CN108111447A - 一种改进ufmc载波加权干扰抑制算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进UFMC载波加权干扰抑制算法，属于移动通信技术领域。该算法是对UFMC符号的子带间引入干扰消除子载波，对子带和干扰消除子载波进行加权处理，加权后的子载波在频域进行干扰抵消，减小子带间干扰；通过目标函数得到满足子带频域功率最小的加权系数向量；通过引入干扰消除子载波加强干扰抑制效果；通过2个约束条件保证数据接收质量和发射功率的稳定性。相比传统的抑制方法，本发明能达到比较好的抑制效果，同时对系统发射功率和频带利用率进行严格的控制，综合性能较好。

Description

一种改进UFMC载波加权干扰抑制算法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种改进UFMC载波加权干扰抑制算法。

背景技术

通信技术的飞速发展与人们日益提升的通信需求和用户体验息息相关。OFDM作为第四代移动通信(4G)中关键技术，凭借其突出的抗干扰能力和较高的频谱利用率而获赞无数，被广泛应用于LTE和WIFI等一系列国际主流标准当中。然而现在迎来了5G的变革时代，新通信场景面临的是海量连接，超低时延，高频谱利用率以及业务的多样化等一系列的高要求，OFDM技术已经不能够满足当前的通信需求，与此同时UFMC作为5G的候选波形被提出。UFMC结合了OFDM和FBMC的技术特点，一方面在OFDM技术的基础之上，取消了循环前缀CP，提高了符号的频谱利用率；另一方面采用了子带划分机制，使5G业务具有更强的灵活性，最后基于子带的滤波设计也降低了子带间干扰，与FBMC系统相比具有符号长度更短，系统复杂度更低的性能特点。UFMC系统为了获得更好的性能，需要有效的抑制子带带外衰减，减小IBI，提升系统抗干扰性能。

专利[CN104580058A]中提出一种OFDM系统子载波间干扰自消除方法，核心思想是在每个复数数据相邻位置调制相反数，由于相邻符号间的子载波干扰系数大小相近，相邻子载波带外衰减在频域干扰对消，从而干扰得到抑制。该方法能有效抑制子载波的带外衰减，减小干扰，同时实现方法简单有效，系统复杂度低，同时在功率控制上有较大的额外功率开销，所以该技术对于功率控制宽松的场景较为适用。对于5G时代mMTC应用场景面对的是每平方公里百万设备连接，海量的联网终端设备对通信系统提出了严格的功率控制和频谱利用率的要求，故需要一种能对系统具有抗干扰性，同时对功耗和频谱利用率也有严格把控的技术方法。

专利[CN102238128A]中提到了一种用于差分OFDM系统自消除子载波间干扰的方法。该方法相较于传统差分OFDM系统增加了插零和移位抵消的过程。插零可以抵消相邻子载波之间的干扰，移位抵消可以有效降低来自同步误差和运动引起的多普勒影响，该方法在高速移动场景下具有较好的抗干扰性能。在5G中eMMB场景，需要支持大带宽连接，对频带利用率提出了苛刻的要求。在非高速运动场景，需要一种能在频带利用率方面具有优势，同时也能保证较好的抗干扰性能的技术方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种改进UFMC载波加权干扰抑制算法，用于解决5G应用场景下的干扰抑制问题。

UFMC载波加权干扰抑制算法技术方案如下：

一种改进UFMC载波加权干扰抑制算法(即UFMC-SW-CC算法)，对每一个数据子载波乘以一个加权系数，给出目标优化函数使得系统的总功率最小，同时给出约束条件：加权后的数据能量保持不变；求出相应的加权系数并调制到相应的子载波上，从而减小子带带外衰减；运用SW算法进行UFMC系统干扰抑制，消除IBI；为了进一步消除子带间干扰，提升系统性能，运用载波干扰消除(CC)算法，进一步对子带带外衰减(OOB)进行抑制，在提升IBI性能的同时保持原有的频谱利用率，并且不对系统的信号传输能量造成很大变化。

