CN104301282A - 一种超高速移动ofdm系统的ici自适应抑制方法 - Google Patents

一种超高速移动ofdm系统的ici自适应抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高速移动正交频分复用（OFDM）系统的载波间干扰（ICI）自适应抑制方法，本方法利用循环前缀（CP）序列中未被干扰的序列，实现初步抑制ICI，同时构成一个ICI减小的新的OFDM符号序列，再通过自适应相位旋转共轭消除（PRCC）方法，进一步抑制残余ICI，其中利用CP初步抑制ICI的过程嵌套在自适应PRCC过程内。本发明方法解决了超高速移动OFDM系统中的ICI难题，而且具有抑制干扰能力强、自适应性好和误码率低等优点。

Description

一种超高速移动OFDM系统的ICI自适应抑制方法
技术领域
本发明涉及无线通信中的通信信号处理方法，特别是涉及一种超高速移动正交频分复用（OFDM）系统的载波间干扰（ICI）自适应抑制方法。 
  
背景技术
现今，随着宽带移动通信系统的不断演进和为了满足人们对传输速率和超高速移动性的要求，无线通信系统将会提供越来越高的数据速率和更加可靠的通信质量保障。而OFDM技术具有高传输速率和抗频率选择性多径衰落等优点，使得OFDM技术已经被公认为是宽带移动通信物理层中的关键技术之一，并且，基于长期演进（LTE）的准4G技术目前已经开始大规模地建设和投入商用。LTE系统的关键技术就是OFDM技术。OFDM技术是将整个信道宽带划分为许多窄带并分配给每个载波，从而对频率选择性衰落多径信道具有一定的鲁棒性。各载波之间保持相互正交的关系，使得OFDM技术有一个高的频谱利用率，从而提供高的传输速率。对于多径时延衰落信道，OFDM通过插入循环前缀来消除符号间干扰。然而，OFDM技术也有缺点，其最大的缺点是要求严格的载波正交性。在移动通信环境下，尤其是在超高速移动通信环境下，由于终端快速移动，使得OFDM系统产生了载波频偏，破坏了子载波间的正交性，引起ICI，使通信性能急剧下降。因此，抑制ICI是超高速移动OFDM系统中要解决的关键问题之一。纵观国内外关于抑制ICI的方法，主要分为以下三大类：频域均衡、时域加窗和自消除方法。频域均衡有名的算法是迫零算法和最小均方误差算法，但这两种算法需要一个矩阵求逆过程，计算复杂度较大，为此引入连续干扰消除技术和平行干扰消除技术。平行干扰消除技术是以牺牲性能为代价来降低计算复杂度。时域加窗主要是通过设计各种各样的窗函数来削弱和抑制ICI。如升余弦窗、二阶连续窗、最优奈奎斯特窗和多普勒-矩形窗等。自消除方法的核心思想是通过对发射信号和接收信号的处理使得ICI能够相互抵消或抑制。为解决OFDM系统可支持超高速移动，并获得较好的通信质量，高效地ICI抑制方法技术将受到重视。 
  
