CN100464543C - 兼容的单载波正交频分多址信号发送方法 - Google Patents

Abstract

兼容的单载波正交频分多址信号发送方法中产生基带发送信号以块为单位，发送方法包括以下步骤：1.1)传输符号矢量的预调制，1.2)离散傅立叶变换，1.3)频域正交偏移，1.4)频域信号扩展与成型滤波，1.5)载波映射，1.6)反离散傅立叶变换，1.7)加循环前缀和时域加窗平滑，采用循环前缀的单载波正交频分多址技术，不仅满足低峰均比的要求，而且在理想情况下，各用户信号间无干扰。本发明提供的方法，在同一框架下实现两类单载波正交频分多址技术，提供一种广义均方根升余弦频域成型滤波方法，进一步降低传输信号的峰均比，同时采用跳频方式获得频率分集增益。

Description

兼容的单载波正交频分多址信号发送方法

技术领域

本发明是一种无线传输技术方法，属于高速无线通信传输技术领域。

背景技术

正交频分复用(OFDM)技术，由于其强的抗多径干扰能力、简单易行的离散傅立叶变换(DFT)实现、以及易于采用多天线传输技术等优点，得到广泛的研究和应用，并成为未来无线与移动通信系统的重要候选技术。在无线通信系统上行传输链路中，为提高移动终端的功率效率和扩大小区覆盖范围，要求传输信号具有低的峰值与平均功率之比(PAPR，简称峰均比)，而典型的OFDM传输信号具有高的峰均比。降低OFDM传输信号的峰均比，存在多种方法，其中利用DFT进行信号扩展的方法，所产生的OFDM信号具有与单载波信号相近的峰均比性能，由此产生DFT扩展的OFDM系统方案和偏移DFT扩展的OFDM系统方案，分别简称为DFT-S-OFDM方案和偏移DFT-S-OFDM方案，得到广泛关注。DFT-S-OFDM方案与正交幅度调制(QAM)的单载波系统相对应，其峰均比性能相同，而偏移DFT-S-OFDM方案与偏移正交幅度调制(OQAM)的单载波系统相对应，其峰均比性能相同且优于DFT-S-OFDM方案。在DFT-S-OFDM方案和偏移DFT-S-OFDM方案中，当不同用户所占用的子载波组不重叠时，可实现正交频分多址，由此得到单载波正交频分多址方案，特别适用于移动通信系统上行传输。

在移动通信系统中，上述两类单载波正交频分多址技术共存时，宜采用同一实现框架，以降低实现复杂度，采用不同的频域成型滤波，可进一步降低传输信号的峰均比，充分利用系统的灵活性，可提高频率分集增益。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种兼容的单载波正交频分多址信号发送方法，改善传输信号峰均比性能，提高频率分集增益，满足无线与移动通信系统，特别是其上行传输链路，对传输信号低峰均比和高分集增益的要求。

技术方案：本发明的兼容的单载波正交频分多址信号发送方法中，产生基带发送信号以块为单位，发送方法包括以下步骤：

1.1)传输符号矢量的预调制：即对第n个块的第k个信号乘系数

1.2)离散傅立叶变换：即对第n个块的信号进行N_b点的离散傅立叶变换，

1.3)频域正交偏移：即按照以下公式生成正交偏移后的频域信号矢量：

$x\left(n\right)=\frac{1}{2}(D\left(n\right)+J{D}^{*}\left(n\right))-\frac{j}{2}\mathrm{\Γ}(D\left(n\right)-J{D}^{*}\left(n\right)),$

1.4)频域信号扩展与成型滤波：将频域信号按照共轭对称扩展或者周期扩展，生成扩展后的频域信号，再将扩展后的频域信号矢量点乘频域滤波函数系数，得到成型滤波后的频域信号，

