本發(fā)明涉及光載無(wú)線電領(lǐng)域，特別是一種正交頻分復(fù)用60千兆赫毫米波光載無(wú)線電系統(tǒng)的均衡補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著高速互聯(lián)網(wǎng)和高清電視等寬帶多媒體業(yè)務(wù)的推廣和發(fā)展，未來(lái)的無(wú)線通信將需要提供更大的通信帶寬，并保證每個(gè)用戶的低成本接入。在這樣的背景下，頻率高、潛在應(yīng)用帶寬大的60千兆赫/吉赫(ghz)毫米波通信成為了一項(xiàng)很有競(jìng)爭(zhēng)力的備選技術(shù)。但是ghz正處于氧氣的吸收峰，傳輸損耗大，它可以用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線短距離、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，并支持非常小的蜂窩結(jié)構(gòu)，60ghz毫米波由于具有超寬的、無(wú)需頻率許可的頻譜資源，且傳輸損耗大可用于室內(nèi)微蜂窩的部署，在近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注。但是也正是由于其在空氣中里傳輸損耗太大，60ghz毫米波很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的接入布網(wǎng)，使得將光通信和無(wú)線通信相結(jié)合的毫米波光載無(wú)線(rof)接入技術(shù)可以提供很好的解決方案。所以在rof近幾年受到世界各國(guó)的高度重視。它通過(guò)合并無(wú)線電系統(tǒng)的各項(xiàng)功能于一個(gè)集中的數(shù)據(jù)收發(fā)器，讓所有的基站連接到這個(gè)功能集中的中心站，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，可充分利用光纖傳輸特有的低損耗和高帶寬，減低系統(tǒng)成本。由于先進(jìn)調(diào)制格式能夠提高頻帶利用率，并可減小系統(tǒng)光纖非線性效應(yīng)和偏振模色散的影響，成為高速長(zhǎng)距離光傳輸領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

對(duì)于rof在高速寬帶無(wú)線通信中的應(yīng)用研究，近年來(lái)正交頻分復(fù)用(ofdm)調(diào)制技術(shù)就有高頻譜效率、抗多徑等優(yōu)點(diǎn)，將ofdm調(diào)制引入到60ghz毫米波rof接入系統(tǒng)中，利用其頻譜效率高、支持多進(jìn)制調(diào)制格式的特點(diǎn)提升系統(tǒng)的傳輸速率。但是光鏈路色散不但會(huì)帶來(lái)射頻(rf)信號(hào)的周期性衰落問(wèn)題，而且會(huì)影響基帶數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸性能，產(chǎn)生基帶信號(hào)的波形失真，從而限制了光載射頻信號(hào)的傳輸距離，限制了rof系統(tǒng)的傳輸容量。有研究表明光纖中的色散(cd)和偏振模色散(pmd)可以視為無(wú)線通信中的多徑效應(yīng)，ofdm在無(wú)線通信中的信道均衡可以用于光信道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種正交頻分復(fù)用60千兆赫毫米波光載無(wú)線電系統(tǒng)的補(bǔ)償方法，從時(shí)域獲得信道的初始估計(jì)，再利用信號(hào)的有限字符集特性從頻域提高信道精度。不需要較長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)積累又不用經(jīng)過(guò)奇異值分解或全排列的復(fù)雜運(yùn)算即可得到較高精度的信道估計(jì)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種正交頻分復(fù)用60千兆赫毫米波光載無(wú)線電系統(tǒng)的補(bǔ)償方法，包括如下步驟：

