正交频分复用60千兆赫毫米波光载无线电系统的补偿方法与流程

本发明涉及光载无线电领域，特别是一种正交频分复用60千兆赫毫米波光载无线电系统的均衡补偿方法。

背景技术：

近年来，随着高速互联网和高清电视等宽带多媒体业务的推广和发展，未来的无线通信将需要提供更大的通信带宽，并保证每个用户的低成本接入。在这样的背景下，频率高、潜在应用带宽大的60千兆赫/吉赫(ghz)毫米波通信成为了一项很有竞争力的备选技术。但是ghz正处于氧气的吸收峰，传输损耗大，它可以用于实现无线短距离、高带宽的数据传输，并支持非常小的蜂窝结构，60ghz毫米波由于具有超宽的、无需频率许可的频谱资源，且传输损耗大可用于室内微蜂窝的部署，在近年来受到了广泛关注。但是也正是由于其在空气中里传输损耗太大，60ghz毫米波很难实现远距离的接入布网，使得将光通信和无线通信相结合的毫米波光载无线(rof)接入技术可以提供很好的解决方案。所以在rof近几年受到世界各国的高度重视。它通过合并无线电系统的各项功能于一个集中的数据收发器，让所有的基站连接到这个功能集中的中心站，来实现系统结构的简化，可充分利用光纤传输特有的低损耗和高带宽，减低系统成本。由于先进调制格式能够提高频带利用率，并可减小系统光纤非线性效应和偏振模色散的影响，成为高速长距离光传输领域的研究热点。

对于rof在高速宽带无线通信中的应用研究，近年来正交频分复用(ofdm)调制技术就有高频谱效率、抗多径等优点，将ofdm调制引入到60ghz毫米波rof接入系统中，利用其频谱效率高、支持多进制调制格式的特点提升系统的传输速率。但是光链路色散不但会带来射频(rf)信号的周期性衰落问题，而且会影响基带数据信号的传输性能，产生基带信号的波形失真，从而限制了光载射频信号的传输距离，限制了rof系统的传输容量。有研究表明光纤中的色散(cd)和偏振模色散(pmd)可以视为无线通信中的多径效应，ofdm在无线通信中的信道均衡可以用于光信道。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种正交频分复用60千兆赫毫米波光载无线电系统的补偿方法，从时域获得信道的初始估计，再利用信号的有限字符集特性从频域提高信道精度。不需要较长时间的数据积累又不用经过奇异值分解或全排列的复杂运算即可得到较高精度的信道估计。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种正交频分复用60千兆赫毫米波光载无线电系统的补偿方法，包括如下步骤：

1)定义f＝[fcp,fm]^h表示实现ifft和循环前缀cp扩展的大小为p×m的矩阵，其中fcp为fm的最后l列组成的大小为m×l的矩阵，m为ofdm符号长度，上标h表示共轭转置，l为cp长度，p＝m+l；h0为第一列为[h0,...,hl,0,...,0]^t、第一行为[h0,0,...,0]^t的p×p的下三角形的toeplitz矩阵，h1为第一列为[0,...,0]^t、第一行为[0,...,0,hl,...,h1]的p×p的上三角形的toeplitz矩阵，h0,...,hl为信道冲激响应对应的l+1个系数；；fm表示因子为的m点fft矩阵，k为正整数，k∈[0,m-1]的正整数，π为圆周率，e为自然数，j为虚数单位；确定如下发射符号块与接收符号块之间的关系：t表示转置；为逆傅里叶变换矩阵调制后输出的第i个向量；

2)在接收端通过变换矩阵r去掉保护间隔获得信号y(i)：

y(i)＝rh0t1sm(i)+rh1t1sm(i-1)；

其中，r＝rcp＝[0m×(p-m),im]，icp由im的最后l行构成，im表示大小为m的单位矩阵；

3)将x(i),s(i)分别分成3个子向量x(i)＝[x0(i)^t,x1(i)^t,x2(i)^t]^t，s(i)＝[s0(i)^t,s1(i)^t,s2(i)^t]^t；其中：x(i),s(i)中，第1和第3个子向量为l×1的向量；第2个子向量为m×1的向量，s0(i)对应cp，即s0(i)＝s2(i)，