1.5)载波映射：将成型滤波后的长度为N _b的频域信号矢量映射到长度为N_IFFT的信号矢量，不足部分补零，

1.6)反离散傅立叶变换：将映射后的频域信号进行N_IFFT点的反离散傅立叶变换，

1.7)加循环前缀和时域加窗平滑：对反离散傅立叶变换后的时域信号矢量加循环前缀，然后在进行时域加窗平滑，生成基带离散时间信号；

在采用所有上述步骤，且步骤1.4)中频域信号扩展采用共轭对称扩展时生成偏移离散傅立叶扩展的正交频分复用系统的基带发送信号；在采用除去步骤1.1)和步骤1.3)两个步骤外的所有步骤且步骤1.4)中频域信号扩展采用周期扩展时生成离散傅立叶扩展的正交频分复用系统的基带发送信号。

步骤1.4)的成型滤波采用离散广义均方根升余弦频域成型滤波，滤波的参数可根据采用的调制方法和滚降系数进行优化选取。

步骤1.5)载波映射时，同一信号矢量内不同用户占用不同的一组子载波，各用户在不同信号矢量内可按照设定的跳频图案占用不同的子载波组。

有益效果：本发明给出了兼容的单载波正交频分多址方案，能够在DFT扩展OFDM系统基带发送结构的框架下增加和修改少数的几个模块就能实现偏移DFT扩展OFDM系统的基带发送，保持了很好的兼容性。用该方案实现的偏移DFT扩展OFDM系统，与DFT扩展OFDM方案相比，传输信号具有更低的峰均比，可以更好地满足无线与移动通信系统，特别是上行链路。本发明给出的广义根升余弦频域成型滤波能够在不增加复杂度的情况下进一步降低传输信号的峰均比。本发明给出的多用户跳频频分多址方法同传统的单载波正交频分多址方案相比较，能够获得额外的频率分集增益，从而获得更好的传输性能。

附图说明

图1是兼容的单载波正交频分多址信号发送方法示意图。

图2是预调制步骤示意图。

图3是频域正交偏移步骤示意图。

图4是多用户跳频频分多址方法示意图。

具体实施方式

图1所示为本发明的兼容单载波正交频分多址传输技术方案。传输信息比特流经过编码、交织和调制符号映射所产生的符号流，通过串并转换器，生成矢量信号序列，每个信号矢量预调制后进行DFT变换和频域偏移处理，然后对产生的矢量经过延拓和频域成型滤波后进行IDFT变换，得到各信号矢量的发送信号，再经过并串转换器转换成串行发送信号，并插入循环前缀和进行时域加窗平滑，得到发送基带信号。对于DFT扩展的OFDM系统，无需预调制和频域偏移处理，而对于偏移DFT扩展的OFDM系统，这两个环节是需要的。两类系统中采用的信号延拓方法分别为周期延拓和共额对称延拓。频域成型滤波可采用均方根升余弦滤波函数，但为进一步改善传输信号的峰均比性能，本发明采用其扩展的形式，即广义均方根升余弦滤波函数，且在不同的滚降因子和调制方式下，对其进行优化选择。当不同用户所占的子载波组不重叠时，可实现各用户的正交多址传输，为提高各用户的频率分集性能，各用户在不同的OFDM符号上所占的子载波组可以不同，通过预先设定的跳频图案进行跳频传输。以下对发送信号的生成过程和广义均方根升余弦函数进行具体描述。

1、发送信号的生成过程

首先我们对系统参数做如下定义：设α为滚降因子，N_b为DFT的尺寸，N_IFFT为反DFT尺寸，反DFT后的时钟频率为F_s，N_s为延拓的子载波数的一半，单用户占用子载波数目为N _b＝N_b+2N_s。发送端复基带信号按照以下步骤生成：

(1)预调制步骤：设d(n)为第n块的基带调制过后的信号矢量，块长为N_b，即

$d\left(n\right)={[d_1\left(n\right),d_2\left(n\right),\·\·\·,d_{N_b}\left(n\right)]}^T$

