一种基于格基规约的FBMC-OQAM模分复用系统的解复用算法

摘要

本发明公开了一种基于格基规约的FBMC‑OQAM模分复用系统的解复用算法，属于通信技术领域，该算法首先对最小二乘(LS)估计得到的非正交信道矩阵H进行规约处理，得到一个准正交矩阵和一个幺模矩阵T，然后利用准正交矩阵对接收信号进行均衡得到最后将进行量化判决后左乘幺模矩阵T，实现与之间的转换，得到发送信号的估计值。即通过格基规约将非正交信道矩阵的均衡问题转化为准正交矩阵的信号处理问题，从而解决了MDL引起的信道矩阵正交性劣化问题，其具有计算复杂度低、误码性能优的特点，具有较好的解复用效果，提升了均衡算法的损伤补偿性能。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于格基规约的FBMC-OQAM模分复用系统的解复用算法。

背景技术

随着信息化社会的飞速发展，全球数据流量每年以超过50％的速度爆发式增长，传统的单模光纤通信系统容量已逐渐接近非线性香农极限。作为可突破单模光纤容量瓶颈的一种新型扩容技术，基于少模光纤(FMF)的模分复用(MDM)技术应运而生。模分复用技术通过利用少模光纤中的正交模式进行独立传输实现成倍的扩容传输。在MDM系统中，存在模式耦合(MC)、差分模式群时延(DMGD)、模式相关损耗(MDL)等特有损伤，严重影响系统性能，通常采用基于多输入多输出(MIMO)的均衡技术解决这些损伤所导致的系统性能劣化问题，主要有基于信道估计和线性检测算法(ZF、MMSE)的MIMO均衡技术、基于自适应滤波算法(LMS、RLS、CMA、MMA)的MIMO均衡技术和基于盲源分离(如ICA)的MIMO均衡技术，这些方法在MDL可以忽略情况下效果良好。然而，对于实际的MDM系统，由于光纤、光纤放大器和光无源器件对不同模式的增益或衰减是不同的，MDL的存在不可避免，特别是长距离大容量MDM系统中，MDL较大，导致系统信道矩阵的正交性劣化严重，此时，传统的MIMO均衡算法不再适用。

另外，为补偿DMGD损伤，抵抗符号间干扰(ISI)，许多人对MDM系统发送端信号采用OFDM调制。但由于OFDM引入的循环前缀(CP)会破坏信号间的正交性，使得信道间相互干扰，正交性破坏导致的微小的偏移会严重影响系统的性能；并且CP的引入增加了系统冗余，使系统在频谱效率方面的表现大打折扣，OFDM系统还会造成严重的带外频谱泄露。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于格基规约的FBMC-OQAM模分复用系统的解复用算法，本发明的FBMC-OQAM模分复用系统可以消除循环前缀，提高频谱利用率，且不需要严格的时频同步，比传统的OFDM更具竞争力；本发明的基于格基规约的线性均衡算法对MDL造成的损伤进行了有效补偿，具有较好的解复用效果。

本发明的基于格基规约的FBMC-OQAM模分复用系统的解复用算法的基本原理是：格基规约算法首先对最小二乘(LS)估计得到的非正交信道矩阵H进行规约处理，得到一个准正交矩阵

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于格基规约的FBMC-OQAM模分复用系统的解复用算法，具体步骤如下：

步骤一：通过对信道矩阵进行扩展和右乘单位循环矩阵，将非列满秩的D×D(Q+1)的高阶信道矩阵H转换为可进行格基约减处理的低阶满秩矩阵H

具体步骤如下：

(1)、根据差分模式群时延(DMGD)计算Q值大小，Q＝τ

(2)、根据模式数量D和扩展长度L，分别构建一个DL阶单位矩阵I

其中，L＝Q/δ，δ的取值与信号传输速率、调制格式和矩阵变换复杂度有关，通常情况下取δ为0.161；

(3)、将扩展后的信道矩阵H右乘U

(4)、将L阶傅里叶变换矩阵与D阶单位矩阵进行克罗内克乘积运算，得到块傅里叶变换矩阵F

(5)、将步骤(3)中得到的列满秩矩阵He左乘块傅里叶变换矩阵F

(6)、对块对角矩阵H

步骤二：对得到的D×D的H

具体步骤如下：

(7)、对接收信号

(8)、对得到的D×D的k个低阶满秩矩阵H

(9)、以矩阵条件数作为衡量系统MDL的标准，MDM系统中使用ZF算法进行信道均衡，保证符合通信标准的情况下(即误码率小于10

此式代表矩阵H的最大奇异值与最小奇异值的比值，该比值为矩阵条件数，也是MDL的大小；

(10)、对矩阵

(11)、得到格基约减后矩阵

步骤三：由于格基算法是在连续整数域上进行的，因此将均衡后的等效矢量

步骤四：将步骤三中的输出信号进行反平移缩放，恢复出源信号

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明的FBMC-OQAM模分复用系统可以消除循环前缀，提高频谱利用率，且不需要严格的时频同步，比传统的OFDM更具竞争力；在系统容量方面，FBMC系统明显优于OFDM系统；在误码率性能方面，FBMC系统也优于OFDM系统；

