一種ufmc系統中的載波同步方法
【專利摘要】本發明涉及一種UFMC系統中的載波同步方法，包括以下步驟：首先在發送端生成兩組正交碼，并將其作為導序列插入到原始數據中，再經過UFMC進行調制、濾波操作和發送；然后在接收端進行時域補0、2N?FFT變換、提取偶頻帶上的數據并將其通過與發送端相匹配的濾波器，利用迫零均衡器得到數據信息的估計值，從中提取導頻信號，并計算兩組導頻信號之間的相關性，通過使其相關性最小來獲得UFMC系統載波頻率的同步；最后使用迭代算法來提高頻偏估計精度。本發明通過對UFMC的每個子帶中插入導頻來估計系統的載波頻率偏差，不僅保留UFMC系統的良好特性，而且通過迭代提高了頻偏估計的精確度和穩定性，從而增強系統的誤比特性能，提高通信質量，在一定程度上降低UFMC中濾波器的設計復雜度。
【專利說明】
-種UFMC系統中的載波同步方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于無線通信技術領域，設及一種UFMC系統中的載波同步方法。
【背景技術】
[0002] 作為多載波技術的典型代表，(FDM技術在4G中得到了廣泛應用，但是，(FDM的W下 缺點使其難W滿足新場景下的需求。首先，各子載波之間必須同步W保持正交性，"無線寬 帶"專題在小區內存在海量傳感節點時同步的代價將難W承受;其次，其采用方波作為基帶 波形，載波旁瓣較大;最后，其使用的CP長度僅與無線信道有關，在頻繁傳輸短帖時CP會造 成無線資源的大量浪費。因此正交頻分復用（OFDM)在5G場景下可能不再是最佳選擇，有必 要探索和發展新一代多載波技術。
[0003] UFMC(加 iversal filtered multicarrier，通用濾波多載波）是結合了OFDM和 FBMC的一些優點提出的一種新型多載波技術，是歐盟5GN0W項目組重點關注的多載波技術 備選方案之一。UFMC將頻譜劃分成一系列包含若干個子載波的子帶，然后對每個子帶進行 濾波操作。有W下特點:日)支持分段頻譜通信;b)與(FDM相比，具有較低的帶外泄漏;C)對于 時頻偏移和載波間的干擾有更高的魯棒性;d)由于采用不嚴格的時頻校準，降低了信令開 銷，運也為接入引入了很多新的選擇;e)關鍵在于濾波器的設計，具有一定的復雜度。
[0004] 考慮到UFMC技術的優勢，又結合現有的導頻輔助0FDMA(集中式子信道)頻率同步 思想:在每個資源塊的中間存放導頻符號，通過該導頻符號在頻域接收端進行CF0估計，本 發明提出一種UFMC系統中的載波頻率同步方法，將UFMC的每個子帶當成0FDMA中的一個資 源塊，對其進行導頻信號插入，從而通過導頻信號來進行CF0的估計。
【發明內容】
[0005] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種UFMC系統中的載波同步方法，該方法不僅 能夠保留UFMC系統本身的優點，而且能夠提高通信質量，在一定程度上降低了UFMC中濾波 器的設計復雜度。
[0006] 為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0007] -種UFMC系統中的載波同步方法，在UFMC系統中，對每個子帶插入導頻信號，通過 導頻信號來實現系統的載波頻率同步，具體包括W下步驟：
[000引 S1:生成一個nB X nB的哈達瑪矩陣Mp，選取矩陣Mp的任意兩行或者兩列Pn，Pm，并將 其作為導頻序列插入UFMC信號中，且滿足nBmod (4) = 0，Pn X Pm* = 0;
[0009] S2:將N個子載波均勻地分成B組（即B個子帶），那么每個子帶中含有= ^個子載 公 波;假設在每個子帶中選擇η個子載波傳輸導頻信號，其余D-n個子載波傳輸數據信號，插入 導頻后，子帶i中的信號為Si，頻域發送信號為X;
