CN112995085B - 一种基于fw-ccdf算法的gfdm载波系统优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于FW‑CCDF算法的GFDM载波系统优化方法，属于无线通信领域。该方法是在整个GFDM载波系统中加入FW‑CCDF算法，该算法分为两部分：一部分是位于二进制信源编码过程中对生成的信息编码进行filter滤波处理，即filter模块，另一部分是在GFDM调制前加入FW‑CCDF算法，即FW‑CCDF模块；FW‑CCDF模块是在GFDM载波系统中加入窗函数和滤波函数组合成FW‑CCDF算法。本发明提高了频带利用率，不会对其他用户造成干扰。

Description

一种基于FW-CCDF算法的GFDM载波系统优化方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及5G移动通信领域，具体涉及一种基于FW-CCDF算法的GFDM载波系统优化方法。
背景技术
移动通信技术发展经历2G到4G，现在最新一代为5G，新一代技术泛指通过底层技术和方法的重大变化以提供更可靠，更有效的通信连接，如物理接入技术，从TDMA变为CDMA，然后到OFDMA，然后逐步优化为GFDMA，5G采用新3GPP无线接入技术称为“新空口”，系统基于OFDMA，GFDMA性能优于OFDMA将会有很大发展前景。
相比4G，5G通信具有高速率、超低时延、大容量、高可靠等优点，可满足当今社会日益增长的数据传输需求。5G通信标准首次将毫米波频段作为其FR2通信频段，从而为5G网络提供极致的数据传输速度和超大容量。然而以4G为主的LTE通信系统所运用的OFDM(正交频分复用)技术，因为OOB(带外辐射)和PAPR(峰均功率比高)的缺陷在频谱资源上出现浪费，不能满足5G系统中宽频带和低时延的需求，广义频分复用(Generalized frequencydivision multiplexing,GFDM)克服了正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,OFDM)的局限性，具有低峰均功率比、低带外辐射、高频谱利用率等一系列优点。在5G系统中得到了很大的重视是最有前景的候选波形。
近年来关于GFDM技术国内外也做了大量工作，2015年在巴黎的欧洲网络和通信会议(EUCNC)提出GFDM的发射功率可比相应的正交频分复用(OFDM)系统通过仿真得出结论，OBB降低约5dB。2020年9月6日，Ajib Setyo Arifin在2020年ICOSICA会议上使用通用软件无线电外围设备(USRP)RIO 2942和LabVIEW开发了用于空中传输(OTA)的GFDM实现。使用的频谱分析仪用于同时验证接收到的信号，证明接收到GFDM信号，证明GFDM技术可以通过特定子载波来执行传输，通过运用滤波器过滤后，OOB参数达到-40dB。本发明采用加窗CCDF-GFDM优化技术，使带外辐射发射端优化到-45dB，能保持良好的均功率比的性能，相比之下可以达到更优良的载波性能。
5G的现有技术方案较多，这里列举较为常见的载波优化技术：滤波器组多载波(FBMC)，2011年4月，Behrouz Farhang-Boroujeny提出用滤波器组多载波技术来抑制OFDM的OOB，降低了OFDM的带外辐射干扰；通用滤波多载波(UFMC)，2013年提出了一种多载波传输方案，以克服正交频分复用(OFDM)系统中的载波间干扰(ICI)问题。在提出的称为通用滤波多载波(UFMC)的方案中，将滤波操作应用于一组连续的子载波，以减少带外旁瓣电平；GFDM，2020年9月6日，Ajib Setyo Arifin在2020年使用通用软件无线电外围设备(USRP)RIO2942和LabVIEW开发了用于空中传输(OTA)的GFDM，实现几种方法的特点进行对比，详见表1。
表1 FBMC、UFMC、GFDM、W-CCDF-GFDM性能比较
Figure GDA0003501529130000021
