一种ufmc系统中的载波同步方法
【专利摘要】本发明涉及一种UFMC系统中的载波同步方法，包括以下步骤：首先在发送端生成两组正交码，并将其作为导序列插入到原始数据中，再经过UFMC进行调制、滤波操作和发送；然后在接收端进行时域补0、2N?FFT变换、提取偶频带上的数据并将其通过与发送端相匹配的滤波器，利用迫零均衡器得到数据信息的估计值，从中提取导频信号，并计算两组导频信号之间的相关性，通过使其相关性最小来获得UFMC系统载波频率的同步；最后使用迭代算法来提高频偏估计精度。本发明通过对UFMC的每个子带中插入导频来估计系统的载波频率偏差，不仅保留UFMC系统的良好特性，而且通过迭代提高了频偏估计的精确度和稳定性，从而增强系统的误比特性能，提高通信质量，在一定程度上降低UFMC中滤波器的设计复杂度。
【专利说明】
-种UFMC系统中的载波同步方法
技术领域
[0001 ]本发明属于无线通信技术领域，设及一种UFMC系统中的载波同步方法。
【背景技术】
[0002] 作为多载波技术的典型代表，(FDM技术在4G中得到了广泛应用，但是，(FDM的W下 缺点使其难W满足新场景下的需求。首先，各子载波之间必须同步W保持正交性，"无线宽 带"专题在小区内存在海量传感节点时同步的代价将难W承受;其次，其采用方波作为基带 波形，载波旁瓣较大;最后，其使用的CP长度仅与无线信道有关，在频繁传输短帖时CP会造 成无线资源的大量浪费。因此正交频分复用（OFDM)在5G场景下可能不再是最佳选择，有必 要探索和发展新一代多载波技术。
[0003] UFMC(加 iversal filtered multicarrier，通用滤波多载波）是结合了OFDM和 FBMC的一些优点提出的一种新型多载波技术，是欧盟5GN0W项目组重点关注的多载波技术 备选方案之一。UFMC将频谱划分成一系列包含若干个子载波的子带，然后对每个子带进行 滤波操作。有W下特点:日)支持分段频谱通信;b)与(FDM相比，具有较低的带外泄漏;C)对于 时频偏移和载波间的干扰有更高的鲁棒性;d)由于采用不严格的时频校准，降低了信令开 销，运也为接入引入了很多新的选择;e)关键在于滤波器的设计，具有一定的复杂度。
[0004] 考虑到UFMC技术的优势，又结合现有的导频辅助0FDMA(集中式子信道)频率同步 思想:在每个资源块的中间存放导频符号，通过该导频符号在频域接收端进行CF0估计，本 发明提出一种UFMC系统中的载波频率同步方法，将UFMC的每个子带当成0FDMA中的一个资 源块，对其进行导频信号插入，从而通过导频信号来进行CF0的估计。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种UFMC系统中的载波同步方法，该方法不仅 能够保留UFMC系统本身的优点，而且能够提高通信质量，在一定程度上降低了UFMC中滤波 器的设计复杂度。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] -种UFMC系统中的载波同步方法，在UFMC系统中，对每个子带插入导频信号，通过 导频信号来实现系统的载波频率同步，具体包括W下步骤：
[000引 S1:生成一个nB X nB的哈达玛矩阵Mp，选取矩阵Mp的任意两行或者两列Pn，Pm，并将 其作为导频序列插入UFMC信号中，且满足nBmod (4) = 0，Pn X Pm* = 0;
[0009] S2:将N个子载波均匀地分成B组（即B个子带），那么每个子带中含有= ^个子载 公 波;假设在每个子带中选择η个子载波传输导频信号，其余D-n个子载波传输数据信号，插入 导频后，子带i中的信号为Si，频域发送信号为X;
[0010] S3:得到包括导频信号在内的UFMC信号X后，让UFMC的B个子带依次经过N-IDFT和 滤波两个过程进行调制发送；
