CN107231324A - 应用于高效频分复用传输系统的ici补偿接收方法 - Google Patents

Abstract

为了解决现有高效频分复用系统自带的ICI较严重，且误码率高的问题，本发明提供一种应用于高效频分复用传输系统的ICI补偿接收方法。属于通信领域。包括：步骤一：接收信号依次经A/D转换器和串并转换后，输出N‑1路并行数据，在N‑1路并行数据的末端补上个零；步骤二：补零后进行点DFT变换，取变换后的前N‑1路数据组成1列N‑1行的矩阵S；步骤三：获得阶IDFT归一化矩阵，从其第N‑1行到第行中取出第1列到第N‑1列的数据，获得N‑1列行的矩阵I；步骤四：利用矩阵I和矩阵S，得到矩阵IC＝S×I；步骤五：在步骤一中输出的N‑1路并行信号的末端补上矩阵IC的数据，并进行点DFT变换；步骤六：取点DFT变换后输出的路中的前N‑1路数据。

Description

应用于高效频分复用传输系统的ICI补偿接收方法

技术领域

本发明涉及一种接收机，特别涉及一种应用于高效频分复用传输系统的ICI补偿接收方法，属于通信领域。

背景技术

随着无线通信的高速发展，移动设备的高宽带应用日益增多，频谱资源日益匮乏，提升有限的频谱资源利用率成了当下研究的热门。在多载波传输体制中，OFDM(正交频分复用)一向以其高频谱利用率以及收发设备简单被称为经典的传输方式，但是研究者们希望有一种拥有比OFDM更高的频谱利用率的传输体制。早在2003年I.Darwazeh等人就提出了一种高效率的频分复用技术——SEFDM(Spectrally Efficient Frequency DivisionMultiplexing)，这种通信系统是在OFDM系统的基础上建立的。OFDM系统通过压缩子载波间距使得相邻子载波达到正交的关系，载波之间有很大程度的交叠，已经在一定程度上节省了很多频谱资源，而高效频分复用系统通过在OFDM的载波结构基础上进一步压缩子载波之间的距离以提高频谱利用率。

高效频分复用作为一种的多载波传输体制，虽然通过压缩子载波间距使得频谱利用率非常高，但是由于收发装置在硬件方面实现的复杂度等问题，技术进展并没有OFDM更快。其面临的最大技术难题是接收端的检测问题。由于频带的进一步压缩，子载间的正交性被破坏，需要更复杂的检测方式在一定程度上克服载波间干扰来进行数据检测接收。如果仅使用一般的MMSE直接对系统符号进行硬判决，那么得到的系统误码率是无法满足系统通信的。目前针对这种高效频分复用系统的接收机检测有一些经典的算法，如ID(迭代检测，Iterative Detection)，SD(球形译码，Sphere Decoding)，FSD(固定复杂度球译码，FixedSphere Decoding)，TSVD(奇异值分解降秩算法，Truncated Singular ValueDecomposition)，以及其相互结合的ID-FSD和TSVD-FSD等等。这些检测方式在一定程度上解决了接收机检测方面的问题，使得高效频分复用传输系统的性能能够得以保障。

而现有的高效频分复用系统不同于传统的OFDM系统，其自带的ICI(InterCarrierInterference，子载波间干扰)较严重，且误码率高。

发明内容

为了解决现有高效频分复用系统自带的ICI较严重，且误码率高的问题，本发明提供一种应用于高效频分复用传输系统的ICI补偿接收方法。

本发明的应用于高效频分复用传输系统的ICI补偿接收方法应用于高效频分复用传输系统的ICI补偿接收方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一：接收信号依次经A/D转换器和串并转换后，输出N-1路并行数据，在N-1路并行数据的末端补上个零；

步骤二：N-1路并行数据和个零进行点DFT变换，经点DFT变换后，取前N-1路数据组成1列N-1行的矩阵S；

步骤三：获得阶IDFT归一化矩阵，从其第N-1行到第行中取出第1列到第N-1列的数据，获得N-1列行的矩阵I；

步骤四：利用矩阵I和矩阵S，得到矩阵IC，IC＝S×I；

步骤五：在步骤一中输出的N-1路并行信号的末端补上矩阵IC的数据，并进行点DFT变换；

步骤六：取点DFT变换后输出的路中的前N-1路数据。

优选的是，所述步骤二中，经点DFT变换后，取前N-1路数据进行迭代检测，获得N-1路检测后的数据，组成1列N-1行的矩阵S。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明的有益效果在于，本发明针对高效频分复用的新型ICI补偿接收方式在一定程度上抑制了系统自带的ICI，有着与传统迭代检测相当的性能；而本发明所的迭代ICI补偿接收方法有着比传统迭代检测接收方式更好的误码率性能。经过仿真验证，在带宽压缩因子α较大的情况下，本发明的迭代ICI补偿接收方法有着与当前性能最好的ID-FSD相当的误码率性能，但是计算复杂度要远远低于ID-FSD。

