CN108462665B - 一种ufmc发送信号波形的构造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于预处理与时域补零的UFMC发送信号波形的构造方法，根据通信服务类型及可利用频谱资源将所用子载波数划分成子载带；调制信号分配到各个子载带上，将每个子载波数据符号乘以UFMC子带滤波器在该子载波上的频域响应倒数，然后对子载带上的数据做逆傅里叶变换；用滤波器对子带输出信号进行滤波处理，并将得到的时域信号在尾部补零；将各个子带的信号相加得到发送信号，最后调制到载频上发送出去。本发明所述的方法可以有效的提高UFMC***的抗ISI能力，简化UFMC的接收端信号处理复杂度，接收端可以复用OFDM***已有的信道估计与均衡方法。

Description

一种UFMC发送信号波形的构造方法
技术领域
本发明涉及一种UFMC发送信号波形的构造方法，属于移动通信***中的信号处理技术领域。
背景技术
正交频分复用(OFDM)多载波通信技术凭借它的优势：抗多径效应、能够用快傅立叶变换(FFT)/逆快速傅里叶变换(IFFT)来处理调制解调、与多输入多输出(MIMO)结合、频谱效率高等在***移动通信***(4G)中广泛使用，但需要严格的时频同步。第五代移动通信***(5G)将出现新的通信场景比如物联网、机器间通信、传感网，OFDM这种代价较高的技术难以适应上面的低成本、低复杂度、长时间通信的场景。人们提出了新的可替代波形滤波器组多载波通信(FBMC)，FBMC的子载波和OFDM类似，但需要在每个子载波上进行滤波，目的是减小旁瓣，降低载波间干扰，更好的抗时频偏差。然而FBMC由于每个子载波需要滤波，滤波器长度较长，FBMC具有较长的符号长度，难以适应5G低时延的通信场景。另外，FBMC需要用偏置正交幅度调制(OQAM)来产生正交符号，来保证***实正交性。
为了同时保留OFDM和FBMC的优势，克服他们的不足，贝尔实验室研究人员提出了一种新的波形技术通用滤波器多载波通信技术，即UFMC。UFMC可以看做OFDM和FBMC的折中，UFMC在连续的子载波上进行滤波，也不需要循环前缀。经过滤波器之后的符号长度较短，也更适合短包通信，同时对时频同步的要求也降低。UFMC吸引了很多研究人员来对这种新波形技术进行研究，分析了它的各种性能和调优，也提出了很多方案，将UFMC与其他通信技术相结合。但是UFMC没有采用循环前缀，UFMC符号在经过多径信道时，UFMC的符号包含ISI和ICI，虽然UFMC本身具备抗ISI和ICI的能力，但在实际通信场景中，信道的时延扩展较大，这种能力显得不足。传统的UFMC在接收端处理滤波器对子载波的增益，增加了信号处理的复杂性。
发明内容
发明目的：主要针对现有技术中存在的如下几个问题：(1)传统的UFMC***在接收端处理滤波器对子载波的增益从而提高接收端的处理复杂度；(2)传统的UFMC***用子带滤波器代替循环前缀，当信道时延扩展较大，UFMC本身的抗符号间干扰(ISI)能力将不足，经过多径时变信道会受到符号间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)；(3)传统的UFMC***不再是正交传输***，直接复用正交频分复用(OFDM)***的信道估计与均衡等技术将损失一定性能。本发明提供一种基于预处理与时域补零的UFMC发送信号波形的构造方法，提高UFMC符号在多径信道下抗ISI和ICI的能力，简化接收端的信号处理，使接收端能够使用OFDM中已有的信道估计和均衡等方法。
技术方案：一种UFMC发送信号波形的构造方法，包括以下步骤：
步骤1，根据通信服务类型及可利用频谱资源将所用子载波数划分成子载带；
步骤2，将子载带上的每个子载波乘以子带滤波器对应时频响应倒数，然后对子载带上的数据做逆傅里叶变换；
步骤3，用滤波器对子载带输出信号进行滤波，并在时域信号的尾部补零；
步骤4，将各个子载带的信号相加得到发送信号，调制到载频上发送出去。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的UFMC发送信号波形的构造方法，针对现有的UFMC***结构，只需在发送端额外处理，提高了UFMC符号的抗ISI和ICI能力，提升UFMC***的抗时频偏移能力，不增加额外能量消耗，简化接收端的信号处理并且可以使用OFDM中已有的信号处理方式。
除了UFMC，其他新波形包括FBMC、广义频分复用GFDM等，只要符号在多径信道下受到ISI和ICI，不再保持正交性，都可以采用这种发送符号预处理与滤波器输出信号时域补零方法。
附图说明
图1是已被证明的UFMC***在多径信道下的符号干扰示意图；
图2是本发明方法的实施原理图；
图3是本发明方法的实施效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
假设一个UFMC***将频谱资源划分成B个子带，***采用QAM调制，QAM符号Sk(k∈1...M)被划分到B个子带上，每个子带包含ni个QAM符号，每个QAM符号乘以滤波器在子载波的频域响应倒数，然后对每个子带上的数据做N点逆快速傅里叶变换(IFFT)。M表示***可使用的载波数，划分子块的时候可以根据通信类型和用户数，也可以将非连续频段也作为子块，B的大小也可以随时调整，每个子块的大小ni可以一样也可以不一样。
每个子块IFFT后，用滤波器对生成的时域信号si进行滤波，滤波器的类型可以是有限脉冲响应(FIR)滤波器或者无限脉冲响应(IIR)滤波器。
将各个子块滤波之后的时域信号求和，就可以得到传统UFMC的发送信号x：
Figure GDA0002688412570000031
其中，si是第i子块上的QAM矢量符号，Vi是第i子块上的一个N×ni的逆傅里叶变换矩阵，Fi是实现信号与滤波器卷积的(N+LF-1)×N托普利兹矩阵。图1显示传统UFMC符号经过多径信道的情况。
针对传统UFMC符号经过多径信道后，子载波不在正交，***的循环卷积性质丧失，存在ISI和ICI，接收端处理子带滤波器对子载波的增益，带来信号处理复杂度，如果直接使用OFDM的信道估计与***均衡手段，性能会损失。在原有UFMC***结构上，本发明提出了一种时域补零的发送方法，并且每个子载波乘以滤波器对应频域响应的倒数来抵消滤波器对子载波增益。
如图2所示，UFMC发送信号波形的构造方法，包括以下步骤：
步骤1，根据通信服务类型及可利用频谱资源将所用子载波数划分成子载带；
步骤2，将子载带上的每个子载波乘以子带滤波器对应时频响应倒数，然后对子载带上的数据做逆傅里叶变换，补偿滤波器对每个子载波上的增益，简化接收端的信号处理；
步骤3，用滤波器对子载带输出信号进行滤波，并在时域信号的尾部补零；
步骤4，将各个子载带的信号相加得到发送信号，调制到载频上发送出去。
此时，UFMC的发送信号的基带表达式x为：
Figure GDA0002688412570000041
x具有如下形式：
Figure GDA0002688412570000042
这样就保证了发送信号x经多径信道之后，减小ISI和ICI，简化接收端信号处理，OFDM中的信道估计与均衡技术可以在UFMC中使用。
其中，Si是子带i上的复符号向量，子载波k上的初始已调信号要乘以滤波器对应的频域响应倒数，Vi是逆傅里叶变换矩阵，Fi是子载波滤波器矩阵且是一个托普利兹矩阵，Wi是补零操作，x的长度是N+LF+LC-2，N是逆傅里叶变换大小，LF是滤波器长度，LC是无线信道的最大有效时延。采用了本发明方法的UFMC发送符号具有的效果如图3所示，滤波之后的补零操作使得发送符号经过多径信道，相邻符号之间的干扰ISI即时域重叠部分明显减小。
除了UFMC，其他新波形包括FBMC、广义频分复用GFDM等，只要符号在多径信道下受到ISI和ICI，不再保持正交性，都可以采用这种发送符号预处理与滤波器输出信号时域补零方法。

