CN103731389B - 一种ofdm信号传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDM信号传输方法，包括如下步骤：（1）接收端估计信道的时延功率谱和接收信号的信噪比，并根据时延功率谱和接收信号的信噪比计算功率降低因子α，然后将功率降低因子α反馈至发送端；（2）发送端将待发送OFDM符号的循环前缀CP中的每个采样点均乘以接收到的功率降低因子α，然后成形滤波调制到载频上发送；本发明还提供该方法的实现装置。本发明在保持系统接收性能基本不变的前提下降低循环前缀CP的功率，提高发送信号的能量效率，并且快速可靠、实现复杂度低。本发明既适于OFDM系统又适于其它具有循环前缀CP的移动通信系统。

Description

一种OFDM信号传输方法及装置

技术领域

本发明涉及移动通信系统中的绿色节能领域，尤其涉及一种应用于正交频分复用（OFDM）系统的高能效信号传输方法及装置。

背景技术

目前，OFDM已成为第四代（4G）移动通信系统的主流空中接口技术。4G系统在上下行分别采用DFT-s-OFDM和OFDMA技术。在OFDM系统中，为了消除符号间的干扰（ISI），每个OFDM符号的前面都要插入一个循环前缀（CP）。CP是符号尾部的复制。它通常大于多径衰落信道引起的最大时延扩展，并同时将发送信号与多径信道的线性卷积变为循环卷积。但由于CP不承载任何有用信息，所以插入CP会带来系统能效的下降。本发明提出了一种提高能效的发送方法。该方法通过计算功率降低因子，在保持接收性能基本不变的前提下了降低循环前缀的发送功率，提高了整个系统的能量效率，且计算复杂度低，不增加系统的额外开销。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种OFDM信号传输方法及装置，在保持系统接收性能基本不变的前提下降低循环前缀CP的功率，提高发送信号的能量效率，并且快速可靠、实现复杂度低。本发明既适于OFDM系统又适于其它具有循环前缀CP的移动通信系统。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种OFDM信号传输方法，包括如下步骤：

（1）接收端估计信道的时延功率谱和接收信号的信噪比，并根据时延功率谱和接收信号的信噪比计算功率降低因子α，然后将功率降低因子α反馈至发送端；

（2）发送端将待发送OFDM符号的循环前缀CP中的每个采样点均乘以接收到的功率降低因子α，然后成形滤波调制到载频上发送。

更进一步的，步骤（1）包括如下步骤：

（11）估计信道的时延功率谱和接收信号的信噪比

设OFDM系统包含N个子载波，循环前缀CP的长度为G，OFDM系统接收端对去除掉循环前缀CP的接收信号做N点的离散傅立叶变换DFT，得到OFDM符号的频域表达式为：

Y(k)＝H(k)X(k)+V(k) （1）

其中，Y(k)表示第k个子载波上的接收信号；X(k)表示第k个子载波上发送的数据符号，其能量为E_s；V(k)表示k个子载波上的噪声，其方差为H(k)表示第k个子载波上的信道频域响应，其表达式为：

$H\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(l\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\πkl}}{N}}---\left(2\right)$

其中，L表示传播路径的个数，h(l)表示第l条传播路径的信道参数，为零均值的高斯随机变量，方差为

接收信号的信噪比SNR定义为：

$\mathrm{SNR}=\frac{E_s}{{\mathrm{\σ}}_n^2}---\left(3\right)$

（12）根据时延功率谱和接收信号的信噪比计算功率降低因子α，并将其反馈至发送端

循环前缀CP功率降低后的OFDM符号频域表达式为：

Y(k)＝H(k)X(k)+I(k)+V(k) （4）

其中，Y(k)表示第k个子载波上的接收信号；X(k)表示第k个子载波上发送的数据符号，其能量为E_s；V(k)表示k个子载波上的噪声，其方差为H(k)表示第k个子载波上的信道频域响应；I(k)为循环前缀CP功率降低后引起的载波间干扰，其表达式为：

$I\left(k\right)=(\mathrm{\α}-1)\underset{n=0}{\overset{L-2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=n+1}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(l\right)x(N+n-l)e^{-j\frac{2\mathrm{\πkl}}{N}}---\left(4\right)$

其中，α为功率降低因子，L表示传播路径的个数，N表示OFDM系统子载波的个数，h(l)表示第l条传播路径的信道参数，为零均值的高斯随机变量，方差为表示OFDM符号第N+n-l个时域采样；