本发明提出的基于格基规约的解复用算法应用于MDM系统接收端进行数字信号处理，采用格基算法对信道矩阵进行准正交化，对MDL造成的损伤进行了有效补偿，其具有计算复杂度低、误码性能优的特点，具有较好的解复用效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为基于少模光纤的6×6FBMC-OQAM模分复用系统结构图；

图中：信号发射模块1、模式复用器2、少模光纤传输链路3、模式解复用器4、相干接收模块5、数字信号处理模块6；

图2为FBMC导频结构图；

图3为采用FBMC-OQAM调制的MDM系统与传统的采用OFDM调制的MDM系统的系统容量对比图；

图4为采用FBMC-OQAM调制的MDM系统与传统的采用OFDM调制的MDM系统的误码率性能对比图；

图5为不同MDL值下CLLL-ZF算法与ZF算法误码率性能对比图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

如图1所示，本发明采用的一种基于格基规约的FBMC-OQAM模分复用系统，采用矩阵传输模型，包括信号发射模块1、模式复用器2、少模光纤传输链路3、模式解复用器4、相干接收模块5及数字信号处理模块6；本系统将三模光纤的基模01模(LP01)，高阶模11模的两个简并模(LP11a与LP11b)及其对应的x、y方向的偏振模(LP01x,LP01y,LP11ax,LP11ay,LP11bx和LP11by)分别作为独立信道传输数据。在数据接收端，通过模分解复用器与偏振解复用器将混合的信号进行分离，并加入高斯白噪声以设定系统的光信噪比(OSNR)，再通过相干接收器将光信号转化为电信号。最后通过数字信号处理(DSP)模块对接收的信号进行解复用，恢复出源信号。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

对基于少模光纤的6×6FBMC-OQAM模分复用系统对本发明提出的解复用算法的有效性进行检测。图1展示了本发明所采用的少模光纤的6×6模分复用系统示意图。其中包含：6个数据发送模块1、模式复用器2、少模光纤传输链路模块(80km少模光纤，掺饵光纤放大器(EDFA)、扰模器(MS))3、模式解复用器4/6个相干接收机5和离线数据处理模块6。

图1中的6个数据发送模块调制生成6路FBMC-OQAM光信号，分别加载到6个不同模式(LP

第一步：为预处理步骤，为了得到涵盖信道矩阵H所有元素的列满秩矩阵，需要对信道矩阵进行扩展，解决差分模式群时延导致信道矩阵非列满秩问题，通过信道矩阵扩展和右乘单位循环矩阵，将非列满秩的高阶信道矩阵H转换为可以进行格基约减处理的6×6的低阶满秩矩阵H

(1)、首先根据差分模式群时延(DMGD)计算光纤中总差分模式群时延τ

(2)、确定扩展长度L近似为2048，构建一个6×2048阶单位矩阵I

(3)、将扩展后的信道矩阵H右乘U

(4)、将4096阶傅里叶变换矩阵与6阶单位矩阵进行克罗内克乘积运算，得到块傅里叶变换矩阵F

(5)、将步骤(3)中得到的块循环矩阵He左乘块傅里叶变换矩阵，右乘块反傅里叶变换矩阵，最终得到一个块对角的等效矩阵H

其中

(6)、对得到的H

第二步：对得到的6×6的H

(7)、对接收信号x(t)＝[x

(8)、对得到的信道矩阵H

(9)、确定信噪比为18dB时，MDL小于7dB时现有ZF算法可以达到通信要求，因此确定规约条件为：MDL≤7dB；

(10)、对矩阵

(11)、得到格基约减后矩阵

(12)、由于格基算法是在连续整数域上进行的，因此将均衡后的等效矢量

(13)、将步骤三中的输出信号进行反平移缩放，恢复出源信号

在接收端进行离线信号处理，采用如图2所示的导频结构进行信道估计。

将采用FBMC-OQAM调制的MDM系统与传统的采用OFDM调制的MDM系统进行对比，如图3所示，图3给出了不同OSNR值下两个系统的容量对比，由图可见，随着OSNR的增大，本发明提出的FBMC系统容量比传统OFDM系统容量增大得更为明显。

在接收端采用ZF线性均衡算法，对比两种系统的误码率性能如图4所示，OFDM系统要达到10

图5为在G

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。