高频谱利用率的ICI自消除通信方法及系统与流程

本发明涉及低轨卫星通信系统技术领域，尤其涉及一种低轨卫星通信OFDM系统中高频谱利用率的载波间干扰自消除的实现方案。

背景技术：

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。卫星通信以其通信距离远、覆盖范围广、性能稳定、适用于多种业务、不受地域限制等诸多优点，在无线通信领域占有重要的地位，因此在过去的几十年的时间里得到了迅速的发展并获得了广泛应用，目前已经成为了一种强有力的现代化通信手段。

卫星通信系统根据其轨道高度可以分为静止轨道(Geostationary Orbit，GEO)、中轨(Medium Earth Orbit，MEO)和低轨(Low Earth orbit，LEO)。LEO卫星由于能够克服GEO轨道资源紧张、时延较大、研制成本较高等优点，因此在近年来成为全球卫星通信领域的研究热点。

目前LEO卫星通信系统常见的传输体制是采用FDMA与TDMA相结合的MF-TDMA传输技术(比如Iridium、Teledesic)和采用CDMA传输技术(比如Globalstar)。但MF-TDMA自身的频带利用率低，而且由于其需要联合两种传输体制，这将导致发射机或接收机设备复杂度很高。尽管CDMA相对于TDMA可以通过分集接收的方式来有效抑制多径衰落，但其扩频增益无法支持较高速率的信号传输，而且对于多径数量较多的传输链路来说，采用该传输体制同样也会 增加传输系统的接收机设备的复杂度，因此这两种传输技术并不能很好地满足数据高速传输的需求。LEO卫星通信系统需要一种带宽利用率高、抗频率选择性衰落能力强，又可以提供灵活多变的资源分配方式的传输技术。由于OFDM具有很高的频谱效率和良好的抗多径衰落能力，因此LEO卫星通信系统结合OFDM技术成为克服上述缺陷的关键传输技术之一，在频带日益紧张、信道特性复杂的卫星通信系统中具有广阔的应用前景。

虽然OFDM能够有效克服LEO卫星通信中的一些重要问题，但OFDM本身对频率同步性要求严格。实际中的LEO卫星相对于地面终端有着非常高的运动速度，因此即使接收卫星信号的终端保持位置不变，收到的信号频率与卫星发送端的载波频率之间也会产生相当大的多普勒频移，这将导致信号的正交性被破坏并产生载波间干扰(Inter-channel Interference，ICI)，从而影响信号的检测效果。因此如何有效地减小ICI对通信系统的影响是OFDM技术是否能够在LEO卫星通信中得以广泛应用的重要因素之一。

近年来，国内外许多学者已经提出了相应的抑制ICI方案并将其应用到OFDM系统中，主要有ICI干扰自消除技术、信道估计技术、频域均衡技术、时域加窗技术等等。其中ICI干扰自消除技术[Yuping Zhao，S.-G.Haggman.Intercarrier interference self-cancellation scheme for OFDM mobile communication systems[J].IEEE Transactions on Communications，2001，49(7)：1185-1191.]由于具有实现简单和抑制效果明显等优点，得到了广泛关注。但该算法是以降低系统频谱利用率作为代价来达到抑制ICI的目的。学者们在该算法的基础上提出的一些改进算法来进一步提高系统对ICI的抑制性能，但算法自身频谱利用率低的问题始终都没有得以解决。尽管ICI自消除差分编码算法[刘解华，杨东凯，常青，张其善.基于差分编码的OFDM系统ICI消除 方法的研究[J].电子与信息学报，2007，29(7)：1529-1532.]和数据传输速率自消除算法[ZhenchaoWang，Jianping Zhang，and Yanqin Wang.A Novel ICI-SC Scheme in MIMO-OFDM System[C].International Conference on Communication Signal Processing and Systems，Lecture Notes in Electrical Engineering246，2014：697-706.]在不同程度上提高了频谱利用率，但它们的抑制效果不及传统的ICI自干扰消除方案来得好。

技术实现要素：

本发明解决的问题是现有通信系统中，消除ICI会牺牲频谱利用率；为解决所述问题，本发明提供高频谱利用率的ICI自消除通信方法及系统。

本发明提供的高频谱利用率的ICI自消除通信方法包括：

步骤一、序列发生器发送由N个序列组成的子载波序列组X₀(k)，0≤k≤N-1，k为波数，N为偶数；

步骤二、对X₀(k)进行调制处理，对奇数项不作处理，偶数项映射为与相邻项差的二分之一；

步骤三、调制处理后，接收端接收到的第k个子载波序列组为Y(k)、第k+1个子载波序列组为Y(k+1)，对这两个序列组做解映射处理：Y′(k)＝2[Y(k)-Y(k+1)]。

