一种OFDMA分布式模式下行链路梳状谱快速提取方法与流程

本发明涉及通信信号处理领域，具体涉及一种针对正交频分多址(ofdma)通信系统分布式子载波分配模式下行链路用户终端接收解调时梳状谱的快速提取方法。

背景技术：

正交频分多址(ofdma)是lte、4g和ieee802.16m等移动通信系统下行链路的主流多址方案。ofdma将整个频带分割成许多子载波，将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道，从而能够有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落。通过给不同的用户分配不同的子载波，用户间子载波满足相互正交，可以同时接入系统。ofdma可采用两种子载波分配模式：集中式和分布式。集中式将若干连续子载波分配给一个用户，分布式中分配给一个用户的子载波分散到整个频带，从而形成梳状频谱。集中式可以降低信道估计的难度，但这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差；而分布式则可以利用子载波间较远的间隔使得彼此之间频率选择性衰落相关性更弱，从而获得较强的分集增益，用户平均性能较好，但这种方式下信道估计较为复杂。两种方式可根据实际情况进行灵活选择。本专利主要研究ofdma通信系统分布式子载波分配模式下行链路中用户终端接收解调时梳状谱的提取问题。当前的主流方法是采用常规的基2或分裂基等快速傅里叶变换方法fft提取所有子载波上承载的数据，本发明对常规fft方法上进行裁剪，实现了在梳状频点上数据的快速提取。

技术实现要素：

本发明的目的在于改善现有技术的缺点与不足，提供一种针对正交频分多址(ofdma)通信系统分布式子载波分配模式下行链路用户终端接收解调时梳状谱的快速提取方法。

假设系统总的子载波个数为n，所有子载波分成长度为p(p＝2^m)的l块，即n＝l×p，每个用户在每块p个载波中相同位置开始占用连续的m(m＝2^d<p)个子载波，用户信号成梳状频谱，用户终端接收处理只需提取出分配给它的l×m个子载波上承载的数据，其余子载波上的数据与该用户无关无需提取。当前的方法是采用常规的基2或分裂基等快速傅里叶变换方法(fft)提取所有子载波上承载的数据，本发明对常规fft方法上进行裁剪，实现了所需频点上数据的快速提取；限制p与m均为2的幂的情况。本发明基于变换分解与蝶形图裁剪实现了dft梳状谱的快速求解。具体方法是，利用变换分解方法将n个输入数据分解为l个长度为p点的块分别进行dft运算，利用基于时间抽取dit的分裂基裁剪方法简化计算这l个长度为p的dft块，通过将由输出频移带来的额外旋转运算分散到各级运算本身的旋转因子上，以及在一些级上进行裁剪的蝶形运算，实现了快速运算方法，从而在用户终端实现对分配给该用户的所有梳状频点的快速提取，大大降低了运算复杂度。

具体地，对n个输入数据[x(0),x(1),x(2),…,x(n-1)]，计算其离散傅里叶变换的梳状输出；记n个输入数据的n点dft为[x(0),x(1),x(2),…,x(n-1)]，将输出的n个数据分为长度为p的l块，设某用户在每块中占据从第k个位置到第k+m-1位置的m个连续频点；对该用户来说l块总的l×m个输出数据记为[x(k),x(k+1),…,x(k+m-1)；x(p+k),x(p+k+1),…,x(p+k+m-1)；…；x((l-1)p+k),x((l-1)p+k+1),…,x((l-1)p+k+m-1)]；特别地，本发明中每块输出数据中任意连续的m个数据也包括这m个数据为圆周循环连续的情况，即在每块输出数据中首尾相连的m个数据也属于需考虑的情况；本技术方案将输入数据利用变换分解方式同样分为长度为p的l块，第r块记为[xr-1(0),xr-1(1),…,xr-1(p-1)]，r＝1,…,l；每块的计算采用分级方式实现，每块输入数据一共有m级，即p＝2^m，其中有d级运算不能裁剪，即m＝2^d；第r块的第t级计算的输出记为[x(r-1),t(0),x(r-1),t(1),…,x(r-1),t(p-1)]，t＝1～m，其中第t级的输出即为第t+1级的输入，第r块第m级输出的前m个连续数据是该块的运算结果；

