一種適用于高速移動環境的正交頻分復用收發系統的制作方法

專利名稱：一種適用于高速移動環境的正交頻分復用收發系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及數字通信技術領域，特別是一種提高接收機移動速度的正交頻分復用(OFDM)調制裝置及其接收方法和裝置。

背景技術：
正交頻分復用(以下簡稱OFDM)作為一種高效的寬帶多載波傳輸技術，受到廣泛的重視，在歐洲數字電視廣播標準DVB-T、無線局域網標準IEEE 802.11a、無線城域網標準IEEE 802.16等多個寬帶傳輸技術標準中采納。然而，在獲得寬帶服務的同時，人們對移動的需求不斷增長，例如，在高速鐵路(時速350千米/小時)等高速移動應用場合也可以享受高清電視廣播、無線寬帶上網等服務。因此，提高OFDM寬帶傳輸系統對抗時變多徑信道的能力，提高OFDM寬帶傳輸系統接收機的移動速度，已經成為OFDM系統的主要問題。
由于信號的寬帶特征和接收機的移動，使得傳輸信道呈現為大多普勒擴展和較大多徑時延擴展的特性，導致OFDM系統同時受到符號間干擾和較大的子載波間干擾(以下簡稱ICI)的影響。以往的OFDM系統通過發送端將相同符號映射到一組子載波，在接收端采用自消除方法減輕由載波頻偏引入的ICI。但該方法可能損失超過50％的吞吐量，且不能有效減輕由多普勒擴展引入的ICI。另外一些方法提出了接收機使用多層均衡器來抑制ICI。但該均衡器通常需要理想的信道信息，這在實際應用中將難以保證。


發明內容
本發明設計了一種適用于高速移動環境的正交頻分復用收發系統。其目的是提高時變多徑信道下OFDM寬帶傳輸系統接收機的移動速度。
本發明思路為，在發送端，通過將發送端數據分為兩部分，分別進行快速反傅立葉變換(以下簡稱IFFT)，變換后產生的兩個OFDM子符號進行級聯，并添加零保護后綴，從而獲得較大的子載波間隔，多普勒擴展導致的ICI將由此減輕。但由此也增加了系統對子符號間干擾(以下簡稱ISI)的敏感性。在接收端，設計了一個利用子載波已知信息的干擾消除接收裝置和方法，消除了由多徑時延擴展導致的上述子符號間干擾。
具體來說，將數據分為兩個部分，映射為兩部分頻域子載波信號，假設上述兩部分頻域子載波信號分別表示為第一個子符號頻域子載波信號X1[k]和第二個子符號頻域子載波信號X2[k]，0≤k＜N，N為OFDM系統子載波數。對上述頻域子載波信號X1[k]和X2[k]進行預處理，預處理子載波信號數目為L，L是大于等于最大時延擴展的正整數，相應索引標記為向量m。其后，X1[k]和X2[k]分別輸入兩個IFFT單元，IFFT的輸出進行級聯，此時發送信號為 其中 其中，F(N)(k，x[n])表示x[n]的N階DFT運算；F-(N)(n，X[k])表示X[k]的N階IDFT(以下簡稱逆離散傅立葉變換)。
級聯后的上述發送信號在尾部加上P長的零后綴而構成新OFDM符號，其中，P是零后綴的樣點數，它是大于等于最大時延擴展的正整數。
在接收端，典型的OFDM接收機都需要經過幀同步，從而確定各OFDM符號的邊界，其后，接收到的P長后綴先被加到OFDM符號頭部，使OFDM符號內的線性卷積等效于循環卷積，再對所接收信號進行N點快速傅立葉變換(以下簡稱FFT)，FFT的輸出就可以使用本發明所述的干擾消除接收的方法和裝置。
本發明的另一方面，即所述的干擾消除接收裝置實現對上述FFT的輸出進行干擾消除處理。接收端FFT的輸出被分為偶數和奇數輸出，分別表示為

向量

和

對

和

進行如下處理 其中，F(N)∈CN×N表示N階歸一化DFT(以下簡稱離散傅立葉變換)矩陣，其元素為Fi，j(N)，0≤i，j＜N；為DFT矩陣F(N)的子矩陣，其元素為DFT矩陣F(N)的另一半子矩陣，其元素S是Fe的

子矩陣，其L行從Fe的行向量中選取，相應行索引標記對應上述發送端預處理索引標記向量m，其元素S(i，j)＝Fe(m(i)，j)。Rknown是從相應的

中抽取的子向量生成的L×1向量，抽取索引標記對應向量m。L是大于等于最大時延擴展的正整數。
上述組合矩陣[Fo|S]是一個可逆的范德蒙(Vandermonde)矩陣。由于矩陣S是根據發射端已知載波插入位置選取的，系數矩陣Fe[Fo|S]-1可以在系統設計時事先計算，而不會導致系統運行時矩陣求逆的運算。
所述的干擾消除接收裝置還包括通過簡單的加減運算從

