CN102801682B - Ofdm系统的信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDM系统的信号检测方法，本发明提出通过重构循环卷积，消除符号间干扰和载波间干扰的OFDM符号检测方法。首先对接收的OFDM数据进行符号间干扰消除，完成循环卷积的重构，然后利用线性模型估计的信道冲激响应构造频域均衡系数，消除载波间干扰，完成对OFDM符号的数据检测。本发明提出的检测方法，可以有效的消除多径时延导致符号间干扰和时变性引起的载波间干扰，完成对OFDM数据的检测，提高检测性能。

Description

OFDM系统的信号检测方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及一种在快时变信道下，采用块状导引代替循环前缀的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系统的信号检测方法。

背景技术

OFDM技术将高速串行数据流转化为并行低速数据流，能够有效对抗多径效应引起频率选择性衰落，同时，OFDM技术利用DFT（Discrete Fourier Transform）变换实现正交多载波调制，降低复杂度，并且提高了频谱效率。正是由于上面的优点，OFDM技术受到了越来越多的关注，已经应用到LTE（Long Term Evolution）和地面广播数字系统中。

在地面超高速移动环境中，信道不仅具备快时变的特征，同时也存在恶劣的多径效应，信道变化同时引入符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)和载波间干扰(Inter-CarrierInterference，ICI)会破坏OFDM系统的传输特性，造成系统性能的迅速恶化。因此，如何利用信道信息对OFDM数据进行有效检测，提高系统抗干扰能力是未来无线通信传输系统的核心技术之一。在无循环前缀保护的OFDM系统中，在多径时延较小时，残余符号间干扰消除算法(Residual ISI cancellation，RISIC)和循环前缀重构(Cyclic Prefix Reconstruction，CPR)算法能够有效的消除符号间干扰，达到对OFDM符号的有效检测。具体可参考文献：Dukhyun Kim;Stuber,G.L.Residual ISI cancellation for OFDM with application to HDTV broadcasting，IEEETrans.Commun.,vol.16,no.8,pp.1590-1599,Oct.1998;及Cheol-Jin Park;Gi-Hong Im;Efficient Cyclic Prefix Reconstruction for Coded OFDM Systems,IEEE Commun.lett.,vol.8,no.5,pp.274-276,May.2004。但是这些方法都假设了信道是慢变的，在快变信道下，会导致较大的误差，恶化检测性能。针对多普勒较大的快时变信道，一些作者提出利用多普勒分集技术提高系统性能，将多普勒偏移作为分集资源，可以有效对抗多普勒扩展的影响。针对不同的分集方法，提出了发送机多普勒分集、接收机分集、发送接收联合分集、扇形定向天线多普勒分集等，但是，采用多普勒分集技术的复杂度较大,而且一般要求循环前缀大于信道多径时延，在存在较大的符号间干扰环境下，多普勒分集技术也会导致较大的误差，降低系统性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的上述问题，提出了一种OFDM系统的信号检测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种OFDM系统的信号检测方法，具体包括如下步骤：

S1：利用第i段和i+1段的导引数据分别得到其持续时间的内的信道信息参数和其中，l表示归一化的信道多径位置，L表示归一化的最大多径时延，表示导引持续时间内第l条径的信道增益均值，表示导引持续时间内第l条径的信道增益均值；

S2：估计OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道状态信息参数和其中，表示OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道增益均值，表示OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道增益斜率；

S3：对OFDM数据单元xⁱ的数据响应进行符号间干扰消除和循环卷积重构，得到 ${\tilde{r}}_{\_\mathrm{ofdm}}^i;$

S4：对步骤S3得到的进行傅里叶变换，得到频域响应并构造频域均衡器，消除载波间干扰，完成OFDM符号检测。

进一步的，步骤S2中具体采用线性模型估计OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道状态信息参数和