[0011] S4:接收端对接收到的信号进行串并变换W及时域补零，得到并行信号；
[0012] S5:将得到的并行信号进行W下操作：首先进行2N-FFT变换，得到2N点的频域信 号，取其偶频点的数据信息并将其通过与发送端相匹配的滤波器，最后利用迫零均衡器消 除ISI，得到数据信息的估计值；
[0013] S6:提取导频信号，然后通过计算两组导频序列之间的相关性来估计载波频偏 CF0；
[0014] S7:通过利用迭代算法来提高频偏估计的精确度和稳定性。
[001引进一步，在D个子载波上选η个子载波存放导频，子带冲导频的位置用Ψ康示，如 果在子带冲的第r个子载波上存放导频，那么[Ψι]τ,τ=1，否则[Ψι]τ,τ = 0,其中re[l，D]， T,.€C"x"，在UFMC信号中所有导频的位置为Ψ=diag[Ψl，…，ΨB]，ΨGC八Y;子带i中的 导频信号和原始数据构成了新的数据信息Si，频域发送信号关
[0016] 进一步，对每个子带的数据信息Si通过傅里叶矩阵实现IDFT变换，该傅里叶矩阵 定义为表示对长度为d2的向量进行山点的IDFT变换;傅里叶矩阵当中的元素 如下所示：
[0017]
[001引其中η, m为元素下标。
[0019] 进一步，对每个子带进行滤波操作，通过使用托普利兹矩阵来完成该线性卷积运 算，对于不同的子带需要将滤波器的中屯、频率平移至子带的中间；设置UFMC系统中原型滤 波器长度为L，冲激响应f的表达式为:f={f[0]，f[l]，…，fα-l]}，对应的频域响应为F;计 算第i个子频带中屯、频率所在的子载波标号为
?原型滤波器的频域响应F 平鸦
个单位得到第i个子频带的频域响应Fi，符号m的第i个子频带的冲 击响应 fm,i为：fm,i={fm,i[0]，fm,i[l]，'''，fm,ia-l]}，其中
定义托普利兹矩阵Fm,i为：
[0020]
[0021] 取其前N列记为巧,,，用巧二:实现符号m的第i个子带的滤波过程。
[0022] 进一步，经过UFMC调制、滤波后，发送端发送的两个连续的时域信号xi，X2分别为：
[0023]
[0024] 其中，V康示第i个子频带上实现IDFT变换的傅里叶矩阵V*神，并且di和cb的取值 因子带而异。
[0025] 进一步，接收端接收到的两个连续的时域信号yi，y2分别为：
[0026]
[0027] 其中：= 表示由载频偏差引起的相位变化，该变化只与载频率 偏差和符号序号有关；1^(6)=扣曰旨{1，6^"6/^，，，，，6^"6(^+^)^}表示载波频偏〔。〇的冲击响 应，ε表示归一化的载波频率偏差。
[0028] 进一步，将接收到的信号进行时域补零后做2N-FFT变换得到2Ν点的频域信号，取 其偶频点得到估计信号X，夺;，进行滤波匹配后从中提取出导频信号Τι、Τ2。
[0029] 进一步，如果去掉在接收导频信号Τι、Τ2中由CFO带来的干扰和相位旋转，那么导频 信号Τ?、Τ2的相关性就会变得很小，其相关性用公式可W表示为：
[0030]
[0031] 式中：Π (￡·；) = V,巧<)V,H表示CF0的频率响应，备表示归一化的载波频率偏差的试验 值;通过在i取值为[-0.5，0.5)的范围内，使代价函数Ri,趣到最小来获取CF0的估计值，即 [003^
(6)。
[0033] 进一步，在步骤S7中，使用迭代算法来提高算法精度:假设在每次迭代过程中，将款 看作是剩余CF0估计，那么，在第g次迭代中，精确的CF0估计值公用公式表示为：
[0034]
(7)
[0035] 将精确的CF0用来补偿接收端接收到的导频信号，修正后的导频信号为：
[0036]
，
[0037] 本发明的有益效果在于:本发明通过在UFMC系统中插入导频信号来估计系统的载 波频率偏差，不但可W保留UFMC系统的良好特性，而且可W提高频偏估计的精确度和稳定 性，在很大程度上降低了由于CF0带来的子频带和子载波之间的干扰，从而提高系统的误比 特性能，提高传输的可靠性。
