CN113411281B - 基于并行干扰消除的f-ofdm无线传输方法 - Google Patents

基于并行干扰消除的f-ofdm无线传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于并行干扰消除的F‑OFDM无线传输方法，包括：在发射端，将串行比特信号流输入至映射器进行数字调制；采用TD‑PIC或SD‑PIC技术使信号分别在两路并行的分支信号上进行传输；再输入到子带滤波器中进行滤波处理；进行数模转换和射频调制，再经过天线发射至无线信道；在接收端，对于TD‑PIC，加入缓存器在时域对齐两路信号；对于SD‑PIC，对齐两路信号后，通过估计出的信道冲激响应矩阵进行信号检测，然后对两路并行分支信号进行匹配滤波处理；对两路并行分支信号去CP和串并变换；进行等增益合并，获得该子带的接收信号；对接收信号进行判决和解映射，恢复出比特流。本发明所述无线传输方法，提高了误比特率性能且有更强的抗多普勒扩展能力。

Description

基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于并行干扰消除(ParallelInterference Cancellation，PIC)的滤波正交频分复用(Filtered OrthogonalFrequency Division Multiplexing，F-OFDM)无线传输方法。
背景技术
高速移动场景是第五代移动通信系统(5G)的重要子场景，其中，高速动车的测试速度高达570km/h，飞机的移动速度可以达到1000km/h。正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)作为最典型的多载波传输技术，从第四代移动通信系统(4G)开始起到了至关重要的作用。然而，OFDM系统最初是针对准静态衰落信道设计的，在高速移动场景下，用户终端快速移动引起的多普勒效应会导致严重的时间选择性衰落，较大的多普勒扩展将破坏子载波之间的正交性，引起载波间干扰(Inter-CarrierInterference，ICI)，限制传输速率和覆盖范围，降低系统误比特率(Bit Error Rate，BER)性能，使OFDM系统难以保证可靠的通信。此外，快速变化的信道状态信息(Channel StateInformation，CSI)给时频双选信道的精确建模、估计与跟踪带来了巨大挑战，传统技术难以应用于速度高于500km/h的高速移动场景中。目前，铁路综合数字移动通信系统最大传输速率低于200kbps，下一代智能铁路通信网络LTE-R现场测试的传输速率也仅有2～4Mbps，难以满足5G为速度在500km/h及以上的用户提供多样化服务的标准。因此，面对高速移动场景，OFDM系统存在技术层面的缺陷。
针对此问题，F-OFDM在OFDM技术的基础上增加了可灵活配置参数的子带滤波器，在抑制ICI的同时，缓解了带外频谱泄露的问题。但是，在高速移动场景下，若要进一步提升性能需引入有效的干扰消除方法从而抑制ICI。典型的ICI抑制方案有相邻数据共轭取反算法(Adjacent Conjugate Symbol Repetition，ACSR)和对称数据共轭取反算法(SymmetricConjugate Symbol Repetition，SCSR)，它们对发送端信号结构进行设计，将相反符号调制到相应的子载波上，从而实现干扰自消除。虽然这两种算法收发两端的编解码较为简单，没有引入多余的功能模块，但会损失约50％的频谱效率。
基于现有技术存在的上述技术问题，本发明提出一种基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法。
发明内容
本发明提供一种基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法，包括：
步骤A，发射端信号处理流程：
步骤A1，在发射端，将串行比特信号流输入至映射器进行数字调制，在任一子带中，子带中子载波的数量为N，经过串并变换后，输出并行符号块为：
X＝[X(0)，X(1)，…，X(N-1)]T……(1)；
步骤A2，采用时域PIC(Time Domain PIC，TD-PIC)或空域PIC(Spatial DomainPIC，SD-PIC)技术使信号分别在两路并行的分支信号上进行传输，两路分支信号传输的数据一致，均为X(k)，当相干时间大于2个OFDM符号的时间长度时，采用TD-PIC技术，两路分支信号在不同时隙被发送出；当使用多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系统且天线间距大于一个波长时，可以采用SD-PIC技术，通过不同天线发送出两路分支信号，其中，第一路信号经过N点IFFT变换，第二路信号经过N点FFT变换；
步骤A3，将处理后的两路并行分支信号增加循环前缀(Cyclic Prefix，CP)，再将两路并行分支信号输入到子带滤波器中进行滤波处理；
步骤A4，将两路并行分支信号合并后依次进行数模转换和射频调制，再经过天线发射至无线信道；
步骤B，接收端信号处理流程：