[0010] S3:得到包括導頻信號在內的UFMC信號X后，讓UFMC的B個子帶依次經過N-IDFT和 濾波兩個過程進行調制發送；
[0011] S4:接收端對接收到的信號進行串并變換W及時域補零，得到并行信號；
[0012] S5:將得到的并行信號進行W下操作：首先進行2N-FFT變換，得到2N點的頻域信 號，取其偶頻點的數據信息并將其通過與發送端相匹配的濾波器，最后利用迫零均衡器消 除ISI，得到數據信息的估計值；
[0013] S6:提取導頻信號，然后通過計算兩組導頻序列之間的相關性來估計載波頻偏 CF0；
[0014] S7:通過利用迭代算法來提高頻偏估計的精確度和穩定性。
[001引進一步，在D個子載波上選η個子載波存放導頻，子帶沖導頻的位置用Ψ康示，如 果在子帶沖的第r個子載波上存放導頻，那么[Ψι]τ,τ=1，否則[Ψι]τ,τ = 0,其中re[l，D]， T,.€C"x"，在UFMC信號中所有導頻的位置為Ψ=diag[Ψl，…，ΨB]，ΨGC八Y;子帶i中的 導頻信號和原始數據構成了新的數據信息Si，頻域發送信號關
[0016] 進一步，對每個子帶的數據信息Si通過傅里葉矩陣實現IDFT變換，該傅里葉矩陣 定義為表示對長度為d2的向量進行山點的IDFT變換;傅里葉矩陣當中的元素 如下所示：
[0017]
[001引其中η, m為元素下標。
[0019] 進一步，對每個子帶進行濾波操作，通過使用托普利茲矩陣來完成該線性卷積運 算，對于不同的子帶需要將濾波器的中屯、頻率平移至子帶的中間；設置UFMC系統中原型濾 波器長度為L，沖激響應f的表達式為:f={f[0]，f[l]，…，fα-l]}，對應的頻域響應為F;計 算第i個子頻帶中屯、頻率所在的子載波標號為
?原型濾波器的頻域響應F 平鴉
個單位得到第i個子頻帶的頻域響應Fi，符號m的第i個子頻帶的沖 擊響應 fm,i為：fm,i={fm,i[0]，fm,i[l]，'''，fm,ia-l]}，其中
定義托普利茲矩陣Fm,i為：
[0020]
[0021] 取其前N列記為巧,,，用巧二:實現符號m的第i個子帶的濾波過程。
[0022] 進一步，經過UFMC調制、濾波后，發送端發送的兩個連續的時域信號xi，X2分別為：
[0023]
[0024] 其中，V康示第i個子頻帶上實現IDFT變換的傅里葉矩陣V*神，并且di和cb的取值 因子帶而異。
[0025] 進一步，接收端接收到的兩個連續的時域信號yi，y2分別為：
[0026]
[0027] 其中：= 表示由載頻偏差引起的相位變化，該變化只與載頻率 偏差和符號序號有關；1^(6)=扣曰旨{1，6^"6/^，，，，，6^"6(^+^)^}表示載波頻偏〔。〇的沖擊響 應，ε表示歸一化的載波頻率偏差。
[0028] 進一步，將接收到的信號進行時域補零后做2N-FFT變換得到2Ν點的頻域信號，取 其偶頻點得到估計信號X，奪;，進行濾波匹配后從中提取出導頻信號Τι、Τ2。
[0029] 進一步，如果去掉在接收導頻信號Τι、Τ2中由CFO帶來的干擾和相位旋轉，那么導頻 信號Τ?、Τ2的相關性就會變得很小，其相關性用公式可W表示為：
[0030]
[0031] 式中：Π (￡·；) = V,巧<)V,H表示CF0的頻率響應，備表示歸一化的載波頻率偏差的試驗 值;通過在i取值為[-0.5，0.5)的范圍內，使代價函數Ri,趣到最小來獲取CF0的估計值，即 [003^
(6)。
[0033] 進一步，在步驟S7中，使用迭代算法來提高算法精度:假設在每次迭代過程中，將款 看作是剩余CF0估計，那么，在第g次迭代中，精確的CF0估計值公用公式表示為：
[0034]
(7)
[0035] 將精確的CF0用來補償接收端接收到的導頻信號，修正后的導頻信號為：
[0036]
，
[0037] 本發明的有益效果在于:本發明通過在UFMC系統中插入導頻信號來估計系統的載 波頻率偏差，不但可W保留UFMC系統的良好特性，而且可W提高頻偏估計的精確度和穩定 性，在很大程度上降低了由于CF0帶來的子頻帶和子載波之間的干擾，從而提高系統的誤比 特性能，提高傳輸的可靠性。