进一步的，在S3中对接收的数据响应进行符号间干扰消除和循环卷积重构时，包括以下分步骤：

S31：利用第i段的导引数据和步骤S2得到的信道状态信息，估计导引对OFDM数据单元xⁱ的符号间干扰

S32：利用导引和步骤S2得到的信道状态信息，得到导引与信道增益卷积的前L个样本利用导引的数据响应的前L个样本减去得到即等于其中，表示需要重构的数据部分；

S33：将的前L个样本减去并加上得到经过干扰消除和循环卷积重构的数据则为：

${\tilde{r}}_{\_\mathrm{ofdm}}^i\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}{r}_{\_\mathrm{ofdm}}^i\left(n\right)-r_{\mathrm{Re}\_\mathrm{ISI}}^i\left(n\right)+r_{\mathrm{Add}}^i\left(n\right),0\&le;n<L\\ r_{\_\mathrm{ofdm}}^i\left(n\right),L\&le;n<N\end{array}\right.$

其中，n表示采用时刻；N表示OFDM数据单元长度；i表示OFDM数据单元标号。

本发明的有益效果：本发明提出通过重构循环卷积，消除符号间干扰和载波间干扰的OFDM符号检测方法。首先对接收的OFDM数据进行符号间干扰消除，完成循环卷积的重构，然后利用线性模型估计的信道冲激响应构造频域均衡系数，消除载波间干扰，完成对OFDM符号的数据检测。本发明提出的OFDM符号检测方法，可以有效的消除多径时延导致符号间干扰和时变性引起的载波间干扰，完成对OFDM数据的检测，提高检测性能。

附图说明

图1为本发明采用的数据结构模型示意图。

图2为OFDM符号检测时数据模型示意图。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施实例。需要说明的是：实例中的参数并不影响本发明的一般性。

在本发明中，发送的数据模型如图1(a)所示。发送的数据流经调制、串并转换后，作长度为N的IFFT变换。在时域，在相邻的OFDM数据单元间填加导引序列组成信息流数据。设传输的第i帧OFDM符号经IFFT调制后得到的OFDM数据单元 ${\left\{s_n^i\right\}}_{n=0}^{N-1}:$

$s_n^i=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_k^i\exp \left(\frac{j2\mathrm{\&pi;kn}}{N}\right),0\&le;n<N---\left(1\right)$

设填加的块状导引是恒幅度零自相关(CAZAC)信号，其频域响应满足：

$P\left(k\right)=\exp \left[\frac{{j2\mathrm{\&pi;k}}_1}{N_P}(\frac{k^2}{2}+\mathrm{qk})\right],0\&le;k<N_p---\left(2\right)$

其中：导引序列长度N_p，为便于后文的信道估计，不妨设N_p是偶数。k₁与N_p互质，q是任意整数，则时域块状导引序列为：

$p_n=\frac{1}{\sqrt{N_p}}\underset{k=0}{\overset{N_p-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_k\exp \left(\frac{j2\mathrm{\&pi;kn}}{N_p}\right),0\&le;n<N_p---\left(3\right)$

根据图1(a)，设第i个扩展的OFDM数据块由第i个OFDM数据单元和第(i+1)个导引构成，且长度为N₂=N+M。进一步的，定义长度是N₃=N+2M的第i个扩展的OFDM符号块，其包含第i个扩展的OFDM数据块和第i个导引假设多径瑞利信道具有(L+1)径：h=[h₀,h₁,h₂,...,h_L]^T，且在扩展的OFDM符号块持续时间内信道冲激响应近似满足线性变化模型。导引长度大于信道多径时延。

根据图1的数据模型，对第i个OFDM数据单元xⁱ的数据响应进行检测：在第i个扩展的OFDM符号块内，根据图2，假设利用导引分别得到它们持续时间内的信道状态均值利用线性模型估计OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道状态信息参数：

信道增益斜率：

${\mathrm{\&lambda;}}_l^{\mathrm{ofdm}}=\frac{h_l^{\mathrm{ave},i+1}-h_l^{\mathrm{ave},i}}{N+N_p},0\&le;l\&le;L---\left(4\right)$

信道增益均值：

$h_{\mathrm{mid},l}^{\mathrm{ofdm}}=\frac{h_l^{\mathrm{ave},i+1}+h_l^{\mathrm{ave},i}}{2},0\&le;l\&le;L---\left(5\right)$

OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道状态信息描述为：

$h_{n,l}^{\mathrm{ofdm}}=h_{\mathrm{mid},l}^{\mathrm{ofdm}}+{\mathrm{\&lambda;}}_l^{\mathrm{ofdm}}(n-\frac{N}{2}),0\&le;l\&le;L,0\&le;n<N---\left(6\right)$

其中，表示第OFDM数据单元xⁱ持续时间内第n时刻第l条径的信道增益，N表示数据长度，L表示归一化的最大多径时延。由于发送的OFDM数据单元没有循环前缀的保护，因此，接收的时域OFDM数据单元的前L个样本将受到来自相邻导引数据的符号间干扰：

$r_{\_\mathrm{ofdm}}^i\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\underset{l=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{n,l}^{\mathrm{ofdm}}{s}_{<n-l>N}^i+\underset{l=n+1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{n,l}^{\mathrm{ofdm}}{p}_{<n-l>N_p}^i+w_n^i,0\&le;n<L\\ \underset{l=0}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{n,l}^{\mathrm{ofdm}}{s}_{<n-1>N}^i+w_n^i,L\&le;n<N\end{array}\right.---\left(7\right)$

为了使接收的OFDM数据单元满足循环卷积，需要消除符号间干扰和数据重构：

${\tilde{r}}_{\_\mathrm{ofdm}}^i\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}{r}_{\_\mathrm{ofdm}}^i\left(n\right)-r_{\mathrm{Re}\_\mathrm{ISI}}^i\left(n\right)+r_{\mathrm{Add}}^i\left(n\right),0\&le;n<L\\ r_{\_\mathrm{ofdm}}^i\left(n\right),L\&le;n<N\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{Re}\_\mathrm{ISI}}^i=\underset{l=n+1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{n,l}^{\mathrm{ofdm}}{p}_{<n-l>N_p}^i,0\&le;n<L\\ r_{\mathrm{Add}}^i=\underset{l=n+1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{n,l}^{\mathrm{ofdm}}{s}_{<n-l>N}^i,0\&le;n<L\end{array}\right.---\left(9\right)$

可以通过两步完成对符号间干扰的消除和重构循环卷积。

第一步利用已知的导引数据和估计的信道信息消除符号间干扰

第二步估计重构OFDM数据单元的循环卷积。值得注意的是，导引数据的时域响应的前L个样本包含第i个OFDM数据单元的响应。根据式(4)、(5)，导引的前N_p/2持续时间的信道信息表示为：

$h_{n,l}^{i+1}=h_{\mathrm{mid},l}^{\mathrm{ofdm}}+{\mathrm{\&lambda;}}_l^{\mathrm{ofdm}}(n-\frac{N}{2}),0\&le;l\&le;L,N\&le;n<N+\frac{N_p}{2}---\left(10\right)$

导引数据的时域响应的前L个样本：

$r_{\_\mathrm{pilot}}^{i+1}\left(n\right)=r_{\_1}^{i+1}\left(n\right)+r_{\_2}^{(i+1)}\left(n\right),0\&le;n<L---\left(11\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{\_1}^{i+1}=\underset{l=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{n,l}{p}_{<n-l>N_p}^{i+1},0\&le;n<L\\ r_{\_2}^{i+1}=\underset{l=n+1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{n,l}^{i+1}{s}_{<n-l>N}^i+w_n^{i+1},0\&le;n<L\end{array}\right.---\left(12\right)$

式(12)的第一个式子，已知导引和信道状态信息，可以容易地得到则：

$r_{\_2}^{i+1}\left(n\right)=r_{\_\mathrm{pilot}}^{i+1}\left(n\right)-r_{\_1}^{i+1}\left(n\right),0\&le;n<L---\left(13\right)$

注意到与中，只有信道系数略微不同，在归一化多普勒扩展值小于20%时，信道信息主要由信道增益均值决定，因此，可以近似得到：

$r_{\mathrm{Add}}^i\left(n\right)\&ap;r_{\_2}^{i+1}\left(n\right),0\&le;n<L---\left(14\right)$

结合以上分析，得到经过符号间干扰消除和循环卷积重构后的数据响应满足：

${\tilde{r}}_{\_\mathrm{ofdm}}^i=(H_{\mathrm{mid}}+M\&times;A)\&times;s^i+w^i---\left(15\right)$

