CN107018111B

CN107018111B - 双路分集ici共轭消除方法

Info

Publication number: CN107018111B
Application number: CN201710176930.6A
Authority: CN
Inventors: 马天鸣; 李光; 王文川; 周文妹
Original assignee: Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Current assignee: Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2037-03-22
Also published as: CN107018111A

Abstract

本发明提供双路分集ICI共轭消除方法，包括：步骤S1：发射端的序列发生器发送一组子载波序列组，经IFFT运算得到x(n)；步骤S2：对x(n)奇数项进行抽样、乘以旋转参数、右端插入N/2个零值组成第一新序列组；对偶数项进行抽样、乘以旋转参数、取共轭、左端插入N/2个零值得到第二新序列组，所述新序列组相加得到子载波序列组x′(n)，并向接收端发送；步骤S3：在接收端接收，得到序列组y′(n)；步骤S4：接收端对y′(n)左端N/2序列每个序列之后插入一个零值，得到第三新序列组；对y′(n)右端N/2序列每个序列之前插入一个零值，并去共轭得到第四新序列组；所述新序列组相加，并进行FFT运算。

Description

双路分集ICI共轭消除方法

技术领域

本发明涉及OFDM技术领域，尤其涉及OFDM通信系统在快时变衰落信道下的一种高数据传输效率的双路分集ICI共轭消除的设计方案。

背景技术

未来无线通信系统将朝着高速率的方向发展，故而需要系统具有良好的健壮性以弥补无线信道的损耗，因此选择一种合适的调制方式显得十分重要。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)既是一种调制技术，也是一种复用技术，自上世纪90年代以来已成为解决高速数据在无线信道中传输问题的首选方式之一，被认为是第4代移动通信中的一种核心技术并广泛使用在数字音频广播、数字视频广播和无线局域网等领域中。

OFDM之所以能够引起广泛重视，主要原因在于其独特的优点：首先，OFDM将子载波之间相互正交重叠排列，因此与传统的频分复用技术相比可以节省将近50％的带宽，大大提高了频谱利用率；其次，OFDM属于一种多载波调制技术，而在多载波系统中某一时刻只会有少部分的子信道受到深衰落影响，因此与一次衰落或者干扰就可能导致整个链路失效的单载波系统相比，它具有很强的抗窄带干扰和频率选择性衰落的能力。

然而OFDM自身也存在着一些不足之处。由于OFDM系统中接收端通过子载波两两之间的正交性进行解调，如果因为频偏原因而导致到达接收端信号中各子载波不正交，接收端便无法正确解调出所需信号，因此OFDM对子载波的频率偏移非常敏感。当信号在高速移动的信道中进行传输时，发射端和接收端之间的相对运动速度会产生远大于传统蜂窝移动通信信道和室内通信信道所可能出现的多普勒频移，这将给系统带来非常大的频率偏移，严重破坏子载波之间的正交性并产生不可忽视的载波间干扰(Inter-channelInterference,ICI)，从而影响信号的检测结果。也正是由于这一缺陷使得OFDM在诸如低轨卫星(Low Earth Orbit,LEO)通信信道、车间通信信道等一些具有快时变衰落的通信场景中没有得到广泛地应用。

