CN112866165A - 一种多参数ofdm波形干扰消除方法及其收发信机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多参数OFDM波形干扰消除方法及其收发信机。所述方法包括：在多参数波形混合传输中，进行多参数波形预处理，通过多尺度映射构建多参数信号时频变换矩阵，求出多参数补偿信号，用于补偿基准参数下多用户带外泄露；利用信道矩阵与拖尾矩阵进行信号预处理，预消除多径信道影响；基于多尺度映射矩阵，计算去多尺度映射矩阵，将基准参数下频域信号恢复为原参数信号。该方法能有效抑制多用户多参数的波形干扰。基于上述方法，可构造多参数OFDM波形干扰消除收发信机。本发明在不加保护带的情况下，可有效消除多参数下多用户干扰，提高误码性能和系统容量。

Description

一种多参数OFDM波形干扰消除方法及其收发信机
技术领域
本发明涉及OFDM传输系统技术领域，特别涉及一种多参数OFDM波形干扰消除方法及其收发信机。
背景技术
未来通信中，不同场景下不同用户需求之间的差异日益显著。因此，传统OFDM单一波形传输不能灵活满足多样化的业务需求。混合参数OFDM系统可以有效提高系统的灵活性，满足多种应用场景的需求。
然而，由于不同用户使用不同参数的传输波形，导致了严重的多参数波形干扰，影响用户通信质量。大多抑制多参数波形干扰的方法为添加额外滤波器，但该类方法只能尽量抑制带外泄露，不能完全消除干扰。因此，提出一种可以消除参数间干扰的收发信机是一项重要的研究内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多参数OFDM波形干扰消除方法及其收发信机，以在混合参数传输中有效抑制参数间干扰。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
一方面，提供一种多参数OFDM波形干扰消除方，包括以下步骤：
在多参数波形混合传输中，进行多参数波形预处理，通过多尺度映射构建多参数信号时频变换矩阵，求出多参数补偿信号，用于补偿基准参数下多用户带外泄露；
利用信道矩阵与拖尾矩阵进行信号预处理，预消除多径信道影响；
基于多尺度映射矩阵，计算去多尺度映射矩阵，将基准参数下频域信号恢复为原参数信号。
优选地，所述在多参数波形混合传输中，进行多参数波形预处理，通过多尺度映射构建多参数信号时频变换矩阵，求出多参数补偿信号，用于补偿基准参数下多用户带外泄露具体包括：
混合参数包括不同子载波间隔Δfi＝2i-1·Δf(i＝1,2,…,I)，其中I表示参数种类，Δf表示收发信机所支持的最窄的子载波间隔，参数i下的符号长度为Ni；F(i)与(FH)(i)分别表示参数i下的FFT与IFFT矩阵，尺寸均为Ni×Ni；单次传输中子载波间隔最小的参数b作为基准参数，其符号长度为Nb并等同于接收窗口长度；不同波形参数下，多个时域信号组成符号块，符号块长度为Nb；用户共有U(u＝1,…,U)个，其中用户u的参数记为iu，取值范围与i相同；
根据各用户的子载波间隔以及频谱位置，构建多尺度映射矩阵Q，表示为：
Q＝FC×HFT
其中FC为基准参数b下傅里叶变换矩阵F(b)中对应所有用户频谱的各行，HFT为多用户多参数时频变换矩阵，矩阵维度为
Figure BDA0002891997500000021
表示为
Figure BDA0002891997500000022
Figure BDA0002891997500000023
为用户u的多参数时频变换矩阵，是以矩阵
Figure BDA0002891997500000024
为元素形成的块对角阵，其中
Figure BDA0002891997500000025
为参数iu下逆傅里叶变换矩阵
Figure BDA0002891997500000026
中对应用户u频谱位置的列，维度为
Figure BDA0002891997500000027
优选地，使用多尺度带外泄露标识矩阵QOOBE与结合各用户信道频率响应的多尺度变换矩阵QH，求取补偿信号ΔXm,<down>，使原信号
Figure BDA0002891997500000028
带外泄露与补偿信号完全抵消，平衡状态表示为：
Figure BDA0002891997500000029
