CN107135180B - Ofdm系统信号发送和接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，具体的说涉及OFDM系统信号发送和接收方法。本发明的主要方法为在发送端：依次对发送符号进行加入标识符、IFFT、插入循环前缀，然后输出OFDM信号；在接收端：将接收到的OFDM信号依次进行去循环前缀、FFT、对子载波频域信号聚类并根据标识符区分聚类后符号的类别、恢复发送符号。本发明的有益效果在于，相对于传统技术，本发明的方法可大大提高接收机的检测性能，且在接收端不需要进行信道估计。

Description

OFDM系统信号发送和接收方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体的说涉及OFDM系统信号发送和接收方法。

背景技术

OFDM(正交频分复用)系统已广泛应用于无线通信(如WiFi与LTE等)及有线通信系统(如ADSL)。传统的OFDM系统需要通过发送端发送导频符号(Pilot Symbols)使接收端进行信道估计，然后对接收信号在各个子载波上作相干检测(Coherent Detection)以恢复出发送符号，因而传统方法存在着接收机检测性能受限的问题。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种在接收端不需要进行信道估计的OFDM系统信号发送和接收方法。

本发明的技术方案如下：

OFDM系统信号发送和接收方法，其特征在于，包括：

在发送端：依次对发送符号进行加入标识符、IFFT、插入循环前缀，然后输出OFDM信号，所述标识符在接收端是已知的；

在接收端：将接收到的OFDM信号依次进行去循环前缀、FFT、对子载波频域信号聚类并根据标识符区分聚类后符号的类别、恢复发送符号。

本发明总的技术方案，与传统方法不同的是，直接对频域接收信号进行聚类，通过发送端发送的标识符指明聚类后符号的类别，从而恢复出发送符号，从而在接收端不需要进行信道估计，提高了接收端的检测性能。与传统技术相比，本发明采用标识符替代了传统技术中采用的导频符号，导频符号需要进行信道估计，而采用标识符的方式不需要导频估计。其中，通过对接收信号进行聚类可以将同一个发射符号对应的接收信号聚类到同一个类别。利用预设的标记符号和聚类类别之间的对应关系可以恢复出接收信号对应的发射符号。

将经过FFT后的子载波频域信号标识为如下公式1：

y＝Λs+u (公式1)

其中，s指一个OFDM符号，s＝[s₀,s₁,…,s_N-1]^T，N表示OFDM子载波的个数，Λ＝diag(H₀,H₁,…H_N-1)表示信道的频域响应，u(n)服从均值为0方差为σ²的循环对称复高斯分布，即u(n)与s(n)独立；

进一步的，当发送端在每个子载波上发送一个标识符时，所述对子载波频域信号聚类并根据标识符区分聚类后符号的类别的具体方法为：

S1、标识符重构：令a表示发送的一个标识符，b表示I种发送符号，则ah＝b，在接收端y_k(1)h＝H_kah+uh＝H_kb+uh，y_k(1)h为I种发送符号经过信道后的值，下标k为子载波序号；

S2、接收信号聚类：将接收到的每个子载波上的频域信号通过聚类算法进行聚类，可以得到I组数据；

S3、类别标识：用S1得到的重构标识符标识S2聚类成的I组数据。

上述方案提出了在每个子载波上仅发送一个标识符的方法来指明这I个组分别对应于哪个发送符号的方法。以16QAM调制方式为例，在发送有用数据前发送一个标识符，例如指定发送的标识符为"3+3j"，则与y_k中第一个点y_k(1)即标识符通过信道并经过FFT变换后得到的值聚类在一起的数据都为"3+3j"，其中y_k＝[y_k(1),y_k(2),…,y_k(M)]^T。将y_k(1)除以3，则和此值在一组的数据都为"1+1j"，因此可通过y_k(1)生成一些点来确定其他组对应的发送符号，从而进行标记重构，进而标识这I个组，并恢复出发送符号。

进一步的，当发送端在每个子载波上发送I个不同的标识符时，所述对子载波频域信号聚类并根据标识符区分聚类后符号的类别的具体方法为：

S1、标识符重构：将每个标识符进行标记重构，令a(t)表示发送的第t个标识符，b表示I种发送符号，则a(t)h(t)＝b，在接收端y_k(t)h(t)＝H_ka(t)h(t)+uh(t)＝H_kb+uh(t)，y_k(t)h(t)为第t个标识符重构出的标识符，将同一个发送符号下的所有标识符进行统计平均，完成标识符重构过程，下标k为子载波序号；