1)定義f＝[fcp,fm]^h表示實(shí)現(xiàn)ifft和循環(huán)前綴cp擴(kuò)展的大小為p×m的矩陣，其中fcp為fm的最后l列組成的大小為m×l的矩陣，m為ofdm符號(hào)長(zhǎng)度，上標(biāo)h表示共軛轉(zhuǎn)置，l為cp長(zhǎng)度，p＝m+l；h0為第一列為[h0,...,hl,0,...,0]^t、第一行為[h0,0,...,0]^t的p×p的下三角形的toeplitz矩陣，h1為第一列為[0,...,0]^t、第一行為[0,...,0,hl,...,h1]的p×p的上三角形的toeplitz矩陣，h0,...,hl為信道沖激響應(yīng)對(duì)應(yīng)的l+1個(gè)系數(shù)；；fm表示因子為的m點(diǎn)fft矩陣，k為正整數(shù)，k∈[0,m-1]的正整數(shù)，π為圓周率，e為自然數(shù)，j為虛數(shù)單位；確定如下發(fā)射符號(hào)塊與接收符號(hào)塊之間的關(guān)系：t表示轉(zhuǎn)置；為逆傅里葉變換矩陣調(diào)制后輸出的第i個(gè)向量；

2)在接收端通過(guò)變換矩陣r去掉保護(hù)間隔獲得信號(hào)y(i)：

y(i)＝rh0t1sm(i)+rh1t1sm(i-1)；

其中，r＝rcp＝[0m×(p-m),im]，icp由im的最后l行構(gòu)成，im表示大小為m的單位矩陣；

3)將x(i),s(i)分別分成3個(gè)子向量x(i)＝[x0(i)^t,x1(i)^t,x2(i)^t]^t，s(i)＝[s0(i)^t,s1(i)^t,s2(i)^t]^t；其中：x(i),s(i)中，第1和第3個(gè)子向量為l×1的向量；第2個(gè)子向量為m×1的向量，s0(i)對(duì)應(yīng)cp，即s0(i)＝s2(i)，

并定義：x2(i-1)^t,x0(i)^t]^t，

設(shè)s0(i-1)＝s2(i-1)，

s0(i)＝s2(i)，則

4)計(jì)算的二階統(tǒng)計(jì)特性：

其中end表示結(jié)尾，符號(hào):表示逐一增加；σ²表示的方差；e[.]表示求期望運(yùn)算，n表示數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度。

則：

由于r＝rzp＝[im,izp]，其中izp由im的前l(fā)列構(gòu)成，h1tzp＝0，則：

計(jì)算xzp的二階統(tǒng)計(jì)特性：

則有：

省略下標(biāo)，將統(tǒng)一表示為：

r(1:l+1,1)＝σ²h0^*[h0,...,hl]^t

這里上標(biāo)*表示共軛；

6)接收端接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)fft生成數(shù)據(jù)：

式中dh＝diag[h(e^j0),h(e^j(2π/m)),...,h(e^{j(2π/m)(m-1)})]，diag[h(e^j0),h(e^j(2π/m)),...,h(e^{j(2π/m)(m-1)})]為主對(duì)元元素依次為h(e^j0),h(e^j(2π/m)),...,h(e^{j(2π/m)(m-1)})、其余元素均為0的矩陣；h(e^j0),h(e^j(2π/m)),...,h(e^{j(2π/m)(m-1)})是對(duì)應(yīng)的的fft變換所得結(jié)果；r＝r(1:l+1,1)；

記he＝r(1:l+1,1)，對(duì)he取fft變換得：

he_fft＝σ²h0^*[h(e^j0),...,h(e^j(2π/m)m)]

he_fft(1)/(σ²h0^*)＝y(tǒng)(1)/λ0，得

7)用作為信道估計(jì)的初始值；

8)利用下式提高信道的精度：

q為星座大小，y(m)表示信道的第m個(gè)輸出值，表示估計(jì)出的相位模糊量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明從時(shí)域獲得信道的初始估計(jì)，再利用信號(hào)的有限字符集特性從頻域提高信道精度。本發(fā)明的方法既不需要較長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)積累又不用經(jīng)過(guò)奇異值分解或全排列的復(fù)雜運(yùn)算即可得到較高精度的信道估計(jì)。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)現(xiàn)多進(jìn)制60ghzofdm-rof的系統(tǒng)配置圖；