其中QH为矩阵Q各行分别除以对应的信道频率响应，多尺度带外泄露标识矩阵QOOBE表示为
Figure BDA00028919975000000217
其中运算符
Figure BDA00028919975000000218
表示执行Hadamard积，矩阵QH与QI维度相同，矩阵QI为以Ou(u＝1,…,U)为对角矩阵元素的方阵，其中Ou为维度是
Figure BDA00028919975000000210
的全零方阵，QI的其它元素均为1。
优选地，所述利用信道矩阵与拖尾矩阵进行信号预处理，预消除多径信道影响具体包括：
预处理后的用户u第m个符号块信号
Figure BDA00028919975000000211
与
Figure BDA00028919975000000212
表示为：
Figure BDA00028919975000000213
Figure BDA00028919975000000214
其中
Figure BDA00028919975000000215
与
Figure BDA00028919975000000216
分别表示为上行与下行链路中添加过循环前缀的第m个符号块信号，H(u)描述信道响应对信号自身的影响，
Figure BDA0002891997500000031
表示信道拖尾矩阵，H(u)与
Figure BDA0002891997500000032
的维度均为(Nb+NCP)×(Nb+NCP)。
优选地，所述基于多尺度映射矩阵，计算去多尺度映射矩阵，将基准参数下频域信号恢复为原参数信号具体包括：
用户u第m个符号块信号上下行去多尺度映射输出
Figure BDA0002891997500000033
与
Figure BDA0002891997500000034
分别为：
Figure BDA0002891997500000035
Figure BDA0002891997500000036
其中，Q-1为上行传输中对应所有用户频谱范围的去多尺度映射矩阵，Ym,<up>为上行接收第m个符号块的频域信号，N为频域噪声，
Figure BDA0002891997500000037
为下行传输中对应第m个用户频谱范围的去多尺度映射矩阵，Ym,u,<down>为用户u下行接收第m个符号块的频域信号，Nu为用户u频谱对应的频域噪声。
优选地，所述用户u的多尺度映射矩阵Qu，表示为
Figure BDA0002891997500000038
其中矩阵
Figure BDA0002891997500000039
为矩阵FC中对应用户u频谱的行。
另一方面，提供一种根据上述多参数OFDM波形干扰消除方法构造的多参数OFDM波形干扰消除收发信机，包括下行发射机、下行接收机、上行发射机和上行接收机；
所述下行发射机包括多参数波形预处理模块、第一多尺度IFFT模块、第一多尺度映射符号块形成模块、第一循环前缀模块、第一信道预处理模块，所述下行接收机包括第一去循环前缀模块、第一FFT模块、第一去多尺度映射模块，所述上行发射机包括第二多尺度IFFT模块、第二多尺度映射符号块形成模块、第二循环前缀模块、第二信道预处理模块，所述上行接收机包括第二去循环前缀模块、第二FFT模块、第二去多尺度映射模块；
其中，所述多参数波形预处理模块用于对多参数波形进行预处理；所述第一多尺度IFFT模块和所述第二多尺度IFFT模块用于对不同子载波间隔信号进行不同长度的逆傅里叶变换；所述第一多尺度映射符号块形成模块和所述第二多尺度映射符号块形成模块用于令各用户将符号按顺序组合成符号块，使符号块长度与基准参数符号长度一致；所述第一循环前缀模块和所述第二循环前缀模块用于为各符号块添加相同长度的循环前缀；所述第一信道预处理模块和所述第二信道预处理模块用于对信道进行预处理，所述第一去循环前缀模块和所述第二去循环前缀模块用于执行循环前缀添加的逆过程；所述第一FFT模块和所述第二FFT模块用于执行基准参数下的傅里叶变换过程；所述第一去多尺度映射模块和所述第二去多尺度映射模块用于执行多尺度映射的逆过程。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的多参数OFDM波形干扰消除方法及其收发信机在混合参数传输中，能够有效抑制多用户不同参数间的波形干扰，提高误码性能和系统容量，提升用户通信质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多参数OFDM波形干扰消除方法的流程图；
