CN114221841B - 一种多维参数的广义频分复用传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维参数的广义频分复用传输方法，将要传输的数据进行映射；将映射后的数据映射到K个子载波上，每个子载波上分配M个符号，得到待传输的数据矩阵；对数据矩阵进行GFDM调制，通过具有多维参数联合捷变特征的滤波器对数据进行脉冲成型，通过相应的子载波搬移至相应的频谱处进行叠加，生成GFDM信号；对GFDM信号加入循环前缀后发送到无线信道中；接受端在接收到GFDM信号后，对GFDM信号进行去循环前缀的操作，并根据ZF接收准则进行GFDM信号的解调，得到接收到的数据矩阵；对解调后的数据进行解映射操作得到发射端传输的数据。本发明通过多维参数的联合捷变，实现了对带外功率性能的有效抑制与精准控制。

Description

一种多维参数的广义频分复用传输方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种多维参数的广义频分复用传输方法。

背景技术

为了满足未来通信场景的应用需求，同时考虑到低时延、低功耗、零碎频谱使用、非严格同步以及高速场景下系统鲁棒性等挑战，2009年，Gerhard Fettweis的团队第一次提出GFDM系统的框架结构，主要说明了GFDM系统相比于OFDM系统在峰均功率比和带外抑制方面的优势。2012年，Michailow N等人分析了GFDM作为下一代移动通信的关键技术的可行性，主要分析了系统实现复杂度和带外泄露的问题。GFDM作为一种多维参数的波形技术，成为了下一代通信体制中波形方案的备选技术之一。同时，GFDM系统具有很强的灵活性，OFDM系统和单载波系统都可视为它的特例。

在国内，5G移动通信发展早已经被列为信息产业发展最重要任务之一。2013年初，我国成立了IMT-2020专项小组，重点面研究5G移动通信技术原理、频谱、业务与技术指标等。国家973计划也将移动网络体系创新设定为新的研究课题，投入了大量科研力量进行研究。

关于GFDM的性能和实现，已经有一系列的研究，其中包括几个候选滤波器，例如GFDM滤波器的升余弦滤波器(Raised-Cosine)、高斯滤波器或者Xia滤波器。Mayank Mishra提出了一种新型的基于斜坡脉冲成型滤波器(Ramp-based Pulse Shaping Filter)，在低延迟的情况下，带外功率性能优于RRC滤波器。Seungyul Han提出了成型滤波器与窗函数结合的方法，通过设计适当的窗函数与滤波器结合时可以提高GFDM系统的性能，然而尚未获得适用于不同场景下的GFDM成型滤波器和GFDM传输方法。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种能够降低GFDM波形的带外功率的多维参数的广义频分复用传输方法，通过多维参数的联合捷变，实现了对带外功率性能的有效抑制与精准控制。

为解决上述技术问题，本发明的一种多维参数的广义频分复用传输方法，包括以下步骤：

步骤一：在发射端处将要传输的数据进行映射；

步骤二：将映射后的数据映射到K个子载波上，每个子载波上分配M个符号，得到待传输的数据矩阵d；

步骤三：对数据矩阵进行GFDM调制，通过构造的具有多维参数联合捷变特征的滤波器g_MP对每一个数据进行脉冲成型，之后通过相应的子载波搬移至相应的频谱处进行叠加，生成GFDM信号x_MP；

步骤四：对GFDM信号加入循环前缀后发送到无线信道；

步骤五：接受端在接收到步骤四发送的GFDM信号后，对GFDM信号进行去循环前缀的操作，并根据ZF接收准则用矩阵B_MP进行GFDM信号的解调，得到接收到的数据矩阵

步骤六：对步骤五获得的GFDM解调后的数据进行解映射操作得到发射端传输的数据。

进一步的，步骤三中具有多维参数联合捷变特征的滤波器g_MP具体为：

其中，α为滚降系数，β和λ为控制带外功率抑制的参数。

进一步的，步骤三中GFDM信号x_MP具体为：

x_MP＝A_MP·d

其中，A_MP为KM×KM调制矩阵，A_MP通过滤波器g_MP生成，表示为其中每一个元素/>都是多维参数联合捷变成型滤波器的时间和频率的循环偏移。

进一步的，步骤五中接收到的数据矩阵具体为：

其中，表示传输过程中的噪声，/>

进一步的，通过调节多维参数滤波器g_MP的参数α，β和λ可以调控带外功率，具体为：在β和λ不变条件下，带外功率随α增大而降低；在α和λ不变条件下，带外功率随β增大而降低；在α和β不变条件下，带外功率随λ增大而降低。

