CN111010360B - 基于预编码的混合载波调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于预编码的混合载波调制方法，包括步骤：对GFDM调制算法进行时频重构，将GFDM能够作为软件定义波形的基础波形，搭建以GFDM为基础的统一循环滤波载波调制模型；将GFDM模型与IEEE802.16a标准中的单载波传输模式SC‑FDE相结合，得到基于GFDM调制系统的SC‑GFDM单载波调制方式；依据LTE‑A上行信道采用的SC‑FDMA技术，提出一种基于DFT的GFDM频域扩展方案完成DFT‑S‑GFDM单载波调制系统；通过软件定义调整预编码矩阵方案完成同时兼容单载波GFDM和多载波GFDM的混合GFDM调制系统。本发明在长时间的相干积分中，通过将测距码周期性的叠加，降低数据长度，从而实现了运算量的降低。本发明通过设计一种统一结构的通信系统，使得GFDM单载波与多载波可以在一套硬件设备中共存，并根据需求以软件配置的方式实现不同工作模式的灵活选择，实现了一种可配置、易扩展的融合单载波与多载波的调制技术。

Description

基于预编码的混合载波调制方法
技术领域
本发明涉及一种基于预编码的混合载波调制方法。
背景技术
随着高速发展的信息化、网络化社会的建设，移动通信成为整个智能社会建设的基石，承载着海量信息传递。GFDM作为一种灵活可调的载波调制方式，由于其灵活的二维时频资源配置方式以及非正交滤波器的选取，满足可配置、易扩展、自适应调节的特点，同时由于GFDM在结构上与OFDM的相似性，可以轻松支持MIMO，可以满足同时兼容4G与5G发展的需求，符合第三代合作伙伴计划对5G发展所提出的战略部署，因此GFDM可以作为新型混合载波调制体系的技术实现方案。
目前针对GFDM的研究都是以多载波调制为基础，多载波调制方案相较于单载波调制，具有其独特的优势：由于快速傅里叶变换及其逆变换的应用，发射及接收机易于实现；窄带宽且互相正交的特性使得多载波调制能够抵抗多径失真，并从一定程度上消除小区干扰。
但5G作为未来无线通信中新一代移动通信系统的代表，不仅需要支持爆炸性的移动数据流量增长及海量的设备接入，同时还需要系统能够实时、频繁地提供短帧数据传输，需要能够允许灵活的接入技术以及丰富多样的资源内容，这与在3G及4G中采用单一载波方案和确定性的频谱资源有着极大的区别。而目前采用的多载波传输方案，受限于其对子载波偏移和同步差错的敏感性、矩形脉冲调制波形带来的高带外辐射(Out of BandRadiation，OOBR)、多个子载波调制叠加产生的高峰均比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)、以及在复杂信道环境中的载波间干扰(Inter-Carrier Interferenc，ICI)等问题，使得其无法适应海量设备接入的需求；
同时，由于5G系统的总目标延迟为1ms，仅为4G标准的十分之一，多载波调制过程中对数据块进行处理所带来的时延将使超低时延目标难以达成，单纯的多载波传输系统已经无法满足无线通信发展要求。因此，设计统一的5G新空口以满足多个主要场景的技术需求是5G研究的重中之重。超低带外辐射、超低数据延迟、高可靠性、超连接、超大容量是新载波调制方案所面临的挑战，能够根据场景需求灵活改变数据符号的结构是未来通信发展的必由之路。
单载波与多载波融合的调制技术具有一定的研究基础。2000年由美国特拉华大学Xiang-gen Xia教授提出了一种“向量化正交频分复用系统(Vector-OFDM，V-OFDM)”调制方案即采用了该思想。
日本东北大学的一些学者提出了一种通过对OFDM子载波进行分块的方案以实现单载波与多载波的混合调制体系，成为分层正交频分复用(Layered OFDM)[32-34]，该系统从分层OFDMA包括根据所需的数据速率分层分配传输带宽、分层控制信令结构和对分层环境的支持三个方面对混合载波系统进行了分析。
