CN110247873A - 干扰消除交织ofdma上行链路cfo估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种迭代多用户干扰消除的交织OFDMA上行链路载波频率偏差CFO估计方法。OFDMA的CFO会破坏子载波间的正交性，产生严重的载波间干扰ICI，还会带来多址干扰MAI。在本方案中，基站对用户按其接收信号强度排序，基站从接收功率最强的用户到功率最低的用户进行估计，将已估计出的较强接收功率用户和上一次迭代估计的较弱用户的反馈信号全部从接收信号中减掉，消除其他用户的频率偏差对该用户导频点信号的干扰后乘以相位补偿因子，通过最大化导频点的功率获得当前用户的CFO。直到估计出接收功率最弱的用户的CFO就进入下一次迭代。本发明的估计方法具有估计精度高，收敛速度快并且在用户发送的数据中插入少量的导频不需要占用大量频带等优点。

Description

干扰消除交织OFDMA上行链路CFO估计方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及基于迭代多用户干扰消除和导频辅助的交织OFDMA上行链路载波频率偏差CFO估计方法。

背景技术

OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)是以OFDM为基础，通过为用户分互不相交的子载波来实现多个用户同时与基站通信的一种高效的无线通信系统多址接入方案。OFDMA虽然继承了OFDM抗多径衰落信道引起的码间干扰(ISI)、频谱效率高、易于使用FFT/IFFT实现等优点，同时也继承了OFDM对载波频率偏差(CarrierFrequency Offset，CFO)高度敏感的缺点，尤其在OFDMA上行链路不同用户经过不同的信道到达接收端，所有用户的CFO 各不相同，不仅会在子载波间引入载波间干扰(ICI)，还会在用户之间引入多址干扰(MAL)，严重降低OFDMA系统性能。因此OFDMA上行链路的CFO估计是多址接入通信的一项重要工作。

OFDMA上行链路的CFO估计方法主要包括数据辅助型和盲估计方法。盲估计通常是利用特定的子载波分配和数据的数学特征，涉及大量的矩阵逆运算和搜索空间，且估计精度较低和复杂度高。数据辅助型CFO估计方法尤其是插入合适导频的方式，具有估计精度较高且复杂度低的优势。传统的导频辅助的CFO 估计方法都要求在几个连续OFDM符号上除导频外其他子载波不传送数据或导频间距足够大以降低ICI和MAI来估计不同用户的CFO。这些方法不仅降低了频谱利用效率，且当系统子载波总数一定时，随用户增多，导频间距和每个用户的导频数是相互约束的，导频间距的减小会增加导频间干扰，每个用户使用的导频数减小又会受信道深衰落的影响，两者都会降低估计性能。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提出了一种高频谱效率、高估计精度的迭代多用户干扰消除的CFO估计方法。

为了实现上述目的，本发明提出的方法具体步骤如下：

a)取基站接收端接收的来自K不同用户叠加的信号去掉循环前缀后得到连续B个时域OFDMA符号信号r＝{r_i,i＝1,...,B}，基站按照接收信号强度从强到弱对用户进行排序，设为1,2,...,K；在迭代干扰消除方法中，设迭代时隙为 i＝0,1,...,iter(iter为最大迭代次数)。在每次迭代中，从接收功率最强的用户到功率最低的用户依次去估计用户的CFO；

b)对于第1次迭代中第1个用户的载波频率偏差估计，直接用一个试验值ε₀对接收信号r_b进行相位补偿并经过FFT变换到频域，对用户1的导频点信号在B个符号块上求均值并通过最大化导频点的功率估计用户1的载波频率偏差并估计出第1个用户的接收信号作为其他用户估计时的反馈信号；

c)对于第1次迭代中第u(1＜u≤K)个用户的载波频率偏差估计，先减掉接收信号r_b中的前u-1个用户的反馈信号作为用户u的接收信号再用一个试验值ε₀对用户u的接收信号进行相位补偿并经过DFT变换到频域，对用户 u的导频点信号在B个符号块上求均值并通过最大化导频点的功率估计用户u 的载波频率偏差然后用对用户u的接收信号进行更新并作为其他用户估计时的反馈信号，直到估计出所有K个用户的CFO和反馈信号就进入下一次迭代循环；

