本發(fā)明屬于通信技術領域，更進一步涉及多載波傳輸技術領域中的一種應用于廣義頻分復用GFDM(generalized frequency division multiplexing)通信系統(tǒng)的相關旋轉(zhuǎn)預編碼方法。本發(fā)明通過取得廣義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)矩陣與多經(jīng)信道矩陣構成的等效信道矩陣，對其自相關矩陣進行相位旋轉(zhuǎn)處理，來實現(xiàn)對干擾的利用?？捎糜谔岣邚V義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)的誤符號率性能。

背景技術：

與現(xiàn)如今廣為應用正交頻分復用OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)通信系統(tǒng)傳輸技術相比，廣義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)傳輸技術采用低旁瓣的非矩形脈沖成形，從而降低了帶外功率泄露，而且還具有高頻譜利用率、高靈活性等優(yōu)點。然而，此系統(tǒng)中成形濾波器的使用，使其傳輸子載波并非完全正交，由此帶來了子載波間干擾ICI(inner carrier interference)；另外，一幀GFDM符號中多個子符號的時域疊加也會帶來子符號間干擾ISI(inter symbol interference)，這種由系統(tǒng)帶來的干擾統(tǒng)稱為系統(tǒng)自干擾。在頻率選擇性信道下，系統(tǒng)自干擾與多經(jīng)信道干擾同時作用，成為制約GFDM系統(tǒng)技術發(fā)展的重要因素。因此，為了更好的發(fā)揮GFDM技術的優(yōu)勢，必須對GFDM系統(tǒng)中的系統(tǒng)自干擾和多經(jīng)信道干擾進行一定的抑制。

Provost Fellows Foundation Scholars在其申請的專利文獻“A generalized frequency division multiplexing transceiver”(申請日：2016年4月7日，優(yōu)先權：GB20140017277,公開號：WO2016050870A)中公開了一種GFDM系統(tǒng)收發(fā)器。該收發(fā)器提出了一種信道均衡與接收端檢測的方法。該方法的實施步驟是：第一，發(fā)射信號經(jīng)過發(fā)射系統(tǒng)矩陣和信道后，用信道矩陣的逆對接收信號進行信道均衡，消除多經(jīng)信道干擾；第二，接收端采用迫零、匹配濾波器或最小均方誤差的檢測方式對接收信號進行檢測。該方法能不同程度地消除系統(tǒng)自干擾和多經(jīng)信道干擾，取得誤碼率性能的提升。但是，該方法仍然存在的不足之處是：其一，迫零檢測方法可能會產(chǎn)生噪聲放大的效果，降低了系統(tǒng)誤碼率性能；其二，匹配濾波器檢測后系統(tǒng)仍然存在一定的系統(tǒng)自干擾，降低系統(tǒng)的誤碼率性能。

Usa Vilaipornsawai等人在其發(fā)表的論文“Scattered-Pilot channel estimation for GFDM”(Vilaipornsawai U,Jia M.Scattered-pilot channel estimation for GFDM[C]//Wireless Communications and NETWORKING Conference.IEEE,2014:1053-1058.)中提出一種發(fā)射端干擾消除Tx-IC(transmitter interference cancellation)迫零預編碼的方法來對系統(tǒng)自干擾進行抵消。該方法的步驟是：第一，將接收端系統(tǒng)矩陣A^*與發(fā)射端系統(tǒng)矩陣A的乘積取逆構成迫零預編碼矩陣；第二，將原始信號經(jīng)過星座映射后，與迫零預編碼矩陣相乘，進行預編碼；第三，將預編碼后的信號通過發(fā)射系統(tǒng)、高斯信道、接收系統(tǒng)。該方法消除了系統(tǒng)自干擾，在高斯信道下，提高了系統(tǒng)的誤碼率性能，能夠滿足用戶對通信系統(tǒng)的性能要求。但是，該方法仍然存在的不足之處是：該方法只在高斯信道下消除系統(tǒng)自干擾，并不適用于真實環(huán)境下的多經(jīng)信道。

