CN109039967B - 一种基于ICI自删除技术的f-OFDM系统ISI的解决方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于ICI自删除技术的f‑OFDM系统ISI的解决方法。本方法为：在发射端的子载波映射模块与IFFT模块之间设置一ICI自删除编码模块，在接收端的子载波解映射模块与FFT模块之间设置一ICI自删除解码模块；所述ICI自删除编码模块，用于将子载波映射模块输出的每一数据符号分别采用设定权值调制到一组相邻的L个子载波上；所述ICI自删除解码模块，用于对FFT模块输出的数据中属于同一子载波组内的数据按照设定权值进行线性合并，其中，合并时所使用的权值与发射端所用的权值对应相同。本发明有效地减小了f‑OFDM系统滤波器引入ISI的影响。

Description

一种基于ICI自删除技术的f-OFDM系统ISI的解决方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于ICI自删除技术的f-OFDM系统ISI的解决方法及系统。
背景技术
从20世纪70年代至今，无线通信已经从第1代发展到了第4代。随着4G技术成熟并广泛商用，移动通信开始向5G的发展阶段进行迈进。5G发展的主要驱动力是移动互联网和物联网，5G将在现有4G系统能力的基础上大幅度提升性能，满足人们对高速率、超高数据容量、海量连接数量、节能通信、极致用户体验的无线接入要求。
目前，LTE/LTE-A系统采用CP-OFDM作为空中接口技术，但其具有以下缺点：整个系统带宽上只支持一种固定的参数配置，如循环前缀(Cyclic Prefix，CP)长度、子载波间隔、FFT点数等；矩形脉冲频率响应导致旁瓣泄露较大，需要较多保护带宽，频谱利用率低；对ISI和ICI(Inter-Carrier Interference，载波间干扰)敏感，需要严格时间和频率同步，系统开销较大等等。
为了解决传统的CP-OFDM存在的种种弊端，以更好地适应5G网络发展的需求，华为在2015年3月初的世界移动通信大会上提出了f-OFDM技术。f-OFDM除了具备传统CP-OFDM的优点外，在子带配置灵活性、频谱利用率的提升和带外信号频谱泄露等方面都有很好的性能，因此被推荐为5G的候选波形技术之一。但是同时f-OFDM技术也存在弊端：比如f-OFDM将系统的带宽划分为不同的子带，子带的带宽不固定，系统需要为不同子带设计不同的滤波器，相比于传统OFDM系统仅仅为整个频带滤波而言，f-OFDM系统的复杂度大大增加；f-OFDM系统滤波器长度为半个符号长度，大于CP长度，又没有额外增加保护间隔，因此f-OFDM的符号间会存在数据重叠和干扰，也就是说原来OFDM符号时域的正交性将会被破坏，符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)会更加严重。如何在保持f-OFDM优势的同时，减小其存在的弊端，成为目前f-OFDM技术研究领域亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于ICI自删除技术的f-OFDM系统ISI的解决方案，有效地减小了f-OFDM系统滤波器引入ISI的影响。
本发明将ICI自删除技术应用于f-OFDM系统，可以通过改变OFDM时域信号的幅度分布从而减小滤波器引入ISI的干扰。同时，ICI自删除技术也可以进一步减小f-OFDM信号频谱泄露，改善带外特性。另外，ICI自删除技术本身的特性也可以保持，即可以增强f-OFDM系统的抗频偏能力。
本发明的技术方案为:
一种基于ICI自删除技术的f-OFDM系统ISI的解决方法，其特征在于：
在发射端的子载波映射模块与IFFT模块之间设置一ICI自删除编码模块，在接收端的子载波解映射模块与FFT模块之间设置一ICI自删除解码模块；
所述ICI自删除编码模块，用于将子载波映射模块输出的每一数据符号分别采用设定权值调制到一组相邻的L个子载波上；
所述ICI自删除解码模块，用于对FFT模块输出的数据中属于同一子载波组内的数据按照设定权值进行线性合并，其中，合并时所使用的权值与发射端所用的权值对应相同。
进一步的，所述设定权值的选取满足子载波之间的ICI最小。
进一步的，所述发射端首先将子带数据经过子载波映射模块处理得到频域数据X[k]，然后采用ICI自删除编码模块对频域数据X[k]进行编码得到频域数据X′[k]，之后频域数据X′[k]依次经过IFFT模块、加CP操作得到时域数据x(n)，然后经过发端滤波器得到发送信号x(t)；最后不同子带的发送信号进行叠加发送。