d)对于第i(1＜i＜iter)次迭代中第u(1＜u≤K)个用户的载波频率偏差估计，先将本次迭代i中已估计的前u-1个用户的反馈信号和上一次迭代i-1中估计出的后K-u个用户的反馈信号从原接收信号r_b中减掉作为用户u的接收信号再用一个试验值ε₀对用户u的接收信号进行相位补偿并经过DFT变换到频域，对用户u的导频点信号在B个符号块上求均值并通过最大化导频点的功率估计用户u的载波频率偏差然后用对用户u的接收信号进行更新并作为其他用户估计时的反馈信号，直到估计出所有K个用户的CFO和反馈信号就进入下一次迭代循环；

e)当迭代时隙i大于最大迭代次数iter时，循环结束并将最后一次迭代得到的用户的CFO估计作为最终的用户CFO估计值。

进一步：在上述方法中，所述步骤a)中接收端接收的来自K不同用户叠加的信号去掉循环前缀后得到连续的B个时域OFDMA符号信号矩阵形式表示为：

其中，N是系统子载波大小，N_t为循环前缀与载波总数之和，ε_k是归一化载波频率偏差ε_k＝f_k/f₀，取值范围为(-0.5,0.5)，其中f₀为子载波间隔，f_k是用户k的载波频率偏差。定义为用户k在第b个OFDM符号发送的数据符号包含插入的导频符号，是由频率偏差引起的时域相位旋转矩阵，是IDFT矩阵，定义为用户k的频率响应矩阵。

在上述方法中，所述步骤a)每个用户在连续B个OFDMA符号的相同导频处插入相同的导频，所有用户的所有导频采用交织的方式插入，且所有导频间距Δd相等。

在上述方法中，所述步骤b)、c)和d)中第i(1＜i＜iter)次迭代中对用户u的 CFO估计和反馈信号的估计，具体过程如下：

i.初始化：i＝0，所有用户第0次迭代的CFO估计值和用户的反馈信号

ii.迭代指数i＝1,2,...,iter时，对于每个用户u，从基站接收信号r_b中减去本次迭代i中已估计的前u-1个用户的反馈信号和上一次迭代i-1中估计出的后 K-u个用户的反馈信号，得到用户u的接收信号

对于第1次迭代过程，后K-u个用户的上一次即第0次迭代的反馈信号已初始化为0。对于第1次迭代过程第1个用户前没有其他用户，直接用基站接收信号r_b进行CFO估计；

iii.用一个试验值ε₀对用户u的接收信号进行相位补偿，对用户u的每个接收数据乘以相位补偿因子并经过FFT变换到频域，对用户u 的导频点信号在B个符号块上求均值并通过最大化导频点的功率估计用户u的载波频率偏差：

(1)式中P^u定义为用户u的导频子载波集合，是IDFT矩阵的第行，是用户u的导频子载波指数,是由载波频率偏差ε₀引起的相位补偿因子矩阵，是由载波频率偏差ε₀引起的OFDMA符号间相位补偿因子。

(2)ε₀是一个试验值，取值范围在(-0.5,0.5)内。

(3)中对用户u的导频点信号在B个符号块上求均值并通过最大化导频点的功率估计用户u的CFO采用黄金分割法在(-0.5,0.5)区间内搜索最优解

iv.用户u在第i次迭代中的频域信号估计为：

其中S_u是用户u的子载波矩阵，为一个N×N的对角阵，在对角上除导频位置上为1其余全为0。是由频率偏差ε₀引起的相位补偿因子矩阵，F_N为DFT矩阵。

v.用用户u在第i次迭代中的估计出的对时域接收信号进行更新：

其中是由频率偏差引起的相位补偿因子矩阵，为IDFT矩阵。

与现有的技术相比，本发明有益的效果为：

1)本发明采用导频的方式，直接通过接收解调信号的相位信息对载波频偏估计，并采用黄金分割法搜索最优解，降低了估计的复杂度；

2)为了适用于交织OFDMA上行链路通信系统，本发明通过循环迭代的方式消除多用户之间的干扰并按接收信号强弱对多用户载波频偏进行估计，提升了估计精度；

3)本发明中每个用户只需插入4个导频，且只需要5个OFDMA符号便可以实现高精度估计，估计速度较快；

4)本发明只需5次循环迭代即可收敛，就能获得稳定和高精度的估计性能。

附图说明

图1 本发明算法迭代收敛曲线图

图2 OFDMA符号导频间距对估计性能影响的曲线图

图3 OFDMA符号块数对估计性能影响的曲线图

图4 OFDMA用户数对估计性能影响的曲线图

图5 算法说明图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，以便对本发明方法的技术特征及优点进行更深入的诠释。但本发明的实施方式并不限于此。

