CN108540420B - 一种高速运动下基于两步检测ofdm信号的接收方法 - Google Patents

一种高速运动下基于两步检测ofdm信号的接收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速运动下基于两步检测OFDM信号的接收方法，接收端收到OFDM信号后，首先进行串并转换，串并转换后的信号经DFT操作分离出各个子载波上的信号。对于各个子载波上的信号，进行两次检测。第一次检测就采用传统的OFDM的检测方法，其检测复杂度很低，但是性能很差。在第一步检测的基础上，利用第一步检测的结果作为初始状态，进行第二步检测。第二步检测采用高斯赛德尔迭代的方法代替矩阵的求逆运算，从而消除各个载波间的干扰，得到精确的结果，使其性能达到最优。

Description

一种高速运动下基于两步检测OFDM信号的接收方法
技术领域
本发明属于无线移动通信技术领域，特别涉及一种高速运动下基于两步检测OFDM信号的接收方法。
背景技术
随着高速铁路和高速公路技术的飞速发展，交通工具的时速越来越高。目前，高速铁路的时速可达350公里，高速公路汽车的行驶速度也将能达到200Km/h.而无线通信和移动互联网的广泛普及,越来越多的人使用移动电话和其他便携式终端在高速交通工具上进行无线通信和信息传输。未来，人们在高速运动状态下对高数据速率及稳定可靠无线传输来进行信息传递、获取的需求越来越强烈。车联网概念的提出和发展有大大加速了这一趋势的发展。因此，研究高速运动下无线数字通信***的发送和接收有着非常重大的理论和现实意义。
无线通信利用电磁波在空气中传播信号。在高速移动环境下的无线通信，发射机和接收机和周围环境物体之一或全部都在快速运动，从而信道也相应的发生剧烈变化，导致信号的持续时间大于信道的相干时间，形成多普勒频移造成的时间选择性衰落。在高速运动下，这种快时变信道会降低可获得的有用信号功率并增加干扰的影响，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，甚至造成通信***解调器输出出现大量差错，以至完全不能通信。
现在的无线宽带***中(例如LTE和wifi)，都采用正交频分复用(OFDM)的多载波的传输方式。即用户的数据符号经串并转换后进行反离散傅立叶变换(IDFT)操作，从而实现在多个正交的子载波上进行调制，IDFT后的信号经并串转换后发送出去，从而完成OFDM信号的发送，如图1所示。
在静止或低速运动的情况下，OFDM信号通过信道后，首先进行串并转换，串并转换后的信号经DFT操作分离出各个子载波上的信号。DFT第k个子载波上的信号可以表示为：
yk＝hksk+nk；
其中，sk和yk分别为第k个子载波的发送和接收信号，hk为第k个子载波的等效信道，nk为高斯白噪声。把所有载波的信号合在一起，写成矩阵形式，
Y＝HS+N；
其中Y＝[y1,y2…,yK]T，S＝[s1,s2…,sK]T，H可以如下的对角矩阵表示：
Figure BDA0001622083780000021
在接收端，根据OFDM接收信号的特点，可以用如下的方法来检测出第k子载波的发送信息：
Figure BDA0001622083780000022
各个子载波上的检测结果经并/串转换后输出，从而恢复出原始信号，完成信号的接收如图2所示。
对于上述的OFDM***，当运动速度比较高时，由于多普勒效应，会造成子载波间的信号干扰。此时信道矩阵将不再是对角阵，而会变成如下的形式：
Figure BDA0001622083780000023
即随着运动速度的提高，信道矩阵的非0元素会沿着主对角线向上下两侧扩展。这是如果仍按照原检测公式和图2的方法进行解调就会出现严重的子载波间干扰，从而使接收性能严重恶化。
为了在高速运动下实现稳定通信，对于OFDM***，可以采用多子载波符号联合检测的方法来消除或抑制子载波间干扰。一种是迫0(zero Forcing)的方法，具体检测方法如下：
Figure BDA0001622083780000031
即用矩阵求逆来代替原来的标量相除。
另外，由于zero Forcing会增大噪声的影响，经常使用最小均方误差(MMSE)的检测方法，具体为：
Figure BDA0001622083780000032
无论上述哪种方法，都需要矩阵求逆运算。由于OFDM的子载波数目会很多，如2048和4096。因此求逆的矩阵的维数巨大，从而导致超大的计算复杂度，很难在实际中使用。
发明内容
为了低复杂地解决在高速移动下OFDM信号的接收和检测，消除多普勒效应引起的子载波间干扰，本发明提出了一种高速运动下基于两步检测OFDM信号的接收方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种高速运动下基于两步检测OFDM信号的接收方法，步骤如下：
S1，接收端接收OFDM信号，并进行串并转换；
S2，转换后的信号进行DFT操作，得到各个子载波信号；
S3，对各子载波信号进行两次检测；
S3.1，第一次检测
高速运动情况下，各子载波的信号统一表示为：
Y＝HS+N (1)；
其中，Y表示各子载波的接收信号的集合，且
Y＝[y1,y2,…,yk,…,yK]T (2)；
S表示各子载波的发送信号的集合，且
S＝[s1,s2…,sk,…,sK]T (3)；
H表示各子载波的信道的集合，且
Figure BDA0001622083780000041
N表示各子载波的高斯白噪音的集合，且
N＝[n1,n2,…,nk,…,nK]T (5)；