其中d_k(n)表示第n个块中的第k个符号。则预调制后的信号

由公式 $\tilde{d}\left(n\right)=\mathrm{\Λd}\left(n\right)$ 计算，其中 $\mathrm{\Λ}=\mathrm{diag}\left(\begin{array}{cccc}{w}_{N_b}^0,& w_{N_b}^1,& ...,& w_{N_b}^{N_b-1}\end{array}\right),$ $w_{N_b}^k=\exp (-2\mathrm{\πjk}/N_b),$ 在这里，diag(·)表示将括号里的元素排成一对角阵的步骤。对于DFT扩展的OFDM系统，发送信号生成无需此步骤，此时，d(n)为DFT变换的输入矢量。

(2)DFT步骤：生成DFT后的信号D(n)， $D\left(n\right)=\mathrm{DFT}\left(\tilde{d}\left(n\right)\right).$

(3)频域正交偏移步骤：在这个步骤中根据DFT生成频域偏移后的复基带信号x(n)， $x\left(n\right)=\frac{1}{2}(D\left(n\right)+J{D}^{*}\left(n\right))-\frac{j}{2}\mathrm{\Γ}(D\left(n\right)-J{D}^{*}\left(n\right)),$ 在这里*操作表示复共轭， $\mathrm{\Γ}=\mathrm{diag}\left(\begin{array}{cccc}{w}_{N_b}^{0.5},& w_{N_b}^{1.5},& ...,& w_{N_b}^{N_b-0.5}\end{array}\right),$ J表示反单位阵。对于DFT扩展的OFDM系统，发送信号生成无需此步骤，直接取x(n)＝D(n)。

(4)信号扩展与频域成型步骤：在这个步骤中根据滚降因子α，先对信号进行延拓，延拓后的信号 $\underset{\‾}{x}={\left[x_{\mathrm{left}}^T\left(n\right)x_{\mathrm{mid}}^T\left(n\right)x_{\mathrm{right}}^T\left(n\right)\right]}^T.$ 在DFT扩展OFDM系统中，信号延拓为周期延拓，此时

$x_{\mathrm{left}}\left(n\right)=[x_{N_b-N_s}\left(n\right)x_{N_b-N_s+1}\left(n\right)\·\·\·x_{N_b-1}]$

x_mid(n)＝x(n)

$x_{\mathrm{right}}\left(n\right)=[x_0\left(n\right)x_1\left(n\right)\·\·\·x_{N_s-1}]$

在偏移DFT扩展OFDM系统中，信号延拓为共轭对称延拓，此时

$x_{\mathrm{left}}\left(n\right)=[x_{N_s-1}^{*}\left(n\right)x_{N_s-2}^{*}\left(n\right)\·\·\·x_0^{*}]$

x_mid(n)＝x(n)

$x_{\mathrm{right}}\left(n\right)=[x_{N_b-1}^{*}\left(n\right)x_{N_b-2}^{*}\left(n\right)\·\·\·x_{N_b-N_s}^{*}]$

设频域成型函数矢量为

则频域整形后的频域矢量

为：

$\underset{\‾}{\overset{~}{x}}\left(n\right)=\underset{\‾}{x}\left(n\right).*\tilde{w}.$

2、广义均方根升余弦频域成型

在DFT扩展和偏移DFT扩展的OFDM系统中，步骤(4)中的频域成型均对发送信号的峰均比有一定的影响，选择好的成型滤波函数能够进一步降低发送信号的峰均比。但是为了在高斯信道下使得匹配滤波的接收机满足无码间干扰条件，成型滤波函数需要满足奈奎斯特准则，均方根升余弦函数就是其中较为常用的一种。在本发明中，我们引入了一种满足奈奎斯特准则的函数，即广义根升余弦频域函数来作为频域成型函数。广义根升余弦函数可以分为两大类，一类为凸形广义根升余弦函数，另一类为凹形广义根升余弦函数。令

$w_{1,k}=\sqrt{1+q\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{d}(\frac{d-1}{2}+\frac{k+0.5}{2N_s})\right)}$

$w_{2,k}=\sqrt{3-\frac{2(k+0.5)}{N_s}+q\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{d}(\frac{d-1}{2}+\frac{k+0.5}{2N_s})\right)}$

