CN109861938B - 高数据传输效率的抑制信号中相位旋转误差的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及OFDM通信系统，属于通信领域。一种高数据传输效率的抑制信号中相位旋转误差的方法，其特征在于：采用子载波交织映射，具体步骤为步骤一，发射端的序列发生器发送一组N个序列的子载波频域序列组，经过快速傅里叶反变换之后得到时域序列组；步骤二，将时域序列组采用旋转共轭进行交织映射后得到两个N个序列的子载波序列组，然后将两个序列组按位合并相加后发送到接收端；步骤三，接收端将接收到的加上噪声和频偏的信号序列组经过傅里叶变换后，以前后相邻子载波序列信号相减抵消ICI干扰序列，从而消除ICI干扰，得到接收序列信号。采用本发明的方法，能够进一步抑制信号中的相位旋转误差并提升系统的误码率性能。
Description
技术领域
本发明涉及OFDM技术领域，尤其涉及OFDM通信系统在高速移动信道环境下一种高数据传输效率的抑制信号中相位旋转误差的方法。
背景技术
随着当前无线通信系统传输速率的不断提高，符号间干扰(Inter-symbolInterference,ISI)和信道衰落成为传统单载波系统的主要问题。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术作为一种传输速率高的多载波调制技术，其子载波之间相互重叠正交从而具有较高的频谱利用率；与此同时，其自身较长的码元符号周期使其具备良好的抗多径衰落和窄带干扰的能力。因此OFDM已成为第四代移动通信的关键技术之一，已经在非对称数字用户线(ADSL,Asymmetric DigitalSubscriber Line)、甚高速数字用户环路(VDSL,Very-high-bit-rate DSL)、数字音频广播(DAB,Digital Audio Broadcasting)、数字视频广播(DVB,Digital VideoBroadcasting)、无线局域网标准IEEE802.11、WiMAX和3GPP LTE等众多系统中得到了广泛应用。
然而在实际的高速移动通信环境中，由于无线信道强烈的快时变特性会导致接收端收到的信号频率与发射端在载波频率之间产生相当大的多普勒频移，从而极大地破坏了OFDM子载波之间的正交性并造成严重的载波间干扰(Inter-carrier Interference,ICI)，而且当多普勒频移达到一定程度之后还会直接导致接收端解调出来的数据符号存在相位旋转误差并影响信号检测效果，从而带来严重的地板效应并极大地恶化系统的误码率性能。因此如何进一步减小接收信号中的ICI以及相位旋转误差所造成的影响是OFDM技术能否在高速移动信道环境中获得实际应用的一个技术难题。
传统的ICI干扰自消除方案[方案1：Yuping Zhao,and S.-G.Haggman.Intercarrier interference self-cancellation scheme for OFDM mobilecommunication systems[J].IEEE Transactions on Communications,2001,49(7):1185-1191.]是采用了将发射端的相邻子载波进行取反映射的方案来抑制ICI，由于具有易于实现、计算复杂度低、抑制效果良好等优点因而获得了广泛关注。
国内外已经有许多学者在此基础上对其进行了改进，比如K.Sathananthan等人提出了对称取反、相邻取共轭、对称取共轭的子载波映射的方案[方案2：K.Sathananthan,C.R.N.Athaudaget and B.Qiu.A Novel ICI Cancellation Scheme to Reduce bothFrequency Offset and IQ Imbalance Effects in OFDM[C].IEEE 9th InternationalSymposium on Computers and Communications,2004:708-713.]，在ICI抑制和误码率性能上获得了性能提升。