步骤B1，在接收端，对于TD-PIC，两路信号通过不同的时隙到达，设置一个缓存器存储第一路信号并等待接收到第二路信号，缓存时间为一个OFDM符号块的长度，即N个调制符号的长度，第二路信号到达后，在时域上进行对齐；对于SD-PIC，由于两路信号经过了不同路径，在接收端首先要信号对齐，然后进行信号检测，其中MIMO系统的信道冲激响应矩阵H通过信道估计获得，将对齐后的接收信号乘以其逆矩阵H-1以恢复出两路分支信号，然后对两路并行分支信号进行匹配滤波处理；
步骤B2，对两路并行分支信号去CP和串并变换，第一路信号进行FFT处理，第二路信号进行IFFT处理；
步骤B3，将两路并行分支信号进行等增益合并，获得该子带的接收信号；
步骤B4，对接收信号进行判决和解映射，恢复出比特流；
步骤C，共轭对称信号处理流程：
步骤C1，发射端对第一路信号进行N点IFFT变换、对第二路信号进行N点FFT变换，其中，第二路分支信号无需使用额外的FFT硬件模块，可以对第二路信号取共轭，将第二路信号与第一路信号共用同一IFFT信号处理模块，然后对第二路信再次取共轭；
步骤C2，接收端对第一路信号进行N点FFT变换、对第二路信号进行N点IFFT变换，其中，第二路分支信号无需使用额外的IFFT硬件模块，可以对第二路信号取共轭，将第二路信号与第一路信号共用同一FFT信号处理模块，然后对第二路信再次取共轭。
进一步地，步骤A2中，第一路信号X(k)经过N点IFFT变换得：
Figure BDA0003076468300000031
第二路信号经过N点FFT变换，获得：
Figure BDA0003076468300000032
进一步地，步骤A3中，滤波器采用sinc函数加汉宁窗的方法，设滤波器长度为M，冲激响应为f(i)，则两路并行分支信号经过滤波器处理后可分别表示为：
Figure BDA0003076468300000033
Figure BDA0003076468300000034
进一步地，步骤B1中，两路并行分支信号经过无线信道后分别表示为：
Figure BDA0003076468300000041
Figure BDA0003076468300000042
上式中，hl，1(n)和hl，2(n)分别为两路信号经历的第l条子信道，w1(n)和w2(n)分别为两路信号受到的加性高斯白噪声干扰，
Figure BDA0003076468300000043
为时延参数，
Figure BDA0003076468300000044
和
Figure BDA0003076468300000045
分别表示信道在子载波上引入的复数增益，
Figure BDA0003076468300000046
和
Figure BDA0003076468300000047
分别为滤波器系数，经过匹配滤波处理，两路并行分支信号分别表示为：
Figure BDA0003076468300000048
Figure BDA0003076468300000049
上式中，
Figure BDA00030764683000000410
和
Figure BDA00030764683000000411
表示噪声经过匹配滤波器后的时域表达式，G1(n，k)和G2(n，k)为两路信号的增益系数，f*(-i)为匹配滤波器冲激响应，其中：
Figure BDA0003076468300000051
Figure BDA0003076468300000052
进一步地，步骤B2中，第一路信号经过FFT处理得：
Figure BDA0003076468300000053
第二路信号经过IFFT处理得：
Figure BDA0003076468300000054
进一步地，步骤B3中，两路并行分支信号进行等增益合并，得到：
Figure BDA0003076468300000055
进一步地，步骤C1中，发射端对第二路信号进行取共轭、IFFT变换、再取共轭得到：
Figure BDA0003076468300000056
进一步地，步骤C2中，接收端对第二路信号进行取共轭、FFT变换、再取共轭得到：
Figure BDA0003076468300000061
与现有技术相比，本发明的优越效果在于：
本发明所述的基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法，在发射端和接收端，利用共轭对称性，两路信号分别共用IFFT和FFT信号处理模块，有效控制了硬件复杂度；与F-OFDM相比，本发明使用了PIC技术，使得在接收端信干噪比得到了大幅的提升并减小了载波间干扰，从而提高了误比特率性能且有更强的抗多普勒扩展能力，在更高移动速度的场景下也能保证有效可靠的通信。
附图说明
图1是本发明实施例中在发射端信号处理的原理示意图；
图2是本发明实施例中在接收端信号处理的原理示意图；
图3是本发明实施例中共轭对称信号处理技术的原理示意图；
图4是本发明实施例中不同移动速度下误比特率性能曲线的仿真图；
图5是本发明实施例中不同传输方法及干扰消除算法下误比特率性能曲线的仿真图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例
所述基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法，包括：