S2、接收信号聚类：将接收到的每个子载波上的频域信号通过聚类算法进行聚类，可以得到I组数据；

S3、类别标识：用S1得到的重构标识符标识S2聚类成的I组数据。

上述方案提出了在每个子载波上发送I个不同标识符的方法来指明这I个组分别对应于哪个发送符号的方法。以16QAM调制方式为例，将每个标识符进行标记重构，生成16×16的矩阵，然后将同一个发送符号下的所有标识符进行统计平均，得到16×1的向量，以此作为标识符标识聚类形成的16个类别，从而恢复出发送符号；例如标识符1+j被分在第一类，则在第一类的数据都为1+j。

与上述2个方案相对应的，也可以采用在每个子载波上发送多个相同的标识符的方法来指明这I个组分别对应于哪个发送符号的方法，具体是将多个相同标识符经过信道并经过FFT变换之后得到值的统计平均作为中心点，并进行标记重构，进而标识这I个组，从而恢复出发送符号。

本发明的有益效果在于，相对于传统技术，本发明的方法可大大提高接收机的检测性能，且在接收端不需要进行信道估计。

附图说明

图1示出了本发明的接收机在各个子载波的检测框图；

图2示出了本发明发送标识符的设计方法一；

图3示出了本发明第k个子载波信号聚类后的发送符号标注方法一；

图4示出了本发明发送标识符的设计方法二；

图5示出了本发明第k个子载波信号聚类后的发送符号标注方法二；

图6示出了本发明发送标识符的设计方法三；

图7示出了本发明第k个子载波信号聚类后的发送符号标注方法三；

图8示出了本发明EM算法的流程图；

图9示出了本发明提出的OFDM系统发送与接收机设计方案与最大似然检测性能对比图；

图10示出了本发明提出的OFDM系统发送与接收机三种标识符设计方案的性能对比图。

具体实施方式

下面将结合附图，详细描述本发明的技术方案。

传统的OFDM系统需要通过发送端发送导频符号使接收端估计信道信息，然后对接收信号作相干检测以恢复出发送信号。本发明不同于传统的OFDM信号检测方案，提出一种新型的OFDM系统发送与接收信号方法，直接对频域接收信号进行聚类，通过发送端发送的标识符指明聚类后符号的类别，从而恢复出发送符号。

接收端在进行去循环前缀和快速离散傅里叶变换(FFT)的过程后，此时的信号可以表示为

y＝Λs+u,

其中，s是指一个OFDM符号，s＝[s₀,s₁,…,s_N-1]^T，N表示OFDM子载波的个数，Λ＝diag(H₀,H₁,…,H_N-1)，u(n)服从方差为σ²的循环对称复高斯(CSCG)分布，即u(n)与s(n)独立。

假设信道在一段时间内保持不变，每个子载波下的信号在此时段内经历相同的信道，故本发明在每个子载波上进行检测解码。由于噪声服从CSCG分布，导致了在给定s_k的条件下第k个子载波上的信号y_k(m)服从均值为H_ks_k方差为σ²的CSCG分布，即其中y_k(m)表示第k个子载波上的第m个符号。y_k(m)的概率可以表示为：

其中，I表示s_k出现的种类。以16QAM调制方式为例，s_k＝A+Bj，其中A，B∈{±1,±3}，故I＝16。很明显这是一个由I个高斯分布形成的高斯混合模型(GMM)。

本发明对每个子载波上的M个信号进行聚类处理后，形成I个组，通过加入标识符的方式指明这些组分别对应于哪个发送符号，从而恢复出发送信号。

图1示出了本发明接收机在各个子载波的检测框图。本发明接收机的检测过程包括4个过程：首先进行标记重构，将发送端发送的有限个标识符重构出I种发送符号；然后将第k个子载波M个频域信号进行聚类，形成I个组；再根据标识符来标识这些组分别对应于哪个发送符号；最后根据标识符所指，恢复出发送信号。

图2表示了本发明仅发送一个标识符的方法，在每个子载波发送信号之前，先发送一个标识符，标识聚类之后的数据对应于哪个发送符号，并且可以作为算法初始值加快算法的收敛速度。故此设计方案在时间上看，每个子载波只需要发送一个标识符，在频率上看，每个子载波都要发送一个标识符。

