CN102263766B - 基于单载波发送的变带宽fmt频分多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号传输技术领域，公开了一种基于单载波发送的变带宽FMT频分多址接入方法，包括以下步骤：S1、在发送端，不同的用户同步地发送带宽可变的子载波信号，且所述子载波信号为用户要发送的原始数据经过滤波之后得到的信号；S2、在接收端，并行接收来自不同用户的信号。本发明通过1)每个用户发送的子载波带宽可变(不同带宽的子载波的对抗时间选择性和频率选择性衰落的能力不同)，且其子载波带宽需满足一定条件；2)可变带宽子载波为经过滤波的单载波信号；3)发送机同步发送数据，在接收机并行解调，使得发送机和实现复杂度得以降低，同时降低系统对同步的要求和系统的峰均比，提高资源分配的效率。

Description

基于单载波发送的变带宽FMT频分多址接入方法

技术领域

本发明涉及信号传输技术领域，尤其涉及一种基于单载波发送的变带宽FMT频分多址接入方法。

背景技术

在当前无线通信系统中，面临着两个矛盾，一个是日益增长的用户数和有限频谱资源的矛盾，另一个是用户对业务质量的需求和无线传播环境的矛盾。在上行通信中这两个矛盾尤为明显。移动通信的上行传输，以及数字电视的上行传输中，每个用户发出的数据，具有信息量小、用户量大的特点。例如典型的数字电视点播业务，其传输速率为9.6k bit/s即可满足要求。但是，在高峰时段，发送点播或者投票请求的用户数可能高达上千个。对大量用户的发送信号进行控制、调度和联合解调，是一个很有挑战的问题。

传统的上行技术包括OFDMA(正交频分多址)、SC-FDMA(单载波频分多址)、均匀带宽的FMT(滤波多音调制)和FBMC-OQAM(滤波器组多载波-偏移正交幅度调制)。其中，OFDMA和SC-FDMA技术基于OFDM技术，其优点是在完全同步的情况下，其频谱效率高，接收机易于实现。

上行OFDMA系统中，单个用户的数据首先进行IFFT调制，添加CP(循环前缀)后发送出去，多个用户的数据在接接收端进行联合解调。SC-FDMA与传统OFDMA系统相比，基带调制器在IFFT之前添加了一个部分点的FFT。通过这种技术，SC-FDMA系统的峰均比(PAPR)要远远小于使用OFDMA技术的系统。

上行OFDMA/SC-FDMA技术频谱效率高，实现简单，但其缺点也非常明显。在实际通信系统的信号传输中，多普勒、收发时钟不匹配等现象会导致频率估计不准。由于OFDM系统实际上采用sinc函数滤波，其频谱有两个缺点。1)在ICI(子载波串扰)存在的情况下，其频域采样准确度会大大降低，从而影响系统的性能。在多用户传输的同步要比下行系统的同步更难以进行。在大量用户同时接入时，上行中采用的是发送端调整，接收端基站侧不作调整。这就使OFDMA的同步很难保证。2)OFDMA系统的边带能量很高。较高的边带增加了功率控制的难度，也使频谱成型变得困难。尽管有很多技术在OFDM基础上对其进行改进，如滤波OFDM技术、滤波SC-FDMA技术等，这两个缺点都没有得到本质改进。

基于以上原因，近年来，FBMC技术研究重新得到重视。FBMC技术最先于1966年由R.W.Chang提出，之后对其研究一直未间断。近期随着认知无线电和PLC通信的兴起，其优点被越来越重视。FBMC又分为FBMC-OQAM技术、FMT、FBMC-MSK(滤波器组多载波-最小频移键控)技术等。其共同点为并行传输的每个子载波都使用滤波器进行滤波。其中，FBMC-OQAM和FMT技术是使用较多的FBMC技术。FBMC-OQAM可以实现频谱交叠，其边带衰减较快，因此很多学者试图将这种技术应用于数字电视传输技术和电力线通信技术中。但是在频谱交叠时，接收机的均衡较为复杂，在某些时候限制了其应用。在用作上行传输时，FBMC-OQAM技术的另外一个优点是信号在时域的峰均比较小。

