CN111162759B - 载波聚合中滤波器优化设计方法及系统 - Google Patents

载波聚合中滤波器优化设计方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种载波聚合中滤波器优化设计方法及系统，包括：在满足现有的电力专用无线通信网络技术标准的前提下，计算接收端滤波器在电力专用无线频段所需复杂度的最低要求；利用等波纹算法设计线性相位的FIR等波纹滤波器。本发明有益效果：进一步降低了滤波器复杂程度，同时也可以满足现有的电力专用无线通信网络技术标准对于信号质量的要求。

Description

载波聚合中滤波器优化设计方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种载波聚合中滤波器优化设计方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
如今，数据流量的增长越来越迅速，需要更高的数据速率来支持新的设备和应用，为满足国际电信同盟(ITU)提出的高级国际移动通信(international mobiletelecommunications-advanced，IMT-Advanced)系统峰值速率达到下行1Gbit/s、上行500Mbit/s的需求，LTE-A(Long Term Evolution，长期演进)提出了载波聚合的解决方案。载波聚合技术将两个或者多个空闲的频段聚合在一起，同时分配给某一个用户使用，以达到宽带传输的效果。聚合方式分为带内连续的多个子载波聚合、带内非连续的多个子载波聚合和不同频带内的多个子载波聚合三种方式，随着参与聚合的子载波分布的离散程度增加，硬件方面的复杂程度也会随之增加，在这样的背景下，既能满足性能要求又能降低实现复杂度的滤波器就显得十分重要。
目前，华为在“用于载波聚合的滤波器叠加”中提出，本地振荡器包括频率转换器，用于接收第一频率带宽内的多个射频信号并将射频信号位移到第二频率带宽，滤波单元，用于通过应用导出式带通滤波器(band-pass filter,BPF)对所述第二频率带宽内的所述多个射频信号进行滤波以生成多个滤波信号，其中所述导出式BPF通过叠加至少一个BPF和至少一个带阻滤波器(band-stop filter,BSF)生成。
Sylvain Traverso在IEEE无线通信和网络会议上，基于失真的峰均功率比(PARP)降低算法提出了一种新颖简单的高度自适应滤波器设计。该方法基于原型滤波器设计，能够有效地处理多频带信号，数值结果表明，对于给定复杂度和给定的PAPR降低，该方法在功率谱密度和误差矢量幅度(EVM)方面优于ER滤波器。
但是，发明人发现，目前关于载波聚合技术接收端滤波器的研究较少，大都没有能够平衡性能指标和实现复杂度的涉及或优化方案。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种载波聚合中滤波器优化设计方法及系统，能够在电力专用无线通信网络技术标准下，满足接收端信号与干扰加噪声比(SINR)和实际信号与理想信号的误差(EVM)指标的同时，尽可能降低设计难度和使用成本。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种载波聚合中滤波器优化设计方法，包括：
在满足现有的电力专用无线通信网络技术标准的前提下，计算接收端滤波器在电力专用无线频段所需复杂度的最低要求；
利用等波纹算法设计线性相位的FIR等波纹滤波器。
其中，滤波器的通带计算过程为：
Figure BDA0002357047450000021
其中，RB为资源块个数，Δf为子载波间隔，SR为抽样速率。
滤波器的阻带计算过程为：
Figure BDA0002357047450000031
其中，space为每个成员载波之间的频率间隔。
检测接收信号的EVM指标是否满足要求；如果接收信号的EVM值小于设定的阈值，则满足要求；否则，根据得到的滤波器和平均EVM的关系，调整滤波器阶数。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种载波聚合中滤波器优化设计系统，包括：
用于在满足现有的电力专用无线通信网络技术标准的前提下，计算接收端滤波器在电力专用无线频段所需复杂度的最低要求的装置；
用于利用等波纹算法设计线性相位的FIR等波纹滤波器的装置。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的载波聚合中滤波器优化设计方法。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的载波聚合中滤波器优化设计方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明方法能够降低无线通信中接收端滤波器的设计复杂程度，降低滤波器设计难度和制作成本，平衡载波聚合中对接收信号质量的要求和接收端滤波器实现复杂程度。
