OFDM系統中ICI自消除算法研究

鄭劉娟，朱正平，陳 錕

（中南民族大學 電子信息工程學院，湖北 武漢 430074）

正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技術被認為是3G，4G及未來高速無線多媒體通信系統一種行之有效的方法[1]。正交頻分復用（OFDM）通信系統是將所傳輸的數據符號并行調制在若干個子載波上，而所有子載波間具有正交性，使之較傳統的串行調制通信系統具有結構簡單，頻帶利用率較高，抗多徑衰落等很多優點[2]。然而，OFDM系統對頻率同步有很高的要求，在實際應用過程中，易發生頻率偏移，從而導致各子載波之間失去正交性，產生干擾，降低系統性能[3]。主要由發送端與接收端振蕩頻率不同及多普勒頻移導致。因此，對頻率偏差敏感是OFDM系統的主要缺點之一。

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送相同但互為相反數的符號，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（Universal Software Radio Peripheral,USRP）平臺，在實際環境中驗證該算法。

1 OFDM技術基本原理

在OFDM系統的發送端，原始數據經過基帶調制變成串行的高速數據流，然后經串并變換后成為并行的N路低速數據流，采用IFFT變換得到N個樣點的離散時域信號為

其中：N為子載波個數；X(k)表示第k個子載波上傳送的數據，發送之前，x(n)的最后L個樣點作為循環前綴（CP）復制到其前端，與x(n)構成OFDM碼元。

在接收端，信號經過串并變換為N個離散的信號y(n)，經過FFT調制。調制后的符號如下：

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

移動端由于受到多徑信道的影響能收到不同時間，由于不同路徑達到的若干個信號的疊加信號。并且接收信號相對于原信號還會在時域上出現時延擴展。為了更好的抑制多徑導致的ISI的影響，一般在OFDM符號之間插入保護間隔，保護間隔應大于多徑信道的最大時延擴展。

2 ICI自消除算法

2.1 ICI自消除調制

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

根據式（4），第k個和第k+1個子載波的接收信號為：

ICI系數變為

在式（5）中，ICI分量的總和被分成兩半，只有偶數的子載波加進來。

2.2 ICI自消除解調

ICI在接收端調制引進冗余，因為每兩個子載波只傳輸了一個數據符號。這些冗余可以用來提高系統的功率效率，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）個子載波上的信號減去第k個子載波上的信號，表達式如下

相應的系數變為：

ICI自消除算法中,信號電平的降低導致了更高的載波干擾比(CIR)[5]。 從式（6）中可以推導出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，CIR增加了15 dB。ICI自消除算法的CIR性能優良明顯提高，極大改善了OFDM系統對抗頻率偏移能力。

3 軟件無線電

軟件無線電[6]是指以計算機技術為基礎的無線通信系統硬件平臺，采用軟件編程的方式來實現多種通信功能的一種新型的無線電技術。經過多年的發展，GNU Radio[7]與軟件無線電外圍設備(USRP)的組成的軟件無線電平臺由于其軟件是完全開源的，具有系統靈活性強，硬件成本較低等優勢。開源軟件無線電GNU Radio主要基于Linux操作系統，它的編程語言為C++和Python。GNU Radio使用流圖機制，即由Python語言創建流圖，頂層的模塊調用底層的C++信號處理模塊，通過SWIG的方法粘合實現通信系統的各種功能。通用軟件無線電外設USRP是由Matt Ettus開發的，為GNU Radio打造的硬件平臺。從結構上而言，USRP由一個母版和不超過4個子板組成。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行組裝[8]。從功能上來看，USRP包括射頻處理，模數轉換，數模轉換，中頻采樣，數字上變頻，數字下變頻，主機接口，時鐘管理，電源等部分。圖2和圖3是在GNU Radio平臺上數據處理流程。

圖2 發送端數據處理Fig.2 Steps of preparing binary

圖3 接收端數據處理Fig.3 Data retrieval

4 結果分析

發送端得到的頻譜圖如圖4所示，圖5為發送信號的時域圖。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系統接收端接收的數據進行處理，恢復得到的時域信號如圖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，恢復的時域圖如圖9所示，與圖7比較失真率更小。

圖4 發送端頻譜圖Fig.4 Transmit spectrum

圖5 信號時域圖Fig.5 Message signal

圖7 OFDM系統恢復信號時域圖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自消除算法恢復信號時域圖Fig.9 Received signal of ICI self-Cancellation

通過以上實驗結果充分說明ICI自消除算法對消除OFDM系統中由于頻偏導致的載波間干擾是可行的，并且改善了OFDM系統對抗頻率偏移能力。

5 結束語

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

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