专利名称：一种适用于高速移动环境的正交频分复用收发系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字通信技术领域，特别是一种提高接收机移动速度的正交频分复用(OFDM)调制装置及其接收方法和装置。
背景技术：
正交频分复用(以下简称OFDM)作为一种高效的宽带多载波传输技术，受到广泛的重视，在欧洲数字电视广播标准DVB-T、无线局域网标准IEEE 802.11a、无线城域网标准IEEE 802.16等多个宽带传输技术标准中采纳。然而，在获得宽带服务的同时，人们对移动的需求不断增长，例如，在高速铁路(时速350千米/小时)等高速移动应用场合也可以享受高清电视广播、无线宽带上网等服务。因此，提高OFDM宽带传输系统对抗时变多径信道的能力，提高OFDM宽带传输系统接收机的移动速度，已经成为OFDM系统的主要问题。
由于信号的宽带特征和接收机的移动，使得传输信道呈现为大多普勒扩展和较大多径时延扩展的特性，导致OFDM系统同时受到符号间干扰和较大的子载波间干扰(以下简称ICI)的影响。以往的OFDM系统通过发送端将相同符号映射到一组子载波，在接收端采用自消除方法减轻由载波频偏引入的ICI。但该方法可能损失超过50％的吞吐量，且不能有效减轻由多普勒扩展引入的ICI。另外一些方法提出了接收机使用多层均衡器来抑制ICI。但该均衡器通常需要理想的信道信息，这在实际应用中将难以保证。
发明内容
本发明设计了一种适用于高速移动环境的正交频分复用收发系统。其目的是提高时变多径信道下OFDM宽带传输系统接收机的移动速度。
本发明思路为，在发送端，通过将发送端数据分为两部分，分别进行快速反傅立叶变换(以下简称IFFT)，变换后产生的两个OFDM子符号进行级联，并添加零保护后缀，从而获得较大的子载波间隔，多普勒扩展导致的ICI将由此减轻。但由此也增加了系统对子符号间干扰(以下简称ISI)的敏感性。在接收端，设计了一个利用子载波已知信息的干扰消除接收装置和方法，消除了由多径时延扩展导致的上述子符号间干扰。
具体来说，将数据分为两个部分，映射为两部分频域子载波信号，假设上述两部分频域子载波信号分别表示为第一个子符号频域子载波信号X1[k]和第二个子符号频域子载波信号X2[k]，0≤k＜N，N为OFDM系统子载波数。对上述频域子载波信号X1[k]和X2[k]进行预处理，预处理子载波信号数目为L，L是大于等于最大时延扩展的正整数，相应索引标记为向量m。其后，X1[k]和X2[k]分别输入两个IFFT单元，IFFT的输出进行级联，此时发送信号为 其中 其中，F(N)(k，x[n])表示x[n]的N阶DFT运算；F-(N)(n，X[k])表示X[k]的N阶IDFT(以下简称逆离散傅立叶变换)。
级联后的上述发送信号在尾部加上P长的零后缀而构成新OFDM符号，其中，P是零后缀的样点数，它是大于等于最大时延扩展的正整数。
在接收端，典型的OFDM接收机都需要经过帧同步，从而确定各OFDM符号的边界，其后，接收到的P长后缀先被加到OFDM符号头部，使OFDM符号内的线性卷积等效于循环卷积，再对所接收信号进行N点快速傅立叶变换(以下简称FFT)，FFT的输出就可以使用本发明所述的干扰消除接收的方法和装置。
本发明的另一方面，即所述的干扰消除接收装置实现对上述FFT的输出进行干扰消除处理。接收端FFT的输出被分为偶数和奇数输出，分别表示为
向量
和
对
和
进行如下处理 其中，F(N)∈CN×N表示N阶归一化DFT(以下简称离散傅立叶变换)矩阵，其元素为Fi，j(N)，0≤i，j＜N；为DFT矩阵F(N)的子矩阵，其元素为DFT矩阵F(N)的另一半子矩阵，其元素S是Fe的
子矩阵，其L行从Fe的行向量中选取，相应行索引标记对应上述发送端预处理索引标记向量m，其元素S(i，j)＝Fe(m(i)，j)。Rknown是从相应的
中抽取的子向量生成的L×1向量，抽取索引标记对应向量m。L是大于等于最大时延扩展的正整数。
上述组合矩阵[Fo|S]是一个可逆的范德蒙(Vandermonde)矩阵。由于矩阵S是根据发射端已知载波插入位置选取的，系数矩阵Fe[Fo|S]-1可以在系统设计时事先计算，而不会导致系统运行时矩阵求逆的运算。
所述的干扰消除接收装置还包括通过简单的加减运算从
和
中恢复第一个子符号频域子载波信号