所求的每块输出数据中任意连续的m个数据，将它向左循环移位移动k位变到输出端的第0到m-1位；根据离散傅里叶变换的性质，输出端的循环左移k位等价于对每块的输入端每个数据进行旋转，即对第n个输入数据乘以频移旋转因子n＝0,…,p-1；将该频移旋转因子分散到分裂基方法蝶形图各级本来的旋转因子上，快速求解分块dft梳状谱输出，从而实现对分配给用户的所有梳状频点的快速提取，具体包括以下步骤：

步骤1.对n个时输入数据，利用变换分解的方式分成l个长度为p的块；

步骤2.对l个长度为p的块，计算每块数据的分裂基蝶形图总级数m和不需要裁剪的级数d，并将每块输入数据的序号进行比特逆序；

步骤3.对l个长度为p的块，计算每块第1级中所有的时间抽取基2蝶形；

步骤4.对l个长度为p的块，计算每块第2级到第d级中的所有时间抽取分裂基蝶形；

步骤5.对l个长度为p的块，按照分裂基裁剪方法计算每块第d+1级到最后一级第m级的所有裁剪的分裂基蝶形；

步骤6.将上述步骤得到的l个长度为p的输出块进行重组，得到所需要的梳状的输出。

进一步地，步骤1中，对n点的输入，将序列{x(ln1)},n1＝0,…,p-1映射到第一个长度为p的块中，分别记为x0(0),x0(1),…,x0(p-1)；将序列{x(ln1+1)},n1＝0,…,p-1映射到第二个长度为p的块中，分别记为x1(0),x1(1),…,x1(p-1)；…；将序列{x(ln1+l-1)},n1＝0,…,p-1映射到第l个长度为p的块中，分别记为分别记为xl-1(0),xl-1(1),…,xl-1(p-1)。

步骤2中，对每块中p点的输入dit分裂基蝶形图总的级数m点任意连续的输出，不需要裁剪的级数需要裁剪的级数为m-d。对第r块的输入{xr-1(0),xr-1(1),xr-1(2),…,xr-1(p-1)}的序号进行比特逆序，具体就是将0,1,…,p-1这p个序号以m级二进制表示，再将这些二进制数码进行翻转，并表示成新的十进制序号。按照新的十进制序号重新排序输入序列中元素的顺序，并记为{x(r-1)0(0),x(r-1)0(1),…,x(r-1)0(p-1)}，这将是第r块第1级运算的输入。

步骤3中，分别计算l个长度为p的块中每块的第1级中所有的时间抽取基2蝶形。对于第r块而言，执行第1级中所有的时间抽取基2蝶形运算。时间抽取基2蝶形的计算公式可表示为：

其中p和q＝p+1表示蝶形单元运算的上下节点的序号。只有p＝2×4^a-2+b×4^a+1处的基2蝶形需要计算，其中a＝0,1,2，…；b＝0,1,2,…；使p＜p-1。

步骤4中，分别计算每块第2级到第d级中的所有时间抽取分裂基蝶形。对于第r块而言，第2级到第d级执行时间抽取分裂基蝶形运算。分裂基蝶形中t表示所在第t级，ni表示分裂基所在的旋转因子块的大小，其中ni＝2^t，2≤t≤m。输入端频移旋转因子wp-kn分散到第2级到第d级本来的旋转因子之后的旋转因子为

其中

q(u)＝(u-k)·2^(m-t)，u＝0,1,…,2^t-2-1，t＝2,…,m.公式(3)

特别地，当u＝0时，φ(u)与φ(3u)分别为第t级分裂基所在旋转因子块的第一个分裂基蝶形的旋转因子；u＝1时，φ(u)与φ(3u)分别为第t级分裂基所在旋转因子块的第二个分裂基蝶形的旋转因子，以此类推。时间抽取的分裂基蝶形的计算公式可表示为:

这里的j为虚数单位，

n＝ni×4^a+1-ni+2b×ni×4^a+1+u公式(5)

其中a＝-1,0,1,2，…；b＝0,1,2,…；u＝0,1,…,2^t-2-1，使得n＜p-3ni/4。

对第2级到第d级的所有时间抽取分裂基蝶形按照这个公式进行完整的分裂基蝶形运算。

步骤5中，分别计算每块第d+1级到最后一级第m级的所有裁剪的分裂基蝶形。对于第r块而言，按照时间抽取的分裂基裁剪方法，对第d+1级到最后一级第m级的分裂基均采用输出裁剪的方式进行裁剪的蝶形运算，具体的裁剪方式为：