通过推导，I(k)的方差为：

${\mathrm{\σ}}_I^2=E\left\{{\text{|I}\left(k\right)\text{|}}^2\right\}={(\mathrm{\α}-1)}^2\underset{n=0}{\overset{L-2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{L=n+1}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_l^2{E}_s---\left(5\right)$

根据公式（3）、公式（4）和公式（5），得到循环前缀CP功率降低后的接收信号的信干噪比SINR为：

$\mathrm{SINR}=\frac{{\mathrm{\βE}}_s}{{\mathrm{\σ}}_I^2+{\mathrm{\σ}}_n^2}=\frac{\mathrm{SNR}[N+(1-{\mathrm{\α}}^2)G]}{\mathrm{SNR}{(\mathrm{\α}-1)}^{2}N\underset{n=0}{\overset{L-2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=n+1}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_l^2+N}---\left(6\right)$

根据步骤（11）估计的接收信号的信噪比SNR，以及信道的时延功率谱，求取SINR最大时的α值，并将该α值反馈到发送端。

更进一步的，步骤（2）包括如下步骤：

（21）发送端对待发送OFDM符号进行快速傅立叶反变换，得到OFDM符号的时域表达式为：

$x\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\πkn}}{N}},n=\mathrm{0,1},...,N-1---\left(7\right)$

其中，N表示OFDM系统子载波的个数，X(k)表示第k个子载波上发送的数据符号，x(n)表示第n个时域采样，将时域OFDM符号尾部的G个采样点复制，得到该OFDM符号的循环前缀为：

x_CP(m)＝x(N-G+m),m＝0,1,...,G-1 （8）

将接收端反馈的功率降低因子α乘以循环前缀中的采样点，即

${\stackrel{\‾}{x}}_{\mathrm{CP}}\left(m\right)={\mathrm{\αx}}_{\mathrm{CP}}\left(m\right),m=\mathrm{0,1},...,G-1---\left(9\right)$

然后将作为循环前缀，加到该OFDM符号的前端，形成完整的发送信号，然后通过成形滤波调制到载频上发送。

更进一步的，功率降低因子α为实数，且0＜α≤1。

本发明还提供一种OFDM信号传输装置，该装置包括发送端和接收端；

所述接收端包括功率降低因子计算装置和反馈装置，所述功率降低因子计算装置用于估计信道的时延功率谱和接收信号的信噪比，并根据时延功率谱和接收信号的信噪比计算功率降低因子α；所述反馈装置用于将所述功率降低因子α反馈至发送端；

所述发送端包括快速傅里叶反变换装置、复制装置、乘法装置和复用装置，所述快速傅里叶反变换装置对待发送OFDM符号进行快速傅立叶反变换，得到时域OFDM符号；所述复制装置将时域OFDM符号尾部的每个采样点进行复制，得到该时域OFDM符号的循环前缀CP；所述乘法装置将接收端反馈的功率降低因子α乘以循环前缀CP中的每个采样点，得到功率降低后的循环前缀CP；所述复用装置将功率降低后的循环前缀CP加到该时域OFDM符号的前端，形成完整的发送信号。

更进一步的，功率降低因子α为实数，且0＜α≤1。

有益效果：（1）本发明通过计算功率降低因子，在保持接收性能基本不变的前提下降低循环前缀的发送功率，提高了整个系统的能量效率；（2）本发明不需要更改已有的通信体制和标准，发送端不增加任何额外的设备和器件，接收端也不需要增加任何额外处理；（3）本发明提出的高能效发送方法能用于包括OFDM在内的各种具有循环前缀的移动通信系统。

附图说明

图1为本发明提供的一种OFDM信号传输方法功能示意图。

图2为本发明提供的一种OFDM信号传输装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的一种OFDM信号传输方法，首先在接收端根据多径信道的时延功率谱和接收信号的信噪比计算功率降低因子，然后将该功率因子反馈到发送端，并在发送端乘以循环前缀CP中的每个采样点，降低循环前缀的平均功率，从而提高发送信号的能量效率。具体步骤如下：

（1）估计信道的时延功率谱和接收信号的信噪比

假设一个OFDM系统包含N个子载波，循环前缀CP的长度为G，OFDM系统接收端对去除掉循环前缀CP的接收信号做N点的离散傅立叶变换（DFT），得到OFDM符号的频域表达式为：

Y(k)＝H(k)X(k)+V(k) （1）

其中，Y(k)表示第k个子载波上的接收信号；X(k)表示第k个子载波上发送的数据符号，其能量为E_s；V(k)表示k个子载波上的噪声，其方差为H(k)表示第k个子载波上的信道频域响应（CFR），可写为：

