CN107566311B - 基于资源块滤波rb f-ofdm系统的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于资源块滤波RB F‑OFDM系统的传输方法，该方法由5G中提出资源块滤波的正交频分复用技术（Resource Block Filter‑OFDM，RB F‑OFDM），是对LTE‑OFDM技术的改进，将频谱分成更小的单位，以资源块为基本单位进行滤波处理。通过系统性的Matlab仿真在同样的AWGN信道下，在RB F‑OFDM系统与LTE‑OFDM系统的误码率（BER）基本一致的前提下，抑制LTE‑OFDM系统中出现严重的带外泄露（OOB），RB F‑OFDM系统的带外衰减比LTE‑OFDM系统高出21dB，提高了系统的频谱利用率，体现出RB F‑OFDM系统的优越性和灵活性。

Description

基于资源块滤波RB F-OFDM系统的传输方法

技术领域

本发明涉及基于资源块滤波RB F-OFDM系统的传输方法，属于信号处理技术领域。

背景技术

第四代移动通信(The Fourth Generation of Mobile Communication，4G)现在已经发展相当成熟，第四代移动通信系统传输速率可达到20Mbps，甚至最高可以达到高达100Mbps，移动通信技术已经应用到生活的各个方面。4GLTE的核心技术是正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)。OFDM技术有诸多的优点：DFT简单易行、抗多径衰落能力强、抗码间干扰能力强等等，使得它在诸多领域得到广泛的应用。但是对于现在丰富的业务需求和不同的应用场所4G则表现出诸多的不足，比如：OFDM技术对时间和频率的同步要求比较严格、信号带外泄露较高、带外干扰大等等，诸多缺点都是由OFDM的参数配置(循环前缀(Cyclic Prefix，CP)、子载波间隔、FFT点数等)固定不变所导致的，使得其灵活性严重下降，而不能满足如今物联网丰富的业务需求。并且CP的添加和较高的带外泄露大大降低了系统的频谱利用率和数据传输效率。OFDM对载波频率偏移有严格的要求，如果发生频率的偏移将会造成系统功率损失和子载波之间的干扰，所以OFDM需要严格的同步传输。

面对多种多样的应用场景和业务需求的挑战，传统的LTE-OFDM系统已经显得力不从心，因此5G的提出改变了整个局面，并决定了物联网时代的到来。RB F-OFDM的提出正好解决了4G留下的问题，可适用于物联网丰富的业务场景。每种业务场景对波形参数的需求各不相同，能够根据业务场景来动态地选择和配置波形参数，每个资源块配置不同的TTI、子载波间隔和CP长度等，从而实现灵活自适应的5G空口技术，同时又能兼顾传统LTE-OFDM的优点，实现子信道之间的正交传输。在LTE规范中，10％的系统频带作为保护带，这造成了频谱的低效利用。通过应用基于资源块滤波的正交频分复用RB F-OFDM系统，使得基带OFDM信号可以具有超窄的过渡区域，因此保护带可以重新利用来传输有用的信号，提高了频带的利用率。RB F-OFDM是以资源块(RB)为基本波形变换单位，可以将可用的资源划分成资源块。资源块之间的间隔根据信号的性能选取，任意RB上的信号均单独产生单独滤波。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供基于资源块滤波RB F-OFDM系统的传输方法，将频谱分割成更小的基本单位(资源块)，进行滤波处理，在没有增加误码率的情况下，降低传统LTE-OFDM系统出现严重的带外泄露。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于资源块滤波RB F-OFDM系统的传输方法，包括发射端部分和接收端部分，其中，发射端部分包括如下步骤：

步骤1，将发射端输入信号分割成k个资源块，根据需要传输的数据业务对每个资源块选择不同的映射关系，并对各个资源块进行不同的资源块映射，第i个资源块映射后得到N_i×1阶的列向量a_i，N_i表示资源块i所占的子载波数；

步骤2，将步骤1得到的列向量a_i进行N点的IFFT变换，N＝2^m，m为大于1的正整数，2^m>N_i且2^m-1<N_i；

步骤3，对经IFFT变换后的资源块i添加相应长度的循环前缀；

步骤4，采用(N+L_CP,i)×(N+L_CP,i)阶托普利兹矩阵F_i对添加循环前缀的资源块i进行信号滤波，L_CP,i表示资源块i添加循环前缀的长度；

接收端部分是发射端部分的逆过程，接收端部分通过对应的匹配滤波器对资源块i滤波信号进行滤波，再依次进行去循环前缀、FFT变换、资源块数据检测，对信号进行解调和恢复。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述第i个资源块映射后得到N_i×1阶的列向量a_i为：