图2a为本发明实施例提供的无保护带上行链路多参数OFDM系统与OFDM系统的误码率对比图；
图2b为本发明实施例提供的120KHz保护带上行链路多参数OFDM系统与OFDM系统的误码率对比图；
图2c为本发明实施例提供的无保护带下行链路多参数OFDM系统与OFDM系统的误码率对比图；
图2d为本发明实施例提供的120KHz保护带下行链路多参数OFDM系统与OFDM系统的误码率对比图；
图3为本发明实施例提供的一种多参数OFDM波形干扰消除收发信机的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明的实施例首先提供了一种多参数OFDM波形干扰消除方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
在多参数波形混合传输中，进行多参数波形预处理，通过多尺度映射构建多参数信号时频变换矩阵，求出多参数补偿信号，用于补偿基准参数下多用户带外泄露；
利用信道矩阵与拖尾矩阵进行信号预处理，预消除多径信道影响；
基于多尺度映射矩阵，计算去多尺度映射矩阵，将基准参数下频域信号恢复为原参数信号。
本发明实施例通过采用多参数OFDM波形干扰消除方法，能够有效抑制多用户不同参数间的波形干扰，提高误码性能和系统容量，提升用户通信质量。
具体地，混合参数包括不同子载波间隔Δfi＝2i-1·Δf(i＝1,2,…,I)，其中I表示参数种类，Δf表示收发信机所支持的最窄的子载波间隔，参数i下的符号长度为Ni。F(i)与(FH)(i)分别表示参数i下的FFT与IFFT矩阵，尺寸均为Ni×Ni。单次传输中子载波间隔最小的参数b作为基准参数，其符号长度为Nb并等同于接收窗口。假设共有U(u＝1,…,U)个用户，其中用户u的参数记为iu，取值范围与i相同。用户根据各自的需求选择所需参数以及每个用户所占用的子载波的数目。基准参数子载波间距选取Δf＝15KHz，用户子载波间隔可选取15KHz、30KHz、60KHz与120KHz中任意一种。基准参数下循环前缀长度设置为符号块长度的7％。采用64-QAM调制方式，多径衰落信道服从瑞利分布。
下行传输中，根据各用户的子载波间隔以及频谱位置，构建多尺度映射矩阵Q，表示为：
Q＝FC×HFT
其中FC为基准参数b下傅里叶变换矩阵F(b)中对应所有用户频谱的各行。HFT为多用户多参数时频变换矩阵，矩阵维度为
Figure BDA0002891997500000051
可表示为
Figure BDA0002891997500000052
Figure BDA0002891997500000053
为用户u的多参数时频变换矩阵，是以矩阵
Figure BDA0002891997500000054
为元素形成的块对角阵，其中
Figure BDA0002891997500000055
为参数iu下逆傅里叶变换矩阵
Figure BDA0002891997500000056
中对应用户u频谱位置的列。
使用多尺度带外泄露标识矩阵QOOBE与结合各用户信道频率响应的多尺度变换矩阵QH，求取补偿信号ΔXm,<down>，使原信号
Figure BDA0002891997500000057
带外泄露与补偿信号完全抵消，平衡状态表示为：
Figure BDA0002891997500000061
其中QH为矩阵Q各行分别除以对应的信道频率响应。多尺度带外泄露标识矩阵QOOBE表示为
Figure BDA00028919975000000617
其中运算符
Figure BDA00028919975000000618
表示执行Hadamard积，矩阵QH与QI维度相同。矩阵QI为以Ou(u＝1,…,U)为对角矩阵元素的方阵，其中Ou为维度是
Figure BDA0002891997500000062
的全零方阵，QI的其它元素均为1。多参数波形预处理输出为原发送信号与补偿信号相加结果。
经过多参数波形预处理的第l个频域信号为
Figure BDA0002891997500000063
经过多尺度IFFT模块后，相应的时域信号表示为：
Figure BDA0002891997500000064
