CN102098264A - Stbc协同ofdm系统迭代ici消除的信干比计算方法 - Google Patents

Stbc协同ofdm系统迭代ici消除的信干比计算方法 Download PDF

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CN102098264A
CN102098264A CN2011100489372A CN201110048937A CN102098264A CN 102098264 A CN102098264 A CN 102098264A CN 2011100489372 A CN2011100489372 A CN 2011100489372A CN 201110048937 A CN201110048937 A CN 201110048937A CN 102098264 A CN102098264 A CN 102098264A
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CN
China
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signal
iteration
interference ratio
stbc
ici
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彭章友
刘艳艳
张兴
高国娟
王卿
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University of Shanghai for Science and Technology
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University of Shanghai for Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种STBC协同OFDM系统迭代ICI消除的信干比计算方法，其具体步骤包括如下：(1)根据高速铁路列车车厢的损耗特性，建立STBC协同OFDM系统的信号传输模型；(2)建立STBC协同OFDM系统的ICI模型；(3)对STBC协同OFDM系统采用快速迭代算法进行ICI消除，计算信于比；(4)将经过n次迭代后得到的信干比与信干比的理论值对比，定义为第n次迭代时信干比的相对误差并进行误差分析。该方法能在ICI消除算法复杂度较低情况下实时计算ICI消除过程中的信干比，解决了采用信干比评价系统性能时信干比的计算问题，有利于信干比判断方法的使用。

Description

STBC协同OFDM系统迭代ICI消除的信干比计算方法
技术领域
本发明涉及无线通信中的信号处理方法，特别是涉及一种STBC协同系统迭代ICI消除的信干比计算方法。
背景技术
在中国专利说明书还公开了一种“高速移动OFDM协同系统ICI实际消除中的信干比判断方法”（专利申请号：201010167587.7），该方法指出高速移动引起的多普勒频偏会破坏OFDM系统子载波间的正交性，产生ICI ，并且STBC协同OFDM系统要求ICI消除算法的复杂性要低，采用复杂度低的迭代ICI消除算法。由于误码率指标在ICI消除过程中难以计算，为此，提出用较容易计算的信干比作为ICI消除效果的评价指标，该评价指标用于评价消除性能，当信干比大到一定值后控制消除进程。该信干比判断方法在与误码率指标衡量ICI消除算法的效果等同的前提下大大简化了计算，解决了ICI消除效果的评价问题。但是，上述信干比判断方法在每次迭代ICI消除后，OFDM协同系统要求实时计算系统的信干比时，还要求ICI消除算法的复杂度要低，尤其是现有技术中还没有具体的、针对上述判断方法是采用迭代ICI消除算法的信干比计算方法，因此限制了上述信干比判断方法的使用。
发明内容
鉴于以上现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种STBC协同OFDM系统迭代ICI消除的信干比计算方法，该方法能在ICI消除算法的复杂度较低情况下实时计算ICI消除过程中的信干比，有利于信干比判断方法使用。
为了达到上述目的，本发明采用了以下述技术方案：
一种STBC协同OFDM系统迭代ICI消除的信干比计算方法，其特征在于，其具体步骤包括如下： 
(1)、根据高速铁路列车车厢的损耗特性，建立STBC协同OFDM系统的信号传输模型，该传输模型为：源节点                                                
Figure 289179DEST_PATH_IMAGE001
发送数据给两个协同点，协同点对接收到的信号解码，经串并变换、空时编码形成STBC信号，再经过IFFT，串并变换，加循环前缀，通过天线将信息发给目的节点；
(2)、根据STBC协同OFDM系统传输模型，建立STBC协同OFDM系统的ICI模型：基站在第一周期接收两个协同点发送的信号
Figure 411986DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 358077DEST_PATH_IMAGE003
，在第二周期接收两个协同点发送的信号
Figure 286850DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 1996DEST_PATH_IMAGE005
；
(3)、对STBC协同OFDM系统进行迭代ICI消除，计算信干比:将接收信号作为第一次迭代的初始值，迭代后的接收信号作为第二次迭代的初始值，依此类推进行次迭代,并且对每次迭代后的信号进行信干比计算；
(4)、将上述经过
Figure 519970DEST_PATH_IMAGE006
次迭代后得到的信干比与信干比的理论值
Figure 9037DEST_PATH_IMAGE008
对比，定义
Figure 535965DEST_PATH_IMAGE009
为第
Figure 456647DEST_PATH_IMAGE006
次迭代时信干比的相对误差并进行误差分析。
上述步骤(2)中所述的建立STBC协同OFDM系统ICI模型，其表达为：
其中，
Figure 151382DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 114790DEST_PATH_IMAGE012
是基站在两个周期接收到的信号，
为有用信号项，
Figure 60017DEST_PATH_IMAGE014
为ICI干扰项，
,
Figure 738571DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 40371DEST_PATH_IMAGE017
，
其中，
Figure 918328DEST_PATH_IMAGE018
（）表示第周期接收到两天线的第个子载波的合并信号， 为第
Figure 324121DEST_PATH_IMAGE020
周期的接收信号，
Figure 800233DEST_PATH_IMAGE023
 （
Figure 138941DEST_PATH_IMAGE024
）表示信道叠加的高斯白噪声，
Figure 358701DEST_PATH_IMAGE025
表示发送信号矩阵，
Figure 545094DEST_PATH_IMAGE026
，，
其中，
Figure 205062DEST_PATH_IMAGE028
为信道传输矩阵，
Figure 980512DEST_PATH_IMAGE029
为干扰项的干扰系数， 
，
Figure 760697DEST_PATH_IMAGE031
 
