升频谱效率的目的。非正交调制技术中具有代表性的是非正交多载波传输技术。
3.虽然非正交多载波传输技术能够在一定程度上提升频谱效率，但是人为引入的子载波间干扰和符号间干扰，使得接收端的频偏估计和定时偏差估计更具挑战性。目前的研究方向主要集中在非正交多载波传输系统的容量计算、峰均比抑制、信号检测等方面，缺乏对非正交多载波传输系统的频偏估计研究。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种非正交多载波传输系统的导频序列设计方法及装置，解决如何提高频偏估计性能的技术问题。
5.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.第一方面，本发明提供了一种非正交多载波传输系统的导频序列设计方法，包括：
7.初始化非正交多载波传输系统；
8.对初始化的非正交多载波传输系统，生成发送信号；
9.计及发送信号经过无线通道时受到噪声和载波频偏的影响，生成接收信号；
10.对接收信号计算联合概率密度分布函数，并对联合概率密度分布函数取自然对数，生成对数似然函数；
11.对对数似然函数中的变量求偏导数，计算出信息矩阵；
12.根据信息矩阵计算频偏估计的理论性能界，并基于理论性能界构建导频优化的目标函数；
13.对目标函数进行求解获取非正交多载波传输系统的导频序列。
14.可选的，所述发送信号的映射矩阵为：
[0015][0016]
式中，f(n,m)为映射矩阵f中第n行第m列的元素，m、β为非正交传输系统的子载波数目和子载波压缩因子，ρ为信号过采样的倍数。
[0017]
可选的，所述接收向量的向量为：
[0018]
y＝c(ε)fb+w
[0019]
式中，y为接收信号的向量，f为发送信号的映射矩阵，c(ε)为载波频偏矩阵，ε为归
一化载波频偏，b为调制符号向量，w为噪声向量。
[0020]
可选的，所述对数似然函数为：
[0021]
g(y；ε)＝‖y-c(ε)fb‖2[0022]
式中，‖
·
‖为范数运算。
[0023]
可选的，所述目标函数为：
[0024]
h(b)＝bhab
[0025]
式中，a＝fhf，(
·
)h为矩阵的共轭转置。
[0026]
可选的，所述对目标函数进行求解获取非正交多载波传输系统的导频序列包括：
[0027]
对矩阵a进行奇异值分解：
[0028]
a＝uγuh[0029]
式中，u、γ、uh均为乘积矩阵；
[0030]
通过寻找与最大的奇异值所对应的调制符号向量b
max
，获取目标函数的最大值；
[0031]
将调制符号向量b
max
作为导频序列输出。
[0032]
第二方面，本发明提供了一种非正交多载波传输系统的导频序列设计装置，包括：
[0033]
初始化模块，用于初始化非正交多载波传输系统；
[0034]
发送信号生成模块，用于对初始化的非正交多载波传输系统，生成发送信号；
[0035]
接收信号生成模块，用于计及发送信号经过无线通道时受到噪声和载波频偏的影响，生成接收信号；
[0036]
对数似然函数模块，用于对接收信号计算联合概率密度分布函数，并对联合概率密度分布函数取自然对数，生成对数似然函数；
[0037]
信息矩阵计算模块，用于对对数似然函数中的变量求偏导数，计算出信息矩阵；
[0038]
目标函数构建模块，用于根据信息矩阵计算频偏估计的理论性能界，并基于理论性能界构建导频优化的目标函数；
[0039]
目标函数求解模块，用于对目标函数进行求解获取非正交多载波传输系统的导频序列。
[0040]
第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括处理器及存储介质；
[0041]
所述存储介质用于存储指令；
[0042]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行上述方法的步骤。
[0043]
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0044]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0045]
本发明提供了一种非正交多载波传输系统的导频序列设计方法及装置，通过构建非正交多载波系统传输模型的发送信号和接收信号，推导出频偏估计的理论性能界，并通过构建理论性能界的目标函数进行求解，获取最优导频序列，通过本发明计算得到的最优导频序列，能够获得更好的频偏估计性能。
附图说明
[0046]
图1是本发明实施例一提供的一种非正交多载波传输系统的导频序列设计方法的流程图；
[0047]
图2是本发明实施例一提供的不同定时偏差下，本发明的导频序列的频偏估计性能与信噪比的关系示意图；
[0048]
图3是本发明实施例一提供的不同定时偏差下，本发明的导频序列频偏估计性能与归一化频偏的关系示意图；
[0049]
图4是本发明实施例一提供的当频域压缩因子为0.9时，定时偏差对误码性能的影响示意图；
[0050]