附图说明
图1是本发明实施例中载波聚合后传输信号的频谱图；
图2是本发明实施例中设计滤波器时需要考虑的参数的示意图；
图3是本发明实施例中滤波器的频率响应；
图4是本发明实施例中计算EVM的参数示意图；
图5是本发明实施例中75阶滤波器对应的EVM指标图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种载波聚合中滤波器优化设计方法，包括：
在满足现有的电力专用无线通信网络技术标准的前提下，计算接收端滤波器在电力专用无线频段所需复杂度的最低要求；
目前滤波器设计复杂度只考虑滤波器阶数这一个参数；滤波器阶数是根据EVM指标限制下，不断优化滤波器得到的，优化是指从高阶向低阶调整滤波器直到满足最低要求且阶数最低。
利用等波纹算法设计线性相位的FIR等波纹滤波器。
本实施例根据现有的电力专用无线通信网络技术标准，在接收端信道CQI指数为15的前提下，满足该标准对于EVM指标小于8％和SINR大于29dB的要求，通过这些限制条件计算得到所需滤波器复杂度最低要求，同时利用等波纹最佳逼近法进行进一步进行滤波器的简化，已达到满足通信质量要求下的滤波器的最优设计。
具体地，载波聚合中接收端滤波器的设计过程包括如下步骤：
步骤1，选择每个子载波的资源块个数，生成聚合后的载波信号。
选择223-226、226-227、229-233、和233-234(单位MHz)四个频段，进行载波聚合。RB(Resources Blocks)个数为6、2、6、2，对应的中心频率分别为上述频段的中心频率(224.5,226.5,231,233.5)MHz，双工方式为TDD，调制方式为64QAM。生成的信号频谱如图1所示。
步骤2，计算相关的参数，具体参数指标如图2标识所示，该图用于辅助理解各参量的意义，并非实际参数图。
其中，聚合信道带宽BWchannel_CA定义为：
BWchannel_CA＝Fedge,high-Fedge,low
低频边缘Fedge,low和高频边缘Fedge,high用作发射机和接收机的频率参考点，定义为：
Fedge,low＝FC,low-Foffset,low
Fedge,high＝FC,high+Foffset,high
其中，Fc,low及Fc,high分别为最低及最高频率成员载波的中心频点，Foffset,low及Foffset,high分别为Fc,low及FC,high曲到聚合信道带宽最低及最高频点的频偏，它们的取值决定于低聚合载波和高聚合载波的传输带宽。
Foffset,low＝0.18NRB,low/2+BWGB
Foffset,high＝0.18NRB,high/2+BWGB
NRB,low、NRB,high分别为频率最高和频率最低成员载波的RB(Resource Block资源块)数,BWGB为保护带宽，不用于传输数据。
步骤3，利用等波纹算法设计线性相位的FIR等波纹滤波器；
具体过程如下：
1)初步估计L+2阶滤波器的极值频率；
2)用给定公式计算δ；δ为滤波器的震荡波纹，其计算方法是现有技术，实际应用过程中也可以通过调用matlab的remez和remezord函数来计算。
3)利用拉格朗日插值法计算A(w)的通带和阻带的稠密样本集；其中，A(w)为频率响应的振幅，A(w)满足：
Figure BDA0002357047450000061
H(w)为h(n)频域响应。
4)根据步骤3)中求得的A(w)的通带和阻带的稠密样本集，可以确定新的L+2阶滤波器的极值频率；
5)如果不满足交换定理，则重新从步骤1开始进行；如果满足替换定理，则计算h(n)，h(n)为滤波器的时域冲激响应；本实施例中，交换定律用于判断滤波器是否为最佳滤波器，因此用交换定律来判断新的滤波器是否为最佳滤波器。
需要说明的是，交换定理并不直接给出计算最佳滤波器的方法，而是可以利用交换定理来判断滤波器是否为最佳滤波器。
本实施例中，滤波器的通带计算过程如下：
Figure BDA0002357047450000071
其中，RB为资源块个数，Δf为子载波间隔，其值为3.75KHz，SR为抽样速率。
滤波器的阻带计算过程如下：
首先计算每个CC(Component Carrier，成员载波)之间的频率间隔，公式如下
space＝Δf
其中，f1和f2为相邻成员载波对应的中心频率，进而计算阻带：
Figure BDA0002357047450000072
其中，RB为资源块个数，SR为抽样速率。滤波器的频率响应如图3所示。
步骤4，计算不同阶数滤波器引入的噪声。
步骤5，考虑滤波器引入的噪声，利用Okumura-Hata模型得出最大的路径损耗，进而计算覆盖半径。
本实施例考察滤波器阶数对于引入噪声，对路径损耗最后到小区覆盖半径的影响，说明滤波器阶数对于通信的覆盖范围的影响；
最大允许的路径损耗和覆盖半径都是指的上行或者下行链路传输信号的。
步骤6，检测接收信号的EVM指标是否满足要求。
接收端信号EVM计算：
