CN101945068B - 一种低发射功率的单载波频域均衡系统接收机检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低发射功率的单载波频域均衡系统接收机检测方法。针对低发射功率的单载波频域均衡系统的接收机在检测过程中丢弃循环前缀带来的功率和信息率的损失的问题，本发明通过引入OLS频域均衡算法和等增益合并算法，提出了一种低发射功率的单载波频域均衡系统接收机检测方法。该方法利用了循环前缀所携带的全部信息，在保持低发射功率的单载波频域均衡系统的高频谱利用率和低发射功率的同时提高了系统的误码率性能。

Description

一种低发射功率的单载波频域均衡系统接收机检测方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，特别涉及单载波频域均衡系统。

背景技术

众所周知，单载波频域均衡(SC-FDE，Single Carrier-Frequency DomainEqualization)是宽带无线通信中一种很有效的对抗多径衰落的技术。针对传统的单载波频域均衡系统需要在发射过程每一帧信号前插入循环前缀(CP，CyclicPrefix)，白文岭等人提出了一种具有低发射功率的单载波频域均衡系统，仅在发射机偶数帧前面插入循环前缀，因此可以提高发射机的频谱利用效率，节约发射功率。但是这种低发射功率的单载波频域均衡系统的接收机在检测过程中将偶数帧信号前面的循环前缀直接丢弃掉，这样会带来信息率和功率的损失，具体内容详见：白文岭、肖悦、李少谦，一种低发射功率的单载波频域均衡结构，中国科学技术大学报，Vol 39(10)，1102-1105，2009.10。

发明内容

本发明的目的是解决低发射功率的单载波频域均衡系统的接收机在检测过程中丢弃循环前缀带来的功率和信息率的损失的问题，提出了一种低发射功率的单载波频域均衡系统接收机检测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种低发射功率的单载波频域均衡系统接收机检测方法，包括如下步骤：

(6).采用传统频域均衡算法检测偶数帧信号；

(7).采用OLS频域均衡算法检测奇数帧信号；

(8).采用OLS频域均衡算法和等增益合并算法检测偶数帧信号；

(9).迭代检测，迭代检测利用步骤(8)更新得到的帧间干扰序列，返回步骤(7)，迭代检测接收的奇数帧信号和偶数帧信号。

其中步骤(8)采用OLS频域均衡算法和等增益合并算法检测偶数帧信号又具体包括如下步骤：

(81).利用接收的偶数帧信号以及步骤(7)得到的帧间干扰序列，根据基于OLS法的构造定理构造新的偶数帧信号；

(82).根据基于最小均方误差准则的频域均衡技术检测步骤(81)中构造出的偶数帧信号；

(83).根据等增益合并算法重构步骤(82)中得到的偶数帧信号，对重构的信号进行判决，更新得到偶数帧发送信号序列；

(84).利用步骤(83)得到的偶数帧发送信号序列更新帧间干扰序列。

本发明的有益效果：本发明通过引入OLS频域均衡算法和等增益合并算法，提出了一种低发射功率的单载波频域均衡系统接收机检测方法，该方法与现有方法相比，利用了循环前缀所携带的全部信息，有效解决了低发射功率的单载波频域均衡系统的功率和信息率损失的问题，提高了系统的误码率性能。

附图说明

图1是一种具有低发射功率的单载波频域均衡系统的发射机发射过程示意图。

图2是一种具有低发射功率的单载波频域均衡系统的接收机接收过程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，给出本发明的具体实施例。需要说明的是：实施例中的参数并不影响本发明的一般性。

在阐述具体实施方式之前，首先介绍其中所用的术语和其中使用到的定理：

(1)帧间干扰序列为第m帧对第n帧造成的干扰向量，其中m，n是接收帧的序号。

(2)最小均方检测的权重向量W_OLS为采用OLS构造接收向量时的频域均衡滤波器系数矩阵，根据公式可以得到权重向量的元素

其中N₀I加性高斯白噪声(AWGN，Additive White Gaussion Noise)向量的协方差矩阵，N₀为AWGN噪声的功率谱密度。

代表多径信道的频率响应矩阵，Q_N为N点归一化傅里叶变换矩阵，h＝[h₀，h₁，...，h_L]代表多径信道的冲激响应序。

定理1：基于重叠保留(OLS，Overlap-Save)法由线性卷积到圆周卷积的构造定理：假设序列z＝[z₀，z₁，...，z_N-1，z_N，...，z_L+N-1]^T为序列x＝[x₀，x₁，...，x_N-1]^T与序列y＝[y₀，y₁，...，y_L]^T的线性卷积，即z＝x*y，则：