通过以上技术的对比FBMC旁瓣水平低，降低了对同步的严格要求，但是滤波器的冲激响应长度通常很长，所以FBMC的帧较长，不适用于短包类通信业务。UFMC是对一组连续的子载波进行滤波处理，UFMC技术可以使用较短滤波器长度，这样可以支持短包类业务，但UFMC没有CP，因此对需要松散时间同步以节约能源的应用场景不适合，此外FBMC和UFMC系统的复杂度较高。GFDM可以使用CP，具有灵活的帧结构，可以适配不同的业务类型。但三种技术的复杂度均比OFDM复杂，其中GFDM的复杂度较低，不过根据摩尔定理，集成电路的发展将会弥补这一不足；GFDM不需要系统进行严格同步，同步性要求将会增加大量功耗；GFDM的OOB较小有利于碎片化频谱利用和频谱动态接入，因此将GFDM技术用于到5G系统中还有待改进。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于FW-CCDF算法的GFDM载波系统优化方法，解决当前5GNR所用载波波形OFDM技术中存在的OOB大，PAPR高，这些问题将随着5G的深入运用影响频带利用率和宽频带等问题，提高频带利用率，而不会对其他用户造成干扰。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于FW-CCDF算法的GFDM载波系统优化方法，在整个GFDM载波系统中加入FW-CCDF算法，该算法分为两部分：一部分是位于二进制信源编码过程中对生成的信息编码进行filter滤波处理，即filter模块，另一部分是在GFDM调制前加入FW-CCDF算法，即FW-CCDF模块；所述FW-CCDF模块是在GFDM载波系统中加入窗函数和滤波函数组合成FW-CCDF算法。
进一步，所述filter模块是通过设置M-QAM指定m进制数，设定复杂基带调制波形中符号的不同状态的数目；通过IQ的速率进行设定，输出对QAM调制的设置参数簇，引入的滤波器有三种上升沿滤波器、根上升沿滤波器和Gaussian滤波器可以根据应用的场景进行灵活切换，将QAM预处理设置和滤波器设计的参数，以及数据源所生成的二进制数据流同时输入QAM数据调制模块进行处理，输出复基带波形，然后对输出的复基带波形进行重采样处理，得到的复基带波形进行GFDM调制。
更进一步，引入的滤波器包括上升沿滤波器、根上升沿滤波器或Gaussian滤波器，根据应用的场景进行切换。
进一步，所述FW-CCDF模块是在脉冲成型滤波器中加入窗函数；然后经过窗函数处理过的信息流经过循环移位操作再加入CCDF函数中处理；最后进行傅里叶(FFT)变换生成GFDM信号。
更进一步，所述窗函数包括Hanning窗函数、Blackman窗函数、Flat top窗函数或Chebyshev窗函数。
本发明的有益效果在于：本发明在原有GFDM技术原有基础上，加入了一种FW-CCDF算法的优化，FW-CCDF算法相对于原有的GFDM技术和OFDM技术具有设计结构简单，低峰均功率比、低带外辐射、高频谱利用率，结合Labview平台更加直观，易于进一步优化等优点；此外保持了GFDM可以使用CP，具有灵活的帧结构，可以适配不同的业务类型，以及GFDM不需要系统进行严格同步，同步性要求将会根据应用场景节省大量功耗。本发明方法OOB更小，碎片化频谱利用和频谱动态接入优势将更加明显，提高频带利用率，而不会对其他用户造成干扰。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明GFDM载波系统框图；
图2为Filter模块程序框图；
图3为FW-CCDF模块程序图；
图4为本发明的Labview搭建的GFDM发射机实验平台图；
图5为本发明的Labview搭建的GFDM接收机实验平台图；
图6为本发明的Labview搭建的GFDM接收机三种技术搭建的程序框图(局部)；
图7为本发明的Labview搭建的GFDM发射机实验平台采集到的OFDM载波波形；
图8为本发明的Labview搭建的GFDM发射机实验平台采集到的GFDM载波波形；
图9为本发明的Labview搭建的GFDM发射机实验平台采集到的FW-GFDM载波波形；