【附图说明】
[0038] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0039] 图1为0FDMA中导频插入方案的示意图；
[0040] 图2为本发明的UFMC系统中导频插入方案的示意图；
[0041 ]图3为本发明的UFMC系统中导频辅助载波频率同步方法结构框图；
[0042] 图4为本发明的CF0估计和补偿的太极图；
[0043] 图5为本发明的流程示意图。
【具体实施方式】
[0044] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0045] 图5为本发明所述的UFMC系统中的载波同步方法的流程示意图，如图所示，本方法 包括W下步骤：
[0046] S1:生成一个nB X nB的哈达玛矩阵Mp，选取矩阵Mp的任意两行或者两列Pn，Pm，并将 其作为导频序列插入UFMC信号中，且满足nBmod (4) = 0，Pn X Pm* = 0;
[0047] S2:将N个子载波均匀地分成B组（即B个子带），那么每个子带中含有D := ^个子载 技 波;假设在每个子带中选择η个子载波传输导频信号，其余D-n个子载波传输数据信号，插入 导频后，子带i中的信号为Si，频域发送信号为X;
[004引 S3:得到包括导频信号在内的UFMC信号X后，让UFMC的B个子带依次经过N-IDFT和 滤波两个过程进行调制发送；
[0049] S4:接收端对接收到的信号进行串并变换W及时域补零，得到并行信号；
[0050] S5:将得到的并行信号进行W下操作：首先进行2N-FFT变换，得到2N点的频域信 号，取其偶频点的数据信息并将其通过与发送端相匹配的滤波器，最后利用迫零均衡器消 除ISI，得到数据信息的估计值；
[0051] S6:提取导频信号，然后通过计算两组导频序列之间的相关性来估计载波频偏 CF0；
[0052] S7:通过利用迭代算法来提高频偏估计的精确度和稳定性。
[0053] 在本实施例中，导频插入方法的引入背景如附图1所示，图2为本发明的UFMC系统 中导频插入方案的示意图，具体来说，该方法包括W下步骤：
[0054] 1、在UFMC系统中，IDFT点数为1024点，有10个子带，每个子带中包含12个子载波。 生成一个40X40的哈达玛矩阵Mp，选取矩阵Mp的前两行Pi，P2作为导频序列。
[0055] 2、导频的插入方式为:在12个子载波上选4个子载波存放导频，其余8个在载波存 放数据。子带i中的导频信号和原始数据构成了新的数据信息Si，频域发送信号为 1=1 子带冲导频的位置用Ψ康示，如果在子带冲的第r个子载波上存放导频，那么[Ψι]τ,τ = 1，否则[Wi]r,r = 0,其中re [1，12]，Ψ,, e ewn，在UFMC信号中所有导频的位置为Ψ =diag
[Ψι,···,Ψβ],Ψε€*?〇
[0056] 图3为是本发明的UFMC系统中导频辅助载波频率同步方法结构框图，如图所示，该 方法具体包括W下步骤：
[0057] 1、对每个子带的数据信息Si通过傅里叶矩阵实现IDFT变换，该傅里叶矩阵定义为 Vl2X1024={Vn,m}，傅里叶矩阵当中的元素如下所示：
[005引
！ 2(Z - !) + i《/" < 12/'，0 < "《！(化；
[0059] 2、对每个子带进行滤波操作，通过使用托普利兹矩阵来完成该线性卷积运算，对 于不同的子带需要将滤波器的中屯、频率平移至子带的中间。设置UFMC系统中原型滤波器长 度为L = 74,冲激响应f的表达式为:f={f[0]，f[l]，…，fα-l]}，对应的频域响应为F;计算 第i个子频带中屯、频率所在的子载波标号为:6.5+(i-l)12,将原型滤波器的频域响应F平移 ki = 6.5+12(i-l)个单位得到第i个子频带的频域响应Fi，符号m的第i个子频带的冲击响应 fm,i为：fm,i={fm,i[0]，fm,i[l]，...，fm,i比-1]}，其中;定义托 普利兹矩阵Fm, i为：
