一种抑制OFDMA系统频谱旁瓣的离散时域窗设计方法与流程

本发明属于无线通信领域，特别是一种能够抑制ofdma系统频谱旁瓣的离散时域窗设计方法。

背景技术：

ofdm是一种多载波调制技术，能有效对抗频率选择性衰落，且各子载波相互正交，载波间相互重叠而不会相互干扰，从而节省频谱带宽，最大限度的提高频谱资源利用率。ofdma是基于ofdm的一种多址接入技术，ofdma技术继承了ofdm技术抗复杂时变信道衰落的优点，但也继承了ofdm技术固有的两个不足：频谱带外(oob，out-of-band)旁瓣(带外功率辐射)大和峰值平均功率比(papr,peak-to-average-power-ratio)高。在ofdma系统中，频谱带外旁瓣表现为某一用户对应数据子载波段对相邻子载波频带内的带外功率辐射，导致多址用户通信干扰。

本文将子频带带外功率辐射定义为工作频带内子频带带外功率辐射(ibosb，in-bandout-of-subband)。ibosb大会干扰相邻用户信道。ibosb问题会影响通信系统的性能，限制甚至阻碍ofdma技术的实际应用。

现阶段针对oob抑制的研究主要有时域加窗、脉冲成形、相关编码、子载波加权、抑制队列和预编码等方法，但这些方法或是牺牲通信系统比特错误率(ber，biterrorrate)性能为代价，或是增加ofdm系统的复杂度为代价，或是增加ofdm系统的计算复杂度为代价，或是增加接收端解码复杂度。时域加窗方法是最简单有效的方法，目前主要采用的是升余弦加窗，但升余弦加窗的ofdma系统频谱仍然较大，因此，需要更进一步研究更加优化的离散时域窗以抑制ofdma系统的频谱旁瓣。

技术实现要素：

本发明的目的在于设计新的离散时域窗函数，通过时域加窗技术抑制ofdma系统频谱旁瓣。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种抑制ofdma系统频谱旁瓣的离散时域窗设计方法，采用经过优化的滚降函数，作用于ofdma发射端，实现ofdma系统频谱旁瓣的抑制。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明采用离散时域窗函数作用于ofdma发射端信号，实现简单；(2)设计了近似全局最优搜索算法，该算法寻找近似全局最优的时域窗，能够有效的降低解决优化问题的计算复杂度；(3)同时，该算法能够快速收敛，且收敛结果与选择的优化初值无关。

附图说明

图1是加窗ofdma系统发射端结构。

具体实施方式

本发明的离散时域窗主要针对矩形离散时域窗导致的ofdma系统频谱旁瓣大的问题，基于对称函数设计更加合理的滚降离散时域窗，并建立带外功率辐射最小的目标优化问题。针对目标优化问题是一个多目标优化问题，提出近似全局最优搜索算法，该算法能够有效的降低优化问题的计算复杂度，并能快速收敛。

下面结合附图对本发明作进一步描述。

本发明设计新的更优的离散时域窗实现ofdma系统频谱旁瓣的抑制。本发明通过将离散时域窗向量化，建立基于频谱旁瓣最小原则的优化问题，并提出近似全局最优搜索算法予以解决，以保证设计的离散时域窗能够有效抑制ofdma系统频谱旁瓣。

1、加窗ofdma系统

假设ofdma系统通信场景为通信上行链路，由一个通信基站和k个发射节点(用户)组成，用户索引为k＝1,2,...k。假设在ofdma系统中，频谱带宽为b，频谱带宽被等分成n个子带宽(子载波)，各子载波索引为n＝0,1...n-1；ofdma系统中有k个用户，将各子载波按照索引顺序依次分为k组子载波集，分配给各用户使用，故各子载波集包含的子载波数目为p＝n/k，第k用户分配的子载波索引为bk∈[(k-1)p,kp-1]，设时域窗的滚降因子为β。

设ofdma符号数据周期为t，则各子载波频率间隔为δf＝1/t，保护间隔持续时间为tg，实际ofdma符号周期tu为，

tu＝t+tg(3)

若采样时间间隔为ts＝t/n＝1/(nδf)，则时域离散信号序列和保护间隔序列长度分别为n和v，ofdma符号序列总的长度为，

l＝n+v(4)

定义时域窗的滚降因子为β，故ofdma信号经过时域加窗后的长度为(1+β)tu，

离散ofdma符号序列长度为(1+β)l。

一个ofdma符号由多个经过相移键控(psk，phase-shiftkeying)或者正交幅度调制(qam，quadratureamplitudemodulation)的子载波信号合成。定义第k用户各子载波的待调制数据为是大小为m×1的列向量，其中，m≤p。假设待调制数据中的元素是相互独立且同分布的随机变量，是相移键控的星座映射点，满足期望e[c(^k)]＝0m×1，

