CN101917252B - 一种基于添零方式的ci-ofdm通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于添零方式的CI-OFDM通信方法，属于通信技术领域。传统的CI-OFDM系统在添加保护间隔时采用循环前缀(Cyclic Prefix，CP)方式来消除符号间干扰，而在接收端移去了循环前缀的数据，但这种处理方式将导致一部分接收信息的损失，从而使得系统误码率性能降低。本发明在数据发送过程中采用添零(Zero Padding，ZP)的方式作为保护间隔，在数据接收过程中联合保护间隔的数据符号来进行检测，从而充分利用频率分集增益，提高了系统误码率性能。

Description

一种基于添零方式的CI-OFDM通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及载波干涉OFDM(Carrier Interferometry OrthogonalFrequency Division Multiplexing，CI-OFDM)的通信方法。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)以其高频谱利用率和对抗频率选择性衰落的能力，已被广泛应用于各种WLAN、新一代蜂窝移动通信系统、数字广播电视等宽带高速数据传输系统中。

OFDM能够成为各种主流标准的核心技术，其主要原因是：通过合理设计系统参数，它能够将频率选择性衰落信道转化为并行的平坦衰落子信道，因而能够在有效对抗符号间干扰(Inter-symbol Interference，ISI)的同时，降低接收端均衡处理的复杂度。然而，OFDM也因此丧失了频率多径分集增益。因此，当子载波处于深衰落时，相应的子载波承载的数据符号的检测就变得异常困难，从而降低了OFDM系统的性能增益。

为了克服传统OFDM系统的上述不足，近年来，研究者提出了载波干涉正交频分复用(Carrier Interferometry OFDM，CI-OFDM)的新体制。CI-OFDM将每路低速并行数据用正交的CI码扩展到所有子载波上同时传输，这样就产生了频域分集增益。特别是采用最小均方误差(Minimum Mean Squared Error，MMSE)均衡的CI/OFDM系统能完全消除信道深衰落的影响，带来较传统OFDM系统而言更优良的误码率(Bit Error Rate，BER)性能。

传统的CI-OFDM系统在添加保护间隔时采用循环前缀(Cyclic Prefix，CP)方式来消除符号间干扰，而在接收端移去了循环前缀的数据，但这种处理方式将导致一部分接收信息的损失，从而使得系统误码率性能降低。

发明内容

本发明提供了一种基于添零方式的CI-OFDM通信方法，在数据发送过程中采用添零(Zero Padding，ZP)的方式作为保护间隔，在数据接收过程中联合保护间隔的数据符号来进行检测，从而充分利用频率分集增益，提高了系统误码率性能。

本发明技术方案如下：

一种基于添零方式的CI-OFDM通信方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：数字调制。

发送端对信源中log₂M_ary个二进制比特数据进行数字调制，生成一个数字调制数据符号S。

步骤2：载波干涉码扩展。

将步骤1所得连续N个(N为自然数)数字调制数据符号s_i(i＝0，…，N-1)组成数据符号向量s＝(s_i)_N×1，然后通过反傅里叶变换(Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT)对数据符号向量s＝(s_i)_N×1进行载波干涉码扩展，生成载波干涉码扩展后的数据符号向量m，即

其中

为N×N阶反傅里叶变换(IDFT)矩阵。

步骤3：发送端通过N点反傅里叶变换(IDFT)将步骤2所得载波干涉码扩展后的数据符号向量m变换到时域，生成时域符号x，即

步骤4：添零并发送。

发送端在步骤3所得时域符号x后添加Ng个零作为保护间隔，生成添零后时域符号x′，即x′＝[I_N0_N×Ng]^Tx，其中，I_N为N×N阶单位矩阵，0_N×Ng为N×Ng阶的全零矩阵，[I_N0_N×Ng]为由I_N和0_N×Ng共同组成N×(N+Ng)阶的矩阵，(·)^T表示矩阵的转置；然后发送时域符号x′。

步骤5：检测。

接收端对接收到的时域符号y进行检测，得到数字调制后数据符号的估计值

步骤6：数字解调。

接收端对步骤5所得数字调制后数据符号的估计值

进行数字解调，得到信宿比特数据。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种基于添零方式的CI-OFDM通信方法，在数据发送过程中采用添零(Zero Padding，ZP)的方式作为保护间隔，在数据接收过程中联合保护间隔的数据符号来进行检测，能够充分利用频率分集增益，从而提高系统误码率性能。

附图说明

图1为本发明基于添零方式的CI-OFDM通信方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于添零方式的CI-OFDM通信方法，在数据发送过程中采用ZP的方式作为保护间隔，在数据接收过程中联合保护间隔的数据符号来进行检测，从而充分利用频率分集增益，提高了系统误码率性能。与传统的采用CP的方式作为保护间隔的载波干涉OFDM系统，本发明实施例采用了一种新的通信方法。