在第d+1级中，仅仅计算时间抽取分裂基蝶形的前两个输出，裁剪时间抽取分裂基蝶形的后两个输出，这前两个输出为xt(n)与分裂基蝶形中t表示所在第t级，ni表示分裂基所在的旋转因子块的大小，其中ni＝2^d+1，频移旋转因子分散到第d+1级本来的旋转因子之后的旋转因子φ(u)与φ(3u)按公式(2)及公式(3)计算。n按公式(5)计算。本步裁剪分裂基蝶形的计算公式可表示为:

第d+2级到最后一级第m级的各级中，对于每一级的每一个旋转因子块计算前m个分裂基蝶形，而每个分裂基蝶形仅仅计算第一个输出。其中ni＝2^t，t＝d+2,…,m，频移旋转因子分散到第d+2级到最后一级第m级本来的旋转因子之后的旋转因子φ(u)与φ(3u)按公式(2)及公式(3)计算，只是u的取值范围为u＝0,1,…,m-1。本步裁剪分裂基蝶形的计算公式可表示为:

其中，n按公式(5)计算，只是u的取值范围为u＝0,1,…,m-1。

步骤6中，将l个长度为p的块进行重组操作，得到我们所需要的梳状的输出。l个长度为p的块中，我们利用每块中前m个数据重组出我们需要的输出，利用下式求出最终所需要的梳状谱输出[x(k),x(k+1),…,x(k+m-1)；x(p+k),x(p+k+1),…,x(p+k+m-1)；…；x((l-1)p+k),x((l-1)p+k+1),…,x((l-1)p+k+m-1)]。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提供一种正交频分多址(ofdma)通信系统分布式子载波分配模式下行链路用户终端接收解调时梳状谱的快速提取方法，可以对dft的输出为等间距的连续梳状谱进行快速的求值，相对于常规的必须完全求出所有点数值的基2和分裂基等fft方法，将大量降低时间复杂度。

2、本发明提出将n点dft通过变换分解的方式分解为更小块分别进行dft运算，另外各块的dft运算输出端的频移对输入端产生的旋转，巧妙的分散到时间抽取dit蝶形图各级本来的旋转因子上，并结合了分裂基的输出裁剪，大大降低了运算的复杂度，在信号处理或者图像处理等领域需要求dft在梳状谱输出点的值，并且对时间复杂度的要求较高时，均可使用本方法代替传统的fft运算。

附图说明

图1为本发明所述的ofdma分布式子载波分配模式下行链路用户信号梳状谱图。

图2为本发明所述的时间抽取基2和分裂基蝶形图。

图3为本发明所述的时间抽取分裂基两种裁剪蝶形图。

图4为本发明所述的16点时间抽取dit分裂基蝶形图。

图5为本发明所述的梳状频谱输出提取的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

假设一个正交频分多址ofdma通信系统总的子载波个数为n个，所有子载波分成长度为p的l块，每个用户在每块p个载波中占用从第k个位置到第k+m-1位置的m个连续数据，用户信号成梳状频谱，如图1所示。用户终端接收处理只需提取出分配给它的l×m个子载波上承载的数据，其余子载波上的数据与该用户无关无需提取。

ofdma通信系统分布式子载波分配模式下行链路用户终端接收解调时梳状谱的快速提取方法，具体以n＝48点，分解因子l＝3，块长p＝16，每块从第k＝6点开始连续输出m＝4点为例进行说明，包括以下步骤：

步骤1.对n点的输入，利用变换分解的方式将n点映射到l个长度为p的块中。

进一步的，步骤1中，对n点的输入，将序列{x(ln1)},n1＝0,…,p-1映射到第一个长度为p的块中分别记为x0(0),x0(1),…,x0(p-1)；将序列{x(ln1+1)},n1＝0,…,p-1映射到第二个长度为p的块中分别记为x1(0),x1(1),…,x1(p-1)；…；将序列{x(ln1+l-1)},n1＝0,…,p-1映射到第l个长度为p的块中分别记为分别记为xl-1(0),xl-1(1),…,xl-1(p-1)。

更进一步的，步骤1中，如图5中的(a)到(b)过程，将x(0),x(3),x(6),x(9),…,x(45)映射到第一个长度为16的块中记为x0(0),x0(1),x0(2),x0(3),…,x0(15)；将x(1),x(4),x(7),x(10),…,x(46)映射到第二个长度为16的块中记为x1(0),x1(1),x1(2),x1(3),…,x1(15)；将x(2),x(5),x(8),x(11),…,x(47)映射到第三个长度为16的块中记为x2(0),x2(1),x2(2),x2(3),…,x2(15)。