$z=\stackrel{\→}{x}{\⊗}_{N+L}\stackrel{\→}{y}$

其中

表示N+L点的圆周卷积。

上述定理简称为“基于OLS法的构造定理”。

定理2：等增益合并(EGC，Equal Gain Combiner)算法，假设有如下序列： $R^{\left(k\right)}={[r_1^{\left(k\right)},r_2^{\left(k\right)},\·\·\·,r_N^{\left(k\right)}]}^T+\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_1}$

$P^{\left(k\right)}=[r_1^{\left(k\right)},r_2^{\left(k\right)},\·\·\·{,r}_N^{\left(k\right)}]+\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_2}$

$Q^{\left(k\right)}=\frac{1}{2}(R^{\left(k\right)}+P^{\left(k\right)})=[r_1^{\left(k\right)},r_2^{\left(k\right)},\·\·\·,r_N^{\left(k\right)}]+\frac{1}{2}(\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_2}+\stackrel{\→}{{\mathrm{\η}}_2}),$

其中

和

是零均值复高斯白噪声向量，其中

为噪声功率。

R^(k)、P^(k)和Q^(k)三个信号携带的信息相同，那么信号功率也相同，假设

为信号功率，Q^(k)的信噪比(SNR，Signal to Noise Ratio)可以表达为，

$\mathrm{SNR}{\left(\mathrm{dB}\right)}_{Q^{\left(k\right)}}=10\lg \frac{{\mathrm{\σ}}_s^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2}=10\lg \frac{{\mathrm{\σ}}_s^2}{\frac{1}{2}{\mathrm{\σ}}_X^2}=10\lg 2+10\lg \frac{{\mathrm{\σ}}_s^2}{{\mathrm{\σ}}_X^2}=10\lg \frac{{\mathrm{\σ}}^s}{{\mathrm{\σ}}_X^2}+3$

$=\mathrm{SNR}{\left(\mathrm{dB}\right)}_{R^{\left(k\right)}}+3=\mathrm{SNR}{\left(\mathrm{dB}\right)}_{P^{\left(k\right)}}+3.$

由R^(k)和P^(k)合并后形成的信号Q^(k)的信号能量获得了3dB的增益。

下面对发射机的发射过程和接收机的接收过程进行说明，具体工作原理如图1和图2所示。

发射过程包括如下步骤：(1).PSK&QAM调制；(2).数据分帧；(3).偶数帧前加循环前缀；(4).数据并帧。发射过程具体展开如下：

首先经过调制形成用户的第k个数据帧。用户的发送信息比特首先经过PSK或者QAM调制形成调制符号，之后每N个调制符号一组，形成第k个数据帧

其中

表示第k个数据帧中的第i个调制符号，N为帧长。为了节约循环前缀，具有低发射功率的单载波频域均衡系统的发射机仅在偶数帧信号s^(2k)前面插入循环前缀形成N+N_g维发送信号数据帧

其中N_g为CP长度，奇数帧信号直接发送：

${\stackrel{\→}{s}}^{\left(2k\right)}={[s_{N-N_g}^{\left(2k\right)},s_{N-N_g+1}^{\left(2k\right)},\·\·\·,s_{N-1}^{\left(2k\right)},s_0^{\left(2k\right)},s_1^{\left(2k\right)},\·\·\·,s_{N-1}^{\left(2k\right)}]}^T$

${\stackrel{\→}{s}}^{(2k+1)}={[s_0^{(2k+1)},s_1^{(2k+1)},\·\·\·,s_{N-1}^{(2k+1)}]}^T$

假设接收机同步完美且信道信息已知，接收过程包括如下步骤：(5).接收奇数帧信号和偶数帧信号；(6).采用传统频域均衡算法检测偶数帧信号；(7).采用OLS频域均衡算法检测奇数帧信号；(8).采用OLS频域均衡算法和等增益合并算法检测偶数帧信号；(9).迭代检测；(10).解调。接收过程具体展开如下：