和第二个子符号频域子载波信号
将
和
分别表示为向量
和
计算方法表示为 至此，本发明所述的干扰消除接收装置完成了其设计的目的，即，消除了因发送端子符号级联引入的子符号间干扰。其后，采用传统的最小平方(LS)或最小均方误差(MMSE)方法对上述恢复的两子符号频域子载波信号
和
进行信道估计和均衡处理。
本发明特征在于含有发射机和接收机，其中发射机含有第一串并转换器(102)，两个预处理单元(1031)和(1032)，N/2点IFFT单元(1011)和(1012)，第一并串转换器(104)，其中， 第一串并转换器(102)，用于将串行输入的N-L个数据并行化，N为OFDM系统子载波数目，L是大于等于零小于N的整数，为上述两预处理单元处理中总共增加的子载波信号数目，串并转换器的输出端与上述两个预处理单元输入端相连； 两个预处理单元(1031)和(1032)，用于将映射到上述两个IFFT单元输入端的并行数据流进行预处理，输入端与第一串并转换器输出端相连，分别输出两频域子符号X1和X2到上述两个IFFT单元输入端；所述预处理单元对于从第一串并转换器输入的N-L数据按以下三个步骤处理 预处理单元(1031)先产生L1个任意指定的已知数据符号，其中包括零数据符号，L1为大于等于零小于等于L整数，并随机放置到频域子符号X1的子载波上，作为待输出的X1的一部分，其对应L1个子载波索引集合标记为K1，K1的元素取值范围为大于等于1小于等于N/2的整数；然后，预处理单元(1032)产生非负整数L2个已知或零数据符号，L2＝L-L1，并随机放置到频域子符号X2的子载波上，作为待输出的X2的一部分，其对应L2个子载波索引集合标记为K2，K2的元素取值范围为大于等于1小于等于N/2的整数，且K1∩K2＝Ω，即K1和K2不重叠；若K1∩K2≠Ω，则重复随机映射到X2的过程，直至K1∩ K2＝Ω，并由K1和K2的并集K1∪K2产生子载波索引向量m； 第一串并转换器输出的N-L个数据到两个预处理单元，预处理单元将其分别任意放置到X1和X2中未置值的子载波上，其中X1中放置正整数N/2-L1个数据，X2中放置正整数N/2-L2个数据，满足数据子载波索引和索引向量m不重叠； 两个预处理单元分别输出处理后的X1和X2； 两个N/2点IFFT单元(1011)和(1012)，用于产生两个OFDM子符号，输入端分别与两个预处理单元输出端相连，输出端与第一并串转换器输入端相连； 第一并串转换器(104)，用于将上述两个IFFT单元的输出进行串行级联，形成新的OFDM符号并添加零后缀，输入端与上述两个IFFT单元输出端相连，输出发送信号； 接收机含有第二串并转换器(204)，N点FFT单元(202)，干扰消除接收装置(201)，两个信道估计与均衡单元(2031)和(2032)，第二并串转换器(205)，其中， 第二串并转换器(204)，用于将串行的输入数据流并行化，输入端是接收到的发射机发送信号，输出端与上述N点FFT单元输入端相连； N点FFT单元(202)，用于将输入时域信号传换为频域信号，输入端与第二串并转换器输出端相连，输出端与上述干扰消除接收装置输入端相连； 干扰消除接收装置(201)，用于消除子符号间干扰和子载波间干扰，输入端与N点FFT单元(202)输出端相连，输出端与上述两个信道估计与均衡单元输入端相连；所述干扰消除接收装置含有偶抽取器，奇抽取器、固定系数线性滤波器，子载波抽取器，补基子载波生成器，加法器，减法器，其中 偶抽取器，用来抽取接收端N点FFT单元输出的偶数索引标记对应的频域子载波信号
输入端与上述N点FFT单元的并行输出端相连，输出端与子载波抽取器输入端以及加法器输入端相连； 奇抽取器，用来抽取接收端N点FFT单元输出的奇数索引标记对应的频域子载波信号
输入端与上述N点FFT单元的并行输出端相连，输出端与固定系数线性滤波器输入端相连；固定系数线性滤波器，用来产生第一个子符号相对于第二个子符号的差信号
固定系数线性滤波器有两个输入端，一个输入端与补基子载波生成器输出端相连，一个输入端与奇抽取器输出端相连，输出端同时连接到加法器和减法器输入端；所述固定系数线性滤波器按以下三个步骤产生
生成上述固定系数线性滤波器的系数矩阵Fe[Fo|S-1，包括，根据N阶归一化DFT矩阵F(N)的
子矩阵Fo和Fe，其矩阵元素分别为和再生成Fe的
