CN106257857A - 一种数模混合多载波通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数模混合的多载波通信方法，该通信方法适用于单用户传输，也适用于多用户传输。在本方法的步骤包括：发射端按照资源块分配子载波并基于数字方式使每个资源块的频域数据形成一路数字信号流；再对数字信号流进行数模转换形成模拟信号流；最后对每一路模拟信号流进行上变频处理，形成混合多载波发射信号。接收端对接收到的信号进行对发射信号进行下变频处理，使发射信号中相互正交的模拟信号流分离，并对分离出的模拟信号流依次进行模拟/数字转换、匹配滤波、离散傅里叶变换、频域均衡和数据解调。本发明可以有效提高频谱利用率，并且在多用户传输***中可以有效降低多用户采样频偏所带来的不同子带间的载波间干扰的影响。

Description

一种数模混合多载波通信方法

技术领域

本发明涉及多载波宽带通信领域，尤其是一种数模混合多载波通信方法。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技术可以有效的提高频谱利用率、对抗高速数据传输过程中的符号间干扰^【1】，并且成为长期演进技术(Long Term Evolution，LTE)和无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)的关键技术之一。正交频分复用技术通过快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)实现子载波之间的正交。但是正交频分复用技术的频谱旁瓣较大，对时偏和频偏非常敏感。在未来移动通信中，高速率、低时延、高可靠性是通信的要求^【2】。OFDM技术在一定程度上已经不能满足未来移动通信的要求。为了满足未来移动通信的要求，已经有几种新波形被提出。滤波器组多载波方式是其中的一种方式^【3】，这种方式不需要循环前缀，对时偏和频偏不敏感，但是滤波器的长度很长、计算复杂度高，并且不易与多天线技术进行很好的结合。另一种新波形是通用滤波多载波方式^【4】，这种方法可以有效的抑制不同用户所引起的不同频偏所带来的影响，并且可以与多天线技术进行很好的结合，但是这种方法在设计的时候没有考虑符号间的干扰，传输效率与OFDM相似但复杂度提高。

【1】Li，Y.，and Stuber，G.：‘Orthogonal Frequency division multiplexingfor wireless communications’，Springer Science Business Media，Inc.，2006.

【2】“White Paper on 5G Concept”，IMT-2020(5G)Promotion Group ReleaseCeremony，Feb.2015

【3】Farhang-Boroujeny，B.，“OFDM versus filter bank multicarrier，”IEEESignal Processing Magazine，vol.28，no.3，pp.92-112，2011.

【4】Vakilian，V.，Wild，T.，Schaich，F.，ten Brink，S.，Frigon，J.-F.，UniversalFiltered Multi-Carrier Technique for Wireless Systems Beyond LTE，”9thInt.Workshop on Broadband Wireless Access at IEEE Globecom’13，Atlanta，Dec.2013.

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，提供一种可以同时适用单用户和多用户传输***的、能够有效提高频谱利用率、降低多用户采样频偏所带来的不同子带间的载波间干扰影响的通信方法，本发明提出一种数模混合多载波通信方法。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：

一种数模混合多载波通信方法，包括步骤：

(1)发射端形成发射信号，包括步骤：

(1-1)发射端获取待发送数据并为每个资源块分配子载波，各资源块并行传输；设X_i(k)为第i个资源块所占用的第k个子载波，i∈[1，2，…，K]，k∈[1，2，…，N_i]，K为资源块总数，N_i为第i个资源块所占用的子载波总数；

(1-2)对每个资源块的频域数据进行逆离散傅立叶变换，形成K路并行的数字信号流；其中，第i个资源块对应的数字信号流表示为：

$x_i\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N_i-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N_i}\mathrm{kn}},n=\mathrm{0,1},...,N_i-1$

(1-3)对每一路数字信号流依次进行滤波处理和数字/模拟转换，形成K路并行的模拟信号流；

(1-4)对每一路模拟信号流进行上变频处理，形成K路发射信号，包括步骤：

将第i路模拟信号流上变频至中心载频为f_analog，i+f_c处，其中，f_analog，i为第i路模拟信号流的相对搬移频率，f_c为***的中心载频；

K路发射信号构成多载波发射信号，表示为：

$q\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\π}{f}_{c}t}\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\left(t\right)e^{j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{ana}\log ,i}t}$