【附圖說明】
[0038] 為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行 說明：
[0039] 圖1為0FDMA中導頻插入方案的示意圖；
[0040] 圖2為本發明的UFMC系統中導頻插入方案的示意圖；
[0041 ]圖3為本發明的UFMC系統中導頻輔助載波頻率同步方法結構框圖；
[0042] 圖4為本發明的CF0估計和補償的太極圖；
[0043] 圖5為本發明的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0044] 下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0045] 圖5為本發明所述的UFMC系統中的載波同步方法的流程示意圖，如圖所示，本方法 包括W下步驟：
[0046] S1:生成一個nB X nB的哈達瑪矩陣Mp，選取矩陣Mp的任意兩行或者兩列Pn，Pm，并將 其作為導頻序列插入UFMC信號中，且滿足nBmod (4) = 0，Pn X Pm* = 0;
[0047] S2:將N個子載波均勻地分成B組（即B個子帶），那么每個子帶中含有D := ^個子載 技 波;假設在每個子帶中選擇η個子載波傳輸導頻信號，其余D-n個子載波傳輸數據信號，插入 導頻后，子帶i中的信號為Si，頻域發送信號為X;
[004引 S3:得到包括導頻信號在內的UFMC信號X后，讓UFMC的B個子帶依次經過N-IDFT和 濾波兩個過程進行調制發送；
[0049] S4:接收端對接收到的信號進行串并變換W及時域補零，得到并行信號；
[0050] S5:將得到的并行信號進行W下操作：首先進行2N-FFT變換，得到2N點的頻域信 號，取其偶頻點的數據信息并將其通過與發送端相匹配的濾波器，最后利用迫零均衡器消 除ISI，得到數據信息的估計值；
[0051] S6:提取導頻信號，然后通過計算兩組導頻序列之間的相關性來估計載波頻偏 CF0；
[0052] S7:通過利用迭代算法來提高頻偏估計的精確度和穩定性。
[0053] 在本實施例中，導頻插入方法的引入背景如附圖1所示，圖2為本發明的UFMC系統 中導頻插入方案的示意圖，具體來說，該方法包括W下步驟：
[0054] 1、在UFMC系統中，IDFT點數為1024點，有10個子帶，每個子帶中包含12個子載波。 生成一個40X40的哈達瑪矩陣Mp，選取矩陣Mp的前兩行Pi，P2作為導頻序列。
[0055] 2、導頻的插入方式為:在12個子載波上選4個子載波存放導頻，其余8個在載波存 放數據。子帶i中的導頻信號和原始數據構成了新的數據信息Si，頻域發送信號為 1=1 子帶沖導頻的位置用Ψ康示，如果在子帶沖的第r個子載波上存放導頻，那么[Ψι]τ,τ = 1，否則[Wi]r,r = 0,其中re [1，12]，Ψ,, e ewn，在UFMC信號中所有導頻的位置為Ψ =diag
[Ψι,···,Ψβ],Ψε€*?〇
[0056] 圖3為是本發明的UFMC系統中導頻輔助載波頻率同步方法結構框圖，如圖所示，該 方法具體包括W下步驟：
[0057] 1、對每個子帶的數據信息Si通過傅里葉矩陣實現IDFT變換，該傅里葉矩陣定義為 Vl2X1024={Vn,m}，傅里葉矩陣當中的元素如下所示：
[005引
！ 2(Z - !) + i《/" < 12/'，0 < "《！(化；
