CN101909031B - 一种扩频ofdma通信系统的mmse检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种扩频OFDMA通信系统的MMSE检测方法，所述扩频OFDMA通信系统的码扩因子为N_s，有效负载为L，N_s/2≤L≤N_s，大小为N_s×L的码扩矩阵

取自一个大小为N_s×N_s的原始矩阵w的前L列，所述方法包括以下步骤：a、OFDM解调接收得到接收符号r；b、进行信道估计，由N_s个信道估计组成一个对角矩阵Λ_h，并估计出噪声功率σ²；c、计算有效负载为L时的MMSE检测算子B_L，具体为：c.1：计算有效负载为N_s时的MMSE检测算子

c.2：根据递推规则，由

依次递推得到

所述递推规则如下：已知B_L′，则首先分解B_L′为：

Q_L′为B_L′的前L′-1行组成的矩阵，q_L′为B_L′的最后一行；然后计算B_L′-1为：

其中w_L′为w的第L′列；d、计算检测符号y为：

本发明采用递推的方法，避免了直接的矩阵求逆，大大降低了计算量，降低了检测硬件的功耗。

Description

一种扩频OFDMA通信系统的MMSE检测方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种扩频OFDMA通信系统的MMSE检测方法。

背景技术

正交频分多址(OFDMA)是以OFDM为基础的多载波接入方式，其原理是对信道子载波化，每个用户选择一部分子载波并利用OFDM进行传输。只要留出足够的时间间隔(循环前缀)，由于子载波之间的正交性不受多径时延，不同用户的信号几乎没有相互干扰。

扩频是一种特殊的符号变换，将一个符号变化成多个符号并在更宽的频带上传送以获得更好的鲁棒性。例如码分多址(CDMA)就是基于扩频技术，将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。

扩频OFDMA通信系统结合了扩频和OFDM两种技术，采用类似CDMA的思想将L个符号在频域内扩展为N_s个符号(即码扩因子为N_s，有效负载为L，且L≤N_s)，再通过OFDM调制并发射。扩频OFDMA通信系统的信号检测需要采用联合检测方法，常用的联合检测方法是MMSE(最小均方误差)检测。传统MMSE检测得到检测符号

的方法如下：

$\hat{s={\left[{\tilde{W}}^H({\mathrm{\Λ}}_h{\mathrm{\Λ}}_h^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)\tilde{W}\right]}^{-1}}{\tilde{W}}^H{\mathrm{\Λ}}_h^{H}r,$ (上标^H表示共轭转置)

其中

为码扩矩阵，Λ_h为信道估计组成的对角矩阵，σ²为噪声功率，r为接收符号。由于传统MMSE检测方法需要做矩阵求逆运算，因此当N_s/2≤L≤N_s时，运算量将相当大，导致检测硬件功耗也相当大。因此，需要提出一种可以大大降低运算量的快速MMSE检测方法。

发明内容

扩频OFDMA通信系统中，码扩因子为N_s，有效负载为L，大小为N_s×L的码扩矩阵

取自一个大小为N_s×N_s的原始矩阵w的前L列，对于当N_s/2≤L≤N_s时的MMSE检测，本发明提出了一种快速MMSE检测方法，包括以下步骤：

a、进行OFDM解调接收，得到接收符号r；

b、进行信道估计，由N_s个信道估计组成一个信道响应的对角矩阵Λ_h，并估计出噪声功率σ²，具体为具体为：将子信道中导频符号所在列的频域符号取出除以导频符号，估计出频域信道响应

再由这N_s个频域信道响应组成一个信道响应对角矩阵

并估计出噪声功率；

c、计算有效负载为L时的MMSE检测算子B_L，具体为：

c.1：计算有效负载为N_s时的MMSE检测算子

$B_{N_S}=W^H{({\mathrm{\Λ}}_h{\mathrm{\Λ}}_h^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1};$

c.2：根据MMSE检测算子的递推规则，由

依次递推得到有效负载为N_s-1，N_s-2，...L时的MMSE检测算子

...B_L，所述递推规则如下：

已知B_L′，则首先分解B_L′为：

$B_{L\′}=\left[\frac{Q_{L\′}}{q_{L\′}}\right],$ 其中Q_L′为B_L′的前L′-1行组成的矩阵，q_L′为B_L′的最后一行；