子矩阵的S，其L行从Fe的行向量中选取，相应行索引标记对应上述发送端预处理索引标记向量m，其元素S(i，j)＝Fe(m(i，j)；矩阵Fo和矩阵S组合构成一个
组合矩阵[Fo|S]，计算该组合矩阵的逆矩阵[Fo|S]-1，并与矩阵Fe右相乘，获得上述固定系数线性滤波器的
系数矩阵Fe[Fo|S]-1； 根据上述奇抽取器获得的
向量
和补基子载波生成器产生的L×1向量Rknown，组合构成一个
的输入组合矩阵
将上述输入组合矩阵
与上述系数矩阵Fe[Fo|S]-1右相乘，产生固定系数线性滤波器的输出向量
并输出
子载波抽取器，用来从偶抽取器的输出信号中按预处理单元描述的子载波索引集合标记K1和K2抽取整数L个已知子载波，输入端与上述偶抽取器的输出端相连，输出端与补基子载波生成器输入端相连； 补基子载波生成器，用来从上述子载波抽取器获得的不少于整数L个已知子载波中产生补基子载波Rknown，以满足
可求解的补基要求；输入端与上述子载波抽取器的输出端相连，输出端与固定系数线性滤波器的输入端相连；所述的补基子载波生成器按以下两个步骤产生Rknown 对预处理单元中描述的索引集合标记K1所对应子载波信号取负后作为待输出的Rknown中对应索引标记的子载波信号元素，对预处理单元中描述的索引集合标记K2所对应子载波信号直接作为待输出的Rknown中对应索引标记的子载波信号元素； 输出Rknown； 加法器，用来将上述固定系数线性滤波器的输出和偶抽取器的输出进行加法计算，加法器有两个输入端，一个输入端与上述偶抽取器的输出端相连，一个输入端与上述固定系数线性滤波器相连，输出为恢复后的第一个子符号频域信号
为干扰消除接收装置(201)的第一个输出端； 减法器，用来将上述固定系数线性滤波器的输出和偶抽取器的输出进行减法计算，减法器有两个输入端，一个输入端与上述偶抽取器的输出端相连，一个输入端与上述固定系数线性滤波器输出端相连，输出为恢复后的第二个子符号频域信号
为干扰消除接收装置(201)的第二个输出端； 两个信道估计与均衡单元(2031)至(2032)，用于通过最小方(LS)或最小均方差(MMSE)算法估计信道和均衡接收信号，输入端与干扰消除接收装置输出端相连，输出端与第二并串转换器输入端相连； 第二并串转换器(205)，用于将上述两个信道估计与均衡单元的并行输出进行串行级联，输入端与两个信道估计与均衡单元输出端相连，输出为接收信号。
如同上面所述的适用于高速移动环境的正交频分复用收发系统，其特征在于，发射机包含M个预处理单元和M个N/N点IFFT单元，M为大于等于2小于等于N的正整数。其中固定系数线性滤波器中的差信号含有M-1个子信号，分别是第一频域子符号与第二频域子符号之差，第二频域子符号与第三频域子符号之差，依次类推一直到第M-1个频域子符号与第M个频域子符号之差。
本发明的一个优点是有效减小了系统对ICI的敏感程度，提高接收机的移动速度，理论分析和仿真表明，在相同条件，信噪比20dB时，本发明所述系统可以比传统方法提高约1.6倍的移动速度。此外，所述的调制和接收方法和装置还具有结构灵活、算法简单、易于实现的优点。
值得注意的是，绝大多数实用的OFDM系统为了抑制带外干扰而插入了零子载波，这些子载波信息可用于上述干扰消除接收方法和装置，消除子符号间干扰。此外，在已有零子载波不足时，可在发送端将部分子载波预设为零来达到同样的目的。因而，相比于以往的自消除方法，本发明所述OFDM宽带传输系统的开销可大幅度下降。
以上所述的发明目的和优点是在OFDM宽带传输系统中对信号进行OFDM调制和干扰消除的方法和装置中实现的，其中，数字信息符号在进行OFDM调制时采用了将数据分段进行IFFT，用来产生多个OFDM子符号并进行直接级联。从图7性能比较图可看出，相比不做干扰消除的OFDM系统和应用自消除方法的OFDM系统两种方法，本发明所提出的方法在两种多普勒扩展情况(fdTs＝0.126和fdTs＝0.081)中都获得更好的性能，本发明所提出的方法在fdTs＝0.126时的性能与传统方法在fdTs＝0.081时的性能相近。考虑到OFDM系统中普遍存在大量零子载波，本发明很少甚至不损失OFDM系统的频谱效率，在相同信道条件，本发明所述系统可以比传统方法支持的移动速度提高约1.6倍。
图1是本发明所述的OFDM调制装置的结构示意图。
