CN111431837A - 一种应对子载波和符号间干扰的ofdm信号迭代检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,利用分组ML联合检测代替在整个OFDM符号的ML联合检测,大大降低了ML联合检测在实施中的复杂度,并且针对分组ML联合检测带来的性能损失,设计利用判决反馈和干扰消除进行补偿。综上,本专利应用一种减少复杂度最大似然迭代检测方法(Iterative Reduced complexity Maximum Likelihood,IRCML)实现可接受复杂度下的存在ICI\ISI的OFDM接收符号的有效检测;本专利设计方案可以有效地降低迭代串行干扰消除的在低信噪比的误码传播问题;相比于迭代串行干扰消除,本发明技术方案在高信噪比明显降低了误比特率,而且能够在在最大似然检测方法的复杂度和性能之间取得折中,最终将其应用于实际系统中。
Description
技术领域
本发明涉及一种应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,属于无线移动通信技术领域。
背景技术
正交频分复用(OFDM)技术因为其频谱利用率高,实现简单而受到人们的广泛关注。它不仅是第四代移动通信系统的核心技术,在第五代移动通信标准R15中,OFDM更是作为关键技术被采用。OFDM技术在频域将信道划分为若干个正交窄带子信道,信号经过串并变化后分别调制到不同的子信道进行传输,从而在实现高速通信的同时,有效的对抗信道的频率选择性衰落。
除了将信道分为若干正交的子载波信道外,OFDM技术还在每个OFDM符号开始前增加循环前缀,以有效地抑制ISI。但是我们不能够无限制的增加CP的长度,当信道冲激响应长度大于CP的长度时,接收端将产生严重的ISI和ICI。此外当信道中存在大多普勒频偏时,接收端也会存在严重的ICI。接收端存在的ISI和ICI将会造成严重的检测误码。因此,需要寻找一种接收端存在ISI和ICI时的高效检测方法。
对于接收符号中的ICI和ISI,曾有学者提出使用判决反馈和干扰消除的办法来解决,其典型代表是迭代串行干扰消除(Iterative SIC,ISIC)。但是在信道冲击响应超出循环前缀较长的情况下,尤其在高阶调制的情况下,迭代串行干扰消除反而会引起严重的误码传播,限制了其检测能力。
在通信系统中最优的检测方法是最大似然检测,其考虑了子载波间的相关性,利用该相关性来确定最有可能发送的OFDM符号。但是最大似然检测的复杂度随着调制阶数和子载波数的增加呈指数增加,即使采用Vitebi算法进行简化,其复杂度也是实际系统难以接受的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,有效降低实施应用的复杂度,能够实现OFDM接收符号的有效检测。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案:本发明设计了一种应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,用于信号接收端针对所接收到的OFDM符号,实现其中对应信号发送端所发送OFDM符号的估计检测,包括如下步骤:
步骤A.由信号接收端根据能被Nu整除的预设分组数Q,顺序针对所接收OFDM符号Yk中各个可用子载波上的接收信号进行分组,获得Yk中的Q个接收信号分组,各接收信号分组中所包含可用子载波上的接收信号数为n=Nu/Q,然后进入步骤B;其中,Yk表示信号接收端所接收到的第k个OFDM符号,Nu表示OFDM符号中可用子载波的数量;
步骤B.初始化q=1,t=1,以及初始化Yk中对应信号发送端所发送第k个OFDM符号的估计值并按步骤A针对Yk中可用子载波上接收信号的分组方式,针对中各个可用子载波上的发送信号的估计值进行分组,获得中的Q个发送信号估计值分组,其中,N表示OFDM符号中的子载波总数,N=Nu+2Nv,Nv表示OFDM符号中可用子载波的单侧虚拟子载波的数量,然后进入步骤C;
步骤F.判断q是否大于Q,是则进入步骤G;否则针对q的值进行加1更新,并返回步骤C;
步骤G.判断t是否大于预设最大迭代次数Tmax,是则结束检测方法,即获得信号接收端所接收第k个OFDM符号中对应信号发送端所发送第k个OFDM符号的估计值否则针对t的值进行加1更新,重置q的值等于1,并返回步骤C。
作为本发明的一种优选技术方案,所述步骤D中,按如下公式:
