CN107135057A - 一种基于零拖尾dft拓展的高效频分复用波形生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高谱效、低带外泄漏和低峰均比的基于零拖尾DFT拓展的高效频分复用波形生成方法，属于信息与通信技术领域。本发明包括如下步骤：步骤一：对发送端调制符号的头尾进行补零，获取时域发送符号序列，对时域发送符号序列进行N点的DFT拓展变换，得到频域信号矢量；步骤二：在得到的频域信号矢量的末尾补上(1‑α)N/α个零，对补零后的频域信号矢量进行子载波映射；步骤三：对子载波映射后的信号矢量进行K点IFFT变换，将变换后获得的频域信号矢量的后(1‑α)N/α个数据丢弃，剩余的N个数据为具有零拖尾特征的时域发送符号矢量，其形成的波形即为生成的高效频分复用波形；其中，α代表频谱压缩因子，α＝N/K。

Description

一种基于零拖尾DFT拓展的高效频分复用波形生成方法

技术领域

本发明涉及一种高效频分复用波形生成方法，特别涉及一种基于零拖尾DFT拓展的高效频分复用波形生成方法，本发明属于信息与通信技术领域。

背景技术

5G时代更高的传输速率的需求以满足机器到机器通信，物联网数据传输，以及融合传统移动通信等，频谱资源越显得稀缺，OFDM(正交频分复用)以保证子载波间正交的最小间隔部署子载波频谱资源分割具有较高的频谱利用率，然而面对未来更加快速的数据传输速率需求，子载波正交的传输方案不再完全适用。满足相同传输速率的情况下，IzzatDarwazeh等人提出的非正交的SEFDM(高效频分复用)传输方案能够在OFDM频谱结构的基础之上进一步压缩子载波间隔达到节省频谱资源的目的。SEFDM作为一种非正交多载波传输方案在5G候选波形设计中备受关注。

近来，Izzat Darwazeh在无线通信***和光通信***用中进行了一些SEFDM实验。在无线通信***中，CA-SEFDM(联合载波聚合CA和SEFDM)在给定使用带宽的基础上进一步提升数据传输速率，同时对***差错性能和频效性能进行了测试分析，研究表明CA-SEFDM具有接近CA-OFDM的差错性能，但是相较于CA-OFDM，CA-SEFDM具有更高的频谱效率；在光通信中，使用了3.75Gbit/s的60GHz毫米波射频光纤进行测试测试，O-SEFDM(光学SEFDM)相较于O-OFDM(光学OFDM)带宽节省约25％，并且能达到O-OFDM相同的差错性能，并且在相同谱效的条件下进一步测试表明低阶调制能代替高阶调制能够达到更好的性能。AndreyRashich等人给出了基于FFT的SEFDM接收机设计方案，提出了一种基于FFT和max-log-MAP的算法以及迭代接收的算法。Tongyang Xu和Izzat Darwazeh进一步提出了一种新的波形设计Nyquist-SEFDM，该方案利用低于符号速率的子载波间隔压缩带宽提升频谱效率，同时对每个子载波利用根升余弦滤波器进行脉冲成形抑制频谱漏泄，但是根升余弦滤波器脉冲成型也重新引来了子载波间干扰，而SEFDM本身低于符号速率的子载波部署即携带了子载波间干扰，因此Nyquist-SEFDM双重的子载波间干扰加大了接收机设计复杂度。SergeyV.Zavjalov等人对SEFDM信号包络进行优化，给出最佳信号包络设计方法增加各个子载波信号持续时长达到子带带宽压缩的目的，研究表明相对于OFDM能够降低32％所占带宽。

综上所述，SEFDM作为一种高效频分复用方案利用非正交传输体制减小子载波间隔达到压缩频谱进一步提升频谱效率，然而非正交体制无法带来的子载波间干扰一定程度上恶化了信号发送的边带泄漏，不利于能量集中，另一方面导致了较高的信号峰均比。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种高谱效、低带外泄漏和低峰均比的基于零拖尾DFT拓展的高效频分复用波形生成方法。

本发明的一种基于零拖尾DFT拓展的高效频分复用波形生成方法，包括如下步骤：

步骤一：对发送端调制符号的头尾进行补零，获取时域发送符号序列，对时域发送符号序列进行N点的DFT拓展变换，得到频域信号矢量；

步骤二：在得到的频域信号矢量的末尾补上(1-α)N/α个零，对补零后的频域信号矢量进行子载波映射；

步骤三：对子载波映射后的信号矢量进行K点IFFT变换，将变换后获得的频域信号矢量的后(1-α)N/α个数据丢弃，剩余的N个数据为具有零拖尾特征的时域发送符号矢量，其形成的波形即为生成的高效频分复用波形；