$H\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(l\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\πkl}}{N}}---\left(2\right)$

其中，L表示传播路径的个数，h(l)表示第l条传播路径的信道参数，为零均值的高斯随机变量，方差为不同传播路径的信道参数相互独立，设n表示多径衰落信道（multipath fading channel）的第n条路径，则如果l≠n，E{h(l)h^*(n)}＝0。接收信号的信噪比（SNR）定义为：

$\mathrm{SNR}=\frac{E_s}{{\mathrm{\σ}}_n^2}---\left(3\right)$

（2）根据时延功率谱和接收信号的信噪比计算功率降低因子α，并将其反馈至发送端

假设发送端对每个OFDM符号的循环前缀CP都乘以功率降低因子α，得到功率降低后的循环前缀向量为：

αx_CP＝[αx_CP(0),αx_CP(1),...,αx_CP(G-1)] （4）

其中，{x_CP(m):m＝0,1,...,G-1}表示循环前缀CP中的采样点，G表示循环前缀CP的长度。α为一个实数，且0＜α≤1。根据公式（4），可以得到在基带数字端节约的能量为：

$\mathrm{\δ}=\underset{m=0}{\overset{G-1}{\mathrm{\Σ}}}{|x_{\mathrm{CP}}\left(m\right)-{\mathrm{\αx}}_{\mathrm{CP}}\left(m\right)|}^2---\left(5\right)$

由于循环前缀CP功率的降低会带来载波间的干扰，所以此时接收到的频域信号需改写为：

Y(k)＝H(k)X(k)+I(k)+V(k) （6）

其中，

$I\left(k\right)=(\mathrm{\α}-1)\underset{n=0}{\overset{L-2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=n+1}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(l\right)x(N+n-l)e^{-j\frac{2\mathrm{\πkl}}{N}}---\left(7\right)$

通过推导，I(k)的方差为：

${\mathrm{\σ}}_I^2=E\left\{{\text{|I}\left(k\right)\text{|}}^2\right\}={(\mathrm{\α}-1)}^2\underset{n=0}{\overset{L-2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{L=n+1}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_l^2{E}_s---\left(8\right)$

假设保持总能量不变的前提下，循环前缀CP节约的能量可以用来提升OFDM符号的功率，我们得到：

其中x表示OFDM的时域采样。一个OFDM符号包含N个子载波，每个子载波可以调制一个数据符号，比如QPSK符号，N个调制了数据符号的子载波经过DFT反变换变换到N个时域采样，这里用x(0),x(1),…,x(N-1)表示。其中

$\mathrm{\β}=1+\frac{(1-{\mathrm{\α}}^2)G}{N}---\left(10\right)$

{x(k):k＝0,1,...,N-1}表示OFDM符号中的采样点。根据公式（3）、公式（6）和公式（8），得到此时的信干噪比（SINR）为：

$\mathrm{SINR}=\frac{{\mathrm{\βE}}_s}{{\mathrm{\σ}}_I^2+{\mathrm{\σ}}_n^2}=\frac{\mathrm{SNR}[N+(1-{\mathrm{\α}}^2)G]}{\mathrm{SNR}{(\mathrm{\α}-1)}^{2}N\underset{n=0}{\overset{L-2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=n+1}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_l^2+N}---\left(11\right)$

根据接收信号的信噪比SNR，以及信道的时延功率谱，求取SINR最大时的α值，并将该α值反馈到发送端。

（3）发送端将循环前缀CP中的每个采样点乘以α，并通过成形滤波调制到载频上发送

在发送端，通过快速傅立叶反变换，得到时域的OFDM符号为：

$x\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\πkn}}{N}},n=\mathrm{0,1},...,N-1---\left(12\right)$

N表示OFDM系统子载波的个数，X(k)表示第k个子载波上发送的数据符号，x(n)表示第n个时域采样；将时域OFDM符号尾部的G个采样点复制，我们得到该符号的循环前缀为：

x_CP(m)＝x(N-G+m),m＝0,1,...,G-1 （13）

将接收端反馈来的α乘以循环前缀中的采样点，即

${\stackrel{\‾}{x}}_{\mathrm{CP}}\left(m\right)={\mathrm{\αx}}_{\mathrm{CP}}\left(m\right),m=\mathrm{0,1},...,G-1---\left(14\right)$