图2是本发明所述的干扰消除接收装置在OFDM接收机中位置的示意图。
图3是本发明所述的干扰消除接收装置的结构示意图。
图4是本发明所述的OFDM调制装置中的一种预处理方法的操作流程图。
图5是本发明所述的干扰消除接收装置中补基子载波生成器的一种补基子载波Rknown的生成方法的操作流程图。
图6是本发明所述的干扰消除接收装置中固定系数线性滤波器计算方法的操作流程图。
图7是本发明所述方法与不做干扰消除方法以及自消除方法的性能比较图。
具体实施例方式 根据本发明的一个方面，提供一种OFDM调制装置(参见附图1)，包括两个N/2点IFFT单元，N为OFDM系统子载波数目，用于产生两个OFDM子符号；串并转换器，用于将串行的数据流并行化；两个预处理单元，用于将映射到上述两个IFFT单元输入端的并行数据流进行预处理；并串转换器，用于将上述两个IFFT单元的输出进行串行级联，形成新的OFDM符号并添加零后缀。
本发明还提供一种发送端进行预处理的方法(参见附图4)，所述方法包括L个子载波随机从频域子符号X1和X2中选择并置零或已知值，其子载波索引集合分别标记为K1和K2，且满足K1∩K2＝φ，两索引标记集合的并集产生索引向量m。具体地说，预处理单元1031先产生L1个任意指定的已知数据符号，其中包括零数据符号，L1为大于等于零小于等于L整数，并随机放置到频域子符号X1的子载波上，作为待输出的X1的一部分，其对应L1个子载波索引集合标记为K1，K1的元素取值范围为大于等于1小于等于N/2的整数；然后，第二个预处理单元1032产生非负整数L2个已知或零数据符号，L2＝L-L1，并随机放置到频域子符号X2的子载波上，作为待输出的X2的一部分，其对应L2个子载波索引集合标记为K2，K2的元素取值范围为大于等于1小于等于N/2的整数，且K1∩K2＝Ω，即K1和K2不重叠；若K1∩K2≠Ω，则重复随机映射到X2的过程，直至K1∩K2＝Ω，并由K1和K2的并集K1∪K2产生子载波索引向量m；由于实际OFDM系统中有许多零子载波，假设OFDM系统有S个零子载波，如果S≥L，则向量m可以在上述这些零子载波中选取。如果S＜L，则除了上述S个零子载波被选取以外，L-S个子载波在发送端被置零。第一串并转换器输出的N-L个数据到两个预处理单元，预处理单元将其分别任意放置到X1和X2中未置值的子载波上，其中X1中放置正整数N/2-L1个数据，X2中放置正整数N/2-L2个数据，满足数据子载波索引和索引向量m不重叠；两个预处理单元分别输出处理后的X1和X2。
根据本发明的另一个方面，提供在OFDM宽带传输系统接收机中的一种干扰消除接收装置。所述干扰消除接收装置在OFDM接收机中的位置参见附图2。典型的OFDM系统接收机首先需要确定OFDM符号的边界，其后，接收到的P长后缀先被加到OFDM符号头部，使OFDM符号内的线性卷积等效于循环卷积，各OFDM符号再进行N点FFT。本发明所述干扰消除接收装置的输入与上述N点FFT单元的并行输出端相连，它的输出与信道估计与均衡单元相连。
本发明所提供的干扰消除接收装置(参见附图3)包括偶抽取器，用于抽取上述N点FFT单元输出端偶数索引标记对应的频域子载波信号，表示为向量
奇抽取器，用于抽取上述N点FFT单元输出端奇数索引标记对应的频域子载波信号，表示为向量
子载波抽取器，用于从上述偶抽取器抽取上述索引标记向量m对应的频域子载波信号；补基子载波生成器，用于从上述子载波抽取器抽取的频域子载波信号中产生补基子载波向量Rknown；固定系数线性滤波器，用于从上述补基子载波生成器获得的向量Rknown和上述奇抽取器获得的向量
中采用式(4)计算向量
加法器，用于从向量
采用式(3)获得的向量
和从固定系数线性滤波器获得的向量
进行相加，获得干扰消除后的子符号频域子载波信号
减法器，用于从向量
采用式(3)获得的向量
和从固定系数线性滤波器获得的向量
进行相减，获得干扰消除后的子符号频域子载波信号
本发明还提供上述补基子载波生成器中一种补基子载波Rknown的生成方法，所述方法对应上述发送端进行预处理的方法。包括以下步骤对于向量
中索引标记为k1的子载波信号元素，取负后作为向量Rknown中索引标记为k1的子载波信号元素，即对于向量
中索引标记为k2的子载波信号元素，直接作为向量Rknown中索引标记为k2的子载波信号元素，即