Silky Pareyani等人提出了一种相邻取反&对称共轭的子载波映射方案[方案3：Silky Pareyani,and Prabhat Patel.An Improved ICI Cancellation Method toReduce the Impact of Frequency Offset in OFDM Systems[C].InternationalConference on Computational Intelligence and Communication Networks,2015:496-501.]来获得更好的性能增益。
Qiang Shi等人提出了一种相邻共轭复加权的子载波映射方案[方案4：QiangShi,Yong Fang,and Min Wang.A Novel ICI Self-Cancellation Scheme for OFDMSystems[C].5th International Conference on Wireless Communications,Networkingand Mobile Computing,2009:1-4.]来提高系统接收端的误码率性能。
Zhenchao Wang提出了一种2/3数据传输速率的子载波映射方案[方案5：ZhenchaoWang,Jianping Zhang,and Yanqin Wang.A Novel ICI-SC Scheme in MIMO-OFDM System[C].International Conference on Communication Signal Processing and Systems,Lecture Notes in Electrical Engineering 246,2014:697-706.]。
然而通过分析当前的各种子载波映射方案之后不难发现：(1)大部分映射方案(比如：方案1——方案4)会导致数据传输效率降低为原来的一半，而这在一些需要高数据传输速率的通信场景中往往是不能允许的；(2)某些映射方案(比如：方案5)虽然可以获得较好的数据传输效率，但方案本身亦会导致性能增益的降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高数据传输效率的抑制信号中相位旋转误差的方法，在不影响数据传输效率的同时获得良好的ICI抑制性能，而且还能够进一步抑制信号中的相位旋转误差并提升系统的误码率性能。
技术方案
一种高数据传输效率的抑制信号中相位旋转误差的方法，其特征在于：采用子载波交织映射，具体步骤如下：
步骤一，发射端的序列发生器发送一组N个序列的子载波频域序列组，经过快速傅里叶反变换之后得到时域序列组；
步骤二，将时域序列组采用旋转共轭进行交织映射后得到两个N个序列的子载波序列组，然后将两个序列组按位合并相加后发送到接收端；
步骤三，接收端将接收到的加上噪声和频偏的信号序列组经过傅里叶变换后，以前后相邻子载波序列信号相减抵消ICI干扰序列，从而消除ICI干扰，得到接收序列信号。
进一步，所述步骤二中具体交织映射形成两个N个序列的子载波序列组的方法包括：
步骤2.1：对时域序列组中的偶数序列进行抽取并乘以旋转参数ejπ/2构成N/2个偶数序列，时域序列组中的奇数序列进行抽取并取共轭构成N/2个奇数序列，得到其中一个N个序列的子载波序列组；
步骤2.2：由时域序列组的奇数序列直接取共轭构成N/2个偶数序列，时域序列组中的偶数序列乘以一个旋转参数e-jπ/2构成N/2个奇数序列，得到另外一个N个序列的子载波序列组。
进一步，将所述两个N个序列的子载波序列组按照序列位合并相加，得到需要的完整的映射序列，并向接收端进行发送。
有益效果
采用本发明的方法，具有以下几项优点:
(1)本方法将设计变换后的两个序列符号映射至一组相邻的子载波上，因此它不会像方案1——方案4中的映射方案那样导致数据传输效率的降低；
(2)本方法还可以使得接收端得到的序列信号在经过快速傅里叶变换之后，能够实现相邻子载波中的ICI干扰序列的相减抵消，从而获得良好的ICI抑制效果；
(3)由于步骤二在经过交织映射与合并后可以使得其所有数据符号均包含了复加权因子和共轭分量，相比于方案4中只能使得其中一半的数据符号包含复加权因子和共轭分量，采用本方法显然能够进一步抑制接收信号在高速移动信道环境下产生的相位旋转误差所带来的影响，提升系统的误码率性能。
附图说明
图1为本发明的步骤一后得到的x(n)的结构示意图；