当发射机只有一种参数的信号时，不进行多参数预处理。对于用户u，
Figure BDA0002891997500000065
个符号组成一个符号块，共享循环前缀，经多尺度映射符号块组成模块后的第m个符号块写为：
Figure BDA0002891997500000066
经过循环前缀添加模块后的信号记为
Figure BDA0002891997500000067
用户u的信号经信道预处理模块处理后为
Figure BDA0002891997500000068
下行接收端用户u接收信号为：
Figure BDA0002891997500000069
其中n为加性高斯白噪声，
Figure BDA00028919975000000610
为信号预处理后的用户u第m个符号块，写为：
Figure BDA00028919975000000611
H(u)为信道矩阵
Figure BDA00028919975000000612
的上半部分，体现信道对当前符号的影响。信道矩阵
Figure BDA00028919975000000613
写为：
Figure BDA00028919975000000614
其中用户u时域信道冲激响应为
Figure BDA00028919975000000615
矩阵
Figure BDA00028919975000000616
的下半部分记为
Figure BDA0002891997500000071
表示信号的拖尾矩阵。
用户端接收信号经过去循环前缀、FFT变换后的信号为Ym,u,<down>，再经去多尺度映射后可获得原始发送信号，表示为：
Figure BDA0002891997500000072
其中，Qu为用户u的多尺度映射矩阵，表示为
Figure BDA0002891997500000073
其中矩阵
Figure BDA0002891997500000074
为矩阵FC中对应用户u频谱的行。Nu为用户u频谱对应的频域噪声。
上行传输中，发送信号无需进行多参数预处理，直接进行多尺度IFFT、多尺度映射符号块形成、添加循环前缀以及信道预处理。信道预处理后的用户u第m个符号块信号
Figure BDA0002891997500000075
表示为：
Figure BDA0002891997500000076
其中
Figure BDA0002891997500000077
表示为上行链路中添加过循环前缀的第m个符号块信号。上行接收端用户u的接收信号为：
Figure BDA0002891997500000078
基站总接收信号为：
Figure BDA0002891997500000079
其中n为加性高斯白噪声。用户端接收信号经过去循环前缀模块、FFT变换模块做傅里叶变换后的信号为Ym,u,<up>，再经去多尺度映射模块后可获得原始发送信号，表示为：
Figure BDA00028919975000000710
其中，Q-1为用户u的去多尺度映射矩阵，N为频域噪声。
图2a-图2d对本发明所述多参数OFDM(MN-OFDM)波形干扰消除系统与传统多参数OFDM系统的误码率进行比较。其中，图2a与图2b用于上行链路，图2c与图2d用于下行链路。频谱中的相邻用户分别使用不同参数。该仿真只同时考虑两个用户，两用户中的一个使用15KHz子载波间隔，而另一个用户使用30KHz、60KHz与120KHz子载波间隔。为了验证所提收发信机对不同保护带宽度的灵敏度，分别将保护带设置为0和120KHz，图例中的箭头指向目标用户。结果表明，本发明所述多参数OFDM波形干扰消除系统能有效地抑制由混合参数引起的干扰，即使没有保护带，也能达到相似的误码率。虽然随着保护带的增大，参数间干扰对OFDM系统的影响减弱，但其误码率性能仍明显低于本发明所述多参数OFDM波形干扰消除系统。
本发明的实施例还提供一种根据上述多参数OFDM波形干扰消除方法构造的多参数OFDM波形干扰消除收发信机，如图3所示，所述收发信机包括下行发射机、下行接收机、上行发射机和上行接收机；
所述下行发射机包括多参数波形预处理模块、第一多尺度IFFT模块、第一多尺度映射符号块形成模块、第一循环前缀模块、第一信道预处理模块，所述下行接收机包括第一去循环前缀模块、第一FFT模块、第一去多尺度映射模块，所述上行发射机包括第二多尺度IFFT模块、第二多尺度映射符号块形成模块、第二循环前缀模块、第二信道预处理模块，所述上行接收机包括第二去循环前缀模块、第二FFT模块、第二去多尺度映射模块；
