阅读说明：本技术 一种wo-ftn传输系统中的分块矩阵干扰消除方法 (Block matrix interference elimination method in WO-FTN transmission system ) 是由 曹明华 张伟 王惠琴 康中将 吕佳芸 张家玮 吴照恒 李文文 夏皆平 于 2020-04-14 设计创作，主要内容包括：一种WO-FTN传输系统中的分块矩阵干扰消除方法,在发送端将数据信号进行分块,再分别将每个子块中的数据通过FTN成型滤波器生成为FTN信号,然后根据成型滤波器系数计算出FTN传输特性系数矩阵,并将该矩阵的逆与接收到的数据子块相乘,从而降低因FTN传输带来的干扰,提高系统的误码性能。同时,该方法在执行过程中,由于成型滤波器一致,FTN传输特性系数矩阵的逆相同,因此在整个信息传送过程中对于矩阵的求逆运算只需计算一次,从而可以降低系统的整体计算复杂度。(A method for eliminating interference of block matrix in WO-FTN transmission system includes blocking data signal at sending end, generating data in each sub-block into FTN signal by FTN shaping filter, calculating FTN transmission characteristic coefficient matrix according to shaping filter coefficient, multiplying inverse of said matrix with received data sub-block to reduce interference brought by FTN transmission and raise error code performance of system. Meanwhile, in the execution process of the method, because the forming filters are consistent and the inverses of the FTN transmission characteristic coefficient matrixes are the same, the inversion operation of the matrixes in the whole information transmission process only needs to be calculated once, and therefore the overall calculation complexity of the system can be reduced.)

一种WO-FTN传输系统中的分块矩阵干扰消除方法

技术领域

本发明涉及适合于无线光超奈奎斯特(WO-FTN)速率传输中的分块矩阵干扰消除技术，该方法通过将4PAM信号分成多个子块后再进行超奈奎斯特传输，在接收机中采用矩阵运算降低系统的符号间串扰(ISI)，属于无线光通信技术领域。

背景技术

随着移动通信行业的快速发展，通信网络对大容量、高速率的传输需求不断增长。无线光通信具有频谱不受限、链路灵活等优点，从而可以作为解决高带宽需求的备选措施。但是无线光通信系统的链路状态易受天气、微粒子、湍流的影响，导致系统的传输速率下降。为了解决这一问题，科研人员提出了高阶调制技术、波分复用技术以及超奈奎斯特(FTN,Faster-than-Nyquist)速率传输技术等方法补偿链路的缺陷。其中，FTN技术是一种新型的非正交传输技术，它可以在不增加原有系统带宽的情况下提高系统的传输速率。

近年来，随着数字信号处理技术的高速发展以及人们对高速传输的追求，研究者对FTN技术展开了大量的研究，并取得了丰富的成果。例如，Rusek针对二维FTN信号的传输，提出了一种基于连续干扰抵消的接收机，有效提高了系统的误码性能。Prlja研究了在接收机中对FTN信号进行Tubor均衡的作用，发现进行Turbo均衡的FTN系统具有更优的误码性能。Jana等人在FTN系统中提出采用预均衡技术替代接收机中复杂的均衡算法，该技术能够使系统在提供高频谱效率的同时获得最优的误码性能。同时，研究者对于FTN接收机高复杂度问题也做出了大量的研究。有学者为了克服MMSE均衡器在双选信道中的高复杂度问题，提出了基于两种变分方法的低复杂度接收机，使系统误码性能保持与MMSE均衡器近似的同时，具有较低的计算复杂度。2016年研究者提出一种基于FG-SS-BP均衡方法的低复杂度Turbo检测方案，该检测方法在ISI自由条件下接近最优检测器，具有非常低的复杂度。由于无线光通信具有保密性强、铺设简单、成本低等优点，上海复旦大学搭建了基于CAP调制的室内FTN无线光通信系统，证明了FTN技术可以应用到光通信中。