步骤A，发射端信号处理流程：
步骤A1，在发射端，将串行比特信号流输入至映射器进行数字调制，在任一子带中，子带中子载波的数量为N，经过串并变换后，输出并行符号块为：
X＝[X(0)，X(1)，…，X(N-1)]T，
在上述步骤中，将串行比特信号流输入至映射器进行数字调制，即星座映射，若阶数为M，则会将每M个比特映射为一个符号，该OFDM系统共有N个子载波，这意味着每个OFDM符号包含N个符号，在信号处理过程中使用的将为N点FFT/IFFT，在发射端，IFFT的输入应为并行信号，所以在做IFFT之前，需要进行串并变换，则串并变换后的频域并行符号块可以表示为一个N阶列向量X，其中每个元素为一个星座映射后的符号；
步骤A2，采用时域PIC(Time Domain PIC，TD-PIC)或空域PIC(Spatial DomainPIC，SD-PIC)技术使信号分别在两路并行的分支信号上进行传输，两路分支信号传输的数据一致，均为X(k)，当相干时间大于2个OFDM符号的时间长度时，可以采用TD-PIC技术，两路分支信号在不同时隙被发送出；当使用多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系统且天线间距大于一个波长时，可以采用SD-PIC技术，通过不同天线发送出两路分支信号，第一路信号经过N点IFFT变换得：
Figure BDA0003076468300000071
第二路经过N点FFT变换，获得：
Figure BDA0003076468300000072
步骤A3，将处理后的两路并行分支信号增加CP，再将两路并行分支信号输入到子带滤波器中进行滤波处理，其中子带滤波器采用sinc函数加汉宁窗的方法，设滤波器长度为M，冲激响应为f(i)，则两路并行分支信号经过滤波器处理后可分别表示为：
Figure BDA0003076468300000073
Figure BDA0003076468300000074
步骤A4，将两路并行分支信号合并后依次进行数模转换和射频调制，再经过天线发射至无线信道；
步骤B，接收端信号处理流程：
步骤B1，在接收端，两路并行分支信号经过无线信道后分别表示为：
Figure BDA0003076468300000081
Figure BDA0003076468300000082
上式中，hl，1(n)和hl，2(n)分别为两路信号经历的第l条子信道，w1(n)和w2(n)分别为两路信号受到的加性高斯白噪声干扰，
Figure BDA0003076468300000083
为时延参数，
Figure BDA0003076468300000084
和
Figure BDA0003076468300000085
分别表示信道在子载波上引入的复数增益，
Figure BDA0003076468300000086
和
Figure BDA0003076468300000087
分别为滤波器系数。步骤B1，在接收端，对于TD-PIC，两路信号通过不同的时隙到达，故设置一个缓存器存储第一路信号并等待接收到第二路信号，缓存时间为一个OFDM符号块的长度，即N个调制符号的长度，待第二路信号到达后，在时域上进行对齐；对于SD-PIC，由于两路信号经过了不同路径，在接收端首先需要信号对齐，然后进行信号检测从而消除信道对不同天线发出信号的影响，其中MIMO系统的信道冲激响应矩阵H可以通过信道估计获得，将对齐后的接收信号乘以其逆矩阵H-1即可恢复出两路分支信号，常用的信号检测方式有最大比合并(Maximal RatioCombining，MRC)、迫零(Zero Forcing，ZF)、最小均方误差(Minimum Mean Squared Error，MMSE)等，然后对两路并行分支信号进行匹配滤波处理，经过匹配滤波后，两路并行分支信号分别表示为：
Figure BDA0003076468300000088
Figure BDA0003076468300000091
上式中，
Figure BDA0003076468300000092
和
Figure BDA0003076468300000093
表示噪声经过匹配滤波器后的时域表达式，G1(n，k)和G2(n，k)为两路信号的增益系数，f*(-i)为匹配滤波器冲激响应，其中：
Figure BDA0003076468300000094
Figure BDA0003076468300000095
步骤B2，对两路并行分支信号去CP和串并变换，第一路信号经过FFT处理得：
Figure BDA0003076468300000096
第二路信号经过IFFT处理得：
Figure BDA0003076468300000097
步骤B3，将两路并行分支信号进行等增益合并，获得该子带的接收信号，其中，两路并行分支信号进行等增益合并，得到：
Figure BDA0003076468300000098
步骤B4，对接收信号进行判决和解映射，恢复出比特流；
步骤C，共轭对称信号处理技术：
步骤C1，发射端会对第一路信号进行N点IFFT变换、对第二路信号进行N点FFT变换，其中，第二路分支信号无需使用额外的FFT硬件模块，可以对第二路信号取共轭，将其与第一路信号共用同一IFFT信号处理模块，然后对第二路信再次取共轭，如下式所示：
