用于确定经由正交频分复用信号传输的符号的方法和设备与流程

本发明涉及一种确定在受到干扰、特别是由移动的传输器和/或接收器引起的干扰的通信信道上使用正交频分复用(ofdm)无线传输的符号的方法。本发明还涉及一种实现该方法的接收器。

背景技术：

1、在移动无线电通信中，通信信道中的雷达感测和卫星通信信号失真对接收信号的正确解码带来了重大问题。信号失真可能包括随时间变化的信道特性，尤其是众所周知的多普勒频移或扩展，即频率分散，其是由移动的传输器、接收器或信号反射器引起的。当传输器和接收器接近时，接收频率会增大，而当传输器与接收器之间的距离增大时，接收频率会减小。在使用ofdm传输数据的通信系统中，由于传输器与接收器之间的相对运动而导致的频移可能会导致频移载波干扰相邻载波，也称为载波间干扰。载波间干扰可能会影响整个ofdm块，并对符号检测功能提出挑战。

2、信号失真也可以是频率选择性的，尤其是由多径传播引起的，即，通信信道可能受到时序分散性的影响。

3、因此，一般来说，实际无线信道的特征是双选择性衰落信道。双选择性信道的高时间和频率分散性会使传输信号显著失真，因此需要有效的信道推定和均衡技术。

4、在具有双选择性衰落的高移动性系统中，衰落时变会破坏子载波之间的正交性并引入载波间干扰，这将严重降低基于ofdm的传输系统的性能。

5、众所周知，在ofdm传输系统中，传输块的不同符号以彼此间隔开的多个子载波频率同时传输。图1示出了ofdm通信系统的示例性表示。在传输器侧，串行二进制数据被输入到信号映射器，该信号映射器例如可以提供按照二进制相移键控(bpsk)、正交相移键控(qpsk)、正交幅度调制(qam)调制方案调制的信号。然后，调制数据的复值被映射到各个子载波上，因此可以并行使用(块：s/p)，并且可以添加或插入一个或多个导频信号。然后对所得到的构成频域中的数据子载波组或块进行逆傅立叶变换，例如逆离散傅立叶变换(块：idft)。逆傅里叶变换将信号从频域变换到时域，这实际上对应于并行-串行转换(块：p/s)。最后添加循环前缀(块：添加cp)，并通过双选择信道(块：h[n；l])传输时域信号。当信号穿过双选择性信道时，在信号到达接收器之前可能会添加噪声和失真(v[n])。

6、在接收器中，循环前缀被移除(块：移除cp)并且从接收到的信号中提取各个载波，这通常涉及对信号进行傅立叶变换，例如离散傅立叶变换(块：dft)。这有效地使得子载波和其中携带的信息可以并行地(即同时)使用。频域中的该信号表示复向量y。接收到的传输块或接收到的传输块现在可用于信道推定和均衡，之后可以将符号解映射为二进制数据并作为串行二进制数据流提供，即用户有效载荷。

7、由于多普勒扩展而产生的分散实际上要求接收器预期在某一频率范围内而不是在某个频率上承载数据符号的子载波。分散的宽度例如随着传输器与接收器之间的相对速度而增加。

8、例如，接收到的传输块可以在频域中由复信号向量y表示。复信号向量y由维度为nx 1的传输复信息向量s和n x n复信道矩阵h决定。因此，信号向量y可以写为

9、y＝hs+v

10、维度为n x 1的复向量v表示可能添加的噪声和失真。

11、图2a)和b)示出了没有和有多普勒扩展的信道矩阵h的元素的示例性表示。图2a)所示的没有多普勒扩展的信道矩阵h是干净的对角矩阵，而在有多普勒扩展的情况下，同一信道矩阵h对角元上的能量在分散宽度bh内扩展到次对角元和超对角元中，如图2b)所示。通过分散，可能不再期望在某个频率处找到接收到的符号，而是可以在整个分散宽度bh内找到接收到的符号。

12、如上所述，在典型的接收器中，在例如通过应用dft将时域中接收的信号转换为频域之后，在信道推定块中推定信道的属性，并在均衡器块中检测或确定符号，然后将它们解映射为二进制数据输出。