本发明提供一种交织OFDMA上行链路高估计精度、估计速度的导频辅助的载波频率偏差估计方法，具体实施步骤如下：

1.为交织OFDMA上行链路K个用户分配子载波和导频

定义N是系统子载波大小，每个用户占用P＝N/K个子载波，采用交织方式用户k占用的子载波集和为Ψ_k。用户k的导频子载波组为其中N_p为用户的导频数，Δd为导频间距。每个用户连续发送B个带导频的OFDM符号，定义用户k在第b个OFDM符号发送的数据为

其中N_p个位置插入导频符号：

2.插入循环前缀CP后用户k发送的第b个OFDM符号时域表达式为

其中N_CP为CP的长度，是用户k的第i个OFDM符号的子载波m上的发送符号。设用户的归一化载波频率偏差CFO为ε_k＝f_k/f₀，其中f₀为子载波间隔，f_k是用户k的载波频率偏差，单位Hz，本发明中CFO的估计范围为 (-0.5,0.5)。

3.假设所用用户时间上是同步的，CP足够长没有码间串扰，取基站接收端接收的来自K不同用户叠加的信号去掉循环前缀后得到连续B个时域OFDMA符号信号r＝{r_i,i＝1,...,B}，每个OFDMA符号时域表达式为：

其中N_t＝N+N_CP，h^k(l)为用户k的第l条时域信道系数，假设信道在多个符号是是不变的，L_k为多径数。v(n)为加性高斯白噪声。矩阵形式为：

其中，是由频率偏差引起的时域相位旋转矩阵，是DFT逆变换矩阵，为用户k的频率响应矩阵，其中V_b为噪声矩阵。

4.基站按照接收信号强度从强到弱对用户进行排序，为了方便也设为1,2,...,K；在迭代干扰消除方法中，设迭代时隙为i＝0,1,...,iter(iter为最大迭代次数)。在每次迭代中，从接收功率最强的用户到功率最低的用户依次去估计用户的 CFO。循环迭代估计的具体步骤如下：

①初始化：i＝0，所有用户第0次迭代的CFO估计值用户的反馈信号

②迭代指数i＝i+1，用户指数u＝1；

③在当前迭代i中，对于每一个用户u的CFO估计，从基站接收信号r_b中减去本次迭代i中已估计的前u-1个用户的反馈信号和上一次迭代i-1中估计出的后K-u个用户的反馈信号，得到用户u的估计接收信号

对于第1次迭代过程中，后K-u个用户的上一次即第0次迭代的反馈信号已初始化为0；

④用一个试验值ε₀对用户u的接收信号进行相位补偿，对用户u的每个接收数据乘以相位补偿因子并经过FFT变换到频域，对用户u 的导频点信号在B个符号块上求均值并通过最大化导频点的功率估计用户u的载波频率偏差：

其中，P^u是用户u的导频子载波集合，是IDFT矩阵的第行，是由载波频率偏差ε₀引起的相位补偿因子矩阵，是由载波频率偏差ε₀引起的OFDMA符号间相位补偿因子。

⑤用户u在第i次迭代中的频域信号估计为：

其中，S_u是用户u的子载波矩阵，为一个N×N的对角阵，在对角上除导频位置上为1其余全为0。是由频率偏差ε₀引起的相位补偿因子矩阵，F_N为DFT矩阵，

用新估计出用户u的频率偏差值对式(1)中的时域反馈信号进行更新：

⑥用户指数u＝u+1，跳转到步骤③，用步骤③④⑤中的方法估计下一个用户的CFO直到所有用户的CFO都估计出来，记为然后跳转到步骤②进入下一次迭代；

⑦直到迭代指数i＞iter时结束循环，将最后一次迭代得到所有用户的CFO 估计作为最终的所有用户的CFO估计值

上述步骤③ε₀是一个实验值，取值范围在(-0.5,0.5)内。

上述步骤④中对用户u的导频点信号在B个符号块上求均值，原理是所有用户发送到数据符号都是零均值的i.i.d信号，对导频处均值贡献为0。另外当导频间距足够大时，导频间干扰可以忽略不计。本发明用户间导频采用交织插入，每个用户内导频间干扰可以忽略，而用户间的导频干扰可以通过上述的迭代干扰消除的方法消除。