对于FTN系统中的ISI问题，大多数研究者通过在接收机中设计均衡器或在发射机中进行FTN预编码降低FTN传输带来的ISI。同时，由于FTN接收机中匹配滤波的作用，导致出现色噪声。针对色噪声的处理有两种方式，一是在匹配滤波器之后级联白化滤波器，二是利用正交基分解的思想来重新设计匹配滤波器。上述方法都会增加系统的复杂度和成本。另外，随着移动通信技术的快速发展，对频谱资源的需求越来越高。无线光通信具有频谱不受限、链路灵活等特点，因此将FTN技术应用到无线光通信系统中是解决当前频谱资源紧张的有效措施。基于此，本发明将FTN技术引入到无线光通信系统中，提出一种基于矩阵运算的低复杂度分块超奈奎斯特传输方法。该方法为提升无线光FTN通信系统的误码性能、降低系统复杂度具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种WO-FTN传输系统中的分块矩阵干扰消除方法。

本发明是一种WO-FTN传输系统中的分块矩阵干扰消除方法，发射端将已调信息分成多个子块，然后依据加速因子和成型滤波器系数计算出FTN传输特性系数矩阵；在接收端，通过将接收到的数据子块与传输特性系数矩阵的逆相乘，以降低FTN技术传输带来的干扰问题；同时，减小了数据传输矩阵的阶数，能降低系统的计算复杂度；其具体步骤为：

步骤1：在发送端，首先将二进制比特流映射为4PAM信号，并将其分割成n/k个子块；

步骤2：将第i个子块P_i输入FTN脉冲成型滤波器形成FTN信号；

其中，n表示4PAM信号的总个数，k表示每个子块具有的4PAM信号个数；j表示第i个子块中的第j个符号；τ＝sps1/sps2表示加速因子，sps1为上采样因子，sps2为下采样因子；。q(t)表示归一化升余弦波形；

步骤3：在接收端对光电探测器的输出信号进行采样；假设接收信号的抽样值为Y_i＝η×G×P_i.×H+Z；其中，η表示光电转换效率，G为FTN传输特性系数矩阵；H为Gamma-Gamma信道衰落系数矩阵，Z表示高斯白噪声矩阵；对第i个数据子块左乘G^-1，从而实现系统符号间干扰的降低，即：

其中，g为当前码元受前后码元影响的滤波器系数；

步骤3：对Y′_i进行最大似然检测，再经解映射即可恢复出原始信息；

步骤4：循环步骤2和3，直到i＝n/k时结束。

本发明的益处在于：通过对发送数据分块处理以降低矩阵运算复杂度，同时在接收机中采用矩阵消除算法与最大似然检测算法相结合的方式获得较高的误码性能。因此特别适用于大容量数据传输时运算复杂度较高的场合。

附图说明

图1为湍流信道下的FTN无线光通信系统框图，图2算法流程图，图3表示滤波器滚将因子为0.7，加速因子为0.8时，不同方法下系统误码性能与信噪比的关系曲线，图4表示滤波器滚将因子0.5，加速因子为0.8时，不同方法下系统误码性能与信噪比的关系曲线。

具体实施方式

本发明提供一种无线光超奈奎斯特(WO-FTN)速率传输系统中的分块矩阵干扰消除方法，通过此方法可以使FTN通信系统获得较高的误码性能且具有较低的计算复杂度。下面结合附图以具体实施例来详细说明本发明。

本发明通过如下技术措施来达到：

1、基本假设：

本发明采用4PAM调制，假设信道为Gamma-Gamma信道，且信道状态已知。假设背景光已被滤波器滤除，仅考虑加性高斯白噪声。该假设是此类系统的典型情况，非本发明的特殊要求。

2、具体实施步骤：

原始用户信息经过格雷编码、4PAM映射后表示为：

A＝[a₁ a₂…a_n]^T (1)

式(1)中a_n∈A,A＝{a_r＝2r-1-R,r＝1,2,…,R}为调制符号，R为调制阶数。将已调信号A进行分块处理后可得如下形式：

P＝{P₁…P_i…P_n/k},p_i＝[a_i1 a_i2…a_ik]^T(k＝1,2,…n/k) (2)