其中，a_i为资源块i进行资源块映射调制后的列向量，

均为a_i中的元素，N_i表示资源块i所占的子载波数，

表示N_i×1阶的复数集合，k为所有资源块数。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述IFFT变换的变换矩阵为：

其中，V_i表示列向量a_i的变换矩阵，a_i为资源块i进行资源块映射调制后的列向量，

均为V_i中的元素，

表示N×N_i阶的复数集合，N＝2^m，m为大于1的正整数，2^m>N_i且2^m-1<N_i，N_i表示资源块i所占的子载波数。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述资源块i添加的循环前缀为(N+L_CP,i)×N阶矩阵C_CP：

其中，C_CP是对资源块i添加循环前缀的矩阵，L_CP,i表示资源块i添加循环前缀的长度，N＝2^m，m为大于1的正整数，2^m>N_i且2^m-1<N_i，N_i表示资源块i所占的子载波数，I_N表示N阶单位矩阵，

表示L_CP,i阶单位矩阵，

表示(N+L_CP,i)×N阶的实数集合。

作为本发明的一种优选方案，步骤4所述(N+L_CP,i)×(N+L_CP,i)阶托普利兹矩阵F_i为：

其中，f_i＝[f_i,1,f_i,2,...,f_i,L]^T∈C^L×1是资源块i滤波器的滤波系数，f_i,1,f_i,2,...,f_i,L均为f_i中的元素，C^L×1表示L×1阶的复数集合，N＝2^m，m为大于1的正整数，2^m>N_i且2^m-1<N_i，N_i表示资源块i所占的子载波数，L_CP,i表示资源块i添加循环前缀的长度，L表示滤波器的长度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明以资源块为基本单位进行滤波，可以体现系统的灵活性和多样性，能使用与物联网多场景的应用和发展。

2、本发明能够有效提高频谱的利用率，将频谱分割更小的基本单位(资源块)，进行传输分析；可以根据不同的RB特性选择不同的CP长度等参数，使其符合用户的需要，符合传输的有效性和可靠性。

3、本发明能够在没有增加误码率的情况下，降低传统LTE-OFDM系统出现严重的带外泄露，并且相邻资源块之间影响较小。

附图说明

图1是LTE-OFDM系统与本发明RB F-OFDM系统的传输流程框图。

图2是本发明RB F-OFDM系统发射端每个资源块的操作流程图。

图3是两个资源块之间的子载波映射图。

图4是各个窗函数之间的性能对比图。

图5是LTE-OFDM系统与本发明RB F-OFDM系统功率谱密度对比图。

图6是在相同加性白噪声信道下，LTE-OFDM系统与本发明RB F-OFDM系统的误码率的对比图。

图7是在相同加性白噪声信道下，相邻资源块之间和理想情况下的误码率对比图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明从带外泄露方面考虑，提出RB F-OFDM系统即资源块滤波，并在相同的信道下面分析各自的性能，结合误码率的情况比较两者之间的优势。

如图1所示，给出了RB F-OFDM系统流程框图基本步骤如下：

对于RB F-OFDM在发射端有k个输入信号，分别对每个输入信号进行不同的资源块映射，根据需要传输的数据业务选择不同的映射关系，并且资源块之间也需要不同的保护间隔，每个资源块的大小也不同，即需要不同的子载波个数。对于资源块i映射后为N_i×1阶的列向量，且列向量中的数据都是经过调制后的符号。

其中，a_i是输入信号进行资源块映射调制后的列向量，N_i表示资源块i所占的子载波数，中C表示复数集合也就是向量中的元素是复数，N_i×1表示a_i是N_i行1列的列向量。

将映射后的信号a_i经过N(N大于子载波数，N＝2^m，m是大于1的正整数)点的IFFT变换。在发射端乘以IFFT矩阵可以使信道矩阵变成只有对角线有参数其他都是0的矩阵，这样可以消除码间串扰，适合在平行信道上面传输。IFFT的采样点是IFFT运算时的波形幅度表中的取值点的数量，与子载波的阶数是相关的，采样点数量等于子载波最高阶数的2倍。这是基于奈奎斯特定理，一个子载波至少需要两个采样点。而子载波分为sin和cos两种，因此子载波的数量与采样点数量是一样的。IFFT处理后得到的波形与原始信号之间是有差距的，差异的程度与原始信号高阶谐波的比例相关。也就是说，对原始信号而言，这样的处理过程相当于经过了一个低通滤波器。资源块i的采样关系如图2所示，其采样变换矩阵是V_i：

