CN111162806B - 一种无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法和系统，本发明涉及通信检测领域，尤其涉及一种无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法和系统；本发明的一种无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法和系统，通过在无线宽带接收机侧进行窄带信号的检测和消除，从而提升无线宽带系统的解调性能和链路容量，本发明提供的方法和系统与窄带干扰的位置和功率无关，也不需要调度器和发射端的参与，能够简单快速检测和消除窄带干扰。
Description
技术领域
本发明涉及通信检测领域，尤其涉及一种无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法和系统。
背景技术
随着数据和视频等多媒体业务的快速发展，以LTE系统为代表的无线宽带系统得到了广泛应用。为了满足高速数据业务，无线宽带系统通常采用宽频带传输和OFDM/SC-FDMA调制技术，并对物理层进行针对性的协议设计。对于LTE系统(或以LTE为基础进行重新设计的无线宽带系统)，其物理层设计主要体现在如下几个方面。
(1)时频资源划分
无论TDD还是FDD系统，时域上通常都以1ms为单位进行资源划分，每1ms称为1个子帧(Subframe)或传输时间间隔(TTI)，10个连续的子帧称为一个无线帧(Radio Frame)。在不考虑TDD系统特殊子帧的情况下，一个子帧通常包括两个时隙(Slot)。如果系统的子载波间隔为15kHz，一个时隙包括7个(常规CP)或6个(扩展CP)OFDM/SC-FDMA符号，每个OFDM/SC-FDMA符号包括CP和数据部分，一个子帧内的资源划分如图3所示。
在频域上，整个无线系统的工作频带划分为多个子载波，以工作带宽为20MHz的LTE系统为例，每个子载波间隔为15kHz，除去保护频带，工作频带共包括1200个有效子载波。通常地，一个OFDM/SC-FDMA符号和一个子载波形成的资源网格称为资源元素(RE)，一个时隙内的OFDM/SC-FDMA符号和12个子载波形成的资源区域称为物理资源块(PRB)，物理资源块是数据传输的最小资源单位，物理资源划分如图4所示。
(2)物理信道资源分配
物理信道是用于承载信令或传输数据的物理资源，即一个物理信道是特定时频资源的组合。根据传输信息的不同，信道分为控制信道和数据信道(也称共享信道)。以LTE信道为例，下行信道包括物理广播信道(PBCH)、物理控制格式指示信道(PCFICH)、物理HARQ指示信道(PHICH)、物理下行控制信道(PDCCH)和物理下行共享信道(PDSCH)等。上行信道包括物理随机接入信道(PRACH)、物理上行控制信道(PUCCH)和物理上行共享信道(PUSCH)。以LTE系统为基础的其他无线宽带系统可以根据需求对信道进行相应的删减。
物理下行信道和上行信道的资源映射示意图如图5和图6所示。
如图5所示，PDCCH通常映射在一个下行子帧的第一个到第三个OFDM符号上，其占用的OFDM符号数据由PCFICH承载的信息进行指示，PDCCH信道承载的下行控制信息通常采用QPSK调制。PCFICH和PHICH映射在PDCCH区域的第一个OFDM符号上，一般均匀分布在整个带宽上。PBCH映射在一个下行子帧的第八个到第十一个OFDM符号上，频域占用整个频带最中间的72个子载波，PBCH承载的广播消息通常采用QPSK调制。PDSCH则映射在一个下行子帧剩余的物理资源上(不包括物理信号的物理资源)，承载的数据信息可以采用QPSK/16QAM/64QAM调制。
如图6所示，PUCCH映射在一个上行子帧内频带两端的若干个物理资源块上，主要承载调度请求(SR)、HARQ确认信息和信道质量指示(CQI)等。PRACH映射在一个子帧的所有OFDM/SC-FDMA符号上，频域占用72个子载波，具体频域资源由高层指示。PUSCH映射在一个上行子帧剩余的物理资源上(不包括参考符号的物理资源)，承载的数据信息可以采用QPSK/16QAM/64QAM调制。
(3)物理信号设计