13、ofdm接收器中使用的典型均衡器包括最小二乘(ls)均衡器(其尝试通过最小化推定误差的欧几里得范数来检测符号)、最小均方误差(mmse)均衡器(顾名思义，其尝试通过最小化平方推定误差的平均值来检测符号)、消息传递(mp)均衡器(其尝试通过利用消息传递求解一组方程来检测符号)和最大似然序列推定(mlse)均衡器(其尝试找到与传输的序列最接近的序列)。

14、尽管ls、mmse或mp均衡器的复杂性低于mlse均衡器的复杂性，但它们的性能也较低，表现为较高的误码率。然而，mlse均衡器的高复杂性随着bh呈指数级增长，但并不能被其在理想条件下的优越性能所抵消，从而有效地禁止在可能遭受高多普勒扩展的传输系统中使用mlse均衡器。

15、已经提出了用于解决基于ofdm的传输系统中时间和频率分散的不利影响的各种方法。

16、例如，i.barhumi和m.moonen在“通过双选择信道传输的mlse和map均衡(ieeetrans.veh.technol.第58卷,no.8，第4120-4128页，2009年10月)”中提出了一种针对通过双选择信道传输的ofdm信号的迭代信道推定和均衡技术，该技术被建模为复指数基扩展模型(ce-bem)。

17、在“ofdm系统的导频辅助时变信道推定(ieee trans.signal process.，第55卷，no.5，第2226-2238页，2007年5月，z.tang、r.c.cannizzaro、g.leus和p.banelli,)”中提出了一种由ce-bem建模并使用用于符号检测的最小均方误差均衡器的双选择信道的导频辅助时变ce方案。

18、p.raviteja、k.t.phan、y.hong和e.viterbo在“正交时频空间调制的干扰消除和迭代检测(ieee无线通信汇刊，第17卷，no.10，第6501-6515页，2018年10月，doi：10.1109/twc.2018.2860011)”中提出了一种利用延迟域中双选择信道的稀疏性的结构化分布式压缩感知方法。

19、k.zhong、x.lei和s.q.li在“在未知背景噪声下的时频分散信道中运行的mimo-ofdm系统的迭代信道推定和数据检测(urasip无线通信和网络杂志2013，2013：182)”中提出了一种针对通过双选择信道传输的mimo-ofdm信号的迭代信道推定和均衡方案。

20、然而，所有已知的信道推定和均衡机制都表现出相对较高的复杂性或远非最佳的误码率性能。

21、本发明的一个目的是提供一种确定在双选择ofdm传输信道上的传输块中传输的符号的低复杂性迭代方法，该方法具有改善的误码率。本发明的另一个目的是提供一种实现该方法的接收器。

技术实现思路

1、该目的通过权利要求1中提出的方法和权利要求7中提出的设备来实现。在各个从属权利要求中提供了有利的实施例和改进。

2、根据本发明，提供了一种确定在使用正交频分复用的无线信道(下文称为ofdm传输信道)上在传输块中传输的符号的方法。传输块包含至少一个数据子块和至少一个导频子块。导频子块和数据子块均包含至少一个载波频率。在多于一个数据子块和/或多于一个导频子块的情况下，导频子块和数据子块可以被复用，如图3的频域图所示。

3、图3所示的示例性传输块包括三个子块，每个子块都包含数据子块和导频子块。每个导频子块都包括位于中心的导频音，其两侧被多个空子载波包围。在快衰落条件下，有必要在导频音两侧放置空子载波，否则多普勒扩展会在导频与数据之间引入干扰并使ofdm信号失真，从而对信道推定产生负面影响。优化的导频位置(图中未示出)可以进一步提高信道推定性能。

4、该方法包括在频域中接收经由ofdm通信信道传输的传输块，以及在频域中对所接收的传输块执行导频辅助的第一信道推定功能/函数。接收到的传输块可能事先已经例如通过对其应用离散傅里叶变换(dft)函数而从时域转换到频域。第一信道推定功能的输出是信道频率响应系数集。