其中，
Figure 73998DEST_PATH_IMAGE032
表示子载波数，
Figure 573244DEST_PATH_IMAGE033
为相对子载波间隔的归一化频偏，
Figure 148276DEST_PATH_IMAGE034
是子载波序号， 
Figure 137092DEST_PATH_IMAGE035
指的是第
Figure 937689DEST_PATH_IMAGE021
条和第
Figure 37363DEST_PATH_IMAGE036
条子载波的间距。
上述步骤(3)所述的对STBC协同OFDM系统进行迭代ICI消除，计算信干比，其具体为：
(3-1)、第一次迭代的初始值为：
其中，
Figure 399522DEST_PATH_IMAGE038
，第1次迭代消除ICI后信号为：
Figure 484153DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 194708DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 313974DEST_PATH_IMAGE041
表示第一次迭代后基站端的接收信号；
Figure 644592DEST_PATH_IMAGE029
为干扰项的干扰系数，
Figure 419781DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 861258DEST_PATH_IMAGE043
为第一次迭代的初始值，
第二次迭代的初始值为：
Figure 710396DEST_PATH_IMAGE044
，依此类推，
经过
Figure 211916DEST_PATH_IMAGE006
次迭代后，基站端的接收信号为：
Figure 226400DEST_PATH_IMAGE045
其中，
Figure 471568DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 503109DEST_PATH_IMAGE047
表示第一次迭代后基站端的接收信号；
Figure 175530DEST_PATH_IMAGE029
为干扰项的干扰系数，
Figure 659732DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 629962DEST_PATH_IMAGE049
为第一次迭代的初始值；
（3-2）、将
Figure 516010DEST_PATH_IMAGE050
代入到
Figure 359332DEST_PATH_IMAGE046
，得到：
Figure 888752DEST_PATH_IMAGE051
其中，
Figure 351089DEST_PATH_IMAGE052
表示有用信号项、
Figure 357222DEST_PATH_IMAGE053
表示干扰信号项、
Figure 371446DEST_PATH_IMAGE054
为噪声对接收信号的影响；
根据，得到第
Figure 142272DEST_PATH_IMAGE006
次迭代后STBC协同OFDM系统的理论信干比为： 
Figure 997053DEST_PATH_IMAGE055
    
