CN110460550A - 一种适用于短循环前缀ofdm的干扰抵消检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种针对短循环前缀的OFDM传输系统的干扰抵消检测方法，本发明为OFDM信号在多径衰落信道中由于循环前缀不充分引起较为严重的子载波间干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)的场景，提供一种有效的干扰抵消检测方案，该方案根据信道时延功率谱算出部分干扰抵消的窗半径，对设计的子载波分组依次进行部分干扰抵消检测。本发明可以较好的平衡检测时延和硬件实现复杂度，并且在减少常规干扰抵消运算量的同时有效改善短循环前缀OFDM系统的误码率平层问题。

Description

一种适用于短循环前缀OFDM的干扰抵消检测方法

技术领域

本发明属于无线移动通信领域，尤其涉及一种适用于短循环前缀OFDM传输系统的干扰抵消检测方法。

背景技术

OFDM是现代无线移动通信系统(LTE，WiMAX，第五代移动通信系统等)常用的调制技术。在OFDM中，为了避免符号间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)，通过在每个发送符号的前端加上循环前缀(Cyclic Prefix，CP)。CP的长度必须至少与信道的多径延迟长度一样大，以保证子载波间的正交性。这样接收端只需采用单抽头均衡补偿信道失真。

但是，在有些信道环境下，信道冲激响应很长，采用充分CP会严重降低频谱效率。如果只采用常规CP长度，由于CP长度短于信道冲激响应，会引起ICI和ISI。在这种情况下，如果CP未覆盖的多径功率较强，传统的单抽头均衡有着较高的误码率平层。

近年来，有学者提出在接收端进行CP恢复和判决反馈，但这种方法需要进行反复FFT/IFFT操作，复杂度极高。而传统的干扰抵消检测虽然原理简单，但串行干扰抵消需要较大的检测延时，并行干扰抵消硬件复杂度较高。同时，这两种干扰抵消都考虑了全部子载波的干扰，当子载波数较大时，计算复杂度相当可观。

发明内容

发明目的：针对上述缺陷，本发明提供一种适用于短循环前缀OFDM的干扰抵消检测方法，通过根据信道时延功率谱算出部分干扰抵消的窗半径，再将子载波进行分组并依次进行部分干扰抵消检测，从而可以较好的平衡检测时延和硬件实现复杂度，并且可以在减少传统干扰抵消计算量的同时有效改善短循环前缀OFDM系统的误码率平层。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种适用于短循环前缀OFDM传输系统的干扰抵消检测方法，该方法包括如下步骤：

(1)将单个OFDM符号的N个子载波分为S组A₁，A₂，...，A_S，子载波编号为：0，1，...，N-1；

(2)初始化s＝1，按照s从小到大的顺序对每一组A_s内的子载波检测，1≤s≤S；

(3)检测子载波i∈A_s前，根据信道时延功率谱确定部分干扰抵消检测窗半径R；

(4)根据步骤(3)确定部分干扰抵消检测窗半径R，利用当前OFDM符号已检测判决值i∈B_s，辅助集合A_s的子载波进行部分干扰抵消检测并判决，直至得到集合A_s内所有子载波的判决值i∈A_s；其中，B_s是在检测集合A_s之前当前第k个OFDM符号已经检测的子载波集合；

(5)s＝s+1，采用最新的判决值集合i∈B_s，辅助下一个集合A_s内的子载波检测；其中，B_s是在检测集合A_s之前当前第k个OFDM符号已经检测的子载波集合；

(6)重复步骤(3)-(5)，直到s＝S+1，即完成对第k个OFDM块全部子载波的干扰抵消检测。

作为本发明的一种优选技术方案：记最接近的2的幂指数为a，并且幂指数为整数，所述步骤(1)中S的值为2^a，即：

且a为整数；

S的具体取值如下：

N	64	128	256	512	1024	2048	4096
								S	8	8	16	16	32	32	64

这样就可以平衡检测时延和硬件实现复杂度。如果对时延要求高，可以减小S值；如果对硬件复杂度要求高，可以增大S值。第s组的子载波集合A_s为，1≤s≤S：

A_s＝{s+p*S-1}，0≤p≤(N/S-1)，且p∈Z，Z是整数集合；

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤(3)中确定部分干扰抵消检测的窗半径R的具体步骤如下：

(3.1)根据当前检测的第k个OFDM符号的时域信道系数算出信道干扰矩阵其中：

其中，L为信道多径长度，L_cp为CP长度，CP为每个发送符号的前端加上的循环前缀，L_cp＜L-1，φ_k，0，φ_k，1，...，φ_k，N-1是Φ^(k)的行向量，φ_k，m＝[φ_k，m(0)，φ_k，m(1)，...，φ_k，m(N-1)]，0≤m≤N-1。