图10为本发明的GFDM接收机实验平台在引入FW-CCDF前后采集到的PAPR参数，(a)为引入FW-CCDF前采集到的PAPR参数，(b)为引入FW-CCDF后采集到的PAPR参数。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图10，本发明提出一种基于FW-CCDF算法的GFDM载波系统优化方法，在整个GFDM载波系统中FW-CCDF在载波系统程序中分为两部分，一部分是位于二进制信源编码过程中对生成的信息编码进行滤波处理，如图1中的filter模块，以及在GFDM调制前加入FW-CCDF模块。使系统的带外辐射(OOB)和峰均功率比参数得到了较好的改善。
Filter模块：通过设置M-QAM指定m进制数，设定复杂基带调制波形中符号的不同状态的数目。通过IQ的速率进行设定，输出对QAM调制的设置参数簇，引入的三种滤波器，可以根据应用的场景进行灵活切换，将QAM预处理设置和滤波器设计的参数，以及数据源所生成的二进制数据流同时输入QAM数据调制模块进行处理，输出复基带波形，然后对输出的复基带波形进行重采样处理，得到的复基带波形进行GFDM调制。整个过程程序实现如图2。
其中，三种类型滤波器包括有：
(1)上升沿滤波器(Raised Cosine)，频域响应的计算公式为：
Figure GDA0003501529130000051
其中，T为符号周期，a为滤波器滚降系数；
(2)根上升沿滤波器(Root Raised Cosine)，频域响应的计算公式为：
Figure GDA0003501529130000052
(3)Gaussian滤波器，频域响应的计算公式为：
Figure GDA0003501529130000061
其中，B表示滤波器-3dB带宽。
FW-CCDF模块：在对GFDM每个块符号进行调制中加入脉冲成型滤波器可以有效降低GFDM的带外辐射，通过窗补偿函数可以有效减少功率的损耗，有利于降低系统的峰均功率比。GFDM信号生成过程可用以下公式表示：
Figure GDA0003501529130000062
其中，DFTNM和IDFTNM表示傅里叶变换和傅里叶逆变换，
Figure GDA0003501529130000063
表示上采样数据的傅里叶变换，d表示复数数据，g表示滤波器，
Figure GDA0003501529130000064
表示子载波上变频处理，由于结合实际的硬件结构综合考虑需要采用在OFDM系统类似的处理方法—采用IFFT/FFT的方法对GFDM载波进行重构造。
FW-CCDF模块的整个实现程序如图3程序所示，首先此方法是作为GFDM脉冲成型滤波器的改进，在脉冲成型滤波器后加入了一个窗函数模块，可以对多种窗函数进行选择来适应不同应用场景穿函数中包括hanning窗等窗函数组成的联合模块可以进行自由选择，表2列举了部分窗函数的表达式，经过窗函数处理过的信息流经过循环移位操作再加入CCDF函数的处理，最后进行傅里叶(FFT)变换生成GFDM信号，然后进行接下来的添加循环前缀最终输入USRP-2922中通过发射端进行发射，接收机端通过接收无线信道的信号进行同步，去前缀，信道均衡，GFDM解调，解映射，最后把接收到的信号进行恢复，便可以得到载波系统发射机中所加载的信号，最后通过BER(误码率)来进行参数的判断，和最终星座图的清晰度。通过整个平台的运行来判断FW-CCDF的加入所带来的系统性能的带外辐射和峰均功率比参数的提高。
其中，窗函数包括：
(1)Hanning窗函数，表达式为：
yi＝0.5xj[1-cos(w)]
Figure GDA0003501529130000065
其中，n表示输入信号中元素的个数；
(2)Blackman窗函数，表达式为：
yi＝xi[0.42-0.50cos(w)+0.08cos(2w)]
Figure GDA0003501529130000071
(3)Flat top窗函数，表达式为：
Figure GDA0003501529130000072
Figure GDA0003501529130000073
(4)Chebyshev窗函数，表达式为：
