CN104580058A - 一种ofdm系统子载波间干扰自消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种OFDM系统子载波间干扰自消除方法，包含以下步骤：1、将OFDM系统的所有子载波进行分组，对每个分组选择一定数目的子载波对激活，并将信息调制到激活子载波上；2、系统中的每对子载波进行ICI干扰自消除调制；3、发射端，调制后所有的子载波对以分布式进行排列；4、接收端，对系统中的每对子载波进行ICI干扰自消除解调；5、将系统中所有的子载波对恢复为原来的集中式排列；6、对每一组子载波采用最大似然法则进行激活状态检测，并解调激活子载波上的数据。本方法在不提高系统复杂度的情况下，能够获得相比ICI干扰自消除方案及IM-OFDM方案更好的ICI抑制效果。

Description

一种OFDM系统子载波间干扰自消除方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种抑制正交频率复用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing,OFDM)系统中子载波间干扰(Intercarrier Interference,ICI)问题的新方案。

背景技术

通过将数据分配到多路正交子载波，OFDM系统的频谱效率得到了极大地提升。同传统的调制方案相比，OFDM系统具有更高的频偏效率，并且很大程度上减轻了码间干扰和多径频率选择性衰落造成的影响。然而，OFDM系统特有的严格子载波正交特性对于频率同步偏差和多普勒频移极为敏感。由它们产生的子载波间干扰(ICI)极大地恶化了OFDM系统的性能。

为了解决OFDM系统的ICI问题，几种具有代表性的解决方案被相继提出，包括频域均衡，时域加窗，相关编码，和ICI自干扰消除等方法。尽管频域均衡和时域加窗的方法可以在一定程度上抑制ICI，但是极高的系统复杂性限制了它们进一步的发展。相关编码通过在时域上将发射数据流引入相关性可以使ICI在很大程度上得到消除，但是由于其引入了多电平信号会导致数据解调性能变差。ICI干扰自消除方法(OFDM withICI self-cancellation)采用多项式编码将每个发射频域数据依一定的准则映射到多个子载波上传输，在接收到这些冗余信息后进行合并，能极大地抑制ICI。

由于ICI的功率大小与子载波的激活数目成正比，因此抑制ICI可以通过减少激活子载波的数目来实现。但是，这样做会使系统的频谱效率降低。近年来，一篇文献提出了一种名为载波序列调制IM-OFDM(OFDMwith Index Modulation,IM-OFDM)方案。这个方案将空间调制的概念用于OFDM，随机地选择一部分子载波空载，并使子载波的序列号同时携带信息以确保频谱效率。该方案的系统性能在不同的信道条件下优于传统的OFDM。然而，由于此方案中的子载波排列方式采用集中式(Localizedgrouping)分布，相邻的子载波容易同时经历深衰落，排列方式并未达到最佳化。为了解决这个问题，一篇文献对IM-OFDM方案的排列方式进行优化，提出了采用分布式(Interleaved grouping)进行排列的IM-OFDM方案。此方法可以获得频率分集，显著地提升系统的性能。

由于IM-OFDM方案中一部分子载波空置，激活子载波数目在一定程度上减小，因此IM-OFDM方案具备抑制ICI的潜能。但是，在ICI的条件下，IM-OFDM的系统性能会极大地恶化。这是由于ICI会导致不激活子载波上的功率被抬高，使接收端容易将子载波的状态由不激活误判为激活，进而错误地解调数据，致使其抑制ICI的潜能被埋没。因此对于IM-OFDM方案，如何获取其抑制ICI的特性，抵抗频率偏移等原因所造成的ICI成为该项技术发展的关键。现有的文献中并未给出获取此方案抑制ICI特性的方法。因此，现阶段迫切需要设计一种能够实现ICI抑制的IM-OFDM方案。

发明内容

为了解决IM-OFDM方案在有ICI的情况下，不激活子载波上的功率被干扰信号抬高，容易导致接收端误判子载波的激活状态，极大地恶化系统性能的问题本发明提出了一种一种OFDM系统子载波间干扰自消除方法(IM-OFDM with ICI self-cancellation)，将IM-OFDM与ICI干扰自消除方案结合起来，获得优于ICI干扰自消除方案及IM-OFDM方案的误比特率性能。