Claims (5)

1.一种UFMC发送信号波形的构造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据通信服务类型及可利用频谱资源将所用子载波数划分成子载带；
步骤2，将子载带上的每个子载波乘以子带滤波器对应时频响应倒数，然后对子载带上的数据做逆傅里叶变换；
步骤3，用滤波器对子带输出信号进行滤波，并在时域信号的尾部补零；
步骤4，将各个子带的信号相加得到发送信号，调制到载频上发送出去。
2.如权利要求1所述的UFMC发送信号波形的构造方法，其特征在于，发送信号x表示为：
Figure FDA0002769787730000011
其中，Si是子带i上的复符号向量，B是***子带数量，子载波k上的初始调制符号要乘以滤波器对应的频域响应倒数，Vi是逆傅里叶变换矩阵，Fi是子载波滤波器矩阵且是一个托普利兹矩阵，Wi是时域尾部补零操作，x的长度是N+LF+LC-2，N是逆傅里叶变换大小，LF是滤波器长度，LC是无线信道的最大有效时延。
3.如权利要求1所述的UFMC发送信号波形的构造方法，其特征在于，在时域信号的尾部补零，为了有效抑制ISI和ICI，补零的数目大于等于LC-1，其中，LC是无线信道的最大有效时延。
4.如权利要求1所述的UFMC发送信号波形的构造方法，其特征在于，发送信号x形式为：
Figure FDA0002769787730000012
其中，N是逆傅里叶变换大小，LF是滤波器长度。
5.如权利要求1所述的UFMC发送信号波形的构造方法，其特征在于，发送信号波形的构造方法还适用于FBMC和广义频分复用GFDM。
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