CN1635724A

CN1635724A - 正交频分复用通信方法和装置

Info

Publication number: CN1635724A
Application number: CN 200310123857
Authority: CN
Inventors: 杨红卫; 黎光洁; 蔡立羽; 李栋
Original assignee: Alcatel Lucent Shanghai Bell Co Ltd
Current assignee: Nokia Shanghai Bell Co Ltd
Priority date: 2003-12-31
Filing date: 2003-12-31
Publication date: 2005-07-06

Abstract

本发明提供一种正交频分复用通信方法，其特征在于包括以下步骤：将待发送的信息比特序列编码为Turbo乘积码码块；将所述Turbo乘积码码块高阶调制为多个高阶调制符号；将每个所述高阶调制符号调制到一组邻近的子载波上，形成多组载波间干扰自消除调制符号；对所述多个载波间干扰自消除调制符号执行反快速傅立叶变换，产生多个正交频分复用符号；对所述多个正交频分复用符号进一步处理后发送。本发明还提供相应的正交频分复用通信装置，其特征在于包括：Turbo乘积码编码器，高阶调制器，和载波间干扰自消除调制器。本发明将Turbo乘积码、高阶调制和载波间干扰自消除技术结合用于OFDM系统中，为高速移动环境的高速数据传输提供了简单而有效的解决方案。

Description

正交频分复用通信方法和装置

技术领域

本发明涉及高速移动环境下的高速数据通信方法和装置，尤其涉及采用正交频分复用技术的通信方法和装置。

背景技术

下一代移动无线通信系统的目标是实现无所不在的、高质量的、高速率的移动多媒体传输。但是为了实现这一目标，面临许多技术挑战。例如，移动无线通信系统面临的是十分恶劣的无线信道。可靠的移动无线通信系统不仅需要克服大的路径损耗，以及非常严重的信号衰落，还要克服由于大的多径时延扩展而引起的符号间干扰。

正交频分复用(OFDM)技术是一种很有前途的、可克服信道时延扩展的传输手段。OFDM技术其实是多载波调制(MCM)的一种。其主要思想是：将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。

但是，OFDM对系统的要求也很高。采用OFDM的移动通信系统必须保证各个子信道之间的正交性，因此对于定时和载波频率偏移(CFO)很敏感。载波频率偏移削弱了子载波之间的正交性，导致载波间干扰(ICI)以及误比特率(BER)性能的下降。

载波间干扰自抵消技术可以有效降低载波间干扰，但是导致OFDM系统数据吞吐率下降近一半，参见Hongwei Yang，Guangjie Li，Liyu Cai，Luoning Gui所著“An Adaptive ICI Self-cancellation Scheme toCompensate the Frequency Offset for OFDM System”In Proc.of IEEE 57thVehicular Technology Conf.，Vo.4，2003，pp.2658-2662。BCH编码也可降低载波间干扰的影响，同时不影响数据吞吐率，但是BCH码的硬判决译码不能带来足够的编码增益，参见K.Sathananthan和C.Tellambura所著“Carrier Frequency Offset Effect on OFDM Systems：Analysis andSolutions”In Proc.The Third International Symposium on Wireless PersonalMultimedia Communications Conf.，2000，pp.688-692。速率匹配删截卷积码(RCPC Code)可有效抑制载波频率偏移带来的载波间干扰，并且编码增益和数据吞吐率都有很大的改善，参见K.Sathananthan和C.Tellambura所著“Forward Error Correction Codes to Reduce IntercarrierInterference in OFDM”In Proc.of 2001 IEEE International Symposium onCircuits and Systems，Vol.4，2001，pp.566-569。