5、根据该方法，接收到的传输块和导频辅助的第一信道推定功能的输出被提供给第一信道均衡功能/函数，用于推定在接收的传输块中发送的数据符号。第一信道均衡功能的输出是第一次迭代推定符号集。该第一次迭代中的推定数据符号集包括至少一个推定符号，并且可能不提供对所有符号的有效推定。

6、在该方法的下一步骤中，将接收到的传输块和第一次迭代推定符号集提供给数据辅助第二信道推定功能/函数，标记新迭代的开始。第二和后续迭代不使用在第一次迭代中调用的第一信道推定功能或第一信道均衡功能，而是重复使用与第一次迭代中不同的信道推定和不同的信道均衡功能，以及可调节的干扰消除功能/函数。

7、导频辅助的第一信道推定功能和数据辅助的第二信道推定功能可以应用基扩展模型，其将多个时变信道系数转换成较少数量的时不变基扩展模型系数。用于信道推定的基扩展模型算法可以包括过采样基扩展模型，已知其以增加噪声灵敏度为代价来减少建模误差。

8、第一次迭代符号集之中的符号被用作伪导频符号，允许对没有真实导频的子载波执行信道推定。因此，数据辅助的第二信道推定功能可基于更大的已知导频和推定符号集来执行信道推定，从而提高信道推定的准确性。数据辅助的第二信道推定功能的输出是当前迭代的信道频率响应系数集。

9、接下来，将接收到的传输块、第一次迭代推定符号集和数据辅助第二信道推定功能的输出提供给可调节的干扰消除功能/函数。干扰消除功能的输出是接收到的传输块中的载波间干扰减少或至少部分消除的表示。

10、干扰消除功能只能在第一次迭代推定符号集可用之后被调用，因为为了正确的干扰消除，必须知道所传输的符号。由于所传输的符号通常在接收器处最初是未知的，因此本发明还使用第一次迭代推定符号集之中的数据符号以及已知的导频作为所传输的符号的近似以用于干扰消除。

11、然后，干扰消除功能的输出和数据辅助的第二信道推定功能的输出被提供给第二均衡器功能/函数，用于推定在接收到的传输块中传输的符号。第二均衡器功能的输出是一组第i次迭代推定符号，i大于1，其中第i次迭代推定符号的每个集合可以包括来自前一次迭代的推定符号集作为子集。来自前一次迭代的推定符号集中的符号可以在每次迭代时被替换或更新。

12、在下一次迭代中，第二均衡器功能的输出和接收到的传输块被分别提供给数据辅助第二信道推定功能和干扰消除功能。重复该迭代直到满足预定的终止条件。早期迭代的推定符号集可能无法提供所有符号的有效推定，并且后续迭代可能提供更完整的推定符号集。

13、例如，当所有符号都被正确接收并且可以被有效地解映射为基于前向纠错的二进制数据输出时，或者当接收到足够的符号用于基于前向纠错解映射并重构为二进制数据输出时，或者当达到预定的重复次数时等，可以满足预定终止条件。

14、根据本发明的方法有利地组合优选地具有低复杂性或低性能的第一均衡器，其向数据辅助信道推定提供初始输入，并且使用数据辅助信道推定的初始输入和输出来对接收到的信号进行可调节的干扰消除，然后向第二均衡器(包括更高复杂性或更高性能的均衡器)提供减少或至少部分消除了干扰的接收信号和最新的信道推定的表示。本发明利用这样的发现，即通常与较高复杂性或较高性能均衡器相关的尤其是在速度方面的损失很大程度上取决于双选择传输信道中发现的信号分散的幅度，可以通过执行可调节的干扰消除来将该信号分散保持在低水平。迭代地重复信道推定、可调节的干扰消除和高复杂性或高性能均衡可以快速导致收敛推定符号集，该符号集具有足够低的ber以解映射为二进制数据输出。

