CN101217526A - 一种ofdm系统载波干扰噪声比测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种OFDM系统载波干扰噪声比测量方法，利用在H₁≈H₂子载波上进行分配的已知序列，包括：将接收到的频域序列Y均分成两组Y₁和Y₂，每组位于不同子载波上；根据σ²＝E[|(A－B)|²]/2计算干扰和噪声的功率，其中：A＝Y₁/X₁，B＝Y₂/X₂，X₁和X₂是与Y₁和Y₂对应的已知发送序列；根据

计算载波干扰噪声比CNR。这种方法利用了同一符号上频率的自相关性，有良好的CINR估计性能，能够较好的跟踪信道的变化，实时地反应信道的质量。

Description

一种OFDM系统载波干扰噪声比测量方法

技术领域

本发明涉及无线数字通讯，具体涉及一种正交频分复用接入(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)系统载波干扰噪声比(carrier-to-interference and noise ratio，CINR)测量方法。

背景技术

新一代无线通信系统需要较高的传输速率，OFDM技术应运而生。它将串行数据分成N个不同的并行数据流，如图1所示，在N个载波上并行传输，相互没有干扰，极大的提高了系统的传输速率，而且，每个子载波的数据流具有较低的比特速率，提高了传输的可靠性。

OFDM将经过编码调制后的数据作为频域信息，通过傅立叶逆变换(Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT)变换到时域，在信道上进行传输，而在接收端通过逆变换离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)FFT，得到经过信道后的原始调制数据。

在数据传输时，每个子载波上的总功率包含两部分，一部分时信号功率，另一部分是噪声加干扰的功率。载波干扰噪声比就是信号功率与干扰加噪声功率的比值。载波干扰噪声比CINR是反应信道质量的一个重要参数，精确估计出载波干扰噪声比是OFDM系统进行自适应调制编码和功率控制所必需的。

传统的CINR测量的基本公式为：

$\mathrm{CINR}=\frac{E\left({\left|H\left(k\right)X\left(k\right)\right|}^2\right)}{E\left({\left|\mathrm{NI}\left(k\right)\right|}^2\right)}=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|H\left(k\right)X\left(k\right)\right|}^2}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\mathrm{NI}\left(k\right)\right|}^2}$

其中k为任意符号的任意子载波，X(k)为该符号该子载波上的发送信号，H(k)为该符号该子载波上的信道响应，NI(k)为该符号该子载波上的干扰和噪声之和。N为参与统计的所有符号所有子载波之和，利用该式进行CINR的测量，必须获得精确的信道响应H估计值以及噪声的估计值，因此造成该测量方法相对复杂。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是如何提供一种OFDM系统载波干扰噪声比测量方法，能够利用OFDMA系统信号特点简化CINR测量，从而更好地跟踪信道的变化，实时地反应信道的质量。

本发明的上述技术问题这样解决，提供一种OFDM系统载波干扰噪声比测量方法，利用在信道响应一致或基本一致H₁＝H₂子载波上进行分配的已知序列，包括以下步骤：

1.1)将接收到的与所述已知序列对应的频域序列Y均分成两组Y₁和Y₂，每组位于不同子载波(对应H₁和H₂)上；

1.2)根据σ²＝E[|(A-B)|²]/2计算干扰和噪声的功率，其中：A＝Y₁/X₁，B＝Y₂/X₂，X₁和X₂是与Y₁和Y₂对应的已知发送序列；

1.3)根据 $\widehat{\mathrm{CINR}}=\frac{E\left({\left|Y\right|}^2\right)-{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}$ 计算载波干扰噪声比

按照本发明提供的测量方法，所述信道响应一致或基本一致H₁＝H₂子载波是连续子载波。

按照本发明提供的测量方法，所述信道响应一致或基本一致H₁≈H₂子载波是信道响应小于相干带宽的非连续子载波。

按照本发明提供的测量方法，所述OFDM系统是IEEE 802.16系统。

按照本发明提供的测量方法，所述已知序列是Ranging或Sounding序列。

按照本发明提供的测量方法，所述OFDM系统是所有使用OFDM调制方式的系统，如802.11等。

按照本发明提供的测量方法，所述步骤1.1)中均分包括但不限制于以下二种：

(一)按频域子载波序列Y序号的奇、偶分，奇序列是Y₁，偶序列是Y₂。

(二)按频域子载波序列所在的符号奇、偶分，奇数符号分为一组Y₁，偶数符号为另一组Y₂，Y₁和Y₂序列中相同序号的数据位于相同子载波上。

按照本发明提供的测量方法，该测量方法应用于下行干扰噪声比测量。

按照本发明提供的测量方法，该测量方法应用于上行干扰噪声比测量。

本发明提供的一种OFDM系统载波干扰噪声比测量方法，利用了同一符号上频率的自相关性，认为相邻子载波的信道响应相同，来计算CINR，在OFDM系统中，如果存在已知序列位于相邻的频域资源区域，这种方法均适用，进一步可以延伸，同一符号的两个子载波，如果它们的信道响应小于相干带宽，不局限于子载波必须是完全连续的情况，也可以使用本发明方法进行测量。本发明方法具有良好的CINR估计性能，能够较好的跟踪信道的变化，实时地反应信道的质量。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1为OFDM系统的频谱示意图；