进一步的，接收端分别采用与发射端子带滤波器相对应的匹配滤波器将每个子带的时域数据y′(n)取出来；每个子带的接收时域数据y′(n)依次经过去CP操作、FFT模块和ICI自删除解码模块处理后得到频域数据Y[k]，再经过子载波解映射得到原始发送数据。
进一步的，所述发射端将发送数据划分为不同的子带，每个子带数据分别选用不同的子载波间隔、CP点数以及TTI长度。
一种基于ICI自删除技术的f-OFDM系统，其特征在于，在发射端的子载波映射模块与IFFT模块之间设置一ICI自删除编码模块，在接收端的子载波解映射模块与FFT模块之间设置一ICI自删除解码模块；其中，所述ICI自删除编码模块，用于将子载波映射模块输出的每一数据符号分别采用设定权值调制到一组相邻的L个子载波上；所述ICI自删除解码模块，用于对FFT模块输出的数据中属于同一子载波组内的数据按照设定权值进行线性合并；合并时所使用的权值与发射端所用的权值对应相同。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点：
本发明提出了一种基于ICI自删除技术的f-OFDM系统ISI解决方案，通过将ICI自删除技术引入f-OFDM系统，能够改变原始OFDM系统时域信号幅度分布，从而减小滤波之后滤波器引入ISI的影响，性能改善显著。同时，采用ICI自删除技术之后，f-OFDM发射信号的带外特性进一步改善，有利于提升频谱效率。针对高速移动下的f-OFDM系统，ICI自删除技术也可以有效地改善频偏较大情形下的接收星座图特性，减小解调复杂度，优化系统性能。
附图说明
图1为采用ICI自删除技术的f-OFDM系统框图；
(a)发射端结构框图，(b)接收端结构框图；
图2为原始OFDM与基于ICI自删除的OFDM时域信号幅度对比图；
(a)OFDM(无ICI自删除)时域信号波形图，
(b)OFDM(有ICI自删除)时域信号波形图；
图3为原始f-OFDM与基于ICI自删除的f-OFDM时域信号幅度对比图；
(a)f-OFDM(无ICI自删除)时域信号波形图，
(b)f-OFDM(有ICI自删除)时域信号波形图；
图4为原始f-OFDM与基于ICI自删除的f-OFDM系统接收星座图比较(不加噪)；
(a)f-OFDM(无ICI自删除)系统接收星座图，
(b)f-OFDM(有ICI自删除)系统接收星座图；
图5为原始f-OFDM系统与基于ICI自删除的f-OFDM系统发射信号频谱图比较；
(a)f-OFDM(无ICI自删除)系统发射信号频谱图，
(b)f-OFDM(有ICI自删除)系统发射信号频谱图；
图6为原始f-OFDM与基于ICI自删除的f-OFDM接收星座图比较(ε＝0.05)；
(a)f-OFDM(无ICI自删除)系统接收星座图，
(b)f-OFDM(有ICI自删除)系统接收星座图；
图7为原始f-OFDM与基于ICI自删除的f-OFDM接收星座图比较(ε＝0.1)；
(a)f-OFDM(无ICI自删除)系统接收星座图，
(b)f-OFDM(有ICI自删除)系统接收星座图；
图8为原始f-OFDM与基于ICI自删除的f-OFDM接收星座图比较(ε＝0.2)；
(a)f-OFDM(无ICI自删除)系统接收星座图，
(b)f-OFDM(有ICI自删除)系统接收星座图。
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，下面通过具体实现和附图对本发明做详细说明,但不构成对本发明的限制。
图1所示为采用ICI自删除技术的f-OFDM系统框图。可以看到，相比于标准的f-OFDM系统，采用ICI自删除技术的f-OFDM系统对每个子带进行处理，仅多了两个模块：发射机的ICI自删除编码模块和接收机的ICI自删除解码模块。
ICI自删除编码模块是这样工作的。在发射端，每一个数据符号分别采用设定权值被调制到一组相邻的L个子载波上。由于每组的子载波之间无相互交叠，因此，N个子载波可以传输N/L个数据符号。其中，权值的选取应满足子载波之间的ICI最小。如对于L＝2的情况，最佳的权重值为(1,-1)，对应ICI自删除编码方案为P(D)＝1-D，即每个信息符号采用相反的相位被调制到两个相邻的子载波上，即
X(k+1)＝-X(k),k＝0,2,...,N-2
ICI自删除解码工作在接收端，设经过FFT之后的数据可以表示为Y'(k)，k＝0,1,...,N-1。为了进一步消除接收数据中残留的ICI，可将同一子载波组内的数据进行线性合并，其合并权值与发射端的权值相同。如对于L＝2的情况，第k个接收数据可以表示为：
