CN107070836A - 一种5g系统中基于frm技术的fbmc收发系统的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种5G系统中基于FRM技术的FBMC收发系统的设计方法，首先对半带原型滤波器采用镜像技术进行设计，然后再采用FRM技术对其进行频率掩蔽，最后经过离散傅里叶变换调制成综合滤波器组和分析滤波器组，在大规模MIMO信道中，通过增加天线的数目完成FBMC系统的SINR饱和值测试，并分析结果。本发明通过FRM技术设计的窄过渡带、可任意带宽的原型滤波器，不但能提高FBMC系统的信噪比，还可以获得SINR的饱和值上限，并消除由于基站天线数目的增加所带来的相关性干扰，且结构新颖合理，实现复杂度低，从而提高基于FBMC收发系统的大规模MIMO通信系统的有效性和可靠性。

Description

一种5G系统中基于FRM技术的FBMC收发系统的设计方法
技术领域
本发明涉及通信领域，具体是一种5G系统中基于FRM技术的FBMC收发系统的设计方法。
背景技术
随着信息时代的发展，现代通信系统越来越需求数据传输的速率和容量的提升，在现有频谱资源有限的情况下，提高频谱利用率成为了移动通信系统中迫切需要解决的问题，因此5G移动通信技术近几年成为了业界高度关注和研究的重要课题，作为其中的关键技术FBMC系统和MIMO系统都也受到了广泛关注，与正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing-OFDM)技术相比，滤波器组多载波技术(FBMC)作为5G的物理层的备选技术之一，因其拥有更高的频谱利用率和更低的带外辐射而受到了重视。由于频谱资源的匮乏，如何提高频谱利用率和提高信噪比成为近几年的研究热点。欧洲5G研究组(PHYDAYS)率先提出了将半带Nyquist滤波器作为一种原型滤波器，在已有的原型滤波器优化技术中，设计时大多采用拟牛顿法，一般只能得到局部最优解，将其调制为滤波器组时，其运算复杂度仍然很高。尤其是大规模MIMO信道中，当信道的过渡带宽很窄且数目增加时,滤波器组中的原型滤波器的长度和计算复杂度也会相应增加，在技术上也难于实现。因此要求滤波器组中的原型滤波器必须是窄带滤波器。而基于FRM技术的设计可获得性能更优的原型滤波器，使其过渡带具有锐截止频率特性，更少的带外辐射，从而大大提高了系统的频谱利用率。为提高大规模MIMO信道中FBMC系统的信噪比，由于信道的自平衡属性在增加天线数目时其SINR也应相应增加，但在已有文献中提出的信道均衡方法在计算复杂度上更高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种5G系统中基于FRM技术的FBMC收发系统的设计方法，通过FRM技术得到优化后的FRM半带原型滤波器，其实现复杂度降低，由该原型滤波器组成的FBMC收发系统，具有更高的信噪比，并且在大规模MIMO信道中，增加基站天线数量时，FBMC系统的SINR也相应提高，达到一定的饱和值，通信系统的有效性和可靠性都得到相应提高。
本发明的技术方案为：
一种5G系统中基于FRM技术的FBMC收发系统的设计方法，具体包括有以下步骤：
(1)、半带模型滤波器的设计：半带模型滤波器采用镜像的结构，由零值内插产生，首先将半带原型滤波器的冲激响应进行零值内插，得到低通半带滤波器ylp(k)，然后通过改变低通半带滤波器ylp(k)的中心系数再获得高通半带模型滤波器yhp(k)，最后将低通半带滤波器ylp(k)和高通半带模型滤波器yhp(k)合成窄过渡带的半带模型滤波器h(k)；其Z域内的传输函数为H(z)，其镜像为H(-z)，两者满足下式：
H(z)+H(-z)＝1 (1)；
(2)、基于FRM技术的半带原型滤波器的优化设计：
在z域内，将半带模型滤波器Hm(z2N)分解为半带模型滤波器Hf1(zN)和其镜像滤波器Hf1’(zN)，N为内插因子，再将上述两个滤波器分别作奇偶分解，半带模型滤波器Hf1(zN)和其镜像滤波器Hf1’(zN)的奇、偶滤波器通过四路选择复用器后分别用四个FRM滤波器进行频率响应屏蔽，滤掉多余的频带，最后再合成所需要的FRM半带原型滤波器Hfrm(k)；
(3)、基于FRM技术的FBMC收发系统设计：