图1示出一种现有技术的正交频分复用系统的结构示意图。如图1所示，在发射机110中，信道编码器102用某种纠错码对来自信源101的信息比特进行编码，以提供一定的差错保护能力。信道编码器102输出的码字由差分调制器103进行差分调制，补偿色散信道引起的相移。ICI消除单元104将调制符号调制到相邻的若干子载波上。之后，由反快速傅立叶变换(IFFT)器105对OFDM符号进行反快速傅立叶变换，保护间隔插入器106在变换后的OFDM符号中插入保护间隔(GI)，并经低通滤波器107低通滤波后，由天线108发送到信道。在接收机120中，由天线118从信道接收信号，由低通滤波器117对接收信号进行低通滤波，然后由保护间隔抽取器116从滤波信号中去除保护间隔(GI)，再由快速傅立叶变换(FFT)器115进行快速傅立叶变换。变换后的符号，经过ICI消除单元114线性合并后，送到差分解调器113中进行解调，解调的信号送到信道译码器112中进行译码。译码信号传送给信宿111。

在图1所示的正交频分复用系统中，信道编码器102中可以采用两种典型的信道编码，即卷积码和Turbo码。卷积码在误比特率为10^-3时，以较低的复杂度获得优异的性能，但在BER为10^-6时，性能很差。Turbo码以接近仙农限的性能获得广泛应用，但其极高的复杂度难以实现高速译码。ICI消除单元104中采用的载波间干扰消除技术包括频域均衡、时域加窗和载波间干扰自消除等多种方法，参见Zhao，Y.，Haggman，S.G.所著“Intercarrier Interference Self-cancellation Schemefor OFDM Mobile Communication Systems”IEEE Transactions onCommunications，Vol.49，No.7，2001，pp.1185-1191。与载波间干扰自消除方法相比，频域均衡和时域加窗均具有较高的复杂度。因此，现有的解决方案难以实现高速移动环境的高速数据传输。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在高速移动环境下进行高速数据通信的方法和装置。

为实现上述目的，本发明提供一种正交频分复用通信方法，其特征在于包括以下步骤：

将待发送的信息比特序列编码为Turbo乘积码码块；

将所述Turbo乘积码码块调制为多个高阶调制符号；

将每个所述高阶调制符号调制到一组邻近的子载波上，形成多组载波间干扰自消除调制符号；

对所述多个载波间干扰自消除调制符号执行反快速傅立叶变换，产生多个正交频分复用符号；

对所述多个正交频分复用符号进一步处理后发送。

本发明还提供一种正交频分复用通信方法，其特征在于包括以下步骤：

将接收的信号处理为多个正交频分复用符号；

将所述多个正交频分复用符号快速傅立叶变换为多个载波间干扰自消除调制符号；

将所述多个载波间干扰自消除调制符号解调为多个高阶调制符号；

将所述多个高阶调制符号解调为Turbo乘积码码块；

将所述Turbo乘积码码块译码为信息比特序列。

本发明还提供一种正交频分复用通信装置，其特征在于包括：

Turbo乘积码编码器，用于将待发送的信息比特序列编码为Turbo乘积码码块；

高阶调制器，用于将所述Turbo乘积码码块调制为多个高阶调制符号；

载波间干扰自消除调制器，用于将每个所述高阶调制符号调制到一组邻近的子载波上，形成多组载波间干扰自消除调制符号；

反快速傅立叶变换器，用于对所述多个载波间干扰自消除调制符号执行反快速傅立叶变换，产生多个正交频分复用符号；

发送装置，用于对所述多个正交频分复用符号进一步处理后发送。

接收装置，用于从信道接收信号，并处理为多个正交频分复用符号；

快速傅立叶变换器，用于将所述多个正交频分复用符号快速傅立叶变换为多个载波间干扰自消除调制符号；

载波间干扰自消除解调器，用于将所述多个载波间干扰自消除调制符号解调为多个高阶调制符号；

高阶解调器，用于将所述多个高阶调制符号解调为Turbo乘积码码块；

Turbo乘积码译码器，用于将所述Turbo乘积码码块译码为信息比特序列。

根据本发明的正交频分复用通信方法和装置，将Turbo乘积码和载波间干扰自消除技术应用到高速移动环境的OFDM系统中，降低了噪声和ICI对OFDM系统性能的影响，改善了Turbo乘积码的编码增益，为高速数据传输提供了充分的差错保护。另外，使用高阶调制补偿了Turbo乘积码和子载波间干扰自消除技术引起的带宽效率的损失。