S3.1.1，设定子载波个数；
S3.1.2，给定第k个子载波的表达式
yk＝hksk+nk (6)；
式中，k为子载波的序号且k∈(1,2,...,K)，yk表示第k个子载波的接收信号，sk表示第k个子载波的发送信号，nk表示第k个子载波的高斯白噪声；
S3.1.3，得到第k个子载波的第一次检测结果，检测公式为：
Figure BDA0001622083780000042
S3.1.4，循环步骤S3.1.2-S3.1.3，直至得到每个子载波的第一次检测结果；
S3.1.5，将所有子载波的第一次检测结果集合在一起得到：
Figure BDA0001622083780000043
S3.2，第二次检测
将第一检测结果
Figure BDA0001622083780000044
作为第二次检测的初始输入，并采用MMSE检测和高斯赛德尔迭代得到第二次检测结果；
S3.2.1，给定MMSE检测公式，MMSE检测公式为:
Figure BDA0001622083780000045
S3.2.2，简化MMSE检测公式
令
Figure BDA0001622083780000051
则MMSE检测化简为：
Figure BDA0001622083780000052
S3.2.3，给定高斯赛德尔迭代次数和高斯赛德尔迭代公式：
Figure BDA0001622083780000053
其中，D为W的对角阵,且
Figure BDA0001622083780000054
L为W的下三角矩阵减去对角阵D后的矩阵，即：
L＝tril(W)-D (14)；
S3.2.4，按照步骤S3.2.3进行迭代并将最后一个迭代结果
Figure BDA0001622083780000055
作为最终的检测结果；
S4，将步骤S3的最终检测结果进行并串转换后输出。
在本发明中，接收端收到OFDM信号后，首先进行串并转换，串并转换后的信号经DFT操作分离出各个子载波上的信号。对于各个子载波上的信号，分两步进行检测(两次检测)。第一步检测就采用图2所示传统的OFDM的检测方法，其检测复杂度很低，但是性能很差。在第一步检测的基础上，利用第一步检测的结果作为初始状态，进行第二步检测。第二步检测采用高斯赛德尔迭代的方法代替矩阵的求逆运算，从而消除各个载波间的干扰，使其性能达到最优，得到精确的结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中OFDM发送原理图。
图2为现有技术中OFDM接收原理图。
图3为本发明OFDM两步检测接收原理图。
图4为本发明的流程图。
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，显然，所描述的实施例仅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付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。
如图3-4所示，一种高速运动下基于两步检测OFDM信号的接收方法，步骤如下：
S1，接收端接收OFDM信号，并进行串并转换；
S2，转换后的信号进行DFT操作，得到各个子载波信号；
S3，对各子载波信号进行两次检测；
S3.1，第一次检测
高速运动情况下，各子载波的信号统一表示为：
Y＝HS+N (1)；
其中，Y表示各子载波的接收信号的集合，且
Y＝[y1,y2,…,yk,…,yK]T (2)；
S表示各子载波的发送信号的集合，且
S＝[s1,s2…,sk,…,sK]T (3)；
H表示各子载波的信道的集合，且
Figure BDA0001622083780000071
N表示各子载波的高斯白噪音的集合，且
N＝[n1,n2,…,nk,…,nK]T (5)；
S3.1.1，设定子载波个数；
S3.1.2，给定第k个子载波的表达式
yk＝hksk+nk (6)；
式中，k为子载波的序号且k∈(1,2,...,K)，yk表示第k个子载波的接收信号，sk表示第k个子载波的发送信号，nk表示第k个子载波的高斯白噪声；
S3.1.3，得到第k个子载波的第一次检测结果，检测公式为：
Figure BDA0001622083780000072
S3.1.4，循环步骤S3.1.2-S3.1.3，直至得到每个子载波的第一次检测结果；
S3.1.5，将所有子载波的第一次检测结果集合在一起得到：
Figure BDA0001622083780000073
S3.2，第二次检测
将第一检测结果
Figure BDA0001622083780000074
作为第二次检测的初始输入，并采用MMSE检测和高斯赛德尔迭代得到第二次检测结果；
S3.2.1，给定MMSE检测公式，MMSE检测公式为:
Figure BDA0001622083780000075
S3.2.2，简化MMSE检测公式
令
Figure BDA0001622083780000081
则MMSE检测化简为：
Figure BDA0001622083780000082
S3.2.3，给定高斯赛德尔迭代次数和高斯赛德尔迭代公式：
Figure BDA0001622083780000083
其中，D为W的对角阵,且
Figure BDA0001622083780000084
L为W的下三角矩阵减去对角阵D后的矩阵，即：
L＝tril(W)-D (14)；
S3.2.4，按照步骤S3.2.3进行迭代并将最后一个迭代结果
Figure BDA0001622083780000085