本发明还提供一种用上述固定系数线性滤波器计算向量
的方法。所述的计算方法包括以下步骤首先，生成上述固定系数线性滤波器的系数矩阵，包括，根据上述DFT矩阵F(N)的
子矩阵Fo和Fe的
子矩阵S，构成一个
组合矩阵[Fo|S]，计算上述组合矩阵的逆矩阵[Fo|S]-1，并与上述DFT矩阵F(N)的子矩阵Fe右相乘，获得上述固定系数线性滤波器的
系数矩阵Fe[Fo|S]-1，上述系数矩阵的计算可以在系统设计时事先进行；接着，根据上述奇抽取器获得的
向量
和上述补基子载波生成器产生的L×1向量Rknown，构成一个
的输入组合矩阵
最后，将上述输入组合矩阵
与上述系数矩阵Fe[Fo|S]-1右相乘(参见公式4)，获得向量
通过下面结合附图对本发明所述的OFDM调制装置以及针对该装置在接收端进行干扰消除接收的方法和装置的实施例进行详细描述，可以更好地理解本发明的其它目的、特性和优点。
参考图1描述本发明所提出的OFDM调制装置。图1所示的是产生两个OFDM子符号级联的OFDM调制装置，它包括一个串并转换器102，用于将串行的数据流并行化；两个N/2点IFFT单元1011至1012，用于产生两个OFDM子符号；两个预处理单元1031至1032，用于对映射到上述两个IFFT单元输入端的并行数据流进行预处理；一个并串转换器104，用于对上述两个IFFT单元1011至1012的输出进行串行级联，形成新的OFDM符号并添加零后缀。
此时，第一串并转换器102输出的频域子载波信号分为两个部分，分别表示为X1[k]和X2[k]，0≤k＜N，N为OFDM系统子载波数。在两个预处理单元中对X1[k]和X2[k]进行预处理，预处理子载波信号数目为L。其后，X1[k]和X2[k]分别输入进行上述两个IFFT单元，IFFT单元的输出输入并串转换器104，并串转换器104根据式(1)和式(2)对IFFT单元的输出进行串行级联并添加零后缀。
下面参考图2描述本发明所提出的干扰消除接收装置在接收机安装位置的一个实施例。如图2所示，本发明所述的干扰消除接收装置201的输入与N点FFT单元202的并行输出端相连，它的输出端与两个信道估计与均衡单元2031至2032相连。首先，确定OFDM符号边界并进行后缀复制后的接收信号输入到串并转换器204；接着，串并转换器204将串行的接收信号并行化，输出到一个N点FFT单元202；接着，N点FFT单元202的并行输出连接到本发明所述的干扰消除接收装置201的输入端；接着，本发明所述的干扰消除接收装置201的输出输入到两个信道估计与均衡单元2031至2032，对干扰消除后的频域子载波信号分别进行信道估计和均衡；最后，上述两个信道估计与均衡单元的输出输入到并串转换器205，将并行数据串行化输出。
下面参考图3描述本发明所提出的干扰消除接收装置的一个实施例。如图3所示，作为一个较优实施例，干扰消除接收装置包括一个偶抽取器301和一个奇抽取器302，它们的输入端与上述N点FFT单元202的并行输出端相连，用来分别抽取上述N点FFT单元202输出的偶数索引标记对应的频域子载波信号向量
和奇数索引标记对应的频域子载波信号向量
一个子载波抽取器303，它的输入端与上述偶抽取器301的输出端相连，用来抽取不少于L个已知子载波；一个补基子载波生成器304，它的输入端与上述子载波抽取器303的输出端相连，利用从向量
中抽取的不少于L个的已知子载波产生向量Rknown；一个固定系数线性滤波器305，它有两个输入端，一个输入端与补基子载波生成器304输出端相连，一个输入端与奇抽取器302输出端相连，利用上述补基子载波生成器304和奇抽取器302的输出产生组合矩阵
并与事先计算的固定系数矩阵Fe[Fo|S]-1右相乘，产生输出向量
一个加法器306，它有两个输入端，一个输入端与上述偶抽取器301的输出端相连，一个输入端与上述固定系数线性滤波器305相连，进行加法运算，输出为恢复后的第一个子符号频域信号
一个减法器307，它有两个输入端，一个输入端与上述偶抽取器301的输出端相连，一个输入端与上述固定系数线性滤波器305相连，进行减法运算，输出为恢复后的第二个子符号频域信号