H_mid,A是托普利兹矩阵，满足：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{mid}}(n,m)=h_{\mathrm{mid},<n-m>N}^{\mathrm{ofdm}},0\&le;m,n<N\\ A(n,m)={\mathrm{\&lambda;}}_{<n-m>N}^{\mathrm{ofdm}},0\&le;n,m<N\end{array}\right.---\left(16\right)$

M是对角矩阵：

$M(n,n)=n-\frac{N}{2},0\&le;n<N---\left(17\right)$

对式(15)作FFT变换，得到频域响应：

${\tilde{R}}_{-\mathrm{OFDM}}^i=D\&times;S^i+W^i---\left(18\right)$

其中：D由两部分组成：D=(D₁+D₂)，且

$\left\{\begin{array}{c}{D}_1(k,k)=\underset{l=0}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{\mathrm{mid},l}^{\mathrm{ofdm}}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{kl}},0\&le;k<N\\ D_2(k,m)=\left\{\begin{array}{c}\underset{l=0}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1^{\mathrm{ofdm}}}{N}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{ml}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(n+\frac{N}{2})e^{j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}(m-k)n},0\&le;k,n<N,k\&NotEqual;m\\ 0,k=m\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(19\right)$

同样采用MMSE准则构造频域均衡器Q:

Q=(D^HD+σ²I_N)^-1D^H                         (20)

其中σ²是噪声方差，I_N是N×N的单位矩阵，估计OFDM符号经解调后得到发送的信息。值得注意的是，对本领域的研究人员而言，对除采用频域均衡外，还可以采用其他的方法完成信号检测。

本发明的信号检测方法中，对接收的OFDM数据响应消除符号间干扰并重构循环卷积，然后对重构后的数据进行频域均衡，完成数据检测。OFDM符号检测的具体步骤描述为：

S1：利用第i段和i+1段的导引数据分别得到其持续时间的内的信道信息参数和其中i表示导引块的编号。l表示归一化的信道多径位置，L表示归一化的最大多径时延。表示导引持续时间内第l条径的信道增益均值，表示导引引持续时间内第l条径的信道增益均值。

S2：采用线性模型估计OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道状态信息参数其中，表示OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道增益均值，表示OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道增益斜率。具体的，这里可以采用线性模型进行估计。

S3：对OFDM数据单元xⁱ的数据响应进行符号间干扰消除和循环卷积重构，得到 ${\tilde{r}}_{\_\mathrm{ofdm}}^i.$

S4：对进行傅里叶变换，得到频域响应并构造频域均衡器，消除载波间干扰，完成OFDM符号检测。

在S3中对接收的数据响应进行符号间干扰消除和循环卷积重构时，包括以下步骤：

S31：利用导引和步骤S2得到的信道信息，估计导引对OFDM数据单元xⁱ的符号间干扰

S32：利用导引和步骤S2得到的信道信息，得到导引与信道增益卷积的前L个样本利用数据响应的前L个样本减去得到差值即等于其中表示需要重构的数据部分。

S33：将的前L个样本减去并加上得到经过干扰消除和循环卷积重构的数据

${\tilde{r}}_{\_\mathrm{ofdm}}^i\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}{r}_{\_\mathrm{ofdm}}^i\left(n\right)-r_{\mathrm{Re}\_\mathrm{ISI}}^i\left(n\right)+r_{\mathrm{Add}}^i\left(n\right),0\&le;n<L\\ r_{\_\mathrm{ofdm}}^i\left(n\right),L\&le;n<N\end{array}\right.$

其中：n表示采用时刻；N表示OFDM数据单元长度；i表示OFDM数据单元标号。L表示归一化最大多径时延。

下面结合具体的参数对上述本发明提出的OFDM符号检测方法进行说明：

本实例中的OFDM系统参数设置如下：设OFDM信号调制方式采用QPSK调制，子载波总数N＝512，子载波序号为[0,1,2,....,511]。设块状导引数据长度N_p=400，p=[p₀,p₁,...,p₃₉₉]^T，本实例中选择的信道参数如下：采用COST207TU信道，多径时延分别为[0，0.2，0.5，1.6，2.3，5]us，多径衰落功率分别是[3，0，5，6，8，10]dB，归一化多普勒扩展值是0.1，设系统采样周期T＝1.0e-7s。则归一化的信道最大多径时延L=5.0e-6/T=50。