FMT技术则使用不交叠的频谱，其传统实现框图如图1所示。经过星座图映射和处理以后的信息d(n)，首先进行上采样，然后通过一个满足奈奎斯特条件的成形滤波器。之后上变频发出。其中，各个子载波的滤波器相同，子载波带宽相同，一般为f₁＝f′₁(1+α)，其中α为滚降系数，f′₁为通带带宽。一般称发送端滤波器为分析滤波器组，接收端滤波器为综合滤波器组。两个滤波器级联可得到近似PR(PerfectReconstruction，完美重建)的性能。典型的FMT系统频谱如图2。其频谱完全正交的特性，保证了均衡方法简单，同时相对以上提到的多载波技术，接收机对ICI不敏感。滤波可以保证带外衰减快，在PLC(可编程控制器)和认知无线电等环境下可保证不干扰其他用户或者相邻频段的设备。

采用满足PR条件的滤波器，既可以构造FMT系统。较常见的满足近似PR条件的滤波器有高斯滤波器、升余弦滤波器等。

在多用户环境下使用传统的等带宽FMT技术，仍有一些缺点。当载波数量较大时，多载波技术峰均比高的劣势就显现出来。即使采用类似SC-FDMA的降峰均比技术，也会增加系统的复杂度，并造成资源调度的困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：如何极大地降低发送机实现复杂度。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于单载波发送的变带宽FMT频分多址接入方法，包括以下步骤：

S1、在发送端，不同的用户同步地发送带宽可变的子载波信号，且所述子载波信号为用户要发送的原始数据经过滤波之后得到的信号；

S2、在接收端，并行接收来自不同用户的信号，以得到每个用户所发送的原始数据。

优选地，所有用户的子载波带宽为所有用户中最窄子载波带宽的整数倍。

优选地，不同用户的子载波在频域的通带不交叠。

优选地，所述子载波信号为经过成型滤波器滤波的单载波信号。

优选地，所述成型滤波器为高斯滤波器或根升余弦滤波器。

优选地，在步骤S2中，接收端通过联合处理算法进行并行接收。

所述联合处理算法包括以下两种算法之一：1)所有子载波信号同时处理；2)相同带宽的子载波信号联合接收，不同带宽的子载波信号并行处理。

优选地，算法1)具体包括步骤：

S21、对接收信号进行快速傅里叶变换，按照最窄子载波带宽的倍数得到所有子载波，从而实现联合解调；

S22、以子载波为单位，在频域进行匹配滤波和均衡，从而得到每个用户所发送的原始数据。

优选地，算法2)具体包括步骤：

对于相同带宽的子载波信号，联合进行插值采样和滤波，然后进行快速傅里叶变换，从而实现联合解调；然后以用户为单位，进行均衡，从而得到每个用户所发送的原始数据；

对于不同带宽的子载波信号，采用不同的方式进行插值采样和滤波，以及快速傅里叶变换，从而实现解调；然后以子载波为单位，进行均衡和频域匹配，从而得到每个用户所发送的原始数据。可将相同带宽子载波设计为一路解调，不同带宽子载波设计为多路并行接收，从而得到所有的解调数据。

(三)有益效果

本发明通过1)每个用户发送的子载波带宽可变(不同带宽的子载波的对抗时间选择性和频率选择性衰落的能力不同)，且其子载波带宽需满足一定条件；2)可变带宽子载波为经过滤波的单载波信号；3)发送机同步发送数据，在接收机并行解调，使得发送机和实现复杂度得以降低，同时降低系统对同步的要求和系统的峰均比，提高资源分配的效率。

附图说明

图1为传统的FMT发射机示意图；

图2传统FMT频谱示意图；

图3本发明的子载波频域示意图；

图4本发明的信号帧时域示意图；

图5为本发明的发射机示意图；

图6为本发明的算法1)的联合接收示意图；

图7为本发明的方法流程图；

图8为本发明实施例一的总体流程框图；

图9为本发明的算法2)的联合接收示意图。

具体实施方式

下面对于本发明所提出的基于单载波发送的变带宽FMT频分多址接入方法，结合实施例及其附图进行详细说明。

本发明涉及一种在无线通信传输、数字电视、电力线通信等数据通信中传输信号的时域和频域安排方法，具体是一种基于单载波发送的变带宽滤波多音调制(FMT)的频分多址接入方法，如图7所示，在该系统中，不同用户同步地发送带宽可变的、经过成型滤波器滤波的子载波信号，不同用户的子载波信号在基站侧组成多载波并行传输信号。每个用户传输的子载波信号在接收端看作并行多载波系统的子载波，其子载波带宽可变。记子载波带宽分别为{f₁，…f_m…f_M}。不同用户按其需要选择特定带宽的子载波信号来传输信息，不同用户在发送的时候保证其时间上的同步，以利于接收端实现并行接收。