$f_{\mathrm{ana}\log ,i}=\left\{\begin{array}{cc}0& i=1\\ f_{\mathrm{ana}\log ,i-1}+\frac{N_{i-1}/2+N_i/2}{N}{f}_s& i>1\end{array}\right.$

式中，x_i(f)为x_i(n)对应的模拟域信号，f_s为***的采样频率，

(2)接收端接收发射信号并执行以下处理步骤：

(2-1)对发射信号进行下变频处理，使发射信号中相互正交的模拟信号流分离为K路并行的模拟信号流；

(2-2)对分离出的每一路模拟信号流依次进行模拟/数字转换、匹配滤波、离散傅里叶变换、频域均衡和数据解调。

进一步的，所述发射端在执行步骤(1-3)之前，还执行以下步骤：

1)对步骤(1-2)形成的K路数字信号流分别进行加循环前缀处理，并计算数字信号流的符号持续时间为：

T_Ui＝(N_i+N_g)ΔT＝(N_i+N_g)/f_s

式中，T_Ui为第i个资源块对应的数字信号流的符号持续时间，f_s为数字/模拟转换的采样频率，ΔT为采样时间间隔，ΔT＝1/f_s；N_g为循环前缀。

2)对加循环前缀处理后的数字信号流进行并串转换处理，将每一路加循环前缀的数字信号流中的各个并行符号流转换为一路符号流；

进一步的，所述步骤(2-2)中，接收端在进行匹配滤波之前，还执行以下步骤：

对经过模拟/数字转换后的数字信号流依次进行去循环前缀处理和串并转换处理。

进一步的，所述步骤(1-1)中，发射端获取待发送数据并为每个资源块分配子载波的方法为：

发射端获取用户数量，若仅存在一个用户，发射端将该用户所要发送的数据分为K组，每组数据对应一个资源块并通过对应资源块传输；

若存在多个用户，发射端为每个用户分配一个资源块，该用户所要发送的数据通过对应资源块传输。

进一步的，所述发射端对某一路信号流进行滤波处理的冲激响应与接收端对该路信号流进行滤波处理的冲激响应相匹配。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明所提出的数模混合多载波通信方法同时适用于单用户传输***和多用户传输***；

2、本发明所提出的数模混合多载波通信方法可以有效提高频谱利用率；

3、本发明所提出的数模混合多载波通信方法可以有效降低多用户采样频偏所带来的不同子带间的载波间干扰的影响。

附图说明

图1为实施例中所述单用户传输的发射端原理框图；

图2为实施例中所述接收端原理框图；

图3为实施例中所述多用户上行传输的发射端原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明提供的数模混合多载波通信方法，包括发射端和接收端两部分，以下通过实施例来具体说明。

(一)发射端

步骤1、发射端按照资源块(Resource Block，RB)对可用的子载波进行分块，假设可用子载波的个数为N，每个资源块占用N₁个连续子载波，并且K＝N/N₁为整数，这样***支持K个资源块的并行传输。第i个资源块，占用的子载波为：

(i-1)N₁，(i-1)N₁+1，...，iN₁-1 (1)

步骤2、对每个资源块的频域数据进行N₁点的逆离散傅立叶变换(InverseDiscrete Fourier Transform，IDFT)，将第i个资源块在频域的数据转换到时域，得到的信号可以表示为：

$x_i\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N_i-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N_i}\mathrm{kn}},n=\mathrm{0,1},...,N_i-1---\left(2\right)$

假设采用频率为f_s，那么采样点的时间间隔为ΔT＝1/f_s。为了消除符号间干扰，对每个资源块的数据进行加循环前缀处理，假设循环前缀为N_g，则每个资源块的符号持续时间为：

T_U＝(N₁+N_g)ΔT＝(N₁+N_g)/f_s (3)