自上世纪末以来，国内外许多学者们陆续提出了一些ICI抑制措施。Hen-Geul等人提出了一种双路分集ICI共轭消除的方案(简称方案1)[Hen-GeulYeh,and Yuan-KweiChang.A Scheme for Cancelling Intercarrier Interference using ConjugateTransmission in Multicarrier Communication Systems[J].IEEE Transactions onWireless Communications,2007,6(1):3-7.]来抑制ICI，然而该方案具有两个缺陷：首先，该方案是将原序列组进行共轭之后形成另一组序列，并将其与原序列组一起通过时分复用的方式进行传输，故而导致数据传输效率降至原来的一半；其次，该方案在频偏较大的场景下ICI抑制性能较差。随后一些学者们在此基础上提出了：(1)加权系数双路分集ICI共轭消除方案(简称方案2)[Ashish Goel,and Monika Agrawal.Data Combining Scheme forICI Conjugate Cancellation Scheme in OFDM Systems[C].National Conference onCommunications,2013:1-5.]，(2)相位旋转双路分集ICI共轭消除方案(简称方案3)[Chin-Liang Wang,and Yu-Chih Huang.Intercarrier Interference Cancellation UsingGeneral Phase Rotated Conjugate Transmission for OFDM Systems[J].IEEETransactions on Communications,2010,58(3):812-819.]，(3)相位自适应双路分集ICI共轭消除方案(简称方案4)[Chin-Liang Wang,Po-Chung Shen,and Yu-Chih Huang.AnAdaptive Receiver Design for OFDM Systems Using Conjugate Transmission[J].IEEE Transactions on Communications,2013,61(2):599-608.]等一系列改进方案，使得方案1可以在频偏较大的快时变信道中获得良好的ICI抑制性能，但数据传输效率较低的问题始终没能得到解决，因而极大地限制了其在诸如LEO卫星星地通信等一些高数据传输效率的场景中的实际应用。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，现有OFDM通信系统ICI共轭消除方法会导致数据传输效率的降低；为解决所述问题，本发明提供双路分集ICI共轭消除方法。本发明提供的双路分集ICI共轭消除方法包括：

(1)发射端发送一组N点频域序列组X(k)＝[X(0),X(1),X(2),X(3),…,X(N-4),X(N-3),X(N-2),X(N-1)]^T，0≤k≤N-1，经过IFFT之后得到时域序列组x(n)，0≤n≤N-1：

(2)先提取x(n)中的奇数序列，得到x₁(m)；再提取x(n)中的偶数序列，得到x₂(m)，0≤m≤N/2-1：

x₁(m)＝[x(0),x(2),…,x(N-4),x(N-2)]^T，

x₂(m)＝[x(1),x(3),…,x(N-3),x(N-1)]^T；

(3)先对x₁(m)中的所有序列乘以旋转参数e^jΦ，得到x₁′(m)；然后对x₂(m)中所有序列先乘以旋转参数e^-jΦ再取共轭，得到x₂′(m)，0≤m≤N/2-1，其中Φ是相位参数：

x₁′(m)＝[x(0)e^jΦ,x(2)e^jΦ,…,x(N-4)e^jΦ,x(N-2)e^jΦ]^T，

x₂′(m)＝[x^*(1)e^jΦ,x^*(3)e^jΦ,…,x^*(N-3)e^jΦ,x^*(N-1)e^jΦ]^T，

再按照先x₁′(m)后x₂′(m)的方式组成序列组x′(n)＝[x(0)e^jΦ,x(2)e^jΦ,…,x(N-4)e^jΦ,x(N-2)e^jΦ,x^*(1)e^jΦ,x^*(3)e^jΦ,…,x^*(N-3)e^jΦ,x^*(N-1)e^jΦ]^T，(0≤n≤N-1)并向接收端发送；由此不难发现，原来x(n)中相邻的两组序列符号x(t)和x(t+1)(0≤t≤N-2，t为偶数)经上述处理之后变为x(t)e^jΦ和x^*(t+1)e^jΦ，而且在发送时两者之间间隔了N/2个序列，使得序列中的突发性错误变得随机化，从而更有利于接收端进行纠错，因此系统的误码率可以得到进一步的降低；

(4)x′(n)经过信道传输之后，在接收端得到：

y′(n)＝[x(0)e^jΦe^j2πnε/N+w(0),x(2)e^jΦe^j2πnε/N+w(2),…,x(N-4)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-4),x(N-2)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-2),x^*(1)e^jΦe^j2πnε/N+w(1),x^*(3)e^jΦe^j2πnε/N+w(3),…,x^*(N-3)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-3),x^*(N-1)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-1)]^T；

其中，0≤n≤N-1，ε为频偏，w(n)为x′(n)在信道中传播时所遇到的加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)；