图4描述本发明所提出的发送端的一种预处理方法的一个实施例。如图4所示，所述的发送端的一种预处理方法包括以下步骤首先，在步骤S401中，预处理单元先产生非负整数L1个已知或零数据符号，并随机放置到频域子符号X1的子载波上，其对应L1个子载波索引集合标记为K1；然后，在步骤S402中，预处理单元产生非负整数L2个已知或零数据符号，L2＝L-L1，并随机放置到频域子符号X2的子载波上，其对应L2个子载波索引集合标记为K2且K1∩K2＝Ω，即两集合标记相交为空，相互不重叠；若K1∩K2≠Ω，则重复随机放置到X2的过程，直至K1∩K2＝Ω，并由K1和K2的并集K1∪K2，产生子载波索引向量m。在步骤S403中，由K1和K2并集产生L1+L2个子载波索引标记向量m。最后在步骤S404中，第一串并转换器输出N-L个数据到两个预处理单元，预处理单元将其分别放置到X1和X2中未置值的子载波上，其中X1中放置正整数N/2-L1个数据，X2中放置正整数N/2-L2个数据，满足数据子载波索引和索引向量m不重叠；两个预处理单元分别输出处理后的X1和X2。
图5描述本发明所提出的补基子载波生成器中一种补基子载波Rknown生成方法的一个实施例。该方法对应着上述发送端的一种预处理方法。如图5所示，所述的一种Rknown生成方法包括以下步骤首先，在步骤S501中，对于子载波抽取器303输出的向量
中索引标记为k1的子载波信号元素，取负后作为向量Rknown中索引标记为k1的子载波信号元素，即
然后，在步骤S502中，对于子载波抽取器303输出的向量
中索引标记为k2的子载波信号元素，直接作为向量Rkown中索引标记为k2的子载波信号元素，即 下面参考图6描述本发明所述的固定系数线性滤波器计算方法的一个实施例。如图6所示，所述计算方法包括以下步骤首先，在步骤S601中，计算上述固定系数线性滤波器的系数矩阵Fe[Fo|S]-1，该步骤可在系统设计时事先进行；接着，在步骤S602中，由奇抽取器302输出获得奇数索引标记对应的频域子载波信号向量
接着，在步骤S603中，由上述补基子载波生成器304输出获得向量Rkown；接着，在步骤S604中，由向量
和向量Rknown组合产生滤波器输出矩阵
接着，在步骤S605中，步骤S604产生的滤波器输入矩阵与步骤S601事先计算的固定系数矩阵Fe[Fo|S]-1右相乘，产生固定系数线性滤波器的输出向量
上述较优实施例的描述可以使本领域的任何技术人员能够使用本发明。很明显，这些实施例还可以有各种修改形式，本发明基本原理也可以应用于其它实施例。所以，本发明并非仅限于上述实施例，应从最宽范围来理解本发明的原理和所揭示的新特征。
图7比较了采用本发明所述装置和方法获得的误码率性能，与不做干扰消除方法(文献[1])以及自消除方法(文献[2])的误码率性能。其中，文献[1]可参见Y.Li于1998年发表在国际电气与电子工程师协会通信会刊(IEEE Transaction on Communication)上的文章“快速弥散衰落信道下鲁棒的OFDM信道估计(Robust channel estimation for OFDM systemswith rapid dispersive fading channels)”，文献[2]可参见Y.Zhao于2001年发表在国际电气与电子工程师协会通信会刊上的文章“OFDM移动通信系统中载波间干扰自消除方法(Intercarrier interference self-cancellation scheme for OFDM mobile communicationsystems)”。仿真参考802.16e-2006标准，整个20MHz系统带宽分为N＝2048个子载波，其中包含319零子载波。OFDM符号长Ts＝102.4μs。系统使用QPSK调制。多径信道满足宽平稳非相关散射假设(WSSUS)。多径满足指数延迟包络分布，其相应信道功率为l∈