Figure GDA0003501529130000074
Figure GDA0003501529130000075
Figure GDA0003501529130000076
m为阶数
Figure GDA0003501529130000077
其中，s是主瓣和旁瓣的高度比，单位为dB。
实施例1：
本实施例利用Labview编程实现GFDM发射机实验平台图；如图4所示，该平台包括如下：基于USRP 2922设备所制作的5G移动通信系统发射机提供的GFDM载波平台作为研究对象进行开发验证，基于NI USRP 2922和Labview平台实现GFDM载波系统发射机的编程搭建，达到调制后信号的发送；同时完成了OFDM技术，普通GFDM技术和引入FW-CCDF方法改进的GFDM技术的编程以及载波波形采样后波形优化对比。
基于USRP 2922平台可以对400MHZ-4.4GHZ(覆盖80％现用5G频段)内的信号进行调制处理后进行发送，通过频谱仪进行接收验证，作为5G重要的应用频段，对此频段研究具有重大意义。
运用Labview进行编程实现OFDM、GFDM、引入FW-CCDF优化后的GFDM技术的程序编写，通过输出载波波形进行对比，可以更方便的进行后续技术优化，便于GFDM技术参数的更加完善；
在原有的GFDM载波技术上加入FW-CCDF算法，更大程度上降低了OOB，和保持PAPR性能维持较好的参数指标。用率提高提供了条件；
此技术结合USRP平台进行实时发送，确保了算法的稳健性，真实性，减少随机性的影响，可以后续方便的进行优化。
此平台还可以对调制的波形，星座图等参数进行实时显示，便于进行更加方便的分析。
图4和图5是GFDM系统的发射端和接收端系统图在2.4GHZ频率下运行的结果图，可以得到星座图，GFDM的一个传输波形，接收面板可以实时显示所接收到的波形功率，图10显示的是整个系统的运行图包括接收端，发送端及USRP 2922设备通过频谱仪验证平台的准确性。图6是三种算法的编程程序图，通过图7的实时监测测试OFDM的OOB参数值-17dB，比较高的水平，GFDM，图8的实时监测测试OFDM的OOB参数值-37dB，相对于OFDM参数提高到了20dB，图9的实时监测测试加窗CCDF-GFDM的OOB参数值-50dB，相对于OFDM参数提高到了33dB，相对于传统的GFDM来讲提升了13dB，通过波形的分析优化后的波形依然保持了原有波形GFDM所具有PAPR较OFDM改善的优势。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于FW-CCDF算法的GFDM载波系统优化方法，其特征在于，该方法是在整个GFDM载波系统中加入FW-CCDF算法，该方法分为两部分：一部分是位于二进制信源编码过程中对生成的信息编码进行filter滤波处理，另一部分是在GFDM调制前加入FW-CCDF算法；所述FW-CCDF算法是在GFDM载波系统中加入窗函数和滤波函数组合成的算法；
所述filter滤波处理是通过设置M-QAM指定m进制数，设定复杂基带调制波形中符号的不同状态的数目；通过IQ的速率进行设定，输出对QAM调制的设置参数簇，引入滤波器将QAM预处理设置和滤波器设计的参数，以及数据源所生成的二进制数据流同时输入QAM数据调制模块进行处理，输出复基带波形，然后对输出的复基带波形进行重采样处理，得到的复基带波形进行GFDM调制；
所述FW-CCDF算法是在脉冲成型滤波器中加入窗函数；然后经过窗函数处理过的信息流经过循环移位操作再加入CCDF函数中处理；最后进行傅里叶变换生成GFDM信号。
2.根据权利要求1所述的GFDM载波系统优化方法，其特征在于，引入的滤波器包括上升沿滤波器、根上升沿滤波器或Gaussian滤波器中的一种，根据应用的场景进行切换。
3.根据权利要求1所述的GFDM载波系统优化方法，其特征在于，所述窗函数包括Hanning窗函数、Blackman窗函数、Flat top窗函数或Chebyshev窗函数中的一种。
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