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种超高速移动OFDM系统的ICI自适应抑制方法，具有抑制干扰能力强、自适应性好和误码率低等优点。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种超高速移动OFDM系统的ICI自适应抑制方法，用于抑制超高速移动OFDM系统中的ICI，其特征在于利用CP序列中未被干扰的序列，实现初步抑制ICI，同时构成一个ICI减小的新的OFDM符号序列，再通过自适应PRCC方法，进一步抑制残余ICI，其中利用CP初步抑制ICI的过程嵌套在自适应PRCC过程内；包括下列步骤： 
（1）将信息bit流进行串并S/P转换及调制映射后组成一个有 个有效数据的OFDM符号，是中的第个有效数据，其中调制映射和解调映射采用QPSK映射或16QAM映射；
（2）数据经点IFFT处理后得到时域信号，即有，然后进行并串P/S转换并在每个OFDM符号前插入循环前缀CP，CP长度为个采样点，此时一个OFDM符号的长度由变为；
（3）然后对每个OFDM符号序列分两路处理；对每个OFDM符号的处理过程都一样，以下只表述对一个OFDM符号的处理过程，其中，第一路按原序列传输，第二路按序列的共轭序列传输；
（4）然后将第一路的OFDM符号与第二路的OFDM符号进行前后串行拼接形成两个OFDM符号序列，即，原来的一个OFDM符号经两路处理再串行拼接后成了两个OFDM符号。然后经数模D/A变换和上变频后得到信号波形信息，为时间变量，将发射出去，经多径莱斯衰落信道和加性噪声后，接收端收到的信号为；
（5）将经下变频、模数A/D变换和串行分路后，得到对应发送的两个OFDM符号序列。其中，第一个OFDM符号即为第一路处理信号，第二个OFDM符号即为第二路处理信号，定义接收到的第一路信号为，第二路信号为；信道建模为抽头时延线性模型，则第一路，第二路 ，其中，为信道多径数，最大时延扩展为，且CP长度由信道最大时延扩展决定，即有（通常取为最大时延扩展的4倍），以消除符号间干扰（ISI）；
（6）由可知，CP中最多前个信号被干扰，后个信号没有被干扰，这样在一个OFDM符号内，可以利用由CP中没有被干扰的后个信号和CP之后的个有效信号组成的序列，在此序列中抽取由相邻个信号组成的一些时域子序列，再对每个时域子序列进行点FFT处理得到相应的频域子序列，然后线性平均加权合并这些频域子序列来实现初步抑制ICI，所有时域子序列（共个）为：
，
，
；
其一般表示式为，代表第个时域子序列，其每个元素为；对进行点FFT处理后得到频域子序列，然后线性平均加权合并这些频域子序列便得到一个ICI减小的长度为的新OFDM符号，中的每个元素可表示为，其中；则，将上述处理过程应用到接收端收到的第一路和第二路OFDM符号中，其中，第一路完全按照上述处理过程处理，第二路是对原OFDM符号取共轭运算后再按照上述处理过程处理，这样，便得到第一路对应长度为的新OFDM符号和第二路对应长度为的新OFDM符号，其中和中的每个元素分别为：
，
。
（7）然后在和的每个信号上分别附加一个旋转相位和，即。再采用最大比值合并法合并这两路信号序列得到合并输出序列，其中，通过调整旋转相位和，使得输出序列的载波干扰比（CIR）最大化，以便更准确地检测出携带的数据信息，此时称这组旋转相位为最优旋转相位，即有，； 
（8）最优相位的选取可分别通过求CIR关于的偏导数并令各自偏导等于0得到，如下所示：
为降低计算复杂度，采取每传输两路OFDM符号更新一次最优相位。随着OFDM符号的不断传输，最优相位也不断地更新，把这种接收处理称为自适应接收处理，整个对OFDM符号的处理过程称为自适应PRCC法，其中利用CP初步抑制ICI的过程嵌套在自适应PRCC过程内，自适应PRCC过程执行完毕后便实现抑制残余ICI；
（9）然后将合并输出序列通过单抽头均衡器得到检测数据序列，最后进行解调和并串P/S转换得到传输的信息bit流。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点： 
本发明方法利用CP序列中未被干扰的序列，实现初步抑制ICI，同时构成一个ICI减小的新的OFDM符号序列，再通过自适应PRCC方法，进一步抑制残余ICI。本发明方法具有抑制干扰能力强、自适应性好和误码率低等优点。
  
附图说明
本发明方法由以下附图及实施示例给出。 
图1为使用本发明方法的OFDM系统通信工作流程框图。 
图2为本发明方法的利用CP初步抑制ICI模块中抽取时域子序列图。 
图3为本发明方法的OFDM系统符号处理流程图。 
  