物理信道通常包括同步信号和参考符号，同步信号又包括主同步信号(PSS)和辅同步信号(SSS)。在LTE系统中，下行参考符号根据业务和传输模式不同，又区分为小区专属参考符号(CRS)、MBSFN参考符号、用户专属参考符号(URS)、定位参考符号(PRS)和CSI参考符号。上行参考符号则区分PUCCH参考符号和PUSCH参考符号，统称解调参考符号(DMRS)。通常地，无线宽带系统广泛使用CRS和DMRS，其他类型的参考符号仅在相应的场景下使用。对于一些定制化的无线宽带系统，上行参考符号也可以使用截断的CRS。
LTE系统的主同步信号和辅同步信号的资源映射如图7所示，在频域上，PSS和SSS都映射在整个频带最中间的72个子载波上。对于采用常规CP的FDD-LTE系统，PSS映射在一个无线帧的子帧#0和子帧#5的第七个OFDM符号上，SSS则映射在PSS前面的一个OFDM符号上。对于常规CP的TDD-LTE系统，PSS映射在一个无线帧的子帧#1和子帧#6的第三个OFDM符号上，SSS映射在一个无线帧的子帧#0和子帧#5的最后一个OFDM符号上。
采用常规CP的LTE系统4天线端口CRS的资源映射如图8所示，PUSCH DMRS的资源映射如图7所示，PUCCH DMRS的资源映射如图9、图10和图11所示。
(4)物理层收发流程
图12以LTE系统为例，给出了发射端和接收端处理流程图，主要模块如图所示。由于下行采用OFDM调试而上行采用SC-FDMA调制，因此相比下行传输，上行发射端会多出FFT处理，相应的接收端会多出IFFT处理，即图12中虚线框标出部分。
通常地，以LTE为代表无线宽带系统在作为公网使用时，其频谱资源通常由国家部委进行分配，不允许其他单位或个人使用，因此不会存在外部干扰。但是，无线宽带系统作为行业专网使用时，通常会部署在一些公用频段或者未授权频段上，这些频段的使用情况非常复杂，无线宽带接收机可能会接收到一些外部窄带干扰信号。这些窄带干扰信号通常功率谱密度非常高，造成无线宽带接收机的解调性能恶化。
在公网领域，由于不存在干扰，所以没有相应的技术方案去解决窄带干扰问题。通常地，对于一些固定频点的窄带干扰，可以采用不调度窄带干扰对应的频谱资源的方法。由于宽带系统的最小调度单元是一个物理资源块，而一个窄带信号通常仅干扰一个物理资源块的一到三个子载波，采用不调度的方法会造成资源浪费。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法和系统。
本发明提供的技术方案为：
一种无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法，检测方法为：通过在接收端提取的每个接收天线的频域数据，在相应OFDM/SC-FDMA符号内提取相应天线端口的参考符号的复值数据和相应频域资源内所有子载波的复值数据；
根据所述参考符号的复值数据计算每个参考符号数据的功率，并根据每个所述参考符号的功率计算参考符号的平均功率Pmean，通过平均功率Pmean设置平均门限功率Pth＝σPmean，σ为平均功率门限因子；
根据所述子载波的复值数据计算子载波的功率PSC；
当PSC>Pth时，则判定该子载波受到窄带信号干扰，记录当前子载波索引k。
优选的是，消除方法为：通过参考符号的子载波索引判断所述子载波索引k是否为载有参考符号的子载波，如果为参考符号的子载波，则对于参考符号：
根据受到干扰的参考符号所在的OFDM/SC-FDMA符号索引通过与发送端相同的生成方式分别生成相应的替换参考符号序列Ssymb；
对于相应的子载波：在替换参考符号序列Ssymb中选取相应的元素Ssymb(k)，并按照
得到代替被干扰的子载波复值数据ak。
优选的是，对于非参考符号数据：
将每个OFDM/SC-FDMA符号上受到窄带干扰的子载波数据替换为0，或
在每个OFDM/SC-FDMA符号上，接收端根据受到窄带干扰的子载波数据的调制方式，随机生成相同调制方式的调制符号Smodul，并按照
得到代替被干扰的子载波复制数据，其中θ为调节参考符号和数据之间功率差的系数。
优选的是，当为下行传输时，接收终端在频带内提取CRS数据；
当为上行传输时，基站在为PUCCH或PUSCH分配的物理资源块内提取DMRS数据。
优选的是，根据每个所述参考符号的功率并结合相应参考符所在的OFDM/SC-FDMA符号计算相应参考符号的频域平均功率，并通过所述频域平均功率计算参考符号的平均功率Pmean。