步骤2.对l个长度为p的块，计算每块分裂基蝶形图总级数和需要裁剪的级数，并将每块的输入点进行比特逆序。

进一步的，步骤2中，对每块中p点的输入dit分裂基蝶形图总的级数为m点任意连续的输出，不需要裁剪的级数为需要裁剪的级数为m-d。对第r块的输入{xr-1(0),xr-1(1),xr-1(2),…,xr-1(p-1)}的序号进行比特逆序，具体就是将0,1,…,p-1这p个序号以m级二进制表示，再将这些二进制数码进行翻转，并表示成新的十进制序号。按照新的十进制序号重新排序输入序列中元素的顺序，并记为{x(r-1)0(0),x(r-1)0(1),…,x(r-1)0(p-1)}，这将是第r块第1级运算的输入。

更进一步的，步骤2中，用第一块中的16点数据作说明，如图4所示的是16点输入m＝4点任意连续输出的时间抽取dit蝶形图。16点dit蝶形共有4级，不需要裁剪的级数为第1级与第2级，需要裁剪的级数为第3级和第4级。将这16个输入点进行比特逆序，再按照新的十进制序号对输入值调整顺序，得到相应的新的十进制序号分别为x00(0)(＝x0(0)),x00(1)(＝x0(8)),x00(2)(＝x0(4)),x00(3)(＝x0(12)),x00(4)(＝x0(2)),x00(5)(＝x0(10)),x00(6)(＝x0(6)),x00(7)(＝x0(14)),x00(8)(＝x0(1)),x00(9)(＝x0(9)),x00(10)(＝x0(5)),x00(11)(＝x0(13)),x00(12)(＝x0(3)),x00(13)(＝x013(11)),x00(14)(＝x0(7)),x00(15)(＝x0(15))。

步骤3.对l个长度为p的块，计算每块第1级中所有的时间抽取基2蝶形。

进一步的，步骤3中，分别计算每块第1级中所有的时间抽取基2蝶形，就对于第r块而言，执行第1级中所有的时间抽取基2蝶形运算。时间抽取基2蝶形的计算公式可表示为：

其中p和q＝p+1表示蝶形单元运算的上下节点的序号。只有p＝2×4^a-2+b×4^a+1处的基2蝶形需要计算，其中a＝0,1,2，…；b＝0,1,2,…；使p＜p-1。

更进一步的，步骤3中，分别计算每块第1级中所有的时间抽取基2蝶形，就对于第1块而言，按照p的计算公式，图4中x00(0)和x00(1),x00(4)和x00(5),x00(6)和x00(7)、x00(8)和x00(9)、x00(12)和x00(13)分别对应基2蝶形的两个输入端。k＝6时，基2蝶形结合偏移系数后的旋转因子为(-1)⁶＝1，按照公式(1)可计算出第一级各个基2蝶形的输出值。

步骤4.对l个长度为p的块，计算每块第2级到第d级中的所有时间抽取分裂基蝶形。

进一步的，步骤4中，分别计算每块第2级到第d级中的所有时间抽取分裂基蝶形，就对于第r块而言，第2级到第d级执行时间抽取分裂基蝶形运算。分裂基蝶形中t表示所在第t级，ni表示分裂基所在的旋转因子块的大小，其中ni＝2^t，2≤t≤m。输入端频移旋转因子分散到第2级到第d级本来的旋转因子之后的旋转因子

其中

q(u)＝(u-k)·2^(m-t)，u＝0,1,…,2^t-2-1，t＝2,…,m.公式(3)

特别地，当u＝0时，φ(u)与φ(3u)分别为第t级分裂基所在旋转因子块的第一个分裂基蝶形的旋转因子；u＝1时，φ(u)与φ(3u)分别为第t级分裂基所在旋转因子块的第二个分裂基蝶形的旋转因子，以此类推。时间抽取的分裂基蝶形的计算公式可表示为:

这里，j为虚数单位，

n＝ni×4^a+1-ni+2b×ni×4^a+1+u公式(5)