进一步，X₀(k)＝[X(0)，X(1)，…，X(N-2)，X(N-1)]^T，调制处理得：

进一步，所述步骤二包括：

步骤2.1、将X₀(k)进行抽样处理，将X₀(k)中的N/2个奇数序列不作处理，N/2个偶数序列以零表示，得到：

X_0-odd(k)＝[X(0)，0，X(2)，0，…，X(N-2)，0]^T；

步骤2.2、将X₀(k)中的所有序列均乘以-1/2，得到：

步骤2.3、将X′₀(k)与X_0-odd(k)中对应位置的序列进行相加，得到：

步骤2.4、将X_0-odd(k)中所有序列均乘以1/2，得到：

步骤2.5、再将X′_0-odd(k)进行圆周右移一位，得到X″_0-odd(k)X″_0-odd(k)

步骤2.6、将X″_0-odd(k)与X′_0-odd(k)中对应位置的序列进行相加，得到

步骤2.7、将X″′_0-odd(k)和X″₀(k)中对应位置的序列进行相加，得到X₁(k)。

进一步，所述接收端第k个子载波序列组为：

第k+1个子载波序列组为：

其中，n_k为高斯白噪声，S(m-k)为第k个子载波在第m个子载波上产生的ICI干扰序列。

进一步，所述步骤三得到：

进一步，本发明还提供的实现所述高频谱利用率的ICI自消除通信方法的系统，包括：序列发生器、调制处理器、接收端；序列发生器输出的载波序列组由调制处理器处理后输出到接收端，所述调制处理器对序列发生器输出载波序列组的奇数项不作处理，偶数项映射为与相邻项差的二分之一。

本发明的优点包括：

本发明通过对子载波序列组进行调制处理，采用如步骤二所述的映射方法，使得子载波序列中的奇数项保持不变，偶数项的表达式中含有调制处理前的子载波序列，使得接收端接收到的子载波序列组在映射处理所得到不仅相减消除ICI，而且相对现有技术提高了频谱利用率，实现高频谱利用率的ICI自消除通信。

不难发现，本方案不仅可以像传统的相邻数据取反ICI自消除方案那样对ICI具有相同的抑制效果，而且采用本发明中的映射方案不会对系统频谱利用率造成任何影响。因此本方案在实际的低轨卫星通信系统中具有很好的实用价值。

附图说明

图1是本发明实施例中，序列发生器提供的初始子载波序列结构图；

图2是本发明实施例中，调制处理之后的子载波序列结构图；

图3是本发明实施例中，调制处理的工作流程示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有LEO卫星OFDM通信系统所采用的ICI自消除方法会降低频谱利用率；发明人针对所述问题进行研究，认为降低频谱利用率的原因是对子载波序列作映射处理时，部分子载波序列的频谱信息丢失；发明人针对上述问题进行进一步研究，在本发明的实施例中提供一种高频谱利用率ICI自消除通信方法及系统。

下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。

本发明实施例提供的高频谱利用ICI自消除通信方法，包括：

步骤一、序列发生器发送由N个序列组成的子载波序列组X₀(k)，0≤k≤N-1，k为波数，N为偶数，X₀(k)＝[X(0)，X(1)，…，X(N-2)，X(N-1)]^T，

X₀(k)需要在OFDM系统中进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)与快速傅里叶反变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)，因此N一定是偶数。X₀(k)的结构图如图1所示。

步骤二、对X₀(k)进行调制处理，对奇数项不作处理，偶数项映射为与相邻项差的二分之一。

本实施例中，第2n项子载波序列映射为第2n-1项子载波序列与第2n项子 载波序列差的二分之一，n为自然数。

图3所示为本发明实施例提供的调制处理的流程示意图，所述流程由本发明实施例提供的高频谱利用率ICI自消除通信系统的调制处理器实现，包括：

步骤2.1、将X₀(k)进行抽样处理，将X₀(k)中的N/2个奇数序列不作处理，N/2个偶数序列以零表示，得到：

X_0-odd(k)＝[X(0)，0，X(2)，0，…，X(N-2)，0]^T；

步骤2.2、将X₀(k)中的所有序列均乘以-1/2，得到：

步骤2.3、将X′₀(k)与X_0-odd(k)中对应位置的序列进行相加，得到：

步骤2.4、将X_0-odd(k)中所有序列均乘以1/2，得到：

步骤2.5、再将X′_0-odd(k)进行圆周右移一位，得到X″_0-odd(k)X″_0-odd(k)

步骤2.6、将X″_0-odd(k)与X′_0-odd(k)中对应位置的序列进行相加，得到

步骤2.7、将X″′_0-odd(k)和X″₀(k)中对应位置的序列进行相加，得到X₁(k)，序列结构式如图2所示。

步骤三、调制处理后，接收端接收到的第k个子载波序列组为Y(k)、第k+1 个子载波序列组为Y(k+1)，对Y(k)做映射处理：Y′(k)＝2[Y(k)-Y(k+1)]。

所述步骤三包括：

步骤3.1、，计算Y(k)、Y(k+1)，k为波数，0≤k≤N-1，

其中，n_k为高斯白噪声，S(m-k)为第k个子载波在第m个子载波上产生的ICI干扰序列。

步骤3.2、采用反映射法对接收端接收到的子载波序列Y(k)、Y(k+1)进行解调还原

由Y′(k)的表达式可以看出，通过差运算可以消除ICI，并且不会降低频谱利用率。在本发明实施例中，可以继续利用Y′(k)进行信道解码。

发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明 技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。