[0059] 2、對每個子帶進行濾波操作，通過使用托普利茲矩陣來完成該線性卷積運算，對 于不同的子帶需要將濾波器的中屯、頻率平移至子帶的中間。設置UFMC系統中原型濾波器長 度為L = 74,沖激響應f的表達式為:f={f[0]，f[l]，…，fα-l]}，對應的頻域響應為F;計算 第i個子頻帶中屯、頻率所在的子載波標號為:6.5+(i-l)12,將原型濾波器的頻域響應F平移 ki = 6.5+12(i-l)個單位得到第i個子頻帶的頻域響應Fi，符號m的第i個子頻帶的沖擊響應 fm,i為：fm,i={fm,i[0]，fm,i[l]，...，fm,i比-1]}，其中;定義托 普利茲矩陣Fm, i為：
[0060]
[0061] 取其前N列記為F,:,，用F,:,.實現符號m的第i個子帶的濾波過程。
[0062] 3、經過UFMC調制、濾波后，發送端發送的兩個連續的時域信號xi，X2分別為：
[0065] 4、接收端接收到的兩個連續的時域信號yi，y2分別為：
[0068] 其中：A(0 = e心Efw+L-iVNiN表示由載頻偏差引起的相位變化，該變化只與載頻率 偏差和符號序號有關；Γ (e) = diag{l，eW"e/w，. . . leWnefw+wVW}表示載波頻偏CF0的沖擊響 應，ε表示歸一化的載波頻率偏差。
[0069] 5、將接受到的信號進行時域補零后做2N-FFT變換得到2Ν點的頻域信號，取其偶頻 點得到估計信號奪1義，進行濾波匹配后從中提取出導頻信號Τ?、Τ2。
[0070] 1)時域補零：
[0079 ] 4)提取到的導頻信號:Τι = Ψ Zi，Τ2 = Ψ Ζ2
[0080] 6、如果去掉在接收導頻信號Τι、Τ2中由CFO帶來的干擾和相位旋轉，那么導頻信號 Τ?、Τ2的相關性就會變得很小，其相關性用公式可W表示為：
[0081]
[00劇式中：Π (?'；) = ν；Γ村Vf表示CF0的頻率響應，《·表示歸一化的載波頻率偏差的試驗 值;通過在是取值為[-0.5，0.5)的范圍內，使代價函數Ri,趣到最小來獲取CF0的估計值，即
[0083]
[0084] 圖4是本發明的CF0估計和補償的太極圖，如圖所示，該方法具體包括W下步驟：
[0085] 1、假設在每次迭代過程中，將名看作是剩余CF0估計，在第g次迭代中，精確的CF0 估計值滬用公式表示為：
[0086]
[0087]將精確的CTO用來補償接收端接收到的導頻信號，修正后的導頻信號十，t，為：
[008引
[0089] 2、UFMC系統中載波頻率同步的迭代算法可W總結為如下幾個步驟：
[0090] 1):初始化祉g = 0，！。= 0，Τι。=中1，斬=了2;
[0091] 2):迭代;G表示總的迭代次數，且g = l，2,. . .，G。
[0092] 最后說明的是，W上優選實施例僅用W說明本發明的技術方案而非限制，盡管通 過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可W在 形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。
【主權項】
1. 一種UFMC系統中的載波同步方法，其特征在于:在UFMC系統中，對每個子帶插入導頻 信號，通過導頻信號來實現系統的載波頻率同步，具體包括以下步驟： S1:生成一個nBXnB的哈達瑪矩陣MP，選取矩陣MP的任意兩行或者兩列Pn，P m，并將其作 為導頻序列插入UFMC信號中，且滿足nBmod (4) = 0，Pn X P/ = 0; S2:將N個子載波均勻地分成B組(即B個子帶），那么每個子帶中含有個子載波;假 設在每個子帶中選擇η個子載波傳輸導頻信號，其余D-n個子載波傳輸數據信號，插入導頻 后，子帶i中的信號為Si，頻域發送信號為X; S3:得到包括導頻信號在內的UFMC信號X后，讓UFMC的B個子帶依次經過N-IDFT和濾波 兩個過程進行調制發送； S4:接收端對接收到的信號進行串并變換以及時域補零，得到并行信號； S5 :將得到的并行信號進行以下操作:首先進行2N-FFT變換，得到2N點的頻域信號，取 其偶頻點的數據信息并將其通過與發送端相匹配的濾波器，最后利用迫零均衡器消除ISI， 得到數據信息的估計值； S6:提取導頻信號，然后通過計算兩組導頻序列之間的相關性來估計載波頻偏CF0; S7:通過利用迭代算法來提高頻偏估計的精確度和穩定性。