作为最终的检测结果；
S4，将步骤S3的最终检测结果进行并串转换后输出。
下面对本发明的理念进行说明
接收端收到OFDM信号后，首先进行串并转换，串并转换后的信号经DFT操作分离出各个子载波上的信号。对于各个子载波上的信号，分两步进行检测(两次检测)。第一步检测就采用图2所示传统的OFDM的检测方法。
在高速运动的情况下，各个子载波上的信号
Y＝HS+N；
其中Y＝[y1,y2…,yK]T，S＝[s1,s2…,sK]T，H用可以如下的矩阵表示：
Figure BDA0001622083780000091
在做第一步检测是。我们不考虑子载波间的干扰，将信道矩阵H近似认为成下式所示的对角阵：
Figure BDA0001622083780000092
由于忽略了子载波间的干扰，第一步检测的复杂度可以很低，检测方法的公式为:
Figure BDA0001622083780000093
所有自载波上的信息第一次检测的结果合在一起可以表示为：
Figure BDA0001622083780000094
在第一步检测的基础上，利用第一步检测的结果作为初始状态，进行第二步检测，即第一步检测的结果不是最终检测的结果。
第二步检测采用高斯赛德尔迭代的方法代替矩阵的求逆运算，从而消除各个载波间的干扰，为了达到接近MMSE检测的性能，这里我们采用实现MMSE的高斯赛德尔迭代，根据背景技术中的MMSE检测方法公式，设定
Figure BDA0001622083780000095
则MMSE检测化简为：
Figure BDA0001622083780000101
根据高斯赛德尔迭代，W的对角阵用D表示，L为W的下三角矩阵减去D后的矩阵，即：
Figure BDA0001622083780000102
L＝tril(W)-D；
根据高斯赛德尔迭代原理，如果限定M次迭代，则第m次迭代的结果可以表示为：
Figure BDA0001622083780000103
上式中，由于D+L为下三角矩阵，故其求逆运算和简单。值得注意的是，第一次迭代的输入值，就是第一次检测的结果
Figure BDA0001622083780000104
最后，第M次迭代的结果
Figure BDA0001622083780000105
就是第二步检测的结果，也是最终的检测结果。
本发明实施例例也可扩展到GSM和多载波CDMA技术在高速运动下接收机中，用于提高***的接收性能。
上面所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高速运动下基于两步检测OFDM信号的接收方法，其特征在于，步骤如下：
S1，接收端接收OFDM信号，并进行串并转换；
S2，转换后的信号进行DFT操作，得到各个子载波信号；
S3，对各子载波信号进行两次检测；
在步骤S3中，具体步骤如下：
S3.1，第一次检测
高速运动情况下，各子载波的信号统一表示为：
Y＝HS+N (1)；
其中，Y表示各子载波的接收信号的集合，且
Y＝[y1,y2,…,yk,…,yK]T (2)；
S表示各子载波的发送信号的集合，且
S＝[s1,s2…,sk,…,sK]T (3)；
H表示各子载波的信道的集合，且
Figure FDA0002687298840000011
N表示各子载波的高斯白噪音的集合，且
N＝[n1,n2,…,nk,…,nK]T (5)；
在步骤S3.1中，具体步骤如下：
S3.1.1，设定子载波个数；
S3.1.2，给定第k个子载波的表达式
yk＝hk,ksk+hk,k-1sk-1+hk,k+1sk+1+nk (6)；
式中，k为子载波的序号且k∈(1,2,...,K)，yk表示第k个子载波的接收信号，sk表示第k个子载波的发送信号，nk表示第k个子载波的高斯白噪声；
S3.1.3，得到第k个子载波的第一次检测结果，检测公式为：
Figure FDA0002687298840000021
S3.1.4，循环步骤S3.1.2-S3.1.3，直至得到每个子载波的第一次检测结果；
S3.1.5，将所有子载波的第一次检测结果集合在一起得到：
Figure FDA0002687298840000022
S3.2，第二次检测
将第一检测结果
Figure FDA0002687298840000023
作为第二次检测的初始输入，并采用MMSE检测和高斯赛德尔迭代得到第二次检测结果；
S4，将步骤S3的最终检测结果进行并串转换后输出。
2.根据权利要求1所述的高速运动下基于两步检测OFDM信号的接收方法，其特征在于：在步骤S3.2中，具体步骤如下：
S3.2.1，给定MMSE检测公式，MMSE检测公式为:
Figure FDA0002687298840000024
S3.2.2，简化MMSE检测公式
令
Figure FDA0002687298840000025
则MMSE检测化简为：
Figure FDA0002687298840000026
S3.2.3，给定高斯赛德尔迭代次数和高斯赛德尔迭代公式：
Figure FDA0002687298840000027
其中，D为W的对角阵,且
Figure FDA0002687298840000031
L为W的下三角矩阵减去对角阵D后的矩阵，即：
L＝tril(W)-D (14)；
S3.2.4，按照步骤S3.2.3进行迭代并将最后一个迭代结果
Figure FDA0002687298840000032
作为最终的检测结果。
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