CN101355546B

CN101355546B - 基于自适应调制的ofdm系统ici自消除方法

Info

Publication number: CN101355546B
Application number: CN2008102225447A
Authority: CN
Inventors: 李旭; 石靖; 申宏刚
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: CN101355546A

Abstract

本发明公开了属于采用OFDM技术的无线移动通信技术领域的一种基于自适应调制的OFDM系统ICI自消除方法。技术方案是，该方法包括下列顺序执行的步骤：可变比特速率的自适应调制、ICI消除OFDM调制、并串变换、串并变换、ICI消除OFDM解调和可变比特速率的自适应解调，其中，ICI消除OFDM调制步骤又包括ICI消除调制和OFDM调制两个步骤，ICI消除OFDM解调步骤包括ICI消除解调和OFDM解调两个步骤。基于自适应调制的OFDM系统ICI自消除方法进一步提高采用OFDM技术的无线移动通信系统的传输速率和通信可靠性。

Description

基于自适应调制的OFDM系统ICI自消除方法

技术领域

本发明涉及采用OFDM技术的无线移动通信技术领域，尤其是一种基于自适应调制的OFDM系统ICI自消除方法。

背景技术

OFDM(正交频分复用)技术的主要思想是在频域内将所给信道分成许多的正交子信道，在每个子信道上用一个子载波进行调制。并且各子载波并行传输。这种并行传输技术可以将高速数据流分配到若干子载波上低速传播，使得每个子载波上的传输数据占用时间拉长，从而提高了对多径信道ISI的抵抗能力。与传统的单载波传输技术相比，OFDM具有较高的频谱利用率，并且可根据信道条件进行自适应的比特和功率分配，以充分利用信道容量。正是由于其具有频带利用率高，并且能够有效地减少和克服码间串扰带来的影响，从而克服无线信道由于多径而带来的频率选择性问题，在无线频谱资源日益紧张的今天，OFDM具有很大的吸引力，现已广泛应用在有线与无线通信系统中，成为新一代无线传输的候选方案。在一个OFDM符号期间信道近似不变的情况下，采用足够长的循环前缀可使ISI(码间干扰)为零、ICI(子载波间干扰)为零或很小，接收机可采用频域单抽头均衡器来补偿信道失真。但是，在高速移动环境下，尤其是信道在一个OFDM符号期间内表现为明显的时间选择性衰落时，产生的ICI将严重影响系统性能，需要对ICI进行抑制均衡。

ICI自消除法是在发送端将一个数据(数据a是复数)对(a，—a)调制到两个相邻的子载波(1，1+1)上，这样由子载波1产生的ICI信号将会被由子载波1+1产生的ICI信号所低偿。这就是ICI消除的核心思想。在接收端，由于相邻两个子载波上传输的是同样的数据，只是符号不同，因此对相邻两个子载波上的信号进行一正一反相叠加的联合接收，在接收端进行ICI消除解调能进一步从接收信号中减小剩余的ICI。这种联合ICI消除调制和解调的方法就称为ICI自消除法。

对于无线移动通信，信道的状况总是在变化，因此通信系统的性能也在随之处于波动。而基于自适应调制的无线移动通信系统可以保证通信系统的可靠性，在信道状况差的条件下也不至于低于事先要求的门限。自适应调制的核心思想就是根据接收机对当前时隙的信道质量估计，推测下一个传输时隙的信道质量，并根据瞬时信道质量情况为下一个时隙的传输选择满足一定系统性能最合适的调制方式。调制方式的转换准则是，使系统在保持一定的目标误比特率(BER)的条件下，获得较高的每码元比特数(BPS)性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够支持高频谱利用率和消除符号间干扰，并能够降低子载波间干扰，进一步保证采用OFDM技术的无线通信系统可靠性的方法。

本发明的技术方案是：一种基于自适应调制的OFDM系统ICI自消除方法，其特征是所述方法包括下列顺序执行的步骤：

步骤1：可变比特速率的自适应调制；

步骤2：ICI消除OFDM调制；

步骤3：并串变换；

步骤4：串并变换；

步骤5：ICI消除OFDM解调；

步骤6：可变比特速率的自适应解调。

所述步骤1的具体内容包括：根据不同的选择信号，采用不同星座映射方式实现可变比特速率的自适应调制；实现可变比特速率的自适应调制的每一路径方式类似，只是最后的星座映射采取的制式不同；在使能信号选择好之后，调制的过程是首先采用速率适配的卷积码的编码方式，数据流通过一个末尾为0的卷积编码器，该卷积编码器状态为poly2trellis(7，[171 133])，约束长度为7，编码率为1/2；接着在卷积编码后加入穿孔技术；然后采用矩阵交织和块交织技术；最后是进行相应的星座映射。