该算法包括以下步骤：

S1：在UFMC系统中每个子带边界插入等量数目的子载波；

S2：给出目标优化函数，最优权值应使得系统的总功率最小；

S3：给出约束条件：加权后的数据能量保持不变；加权系数的幅值在一定范围内；

S4：根据目标优化函数和约束条件得出子载波和干扰消除子载波ICS的权重系数，将其调制到相应的子载波，从而达到降低子带的带外衰减，提升IBI性能。

进一步，在所述步骤S1中，如图2所示，在UFMC系统中，N个子载波划分到N_B个子带中，每个子带中含有N_BC个子载波；在各个子带两侧各插入N_ICS个干扰消除子载波ICS，由于在第一个子带和最后一个子带外侧没有来自其他子带的带外干扰，则在这两个子带外侧不引入ICS，提高了频谱效率；其中在单个UFMC符号中共引入2(N_B-1)*N_ICS个ICS；对于ICS上随机插入与数据子载波上相同调制方式的正交相移键控(QPSK)或正交振幅调制(QAM)点作为ICS上的原始数据，然后再进行加权处理。

进一步，在所述步骤S2中，在UFMC系统中，单个子带中每个调制载波信号采样点向量集s_n＝(s_n,1,s_n,2,...,s_n,m)^T,n＝1,2,...N_BC，其中n代表单个子带中第n个子载波，m代表单个子载波上的频域采样点；子带内所有采样点表示为则目标优化函数表达式为：

其中g为求得的最优载波权值，即加权系数；为测试变量，||.||²为欧几里得范数。

在每个子带中，对输入的比特流经过PSK或QAM调制后得到的复数数据符号d_n，n＝1,2,3,...,N_BC，生成得到的数据符号向量为其中(.)^T表示转置，数据符合向量经过边带衰减单元(SW)模块之后的输出向量为边带衰减单元对每个d_n符号和载波权值g_n'进行相乘，得出插入ICS之后的输出数据序列：

进一步，在所述步骤S3中，约束条件一的目的是保证信号传输过程中传输能量一致；在本算法中，加入了ICS，总的承载数据的载波数目增加了；数据子载波载波数增加会导致传输总能量发生变化，进而需要对传输能量进一步细化控制；

约束条件一：

通过控制t的比值来保证系统总能量不会产生太大的幅值变化；插入子载波N_ICS越多，t的值越小，即发送有用信号数据功率占总信号发射功率的比值越小，t的取值可以参照子带载波占数据子载波总数的比值：

约束条件二确保单个子载波的频域功率谱可以控制在有效范围内，不会因为过大或过小的g导致某个子载波的频域波形出现过大的变化而导致整个子带波形出现过大幅度的变化，从而影响信号的传输过程。其中g的幅值通过变量ρ＝g_max/g_min来控制。

约束条件二：

0＜g_min＜g_n'＜g_max， (5)

g_min,g_max,g_n'∈R，n'＝1,2,...,N,...,N_BC+2N_ICS

插入ICS之后的UFMC系统，子带的带外衰减OOB和ICS频域波形进行干扰对消，带外衰减得到进一步的抑制，从而达到提升UFMC系统性能的目的。

本发明的有益效果在于：在SW算法的基础之上，本发明引入载波消除的思想，在每个子带两侧插入相同数目的子载波，对插入的子载波引用SW算法调制权重因子，引入载波间的干扰对消，从而减小了子带带外衰减，子带间干扰，提升了系统性能。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为UFMC-SW-CC系统模型；

图2为UFMC插入ICS频域示意图；

图3为几种优化UFMC系统频域波形对比图；

图4为系统BER性能对比图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1 UFMC-SW-CC系统模型所示，在UFMC发射端，系统对每个子带做IFFT之后进行滤波，运用改进算法之后，子带之间插入子载波，IFFT变化和滤波器对应的中心频率应该做出对应的改变。在接收端首先对各个数据子载波的加权系进行移除，并将干扰消除子载波的位置进行插零操作，再对输出信号进行符号估计还原得到原始信号。