其中，
Figure 182178DEST_PATH_IMAGE056
为有用信号功率、
Figure 862689DEST_PATH_IMAGE057
为干扰信号功率；
 采用第次迭代的初始值
Figure 506608DEST_PATH_IMAGE050
来代替发送信号
Figure 862634DEST_PATH_IMAGE058
，直接计算第
Figure 233704DEST_PATH_IMAGE059
次迭代后接收信号信干比，计算式为：
Figure 700588DEST_PATH_IMAGE060
其中，为采用该信干比计算方法事的有用信号功率，
Figure 56888DEST_PATH_IMAGE062
为采用该信干比计算方法事的干扰信号功率。
上述步骤(4)所述的定义第
Figure 711992DEST_PATH_IMAGE006
次迭代时信干比的相对误差为：
 
其中，
Figure 859256DEST_PATH_IMAGE008
为信干比的理论值，
Figure 557085DEST_PATH_IMAGE007
为本发明提出的计算方法得到的信干比，
将
Figure 699484DEST_PATH_IMAGE050
代入
Figure 773751DEST_PATH_IMAGE007
的表达式为：
其中，
Figure 16804DEST_PATH_IMAGE065
为采用该信干比计算方法事的有用信号功率，
Figure 646499DEST_PATH_IMAGE066
为采用该信干比计算方法时的干扰功率；
对比理论信干比
Figure 462140DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 860891DEST_PATH_IMAGE007
可以看出，第
Figure 900523DEST_PATH_IMAGE006
次迭代后有用信号功率和干扰信号功率的误差项分别为：
Figure 17514DEST_PATH_IMAGE067
Figure 433583DEST_PATH_IMAGE068
当
Figure 686841DEST_PATH_IMAGE069
时，随着迭代次数的增加，误差项中的
Figure 349904DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 682753DEST_PATH_IMAGE071
都趋于0。
本发明的一种STBC协同OFDM系统迭代ICI消除的信干比计算方法与现有技术相比较具有以下优点：该方法能在ICI消除算法复杂度较低情况下实时计算ICI消除过程中的信干比，解决了采用信干比评价系统性能时信干比的计算问题，有利于信干比判断方法的使用。
附图说明
图1为本发明的STBC协同OFDM系统迭代ICI消除的信干比计算方法的流程示意图；
图2为本发明的STBC协同OFDM系统的信号传输模型图；
图3协同点进行空时编码的示意图；
图4为迭代前及每次迭代后，误差
Figure 902513DEST_PATH_IMAGE072
与信噪比的关系曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。
如图1所示，一种STBC协同OFDM系统迭代ICI消除的信干比计算方法，其特征在于操作步骤包括如下： 
(1)、根据高速铁路列车车厢的损耗特性，建立STBC协同OFDM系统传输模型：由于高速铁路车厢对无线信号的损耗大，直接信道对信号的衰减很大，根据STBC协同OFDM系统数据传输速率的要求，数据主要由协同信道传输，建立的STBC协同OFDM系统传输模型，该传输模型为：源节点
Figure 10277DEST_PATH_IMAGE001
是车厢内的移动终端，协同伙伴
Figure 657290DEST_PATH_IMAGE073
是设置的协同点，
Figure 483295DEST_PATH_IMAGE074
是基站，如图2所示。 
(2)、根据STBC协同OFDM系统传输模型，建立STBC协同OFDM系统的ICI模型：协同点处两天线的信号发送模型，如图3所示，基站在第一周期接收两个协同点发送的信号
Figure 241167DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 406700DEST_PATH_IMAGE003
，在第二周期接收两个协同点发送的信号
Figure 224614DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 532056DEST_PATH_IMAGE005
，ICI模型表达为：
Figure 93618DEST_PATH_IMAGE010
其中，、是基站在两个周期接收到的信号，
为有用信号项，
Figure 252012DEST_PATH_IMAGE014
为ICI干扰项，
Figure 454455DEST_PATH_IMAGE015
,
Figure 348592DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 636485DEST_PATH_IMAGE017
，
其中，
Figure 533991DEST_PATH_IMAGE018
（
Figure 590940DEST_PATH_IMAGE019
）表示第
Figure 859241DEST_PATH_IMAGE020
周期接收到两天线的第
Figure 368851DEST_PATH_IMAGE021
个子载波的合并信号， 
Figure 810328DEST_PATH_IMAGE022
为第
Figure 987363DEST_PATH_IMAGE020
周期的接收信号，
Figure 488882DEST_PATH_IMAGE023
 （
Figure 485788DEST_PATH_IMAGE024
）表示信道叠加的高斯白噪声， 
Figure 917907DEST_PATH_IMAGE025
表示发送信号矩阵， 
Figure 967026DEST_PATH_IMAGE026
，，
其中，
Figure 123649DEST_PATH_IMAGE028
为信道传输矩阵，
Figure 906928DEST_PATH_IMAGE029
为干扰项的干扰系数。
Figure 792976DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 636298DEST_PATH_IMAGE031
  ，
其中，
Figure 545479DEST_PATH_IMAGE032
表示子载波数，
Figure 132449DEST_PATH_IMAGE033
为相对子载波间隔的归一化频偏，
Figure 867144DEST_PATH_IMAGE034
是子载波序号， 
Figure 881368DEST_PATH_IMAGE035
指的是第
Figure 340162DEST_PATH_IMAGE021
条和第
Figure 730823DEST_PATH_IMAGE036
条子载波的间距；
(3)、STBC协同OFDM系统进行迭代ICI消除，计算信于比：
将接收信号作为第一次迭代的初始值，迭代后的接收信号作为第二次迭代的初始值，依此类推，并且对每次迭代后的信号进行信干比计算，其具体为：
(3-1)、第一次迭代的初始值为：
Figure 512834DEST_PATH_IMAGE037
，
其中
Figure 697959DEST_PATH_IMAGE038
，第1次迭代消除ICI后信号为：
Figure 644049DEST_PATH_IMAGE039
，
第二次迭代的初始值为：
Figure 572822DEST_PATH_IMAGE044
，依此类推推进行
Figure 287969DEST_PATH_IMAGE006
次迭代，
经过
Figure 638135DEST_PATH_IMAGE006
次迭代后，接收信号为：
Figure 9205DEST_PATH_IMAGE045
(3-2)、以接收信号
Figure 476089DEST_PATH_IMAGE075
为例，将
Figure 45742DEST_PATH_IMAGE050
代入到
Figure 838249DEST_PATH_IMAGE046
的表达式得到：
Figure 493352DEST_PATH_IMAGE051
则根据，得到第次迭代后STBC协同OFDM系统的理论信干比为： 
Figure 338446DEST_PATH_IMAGE055
                          