(3.2)计算部分干扰抵消的窗半径R的公式为：

其中，φ_k，N/2是干扰矩阵Φ^(k)的第N/2行行向量，E{·}表示求期望，因为干扰矩阵Φ^(k)元素的期望功率具有对角占优特性，所以这样选择的R可以在尽可能地保留传统干扰抵消良好的误码率性能的同时显著降低其计算复杂度。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤(4)中对子载波i∈A_s进行部分干扰抵消检测并判决的具体步骤如下：

首先，在对子载波i∈A_s进行检测之前，先定义两个子载波集合：

B_s＝{A_p|1≤p＜s，p∈Z}C_s＝{A_p|s≤p≤S，p∈Z}

其中，B_s是在检测集合A_s时当前OFDM符号已经检测的子载波集合，C_s是在检测集合A_s时当前OFDM符号还未检测的子载波集合，当s＝1时，B_s为空集；

其次，在对子载波i∈A_s进行检测之前，结合部分干扰抵消的窗半径R定义集合：

D_i＝{n₁|i-R≤p≤i+R，n₁＝p(mod N)}

然后，对子载波i∈A_s进行部分干扰抵消检测的公式如下：

其中，Y_k＝[_Yk，0Y_k，1...Y_k，N-1]^T是第k个OFDM符号接收端FFT后的频域信号，φ_k，i是第k个OFDM符号对应的信道干扰矩阵Ф^(k)的第i行行向量，φ_k-1，i是第k-1个OFDM符号对应的信道干扰矩阵Φ^(k-1)的第i行行向量。矩阵H^(k)和G为对角阵，其中：

即，0≤n≤N-1。

表示的是当前OFDM符号集合C_s内的子载波采用单抽头频域均衡的预检测值，即f(x)表示找出距离x最近的调制星座点；n∈B_s，表示的是当前OFDM符号集合B_s内子载波采用干扰抵消的判决值，是上个OFDM符号子载波采用干扰抵消的判决值。当k＝1时，0≤n≤N-1。

接着，找出距离最近的调制星座点作为判决值对i∈A_s重复上述步骤，即完成对子载波i∈A_s的干扰抵消检测，s＝s+1；

最后，再用最新判决值集合i∈B_s，辅助下一个集合A_s的子载波检测。重复上述步骤，当s＝S+1时，即完成对第k个OFDM块全部子载波的干扰抵消检测。

作为本发明的一种优选技术方案：当OFDM系统中存在虚拟子载波时，假设非零有效子载波数为N₁，虚拟子载波数为N-N₁，将这N₁个有效子载波组成的集合记为所述步骤(1)-(6)需要更新的公式如下：

0≤p≤(N/S-1)，且p∈Z，Z是整数集合，1≤s≤S

以LTE标准举例，单个OFDM符号的子载波数N为2048，其中非零有效子载波数N₁为1200，虚拟子载波数为N-N₁，即848个。因为虚拟子载波幅值为0，因此这里只需要对N₁＝1200个非零有效子载波进行检测和干扰抵消。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

1、方案设计的分组参数S可以根据检测时延和硬件复杂度的要求灵活设置；

2、方案设计的部分干扰抵消的窗半径经验公式可以根据信道时延功率谱离线算出，能在保证理想的BER性能的同时最大限度地减少干扰抵消的计算复杂度；

3、方案设计的部分干扰抵消在ICI较严重时可以显著改善传统单抽头均衡的BER性能，提高频谱效率。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为具体实施例中实施例一的BER仿真曲线图；

图3为具体实施例中实施例二的BER仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提供一种适用于短循环前缀OFDM的干扰抵消检测方法，通过根据信道时延功率谱算出部分干扰抵消的窗半径，再将子载波进行分组并依次进行部分干扰抵消检测，从而可以较好的平衡检测时延和硬件实现复杂度，并且可以在减少传统干扰抵消计算量的同时有效改善短循环前缀OFDM系统的误码率平层。下面具体建模介绍本方案：

假设单个OFDM符号有效子载波数为N，将子载波{0，1，...，N-1}分为S组，S是最接近的2的幂指数，其中第s组的子载波集合A_s为，1≤s≤S：

A_s＝{s+p*S-1}，0≤p≤(N/S-1)，且p∈Z，Z是整数集合；

对于第k个OFDM符号，假设发送端IFFT之前的频域信号为X_k＝[X_k，0X_k，1...X_k，N-1]^T，时域信道系数为信道条件在单个OFDM符号时间内不变，但是对于连续的OFDM符号是不同的。则接收端FFT后的频域接收信号Y_k为