并定义：x2(i-1)^t,x0(i)^t]^t，

设s0(i-1)＝s2(i-1)，

s0(i)＝s2(i)，则

4)计算的二阶统计特性：

其中end表示结尾，符号:表示逐一增加；σ²表示的方差；e[.]表示求期望运算，n表示数据的总长度。

则：

由于r＝rzp＝[im,izp]，其中izp由im的前l列构成，h1tzp＝0，则：

计算xzp的二阶统计特性：

则有：

省略下标，将统一表示为：

r(1:l+1,1)＝σ²h0^*[h0,...,hl]^t

这里上标*表示共轭；

6)接收端接收的数据经过fft生成数据：

式中dh＝diag[h(e^j0),h(e^j(2π/m)),...,h(e^{j(2π/m)(m-1)})]，diag[h(e^j0),h(e^j(2π/m)),...,h(e^{j(2π/m)(m-1)})]为主对元元素依次为h(e^j0),h(e^j(2π/m)),...,h(e^{j(2π/m)(m-1)})、其余元素均为0的矩阵；h(e^j0),h(e^j(2π/m)),...,h(e^{j(2π/m)(m-1)})是对应的的fft变换所得结果；r＝r(1:l+1,1)；

记he＝r(1:l+1,1)，对he取fft变换得：

he_fft＝σ²h0^*[h(e^j0),...,h(e^j(2π/m)m)]

he_fft(1)/(σ²h0^*)＝y(1)/λ0，得

7)用作为信道估计的初始值；

8)利用下式提高信道的精度：

q为星座大小，y(m)表示信道的第m个输出值，表示估计出的相位模糊量。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明从时域获得信道的初始估计，再利用信号的有限字符集特性从频域提高信道精度。本发明的方法既不需要较长时间的数据积累又不用经过奇异值分解或全排列的复杂运算即可得到较高精度的信道估计。

附图说明

图1是实现多进制60ghzofdm-rof的系统配置图；

图2是本发明用到的ofdm接收机的数字信号处理框图；

图3是本发明ofdm通信系统的离散模型；

图4是传输56km光纤后不同信噪比(snr)情况下16qam信号的均衡结果；

图5在ofdm系统中信噪比snr＝15db情况下，本发明均衡后信号星座图。

具体实施方式

一个典型的毫米波光载无线电(rof)接入系统主要由中心站、基站和用户终端3个部分组成。中心站与基站之间通过光纤连接，传输光载毫米波信号；基站和用户终端之间则为毫米波无线通信。中心站的主要功能是实现下行链路中的毫米波光产生、基带信号的上变频和上行链路信号的接收处理；基站的主要功能是实现光电信号转换，发送下行信号，并将用户上行电信号转变成光信号回传中心站。多进制60千兆赫兹(ghz)正交频分复用(ofdm)rof系统采用文献[张诚,基于正交频分复用的宽带光/电混合接入系统研究,博士论文,北京大学，2013]的系统配置(如图1所示)，图1中，tl：可调激光器；mzm：马赫-曾德尔；调制器；pc：偏振控制器；voa：可调光衰减器；obpf：光带通滤波器；pd：光电二极管；fm：倍频器；lna：低噪声放大器；osa：光谱仪；edfa：掺铒光纤放大器。

本发明的正交频分复用60千兆赫毫米波光载无线电系统的均衡补偿方法包括如下几个步骤：

(1)采用如图2所示的ofdm接收机的数字信号处理方法端，从60ghz毫米波下变频后的ofdm信号被泰克采样示波器进行相应的速率采样。

采用图3所示的ofdm通信系统的离散模型。设m为ofdm符号长度(即快速傅里叶变换(fft)点数)，第i个符号为该符号是被逆傅里叶变换(ifft)矩阵调制后的输出，这里fm表示因子为的m点fft矩阵(上标(～)表示信号在ifft之前的频域性质，π为圆周率，e为自然数，j为虚数单位，上标t和h分别表示转置和共轭转置)，