其中，α代表频谱压缩因子，α＝N/K。

所述具有零拖尾特征的时域发送符号矢量为：

x＝[x₀,...,x_n,...,x_N-1]^T；

其中，具有零拖尾特征的时域发送符号序列X_k为补零后的频域信号矢量X中的数据。

所述具有零拖尾特征的时域发送符号序列的峰均比为：

其中，E[·]表示期望函数。

所述具有零拖尾特征的时域发送符号序列的功率谱密度为：

其中，脉冲成形函数的功率谱其中T_S代表符号周期，R(m)代表延时为m自相关函数，f代表频率。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明的有益效果在于，本发明为一种高谱效、低带外泄漏和低峰均比的非正交高效频分复用波形生成方法，采用基于IFFT的非正交频分复用以低于符号速率的子载波间隔部署信号占用带宽，进而提升频谱利用率，利用DFT拓展方法降低发送信号的峰均比，进一步采用在发送数据符号头尾补零的方法构造时域发送信号具有功率趋于零的拖尾降低发送信号的峰均比，该方法有效地加快边带衰减速度。

附图说明

图1为具体实施方式中生成基于零拖尾DFT拓展的高效频分复用波形的原理示意图；

图2为具体实施方式中生成的单个零拖尾DFT拓展高效频分复用时域信号波形；

图3为具体实施方式中生成的多个零拖尾DFT拓展的高效频分复用信号时域波形；

图4a至图4d分别为压缩因子为0.5、0.7、0.9和1时生成的SEFDM信号功率谱密度的示意图，其中SEFDM表示常规SEFDM信号，DFT-SEFDM表示采用带DFT变换现有方法生成的SEFDM信号，ZT-DFT-s-SEFDM本发明生成的SEFDM信号；

图5是具体实施方式中压缩因为子为0.5和0.8时生成的ZT-DFT-s-SEFDM信号峰均比互补累积概率密度函数的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。本实施方式所述的一种基于零拖尾DFT拓展的高效频分复用波形生成方法包括如下步骤：

步骤一：对发送端调制符号的头尾进行补零，获取时域发送符号序列，对时域发送符号序列进行N点的DFT拓展变换，得到频域信号矢量：

本实施实施方式在发射机实施，如图1所示，比特信息发送序列通过调制器生成调制符号分组d＝[d₀,...,d_m,...,d_M-1]^T，M为调制符号分组长度，通过对调制符号头尾补零得到其中，N_h为头部补零个数，N_t为尾部补零个数，补零后的符号矢量s经过N点的DFT变换得到S＝[S₀,...,S_k,...S_N-1]^T：

S＝F_N·s (1)

其中，F_N代表归一化的N点离散傅里叶变换矩阵，其中F_N的第n行第k列表示为：

步骤二：在得到的频域信号矢量的末尾补上(1-α)N/α个零，得到对补零后的频域信号矢量X进行子载波映射；步骤三：对子载波映射后的信号矢量进行K点IFFT变换，IFFT输出信号表示为：其中，代表K的归一化快速傅里逆变换矩阵，将变换后获得的频域信号矢量的后(1-α)N/α个数据丢弃，剩余的N个数据为具有零拖尾特征的时域发送符号矢量：x＝[x₀,...,x_n,...,x_N-1]^T其中，具有零拖尾特征的时域发送符号序列X_k为补零后的频域信号矢量X中的数据，α代表频谱压缩因子，α＝N/K。本实施方式具有零拖尾特征的时域发送符号序列形成的波形为本实施方式生成的高效频分复用波形。

图2和图3给出了本实施方式形成的零拖尾DFT拓展高效频分复用信号时域波形。其中，图2为单个零拖尾DFT拓展高效频分复用时域信号波形，图3为多个零拖尾DFT拓展高效频分复用时域信号波形。从图3中可以看出每个符号都携带一个功率趋近于零的拖尾，相较于常规SEFDM信号波形，本实施方式具备更好的接收机同步特征，同时，相较于OFDM的CP设计，本实施方式可通过调整零拖尾的长度自适应设置为大于无线信道的多径时延，进而对抗多径信道衰落。其中计算零拖尾时域信号表示为：

其中，

Q_DFT代表N×M的DFT拓展子载波映射矩阵，Q_IFFT代表K×N的IFFT矩阵。因此，零拖尾时域信号的功率计算表示为：

假设发送调制符号的能量归一，矩阵P_h中第m个元素表示为：

由式(4)可以看出，0≤m≤N_h-1,M/N≤n≤(N-1)/N，因此，0≤m/K≤α(N_h-1)/N，其中m/K≠n,所以P_h(m),m＝0,...,N_h-1会得到趋近于零较小功率分布。