FBMC收发系统的信道左、右两端分别为发送端和接收端，发送端主要由综合滤波器组构成，接收端主要由分析滤波器组构成；在发送端，设各路子载波信号为dm,n，表示为第m个子载波第n个符号的实数值，其中，n为正整数，dm,n经乘法器与调制信号相乘调制，调制信号的相位然后调制后的信号经过个插值后再通过各子信道中由脉冲成形滤波器hfrmM(k)进行脉冲波形成形，多载波合成后的信号再经由高斯加性信道进行传输，收到的信号经过低通滤波器hfrm *(-k)后，再经个抽取，与解调信号相乘完成解调；最后再通过对解调信号的取整后恢复出各路子载波信号
其中，在基于FBMC的大规模MIMO信道中，由于子载波间干扰、符号间干扰的影响，接收端恢复出的信号并不完全等于发送端信号dm,n，所以，在此处可将FBMC系统中FRM半带原型滤波器hfrmM(k)进行调整，设调整后的滤波器为使得MIMO-FBMC系统的SINR值增大时，基站天线数目可为任意大；设子载波的数目为m，给定信道功率时延分布函数为p(k)，则MIMO信道的冲激响应为：
式(2)中，p(k)为功率延迟分布函数,hfrm(k)满足时域的卷积计算：hFRM(k)＝hfrm(k)*hfrm *(-k)，由此可以推导出频域内的频率响应HFRM(ω)＝|Hfrm(ω)|2；将(2)式的离散傅里叶变换(DTFT)可得：
设子载波m'和接收的子载波m之间信道的等效冲激响应hmm'(k)可趋近于：
调整FRM半带原型滤波器hfrmM(k)的时频点(m,n)，使其子载波间相邻符号的干扰被限制在该区域Ωm,m内，此时SINR值趋近于：
式(6)中，φm',n'-φm,n表示在时频点(m,n)相位的偏移。
所述的步骤(2)中的内插因子N满足式(7)：
式(7)中，round(x)表示距离x最近的整数，为半带原型滤波器的阻带起始频率，Δf为整体滤波器的过渡带宽。
所述的半带模型滤波器Hm(z2N)为Z域内的半带模型滤波器，半带模型滤波器h(k)为时域内的半带模型滤波器。
所述的脉冲成形滤波器hfrmM(k)为时域内的FRM半带原型滤波器，FRM半带原型滤波器Hfrm(k)为Z域内的FRM半带原型滤波器。
本发明的优点：
本发明基于FRM技术的FRM半带原型滤波器采用了半带镜像的设计方法，对其所构成的FBMC系统进行了仿真验证，结果证明具有如下几个优越性：首先，该设计不但可以使得该原型滤波器获得锐截止的窄过渡带特性，而且与经典的FRM技术相比实现的复杂度上大大降低；其次，本发明的FRM半带原型滤波器具有带宽上的灵活性，即可获得任意带宽，在未来5G通信系统中对高速率的数字信号处理中将会有更广泛的作用；最后，在FRM半带原型滤波器基础上组成的FBMC收发系统在大规模MIMO信道中，不但可以提高系统的信噪比，还可以获得SINR的饱和值上限，消除了由于基站天线数目的增加所带来的相关性干扰。因此，本发明结构新颖合理，复杂度低，能够提高基于FBMC收发系统的大规模MIMO通信系统的有效性和可靠性，不但可以应用于未来5G移动通信领域中的其它物理层结构，还可扩展到未来软件定义无线电网络中。
附图说明
图1是本发明半带模型滤波器的实现结构图；其中，f(k)为输入信号，z-1为延迟单元。
图2是经典的基于FRM技术滤波器的结构图。
图3是基于FRM技术的FRM半带原型滤波器的结构图。
图4是基于FRM半带原型滤波器的FBMC收发系统的结构示意图。
图5是镜像FRM半带滤波器和经典FRM滤波器的幅频响应对比仿真图。
图6是不同的FBMC系统的信噪比图形对比仿真图。
图7是SINR性能对比仿真图。
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做出创造性劳动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。
A、一种5G系统中基于FRM技术的FBMC收发系统的设计方法，具体包括有以下步骤：
(1)、半带模型滤波器的设计：半带模型滤波器采用镜像的结构，由零值内插产生，首先将半带原型滤波器的冲激响应进行零值内插，得到低通半带滤波器ylp(k)，然后通过改变低通半带滤波器ylp(k)的中心系数再获得高通半带模型滤波器yhp(k)，最后将低通半带滤波器ylp(k)和高通半带模型滤波器yhp(k)合成窄过渡带的半带模型滤波器h(k)；其Z域内的传输函数为H(z)，其镜像为H(-z)，两者满足下式：
H(z)+H(-z)＝1 (1)；