进一步的，通过调节多维参数滤波器g_MP的参数α，β和λ可以调控误码率，具体为：在同一信噪比的条件下，在β和λ不变条件下，误码率随α减小而降低；在α和λ不变条件下，误码率随β减小而降低；在α和β不变条件下，误码率随λ减小而降低。

进一步的，通过调节多维参数滤波器g_MP的参数α，β和λ可以调控峰均功率比，具体为：在同一信噪比的条件下，在β和λ不变条件下，峰均功率比随α减小而改善；在α和λ不变条件下，峰均功率比随β减小而改善；在α和β不变条件下，峰均功率比随λ减小而改善。

本发明的有益效果：脉冲成型滤波器是影响GFDM系统带外功率的一个重要因素，不同的脉冲成型滤波器会导致GFDM系统产生不同的带外功率，通过对现有的成型滤波器改进来满足降低GFDM系统带外功率的需求。GFDM系统中常用的成型滤波器有：升余弦滤波器(RC)，根升余弦滤波器(RRC)等。本发明针对GFDM系统的成型滤波器加以设计，提出一种基于多维参数联合捷变的成型滤波器以及采用此滤波器的多维参数的广义频分复用传输方法，应用于不同层次带外功率抑制需求的GFDM系统。建立具有多个可调参数的成型滤波器的广义化数学模型，通过多维参数的联合捷变，实现了对带外功率性能的有效抑制与精准控制。可以通过对GFDM系统中成型滤波器多维参数的联合选择，来满足不同场景下对带外功率的要求，同时满足对误码率、带外功率、峰均功率比等性能的协同。此外，本发明分析了所提成型滤波器的不同参数对带外功率、误码率和峰均功率比性能的影响，通过多维参数的捷变，实现了多性能的协同以及不同性能间的折中。同时多维参数有助于精确控制带外抑制的效能，有利于满足不同场景下GFDM系统的需求。

附图说明

图1是基于多维参数联合捷变成型滤波器的GFDM调制过程；

图2是不同β下GFDM系统带外功率性能；

图3是不同λ下GFDM系统带外功率性能；

图4是不同α下GFDM系统带外功率性能；

图5是不同β下GFDM系统的BER性能；

图6是不同λ下GFDM系统的BER性能；

图7是不同α下GFDM系统的BER性能；

图8是不同β下GFDM系统的PAPR性能；

图9是不同λ下GFDM系统的PAPR性能；

图10是不同α下GFDM系统的PAPR性能。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明包括以下步骤：

步骤一：在发射端处将要传输的数据进行映射，映射方式为4QAM或QPSK；

步骤二：将映射后的数据映射到K个子载波上，每个子载波上分配M个符号，得到待传输的数据矩阵d；

在GFDM系统中，一个数据块内包含N＝K×M个符号，分布在K个子载波上，每个子载波有M个子符号，d_k,m表示第k个子载波上的第m个子符号。

步骤三：如图1所示，对待传输数据进行GFDM调制，通过构造的具有多维参数联合捷变特征的滤波器g_MP对每一个数据进行相应的脉冲成型，之后通过相应的子载波搬移至相应的频谱处进行叠加，如公式(4)所示，调制矩阵A_MP即代表相应的脉冲成型和频谱搬移过程，x_MP即为生成的GFDM信号。

现有技术中，对每一个数据都进行相应的脉冲成型，并搬移到各个子载波上，过程如(1)式所示：

本发明针对(1)式中的成型滤波器，设计了一种多维参数联合捷变的成型滤波器，所提出的多维参数成型滤波器表示为：

其中α为滚降系数，β和λ为控制带外功率抑制的参数。

当β＝0，λ＝1时，该滤波器退化为升余弦滤波器(RC)；

当α＝0时，该滤波器退化为ISP(Improved Sinc Power Shaping Filter)成型滤波器；

因此，如图1所示，基于多维参数联合捷变成型滤波器的GFDM信号可以表示为：

其中d_k,m表示待传输的数据信息，用矩阵的形式可以表示为

x_MP＝A_MP·d (4)