图5是本发明实施例一提供的当频域压缩因子为0.7时，定时偏差对误码性能的影响示意图；
[0051]
图6是本发明实施例一提供的当频域压缩因子为0.5时，定时偏差对误码性能的影响示意图。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0053]
实施例一：
[0054]
如图1所示，本发明实施例提供了一种非正交多载波传输系统的导频序列设计方法，包括：
[0055]
1、初始化非正交多载波传输系统；包括对导频长度、数据长度、调制阶数、非正交子载波的压缩因子等参数进行初始化设置。
[0056]
2、对初始化的非正交多载波传输系统，生成发送信号；
[0057]
发送信号的映射矩阵为：
[0058][0059]
式中，f(n,m)为映射矩阵f中第n行第m列的元素，m、β为非正交传输系统的子载波数目和子载波压缩因子，ρ为信号过采样的倍数。
[0060]
3、计及发送信号经过无线通道时受到噪声和载波频偏的影响，生成接收信号；
[0061]
接收向量的向量为：
[0062]
y＝c(ε)fb+w
[0063]
式中，y为接收信号的向量，f为发送信号的映射矩阵，c(ε)为载波频偏矩阵，ε为归一化载波频偏，b为调制符号向量，w为噪声向量。
[0064]
4、对接收信号计算联合概率密度分布函数，并对联合概率密度分布函数取自然对数，生成对数似然函数；
[0065]
对数似然函数为：
[0066]
g(y；ε)＝‖y-c(ε)fb‖2[0067]
式中，‖
·
‖为范数运算。
[0068]
5、对对数似然函数中的变量求偏导数，计算出信息矩阵。
[0069]
6、根据信息矩阵计算频偏估计的理论性能界，并基于理论性能界构建导频优化的目标函数；
[0070]
目标函数为：
[0071]
h(b)＝bhab
[0072]
式中，a＝fhf，(
·
)h为矩阵的共轭转置。
[0073]
7、对目标函数进行求解获取非正交多载波传输系统的导频序列；
[0074]
对矩阵a进行奇异值分解：
[0075]
a＝utuh[0076]
式中，u、γ、uh均为乘积矩阵；
[0077]
通过寻找与最大的奇异值所对应的调制符号向量b
max
，获取目标函数的最大值；
[0078]
将调制符号向量b
max
作为导频序列输出。
[0079]
如图2-3所示，验证了不同大小的定时偏差对频偏估计性能的影响。在仿真中，定时偏差大小分别设定为0.039t0、0.063t0、0.125t0、0.156t0，其中t0是一个符号持续的时间长度，调制方式为四相相移键控(quad phase shift keying，qpsk)，子载波总数为256，子载波间隔的压缩因子为0.5。与传统的m序列、gold序列、zc序列相比，在定时偏差为0.039t0时，所提出的导频序列的频偏估计性能明显优于传统的导频序列。当定时偏差从0.039t0增大到0.156t0时，所提出的算法的频偏估计性能有所下降。其原因是发送导频序列与本地导频序列在时间上的错位，将导致相关能量的减少，从而使得估计性能下降。
[0080]
如图4-6所示，对不同定时偏差下的非正交多载波传输系统-qpsk的误比特性能进行了仿真。子载波总数设置为128，频域压缩因子分别设置为0.9、0.7、0.5，一个符号的持续时间为t0，定时偏差分别设置为0.078t0、0.046t0、0.031t0、0.015t0。观察发现，当定时偏差逐渐增大时，非正交多载波传输系统的误比特性能逐渐变差。其原因是时间上的偏差可以导致频域上相位的旋转，从而使得发送的qpsk符号的相位发生变化，并可能导致解调错误。另外，即使是相同大小的定时偏差，对于具有不同的频域压缩因子的传输系统的影响却是不同的。例如，当定时偏差为0.046t0时，为了达到误比特性能为1e-4，对于频域压缩因子分别为0.9、0.7、0.5的非正交多载波-qpsk传输系统，所需要的信噪比分别为11.5db、13db、21.5db。
[0081]
综上，仿真结果表明，即使在定时偏差的影响下，本发明所提出的导频序列比传统的m序列、gold序列、zc序列能够获得更好的频偏估计性能。
[0082]
实施例二：
[0083]
本发明实施例提供了一种非正交多载波传输系统的导频序列设计装置，包括：
[0084]
初始化模块，用于初始化非正交多载波传输系统；
[0085]
发送信号生成模块，用于对初始化的非正交多载波传输系统，生成发送信号；
[0086]
接收信号生成模块，用于计及发送信号经过无线通道时受到噪声和载波频偏的影响，生成接收信号；
[0087]
对数似然函数模块，用于对接收信号计算联合概率密度分布函数，并对联合概率密度分布函数取自然对数，生成对数似然函数；
[0088]
信息矩阵计算模块，用于对对数似然函数中的变量求偏导数，计算出信息矩阵；
[0089]
目标函数构建模块，用于根据信息矩阵计算频偏估计的理论性能界，并基于理论性能界构建导频优化的目标函数；
[0090]
目标函数求解模块，用于对目标函数进行求解获取非正交多载波传输系统的导频序列。
[0091]
实施例三：