Y(k)＝Y'(k)-Y'(k+1),k＝0,2,...,N-2
这样即得到了送入判决器的N/2个数据。ICI自删除编码技术和ICI自删除解码技术，二者共同构成ICI自删除技术。
采用ICI自删除技术的f-OFDM系统具体工作过程如下：首先发射端将发送数据划分为不同的子带，每个子带可以选用不同的子载波间隔，CP点数以及TTI(TransmissionTime Interval，发送时间间隔)长度。每个子带的数据首先经过子载波映射得到频域数据X[k]，然后采用ICI自删除编码得到编码之后的频域数据X′[k]，之后经过IFFT和加CP操作得到时域数据x(n)，最后经过发端滤波器得到发送信号x(t)。不同子带的发送信号进行叠加发送，到达接收端之后，分别采用与发射端子带滤波器相对应的匹配滤波器将每个子带的接收时域数据y′(n)取出来。每个子带的接收时域数据经过去CP、FFT和ICI自删除解码操作得到频域数据Y[k]，再经过子载波解映射即得到原始发送数据。
仿真结果及分析
1)仿真平台参数配置
本文通过搭建平台，以研究基于ICI自删除技术的f-OFDM系统，相比于传统f-OFDM系统所带来的性能改善。仿真平台参数配置如表1所示：
表1为基于ICI自删除技术的f-OFDM系统参数配置
OFDM符号个数 1
IFFT点数 1024
CP点数 0
数据子载波数目 600(可变)
滤波器类型 RRC窗(α＝0.6)
滤波器长度 65
滤波器阶数 64(IFFT点数一半)
Tone offset 3.5
调制方式 QPSK
ICI自删除技术编码方案 1-D
2)ISI特性比较
图2为原始OFDM与基于ICI自删除的OFDM时域信号幅度比较。由图2可以看出，原始OFDM时域信号幅度呈现高斯分布的特性，无明显规律性；而基于ICI自删除的OFDM时域信号幅度呈现叠加sin函数窗的形式，也就是说ICI自删除技术能够通过加窗改变OFDM时域信号的分布。
图3为原始f-OFDM与基于ICI自删除的f-OFDM时域信号幅度比较。由图3可以看出，由于ICI自删除技术改变了OFDM信号时域的幅度分布，从而使得滤波之后滤波器引入的拖尾能量大大减少。
通过改变不同的数据子载波数目，得到基于ICI自删除的f-OFDM与原始f-OFDM信号拖尾能量之比如表2所示。由表2可以看出，基于ICI自删除的OFDM信号，在保持与原始OFDM信号相同的时域能量的情况下，能够有效地减少滤波之后f-OFDM信号拖尾的能量，拖尾能量大约为原始f-OFDM信号的千分之几的量级。而且，随着数据子载波数目的增加，拖尾能量改善效果越显著。
表2为基于ICI自删除的f-OFDM与原始f-OFDM信号拖尾能量比较
Figure BDA0001759456730000051
Figure BDA0001759456730000061
如图4为原始f-OFDM与基于ICI自删除的f-OFDM系统接收星座图(不加噪)。由二者星座图比较可以看出，原始f-OFDM系统接收星座图各星座点发散比较大，而基于ICI自删除的f-OFDM系统接收星座图各星座点发散比较小，也就是ICI自删除技术有效地减小了f-OFDM系统滤波器拖尾引入ISI的影响。
这一点可由二者接收星座图的EVM(Error Vector Megnitude，误差矢量幅度)特性更准确地看出。如下表3所示，相比原始f-OFDM系统，基于ICI自删除的f-OFDM系统接收星座图在Avg EVM(Average Error Vector Megnitude，平均误差矢量幅度)，Peak EVM(PeakError Vector Megnitude，峰值误差矢量幅度)及RMS EVM(Root Mean Square ErrorVector Megnitude，均方根误差矢量幅度)等特性方面都有较大的改善。
表3为原始f-OFDM与基于ICI自删除的f-OFDM系统星座图特性比较
系统 Avg EVM(dB) Peak EVM(dB) RMS EVM(％)
原始f-OFDM系统 -39.2 -26.3 1.1
基于ICI自删除的f-OFDM系统 -60.6 -37.8 0.1
综合以上分析可得，ICI自删除技术通过加窗改变OFDM信号时域幅度分布，以有效地降低滤波之后的f-OFDM信号拖尾的能量，从而减小滤波器带来的ISI的影响，改善系统性能。
3)带外特性比较