(5).接收奇数帧信号

和偶数帧信号

(6).采用传统频域均衡算法检测偶数帧信号。首先去掉偶数帧信号

的CP，然后根据传统的基于最小均方误差准则的频域均衡技术检测偶数帧信号：

$r^{\left(2k\right)}=h{\⊗}_N{\stackrel{\→}{s}}^{\left(2k\right)}+\mathrm{\η}={[{\stackrel{\→}{r}}_{N_g}^{\left(2k\right)},{\stackrel{\→}{r}}_{N_g+1}^{\left(2k\right)},\·\·\·,{\stackrel{\→}{r}}_{N_g+N-1}^{\left(2k\right)}]}^T,$

${\tilde{s}}^{\left(2k\right)}=Q_N^{*}{\mathrm{WQ}}_N{r}^{\left(2k\right)},$

其中

表示N点的圆周卷积，η为加性AWGN向量，协方差矩阵为N₀I_N，

为Q_N的共轭矩阵。

然后对信号进行判决，更新得到偶数帧发送信号序列

本发明所指的判决是把信号所携带的符号映射到相对应的调制符号。

接下来利用检测到的偶数帧发送信号序列

构造帧间干扰序列

和

${\mathrm{IFI}}^{(2k\→2k+1)}=[r_{\mathrm{CP},N_g}^{\left(2k\right)},r_{\mathrm{CP},N_g+1}^{\left(2k\right)},\·\·\·,r_{\mathrm{CP},N_g+L-1}^{\left(2k\right)}]$

${\mathrm{IFI}}^{(2k+1\→2k+2)}=[{\stackrel{\→}{r}}_0^{(2k+2)},{\stackrel{\→}{r}}_1^{(2k+2)},\·\·\·,{\stackrel{\→}{r}}_{L-1}^{(2k+2)}]-[r_{\mathrm{CP},0}^{(2k+2)},r_{\mathrm{CP},1}^{(2k+2)},\·\·\·,r_{\mathrm{CP},L-1}^{(2k+2)}]$

(7).采用OLS频域均衡算法检测奇数帧信号。对接收奇数帧信号采用基于OLS法的构造定理重构后进行最小均方误差检测，判决恢复出奇数帧发送信号序列

具体的检测步骤如下：

(71).利用接收奇数帧信号

以及帧间干扰序列和根据基于OLS法的构造定理构造出满足循环卷积形式的信号序列

(72).根据基于最小均方误差准则的频域均衡技术检测信号序列

即：

其中Q_N+L为N+L点归一化傅里叶变换矩阵，

为Q_N+L的共轭矩阵，W_OLS为采用OLS构造接收向量时的频域均衡滤波器系数矩阵。

对上述信号

进行判决，更新得到奇数帧发送信号序列

(73).利用步骤(72)得到的奇数帧发送信号序列

更新帧间干扰序列

和

${\mathrm{IFI}}^{(2k-1\→2k)}=[r_{N_g,N_g}^{\left(2k\right)},r_{N_g,N_g+1}^{\left(2k\right)},\·\·\·,r_{N_g,N_g+L-1}^{\left(2k\right)}]$

${\mathrm{IFI}}^{(2k\→2k+1)}=[{\stackrel{\→}{r}}_0^{(2k+1)},{\stackrel{\→}{r}}_1^{(2k+1)},\·\·\·,{\stackrel{\→}{r}}_{L-1}^{(2k+1)}]-[r_{N_g,0}^{(2k+1)},r_{N_g,1}^{(2k+1)},\·\·\·,r_{N_g,L-1}^{(2k+1)}]$

