CN101895485A - 一种多用户和白噪声干扰抑制ifdma系统接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户和白噪声干扰抑制IFDMA系统接收方法，由于频偏会带来用户间的干扰，而用户间的干扰会严重的影响IFDMA系统的性能。由中心极限定理可以知道，当用户数足够大的时候，由频偏带来的多用户干扰是满足高斯分布的。因此本发明在最小均方误差准则下，采用联合多用户和白噪声干扰进行抑制检测，能够有效的改善传统IFDMA系统接收机的性能。明显提高了IFDMA接收机的误码率性能，并且保持传统IFDMA系统的低峰均比特性。

Description

一种多用户和白噪声干扰抑制IFDMA系统接收方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及采用联合多用户和白噪声干扰抑制检测的考虑载波频率偏移的交织频分多址系统。

背景技术

为了应对宽带接入技术的挑战，同时满足新型业务需求，国际标准化组织3GPP在2004年底启动了其长期演进(LTE)技术的标准化工作。SC-FDMA(Single-Carrier FrequencyDivision Multiple Access)全称单载波频分多址技术联合了传统的频分多址技术和单载波传输方案，具有动态的带宽分配功能，已经成为了3GPP LTE物理层上行传输方案。详细内容见Hyung G.Myung，Junsung Lim，Dvid J.G.“Single Carrier FDMA for Uplink WirelessTransmission”，IEEE Vehicular Technology Magazine.Page(s)：30-38Sep 2006

相比于OFDMA(Orthogonal Frequency Division Access)正交频分多址技术，OFDMA具有很高的峰均比，导致了很低的功放效率。然而，基于等间隔子载波映射的交织频分复用多址即IFDMA(Interleaved-FDMA)系统发射机实现简单，发送信号具有较低的峰均比。通过在每帧前插入循环前缀，并在接收机简单的采用线性频域均衡技术，能够有效的抑制无线信道的多径效应导致了IFDMA信号之间的码间干扰，并且能够达到与OFDMA相近的性能。但是相比OFDMA，IFDMA具有更低的峰均比。

然而在传统的IFDMA系统中，由于发射机和接收机之间的载波频率偏移会破坏子载波间的正交性，从而导致本用户的载波间干扰以及用户间干扰。尤其是在基于子载波均匀的IFDMA系统中，IFDMA分配给每个用户的子载波是等间隔交织分布在整个频带内的，因此这种载波分配方式更容易引起用户间干扰。与单用户的IFDMA系统中的用户内的载波间干扰消除不同的，多用户间干扰不能够在信号做快速傅里叶变换之前通过乘上一个被估计频偏的复指数信号来消除掉。因为不同用户具有不同的频偏，对一个用户做频率补偿并不能够消除其他用户的频偏。因此残留的多用户间干扰仍存在并且会降低系统的性能。并且传统的IFDMA接收机进行信号检测的时候并没有考虑到频偏所带来的多用户的干扰，而是仅仅考虑到了白噪声所带来干扰。因此传统的IFDMA系统接收机进行信号检测时不能得到的理想的系统性能。

发明内容

针对传统的IFDMA系统接收机进行信号检测对系统性能提升所带来的影响，考虑到上述提及的因素，我们提出了一种多用户和白噪声干扰抑制IFDMA系统接收方法，它采用同时基于多用户和白噪声干扰抑制的最小均方误差频域均衡检测技术。传统的最小均方误差均检测的IFDMA系统框图如图1所示。传统的线性均衡只是仅仅考虑到噪声所带来的干扰进行消除，本发明提出的方法能够同时实现到对多用户和白噪声带来的干扰进行抑制消除。

在阐述本发明方法之前，首先介绍本发明中所用的术语：

1)中心极限定理：该定理是一个数学概率统计学上的一个定理，该定理的数学描述为：均值为μ，方差为σ²＞0的独立同分布的的随机变量X₁，X₂，…，X_n的和

的标准化变量，当n充分大时，有Y_n近似服从正态分布。

2)最小均方误差准则：该术语是通信信号检测中的一个概念，由于在实际的通信系统中，接收机检测到的信号始终与原始发送的信号x存在一个误差

使误差e经过如下准则进行运算得到E(|e|²)，并使其值最小，其中E(·)表示求期望。则称该准则为最小均方误差准则。

3)频偏补偿序列α^(k)＝[1，β，...，β^N-1]，其中k为自然数，代表第k个用户，且有0≤k≤Q-1，Q表示系统所支持的总的用户个数，β为一个复指数信号，其中N为分配给每个用户的子载波个数。频偏补偿序列的计算步骤如下：通过采用载波频偏估计方法估计出不同用户的频偏ε_k，再由不同用户的频偏ε_k计算出复指数信号β，