(5)将y′(n)按照前N/2个序列、后N/2个序列的方式进行拆分，同时对后N/2个序列进行去共轭，得到y₁′(m)和y₂′(m)，0≤m≤N/2-1：

y₁′(m)＝[x(0)e^jΦe^j2πnε/N+w(0),x(2)e^jΦe^j2πnε/N+w(2),…,x(N-4)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-4),x(N-2)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-2)]^T，

y₂′(m)＝[x(1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(1),x(3)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(3),…,x(N-3)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(N-3),x(N-1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(N-1)]^T；

将y₁′(m)和y₂′(m)进行奇偶交错合并，得到y"(n)，0≤n≤N-1：

y"(n)＝[x(0)e^jΦe^j2πnε/N+w(0),x(1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(1),…,x(N-2)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-2),x(N-1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(N-1)]^T；

(6)将y"(n)进行FFT运算，得到Y"(l)，0≤l≤N-1：

由此可以看出，不同于现有技术中采用双路分集的方式来提高接收端的纠错能力，进而降低系统的误码率；本发明通过将相邻序列进行分隔排列，使得序列中的突发性错误变得随机化，从而提高接收端的纠错能力，同样也能达到降低系统误码率的目的。同时也不难发现，采用本发明的设计方案不会降低系统的数据传输效率。

附图说明

图1是序列发生器发出的子载波序列组x(n)的结构图；

图2是将x(n)经过步骤二之后，得到的子载波序列组x′(n)的结构图；

图3是将y′(n)经过步骤四之后，得到的子载波序列组y"(n)的结构图；

图4是本发明设计方案的工作流程图。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质做进一步阐述。本发明所提供的高数据传输效率双路分集ICI共轭消除的方法包括：

步骤S1：发射端的序列发生器发送一组N个序列的子载波序列组X(k)＝[X(0),X(1),X(2),X(3),…,X(N-4),X(N-3),X(N-2),X(N-1)]^T，0≤k≤N-1，经过一个N点的IFFT运算器之后得到x(n)(其结构如图1所示)，记为：

x(n)＝[x(0),x(1),x(2),x(3),…,x(N-4),x(N-3),x(N-2),x(N-1)]^T，0≤n≤N-1；

步骤S2：对x(n)进行抽样，乘以旋转参数、取共轭，插零合并等变换之后得到一个N个序列的子载波序列组x′(n)(其结构如图2所示)，并向接收端发送，其中包括：

步骤S2.1：对x(n)进行奇数序列1/2抽样，得到：

x₁(m)＝[x(0),x(2),…,x(N-4),x(N-2)]^T，0≤m≤N/2-1；

步骤S2.2：对x₁(m)中的序列值乘以旋转参数e^jΦ(Φ是相位参数)，得到：

x₁′(m)＝[x(0)e^jΦ,x(2)e^jΦ,…,x(N-4)e^jΦ,x(N-2)e^jΦ]^T，0≤m≤N/2-1；

步骤S2.3：对x₁′(m)的右端插入N/2个零值，得到：

x₁′(n)＝[x(0)e^jΦ,x(2)e^jΦ,…,x(N-4)e^jΦ,x(N-2)e^jΦ,0,…,0]^T，0≤n≤N-1；

步骤S2.4：对x(n)进行偶数序列1/2抽样，得到：

x₂(m)＝[x(1),x(3),…,x(N-3),x(N-1)]^T，0≤m≤N/2-1；

步骤S2.5：对x₂(m)中的序列值先乘以旋转参数e^-jΦ(Φ是相位参数)，再取共轭，得到：

x₂′(m)＝[x^*(1)e^jΦ,x^*(3)e^jΦ,…,x^*(N-3)e^jΦ,x^*(N-1)e^jΦ]^T，0≤m≤N/2-1；

步骤S2.6：对x₂′(m)的左端插入N/2个零值，得到：

x₂′(n)＝[0,…,0,x^*(1)e^jΦ,x^*(3)e^jΦ,…,x^*(N-3)e^jΦ,x^*(N-1)e^jΦ]^T，0≤n≤N-1；

步骤S2.7：对x₁′(m)和x₂′(m)进行合并相加，得到：

x′(n)＝[x(0)e^jΦ,x(2)e^jΦ,…,x(N-4)e^jΦ,x(N-2)e^jΦ,x^*(1)e^jΦ,x^*(3)e^jΦ,…,x^*(N-3)e^jΦ,x^*(N-1)e^jΦ]^T，0≤n≤N-1。