Y_k＝H^(k)X_k-Φ^(k)GX_k+Φ^(k-1)X_k-1

其中，Y_k＝[Y_k，0Y_k，1...Y_k，N-1]^T，

其中

其中L为信道多径长度，L_cp为CP长度，L_cp＜L-1。φ_k，0，φ_k，1，...，φ_k，N-1是Ф^(k)的行向量，φ_k，i＝[φ_k，m(0)，φ_k，m(1)，...，φ_k，m(N-1)]，0≤m≤N-1。

因为上述干扰矩阵Φ^(k)元素的期望功率具有对角占优特性，最强的ISI/ICI贡献来自相邻子载波，并且干扰随着子载波之间距离的增加而减少，所以在进行干扰抵消时可以考虑只考虑相邻子载波的干扰分量，减少计算复杂度。具体实现如下：

按照s从小到大的顺序对集合A_s内的N/S个子载波同时进行检测。在对第k个OFDM符号的子载波i∈A_s进行检测之前，先定义两个子载波集合：

B_s＝{A_p|1≤p＜s，p∈Z}C_s＝{A_p|s≤p≤S，p∈Z}

在对子载波i∈A_s进行检测时按如下经验公式选取部分干扰抵消的窗半径R：

其中φ_k，N/2是干扰矩阵Φ^(k)的第N/2行行向量，表示求期望。

这样可以得到在检测子载波i∈A_s时考虑的周围的部分子载波集合为

D_i＝{n₁|i-R≤p≤i+R，n₁＝p(mod N)}

然后，对子载波i∈A_s进行部分干扰抵消检测的公式如下：

是当前OFDM符号集合C_s内的子载波采用单抽头频域均衡的预检测值，即f(x)表示找出距离x最近的调制星座点。是当前OFDM符号集合B_s内子载波采用部分干扰抵消的判决值。表示上个OFDM符号的子载波采用干扰抵消的判决值。当k＝1时，0≤n≤N-1。

接着，找出距离最近的调制星座点作为判决值即完成对子载波i∈A_s的干扰抵消检测。

下面结合具体仿真进行详细说明：

实施例一：

表1

根据该信道模型，算出

因此：

根据该经验公式算出R＝32。

仿真得到的该方案下的误比特率性能如图2所示。图中将上述干扰抵消方案命名为“部分分组干扰抵消”，和同等循环前缀条件下单抽头频域均衡的BER性能进行了对此。

如图所示，在同样的信道模型和循环前缀长度下，未编码时传统的单抽头频域均衡有着较高的误比特率平层(约为5×10^-2)；而本专利设计的部分分组干扰抵消将未编码时误比特率平层直接降到7×10^-3，相当可观。同时，相比传统串行干扰抵消方案，如表2所示，传统串行干扰抵消一次只检测单个子载波，而本方案一次同时检测16个子载波，可以将传统串行干扰抵消检测的检测时延降低为1/16。并且在检测每个子载波时，传统串行干扰考虑256个子载波的干扰，而本方案只考虑左右共64个子载波的干扰，可以将传统串行干扰抵消检测的计算复杂度降低为1/4。总而言之，本方案在BER微小损失的情况下，大大降低了传统串行干扰抵消方案的检测时延和计算复杂度。

表2

	检测时延	计算复杂度
			串行干扰抵消	N	N
本方案	N/16	N/4

实施例二：

表3

5G实测长多径信道模型：

该信道具有非零冲激响应的多径位置为[1，9，31，39，136，213，256]，对应归一化功率强度为[0.0903，0.1083，0.2036，0.1853，0.1003，0.2116，0.1007]。

根据该信道模型，算出

因此

根据该经验公式算出R＝32。

仿真得到的该方案下的误比特率性能如图3所示。图中将上述干扰抵消方案和同等循环前缀条件下的单抽头频域均衡的BER性能进行了对此。

如图所示，在同样的信道模型和循环前缀长度下，未编码时传统的单抽头频域均衡有着较高的误比特率平层(约为5×10^-2)；而本专利设计的部分分组干扰抵消将未编码时误比特率平层直接降到6×10^-3，相当可观。同时，相比传统串行干扰抵消方案，如表2所示，传统串行干扰抵消一次只检测单个子载波，而本方案一次同时检测32个子载波，可以将传统串行干扰抵消检测的检测时延降低为1/32。并且在检测每个子载波时，传统串行干扰考虑1024个子载波的干扰，而本方案只考虑左右共64个子载波的干扰，可以将传统串行干扰抵消检测的计算复杂度降低为1/16。总之，本方案在BER性能接近的情况下，大大降低了传统串行干扰抵消方案的检测时延和计算复杂度。

表4

	检测时延	计算复杂度
			串行干扰抵消	N	N
本方案	N/32	N/16

Claims (5)