本实例中发送端信号处理过程为：二进制比特信号先经QPSK调制，然后经过N点IFFT变成时域数据。然后，将相同的导引数据加载到相邻的、长度为N的时域OFDM数据间，组成发送的数据模型，然后经发射机发射。

在接收端，根据图1(b)，对第i个OFDM数据单元sⁱ的响应为例进行信号检测:

S1：利用导引分别估计持续时间的内的信道信息参数和其中i表示导引块的编号。l表示归一化的信道多径位置，L表示归一化的最大多径时延。表示导引持续时间内第l条径的信道增益均值，表示导引引持续时间内第l条径的信道增益均值；

S2：采用线性模型估计OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道状态信息参数 其中表示OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道增益均值，表示OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道增益斜率；

S3：对OFDM数据单元xⁱ的数据响应进行符号间干扰消除和循环卷积重构，得到

S4：对进行傅里叶变换，得到频域响应并构造频域均衡器，消除载波间干扰，完成OFDM符号检测。

在S3中对接收的数据响应进行符号间干扰消除和循环卷积重构时，包括以下步骤：

S31：利用导引和步骤S2得到的信道信息，估计导引对OFDM数据单元xⁱ的符号间干扰

S32：利用导引和步骤S2得到的信道信息，得到导引与信道增益卷积的前L个样本利用数据响应的前L个样本减去得到差值即等于其中表示需要重构的数据部分。

S33：将的前L个样本减去并加上得到经过干扰消除和循环卷积重构的数据

${\tilde{r}}_{\_\mathrm{ofdm}}^i\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}{r}_{\_\mathrm{ofdm}}^i\left(n\right)-r_{\mathrm{Re}\_\mathrm{ISI}}^i\left(n\right)+r_{\mathrm{Add}}^i\left(n\right),0\&le;n<50\\ r_{\_\mathrm{ofdm}}^i\left(n\right),50\&le;n<512\end{array}\right.$

其中：n表示采用时刻；N表示OFDM数据单元长度；i表示OFDM数据单元标号。L表示归一化最大多径时延

在采用块状导引代替循环前缀的OFDM系统中，在基于快变信道下信道冲激响应满足线性变化的模型下，本发明提出的OFDM符号检测方法，可以有效的消除多径时延导致符号间干扰和时变性引起的载波间干扰，完成对OFDM数据的检测，提高检测性能。

以上实例仅为本发明的较佳例子而已，本发明的使用并不局限于该实例，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种OFDM系统的信号检测方法，具体包括如下步骤： 

S1：利用第i段和i+1段的导引数据分别得到其持续时间内的信道信息参数 和其中，l表示归一化的信道多径位置，L表示归一化的最大多径时延， 表示导引持续时间内第l条径的信道增益均值，表示导引持续时间内第l条径的信道增益均值； 

S2：估计OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道状态信息参数和其中，表示OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道增益均值，表示OFDM数据单元xⁱ持续时间内的信道增益斜率； 

S3：对OFDM数据单元xⁱ的数据响应进行符号间干扰消除和循环卷积重构，得到 包括以下分步骤： 

S31：利用第i段的导引数据和步骤S2得到的信道状态信息，估计导引对OFDM数据单元xⁱ的符号间干扰

S32：利用导引和步骤S2得到的信道状态信息，得到导引与信道增益卷积的前L个样本利用导引的数据响应的前L个样本减去得到即等于其中，表示需要重构的数据部分； 

S33：将的前L个样本减去并加上得到经过干扰消除和循环卷积重构的数据则为： 

其中，n表示采用时刻；N表示OFDM数据单元长度；i表示OFDM数据单元标号； 

S4：对步骤S3得到的进行傅里叶变换，得到频域响应并构造频域均衡器，消除载波间干扰，完成OFDM符号检测。