圖2是本發(fā)明用到的ofdm接收機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理框圖；

圖3是本發(fā)明ofdm通信系統(tǒng)的離散模型；

圖4是傳輸56km光纖后不同信噪比(snr)情況下16qam信號(hào)的均衡結(jié)果；

圖5在ofdm系統(tǒng)中信噪比snr＝15db情況下，本發(fā)明均衡后信號(hào)星座圖。

具體實(shí)施方式

一個(gè)典型的毫米波光載無(wú)線電(rof)接入系統(tǒng)主要由中心站、基站和用戶終端3個(gè)部分組成。中心站與基站之間通過(guò)光纖連接，傳輸光載毫米波信號(hào)；基站和用戶終端之間則為毫米波無(wú)線通信。中心站的主要功能是實(shí)現(xiàn)下行鏈路中的毫米波光產(chǎn)生、基帶信號(hào)的上變頻和上行鏈路信號(hào)的接收處理；基站的主要功能是實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，發(fā)送下行信號(hào)，并將用戶上行電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)回傳中心站。多進(jìn)制60千兆赫茲(ghz)正交頻分復(fù)用(ofdm)rof系統(tǒng)采用文獻(xiàn)[張誠(chéng),基于正交頻分復(fù)用的寬帶光/電混合接入系統(tǒng)研究,博士論文,北京大學(xué)，2013]的系統(tǒng)配置(如圖1所示)，圖1中，tl：可調(diào)激光器；mzm：馬赫-曾德?tīng)?；調(diào)制器；pc：偏振控制器；voa：可調(diào)光衰減器；obpf：光帶通濾波器；pd：光電二極管；fm：倍頻器；lna：低噪聲放大器；osa：光譜儀；edfa：摻鉺光纖放大器。

本發(fā)明的正交頻分復(fù)用60千兆赫毫米波光載無(wú)線電系統(tǒng)的均衡補(bǔ)償方法包括如下幾個(gè)步驟：

(1)采用如圖2所示的ofdm接收機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理方法端，從60ghz毫米波下變頻后的ofdm信號(hào)被泰克采樣示波器進(jìn)行相應(yīng)的速率采樣。

采用圖3所示的ofdm通信系統(tǒng)的離散模型。設(shè)m為ofdm符號(hào)長(zhǎng)度(即快速傅里葉變換(fft)點(diǎn)數(shù))，第i個(gè)符號(hào)為該符號(hào)是被逆傅里葉變換(ifft)矩陣調(diào)制后的輸出，這里fm表示因子為的m點(diǎn)fft矩陣(上標(biāo)(～)表示信號(hào)在ifft之前的頻域性質(zhì)，π為圓周率，e為自然數(shù)，j為虛數(shù)單位，上標(biāo)t和h分別表示轉(zhuǎn)置和共軛轉(zhuǎn)置)，

其中上標(biāo)h表示共軛轉(zhuǎn)置。

那么，調(diào)制結(jié)果為一個(gè)“時(shí)域”向量：加上循環(huán)前綴(cp)，設(shè)cp長(zhǎng)度為l，則生成長(zhǎng)度為p＝m+l的信號(hào)矢量經(jīng)過(guò)串并變換以后，scp(i)被串行發(fā)送到信道hm＝[h0,...,hm-1]^t中去，本發(fā)明中信道建模為有限長(zhǎng)濾波器(fir)，并忽略加性噪聲。

(2)獲得發(fā)送信號(hào)與接收符號(hào)的關(guān)系。

定義f＝[fcp,fm]^h表示實(shí)現(xiàn)ifft和cp擴(kuò)展的大小為p×m的矩陣，其中fcp為fm的最后l列組成的大小為m×l的矩陣。h0為第一列為[h0,...,hl,0,...,0]^t第一行為[h0,0,...,0]^t的p×p的下三角形的toeplitz矩陣，h1為第一列為[0,...,0]^t第一行為[0,...,0,hl,...,h1]的p×p的上三角形的toeplitz矩陣，h0,…,hl為信道的抽頭。