协方差e[c^(k)(c^(k))^h]＝im。其中，im表示大小为m×m的单位矩阵。

图1表示加窗ofdma系统发射端结构。待调制数据c^(k)(此时m＝p)经过子载波映射、idft调制(大小为n)、插入循环前缀(长度为v)，时域加窗，以及数模转换，最后输出信号的功率谱为

其中，且其中是大小为n×n的傅里叶变换矩阵，第(m,i)个元素为b^(k)表示大小为n×p的第k用户的子载波映射矩阵：

b^(k)＝[0p×[(k-1)p]ip0p×(n-kp)]^t(6)

c表示大小为(1+β)l×n的循环前缀和循环后缀插入矩阵：

2、时域窗抑制ofdma系统频谱旁瓣

针对ofdma系统中第k个用户对网内多址用户的干扰，将这种数据子载波段的功率辐射到相邻子载波段内造成对多址用户通信的干扰定义为工作频带内子频带外功率辐射(ibosb)。

定义ofdma信号的工作频带ξ＝[-1/2ts,1/2ts]，第k用户的子工作频带为因此抑制第k用户的子频带外功率辐射最小的预编码优化目标函数为：

只有列向量矩阵α(f)的元素是频率f的函数，故目标优化问题(8)可以表达为：

现定义三个hermitian(复共轭对称)矩阵：

p^(k)＝∫ξα(f)α^h(f)df(11)

在信号功率一定的条件下，满足

目标优化问题(8)可以表达为：

其中

3、近似全局最优搜索算法

离散时域窗w^(k)由两部分组成：幅值为1的常量部分和幅值逐渐过渡到0的对称滚降部分，定义第k用户的离散时域窗w^(k)表达如下：

其中，n＝(1+β)l-1，表示离散时域窗的大小为βl×1的对称滚降部分。故离散时域窗w^(k)的矩阵矢量表达式为：

其中，表示离散时域窗左右对称的滚降部分，p1w1表示离散时域窗幅值为常量1的部分。p0＝[iβl；0(1-β)l,βl；jβl]表示大小为(1+β)l×βl的对称变换矩阵，jm表示大小为m×m的斜对角单位矩阵；p1＝[0βl×(1-β)l；i(1-β)l；0βl×(1-β)l]表示大小为(1+β)l×(1-β)l的映射矩阵；w1表示大小为(1-β)l×1的元素取值全为常数1的列向量。

因此，时域加窗目标优化问题可以表示为对称滚降向量的函数，即

其中

设计一种近似全局搜索最优(agso，approximationglobalsearchoptimization)算法寻找目标优化问题(2)的最佳对称滚降向量

近似全局最优搜索算法(agso)描述如算法1所示：首先逐一寻找列向量每一样点的最佳值，也就是固定其他所有样点的值，只按照固定步长delta调整某一个样点的值，目标函数一旦降低则记录下来。当该样点以固定步长遍历[0,1]区间后，记录下来的即是优化的样点值。对所有样点优化一遍，得到一个新的列向量。然后对这个新的列向量再重复逐个样点的优化过程，直到目标函数的值不再降低。通过这种反复多次迭代，寻找列向量，使得不断向逼近，算法逐渐收敛，最后输出离散窗函数列向量

图1展示了时域加窗ofdma系统的发射端框图。从图中可以看到，初始数据经过子载波映射、idft调制、插入循环前缀，加窗处理后，再输出ofdma时域离散信号。

下述伪代码描绘了近似全局最优搜索算法的实现步骤，算法首先寻找对称滚降向量各位置元素处的最佳解元素，获得各元素位置最佳的对称滚降向量随后，通过多次迭代，算法逐渐收敛于近似全局最优对称滚降向量近似全局最优搜索算法

算法开始

step1:程序初始化：初始化为[0,1[之间的任意实数；

step2:使用式(1)计算离散窗w^(k)，计算

step3:

每次调整窗函数的某一个样点的值，增加一个很小的值delta，

并且使该值不超过[0,1]这个区间；

然后使用式(1)重新计算离散窗w^(k)；

再重新计算

如果s＜s0，那么记录这个新的离散窗函数和旁瓣功率值；

重复该步骤，直到所有样点的值都优化一遍。

step4:如果目标函数的值相对于上一次循环输出的值降低，则重复步骤step3；否则，目标函数的值不再变化，已经收敛，则输出记录下来的最优的离散窗函数w^(k)。

算法结束。