CN102752244A - 一种无循环前缀的单载波频域均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无循环前缀的单载波频域均衡方法，可以明显提高单载波通信系统的带宽利用率。本发明方法的单载波系统物理帧包括训练序列部分和数据传输部分，其中所述训练序列为ZC序列，序列长度为FFT块长，在训练序列前添加循环前缀；所述数据传输部分为数据块，每块长度为FFT块长。该方法利用所述训练序列进行信道估计以及降噪处理，对接收到的数据进行块间干扰消除以及循环前缀的重构来消除符号间干扰，从而使得无循环前缀保护的单载波系统能够具有跟带有循环前缀保护的单载波系统一样的抗多径干扰特性。该方法的优点是在传统SCFDE的基础上，消除了循环前缀的开销，大大提高了带宽利用率和数据传输速率。

Description

一种无循环前缀的单载波频域均衡方法

技术领域

本发明属于宽带无线传输技术领域，特别涉及一种在无循环前缀保护情况下的单载波频域均衡的方法。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，宽带无线通信系统日益成为人们关注的热点。然而在宽带无线通信系统中，信道的多径效应会引入严重的符号间干扰（ISI），从而严重影响通信可靠性。单载波频域均衡（SC-FDE）是宽带无线传输中一种十分有效的对抗多径干扰的方法，由于其相对于时域均衡的低复杂度，以及相对于正交频分多址（OFDM）技术的低峰均比这两个优势，是目前公认的可用于对抗多径衰落的单载波解决方案，已得到国际上众多的标准化组织以及设备制造商的认可与采纳，并广泛应用于各种无线通信领域。

类似于OFDM系统，SC-FDE系统在接收端利用了高效的FFT运算，数据传输以块结构来实现，通过对每单个块添加循环前缀来抵抗多径干扰，从而可以采用频域均衡来消除ISI。其中CP的长度应该大于信道冲击响应的长度，这样可以使得原来的线性卷积转换成圆周卷积，从而使得不同的多径延迟在频域上表现为在不同频率上具有不同的相位旋转，多个时延信号的叠加则表现为频率选择性衰落，然而在信道条件已知的情况下，在频域进行信道补偿即是一个简单的线性相乘运算，计算复杂度低，在完成频域信道补偿完之后将整块频域数据通过IFFT转换到时域进行判决，即完成了频域均衡。

基于CP和频域均衡的单载波块传输系统在接收端通过FFT/IFFT可以方便地实现频域一阶均衡，具有与OFDM相近的复杂度和性能，克服了多径引起的频率选择性衰落。然而由以上描述可知，为抵抗多径衰落，CP长度必须大于信道冲击响应的长度，而在高速宽带系统中，多径干扰随着带宽的增加而成倍的增长，因此CP长度也成倍的增长，这使得CP消耗在总数据载荷中占的比重越来越大，导致带宽利用率大大降低，因此一种不采用CP的频域均衡技术能够避免CP的巨大开销，有效的提高带宽利用率，更好的实现高速宽带的数据传输。

发明内容

本发明的目的是克服现有基于CP的SC-FDE系统中CP开销大、带宽利用率低的问题，提出了一种无循环前缀的单载波频域均衡方法。该方法中，物理帧包括训练序列部分和数据传输部分，其中所述训练序列（UW）为ZC序列，长度为FFT块长，在训练序列前添加循环前缀（CP）；所述数据传输部分为数据块，每块长度为FFT块长。通过在接收端进行信道估计、块间干扰消除以及循环重构达到与带CP系统相同的性能，有效地提升了系统带宽利用率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种无循环前缀的单载波频域均衡方法，该方法包括以下步骤：

（1）接收机对模拟信号进行采样以及数字下变频之后，接收物理帧信号r；所述物理帧信号r包括训练序列以及数据传输部分；所述训练序列（UW）为ZC序列，长度为FFT块长，在训练序列前添加循环前缀（CP）；所述数据传输部分为数据块，每块长度为FFT块长；