Shashank Tiwari等人在其發(fā)表的論文“Precoded generalized frequency division multiplexing system to combat inter-carrier interference:performance analysis”(Tiwari S,Sekhar Das S,Bandyopadhyay KK.Precoded generalised frequency division multiplexing system to combat inter-carrier interference:performance analysis[J].Iet Communications,2015,9(15):1829-1841.)中提出了基于BIDFT、DFT、SVD的三種特征分解方法。這三種方法的實施步驟是：第一，求多徑信道矩陣和發(fā)射端系統(tǒng)矩陣的乘積的自相關矩陣，或接收端系統(tǒng)矩陣和發(fā)射端系統(tǒng)矩陣的乘積；第二，將第一步求得的矩陣以多種方式進行分解，得到三個矩陣的乘積，其中第二位的矩陣為快對角矩陣；第三，將分解矩陣中第一個矩陣作為預編碼矩陣對發(fā)射信號進行預編碼；第四，預編碼后的信號通過發(fā)射端系統(tǒng)、信道、接收端系統(tǒng)后，用分解矩陣中第三個矩陣進行接收端匹配，其中，如果是對接收端系統(tǒng)矩陣和發(fā)射端系統(tǒng)矩陣的乘積進行分解，則在信號通過信道后先對信道進行均衡，再進行接收端系統(tǒng)檢測和匹配操作。這三種方法均能在不同程度上消除系統(tǒng)和信道的干擾，取得誤碼率性能的提升，并且運算復雜度較小。但是，這三種方法仍然存在的不足之處是：其一，除了需要在GFDM系統(tǒng)的發(fā)射端進行預編碼，還需在接收端進行匹配，實現(xiàn)起來相對復雜，并且可能會造成噪聲放大的效果，降低系統(tǒng)的誤碼率性能；其二，這三種方法用抵消的方法處理干擾，對誤碼率性能的提升有限。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術的不足，針對廣義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)提供一種相關旋轉(zhuǎn)預編碼方法，不僅可以同時消除系統(tǒng)自干擾和多徑信道衰落的不良影響，而且可以對干擾加以利用，進一步提升系統(tǒng)的誤碼率性能。

本發(fā)明的思路是將系統(tǒng)和信道看作等效信道一同進行處理，將待傳輸符號通過等效信道后產(chǎn)生的加性符號間干擾進行相位旋轉(zhuǎn)，使其與待傳輸符號同相位，并且將來自信道的乘性干擾消除，使得疊加了符號間干擾的接收符號遠離判決閾值，實現(xiàn)對于干擾的利用，從而提高系統(tǒng)的誤碼率性能。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體步驟如下：

(1)構造自相關矩陣：

(1a)將廣義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)的接收端矩陣、多徑信道的循環(huán)卷積矩陣和發(fā)射端矩陣的三個矩陣相乘，得到等效信道矩陣；

(1b)將等效信道矩陣的共軛轉(zhuǎn)置矩陣與等效信道矩陣相乘，得到自相關矩陣；

(2)構造迫零預編碼矩陣：

采用偽逆方法，計算等效信道矩陣的逆，將等效信道矩陣的逆作為迫零預編碼矩陣；

(3)構造相關旋轉(zhuǎn)矩陣：

(3a)將待傳輸?shù)膹V義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)的信號序列進行星座映射，得到待傳輸符號向量；

(3b)采用相關旋轉(zhuǎn)的方法，將自相關矩陣中的所有非對角線元素進行相位旋轉(zhuǎn)，得到待接收符號與每一個疊加到其上的符號間干擾同相位的相關旋轉(zhuǎn)矩陣；

(4)消除信道乘性衰落因子：

使用對角線元素歸一化的方法，消除相關旋轉(zhuǎn)矩陣中來自信道的乘性衰落因子，得到優(yōu)化后的相關旋轉(zhuǎn)矩陣；

(5)按照下式，構造相關旋轉(zhuǎn)預編碼矩陣：

P_CR＝f_φ·P_ZF·R'_φ

其中，P_CR表示相關旋轉(zhuǎn)預編碼矩陣，f_φ表示功率歸一化因子，P_ZF表示迫零預編碼矩陣，R'_φ表示優(yōu)化后的相關旋轉(zhuǎn)矩陣；

(6)對待傳輸符號向量進行預編碼：

利用預編碼公式，對待傳輸符號向量進行預編碼，得到預編碼后的符號向量；

(7)傳輸待傳輸符號：

將預編碼后的符號向量依次在發(fā)射端系統(tǒng)、多徑信道、接收端系統(tǒng)中傳輸，實現(xiàn)待傳輸符號在廣義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)中的傳輸。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：

第一，由于本發(fā)明采用匹配濾波器的檢測方法，對接收信號進行信號檢測，克服了現(xiàn)有技術采用迫零檢測方法，可能會產(chǎn)生噪聲放大的效果的缺點，使得本發(fā)明提升了廣義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)的誤符號率性能。

第二，由于本發(fā)明用相關旋轉(zhuǎn)預編碼矩陣對待傳輸符號向量進行預編碼，對廣義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)的系統(tǒng)矩陣進行了抵消，克服了現(xiàn)有技術匹配濾波器檢測后系統(tǒng)仍然存在一定的系統(tǒng)自干擾的缺點，使得本發(fā)明提升了廣義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)的誤符號率性能。