附图说明

图1为本发明生成的高效频分复用符号与传统OFDM符号子载波结构对比图；

图2为传统高效频分复用系统发射原理框图；

图3为传统高效频分复用系统接收原理框图；

图4为本发明应用于高效频分复用传输系统的ICI补偿接收原理框图；

图5为各种接收检测方式下的系统误码率性能对比。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1：本实施例所述的应用于高效频分复用传输系统的ICI补偿接收方法，包括发送步骤和接收步骤；

本实施例的发送步骤包括：

步骤A1、符号映射。符号映射的目的是生成星座映射复符号，由发送信息的0，1二进制比特信息，经过不同的调制方式，将若干码元为一组映射成复符号，以四相位星座映射为例，该阶段具体步骤为：

步骤A11、设调制相位数目为m，发送信息码元数目为n，映射后复符号个数为e；

步骤A12、发送信息0，1码元分组，每组码元映射为一个复符号，每组的码元个数h和调制相位数目m以及映射后复符号个数e的关系为：

h＝log₂m

步骤A13、每组信息码元以一定的规则映射到复平面上不同的星座点，形成了若干不同相位的调制符号，根据星座点数设置的不同，每组映射的原象码元的个数的增加在一定程度上相当于传输效率的提高。四相位星座映射下，将符号能量归一化，代码中，信息码元到复平面上符号位置的映射关系为：

若为四相位映射，m＝4，h＝log₂m＝2，因此每组码元个数为2，复符号共有m＝4种形式，映射关系为：

步骤A2、高效频分复用信号生成。在该步骤中，将每组映射后的复符号调制到一组非正交的子载波上生成高效频分复用符号，该阶段具体步骤为：

步骤A21、高效频分复用信号由若干组高效频分复用符号组成，每组高效频分复用符号携带N个复符号，以T为周期进行数据传输。每组N维复符号调制到一组非正交的子载波上，调制后的高效频分复用信号x(t)形式为：

其中，α为带宽压缩因子，α＝Δf×T，Δf为子载波间隔，T为高效频分复用符号间隔，N为子载波数量，s_l，n为第l个高效频分复用符号中的第n个子载波上承载的复符号数据。

步骤A22、在数字通信系统中需要使用离散的数字信号，离散的高效频分复用信号由连续形式信号采样获得，以T/N为间隔采样，采样后离散形式的高效频分复用信号表达式为：

其中，不使用过采样，N表示子载波数量及表示采样点数，X_l[k]表示第l个符号上的第k个时间样本点，为归一化常数。

步骤A23、系统的矩阵形式为：

其中，为第l个高效频分复用符号对应的数据向量；

为输入符号对应的数据向量， 为N×N的矩阵，其形式为：

即其中元素为0≤n＜N，0≤k＜N。

其中N点为图2中的N点串行QAM符号，组成数字信源信号。

图1为实施例生成的高效频分复用频谱与传统OFDM频谱结构对比图。带宽压缩因子α＝0.5，理论上每个子载波间隔压缩至OFDM符号子载波间隔的一半，故整个符号所占用的频带也是同等子载波个数下OFDM符号占用频带的二分之一。

步骤A3：数字信源信号经过串并转换变为并行数据，串并转换后的并行数据为N点；带宽压缩因子为α。

步骤A4：为了将符号调制到非正交的子载波上，需要在经过星座映射的复符号的末端补上个零，使符号总长度变为接下来做长度为点的IDFT。

步骤A5：经过点的IDFT处理后得到点数据，除去数据末端的点数据后得到N点的待发送数据。

图3为传统高效频分复用系统接收机原理框图。在系统接收端，接收到经过信道的N点数据之后，采用与发送端相对应的方式进行解调。首先在数据末端补上个零，使符号总长度变为接下来做长度为的DFT，最后取出数据的前N个点，此后还可能会有数据的某种检测处理过程，如FSD。至此，整个系统的数据发送接收过程结束。

而本实施例对高效频分复用信号接收：首先使用迭检测方法将接受信号向真实值进行一定程度的收敛，但是由于该处理过程仍是作用于非正交数据上，因此收敛程度有限。因此使用ICI补偿的方式对数据进行进一步处理，使得非正交的子载波趋于正交，再解调得到的数据便更接近发送端的真实数据；

系统信道考虑AWGN信道。高效频分复用信号经过信道衰落后，考虑所有的高效频分复用符号，接收端的接收信号形式为：

其中，为加性高斯复白噪声。矩阵的实质是矩阵的N阶顺序主子式，而一股的高效频分复用信号接收使用的是与发送端相对应的补零方式，进而进行DFT操作取出有效符号。经过整个过程处理之后，最终得到的接收数据R形式为：

其中为发送端最原始的星座映射复符号组成的矩阵，为整个发生接收系统的影响据因子矩阵，其中为矩阵的N阶顺序主子式(即上述的矩阵)，为矩阵的N阶顺序主子式，为加性高斯复白噪声。