（2）从接收得到的物理帧信号r中，根据物理帧结构提取出训练序列r_ZC，将该序列与本地序列进行移位相关运算以及降噪处理得到信道信息；

（3）根据2得到的信道信息以及上一符号块判决结果，来消除上一符号块对本符号块的干扰，即消除块间干扰；

（4）利用由2得到的信道信息以及本符号前一次迭代的判决结果，对3得到的信号r′(i)进行循环前缀的重构，使得符号块具有与传统SCFDE系统相同的循环特性；

（5）利用由2得到的信道信息以及4得到的循环重构之后的信号y(i)来进行频域一阶均衡，从而消除符号块内的符号间干扰；

（6）将由5频域均衡得到的数据块进行IFFT变换至时域，输入到译码器，进行软译码，得到译码软信息以及译码结果输出；

（7）迭代检测，利用6得到的译码软信息进行重映射作为判决结果返回步骤4，通过迭代消除ISI干扰，经过多次迭代操作达到需要的性能；

（8）解调，通过对译码输出结果进行判决，解调恢复原始发送数据。本发明的有益效果是，应用本发明的方法，在没有循环前缀保护的单载波频域均衡系统中，能够通过在接收端经过简单的迭代运算来抵抗多径干扰造成的IBI以及ISI，最终能够得到与带循环前缀保护的单载波频域均衡系统相接近的性能，从而能够有效的提升带宽利用率以及数据传输速率，适用于宽带单载波频域均衡系统。

附图说明

图1为无CP-SCFDE系统的结构原理示意图；

图2为无CP-SCFDE系统解调框图；

图3为块间干扰（IBI）消除示意图；

图4为消除IBI之后的ISI干扰示意图；

图5为通过循环重构消除ISI干扰方法示意图。

具体实施方式

一种无循环前缀的单载波频域均衡方法，无CP-SCFDE系统的物理帧包括训练序列部分和数据传输部分，其中所述训练序列（UW）为ZC序列，长度为FFT块长，在训练序列前添加循环前缀（CP）；所述数据传输部分为数据块，每块长度为FFT块长。通过在接收端进行信道估计、块间干扰消除以及循环重构达到与带CP系统相同的性能，有效地提升了系统带宽利用率。

本发明一种无循环前缀的单载波频域均衡方法，具体包括以下步骤：

1、接收机经过对模拟信号进行采样以及数字下变频之后，接收物理帧信号r；所述物理帧信号r包括训练序列以及数据传输部分。所述训练序列（UW）为ZC序列，长度为FFT块长，在训练序列前添加循环前缀（CP）；所述数据传输部分为数据块，每块长度为FFT块长。

2、从接收得到的物理帧信号r中，根据物理帧结构提取出训练序列r_ZC，将该序列与本地序列进行移位相关运算以及降噪处理得到信道信息。

假设信道响应为：

h＝[h₀,h₁,...h_L]；

其中h_i为第i径的幅度，则h_i的估计方法如下：

$h_i={\mathrm{\Σ}}_{j=0}^{N_{\mathrm{FFT}-1}}{r}_{\mathrm{ZC}}\left(j\right)s_{\mathrm{ZC}}^i\left(j\right);$

其中N_FFT为FFT块长，r_ZC为接收到的训练序列，

为本地训练序列的i循环移位，j为FFT块的序数。

在初步获得信道响应h＝[h₀,h₁,...h_L]之后，对其进行进一步的降噪处理：首先对h_i进行由低到高排序，对占总能量10%以内的M条径求平均，之后取该值的6倍作为门限判决量，向量h中小于该门限的径我们认为是噪声项而非信道本身响应，因此都可将其赋值为零，由此我们得到了最终的信道响应估计结果。

3、根据2得到的信道信息以及上一符号块判决结果，来消除上一符号块对本符号块的干扰，即消除块间干扰（IBI）。

首先，接收到的信号可以表示为：

r(i)＝H₀x(i)+H₁x(i-1)+n(i)；

其中r(i)为i时刻接收数据块，为i-1时刻接收数据块的判决结果，n(i)为i时刻的噪声干扰，H₀和H₁为i时刻的信道矩阵：

由此可见，块间干扰（IBI）即为表达式中的H₁x(i-1)，具体见示意图3。消除其的方法即为将其从接收信号中减去，操作比较简单，容易实现，消除IBI之后的信号可以表示为：

