本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體的說涉及ofdm系統(tǒng)信號發(fā)送和接收方法。

背景技術(shù)：

ofdm(正交頻分復(fù)用)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于無線通信(如wifi與lte等)及有線通信系統(tǒng)(如adsl)。傳統(tǒng)的ofdm系統(tǒng)需要通過發(fā)送端發(fā)送導(dǎo)頻符號(pilotsymbols)使接收端進(jìn)行信道估計，然后對接收信號在各個子載波上作相干檢測(coherentdetection)以恢復(fù)出發(fā)送符號，因而傳統(tǒng)方法存在著接收機檢測性能受限的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，就是針對上述問題，提出一種在接收端不需要進(jìn)行信道估計的ofdm系統(tǒng)信號發(fā)送和接收方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

ofdm系統(tǒng)信號發(fā)送和接收方法，其特征在于，包括：

在發(fā)送端：依次對發(fā)送符號進(jìn)行加入標(biāo)識符、ifft、插入循環(huán)前綴，然后輸出ofdm信號，所述標(biāo)識符在接收端是已知的；

在接收端：將接收到的ofdm信號依次進(jìn)行去循環(huán)前綴、fft、對子載波頻域信號聚類并根據(jù)標(biāo)識符區(qū)分聚類后符號的類別、恢復(fù)發(fā)送符號。

本發(fā)明總的技術(shù)方案，與傳統(tǒng)方法不同的是，直接對頻域接收信號進(jìn)行聚類，通過發(fā)送端發(fā)送的標(biāo)識符指明聚類后符號的類別，從而恢復(fù)出發(fā)送符號，從而在接收端不需要進(jìn)行信道估計，提高了接收端的檢測性能。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，本發(fā)明采用標(biāo)識符替代了傳統(tǒng)技術(shù)中采用的導(dǎo)頻符號，導(dǎo)頻符號需要進(jìn)行信道估計，而采用標(biāo)識符的方式不需要導(dǎo)頻估計。其中，通過對接收信號進(jìn)行聚類可以將同一個發(fā)射符號對應(yīng)的接收信號聚類到同一個類別。利用預(yù)設(shè)的標(biāo)記符號和聚類類別之間的對應(yīng)關(guān)系可以恢復(fù)出接收信號對應(yīng)的發(fā)射符號。

將經(jīng)過fft后的子載波頻域信號標(biāo)識為如下公式1：

y＝λs+u(公式1)

其中，s指一個ofdm符號，s＝[s0,s1,…,sn-1]^t，n表示ofdm子載波的個數(shù)，λ＝diag(h0,h1,…h(huán)n-1)表示信道的頻域響應(yīng)，u(n)服從均值為0方差為σ²的循環(huán)對稱復(fù)高斯分布，即u(n)與s(n)獨立；

進(jìn)一步的，當(dāng)發(fā)送端在每個子載波上發(fā)送一個標(biāo)識符時，所述對子載波頻域信號聚類并根據(jù)標(biāo)識符區(qū)分聚類后符號的類別的具體方法為：

s1、標(biāo)識符重構(gòu)：令a表示發(fā)送的一個標(biāo)識符，b表示i種發(fā)送符號，則ah＝b，在接收端yk(1)h＝hkah+uh＝hkb+uh，yk(1)h為i種發(fā)送符號經(jīng)過信道后的值，下標(biāo)k為子載波序號；

s2、接收信號聚類：將接收到的每個子載波上的頻域信號通過聚類算法進(jìn)行聚類，可以得到i組數(shù)據(jù)；

s3、類別標(biāo)識：用s1得到的重構(gòu)標(biāo)識符標(biāo)識s2聚類成的i組數(shù)據(jù)。

上述方案提出了在每個子載波上僅發(fā)送一個標(biāo)識符的方法來指明這i個組分別對應(yīng)于哪個發(fā)送符號的方法。以16qam調(diào)制方式為例，在發(fā)送有用數(shù)據(jù)前發(fā)送一個標(biāo)識符，例如指定發(fā)送的標(biāo)識符為"3+3j"，則與yk中第一個點yk(1)即標(biāo)識符通過信道并經(jīng)過fft變換后得到的值聚類在一起的數(shù)據(jù)都為"3+3j"，其中yk＝[yk(1),yk(2),…,yk(m)]^t。將yk(1)除以3，則和此值在一組的數(shù)據(jù)都為"1+1j"，因此可通過yk(1)生成一些點來確定其他組對應(yīng)的發(fā)送符號，從而進(jìn)行標(biāo)記重構(gòu)，進(jìn)而標(biāo)識這i個組，并恢復(fù)出發(fā)送符號。