而在接收端，
Figure 474986DEST_PATH_IMAGE058
是未知的，理论信干比无法通过直接计算得到。因此本发明提出采用第
Figure 549252DEST_PATH_IMAGE006
次迭代的初始值
Figure 93497DEST_PATH_IMAGE050
来代替发送信号
Figure 962227DEST_PATH_IMAGE058
，直接计算第
Figure 529606DEST_PATH_IMAGE059
次迭代后接收信号信干比，计算式为：
Figure 141984DEST_PATH_IMAGE060
(4)、将经过
Figure 540735DEST_PATH_IMAGE006
次迭代后得到的信干比与信干比的理论值
Figure 980516DEST_PATH_IMAGE008
对比，定义第
Figure 317956DEST_PATH_IMAGE006
次迭代时信干比计算的相对误差为：
Figure 836793DEST_PATH_IMAGE076
 
将
Figure 47326DEST_PATH_IMAGE050
代入
Figure 651614DEST_PATH_IMAGE007
的表达式并化简得到：
Figure 605794DEST_PATH_IMAGE077
对比真实信干比，第次迭代后信号部分和干扰部分的误差项分别为：
Figure 259346DEST_PATH_IMAGE067
、
Figure 954900DEST_PATH_IMAGE068
。
当
Figure 120434DEST_PATH_IMAGE069
时，随着迭代次数的增加，
Figure 938348DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 251649DEST_PATH_IMAGE071
 都趋于0，同时噪声引起的误差可以根据信噪比估算，用此方法计算的信干比有效代表信干比的理论值。
图4为仿真出了子载波数为1024，采用QPSK调制时，随着迭代次数的增加，相对误差
Figure 547632DEST_PATH_IMAGE078
与信噪比的关系曲线，从图中可以看出，
Figure 895568DEST_PATH_IMAGE078
较小，该方法可以有效计算ICI消除过程中的信干比。
综上所述，本发明提出的一种STBC协同OFDM系统迭代ICI消除的信干比计算方法可以在复杂度较低的情况下实时计算ICI消除过程中的信干比，为高速移动的STBC协同OFDM系统提供了重要的实用化技术。