15、第一均衡器功能/函数优选地具有低于第二均衡器功能/函数的计算复杂性或性能的计算复杂性或性能。第一均衡器可以具有比第二均衡器更简单的设计或更低的性能。本文中的计算复杂性可以被认为与得到结果所需的操作的数量有关。计算复杂性可以取决于需要分析的可能符号集的数量，符号集中的每个符号都具有分配的概率，用于达到最可能的符号集。显而易见的是，较多数量的可能符号集比较少数量需要更多的计算。然而，根据所调用的均衡器功能，相同数量的可能的符号集的计算复杂性可能截然不同，例如，在一些均衡器功能中，操作的数量可能随着可能的符号集的数量呈对数增加，而在另一些均衡器功能中，操作的数量可能呈指数级增加。性能可以被认为是符号推定结果的准确性的度量，或者可以将该概率分配给推定的符号。低性能可能会导致推定的准确性较低，或者推定结果的正确概率可能较低，但可以更快地获得结果。高性能可能与结果的更高精确度有关，或者结果可能具有更高的正确概率。

16、在一个或多个实施例中，第一均衡器功能实现消息传递(mp)或最小均方误差(mmse)均衡器。

17、在一个或多个实施例中，第二均衡器功能实现最大似然序列推定(mlse)均衡器。

18、在一个或多个实施例中，干扰消除功能被布置为消除频域中的信道矩阵h的非零的次对角元和超对角元上的载波间干扰，并且将信道矩阵h转换为带状对角矩阵hb，其具有比原始信道矩阵h的分散宽度小的可调节的分散宽度bhb。较小的bhb值以较小的性能下降为代价降低了mlse均衡器的复杂性，反之亦然。然而，当第二均衡器功能的输出被迭代地提供给第二信道推定功能时，对每次迭代的干扰消除输出的带状对角矩阵hb的分散宽度bhb的受控调节可以帮助在下一次迭代中提供改善的信道频率响应系数，这反过来可以允许改善的干扰消除，从而最终有助于第二均衡器功能更快地提供结果。

19、根据本发明的ofdm接收器具有第一信道推定块，其适于在频域中对所接收的传输块执行导频辅助信道推定。第一信道推定块的输出是信道频率响应系数集，与频域中的接收信号一起被提供给第一均衡器块，该第一均衡器块适于在频域中对接收到的传输块执行符号检测功能。传输块可能事先已经从时域转换到频域，例如，在对时域中接收到的信号执行傅里叶变换功能的块中。第一均衡器块的输出是第一次迭代推定符号集，与频域中接收到的信号一起被提供给第二信道推定块。第二信道推定块提供数据辅助信道推定，并将第二次迭代信道频率响应系数集输出到可调节的干扰消除块，该干扰消除块还接收来自第一均衡器块的第一次迭代推定符号集和在频域中接收到的信号。可调节的干扰消除块适于确定并输出减少或至少部分去除了载波间干扰的接收传输块的表示。可调节的干扰消除块的输出和第二次迭代信道频率响应系数集被提供给第二均衡器块，该第二均衡器块适于在频域中接收到的信号的表示中推定符号作为干扰消除块的输出。第二均衡器块的输出是第i次迭代推定符号集，i大于1。每个第i次迭代推定符号集合可以包括来自前一次迭代的推定符号集作为子集。第二均衡器块的输出被提供给第二信道推定块和干扰消除块，用于迭代地重复信道推定、干扰消除和符号推定。第二均衡器块的输出还被提供给解映射块，用于将接收到的符号转换成二进制数据。

20、在ofdm接收器的一个或多个实施例中，导频辅助的第一信道推定块和/或数据辅助的第二信道推定块适于执行应用基扩展模型的功能。

21、在ofdm接收器的一个或多个实施例中，第一均衡器块适于执行消息传递或最小均方误差(mmse)均衡器功能。

22、在ofdm接收器的一个或多个实施例中，第二均衡器块适于执行最大似然序列推定(mlse)均衡器功能。

23、根据本发明的ofdm接收器的各个块可以在于通用计算机上运行的软件、专用硬件和/或它们的组合中来实现。计算机程序产品包括计算机程序指令，当由微处理器执行时，所述计算机程序指令使计算机和/或控制专用硬件执行根据上文提出的本发明的一个或多个实施例的方法。

24、计算机程序产品可以存储在计算机可读介质或数据载体上。介质或数据载体可以物理地体现为例如硬盘、固态盘、闪存设备等形式。然而，介质或数据载体还可以包括调制的电磁信号、电信号或光信号，其由计算机借助于对应的接收器接收，并且被传送到计算机的存储器并存储在其中。