总之，本发明将Turbo乘积码、高阶调制和载波间干扰自消除技术结合用于OFDM系统中，为高速移动环境的高速数据传输提供了简单而有效的解决方案。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是现有技术的正交频分复用系统的结构示意图；

图2是本发明的正交频分复用系统的结构示意图；

图3是本发明的正交频分复用系统的仿真链路示意图；

图4示出了本发明的正交频分复用系统在120kmph移动环境下采用16QAM调制时的误比特率性能；

图5示出了本发明的正交频分复用系统在120kmph移动环境下采用64QAM调制时的误比特率性能；

图6示出了本发明的正交频分复用系统在250kmph移动环境下采用16QAM调制时的误比特率性能；

图7示出了本发明的正交频分复用系统在250kmph移动环境下采用64QAM调制时的误比特率性能。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。

图2是本发明的正交频分复用系统的结构示意图。如图2所示，在发射机210中，Turbo乘积码(TPC)编码器202对来自信源201的信息比特序列进行编码，输出一个码块。

Turbo乘积码是一种接近最优的信道编码，它具有较低的复杂度和容易实现高速译码等特点，参见授予W.H.Thesling和B.Ohio的美国专利5,930,272，名称为“Block Decoding with Soft Output Information”，并参见R.M.Pyndiah所著“Near-optimum Decoding ofProduct Codes：BlockTurbo Codes”IEEE Trans.on Commun.，Vol.46，No.8，1998，pp.1003-1010。

TPC编码器202输出的码块，在高阶调制器203中进行高阶调制，以提高带宽利用率。例如，高阶调制器203可以是一个M-QAM调制器，一个M-PSK调制器，或其他高阶调制器。以M-QAM调制器为例，将码块的M个比特映射到M-QAM调制器的一个星座上，产生高阶调制符号 α。

载波间干扰(ICI)自消除调制器204，通过长度为L的向量加权后，将高阶调制符号 α调制到一组邻近的子载波上，形成载波间干扰自消除调制符号。使接收信号中载波间干扰最小的最优加权系数是满足下述多项式的系数

P(D)＝(1-D)^L-1 (式-1)

在高速移动信道中传输时，发送符号受到多普勒频移和多普勒频展引起的ICI。如果不采用ICI消除技术，接收符号经过反快速傅立叶变换(IFFT)后，每个子载波上的调制符号都将受到临近子载波的干扰。这种干扰引起突发错误，并且降低了译码器的接收信噪比，因此会恶化译码器的性能，甚至引起译码性能出现较高的平台，无法满足系统的误比特率要求。因此，利用载波间干扰自消除技术，去除这些影响，从而改善高速移动环境下的OFDM系统的译码性能。载波间干扰自消除是去除OFDM系统中多普勒频移和频展引起的载波间干扰的一种简单而有效的方法。

接着，由反快速傅立叶变换(IFFT)器205对载波间干扰自消除调制符号进行反快速傅立叶变换，产生正交频分复用(OFDM)符号。然后，保护间隔插入器206在每个OFDM符号中插入一个保护间隔(GI)。OFDM符号经低通滤波器207低通滤波后，由天线208发送到信道上。

在接收机220中，由天线218从信道接收信号，由低通滤波器217对接收信号进行低通滤波，然后由保护间隔抽取器216从滤波信号中去除保护间隔(GI)，再由快速傅立叶变换(FFT)器215进行快速傅立叶变换。然后，由ICI自消除解调器214对同一组子载波上的数据加权合并。最优的加权系数是满足下述多项式的系数。

P(D)＝(1-D)^2(L-1) (式-2)