根据式(3)，调制矩阵A_MP为KM×KM矩阵，调制矩阵A_MP通过新设计的成型滤波器生成，表示为其中每一个/>都是多维参数联合捷变成型滤波器的时间和频率的循环偏移；

步骤四：对GFDM信号加入循环前缀后发送到无线信道中，信道为AWGN信道或衰落信道；

步骤五：接受端在接收到步骤四发送的GFDM信号后，对GFDM信号进行去循环前缀的操作，并根据ZF接收准则用矩阵B_MP进行GFDM信号的解调，如公式(5)所示，得到接收到的数据矩阵经过信道均衡后，接收信号可以表示为：

式中表示传输过程中的噪声，本专利采用迫零(ZF)接收机/>解调接收信号。

步骤六：对步骤五获得的GFDM解调后的数据进行解映射操作得到发射端传输的数据。

GFDM波形的仿真条件如下

GFDM子载波数：128；

GFDM子符号数：5；

调制方式：QPSK/4QAM调制

(1)带外功率性能

图2，图3和图4给出了多维参数联合捷变的成型滤波器的α，β、λ参数对GFDM系统带外功率性能的影响。

如图2所示，仿真λ＝1,α＝0.5和β＝[0,1,2,3,4,5,6,7]下的GFDM系统的带外功率OOBP性能。当β＝0且λ＝1时，多维参数滤波器退化为RC滤波器，二者带外功率一致。当逐次增大β的值时，带外功率也随之降低，且β每增大1时，GFDM系统带外功率衰减约为5dB。

如图3所示，仿真β＝1，α＝0.5和λ＝[1,2,3,4,5,6，7]下的GFDM系统的OOBP性能。当增大多维参数滤波器的阶数时，可以显著降低GFDM系统的带外功率，每增大一阶，带外功率降低约为：15～20dB，当阶数超过七阶时达到滤波器的极限，继续增大阶数，带外功率衰减有限，而且随着阶数的增加，滤波器就越难实现，成本也会增加，应当按照所需要的场景酌情考虑多维参数滤波器的阶数。

如图4所示，仿真β＝1，λ＝1和α＝[0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6]下GFDM系统的OOBP性能。当增大α时，GFDM系统带外功率会有所降低，但是降低的程度有限，可以通过不同α来微调GFDM系统带外功率。由此可以得出多维参数滤波器的α，β和λ参数可以实现对带外功率的调控来适应不同场景下GFDM系统带外功率的需求。

(2)误码率性能

仿真参数：信道为AWGN信道，接收机：ZF接收机

图5，图6和图7给出了多维参数联合捷变的成型滤波器的α，β、λ参数对GFDM系统误码率性能的影响。

如图5所示，仿真λ＝1,α＝0.5和β＝[0,1,2,3,4,5,6，7]下的GFDM系统的BER，随着β的逐渐增大，GFDM系统的BER性能会恶化，在同一信噪比的条件下，β越小，BER性能越好。

如图6所示，仿真β＝1，α＝0.5和λ＝[1,2,3,4,5,6,7]下的GFDM系统的BER，随着λ的逐渐增大，GFDM系统的BER性能会恶化，而且BER性能恶化较为剧烈，在同一信噪比的条件下，λ越小，BER性能越好。

如图7所示，仿真β＝1，λ＝1和α＝[0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6]下GFDM系统的BER，随着α的逐渐增大，GFDM系统的BER性能会有轻微的恶化，在同一信噪比的条件下，α越小，BER性能越好。

(3)峰均功率比性能

图8，图9和图10给出了多维参数联合捷变的成型滤波器α，β、λ参数对GFDM系统峰均功率比性能的影响，图中x代表判决门限。

如图8所示，仿真λ＝1,α＝0.5和β＝[0,1,2,3,4,5,6,7]下的GFDM系统的PAPR，随着β的逐渐增大，GFDM系统的PAPR性能会恶化，在同一信噪比的条件下，β越小，PAPR性能越好。