然后计算B_L′-1为： $B_{L\′-1}=Q_{L\′}-Q_{L\′}{W}_{L\′}{q}_{L\′}\frac{1}{q_{L\′}{W}_{L\′}},$ 其中W_L′为原始矩阵W的第L′列；

d、计算检测符号y为：

优选的，当L＝N_s/2时，可以进一步将步骤c中B_L的递推计算简化为：

取原始矩阵W的左上角的L×L的矩阵记为P，记矩阵 $[{\mathrm{\Λ}}_h{\mathrm{\Λ}}_h^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I]$ 的左上角的

的对角矩阵为D₁，矩阵 $[{\mathrm{\Λ}}_h{\mathrm{\Λ}}_h^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I]$ 的右下角的 $\frac{N_s}{2}\×\frac{N_s}{2}$ 的对角矩阵为D₂，则负载为N_s/2的MMSE检测算子为：

$B_{N_s/2}=\left[P^{-1}{(D_1+D_2)}^{-1}{P}^{-1}{(D_1+D_2)}^{-1}\right].$

本发明的有益效果在于：采用递推的方法，避免了直接的矩阵求逆，大大降低了计算量，降低了检测硬件的功耗。此外，本发明还针对有效负载为码扩因子一半时提出了一种复杂度更低的MMSE计算方法。

附图说明

图1是扩频OFDMA通信系统的发射过程示意图；

图2是扩频OFDMA通信系统的接收过程示意图；

图3是本发明实施例中的基本子信道示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

扩频OFDMA通信系统的发射过程如图1所示，信源经过信道编码后的二进制信息再通过QAM调制成符号；然后通过码扩矩阵将L个符号扩展为N_s个符号(即有效负载为L，码扩因子为N_s)；最后将扩频后的符号映射到N_s个子载波上进行OFDM调制，并发射出去。

扩频OFDMA通信系统的接收过程如图2所示，首先对接收信号进行OFDM解调得到接收符号；然后对接收符号进行联合检测(如MMSE检测)得到检测符号；最后对检测符号进行QAM解调、信道解码等。

本发明实施例的扩频OFDMA通信系统如图3所示，每个基本子信道由一个8×8的时频二维网格组成，码扩后的符号将被映射到子信道的8个子载波上，即其码扩因子N_s为8。其中，子信道的第5列放置的是用于信道估计的导频符号。

本发明实施例采用原始矩阵W的前L列组成的矩阵[w₁，w₂，...w_L]作为码扩矩阵

通过左乘L个QAM调制符号组成的向量，将L个QAM调制符号扩展为8个符号，L为有效负载，

$W=\frac{1}{\sqrt{8}}\left(\begin{array}{cccccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1\\ 1& -1& 1& -1& 1& -1& 1& -1\\ 1& 1& -1& -1& 1& 1& -1& -1\\ 1& -1& -1& 1& 1& -1& -1& 1\\ 1& 1& 1& 1& -1& -1& -1& -1\\ 1& -1& 1& -1& -1& 1& -1& 1\\ 1& 1& -1& -1& -1& -1& 1& 1\\ 1& -1& -1& 1& -1& 1& 1& -1\end{array}\right).$

扩频后的符号映射到子信道的8个子载波上后，再经过256点IFFT变换，加入12点长的循环前缀，最后上变频发射出去。

则本发明实施例的MMSE检测方法的步骤如下：

a，OFDM解调接收得到接收符号r

对接收信号进行下变频转换、采样，完成频率、相位、时间同步之后取OFDM符号做256点FFT变换到频域，记子信道的频域符号为r。

b，信道估计

将子信道的第5列频域符号取出除以导频符号，估计出频域信道响应

再由这8个信道响应组成一个信道响应的对角矩阵记为Λ_h。同时估计出噪声功率σ²，本实施例中为接收机的热噪声功率。

c，计算MMSE检测算子，得出检测符号y

(1)当扩频的有效负载L为8时

MMSE检测算子B₈为： $B_8=W^H{({\mathrm{\Λ}}_h{\mathrm{\Λ}}_h^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1},$ 则L为8时的MMSE符号检测结果为：

