60GHz毫米波通信系统中重叠剪切均衡器的实现方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，主要是超高速毫米波通信中的低复杂度均衡器实现技术。

背景技术：

从上世纪八十年代开始，蜂窝无线通信经历几代技术的飞速发展，每十年就有新的一代移动通信技术诞生，系统传输速率也从最初的每秒几千比特发展到目前的每秒上百兆比特，大大提高了人们交流沟通和获取信息的能力。但是随着移动通信数据量的迅猛增加以及智能终端的广泛普及，传统移动蜂窝无线通信系统正面临着如何满足未来通信高速率、低延迟和大容量要求的挑战。因此，在未来移动通信系统的架构里，频带在30ghz到300ghz的毫米波短距离通信系统将起到非常重要的作用。随着全球众多国家和地区相继在60ghz频率附近开放了免许可频段，大量学术界和工业界的研究者投入到对60ghz无线通信技术的研究工作中，这也使得60ghz无线通信技术成为未来移动通信最具潜力的技术之一。

在通信传输系统中，均衡器设计的好坏会直接影响到基带接收机的性能。均衡就是为了抵消传输信道的各种失真对传输信号的影响，所以，在设计接收机均衡器时，通常是要根据传输信道的特性进行设计。对于60ghz短距离通信系统，由于传输环境存在时变多径衰落，信号在高速传输过程中会受到不同程度的时延扩展，从而产生码间干扰(intersymbolinterference,isi)，ieee802.11ad标准提出调制带宽为1.76ghz，在如此宽的频谱范围内，无法保证信道的平坦性，同时由于60ghz系统的传输速率极高，这都基带高速均衡算法的实现提出了挑战。

在单载波系统中，普遍使用时域均衡算法，但是根据ieee802.11ad标准，60ghz信道的最长时延为64个符号，使用时域均衡算法需要较多的抽头才能实现，这就使得频域均衡成了更好的选择。图1为使用802.11ad帧格式，t/2符号级间隔采样下的传统带循环前缀的单载波频域均衡(singlecarrierfrequencydomainequalization,sc-fde)框图。

从图1可以看出，采用传统频域均衡算法，需要使用1024点的fft/ifft变换对，再加上60ghz系统高达吉比特每秒的采样频率，必然要求在fpga(field－programmablegatearray)实现上采用并行处理，例如一块工作在220mhz下的fpga芯片，为了3.52gs/s的吞吐率，需要采用16路并行的设计才能实现，这将极大增加硬件平台实现的资源消耗。所以传统的频域均衡算法已经不能满足基带芯片小型化，低功耗化的需求，采用低复杂的基带均衡算法势在必行。

技术实现要素：

为了应对60ghz短距离无线通信提出的高速信号实时处理的挑战，必须要考虑降低均衡器实现的复杂度，在均衡器的实现上，最消耗资源的就是fft/ifft变换对。传统的带循环前缀的频域均衡算法在802.11ad帧格式，t/2符号级间隔采样下，需要1024点长度的fft/ifft变换对，且要求并行处理，这对硬件逻辑资源的消耗极大，需要降低fft/ifft变换对的点数才能有效控制资源消耗，为此可以使用重叠剪切均衡算法。但是采用128点fft/ifft变换对长度的重叠剪切均衡算法在60ghz信道下的性能并不理想，不能满足实际需求。为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种60ghz毫米波通信系统中重叠剪切均衡器的实现方法。

为了方便地描述本发明的内容，首先对本发明中所使用的概念和术语进行定义。

重叠剪切均衡：重叠剪切均衡法是一种无需循环前缀(cyclicprefix,cp)和边界补零(zero-padding,zp)的低复杂度频域均衡方法。其核心思想在于将发送信号通过信道后的线性卷积的结果，当作循环卷积去处理，这样便能利用高效的fft/ifft变换对来进行频域均衡，其中虽然会存在一定误差，但只要舍去结果中误差较大的一部分，就能在较低资源开销的情况下得到较好的性能。

mmse均衡算法：基于最小均方误差的mmse算法，其主要思想是使发送信号与均衡器输出信号差异的均方误差最小。

60ghz毫米波通信系统中重叠剪切均衡器的实现方法，具体步骤如下：

s1、通过mmse频域均衡算法计算出均衡系数w[n]，同时得到矩阵其中，w[n]＝[w0,w1,…,wn-1]为mmse频域均衡算法计算得到的均衡系数，n＝0,1,2,3,...,n-1，n；

s2、通过信道估计得到信道的冲击响应序列矩阵：

其中，h0和h1为n*n矩阵，l为信道h(n)的信道冲击响应长度；

s3、设均衡后的信号为y(n)，则，

其中，r(n)＝h0s(n)+h1s(n-1)+z(n)为发送信号s(n)＝[s0(n),s1(n),…sn-1(n)]^t通过信道后接收到的信号，系数为{h0,h1…hl-1}，z(n)为加性高斯白噪声向量；

s3、不考虑噪声的影响，计算出重叠剪切中误差的分布区间e(n)＝-wcirch1s(n-1)+wcirch1s(n-1)；

s4、根据s3所述重叠剪切误差的分布区间e(n)，得到当前60ghz信道下误差的分布情况，并选择误差较小的区间作为有效数据输出。

进一步地，s1所述通过mmse频域均衡算法计算出均衡系数w[n]的具体步骤为：根据公式计算，其中，h(n)为信道h(n)的dft变换，h^*(n)是对h(n)取共轭，es表示信号具有的能量，表示归一化块间干扰的方差，noc为重叠剪切每次处理数据块的点数，τn表示第n条径相对延时的点数，n0是噪声的功率谱密度。