再由复指数信号β求出频偏补偿序列α。

4)新型最小均方检测的权重向量

且有0≤l≤N-1；0≤k≤Q-1，其中N为分配给每个用户的子载波个数，Q为总的用户个数。权重向量W^(k)中的元素

通过如下步骤计算得到：首先通过信道估计12模块得到第k用户所经信道的频率响应

获得频率响应

中的元素

已知系统的噪声方差为

其次由前面提到的中心极限定理可求出多用户干扰的方差

最后在最小均方误差准则下，通过求导获得权重向量元素

的计算公式，因此结合前面得到的

根据公式可以得到权重向量的元素

从而求出权重向量元素

最终得到权重向量

本发明提出了一种多用户和白噪声干扰抑制IFDMA系统接收方法，它所接收的信号的发射技术采用现有技术，现有的发射技术包括以下步骤：

步骤1 系统的第k用户的信源比特经调制1，得到调制信号向量即发送时域数据块向量

步骤2 发送时域数据块向量d_k经N点FFT模块2转换到频域得到发送频域数据块向量

步骤3 利用子载波交织映射模块3将到发送频域数据块向量D^(k)映射到整个频带分配给第k个用户的子载波上得到IFDMA发送频域数据块向量

其中

为第k个用户的子载波交织映射矩阵；

步骤4 IFDMA发送频域数据块向量S^(k)经M点IFFT模块4转换到时域得到IFDMA发送时域数据块向量

步骤5 IFDMA发送时域数据块向量s^(k)经插入循环前缀模块5得到发送向量

步骤6 发送向量

经D/A转换模块6，上变频模块7将信号发送出去；

发射机部分组成：包括调制1、N点FFT 2、子载波交织映射3、M点FFT 4，添加循环前缀5、D/A转换6、上变频7等模块，如图1所示。其中N为分配给每个用户的子载波个数，M为系统总的子载波个数。IFDMA系统所支持总的用户个数用Q表示，其中某一用户用k来表示，且0≤k≤Q-1

发射机部分工作过程：系统的第k用户的信源比特经调制1，得到调制信号向量即发送的用户时域数据块向量

1≤k≤Q；Q为总的用户个数，k代表某一用户，然后通过N点FFT 2将信号从时域转换到频域，得到用户频域数据块向量

其中Q_N为N点的FFT矩阵；之后利用子载波交织映射3将用户的频域信号等间隔映射到整个频带所有分配给第k用户的子载波上，其中映射矩阵为

表示单位矩阵的第k列；经子载波映射后的向量再经过M点的IFFT操作获得时域传输向量即IFDMA信号其中

为M点的IFFT矩阵；最后IFDMA信号经添加循环前缀5、D/A转换6、上变频7等模块进行发射。

本发明提供的一种多用户和白噪声干扰抑制IFDMA系统接收方法，它包含以下步骤：

步骤1 接收信号经下变频模块8，A/D转换模块9得到接收向量

步骤2 接收向量

经去掉循环前缀模块10得到IFDMA接收时域数据块向量

步骤3 IFDMA接收时域数据块向量经M点FFT模块11转换到频域得到IFDMA接收频域数据块向量

步骤4 利用IFDMA接收频域数据块向量

经子载波解交织映射模块13得到接收频域数据块向量

步骤5 将接收到的频域数据块向量

进行频偏补偿，进行频偏补偿的步骤如下：首先计算出第k个用户的频偏补偿序列α^(k)＝[1，β，...，β^N-1]，其中，0≤k≤Q-1，Q表示系统所支持的总的用户个数，β为一个复指数信号，N为分配给每个用户的子载波个数，第k个用户的频偏补偿序列α^(k)＝[1，β，...，β^N-1]的具体计算步骤为：首先采用载波频偏估计方法估计第k个用户的频偏ε_k，再由第k个用户的频偏ε_k计算出复指数信号β，最后根据复指数信号β求出频偏补偿序列α^(k)＝[1，β，...，β^N-1]；其次将计算出的第k个用户的频偏补偿序列α^(k)＝[1，β，...，β^N-1]与接收频域数据块向量