所述不同用户子载波在频域通带不交叠。其子载波满足以下并行接收条件：其子载波带宽为所有用户中最窄子载波宽度的整数倍，即f_m＝kf₁，其中k为大于或等于1的正整数，f₁是所有子载波中带宽最窄的载波宽度。一个并行接收信道的总带宽定义为F，则F可以划分为由整数个宽度为f₁的子带单元构成的频率集合，每个子载波占据整数个宽度为f₁的子带单元。例如有某个子载波带宽为f_m的用户，则其占据的带宽为{k_sf₁，(k_s+1)f₁，…，(k_s+k)f₁}，其中k_sf₁为起始频率。

所述不同用户的单载波信号需同步发送，以保证到达基站时间在规定的时间范围内，基站通过联合处理算法完成并行接收(有两种算法，分别如图6、9所示)。

每个子载波在传输时构成一个单载波物理信道。传输时不同子载波通带不构成交叠，以保证不同用户可同时接入。

可以所有用户使用同一个单速率的子载波信号，可以每个用户使用多个不同速率的子载波信号。每个用户占据的子载波，其频域排列方式可以是集中式，也可以是分散式。每个用户或子载波之间可以留保护带，或者不留保护带；

成型滤波器包括但不限于高斯滤波器、平方根升余弦滤波器等滤波器。

子载波信号到达接收机的时间为严格同步。子载波带宽不同的单载波信号，其符号长度不同。在固定采样率下，子载波带宽越宽，符号时间越短。因为子载波带宽为最低子载波宽度的倍数，所以其最长符号时间为短符号时间的倍数。其中，所述子载波信号可包含循环前缀或者不包含循环前缀。

发送子载波信号前首先要插入训练数据，插入方法包括但不限于以训练序列帧、连续导频、分散导频等形式的插入；其格式包括但不限时域二值序列、频域二值序列或者时频实数序列。其训练数据与要发送的数据，以及不同用户的要发送的数据之间，在时域、频域上带宽可变，成型滤波器可变；发送信号时所采用的调制方式包括但不限于QAM调制、MSK调制、OQAM调制。

实施例一

本实施例是适用于数字电视回传信道的子载波(one-tone)-FMT方案。

假设一个上行系统有M种子载波带宽需求。则定义{f₁，……，f_M}种载波带宽，其中

f_m＝k_mf₁    (1)

k_m为正整数，m指从低频率子载波到高频率子载波的载波号。

某个用户使用速率最低的业务，其发射机发送最小带宽为f₁的子载波，其成型滤波器采用根升余弦滤波器或其他频域截断效果较好的滤波器，滚降系数为α，通带带宽为

记最小带宽时所用的成型滤波器为g(n)，在此g(n)称为本原滤波器。带宽为f₁的用户发送的子载波为

$s^{\left(u\right)}\left(n\right)=e^{j2\mathrm{\π}{\tilde{f}}_{1}n}\underset{l=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}g(n-l)d^{\left(u\right)}\left(l\right)---\left(2\right)$

其中，s^(u)(n)的信号周期为N，上采样率为K，u为用户编号，d^(u)(l)为用户发送的数据。假设滤波器抽头的点数为子载波中长度为f₁的符号采样点数的Q倍。且假设用户使用的是信道中的第一个子载波，则

表示一个信道中子载波的位置。0则表示是第1个子载波。

另外一个用户需要发送带宽为f_M＝k_Mf₁的单载波，k_M为正整数。其滤波器的滚降特性与本原滤波器g(n)的相同，可以通过对本原滤波器抽取得到该滤波器，也就是

g^(M)(n-l)＝g(n-lk_M)    (3)