如图9所示，仿真α＝0.5,β＝1和λ＝[1,2,3,4,5,6,7]下的GFDM系统的PAPR，随着λ的逐渐增大，GFDM系统的PAPR性能会恶化，在同一信噪比的条件下，λ越小，PAPR性能越好。

如图10所示，仿真β＝1，λ＝1和α＝[0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6]下GFDM系统的PAPR，随着α的逐渐增大，GFDM系统的PAPR性能会有轻微的恶化，在同一信噪比的条件下，α越小，PAPR性能越好。

(4)多性能联合分析

如表1所示，总结了多维参数联合捷变的成型滤波器中α，β、λ参数对GFDM系统带外功率、误码率、峰均功率比三种性能的影响。

表1 不同参数对GFDM性能的影响

综合分析图2-图10可得，通过对构造的多维参数联合捷变的成型滤波器中α，β、λ参数的调节可有效降低GFDM系统的带外功率，虽然会导致误码率和峰均功率比性能的不同程度恶化，但是面对不同的场景，通过合理选择多维参数联合捷变的成型滤波器中的三种参数，在有效抑制带外功率性能的基础上，可以实现误码率、峰均功率比、带外功率三种性能的协同。此外，灵活的参数配置可实现对三种性能的精准调控。

Claims (6)

1.一种多维参数的广义频分复用传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在发射端处将要传输的数据进行映射；

步骤二：将映射后的数据映射到K个子载波上，每个子载波上分配M个符号，得到待传输的数据矩阵

步骤三：对数据矩阵进行GFDM调制，通过构造的具有多维参数联合捷变特征的滤波器g_MP对每一个数据进行脉冲成型，之后通过相应的子载波搬移至相应的频谱处进行叠加，生成GFDM信号

步骤四：对GFDM信号加入循环前缀后发送到无线信道；

步骤五：接受端在接收到步骤四发送的GFDM信号后，对GFDM信号进行去循环前缀的操作，并根据ZF接收准则用矩阵进行GFDM信号的解调，得到接收到的数据矩阵/>

步骤六：对步骤五获得的GFDM解调后的数据进行解映射操作得到发射端传输的数据；

步骤三所述具有多维参数联合捷变特征的滤波器g_MP具体为：

其中，α为滚降系数，β和λ为控制带外功率抑制的参数。

2.根据权利要求1所述的一种多维参数的广义频分复用传输方法，其特征在于：步骤三所述GFDM信号具体为：

其中，为KM×KM调制矩阵，/>通过滤波器g_MP生成，表示为其中每一个元素/>都是多维参数联合捷变成型滤波器的时间和频率的循环偏移。

3.根据权利要求1所述的一种多维参数的广义频分复用传输方法，其特征在于：步骤五所述接收到的数据矩阵具体为：

其中，表示传输过程中的噪声，/>

4.根据权利要求1所述的一种多维参数的广义频分复用传输方法，其特征在于：通过调节多维参数滤波器g_MP的参数α，β和λ可以调控带外功率，具体为：在β和λ不变条件下，带外功率随α增大而降低；在α和λ不变条件下，带外功率随β增大而降低；在α和β不变条件下，带外功率随λ增大而降低。

5.根据权利要求1所述的一种多维参数的广义频分复用传输方法，其特征在于：通过调节多维参数滤波器g_MP的参数α，β和λ可以调控误码率，具体为：在同一信噪比的条件下，在β和λ不变条件下，误码率随α减小而降低；在α和λ不变条件下，误码率随β减小而降低；在α和β不变条件下，误码率随λ减小而降低。

6.根据权利要求1所述的一种多维参数的广义频分复用传输方法，其特征在于：通过调节多维参数滤波器g_MP的参数α，β和λ可以调控峰均功率比，具体为：在同一信噪比的条件下，在β和λ不变条件下，峰均功率比随α减小而改善；在α和λ不变条件下，峰均功率比随β减小而改善；在α和β不变条件下，峰均功率比随λ减小而改善。