图3表示了图2所示标识符设计方法一的第k个子载波信号的聚类。以对OFDM信号采用16QAM方式进行调制为例。本发明在发送有用数据前发送一个标识符，指定发送的标识符为"3+3j"。经过FFT变换后，对第k个子载波的聚类产生有16个组，每一个组代表一种符号信息，其中箭头指向的位置是标识符经过信道，并经过FFT变换后所在的位置，故标识符所在组就代表了这些数据是由符号"3+3j"经过信道并经过FFT变换后得到的。由于同一个子载波经历的信道是相同的，所以信道造成的相移和幅值变化是相同的，故16种符号间的相对关系保持不变，利用这个特性，可由y_k(1)生成一些点标识其他组，故本发明可知其他组所代表的发送符号。

图4示出了本发明发送标识符的第二种设计方法：在每个子载波发送数据符号之前，先发送I个不同的标识符，这I个标记包含了发送符号的所有可能性，以16QAM为例，I＝16,标识符为A+Bj，其中A，B∈{±1,±3}。

图5示出了图4所示标识符设计方法二的第k个子载波信号的聚类。首先将每个标识符进行标记重构，生成16×16的矩阵，然后将同一个发送符号下的所有标识符进行统计平均，得到16×1的向量，以此作为标识符标识聚类形成的16个类别。

图6表示了本发明发送多个相同标识符的设计，在每个子载波发送信号之前，先发送多个相同的标识符，将这多个相同标识符经过信道并经过FFT变换之后得到值的统计平均作为中心点，并进行标记重构，进而标识这I个组，从而恢复出发送符号。

图7表示了图6所示标识符设计方法三的第k个子载波信号的聚类。箭头指向的位置是多个相同标识符经过信道，并经过FFT变换，进行统计平均后所在的位置。

本发明中所述的聚类算法，如图8所示，以EM算法为例，采用的期望最大化(EM)算法求得高斯混合分布的参数，并对y_k进行聚类。令最大似然函数为：

由于在通信系统中，发送端以相等概率的发送符号，并且由于噪声的方差保持不变，故I个高斯分布具有相同的协方差矩阵，故本发明利用这些先验信息，令可得

在EM算法中通过引入隐变量来求参数。本发明引入隐变量z来最大化似然函数求解，其中z_i∈{0,1}，并且即z中只有元素为1。y_k(n)属于第i组的概率为

将利用先验信息得到的似然函数函数关于均值和协方差分别求导等于0可得

通过将上面3个公式进行迭代就可以求得高斯混合分布的参数，并将其分类。迭代过程如图8所示。γ(z_mi)中对于i＝1,…,I中最大值对应的下标代表y_k(m)所在的组，将数据聚类好之后，再用y_k(1)及其生成的值标识每一组所代表的发送符号，这样就完成第k个子载波OFDM信号的检测解码。

本发明利用的EM算法也可不局限于等概率发送符号场景，同时，噪声的方差也可随时间变化。另外，本发明也不局限于利用EM算法来求得高斯混合分布的参数。

图9示出了本发明提出的OFDM系统发送与接收信号方法与最大似然检测性能对比图；仿真对OFDM的一个子载波产生瑞利信道并进行信号检测，OFDM信号采用16QAM调制方式进行调制，在仿真过程中，采用1600个点进行聚类，误码率为1000次实验的平均值，采用第一种标签设计方案，通过图9可知，本发明提出的检测方法优于信道估计下的最大似然检测，并在高误码率下，本发明提出的检测方法接近于信道已知下的最大似然检测。

图10示出了本发明提出的OFDM系统发送与接收信号方法三种标识符设计方案的性能对比图。仿真对OFDM的一个子载波产生瑞利信道进行信号检测，OFDM信号采用16QAM调制方式进行调制，在仿真过程中，采用1600个点进行聚类，误码率为500次实验的平均值。其中3条曲线表示标识符设计的三种方法，方法一中发送1个标识符3+3j，方法二发送16种不同的标识符，方法三中发送16个相同的标识符3+3j，根据仿真图可知，当发送的标识符越多时，性能越好，这是因为在统计平均的过程中减小了噪声的影响，并且当发送标识符的幅值越大，性能越好，这是因为在标记重构过程中，做除法运算减小了噪声的方差，故重构出的标识符准确性会提高，从而性能会有所提升。

Claims (2)

1.OFDM系统信号发送和接收方法，其特征在于，包括：

在发送端：依次对发送符号进行加入标识符、IFFT、插入循环前缀，然后输出OFDM信号，所述标识符在接收端是已知的；发送端在每个子载波上发送一个不同标记符号；

在接收端：将接收到的OFDM信号依次进行去循环前缀、FFT、对子载波频域信号聚类并根据标识符区分聚类后符号的类别、恢复发送符号，具体方法为：

将经过FFT后的子载波频域信号标识为如下公式1：

y＝Λs+u (公式1)