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明进一步说明。 
实施例一： 
参见图1，本超高速移动OFDM系统的ICI自适应抑制方法，用于抑制超高速移动OFDM系统中的ICI，其特征在于利用CP序列中未被干扰的序列，实现初步抑制ICI，同时构成一个ICI减小的新的OFDM符号序列，再通过自适应PRCC方法，进一步抑制残余ICI，其中利用CP初步抑制ICI的过程嵌套在自适应PRCC过程内。
实施例二： 
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述步骤（1）和步骤（9）的调制映射和解调映射采用QPSK或16QAM；所述步骤（4）中两路OFDM符号序列采取第一路的一个OFDM符号在前第二路的一个OFDM符号在后的交替拼接方式进行串行拼接；所述步骤（5）中CP长度的选取由信道最大时延扩展决定，选取CP长度为最大时延扩展的4倍；所述步骤（7）中最大比值合并法即为实施系数加权处理使得最后输出的SINR最大。
实施例三： 
    参见图1，本超高速移动OFDM系统的ICI自适应抑制方法的OFDM系统工作流程如下：（1）将信息bit流进行串并S/P转换及调制映射后组成一个有个有效数据的OFDM符号，是中的第个有效数据，其中调制映射和解调映射采用QPSK映射或16QAM映射；（2）数据经点IFFT处理后得到时域信号，即有，然后进行并串P/S转换并在每个OFDM符号前插入循环前缀CP，CP长度为个采样点，此时一个OFDM符号的长度由变为；（3）然后对每个OFDM符号序列分两路处理；对每个OFDM符号的处理过程都一样，以下只表述对一个OFDM符号的处理过程，其中，第一路按原序列传输，第二路按序列的共轭序列传输；（4）然后将第一路的OFDM符号与第二路的OFDM符号进行前后串行拼接形成两个OFDM符号序列，即，原来的一个OFDM符号经两路处理再串行拼接后成了两个OFDM符号。然后经数模D/A变换和上变频后得到信号波形信息，为时间变量，将发射出去，经多径莱斯衰落信道和加性噪声后，接收端收到的信号为；（5）将经下变频、模数A/D变换和串行分路后，得到对应发送的两个OFDM符号序列。其中，第一个OFDM符号即为第一路处理信号，第二个OFDM符号即为第二路处理信号，定义接收到的第一路信号为，第二路信号为；信道建模为抽头时延线性模型，则第一路，第二路 ，其中，为信道多径数，最大时延扩展为，且CP长度由信道最大时延扩展决定，即有（通常取为最大时延扩展的4倍），以消除符号间干扰（ISI）；（6）由可知，CP中最多前个信号被干扰，后个信号没有被干扰，这样在一个OFDM符号内，可以利用由CP中没有被干扰的后个信号和CP之后的个有效信号组成的序列，在此序列中抽取由相邻个信号组成的一些时域子序列，再对每个时域子序列进行点FFT处理得到相应的频域子序列，然后线性平均加权合并这些频域子序列来实现初步抑制ICI，所有时域子序列（共个）为：
，
，
；
其一般表示式为，代表第个时域子序列，其每个元素为；对进行点FFT处理后得到频域子序列，然后线性平均加权合并这些频域子序列便得到一个ICI减小的长度为的新OFDM符号，中的每个元素可表示为，其中；则，将上述处理过程应用到接收端收到的第一路和第二路OFDM符号中，其中，第一路完全按照上述处理过程处理，第二路是对原OFDM符号取共轭运算后再按照上述处理过程处理，这样，便得到第一路对应长度为的新OFDM符号和第二路对应长度为的新OFDM符号，其中和中的每个元素分别为：
，
；
（7）然后在和的每个信号上分别附加一个旋转相位和，即。再采用最大比值合并法合并这两路信号序列得到合并输出序列，其中，通过调整旋转相位和，使得输出序列的载波干扰比（CIR）最大化，以便更准确地检测出携带的数据信息，此时称这组旋转相位为最优旋转相位，即有，；（8）最优相位的选取可分别通过求CIR关于的偏导数并令各自偏导等于0得到，如下所示：
为降低计算复杂度，采取每传输两路OFDM符号更新一次最优相位。随着OFDM符号的不断传输，最优相位也不断地更新，把这种接收处理称为自适应接收处理，整个对OFDM符号的处理过程称为自适应PRCC法，其中利用CP初步抑制ICI的过程嵌套在自适应PRCC过程内，自适应PRCC过程执行完毕后便实现抑制残余ICI；（9）然后将合并输出序列通过单抽头均衡器得到检测数据序列，最后进行解调和并串P/S转换得到传输的信息bit流。
图2为本发明方法的利用CP初步抑制ICI模块中抽取时域子序列图。其中CP的后个信号与之后的个OFDM信号构成抽取时域子序列空间，为抽得的时域子序列。 
图3为本发明方法的OFDM系统符号处理流程图。详细地显示了使用本发明方法的OFDM系统从发射端到接收端整个符号的传输处理过程。 
综上所述，本发明提供了一种超高速移动OFDM系统的ICI自适应抑制方法。该方法利用CP序列中未被干扰的序列，实现初步抑制ICI，同时构成一个ICI减小的新的OFDM符号序列，再通过自适应PRCC方法，进一步抑制残余ICI，其中利用CP初步抑制ICI的过程嵌套在自适应PRCC过程内。本发明方法能有效地抑制超高速移动OFDM系统中的ICI，而且具有抑制干扰能力强、自适应性好和误码率低等优点，为超高速移动OFDM无线接入技术提供重要的实用化技术。 

Claims (5)