在UFMC系统中，N个子载波划分到N_B个子带中，每个子带中含有N_BC个子载波；在各个子带两侧各插入N_ICS个干扰消除子载波ICS，由于在第一个子带和最后一个子带外侧没有来自其他子带的带外干扰，则在这两个子带外侧不引入ICS，提高了频谱效率；其中在单个UFMC符号中共引入2(N_B-1)*N_ICS个ICS；对于ICS上随机插入与数据子载波上相同调制方式的QPSK或QAM点作为ICS上的原始数据，然后再进行加权处理。本次实验每个UFMC符号采用N＝128个子载波，设置N_B＝2个子带，每个子带间旁插入N_ICS＝2个子载波。为了控制变量，UFMC-SW系统的两个子带间预留四个空子载波方便比较性能(在对应子载波插0数据)，每个子带采70个采样点，每个子载波中取主瓣和旁瓣中峰值和峰值左右等间隔宽度位置的点作为频域采样点。

在UFMC系统中，单个子带中每个调制载波信号采样点向量集s_n＝(s_n,1,s_n,2,...,s_n,m)^T,n＝1,2,...N_BC，其中n代表单个子带中第n个子载波，m代表单个子载波上的频域采样点；子带内所有采样点表示为则目标优化函数表达式为：

其中g为求得的最优载波权值，即加权系数；为测试变量，||.||²为欧几里得范数。

在每个子带中，对输入的比特流经过PSK或QAM调制后得到的复数数据符号d_n，n＝1,2,3,...,N_BC，生成得到的数据符号向量为其中(.)^T表示转置，数据符合向量经过边带衰减单元(SW)模块之后的输出向量为边带衰减单元对每个d_n符号和载波权值g_n'进行相乘，得出插入ICS之后的输出数据序列：

约束条件一的目的是保证信号传输过程中传输能量一致；在本算法中，加入了ICS，总的承载数据的载波数目增加了；数据子载波载波数增加会导致传输总能量发生变化，进而需要对传输能量进一步细化控制；

约束条件一：

通过控制t的比值来保证系统总能量不会产生太大的幅值变化；插入子载波N_ICS越多，t的值越小，即发送有用信号数据功率占总信号发射功率的比值越小，t的取值(本次实验t＝48/52＝0.92)可以参照子带载波占数据子载波总数的比值：

约束条件二确保单个子载波的频域功率谱可以控制在有效范围内，不会因为过大或过小的g导致某个子载波的频域波形出现过大的变化而导致整个子带波形出现过大幅度的变化，从而影响信号的传输过程。其中g的幅值通过变量ρ＝g_max/g_min来控制。本次实验设置

约束条件二：

0＜g_min＜g_n'＜g_max， (10)

g_min,g_max,g_n'∈R，n'＝1,2,...,N,...,N_BC+2N_ICS

插入ICS之后的UFMC系统，子带的带外衰减OOB和ICS频域波形进行干扰对消，带外衰减得到进一步的抑制，从而达到提升UFMC系统性能的目的。

实验仿真参数表1所示：

表1主要仿真参数

如图3所示，三个频域功率谱分别对应三个算法。从图3(a)中可以看出，UFMC系统自身由于滤波器的作用，边带已经有了足够的衰减，子带间的衰减幅度在-40dB左右，子带内的衰减由于衰减系数的固定而不能得到进一步的加深；图3(b)对应UFMC中加入传统的载波加权方法(UFMC-SW)后的系统频域图，系统对子带内的数据子载波调制满足优化函数的加权系数，使得各个子载波之间的频域波形得以相互抵消，幅度得到进一步的衰减，子带边带衰减幅度得到了提升，子带间的衰减达到了-48dB,比起UFMC系统提升了8dB，验证算法能消除干扰，但有一定的局限性；图3(c)采用了本发明提出的干扰算法(UFMC-SW-CC)系统模型，衰减幅度得到了进一步提升，子带间的衰减达到了-60dB，相比UFMC-SW提升了12dB，相比UFMC系统提升了20dB，能满足基本的通信需求。通过图4的仿真能看出本发明采用的UFMC-SW-CC算法达到了降低IBI的性能要求。

