OFDM系統(tǒng)中ICI自消除算法研究

鄭劉娟，朱正平，陳 錕

（中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技術(shù)被認(rèn)為是3G，4G及未來高速無線多媒體通信系統(tǒng)一種行之有效的方法[1]。正交頻分復(fù)用（OFDM）通信系統(tǒng)是將所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)符號并行調(diào)制在若干個(gè)子載波上，而所有子載波間具有正交性，使之較傳統(tǒng)的串行調(diào)制通信系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，頻帶利用率較高，抗多徑衰落等很多優(yōu)點(diǎn)[2]。然而，OFDM系統(tǒng)對頻率同步有很高的要求，在實(shí)際應(yīng)用過程中，易發(fā)生頻率偏移，從而導(dǎo)致各子載波之間失去正交性，產(chǎn)生干擾，降低系統(tǒng)性能[3]。主要由發(fā)送端與接收端振蕩頻率不同及多普勒頻移導(dǎo)致。因此，對頻率偏差敏感是OFDM系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一。

在2001年由Zhao和Haggman共同提出的ICI自消除算法[4]（ICI self-Cancellation）是一種非常有效地ICI消除算法。主要思想是通過在相鄰子載波上發(fā)送相同但互為相反數(shù)的符號，以消除該相鄰子載波上的信號因載波頻率偏移而產(chǎn)生的干擾。目前為之，對ICI自消除算法的研究只是停留在Maltab仿真的層面上。

本文通過GNU Radio和通用軟件無線電外設(shè)（Universal Software Radio Peripheral,USRP）平臺，在實(shí)際環(huán)境中驗(yàn)證該算法。

1 OFDM技術(shù)基本原理

在OFDM系統(tǒng)的發(fā)送端，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過基帶調(diào)制變成串行的高速數(shù)據(jù)流，然后經(jīng)串并變換后成為并行的N路低速數(shù)據(jù)流，采用IFFT變換得到N個(gè)樣點(diǎn)的離散時(shí)域信號為

其中：N為子載波個(gè)數(shù)；X(k)表示第k個(gè)子載波上傳送的數(shù)據(jù)，發(fā)送之前，x(n)的最后L個(gè)樣點(diǎn)作為循環(huán)前綴（CP）復(fù)制到其前端，與x(n)構(gòu)成OFDM碼元。

在接收端，信號經(jīng)過串并變換為N個(gè)離散的信號y(n)，經(jīng)過FFT調(diào)制。調(diào)制后的符號如下：

其中：W(m)為w(n)經(jīng)過FFT的采樣信號，w(n)表示為信道引入的高斯白噪聲。

移動(dòng)端由于受到多徑信道的影響能收到不同時(shí)間，由于不同路徑達(dá)到的若干個(gè)信號的疊加信號。并且接收信號相對于原信號還會(huì)在時(shí)域上出現(xiàn)時(shí)延擴(kuò)展。為了更好的抑制多徑導(dǎo)致的ISI的影響，一般在OFDM符號之間插入保護(hù)間隔，保護(hù)間隔應(yīng)大于多徑信道的最大時(shí)延擴(kuò)展。

2 ICI自消除算法

2.1 ICI自消除調(diào)制

OFDM系統(tǒng)采用N個(gè)子載波，為了消除相鄰子載波上的信號干擾，把數(shù)據(jù)符號映射到相鄰的兩個(gè)子載波上，使數(shù)據(jù)符號滿足：X(1)=-X(0),X(3)=-X(2),…..,X(N-1)=-X(N-2)。

根據(jù)式（4），第k個(gè)和第k+1個(gè)子載波的接收信號為：

ICI系數(shù)變?yōu)?/p>

在式（5）中，ICI分量的總和被分成兩半，只有偶數(shù)的子載波加進(jìn)來。

2.2 ICI自消除解調(diào)

ICI在接收端調(diào)制引進(jìn)冗余，因?yàn)槊績蓚€(gè)子載波只傳輸了一個(gè)數(shù)據(jù)符號。這些冗余可以用來提高系統(tǒng)的功率效率，但是這樣也降低了帶寬效率。為了利用這些冗余，在接收端將第k+1（k為偶數(shù)）個(gè)子載波上的信號減去第k個(gè)子載波上的信號，表達(dá)式如下

相應(yīng)的系數(shù)變?yōu)椋?/p>

ICI自消除算法中,信號電平的降低導(dǎo)致了更高的載波干擾比(CIR)[5]。 從式（6）中可以推導(dǎo)出CIR的理論值，如式（8）所示：

圖1 ICI自消除算法與OFDM的CIR比較Fig.1 CIR versus ε for a standard OFDM system and ICI theory

圖1 比較了OFDM系統(tǒng)理論上的CIR曲線和ICI自消除算法理論上的CIR曲線。從圖中可以看出，使用ICI自消除算法之后，CIR增加了許多。在0＜ε＜0.5時(shí)，CIR增加了15 dB。ICI自消除算法的CIR性能優(yōu)良明顯提高，極大改善了OFDM系統(tǒng)對抗頻率偏移能力。