2. 根據權利要求1所述的一種UFMC系統中的載波同步方法，其特征在于:在D個子載波 上選η個子載波存放導頻，子帶i中導頻的位置用Ψ:表示，如果在子帶i中的第r個子載波上 存放導頻，那么[Wi]r,r=l，否則[Wi]r,r = 〇,其中斤[1，〇]，少,￡([^'在耶1(：信號中所有 導頻的位置為Ψ :^極況,Ψ e rH;子帶i中的導頻信號和原始數據構成了新的數 據信息Si，頻域發送信號為3. 根據權利要求2所述的一種UFMC系統中的載波同步方法，其特征在于:對每個子帶的 數據信息31通過傅里葉矩陣實現IDFT變換，該傅里葉矩陣定義為={!>；,"；}，表示對長度 為山的向量進行cb點的IDFT變換;傅里葉矩陣當中的元素如下所示：其中n，m為元素下標。4. 根據權利要求3所述的一種UFMC系統中的載波同步方法，其特征在于:對每個子帶進 行濾波操作，通過使用托普利茲矩陣來完成該線性卷積運算，對于不同的子帶需要將濾波 器的中心頻率平移至子帶的中間；設置UFMC系統中原型濾波器長度為L，沖激響應f的表達 式為:€={打〇]，玎1]，一，打1-1]}，對應的頻域響應為？;計算第1個子頻帶中心頻率所在的 子載波標號為將原型濾波器的頻域響應F平移個單位得 至1J第i個子頻帶的頻域響應Fi，符號m的第i個子頻帶的沖擊響應fm,i為:fm,i= {fm,i[0]，fm,i [1 ]，…，fm, i [ L-l ]}，其中；定義托普利茲矩陣Fm, i為： 取其前N列記為，用實現符號m的第i個子帶的濾波過程。5. 根據權利要求4所述的一種UFMC系統中的載波同步方法，其特征在于：經過UFMC調 制、濾波后，發送端發送的兩個連續的時域信號 X1，X2分別為：其中，I表示第i個子頻帶上實現IDFT變換的傅里葉矩陣，并且山和辦的取值因子 帶而異。6. 根據權利要求5所述的一種UFMC系統中的載波同步方法，其特征在于:接收端接收到 的兩個連續的時域信號71，y 2分別為：其中：Λ(ε) = ￥2πε(Ν+Κ/ΝΙΝ表示由載頻偏差引起的相位變化，該變化只與載頻率偏差 和符號序號有關；Γ (ε) =diag{ 1，ej2WN，…，ej2lte(N+hlVN}表示載波頻偏CFO的沖擊響應，ε 表示歸一化的載波頻率偏差。7. 根據權利要求6所述的一種UFMC系統中的載波同步方法，其特征在于:將接收到的信 號進行時域補零后做2N-FFT變換得到2N點的頻域信號，取其偶頻點得到估計信號進 行濾波匹配后從中提取出導頻信號I^Ts。8. 根據權利要求7所述的一種UFMC系統中的載波同步方法，其特征在于:如果去掉在接 收導頻信號ThTs中由CFO帶來的干擾和相位旋轉，那么導頻信號!^、!^的相關性就會變得很 小，其相關性用公式可以表示為： /?,::=(?ψ)Τ,)κ·(Λ(?;)Πρ)Τ 2) (5、 式中：?1(4 = ν；Τ(〃)ν^表示CFO的頻率響應，啟表示歸一化的載波頻率偏差的試驗值； 通過在I取值為[-0.5，0.5)的范圍內，使代價函數R1>2達到最小來獲取CF0的估計值，即9.根據權利要求8所述的一種UFMC系統中的載波同步方法，其特征在于:在步驟S7中， 使用迭代算法來提高算法精度:假設在每次迭代過程中，將g看作是剩余CF0估計，那么，在 第g次迭代中，精確的CF0估計值P用公式表示為：將精確的CF0用來補償接收端接收到的導頻信號，修正后的導頻信號屯鬼為：
【文檔編號】H04L27/26GK106059979SQ201610349865
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月24日
【發明人】楊路, 何萍, 段思睿, 王珊
【申請人】重慶郵電大學