CN105897634A - 基于码域重构的sc-cfdma载波频偏迭代消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于码域重构的SC‑CFDMA载波频偏迭代消除方法，实现多用户载波频偏的联合消除。步骤一：从接收端N点FFT的结果中提取各子载波集；步骤二：通过与各用户的频偏循环反卷积矩阵相乘，初步消除频偏对各用户的影响；步骤三：通过码域重构恢复各用户在所分配的子载波上的符号值；步骤四：干扰信号重构，将步骤三的结果与相应用户的频偏循环卷积矩阵相乘，再造出各用户频偏对其余用户造成的干扰项；步骤五：从各用户的信号中去除所有来自其他用户的干扰项；步骤六：再进行子载波提取、与频偏循环反卷积矩阵相乘，完成迭代频偏消除。步骤七：在完成迭代频偏消除的基础上，进行数据解调。

Description

基于码域重构的SC-CFDMA载波频偏迭代消除方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种基于码域重构的SC-CFDMA载波频偏迭代消除方法。

背景技术

SC-CFDMA是将SC-FDMA和CDMA相结合而形成的一种新通信体制。作为一种改进的SC-FDMA，SC-CFDMA不可避免地继承了SC-FDMA对同步偏差敏感的弱点。在上行链路接收端，多用户载波频率偏差(CarrierFrequency Offset,CFO)会破坏SC-CFDMA各子载波之间的正交性，引入ICI(Inter CarrierInterference，载波间干扰)和MUI(Multi-UserInterference，多用户干扰)，严重影响系统的接收性能和多用户能力。

由于SC-CFDMA技术出现时间不长，目前其理论体系不够完善，相关文献并未就SC-CFDMA系统中的载波频偏消除问题进行专门研究，而只是将SC-CFDMA信号视为一种特殊的SC-FDMA信号来处理。然而，已有SC-FDMA载波频偏消除方法成立的前提条件是多个用户在频域上可区分；而在SC-CFDMA系统中，每个子载波集上容纳着若干CDMA用户，无法在频域进行区分。因此已有方法不能直接应用于SC-CFDMA系统中的载波频偏消除，必须根据SC-CFDMA信号特性重新设计频偏消除算法。

发明内容

本发明提供一种基于码域重构的SC-CFDMA载波频偏迭代消除方法，实现多用户载波频偏的联合消除。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，在传统SC-FDMA系统载波频偏频域迭代消除方法的基础上，加上码域重构模块，将扩频码和正交子载波的特性综合起来合理使用。具体包括以下步骤：

步骤一：从接收端N点FFT的结果中提取各子载波集；

步骤二：通过与各用户的频偏循环反卷积矩阵相乘，初步消除频偏对各用户的影响；

步骤三：通过码域重构恢复各用户在所分配的子载波上的符号值；

步骤四：干扰信号重构，将步骤三的结果与相应用户的频偏循环卷积矩阵相乘，再造出各用户频偏对其余用户造成的干扰项；

步骤五：从各用户的信号中去除所有来自其他用户的干扰项；

步骤六：再进行子载波提取、与频偏循环反卷积矩阵相乘，完成迭代频偏消除。

步骤七：在完成迭代频偏消除的基础上，进行数据解调。

其中，步骤三将扩频处理的特点考虑到“干扰信号重构”过程中，实现各码分用户干扰项的重构与分离；首先，SC-CFDMA系统的迭代深度需要包含解扩与重扩频环节；其次，由于解扩之前必须进行信道均衡，因此信道均衡也应包含在迭代过程中。

其中，步骤三所述的码域重构采用以下方法：

假设每个用户占用子载波个数为M，用户扩频因子为J；若扩频码序列为s＝[1,1,-1,1]，则每个用户实际发送调制符号数为P＝M/J；码域重构矩阵设计如下：

a)综合解扩和重扩频处理

构造解扩+扩频综合处理矩阵E∈Z^M×M

以矩阵为元素的对角阵，由对角线上的P个矩阵S组成，其中矩阵S的产生如下式所示；其中列向量s'为行向量s的共轭转置；对于M＝Q＝64的情况，即每个用户用的64个子载波传输一个调制符号，P＝1，则有Ε＝S。

$s_{4\×4}=\[s^{\′},s^{\′},s^{\′},s^{\′}\]\×\left[\begin{array}{c}s\\ s\\ s\\ s\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{4}& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}\\ \frac{1}{4}& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}\\ -\frac{1}{4}& -\frac{1}{4}& -\frac{1}{4}& -\frac{1}{4}\\ \frac{1}{4}& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}\end{array}\right]$

b)综合IDFT和DFT处理

M点IDFT和DFT处理分别用M×M的矩阵表示为和D_M，则解扩与重新扩频过程在频域表示为

$F_{M\×M}=D_M^H\·E\·D_M$

c)综合信道均衡和信道恢复处理

假设用户k所占用子载波信号成M维向量所对应的信道频域响应表示为向量若采用ZF均衡方法，则信道均衡矩阵表示为信道恢复表示为将信道均衡和信道恢复处理综合到上式中表示为

即在F_M×M矩阵的第i行除以h_i，并在第j行乘以h_j；

最终，结合以上三步进行综合处理，将码域重构操作整合为一个序列与矩阵的乘法。

本发明的有益效果：本发明提出的基于码域重构的残余CFO迭代消除方法，核心是扩展迭代深度，将SC-CFDMA系统包含的解扩/重扩频、信道均衡/信道恢复环节纳入迭代过程，从而可以区分同一子载波集上的码分用户，较为彻底地实现SC-CFDMA通信系统中载波频偏的消除。此外，对码域重构矩阵进行了综合，采用离线计算的方式降低复杂度，易于系统实现。