高阶解调器213对去除了载波间干扰的符号进行解调，估计每个发送比特的似然值，然后将解调结果送到TPC译码器212中进行译码。译码结果输出给信宿211。例如，高阶解调器213可以是一个M-QAM解调器。

图3是本发明的正交频分复用系统的仿真链路示意图。如图3所示，在发射机中，信源301提供均匀分布的随机信息比特，在302中对这些信息比特循环冗余校验(CRC)编码，然后输入到TPC编码器303进行信道编码，输出(n₁，n₂)码块。接着，在交织器304中，对码块进行比特级交织，在高阶调制器(图中为M-QAM调制器)305中进行格雷映射的诸如M-QAM调制后，由ICI自消除调制器305将每个调制符号调制到临近的若干子载波上。插入频域导频序列(307)后，在反快速傅立叶变换(IFFT)器308中进行反快速傅立叶变换，得到OFDM符号。然后，在OFDM符号中插入时域导频伪随机序列(309)，并且插入保护间隔(310)，然后发送到衰落信道(311)。在接收机中，从接收的OFDM符号去除保护间隔(312)，去除时域导频伪随机序列(313)，进行快速傅立叶变换(FFT)(314)。然后，抽取频域导频序列(316)，并进行信道估计，得到的信道传递函数用于频域均衡和软解调。均衡后的符号通过加权和合并在ICI自消除解调器315处进行ICI自消除解调，以去除ICI。基于信道状态信息的软解调器(图中为M-QAM解调器)317输出每个编码比特的似然值，并在去交织器318中去交织。然后，在TPC译码器319中译码，在320处进行循环冗余校验码的译码。译码信号传送给信宿321。

仿真参数见表1。

表1 仿真参数

参数	取值	参数	取值
参数	取值	参数	取值	CRC长度	16比特	调制	16QAM64QAM
Turbo乘积码的子码	(16，11，4)²(32，26，4)²(64，57，4)²(128，120，4)²	OFDM子载波数	2048	CRC长度	16比特	调制	16QAM64QAM
		OFDM子载波数	2048	载波频率	3.2GHz
		带宽	20M	载波频率	3.2GHz
		带宽	20M	保护间隔长度	244

Turbo乘积码的码率	0.470.660.790.88	移动速度	120kmph250kmph5km
		移动速度	120kmph250kmph5km	交织深度	4ms
		信道估计	理想信道估计	交织深度	4ms	均衡	迫零算法

下面举例说明本发明的优点。

图4示出了本发明的正交频分复用系统，在120kmph移动环境下，采用16QAM调制时，不同Turbo乘积码在有/无ICI自消除技术情况下的误比特率(BER)性能。实线表示有ICI自消除技术的Turbo乘积码的译码性能，虚线表示无ICI自消除技术的译码性能。

由图4可知，采用16QAM调制时，无论有/无ICI自消除技术，Turbo乘积码的BER性能均能满足常用的系统要求10^-6。然而，引入ICI自消除技术可以给Turbo乘积码带来附加的编码增益，此编码增益随着码块长度增加而增加。对(128，120)²Turbo乘积码，在BER为10^-6时，额外的编码增益有6.0dB左右。

图5示出了本发明的正交频分复用系统在120kmph移动环境下采用64QAM调制时的误比特率性能。采用64QAM调制时，较高码率的Turbo乘积码，如(64，57)²在没有ICI自消除技术的OFDM系统中出现了BER平台。由于译码器的译码性能取决于接收的信号干扰噪声功率比(SINR)，所以在信噪比较低的范围内，输入SINR主要取决于噪声功率，而在信噪比较高的范围内，输入SINR主要取决于干扰功率。因此，没有ICI自消除的OFDM系统存在较大的ICI，导致Turbo乘积码译码性能在10^-6以上位置出现了平台。显然，加入ICI自消除的Turbo乘积码的性能得到了很大的改善，消除了10^-6以上位置的平台，获得了更大的编码增益。