進(jìn)一步的，當(dāng)發(fā)送端在每個子載波上發(fā)送i個不同的標(biāo)識符時，所述對子載波頻域信號聚類并根據(jù)標(biāo)識符區(qū)分聚類后符號的類別的具體方法為：

s1、標(biāo)識符重構(gòu)：將每個標(biāo)識符進(jìn)行標(biāo)記重構(gòu)，令a(t)表示發(fā)送的第t個標(biāo)識符，b表示i種發(fā)送符號，則a(t)h(t)＝b，在接收端yk(t)h(t)＝hka(t)h(t)+uh(t)＝hkb+uh(t)，yk(t)h(t)為第t個標(biāo)識符重構(gòu)出的標(biāo)識符，將同一個發(fā)送符號下的所有標(biāo)識符進(jìn)行統(tǒng)計平均，完成標(biāo)識符重構(gòu)過程，下標(biāo)k為子載波序號；

s2、接收信號聚類：將接收到的每個子載波上的頻域信號通過聚類算法進(jìn)行聚類，可以得到i組數(shù)據(jù)；

s3、類別標(biāo)識：用s1得到的重構(gòu)標(biāo)識符標(biāo)識s2聚類成的i組數(shù)據(jù)。

上述方案提出了在每個子載波上發(fā)送i個不同標(biāo)識符的方法來指明這i個組分別對應(yīng)于哪個發(fā)送符號的方法。以16qam調(diào)制方式為例，將每個標(biāo)識符進(jìn)行標(biāo)記重構(gòu)，生成16×16的矩陣，然后將同一個發(fā)送符號下的所有標(biāo)識符進(jìn)行統(tǒng)計平均，得到16×1的向量，以此作為標(biāo)識符標(biāo)識聚類形成的16個類別，從而恢復(fù)出發(fā)送符號；例如標(biāo)識符1+j被分在第一類，則在第一類的數(shù)據(jù)都為1+j。

與上述2個方案相對應(yīng)的，也可以采用在每個子載波上發(fā)送多個相同的標(biāo)識符的方法來指明這i個組分別對應(yīng)于哪個發(fā)送符號的方法，具體是將多個相同標(biāo)識符經(jīng)過信道并經(jīng)過fft變換之后得到值的統(tǒng)計平均作為中心點，并進(jìn)行標(biāo)記重構(gòu)，進(jìn)而標(biāo)識這i個組，從而恢復(fù)出發(fā)送符號。

本發(fā)明的有益效果在于，相對于傳統(tǒng)技術(shù)，本發(fā)明的方法可大大提高接收機的檢測性能，且在接收端不需要進(jìn)行信道估計。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明的接收機在各個子載波的檢測框圖；

圖2示出了本發(fā)明發(fā)送標(biāo)識符的設(shè)計方法一；

圖3示出了本發(fā)明第k個子載波信號聚類后的發(fā)送符號標(biāo)注方法一；

圖4示出了本發(fā)明發(fā)送標(biāo)識符的設(shè)計方法二；

圖5示出了本發(fā)明第k個子載波信號聚類后的發(fā)送符號標(biāo)注方法二；

圖6示出了本發(fā)明發(fā)送標(biāo)識符的設(shè)計方法三；

圖7示出了本發(fā)明第k個子載波信號聚類后的發(fā)送符號標(biāo)注方法三；

圖8示出了本發(fā)明em算法的流程圖；

圖9示出了本發(fā)明提出的ofdm系統(tǒng)發(fā)送與接收機設(shè)計方案與最大似然檢測性能對比圖；

圖10示出了本發(fā)明提出的ofdm系統(tǒng)發(fā)送與接收機三種標(biāo)識符設(shè)計方案的性能對比圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。

傳統(tǒng)的ofdm系統(tǒng)需要通過發(fā)送端發(fā)送導(dǎo)頻符號使接收端估計信道信息，然后對接收信號作相干檢測以恢復(fù)出發(fā)送信號。本發(fā)明不同于傳統(tǒng)的ofdm信號檢測方案，提出一種新型的ofdm系統(tǒng)發(fā)送與接收信號方法，直接對頻域接收信號進(jìn)行聚類，通過發(fā)送端發(fā)送的標(biāo)識符指明聚類后符號的類別，從而恢復(fù)出發(fā)送符號。