3 軟件無線電

軟件無線電[6]是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的無線通信系統(tǒng)硬件平臺，采用軟件編程的方式來實(shí)現(xiàn)多種通信功能的一種新型的無線電技術(shù)。經(jīng)過多年的發(fā)展，GNU Radio[7]與軟件無線電外圍設(shè)備(USRP)的組成的軟件無線電平臺由于其軟件是完全開源的，具有系統(tǒng)靈活性強(qiáng)，硬件成本較低等優(yōu)勢。開源軟件無線電GNU Radio主要基于Linux操作系統(tǒng)，它的編程語言為C++和Python。GNU Radio使用流圖機(jī)制，即由Python語言創(chuàng)建流圖，頂層的模塊調(diào)用底層的C++信號處理模塊，通過SWIG的方法粘合實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的各種功能。通用軟件無線電外設(shè)USRP是由Matt Ettus開發(fā)的，為GNU Radio打造的硬件平臺。從結(jié)構(gòu)上而言，USRP由一個(gè)母版和不超過4個(gè)子板組成。其中母版包含高速信號處理的硬件FPGA，子板涵蓋了不同頻率范圍，并且通過插槽與母板進(jìn)行組裝[8]。從功能上來看，USRP包括射頻處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換，中頻采樣，數(shù)字上變頻，數(shù)字下變頻，主機(jī)接口，時(shí)鐘管理，電源等部分。圖2和圖3是在GNU Radio平臺上數(shù)據(jù)處理流程。

圖2 發(fā)送端數(shù)據(jù)處理Fig.2 Steps of preparing binary

圖3 接收端數(shù)據(jù)處理Fig.3 Data retrieval

4 結(jié)果分析

發(fā)送端得到的頻譜圖如圖4所示，圖5為發(fā)送信號的時(shí)域圖。圖6為OFDM接收端收到信號的頻譜圖，與圖4相比信號在傳播中受到衰減和載波間干擾，信號的總功率明顯的降低。頻譜中有很多低谷。OFDM系統(tǒng)接收端接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，恢復(fù)得到的時(shí)域信號如圖7所示。與圖5比較，信號受到噪聲和載波間干擾的影響。

然而載波間干擾問題可以通過ICI自消除算法得到解決。如圖8所示是使用ICI自消除算法得到的頻譜圖。與圖6比較明顯得到改善，恢復(fù)的時(shí)域圖如圖9所示，與圖7比較失真率更小。

圖4 發(fā)送端頻譜圖Fig.4 Transmit spectrum

圖5 信號時(shí)域圖Fig.5 Message signal

圖7 OFDM系統(tǒng)恢復(fù)信號時(shí)域圖Fig.7 Received signal of OFDM

圖8 ICI自消除算法接收端信號頻譜圖Fig.8 Received spectrum of ICI self-Cancellation

圖9 ICI自消除算法恢復(fù)信號時(shí)域圖Fig.9 Received signal of ICI self-Cancellation

通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明ICI自消除算法對消除OFDM系統(tǒng)中由于頻偏導(dǎo)致的載波間干擾是可行的，并且改善了OFDM系統(tǒng)對抗頻率偏移能力。

5 結(jié)束語

OFDM系統(tǒng)主要缺點(diǎn)是對載波頻偏的敏感。載波頻偏導(dǎo)致載波間干擾(ICI)，從而降低系統(tǒng)性能。本文主要研究分析ICI自消除算法對OFDM系統(tǒng)抑制ICI的影響。并在軟件無線電（SDR）平臺上編寫程序，在發(fā)送接收端采用該算法改善OFDM系統(tǒng)性能，并在實(shí)際環(huán)境中運(yùn)行。研究表明ICI自消除算法對系統(tǒng)的性能有很大提升，同時(shí)對載波干擾比（CIR）也有提升。

[1]Nee R,Prased R.OFDM for wireless multimedia communication[M].Artech House,INc.,2000.

[2]尹長川,羅濤,樂光新.多載波寬帶無線通信技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004

[3]NEE R V,PRASAD R.OFDM for Wireless Multimedia Communications[M].London:Artech House,2000.

[4]Zhao Y,Haggman S G.Intercarrier interference self-cancellation scheme for OFDM mobile communication systems[J].IEEE Transactions on Communication,2001,49(7):1185-1191.

[5]Moose P H.A technique for orthogonal frequency division multiplexing frequency offset correction[J].IEEE Transactions on Communication,1994,42(10):2908-2914.

[6]肖維民.軟件無線電綜述[J].電子學(xué)報(bào),1998,26(2):65-70.XIAO Wei-ming.Software Radio Review [J].Journal of Electronic,1998,26(2):65-70.

[7]Blossom E.GNU Radio:tools for exploring the radio frequency spectrum[J].Linux Journal,2004(122):4.

[8]趙志偉,陳學(xué)有,潘瓊.采用特征值法和Prony法相結(jié)合的PSS自適應(yīng)控制[J].陜西電力，2012（6）：49-52，62.ZHAO Zhi-wei,CHEN Xue-you,PAN Qiong.Adaptive control of pss based on eigen value analysis and Prony analysis[J].Shaanxi Electric Power,2012（6）：49-52，62.