在LTE系统中，通过上下行采用两套系统结构类似的载波调制方式以平衡系统复杂度和PAPR，下行采用多载波OFDM技术，上行链路采用了离散傅里叶-扩展-正交频分复用技术(DFT-Spread-OFDM)，通过DFT变换在频域上实现OFDM的扩展，在传统单载波调制的基础上扩展频带内容，使得整个频率资源高效。
本文所提出的单载波GFDM调制模型，以及混合GFDM系统都是在现有调制技术方案上进行改进的。
发明内容
本发明通过设计一种统一结构的通信系统，使得GFDM单载波与多载波可以在一套硬件设备中共存，并根据需求以软件配置的方式实现不同工作模式的灵活选择，实现一种可配置、易扩展的融合单载波与多载波的调制技术。
实现本发明的技术方案如下：
(1)对GFDM调制算法进行时频重构，将GFDM能够作为软件定义波形的基础波形，搭建以GFDM为基础的统一循环滤波载波调制模型。
(2)将GFDM模型与IEEE802.16a标准中的单载波传输模式SC-FDE相结合，得到基于GFDM调制系统的SC-GFDM单载波调制方式。
(3)依据LTE-A上行信道采用的SC-FDMA技术，提出一种基于DFT的GFDM频域扩展方案完成DFT-S-GFDM单载波调制系统。
(4)通过软件定义调整预编码矩阵方案完成同时兼容单载波GFDM和多载波GFDM的混合GFDM调制系统。
进一步地，本发明所述的步骤(1)中的基于GFDM的统一载波调制模型，可作为统一物理层应用的灵活框架，用作模拟各种多载波和单载波波形的平台。
进一步地，本发明所述的步骤(2)和步骤(3)中的所述的SC-FDE系统和DFT-S-GFDM单载波调制系统相比多载波调制系统具有更小的峰值平均功率比和更优的性能。
进一步地，本发明所述的步骤(4)中所述的混合GFDM载波调制系统是可配置、易扩展的，能灵活、高效发挥单载波GFDM和多载波GFDM两种技术的优势，满足5G通信场景复杂多变的需求。
本发明提出的GFDM调制方法与已有的技术相比，有以下优点：
(1)融合单载波与多载波的GFDM调制技术方案将系统复杂度集中在了相对于固定且可以承担大量运算和能耗的基站上，降低了用户终端的复杂度。在一次信道发送接收过程中，基站端需承担三个IFFT/FFT模块，而用户终端仅需承担一个，进一步实现了降低终端能耗和复杂度的要求。
(2)用户终端的发射机采用单载波调制，以降低对终端硬件的能耗和性能要求，可以大幅降低对发射机的功率放大器的要求，具有很高的能量利用效率，这在大面积推广物联网接收端过程中将提供极大的便利。
附图说明
图1为SC-GFDM单载波GFDM调制框图；
图2为DFT-S-GFDM单载波GFDM调制框图；
图3为本发明基于预编码的混合GFDM调制方法的流程图。
具体实施方式
结合附图及实施例，对本发明所述的方法作详细阐述。
(1)对GFDM调制算法进行时频重构，将GFDM能够作为软件定义波形的基础波形，搭建以GFDM为基础的统一循环滤波载波调制模型。
对GFDM调制算法进行时频重构，将GFDM能够作为软件定义波形(Software-Defined Waveform，SDW)的基础波形，搭建以GFDM为基础的统一循环滤波载波调制模型以兼容多种多载波波形。首先，对时频网格进行重构，利用该时频网格重新定义GFDM中子载波和子符号间距，重写GFDM调制方案。定义子载波是由总采样点数为的滤波器脉冲响应形成的，其中为滤波器的周期数，为每周期的采样点数，重写GFDM发送信号如(1)所示。
Figure BSA0000197198710000031
其中，P为相邻子符号之间的距离，Q为相邻子载波间的距离，定义子载波间隔因子vf和子符号间隔因子vt分别为式(2)所示。
Figure BSA0000197198710000032