一种基于添零方式的CI-OFDM通信方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：数字调制。

发送端对信源中log₂M_ary个二进制比特数据进行数字调制，生成一个数字调制数据符号S。

步骤2：载波干涉码扩展。

将步骤1所得连续N个(N为自然数)数字调制数据符号s_i(i＝0，…，N-1)组成数据符号向量s＝(s_i)_N×1，然后通过反傅里叶变换(Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT)对数据符号向量s＝(s_i)_N×1进行载波干涉码扩展，生成载波干涉码扩展后的数据符号向量m，即其中

为N×N阶反傅里叶变换(IDFT)矩阵。

步骤3：发送端通过N点反傅里叶变换(IDFT)将步骤2所得载波干涉码扩展后的数据符号向量m变换到时域，生成时域符号x，即

步骤4：添零并发送。

发送端在步骤3所得时域符号x后添加Ng个零作为保护间隔，生成添零后时域符号x′，即x′＝[I_N0_N×Ng]^Tx，其中，I_N为N×N阶单位矩阵，0_N×Ng为N×Ng阶的全零矩阵，[I_N0_N×Ng]为由I_N和0_N×Ng共同组成N×(N+Ng)阶的矩阵，(·)^T表示矩阵的转置；然后发送时域符号x′。

步骤5：检测。

接收端对接收到的时域符号y进行检测，得到数字调制后数据符号的估计值

步骤6：数字解调。

接收端对步骤5所得数字调制后数据符号的估计值进行数字解调，得到信宿比特数据。

上述技术方案中步骤5对接收到的时域符号y进行检测时，所采用的检测方法可以是频域MMSE检测方法，其具体过程为：

步骤5-1：通过N+Ng点傅里叶变换(DFT)将所接收到的时域符号y转换成频域符号Y，即Y＝F_N+Ngy，其中F_N+Ng为(N+Ng)×(N+Ng)阶傅里叶变换矩阵。

步骤5-2：通过频域信道估计，估计出(N+Ng)×(N+Ng)阶频域信道矩阵H。

步骤5-3：通过步骤5-2所得频域信道矩阵H对步骤5-1所得频域符号Y进行MMSE检测，得到载波干涉码扩展后的数据符号的估计值即

$\hat{m}=F_N\left[I_N{0}_{N\×\mathrm{Ng}}\right]F_{N+\mathrm{Ng}}^H{H}^H{(((N+\mathrm{Ng})/N){\mathrm{\σ}}_n^2{I}_{N+\mathrm{Ng}}+{\mathrm{HH}}^H)}^{-1}Y$

其中：I_N为N×N阶单位矩阵，0_N×Ng为N×Ng阶的全零矩阵，

为(N+Ng)×(N+Ng)阶IDFT矩阵，H^H表示频域信道矩阵H的共轭转置，

为噪声方差，I_N+Ng为(N+Ng)×(N+Ng)阶单位矩阵。(·)^-1表示对矩阵求逆。

步骤5-4：通过DFT对载波干涉码扩展后的数据符号的估计值

进行解扩，得到数字调制后数据符号的估计值即

上述技术方案中步骤5对接收到的时域符号y进行检测时，所采用的检测方法可以是时域MMSE检测方法，其具体过程为：

步骤5-1：通过时域信道估计，估计出(N+Ng)×N阶时域信道矩阵h。

步骤5-2：通过所述时域信道矩阵h对接收到的时域符号y进行MMSE检测，得到时域符号的估计值即

其中h^H表示时域信道矩阵h的共轭转置，为噪声方差，I_N+Ng为(N+Ng)×(N+Ng)阶单位矩阵，(·)^-1表示对矩阵求逆。

步骤5-3：通过N点傅里叶变换(DFT)将时域符号的估计值

转换成载波干涉码扩展后的数据符号的估计值

即

步骤5-4：通过傅里叶变换(DFT)对载波干涉码扩展后的数据符号的估计值

进行解扩，得到数字调制后数据符号的估计值即

上述技术方案中步骤5对接收到的时域符号y进行检测时，所采用的检测方法可以是非线性检测方法，其具体过程为：

步骤5-1：通过时域信道估计，估计出(N+Ng)×N阶时域信道矩阵h。

步骤5-2：通过对接收到的时域符号y的分析，生成从数字调制后数据符号s到接收到的时域符号y间(N+Ng)×N阶等效MIMO系统矩阵Ω，即

步骤5-3：利用已有的非线性检测方法和所述等效MIMO系统矩阵Ω，对接收到的时域符号y做非线性检测，得到数字调制后数据符号的估计值

本发明提供的一种基于添零方式的CI-OFDM通信方法，在数据发送过程中采用ZP的方式作为保护间隔，在数据接收过程中联合保护间隔的数据符号来进行检测，从而充分利用频率分集增益，提高了系统误码率性能。

采用本发明实施例所述方法进行仿真测试，其仿真结果表明：在COST207TUx6信道模型下，采用16QAM调制，当误码率为10^-3时，采用频域MMSE检测方法的基于添零方式的CI-OFDM系统较传统载波干涉OFDM系统而言有0.5dB的增益，采用时域MMSE方法的基于添零方式的CI-OFDM系统系统较传统载波干涉OFDM系统而言有1.5dB的增益，采用非线性检测方法(运用VBLAST-MMSE算法)的基于添零方式的CI-OFDM系统较传统载波干涉OFDM系统而言有4dB的增益。