如图4所示，三个系统的误比特率仿真对比，通过仿真图4可以看出UFMC系统在应用了SW算法后BER性能有了明显的提升，应用提出的新算法，BER有了进一步的提升，验证了改进后算法的可靠性。应用本发明的算法后的UFMC系统具有更强的抗干扰性能。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种改进UFMC载波加权干扰抑制算法，其特征在于：在通用滤波多载波(UniversalFilter Multi-Carrier,UFMC)系统中的子带外侧插入等数量空余子载波，对空余子载波和子带中子载波各设置一个权值，给出含权值变量的目标优化函数使得系统的总功率最小，同时给出约束条件：加权后的数据能量保持不变以及加权系数的幅值控制在一定范围之内，求出相应的加权系数并调制到相应的子载波上，通过子载波之间的自干扰消除，能够降低载波的带外衰减，从而减小UFMC系统子带间干扰；该算法主要包括以下步骤：

S1：在UFMC系统中每个子带边界插入等量数目的子载波；

S2：给出目标优化函数，最优权值应使得系统的总功率最小；

S3：给出约束条件：加权后的数据能量保持不变；加权系数的幅值在一定范围内；

S4：根据目标优化函数和约束条件得出子载波和干扰消除子载波ICS的权重系数，将其调制到相应的子载波，从而达到降低子带的带外衰减，提升IBI性能。

2.如权利要求1所述的一种改进UFMC载波加权干扰抑制算法，其特征在于：在所述步骤S1中，在UFMC系统中，N个子载波划分到N_B个子带中，每个子带中含有N_BC个子载波；在各个子带两侧各插入N_ICS个干扰消除子载波ICS，由于在第一个子带和最后一个子带外侧没有来自其他子带的带外干扰，则在这两个子带外侧不引入ICS；其中在单个UFMC符号中共引入2(N_B-1)*N_ICS个ICS；对于ICS上随机插入与数据子载波上相同调制方式的原始数据，然后再进行加权处理。

3.如权利要求1所述的一种改进UFMC载波加权干扰抑制算法，其特征在于：在所述步骤S2中，在UFMC系统中，单个子带中每个调制载波信号采样点向量集s_n＝(s_n,1,s_n,2,...,s_n,m)^T,n＝1,2,...N_BC，其中n代表单个子带中第n个子载波，m代表单个子载波上的频域采样点；子带内所有采样点表示为则目标优化函数表达式为：

其中g为求得的最优载波权值，即加权系数；为测试变量，|.||²为欧几里得范数；

在每个子带中，对输入的比特流经过相移键控(Phase Shift Keyin,PSK)或正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)调制后得到的复数数据符号d_n，n＝1,2,3,...,N_BC，生成得到的数据符号向量为其中(.)^T表示转置，数据符合向量经过边带衰减单元SW模块之后的输出向量为边带衰减单元对每个d_n符号和载波权值g_n'进行相乘，得出插入ICS之后的输出数据序列：

4.如权利要求1所述的一种改进UFMC载波加权干扰抑制算法，其特征在于：在所述步骤S3中，约束条件一的目的是保证信号传输过程中传输能量一致；在本算法中，加入了ICS，总的承载数据的载波数目增加了；数据子载波载波数增加会导致传输总能量发生变化，进而需要对传输能量进一步细化控制；

约束条件一：

通过控制t的比值来保证系统总能量不会产生太大的幅值变化；插入子载波N_ICS越多，t的值越小，即发送有用信号数据功率占总信号发射功率的比值越小，t的取值可以参照子带载波占数据子载波总数的比值：

约束条件二：

0＜g_min＜g_n'＜g_max， (5)

g_min,g_max,g_n'∈R，n'＝1,2,...,N,...,N_BC+2N_ICS

插入ICS之后的UFMC系统，子带的带外衰减OOB和ICS频域波形进行干扰对消，带外衰减得到进一步的抑制，从而达到提升UFMC系统性能的目的。