进行卷积，从而完成对用户k数据的频偏补偿。最后完成了频偏补偿模块16的对用户k的频偏补偿从而得到接收频域数据块向量Y^(k)。

步骤6对接收频域数据块向量Y^(k)进行新型最小均方误差检测以恢复出调制信号向量即发送时域数据块向量

其中，0≤k≤Q-1，Q表示系统所支持的总的用户个数。具体的检测步骤如下：

(1)首先计算出新型最小均方检测的权重向量

且有0≤i≤N-1；0≤k≤Q-1，其中N为分配给每个用户的子载波个数，Q为总的用户个数。权重向量W^(k)中的元素通过如下步骤计算得到：

①首先通过信道估计12模块得到第k用户所经信道的频率响应

获得频率响应

中的元素

②其次由前面提到的中心极限定理可求出多用户干扰的方差

已知系统的噪声方差为

③最后在最小均方误差准则下，通过求导获得权重向量元素的计算公式，因此结合前面得到的

根据公式可以得到权重向量的元素

从而求出权重向量元素

最终得到权重向量

(2)根据上述步骤中得到的第k个用户的权重向量和接收到的第k个用户的频域数据块向量

0≤k≤Q-1，0≤l≤N-1，Q表示系统所支持的总的用户个数，N为分配给每个用户的子载波个数。分别取出其中的元素

和根据傅立叶反变换公式，恢复出调制信号向量即发送时域数据

从而根据

得到时域检测信号向量块

最终完成了新型最小均方检测模块17对接收频域数据块向量Y^(k)进行检测得到了时域发送信号向量块

步骤7时域检测信号向量块

经过解调模块15还原用户发送信息比特；

本发明接收机部分组成：包括下变频8、A/D 9、去掉循环前缀10、M点FFT 11、信道估计12、子载波解交织映射13、频率补偿16、新型的最小均方误差检测17、解调15等模块，如图2所示。

本发明接收机部分工作过程：接收机信号经过下变频部分8、A/D转换9模块得到基带接收信号；通过去循环前缀模块10、M点FFT模块11、子载波解交织映射模块13得到用户接收频域数据块向量R^(k)；对第k用户乘上一个频偏补偿序列α＝[1，β，...，β^N-1]进行频率补偿；通过信道估计12模块得到第k用户所经信道的频率响应

然后通过新型最小均方误差检测模块17按进行信号检测还原用户发送信号，这也是本发明的主要创新之处。其中新提出的最小均方检测的权重系数

同时考虑多用户干扰和噪声干扰对IFDMA系统的影响，

为多用户干扰的方差，

为噪声的方差；然而传统的最小均方误差只考虑到了噪声所带来的影响，传统的最小均方检测的权重系数为

最后用户发送信号通过解调15模块还原用户传输信息比特。

IFDMA系统接收机部分须特别说明的部分：对于步骤6，利用频偏补偿模块16对用户k的接收频域数据块向量Y^(k)进行了频偏补偿，消除了发送机与接收机载波频偏移的影响，但用户k的信号中仍然存在其他用户对本用户的用户间干扰和噪声影响；对于步骤7，利用新型最小均方误差检模块17从接收信号频域数据块向量Y^(k)检测出用户k的时域发送信号向量块

而且相比于传统的最小均方误差检测，传统的最小均方误差只考虑到了噪声所带来的影响，而新型的最小均方误差检测，同时联合多用户和白噪声干扰进行抑制检测，因此能够有效的改善传统IFDMA系统接收机的性能。

本发明接收机部分的原理：由于频偏会带来用户间的干扰，而用户间的干扰会严重的影响IFDMA系统的性能。由中心极限定理可以知道，当用户数足够大的时候，由频偏带来的多用户干扰是满足高斯分布的。因此在最小均方误差准则下，联合多用户和白噪声干扰进行抑制检测，能够有效的改善传统IFDMA系统接收机的性能。由于并不改变IFDMA系统的结构，因此、IFDMA信号仍具有较低的峰均比。