Claims (4)

1.一种STBC协同OFDM系统迭代ICI消除的信干比计算方法，其特征在于，其具体步骤包括如下： 
(1)、根据高速铁路列车车厢的损耗特性，建立STBC协同OFDM系统的信号传输模型，该传输模型为：源节点                                                
Figure 298065DEST_PATH_IMAGE001
发送数据给两个协同点，协同点对接收到的信号解码，经串并变换、空时编码形成STBC信号，再经过IFFT，串并变换，加循环前缀，通过天线将信息发给目的节点；
(2)、根据STBC协同OFDM系统传输模型，建立STBC协同OFDM系统的ICI模型：基站在第一周期接收两个协同点发送的信号和，在第二周期接收两个协同点发送的信号
Figure 135199DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 909DEST_PATH_IMAGE005
；
(3)、对STBC协同OFDM系统进行迭代ICI消除，计算信干比:将接收信号作为第一次迭代的初始值，迭代后的接收信号作为第二次迭代的初始值，依此类推进行
Figure 101852DEST_PATH_IMAGE006
次迭代,并且对每次迭代后的信号进行信干比计算；
(4)、将上述经过
Figure 5217DEST_PATH_IMAGE006
次迭代后得到的信干比
Figure 62166DEST_PATH_IMAGE007
与信干比的理论值
Figure 127205DEST_PATH_IMAGE008
对比，定义
Figure 902394DEST_PATH_IMAGE009
为第
Figure 275694DEST_PATH_IMAGE006
次迭代时信干比的相对误差并进行误差分析。
2.根据权利要求1所述的STBC协同OFDM系统迭代ICI消除的信干比计算方法，其特征在于，上述步骤(2)中所述的建立STBC协同OFDM系统ICI模型，其表达为：
Figure 452729DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 688669DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 951155DEST_PATH_IMAGE012
是基站在两个周期接收到的信号，
为有用信号项，
Figure 149235DEST_PATH_IMAGE014
为ICI干扰项，
Figure 821656DEST_PATH_IMAGE015
,
Figure 305858DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 354716DEST_PATH_IMAGE017
，
其中，
Figure 234904DEST_PATH_IMAGE018
（
Figure 15910DEST_PATH_IMAGE019
）表示第
Figure 987408DEST_PATH_IMAGE020
周期接收到两天线的第
Figure 574378DEST_PATH_IMAGE021
个子载波的合并信号， 
Figure 314932DEST_PATH_IMAGE022
为第
Figure 329156DEST_PATH_IMAGE020
周期的接收信号，
Figure 787950DEST_PATH_IMAGE023
 （
Figure 99983DEST_PATH_IMAGE024
）表示信道叠加的高斯白噪声，
Figure 960622DEST_PATH_IMAGE025
表示发送信号矩阵，
Figure 139888DEST_PATH_IMAGE026
，，
其中，
Figure 14751DEST_PATH_IMAGE028
为信道传输矩阵，
Figure 729897DEST_PATH_IMAGE029
为干扰项的干扰系数， 
，
Figure 253731DEST_PATH_IMAGE031
 