优选的是，所述每个参考符号数据的功率PRS的计算方式为：PRS＝|aRS|2，其中aRS为参考符号复值数据。
优选的是，根据权利要求6所述的无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法，其特征在于：
所述计算参考符号频域平均功率为
其中NSC为在一个OFDM/SC-FDMA符号上参考符号占用的子载波数目。
优选的是，参考符号的平均功率Pmean的计算方式为：
其中Nsymb是一个子帧内参考符号占用的OFDM/SC-FDMA符号数目。
优选的是，用于权利要求1至8中任意一项所述的系统。
本发明的有益效果：
本发明的一种无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法和系统，通过在无线宽带接收机侧进行窄带信号的检测和消除，从而提升无线宽带系统的解调性能和链路容量，本发明提供的方法和系统与窄带干扰的位置和功率无关，也不需要调度器和发射端的参与，能够简单快速检测和消除窄带干扰。
附图说明
图1为本发明的无线宽带系统的窄带干扰检测方法的流程图；
图2为本发明的无线宽带系统的窄带干扰消除方法的流程图；
图3为一个子帧内的OFDM/SC-FDMA符号(常规CP)；
图4为物理资源网格示意图；
图5为物理下行信道资源映射示意图；
图6为物理上行信道资源映射示意图；
图7为LTE系统PSS/SSS资源映射示意图；
图8为LTE系统4天线端口CRS映射示意图；
图9为LTE系统PUSCH DMRS映射示意图；
图10为PUCCH格式1系列示意图；
图11为PUCCH格式2系列示意图；
图12为LTE系统收发流程示意图；
图13为本发明的接收机处理流程；
图14为物理信道受到窄带信号干扰示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
一种无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法和系统。
本发明提供的技术方案为：
一种无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法，接收端的流程如图13所示，具体地，如图1所示，检测方法为：
通过在接收端提取的每个端口的频域数据，提取相应端口的OFDM/SC-FDMA符号内的参考符号的复值数据和子载波的复值数据；即接收机经过去CP和FFT变换之后，得到个接收天线接收端口上的频域数据。这里接收天线是指与接收天线相对应的端口，对于每个端口，根据参考符号所在的OFDM/SC-FDMA符号lRS和子载波kRS提取相应的参考符号复值数据aRS。
在LTE系统中，如果为下行传输，终端根据图8所示的CRS映射位置在整个频带内提取CRS数据。如果为上行传输，基站根据图9、图10或图11所示的DMRS映射位置在为PUCCH或PUSCH分配的物理资源块内提取DMRS。
对于每根接收天线，分别计算每个参考符号数据的功率值PRS＝|aRS|2。对于每个参考符号所在的OFDM/SC-FDMA符号，分别计算参考符号频域平均功率
然后计算上述OFDM/SC-FDMA符号上的参考符号平均功率
即先进行频域计算然后进行时域的功率计算，其中，NSC是在一个OFDM/SC-FDMA符号上参考符号占用的子载波数目，Nsymb是一个子帧内参考符号占用的OFDM/SC-FDMA符号数目。通过以上方式，根据所述复值数据计算每个参考符号数据的功率，并根据每个所述参考符号的功率计算参考符号的平均功率Pmean，通过平均功率Pmean设置平均门限功率Pth＝σPmean，σ为平均功率门限因子，其值可以通过经验值设定，或者通过链路仿真获得取值；
根据所述子载波的复值数据计算子载波的功率PSC；具体方法为，选定一个参考符号所在的OFDM/SC-FDMA符号，对于下行传输，终端计算该OFDM符号上整个频带内所有子载波上映射的复值数据的功率PSC；对于上行传输，基站计算该SC-FDMA符号上为PUCCH/PUSCH所分配的频带内所有子载波上映射的复值数据的功率PSC，从而得到子载波的功率。或者对于一个子帧内的所有OFDM/SC-FDMA符号，分别计算每个符号上的子载波功率，并分别与平均功率门限进行对比，记录每个符号上受到窄带信号干扰的子载波。一般来说，在一个子帧内，所有OFDM/SC-FDMA上受到窄带信号干扰的子载波位置相同。