图2为本发明的方法在接收端处得到的y′(n)的结构示意图；
图3为本发明的工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
本发明提出一种高数据传输效率的抑制信号中相位旋转误差的方法，通过在发射端设计信号的子载波交织映射，将两个序列信号映射在一组相邻的子载波上，接收端通过相应换算调整，在不影响数据传输效率的情况下，抵消了ICI干扰序列信号，而且还能够进一步抑制信号中的相位旋转误差并提升系统的误码率性能。
具体方案为：
(1)发射端的序列发生器发送一组N个序列的子载波频域序列组，X(k)＝[X(0),X(1),X(2),…,X(N-4),X(N-3),X(N-2),X(N-1)]T，0≤k≤N-1，经过快速傅里叶反变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)之后得到时域序列组x(n)，0≤n≤N-1：
(2)将时域序列组x(n)采用旋转共轭进行交织映射，得到两个N个序列的子载波序列组x1(n)和x2(n)，0≤n≤N-1。
其中：x1(n)的N/2个偶数序列是由x(n)的N/2个偶数序列乘以一个旋转参数ejπ/2所构成，它的N/2个奇数序列是由x(n)的N/2个奇数序列直接取共轭所构成，即为：
x2(n)的N/2个偶数序列是由x(n)的N/2个奇数序列直接取共轭所构成，它的N/2个奇数序列是由N/2个偶数序列乘以一个旋转参数e-jπ/2所构成，即为：
(3)将x1(n)和x2(n)进行按位合并相加，得到所需要的映射序列x′(n)，0≤n≤N-1：
(4)将x′(n)向接收端进行发送，x′(n)在经过无线信道之后，在接收端得到y′(n)，0≤n≤N-1：
其中，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。
(5)将y′(n)经过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)之后，得到其第k个子载波上的序列信号Y′(k)，0≤k≤N-1：
其中，
为第l个子载波在第k个子载波上产生的ICI干扰序列，X(k)和W(k)分别为x(n)和w(n)的频域表达式。
同理，接收端第k+1个子载波序列上的序列信号Y′(k+1)可以表示为：
(6)将Y′(k+1)减去Y′(k)，得到最终所需要的接收序列信号Y″(k)，0≤k≤N-1：
以上整个方案的具体过程全部包含七个步骤(其工作流程图如附图3所示)：
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)，0≤k≤N-1，经过一个N点的IFFT运算器之后得到x(n)(其结构如附图1所示)，记为：
x(n)＝[x(0),x(1),x(2),…,x(N-3),x(N-2),x(N-1)]T，0≤n≤N-1；
步骤S2：对x(n)进行交织映射，得到1个N个序列的子载波序列组x1(n)，其中包括：
步骤S2.1：对x(n)中的偶数序列进行抽取并乘以旋转参数ejπ/2，得到：
x1-1(n)＝[ejπ/2x(0),0,ejπ/2x(2),0,…,ejπ/2x(N-4),0,ejπ/2x(N-2),0]T，0≤n≤N-1；
步骤S2.2：对x(n)中的奇数序列进行抽取并取共轭，得到：
x1-2(n)＝[0,x*(1),0,x*(3),…,0,x*(N-3),0,x*(N-1)]T，0≤n≤N-1；
步骤S2.3：对x1-1(n)、x1-2(n)进行按位合并相加，得到：
x1(n)＝[ejπ/2x(0),x*(1),ejπ/2x(2),x*(3),…,ejπ/2x(N-4),x*(N-3),ejπ/2x(N-2),x*(N-1)]T，0≤n≤N-1；
步骤S3：再对x(n)进行交织映射，得到1个N个序列的子载波序列组x2(n)，其中包括：
步骤S3.1：对x1-2(n)圆周左移一位，得到：
x2-1(n)＝[x*(1),0,x*(3),0,…,x*(N-3),0,x*(N-1),0]T，0≤n≤N-1；
步骤S3.2：对x(n)中的奇数序列进行抽取，乘以旋转参数e-jπ/2，圆周右移两位，得到：
x2-2(n)＝[0,e-jπ/2x(0),0,e-jπ/2x(2),…,0,e-jπ/2x(N-4),0,e-jπ/2x(N-2)]T，0≤n≤N-1；