图6示出了本发明的正交频分复用系统在250kmph移动环境下采用16QAM调制时的误比特率性能。图7示出了本发明的正交频分复用系统在250kmph移动环境下采用64QAM调制时的误比特率性能。在250kmph移动环境下，ICI更为严重，恶化了Turbo乘积码的译码性能。由图6可知，采用16QAM调制时，如果不采用ICI去除技术，所有码率的Turbo乘积码的BER性能均在10^-6以上位置出现了平台，不能达到系统的BER要求。引入ICI自消除技术可以消除Turbo乘积码在10^-6以上位置的BER平台，带来更大的编码增益。采用64QAM调制时，载波间干扰自消除技术的优势更为明显。

以上仿真结果充分证明了本发明的正交频分复用系统的诸多优点。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域内熟练的技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims

1.一种正交频分复用通信方法，其特征在于包括以下步骤：

将待发送的信息比特序列编码为Turbo乘积码码块；

将所述Turbo乘积码码块调制为多个高阶调制符号；

对所述多个正交频分复用符号进一步处理后发送。

2.根据权利要求1的正交频分复用通信方法，其特征在于将所述Turbo乘积码码块调制为多个高阶调制符号的步骤包括一个将所述Turbo乘积码码块中的M个比特映射到高阶调制器的一个星座上并产生一个调制符号的步骤。

3.根据权利要求1的正交频分复用通信方法，其特征在于，在所述将每个所述高阶调制符号调制到一组邻近的子载波上的步骤之前，包括一个将每个所述高阶调制符号乘以相应的加权向量的步骤。

4.根据权利要求1的正交频分复用通信方法，其特征在于对所述多个正交频分复用符号进一步处理后发送的步骤包括以下步骤：

在每个所述正交频分复用符号中插入保护间隔；

对插有保护间隔的正交频分复用符号进行低通滤波；

将低通滤波后的信号发送到信道中。

5.一种正交频分复用通信方法，其特征在于包括以下步骤：

将接收的信号处理为多个正交频分复用符号；

将所述多个高阶调制符号解调为Turbo乘积码码块；

将所述Turbo乘积码码块译码为信息比特序列。

6.根据权利要求5的正交频分复用通信方法，其特征在于将所述多个高阶调制符号解调为Turbo乘积码码块的步骤包括一个将高阶调制符号解调为所述Turbo乘积码码块的M个比特的步骤。

7.根据权利要求5的正交频分复用通信方法，其特征在于所述将接收的信号处理为多个正交频分复用符号的步骤包括以下步骤：

从信道中接收多个信号；

对所述多个信号进行低通滤波；

从低通滤波后的每个正交频分复用符号中去除保护间隔。

8.一种正交频分复用通信装置，其特征在于包括：

9.根据权利要求8的正交频分复用通信装置，其特征在于所述高阶调制器将所述Turbo乘积码码块中的M个比特映射到所述高阶调制器的一个星座上，产生一个高阶调制符号。

10.根据权利要求8的正交频分复用通信装置，其特征在于所述ICI自消除调制器将每个所述高阶调制符号乘以相应的加权向量。

11.根据权利要求8的正交频分复用通信装置，其特征在于所述发送装置包括：

保护间隔插入器，用于在每个所述正交频分复用符号中插入保护间隔；

低通滤波器，用于对插有保护间隔的正交频分复用符号进行低通滤波；

天线，用于将低通滤波后的信号发送到信道中。

12.一种正交频分复用通信装置，其特征在于包括：

13.根据权利要求12的正交频分复用通信装置，其特征在于所述高阶解调器将一个高阶调制符号解调为所述Turbo乘积码码块的M个比特的似然值。

14.根据权利要求12的正交频分复用通信装置，其特征在于所述接收装置包括：

天线，用于从信道中接收多个信号；

低通滤波器，用于对所述多个信号进行低通滤波；

保护间隔抽取器，用于从低通滤波后的每个正交频分复用符号中去除保护间隔。