基于嵌入训练序列和LDPC编码的多用户OFDM调制方法

摘要

本发明公开了一种基于嵌入训练序列和LDPC编码的多用户OFDM调制方法，它包括下列步骤：1)每个用户将零均匀插入自己的训练序列形成FFT离散训练序列块；2)每个用户将自己的输入数据比特流经LDPC编码后进一步形成FFT编码数据块；3)将FFT离散训练序列块、FFT编码数据块直接叠加形成FFT嵌入训练序列编码数据块；4)采用IFFT将FFT嵌入训练序列编码数据块变换为时域离散样值块；5)将循环前缀作为保护间隔插入时域离散样值块形成信号帧；6)用平方根升余弦滚降滤波器对信号帧脉冲成形；7)将基带信号上变频至载波上。该方法具有同步时间短、抗信道衰落、抗多用户干扰等优点。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信领域，更具体地涉及一种基于嵌入训练序列和LDPC编码的多用户OFDM(低密度奇偶校验码，Low Density Parity Check，LDPC；正交频分复用，Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)调制方法。

背景技术

无线通信是现代信息社会最重要的基础设施之一，已成为国家进步和社会发展的基本需求，在经济可持续发展和现代军事国防建设中发挥着重要作用。但是，在无线通信领域，一方面，频谱资源有限；另一方面，随着用户数量的增加和业务范围的扩展(特别是各种高速码率数据业务的出现)所导致的通信业务量爆炸式增长，使得宽带无线通信在现代社会生活中起着愈来愈重要的作用，宽带无线通信相关技术已成为当今国际学术界和工业界的研究热点。

由于数字信号处理技术和集成电路技术的飞速发展，正交频分复用(OFDM)技术的系统实现变得越来越容易。因OFDM多载波传输技术具有结构简单，频谱利用率高，可以抗频率选择性和信道时变等诸多优点而倍受大家的关注并得到深入的研究和在Xdsl、宽带移动通信、宽带无线局域网、数字电视地面广播等诸多领域中的广泛应用。

信道编码是数字通信系统的重要组成部分。随着现代信息技术的飞速发展，信道编码技术已成为现代通信领域不可或缺的技术。在信息序列中嵌入冗余码元，信道编码技术通过冗余码元的作用减小信号在传输过程中发生错误，从而提高通信系统的可靠性。

自Shannon提出了著名的信道编码定理以来，学者们一直致力于构造纠错能力接近理论极限且编码复杂度可接受的信道编码方法。在1993年，Berrou等人提出了Turbo码，其优越的性能震惊了编码界，很快就成为了编码界的研究热点。正是随着Turbo码的不断深入研究，人们才发现Turbo码与1962年Gallager提出的低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check，LDPC)有许多相似之处，两者在编码端都采用随机编码的方式，在译码端都采用迭代译码方式。Gallager当时之所以没有发现LDPC码的这一特性，主要原因在于当时计算机的仿真能力有限，无法对码字较长的LDPC码进行仿真实现，由于当时硬件水平的限制使得学术界认为LDPC码译码算法过于复杂而难以在实际系统中被应用并因此一度被忽视。直到1996年，MacKay和Neal证明采用BP迭代译码算法时LDPC码具有逼近Shannon限的性能，从此使得LDPC编码的研究和应用跨入了一个新的阶段。LDPC码是一种用于在噪声传输信道中传输信息并执行前向纠错(FEC，ForwardError Correction)的纠错码。LDPC码字可以看成是一种具有二进制奇偶校验矩阵的码，而奇偶校验矩阵的元素几乎都为零。尽管LDPC编码和其他纠错编码并不能保证无误传输，但损失信息的概率却可以降到所需的程度。LDPC编码是一种能使数据传输速率接近理论最大值，即香农极限的编码方案。在LDPC编码刚被发现的时候，在大多数情况下由于算法和编码器的计算量过大而无法实际应用，因而没有得到广泛使用。然而，自从1996年LDPC码被重新认识之后，已在通信系统中得到广泛应用，比如：IEEE 802.16e标准、IEEE 802.11n标准等中都考虑了采用LDPC码作为信道编码的应用。