图2为OFDM系统传输的基带的等效模型示意图；

图3为802.16的上行系统的传输原理及ranging所在的位置示意图；

图4为本发明CINR估计流程示意图；

图5为802.16中上行普通块tile的结构示意图。

具体实施方式

首先，说明本发明基础：

在OFDMA系统中，大多有一个连续的时频资源，其系统信号具备一定特点，例如：在电子电气工程师协会IEEE 802.16系统中的ranging以及探测sounding序列，其中：Ranging主要用于多用户上行接入初始化，带宽请求，跃区切换，周期性同步等；Sounding可以用作测距等。

第二步，说明本发明关键步骤：

步骤1：将接收到的频域序列分成两组，具体可以是：奇数分为一组，为Y₁；偶数分为一组，为Y₂。保证相同序号的Y₁和Y₂中的数是位于相邻子载波上的。(也可以是：第一个符号分为一组，为Y₁；第二个符号分为一组，为Y₂。保证Y₁和Y₂中的数位于相邻符号的同一子载波上)

步骤2：分别计算Y₁和Y₂的信道响应H₁和H₂，假设发送为S₁和S₂的话，则H₁＝Y₁/X₁，H₂＝Y₂/X₂。X₁和X₂为对应的发送的原始序列。

步骤3：认为H₁与H₂相等的情况下，计算平均的噪声干扰功率Power_NI。

步骤4：用接收到信号的总功率减去步骤4中得到的噪声干扰功率Power_NI，得到信号的功率Power_S。

步骤5：利用步骤3和步骤4分别得到的噪声干扰功率和以及信号功率，计算CINR。

第三步，结合具体实施例详细说明本发明：

OFDM系统中，发端经过IDFT把数据变换到时域，而收端经过DFT又把数据变换至频域，数据在不同频点的，相互正交的子载波上发送。因此，OFDM系统的传输模型可以等效为如图2所示的结构。

设X(k)为发射信号在频域内的表示，H(k)为信道在频域内的响应，N(k)表示加性白噪声，I(k)为干扰。k为子载波序号。X(k)，H(k)，I(k)和N(k)均为复数。这里合并干扰和噪声为NI(k)＝I(k)+N(k)。设接收的频域信号用Y(k)表示，则有

Y(k)＝X(k)·H(k)+NI(k)    (1)

以IEEE 802.16系统为例。Ranging在一个OFDM符号上，通常占用144个子载波。如图3所示，其中，ranging序列为x_k，…，x_k+143，这144个子载波会经过基于802.16e标准的通信系统的上行PUSC(partial usage ofsubchannels)的排列，顺序会被打乱，但是这种打乱PUSC区域的普通tile为单位(在802.16中的块tile结构如图5，其中导频占4个对角线，对于ranging来说，在频域上占用了32个这样的tile资源，符号域上不受PUSC必须是3的倍数的限制)，对于每4个子载波，它们先后顺序不变。本发明的意图，就是在基站已经匹配出ranging后，即ranging码为已知的情况下，利用ranging码进行上行的CINR测量。

IEEE 802.16系统中，ranging通常可以占用多个个符号。进行CINR测量时，样本点越多，测量的精度就越大，因此就要尽可能地使用每个用户所有的ranging资源。

利用IEEE 802.16系统中的ranging进行CINR测量的方法，具体如下。

将所测量用户发送的所有ranging序列按照子载波的顺序排成一列(此处认为ranging已经经过匹配，为已知；而且排列permutation不改变相邻ranging两个子载波的先后顺序，permutation的影响忽略不计)。假设其序号为1，2，...N。

将接收到的所有的奇数序号的数据提出为一组，组称序列Y₁，偶数序列的数据提出组成序列Y₂。相同序号的Y₁，Y₂对应的数据在帧中是位于同一符号，相邻子载波上的。通理，得到已知发送序列X₁和X₂。

计算干扰和噪声的功率，方法如下：

设A＝Y₁/X₁＝H₁+NI₁/X₁＝H₁+NI₁′

B＝Y₂/X₂＝H₂+NI₂/X₂＝H₂+NI₂′

则：

E[|(A-B)|²]＝E[(A-B)·(A-B)^*]    (2)