$r^{\′}\left(i\right)=r\left(i\right)-H_1\hat{x}(i-1)=H_{0}x\left(i\right)+n\left(i\right);$

对于数据传输部分第一数据块（i＝0），采用已知ZC序列进行IBI消除，即取 $\hat{x}(i-1)=s_{\mathrm{ZC}}.$

4、利用由2得到的信道信息以及本符号前一次迭代的判决结果，对3得到的信号r′(i)进行循环前缀的重构，使得符号块具有与传统SCFDE系统相同的循环特性。

通过IBI消除之后，r′(i)中虽然不再包含符号块间干扰，但仍包含符号间干扰，具体见示意图4，可以看出在第i个符号块内，前L-1个符号无循环特性，与传统的带CP系统的接收信号模型不同，后面若干符号都与带CP系统相同。则为能够通过简单的一阶频域均衡来消除ISI，我们采用一定的操作，将现有数据块通过循环重构转换为带有循环特性的数据块，具体过程如图5可见，即利用当前观测符号的尾部信息，加回至现有数据块中，从而恢复数据块的循环卷积特性。具体可以表示为：

$y\left(i\right)=r^{\′}\left(i\right)+H_1\hat{x}\left(i\right)=H_{0}x\left(i\right)+H_1\hat{x}\left(i\right)+n\left(i\right);$

其中r′(i)为i时刻接收数据块进行块间干扰消除后的信号，

为i时刻接收数据块上一次迭代的判决结果。

5、利用由2得到的信道信息以及4得到的循环重构之后的信号y(i)来进行频域一阶均衡，从而消除符号块内的符号间干扰（ISI）。

经过循环重构之后的信号y(i)表示如下：

$y\left(i\right)=(H_0+H_1)x\left(i\right)+H_1(\hat{x}\left(i\right)-x\left(i\right))+n\left(i\right)$

$=H_{c}x\left(i\right)+H_1(\hat{x}\left(i\right)-x\left(i\right))+n\left(i\right);$

其中，H_c＝H₀+H₁为信道循环矩阵，其频域响应D为对角阵，对循环前缀得到的数据块以及信道信息进行FFT变换，得到频域表示为：

$Y=\mathrm{DX}+F{H}_1(\hat{x}-x)+\mathrm{Fn};$

其中X为发送信号的频域表示，Y为接收信号的频域表示，F为傅里叶变换矩阵，将

作为噪声项，采用频域最小均方误差（MMSE）均衡进行一阶均衡消除ISI，均衡器系数为：

$W\left(k\right)=\frac{H^{*}\left(k\right)}{{\left|H\left(k\right)\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_n^2},0\≤k\≤N-1.$

其中，W(k)为均衡其系数矩阵，k为FFT块的序数，H(k)为矩阵D中的对角元素，

为噪声能量。

6、将由5频域均衡得到的数据块进行IFFT变换至时域，输入到译码器，进行软译码，得到译码软信息以及译码结果输出。

7、迭代检测，利用6得到的译码软信息进行重映射作为判决结果返回步骤4，通过迭代消除ISI干扰，经过多次迭代操作达到需要的性能。

8、解调，通过对译码输出结果进行判决，解调恢复原始发送数据。

以上所述仅为本发明的一个具体实施例而已，并不构成对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无循环前缀的单载波频域均衡方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）接收机对模拟信号进行采样以及数字下变频之后，接收物理帧信号r；所述物理帧信号r包括训练序列以及数据传输部分；所述训练序列（UW）为ZC序列，长度为FFT块长，在训练序列前添加循环前缀（CP）；所述数据传输部分为数据块，每块长度为FFT块长；