如图5为原始f-OFDM发射信号频谱图与基于ICI自删除的f-OFDM发射信号频谱图相比较。由图5可以看到，基于ICI自删除的f-OFDM发射信号频谱图较原始f-OFDM发射信号频谱图带外衰减特性更好，大约提升50dB。这样就可以进一步减少f-OFDM系统的带外发射功率，提高频谱利用率。
4)抗频偏特性比较
图6～图8分别为原始f-OFDM系统与基于ICI自删除的f-OFDM系统在不同ε下的接收信号星座图(不加噪)。可以看出，在相同的归一化频偏
Figure BDA0001759456730000071
(fdiff为收端与发端载波频率差，Δf为OFDM系统子载波间隔)下，采用ICI自删除的f-OFDM系统比原始f-OFDM系统接收信号星座图扩散更小，从而更有利于收端进行解调，也就是说ICI自删除技术也增加了系统的抗频偏能力。
以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (6)

1.一种基于ICI自删除技术的f-OFDM系统ISI的解决方法，其特征在于：
在发射端的子载波映射模块与IFFT模块之间设置一ICI自删除编码模块，在接收端的子载波解映射模块与FFT模块之间设置一ICI自删除解码模块；
所述ICI自删除编码模块，用于将子载波映射模块输出的每一数据符号分别采用设定权值调制到一组相邻的L个子载波上；
所述ICI自删除解码模块，用于对FFT模块输出的数据中属于同一子载波组内的数据按照设定权值进行线性合并，其中，合并时所使用的权值与发射端所用的权值对应相同；
所述发射端首先将子带数据经过子载波映射模块处理得到频域数据X[k]，然后采用ICI自删除编码模块对频域数据X[k]进行编码得到频域数据X′[k]，之后频域数据X′[k]依次经过IFFT模块、加CP操作得到时域数据x(n)，然后经过发端滤波器得到发送信号x(t)；最后不同子带的发送信号进行叠加发送；
所述接收端分别采用与发射端子带滤波器相对应的匹配滤波器将每个子带的时域数据y′(n)取出来；每个子带的接收时域数据y′(n)依次经过去CP操作、FFT模块和ICI自删除解码模块处理后得到频域数据Y[k]，再经过子载波解映射得到原始发送数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定权值的选取满足子载波之间的ICI最小。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射端将发送数据划分为不同的子带，每个子带数据分别选用不同的子载波间隔、CP点数以及TTI长度。
4.一种基于ICI自删除技术的f-OFDM系统，其特征在于，在发射端的子载波映射模块与IFFT模块之间设置一ICI自删除编码模块，在接收端的子载波解映射模块与FFT模块之间设置一ICI自删除解码模块；其中，所述ICI自删除编码模块，用于将子载波映射模块输出的每一数据符号分别采用设定权值调制到一组相邻的L个子载波上；所述ICI自删除解码模块，用于对FFT模块输出的数据中属于同一子载波组内的数据按照设定权值进行线性合并；合并时所使用的权值与发射端所用的权值对应相同；
所述发射端包括多路发送单元和一信号叠加发送模块，每一路发送单元包括依次连接的子载波映射模块、ICI自删除编码模块、IFFT模块、加CP操作模块和发端滤波器；其中所述发送单元将子带数据经过子载波映射模块处理得到频域数据X[k]，然后采用ICI自删除编码模块对频域数据X[k]进行编码得到频域数据X′[k]，之后频域数据X′[k]依次经过IFFT模块、加CP操作得到时域数据x(n)，然后经过发端滤波器得到发送信号x(t)；最后信号叠加发送模块将不同子带的发送信号进行叠加发送；
所述接收端包括多路接收单元，每一路接收单元包括依次连接的子载波滤波器、去CP操作模块、FFT模块、ICI自删除解码模块和子载波解映射模块；其中各所述接收单元分别采用与发射端子带滤波器相对应的匹配滤波器将每个子带的时域数据y′(n)取出来；每个子带的接收时域数据y′(n)依次经过去CP操作、FFT模块和ICI自删除解码模块处理后得到频域数据Y[k]，再经过子载波解映射得到原始发送数据。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述设定权值的选取满足子载波之间的ICI最小。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述发射端将发送数据划分为不同的子带，每个子带数据分别选用不同的子载波间隔、CP点数以及TTI长度。
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