结论：从上面的分析可以看出，这种新型的联合多用户和白噪声干扰抑制IFDMA系统接收机检测方法可以改善传统的IFDMA系统的误码率性能，又不会改变其低峰均比的特性。

本发明接收机部分的创新点：接收机方法不仅考虑到了传统噪声对接收信号的影响，也考虑到了频偏引起的多用户间干扰。利用最小均方误差准则，推导出了一个新型的频域均衡权重系数。由于同时考虑到了这两种干扰的影响，因此能够有效的改善传统IFDMA系统接收机的性能。

本发明接收机部分的优势：相对于传统的仅考虑噪声干扰抑制检IFDMA接收机，本发明的核心思想是：利用新型的联合多用户和噪声干扰抑制检测的IFDMA接收机方法，提高基于最小均方误差频域均衡检测的IFDMA接收机的误码率性能，并且保持传统IFDMA系统的低峰均比特性。

附图说明

图1是传统的基于最小均方误差频域均衡检测方法的IFDMA系统工作原理图：

其中，发射机部分：1是调制模块，2是N点FFT模块，3是子载波交织模块，4是M点IFFT模块，5是添加循环前缀模块，6是D/A转换模块，7是上变频模块；接收机部分：8是下变频模块，9是A/D转换模块，10是去掉循环前缀模块，11是M点FFT模块，12是信道估计模块，13是子载波解交织映射模块，14是最小均方误差检测方法模块，15是解调模块；其中N为分配给每个用户的子载波个数，M为系统总的子载波个数。

图2是新型的基于联合多用户和白噪声干扰抑制检测的IFDMA系统工作原理图：

其中，发射机部分：1是调制模块，2是N点FFT模块，3是子载波交织模块，4是M点IFFT模块，5是添加循环前缀模块，6是D/A转换模块，7是上变频模块；接收机部分：8是下变频模块，9是A/D转换模块，10是去掉循环前缀模块，11是M点FFT模块，12是信道估计模块，13是子载波解交织映射模块，16是频率补偿模块，17是新型的联合多用户和白噪声干扰抑制的最小均方误差检测方法模块，15是解调模块；

图3是基于新型的最小均方误差频域均衡检测的IFDMA系统发射机部分到接收机部分的一个流程框图。

图4为新提出的与传统的IFDMA系统接收机检测方法在标准的3GPP EVA信道下的性能比较仿真图，图4的横座标为信噪比SNR，单位分贝dB，纵座标为误码率BER。18是基于传统的最小均方误差检测，用户数Q＝4的性能曲线，19是基于新型的最小均方误差检测，用户数Q＝4的性能曲线，20是基于传统的最小均方误差检测，用户数Q＝8的性能曲线，21是基于新型的最小均方误差检测，用户数Q＝8的性能曲线，22是基于传统的最小均方误差检测，用户数Q＝16的性能曲线，23是基于新型的最小均方误差检测，用户数Q＝16的性能曲线，24是在理想情况下不考虑频偏的理想性能曲线。

具体实施方式

本发明接收部分的主要创新：根据中心极限定理可以知道，当用户数足够大的时候，由频偏带来的多用户干扰是满足高斯分布的。分析经解交织的第k用户的接收信号可以知道，接收信号包括：想获得的第k用户的发射信号，其他用户对第k用户的干扰即多用户干扰以及噪声干扰。并且多用户干扰和噪声干扰是满足高斯分布的。利用高等数学微积分知识，在最小均方误差准则下，通过求导可得到新型最优的频域均衡检测的权重系数。由于联合考虑多用户干扰以及噪声干扰，新型的提出的IFDMA接收机检测方法能显著改善系统的误码率性能，并且保持IFDMA系统的低峰均比特性。该方法可以通过编程的方法实现。频偏补偿序列通过采用CLJL载波频偏估计方法估计出不同用户的频偏，因此可以将频偏序列存储起来，然后利用接收机的乘法器硬件将其预乘以接收信号，实现对第k用户的频偏补偿。然后联合其他模块，组成本发明的接收机系统。