由此不难发现，原来x(n)中相邻的两组序列符号x(t)和x(t+1)(0≤t≤N-2，t为偶数)经上述处理之后变为x(t)e^jΦ和x^*(t+1)e^jΦ，而且在发送时两者之间间隔了N/2个序列，使得序列中的突发性错误变得随机化，从而更有利于接收端进行纠错，因此系统的误码率可以得到进一步的降低。

步骤S3：x′(n)在信道中传输时会受到频偏和噪声的影响，在接收端处得到：

y′(n)＝[x(0)e^jΦe^j2πnε/N+w(0),x(2)e^jΦe^j2πnε/N+w(2),…,x(N-4)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-4),x(N-2)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-2),x^*(1)e^jΦe^j2πnε/N+w(1),x^*(3)e^jΦe^j2πnε/N+w(3),…,x^*(N-3)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-3),x^*(N-1)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-1)]^T，0≤n≤N-1；

其中，ε为频偏，w(n)(0≤n≤N-1)为加性高斯白噪声(Additive White GaussianNoise,AWGN)；

步骤S4：接收端对y′(n)进行拆分、去共轭，奇偶交错合并、FFT等变换后，最终得到Y"(l)(0≤l≤N-1)，其中包括：

步骤S4.1：对y′(n)抽取其左端N/2个序列，得到：

y₁′(m)＝[x(0)e^jΦe^j2πnε/N+w(0),x(2)e^jΦe^j2πnε/N+w(2),…,x(N-4)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-4),x(N-2)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-2)]^T，0≤m≤N/2-1：

步骤S4.2：对y₁′(m)中的每个序列之后插入一个零值，得到：

y₁′(n)＝[x(0)e^jΦe^j2πnε/N+w(0),0,x(2)e^jΦe^j2πnε/N+w(2),0,…,x(N-4)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-4),0,x(N-2)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-2),0]^T，0≤n≤N-1：

步骤S4.3：对y′(n)抽取其右端N/2个序列，并去共轭，得到：

y₂′(m)＝[x(1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(1),x(3)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(3),…,x(N-3)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(N-3),x(N-1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(N-1)]^T，0≤m≤N/2-1；

步骤S4.4：对y₂′(m)中的每个序列之前插入一个零值，得到：

y₂′(n)＝[0,x(1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(1),0,x(3)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(3),…,0,x(N-3)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(N-3),0,x(N-1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(N-1)]^T，0≤n≤N-1；

步骤S4.5：将y₁′(n)和y₂′(n)进行合并相加，得到y"(n)(其结构如图3所示)，记为：

y"(n)＝[x(0)e^jΦe^j2πnε/N+w(0),x(1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(1),…,x(N-2)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-2),x(N-1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(N-1)]^T，0≤n≤N-1；

步骤S4.6：将y"(n)通过一个N点的FFT运算器，得到：

需要说明的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.双路分集ICI共轭消除方法，其特征在于，包括：

步骤S1：发射端的序列发生器发送一组子载波序列组，经IFFT运算得到x(n)，x(n)＝[x(0),x(1),x(2),x(3),…,x(N-4),x(N-3),x(N-2),x(N-1)]^T，0≤n≤N-1，N为偶数；

步骤S2：对x(n)奇数项进行抽样、乘以第一旋转参数e^jΦ、右端插入N/2个零值组成第一新序列组；对偶数项进行抽样、乘以第二旋转参数e^-jΦ、取共轭、左端插入N/2个零值得到第二新序列组，所述第一新序列组和第二新序列组相加得到子载波序列组x′(n)，并向接收端发送；