分别将每个子载波上的数据功率PSC与平均功率门限Pth进行比较，当PSC>Pth时，则判定该子载波受到窄带信号干扰，并记录当前子载波索引k。
以上为窄带干扰的检测。
窄带干扰的消除：
方法流程如图2所示，消除方法为：通过所述子载波索引k判断被干扰的窄带信号是否为载有参考符号的子载波信号，如果为参考符号的子载波信号，即k∈kRS时，表明参考符号受到干扰，则需要对参考符号进行修改，以提高信道估计的准确性。
对于参考符号：
根据受到干扰的参考符号所在的OFDM/SC-FDMA符号索引通过与发送端相同的生成方式分别生成相应的替换参考符号序列Ssymb；
在一个子帧内，接收端确定受到干扰的参考符号所在的OFDM/SC-FDMA符号索引，根据该符号索引分别生成相应的参考符号序列Ssymb，参考符号序列生成方式与发送端相同。
对于参考符号所在的子载波：
对于受到窄带信号干扰的子载波，接收端在参考符号序列中选取相应的元素Ssymb(k)，并与
相乘后替代原子载波上的复值数据，即
对于非参考符号数据：
一种简单的方法是将每个OFDM/SC-FDMA符号上受到窄带干扰的子载波数据替换为0，即ak＝0。但是这样的方式不利于解调，因此本发明同时提供另一种替换方式：
为了进一步提升解调性能，在每个OFDM/SC-FDMA符号上，接收端根据受到窄带干扰的子载波数据的调制方式，随机生成同样调制方式的调制符号Smodul，与
相乘后替代原子载波上的复值数据，即
θ用来调节参考符号和数据之间的功率差。由于随机生成的调制符号有一定概率与发射端的调制符号相同，因此提升了解调成功概率。
一种无线宽带系统的窄带干扰检测及消除系统，系统通过以上方法进行窄带干扰的检测及消除。
下面以LTE下行传输为例，详细描述本发明的窄带干扰检测和消除方法。
在LTE系统中，下行传输采用OFDM调制，CRS映射在整个工作带宽内的资源元素上。假设CRS为两天线端口，其映射的OFDM符号索引为lCRS∈{0,4,7,11}，频域子载波索引为
其中
和
分别为小区ID和下行工作带宽包含的物理资源块数目。终端接收侧根据上述时频位置提取CRS数据，表示为
CRS数据功率则表示为
对于每个OFDM符号lCRS，CRS数据的平均功率为
四个OFDM符号上的CRS数据的平均功率为
因此，平均功率门限则为Pth＝σPCRS,mean。
选择OFDM符号#4上所有子载波数据用来判断窄带干扰，数据表示为
其中包括了部分CRS数据，则数据功率表示为
对于每个子载波数据功率，如果
则认为该子载波上的数据受到窄带信号干扰，记录子载波索引k，最终形成子载波集合
如果
则表明参考符号数据受到干扰。
(1)终端接收侧生成参考符号序列
其中
c(i)为随机序列，根据
进行初始化，ns是一个无线帧内的时隙编号，l是一个时隙内的OFDM符号编号，对于常规CP，NCP＝1。
(2)终端接收侧天线端口和CRS映射规则确定被干扰参考符号数据对应的参考符号序列元素
每个天线端口的CRS映射规则为
对于被干扰的参考符号数据，替换为
对于非参考符号数据，因为不同物理信道映射在不同的物理资源上，窄带信号通常会干扰到多个物理信道。例如，如果受到窄带信号干扰的子载波位于频带中间的72个子载波内，则在一个子帧内，受到干扰的物理信道包括PDCCH、PDSCH、PBCH、SSS/SSS等，如图14所示。
如果采用简单的干扰消除方案，则将所有受到窄带干扰的数据全部替换为0，但这通常会造成物理信道的解调性能会下降。
为了提升物理信道的解调性能，分别针对每个OFDM符号上的传输数据进行修复。对于PDCCH和PBCH，其承载的传输数据采用QPSK调制，终端随机生成2bit二进制数据，按照QPSK调制方式形成QPSK调制符号，该调制符号与
相乘后替换一个被干扰的复值符号，其中θ用来调整传输数据与参考符号之间的功率差。同样地，对于PDSCH信道，终端可以根据高层信令获知PDSCH数据的调试方式，假设PDSCH数据采用16QAM调制，则终端随机生成4bit二进制数据，按照16QAM调制方式形成16QAM调制符号，该调制符号与
相乘后替换一个被干扰的复值符号。对于PSS/SSS，终端按照CRS修复的方法，首先生成PSS/SSS序列，并确定与被干扰子载波数据对应的序列元素，将序列元素乘以功率因子后替换被干扰的PSS/SSS数据。