接收端在進(jìn)行去循環(huán)前綴和快速離散傅里葉變換(fft)的過程后，此時的信號可以表示為

y＝λs+u,

其中，s是指一個ofdm符號，s＝[s0,s1,…,sn-1]^t，n表示ofdm子載波的個數(shù)，λ＝diag(h0,h1,…,hn-1)，u(n)服從方差為σ²的循環(huán)對稱復(fù)高斯(cscg)分布，即u(n)與s(n)獨立。

假設(shè)信道在一段時間內(nèi)保持不變，每個子載波下的信號在此時段內(nèi)經(jīng)歷相同的信道，故本發(fā)明在每個子載波上進(jìn)行檢測解碼。由于噪聲服從cscg分布，導(dǎo)致了在給定sk的條件下第k個子載波上的信號yk(m)服從均值為hksk方差為σ²的cscg分布，即其中yk(m)表示第k個子載波上的第m個符號。yk(m)的概率可以表示為：

其中，i表示sk出現(xiàn)的種類。以16qam調(diào)制方式為例，sk＝a+bj，其中a，b∈{±1,±3}，故i＝16。很明顯這是一個由i個高斯分布形成的高斯混合模型(gmm)。

本發(fā)明對每個子載波上的m個信號進(jìn)行聚類處理后，形成i個組，通過加入標(biāo)識符的方式指明這些組分別對應(yīng)于哪個發(fā)送符號，從而恢復(fù)出發(fā)送信號。

圖1示出了本發(fā)明接收機在各個子載波的檢測框圖。本發(fā)明接收機的檢測過程包括4個過程：首先進(jìn)行標(biāo)記重構(gòu)，將發(fā)送端發(fā)送的有限個標(biāo)識符重構(gòu)出i種發(fā)送符號；然后將第k個子載波m個頻域信號進(jìn)行聚類，形成i個組；再根據(jù)標(biāo)識符來標(biāo)識這些組分別對應(yīng)于哪個發(fā)送符號；最后根據(jù)標(biāo)識符所指，恢復(fù)出發(fā)送信號。

圖2表示了本發(fā)明僅發(fā)送一個標(biāo)識符的方法，在每個子載波發(fā)送信號之前，先發(fā)送一個標(biāo)識符，標(biāo)識聚類之后的數(shù)據(jù)對應(yīng)于哪個發(fā)送符號，并且可以作為算法初始值加快算法的收斂速度。故此設(shè)計方案在時間上看，每個子載波只需要發(fā)送一個標(biāo)識符，在頻率上看，每個子載波都要發(fā)送一個標(biāo)識符。

圖3表示了圖2所示標(biāo)識符設(shè)計方法一的第k個子載波信號的聚類。以對ofdm信號采用16qam方式進(jìn)行調(diào)制為例。本發(fā)明在發(fā)送有用數(shù)據(jù)前發(fā)送一個標(biāo)識符，指定發(fā)送的標(biāo)識符為"3+3j"。經(jīng)過fft變換后，對第k個子載波的聚類產(chǎn)生有16個組，每一個組代表一種符號信息，其中箭頭指向的位置是標(biāo)識符經(jīng)過信道，并經(jīng)過fft變換后所在的位置，故標(biāo)識符所在組就代表了這些數(shù)據(jù)是由符號"3+3j"經(jīng)過信道并經(jīng)過fft變換后得到的。由于同一個子載波經(jīng)歷的信道是相同的，所以信道造成的相移和幅值變化是相同的，故16種符號間的相對關(guān)系保持不變，利用這個特性，可由yk(1)生成一些點標(biāo)識其他組，故本發(fā)明可知其他組所代表的發(fā)送符號。

圖4示出了本發(fā)明發(fā)送標(biāo)識符的第二種設(shè)計方法：在每個子載波發(fā)送數(shù)據(jù)符號之前，先發(fā)送i個不同的標(biāo)識符，這i個標(biāo)記包含了發(fā)送符號的所有可能性，以16qam為例，i＝16,標(biāo)識符為a+bj，其中a，b∈{±1,±3}。