其中，所述多参数波形预处理模块用于对多参数波形进行预处理；所述第一多尺度IFFT模块和所述第二多尺度IFFT模块用于对不同子载波间隔信号进行不同长度的逆傅里叶变换；所述第一多尺度映射符号块形成模块和所述第二多尺度映射符号块形成模块用于令各用户将符号按顺序组合成符号块，使符号块长度与基准参数符号长度一致；所述第一循环前缀模块和所述第二循环前缀模块用于为各符号块添加相同长度的循环前缀；所述第一信道预处理模块和所述第二信道预处理模块用于对信道进行预处理，所述第一去循环前缀模块和所述第二去循环前缀模块用于执行循环前缀添加的逆过程；所述第一FFT模块和所述第二FFT模块用于执行基准参数下的傅里叶变换过程；所述第一去多尺度映射模块和所述第二去多尺度映射模块用于执行多尺度映射的逆过程。
所述多参数OFDM波形干扰消除收发信机通过执行以下步骤：在多参数波形混合传输中，进行多参数波形预处理，通过多尺度映射构建多参数信号时频变换矩阵，求出多参数补偿信号，用于补偿基准参数下多用户带外泄露；利用信道矩阵与拖尾矩阵进行信号预处理，预消除多径信道影响；基于多尺度映射矩阵，计算去多尺度映射矩阵，将基准参数下频域信号恢复为原参数信号；能够有效消除多参数下多用户干扰，提高误码性能和系统容量，提升用户通信质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多参数OFDM波形干扰消除方法，其特征在于，包括以下步骤：
在多参数波形混合传输中，进行多参数波形预处理，通过多尺度映射构建多参数信号时频变换矩阵，求出多参数补偿信号，用于补偿基准参数下多用户带外泄露；
利用信道矩阵与拖尾矩阵进行信号预处理，预消除多径信道影响；
基于多尺度映射矩阵，计算去多尺度映射矩阵，将基准参数下频域信号恢复为原参数信号。
2.根据权利要求1所述的多参数OFDM波形干扰消除方法，其特征在于，所述在多参数波形混合传输中，进行多参数波形预处理，通过多尺度映射构建多参数信号时频变换矩阵，求出多参数补偿信号，用于补偿基准参数下多用户带外泄露具体包括：
混合参数包括不同子载波间隔Δfi＝2i-1·Δf(i＝1,2,…,I)，其中I表示参数种类，Δf表示收发信机所支持的最窄的子载波间隔，参数i下的符号长度为Ni；F(i)与(FH)(i)分别表示参数i下的FFT与IFFT矩阵，尺寸均为Ni×Ni；单次传输中子载波间隔最小的参数b作为基准参数，其符号长度为Nb并等同于接收窗口长度；不同波形参数下，多个时域信号组成符号块，符号块长度为Nb；用户共有U(u＝1,…,U)个，其中用户u的参数记为iu，取值范围与i相同；
根据各用户的子载波间隔以及频谱位置，构建多尺度映射矩阵Q，表示为：
Q＝FC×HFT
其中FC为基准参数b下傅里叶变换矩阵F(b)中对应所有用户频谱的各行，HFT为多用户多参数时频变换矩阵，矩阵维度为
Figure FDA0002891997490000011
表示为
Figure FDA0002891997490000012
Figure FDA0002891997490000013
为用户u的多参数时频变换矩阵，是以矩阵
Figure FDA0002891997490000014
为元素形成的块对角阵，其中
Figure FDA0002891997490000015
为参数iu下逆傅里叶变换矩阵
Figure FDA0002891997490000016
中对应用户u频谱位置的列，维度为
Figure FDA0002891997490000017
3.根据权利要求2所述的多参数OFDM波形干扰消除方法，其特征在于，使用多尺度带外泄露标识矩阵QOOBE与结合各用户信道频率响应的多尺度变换矩阵QH，求取补偿信号ΔXm,<down>，使原信号
Figure FDA0002891997490000018
带外泄露与补偿信号完全抵消，平衡状态表示为：
Figure FDA0002891997490000021
其中QH为矩阵Q各行分别除以对应的信道频率响应，多尺度带外泄露标识矩阵QOOBE表示为
Figure FDA00028919974900000218
其中运算符
Figure FDA00028919974900000219