对于QPSK调制，终端能够有1/4的概率生成和发送端相同的数据，因此相比直接替换为0的方法，解调性能理论上能够提升1/4。同理地，16QAM调制的解调性能理论上能够提升1/16，16QAM调制的解调性能理论上能够提升1/64。
如此，在有窄带干扰的场景下，采用本发明的技术方法可以提升无线宽带系统的接收性能，从而扩大了无线宽带系统的应用场景，使得无线宽带系统在垂着行业应用成为可能。同时本发明的技术方案与窄带干扰信号的特性无关，且不需要无线宽带系统发射机参与，技术方案简单可行。
Claims (9)
1.一种无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法，其特征在于：
检测方法为：通过在接收端提取的每个接收天线的频域数据，在相应OFDM/SC-FDMA符号内提取相应天线端口的参考符号的复值数据和相应频域资源内所有子载波的复值数据；
根据所述参考符号的复值数据计算每个参考符号数据的功率，并根据每个所述参考符号的功率计算参考符号的平均功率Pmean，通过平均功率Pmean设置平均门限功率Pth＝σPmean，σ为平均功率门限因子；
根据所述子载波的复值数据计算子载波的功率PSC；
当PSC>Pth时，则判定该子载波受到窄带信号干扰，记录当前子载波索引k。
2.根据权利要求1所述的无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法，其特征在于：
消除方法为：通过参考符号的子载波索引k判断所述子载波是否为载有参考符号的子载波，如果判定为参考符号的子载波，则对于参考符号：
根据受到干扰的参考符号所在的OFDM/SC-FDMA符号索引通过与发送端相同的生成方式分别生成相应的替换参考符号序列Ssymb；
对于相应的子载波：在替换参考符号序列Ssymb中选取相应的元素Ssymb(k)，并按照
得到代替被干扰的子载波复值数据ak。
3.根据权利要求2所述的无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法，其特征在于：
如果判定为没有参考符号的子载波，该为没有参考符号的子载波非参考符号数据，则对于非参考符号数据：
将每个OFDM/SC-FDMA符号上受到窄带干扰的子载波数据替换为0，或
在每个OFDM/SC-FDMA符号上，接收端根据受到窄带干扰的子载波数据的调制方式，随机生成相同调制方式的调制符号Smodul，并按照
得到代替被干扰的子载波复值数据，其中θ为调节参考符号和数据之间功率差的系数。
4.根据权利要求1所述的无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法，其特征在于：
当为下行传输时，接收终端在频带内提取CRS数据；
当为上行传输时，基站在为PUCCH或PUSCH分配的物理资源块内提取DMRS数据。
5.根据权利要求1所述的无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法，其特征在于：
根据每个所述参考符号的功率并结合相应参考符号所在的OFDM/SC-FDMA符号计算相应参考符号的频域平均功率，并通过所述频域平均功率计算参考符号的平均功率Pmean。
6.根据权利要求5所述的无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法，其特征在于：
所述每个参考符号数据的功率PRS的计算方式为：PRS＝|aRS|2，其中aRS为参考符号复值数据。
7.根据权利要求6所述的无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法，其特征在于：
所述计算参考符号频域平均功率
的计算方式为：
其中NSC为在一个OFDM/SC-FDMA符号上参考符号占用的子载波数目。
8.根据权利要求7所述的无线宽带系统的窄带干扰检测及消除方法，其特征在于：
参考符号的平均功率Pmean的计算方式为：
其中Nsymb是一个子帧内参考符号占用的OFDM/SC-FDMA符号数目。
9.一种无线宽带系统的窄带干扰检测及消除系统，其特征在于：
用于权利要求1至8中任意一项所述的系统。
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