(2)、基于FRM技术的半带原型滤波器的优化设计：
在z域内，将半带模型滤波器Hm(z2N)分解为半带模型滤波器Hf1(zN)和其镜像滤波器Hf1’(zN)，N为内插因子，再将上述两个滤波器分别作奇偶分解，分解的目的是为了增大模型滤波器镜像之间的间隔，从而克服由于增加屏蔽滤波器而导致计算复杂度增大的弊端，若进一步压缩模滤波器进行内插大因子的压缩，就可以实现模型滤波器的设计复杂程度的降低，因此在没有约束的条件下，模型滤波器设计更加灵活；然后半带模型滤波器Hf1(zN)和其镜像滤波器Hf1’(zN)的奇、偶滤波器通过四路选择复用器后分别用四个FRM滤波器进行频率响应屏蔽，滤掉多余的频带，最后再合成所需要的FRM半带原型滤波器Hfrm(k)；根据MIMO信道的特点，除了可以得到窄带锐截止原型滤波器外，还可以获得任意带宽的通用数字滤波器，如图3所示为基于FRM的半带模型滤波器结构，其中N为内插因子；其中，半带模型滤波器Hm(z2N)为Z域内的半带模型滤波器，半带模型滤波器h(k)为时域内的半带模型滤波器；
(3)、基于FRM技术的FBMC收发系统设计：
FBMC收发系统的信道左、右两端分别为发送端和接收端，发送端主要由综合滤波器组构成，接收端主要由分析滤波器组构成；在发送端，设各路子载波信号为dm,n，表示为第m个子载波第n个符号的实数值，其中，n为正整数，dm,n经乘法器与调制信号相乘调制，调制信号的相位相位做这样的取值是为了防止符号间的干扰并保持子载波间严格的正交性；然后调制后的信号经过个插值后再通过各子信道中由脉冲成形滤波器hfrmM(k)进行脉冲波形成形(脉冲成形滤波器hfrmM(k)为时域内的FRM半带原型滤波器，FRM半带原型滤波器Hfrm(k)为Z域内的FRM半带原型滤波器)，多载波合成后的信号再经由高斯加性信道进行传输，收到的信号经过低通滤波器hfrm *(-k)后，再经个抽取，与解调信号相乘完成解调；最后再通过对解调信号的取整后恢复出各路子载波信号
其中，在基于FBMC的大规模MIMO信道中，由于子载波间干扰、符号间的干扰的影响，接收端恢复出的信号并不完全等于发送端信号dm,n，所以，在此处可将FBMC系统中FRM半带原型滤波器hfrmM(k)进行调整，设调整后的滤波器为使得MIMO-FBMC系统的SINR值增大时，基站天线数目可为任意大；设子载波的数目为m，给定信道功率时延分布函数为p(k)，则MIMO信道的冲激响应为：
式(2)中，p(k)为功率延迟分布函数,hfrm(k)满足时域的卷积计算：hFRM(k)＝hfrm(k)*hfrm *(-k)，由此可以推导出频域内的频率响应HFRM(ω)＝|Hfrm(ω)|2；将(2)式的离散傅里叶变换(DTFT)可得：
设子载波m'和接收的子载波m之间信道的等效冲激响应hmm'(k)可趋近于：
调整FRM半带原型滤波器hfrmM(k)的时频点(m,n)，使其子载波间相邻符号的干扰被限制在该区域Ωm,m内，此时SINR值趋近于：
式(6)中，φm',n'-φm,n表示在时频点(m,n)相位的偏移。
B、经典的基于FRM技术滤波器结构：
基于FRM技术的FIR滤波器主要设计思想是通过插值实现一个低通滤波器宽过渡带的压缩，然后用屏蔽滤波器消除原型滤波器和其互补滤波器中多余的频带，最后合并构成低通滤波器。由于合成滤波形器的过渡带宽是原型滤波器过渡带宽的1/L，因此，基于FRM技术的FIR滤波器实现结构比直接设计的复杂度要大大降低。如图2所示为经典的FRM滤波器实现结构，在z域上，f(z)为滤波器的输入，f(z)H(z)为滤波器输出；其中，原型滤波器为Hm(z)，互补滤波器为Hc(z)，可由式(8)定义：
式(8)中，O为原型滤波器的长度，若原型滤波器给定后，基于FRM的滤波器总传输函数可表示为：
由图2可知，若要使L没有限制，必须使O为偶数，因此OL的乘积也必须为偶数将；低通原型滤波器Hm(z)进行延迟L倍，就会得到Hm(zL)，再将频率屏蔽滤波器HNm(z)和HNc(z)进行相同的群延迟后，再将这两个滤波器进行相加合并，最后得到合成的滤波器H(z)，为使群延迟特性均衡，还可在两个屏蔽滤波器的前或后适当增加一些延迟，以保证它们的通带内实现适当补充。
C、FRM半带原型滤波器的复杂度分析：