其中，
Figure 986195DEST_PATH_IMAGE032
表示子载波数，
Figure 493530DEST_PATH_IMAGE033
为相对子载波间隔的归一化频偏，
Figure 38036DEST_PATH_IMAGE034
是子载波序号， 指的是第条和第
Figure 653453DEST_PATH_IMAGE036
条子载波的间距。
3.根据权利要求2所述的一种STBC协同OFDM系统迭代ICI消除的信干比计算方法，其特征在于，上述步骤(3)所述的对STBC协同OFDM系统进行迭代ICI消除，计算信干比，其具体为：
(3-1)、第一次迭代的初始值为：
Figure 112467DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 880965DEST_PATH_IMAGE038
，第1次迭代消除ICI后信号为：
Figure 634858DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 726573DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 47833DEST_PATH_IMAGE041
表示第一次迭代后基站端的接收信号；
为干扰项的干扰系数，
Figure 289906DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 688658DEST_PATH_IMAGE043
为第一次迭代的初始值，
第二次迭代的初始值为：
Figure 993868DEST_PATH_IMAGE044
，依此类推，
经过
Figure 845281DEST_PATH_IMAGE006
次迭代后，基站端的接收信号为：
Figure 278928DEST_PATH_IMAGE045
其中，
Figure 797765DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 8298DEST_PATH_IMAGE047
表示第一次迭代后基站端的接收信号；
Figure 550268DEST_PATH_IMAGE029
为干扰项的干扰系数，
Figure 504449DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 877793DEST_PATH_IMAGE049
为第一次迭代的初始值；
（3-2）、将
Figure 259227DEST_PATH_IMAGE050
代入到 ，得到：
Figure 295633DEST_PATH_IMAGE051
其中，
Figure 517624DEST_PATH_IMAGE052
表示有用信号项、
Figure 335538DEST_PATH_IMAGE053
表示干扰信号项、
Figure 648839DEST_PATH_IMAGE054
为噪声对接收信号的影响；
根据
Figure 944822DEST_PATH_IMAGE046
，得到第
Figure 230441DEST_PATH_IMAGE006
次迭代后STBC协同OFDM系统的理论信干比为： 
Figure 953678DEST_PATH_IMAGE055
    
其中，
Figure 754274DEST_PATH_IMAGE056
为有用信号功率、
Figure 853949DEST_PATH_IMAGE057
为干扰信号功率；
 采用第
Figure 50532DEST_PATH_IMAGE006
次迭代的初始值
Figure 397199DEST_PATH_IMAGE050
来代替发送信号
Figure 685092DEST_PATH_IMAGE058
，直接计算第
Figure 322878DEST_PATH_IMAGE059
次迭代后接收信号信干比，计算式为：
Figure 379827DEST_PATH_IMAGE060
其中，
Figure 710445DEST_PATH_IMAGE061
为采用该信干比计算方法事的有用信号功率，为采用该信干比计算方法事的干扰信号功率。
4.根据权利要求3所述的一种STBC协同OFDM系统迭代ICI消除的信干比计算方法，其特征在于，上述步骤(4)所述的定义第
Figure 927111DEST_PATH_IMAGE006
次迭代时信干比的相对误差为：
Figure 776250DEST_PATH_IMAGE063
 
其中，
Figure 271910DEST_PATH_IMAGE008
为信干比的理论值，
Figure 534395DEST_PATH_IMAGE007
为本发明提出的计算方法得到的信干比，
将代入
Figure 545525DEST_PATH_IMAGE007
的表达式为：
其中，
Figure 889098DEST_PATH_IMAGE065
为采用该信干比计算方法事的有用信号功率，
Figure 937957DEST_PATH_IMAGE066
为采用该信干比计算方法时的干扰功率；
对比理论信干比和
Figure 667327DEST_PATH_IMAGE007
可以看出，第
Figure 594086DEST_PATH_IMAGE006
次迭代后有用信号功率和干扰信号功率的误差项分别为：
Figure 915477DEST_PATH_IMAGE067
Figure 921610DEST_PATH_IMAGE068
当
Figure 935834DEST_PATH_IMAGE069
时，随着迭代次数的增加，误差项中的
Figure 394628DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 519710DEST_PATH_IMAGE071
都趋于0。
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彭章友 等: "STBC协同OFDM系统快速迭代ICI消除的信干比计算", 《应用科学学报》 *

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