[0092]
基于实施例一，本发明实施例提供了一种电子设备，包括处理器及存储介质；
[0093]
存储介质用于存储指令；
[0094]
处理器用于根据指令进行操作以执行上述方法的步骤。
[0095]
实施例四：
[0096]
基于实施例一，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0097]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0098]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0099]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0100]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0101]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种非正交多载波传输系统的导频序列设计方法，其特征在于，包括：初始化非正交多载波传输系统；对初始化的非正交多载波传输系统，生成发送信号；计及发送信号经过无线通道时受到噪声和载波频偏的影响，生成接收信号；对接收信号计算联合概率密度分布函数，并对联合概率密度分布函数取自然对数，生成对数似然函数；针对对数似然函数中的变量求偏导数，计算出信息矩阵；根据信息矩阵计算频偏估计的理论性能界，并基于理论性能界构建导频优化的目标函数；对目标函数进行求解获取非正交多载波传输系统的导频序列。2.根据权利要求1所述的非正交多载波传输系统的导频序列设计方法，其特征在于，所述发送信号的映射矩阵为：式中，f(n,m)为映射矩阵f中第n行第m列的元素，m、β为非正交传输系统的子载波数目和子载波压缩因子，ρ为信号过采样的倍数。3.根据权利要求2所述的非正交多载波传输系统的导频序列设计方法，其特征在于，所述接收向量的向量为：y＝c(ε)fb+w式中，y为接收信号的向量，f为发送信号的映射矩阵，c(ε)为载波频偏矩阵，ε为归一化载波频偏，b为调制符号向量，w为噪声向量。4.根据权利要求3所述的非正交多载波传输系统的导频序列设计方法，其特征在于，所述对数似然函数为：g(y；ε)＝‖y-c(ε)fb‖2式中，‖
·
‖为范数运算。5.根据权利要求4所述的非正交多载波传输系统的导频序列设计方法，其特征在于，所述目标函数为：h(b)＝b
h
ab式中，a＝f
h
f，(
·
)
h
为矩阵的共轭转置。6.根据权利要求5所述的非正交多载波传输系统的导频序列设计方法，其特征在于，所述对目标函数进行求解获取非正交多载波传输系统的导频序列包括：对矩阵a进行奇异值分解：a＝uγu
h
式中，u、γ、u
h
均为乘积矩阵；通过寻找与最大的奇异值所对应的调制符号向量b
max
，获取目标函数的最大值；将调制符号向量b
max
作为导频序列输出。7.一种非正交多载波传输系统的导频序列设计装置，其特征在于，包括：初始化模块，用于初始化非正交多载波传输系统；发送信号生成模块，用于对初始化的非正交多载波传输系统，生成发送信号；
接收信号生成模块，用于计及发送信号经过无线通道时受到噪声和载波频偏的影响，生成接收信号；对数似然函数模块，用于对接收信号计算联合概率密度分布函数，并对联合概率密度分布函数取自然对数，生成对数似然函数；信息矩阵计算模块，用于对对数似然函数中的变量求偏导数，计算出信息矩阵；目标函数构建模块，用于根据信息矩阵计算频偏估计的理论性能界，并基于理论性能界构建导频优化的目标函数；目标函数求解模块，用于对目标函数进行求解获取非正交多载波传输系统的导频序列。8.一种电子设备，其特征在于，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1-6任一项所述方法的步骤。9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种非正交多载波传输系统的导频序列设计方法及装置，其方法包括：初始化非正交多载波传输系统；对初始化的非正交多载波传输系统，生成发送信号；计及发送信号经过无线通道时受到噪声和载波频偏的影响，生成接收信号；对接收信号计算联合概率密度分布函数，并对联合概率密度分布函数取自然对数，生成对数似然函数；针对对数似然函数中的变量求偏导数，计算出信息矩阵；根据信息矩阵计算频偏估计的理论性能界，并基于理论性能界构建导频优化的目标函数；对目标函数进行求解获取非正交多载波传输系统的导频序列；本发明所提出的导频序列比传统的M序列、Gold序列、ZC序列能够获得更好的频偏估计性能。够获得更好的频偏估计性能。够获得更好的频偏估计性能。


技术研发人员：梁小虎 刘爱军 林鑫 张森柏 续欣 高志祥 岳桐 陈文鑫
受保护的技术使用者：中国人民解放军陆军工程大学
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/8/13