(2)当扩频的有效负载L为7时，

首先对B₈进行如下分解：

$B_8=\left[\frac{Q_8}{q_8}\right],$ 其中Q₈为B₈的前7行组成的矩阵，q₈为B₈的最后一行；

则B₇计算为：

其中w₈为原始矩阵w的第8列，则L为7时的MMSE符号检测结果为：

(3)当扩频的有效负载L为6时

首先对B₇进行如下分解：

$B_7=\left[\frac{Q_7}{q_7}\right],$ 其中Q₇为B₇的前6行组成的矩阵，q₇为B₇的最后一行；

则B₆计算为：

其中w₇为原始矩阵w的第7列，则L为6时的MMSE符号检测结果为：

(4)当扩频的有效负载L为5时

首先对B₆进行如下分解：

$B_6=\left[\frac{Q_6}{q_6}\right],$ 其中Q₆为B₆的前5行组成的矩阵，q₆为B₆的最后一行；

则B₅计算为：

其中w₆为原始矩阵w的第6列，则L为5时的MMSE符号检测结果为：

本发明的另一个实施例中，当有效负载为4时，其MMSE检测算子B₄的计算可以进一步简化。记码扩矩阵[W₁，W₂，w₃，w₄]的左上角的4×4的矩阵为P，记矩阵

的前四行前四列组成的4×4对角矩阵为D₁，矩阵

的后四行后四列组成的4×4对角矩阵为D₂，则B₄为：

B₄＝[P^-1(D₁+D₂)^-1，P^-1(D₁+D₂)^-1]

则L为4时的MMSE符号检测结果为：

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种扩频OFDMA通信系统的MMSE检测方法，所述扩频OFDMA通信系统的码扩因子为N_s，有效负载为L，N_s/2≤L≤N_s，大小为N_s×L的码扩矩阵取自一个大小为N_s×N_s的原始矩阵w的前L列，所述方法的特征在于，包括以下步骤：

a、进行OFDM解调接收，得到接收符号r；

b、进行信道估计，由N_s个信道估计组成一个信道响应的对角矩阵Λ_h，并估计出噪声功率σ²，具体为：将子信道中导频符号所在列的频域符号取出除以导频符号，估计出频域信道响应

再由这N_s个频域信道响应组成一个信道响应对角矩阵

并估计出噪声功率；

c、计算有效负载为L时的MMSE检测算子B_L，具体为：

c.1：计算有效负载为N_s时的MMSE检测算子

$B_{N_S}=W^H{({\mathrm{\Λ}}_h{\mathrm{\Λ}}_h^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1;}$

c.2：根据MMSE检测算子的递推规则，由依次递推得到有效负载为N_s-1，N_s-2，...L时的MMSE检测算子

...B_L，所述递推规则如下：

已知B_L′，则首先分解B_L′为：其中Q_L′为B_L′的前L′-1行组成的矩阵，q_L′为B_L′的最后一行；

然后计算B_L′-1为： $B_{L\′-1}=Q_{L\′}-Q_{L\′}{W}_{L\′}{q}_{L\′}\frac{1}{q_{L\′}{W}_{L\′}},$ 其中W_L′为原始矩阵W的第L′列；

d、计算检测符号y为：

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，当L＝N_s/2时，步骤c的计算B_L的方法进一步简化为：取原始矩阵W的左上角的L×L的矩阵记为P，记矩阵 $[{\mathrm{\Λ}}_h{\mathrm{\Λ}}_h^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I]$ 的左上角的 $\frac{N_s}{2}\×\frac{N_s}{2}$ 的对角矩阵为D₁，矩阵 $[{\mathrm{\Λ}}_h{\mathrm{\Λ}}_h^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I]$ 的右下角的 $\frac{N_s}{2}\×\frac{N_s}{2}$ 的对角矩阵为D₂，则负载为N_s/2的MMSE检测算子为： $B_{N_s/2}=\left[P^{-1}{(D_1+D_2)}^{-1}{,P}^{-1}{(D_1+D_2)}^{-1}\right].$

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