在这里k＝0，…，2N_s-1，d为广义根升余弦函数的参数，q＝1/cos(π(d-1)/(2d))。则离散广义均方根升余弦频域成型函数为

${\tilde{w}}_{j,k}=\left\{\begin{array}{cc}{w}_{j,2N_s-k+1};& 0\&le;k<2N_s\\ 1;& 2N_s\&le;k<N_b\\ w_{j,k-N_b};& N_b\&le;k<N_b+2N_s\end{array}\right.$

其中j＝1时为凸形广义均方根升余弦频域成型函数，而j＝2时为凹形广义均方根升余弦频域成型函数。通过以上表达式，易知，当d＝1时，凸形广义均方根升余弦函数即为传统的根升余弦函数。

在不同的调制和滚降因子的条件下，可以通过对广义升余弦函数类型的选择且对参数d进行优化，可以进一步降低发送信号的峰均比。

3、多用户跳频频分多址方法

在单载波正交频分多址多用户系统中，不同用户调制到不同的频段，用来相互之间的区分。在偏移DFT扩展OFDM系统中，现有的用户之间正交频分多址可以采用集中式和分布式两种。在集中式模式中，同一个用户占用相邻的若干个子载波，而在分布式模式中，同一个用户占用一组梳状的子载波。这两种多址方式各有优缺点，分布式多址模式由于频谱更为分散，同集中式多址模式相比较，具有更高的频率分集，尤其在用户数目较多和/或频率选择性衰落严重的条件下。而分布式多址模式的性能对系统的同步和信道估计更为敏感，即在用户之间存在同步误差或者信道估计误差会使得分布式多址模式的性能更差，甚至劣于集中式模式。

本发明中给出了一种多用户跳频频分多址的多址解决方案，在本方案中，用户之间按照集中式进行正交频分多址。而不同用户所占的子载波随时间的变化而变化，即每个用户在不同的时刻占用不同的子载波段。图3所示为传统的集中式，分布式和跳频时频发送方法示意图，从图中可以看到，在给出的跳频方案中，不同的用户在某个时刻上是按照集中式实现正交频分多址的，而在不同的时刻，某个用户占用的子载波段是变化的。由此可以看到，相比子载波号固定的集中式正交频分多址，多用户跳频频分多址方案能够获得额外的频率分集增益；而同分布式多址方案相比，多用户跳频频分多址方案避免了对用户正交性敏感的问题。不同用户占用的子载波可以按照设定的跳频图案分配。

本发明提供了一种低峰均比的兼容的单载波正交频分多址信号发送方法，满足无线与移动通信系统，特别是其上行传输链路，对传输信号低峰均比的要求。具体实施方式如下：

(1)确定系统参数：在给定系统带宽下，按照正交频分复用系统设计的一般准则，依据多普勒频偏和实现复杂度确定系统中的子载波个数，IDFT变换尺寸，可任意配置用户所占的子载波，并确定DFT变换的尺寸和滚降因子等。确定系统采用偏移DFT扩展OFDM方式或者DFT扩展OFDM方式。在根据传输模式，调制方式和滚降因子来确定广义均方根升余弦成型函数的参数d。

(2)发送方法：发送端按照技术方案和图1-4给出的方法产生发送基带信号，并在载波调制后发送。具体步骤为：

(2.1)将调制后的信号进行串并变换。

(2.2)将串并变换后的信号按照图2给出的方法进行预调制。

(2.3)将预调制后的信号矢量进行N_b点的DFT变换。

(2.4)将DFT变换后的频域信号矢量进行正交偏移。

(2.5)对频域正交偏移后的信号进行扩展和频域成型和子载波映射，频域成型时采用技术方案2中描述的广义均方根升余弦函数。而在子载波映射时采用技术方案3中描述的多用户调频子载波分配方案。