本实施方式生成的具有零拖尾特征的时域发送符号序列的功率谱密度为：

其中，具有零拖尾特征的时域发送符号序列的功率谱

脉冲成形函数的功率谱其中T_S代表符号周期，R(m)代表延时为m自相关函数，f代表频率。

本实施方式以矩形脉冲为例；

为了方便对比说明，采用SEFDM表示常规SEFDM信号，DFT-SEFDM表示采用带DFT变换现有方法生成的SEFDM信号，ZT-DFT-s-SEFDM本发明生成的SEFDM信号；。

图4a至图4d分别表示压缩因子为0.5、0.7、0.9和1时ZT-DFT-s-SEFDM与DFT-SEFDM、SEFDM的功率谱密度对比情况，图4给出的四张不同压缩因子下ZT-DFT-s-SEFDM与DFT-SEFDM，SEFDM信号功率谱密度，对比表明，本实施方式的零拖尾DFT拓展SEFDM波形生成方法具有较好好的带外抑制效果。其中，DFT-SEFDM表示N_h＝0，N_t＝0时ZT-DFT-s-SEFDM的特殊情况。其中仿真设置如下，SEFDM子载波个数为512，调制方式为QPSK，ZT-DFT-s-SEFDM的补零设计为N_h＝5，N_t＝7。

本实施方式中ZT-DFT-s-SEFDM的峰均比为：

其中，E[·]表示期望函数；

峰均比的互补累积概率密度函数计算表示为：

PAPR_CCDF＝Pr(λ>PAPR) (8)

其中，Pr(·)代表概率统计算子。

图5给出了本实施方式的ZT-DFT-s-SEFDM信号峰均比互补累积概率密度函数，图5中给出了两组曲线，分别代表压缩因为子为0.5和0.8时本实施方式的ZT-DFT-s-SEFDM与DFT-SEFDM、SEFDM峰均比的互补累积概率密度函数。在压缩因子相同的情况下，每组曲线中的三条曲线对比表明ZT-DFT-s-SEFDM具有低于SEFDM的信号峰均比，基于DFT正交变换的峰均比抑制方法是比较常见且行之有效的方法，而ZT-DFT-s-SEFDM具有接近DFT-SEFDM的信号峰均比。仿真参数设置同上。

本实施方式为新型的零拖尾DFT拓展高效频分复用波形生成方法，该方法利用非正交子载波分配信号占用带宽，在符号速率给定的情况下，相较于正交多载波调制方案具有更高的频谱效率。同时，本实施方式在发射机采用零拖尾DFT拓展的方法，该方法能够有效抑制信号波形的带外泄漏，同时保证了信号以较低的峰均比传输，节省了硬件放大器设计。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种基于零拖尾DFT拓展的高效频分复用波形生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：对发送端调制符号的头尾进行补零，获取时域发送符号序列，对时域发送符号序列进行N点的DFT拓展变换，得到频域信号矢量；

步骤二：在得到的频域信号矢量的末尾补上(1-α)N/α个零，对补零后的频域信号矢量进行子载波映射；

步骤三：对子载波映射后的信号矢量进行K点IFFT变换，将变换后获得的频域信号矢量的后(1-α)N/α个数据丢弃，剩余的N个数据为具有零拖尾特征的时域发送符号矢量，其形成的波形即为生成的高效频分复用波形；

其中，α代表频谱压缩因子，α＝N/K。

2.根据权利要求1所述的一种基于零拖尾DFT拓展的高效频分复用波形生成方法，其特征在于，所述具有零拖尾特征的时域发送符号矢量为：

x＝[x₀,...,x_n,...,x_N-1]^T；

其中，具有零拖尾特征的时域发送符号序列X_k为补零后的频域信号矢量X中的数据。

3.根据权利要求2所述的一种基于零拖尾DFT拓展的高效频分复用波形生成方法，其特征在于，所述具有零拖尾特征的时域发送符号序列的峰均比为：

<mrow> <mi>P</mi> <mi>A</mi> <mi>P</mi> <mi>R</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <munder> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mrow> <mn>0</mn> <mo>&amp;le;</mo> <mi>n</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munder> <mo>|</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mi>E</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，E[·]表示期望函数。

4.根据权利要求2所述的一种基于零拖尾DFT拓展的高效频分复用波形生成方法，其特征在于，所述具有零拖尾特征的时域发送符号序列的功率谱密度为：

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>L</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>S</mi> </msub> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow> <mi>&amp;infin;</mi> </munderover> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;mfT</mi> <mi>S</mi> </msub> </mrow> </msup> </mrow>

其中，脉冲成形函数的功率谱其中T_S代表符号周期，R(m)代表延时为m自相关函数，f代表频率。