（2）从接收得到的物理帧信号r中，根据物理帧结构提取出训练序列r_ZC，将该序列与本地序列进行移位相关运算以及降噪处理得到信道信息；

（3）根据2得到的信道信息以及上一符号块判决结果，来消除上一符号块对本符号块的干扰，即消除块间干扰；

（4）利用由2得到的信道信息以及本符号前一次迭代的判决结果，对3得到的信号r′(i)进行循环前缀的重构，使得符号块具有与传统SCFDE系统相同的循环特性；

（5）利用由2得到的信道信息以及4得到的循环重构之后的信号y(i)来进行频域一阶均衡，从而消除符号块内的符号间干扰；

（6）将由5频域均衡得到的数据块进行IFFT变换至时域，输入到译码器，进行软译码，得到译码软信息以及译码结果输出；

（7）迭代检测，利用6得到的译码软信息进行重映射作为判决结果返回步骤4，通过迭代消除ISI干扰，经过多次迭代操作达到需要的性能；

（8）解调，通过对译码输出结果进行判决，解调恢复原始发送数据。

2.根据权利要求1所述无循环前缀的单载波频域均衡方法，其特征在于，所述步骤2具体为：假设信道响应为：

h＝[h₀,h₁,...h_L]；

其中，h_i为第i径的幅度，则h_i的估计方法如下：

$h_i={\mathrm{\Σ}}_{j=0}^{N_{\mathrm{FFT}}-1}{r}_{\mathrm{ZC}}\left(j\right)s_{\mathrm{ZC}}^i\left(j\right);$

其中N_FFT为FFT块长，r_ZC为接收到的训练序列，

为本地训练序列的i循环移位，j为FFT块的序数；

在初步获得信道响应h＝[h₀,h₁,...h_L]之后，对其进行进一步的降噪处理：首先对h_i进行由低到高排序，对占总能量10%以内的M条径求平均，之后取该值的6倍作为门限判决量，向量h中小于该门限的径赋值为零，由此得到最终的信道响应估计结果。

3.根据权利要求1所述无循环前缀的单载波频域均衡方法，其特征在于，所述步骤3具体为：将块间干扰从接收信号中减去，消除IBI之后的信号可以表示为：

$r^{\′}\left(i\right)=r\left(i\right)-H_1\hat{x}(i-1)=H_{0}x\left(i\right)+n\left(i\right);$

其中r′(i)为i时刻接收数据块进行块间干扰消除后的信号，r(i)为i时刻接收数据块，

为i-1时刻接收数据块的判决结果，n(i)为i时刻的噪声干扰，H₀和H₁为i时刻的信道矩阵：

对于数据传输部分第一数据块，采用已知ZC序列进行IBI消除，即取

$\hat{x}(i-1)=s_{\mathrm{ZC}}.$

4.根据权利要求1所述无循环前缀的单载波频域均衡方法，其特征在于，所述步骤4具体为：所述对步骤（3）得到的信号r′(i)进行循环前缀的重构具体可以表示为：

$y\left(i\right)=r^{\′}\left(i\right)+H_1\hat{x}\left(i\right)=H_{0}x\left(i\right)+H_1\hat{x}\left(i\right)+n\left(i\right);$

其中，

为i时刻接收数据块上一次迭代的判决结果。

5.根据权利要求1所述无循环前缀的单载波频域均衡方法，其特征在于，所述步骤5具体为：经过循环重构之后的信号y(i)表示如下：

$y\left(i\right)=(H_0+H_1)x\left(i\right)+H_1(\hat{x}\left(i\right)-x\left(i\right))+n\left(i\right)$

$=H_{c}x\left(i\right)+H_1(\hat{x}\left(i\right)-x\left(i\right))+n\left(i\right);$

其中，H_c＝H₀+H₁为信道循环矩阵，其频域响应D为对角阵，对循环前缀得到的数据块以及信道信息进行FFT变换，得到频域表示为：

$Y=\mathrm{DX}+F{H}_1(\hat{x}-x)+\mathrm{Fn};$

其中，X为发送信号的频域表示，Y为接收信号的频域表示，F为傅里叶变换矩阵，将

作为噪声项，采用频域最小均方误差均衡进行一阶均衡消除ISI，均衡器系数为：

$W\left(k\right)=\frac{H^{*}\left(k\right)}{{\left|H\left(k\right)\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_n^2},0\≤k\≤N-1;$

其中，W(k)为均衡其系数矩阵，k为FFT块的序数，H(k)为矩阵D中的对角元素，

为噪声能量。

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