(8).采用OLS频域均衡算法和等增益合并算法检测偶数帧信号。对接收的偶数数据帧

采用基于OLS法的构造定理重构后进行最小均方误差检测，再基于等增益合并算法利用偶数数据帧

的CP所携带的信息恢复额外的信号功率，判决恢复出偶数帧发送信号序列

具体的检测步骤如下：

(81).利用接收的偶数帧信号

以及步骤(7)得到的帧间干扰序列和根据基于OLS法的构造定理构造出满足循环卷积形式的新的偶数帧信号

(82).根据基于最小均方误差准则的频域均衡技术检测步骤(81)得到的新的偶数帧信号

即：

其中

为N+N_g+L点归一化傅里叶变换矩阵，

为

的共轭矩阵，N_g为循环前缀长度，L为干扰序列长度，W_OLS为采用OLS构造接收向量时的频域均衡滤波器系数矩阵；

(83).根据EGC算法重构步骤(82)得到的信号

即：

${\tilde{s}}^{\left(2k\right)}=\left\{\right[{\tilde{s}}_{\mathrm{OLS},0}^{\left(2k\right)},{\tilde{s}}_{\mathrm{OLS},1}^{\left(2k\right)},\·\·\·,{\tilde{s}}_{\mathrm{OLS},N-N_g-1}^{\left(2k\right)}],\frac{1}{2}[({\tilde{s}}_{\mathrm{OLS},N-N_g}^{\left(2k\right)},{\tilde{s}}_{\mathrm{OLS},N-N_g+1}^{\left(2k\right)},\·\·\·,{\tilde{s}}_{\mathrm{OLS},N-1}^{\left(2k\right)})+\·\·\·$

$({\tilde{s}}_{\mathrm{OLS},N-N_g}^{\left(2k\right)},{\tilde{s}}_{\mathrm{OLS},N-N_g+1}^{\left(2k\right)},\·\·\·,{\tilde{s}}_{\mathrm{OLS},N-1}^{\left(2k\right)})\left]\right\};$

其中

中前N_g个符号(循环前缀)携带的信息和最后N_g个符号携带的信息相同，利用循环前缀携带的信息获得额外的信号功率。

对于上述信号

进行判决，更新得到偶数帧发送信号序列

(84).利用步骤(83)得到的偶数帧发送信号序列

更新帧间干扰序列

和

${\mathrm{IFI}}^{(2k\→2k+1)}=[r_{\mathrm{CP},N_g}^{\left(2k\right)},r_{\mathrm{CP},N_g+1}^{\left(2k\right)},\·\·\·,r_{\mathrm{CP},N_g+L-1}^{\left(2k\right)}]$

${\mathrm{IFI}}^{(2k+1\→2k+2)}=[{\stackrel{\→}{r}}_0^{(2k+2)},{\stackrel{\→}{r}}_1^{(2k+2)},\·\·\·,{\stackrel{\→}{r}}_{L-1}^{(2k+2)}]-[r_{\mathrm{CP},0}^{(2k+2)},r_{\mathrm{CP},1}^{(2k+2)},\·\·\·,r_{\mathrm{CP},L-1}^{(2k+2)}]$

(9).迭代检测。利用步骤(8)更新得到的帧间干扰序列，返回步骤(7)，迭代检测接收的奇数帧信号和偶数帧信号，直到到达所要求的性能；

(10).解调。解调恢复原始发送信息比特序列。

其中上述步骤(6)、(7)、(8)、(9)为本发明接收机的检测过程，是本发明接收机检测方法的具体步骤。

采用本发明所述的接收机检测方法的低发射功率单载波频域均衡系统，与背景技术中的低发射功率的单载波频域均衡系统的检测方法相比，有效解决了丢弃循环前缀带来的功率和信息率的损失的问题，在保持其高频谱利用率和低发射功率的同时提高了系统的误码率性能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种低发射功率的单载波频域均衡系统接收机检测方法，包括步骤：(1).采用基于最小均方误差准则的频域均衡技术检测偶数帧信号；(2).OLS频域均衡算法检测奇数帧信号；其特征在于，还包括如下步骤：

(3).采用OLS频域均衡算法和等增益合并算法检测偶数帧信号；

(4).迭代检测，迭代检测利用步骤(3)更新得到的帧间干扰序列，返回步骤(2)，迭代检测接收的奇数帧信号和偶数帧信号；

所述的步骤(3)采用OLS频域均衡算法和等增益合并算法检测偶数帧信号还包括如下步骤：

(31).利用接收的偶数帧信号以及步骤(2)得到的帧间干扰序列，根据基于OLS法的构造定理构造新的偶数帧信号；

(32).根据基于最小均方误差准则的频域均衡技术检测步骤(31)中构造出的偶数帧信号；

(33).根据等增益合并算法重构步骤(32)中得到的偶数帧信号，对重构的信号进行判决，更新得到偶数帧发送信号序列；

(34).利用步骤(33)得到的偶数帧发送信号序列更新帧间干扰序列。

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