专利名称：减少正交频分复用信号频谱泄漏的方法
技术领域：
本发明属于采用正交频分复用信号(OFDM)的无线和有线通信技术领域，具体涉及减少正交频分复用信号频谱泄漏的方法。
背景技术：
随着通信需求的不断发展和可供通信的频谱资源变得日益稀少，如何提高频谱资源的利用效率称为一个重要的研究问题。正交频分复用(OFDM)是一种在无线和有线通信系统中有广泛应用的通信调制和复用技术，但是OFDM信号具有较大的频谱泄漏，会对在相邻频率工作的其他通信设备形成较大的干扰，不利于频谱利用效率的提高。目前，减少OFDM信号频谱泄漏的相关方法有 (1)主动干扰抵消(AIC)方法，见H.Yamaguchi，“Activeinterference cancellation technique for MB-OFDM cognitive radio，”Microwave Conference，2004.34th European，Volume 2，13 Oct.2004，pp.1105-1108，AIC方法在目标频带上和目标频带周围的一些OFDM子载波上，主动发送干扰抵消信号，用来消除OFDM符号子载波旁瓣在目标频带上的频谱泄漏。AIC方法不对OFDM符号的数据子载波构成干扰，但其消除频谱泄漏的效果有限，不能满足OFDM通信系统和其他通信系统(包括其他OFDM通信系统)分享或共享频谱资源的需要。
(2)子载波加权(SW)方法，见I.Cosovic，S.Brandes，andM.Schnell，“Subcarrier WeightingA Method for SidelobeSuppression in OFDM Systems，”IEEE Communications Letters.VOL.10.NO.6.JUNE 2006，SW方法是通过给OFDM符号子载波乘以相应的权值来压制OFDM信号频谱泄漏。SW方法不对OFDM符号的数据子载波构成干扰，但需要传输权值信息，而且其消除频谱泄漏的效果有限，不能满足OFDM通信系统和其他通信系统(包括其他OFDM通信系统)分享或共享频谱资源的需要。
(3)叠加信号(AS)方法，见I.Cosovic，and T.Mazzoni，“Sidelobe Suppression in OFDM Spectrum Sharing Systems ViaAdditive Singal Method，”Vehicular Technology Conference，2007.VTC2007-Spring.IEEE 65th 22-25 April 2007，pp.2692-2696，AS方法在OFDM符号上叠加特定的信号时域序列，此特定序列由最优化算法计算得到，起到压制频谱泄漏的作用，其信号时域序列的时间持续长度和OFDM符号的时间持续长度相同。AS方法将抵消信号对OFDM符号的数据子载波的干扰限制在可以接受的范围内，但其消除频谱泄漏的效果有限，不能满足OFDM通信系统和其他通信系统(包括其他OFDM通信系统)分享或共享频谱资源的需要。
上述各种方法控制OFDM信号频谱泄漏的效果有限，不能完全满足实际需求。
发明内容
本发明提供减少正交频分复用信号频谱泄漏的方法，目的在于具有较低的实现复杂度，对正交频分复用符号的数据子载波只造成较小的干扰，能更有效地减少正交频分复用信号频谱泄漏。
本发明的一种减少正交频分复用信号频谱泄漏的方法，输入的第i段数据经过串并转换后得到正交频分复用符号的频域序列Di(k)，0≤k≤N-1，串并转换时避免使用目标频带及其附近的子载波，Di(k)通过离散傅立叶反变换调制到相邻频率间隔为Δf的N个子载波上，得到正交频分复用符号的时域序列di(n)，0≤n≤N-1，di(n)的持续时间为T，di(n)经过并串转换后，在其前后分别加上循环前缀和保护间隔，得到正交频分复用符号的时域序列si(n)，si(n)的持续时间长度为L，其中有效正交频分复用符号的时域序列ti(n)的时间持续长度为W，有效正交频分复用符号的时域序列ti(n)为正交频分复用符号的时域序列si(n)排除循环前缀和保护间隔之一或二者为全零数据的下余部分，其中，T≤W≤L，其特征在于，其包括 (1)生成抵消信号步骤；对正交频分复用符号的时域序列si(n)生成最优抵消信号的时域序列ci(n)，ci(n)的时间持续长度P大于其对应的si(n)时间持续长度L，包括 (1.1)计算目标频带频谱泄漏过程计算si(n)在目标频带上的频谱泄漏，通过在频域采样点{f1，…，fM}上采样得到采样点fm上的频谱泄漏干扰值Et(m)， 式中，ΔT＝T/N，fs＝NΔf， a为非负整数， 矢量形式Et＝[Et(1) Et(2)…Et(M)]T； (1.2)计算最优抵消信号过程找出最优抵消信号的时域序列ci(n)，ci(n)满足下式及其约束条件 n＝0，1，…，P/ΔT-1， Ec＝[Ec(1) Ec(2)…Ec(M)]T，为Ec(m)的矢量形式， 约束条件为且‖Ic‖2≤λ2， 其中，表示选择合适的ci(n)，使得‖Ec+Et‖2的值最小，Ec(m)为ci(n)在采样点fm上的频谱补偿，0＜λ1、λ2≤∞，为设定的门限值，当λi＝∞，i＝1、2，等效于取消λi对应的约束条件，Ic为抵消信号的时域序列ci(n)对正交频分复用符号的时域序列si(n)的数据子载波的干扰矢量，‖·‖2表示对矢量求其模的平方；计算上述表达式可通过最小二乘法求解，见W.Gander，″Least squares with a quadratic constraint，″Numerische Mathematik，vol.36，no.3，pp.291-307，1981； (2)信号叠加步骤；将多个正交频分复用符号的时域序列顺次首尾相连，s1(0)，…，s1(L/ΔT-1)，…，si-1(0)，…，si-1(L/ΔT-1)，si(0)，…，si(L/ΔT-1)，si+1(0)，…si+1(L/ΔT-1)，…，形成多正交频分复用符号的时域序列S，将ci(n)的第a+1位ci(a)与ti(n)的第一位ti(0)对齐，ci(n)叠加到S上，形成待发送正交频分复用数据的时域序列； (4)信号发射步骤；将待发送正交频分复用数据的时域序列通过发射机发射。
所述的一种减少正交频分复用信号频谱泄漏的方法，其特征在于 所述生成抵消信号步骤的计算目标频带频谱泄漏过程中 所述的一种减少正交频分复用信号频谱泄漏的方法，其特征在于， (3.1)所述生成抵消信号步骤中，最优抵消信号的时域序列ci(n)表示为 n＝0，1，…，P/ΔT-1 其中Ci(q)代表第q个抵消信号子载波的权值，gq为第q个抵消信号子载波的频率； (3.2)所述生成抵消信号步骤中，所述计算最优抵消信号过程为找出最优抵消信号的时域序列ci(n)，最优抵消信号的时域序列ci(n)满足下式及其约束条件 q＝1，2，…，Q 约束条件为且‖Ic‖2≤λ2， 0＜λ1、λ2≤∞，为设定的门限值，当λi＝∞，i＝1、2，等效于取消λi对应的约束条件。
抵消信号的时域序列ci(n)可以表示为多个抵消信号子载波信号的和，这些抵消信号子载波信号的时域序列的时间持续长度和抵消信号的时域序列相同为P，并且大于其对应的正交频分复用符号的时域序列时间持续长度L，这些抵消信号子载波信号的频率间隔是Δfc，小于正交频分复用符号的子载波频率间隔Δf。用抵消信号子载波可以将抵消信号的时域序列ci(n)表示如下 n＝0，1，…，P/ΔT-1 其中Ci(q)代表第q个抵消信号子载波的权值，gq是第q个抵消信号子载波的频率。在设计抵消信号时只取目标频带及其附近共Q个抵消信号子载波信号，因为Q＜P/ΔT，所以待确定参数个数少于前面提到的方法，所需要的计算量较小，这样得到的抵消信号称为第一种特殊形式的抵消信号，采用这种特殊形式设计抵消信号可大幅度降低优化计算的复杂度。
所述的一种减少正交频分复用信号频谱泄漏的方法，其特征在于 (4.1)所述生成抵消信号步骤中，最优抵消信号的时域序列ci(n)表示为 ci(n)＝ci1(n)ce(n)+ci2(n) n＝0，1，…，P/ΔT-1 其中