＝E[(H₁-H₂)·(H₁-H₂)^*]+2^*E[real((H₁-H₂)·(NI₁′-NI₂′)^*)]+2σ²

在此认为：发送信号，噪声，干扰，信道响应之间是独立不相关的。噪声和干扰的均值为0，σ²表示噪声和干扰总的功率即方差。假设相邻子载波信道频域信道响应完全相关，即H₁＝H₂，又有abs(X)＝1，则(2)式等于2σ²，记做：

E[|(A-B)|²]＝2σ²    (3)

其中A＝Y₁/X₁，B＝Y₂/X₂。

则噪声和干扰的功率为：

σ²＝E[|(A-B)|²]/2    (4)

计算信号功率。

由于噪声，干扰，发送信号，以及信道响应之间是完全不相关的，因此信号功率为接收信号的总功率减去步骤3中计算出来的噪声功率。即

$\mathrm{Power}\_S=\mathrm{Power}\_Y-{\mathrm{\σ}}^2=E\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|Y\left(k\right)\right|}^2\right)-{\mathrm{\σ}}^2$

5.计算CINR。利用(3)和(4)的结果

$\widehat{\mathrm{CINR}}=\frac{E\left({\left|Y\left(k\right)\right|}^2\right)-{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}$

$=\frac{\left(\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|Y\left(k\right)\right|}^2\right)/K-\left(\underset{m=1}{\overset{K/2}{\mathrm{\Σ}}}{|Y_1\left(k\right)\·X_1\left(k\right)-Y_2\left(k\right)\·X_2\left(k\right)|}^2\right)/2/(K/2)}{\left(\underset{m=1}{\overset{K/2}{\mathrm{\Σ}}}{|Y_1\left(k\right)\·X_1\left(k\right)-Y_2\left(k\right)\·X_2\left(k\right)|}^2\right)/2/(K/2)}$

$=\frac{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|Y\left(k\right)\right|}^2-\underset{m=1}{\overset{K/2}{\mathrm{\Σ}}}{|Y_1\left(k\right)\·X_1\left(k\right)-Y_2\left(k\right)\·X_2\left(k\right)|}^2}{\underset{m=1}{\overset{K/2}{\mathrm{\Σ}}}{|Y_1\left(k\right)\·X_1\left(k\right)-Y_2\left(k\right)\·X_2\left(k\right)|}^2}$

另外，在IEEE 802.16系统中，上行同时可用sounding序列来进行CINR的测量，具体实现方法与ranging相同。

同时，本发明所提及的CINR 量方法，并不局限于IEEE 802.16系统中，在任意OFMD系统，无论是上行还是下行，只要存在有连续的子载波，它们在频域上的信道响应可以认为是完全相关的，则就可以用本发明提出的测量方法进行CINR的测量。

进一步，本发明提及的CINR测量方法，也并不局限于子载波必须是完全连续的情况，它可以延伸使用。同一符号的两个子载波，如果它们的信道响应小于相干带宽，也可以使用本文中提到的CINR方法进行测量。它也属于本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种OFDM系统载波干扰噪声比测量方法，其特征在于，利用在信道响应一致或基本一致H₁≈H₂子载波上进行分配的已知序列，包括以下步骤：

1.1)将接收到的与所述已知序列对应的频域序列Y均分成两组Y₁和Y₂，每组位于不同子载波上；

1.2)根据σ²＝E[|(A-B)|²]/2计算干扰和噪声的功率，其中：A＝Y₁/X₁，B＝Y₂/X₂，X₁和X₂是与Y₁和Y₂对应的已知发送序列；

1.3)根据 $\widehat{\mathrm{CINR}}=\frac{E\left({\left|Y\right|}^2\right)-{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}$ 计算载波干扰噪声比

。

2.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，所述信道响应一致或基本一致H₁≈H₂子载波是连续子载波。

3.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，所述信道响应一致或基本一致H₁≈H₂子载波是信道响应小于相干带宽的非连续子载波。

4.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，所述OFDM系统是IEEE 802.16系统。

5.根据权利要求4所述测量方法，其特征在于，所述已知序列是Ranging或Sounding序列。

6.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，所述OFDM系统是IEEE 802.11系统。

7.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，所述步骤1.1)中均分是按子载波序列序号的奇、偶分，奇序列是Y₁，偶序列是Y₂。

8.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，所述步骤1.1)中均分是按序列所在符号的奇、偶分，奇数符号是一组Y₁，偶数符号是另一组Y₂，Y₁和Y₂序列中相同序号的数据位于相同子载波上。

9.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，该测量方法应用于下行干扰噪声比测量。

10.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于，该测量方法应用于上行干扰噪声比测量。

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