和

中恢復第一個子符號頻域子載波信號

和第二個子符號頻域子載波信號

將

和

分別表示為向量

和

計算方法表示為 至此，本發明所述的干擾消除接收裝置完成了其設計的目的，即，消除了因發送端子符號級聯引入的子符號間干擾。其后，采用傳統的最小平方(LS)或最小均方誤差(MMSE)方法對上述恢復的兩子符號頻域子載波信號

和

進行信道估計和均衡處理。
本發明特征在于含有發射機和接收機，其中發射機含有第一串并轉換器(102)，兩個預處理單元(1031)和(1032)，N/2點IFFT單元(1011)和(1012)，第一并串轉換器(104)，其中， 第一串并轉換器(102)，用于將串行輸入的N-L個數據并行化，N為OFDM系統子載波數目，L是大于等于零小于N的整數，為上述兩預處理單元處理中總共增加的子載波信號數目，串并轉換器的輸出端與上述兩個預處理單元輸入端相連； 兩個預處理單元(1031)和(1032)，用于將映射到上述兩個IFFT單元輸入端的并行數據流進行預處理，輸入端與第一串并轉換器輸出端相連，分別輸出兩頻域子符號X1和X2到上述兩個IFFT單元輸入端；所述預處理單元對于從第一串并轉換器輸入的N-L數據按以下三個步驟處理 預處理單元(1031)先產生L1個任意指定的已知數據符號，其中包括零數據符號，L1為大于等于零小于等于L整數，并隨機放置到頻域子符號X1的子載波上，作為待輸出的X1的一部分，其對應L1個子載波索引集合標記為K1，K1的元素取值范圍為大于等于1小于等于N/2的整數；然后，預處理單元(1032)產生非負整數L2個已知或零數據符號，L2＝L-L1，并隨機放置到頻域子符號X2的子載波上，作為待輸出的X2的一部分，其對應L2個子載波索引集合標記為K2，K2的元素取值范圍為大于等于1小于等于N/2的整數，且K1∩K2＝Ω，即K1和K2不重疊；若K1∩K2≠Ω，則重復隨機映射到X2的過程，直至K1∩ K2＝Ω，并由K1和K2的并集K1∪K2產生子載波索引向量m； 第一串并轉換器輸出的N-L個數據到兩個預處理單元，預處理單元將其分別任意放置到X1和X2中未置值的子載波上，其中X1中放置正整數N/2-L1個數據，X2中放置正整數N/2-L2個數據，滿足數據子載波索引和索引向量m不重疊； 兩個預處理單元分別輸出處理后的X1和X2； 兩個N/2點IFFT單元(1011)和(1012)，用于產生兩個OFDM子符號，輸入端分別與兩個預處理單元輸出端相連，輸出端與第一并串轉換器輸入端相連； 第一并串轉換器(104)，用于將上述兩個IFFT單元的輸出進行串行級聯，形成新的OFDM符號并添加零后綴，輸入端與上述兩個IFFT單元輸出端相連，輸出發送信號； 接收機含有第二串并轉換器(204)，N點FFT單元(202)，干擾消除接收裝置(201)，兩個信道估計與均衡單元(2031)和(2032)，第二并串轉換器(205)，其中， 第二串并轉換器(204)，用于將串行的輸入數據流并行化，輸入端是接收到的發射機發送信號，輸出端與上述N點FFT單元輸入端相連； N點FFT單元(202)，用于將輸入時域信號傳換為頻域信號，輸入端與第二串并轉換器輸出端相連，輸出端與上述干擾消除接收裝置輸入端相連； 干擾消除接收裝置(201)，用于消除子符號間干擾和子載波間干擾，輸入端與N點FFT單元(202)輸出端相連，輸出端與上述兩個信道估計與均衡單元輸入端相連；所述干擾消除接收裝置含有偶抽取器，奇抽取器、固定系數線性濾波器，子載波抽取器，補基子載波生成器，加法器，減法器，其中 偶抽取器，用來抽取接收端N點FFT單元輸出的偶數索引標記對應的頻域子載波信號

輸入端與上述N點FFT單元的并行輸出端相連，輸出端與子載波抽取器輸入端以及加法器輸入端相連； 奇抽取器，用來抽取接收端N點FFT單元輸出的奇數索引標記對應的頻域子載波信號

輸入端與上述N點FFT單元的并行輸出端相連，輸出端與固定系數線性濾波器輸入端相連；固定系數線性濾波器，用來產生第一個子符號相對于第二個子符號的差信號

固定系數線性濾波器有兩個輸入端，一個輸入端與補基子載波生成器輸出端相連，一個輸入端與奇抽取器輸出端相連，輸出端同時連接到加法器和減法器輸入端；所述固定系數線性濾波器按以下三個步驟產生
生成上述固定系數線性濾波器的系數矩陣Fe[Fo|S-1，包括，根據N階歸一化DFT矩陣F(N)的