在图3结构中，增加了半带镜像滤波器的目的是由于系数具有稀疏特性，因此所需要的乘法次数会比普通镜像滤波器减少一半。而两个镜像半带滤波器均采用复指数法调制，所以，在增加的两个半带滤波器所需要的计算量也会相应增加。整体的屏蔽滤波器的计算量将是一个屏蔽滤波器的6倍。因此选择合适的插值因子成为优化设计的关键。根据半带滤波器的性质和复杂度最低准则，可求得使复杂度最低的最优插值因子N：
式(7)中，round(x)表示距离x最近的整数，为半带原型滤波器的阻带起始频率，Δf为整体滤波器的过渡带宽。若定义原型滤波器的过渡带宽为ΔHm＝2N·Δf，半带滤波器的过渡带宽为屏蔽滤波器的过渡带宽为结合式(7)，图2中经典FRM技术的实现复杂度为：
同理，图3中基于FRM技术的半带滤波器实现的复杂度为：
表1中给出了不同截止频率和半带滤波器过渡带宽ΔHf下，两种实现复杂度下的计算结果数据对比结果。
由表1可知，本发明基于FRM技术的半带滤波器原型滤波器的计算复杂度要比经典FRM技术的原型滤波器要低，足以证明其设计的有效性和实用性。
D、设计实例及其仿真结果：
本发明的仿真实验环境均为MATLAB2016a,PC机采用WIN0,Intel Core I7,3.4GHz的运行配置。
实验一：分别对图2、图3的结构进行仿真验证。在归一化频率下，过渡带宽为0.005，通带波纹和阻带波纹为0.01，通带和阻带截止频率为2800和2850，采样频率为10000。结合表1的计算结果和图5所示的镜像半带FRM滤波器和经典FRM滤波器的频率响应波形对比结果可知，采用半带镜像的FRM技术所设计的原型滤波器具有更低的计算复杂度，设计的灵活性更加适合于基于FBMC的MIMO系统中的高速数据率条件下的数字信号处理。
实验二：设在图4的FBMC系统的结构中，设每符号OQAM采样数目为2，子载波为512个，重叠因子为4，原型滤波器的长度为2047，FBMC的输出信噪比SNR(Signal-Noise-Ratio)设定在0～5之间。仿真图6给出了在上述相同条件下，采用不同的原型滤波器系统的信噪比结果，可以看出，本发明的基于FRM技术的半带镜像原型滤波器构成的系统要比PHYDYAS和经典FRM的BER值要小许多。足以证明图4结构的可靠性与有效性。
实验三：重复实验二的条件，设信道功率延时长度L＝40，根据公式(9)-(11),可仿真出SINR波形图。在基于OFDM的大规模MIMO信道中，可以通过增加大的SINR值来实现BS天线的数量的任意大。但在FBMC系统中会失效，因此通过设计适合的原型滤波器波形消除多天线组合带来的相关性。本发明中采用的结构可以提供一个SINR值的饱和值由式(6)可得。由于OFDM系统中有循环前缀(CP-Cyclic Prefix)导致滤波器的带外辐射过多，所以，如仿真图7所示，基于FBMC系统的MIMO信道中的SINR值明显要优于CP-OFDM系统。
尽管已经给出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种5G系统中基于FRM技术的FBMC收发系统的设计方法，其特征在于：具体包括有以下步骤：
(1)、半带模型滤波器的设计：半带模型滤波器采用镜像的结构，由零值内插产生，首先将半带原型滤波器的冲激响应进行零值内插，得到低通半带滤波器ylp(k)，然后通过改变低通半带滤波器ylp(k)的中心系数再获得高通半带模型滤波器yhp(k)，最后将低通半带滤波器ylp(k)和高通半带模型滤波器yhp(k)合成窄过渡带的半带模型滤波器h(k)；其Z域内的传输函数为H(z)，其镜像为H(-z)，两者满足下式：
H(z)+H(-z)＝1 (1)；
(2)、基于FRM技术的半带原型滤波器的优化设计：
在z域内，将半带模型滤波器Hm(z2N)分解为半带模型滤波器Hf1(zN)和其镜像滤波器Hf1’(zN)，N为内插因子，再将上述两个滤波器分别作奇偶分解，半带模型滤波器Hf1(zN)和其镜像滤波器Hf1’(zN)的奇、偶滤波器通过四路选择复用器后分别用四个FRM滤波器进行频率响应屏蔽，滤掉多余的频带，最后再合成所需要的FRM半带原型滤波器Hfrm(k)；
(3)、基于FRM技术的FBMC收发系统设计：