步骤3、经过成形滤波器进行滤波处理，得到的信号为：

$s_i\left(n\right)=x_i\left(n\right)\⊗h\left(n\right)---\left(4\right)$

其中，h(n)为滤波器的冲激响应，表示卷积。

步骤4、对滤波处理后的数据通过数模转换器(Digital to analog convertor，DAC)进行数模转换，设数模转换后的连续时间信号用s_i(t)表示。在模拟域，第i路模拟信号的相对搬移频率为：

$f_{\mathrm{ana}\log ,i}=\left\{\begin{array}{cc}0& i=1\\ f_{\mathrm{ana}\log ,i-1}+\frac{N_{i-1}/2+N_i/2}{N}{f}_s& i>1\end{array}\right.---\left(5\right)$

那么将第i个资源块上的数据上变频到中心载频为f_analog，i处，也就是：

$q_i\left(t\right)=x_i\left(t\right)e^{j2\mathrm{\ϵ}{f}_{\mathrm{ana}\log ,i}t}---\left(6\right)$

步骤5、发射端形成的多载波发射信号表示为：

$\begin{array}{c}q\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\π}{f}_{c}t}\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i\left(t\right)\\ =e^{j2\mathrm{\π}{f}_{c}t}\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\left(t\right)e^{j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{ana}\log ,i}t}\end{array}---\left(7\right)$

其中f_c为***的中心载频。

可以得到第i个资源块的频谱利用率R_i为：

其中，L_i为第i个资源块在每个子载波上的调制阶数。那么***总的频谱利用率R_Proposed为：

在传统的正交频分复用方式中，假设每个资源块分配的子载波仍为N₁，那么***的频谱利用率为：

$R_{\mathrm{Tradition}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{N}_1{\log }_2{L}_i}{N+N_g}---\left(10\right)$

可以得到如下结论：

R_Proposed＞R_Tradition (11)

因此，本发明提出的数模混合多载波通信方法的频谱利用率比传统的OFDM的频谱利用率要高。

(二)接收端

步骤6、接收端的接收信号表示为：

$y\left(t\right)=\left(\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i\left(t\right)\right)\⊗\mathrm{\μ}\left(t\right)+w\left(t\right)---\left(12\right)$

其中，μ(t)为发射端到接收端信道的冲激响应，w(t)为噪声分量。在后续的分析过程中，将忽略噪声的影响。

步骤7、接收端对接收到的信号进行下变频，并且在模拟域将相互正交的子带分离，从而可以得到第i个资源块上相应的信号：

$p_i\left(t\right)=x_i\left(t\right){\⊗\mathrm{\μ}}_b\left(t\right)---\left(13\right)$

其中，μ_b(t)为信道的冲激响应μ(t)的等效基带表示。

步骤8、对分离后的信号p_i(t)通过模数转换器进行模数转换处理，得到的信号表示为

步骤9、将模数转换处理后的信号输入到接收端的匹配滤波器中，匹配滤波器的冲激响应为g(n)，g(n)与h(n)相匹配。

步骤10、对每个子带的信号去循环前缀，然后进行串并转换。

步骤11、通过离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)将串并转换后的时域数据变换到频域。

步骤12、对频域数据进行频域均衡，然后进行数据解调。

本发明同时适用于单用户传输***和多用户传输***；图1所示为单用户传输的发射端原理框图，发射端将该用户所要发送的数据分为K组，每组数据对应一个资源块并通过对应资源块传输。图3所示多用户上行传输的发射端原理框图，发射端为每个用户分配一个资源块，该用户所要发送的数据通过对应资源块传输。多用户上行传输的具体步骤如下：

步骤13、将第i个资源块分配给第i个用户，该用户占用的子载波为：

(i-1)N₁，(i-1)N₁+1，...，iN₁-1

步骤14、对每个用户的频域数据进行N₁点的逆离散傅立叶变换，将第i个用户在频域的数据转换到时域，得到的信号可以表示为：

$x_i\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N_i-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N_i}\mathrm{kn}},n=\mathrm{0,1},...,N_i-1---\left(14\right)$