步骤2的具体内容包括：ICI消除调制和OFDM调制；

其中，ICI消除调制的实现是通过将同一数据分别以一正一负调制到两个相邻的子载波上，利用载波间干扰的相互抵消来消除ICI影响；

OFDM调制过程包括训练序列的产生、子载波构成信道的分配、IFFT变换、循环前缀CP的加入以及数据流成帧。

所述步骤3的具体内容包括：对成帧的数据流进行并串变换并发送。

所述步骤4的具体内容包括：在接收端将数据进行串并变换，然后在缓冲器中成帧接收。

所述步骤5的具体内容包括：ICI消除解调和OFDM解调；

其中，ICI消除解调的实现是通过在接收端将相邻两个子载波上的数据以一正一反叠加到一起，使传输相同的信号联合接受；

OFDM调制过程包括去除循环前缀、FFT变换、去除导频和训练序列，恢复成单载波信号。

所述步骤6的具体内容包括：根据不同的选择信号，采用不同星座映射解调方式实现可变比特速率的自适应解调；实现可变比特速率的自适应解调的每一路径方式类似，只是最后的解调星座映射采取的制式不同；在使能信号确定好之后，解调的过程是首先进行相应的星座映射解调，接着采用块解交织和矩阵解交织，然后进行维特比译码转换成发送端的原始数据；其中，解交织模块参数和步骤1中的交织模块参数设置一致，维特比译码器的状态和步骤1中卷积编码器的状态设置一致。

本发明的效果是：采用这种基于自适应调制的OFDM系统ICI自消除方法，当信道状况较好时，采用的是较高的每码元比特数的星座映射，在保证通信可靠性的前提下提高传输速率。而当信道状况较差时，采用的是较少的每码元比特数的星座映射，此时能保证通信的可靠性。相对于传统的仅采用ICI自消除方式，基于自适应调制的OFDM系统ICI自消除方法不仅能保证通信的实时性，而且在保证通信的可靠性方面表现出了更好的性能。

附图说明

图1是基于自适应调制的OFDM系统ICI自消除方法流程图；

图2是自适应调制流程图；

图3是QPSK-3/4调制流程图；

图4是ICI自消除调制流程图；

图5是OFDM符号成形流程图。

具体实施方式

本发明所需要的硬件支持是通信节点需配备有相同的通信频段的无线收发设备。如图1所示，本方明所述的方法由可变比特速率的自适应调制101、ICI消除OFDM调制102、并串变换103、串并变换104、ICI消除OFDM解调105和可变比特速率的自适应解调106顺序执行的6个步骤组成，在执行步骤时，要加入选择好的使能信号108。

步骤1：可变比特速率的自适应调制步骤101。

根据不同的使能信号，采用不同星座映射方式实现可变比特速率的自适应调制，实现可变比特速率的自适应调制的每一路径方式类似，只是最后的星座映射采取的制式不同。在使能信号选择好之后，调制的过程是首先采用速率适配的卷积码的编码方式，数据流通过一个末尾为0的卷积编码器，该卷积编码器状态为poly2trellis(7，[171 133])，约束长度为7，编码率为1/2；接着为了达到不同的编码效率，将在卷积编码后加入穿孔技术；然后采用矩阵交织和块交织技术，以实现时间分集，对抗深衰落；最后是进行相应的星座映射。需要注意的是，由于每种调制最后所需要的编码效率不同，因此各自加入的穿孔模块参数设置不同。另外，数据比特在经过交织处理后串行进入星座映射器。可以支持BPSK、格雷映射的QPSK、16-QAM和64-QAM，星座被多个星座点通过指示因子k归一化，以实现相同的平均功率。调制流程如图2所示。

图2中，首先对进入的数据流在控制信号的选择下进入相应的一种调制方式。经过数据调制后输出。

图3是QPSK-3/4的调制过程。首先采用速率适配的卷积码的编码方式，数据流301加入选择的使能信号302后，通过一个末尾为0的卷积编码器303，该卷积编码器303状态为poly2trellis(7，[171 133])，约束长度为7，编码率为1/2。对于一个有720个比特的数据块来说，经过卷积编码变为1440比特。为了达到3/4的编码效率，将在卷积编码后加入穿孔技术，穿孔调速304的向量表示为[1 1 1 0 0 1]＇。之后，数据流为1440×2/3＝960个比特。接着采用矩阵交织305和块状交织306，以对抗突发错误。本条链路采用格雷映射的QPSK，通过QAM调速307，星座被多个星座点通过指示因子k归一化。经过QPSK星座映射后的数据流308为960/2＝480比特。