第三，由于本發(fā)明將廣義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)的接收端矩陣、多徑信道的循環(huán)卷積矩陣和發(fā)射端矩陣的三個矩陣相乘，得到等效信道矩陣，利用該等效信道矩陣構造預編碼矩陣，克服了現(xiàn)有技術只在高斯信道下消除系統(tǒng)自干擾，并不適用于真實環(huán)境下的多經(jīng)信道的缺點，使得本發(fā)明可以滿足用戶在真實環(huán)境下信號傳輸?shù)囊蟆?/p>

第四，由于本發(fā)明使用相關旋轉(zhuǎn)預編碼矩陣對待傳輸符號向量進行預編碼，無需再在接收端進行匹配處理，克服了現(xiàn)有技術需在接收端進行匹配，實現(xiàn)起來相對復雜，并且可能會造成噪聲放大的效果的缺點，使得本發(fā)明提升了廣義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)的誤符號率性能。

第五，由于本發(fā)明使用相關旋轉(zhuǎn)預編碼矩陣對待傳輸符號向量進行預編碼，對符號間干擾加以利用，克服了現(xiàn)有技術用抵消的方法處理干擾，對誤碼率性能的提升有限的缺點，使得本發(fā)明優(yōu)化了接收符號的功率分配，更大程度地提升了廣義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)的誤符號率性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為本發(fā)明步驟(3b)相關旋轉(zhuǎn)方法的示意圖；

圖3為本發(fā)明的仿真圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的描述。

參照圖1，對本發(fā)明做進一步描述。

步驟1，構造自相關矩陣。

將廣義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)的接收端矩陣、多徑信道的循環(huán)卷積矩陣和發(fā)射端矩陣的三個矩陣相乘，得到等效信道矩陣，其中，接收端矩陣是指接收端系統(tǒng)構成的矩陣，該接收端系統(tǒng)是采用匹配濾波器檢測接收信號的。

將等效信道矩陣的共軛轉(zhuǎn)置矩陣與等效信道矩陣相乘，得到自相關矩陣。

步驟2，構造迫零預編碼矩陣。

采用偽逆方法，計算等效信道矩陣的逆，將等效信道矩陣的逆作為迫零預編碼矩陣。

$P_{ZF}={\stackrel{\‾}{H}}^{*}{\left({\stackrel{\‾}{HH}}^{*}\right)}^{-1}$

其中，P_ZF表示等效信道矩陣的逆，表示等效信道矩陣，^*表示共軛轉(zhuǎn)置操作，^-1表示求矩陣逆的操作。

步驟3，構造相關旋轉(zhuǎn)矩陣。

將待傳輸?shù)膹V義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)的信號序列進行星座映射，得到待傳輸符號向量。

采用相關旋轉(zhuǎn)的方法，將自相關矩陣中的所有非對角線元素進行相位旋轉(zhuǎn)，得到待接收符號與每一個疊加到其上的符號間干擾同相位的相關旋轉(zhuǎn)矩陣。

下面結合圖2對本發(fā)明相關旋轉(zhuǎn)方法的具體步驟如下。其中，圖2中的橫軸表示實數(shù)軸，縱軸表示虛數(shù)軸。圖2中的陰影部分表示對待接收符號檢測有利的干擾的區(qū)域，d_i表示待接收符號中第i個符號，I_i,j表示待接收符號向量中第j個符號疊加在待接收符號向量中第i個符號上的干擾，表示待接收符號向量中第j個符號疊加在待接收符號向量中第i個符號上的干擾與待接收符號向量中第i個符號的相位差。

按照下式，計算待接收符號向量上疊加的干擾。

I_i,j＝d_j·ρ_m,n

其中，I_i,j表示待接收符號向量中第j個符號疊加在待接收符號向量中第i個符號上的干擾，d_j表示待接收符號中第j個符號，ρ_m,n表示自相關矩陣中第m行第n列的元素，m的取值為m＝i，n的取值為n＝j。

按照下式，計算待接收符號上疊加的干擾與待接收符號向量的相位差。

其中，表示待接收符號向量中第j個符號疊加在待接收符號向量中第i個符號上的干擾與待接收符號向量中第i個符號的相位差，d_i表示待接收符號中第i個符號，conj表示共軛轉(zhuǎn)置操作，I_i,j表示待接收符號向量中第j個符號疊加在待接收符號向量中第i個符號上的干擾，ρ_m,n表示自相關矩陣中第m行第n列的元素，m的取值為m＝i，n的取值為n＝j，|·|表示絕對值操作。

按照下式，構造相位旋轉(zhuǎn)矩陣。

其中，φ表示相位旋轉(zhuǎn)矩陣，表示待接收符號向量中第N個符號與待接收符號向量中第1個符號疊加到待接收符號向量中第N個符號上的干擾的相位差，表示待接收符號向量中第i個符號與待接收符號向量中第j個符號疊加到待接收符號向量中第i個符號上的干擾的相位差。