步骤S3：在接收端接收，得到序列组y′(n)；

步骤S4：接收端对y′(n)左端N/2序列每个序列之后插入一个零值，得到第三新序列组；对y′(n)右端N/2序列每个序列之前插入一个零值，并去共轭得到第四新序列组；所述第三新序列组和第四新序列组相加，并进行FFT运算。

2.依据权利要求1所述的双路分集ICI共轭消除方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

步骤S2.1：对x(n)进行奇数序列1/2抽样，得到：

x₁(m)＝[x(0),x(2),…,x(N-4),x(N-2)]^T，0≤m≤N/2-1；

步骤S2.2：对x₁(m)中的序列值乘以第一旋转参数e^jΦ，得到：

步骤S2.3：对x₁′(m)的右端插入N/2个零值，得到第一新序列组：

步骤S2.4：对x(n)进行偶数序列1/2抽样，得到：

x₂(m)＝[x(1),x(3),…,x(N-3),x(N-1)]^T，0≤m≤N/2-1；

步骤S2.5：对x₂(m)中的序列值先乘以第二旋转参数e^-jΦ，再取共轭，得到：

步骤S2.6：对x₂′(m)的左端插入N/2个零值，得到第二新序列组：

步骤S2.7：对x₁′(m)和x₂′(m)进行合并相加，得到：

x′(n)＝[x(0)e^jΦ,x(2)e^jΦ,…,x(N-4)e^jΦ,x(N-2)e^jΦ,x^*(1)e^jΦ,x^*(3)e^jΦ,…,

x^*(N-3)e^jΦ,x^*(N-1)e^jΦ]^T，0≤n≤N-1。

3.依据权利要求1所述的双路分集ICI共轭消除方法，其特征在于，所述步骤S3在接收端处得到：

y′(n)＝[x(0)e^jΦe^j2πnε/N+w(0),x(2)e^jΦe^j2πnε/N+w(2),…,x(N-4)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-4),

x(N-2)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-2),x^*(1)e^jΦe^j2πnε/N+w(1),x^*(3)e^jΦe^j2πnε/N+w(3),…,

x^*(N-3)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-3),x^*(N-1)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-1)]^T，0≤n≤N-1；

其中，ε为频偏，w(n)(0≤n≤N-1)为加性高斯白噪声。

4.依据权利要求1所述的双路分集ICI共轭消除方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

步骤S4.1：对y′(n)抽取其左端N/2个序列，得到：y₁′(m)＝[x(0)e^jΦe^j2πnε/N+w(0),

x(2)e^jΦe^j2πnε/N+w(2),…,x(N-4)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-4),x(N-2)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-2)]^T，0≤m≤N/2-1；

步骤S4.2：对y₁′(m)中的每个序列之后插入一个零值，得到第三新序列组：

y₁′(n)＝[x(0)e^jΦe^j2πnε/N+w(0),0,x(2)e^jΦe^j2πnε/N+w(2),0,…,

x(N-4)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-4),0,x(N-2)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-2),0]^T，0≤n≤N-1：

步骤S4.3：对y′(n)抽取其右端N/2个序列，并去共轭，得到：

y₂′(m)＝[x(1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(1),x(3)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(3),…,

x(N-3)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(N-3),x(N-1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(N-1)]^T，0≤m≤N/2-1；

y₂′(n)＝[0,x(1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(1),0,x(3)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(3),…,0,

x(N-3)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(N-3),0,x(N-1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(N-1)]^T，0≤n≤N-1；

步骤S4.5：将y₁′(n)和y₂′(n)进行合并相加，得到：

y"(n)＝[x(0)e^jΦe^j2πnε/N+w(0),x(1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(1),…,x(N-2)e^jΦe^j2πnε/N+w(N-2),

x(N-1)e^-jΦe^-j2πnε/N+w^*(N-1)]^T，0≤n≤N-1；

步骤S4.6：将y"(n)通过一个N点的FFT运算器，得到：