其中a＝-1,0,1,2，…；b＝0,1,2,…；u＝0,1,…,2^t-2-1，使得n＜p-3ni/4。

对第2级到第d级的所有时间抽取分裂基蝶形按着这个公式进行完整的分裂基蝶形运算。

更进一步的，步骤4中，分别计算每块第2级到第d级中的所有时间抽取分裂基蝶形，就对于第1块而言，16点输入4点任意连续输出的dit分裂基蝶形图，仅第二级全是完整的时间抽取分基蝶形，第二级的分裂基所在的旋转因子块的大小ni＝4，n的取值按照公式(5)可得出分别为0，8，12，u＝0。n为0，8，12时对应的旋转因子按公式(2)与公式(3)均为与此时第二级的各个分裂基蝶形的输出可按照公式(4)计算出。

步骤5.对l个长度为p的块，按照分裂基裁剪方法计算每块第d+1级到最后一级第m级的所有裁剪的分裂基蝶形。

进一步的，步骤5中，分别计算每块第d+1级到最后一级第m级的所有裁剪的分裂基蝶形，就对于第r块而言，按照时间抽取的分裂基裁剪方法，对第d+1级到最后一级第m级的分裂基均采用输出裁剪的方式进行裁剪的蝶形运算，具体的裁剪方式为：在第d+1级中，仅仅计算时间抽取分裂基蝶形的前两个输出，裁剪时间抽取分裂基蝶形的后两个输出，这前两个输出为xt(n)与分裂基蝶形中t表示所在第t级，ni表示分裂基所在的旋转因子块的大小，其中ni＝2^d+1，频移旋转因子分散到第d+1级本来的旋转因子之后的旋转因子φ(u)与φ(3u)按公式(2)及公式(3)计算。n按公式(5)计算。本步裁剪分裂基蝶形的计算公式可表示为:

第d+2级到最后一级第m级的各级中，对于每一级的每一个旋转因子块计算前m个分裂基蝶形，而每个分裂基蝶形仅仅计算第一个输出。其中ni＝2^t，t＝d+2,…,m，频移旋转因子分散到第d+2级到最后一级第m级本来的旋转因子之后的旋转因子φ(u)与φ(3u)按公式(2)及公式(3)计算，只是u的取值范围为u＝0,1,…,m-1。本步裁剪分裂基蝶形的计算公式可表示为:

其中，n按公式(5)计算，只是u的取值范围为u＝0,1,…,m-1。

更进一步的，步骤5中，按照分裂基裁剪方法计算每块第d+1级到最后一级第m级的所有裁剪的分裂基蝶形。就对于第一块而言，第3级和第4级的分裂基均采用输出裁剪方式进行裁剪的蝶形运算，具体方式：在第3级中，仅仅计算时间抽取分裂基蝶形的前两个输出。第3级的分裂基所在旋转因子块大小为ni＝8，按照公式(5)可得出n的取值，当u＝0时，n＝0；当u＝1时，n＝1。因此分裂基蝶形的两个裁剪后的输出分别为x03(0)与x03(2)，x03(1)与x03(3)。输出为x03(0)与x03(2)的蝶形的旋转因子为和输出为x03(1)与x03(3)的蝶形的旋转因子按公式(2)与公式(3)为和利用公式(6)可计算第3级分裂基蝶形的前两个输出。而在第4级，仅仅计算时间抽取分裂基蝶形的第一个输出。其中第4级的分裂基所在旋转因子块的大小ni＝16，在第4级中，按照公式(5)可得出n的取值，当u＝0时，n＝0，对应输出为x04(0)；当u＝1时，n＝1，对应输出为x04(1)；当u＝2时，n＝2，对应输出为x04(2)；当u＝3时，n＝3，对应输出为x04(3)。按公式(2)与公式(3)，输出为x04(0)的蝶形的旋转因子为和输出为x04(1)的蝶形的旋转因子为和输出为x04(2)的蝶形的旋转因子为和输出为x04(3)的蝶形的旋转因子为和利用公式(7)可计算出第4级4个分裂基蝶形的第一个输出。其他所有的输出都是不用计算的。

步骤6.将l个长度为p的块进行重组操作，得到我们所需要的梳状的输出。

进一步的，步骤6中，将l个长度为p的块进行重组操作，得到我们所需要的梳状的输出。l个长度为p的块中，我们利用每块中前m个数据重组出我们需要的输出，利用下式求出最终所需要的梳状谱输出[x(k),x(k+1),…,x(k+m-1)；x(p+k),x(p+k+1),…,x(p+k+m-1)；…；x((l-1)p+k),x((l-1)p+k+1),…,x((l-1)p+k+m-1)]。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。