在实际通信环境中，OFDM通信系统性能受到同步时间、时钟抖动、信道衰落、多用户共信道干扰等因素的影响。信道编码技术和调制方法是实现可靠OFDM通信的关键技术。

正是基于以上背景，本发明针对实际通信环境提出一种基于嵌入训练序列和LDPC编码的多用户OFDM调制方法，可以满足高数据率无线多用户通信的需要。

欲对专利背景作更深入的了解可参考以下文献资料：

L.J.Cimini，“Analysis and simulation of a digital mobilechannel using orthogonal frequency division multiplexing，”IEEETrans.Commun.，vol.COM-33，pp.665-675，July 1985.

R.V.Nee，R.Prasad.“OFDM for wireless multimediacommunications”Boston：Artech House，2000.

A.R.S.Bahai and B.R.Saltzberg.“Multi-Carrier DigitalCommunications：Theory and Applicatons of OFDM”.KluwerAcademic/Plenum，1999.

R.G.Gallager，“Low-density parity-check codes，”IRE Trans.Inf.Theory，vol.IT-8，no.1，pp.21-28，Jan.1962.

D.J.C.MacKay，“Good error-correcting codes based on verysparse matrices，”IEEE Trans.Inf.Theory，vol.45，no.2，pp.399-431，Mar.1999.

D.J.C.MacKay，S.T.Wilson，and M.C.Davey，“Comparison ofconstructions of irregular Gallager codes，”IEEE Trans.Commun.，vol.47，no.10，pp.1449-1454，Oct.1999.

D.J.C.MacKay and R.M.Neal，“Near Shannon limit performanceof low density parity check codes，”IEE Electron.Lett.，vol.32，no.18，pp.1645-1646，Aug.1996.

M.P.C.Fossorier，“Quasi-cyclic low density parity check codesfrom circulant permutation matrices，”IEEE Trans.Inform.Theory，vol.50，pp.1788-1794，Aug.2004.

T.Richardson，A.Shokrollahi，and R.Urbanke，“Design ofcapacity approaching low density parity check codes，”IEEE Trans.Inf.Theory，vol.47，no.2，pp.619-637，Feb.2001.

H.Tang，J.Xu，Y.Kou，S.Lin，and K.Abdel-Ghaffar，“Onalgebraic construction of Gallager and circulant low densityparity check codes，”IEEE Trans.Inf.Theory，vol.50，no.6，pp.1269-1279，Jn.2004.

Z.Li，L.Chen，L.Zeng，S.Lin，W.Fong，“Efficient encodingof quasi-cyclic low-density parity-check codes，”IEEE Trans.Commun.，vol.54，no.1，pp.71-81，Jan.2006.

发明内容

本发明针对高数据率无线多用户通信问题，提出了一种基于嵌入训练序列和LDPC编码的多用户OFDM(低密度奇偶校验码，Low Density Parity Check，LDPC；正交频分复用，Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)调制方法。

本发明提出的一种基于嵌入训练序列和LDPC编码的多用户OFDM调制方法，其特征在于它包括下列步骤：

1)每个用户分别将零(零的个数为K-X)按均匀离散规则插入到该用户自己的训练序列(训练序列的长度为X)中形成FFT(快速离散傅立叶变换)离散训练序列块(FFT离散训练序列块的长度为K)；