1.一种超高速移动OFDM系统的ICI自适应抑制方法，用于抑制超高速移动OFDM系统中的ICI，其特征在于利用CP序列中未被干扰的序列，实现初步抑制ICI，同时构成一个ICI减小的新的OFDM符号序列，再通过自适应PRCC方法，进一步抑制残余ICI，其中利用CP初步抑制ICI的过程嵌套在自适应PRCC过程内；包括下列步骤：
（1）将信息bit流进行串并S/P转换及调制映射后组成一个有 个有效数据的OFDM符号，是中的第个有效数据；
（2）数据经点IFFT处理后得到时域信号，即有，然后进行并串P/S转换并在每个OFDM符号前插入循环前缀CP，CP长度为个采样点，此时一个OFDM符号的长度由变为；
（3）然后对每个OFDM符号序列分两路处理；对每个OFDM符号的处理过程都一样，以下只表述对一个OFDM符号的处理过程，其中，第一路按原序列传输，第二路按序列的共轭序列传输；
（4）然后将第一路与第二路串行拼接形成两个OFDM符号序列，即，原来的一个OFDM符号经两路处理再串行拼接后成了两个OFDM符号；然后经数模D/A变换和上变频后得到信号波形信息，为时间变量，将发射出去，经多径莱斯衰落信道和加性噪声后，接收端收到的信号为；
（5）将经下变频、模数A/D变换和串行分路后，得到对应发送的两个OFDM符号序列；其中，第一个OFDM符号即为第一路处理信号，第二个OFDM符号即为第二路处理信号，定义接收到的第一路信号为，第二路信号为；信道建模为抽头时延线性模型，则第一路，第二路 ，其中，为信道多径数，最大时延扩展为，且CP长度，以消除符号间干扰（ISI）；
（6）由可知，CP中最多前个信号被干扰，后个信号没有被干扰，这样在一个OFDM符号内，可以利用由CP中没有被干扰的后个信号和CP之后的个有效信号组成的序列，在此序列中抽取由相邻个信号组成的一些时域子序列，再对每个时域子序列进行点FFT处理得到相应的频域子序列，然后线性平均加权合并这些频域子序列来实现初步抑制ICI，所有时域子序列（共个）为：
，
，
；
其一般表示式为，代表第个时域子序列，其每个元素为；对进行点FFT处理后得到频域子序列，然后线性平均加权合并这些频域子序列便得到一个ICI减小的长度为的新OFDM符号，中的每个信号可表示为，其中；则，将上述处理过程应用到接收端收到的第一路和第二路OFDM符号中，其中，第一路完全按照上述处理过程处理，第二路是对原OFDM符号取共轭运算后再按照上述处理过程处理，这样，便得到第一路对应长度为的新OFDM符号和第二路对应长度为的新OFDM符号，其中和中的每个信号分别为：
，
； 
（7）然后在和的每个信号上分别附加一个旋转相位和，则有；再采用最大比值合并（MRC）法合并这两路信号序列得到合并输出序列，其中，通过调整旋转相位和，使得输出序列的载波干扰比（CIR）最大化，以便更准确地检测出携带的数据信息，此时称这组旋转相位为最优旋转相位，即有，；
（8）最优旋转相位的选取可分别通过求CIR关于的偏导数并令各自偏导等于0得到，如下所示：
为降低计算复杂度，采取每传输两路OFDM符号更新一次最优相位；随着OFDM符号的不断传输，最优相位也不断地更新，把这种接收处理称为自适应接收处理，整个对OFDM符号的处理过程称为自适应PRCC法，其中利用CP初步抑制ICI的过程嵌套在自适应PRCC过程内，自适应PRCC过程执行完毕后便实现抑制残余ICI；
（9）然后将合并输出序列通过单抽头均衡器得到检测数据序列，最后进行解调和并串P/S转换得到传输的信息bit流。
2.如权利要求1所述的一种超高速移动OFDM系统的ICI自适应抑制方法，其特征在于：步骤（1）和步骤（9）的调制映射和解调映射采用QPSK或16QAM。
3.如权利要求1所述的一种超高速移动OFDM系统的ICI自适应抑制方法，其特征在于：步骤（4）中两路OFDM符号序列采取第一路的一个OFDM符号在前第二路的一个OFDM符号在后的交替拼接方式进行串行拼接。
4.如权利要求1所述的一种超高速移动OFDM系统的ICI自适应抑制方法，其特征在于：步骤（5）中CP长度的选取由信道最大时延扩展决定，选取CP长度为最大时延扩展的4倍。
5.如权利要求1所述的一种超高速移动OFDM系统的ICI自适应抑制方法，其特征在于：步骤（7）中最大比值合并法即为实施系数加权处理使得最后输出的信号干扰噪声比（SINR）最大。
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