表示所有满足gq/Δf为整数的q的集合，
表示整数的集合；
表示所有满足gq/Δf不为整数的q的集合，
表示整数的集合； ce(n)是一个长度为P/ΔT的时域序列 (4.2)所述生成抵消信号步骤中，所述计算最优抵消信号过程为找出最优抵消信号的时域序列ci(n)，最优抵消信号的时域序列ci(n)满足下式及其约束条件 q＝1，2，…，Q 约束条件为且‖Ic‖2≤λ2且
0＜λ1、λ2、λ3≤∞，为设定的门限值，当λi＝∞，i＝1、2、3，等效于取消λi对应的约束条件。
抵消信号的时域序列ci(n)可以表示为多个抵消信号子载波信号的和，为了减少抵消信号对正交频分复用符号的干扰，这些抵消信号子载波分成两类第一类具有和正交频分复用符号的子载波相同的频率，将其时间持续长度截短到与正交频分复用符号时域数据的时间持续长度相同；第二类具有和正交频分复用符号的子载波不同的频率，其时间持续长度和抵消信号的时间持续长度相同，这种特殊形式的抵消信号可以用以下公式表示， ci(n)＝ci1(n)ce(n)+ci2(n) n＝0，1，…，P/ΔT-1 其中
表示第一类抵消信号子载波信号的和，第一类抵消信号子载波的频率是满足gq/Δf是整数的gq，即这些子载波频率和正交频分复用符号的子载波频率相重合，
表示所有满足gq/Δf为整数的q的集合，
表示整数的集合；
表示第二类抵消信号子载波信号的和，第二类抵消信号子载波的频率是满足gq/Δf不是整数的gq，即这些子载波频率和正交频分复用符号的子载波频率不相重合； ce(n)是一个长度为P/ΔT的时域序列，其作用是将ci1(n)截短到与ti(n)相同的持续时间长度W，只保留与ti(n)对齐的ci1(n)中间部分 采用这种特殊形式设计抵消信号可大幅度降低优化计算的复杂度，同时可以限制抵消信号对正交频分复用符号的数据子载波造成的干扰。
本发明能减少正交频分复用信号频谱泄漏，在正交频分复用通信系统和其他通信系统分享或共享频谱资源时，提高频谱资源的利用效率。正交频分复用技术的另一种形式是多载波调制技术，本发明同样适用采用多载波技术的通信系统。
图1是本发明流程框图； 图2是本发明生成抵消信号步骤流程框图； 图3是本发明信号叠加步骤的待发送正交频分复用数据的时域序列形成示意图。
具体实施例方式 下面结合附图和一组具体参数对本发明进一步说明 参数说明假设目标频带为86Δf～88Δf。目标频带频谱采样点{f1，…，fM}为86Δf～88Δf，步长为0.25Δf。
图1所示为本发明流程框图输入的第i段数据经过串并转换后得到正交频分复用符号的频域序列Di(k)，0≤k≤N-1，N＝128，串并转换时应避免使用目标频带及其附近的子载波，正交频分复用符号的频域序列Di(k)通过离散傅立叶反变换调制到相邻频率间隔为Δf＝4.125MHz的N个子载波上得到正交频分复用符号的时域序列di(n)，0≤n≤N-1，N＝128，di(n)的持续时间为T＝128ΔT，di(n)经过并串转换并且在其前后分别加上全零的循环前缀(持续时间为32ΔT)和全零的保护间隔(持续时间为5ΔT)，得到正交频分复用符号的时域序列si(n)，si(n)持续的时间长度为L＝165ΔT，其中有效正交频分复用符号的时域序列ti(n)的时间持续长度为W＝128ΔT，然后对正交频分复用符号时域序列si(n)生成最优抵消信号时域序列ci(n)，ci(n)的持续时间为P＝256ΔT，将最优抵消信号时域序列ci(n)与正交频分复用符号时域序列si(n)相叠加后通过发射机发射。
图2所示为本发明生成抵消信号步骤流程框图计算si(n)在目标频带上的频谱泄漏，通过在频域采样点{f1，…，fM}上采样得到采样点fm上的频谱泄漏干扰值Et(m)和矢量形式Et＝[Et(1) Et(2)…Et(M)]T。然后根据Et计算最优抵消信号的时域序列ci(n)。在此计算过程中，取a＝64。