式(2)中把调制符号分成n/k个子块，每个子块具有k个符号。对子块P_i进行FTN脉冲成型，形成发射信号x_i(t)，表示为：

式(3)中i表示第i个子块，j表示第i个子块中的第j个符号。τ表示加速因子，q(t)表示归一化升余弦波形，即理论上FTN成型脉冲为无限长，因此引入的ISI无限长。实际中可以对升余弦滤波器进行截断。本发明假设升余弦滤波器的成型点数为61，其系数矩阵表示形式如下：

Q＝[q₁ q₂…q₆₁] (4)

已知q₃₁＝1，根据式(3)，当τ＝1时，在波形的最值处为本码元的值。当τ＜1时，符号间会由于叠加的更加紧密而产生干扰。本文假设ISI的串扰长度为2，即每一个抽样点只受前、后两个码元的影响，其中第一个和最后一个码元只受一个码元的影响。

在本系统中FTN脉冲成型包括上采样和滤波成型两个过程，设上采样因子为sps1，滤波器采样因子为sps2，因此保持下采样因子不变，通过改变上采样因子的大小，从而改变传输速率。即τ＝sps1/sps2。依据成型滤波器的特性，因此当前码元的抽样值可以表示为：

其中，G表示FTN传输特性系数矩阵，g＝q_sps2-sps1+1，为当前码元受前后码元影响的滤波器系数。

经过FTN成型的信号s(t)通过大气信道后由光电探测器接收转换为电信号，同时对该信号进行采样。假设采样后的信号为：

Y_i＝η×G×P_i.×H+Z (6)

式(6)中，H表示Gamma-Gamma信道衰落系数矩阵。

由式(6)显然可以看出码元经过FTN传输后不仅受到大气信道造成的衰落而且受到前后码元的干扰，因此在接收端通过对接收信号进行矩阵运算，降低因FTN传输带来的符号间串扰。过程如下：对式(6)两端左乘G^-1得：

G^-1Y_i＝η×G^-1G×P_i.×H+G^-1×Z (7)

即经过矩阵运算的信号表示为Y′_i＝P_i.×H+G^-1Z，由式(7)可知，右端第一项为本码元因大气信道受到的衰落，第二项为噪声样值。由于信道状态已知，因此对Y′_i进行最大似然检测(MLSD)，再经解映射恢复出原始信息。最大似然检测准则为：

其中，y_m为Y′_i中的待检测值，表示2范数，h_m表示信道衰落系数，代表估计出的已调符号。

重复上述步骤，直到i＝n/k时，信息传输完毕。

图2为该方法的流程图，其中发端数据处理包括格雷编码和4PAM映射，然后将4PAM数据信息分成n个子块后分别对其做FTN成型、接收端信号处理操作，接收端信号处理主要包括采样、矩阵运算、最大似然检测、储存信息四个模块。最后判断i是否大于n，如果i>n,表示已经遍历了所有子块，流程结束；否则流程继续工作。

表1.分块矩阵干扰消除方法的计算复杂度

表1为分块矩阵干扰消除方法的计算复杂度。从表1中可以看出分块传输方法在加法运算次数、乘法运算次数和矩阵求逆运算复杂度方面相对于未分块传输方法具有较低的计算复杂度。因此可以减少算法运行时间，提高工作效率。

为了进一步说明本发明的正确性以及大气湍流对系统误码率的影响，采用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法对其进行仿真验证。仿真条件如下:(1)发送信号采用4PAM调制；(2)光电转换效率η＝0.5，波长1.5μm，大气折射率结构常数为1×10^-15m^-2/3，传输距离为1km，加速因子为0.8，升余弦滤波器滚将因子为0.7和0.5。

图3和图4分别表示了在升余弦滤波器的滚将因子为0.7和0.5的情况下，在加速因子为0.8时不同方法下的系统误码性能曲线。从中可以看出：在接收机中仅对信号采取最大似然检测时，系统的误码性能较差。同等条件下采取本文提出的方法时，系统误码性能提高约3个数量级。同时也可以看出随着升余弦滤波器滚将因子的减小，系统误码性能也随之降低。

通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以用软件或通过硬件来实现。基于上述的内容，本发明的技术方法对现有技术的贡献部分可以通过软件或硬件来执行本发明实施例所述的方法。