消除Ykq中来自的干扰,获得其中,表示Yk-1中对应信号发送端所发送第k-1个OFDM符号的估计值,Hkq表示由Hk中第mod((q-1)n-m+Nv+1,N)行至mod(qn+m+Nv,N)行组成的信道增益矩阵,Hk表示对信号发送端所发送第k个OFDM符号存在子载波间干扰的频域信道增益矩阵,表示由中第mod((q-1)n-m+Nv+1,N)行至mod(qn+m+Nv,N)行组成的信道增益矩阵,表示信号发送端所发送第k-1个OFDM符号对第k个OFDM符号的频域干扰信道增益矩阵,mod(a,b)表示取a相对于b的模值。
G=diag{FV}
其中,l=0,1,2,...,L-1,表示对应于第k个OFDM符号、可分辨径l的时域信道参数,在时域多径信道参数后补零得到N×1维矢量hk;V=[0,...,0,1,0,...,0]T,其中1为V中第Ncp+1项;diag{}表示生成对角方阵,其对角线上的值为括号内矢量的值,j表示虚数单位;FH表示F的共轭转置;
作为本发明的一种优选技术方案,所述步骤E包括如下步骤:
步骤E1.根据如下公式:
获得所对应的各个估计值然后进入步骤E2;其中,p=1,2,...,Mn+2m,M表示预设QAM调制阶数;各个分别对应一个格式与格式相同的OFDM符号,该各个OFDM符号中第q个发送信号估计值分组中各发送信号估计值、以及该组两侧各m个发送信号估计值的组合分别对应不同QAM调制符号的排列组合,且该各个OFDM符号中其余子载波的调制符号值均为0;
作为本发明的一种优选技术方案:所述步骤E2中,根据如下公式:
本发明所述一种应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
本发明所设计应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,利用分组ML联合检测代替在整个OFDM符号的ML联合检测,大大降低了ML联合检测在实施中的复杂度,并且针对分组ML联合检测带来的性能损失,设计利用判决反馈和干扰消除进行补偿,即应用一种减少复杂度最大似然迭代检测方法(Iterative Reduced complexity MaximumLikelihood,IRCML)实现可接受复杂度下的存在ICI\ISI的OFDM接收符号的有效检测;综上,本专利设计方案可以有效地降低迭代串行干扰消除的在低信噪比的误码传播问题;相比于迭代串行干扰消除,本发明技术方案在高信噪比明显降低了误比特率,而且能够在在最大似然检测方法的复杂度和性能之间取得折中,最终将其应用于实际系统中。
附图说明
图1为本发明设计应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法的流程图;
图2为本发明设计对应实施例一的BER仿真曲线图;
图3为本发明设计对应实施例二的BER仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
蒙特卡洛仿真和理论分析表明,CP不充分和大多普勒频偏引起的子载波间干扰主要存在于当前子载波及其周围少数几个子载波之间。因此本发明设计实施最大似然检测方法时,只考虑当前检测子载波以及对当前子载波干扰较大的两侧辅助子载波,相比于整个OFDM符号的最大似然检测,计算复杂度的大大降低,具体来说,本发明设计了一种应对子载波干扰(IntercarrierInterference,ICI)和符号间干扰(Intersymbol Interference,ISI)的OFDM信号迭代检测方法,用于信号接收端针对所接收到的OFDM符号,实现其中对应信号发送端所发送OFDM符号的估计检测,实际应用当中,如图1所示,具体包括如下步骤A至步骤G。
步骤A.由信号接收端根据能被Nu整除的预设分组数Q,顺序针对所接收OFDM符号Yk中各个可用子载波上的接收信号进行分组,获得Yk中的Q个接收信号分组,各接收信号分组中所包含可用子载波上的接收信号数为n=Nu/Q,然后进入步骤B;其中,Yk表示信号接收端所接收到的第k个OFDM符号,Nu表示OFDM符号中可用子载波的数量。
步骤B.初始化q=1,t=1,以及初始化Yk中对应信号发送端所发送第k个OFDM符号的估计值并按步骤A针对Yk中可用子载波上接收信号的分组方式,针对中各个可用子载波上的发送信号的估计值进行分组,获得中的Q个发送信号估计值分组,其中,N表示OFDM符号中的子载波总数,N=Nu+2Nv,Nv表示OFDM符号中可用子载波的单侧虚拟子载波的数量,然后进入步骤C。
步骤D.按如下公式:
消除Ykq中来自的干扰,获得然后进入步骤E;其中,Ykq表示Yk中第q个接收信号分组、以及该组两侧各m个接收信号,表示Yk-1中对应信号发送端所发送第k-1个OFDM符号的估计值,Hkq表示由Hk中第mod((q-1)n-m+Nv+1,N)行至mod(qn+m+Nv,N)行组成的信道增益矩阵,Hk表示对信号发送端所发送第k个OFDM符号存在子载波间干扰的频域信道增益矩阵,表示由中第mod((q-1)n-m+Nv+1,N)行至mod(qn+m+Nv,N)行组成的信道增益矩阵,表示信号发送端所发送第k-1个OFDM符号对第k个OFDM符号的频域干扰信道增益矩阵,mod(a,b)表示取a相对于b的模值。