我们对新型的联合多用户和白噪声干扰抑制检测的IFDMA系统接收机方法进行了计算机仿真，其中系统总的子载波个数M＝1024，采用QPSK调制。

图3为新提出的与传统的IFDMA系统接收机检测方法在标准的3GPP EVA信道下的性能比较，其中分配给每个用户的子载波个数分别为N＝64，128，256。仿真表明在用户数Q＝8，N＝128，BER＝2×10^-2下，新提出的联合多用户和白噪声干扰抑制IFDMA系统接收机检测方法，相比传统接收机方法有超过3dB的增益。并且新提出的接收机方法相比传统的接收机方法，随着用户数的增多，能够获得更多的增益。这是因为随着用户数的增多，用户间的干扰也会增加，这将严重降低采用传统接收机检测方法的IFDMA系统性能。然而对于新提出的接收机检测方法，联合了多用户和噪声干扰抑制，能够有效地抑制频偏带来的多用户间干扰。因此新提出的IFDMA系统接收机方法能显著改善系统的性能。

由此可见，新提出的联合多用户和白噪声干扰抑制IFDMA系统接收机检测方法可以明显地改善IFDMA系统的误码率性能。而且新提出的联合多用户和白噪声干扰抑制IFDMA系统接收机检测方法并不改变IFDMA系统的发射机的结构，所以发射机仍具有低峰均比特性。

Claims (1)

1.一种多用户和白噪声干扰抑制IFDMA系统接收方法，其特征是包含以下步骤：

步骤1接收信号经下变频模块(8)，A/D转换模块(9)得到接收向量

步骤2接收向量

经去掉循环前缀模块(10)得到IFDMA接收时域数据块向量

步骤3IFDMA接收时域数据块向量经M点FFT模块(11)转换到频域得到IFDMA接收频域数据块向量

步骤4利用IFDMA接收频域数据块向量

经子载波解交织映射模块(13)得到接收频域数据块向量

步骤5将接收到的频域数据块向量

进行频偏补偿，进行频偏补偿的步骤如下：首先计算出第k个用户的频偏补偿序列α^(k)＝[1，β，...，β^N-1]，其中，0≤k≤Q-1，Q表示系统所支持的总的用户个数，β为一个复指数信号，N为分配给每个用户的子载波个数，第k个用户的频偏补偿序列α^(k)＝[1，β，...，β^N-1]的具体计算步骤为：首先采用载波频偏估计方法估计第k个用户的频偏ε_k，再由第k个用户的频偏ε_k计算出复指数信号β，最后根据复指数信号β求出频偏补偿序列α^(k)＝[1，β，...，β^N-1]；其次将计算出的第k个用户的频偏补偿序列α^(k)＝[1，β，...，β^N-1]与接收频域数据块向量

进行卷积，从而完成对用户k数据的频偏补偿，最后完成了频偏补偿模块(16)的对用户k的频偏补偿从而得到接收频域数据块向量Y^(k)；

步骤6对接收频域数据块向量Y^(k)进行新型最小均方误差检测以恢复出调制信号向量即发送时域数据块向量其中，0≤k≤Q-1，Q表示系统所支持的总的用户个数，具体的检测步骤如下：

(1)首先计算出新型最小均方检测的权重向量

且有0≤i≤N-1；0≤k≤Q-1，其中N为分配给每个用户的子载波个数，Q为总的用户个数，权重向量W^(k)中的元素

通过如下步骤计算得到：

①首先通过信道估计模块(12)得到第k用户所经信道的频率响应

获得频率响应

中的元素

②其次由前面提到的中心极限定理可求出多用户干扰的方差

已知系统的噪声方差为

③最后在最小均方误差准则下，通过求导获得权重向量元素

的计算公式，因此结合前面得到的

根据公式可以得到权重向量的元素

从而求出权重向量元素

最终得到权重向量

(2)根据上述步骤中得到的第k个用户的权重向量

和接收到的第k个用户的频域数据块向量

0≤k≤Q-1，0≤l≤N-1，Q表示系统所支持的总的用户个数，N为分配给每个用户的子载波个数，分别取出其中的元素

和

根据傅立叶反变换公式，恢复出调制信号向量即发送时域数据从而根据

得到时域检测信号向量块

最终完成了新型最小均方检测模块(17)对接收频域数据块向量Y^(k)进行检测得到了时域发送信号向量块

步骤7时域检测信号向量块经过解调模块(15)还原用户发送信息比特。

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