其中，s指一个OFDM符号，s＝[s₀,s₁,…,s_N-1]^T，N表示OFDM子载波的个数，Λ＝diag(H₀,H₁,…H_N-1)表示信道的频域响应，u(n)服从均值为0方差为σ²的循环对称复高斯分布，即u(n)与s(n)独立；

还包括以下步骤：

S1、标识符重构：令a表示发送的一个标记符号，b表示I种发送符号，则ah＝b，在接收端y_k(1)h＝H_kah+uh＝H_kb+uh，y_k(1)h为I种发送符号经过信道后的值，下标k为子载波序号；

S2、接收信号聚类：将接收到的每个子载波上的频域信号通过聚类算法进行聚类，可以得到I组数据；

S3、类别标识：用S1得到的重构标识符标识S2聚类成的I组数据；

S4、发送信号判决：令信道在一段时间内保持不变，每个子载波下的信号在此时段内经历相同的信道，在每个子载波上进行检测解码，具体为：

令发送端以相等概率的发送符号，且噪声的方差保持不变，I个高斯分布具有相同的协方差矩阵，令在给定s_k的条件下第k个子载波上的信号y_k(m)服从均值为H_ks_k方差为σ²的CSCG分布，将其作为先验信息，得到最大似然函数为：

M是频域信号数；引入隐变量z对最大化似然函数求解，其中z_i∈{0,1}，并且即z中只有一个元素为1；y_k(m)属于第i组的概率为：

对最大似然函数关于均值和协方差分别求导等于0可得：

通过将上面3个公式进行迭代就可以求得高斯混合分布的参数，并将其分类；γ(z_mi)中对于i＝1,…,I中最大值对应的下标代表y_k(m)所在的组，将数据聚类好之后，再用标记符号重构值标识每一组所代表的发送符号，这样就完成第k个子载波OFDM信号的检测解码，每一个子载波都可采用此方式进行检测解码。

2.OFDM系统信号发送和接收方法，其特征在于，包括：

在发送端：依次对发送符号进行加入标识符、IFFT、插入循环前缀，然后输出OFDM信号，所述标识符在接收端是已知的；发送端在每个子载波上发送I个标记符号；

在接收端：将接收到的OFDM信号依次进行去循环前缀、FFT、对子载波频域信号聚类并根据标识符区分聚类后符号的类别、恢复发送符号，具体方法为：

将经过FFT后的子载波频域信号标识为如下公式1：

y＝Λs+u (公式1)

其中，s指一个OFDM符号，s＝[s₀,s₁,…,s_N-1]^T，N表示OFDM子载波的个数，Λ＝diag(H₀,H₁,…H_N-1)表示信道的频域响应，u(n)服从均值为0方差为σ²的循环对称复高斯分布，即u(n)与s(n)独立；

还包括以下步骤：

S1、标识符重构：将每个标记符号进行标记重构，令a(t)表示发送的第t个标记符号，b表示I种发送符号，则a(t)h(t)＝b，在接收端y_k(t)h(t)＝H_ka(t)h(t)+uh(t)＝H_kb+uh(t)，y_k(t)h(t)为第t个标记符号重构出的标记符号，将同一个发送符号下的所有标记符号进行统计平均，完成标记符号重构过程，下标k为子载波序号；

S2、接收信号聚类：将接收到的每个子载波上的频域信号通过聚类算法进行聚类，可以得到I组数据；

S3、类别标识：用S1得到的重构标识符标识S2聚类成的I组数据；

S4、发送信号判决：令信道在一段时间内保持不变，每个子载波下的信号在此时段内经历相同的信道，在每个子载波上进行检测解码，具体为：

令发送端以相等概率的发送符号，且噪声的方差保持不变，I个高斯分布具有相同的协方差矩阵，令在给定s_k的条件下第k个子载波上的信号y_k(m)服从均值为H_ks_k方差为σ²的CSCG分布，将其作为先验信息，得到最大似然函数为：

y_k(m)表示第k个子载波上的第m个符号，M是频域信号数；引入隐变量z对最大化似然函数求解，其中z_i∈{0,1}，并且即z中只有一个元素为1；y_k(m)属于第i组的概率为：

对最大似然函数关于均值和协方差分别求导等于0可得：

通过将上面3个公式进行迭代就可以求得高斯混合分布的参数，并将其分类；γ(z_mi)中对于i＝1,…,I中最大值对应的下标代表y_k(m)所在的组，将数据聚类好之后，再用标记符号重构值标识每一组所代表的发送符号，这样就完成第k个子载波OFDM信号的检测解码，每一个子载波都可采用此方式进行检测解码。