子矩陣Fo和Fe，其矩陣元素分別為和再生成Fe的

子矩陣的S，其L行從Fe的行向量中選取，相應行索引標記對應上述發送端預處理索引標記向量m，其元素S(i，j)＝Fe(m(i，j)；矩陣Fo和矩陣S組合構成一個

組合矩陣[Fo|S]，計算該組合矩陣的逆矩陣[Fo|S]-1，并與矩陣Fe右相乘，獲得上述固定系數線性濾波器的

系數矩陣Fe[Fo|S]-1； 根據上述奇抽取器獲得的

向量

和補基子載波生成器產生的L×1向量Rknown，組合構成一個

的輸入組合矩陣
將上述輸入組合矩陣

與上述系數矩陣Fe[Fo|S]-1右相乘，產生固定系數線性濾波器的輸出向量

并輸出
子載波抽取器，用來從偶抽取器的輸出信號中按預處理單元描述的子載波索引集合標記K1和K2抽取整數L個已知子載波，輸入端與上述偶抽取器的輸出端相連，輸出端與補基子載波生成器輸入端相連； 補基子載波生成器，用來從上述子載波抽取器獲得的不少于整數L個已知子載波中產生補基子載波Rknown，以滿足

可求解的補基要求；輸入端與上述子載波抽取器的輸出端相連，輸出端與固定系數線性濾波器的輸入端相連；所述的補基子載波生成器按以下兩個步驟產生Rknown 對預處理單元中描述的索引集合標記K1所對應子載波信號取負后作為待輸出的Rknown中對應索引標記的子載波信號元素，對預處理單元中描述的索引集合標記K2所對應子載波信號直接作為待輸出的Rknown中對應索引標記的子載波信號元素； 輸出Rknown； 加法器，用來將上述固定系數線性濾波器的輸出和偶抽取器的輸出進行加法計算，加法器有兩個輸入端，一個輸入端與上述偶抽取器的輸出端相連，一個輸入端與上述固定系數線性濾波器相連，輸出為恢復后的第一個子符號頻域信號

為干擾消除接收裝置(201)的第一個輸出端； 減法器，用來將上述固定系數線性濾波器的輸出和偶抽取器的輸出進行減法計算，減法器有兩個輸入端，一個輸入端與上述偶抽取器的輸出端相連，一個輸入端與上述固定系數線性濾波器輸出端相連，輸出為恢復后的第二個子符號頻域信號

為干擾消除接收裝置(201)的第二個輸出端； 兩個信道估計與均衡單元(2031)至(2032)，用于通過最小方(LS)或最小均方差(MMSE)算法估計信道和均衡接收信號，輸入端與干擾消除接收裝置輸出端相連，輸出端與第二并串轉換器輸入端相連； 第二并串轉換器(205)，用于將上述兩個信道估計與均衡單元的并行輸出進行串行級聯，輸入端與兩個信道估計與均衡單元輸出端相連，輸出為接收信號。
如同上面所述的適用于高速移動環境的正交頻分復用收發系統，其特征在于，發射機包含M個預處理單元和M個N/N點IFFT單元，M為大于等于2小于等于N的正整數。其中固定系數線性濾波器中的差信號含有M-1個子信號，分別是第一頻域子符號與第二頻域子符號之差，第二頻域子符號與第三頻域子符號之差，依次類推一直到第M-1個頻域子符號與第M個頻域子符號之差。
本發明的一個優點是有效減小了系統對ICI的敏感程度，提高接收機的移動速度，理論分析和仿真表明，在相同條件，信噪比20dB時，本發明所述系統可以比傳統方法提高約1.6倍的移動速度。此外，所述的調制和接收方法和裝置還具有結構靈活、算法簡單、易于實現的優點。
值得注意的是，絕大多數實用的OFDM系統為了抑制帶外干擾而插入了零子載波，這些子載波信息可用于上述干擾消除接收方法和裝置，消除子符號間干擾。此外，在已有零子載波不足時，可在發送端將部分子載波預設為零來達到同樣的目的。因而，相比于以往的自消除方法，本發明所述OFDM寬帶傳輸系統的開銷可大幅度下降。
以上所述的發明目的和優點是在OFDM寬帶傳輸系統中對信號進行OFDM調制和干擾消除的方法和裝置中實現的，其中，數字信息符號在進行OFDM調制時采用了將數據分段進行IFFT，用來產生多個OFDM子符號并進行直接級聯。從圖7性能比較圖可看出，相比不做干擾消除的OFDM系統和應用自消除方法的OFDM系統兩種方法，本發明所提出的方法在兩種多普勒擴展情況(fdTs＝0.126和fdTs＝0.081)中都獲得更好的性能，本發明所提出的方法在fdTs＝0.126時的性能與傳統方法在fdTs＝0.081時的性能相近。考慮到OFDM系統中普遍存在大量零子載波，本發明很少甚至不損失OFDM系統的頻譜效率，在相同信道條件，本發明所述系統可以比傳統方法支持的移動速度提高約1.6倍。