其中，

中C表示复数集合也就是向量中的元素是复数，N×N_i表示V_i是N行N_i列的矩阵。

对各个资源块进行循环前缀的添加，可使OFDM码元更具有循环性，便于消除码间干扰ISI，各个资源块添加的CP长度也是根据具体业务场景添加的，即符号的传输延时可以决定长度的大小。C_CP是用来对资源块i加CP的(N+L_CP,i)×N阶矩阵：

其中，C_CP是对资源块i添加CP的矩阵，L_CP,i表示资源块i添加CP的长度，I_N表示N阶单位矩阵，

表示L_CP,i阶单位矩阵，

中R表示实数集合也就是向量中的元素是实数，(N+L_CP,i)×N表示C_CP是(N+L_CP,i)行N列的矩阵。

根据各个资源块的特性添加不同CP长度之后，将其经过滤波器进行信号过滤，F_i是对资源块i信号做滤波的(N+L_CP,i)×(N+L_CP,i)阶托普利兹矩阵：

其中，f_i＝[f_i,1,f_i,2,...,f_i,L]^T∈C^L×1是资源块滤波器的滤波系数，上标T表示转置，L表示滤波器的长度即系数的个数，C^L×1中C表示复数集合也就是向量中的元素是复数，L×1表示向量f_i是L行1列的列向量。滤波器矩阵F_i的第一列元素是

第一行元素是

在接收端是发射端的逆过程，接收端通过使用匹配滤波器可使采样时刻的瞬时信号功率和噪声的平均功率比达到最大值，对发射端的资源块滤波信号进行正确的恢复和解调信号。

如图2所示，是RB F-OFDM系统发射机每个资源块模型示意图，图中对传输信号做N点IFFT，共有D个有效子载波，则需要给信号后补N-D个零做N点IFFT，得到的N点时域信号添加相应的循环前缀(CP)，并采样进行低通滤波。在频域信号后面部零没有增加新的信息，如果不满足奈奎斯特采样定理，将会在高频段发生频率混叠，所以在高频部分补零防止混叠的产生。

如图3所示，是两个资源块之间的子载波映射图。两个不同参数的资源块各自滤波，最后叠加一起传输数据，为了接收端能正确解耦，并且每个资源块所包含的子载波不会混叠，需要对整个频带的子载波进行统一的编号。由表1的相邻资源块的配置关系做出资源块子载波的映射关系图3，M₁是资源块1的子载波数，N₁是以资源块1的子载波间隔15khz为资源块保护带数，M₂是资源块2的子载波数，N₂是以资源块2的子载波间隔30khz为资源块保护带数。其中N₁和N₂需要根据每个资源块的调制方式、资源块间的干扰程度、功率谱进行选择。

表1：LTE-OFDM和RB F-OFDM系统的资源块配置参数

在总子载波数量2048中的编号为[K_min,K_max]，最小值K_min和最大值K_max是[-1023,1024]之间的整数，K_min和K_max分别是资源块对应的最小子载波和最大子载波指示。假如两个资源块的带宽都是720khz，则以15khz为子载波间隔的资源块1共有12个子载波。对于资源块2，以30khz为子载波间隔共有6个子载波。可得到资源块1的子载波编号是[-6,-1]和[1,6]，中间的0频用于传输直流分量，不用于传输有用数据。则资源块2的子载波编号为

由此可以看出N₁必须为偶数。假如设N₁＝0，N₂＝1，可以得到资源块2的子载波编号为[5,10]。

从两个资源块中配置详细的参数，可以计算出其相应的中心频率f_{sub_Band}。资源块1的中心频率为最小值K_min＝-6，最大值K_max＝6，可以得到资源块1的中心频率F₁＝0khz。资源块2的中心频率为由已知的各个参数可以得到资源块2的中心频率F₂＝(6+0)*15khz+(1+6/2+0.5)*30khz＝225khz。

如图4所示，是各个窗函数之间的性能对比图。汉宁窗、海明窗和布莱克曼窗的功率谱可以知道三种窗函数的特性。根据窗函数的主瓣宽度和旁瓣峰值的衰减程度，并均衡时域和频域之间的关系选择合适的窗函数是问题的关键。现选择汉宁窗来设计滤波器。低通滤波器是数字滤波器设计的基础，它可以由Matlab中的工具生成，然后根据资源块的中心频率f_{sub_Band}进行搬移。中心频率在前面已经计算出，通过中心频率可以得到频率搬移后的资源块滤波器系数：