本发明提出的一种OFDM系统子载波间干扰自消除方法，包含以下步骤：

步骤1，将OFDM系统的所有子载波进行分组，对每个分组选择一定数目的子载波对激活，并将信息调制到激活子载波上；

步骤2，系统中的每对子载波进行ICI干扰自消除调制；

步骤3，发射端，调制后所有的子载波对以分布式进行排列；

步骤4，接收端，对系统中的每对子载波进行ICI干扰自消除解调；

步骤5，将系统中所有的子载波对恢复为原来的集中式排列；

步骤6，对每一组子载波采用最大似然法则进行激活状态检测，并解调激活子载波上的数据。

步骤1中所述子载波对激活的方法包括以下步骤：

步骤11，将OFDM系统中的N个子载波分为G组，每组包含L对子载波；

步骤12，在L对子载波中选择m对子载波激活，则共有C(L，m)种不同的组合方式，激活的子载波序列通过字典编纂法得到。

步骤2所述的系统中的每对子载波进行ICI干扰自消除调制方法为：将一对子载波中的第一个子载波上的信号的符号取反，将其加载到第二个子载波上。

步骤3中所述的所有子载波对以分布式进行排列的方法为：各个分组中同一位置的每对子载波互相相邻排列。

步骤4中所述对系统中的每对子载波进行ICI干扰自消除解调的方法包括以下步骤：

步骤41，将每对子载波中的第一个子载波上的接收信号与第二个子载波相减除以2；

步骤42，将经步骤41中处理得到的接收信号使用最大似然方法估计出可能的发送信号。

步骤5中将系统中所有的子载波对恢复为原来的集中式排列的方法为：各个分组中的每对子载波互相相邻排列。

步骤6中所述对每一组子载波进行激活状态检测及解调数据的方法包括以下步骤：

步骤61，接收端首先要对每个分组查找该组所有可能的激活子载波序列，通过最大似然法则，估计出可能性最大的一组激活子载波序列及发送信号；

步骤62，将估计得到的激活子载波序列使用查字典法得到可能的发送比特；

步骤63，对估计的发送信号进行解调，并将其与步骤2)得到的信息比特组合起来，得到每组可能的发送比特；

步骤64，将所有分组可能的发送比特转化为串行流，得到估计的比特流。

步骤3和步骤4之间信号发送和接收过程中的数据处理方法为：发射端，对数据做IFFT变换至时域，并加上循环前缀；接收端，对数据做FFT变换至频域，并去除循环前缀。

本发明提出的序列调制OFDM系统子载波间自干扰消除的方案可以将IM-OFDM方案抑制ICI的潜能挖掘出来，在不增加系统复杂度的情况下,不仅可以提高系统的频谱效率，而且可以显著地抵抗频率偏移引起的ICI，获得优于ICI干扰自消除方案及IM-OFDM方案的误比特率性能，满足业务QOS。

本发明对于OFDM系统设备制造商、OFDM系统运营商都有重大的意义。本发明能够提高系统设备的竞争力，同时对于OFDM系统运营商，本发明不仅能够提升用户的满意度，使运营商具有更大的竞争力，而且能够增加系统的频谱效率，从而提高运营商的收入和利润。

附图说明

图1是基于本发明的OFDM系统的整体流程图；

图2是本发明所述方法与其他方法在加性高斯白噪声信道下，归一化载波频率偏移ε＝0.05的误比特率(Bit Error Rate,BER)性能测试图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，示出了本发明的一种采用序列调制OFDM子载波间干扰自消除方案的收发机结构框图，具体包括：

在步骤101，将OFDM系统中的所有N个子载波分为G组，每组包含L对子载波，N＝2GL。第g组中第l对子载波记为β_g，l，g＝1，2，…，N；l＝1，2，…，L，并将每对子载波里的第一个子载波记为第二个子载波记为那么 ${\mathrm{\β}}_{g,l}=\{{\mathrm{\β}}_{g,l}^1,{\mathrm{\β}}_{g,l}^2\}.$