圖1是本發明所述的OFDM調制裝置的結構示意圖。
圖2是本發明所述的干擾消除接收裝置在OFDM接收機中位置的示意圖。
圖3是本發明所述的干擾消除接收裝置的結構示意圖。
圖4是本發明所述的OFDM調制裝置中的一種預處理方法的操作流程圖。
圖5是本發明所述的干擾消除接收裝置中補基子載波生成器的一種補基子載波Rknown的生成方法的操作流程圖。
圖6是本發明所述的干擾消除接收裝置中固定系數線性濾波器計算方法的操作流程圖。
圖7是本發明所述方法與不做干擾消除方法以及自消除方法的性能比較圖。

具體實施例方式 根據本發明的一個方面，提供一種OFDM調制裝置(參見附圖1)，包括兩個N/2點IFFT單元，N為OFDM系統子載波數目，用于產生兩個OFDM子符號；串并轉換器，用于將串行的數據流并行化；兩個預處理單元，用于將映射到上述兩個IFFT單元輸入端的并行數據流進行預處理；并串轉換器，用于將上述兩個IFFT單元的輸出進行串行級聯，形成新的OFDM符號并添加零后綴。
本發明還提供一種發送端進行預處理的方法(參見附圖4)，所述方法包括L個子載波隨機從頻域子符號X1和X2中選擇并置零或已知值，其子載波索引集合分別標記為K1和K2，且滿足K1∩K2＝φ，兩索引標記集合的并集產生索引向量m。具體地說，預處理單元1031先產生L1個任意指定的已知數據符號，其中包括零數據符號，L1為大于等于零小于等于L整數，并隨機放置到頻域子符號X1的子載波上，作為待輸出的X1的一部分，其對應L1個子載波索引集合標記為K1，K1的元素取值范圍為大于等于1小于等于N/2的整數；然后，第二個預處理單元1032產生非負整數L2個已知或零數據符號，L2＝L-L1，并隨機放置到頻域子符號X2的子載波上，作為待輸出的X2的一部分，其對應L2個子載波索引集合標記為K2，K2的元素取值范圍為大于等于1小于等于N/2的整數，且K1∩K2＝Ω，即K1和K2不重疊；若K1∩K2≠Ω，則重復隨機映射到X2的過程，直至K1∩K2＝Ω，并由K1和K2的并集K1∪K2產生子載波索引向量m；由于實際OFDM系統中有許多零子載波，假設OFDM系統有S個零子載波，如果S≥L，則向量m可以在上述這些零子載波中選取。如果S＜L，則除了上述S個零子載波被選取以外，L-S個子載波在發送端被置零。第一串并轉換器輸出的N-L個數據到兩個預處理單元，預處理單元將其分別任意放置到X1和X2中未置值的子載波上，其中X1中放置正整數N/2-L1個數據，X2中放置正整數N/2-L2個數據，滿足數據子載波索引和索引向量m不重疊；兩個預處理單元分別輸出處理后的X1和X2。
根據本發明的另一個方面，提供在OFDM寬帶傳輸系統接收機中的一種干擾消除接收裝置。所述干擾消除接收裝置在OFDM接收機中的位置參見附圖2。典型的OFDM系統接收機首先需要確定OFDM符號的邊界，其后，接收到的P長后綴先被加到OFDM符號頭部，使OFDM符號內的線性卷積等效于循環卷積，各OFDM符號再進行N點FFT。本發明所述干擾消除接收裝置的輸入與上述N點FFT單元的并行輸出端相連，它的輸出與信道估計與均衡單元相連。
本發明所提供的干擾消除接收裝置(參見附圖3)包括偶抽取器，用于抽取上述N點FFT單元輸出端偶數索引標記對應的頻域子載波信號，表示為向量

奇抽取器，用于抽取上述N點FFT單元輸出端奇數索引標記對應的頻域子載波信號，表示為向量

子載波抽取器，用于從上述偶抽取器抽取上述索引標記向量m對應的頻域子載波信號；補基子載波生成器，用于從上述子載波抽取器抽取的頻域子載波信號中產生補基子載波向量Rknown；固定系數線性濾波器，用于從上述補基子載波生成器獲得的向量Rknown和上述奇抽取器獲得的向量

中采用式(4)計算向量

加法器，用于從向量

采用式(3)獲得的向量

和從固定系數線性濾波器獲得的向量

進行相加，獲得干擾消除后的子符號頻域子載波信號

減法器，用于從向量

采用式(3)獲得的向量

和從固定系數線性濾波器獲得的向量

進行相減，獲得干擾消除后的子符號頻域子載波信號
本發明還提供上述補基子載波生成器中一種補基子載波Rknown的生成方法，所述方法對應上述發送端進行預處理的方法。包括以下步驟對于向量