该模型不仅可以兼容无线通信中常用的经典波形OFDM、带频域均衡的单载波(SC-FDE)和单载波频分复用(SC-FDM)，还可以兼容目前所提出的多种5G备选波形，包括FBMC、UFMC、F-OFDM等等。
(2)将GFDM模型与IEEE802.16a标准中的单载波传输模式SC-FDE相结合，得到基于GFDM调制系统的SC-GFDM单载波调制方式。
SC-GFDM调制的信道发送接收过程为：发送端完成星座映射后，对每个子符号am与预编码生成矩阵相乘，并通过调制矩阵进行GFDM调制完成脉冲成型，添加CP，形成高速率单载波信号，接收信号通过FFT变换到频域进行均衡，再变换到时域解调。
在采用时域低复杂度GFDM调制时，基带调制矩阵的维度与M，K相关，但所进行的时域重复、脉冲调制、时域移位加和的处理过程不变，因此将该基带调制过程简化写为基带调制矩阵A＝P(m)GR(M，K)，并完成子符号的加和，SC-GFDM调制的发送端调制信号为式(3)所示。
y＝Hx+w (3)
对于SC-GFDM，由于子载波数为K＝1，则预编码生成矩阵S为1x1阶单位矩阵I，即数据符号实际仍为串行进行传输。在经过信道后，接收端获得的信号如式(4)所示。
y＝Hx+w (4)
考虑到此时子载波数为1，则N＝M，信道矩阵H为循环矩阵，SC-GFDM与SC-FDE相同，信道均衡需在频域进行，因此接收信号经过傅里叶变换后可得式(5)。
Figure BSA0000197198710000041
W为N点DFT变换矩阵，
Figure BSA0000197198710000042
为噪声的频域表达。接收端SC-GFDM系统通过频域均衡补偿信道干扰，由于单载波信道特性，其均衡器为单抽头频域均衡器，均衡抽头矩阵E，则均衡后输出信号为式(6)。
Figure BSA0000197198710000043
(3)依据LTE-A上行信道采用的SC-FDMA技术，提出一种基于DFT的GFDM频域扩展方案完成DFT-S-GFDM单载波调制系统。
DFT-S-GFDM系统不但融合了SC-FDE系统和GFDM系统的优点，并对两种方案的缺点进行了补足，考虑到物联网中海量接收端设备的功率限制，该技术非常适合用于5G发展。同样的，从时域低复杂度GFDM调制系统考虑，此时的预编码生成矩阵为式(7)。
Figure BSA0000197198710000044
其中P为DFT调制矩阵，P＝PmPc，Pc为DFT分块矩阵，决定了如何对子载波数目进行分块进行频域扩展，扩展因子为Q，则分块大小为NDFT＝K/Q。Pm为子载波映射矩阵，决定了数据符号通过子载波传输的方式。
(4)通过软件完成同时兼容单载波GFDM和多载波GFDM的混合GFDM调制系统。
单载波GFDM调制系统和多载波调制系统在传输框架上是十分类似的，主要差别在发送端的预编码矩阵以及接收端的均衡方案。通过软件完成这两者的自适应配置过程即可实现在一套系统中兼容这两种模式。因此，可以设计一种混合GFDM调制系统，通过软件定义调整预编码矩阵方案，实现同时支持多载波GFDM和单载波GFDM模型，能够灵活、高效地发挥两种技术的优势。
以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利的实施应用，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种基于预编码的混合载波调制方法，其特征在于，通过设计一种统一结构的通信系统，使得GFDM单载波与多载波可以在一套硬件设备中共存，并根据需求以软件配置的方式实现不同工作模式的灵活选择，实现一种可配置、易扩展的融合单载波与多载波的调制技术；包括以下步骤：
1)对GFDM调制算法进行时频重构，将GFDM能够作为软件定义波形的基础波形，搭建以GFDM为基础的统一循环滤波载波调制模型；
首先，对时频网格进行重构，利用该时频网格重新定义GFDM中子载波和子符号间距，重写GFDM调制方案；定义子载波是由总采样点数为S＝RT的滤波器脉冲响应形成的，其中T为滤波器的周期数，R为每周期的采样点数，重写GFDM发送信号如(1)所示：