圖5示出了圖4所示標(biāo)識符設(shè)計方法二的第k個子載波信號的聚類。首先將每個標(biāo)識符進(jìn)行標(biāo)記重構(gòu)，生成16×16的矩陣，然后將同一個發(fā)送符號下的所有標(biāo)識符進(jìn)行統(tǒng)計平均，得到16×1的向量，以此作為標(biāo)識符標(biāo)識聚類形成的16個類別。

圖6表示了本發(fā)明發(fā)送多個相同標(biāo)識符的設(shè)計，在每個子載波發(fā)送信號之前，先發(fā)送多個相同的標(biāo)識符，將這多個相同標(biāo)識符經(jīng)過信道并經(jīng)過fft變換之后得到值的統(tǒng)計平均作為中心點，并進(jìn)行標(biāo)記重構(gòu)，進(jìn)而標(biāo)識這i個組，從而恢復(fù)出發(fā)送符號。

圖7表示了圖6所示標(biāo)識符設(shè)計方法三的第k個子載波信號的聚類。箭頭指向的位置是多個相同標(biāo)識符經(jīng)過信道，并經(jīng)過fft變換，進(jìn)行統(tǒng)計平均后所在的位置。

本發(fā)明中所述的聚類算法，如圖8所示，以em算法為例，采用的期望最大化(em)算法求得高斯混合分布的參數(shù)，并對yk進(jìn)行聚類。令最大似然函數(shù)為：

由于在通信系統(tǒng)中，發(fā)送端以相等概率的發(fā)送符號，并且由于噪聲的方差保持不變，故i個高斯分布具有相同的協(xié)方差矩陣，故本發(fā)明利用這些先驗信息，令可得

在em算法中通過引入隱變量來求參數(shù)。本發(fā)明引入隱變量z來最大化似然函數(shù)求解，其中zi∈{0,1}，并且即z中只有元素為1。yk(n)屬于第i組的概率為

將利用先驗信息得到的似然函數(shù)函數(shù)關(guān)于均值和協(xié)方差分別求導(dǎo)等于0可得

通過將上面3個公式進(jìn)行迭代就可以求得高斯混合分布的參數(shù)，并將其分類。迭代過程如圖8所示。γ(zmi)中對于i＝1,…,i中最大值對應(yīng)的下標(biāo)代表yk(m)所在的組，將數(shù)據(jù)聚類好之后，再用yk(1)及其生成的值標(biāo)識每一組所代表的發(fā)送符號，這樣就完成第k個子載波ofdm信號的檢測解碼。

本發(fā)明利用的em算法也可不局限于等概率發(fā)送符號場景，同時，噪聲的方差也可隨時間變化。另外，本發(fā)明也不局限于利用em算法來求得高斯混合分布的參數(shù)。

圖9示出了本發(fā)明提出的ofdm系統(tǒng)發(fā)送與接收信號方法與最大似然檢測性能對比圖；仿真對ofdm的一個子載波產(chǎn)生瑞利信道并進(jìn)行信號檢測，ofdm信號采用16qam調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，在仿真過程中，采用1600個點進(jìn)行聚類，誤碼率為1000次實驗的平均值，采用第一種標(biāo)簽設(shè)計方案，通過圖9可知，本發(fā)明提出的檢測方法優(yōu)于信道估計下的最大似然檢測，并在高誤碼率下，本發(fā)明提出的檢測方法接近于信道已知下的最大似然檢測。

圖10示出了本發(fā)明提出的ofdm系統(tǒng)發(fā)送與接收信號方法三種標(biāo)識符設(shè)計方案的性能對比圖。仿真對ofdm的一個子載波產(chǎn)生瑞利信道進(jìn)行信號檢測，ofdm信號采用16qam調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，在仿真過程中，采用1600個點進(jìn)行聚類，誤碼率為500次實驗的平均值。其中3條曲線表示標(biāo)識符設(shè)計的三種方法，方法一中發(fā)送1個標(biāo)識符3+3j，方法二發(fā)送16種不同的標(biāo)識符，方法三中發(fā)送16個相同的標(biāo)識符3+3j，根據(jù)仿真圖可知，當(dāng)發(fā)送的標(biāo)識符越多時，性能越好，這是因為在統(tǒng)計平均的過程中減小了噪聲的影響，并且當(dāng)發(fā)送標(biāo)識符的幅值越大，性能越好，這是因為在標(biāo)記重構(gòu)過程中，做除法運算減小了噪聲的方差，故重構(gòu)出的標(biāo)識符準(zhǔn)確性會提高，從而性能會有所提升。