2)每个用户分别将自己的输入数据比特流经LDPC编码后进一步形成FFT编码数据块(FFT编码数据块的长度为K)；

3)将FFT离散训练序列块、FFT编码数据块直接叠加形成FFT嵌入训练序列编码数据块；

4)采用IFFT(快速离散傅立叶反变换)将FFT嵌入训练序列编码数据块变换为时域的离散样值块(即，时域嵌入训练序列编码数据块)；

5)将循环前缀(循环前缀的长度为C)作为保护间隔插入经IFFT变换而得到的时域嵌入训练序列编码数据块，以形成信号帧；

6)采用平方根升余弦滚降滤波器对信号帧的信号脉冲成形；

7)将基带信号上变频至载波上。

按照上述的基于嵌入训练序列和LDPC编码的多用户OFDM调制方法，其特征在于：每个用户的信号帧中具有时域嵌入训练序列编码数据块；每个用户的训练序列的长度X为32、64、256、512和1024中的一个；每个用户的训练序列具有伪随机特性；不同用户的训练序列之间具有正交性；对输入数据进行LDPC编码的编码率为1/4、1/2、5/8、3/4和7/8中的一个；FFT嵌入训练序列编码数据块由子载波组成，子载波数(FFT数据块的长度K)为128、256、1024、2048和4096中的一个；子载波的频率间隔为2KHz、4KHz、16KHz、64KHz和128KHz中的一个；循环前缀长度C为FFT编码数据块长度K大小的1/2、1/4、1/8、1/16和1/32中的一个。

本发明的特点：

本发明是一种时域频域混合的调制方案。每个用户的训练序列具有伪随机特性，不同用户的训练序列之间具有正交性，FFT嵌入训练序列编码数据块是由FFT离散训练序列块、FFT编码数据块直接叠加而形成的，这些保证了每个用户可以实现快速准确的帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特性估计、以及对相位噪声和信道传输特性进行可靠跟踪。采用LDPC编码对输入数据进行信道编码提供了接近香农极限的纠错性能。将循环前缀作为保护间隔插入经IFFT变换而得到的时域嵌入训练序列编码数据块以形成信号帧，可以减少相邻信号帧之间的干扰影响。本发明的调制方法具有同步时间短、时钟抖动小、抗信道衰落、抗多用户干扰等诸多优点。

附图说明

图1是按照本发明的基于嵌入训练序列和LDPC编码的多用户OFDM调制方法对多用户中的某个用户的实施例示意图。

图2是按照本发明的基于嵌入训练序列和LDPC编码的多用户OFDM调制方法的某个用户所获得的一个信号帧的结构的实施例示意图。

图3是按照本发明的基于嵌入训练序列和LDPC编码的多用户OFDM调制方法的多用户移动通信的上传链路的实施例示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

按照本发明提出的基于嵌入训练序列和LDPC编码的多用户OFDM调制方法对多用户中的某个用户(比如：多用户中的某个用户n)的实施例，如图1所示，按下列步骤进行：

1)多用户中的某个用户n分别将零(零的个数为K-X)按均匀离散规则插入到该用户自己的训练序列(训练序列的长度为X，X为32、64、256、512和1024中的一个)中形成FFT(快速离散傅立叶变换)离散训练序列块(FFT离散训练序列块的长度为K，K为128、256、1024、2048和4096中的一个)；

2)多用户中的某个用户n分别将自己的输入数据比特流经LDPC编码后进一步形成FFT编码数据块(FFT编码数据块的长度为K)；

3)将FFT离散训练序列块、FFT编码数据块直接叠加形成FFT嵌入训练序列编码数据块；

4)采用IFFT(快速离散傅立叶反变换)将FFT嵌入训练序列编码数据块变换为时域的离散样值块(即，时域嵌入训练序列编码数据块)；

5)将循环前缀(循环前缀的长度为C，C为K大小的1/2、1/4、1/8、1/16和1/32中的一个)作为保护间隔插入经IFFT变换而得到的时域嵌入训练序列编码数据块，以形成信号帧；

6)采用平方根升余弦滚降滤波器对信号帧的信号脉冲成形；

7)将基带信号上变频至载波上。

按照本发明的基于嵌入训练序列和LDPC编码的多用户OFDM调制方法的某个用户(比如：多用户中的某个用户n)所获得的一个信号帧的结构的实施例，如图2所示，具体实施如下：