中索引標記為k1的子載波信號元素，取負后作為向量Rknown中索引標記為k1的子載波信號元素，即對于向量

中索引標記為k2的子載波信號元素，直接作為向量Rknown中索引標記為k2的子載波信號元素，即
本發明還提供一種用上述固定系數線性濾波器計算向量

的方法。所述的計算方法包括以下步驟首先，生成上述固定系數線性濾波器的系數矩陣，包括，根據上述DFT矩陣F(N)的

子矩陣Fo和Fe的

子矩陣S，構成一個

組合矩陣[Fo|S]，計算上述組合矩陣的逆矩陣[Fo|S]-1，并與上述DFT矩陣F(N)的子矩陣Fe右相乘，獲得上述固定系數線性濾波器的

系數矩陣Fe[Fo|S]-1，上述系數矩陣的計算可以在系統設計時事先進行；接著，根據上述奇抽取器獲得的

向量

和上述補基子載波生成器產生的L×1向量Rknown，構成一個

的輸入組合矩陣

最后，將上述輸入組合矩陣

與上述系數矩陣Fe[Fo|S]-1右相乘(參見公式4)，獲得向量
通過下面結合附圖對本發明所述的OFDM調制裝置以及針對該裝置在接收端進行干擾消除接收的方法和裝置的實施例進行詳細描述，可以更好地理解本發明的其它目的、特性和優點。
參考圖1描述本發明所提出的OFDM調制裝置。圖1所示的是產生兩個OFDM子符號級聯的OFDM調制裝置，它包括一個串并轉換器102，用于將串行的數據流并行化；兩個N/2點IFFT單元1011至1012，用于產生兩個OFDM子符號；兩個預處理單元1031至1032，用于對映射到上述兩個IFFT單元輸入端的并行數據流進行預處理；一個并串轉換器104，用于對上述兩個IFFT單元1011至1012的輸出進行串行級聯，形成新的OFDM符號并添加零后綴。
此時，第一串并轉換器102輸出的頻域子載波信號分為兩個部分，分別表示為X1[k]和X2[k]，0≤k＜N，N為OFDM系統子載波數。在兩個預處理單元中對X1[k]和X2[k]進行預處理，預處理子載波信號數目為L。其后，X1[k]和X2[k]分別輸入進行上述兩個IFFT單元，IFFT單元的輸出輸入并串轉換器104，并串轉換器104根據式(1)和式(2)對IFFT單元的輸出進行串行級聯并添加零后綴。
下面參考圖2描述本發明所提出的干擾消除接收裝置在接收機安裝位置的一個實施例。如圖2所示，本發明所述的干擾消除接收裝置201的輸入與N點FFT單元202的并行輸出端相連，它的輸出端與兩個信道估計與均衡單元2031至2032相連。首先，確定OFDM符號邊界并進行后綴復制后的接收信號輸入到串并轉換器204；接著，串并轉換器204將串行的接收信號并行化，輸出到一個N點FFT單元202；接著，N點FFT單元202的并行輸出連接到本發明所述的干擾消除接收裝置201的輸入端；接著，本發明所述的干擾消除接收裝置201的輸出輸入到兩個信道估計與均衡單元2031至2032，對干擾消除后的頻域子載波信號分別進行信道估計和均衡；最后，上述兩個信道估計與均衡單元的輸出輸入到并串轉換器205，將并行數據串行化輸出。
下面參考圖3描述本發明所提出的干擾消除接收裝置的一個實施例。如圖3所示，作為一個較優實施例，干擾消除接收裝置包括一個偶抽取器301和一個奇抽取器302，它們的輸入端與上述N點FFT單元202的并行輸出端相連，用來分別抽取上述N點FFT單元202輸出的偶數索引標記對應的頻域子載波信號向量

和奇數索引標記對應的頻域子載波信號向量

一個子載波抽取器303，它的輸入端與上述偶抽取器301的輸出端相連，用來抽取不少于L個已知子載波；一個補基子載波生成器304，它的輸入端與上述子載波抽取器303的輸出端相連，利用從向量

中抽取的不少于L個的已知子載波產生向量Rknown；一個固定系數線性濾波器305，它有兩個輸入端，一個輸入端與補基子載波生成器304輸出端相連，一個輸入端與奇抽取器302輸出端相連，利用上述補基子載波生成器304和奇抽取器302的輸出產生組合矩陣

并與事先計算的固定系數矩陣Fe[Fo|S]-1右相乘，產生輸出向量

一個加法器306，它有兩個輸入端，一個輸入端與上述偶抽取器301的輸出端相連，一個輸入端與上述固定系數線性濾波器305相連，進行加法運算，輸出為恢復后的第一個子符號頻域信號