， 其中k＝(L+1)/log(2L+2)，L＝127。各径的时变特征符合Jakes多普勒包络。仿真包括了两种归一化多普勒扩展，即fdTs＝0.126和fdTs＝0.081，在3.8GHz载频下这两种归一化多普勒扩展对应的最大接收机速度分别为350km/s和225km/s。为了比较，我们也仿真文献[1]传统的不做干扰消除方法和文献[2]的自消除方法，其子载波数目都相同。图7横坐标为比特信噪比Eb/No，纵坐标是比特误码率BER，图中六条性能曲线自上而下分别是左三角虚线为文献[1]不做干扰消除方法在fdTs＝0.126下的曲线；十字点虚线为文献[2]自消除方法在fdTs＝0.126下的曲线；右三角虚线为文献[1]方法在fdTs＝0.081下的曲线；六角星实线为本发明所提出方法在fdTs＝0.126下的曲线；下三角点虚线为文献[2]方法在fdTs＝0.081下的曲线；五角星实线为本发明所提出方法在fdTs＝0.081下的曲线。从图7可见，相比于上述两种方法，本发明所提出的方法在两种多普勒扩展情况中都获得更好的性能，本发明所提出的方法在fdTs＝0.126时的性能与不做干扰消除方法在fdTs＝0.081时的性能相近。考虑到系统中有319个零子载波，数目远大于信道的时延扩展，本发明所提出的方法不需要选取额外的零子载波。相比于自消除方法，它没有损失频谱效率，并可将接收机的移动速度提高近1.6倍。
权利要求
1.一种适用于高速移动环境的正交频分复用收发系统，其特征在于含有发射机和接收机，其中
发射机含有第一串并转换器(102)，两个预处理单元(1031)和(1032)，N/2点IFFT单元(1011)和(1012)，第一并串转换器(104)，其中，
第一串并转换器(102)，用于将串行输入的N-L个数据并行化，N为OFDM系统子载波数目，L是大于等于零小于N的整数，为上述两预处理单元处理中总共增加的子载波信号数目，串并转换器的输出端与上述两个预处理单元输入端相连；
两个预处理单元(1031)和(1032)，用于将映射到上述两个IFFT单元输入端的并行数据流进行预处理，输入端与第一串并转换器输出端相连，分别输出两频域子符号X1和X2到上述两个IFFT单元输入端；所述预处理单元对于从第一串并转换器输入的N-L数据按以下三个步骤处理
预处理单元(1031)先产生L1个任意指定的已知数据符号，其中包括零数据符号，L1为大于等于零小于等于L整数，并随机放置到频域子符号X1的子载波上，作为待输出的X1的一部分，其对应L1个子载波索引集合标记为K1，K1的元素取值范围为大于等于1小于等于N/2的整数；然后，预处理单元(1032)产生非负整数L2个已知或零数据符号，L2＝L-L1，并随机放置到频域子符号X2的子载波上，作为待输出的X2的一部分，其对应L2个子载波索引集合标记为K2，K2的元素取值范围为大于等于1小于等于N/2的整数，且K1∩K2＝Ω，即K1和K2不重叠；若K1∩K2≠Ω，则重复随机映射到X2的过程，直至K1∩K2＝Ω，并由K1和K2的并集K1∪K2产生子载波索引向量m；
第一串并转换器输出的N-L个数据到两个预处理单元，预处理单元将其分别任意放置到X1和X2中未置值的子载波上，其中X1中放置正整数N/2-L1个数据，X2中放置正整数N/2-L2个数据，满足数据子载波索引和索引向量m不重叠；
两个预处理单元分别输出处理后的X1和X2；
两个N/2点IFFT单元(1011)和(1012)，用于产生两个OFDM子符号，输入端分别与两个预处理单元输出端相连，输出端与第一并串转换器输入端相连；
第一并串转换器(104)，用于将上述两个IFFT单元的输出进行串行级联，形成新的OFDM符号并添加零后缀，输入端与上述两个IFFT单元输出端相连，输出发送信号；接收机含有第二串并转换器(204)，N点FFT单元(202)，干扰消除接收装置(201)，两个信道估计与均衡单元(2031)和(2032)，第二并串转换器(205)，其中，
第二串并转换器(204)，用于将串行的输入数据流并行化，输入端是接收到的发射机发送信号，输出端与上述N点FFT单元输入端相连；
N点FFT单元(202)，用于将输入时域信号传换为频域信号，输入端与第二串并转换器输出端相连，输出端与上述干扰消除接收装置输入端相连；
干扰消除接收装置(201)，用于消除子符号间干扰和子载波间干扰，输入端与N点FFT单元(202)输出端相连，输出端与上述两个信道估计与均衡单元输入端相连；所述干扰消除接收装置含有偶抽取器，奇抽取器、固定系数线性滤波器，子载波抽取器，补基子载波生成器，加法器，减法器，其中
偶抽取器，用来抽取接收端N点FFT单元输出的偶数索引标记对应的频域子载波信号
输入端与上述N点FFT单元的并行输出端相连，输出端与子载波抽取器输入端以及加法器输入端相连；
奇抽取器，用来抽取接收端N点FFT单元输出的奇数索引标记对应的频域子载波信号