FBMC收发系统的信道左、右两端分别为发送端和接收端，发送端主要由综合滤波器组构成，接收端主要由分析滤波器组构成；在发送端，设各路子载波信号为dm,n，表示为第m个子载波第n个符号的实数值，其中，n为正整数，dm,n经乘法器与调制信号相乘调制，调制信号的相位然后调制后的信号经过个插值后再通过各子信道中由脉冲成形滤波器hfrmM(k)进行脉冲波形成形，多载波合成后的信号再经由高斯加性信道进行传输，收到的信号经过低通滤波器hfrm *(-k)后，再经个抽取，与解调信号相乘完成解调；最后再通过对解调信号的取整后恢复出各路子载波信号
其中，在基于FBMC的大规模MIMO信道中，由于子载波间干扰、符号间干扰的影响，接收端恢复出的信号并不完全等于发送端信号dm,n，所以，在此处可将FBMC系统中FRM半带原型滤波器hfrmM(k)进行调整，设调整后的滤波器为使得MIMO-FBMC系统的SINR值增大时，基站天线数目可为任意大；设子载波的数目为m，给定信道功率时延分布函数为p(k)，则MIMO信道的冲激响应为：
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式(2)中，p(k)为功率延迟分布函数,hfrm(k)满足时域的卷积计算：hFRM(k)＝hfrm(k)*hfrm *(-k)，由此可以推导出频域内的频率响应HFRM(ω)＝|Hfrm(ω)|2；将(2)式的离散傅里叶变换(DTFT)可得：
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设子载波m'和接收的子载波m之间信道的等效冲激响应hmm'(k)可趋近于：
<mrow> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <msup> <mi>mm</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;RightArrow;</mo> <msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <msub> <mi>frm</mi> <msup> <mi>m</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </msub> </mrow> </msub> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> <mo>*</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> <mo>*</mo> <msup> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <msub> <mi>frm</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>*</mo> </msup> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>&amp;DownArrow;</mo> <mfrac> <mi>M</mi> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow>
调整FRM半带原型滤波器hfrmM(k)的时频点(m,n)，使其子载波间相邻符号的干扰被限制在该区域Ωm,m内，此时SINR值趋近于：
式(6)中，φm',n'-φm,n表示在时频点(m,n)相位的偏移。
2.根据权利要求1所述的一种5G系统中基于FRM技术的FBMC收发系统的设计方法，其特征在于：所述的步骤(2)中的内插因子N满足式(7)：
式(7)中，round(x)表示距离x最近的整数，为半带原型滤波器的阻带起始频率，Δf为整体滤波器的过渡带宽。
3.根据权利要求1所述的一种5G系统中基于FRM技术的FBMC收发系统的设计方法，其特征在于：所述的半带模型滤波器Hm(z2N)为Z域内的半带模型滤波器，半带模型滤波器h(k)为时域内的半带模型滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种5G系统中基于FRM技术的FBMC收发系统的设计方法，其特征在于：所述的脉冲成形滤波器hfrmM(k)为时域内的FRM半带原型滤波器，FRM半带原型滤波器Hfrm(k)为Z域内的FRM半带原型滤波器。
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