其它不同速率的调制过程类似，只是最后的星座映射采取的制式不同，支持BPSK、格雷映射的QPSK、16-QAM和64-QAM。

步骤2：ICI消除OFDM调制102。

在进行ICI消除调制之后再进行OFDM符号成形调制。其中，ICI消除调制的实现是通过将同一数据分别以一正一负调制到两个相邻的子载波上，利用载波间干扰的相互抵消来消除ICI影响，如图4所示。图4中，对于并行的24路数据进行ICI消除调制，将每一路信号分别调制到两个相邻子载波上，最后成为48路数据信号，送出给OFDM符号成形步骤。

OFDM调制过程包括训练序列的产生、子载波构成信道的分配、IFFT变换、循环前缀CP的加入以及数据流成帧。训练序列和导频用于接收端对信道的正确估计，53(52+1)个子信道加上保护频带共构成64个子信道，进行64点的IFFT运算，实际系统中还可以对信道分配进行优化，拓展至更多点数的IFFT，循环前缀的加入用于保证这些子载波之间的正交性，消除时延扩展带来的ISI，CP的长度可以是1/4、1/8、1/16、1/32，以对抗不同的传播环境影响，如图5所示。

图5中，对于经过ICI自消除调制的48路并行数据首先进行插入导频，导频图案的设计是规定好的，首先将并行数据分路{1:6，7:18，19:24，25:30，31:42，43:48}，然后在分开的5处插入四路导频和一个直流信号。四路导频是认为设定的PN序列，由MATLAB产生；一个直流信号就是全0的信号，由MATLAB产生。原来是48路，插入5路后就是53路。插入的方式就是在设置好的分段数据间插入，在{1:6，7:18，19:24，25:30，31:42，43:48}之间(共有5个间隔)插入，比如第一路导频就是插在1:6，7:18之间成为第7路，相应的7:18数据就成为8:19，接着再插入第二路导频，接着第三个间隔插入直流信号，然后是第三路导频，第四路导频。将数据组合好之后，进行训练序列的加入。训练序列是数据辅助信号，直接加到组合好的OFDM符号后。比如：组合好的OFDM符号是53行×20列，训练序列是53行×4列，加入后就是53行×24列。做好了数据辅助工作之后进行补零至64点进行IFFT运算，也就是OFDM调制，这是因为进行补零前的数据格式是53点的(53行×24列)，而IFFT运算只能做固定点数的运算(如64点、128点、256点等等)，所以要进行补零才能进行IFFT运算，运算结果仍是64点(64行×24列)的数据。最后加入长度为1/4的CP即可。加入长度为1/4的CP前的数据是64点(64行×24列)的数据，加入之后变为80点(80行×24列)的数据。

步骤3：并串变换103。

对成帧的数据流转进行并串变换，进行发送。所需要用的是一个数据格式转换模块，将原来的并行数据转换为列向量输出。数据格式转换模块是将原来并行(80行×24列)的数据转换为串行(1920行×1列)的数据输出，由MATLAB产生。

步骤4：串并变换104。

在接收端将数据进行串并变换，然后在缓冲器中成帧接收。所需要用的是一个数据格式转换模块，将接收的串行数据转换为合适的并行数据。数据格式转换模块针对上一步骤进行相反的变换，将并行(1920行×1列)的数据转换为串行(80行×24列)的数据。

步骤5：ICI消除OFDM解调105。

ICI消除OFDM解调和ICI消除OFDM调制是一个逆过程。首先进行ICI消除解调再进行OFDM解调。其中，ICI消除解调的实现是通过在接收端将相邻两个子载波上的数据以一正一反叠加到一起，使传输相同的信号联合接受。