步骤15、经过成形滤波器后，得到的信号为：

$s_i\left(n\right)=x_i\left(n\right)\⊗h\left(n\right)---\left(15\right)$

步骤16、经过数模转换器转换之后，连续时间信号用s_i(t)表示。在模拟域，将第i个用户的信号上变频到中心载频为f_analog，i+f_c处。第i个用户的发射信号可以表示为：

$q_i\left(t\right)=x_i\left(t\right)e^{j2\mathrm{\ϵ}{f}_{\mathrm{ana}\log ,i}t}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{c}t}---\left(16\right)$

单用户传输***和多用户传输***在接受端的处理步骤相同，具体如图2所示。

由于不同的用户工作在不同的子带，每个子带有成形滤波器对带外频谱进行控制，所以本发明可以有效降低多用户采样频偏所带来的不同子带间的载波间干扰的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种数模混合多载波通信方法，其特征在于包括步骤：

(1)发射端形成发射信号，包括步骤：

(1-1)发射端获取待发送数据并为每个资源块分配子载波，各资源块并行传输；设X_i(k)为第i个资源块所占用的第k个子载波，i∈[1，2，…，K]，k∈[1，2，…，N_i]，K为资源块总数，N_i为第i个资源块所占用的子载波总数；

(1-2)对每个资源块的频域数据进行逆离散傅立叶变换，形成K路并行的数字信号流；其中，第i个资源块对应的数字信号流表示为：

(1-3)对每一路数字信号流依次进行滤波处理和数字/模拟转换，形成K路并行的模拟信号流；

(1-4)对每一路模拟信号流进行上变频处理，形成K路发射信号，包括步骤：

将第i路模拟信号流上变频至中心载频为f_analog，i+f_c处，其中，f_analog，i为第i路模拟信号的相对搬移频率，f_c为***的中心载频；

K路发射信号构成多载波发射信号，表示为：

式中，x_i(t)为x_i(n)对应的模拟域信号，f_s为***的采样频率，

(2)接收端接收发射信号并执行以下处理步骤：

(2-1)对发射信号进行下变频处理，使发射信号中相互正交的模拟信号流分离为K路并行的模拟信号流；

(2-2)对分离出的每一路模拟信号流依次进行模拟/数字转换、匹配滤波、离散傅里叶变换、频域均衡和数据解调。

2.根据权利要求1所述的一种数模混合多载波通信方法，其特征在于，所述发射端在执行步骤(1-3)之前，还执行以下步骤：

1)对步骤(1-2)形成的K路数字信号流分别进行加循环前缀处理，并计算数字信号流的符号持续时间为：

T_Ui＝(N_i+N_g)ΔT＝(N_i+N_g)/f_s

式中，T_Ui为第i个资源块对应的数字信号流的符号持续时间，f_s为数字/模拟转换的采样频率，ΔT为采样时间间隔，ΔT＝1/f_s；N_g为循环前缀。

2)对加循环前缀处理后的数字信号流进行并串转换处理，将每一路加循环前缀的数字信号流中的各个并行符号流转换为一路符号流。

3.根据权利要求2所述的一种数模混合多载波通信方法，其特征在于，所述步骤(2-2)中，接收端在进行匹配滤波之前，还执行以下步骤：

对经过模拟/数字转换后的数字信号流依次进行去循环前缀处理和串并转换处理。

4.根据权利要求3所述的一种数模混合多载波通信方法，其特征在于，所述步骤(1-1)中，发射端获取待发送数据并为每个资源块分配子载波的方法为：

发射端获取用户数量，若仅存在一个用户，发射端将该用户所要发送的数据分为K组，每组数据对应一个资源块并通过对应资源块传输；

若存在多个用户，发射端为每个用户分配一个资源块，该用户所要发送的数据通过对应资源块传输。

5.根据权利要求4所述的一种数模混合多载波通信方法，其特征在于，所述发射端对某一路信号流进行滤波处理的冲激响应与接收端对该路信号流进行滤波处理的冲激响应相匹配。