综上所述，本发明所述基于添零方式的CI-OFDM通信方法，在数据发送过程中采用ZP的方式作为保护间隔，在数据接收过程中联合保护间隔的数据符号来进行检测，从而充分利用频率分集增益，提高了系统误码率性能。。

本领域普通技术人员可以理解，本发明提供的基于添零方式的CI-OFDM通信方法可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于计算机可读存储介质中，例如只读存储器(简称ROM)、随机存取存储器(简称RAM)、磁盘、光盘等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于添零方式的CI-OFDM通信方法，包括以下步骤：

步骤1：数字调制；

发送端对信源中log₂M_ary个二进制比特数据进行数字调制，生成一个数字调制数据符号S；

步骤2：载波干涉码扩展；

将步骤1所得连续N个数字调制数据符号s_i，其中i＝0，…，N-1，组成数据符号向量s＝(s_i)_N×1，然后通过反傅里叶变换对数据符号向量s＝(s_i)_N×1进行载波干涉码扩展，生成载波干涉码扩展后的数据符号向量m，即 

其中 

为N阶反傅里叶变换矩阵；

步骤3：发送端通过N点反傅里叶变换将步骤2所得载波干涉码扩展后的数据符号向量m变换到时域，生成时域符号x，即 

步骤4：添零并发送；

发送端在步骤3所得时域符号x后添加Ng个零作为保护间隔，生成添零后时域符号x′，即x′＝[I_N0_N×Ng]^Tx，其中，I_N为N×N阶单位矩阵，0_N×Ng为N×Ng阶的全零矩阵，[I_N0_N×Ng]为由I_N和0_N×Ng共同组成N×(N+Ng)阶的矩阵，(·)^T表示矩阵的转置；然后发送添零后时域符号x′；

步骤5：检测；

接收端对接收到的时域符号y进行检测，得到数字调制后数据符号的估计值 

步骤6：数字解调；

接收端对步骤5所得数字调制后数据符号的估计值 

进行数字解调，得到信宿比特数据。

2.根据权利要求1所述的基于添零方式的CI-OFDM通信方法，其特征在于，步骤5对接收到的时域符号y进行检测时，所采用的检测方法是频域MMSE检测方法，其具体过程为：

步骤5-1：通过N+Ng点傅里叶变换将所接收到的时域符号y转换成频域符号Y，即Y＝F_N+Ngy，其中F_N+Ng为(N+Ng)×(N+Ng)阶傅里叶变换矩阵； 

步骤5-2：通过频域信道估计，估计出(N+Ng)×(N+Ng)阶频域信道矩阵H；

步骤5-3：通过步骤5-2所得频域信道矩阵H对步骤5-1所得频域符号Y进行MMSE检测，得到载波干涉码扩展后的数据符号的估计值 即

其中：I_N为N×N阶单位矩阵，0_N×Ng为N×Ng阶的全零矩阵， 

为(N+Ng)×(N+Ng)阶IDFT矩阵，H^H表示频域信道矩阵H的共轭转置， 

为噪声方差，I_N+Ng为(N+Ng)×(N+Ng)阶单位矩阵，(·)^-1表示对矩阵求逆；

步骤5-4：通过DFT对载波干涉码扩展后的数据符号的估计值 

进行解扩，得到数字调制后数据符号的估计值 

即 

3.根据权利要求1所述的基于添零方式的CI-OFDM通信方法，其特征在于，步骤5对接收到的时域符号y进行检测时，所采用的检测方法是时域MMSE检测方法，其具体过程为：

步骤5-1：通过时域信道估计，估计出(N+Ng)×N阶时域信道矩阵h；

步骤5-2：通过所述时域信道矩阵h对接收到的时域符号y进行MMSE检测，得到时域符号的估计值 

即 

其中h^H表示时域信道矩阵h的共轭转置， 

为噪声方差，I_N+Ng为(N+Ng)×(N+Ng)阶单位矩阵，(·)^-1表示对矩阵求逆；

步骤5-3：通过N点傅里叶变换将时域符号的估计值 

转换成载波干涉码扩展后的数据符号的估计值 

即 

步骤5-4：通过傅里叶变换(DFT)对载波干涉码扩展后的数据符号的估计值 

进行解扩，得到数字调制后数据符号的估计值 即 

4.根据权利要求1所述的基于添零方式的CI-OFDM通信方法，其特征在于，步骤5对接收到的时域符号y进行检测时，所采用的检测方法是是非线性检测方法，其具体过程为：

步骤5-1：通过时域信道估计，估计出(N+Ng)×N阶时域信道矩阵h； 

步骤5-2：通过对接收到的时域符号y的分析，生成从数字调制后数据符号s到接收到的时域符号y间(N+Ng)×N阶等效MIMO系统矩阵Ω，即 

步骤5-3：利用已有的非线性检测方法和所述等效MIMO系统矩阵Ω，对接收到的时域符号y做非线性检测，得到数字调制后数据符号的估计值 

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