其中上标h表示共轭转置。

那么，调制结果为一个“时域”向量：加上循环前缀(cp)，设cp长度为l，则生成长度为p＝m+l的信号矢量经过串并变换以后，scp(i)被串行发送到信道hm＝[h0,...,hm-1]^t中去，本发明中信道建模为有限长滤波器(fir)，并忽略加性噪声。

(2)获得发送信号与接收符号的关系。

定义f＝[fcp,fm]^h表示实现ifft和cp扩展的大小为p×m的矩阵，其中fcp为fm的最后l列组成的大小为m×l的矩阵。h0为第一列为[h0,...,hl,0,...,0]^t第一行为[h0,0,...,0]^t的p×p的下三角形的toeplitz矩阵，h1为第一列为[0,...,0]^t第一行为[0,...,0,hl,...,h1]的p×p的上三角形的toeplitz矩阵，h0,…,hl为信道的抽头。

考虑到则发射符号块与接收符号块之间的关系可以用如下的等式来描述：

(3)接收端通过变换矩阵r去掉保护间隔，获得去除间隔后的接收信号表达式。

在接收端我们可以通过变换矩阵r去掉保护间隔获得信号y(i)：

y(i)＝rh0tsm(i)+rh1tsm(i-1)(5)

其中h0，h1与前述定义相同，r＝rcp＝[0m×(p-m),im]，其中icp由im的最后l行构成(im表示大小为m的单位阵)

(4)将x(i),s(i)分成3个子向量

将x(i),s(i)分成3个子向量x(i)＝[x0(i)^t,x1(i)^t,x2(i)^t]^t，s(i)＝[s0(i)^t,s1(i)^t,s2(i)^t]^t；其中：第1和第3个子向量为l×1的向量；第2个子向量为m×1的向量，因此s0(i)对应cp，即s0(i)＝s2(i)。并定义：则：

这里

设：因为s0(i-1)＝s2(i-1)，s0(i)＝s2(i)，所以有：

这里

(4)计算的二阶统计特性：

其中fm(1:m-l,:)]，end表示结尾，符号:表示逐一增加；σ²表示的方差。

然后可以得到：

由于r＝rzp＝[im,izp]，其中izp由im的前l列构成，容易看出h1tzp＝0，则：

计算xzp的二阶统计特性：

则有：

省略下标，将式(12)和(16)用式(17)统一表示：

r(1:l+1,1)＝σ²h0^*[h0,...,hl]^t(17)

这里上标*表示共轭。

接收端接收的数据经过fft生成数据：

式中是对应的的fft变换所得结果。

记he＝r(1:l+1,1)，对he取fft变换得：

he_fft＝σ²h0^*[h(e^j0),...,h(e^j(2π/m)m)](19)

比较式(17)和(18)可看出，he_fft(1)/(σ²h0^*)＝y(1)/λ0，得

与真实信道的傅立叶变换只相差一个系数，用它作为信道估计的初始值，通过式(21)来提高信道的精度，最终的信道与真实信道相差一个相位模糊因子，可用作为信道估计的初始值。

(5)进而通过

来提高信道的精度，使最终得到的值与真实信道相差一个相位模糊因子。这里y(m)表示信道的第m个输出值；表示估计出的相位模糊量；q为星座大小。

下面对上述ofdm系统的仿真和性能分析。1550纳米(nm)波长、4.3gb/s-16qam、传输长度7km，采用g.655单模光纤。对于下行ofdma信号，fft的长度为256，其中210个用于信道传输，剩下的用作信道保护。循环前缀长度为16。传输的ofdma数据中，每32个符号中有2个符号用于进行信号估计。图4是传输56km光纤后不同信噪比(snr)情况下16qam信号的均衡结果，具有比较满意的估计结果。图5在ofdm系统中信噪比snr＝15db情况下，本发明均衡后的信号星座图。