[0060]
[0061] 取其前N列记为F,:,，用F,:,.实现符号m的第i个子带的滤波过程。
[0062] 3、经过UFMC调制、滤波后，发送端发送的两个连续的时域信号xi，X2分别为：
[0065] 4、接收端接收到的两个连续的时域信号yi，y2分别为：
[0068] 其中：A(0 = e心Efw+L-iVNiN表示由载频偏差引起的相位变化，该变化只与载频率 偏差和符号序号有关；Γ (e) = diag{l，eW"e/w，. . . leWnefw+wVW}表示载波频偏CF0的冲击响 应，ε表示归一化的载波频率偏差。
[0069] 5、将接受到的信号进行时域补零后做2N-FFT变换得到2Ν点的频域信号，取其偶频 点得到估计信号夺1义，进行滤波匹配后从中提取出导频信号Τ?、Τ2。
[0070] 1)时域补零：
[0079 ] 4)提取到的导频信号:Τι = Ψ Zi，Τ2 = Ψ Ζ2
[0080] 6、如果去掉在接收导频信号Τι、Τ2中由CFO带来的干扰和相位旋转，那么导频信号 Τ?、Τ2的相关性就会变得很小，其相关性用公式可W表示为：
[0081]
[00剧式中：Π (?'；) = ν；Γ村Vf表示CF0的频率响应，《·表示归一化的载波频率偏差的试验 值;通过在是取值为[-0.5，0.5)的范围内，使代价函数Ri,趣到最小来获取CF0的估计值，即
[0083]
[0084] 图4是本发明的CF0估计和补偿的太极图，如图所示，该方法具体包括W下步骤：
[0085] 1、假设在每次迭代过程中，将名看作是剩余CF0估计，在第g次迭代中，精确的CF0 估计值沪用公式表示为：
[0086]
[0087]将精确的CTO用来补偿接收端接收到的导频信号，修正后的导频信号十，t，为：
[008引
[0089] 2、UFMC系统中载波频率同步的迭代算法可W总结为如下几个步骤：
[0090] 1):初始化祉g = 0，！。= 0，Τι。=中1，斬=了2;
[0091] 2):迭代;G表示总的迭代次数，且g = l，2,. . .，G。
[0092] 最后说明的是，W上优选实施例仅用W说明本发明的技术方案而非限制，尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可W在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1. 一种UFMC系统中的载波同步方法，其特征在于:在UFMC系统中，对每个子带插入导频 信号，通过导频信号来实现系统的载波频率同步，具体包括以下步骤： S1:生成一个nBXnB的哈达玛矩阵MP，选取矩阵MP的任意两行或者两列Pn，P m，并将其作 为导频序列插入UFMC信号中，且满足nBmod (4) = 0，Pn X P/ = 0; S2:将N个子载波均匀地分成B组(即B个子带），那么每个子带中含有个子载波;假 设在每个子带中选择η个子载波传输导频信号，其余D-n个子载波传输数据信号，插入导频 后，子带i中的信号为Si，频域发送信号为X; S3:得到包括导频信号在内的UFMC信号X后，让UFMC的B个子带依次经过N-IDFT和滤波 两个过程进行调制发送； S4:接收端对接收到的信号进行串并变换以及时域补零，得到并行信号； S5 :将得到的并行信号进行以下操作:首先进行2N-FFT变换，得到2N点的频域信号，取 其偶频点的数据信息并将其通过与发送端相匹配的滤波器，最后利用迫零均衡器消除ISI， 得到数据信息的估计值； S6:提取导频信号，然后通过计算两组导频序列之间的相关性来估计载波频偏CF0; S7:通过利用迭代算法来提高频偏估计的精确度和稳定性。