附图说明

图1为残余频偏条件下SC-CFDMA系统接收流程；

图2为基于码域重构的SC-CFDMA系统载波频偏迭代消除流程；

图3为码域重构模块具体流程。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

1)系统描述

如图1所示，SC-CFDMA通信系统总的子载波数目，即FFT点数N为512，CP长度为20，每个用户所占用的子载波数，即子载波集大小为64。若定义扩频因子为J，则每个SC-CFDMA符号内，每个用户实际发送的调制符号数量为P＝64/J。如J＝1，即不扩频，则SC-CFDMA退化成一般的SC-FDMA系统，每64个子载波上只有一个用户，且这个用户发送了64个调制符号；如J＝64，即用户数据在时域64倍扩频，则每个用户在64个子载波上只传输了一个调制符号，且64个子载波上最多可容纳64个用户。

2)信道模型

这里使用两种信道模型，一种是最简单的AWGN模型，另外一种是国际电联步行A信道模型。假设接收端能够获得理想的信道估计。

3)频偏设置

这里考虑小数倍频偏，将多个用户的归一化残余频偏设为：在[-0.2 0.2]之间均匀分布。

4)频偏迭代消除流程

如图2所示，不失一般性，假设1个子载波集上有2个码分用户。则需经历如下频偏迭代消除流程：

a)从接收端512点FFT的结果R中提取各子载波集，其中第i个子载波集表示为RA⁽ⁱ⁾。

b)将RA⁽ⁱ⁾分别与用户1、用户2的频偏循环反卷积矩阵C′⁽¹⁾、C′⁽²⁾相乘，完成对用户1、用户2的初步频偏补偿，得到

c)通过如图3所示的“码域重构”恢复各用户在所分配的子载波上的符号值，得到和主要包括信道均衡、IDFT、解扩、重扩频、DFT、信道恢复等环节。

d)将分别与A⁽ⁱ⁾C⁽¹⁾、A⁽ⁱ⁾C⁽²⁾相乘，从而重构出每个用户的频偏对其余用户造成的干扰项。

e)从各用户的信号中去除所有来自其他用户的干扰项，得到

f)进行子载波提取、与频偏循环反卷积矩阵相乘，完成迭代频偏消除。

g)在完成迭代频偏消除的基础上，进行数据解调。

Claims (3)

1.一种基于码域重构的SC-CFDMA载波频偏迭代消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：从接收端N点FFT的结果中提取各子载波集；

步骤二：通过与各用户的频偏循环反卷积矩阵相乘，初步消除频偏对各用户的影响；

步骤三：通过码域重构恢复各用户在所分配的子载波上的符号值；

步骤四：干扰信号重构，将步骤三的结果与相应用户的频偏循环卷积矩阵相乘，再造出各用户频偏对其余用户造成的干扰项；

步骤五：从各用户的信号中去除所有来自其他用户的干扰项；

步骤六：再进行子载波提取、与频偏循环反卷积矩阵相乘，完成迭代频偏消除；

步骤七：在完成迭代频偏消除的基础上，进行数据解调。

2.如权利要求1所述的一种基于码域重构的SC-CFDMA载波频偏迭代消除方法，其特征在于，其中，步骤三将扩频处理的特点考虑到“干扰信号重构”过程中，实现各码分用户干扰项的重构与分离；首先，SC-CFDMA系统的迭代深度需要包含解扩与重扩频环节；其次，由于解扩之前必须进行信道均衡，因此信道均衡也应包含在迭代过程中。

3.如权利要求1或2所述的一种基于码域重构的SC-CFDMA载波频偏迭代消除方法，其特征在于，其中，步骤三所述的码域重构采用以下方法：

假设每个用户占用子载波个数为M，用户扩频因子为J；若扩频码序列为s＝[1,1,-1,1]，则每个用户实际发送调制符号数为P＝M/J；码域重构矩阵设计如下：

a)综合解扩和重扩频处理

构造解扩+扩频综合处理矩阵E∈Z^M×M

以矩阵为元素的对角阵，由对角线上的P个矩阵S组成，其中矩阵S的产生如下式所示；其中列向量s'为行向量s的共轭转置；对于M＝Q＝64的情况，即每个用户用的64个子载波传输一个调制符号，P＝1，则有Ε＝S；

$S_{4\×4}=\[s^{\′},s^{\′},s^{\′},s^{\′}\]\×\left[\begin{array}{c}s\\ s\\ s\\ s\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{4}& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}\\ \frac{1}{4}& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}\\ -\frac{1}{4}& -\frac{1}{4}& -\frac{1}{4}& -\frac{1}{4}\\ \frac{1}{4}& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}\end{array}\right]$

b)综合IDFT和DFT处理

M点IDFT和DFT处理分别用M×M的矩阵表示为和D_M，则解扩与重新扩频过程在频域表示为

$F_{M\×M}=D_M^H\·E\·D_M$

c)综合信道均衡和信道恢复处理

假设用户k所占用子载波信号成M维向量所对应的信道频域响应表示为向量若采用ZF均衡方法，则信道均衡矩阵表示为信道恢复表示为将信道均衡和信道恢复处理综合到上式中表示为

即在F_M×M矩阵的第i行除以h_i，并在第j行乘以h_j；

最终，结合以上三步进行综合处理，将码域重构操作整合为一个序列与矩阵的乘法。