其中f_(t)＝[f₍₁₎,f₍₂₎,...,f_(T)]表示基带低通滤波器的时域系数，Δf表示资源块中的子载波间隔，f_{sub_Band}表示各个资源块的中心频率，T表示滤波器时域长度。

如图5所示，是两个系统的功率谱密度对比，在不同的资源块保护间隔下，基带滤波器系数生成是采用512阶的汉宁窗，在未加资源块滤波器和使用资源块滤波器后的带外泄露仿真情况。图5是对两种情况的仿真图，可以看到，在没有添加资源块滤波器时旁瓣衰减缓慢，带外泄露严重。在添加资源块滤波后，带外泄露被大幅抑制，旁瓣衰减增加了21dB，从而节省紧张的频谱资源，提高频谱利用率。

图6是在QPSK调制下，通过相同加性高斯白噪声信道系统的误码率情况，误码率是常用的数据通信传输质量指标。在无线信道传输过程中，信号受到衰落信道的影响比较严重，使得接收端信号发生畸变，造成数据和原始数据不一致出现误码情况。现采用QPSK调制方式对信号进行编码传输，可以降低传输过程中的干扰，对两个系统进行仿真，LTE-OFDM系统的误码率和RB F-OFDM系统的误码率之间的性能对比，可知误码率基本一致。

图7是两个相邻资源块之间的误码率对比，在AWGN信道下，根据表1中RB F-OFDM中给定的两个资源块的参数，并分别使用Hanning窗对信号进行截断，可以抑制相邻RB之间的符号干扰。对两个相邻资源块误码率的仿真，两个RB的误码率基本一致。由于实际传输存在干扰，所以在信噪比一定的情况下实际误码率比理论值较高。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.基于资源块滤波RB F-OFDM系统的传输方法，其特征在于，包括发射端部分和接收端部分，其中，发射端部分包括如下步骤：

步骤1，将发射端输入信号分割成k个资源块，根据需要传输的数据业务对每个资源块选择不同的映射关系，并对各个资源块进行不同的资源块映射，第i个资源块映射后得到N_i×1阶的列向量a_i，N_i表示资源块i所占的子载波数；所述第i个资源块映射后得到N_i×1阶的列向量a_i为：

其中，a_i为资源块i进行资源块映射调制后的列向量，

均为a_i中的元素，N_i表示资源块i所占的子载波数，

表示N_i×1阶的复数集合，k为所有资源块数；

步骤2，将步骤1得到的列向量a_i进行N点的IFFT变换，N＝2^m，m为大于1的正整数，2^m＞N_i且2^m-1＜N_i；所述IFFT变换的变换矩阵为：

其中，V_i表示列向量a_i的变换矩阵，a_i为资源块i进行资源块映射调制后的列向量，

均为V_i中的元素，

表示N×N_i阶的复数集合，N＝2^m，m为大于1的正整数，2^m＞N_i且2^m-1＜N_i，N_i表示资源块i所占的子载波数；

步骤3，对经IFFT变换后的资源块i添加相应长度的循环前缀；所述资源块i添加的循环前缀为(N+L_CP,i)×N阶矩阵C_CP：

其中，C_CP是对资源块i添加循环前缀的矩阵，L_CP,i表示资源块i添加循环前缀的长度，N＝2^m，m为大于1的正整数，2^m＞N_i且2^m-1＜N_i，N_i表示资源块i所占的子载波数，I_N表示N阶单位矩阵，

表示L_CP,i阶单位矩阵，

表示(N+L_CP,i)×N阶的实数集合；

步骤4，采用(N+L_CP,i)×(N+L_CP,i)阶托普利兹矩阵F_i对添加循环前缀的资源块i进行信号滤波，L_CP,i表示资源块i添加循环前缀的长度；所述(N+L_CP,i)×(N+L_CP,i)阶托普利兹矩阵F_i为：

其中，f_i＝[f_i,1,f_i,2,...,f_i,L]^T∈C^L×1是资源块i滤波器的滤波系数，f_i,1,f_i,2,...,f_i,L均为f_i中的元素，C^L×1表示L×1阶的复数集合，N＝2^m，m为大于1的正整数，2^m＞N_i且2^m-1＜N_i，N_i表示资源块i所占的子载波数，L_CP,i表示资源块i添加循环前缀的长度，L表示滤波器的长度；

接收端部分是发射端部分的逆过程，接收端部分通过对应的匹配滤波器对资源块i滤波信号进行滤波，再依次进行去循环前缀、FFT变换、资源块数据检测，对信号进行解调和恢复。

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