EVM是误差信号的平均功率的平方根和参考信号的平均功率的平方根之比，并把这种比值以百分数形式表示，计算公式如下:
Figure BDA0002357047450000073
Figure BDA0002357047450000081
其中，
Figure BDA0002357047450000082
表示误差矢量，
Figure BDA0002357047450000083
表示测量信号，
Figure BDA0002357047450000084
表示参考信号。
在接收端，对接收信号进行解调和同步，利用EVM计算公式，可以得到解调信号中每个子帧的平均EVM的测量值，同时还可以显示EVM和时间、资源块、子载波的关系图。这里我们主要关心的是平均EVM测量值的大小，因为这一指标的大小直接影响了解调段信号恢复的质量，一般来说对于64QAM调制方式的平均EVM标准为不超过8％，于是我们可以通过计算得到滤波器的性能和平均EVM的关系，再根据这个关系调整滤波器阶数；本实施例中，滤波器的性能和平均EVM的关系指的是滤波器阶数与平均EVM关系，通过分别计算不同阶数滤波器对应的EVM值来确定。
最终经过我们的推算和仿真，能够满足上述EVM指标的滤波器最低阶数为75阶，如图5所示，得到抽头系数如下，抽头系数是数字滤波器的时域冲激响应，用于确定了一个具体的滤波器。
Figure BDA0002357047450000085
需要说明的是，本实施例适用于223M～235M频段范围，当然，本发明方法也同样适用于其他频段范围，若改变频率范围需要进行滤波器的优化，优化后的滤波器也需要满足EVM指标要求。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种载波聚合中滤波器优化设计系统，包括：
用于在满足现有的电力专用无线通信网络技术标准的前提下，计算接收端滤波器在电力专用无线频段所需复杂度的最低要求的装置；
用于利用等波纹算法设计线性相位的FIR等波纹滤波器的装置。
本领域技术人员应当理解，上述装置的具体工作过程采用实施例一中公开的方法实现，在此不再赘述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的载波聚合中滤波器优化设计方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例一中的载波聚合中滤波器优化设计方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种载波聚合中滤波器优化设计方法，其特征在于，包括：
在满足现有的电力专用无线通信网络技术标准的前提下，计算接收端滤波器在电力专用无线频段所需复杂度的最低要求；
利用等波纹算法设计线性相位的FIR等波纹滤波器，所述滤波器的通带计算过程为：
Figure FDA0003708995300000011
其中，RB为资源块个数，Δf为子载波间隔，SR为抽样速率。
2.如权利要求1所述的一种载波聚合中滤波器优化设计方法，其特征在于，利用等波纹算法设计线性相位的FIR等波纹滤波器，所述滤波器的阻带计算过程为：
Figure FDA0003708995300000012
其中，space为每个成员载波之间的频率间隔。
3.如权利要求1所述的一种载波聚合中滤波器优化设计方法，其特征在于，还包括：计算不同阶数滤波器引入的噪声，考虑滤波器引入的噪声，确定最大的路径损耗，进而计算覆盖半径。
4.如权利要求1所述的一种载波聚合中滤波器优化设计方法，其特征在于，还包括：检测接收信号的EVM指标是否满足要求；如果接收信号的EVM值小于设定的阈值，则满足要求；否则，根据得到的滤波器和平均EVM的关系，调整滤波器阶数。
5.如权利要求1所述的一种载波聚合中滤波器优化设计方法，其特征在于，所述电力专用无线频段的频段范围为223M–235MHz，带宽单元为25KHz，子载波间隔为3.75KHz，双工方式采用TDD。
6.如权利要求1所述的一种载波聚合中滤波器优化设计方法，其特征在于，通过等波纹最佳逼近法在滤波器长度给定的条件下,使加权误差波纹幅度最小化，同时能够起到降低滤波器阶数的作用。
7.一种载波聚合中滤波器优化设计系统，其特征在于，包括：
用于在满足现有的电力专用无线通信网络技术标准的前提下，计算接收端滤波器在电力专用无线频段所需复杂度的最低要求的装置；
用于利用等波纹算法设计线性相位的FIR等波纹滤波器的装置，所述滤波器的通带计算过程为：
Figure FDA0003708995300000021
其中，RB为资源块个数，Δf为子载波间隔，SR为抽样速率。
8.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的载波聚合中滤波器优化设计方法。
9.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的载波聚合中滤波器优化设计方法。
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