计算最优抵消信号的时域序列ci(n)可以采用下述两种方法 (1)方法一最优抵消信号的时域序列ci(n)表示为 n＝0，1，…，P/ΔT-1 其中Ci(q)代表第q个抵消信号子载波的权值，gq为第q个抵消信号子载波的频率； 最优抵消信号的时域序列ci(n)满足下式及其约束条件 q＝1，2，…，Q 约束条件为且‖Ic‖2≤λ2， 0＜λ1、λ2≤∞，为设定的门限值，λi取较小的值，抵消信号对数据的干扰较小，但抵消的效果也比较差，λi取较大的值，抵消信号对数据的干扰较大，但抵消的效果也比较好，对于一些常用的调制方式，可以取λi＝∞，i＝1、2，等效于取消λi对应的约束条件。
上述公式可采用最小二乘法求解。
(2)方法二最优抵消信号的时域序列ci(n)也可表示为 ci(n)＝ci1(n)ce(n)+ci2(n) n＝0，1，…，P/ΔT-1 其中
表示所有满足gq/Δf为整数的q的集合，
表示整数的集合；
表示所有满足gq/Δf不为整数的q的集合，
表示整数的集合； ce(n)是一个长度为P/ΔT的时域序列 最优抵消信号的时域序列ci(n)满足下式及其约束条件 q＝1，2，…，Q 约束条件为且‖Ic‖2≤λ2且
0＜λ1、λ2、λ3≤∞，为设定的门限值，λi取较小的值，抵消信号对数据的干扰较小，但抵消的效果也比较差，λi取较大的值，抵消信号对数据的干扰较大，但抵消的效果也比较好，对于一些常用的调制方式，可以取λi＝∞，i＝1、2、3，等效于取消λi对应的约束条件。
上述公式可采用最小二乘法求解。
图3是本发明信号叠加步骤的待发送正交频分复用数据时域序列形成示意图将多个正交频分复用符号的时域序列顺次首尾相连，s1(0)，…，s1(255)，…，si-1(0)，…，si-1(255)，si(0)，…，si(255)，si+1(0)，…si+1(255)，…，形成多正交频分复用符号的时域序列S，将ci(n)的第64位ci(63)与ti(n)的第一位ti(0)对齐，其中，ti(0)即为si(32)，对齐后将ci(n)叠加到S上，即ci(n)第1～32位(ci(0)～ci(31))和si-1(n)第97～128位(si-1(96)～si-1(127))对应相叠加，ci(n)第33～64位(ci(32)～ci(63))和si(n)的循环前缀对应相叠加，ci(n)第193～197位(ci(192)～ci(196))和si(n)的保护间隔对应相叠加，ci(n)第198～256位(ci(197)～ci(255))和si+1(n)第1～59位(si+1(0)～si+1(58))对应相叠加，形成待发送正交频分复用数据的时域序列。
仿真结果表明 若使用上述方法一产生抵消信号，则这组参数在64阶正交幅度调制方式下(64QAM)，通过加性高斯白噪声(AWGN)信道，可以使目标频带的频谱至少压制80dB，而误码率在0.001处损失约1.6dB。
若使用本发明所述方法二产生抵消信号，则这组参数在64阶正交幅度调制方式下(64QAM)，通过加性高斯白噪声(AWGN)信道，可以使目标频带的频谱至少压制60dB，而误码率在0.001处损失约0.16dB。
权利要求
1.一种减少正交频分复用信号频谱泄漏的方法，输入的第i段数据经过串并转换后得到正交频分复用符号的频域序列Di(k)，0≤k≤N-1，串并转换时避免使用目标频带及其附近的子载波，Di(k)通过离散傅立叶反变换调制到相邻频率间隔为Δf的N个子载波上，得到正交频分复用符号的时域序列di(n)，0≤n≤N-1，di(n)的持续时间为T，di(n)经过并串转换后，在其前后分别加上循环前缀和保护间隔，得到正交频分复用符号的时域序列si(n)，si(n)的持续时间长度为L，其中有效正交频分复用符号的时域序列ti(n)的时间持续长度为W，有效正交频分复用符号的时域序列ti(n)为正交频分复用符号的时域序列si(n)排除循环前缀和保护间隔之一或二者为全零数据的下余部分，其中，T≤W≤L，其特征在于，其包括
(1)生成抵消信号步骤；对正交频分复用符号的时域序列si(n)生成最优抵消信号的时域序列ci(n)，ci(n)的时间持续长度P大于其对应的si(n)时间持续长度L，包括