本发明的有益效果是：

克服传统重叠剪切均衡算法在使用相对信道最大时延扩展较小的fft/ifft变换对点数时带来的性能衰减，将修改前的误码绿降低1.5db。

附图说明

图1为802.11ad帧格式，t/2符号级间隔采样下的传统带循环前缀的单载波频域均衡(singlecarrierfrequencydomainequalization,sc-fde)框图。

图2为重叠剪切均衡流程图。

图3为针对60ghz信道的新重叠剪切均衡流程图。

图4为60ghznlos信道下重叠前切干扰分布区间。

图5为重叠剪切均衡算法修改后的性能对比。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图，对本发明方法进行进一步说明。

如图2所示，传统重叠剪切均衡法是一种无需循环前缀(cyclicprefix,cp)和边界补零(zero-padding,zp)的低复杂度频域均衡方法。其核心思想在于将发送信号通过信道后的线性卷积的结果，当作循环卷积去处理，这样便能利用高效的fft/ifft变换对来进行频域均衡，其中虽然会存在一定误差，但只要舍去结果中误差较大的一部分，就能在较低资源开销的情况下得到较好的性能。

设n表示第n个传输的数据块，大小是n*1，于是发送信号表示为

s(n)＝[s0(n),s1(n),…sn-1(n)]^t(1-1)

设信道冲击响应的长度为l，它的系数为{h0,h1…hl-1}，那么通过信道后接收到的信号可以表示为r(n)，由公式(1-2)所示，其中，z(n)是加性高斯白噪声向量，

r(n)＝h0s(n)+h1s(n-1)+z(n)(1-2)

观察公式(1-4)不难发现，第二项是由上一个块带来干扰。

定义hcirc，则公式(1-2)可以进一步写成：

可以看到式(1-6)的第一项为hcircs(n)，这是发送信号与信道的循环卷积形式，后面两项是将线性卷积的形式表现为循环卷积后带来的干扰，实际上第二项可以看作是码间串扰(intersymbolinterference,isi)，第三项是块间干扰(interblockinterference,ibi)。这就意味着，只要将干扰控制得足够小，仍然可以在没有cp或者zp得情况下，使用mmse频域均衡算法进行均衡。在经过频域均衡之后，式(1-6)的中间两项产生的干扰主要存在于均衡输出数据块的两端，基于这样的结论，可以将均衡后数据块两端的部分抛弃，留下中间的数据，从的实现均衡。

图2展现了传统重叠剪切均衡的整个流程。

虽然使用传统重叠剪切均衡算法可以降低fft/ifft变换对的点数，从而降低复杂度，但是60ghz信道和802.11ad标准下，采用低至128点的fft/ifft变换对时，性能衰落很严重。为此本文在60ghz信道下提出了对重叠剪切均衡算法的修改。

假设均衡后的结果为y(n)，那么：

其中wcirc由(1-9)给出，[w0,w1,…,wn-1]为mmse频域均衡算法计算得均衡系数。观察式(1-7)，第一项是发送信号与信道循环卷积再均衡之后的结果，是需要的正确结果，第二项和第三项是将重叠剪切将线性卷积的形式表达为循环卷积的形式带来的干扰。为了简单起见这里我们不考虑噪声的影响，设：

e(n)＝-wcirch1s(n-1)+wcirch1s(n-1)(1-8)

下面将展示在带入了60ghznlos信道实际模型并结合60g接收机实际情况进行仿真后，e(n)的分布情况，主要仿真参数设置如下：

图4展现了利用100条60ghznlos信道仿真得到的e(n)具体分布情况，从图上可以看出在60ghznlos信道下的干扰分布总体上是数据块的中间部分干扰较小，但是干扰并不是均匀分布在数据块的两端，而是左边较轻微，右边较严重。因此通过重叠剪切数据块的干扰分布，可以得出针对实际的60ghz系统，在fft/ifft变换对点数相对信道最大时延扩展较小时，运用重叠切均衡法时，并不是在中间取得最好结果，而是在数据块的相对靠左的位置能取得干扰较小的理想结果。

具体到实际的参数上，就是将原来截取中间[32:95]的64点数据改为截取[14:78]的64点数据，如图3所示。当然于此对应的就是误码率的下降。

从图5中可以看在未修改前，传统mmse重叠剪切均衡算法的性能较差，并且随着信噪比的增加，误码率的下降有逐渐变得缓慢的趋势。在对mmse重叠剪切算法进行修改后，在9db时就取得了误码率10^-3的成绩，误码性能得到了明显的性能提升。