上述步骤④中对用户u的导频点信号在B个符号块上求均值并通过最大化导频点的功率估计用户u的CFO采用黄金分割法在(-0.5,0.5)区间内搜索最优解

本发明对上述方法进行了性能分析与仿真，具体如下：

在一个交织OFDMA上行链路中，设置仿真参数如下表1。将本发明与传统不进行循环迭代的方法进行比较，传统方法是文献“Carrier Frequency Offset Estimation InOFDMA System Based On Averaging Over Successive Blocks”中提出的基于导频辅助的载波频率偏差估计方法，实验次数为Π＝300次，为了方便说明，取所有用户CFO估计值的均方误差来评估算法性能，即

其中，表示在第t次仿真中用户k的估计值。

表1系统仿真参数

系统子载波数N	128
		用户数K	4
用户占用子载波数P	32
		信道	7-径Rayleigh衰落信道
调制方式	QPSK
		用户导频数N<sub>p</sub>	4
最小导频间距	5、8
		CFO取值	(-0.5,0.5)内均匀分布
OFDM符号数B	5,10
		循环次数N<sub>Loop</sub>	5

图1是信噪比为30dB时，K＝4，B＝5，N_p＝4，导频间距Δd分别5和8 时，传统算法和新算法的CFO估计MSE随迭代次数的变化曲线。可以看出新算法相对于传统算法表现出良好的性能，且在迭代次数大于5次之后就开始收敛，所以最大迭代次数iter取5是合理的。

图2是每个用户导频数N_p＝4、导频间距Δd＝5和导频间距Δd＝8情况下这两种算法的估计曲线，可以明显看出，在使用相同数目的导频相同数目的导频情况下，新算法优于传统算法，并且减小导频间距新算法的性能并没明显下降。在低信噪比情况下新算法由于迭代过程噪声累加性能较低于传统算法，但在高信噪比下新算法都表现出较高的性能。

图3是用户为K＝4，导频数N_p＝4，导频间距Δd为8，使用OFDMA符号块分别为B＝5,10时两种算法的估计曲线，可以明显看出符号数越多两种算法的性能都越好，而新算法在两种情况下都优于传统算法，并且在高信噪比20dB上新算法只需5个符号的情况下就比传统算法使用10个符号好。

图4是用户为K＝2,4，导频数N_p＝4，导频间距Δd为8，使用OFDMA符号块分别为B＝5时两种算法的估计曲线，可以明显看出当用户数较少为2时新算法比传统算法性能突出的并不明显，这是因为用户数少时，新算法中的迭代用户干扰消除并不能发挥出效果，但当用户数增多时K＝4，新算法的性能明显优于传统算法，且新算法在高信噪比下更能显示出优势。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种迭代多用户干扰消除的交织OFDMA上行链路载波频率偏差CFO估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)取基站接收端接收的来自K不同用户叠加的信号去掉循环前缀后得到连续B个时域OFDMA符号信号r＝{r_i,i＝1,...,B}，基站按照接收信号强度从强到弱对用户进行排序，设为1,2,...,K；在迭代干扰消除方法中，设迭代时隙为i＝0,1,...,iter(iter为最大迭代次数)。在每次迭代中，从接收功率最强的用户到功率最低的用户依次去估计用户的CFO；

b)对于第1次迭代中第1个用户的载波频率偏差估计，直接用一个试验值ε₀对接收信号r_b进行相位补偿并经过DFT变换到频域，对用户1的导频点信号在B个符号块上求均值并通过最大化导频点的功率估计用户1的载波频率偏差并估计出第1个用户的接收信号作为其他用户估计时的反馈信号；

c)对于第1次迭代中第u(1＜u≤K)个用户的载波频率偏差估计，先减掉接收信号r_b中的前u-1个用户的反馈信号作为用户u的接收信号再用一个试验值ε₀对用户u的接收信号进行相位补偿并经过DFT变换到频域，对用户u的导频点信号在B个符号块上求均值并通过最大化导频点的功率估计用户u的载波频率偏差然后用对用户u的接收信号进行更新并作为其他用户估计时的反馈信号，直到估计出所有K个用户的CFO和反馈信号就进入下一次迭代循环；