表示执行Hadamard积，矩阵QH与QI维度相同，矩阵QI为以Ou(u＝1,…,U)为对角矩阵元素的方阵，其中Ou为维度是
Figure FDA0002891997490000022
的全零方阵，QI的其它元素均为1。
4.根据权利要求1所述的多参数OFDM波形干扰消除方法，其特征在于，所述利用信道矩阵与拖尾矩阵进行信号预处理，预消除多径信道影响具体包括：
预处理后的用户u第m个符号块信号
Figure FDA0002891997490000023
与
Figure FDA0002891997490000024
表示为：
Figure FDA0002891997490000025
Figure FDA0002891997490000026
其中
Figure FDA0002891997490000027
与
Figure FDA0002891997490000028
分别表示为上行与下行链路中添加过循环前缀的第m个符号块信号，H(u)描述信道响应对信号自身的影响，
Figure FDA0002891997490000029
表示信道拖尾矩阵，H(u)与
Figure FDA00028919974900000210
的维度均为(Nb+NCP)×(Nb+NCP)。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的多参数OFDM波形干扰消除方法，其特征在于，所述基于多尺度映射矩阵，计算去多尺度映射矩阵，将基准参数下频域信号恢复为原参数信号具体包括：
用户u第m个符号块信号上下行去多尺度映射输出
Figure FDA00028919974900000211
与
Figure FDA00028919974900000212
分别为：
Figure FDA00028919974900000213
Figure FDA00028919974900000214
其中，Q-1为上行传输中对应所有用户频谱范围的去多尺度映射矩阵，Ym,<up>为上行接收第m个符号块的频域信号，N为频域噪声，
Figure FDA00028919974900000215
为下行传输中对应第m个用户频谱范围的去多尺度映射矩阵，Ym,u,<down>为用户u下行接收第m个符号块的频域信号，Nu为用户u频谱对应的频域噪声。
6.根据权利要求5所述的多参数OFDM波形干扰消除方法，其特征在于，所述用户u的多尺度映射矩阵Qu，表示为
Figure FDA00028919974900000216
其中矩阵
Figure FDA00028919974900000217
为矩阵FC中对应用户u频谱的行。
7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的多参数OFDM波形干扰消除方法构造的多参数OFDM波形干扰消除收发信机，其特征在于，包括下行发射机、下行接收机、上行发射机和上行接收机；
所述下行发射机包括多参数波形预处理模块、第一多尺度IFFT模块、第一多尺度映射符号块形成模块、第一循环前缀模块、第一信道预处理模块，所述下行接收机包括第一去循环前缀模块、第一FFT模块、第一去多尺度映射模块，所述上行发射机包括第二多尺度IFFT模块、第二多尺度映射符号块形成模块、第二循环前缀模块、第二信道预处理模块，所述上行接收机包括第二去循环前缀模块、第二FFT模块、第二去多尺度映射模块；
其中，所述多参数波形预处理模块用于对多参数波形进行预处理；所述第一多尺度IFFT模块和所述第二多尺度IFFT模块用于对不同子载波间隔信号进行不同长度的逆傅里叶变换；所述第一多尺度映射符号块形成模块和所述第二多尺度映射符号块形成模块用于令各用户将符号按顺序组合成符号块，使符号块长度与基准参数符号长度一致；所述第一循环前缀模块和所述第二循环前缀模块用于为各符号块添加相同长度的循环前缀；所述第一信道预处理模块和所述第二信道预处理模块用于对信道进行预处理，所述第一去循环前缀模块和所述第二去循环前缀模块用于执行循环前缀添加的逆过程；所述第一FFT模块和所述第二FFT模块用于执行基准参数下的傅里叶变换过程；所述第一去多尺度映射模块和所述第二去多尺度映射模块用于执行多尺度映射的逆过程。
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