文摘

最近,结果表明,全双工(FD)系统基于正交频分复用(OFDM)无线传感器网络的潜力。然而,扩展FD进一步提高频谱效率,消除循环前缀(CP)与最优取消自干扰(SI)仍然是一个挑战。在本文中,我们分析研究传统的FD OFDM系统,在此基础上提出了CP-free系统。该方案的重点是一个单位的符号传播的两个相同的符号没有CP。消除码间干扰,干扰部分替换为重复信号接收器,CP一样的效果。最后,如果取消是恢复传播符号。作为一个关键的分析,一个多输入多输出(MIMO) FD模拟模型进行显示,我们的方案是有效性的误比特率(BER)。

1。介绍

先进的人工智能(AI),人工智能技术进一步结合物联网(物联网),出现一个技术,即人工智能物联网(AIoT)。在技术、能力,不断收集、精心设计的数据,需要与参与式感知集成(1]。应时地、互动和共享无线传感器网络(WSN)系统可以满足上述需求的最基本因素之一的技术(2]。

传感器网络的基本功能是感知小到大型网络中的数据通过传感器节点收集信息来处理任何应用程序。它也有一个广泛的不同的平台,对应于物联网的应用,结果的WSN将最好的传感器接口设备物联网环境(2]。然而,当前的传感器设备和无线通信技术不完整3),这使得传统的WSN难以实现的延迟和减少功耗要求下一代通信系统。全双工(FD)使之成为可能的改善上行/下行延迟在WSN没有额外的能源价格。FD能够同时发送和接收信号的载波频率,它可以有两倍频谱效率(SE)相比,传统的通信理论,已面临着缺乏广泛的连续光谱的优势低于6 GHz (4]。然而,在广泛FD正交频分复用(OFDM)系统中,循环前缀(CP),一个负责消除干扰,降低了SE (5]。通过文献,已经几次提高,和[5- - - - - -7)目标降低CP没有失真。然而,由于当地发射机信号接收机的强加,强自干扰(SI)也阻碍了SE (8),和所有的设计5- - - - - -7设法消除CP在FD系统。因此,我们的重点在本文设计CP-free FD系统限制SI的效果。

在本文中,我们提出一个CP-free OFDM FD多输入多输出(MIMO)系统。与传统的系统相比,该方案可以进一步提高频谱效率,而数字如果可以优化取消,使方案更加符合新一代通信的要求。此外,多路径信道对信号的影响也有所缓解。

2。传统的全双工OFDM模式

在本节中,基于OFDM的全双工MIMO通信系统图所示1离散傅里叶变换(DFT),射频(RF)和SI消除模块组成系统。不失一般性,我们考虑一个信号射频链来说明这个过程。插入CP在当地的基带信号发射机的基站(BS)可以写成 在哪里 的传播符号吗 th副载波与 副载波的总数 是CP的长度。


图1
全双工的OFDM收发机系统模型。

转换后的数字符号 时域信号 。然后, 可以upconverted到当地的射频传输信号与发射机振荡器通过混合,和射频信号 获得的是 在哪里 表示载波频率。

提供接收信号的模型之前,需要注意的是,RF信号 传播给用户,而基站的天线也收到当地的射频信号,这是一个强大的SI信号接收机的信号。因此,接收到的射频信号在实施SI BS由当地信号从发射机和signal-of-interest (SoI)的用户。然后,它可以给出 在哪里 是天线的数量, 如果通道之间的吗 th传输天线和 th接收天线, 表示卷积, 是多路径SoI频道, 用户是时域信号形式, 接收方循环对称复杂零均值和方差的高斯噪声(CSCG) 。

在续集中, 基带降频转换器,它被定义为

downconversion之后,为了恢复信号,执行删除CP和DFT的信号 ,我们可以得到方程 在哪里 如果通道的频率响应, 是发射机的数字符号从本地b,然后呢 从用户的符号。相应地, 是频域SoI通道。然后,方程(5)可以写成 在哪里 如果信号。自然,SoI信号可以恢复 在哪里 是数字频域SoI的象征。

3所示。CP-Free方案

3.1。系统模型

在本节中,如图2CP-free方案介绍,包括几个相同的符号。不失一般性,两个相同的符号被视为一个单位在这个图中,我们认为,在同一指数副载波传输,即。符号, 副载波传输重复两次。很明显,CP删除,导致增强的频谱效率。