OFDM调制过程包括去除循环前缀、FFT变换、去除导频和训练序列，恢复成单载波信号。去除循环前缀，就是将(80行×24列)的数据转换为(64行×24列)的数据。FFT变换，即调制过程中用了IFFT变换，这里要想解调正确，必须进行IFFT的反规则变换FFT，然后去掉发端插入的零，数据格式由(64行×24列)的数据变为(53行×24列)的数据。去除导频和训练序列，是因为经过FFT变换后的数据是含有训练序列和导频的，都要去除，首先去除训练序列，就是将(53行×24列)的数据变换为(53行×20列)的数据；接着去除导频，就是去除在发端位置添加的导频。还要把直流信号也去除，数据格式由(53行×20列)变为(48行×20列)的格式，恢复成单载波信号。这里要注意数据信号的选择和数据辅助信号的去除要和发送过程相符，否则会出现接收错误。

步骤6：可变比特速率的自适应解调106。

可变比特速率的自适应解调和可变比特速率的自适应调制是一个逆过程。根据不同的选择信号，采用不同星座映射解调方式实现可变比特速率的自适应解调，实现可变比特速率的自适应解调的每一路径方式类似，只是最后的解调星座映射采取的制式不同。

在经过使能信号确定好之后，解调的过程是首先进行相应的星座映射解调，就是对发端进行的数据调制进行解调(如发端采用BPSK调制，则此时也采用BPSK解调)。

接着进行块解交织和矩阵解交织，就是对发送端的交织编码进行解码。要注意的是解交织模块参数和交织模块参数设置一致。

然后进行维特比译码转换成发送端的原始数据。维特比译码是对发送端卷积编码的解码，和卷积编码器设置的状态相同。

按照上述步骤6的内容，骤1中QPSK-3/4的调制后的解调过程是：采用解调格雷映射的QPSK，经过QPSK解调后的数据流为480*2＝960比特。接着进行解交织，恢复原始的数据排列，数据格式及大小不变。接着进行解穿孔，解调3/4的编码效率，向量设置为[1 1 1 0 0 1]＇，数据流变为960*3/2＝1440个比特。然后进行维特比译码，译码器状态设置为poly2trellis(7，[171 133])，约束长度为7，解码率为1/2。经过维特比译码变为720个比特。

可变比特速率的自适应解调后，解调结果将用于误比特率计算，而本流程将执行结束107步骤。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于自适应调制的OFDM系统ICI自消除方法，其特征是所述方法包括下列顺序执行的步骤：

步骤1：可变比特速率的自适应调制；

根据不同的选择信号，采用不同星座映射方式实现可变比特速率的自适应调制；除最后的星座映射采取的制式不同外，实现可变比特速率的自适应调制的每一路径方式相同；

步骤2：ICI消除和OFDM调制；

其中，ICI消除的实现是通过将同一数据分别以一正一负调制到两个相邻的子载波上，利用载波间干扰的相互抵消来消除ICI影响；

OFDM调制过程包括训练序列的产生、子载波构成信道的分配、IFFT变换、循环前缀CP的加入以及数据流成帧；

步骤3：并串变换；

对成帧的数据流进行并串变换并发送；

步骤4：串并变换；

在接收端将数据进行串并变换，然后在缓冲器中成帧接收；

步骤5：ICI消除和OFDM解调；

其中，ICI消除的实现是通过在接收端将相邻两个子载波上的数据以一正一反叠加到一起，使传输相同的信号联合接受；

OFDM解调过程包括去除循环前缀、FFT变换、去除导频和训练序列，恢复成单载波信号；

步骤6：可变比特速率的自适应解调；根据不同的选择信号，采用不同星座映射解调方式实现可变比特速率的自适应解调；除最后的解调星座映射采取的制式不同外，实现可变比特速率的自适应解调的每一路径方式相同。

2.根据权利要求1所述的基于自适应调制的OFDM系统ICI自消除方法，其特征是所述自适应调制的过程是，在使能信号选择好之后，首先采用速率适配的卷积码的编码方式，数据流通过一个末尾为0的卷积编码器，该卷积编码器状态为poly2trellis(7，[171 133])，约束长度为7，编码率为1/2；接着在卷积编码后加入穿孔技术；然后采用矩阵交织和块交织技术；最后是进行相应的星座映射。

3.根据权利要求2所述的基于自适应调制的OFDM系统ICI自消除方法，其特征是所述自适应解调的过程是，在使能信号确定好之后，首先进行相应的星座映射解调，接着采用块解交织和矩阵解交织，然后进行维特比译码转换成发送端的原始数据；其中，块解交织和矩阵解交织参数和权利要求2中的块交织和矩阵交织参数设置一致，维特比译码器的状态和权利要求2中卷积编码器的状态设置一致。