输入端与上述N点FFT单元的并行输出端相连，输出端与固定系数线性滤波器输入端相连；
固定系数线性滤波器，用来产生第一个子符号相对于第二个子符号的差信号
，固定系数线性滤波器有两个输入端，一个输入端与补基子载波生成器输出端相连，一个输入端与奇抽取器输出端相连，输出端同时连接到加法器和减法器输入端；所述固定系数线性滤波器按以下三个步骤产生
生成上述固定系数线性滤波器的系数矩阵Fe[Fo|S]-1，包括，根据N阶归一化DFT矩阵F(N)的
子矩阵Fo和Fe，其矩阵元素分别为和；再生成Fe的
子矩阵的S，其L行从Fe的行向量中选取，相应行索引标记对应上述发送端预处理索引标记向量m，其元素S(i，j)＝Fe(m(i)，j)；矩阵Fo和矩阵S组合构成一个
组合矩阵[Fo|S]，计算该组合矩阵的逆矩阵[Fo|S]-1，并与矩阵Fe右相乘，获得上述固定系数线性滤波器的
系数矩阵Fe[Fo|S]-1；
根据上述奇抽取器获得的
向量
和补基子载波生成器产生的L×1向量Rknown，组合构成一个
的输入组合矩阵
将上述输入组合矩阵
与上述系数矩阵Fe[Fo|S]-1右相乘，产生固定系数线性滤波器的输出向量
，并输出
子载波抽取器，用来从偶抽取器的输出信号中按预处理单元描述的子载波索引集合标记K1和K2抽取整数L个已知子载波，输入端与上述偶抽取器的输出端相连，输出端与补基子载波生成器输入端相连；
补基子载波生成器，用来从上述子载波抽取器获得的不少于整数L个已知子载波中产生补基子载波Rknown，以满足
可求解的补基要求；输入端与上述子载波抽取器的输出端相连，输出端与固定系数线性滤波器的输入端相连；所述的补基子载波生成器按以下两个步骤产生Rknown
对预处理单元中描述的索引集合标记K1所对应子载波信号取负后作为待输出的Rknown中对应索引标记的子载波信号元素，对预处理单元中描述的索引集合标记K2所对应子载波信号直接作为待输出的Rknown中对应索引标记的子载波信号元素；
输出Rknown；
加法器，用来将上述固定系数线性滤波器的输出和偶抽取器的输出进行加法计算，加法器有两个输入端，一个输入端与上述偶抽取器的输出端相连，一个输入端与上述固定系数线性滤波器相连，输出为恢复后的第一个子符号频域信号
，为干扰消除接收装置(201)的第一个输出端；
减法器，用来将上述固定系数线性滤波器的输出和偶抽取器的输出进行减法计算，减法器有两个输入端，一个输入端与上述偶抽取器的输出端相连，一个输入端与上述固定系数线性滤波器输出端相连，输出为恢复后的第二个子符号频域信号
，为干扰消除接收装置(201)的第二个输出端；
两个信道估计与均衡单元(2031)至(2032)，用于通过最小方(LS)或最小均方差(MMSE)算法估计信道和均衡接收信号，输入端与干扰消除接收装置输出端相连，输出端与第二并串转换器输入端相连；
第二并串转换器(205)，用于将上述两个信道估计与均衡单元的并行输出进行串行级联，输入端与两个信道估计与均衡单元输出端相连，输出为接收信号。
2.如权利要求1所述的适用于高速移动环境的正交频分复用收发系统，其特征在于，发射机包含M个预处理单元和M个N/M点IFFT单元，M为大于等于2小于等于N的正整数。其中固定系数线性滤波器中的差信号含有M-1个子信号，分别是第一频域子符号与第二频域子符号之差，第二频域子符号与第三频域子符号之差，依次类推一直到第M-1个频域子符号与第M个频域子符号之差。
全文摘要
适用于高速移动环境的正交频分复用OFDM收发系统，属于数字通信技术领域，其特征为在发送端，通过将发送端数据分段，分别进行快速反傅立叶变换，变换后的OFDM子符号直接进行级联，并添加零保护后缀，从而获得较大的子载波间隔，多普勒扩展导致的子载波间干扰将由此减轻，但增加了系统对子符号间干扰的敏感性。在接收端，设计了一个利用子载波已知信息的干扰消除接收装置和方法，消除了由多径时延扩展导致的上述子符号间干扰。本发明很少甚至不损失OFDM系统的频谱效率，在相同信道条件，本发明所述系统可以比传统方法支持的移动速度提高约1.6倍。
文档编号H04L27/26GK101115047SQ20071011995
公开日2008年1月30日 申请日期2007年8月3日 优先权日2007年8月3日
发明者陆建华, 毅 龙, 匡麟玲 申请人:清华大学