d)对于第i(1＜i≤iter)次迭代中第u(1＜u≤K)个用户的载波频率偏差估计，先将本次迭代i中已估计的前u-1个用户的反馈信号和上一次迭代i-1中估计出的后K-u个用户的反馈信号从原接收信号r_b中减掉作为用户u的接收信号再用一个试验值ε₀对用户u的接收信号进行相位补偿并经过DFT变换到频域，对用户u的导频点信号在B个符号块上求均值并通过最大化导频点的功率估计用户u的载波频率偏差然后用对用户u的接收信号进行更新并作为其他用户估计时的反馈信号，直到估计出所有K个用户的CFO和反馈信号就进入下一次迭代循环；

e)当迭代次数大于最大迭代次数iter时，循环结束并将最后一次迭代得到的用户的CFO估计作为最终的用户CFO估计值。

2.根据权利要求1所述的迭代多用户干扰消除的交织OFDMA上行链路载波频率偏差CFO估计方法，其特征在于，所述步骤a)中接收端接收的来自K不同用户叠加的信号去掉循环前缀后得到的连续的B个时域OFDMA符号信号矩阵形式表示为：其中，N定义为系统子载波大小，N_t是循环前缀长度与载波总数之和，定义为用户k在第b个OFDM符号发送的数据符号矩阵包含插入的导频符号，是由频率偏差引起的时域相位旋转因子矩阵，是IDFT矩阵，定义为用户k的频率响应矩阵，V_b为噪声矩阵。

3.根据权利要求1所述的迭代多用户干扰消除的交织OFDMA上行链路载波频率偏差CFO估计方法，其特征在于，每个用户在连续B个OFDMA符号的相同导频处插入相同的导频，所有用户的所有导频采用交织的方式插入，且所有导频间距Δd相等。

4.根据权利要求1所述的迭代多用户干扰消除的交织OFDMA上行链路CFO估计方法，其特征在于，所述ε_k是归一化载波频率偏差ε_k＝f_k/f₀，其中f₀为子载波间隔，f_k是用户k的载波频率偏差，单位Hz。本估计算法一般要求ε_k在(-0.5,0.5)内。

5.根据权利要求1所述的迭代多用户干扰消除的交织OFDMA上行链路载波频率偏差CFO估计方法，其特征在于，所述步骤b)、c)、d)中第i次迭代中对用户u的CFO估计和反馈信号的估计具体方法如下：

1)初始化：i＝0，所有用户第0次迭代的CFO估计值和用户的反馈信号

2)迭代指数i＝1,2,...,iter时，对于每个用户u，从基站接收信号r_b中减去本次迭代i中已估计的前u-1个用户的反馈信号和上一次迭代i-1中估计出的后K-u个用户的反馈信号，得到用户u的接收信号对于第1次迭代过程，用户u后K-u个用户的上一次即第0次迭代的反馈信号已初始化为0。对于第1次迭代过程第1个用户前没有其他用户，直接用基站接收信号r_b进行CFO估计；

3)用一个试验值ε₀对用户u的接收信号进行相位补偿，对用户u的每个接收数据乘以相位补偿因子并经过DFT变换到频域，对用户u的导频点信号在B个符号块上求均值并通过最大化导频点的功率估计用户u的载波频率偏差

4)用用户u在第i次迭代中的估计出的CFO对接收信号进行更新：频域信号估计为则时域接收信号更新为并作为其他用户估计时的反馈信号。

6.根据权利要求5所述的迭代多用户干扰消除的交织OFDMA上行链路载波频率偏差CFO估计方法，其特征在于，步骤3)公式中P^u定义为用户u的导频子载波集合，是IDFT矩阵的第行，是用户u的导频子载波指数。

7.根据权利要求5所述的迭代多用户干扰消除的交织OFDMA上行链路载波频率偏差CFO估计方法，其特征在于，步骤3)ε₀是一个试验值，取值范围在(-0.5,0.5)内。

8.根据权利要求5所述的迭代多用户干扰消除的交织OFDMA上行链路CFO估计方法，其特征在于，步骤3)中对用户u的导频点信号在B个符号块上求均值并通过最大化导频点的功率估计用户u的CFO采用黄金分割法在(-0.5,0.5)区间内搜索最优解