图2
提出的结构单元有两个相同的符号。

在发射机,基带传输的信号单元可以写成

很明显, 是没有CP传输。

然后,传输信号转换成时域信号 通过数模转换器和upconverted当地射频信号的振荡器,是一样的常规方案,可以作为射频信号

在接收机,接收信号还包括SI所获得的信号 通过多路径通道直接和SoI信号形式的用户。然后,接收的时域信号载波频率,就会降频转换器 在哪里 是SoI信号。然后,通过模拟-数字转换器,模拟信号 转化为数字信号 。

正如我们所知,CP是旨在消除干扰引起的多路径通道,没有一个伟大的增加误码率(BER)可能发生。因此,为了消除多路径通道的影响,在该方案,如图3,信号 , 取而代之的是信号吗 , 。然后,信号可以获得


图3
插图的信号替换构建循环卷积的结构。

我们把SoI通道变成循环卷积结构添加CP的同样的效果(11)。后,进行 - - - - - -点DFT在 ,从而给出 在哪里 是 - - - - - -离散的点DFT SI频道, 如果数字符号从节点1 , 是 - - - - - -点的 th利用SoI频道, 是SoI象征 。很明显, - - - - - -点DFT的副载波索引符号。

随后,SoI信号可以恢复后取消SI和给出信号

应该注意,接收到的信号 包含符号在传播 副载波。因此,符号可以被执行2点恢复将采样 ,它是由

最后,SoI象征可以恢复通道方程当通道接收机是可用的。提出CP-free方案模型显示在这个页面顶部。

在以下内容中,我们专注于SI估计。根据(12),从接收到的信号是给定的矩阵 在哪里 是符号矩阵的SI数字信号从节点1, 是如果通道脉冲矢量, SoI向量, 是添加剂CSCG噪声向量, 是一个离散傅里叶变换矩阵。请注意, 是转置。

根据(9),加权线性如果可以给出信道估计值 在哪里 是重量矩阵用于最小化剩余SI的力量。然后,恢复获得SoI

当最优 ,剩余SI权力可以进一步降低。该方案的系统流图如图4。


图4
全双工CP-free方案的框图。
3.2。噪声功率

自 影响误码率,噪声处理的相关处理细节。

在(13), 信道噪声是零均值和方差的高斯向量 在DFT之后。噪音可以表示为

的均值 给药 在哪里 代表预期的操作。

然后,的方差 是由

由于信道噪声 遵循正态分布,根据,下列方程可以改写 当 (5),即

最后,得益于上面的属性,我们可以得出一个结论 满足复杂的高斯分布均值为0,方差 。

4所示。仿真结果

在本节中,我下的模拟结果。d复杂的正常噪音进行分析CP-free计划,方方面面。一个OFDM-modulated FD模拟通信系统 副载波在每个OFDM符号进行二进制相移键控(BPSK)数据,和载波频率 被设置为15 kHz。因此,样品时间 。其他参数设置如下:OFDM CP 和总传输天线 。适应模拟取消[提供的典型的衰减值10),如果通道Rician因素设置为30 dB和瑞利信道是power-delay的0,5,-10,-15,和-20分贝的延误第0、1日,2日,3日,几水龙头。

如图的误码率5在复杂的正常噪声和信噪比(信噪比)被定义为信噪比 ,在哪里 是声音的力量。上面的观察表明,拟议中的CP-free OFDM遭受一些退化相比传统的计划。以下的原因进行了总结。从(21),噪声增加的力量由于信号替换。更准确地说,声音变得与我相关。d,导致噪声方差的增加。


图5
方方面面的CP-free方案和经典的方案。

总之,该方案消除码间干扰,提高频谱效率而牺牲的误码率。

5。结论

在本文中,我们集中在CP消除基于OFDM在FD MIMO通信系统。小说CP-free方案设计,提高频谱效率。利用复制和替代符号构建的循环卷积结构传输信号接收器和渠道不受干扰,系统可以消除的影响多路径通道CP。所有的CP都删除,导致频谱效率的增加。蒙特卡罗模拟进行了展示与古典的比较工作数量和验证我们提出的方案的有效性。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这部分工作是在经济上支持武汉纺织大学的科研基金与格兰特数量20220321。