首先在频域形成被按均匀离散规则插零后的FFT离散训练序列块、经LDPC编码后的FFT编码数据块，然后，将FFT离散训练序列块、FFT编码数据块直接叠加形成FFT嵌入训练序列编码数据块。

作为每个用户的训练序列具有伪随机特性，不同用户的训练序列之间具有正交性。满足上述特征的训练序列可由作为伪随机数序列的一种特殊类型的一组移位m序列和作为正交序列的沃尔什序列、哈达玛序列或由其他方式产生的正交序列实现。

FFT嵌入训练序列编码数据块由子载波组成，子载波数为128、256、1024、2048和4096中的一个；子载波的频率间隔为2KHz、4KHz、16KHz、64KHz和128KHz中的一个。

在经IFFT变换而得到的时域嵌入训练序列编码数据块中插入保护间隔形成信号帧。保护间隔有5种工作模式，它们规定为FFT编码数据块大小的1/2、1/4、1/8、1/16和1/32中的一个。经IFFT变换而得到的时域嵌入训练序列编码数据块的最后一段取样被用作保护间隔。对输入数据进行LDPC编码的编码率为1/4、1/2、5/8、3/4和7/8中的一个。

按照本发明的信号帧的基带信号是一个嵌入训练序列和采用LDPC编码对输入数据进行编码的正交频分复用(OFDM)块。一个OFDM块可进一步分成保护间隔和一个IFFT块。由于本发明的信号帧中的保护间隔为经IFFT变换而得到的时域嵌入训练序列编码数据块的最后一段取样，也就使得本发明的信号帧符合循环前缀正交频分复用(CP-OFDM)的某些特点。

欲对专利中涉及到的CP-OFDM作更深入的了解可参考以下文献资料：

B.Muquet，Z.Wang，G.B.Giannakis，M.de Courville，and P.Duhamel，“Cyclic-Prefixed or Zero-Padded Multicarrier Transmissions？，”IEEETransactions on Communications，vol.50，pp.2136-2148，Dec.2002.

采用平方根升余弦滚降滤波器对信号帧的信号进行脉冲成形。对信号帧的信号进行脉冲成形的平方根升余弦滚降滤波器的滚降系数取0.1、0.05和0.025中的一个。

按照本发明的基于嵌入训练序列和LDPC编码的多用户OFDM调制方法的多用户移动通信的上传链路的实施例，如图3所示，具体实施如下：

1)多用户中的每个移动通信用户分别将零(零的个数为K-X)按均匀离散规则插入到该用户自己的训练序列(训练序列的长度为X，X为32、64、256、512和1024中的一个)中形成FFT(快速离散傅立叶变换)离散训练序列块(FFT离散训练序列块的长度为K，K为128、256、1024、2048和4096中的一个)；

2)多用户中的每个移动通信用户分别将自己的输入数据比特流经LDPC编码后进一步形成FFT编码数据块(FFT编码数据块的长度为K)；

3)多用户中的每个移动通信用户将FFT离散训练序列块、FFT编码数据块直接叠加形成FFT嵌入训练序列编码数据块；

4)多用户中的每个移动通信用户采用IFFT(快速离散傅立叶反变换)将FFT嵌入训练序列编码数据块变换为时域的离散样值块(即，时域嵌入训练序列编码数据块)；

5)多用户中的每个移动通信用户将循环前缀(循环前缀的长度为C，C为K大小的1/2、1/4、1/8、1/16和1/32中的一个)作为保护间隔插入经IFFT变换而得到的时域嵌入训练序列编码数据块，以形成信号帧；

6)多用户中的每个移动通信用户采用平方根升余弦滚降滤波器对信号帧的信号脉冲成形；

7)多用户中的每个移动通信用户将基带信号上变频至载波上；

8)在上传链路的基站端，采用多天线对多用户中的每个移动通信用户信号进行同步、信道估计、均衡、解码等接收机信号处理。

上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不局限于上述实施例，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可作出各种修改或改型。