1.一种适用于短循环前缀OFDM传输系统的干扰抵消检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)将单个OFDM符号的N个子载波分为S组A₁，A₂，...，A_S，子载波编号为：0，1，...，N-1；

(2)初始化s＝1，按照s从小到大的顺序对每一组A_s内的子载波检测，1≤s≤S；

(3)检测子载波i∈A_s前，根据信道时延功率谱确定部分干扰抵消检测窗半径R；

(4)根据步骤(3)确定部分干扰抵消检测窗半径R，利用当前OFDM符号已检测判决值i∈B_s，辅助集合A_s的子载波进行部分干扰抵消检测并判决，直至得到集合A_s内所有子载波的判决值i∈A_s；其中，B_s是在检测集合A_s之前当前第k个OFDM符号已经检测的子载波集合；

(5)s＝s+1，采用最新的判决值集合i∈B_s，辅助下一个集合A_s内的子载波检测；其中，B_s是在检测集合A_s之前当前第k个OFDM符号已经检测的子载波集合；

(6)重复步骤(3)-(5)，直到s＝S+1，即完成对第k个OFDM块全部子载波的干扰抵消检测。

2.根据权利要求1所述的一种适用于短循环前缀OFDM传输系统的干扰抵消检测方法，其特征在于，步骤(1)中，S的值为2^a且最接近即：

且a为整数；

并且，第s组的子载波集合A_s为：

A_s＝{s+p*S-1}，0≤p≤(N/S-1)，且p∈Z，Z是整数集合，1≤s≤S。

3.根据权利要求1所述的一种适用于短循环前缀OFDM传输系统的干扰抵消检测方法，其特征在于，所述步骤(3)中确定部分干扰抵消检测的窗半径R的具体步骤如下：

(3.1)根据当前检测的第k个OFDM符号的时域信道系数算出信道干扰矩阵其中：

其中，L为信道多径长度，L_cp为CP长度，CP为每个发送符号的前端加上的循环前缀，L_cp＜L-1，φ_k，0，φ_k，1，...，φ_k，N-1是Φ^(k)的行向量，φ_k，m＝[φ_k，m(0)，φ_k，m(1)，...，φ_k，m(N-1)]，0≤m≤N-1；

(3.2)计算部分干扰抵消的窗半径R的公式为：

其中，φ_k，N/2是干扰矩阵Φ^(k)的第N/2行行向量，E{·}表示求期望。

4.根据权利要求1所述的一种适用于短循环前缀OFDM传输系统的干扰抵消检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中对子载波i∈A_s进行部分干扰抵消检测并判决的具体步骤如下：

(4.1)在对子载波i∈A_s进行检测之前，先定义两个子载波集合：

B_s＝{A_p|1≤p＜s，p∈Z} C_s＝{A_p|s≤p≤S，p∈Z}

其中，B_s是在检测集合A_s时当前OFDM符号已经检测的子载波集合，C_s是在检测集合A_s时当前OFDM符号还未检测的子载波集合，当s＝1时，B_s为空集；

(4.2)在对子载波i∈A_s进行检测之前，结合部分干扰抵消的窗半径R定义集合：

D_i＝{n₁|i-R≤p≤i+R，n₁＝p(mod N)}

(4.3)对子载波i∈A_s进行部分干扰抵消检测的公式如下：

其中，Y_k＝[Y_k，0 Y_k，1...Y_k，N-1]^T是第k个OFDM符号接收端FFT后的频域信号，φ_k，i是第k个OFDM符号对应的信道干扰矩阵Φ^(k)的第i行行向量，φ_k-1，i是第k-1个OFDM符号对应的信道干扰矩阵Φ^(k-1)的第i行行向量，矩阵H^(k)和G为对角阵，其中：

即，0≤n≤N-1；F_N×L表示N×L维度的F阵，n∈C_s，表示的是当前OFDM符号集合C_s内的子载波采用单抽头频域均衡的预检测值，即f(x)表示找出距离x最近的调制星座点；n∈B_s，表示的是当前OFDM符号集合B_s内子载波采用干扰抵消的判决值，是上个OFDM符号子载波采用干扰抵消的判决值，当k＝1时，0≤n≤N-1；

(4.4)找出距离最近的调制星座点作为判决值对i∈A_s重复上述步骤，直至得到集合A_s内所有子载波的判决值，即完成对集合A_s的干扰抵消检测。

5.根据权利要求1所述的一种适用于短循环前缀OFDM传输系统的干扰抵消检测方法，其特征在于，当OFDM系统中存在虚拟子载波时，假设非零有效子载波数为N₁，虚拟子载波数为N-N₁，将这N₁个有效子载波组成的集合记为所述步骤(1)-(6)需要更新的公式如下：

0≤p≤(N/S-1)，且p∈Z，Z是整数集合，1≤s≤S

。