CN114301751A - 一种用于物联网终端降低上行信号峰均比的频域计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于物联网终端降低上行信号峰均比的频域计算方法，针对解调参考信号，在线下设计每个解调参考信号对应的补偿信号，线上生成解调参考信号后，把补偿信号在频域上线性叠加在解调参考信号，能够降低解调参考信号的峰均比；对解调参考信号和数据符号在占用的子载波上同时使用频域加窗，随后进行逆快速傅里叶变换成时域信号，能够同时降低解调参考信号和数据符号的峰均比。在窄带蜂窝物联网中采用本发明方法，可以有效降低上行信号峰均比，从而降低功率放大器的线性度和饱和度，降低功率发大器成本和功耗。
Description
技术领域
本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种用于物联网终端降低上行信号峰均比的频域计算方法。
背景技术
窄带蜂窝物联网(NB-IoT)是物联网室外应用的重要依托技术之一。它能够与现存4G蜂窝网络(LTE)兼容以满足低速率、低成本、低功耗的应用。由于蜂窝物联网上行链路(终端到蜂窝网基站)和下行链路(蜂窝网基站到终端)存在非对称性，终端设备发射机如要达到低成本和低功耗效果则需要降低发射端功率放大器(PA)的设计难度(比如线性，饱和度)，与此同时还需保持上行链路稳定性能。要降低发射端功率放大器的设计难度就需要优化终端的上行发送信号。
信号的峰均比(PAPR)定义为一段信号在某一段时间内的峰值功率和平均功率的比值。由于功率放大器必须要保持峰值功率附近信号的线性，所以在给定平均发射功率情况下，高峰均比的信号会提升对功率放大器的设计难度和功率损耗。
对于正交频分复用(OFDM)的通信系统，发送信号会在频域生成，通过多路复用单元102限制在一定子载波范围内来避免不同用户之间的干扰。随后频域信号通过逆快速傅里叶变换单元(IFFT)103转换成时域波形，经过数模转换单元DAC和功率放大器106传送到天线进行发射。在4G或5G的终端发射机中，可以通过离散傅里叶变换的预编码单元108把数据信号107转换在时域来降低峰均比。第二种常用的传统降低峰均比的方法是通过对时域信号的限幅(采用限幅单元104实现)以及滤波(采用滤波单元105实现)。传统的方法主要应用于正交频分复用(OFDM)系统，比如基站的下行发射机或者4G或5G系统的上行发射机。传统方法并没有针对窄带蜂窝物联网的终端上行信号做出专用优化。
窄带蜂窝物联网的终端上行发送信号分为单子载波(single subcarrier)和多子载波(multiplesubcarriers)两种模式。单子载波模式只占用了一个子载波。由于在不同信号符号(NPUSCH)之间采用了相位旋转，其峰均比可以小于1dB。在多子载模式下，终端可以发送三个子载波，六个子载波，和十二个子载波，共三种情况。其峰均比都高于3dB。在极端最差情况的六个子载波，峰均比可以高到6dB，比4G LTE终端上行信号峰均比还要高。但单子载波能负载的数据速率比多子载波要低，无法承载上行速率要求较高的应用。在进行窄带蜂窝物联网的系统设计包括功率放大器的线性度和饱和度，需要考虑到最差情况下信号的峰均比。所以6dB高峰均比会增加整个系统的设计成本和功耗。
窄带蜂窝物联网的终端上行信号由两部分组成(如图1)：一个是数据信号(NPUSCH)107，通过离散傅里叶变换的预编码，数据信号发送在时域，可以降低峰均比。另一个是解调参考信号(DMRS)101，提供给基站进行信道估计。窄带蜂窝物联网的解调参考信号只和蜂窝小区号有关。由于解调参考信号没有离散傅里叶变换的预编码，其峰均比高于数据信号。在六个子载波模式下，解调参考信号的峰均比可以超过6dB。数据符号峰均比可以在5dB。因此，本发明即是针对上行信号中解调参考信号和数据符号均进行了优化，降低它们的峰均比。
发明内容
本发明公开了一种为窄带蜂窝物联网(NB-IoT)降低上行信号峰均比的频域计算方法，与传统算法在时域进行限幅和滤波处理不同，本发明方法在频域针对窄带蜂窝物联网的信号特征进行处理，可以分别降低解调参考信号和数据符号的峰均比，在六个子载波最差情况下，降低幅度高达1到1.2dB。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于物联网终端降低上行信号峰均比的频域计算方法，在频域采用补偿信号步骤和/或频域加窗步骤进行处理；