在步骤102，对每一组子载波确定激活子载波的序列。在L对子载波中选择m对子载波激活，则共有C(L，m)种不同的组合方式，每组子载波序列所携带的信息有log₂C(L，m)比特，将其称为空间比特。激活子载波的序列可以通过字典编纂法得到，由于这种方法不是本发明的重点，因此不再详细阐述。调制方式采用M阶调制，那么每组激活子载波所承载的信息有mlog₂M比特，将其称为调制比特。整个OFDM系统可以传递[log₂C(L，m)+mlog₂M]G比特的信息。

在步骤103，也就是区别与普通IM-OFDM方案的关键一步。对系统中的激活子载波对进行ICI干扰自消除调制。将系统中第β_g，l对的发射信号记为即令 $x_{{\mathrm{\β}}_{g,l}^2}=-x_{{\mathrm{\β}}_{g,l}^l}.$

在步骤104，将所有的子载波对以分布式进行交错排列，也就是说，按照{β_1，1，β_2，1，…，β_G，1，β_1，2，β_2.2，…，β_G，2，……，_β1，L，β_2，L…，β_G，L}的方式进行排列。系统在频域上的发送信号记为x＝[x(1)，x(2)，…，x(N)]^T。

在步骤105，对系统中的数据做IFFT变换至时域，并加上循环前缀.。

最后，步骤105产生的信号发送至信道。

在步骤106，对接收到的数据做FFT变换至频域，并去除循环前缀。第k个子载波上的频域接收信号可以表示为

$y\left(k\right)=h\left(k\right)x\left(k\right)C\left(0\right)+\underset{i=1,i\≠k}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}h\left(i\right)x\left(i\right)C(i-k)+w\left(k\right),k=\mathrm{1,2},...,N$

h(k)为第k个子载波的信道频率响应，w(k)为加性高斯白噪声。等式右侧的第二项为ICI干扰信号，其中C(i-k)为第i个子载波与第k个子载波之间的ICI干扰系数，表示为

$C(i-k)=\frac{\sin \left(\mathrm{\π}(i+\mathrm{\ϵ}-k)\right)}{N\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{N}(i+\mathrm{\ϵ}-k)\right)}\·\exp \left(\frac{\mathrm{j\π}(N-1)(i+\mathrm{\ϵ}-k)}{N}\right)$

其中，ε为归一化载波频率偏移。

在步骤107，对接收到的每对子载波进行ICI干扰自消除解调，即令系统中第β_g，l对的接收信号为

在步骤108，将分布式排列的接收信号恢复为原来的集中式排列，即排列为{β_1，1，β_1，2，…，β_1，L，β_2，1，β_2，2，…，β_2，L，……，β_G，1，β_G，2…，β_G，L}。

在步骤109，对每组子载波进行状态检测，用最大似然法则判断子载波的激活状态。然后对激活子载波上的数据进行解调。其方式如下：

首先，根据ICI干扰自消除解调得到的接收信号估计可能的发送信号为M阶调制星座图中与距离最小的星座点，即

${\hat{x}}_{{\mathrm{\β}}_{g,l}}=\underset{{\mathrm{\Ω}}_j}{\arg \min }{|{\mathrm{y\β}}_{g,l}-h_{{\mathrm{\β}}_{g,l}}{\mathrm{\Ω}}_j|}^2,j=\mathrm{1,2},...,M$

Ω_j为M阶调制星座图中的第j个星座点，为第β_g，l对子载波可能的的信道频率响应，表示为

记每组激活子载波的序列集合为A_g，g＝1，2，…，N。记每组不激活子载波的序列集合为为A_g的补集。每组可能的激活子载波序列A_g共有C(L，m)种。记第g组可能的发送信号集合为接收端首先要对每个分组查找该组所有可能的激活子载波序列，通过最大似然法则，估计出可能性最大的一组激活子载波序列及发送信号采用数学式表达如下所示：