(2.6)将映射后的信号做N_IFFT点的反DFT。

(2.7)对反DFT变换后的信号进行并串变换，且插入循环前缀，然后进行时域平滑加窗，得到发送基带信号。

(3)接收方法：接收端可采用DFT域单点均衡技术进行信号检测，之后进行译码，恢复传输的信息比特，也可采用迭代检测译码技术恢复传输的信息比特。

在上行传输链路应用中，不同用户的信号检测和译码可以采用同一DFT变换并在变换域进行，也可独立地进行DFT变换和检测译码。

Claims (3)

1.一种兼容的单载波正交频分多址信号发送方法，其特征在于产生基带发送信号以块为单位，发送方法包括以下步骤：

1.1)传输符号矢量的预调制:设d(n)为第n个块的基带调制过后的信号矢量，块长为N_b，即

$d\left(n\right)={[d_1\left(n\right),d_2\left(n\right),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,d_{N_b}\left(n\right)]}^T$

其中d_k(n)表示第n个块中的第k个符号；则预调制后的信号

由公式 $\tilde{d}\left(n\right)=\mathrm{\&Lambda;d}\left(n\right)$ 计算，其中 $\mathrm{\&Lambda;}=\mathrm{diag}(w_{N_b}^0,w_{N_b}^1,...,w_{N_b}^{N_b-1}),$ $w_{N_b}^k=\exp (-2\mathrm{\&pi;jk}/N_b),$ 在这里，diag(·)表示将括号里的元素排成一对角阵的步骤；对于DFT扩展的OFDM系统，发送信号生成无需此步骤，此时，d(n)为DFT变换的输入矢量；

1.2)离散傅立叶变换：即对第n个块的信号进行N_b点的离散傅立叶变换，

1.3)频域正交偏移：在这个步骤中根据DFT生成频域偏移后的复基带信号x(n)， $x\left(n\right)=\frac{1}{2}(D\left(n\right)+{\mathrm{JD}}^{*}\left(n\right))-\frac{j}{2}\mathrm{\&Gamma;}(D\left(n\right)-{\mathrm{JD}}^{*}\left(n\right)),$ 在这里^*操作表示复共轭， $\mathrm{\&Gamma;}=\mathrm{diag}(w_{N_b}^{0.5},w_{N_b}^{1.5},...,w_{N_b}^{N_b-0.5}),$ J表示反单位阵；对于DFT扩展的OFDM系统，发送信号生成无需此步骤，直接取x(n)＝D(n)；

1.4)频域信号扩展与成型滤波：将频域信号按照共轭对称扩展或者周期扩展，生成扩展后的频域信号，再将扩展后的频域信号矢量点乘频域滤波函数系数，得到成型滤波后的频域信号，

1.5)载波映射：将成型滤波后的长度为N _b的频域信号矢量映射到长度为N_IFFT的信号矢量，不足部分补零，

1.6)反离散傅立叶变换：将映射后的频域信号进行N_IFFT点的反离散傅立叶变换，

1.7)加循环前缀和时域加窗平滑：对反离散傅立叶变换后的时域信号矢量加循环前缀，然后在进行时域加窗平滑，生成基带离散时间信号；

在采用所有上述步骤，且步骤1.4)中频域信号扩展采用共轭对称扩展时生成偏移离散傅立叶扩展的正交频分复用系统的基带发送信号；在采用除去步骤1.1)和步骤1.3)两个步骤外的所有步骤且步骤1.4)中频域信号扩展采用周期扩展时生成离散傅立叶扩展的正交频分复用系统的基带发送信号。

2.根据权利要求1所述的兼容的单载波正交频分多址信号发送方法，其特征在于步骤1.4)的成型滤波采用离散广义均方根升余弦频域成型滤波，滤波的参数可根据采用的调制方法和滚降系数进行优化选取。

3.根据权利1所述的兼容的单载波正交频分多址信号发送方法，其特征在于步骤1.5)载波映射时，同一信号矢量内不同用户占用不同的一组子载波，各用户在不同信号矢量内可按照设定的跳频图案占用不同的子载波组。

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