(1.1)计算目标频带频谱泄漏过程计算si(n)在目标频带上的频谱泄漏，通过在频域采样点{f1，…，fM}上采样得到采样点fm上的频谱泄漏干扰值Et(m)，
式中，ΔT＝T/N，fs＝NΔf，
a为非负整数，
矢量形式Et＝[Et(1)Et(2)…Et(M)]T；
(1.2)计算最优抵消信号过程找出最优抵消信号的时域序列ci(n)，ci(n)满足下式及其约束条件
P/ΔT-1，
Ec＝[Ec(1)Ec(2)…Ec(M)]T，为Ec(m)的矢量形式，
约束条件为且||Ic||2≤λ2，
其中，表示选择合适的ci(n)，使得||Ec+Et||2的值最小，Ec(m)为ci(n)在采样点fm上的频谱补偿，0＜λ1、λ2≤∞，为设定的门限值，当λi＝∞，i＝1、2，等效于取消λi对应的约束条件，Ic为抵消信号的时域序列ci(n)对正交频分复用符号的时域序列si(n)的数据子载波的干扰矢量，||·||2表示对矢量求其模的平方；
(2)信号叠加步骤；将多个正交频分复用符号的时域序列顺次首尾相连，s1(0)，…，s1(L/ΔT-1)，…，si-1(0)，…，si-1(L/ΔT-1)，si(0)，…，si(L/ΔT-1)，si+1(0)，…si+1(L/ΔT-1)，…，形成多正交频分复用符号的时域序列S，将ci(n)的第a+1位ci(a)与ti(n)的第一位ti(0)对齐，ci(n)叠加到S上，形成待发送正交频分复用数据的时域序列；
(3)信号发射步骤；将待发送正交频分复用数据的时域序列通过发射机发射。
2.如权利要求1所述的一种减少正交频分复用信号频谱泄漏的方法，其特征在于
所述生成抵消信号步骤的计算目标频带频谱泄漏过程中
3.如权利要求1或2所述的一种减少正交频分复用信号频谱泄漏的方法，其特征在于，
(3.1)所述生成抵消信号步骤中，最优抵消信号的时域序列ci(n)表示为
P/ΔT-1
其中Ci(q)代表第q个抵消信号子载波的权值，gq为第q个抵消信号子载波的频率；
(3.2)所述生成抵消信号步骤中，所述计算最优抵消信号过程为找出最优抵消信号的时域序列ci(n)，最优抵消信号的时域序列ci(n)满足下式及其约束条件
约束条件为且||Ic||2≤λ2，
0＜λ1、λ2≤∞，为设定的门限值，当λi＝∞，i＝1、2，等效于取消λi对应的约束条件。
4.如权利要求1或2所述的一种减少正交频分复用信号频谱泄漏的方法，其特征在于
(4.1)所述生成抵消信号步骤中，最优抵消信号的时域序列ci(n)表示为
ci(n)＝ci1(n)ce(n)+ci2(n)n＝0，1，…，P/ΔT-1
其中
表示所有满足gq/Δf为整数的q的集合，
表示整数的集合；
表示所有满足gq/Δf不为整数的q的集合，
表示整数的集合；
ce(n)是一个长度为P/ΔT的时域序列
(4.2)所述生成抵消信号步骤中，所述计算最优抵消信号过程为找出最优抵消信号的时域序列ci(n)，最优抵消信号的时域序列ci(n)满足下式及其约束条件
约束条件为且||Ic||2≤λ2且
0＜λ1、λ2、λ3≤∞，为设定的门限值，当λi＝∞，i＝1、2、3，等效于取消λi对应的约束条件。
全文摘要
减少正交频分复用信号频谱泄漏的方法，属于采用正交频分复用(OFDM)信号的无线和有线通信技术领域，目的在于具有较低的实现复杂度，对OFDM符号的数据子载波只造成较小干扰，更有效地减少信号频谱泄漏。本发明输入数据经过串并转换、离散傅立叶反变换、并串转换，加上循环前缀和保护间隔，得到OFDM符号的时域序列si(n)，对si(n)生成最优抵消信号的时域序列ci(n)，将ci(n)与si(n)叠加，通过发射机发射。为减少计算复杂度和降低抵消信号对si(n)中数据子载波的干扰，本发明还提出了两种抵消信号产生方法。本发明减少OFDM信号频谱泄漏，提高频谱资源利用率，同样适用采用多载波技术的通信系统。
文档编号H04L27/26GK101335735SQ20081004853
公开日2008年12月31日 申请日期2008年7月25日 优先权日2008年7月25日
发明者屈代明, 王志强 申请人:华中科技大学