所述补偿信号步骤包括：在频域上将补偿信号线性叠加在解调参考信号上；
所述频域加窗步骤包括：对多路复用单元输出的非空子载波进行频域加窗。
进一步的，具体包括如下步骤：
步骤一，根据小区ID生成解调参考信号；
步骤二，在频域上将补偿信号线性叠加在解调参考信号上；
步骤三，叠加后的解调参考信号与经过离散傅里叶变换预编码处理的数据符号送入多路复用单元；
步骤四，对多路复用单元输出的非空子载波使用频域加窗；
步骤五，对前步骤处理后的信号进行逆快速傅里叶变换；
所述步骤二中将补偿信号线性叠加在解调参考信号和所述步骤四中非空子载波使用频域加窗择一进行或均进行。
进一步的，所述频域加窗对解调参考信号和数据符号在占用的子载波上同时使用。
进一步的，还包括如下步骤：对步骤五输出的信号经过数模转换和功率放大器放大后传送到天线进行发射。
进一步的，针对每一个解调参考信号设计有一个补偿信号。
进一步的，所述补偿信号叠加在空的子载波，或信号子载波，或窄带蜂窝物联网的占用带宽之外。
进一步的，所述频域加窗使用的窗函数采用以下函数中的一种：正弦函数、汉明函数、汉宁函数。
本发明的有益效果为：
1.本发明针对解调参考信号(DMRS)，在线下设计每个解调参考信号对应的补偿信号，线上生成解调参考信号后，把补偿信号在频域上线性叠加在解调参考信号，能够降低解调参考信号的峰均比；对解调参考信号(DMRS)和数据符号(NPUSCH)在占用的子载波上同时使用频域加窗，随后进行逆快速傅里叶变换成时域信号，能够同时降低解调参考信号和数据符号的峰均比。
2.补偿信号可以叠加在非占用子载波，也可以在占用子载波，还可以在信号带宽之外，既不会影响带内泄露指标(IBE)，又可以有效降低信号峰均比。
3.在窄带蜂窝物联网中采用本发明方法，可以有效降低上行信号峰均比(PAPR)，从而降低功率放大器的线性度和饱和度，降低功率发大器成本和功耗。
4.降低上行信号峰均比可以有效提升上行信号的频谱泄露性能指标。功率放大器非线性作用于上行信号可以得到降低，也可以提升EVM性能指标。
5.现有基站不需要升级新算法和软件可以完成上行信号的解调，不增加额外成本。
附图说明
图1为现有技术中限制上行信号峰均比的方法。
图2为本发明提出的用于物联网终端降低上行信号峰均比的频域计算方法流程图。
图3为通过补偿信号降低解调参考信号峰均比效果比较图。
图4为多子载模式下有频域加窗和无频域加窗的频谱特征图，其中401、402、403、404、409、410、413为没有频域加窗三个子载波、六个子载波或十二个子载波频谱特征图，405、406、407、408、411、412、414为有频域加窗后三个子载波、六个子载波或十二个子载波频谱特征图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。本发明中的连接包含能够形成通信连接的各种方式，包括但不限于采用通信线、电线等实现连接的有线方式及各类无线通信方式。
图2为本发明提出的用于物联网终端降低上行信号峰均比的频域计算方法流程图。为了降低解调参考信号(DMRS)的峰均比，本发明采用叠加补偿信号单元202。线上在生成解调参考信号后，叠加补偿信号单元用于将特殊设计的补偿信号在频域上线性叠加在解调参考信号上。由于解调参考信号只和蜂窝小区号有关。针对每一个解调参考信号，我们都可以设计一个补偿信号，存储在闪存里。补偿信号的设计可以用数学写成一个优化问题来降低时域信号的峰值。在线下通过优化工具设计好。线上直接通过蜂窝小区号调用补偿信号。在多子载波模式下，一些子载波是被终端占用，一些子载波是空的，提供给其他终端使用。补偿信号具有很低的能量。可以叠加在空的子载波，或是非空信号子载波，或者在窄带蜂窝物联网的占用带宽(200KHz)之外。由于补偿信号具有非常低的能量，这样既不会影响带内泄露指标(IBE)，又可以有效降低信号峰均比。