G=diag{FV}
其中,l=0,1,2,...,L-1,表示对应于第k个OFDM符号、可分辨径l的时域信道参数,在时域多径信道参数后补零得到N×1维矢量hk;V=[0,...,0,1,0,...,0]T,其中1为V中第Ncp+1项;diag{}表示生成对角方阵,其对角线上的值为括号内矢量的值,j表示虚数单位;FH表示F的共轭转置;
上述步骤E在实际应用的执行过程中,具体执行如下步骤E1至步骤E3。
步骤E1.根据如下公式:
获得所对应的各个估计值然后进入步骤E2;其中,p=1,2,...,Mn+2m,M表示预设QAM调制阶数;各个分别对应一个格式与格式相同的OFDM符号,该各个OFDM符号中第q个发送信号估计值分组中各发送信号估计值、以及该组两侧各m个发送信号估计值的组合分别对应不同QAM调制符号的排列组合,且该各个OFDM符号中其余子载波的调制符号值均为0。
步骤E2.根据如下公式:
步骤F.判断q是否大于Q,是则进入步骤G;否则针对q的值进行加1更新,并返回步骤C。
步骤G.判断t是否大于预设最大迭代次数Tmax,是则结束检测方法,即获得信号接收端所接收第k个OFDM符号中对应信号发送端所发送第k个OFDM符号的估计值否则针对t的值进行加1更新,重置q的值等于1,并返回步骤C。
将上述所设计应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,具体应用于实际当中,诸如实施例一,实际应用中OFDM符号参数如下表1所示。
表1
如上表1所示,此实施例一为小多普勒频偏下CP不充分场景,调制方式为16QAM。每个OFDM符号的总子载波数为64,其中可用子载波数为48,两侧虚拟子载波总数为16。将可用子载波分为48组,每组包括1个待检测子载波,检测一组子载波时考虑其左右各1个子载波辅助检测,即ML联合检测3个子载波,输出中间1个子载波的结果作为待检测子载波的判决结果。
按本发明所设计应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,进行执行,首先初始化Yk中对应信号发送端所发送第k个OFDM符号的估计值对于第一组子载波,先从Y1中减去前一OFDM符号、以及联合检测子载波之外的子载波产生的干扰,对干扰消除后的接收信号进行ML联合检测,根据中间子载波的调制符号判决结果更新中第一组子载波的调制符号估计值。对于其余组子载波,重复第一组子载波的检测过程,直至最后一组子载波检测完成。根据第一次迭代检测得到的OFDM发送符号估计值进行第二次迭代检测,最终迭代3次。对信道每条径的仿真采用Jakes模型,多径时延位置[1,2,6,8,10],对应的功率强度为[0.1986,0.3889,0.1003,0.2116,0.1007]。
根据表1所示参数得到的仿真结果如图2所示,从图2中可以看出,相比于ISIC,IRCML检测方法在低信噪比处减轻了误码传播效应,并且其增益随着信噪比的增大而增大,在误比特率为10-2时,IRCML检测方法相比于迭代串行干扰消除有大约2dB的增益。这一增益将大大降低后续译码器的译码压力。
接下来,继续按本发明所设计应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,执行实施例二,其中OFDM符号参数如下表2所示。
OFDM符号长度 | 64 | 采样频率 | 1.92MHz |
可用子载波数 | 48 | 最大多普率频偏f<sub>d</sub> | 1500Hz/3000Hz |
调制方式 | QPSK | 辅助子载波数m | 1 |
CP长度 | CP充分 | 检测子载波数n | 3 |
信道模型 | ETU | 信道长度 | 11 |
IRCMLT<sub>max</sub> | 3 | ISICT<sub>max</sub> | 4 |
表2
如上表2所示,此实施例二为大多普勒频偏CP充分场景,调制方式为qpsk,其参数如表二所示。每个OFDM符号的总子载波数为64,其中可用子载波数为48,两侧虚拟子载波总数为16。将可用子载波分为16组,每组包括3个待检测子载波,检测一组子载波时考虑其左右各1个子载波辅助检测,即ML联合检测5个子载波,输出中间3个子载波的结果作为每组待检测子载波的调制符号判决结果。