滤波器的长度变为原来的1/k_M，其通带带宽则发送的子载波为

$s^{\left(u\right)}\left(n\right)=e^{j2\mathrm{\π}{\stackrel{`}{f}}_{M}n}\underset{l=0}{\overset{N/k_M-1}{\mathrm{\Σ}}}{g}^{\left(M\right)}(n-l)d^{\left(u\right)}\left(l\right)---\left(4\right)$

其中，s^(u)(n)的信号周期为N/k_M，上采样率为K/k_M。同时滤波器抽头的点数为子载波中长度为k_Mf₁的符号采样点数的Q倍。其中

为第M个用户在信道中的起始频点位置。k_m是第m个子载波的宽度。发送端的示意图如图5。

在接收端得到的信号为

$r\left(n\right)=\underset{u=0}{\overset{U-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{h}^{\left(u\right)}(n-l)s^{\left(u\right)}\left(l\right)+w\left(n\right)---\left(5\right)$

其中h为接收端滤波器，w为噪声。U为用户总数，多用户信号的频域形式如图3，每个子载波在占据整数个宽度为f₁的子带单元，以保证可以使用并行接收算法。其中，示意图中R₂＝2的子载波位于区间(2f₁，4f₁)。R₃＝m的子载波位于区间(k₁f₁，(k₁+m)f₁)。

其时域形式如图4。图4传输的信号为3个不同带宽子载波信号叠加而成。其中R₁＝1，R₂＝2，R₃＝4。则含有1个用户一的数据块里面，含有2个用户二，4个用户三的数据块。

一个典型的接收机算法如图6示。对接收信号r(n)进行FFT变换，可以得到Y(p)＝FFT(r(n)，Qm₂)，其中m₂＝lcm(N，N(1+α))，lcm表示求最小公倍数。这样就实现了按照最低带宽子载波带宽的倍数得到所有子载波，保证接收机联合解调。然后以子载波为单位，在频域进行匹配滤波和均衡。在频域匹配滤波和均衡之后，解出每个用户所发送的数据。

其整体实施框图如图8。

实施例二

如果发送的单载波信号无法看作平衰落，则可在OFDM块添加一个CP头进行保护，如图4，其实现方法步骤与实施例一相同。

由以上实施例可以看出，本发明通过1)每个用户发送的子载波带宽可变(不同带宽的子载波的对抗时间选择性和频率选择性衰落的能力不同)，且其子载波带宽需满足一定条件；2)可变带宽子载波为经过滤波的单载波信号；3)发送机同步发送数据，在接收机并行解调，使得发送机和实现复杂度得以降低，同时降低系统对同步的要求和系统的峰均比，提高资源分配的效率。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种基于单载波发送的变带宽滤波多音调制FMT频分多址接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在发送端，不同的用户同步地发送带宽可变的子载波信号，且所述子载波信号为用户要发送的原始数据经过滤波之后得到的信号；

S2、在接收端，并行接收来自不同用户的信号，以得到每个用户所发送的原始数据；

在步骤S2中，接收端通过联合处理算法进行并行接收；

所述联合处理算法包括以下两种算法之一：1）所有子载波信号同时处理；2）相同带宽的子载波信号联合接收，不同带宽的子载波信号并行处理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所有用户的子载波带宽为所有用户中最窄子载波带宽的整数倍。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，不同用户的子载波在频域的通带不交叠。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子载波信号为经过成型滤波器滤波的单载波信号。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述成型滤波器为高斯滤波器或根升余弦滤波器。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，算法1）具体包括步骤：

S21、对接收信号进行快速傅里叶变换，按照最窄子载波带宽的倍数得到所有子载波，从而实现联合解调；

S22、以子载波为单位，在频域进行匹配滤波和均衡，从而得到每个用户所发送的原始数据。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，算法2）具体包括步骤：

对于相同带宽的子载波信号，联合进行插值采样和滤波，然后进行快速傅里叶变换，从而实现联合解调；然后以用户为单位，进行均衡和频域匹配，从而得到每个用户所发送的原始数据；

对于不同带宽的子载波信号，采用不同的方式进行插值采样和滤波，以及快速傅里叶变换，从而实现解调；然后以子载波为单位，进行均衡和频域匹配，从而得到每个用户所发送的原始数据。

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