$\⟨{\hat{A}}_g,{\hat{x}}_g\⟩=\underset{A_g,{\hat{x}}_g}{\arg \min }\underset{{\mathrm{\β}}_{g,l}\∈A_g}{\mathrm{\Σ}}{|{y_{\mathrm{\β}}}_{g,l}-h_{{\mathrm{\β}}_{g,l}}{\hat{x}}_{{\mathrm{\β}}_{g,l}}|}^2+\underset{{\mathrm{\β}}_{g,l}\∈{\stackrel{\‾}{A}}_g}{\mathrm{\Σ}}{\left|y_{{\mathrm{\β}}_{g,l}}\right|}^2.$

将估计得到的激活子载波序列用查字典法得到可能的发送空间比特，对进行解调，得到可能的发送调制比特。将空间比特和调制比特组合起来，可以得到该组的可能的发送比特。然后，对其它分组执行同样的操作。

最后，本发明流程结束于步骤110，将所有分组可能的发送数据转化为串行流，得到估计的比特流。

参照图2，示出了传统OFDM方案，OFDM with ICI self-cancellation方案,IM-OFDM方案，和本发明IM-OFDM with ICI self-cancellation方案在加性高斯白噪声信道下，归一化载波频率偏移ε＝0.05时的BER性能。比较各个方案在相同的频谱效率条件下的BER性能可以发现，一方面，IM-OFDM方案由于受到ICI的影响，BER性能极大地恶化，另一方面，也是最为重要的，正如所期望，由于本发明序列调制OFDM子载波间干扰自消除方案将IM-OFDM与ICI干扰自消除方案结合，获得了IM-OFDM抑制ICI的特性，本方案的BER性能明显优于传统OFDM方案，OFDM with ICIself-cancellation方案和IM-OFDM方案。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种OFDM系统子载波间干扰自消除方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，将OFDM系统的所有子载波进行分组，对每个分组选择一定数目的子载波对激活，并将信息调制到激活子载波上；

步骤2，系统中的每对子载波进行ICI干扰自消除调制；

步骤3，发射端，调制后所有的子载波对以分布式进行排列；

步骤4，接收端，对系统中的每对子载波进行ICI干扰自消除解调；

步骤5，将系统中所有的子载波对恢复为原来的集中式排列；

步骤6，对每一组子载波采用最大似然法则进行激活状态检测，并解调激活子载波上的数据。

2.根据权利要求1的所述的方法，其特征在于，步骤1中所述子载波对激活的方法包括以下步骤：

步骤11，将OFDM系统中的N个子载波分为G组，每组包含L对子载波；

步骤12，在L对子载波中选择m对子载波激活，则共有C(L，m)种不同的组合方式，激活的子载波序列通过字典编纂法得到。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2所述的系统中的每对子载波进行ICI干扰自消除调制方法为：将一对子载波中的第一个子载波上的信号的符号取反，将其加载到第二个子载波上。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中所述的所有子载波对以分布式进行排列的方法为：各个分组中同一位置的每对子载波互相相邻排列。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4中所述对系统中的每对子载波进行ICI干扰自消除解调的方法包括以下步骤：

步骤41，将每对子载波中的第一个子载波上的接收信号与第二个子载波相减除以2；

步骤42，将经步骤41中处理得到的接收信号使用最大似然方法估计出可能的发送信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5中将系统中所有的子载波对恢复为原来的集中式排列的方法为：各个分组中的每对子载波互相相邻排列。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤6中所述对每一组子载波进行激活状态检测及解调数据的方法包括以下步骤：

步骤61，接收端首先要对每个分组查找该组所有可能的激活子载波序列，通过最大似然法则，估计出可能性最大的一组激活子载波序列及发送信号；

步骤62，将估计得到的激活子载波序列使用查字典法得到可能的发送比特；

步骤63，对估计的发送信号进行解调，并将其与步骤2)得到的信息比特组合起来，得到每组可能的发送比特；

步骤64，将所有分组可能的发送比特转化为串行流，得到估计的比特流。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，步骤3和步骤4之间信号发送和接收过程中的数据处理方法为：发射端，对数据做IFFT变换至时域，并加上循环前缀；接收端，对数据做FFT变换至频域，并去除循环前缀。