按本发明所设计应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,进行执行,首先初始化Yk中对应信号发送端所发送第k个OFDM符号的估计值对于第一组子载波,从Yk1中减去联合检测子载波之外的子载波产生的干扰,对干扰消除后的接收信号进行ML联合检测,根据中间3个子载波的调制符号判决结果更新中第一组子载波的调制符号估计值。对于其余组子载波,重复第一组子载波的检测过程,直至最后一组子载波检测完成。根据第一次迭代检测得到的OFDM发送符号估计值进行第二次检测,最终迭代3次。对每条径的仿真采用Jakes模型,多径信道的延时功率谱采用LTE的ETU信道模型。
根据以上参数得到的仿真结果如图3所示,从图中可以看出,IRCML检测方法的检测性能整体大大优于ISIC。相比于ISIC,随着信噪比的升高,IRCML检测方法的增益越来越大。并且随着多普勒频偏的增大,ISIC的检测能越来越差,IRCML检测方法的检测性能越来越好。这是因为IRCML检测方法将来自其他子载波的干扰当作有用信息,利用频率分集实现检测性能的提升。
综上,本发明所设计应对子载波干扰和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,利用分组ML联合检测代替在整个OFDM符号的ML联合检测,大大降低了ML联合检测在实施中的复杂度,并且针对分组ML联合检测带来的性能损失,设计利用判决反馈和干扰消除进行补偿,即应用一种减少复杂度最大似然迭代检测方法(Iterative Reduced complexityMaximum Likelihood,IRCML)实现可接受复杂度下的存在ICI\ISI的OFDM接收符号的有效检测;综上,本专利设计方案可以有效地降低迭代串行干扰消除的在低信噪比的误码传播问题;相比于迭代串行干扰消除,本发明技术方案在高信噪比明显降低了误比特率,而且能够在在最大似然检测方法的复杂度和性能之间取得折中,最终将其应用于实际系统中。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (5)
1.一种应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,用于信号接收端针对所接收到的OFDM符号,实现其中对应信号发送端所发送OFDM符号的估计检测,其特征在于,包括如下步骤:
步骤A.由信号接收端根据能被Nu整除的预设分组数Q,顺序针对所接收OFDM符号Yk中各个可用子载波上的接收信号进行分组,获得Yk中的Q个接收信号分组,各接收信号分组中所包含可用子载波上的接收信号数为n=Nu/Q,然后进入步骤B;其中,Yk表示信号接收端所接收到的第k个OFDM符号,Nu表示OFDM符号中可用子载波的数量;
步骤B.初始化q=1,t=1,以及初始化Yk中对应信号发送端所发送第k个OFDM符号的估计值并按步骤A针对Yk中可用子载波上接收信号的分组方式,针对中各个可用子载波上的发送信号的估计值进行分组,获得中的Q个发送信号估计值分组,其中,N表示OFDM符号中的子载波总数,N=Nu+2Nv,Nv表示OFDM符号中可用子载波的单侧虚拟子载波的数量,然后进入步骤C;
步骤F.判断q是否大于Q,是则进入步骤G;否则针对q的值进行加1更新,并返回步骤C;
2.根据权利要求1所述一种应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,其特征在于,所述步骤D中,按如下公式:
3.根据权利要求2所述一种应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,其特征在于:基于Hk与的存在,OFDM所在信道的归一化多普勒频偏与OFDM符号前缀长度组成两种情况,分别基于该不同情况,实现Hk与的获得;
G=diag{FV}
其中, 表示对应于第k个OFDM符号、可分辨径l的时域信道参数,在时域多径信道参数后补零得到N×1维矢量hk;V=[0,...,0,1,0,...,0]T,其中1为V中第Ncp+1项;diag{}表示生成对角方阵,其对角线上的值为括号内矢量的值,j表示虚数单位;FH表示F的共轭转置;
4.根据权利要求2所述一种应对子载波和符号间干扰的OFDM信号迭代检测方法,其特征在于,所述步骤E包括如下步骤:
步骤E1.根据如下公式:
获得所对应的各个估计值然后进入步骤E2;其中,p=1,2,...,Mn+2m,M表示预设QAM调制阶数;各个分别对应一个格式与格式相同的OFDM符号,该各个OFDM符号中第q个发送信号估计值分组中各发送信号估计值、以及该组两侧各m个发送信号估计值的组合分别对应不同QAM调制符号的排列组合,且该各个OFDM符号中其余子载波的调制符号值均为0;
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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