按照下式，構造相關旋轉(zhuǎn)矩陣。

其中，R_φ表示相關旋轉(zhuǎn)矩陣，R表示自相關矩陣，表示矩陣Hadamard乘操作，φ表示相位旋轉(zhuǎn)矩陣。

步驟4，消除信道乘性衰落因子。

使用對角線元素歸一化的方法，消除相關旋轉(zhuǎn)矩陣中來自信道的乘性衰落因子，得到優(yōu)化后的相關旋轉(zhuǎn)矩陣。

其中，R'_φ表示優(yōu)化后的相關旋轉(zhuǎn)矩陣，R_φ表示相關旋轉(zhuǎn)矩陣，表示矩陣Hadamard乘操作，ρ_u,u表示自相關矩陣中第u行第u列的元素，ρ_N,N表示自相關矩陣中第N行第N列的元素。

步驟5，按照下式，構造相關旋轉(zhuǎn)預編碼矩陣。

P_CR＝f_φ·P_ZF·R'_φ

其中，P_CR表示相關旋轉(zhuǎn)預編碼矩陣，f_φ表示功率歸一化因子，P_ZF表示迫零預編碼矩陣，R'_φ表示優(yōu)化后的相關旋轉(zhuǎn)矩陣。

功率歸一化因子是按照下式計算得到的。

$f_{\mathrm{\φ}}=\sqrt{1/tr{(A\·P_{ZF}\·{R^{\′}}_{\mathrm{\φ}})}^2}$

其中，f_φ表示功率歸一化因子，表示開根號操作，tr表示求矩陣跡操作，A表示發(fā)射端矩陣，P_ZF表示迫零預編碼矩陣，R'_φ表示優(yōu)化后的相關旋轉(zhuǎn)矩陣。

步驟6，對待傳輸符號向量進行預編碼。

利用預編碼公式，對待傳輸符號向量進行預編碼，得到預編碼后的符號向量。

d'＝P_CR·d

其中，d'表示對待傳輸符號向量進行預編碼得到的符號向量，P_CR表示相關旋轉(zhuǎn)預編碼矩陣，d表示待傳輸符號向量。

步驟7，傳輸待傳輸符號。

將預編碼后的符號向量依次在發(fā)射端系統(tǒng)、多徑信道、接收端系統(tǒng)中傳輸，實現(xiàn)待傳輸符號在廣義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)中的傳輸。

本發(fā)明的效果可以通過以下仿真實驗進一步說明。

本發(fā)明的仿真實驗使用Matlab7.11.0仿真軟件，系統(tǒng)參數(shù)的設置與實施例中所用到的參數(shù)一致，本發(fā)明的仿真實驗中發(fā)射端系統(tǒng)中脈沖成形濾波器采用根升余弦濾波器，根升余弦濾波器的滾降因子為0.1，上采樣倍數(shù)為256，待傳輸?shù)膹V義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)的信號采用QPSK星座映射方法，一幀信號的子載波數(shù)為256，子符號數(shù)為4，多徑信道采用10抽頭的瑞利信道，信道時延為[0，3，5，6，8，9，11，14，17，19]，信道增益為[0，-8，-17，-21，-25，-32，-35，-37，-40，-42](dB)。

圖3為本發(fā)明的仿真實驗得到的接收信號的誤符號率性能曲線，圖3中的橫軸表示信噪比，單位dB，縱軸表示接收信號的誤符號率。圖3中以三角形標示的曲線代表現(xiàn)有技術中采用信道均衡與迫零檢測方法進行仿真實驗得到的誤符號率曲線，以圓形標示的曲線代表現(xiàn)有技術中采用基于BIDFT的特征分解方法進行仿真實驗得到的誤符號率曲線，以星號標示的曲線代表現(xiàn)有技術中采用迫零預編碼方法進行仿真實驗得到的誤符號率曲線，以十字形標示的曲線代表采用本發(fā)明方法進行仿真實驗得到的誤符號率曲線。

當廣義頻分復用GFDM通信系統(tǒng)的性能要求為10^-3時，通過將圖3中以十字形標示的曲線與以三角形標示的曲線相比，可見，本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術中信道均衡與迫零檢測方法相比有6dB的信噪比增益；通過將圖3中以十字形標示的曲線與以圓形標示的曲線相比，可見，本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術中基于BIDFT的特征分解方法相比有4dB的信噪比增益；通過將圖3中以十字形標示的曲線與以星號標示的曲線相比，可見，本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術中基于BIDFT的特征分解方法相比有4dB的信噪比增益；通過比較圖3中全部四條曲線的延伸走勢，可見，信噪比越大，本發(fā)明方法相比現(xiàn)有技術方法所取得的增益值越大。