考慮到則發(fā)射符號(hào)塊與接收符號(hào)塊之間的關(guān)系可以用如下的等式來(lái)描述：

(3)接收端通過(guò)變換矩陣r去掉保護(hù)間隔，獲得去除間隔后的接收信號(hào)表達(dá)式。

在接收端我們可以通過(guò)變換矩陣r去掉保護(hù)間隔獲得信號(hào)y(i)：

y(i)＝rh0tsm(i)+rh1tsm(i-1)(5)

其中h0，h1與前述定義相同，r＝rcp＝[0m×(p-m),im]，其中icp由im的最后l行構(gòu)成(im表示大小為m的單位陣)

(4)將x(i),s(i)分成3個(gè)子向量

將x(i),s(i)分成3個(gè)子向量x(i)＝[x0(i)^t,x1(i)^t,x2(i)^t]^t，s(i)＝[s0(i)^t,s1(i)^t,s2(i)^t]^t；其中：第1和第3個(gè)子向量為l×1的向量；第2個(gè)子向量為m×1的向量，因此s0(i)對(duì)應(yīng)cp，即s0(i)＝s2(i)。并定義：則：

這里

設(shè)：因?yàn)閟0(i-1)＝s2(i-1)，s0(i)＝s2(i)，所以有：

這里

(4)計(jì)算的二階統(tǒng)計(jì)特性：

其中fm(1:m-l,:)]，end表示結(jié)尾，符號(hào):表示逐一增加；σ²表示的方差。

然后可以得到：

由于r＝rzp＝[im,izp]，其中izp由im的前l(fā)列構(gòu)成，容易看出h1tzp＝0，則：

計(jì)算xzp的二階統(tǒng)計(jì)特性：

則有：

省略下標(biāo)，將式(12)和(16)用式(17)統(tǒng)一表示：

r(1:l+1,1)＝σ²h0^*[h0,...,hl]^t(17)

這里上標(biāo)*表示共軛。

接收端接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)fft生成數(shù)據(jù)：

式中是對(duì)應(yīng)的的fft變換所得結(jié)果。

記he＝r(1:l+1,1)，對(duì)he取fft變換得：

he_fft＝σ²h0^*[h(e^j0),...,h(e^j(2π/m)m)](19)

比較式(17)和(18)可看出，he_fft(1)/(σ²h0^*)＝y(tǒng)(1)/λ0，得

與真實(shí)信道的傅立葉變換只相差一個(gè)系數(shù)，用它作為信道估計(jì)的初始值，通過(guò)式(21)來(lái)提高信道的精度，最終的信道與真實(shí)信道相差一個(gè)相位模糊因子，可用作為信道估計(jì)的初始值。

(5)進(jìn)而通過(guò)

來(lái)提高信道的精度，使最終得到的值與真實(shí)信道相差一個(gè)相位模糊因子。這里y(m)表示信道的第m個(gè)輸出值；表示估計(jì)出的相位模糊量；q為星座大小。

下面對(duì)上述ofdm系統(tǒng)的仿真和性能分析。1550納米(nm)波長(zhǎng)、4.3gb/s-16qam、傳輸長(zhǎng)度7km，采用g.655單模光纖。對(duì)于下行ofdma信號(hào)，fft的長(zhǎng)度為256，其中210個(gè)用于信道傳輸，剩下的用作信道保護(hù)。循環(huán)前綴長(zhǎng)度為16。傳輸?shù)膐fdma數(shù)據(jù)中，每32個(gè)符號(hào)中有2個(gè)符號(hào)用于進(jìn)行信號(hào)估計(jì)。圖4是傳輸56km光纖后不同信噪比(snr)情況下16qam信號(hào)的均衡結(jié)果，具有比較滿意的估計(jì)結(jié)果。圖5在ofdm系統(tǒng)中信噪比snr＝15db情況下，本發(fā)明均衡后的信號(hào)星座圖。