步骤S3.3：对x2-1(n)、x2-2(n)进行按位合并相加，得到：
x2(n)＝[x*(1),e-jπ/2x(0),x*(3),e-jπ/2x(2),…,x*(N-3),e-jπ/2x(N-4),x*(N-1),e-jπ/2x(N-2)]T，0≤n≤N-1；
步骤S4：对x1(n)、x2(n)进行按位合并相加，得到：
x′(n)＝[ejπ/2x(0)+x*(1),e-jπ/2x(0)+x*(1),ejπ/2x(2)+x*(3),e-jπ/2x(2)+x*(3),…,ejπ/2x(N-4)+x*(N-3),e-jπ/2x(N-4)+x*(N-3),ejπ/2x(N-2)+x*(N-1),e-jπ/2x(N-2)+x*(N-1)]T，0≤n≤N-1；
步骤S5：将x′(n)向接收端发送，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)(其结构如附图2所示)：
y′(n)＝x′(n)ej2πnε/N+w(n)
＝[(ejπ/2x(0)+x*(1))+w(0),(e-jπ/2x(0)+x*(1))ej2πε/N+w(1),ejπ/2x(2)+x*(3))ej4 πε/N+w(2),(e-jπ/2x(2)+x*(3))ej6πε/N+w(3),…,(ejπ/2x(N-4)+x*(N-3))ej2π(N-4)ε/N+w(N-4),(e-jπ/2x(N-4)+x*(N-3))ej2π(N-3)ε/N+w(N-3),ejπ/2x(N-2)+x*(N-1))ej2π(N-2)ε/N+w(N-2),(e-jπ/2x(N-2)+x*(N-1))ej2π(N-1)ε/N+w(N-1)]T，0≤n≤N-1；
其中，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。
步骤S6：将y′(n)经过一个N点的FFT运算器，得到：
其中，0≤k≤N-1，
为第l个子载波在第k个子载波上产生的ICI干扰序列，X(k)和W(k)分别为x(n)和w(n)的频域表达式。
步骤S7：对Y′(k)进行一系列变换之后得到最终所需要的接收序列信号Y″(k)，其中包括：
步骤S7.1：对Y′(k)中的所有序列进行取反操作，得到：
步骤S7.2：对Y′(k)中的所有序列循环右移一位，得到：
步骤S7.3：对-Y′(k)和Y′(k+1)进行按位合并相加，得到：
采用本发明的方案，将设计变换后的两个序列符号映射至一组相邻的子载波上，因此它不会像背景技术中的方案1——方案4中的映射方案那样导致数据传输效率的降低；本方法还可以实现相邻子载波中的ICI干扰序列的相减抵消，从而获得良好的ICI抑制效果；本方法还能使得在交织映射与合并后的所有数据符号均包含了复加权因子和共轭分量，因此能够进一步抑制接收信号在高速移动信道环境下产生的相位旋转误差所带来的影响，提升系统的误码率性能。
Claims (1)
1.一种高数据传输效率的抑制信号中相位旋转误差的方法，其特征在于：采用子载波交织映射，具体步骤如下：
步骤一，发射端的序列发生器发送一组N个序列的子载波频域序列组，经过快速傅里叶反变换之后得到时域序列组；
步骤二，将时域序列组采用旋转共轭进行交织映射后得到两个N个序列的子载波序列组，然后将两个序列组按位合并相加后发送到接收端；
步骤三，接收端将接收到的加上噪声和频偏的信号序列组经过傅里叶变换后，以前后相邻子载波序列信号相减抵消ICI干扰序列，从而消除ICI干扰，得到接收序列信号；
所述步骤二中具体交织映射形成两个N个序列的子载波序列组的方法包括：
步骤2.1：对时域序列组中的偶数序列进行抽取并乘以旋转参数ejπ/2构成N/2个偶数序列，时域序列组中的奇数序列进行抽取并取共轭构成N/2个奇数序列，得到其中一个N个序列的子载波序列组；
步骤2.2：由时域序列组的奇数序列直接取共轭构成N/2个偶数序列，时域序列组中的偶数序列乘以一个旋转参数e-jπ/2构成N/2个奇数序列，得到另外一个N个序列的子载波序列组；
将所述两个N个序列的子载波序列组按照序列位合并相加，得到需要的完整的映射序列，并向接收端进行发送。
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