Figure FSB0000200583270000011
其中，P为相邻子符号之间的距离，Q为相邻子载波间的距离，定义子载波间隔因子vf和子符号间隔因子vt分别为式(2)所示：
Figure FSB0000200583270000012
2)将GFDM模型与IEEE802.16a标准中的单载波传输模式SC-FDE相结合，得到基于GFDM调制系统的SC-GFDM单载波调制方式；
SC-GFDM调制的信道发送接收过程为：发送端完成星座映射后，对每个子符号am与预编码生成矩阵相乘，并通过调制矩阵进行GFDM调制完成脉冲成型，添加CP，形成高速率单载波信号，接收信号通过FFT变换到频域进行均衡，再变换到时域解调；
在采用时域低复杂度GFDM调制时，基带调制矩阵的维度与M，K相关，但所进行的时域重复、脉冲调制、时域移位加和的处理过程不变，因此将该基带调制过程简化写为基带调制矩阵A＝P(m)GR(M，K)，并完成子符号的加和，SC-GFDM调制的发送端调制信号为式(3)所示：
y＝Hx+w (3)
对于SC-GFDM，由于子载波数为K＝1，则预编码生成矩阵S为1x1阶单位矩阵I，即数据符号实际仍为串行进行传输；在经过信道后，接收端获得的信号如式(4)所示：
y＝Hx+w (4)
考虑到此时子载波数为1，则N＝M，信道矩阵H为循环矩阵，SC-GFDM与SC-FDE相同，信道均衡需在频域进行，因此接收信号经过傅里叶变换后可得式(5)：
Figure FSB0000200583270000013
W为N点DFT变换矩阵，
Figure FSB0000200583270000021
为噪声的频域表达；接收端SC-GFDM系统通过频域均衡补偿信道干扰，由于单载波信道特性，其均衡器为单抽头频域均衡器，均衡抽头矩阵E，则均衡后输出信号为式(6)：
Figure FSB0000200583270000022
3)依据LTE-A上行信道采用的SC-FDMA技术，提出一种基于DFT的GFDM频域扩展方案完成DFT-S-GFDM单载波调制系统；
DFT-S-GFDM系统不但融合了SC-FDE系统和GFDM系统的优点，并对两种方案的缺点进行了补足，考虑到物联网中海量接收端设备的功率限制，该技术非常适合用于5G发展；同样的，从时域低复杂度GFDM调制系统考虑，此时的预编码生成矩阵为式(7)：
Figure FSB0000200583270000023
其中P为DFT调制矩阵，P＝PmPc，Pc为DFT分块矩阵，决定了如何对子载波数目进行分块进行频域扩展，扩展因子为Q，则分块大小为NDFT＝K/Q；Pm为子载波映射矩阵，决定了数据符号通过子载波传输的方式；
4)通过软件完成同时兼容单载波GFDM和多载波GFDM的混合GFDM调制系统；
通过软件完成单载波GFDM调制系统和多载波调制系统的自适应配置过程即可实现在一套系统中兼容这两种模式；因此，可以设计一种混合GFDM调制系统，通过软件定义调整预编码矩阵方案，实现同时支持多载波GFDM和单载波GFDM模型，能够灵活、高效地发挥两种技术的优势。
2.如权利要求1所述的基于预编码的混合载波调制方法，其特征在于，所述的基于GFDM的统一载波调制模型，可作为统一物理层应用的灵活框架，用作模拟各种多载波和单载波波形的平台。
3.如权利要求1所述的基于预编码的混合载波调制方法，其特征在于，所述的SC-FDE系统和DFT-S-GFDM单载波调制系统相比多载波调制系统具有更小的峰值平均功率比和更优的性能。
4.如权利要求1所述的基于预编码的混合载波调制方法，其特征在于，所述的混合GFDM调制系统是可配置、易扩展的，能灵活、高效发挥单载波GFDM和多载波GFDM两种技术的优势，满足5G通信场景复杂多变的需求。
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