然后将作为循环前缀，加到OFDM符号的前端，形成完整的发送信号，并通过成形滤波调制到载频上发送。

如图2所示，本发明还提供一种OFDM信号传输装置，该装置包括发送端和接收端；

接收端包括功率降低因子计算装置和反馈装置，功率降低因子计算装置用于估计信道的时延功率谱和接收信号的信噪比，并根据时延功率谱和接收信号的信噪比计算功率降低因子α；反馈装置用于将所述功率降低因子α反馈至发送端；

发送端包括快速傅里叶反变换装置、复制装置、乘法装置和复用装置，快速傅里叶反变换装置对待发送OFDM符号进行快速傅立叶反变换，得到时域OFDM符号；复制装置将时域OFDM符号尾部的每个采样点进行复制，得到该时域OFDM符号的循环前缀CP；乘法装置将接收端反馈的功率降低因子α乘以循环前缀CP中的每个采样点，得到功率降低后的循环前缀CP；所述复用装置将功率降低后的循环前缀CP加到该时域OFDM符号的前端，形成完整的发送信号。

快速傅立叶反变换装置完成公式（2）中包含的运算，复制装置完成公式（13），乘法和复用装置完成公式（14），功率降低因子计算装置完成公式（3）到公式（11）中的计算，反馈装置将功率降低因子计算装置得到的结果传回发送端。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种OFDM信号传输方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)接收端估计信道的时延功率谱和接收信号的信噪比，并根据时延功率谱和接收信号的信噪比计算功率降低因子α，然后将功率降低因子α反馈至发送端；计算功率降低因子α的步骤为：

(11)估计信道的时延功率谱和接收信号的信噪比

设OFDM系统包含N个子载波，循环前缀CP的长度为G，OFDM系统接收端对去除掉循环前缀CP的接收信号做N点的离散傅立叶变换DFT，得到OFDM符号的频域表达式为：

Y(k)＝H(k)X(k)+V(k) (1)

其中，Y(k)表示第k个子载波上的接收信号；X(k)表示第k个子载波上发送的数据符号，其能量为E_s；V(k)表示k个子载波上的噪声，其方差为H(k)表示第k个子载波上的信道频域响应，其表达式为：

其中，L表示传播路径的个数，h(l)表示第l条传播路径的信道参数，为零均值的高斯随机变量，方差为

接收信号的信噪比SNR定义为：

(12)根据时延功率谱和接收信号的信噪比计算功率降低因子α，并将其反馈至发送端

循环前缀CP功率降低后的OFDM符号频域表达式为：

Y(k)＝H(k)X(k)+I(k)+V(k) (4)

其中，Y(k)表示第k个子载波上的接收信号；X(k)表示第k个子载波上发送的数据符号，其能量为E_s；V(k)表示k个子载波上的噪声，其方差为H(k)表示第k个子载波上的信道频域响应；I(k)为循环前缀CP功率降低后引起的载波间干扰，其表达式为：

其中，α为功率降低因子，L表示传播路径的个数，N表示OFDM系统子载波的个数，h(l)表示第l条传播路径的信道参数，为零均值的高斯随机变量，方差为 x(N+n-l)表示OFDM符号第N+n-l个时域采样；

通过推导，I(k)的方差为：

根据公式(3)、公式(4)和公式(5)，得到循环前缀CP功率降低后的接收信号的信干噪比SINR为：

根据步骤(11)估计的接收信号的信噪比SNR，以及信道的时延功率谱，求取SINR最大时的α值，并将该α值反馈到发送端；

(2)发送端将待发送OFDM符号的循环前缀CP中的每个采样点均乘以接收到的功率降低因子α，然后成形滤波调制到载频上发送。

2.根据权利要求1所述的一种OFDM信号传输方法，其特征在于：所述步骤(2)包括如下步骤：

(21)发送端对待发送OFDM符号进行快速傅立叶反变换，得到OFDM符号的时域表达式为：

其中，N表示OFDM系统子载波的个数，X(k)表示第k个子载波上发送的数据符号，x(n)表示第n个时域采样；将时域OFDM符号尾部的G个采样点复制，得到该OFDM符号的循环前缀为：

x_CP(m)＝x(N-G+m),m＝0,1,...,G-1 (8)

将接收端反馈的功率降低因子α乘以循环前缀中的采样点，即

然后将作为循环前缀，加到该OFDM符号的前端，形成完整的发送信号，然后通过成形滤波调制到载频上发送。

3.根据权利要求1或2所述的一种OFDM信号传输方法，其特征在于：所述功率降低因子α为实数，且0＜α≤1。