一個減法器307，它有兩個輸入端，一個輸入端與上述偶抽取器301的輸出端相連，一個輸入端與上述固定系數線性濾波器305相連，進行減法運算，輸出為恢復后的第二個子符號頻域信號
圖4描述本發明所提出的發送端的一種預處理方法的一個實施例。如圖4所示，所述的發送端的一種預處理方法包括以下步驟首先，在步驟S401中，預處理單元先產生非負整數L1個已知或零數據符號，并隨機放置到頻域子符號X1的子載波上，其對應L1個子載波索引集合標記為K1；然后，在步驟S402中，預處理單元產生非負整數L2個已知或零數據符號，L2＝L-L1，并隨機放置到頻域子符號X2的子載波上，其對應L2個子載波索引集合標記為K2且K1∩K2＝Ω，即兩集合標記相交為空，相互不重疊；若K1∩K2≠Ω，則重復隨機放置到X2的過程，直至K1∩K2＝Ω，并由K1和K2的并集K1∪K2，產生子載波索引向量m。在步驟S403中，由K1和K2并集產生L1+L2個子載波索引標記向量m。最后在步驟S404中，第一串并轉換器輸出N-L個數據到兩個預處理單元，預處理單元將其分別放置到X1和X2中未置值的子載波上，其中X1中放置正整數N/2-L1個數據，X2中放置正整數N/2-L2個數據，滿足數據子載波索引和索引向量m不重疊；兩個預處理單元分別輸出處理后的X1和X2。
圖5描述本發明所提出的補基子載波生成器中一種補基子載波Rknown生成方法的一個實施例。該方法對應著上述發送端的一種預處理方法。如圖5所示，所述的一種Rknown生成方法包括以下步驟首先，在步驟S501中，對于子載波抽取器303輸出的向量

中索引標記為k1的子載波信號元素，取負后作為向量Rknown中索引標記為k1的子載波信號元素，即

然后，在步驟S502中，對于子載波抽取器303輸出的向量

中索引標記為k2的子載波信號元素，直接作為向量Rkown中索引標記為k2的子載波信號元素，即 下面參考圖6描述本發明所述的固定系數線性濾波器計算方法的一個實施例。如圖6所示，所述計算方法包括以下步驟首先，在步驟S601中，計算上述固定系數線性濾波器的系數矩陣Fe[Fo|S]-1，該步驟可在系統設計時事先進行；接著，在步驟S602中，由奇抽取器302輸出獲得奇數索引標記對應的頻域子載波信號向量