图3展示通过补偿信号来降低解调参考信号的峰均比性能图。其中，横轴是蜂窝小区ID，会生成不同解调参考信号。深灰色曲线是原始峰均比。对部分小区ID，其峰均比可以高达6dB。浅灰色曲线是使用空子载波来设计补偿信号。补偿信号能量比解调参考信号低20dB。可以看到在增加补偿信号后，峰均比可以降低到5dB以下。中灰色曲线在解调参考信号的占用子载波上也增加比信号低25dB的补偿信号。可以看到峰均比进一步下降0.2到0.3dB。
为了降低数据符号(NPUSCH)的峰均比,本发明对非空子载波使用频域加窗单元204，对解调参考信号(DMRS)和数据符号(NPUSCH)在占用的子载波上信号同时乘以窗函数使用频域加窗，频域加窗使用的窗函数包括但不限制于正弦函数(sine)，汉明函数(Hamming)，以及汉宁函数(Hanning)。由于不同数据符号之间相位有随机性。当两个符号相位大于90度时，产生的相位跳跃在经过时域滤波时会增加峰均比。频域加窗可以等效为时域在离散傅里叶预编码之前的滤波。滤波处理可以降低不同数据相位之间的跳跃，所以可以降低信号的时域峰均比。频域加窗同时对解调参考信号和数据符号使用，这样基站均衡算法会自动除掉终端的频域加窗。对于基站均衡算法来说，终端的频域加窗可以等效于信道的多径，无需特殊处理，可以直接完成上行信号的解调。如图4所示，对窄带蜂窝物联网多子载波模式使用频域加窗，在信号频谱特征上，经过频域加窗处理的上行信号频谱边缘子载波能量相对中间子载波能量低(图4中405，406，407，408，411，412)。并且信号的频谱能量分布不受到子载波占用载波的位置影响。没有经过频域加窗处理的上行信号，频谱的能量分布是均匀的。使用频域加窗处理的特殊频谱能量分布也可以提升带内泄露指标(IBE)。
基于上述改进点，本发明提供的用于物联网终端降低上行信号峰均比的频域完整计算方法，包括如下步骤：
步骤一，根据小区ID生成解调参考信号；
步骤二，在频域上将补偿信号线性叠加在解调参考信号上；
步骤三，叠加后的解调参考信号与经过离散傅里叶变换预编码处理的数据符号送入多路复用单元；
步骤四，对多路复用单元输出的非空子载波使用频域加窗；对解调参考信号(DMRS)和数据符号(NPUSCH)在占用的子载波上同时使用频域加窗；
步骤五，对步骤四处理后的信号进行逆快速傅里叶变换。
对解调参考信号线性叠加补偿信号和在占用的子载波上进行频域加窗这两个步骤可同时使用或者分别使用。
在频域信号处理之后，对输出的信号还进行时域信号处理，即经过数模转换和功率放大器放大后传送到天线进行发射。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于物联网终端降低上行信号峰均比的频域计算方法，其特征在于，在频域采用补偿信号步骤和/或频域加窗步骤进行处理；
所述补偿信号步骤包括：在频域上将补偿信号线性叠加在解调参考信号上；
所述频域加窗步骤包括：对多路复用单元输出的非空子载波乘以窗函数进行频域加窗。
2.根据权利要求1所述的用于物联网终端降低上行信号峰均比的频域计算方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一，根据小区ID生成解调参考信号；
步骤二，在频域上将补偿信号线性叠加在解调参考信号上；
步骤三，叠加后的解调参考信号与经过离散傅里叶变换预编码处理的数据符号送入多路复用单元；
步骤四，对多路复用单元输出的非空子载波使用频域加窗；
步骤五，对前步骤处理后的信号进行逆快速傅里叶变换；
所述步骤二中将补偿信号线性叠加在解调参考信号和所述步骤四中非空子载波使用频域加窗择一进行或均进行。
3.根据权利要求2所述的用于物联网终端降低上行信号峰均比的频域计算方法，其特征在于，还包括如下步骤：对步骤五输出的信号经过数模转换和功率放大器放大后传送到天线进行发射。
4.根据权利要求1或2所述的用于物联网终端降低上行信号峰均比的频域计算方法，其特征在于，针对每一个解调参考信号设计有一个补偿信号。
5.根据权利要求1或2所述的用于物联网终端降低上行信号峰均比的频域计算方法，其特征在于，所述补偿信号叠加在空的子载波，或信号子载波，或窄带蜂窝物联网的占用带宽之外。
6.根据权利要求1或2所述的用于物联网终端降低上行信号峰均比的频域计算方法，其特征在于，所述频域加窗使用的窗函数采用以下函数中的一种：正弦函数、汉明函数、汉宁函数。
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