如图4所示，本实施方式的接收步骤包括：

步骤B1：接收信号依次经A/D转换器和串并转换后，输出N-1路并行数据，在N-1路并行数据的末端补上个零；

步骤B2：N-1路并行数据和个零进行点DFT变换，经点DFT变换后，取前N-1路数据组成1列N-1行的矩阵S；

步骤B3：获得阶IDFT归一化矩阵，从其第N-1行到第行中取出第1列到第N-1列的数据，获得N-1列行的矩阵I；

步骤B4：利用矩阵I和矩阵S，得到矩阵IC，IC＝S×I；

步骤B5：在步骤一中输出的N-1路并行信号的末端补上矩阵IC的数据，并进行点DFT变换；

步骤B6：取点DFT变换后输出的路中的前N-1路数据。

实施例1是利用ICI补偿实现的通信过程。

实施例2：实施2与实施例1不同的是接收步骤中，步骤B2为：N-1路并行数据和个零进行点DFT变换，经点DFT变换后，取前N-1路数据进行ID迭代检测，获得N-1路检测后的数据，组成1列N-1行的矩阵S。

仅使用一般的高效频分复用信号接收程序得到的接收数据与真实数据之间存在极大的误差，直接进行星座解映射会带来很大的误码率。因此使用ID迭代检测对数据R进行处理：

其中，初项λ为收敛因子，表示N×N的单位对角阵，为失真矩阵，即上述的矩阵。

经过ID迭代检测的接收矩阵在一定程度上向发送端的原始信号收敛，但是误码率性能仍有待提高。在ID迭代检测之后使用ICI补偿，使得系统误码率进一步下降。

实施例2是将ICI补偿与ID迭代检测相结合实现的通信过程。

图5为接收时各种检测方式下的系统误码率性能对比。其中，SEFDM ID表示ID迭代检测方法，SEFDM IC表示ICI补偿检测方法；SEFDM ICI表示迭代ICI补偿检测方法；SEFDMID-FSD表示ID迭代检测-固定球形译码检测方法；OFDM Theory表示传输体制为OFDM时的理论误码率曲线，也就相当于SEFDM中α＝1的情况；其中Eb/NO代表比特信噪比，单位dB；

仿真中，每个符号的子载波个数为8，高效频分复用符号为1000个，压缩因子为α＝7/8。由图5可见，在这种情况下，传统的ID迭代检测方法与本实施方式的ICI补偿检测方法效果几乎相似；本发明提出的迭代与ICI补偿结合的接收方法与当前接收性能最佳的ID-FSD方法效果几乎一样。而本发明提出的迭代和ICI补偿结合的接收方法仅在ID迭代检测后仅仅进行了一次ICI补偿接收，其计算复杂度要远小于ID-FSD方式。另外由图5中各种检测方法误码率曲线与OFDM理论误码率曲线的对比可以看出，在小尺度子载波系统下，这几种检测方式的性能均可以支持通信系统的传输要求。

表1为不同检测方式的计算复杂度对比，用复数加法与复数乘法的次数进行表征。K表示每个符号中所用的总的子载波个数，N表示有效子载波个数，M表示该调制方式下总的星座点数。当带宽压缩因子α较大的时候，K和N差距很小，因此ICI补偿检测方式的数量级比ID和FSD要小，计算复杂度也就很低。

表1各种检测方式的计算复杂度

本发明的接收方法的思想是将系统发送端丢弃的数据进行一定程度的补偿，把接收过程中做DFT之前数据的非正交性在一定程度上校正为正交，这样一来在很大程度上改善了系统的误码率性能。经过仿真验证，该ICI补偿方法与传统的ID迭代检测方法性能相当，且计算复杂度比ID迭代检测要低。而将该方法与ID迭代检测结合使用形成的迭代ICI补偿接收方式，会进一步降低系统的误码率，从而改善系统性能。

如果将高效频分复用技术应用于新一代的地面、空载及卫星通信中将会给在很大程度上解决未来频谱资源稀缺的问题，而由于该技术下生成的信号子载波是非正交的，给接收端消除误码带来了一定的挑战。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (2)

1.一种应用于高效频分复用传输系统的ICI补偿接收方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一：接收信号依次经A/D转换器和串并转换后，输出N-1路并行数据，在N-1路并行数据的末端补上个零；

步骤二：N-1路并行数据和个零进行点DFT变换，经点DFT变换后，取前N-1路数据组成1列N-1行的矩阵S；

步骤三：获得阶IDFT归一化矩阵，从其第N-1行到第行中取出第1列到第N-1列的数据，获得N-1列行的矩阵I；

步骤四：利用矩阵I和矩阵S，得到矩阵IC，IC＝S×I；

步骤五：在步骤一中输出的N-1路并行信号的末端补上矩阵IC的数据，并进行点DFT变换；

步骤六：取点DFT变换后输出的路中的前N-1路数据。

2.根据权利要求1所述的应用于高效频分复用传输系统的ICI补偿接收方法，其特征在于，所述步骤二中，经点DFT变换后，取前N-1路数据进行迭代检测，获得N-1路检测后的数据，组成1列N-1行的矩阵S。