Figure BDA0003076468300000101
步骤C2，接收端对第一路信号进行N点FFT变换、对第二路信号进行N点IFFT变换，其中，第二路分支信号无需使用额外的IFFT硬件模块，可以对第二路信号取共轭，将其与第一路信号共用同一FFT信号处理模块，然后对第二路信再次取共轭，如下式所示：
Figure BDA0003076468300000102
在本实施例中,如图1所示，发射端信号处理流程如下：
S1.1：将串行比特信号流输入至映射器进行数字调制，以任一子带为例，假设子带中子载波的数量为N，则经过串并变换后，输出并行符号块为：
X＝[X(0)，X(1)，…，X(N-1)]T；
S1.2：采用TD-PIC或SD-PIC技术使信号在两路并行分支信号上传输，传输的数据一致均为X(k),第一路信号经过N点IFFT变换得到x1(n)，第二路信号经过N点FFT变换得到x2(n)，其中n＝0，1，…，N-1；
S1.3：将所得的两路信号增加CP后输入到子带滤波器中进行滤波处理，滤波器采用sinc函数加汉宁窗的方法设计,两路分支信号经过滤波器处理后分别为s1(n)和s2(n)；
S1.4：将所得两路信号合并后依次进行数模转换和射频调制，最后经过天线发射至无线信道。
在本实施例中,如图2所示，接收端信号处理流程如下：
S2.1：两路信号经过信道后分别得到y1(n)和y2(n)；在接收端，对于TD-PIC，则需加入缓存器在时域对齐两路信号；对于SD-PIC，对齐两路信号后，通过估计出的信道冲激响应矩阵进行信号检测，然后，对其进行匹配滤波处理，可得
Figure BDA0003076468300000103
和
Figure BDA0003076468300000104
S2.2：对所得的两路信号进行去CP和串并变换后，第一路信号经过FFT处理得到Y1(k)，第二路信号经过IFFT得到Y2(k)；
S2.3：将所得的两路分支信号进行等增益合并，得到该子带的接收信号，即：
Y(k)＝Y1(k)+Y2(k)；
S2.4：将步骤B4的输出进行判决和解映射，恢复出比特流。
在本实施例中,如图3所示，共轭对称信号处理技术如下：
S3.1：在发射端，在对第二路信号进行FFT变换时，无需在系统中添加FFT信号处理模块，而是利用共轭对称性共用第一路信号的IFFT信号处理模块；
S3.2：在接收端，在对第二路信号进行IFFT变换时，无需在系统中添加IFFT信号处理模块，而是利用共轭对称性共用第一路信号的FFT信号处理模块。
为了验证本实施例中基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法的技术效果，采用对PIC-F-OFDM系统误比特率进行计算机仿真的方式，从误比特率的角度来评估本实施例所述方法的性能。在仿真中，信道模型采用TDL(Jake’s信道模型)；共设有两个子带，中心频率为3.5GHz；采样率为5.04MHz；两子带的子载波间隔分别为15kHz和30kHz；两子带的滤波窗函数长度分别为42和23；数字调制方式采用16进制的正交幅度调制(16QAM)。从图4可以看出，BER曲线随着信噪比的增加呈总体走低的趋势，对于移动速度分别为120km/h、350km/h、500km/h、700km/h的用户，PIC-F-OFDM的误比特率依次增加但较为接近，都保证了良好的性能。因此PIC-F-OFDM有较强的抗多普勒扩展能力，可以有效克服高速移动场景下载波间干扰的问题。如图5所示，在用户移动速度为500km/h时，PIC-F-OFDM误比特率性能均优于OFDM、F-OFDM、PIC-OFDM，另外，PIC-F-OFDM的BER性能也比典型的ACSR和SCSR干扰自消除算法有显著提升。值得注意的是，本实施例提出的PIC-F-OFDM系统利用共轭对称性共用了两路信号的FFT/IFFT信号处理模块，有效地控制了硬件复杂度。
本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。

Claims (8)

1.一种基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法，其特征在于，包括：
步骤A，发射端信号处理流程：
步骤A1，在发射端，将串行比特信号流输入至映射器进行数字调制，在任一子带中，子带中子载波的数量为N，经过串并变换后，输出并行符号块为：
X＝[X(0)，X(1)，…，X(N-1)]T……(1)；
步骤A2，采用时域PIC或空域PIC技术使信号分别在两路并行的分支信号上进行传输，两路分支信号传输的数据一致，均为X(k)，当相干时间大于2个OFDM符号的时间长度时，采用TD-PIC技术，两路分支信号在不同时隙被发送出；当使用多输入多输出MIMO系统且天线间距大于一个波长时，可以采用SD-PIC技术，通过不同天线发送出两路分支信号，其中，第一路信号经过N点IFFT变换，第二路信号经过N点FFT变换；
步骤A3，将处理后的两路并行分支信号增加循环前缀CP，再将两路并行分支信号输入到子带滤波器中进行滤波处理；
步骤A4，将两路并行分支信号合并后依次进行数模转换和射频调制，再经过天线发射至无线信道；
步骤B，接收端信号处理流程：