接著，在步驟S603中，由上述補基子載波生成器304輸出獲得向量Rkown；接著，在步驟S604中，由向量

和向量Rknown組合產生濾波器輸出矩陣

接著，在步驟S605中，步驟S604產生的濾波器輸入矩陣與步驟S601事先計算的固定系數矩陣Fe[Fo|S]-1右相乘，產生固定系數線性濾波器的輸出向量
上述較優實施例的描述可以使本領域的任何技術人員能夠使用本發明。很明顯，這些實施例還可以有各種修改形式，本發明基本原理也可以應用于其它實施例。所以，本發明并非僅限于上述實施例，應從最寬范圍來理解本發明的原理和所揭示的新特征。
圖7比較了采用本發明所述裝置和方法獲得的誤碼率性能，與不做干擾消除方法(文獻[1])以及自消除方法(文獻[2])的誤碼率性能。其中，文獻[1]可參見Y.Li于1998年發表在國際電氣與電子工程師協會通信會刊(IEEE Transaction on Communication)上的文章“快速彌散衰落信道下魯棒的OFDM信道估計(Robust channel estimation for OFDM systemswith rapid dispersive fading channels)”，文獻[2]可參見Y.Zhao于2001年發表在國際電氣與電子工程師協會通信會刊上的文章“OFDM移動通信系統中載波間干擾自消除方法(Intercarrier interference self-cancellation scheme for OFDM mobile communicationsystems)”。仿真參考802.16e-2006標準，整個20MHz系統帶寬分為N＝2048個子載波，其中包含319零子載波。OFDM符號長Ts＝102.4μs。系統使用QPSK調制。多徑信道滿足寬平穩非相關散射假設(WSSUS)。多徑滿足指數延遲包絡分布，其相應信道功率為l∈
， 其中k＝(L+1)/log(2L+2)，L＝127。各徑的時變特征符合Jakes多普勒包絡。仿真包括了兩種歸一化多普勒擴展，即fdTs＝0.126和fdTs＝0.081，在3.8GHz載頻下這兩種歸一化多普勒擴展對應的最大接收機速度分別為350km/s和225km/s。為了比較，我們也仿真文獻[1]傳統的不做干擾消除方法和文獻[2]的自消除方法，其子載波數目都相同。圖7橫坐標為比特信噪比Eb/No，縱坐標是比特誤碼率BER，圖中六條性能曲線自上而下分別是左三角虛線為文獻[1]不做干擾消除方法在fdTs＝0.126下的曲線；十字點虛線為文獻[2]自消除方法在fdTs＝0.126下的曲線；右三角虛線為文獻[1]方法在fdTs＝0.081下的曲線；六角星實線為本發明所提出方法在fdTs＝0.126下的曲線；下三角點虛線為文獻[2]方法在fdTs＝0.081下的曲線；五角星實線為本發明所提出方法在fdTs＝0.081下的曲線。從圖7可見，相比于上述兩種方法，本發明所提出的方法在兩種多普勒擴展情況中都獲得更好的性能，本發明所提出的方法在fdTs＝0.126時的性能與不做干擾消除方法在fdTs＝0.081時的性能相近。考慮到系統中有319個零子載波，數目遠大于信道的時延擴展，本發明所提出的方法不需要選取額外的零子載波。相比于自消除方法，它沒有損失頻譜效率，并可將接收機的移動速度提高近1.6倍。
權利要求
1.一種適用于高速移動環境的正交頻分復用收發系統，其特征在于含有發射機和接收機，其中
發射機含有第一串并轉換器(102)，兩個預處理單元(1031)和(1032)，N/2點IFFT單元(1011)和(1012)，第一并串轉換器(104)，其中，
第一串并轉換器(102)，用于將串行輸入的N-L個數據并行化，N為OFDM系統子載波數目，L是大于等于零小于N的整數，為上述兩預處理單元處理中總共增加的子載波信號數目，串并轉換器的輸出端與上述兩個預處理單元輸入端相連；
兩個預處理單元(1031)和(1032)，用于將映射到上述兩個IFFT單元輸入端的并行數據流進行預處理，輸入端與第一串并轉換器輸出端相連，分別輸出兩頻域子符號X1和X2到上述兩個IFFT單元輸入端；所述預處理單元對于從第一串并轉換器輸入的N-L數據按以下三個步驟處理
預處理單元(1031)先產生L1個任意指定的已知數據符號，其中包括零數據符號，L1為大于等于零小于等于L整數，并隨機放置到頻域子符號X1的子載波上，作為待輸出的X1的一部分，其對應L1個子載波索引集合標記為K1，K1的元素取值范圍為大于等于1小于等于N/2的整數；然后，預處理單元(1032)產生非負整數L2個已知或零數據符號，L2＝L-L1，并隨機放置到頻域子符號X2的子載波上，作為待輸出的X2的一部分，其對應L2個子載波索引集合標記為K2，K2的元素取值范圍為大于等于1小于等于N/2的整數，且K1∩K2＝Ω，即K1和K2不重疊；若K1∩K2≠Ω，則重復隨機映射到X2的過程，直至K1∩K2＝Ω，并由K1和K2的并集K1∪K2產生子載波索引向量m；
第一串并轉換器輸出的N-L個數據到兩個預處理單元，預處理單元將其分別任意放置到X1和X2中未置值的子載波上，其中X1中放置正整數N/2-L1個數據，X2中放置正整數N/2-L2個數據，滿足數據子載波索引和索引向量m不重疊；
兩個預處理單元分別輸出處理后的X1和X2；
兩個N/2點IFFT單元(1011)和(1012)，用于產生兩個OFDM子符號，輸入端分別與兩個預處理單元輸出端相連，輸出端與第一并串轉換器輸入端相連；