2. 根据权利要求1所述的一种UFMC系统中的载波同步方法，其特征在于:在D个子载波 上选η个子载波存放导频，子带i中导频的位置用Ψ:表示，如果在子带i中的第r个子载波上 存放导频，那么[Wi]r,r=l，否则[Wi]r,r = 〇,其中斤[1，〇]，少,￡([^'在耶1(：信号中所有 导频的位置为Ψ :^极况,Ψ e rH;子带i中的导频信号和原始数据构成了新的数 据信息Si，频域发送信号为3. 根据权利要求2所述的一种UFMC系统中的载波同步方法，其特征在于:对每个子带的 数据信息31通过傅里叶矩阵实现IDFT变换，该傅里叶矩阵定义为={!>；,"；}，表示对长度 为山的向量进行cb点的IDFT变换;傅里叶矩阵当中的元素如下所示：其中n，m为元素下标。4. 根据权利要求3所述的一种UFMC系统中的载波同步方法，其特征在于:对每个子带进 行滤波操作，通过使用托普利兹矩阵来完成该线性卷积运算，对于不同的子带需要将滤波 器的中心频率平移至子带的中间；设置UFMC系统中原型滤波器长度为L，冲激响应f的表达 式为:€={打〇]，玎1]，一，打1-1]}，对应的频域响应为？;计算第1个子频带中心频率所在的 子载波标号为将原型滤波器的频域响应F平移个单位得 至1J第i个子频带的频域响应Fi，符号m的第i个子频带的冲击响应fm,i为:fm,i= {fm,i[0]，fm,i [1 ]，…，fm, i [ L-l ]}，其中；定义托普利兹矩阵Fm, i为： 取其前N列记为，用实现符号m的第i个子带的滤波过程。5. 根据权利要求4所述的一种UFMC系统中的载波同步方法，其特征在于：经过UFMC调 制、滤波后，发送端发送的两个连续的时域信号 X1，X2分别为：其中，I表示第i个子频带上实现IDFT变换的傅里叶矩阵，并且山和办的取值因子 带而异。6. 根据权利要求5所述的一种UFMC系统中的载波同步方法，其特征在于:接收端接收到 的两个连续的时域信号71，y 2分别为：其中：Λ(ε) = ￥2πε(Ν+Κ/ΝΙΝ表示由载频偏差引起的相位变化，该变化只与载频率偏差 和符号序号有关；Γ (ε) =diag{ 1，ej2WN，…，ej2lte(N+hlVN}表示载波频偏CFO的冲击响应，ε 表示归一化的载波频率偏差。7. 根据权利要求6所述的一种UFMC系统中的载波同步方法，其特征在于:将接收到的信 号进行时域补零后做2N-FFT变换得到2N点的频域信号，取其偶频点得到估计信号进 行滤波匹配后从中提取出导频信号I^Ts。8. 根据权利要求7所述的一种UFMC系统中的载波同步方法，其特征在于:如果去掉在接 收导频信号ThTs中由CFO带来的干扰和相位旋转，那么导频信号!^、!^的相关性就会变得很 小，其相关性用公式可以表示为： /?,::=(?ψ)Τ,)κ·(Λ(?;)Πρ)Τ 2) (5、 式中：?1(4 = ν；Τ(〃)ν^表示CFO的频率响应，启表示归一化的载波频率偏差的试验值； 通过在I取值为[-0.5，0.5)的范围内，使代价函数R1>2达到最小来获取CF0的估计值，即9.根据权利要求8所述的一种UFMC系统中的载波同步方法，其特征在于:在步骤S7中， 使用迭代算法来提高算法精度:假设在每次迭代过程中，将g看作是剩余CF0估计，那么，在 第g次迭代中，精确的CF0估计值P用公式表示为：将精确的CF0用来补偿接收端接收到的导频信号，修正后的导频信号屯鬼为：
【文档编号】H04L27/26GK106059979SQ201610349865
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】杨路, 何萍, 段思睿, 王珊
【申请人】重庆邮电大学