步骤B1，在接收端，对于TD-PIC，两路信号通过不同的时隙到达，设置一个缓存器存储第一路信号并等待接收到第二路信号，缓存时间为一个OFDM符号块的长度，即N个调制符号的长度，第二路信号到达后，在时域上进行对齐；对于SD-PIC，由于两路信号经过了不同路径，在接收端首先要信号对齐，然后进行信号检测，其中MIMO系统的信道冲激响应矩阵H通过信道估计获得，将对齐后的接收信号乘以其逆矩阵H-1以恢复出两路分支信号，然后对两路并行分支信号进行匹配滤波处理；
步骤B2，对两路并行分支信号去CP和串并变换，第一路信号进行FFT处理，第二路信号进行IFFT处理；
步骤B3，将两路并行分支信号进行等增益合并，获得该子带的接收信号；
步骤B4，对接收信号进行判决和解映射，恢复出比特流；
步骤C，共轭对称信号处理流程：
步骤C1，发射端对第一路信号进行N点IFFT变换、对第二路信号进行N点FFT变换，其中，第二路分支信号无需使用额外的FFT硬件模块，对第二路信号取共轭，将第二路信号与第一路信号共用同一IFFT信号处理模块，然后对第二路信再次取共轭；
步骤C2，接收端对第一路信号进行N点FFT变换、对第二路信号进行N点IFFT变换，其中，第二路分支信号无需使用额外的IFFT硬件模块，对第二路信号取共轭，将第二路信号与第一路信号共用同一FFT信号处理模块，然后对第二路信再次取共轭。
2.根据权利要求1所述的基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法，其特征在于，步骤A2中，第一路信号X(k)经过N点IFFT变换得：
Figure FDA0003076468290000021
第二路信号经过N点FFT变换，获得：
Figure FDA0003076468290000022
3.根据权利要求1所述的基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法，其特征在于，步骤A3中，滤波器采用sinc函数加汉宁窗的方法，设滤波器长度为M，冲激响应为f(i)，则两路并行分支信号经过滤波器处理后可分别表示为：
Figure FDA0003076468290000023
Figure FDA0003076468290000024
4.根据权利要求1所述的基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法，其特征在于，步骤B1中，两路并行分支信号经过无线信道后分别表示为：
Figure FDA0003076468290000025
Figure FDA0003076468290000031
上式中，hl，1(n)和hl，2(n)分别为两路信号经历的第l条子信道，w1(n)和w2(n)分别为两路信号受到的加性高斯白噪声干扰，τl为时延参数，
Figure FDA0003076468290000032
和
Figure FDA0003076468290000033
分别表示信道在子载波上引入的复数增益，
Figure FDA0003076468290000034
和
Figure FDA0003076468290000035
分别为滤波器系数，经过匹配滤波处理，两路并行分支信号分别表示为：
Figure FDA0003076468290000036
Figure FDA0003076468290000037
上式中，
Figure FDA0003076468290000038
和
Figure FDA0003076468290000039
表示噪声经过匹配滤波器后的时域表达式，G1(n，k)和G2(n，k)为两路信号的增益系数，f*(-i)为匹配滤波器冲激响应，其中：
Figure FDA00030764682900000310
Figure FDA00030764682900000311
5.根据权利要求1所述的基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法，其特征在于，步骤B2中，第一路信号经过FFT处理得：
Figure FDA0003076468290000041
第二路信号经过IFFT处理得：
Figure FDA0003076468290000042
6.根据权利要求1所述的基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法，其特征在于，步骤B3中，两路并行分支信号进行等增益合并，得到：
Figure FDA0003076468290000043
7.根据权利要求1所述的基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法，其特征在于，步骤C1中，发射端对第二路信号进行取共轭、IFFT变换、再取共轭得到：
Figure FDA0003076468290000044
8.根据权利要求1所述的基于并行干扰消除的F-OFDM无线传输方法，其特征在于，步骤C2中，接收端对第二路信号进行取共轭、FFT变换、再取共轭得到：
Figure FDA0003076468290000045
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