第一并串轉換器(104)，用于將上述兩個IFFT單元的輸出進行串行級聯，形成新的OFDM符號并添加零后綴，輸入端與上述兩個IFFT單元輸出端相連，輸出發送信號；接收機含有第二串并轉換器(204)，N點FFT單元(202)，干擾消除接收裝置(201)，兩個信道估計與均衡單元(2031)和(2032)，第二并串轉換器(205)，其中，
第二串并轉換器(204)，用于將串行的輸入數據流并行化，輸入端是接收到的發射機發送信號，輸出端與上述N點FFT單元輸入端相連；
N點FFT單元(202)，用于將輸入時域信號傳換為頻域信號，輸入端與第二串并轉換器輸出端相連，輸出端與上述干擾消除接收裝置輸入端相連；
干擾消除接收裝置(201)，用于消除子符號間干擾和子載波間干擾，輸入端與N點FFT單元(202)輸出端相連，輸出端與上述兩個信道估計與均衡單元輸入端相連；所述干擾消除接收裝置含有偶抽取器，奇抽取器、固定系數線性濾波器，子載波抽取器，補基子載波生成器，加法器，減法器，其中
偶抽取器，用來抽取接收端N點FFT單元輸出的偶數索引標記對應的頻域子載波信號
輸入端與上述N點FFT單元的并行輸出端相連，輸出端與子載波抽取器輸入端以及加法器輸入端相連；
奇抽取器，用來抽取接收端N點FFT單元輸出的奇數索引標記對應的頻域子載波信號
輸入端與上述N點FFT單元的并行輸出端相連，輸出端與固定系數線性濾波器輸入端相連；
固定系數線性濾波器，用來產生第一個子符號相對于第二個子符號的差信號
，固定系數線性濾波器有兩個輸入端，一個輸入端與補基子載波生成器輸出端相連，一個輸入端與奇抽取器輸出端相連，輸出端同時連接到加法器和減法器輸入端；所述固定系數線性濾波器按以下三個步驟產生
生成上述固定系數線性濾波器的系數矩陣Fe[Fo|S]-1，包括，根據N階歸一化DFT矩陣F(N)的
子矩陣Fo和Fe，其矩陣元素分別為和；再生成Fe的
子矩陣的S，其L行從Fe的行向量中選取，相應行索引標記對應上述發送端預處理索引標記向量m，其元素S(i，j)＝Fe(m(i)，j)；矩陣Fo和矩陣S組合構成一個
組合矩陣[Fo|S]，計算該組合矩陣的逆矩陣[Fo|S]-1，并與矩陣Fe右相乘，獲得上述固定系數線性濾波器的
系數矩陣Fe[Fo|S]-1；
根據上述奇抽取器獲得的
向量
和補基子載波生成器產生的L×1向量Rknown，組合構成一個
的輸入組合矩陣
將上述輸入組合矩陣
與上述系數矩陣Fe[Fo|S]-1右相乘，產生固定系數線性濾波器的輸出向量
，并輸出
子載波抽取器，用來從偶抽取器的輸出信號中按預處理單元描述的子載波索引集合標記K1和K2抽取整數L個已知子載波，輸入端與上述偶抽取器的輸出端相連，輸出端與補基子載波生成器輸入端相連；
補基子載波生成器，用來從上述子載波抽取器獲得的不少于整數L個已知子載波中產生補基子載波Rknown，以滿足
可求解的補基要求；輸入端與上述子載波抽取器的輸出端相連，輸出端與固定系數線性濾波器的輸入端相連；所述的補基子載波生成器按以下兩個步驟產生Rknown
對預處理單元中描述的索引集合標記K1所對應子載波信號取負后作為待輸出的Rknown中對應索引標記的子載波信號元素，對預處理單元中描述的索引集合標記K2所對應子載波信號直接作為待輸出的Rknown中對應索引標記的子載波信號元素；
輸出Rknown；
加法器，用來將上述固定系數線性濾波器的輸出和偶抽取器的輸出進行加法計算，加法器有兩個輸入端，一個輸入端與上述偶抽取器的輸出端相連，一個輸入端與上述固定系數線性濾波器相連，輸出為恢復后的第一個子符號頻域信號
，為干擾消除接收裝置(201)的第一個輸出端；
減法器，用來將上述固定系數線性濾波器的輸出和偶抽取器的輸出進行減法計算，減法器有兩個輸入端，一個輸入端與上述偶抽取器的輸出端相連，一個輸入端與上述固定系數線性濾波器輸出端相連，輸出為恢復后的第二個子符號頻域信號
，為干擾消除接收裝置(201)的第二個輸出端；
兩個信道估計與均衡單元(2031)至(2032)，用于通過最小方(LS)或最小均方差(MMSE)算法估計信道和均衡接收信號，輸入端與干擾消除接收裝置輸出端相連，輸出端與第二并串轉換器輸入端相連；
第二并串轉換器(205)，用于將上述兩個信道估計與均衡單元的并行輸出進行串行級聯，輸入端與兩個信道估計與均衡單元輸出端相連，輸出為接收信號。
2.如權利要求1所述的適用于高速移動環境的正交頻分復用收發系統，其特征在于，發射機包含M個預處理單元和M個N/M點IFFT單元，M為大于等于2小于等于N的正整數。其中固定系數線性濾波器中的差信號含有M-1個子信號，分別是第一頻域子符號與第二頻域子符號之差，第二頻域子符號與第三頻域子符號之差，依次類推一直到第M-1個頻域子符號與第M個頻域子符號之差。
全文摘要
適用于高速移動環境的正交頻分復用OFDM收發系統，屬于數字通信技術領域，其特征為在發送端，通過將發送端數據分段，分別進行快速反傅立葉變換，變換后的OFDM子符號直接進行級聯，并添加零保護后綴，從而獲得較大的子載波間隔，多普勒擴展導致的子載波間干擾將由此減輕，但增加了系統對子符號間干擾的敏感性。在接收端，設計了一個利用子載波已知信息的干擾消除接收裝置和方法，消除了由多徑時延擴展導致的上述子符號間干擾。本發明很少甚至不損失OFDM系統的頻譜效率，在相同信道條件，本發明所述系統可以比傳統方法支持的移動速度提高約1.6倍。
文檔編號H04L27/26GK101115047SQ20071011995
公開日2008年1月30日 申請日期2007年8月3日 優先權日2007年8月3日
發明者陸建華, 毅 龍, 匡麟玲 申請人:清華大學