一种低延时的5G基带信号产生方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种低延时的5g基带信号产生方法。

背景技术：

移动通信网络技术经过多年爆发式增长，经历了2g、3g和4g，每一代都有一个十年的发展周期。尽管移动通信技术经过了30年的发展与更新，比起第一代移动通信系统，其数据传输速率已经大大提高，可是目前在这个数据传输大爆炸的21世纪，移动通信服务仍然面临着巨大挑战。因此，研究有关于5g移动通信的关键技术已是目前的发展趋势，而5g也将在不久的将来代替3g、4g变成新一代的移动通信技术。2018年6月14日，第五代移动通信技术标准(5gnr)独立组网(sa，standalone)功能，在3gpp第80次tsgran全会(tsg#80)正式冻结。加上已完成的非独立组网(nsa，non-standalone)架构的5grelease15早期版本，5g已经完成第一阶段全功能标准化工作，进入了产业全面冲刺新阶段。

第一版5g标准的重点是定义新空口(nr)。之前，新一代无线基站的发展侧重于引入新的调制和编码方案，但5g的重点在于如何灵活地支持各种特性截然不同的终端和服务、不同类型的部署，以及从不到1ghz到毫米波的多频段分布。对于基带信号产生与4g的lte相比，增加两个关键参数，一个是bwp个数b，另一个是子载波配置参数uⁱ(i＝1,2,...b)，这两个参数都是高层配置参数。bwp合理利用频域资源，子载波配置参数μⁱ灵活配置子载波带宽，它们都增强了5gnr的灵活性，用于满足不同应用场景的需求。但是在实现上，不能直接4glte的ifft实现方法，由于不同bwp上的子载波配置参数可能不同，并行ifft实现时，对应的数据速率不同。现在通用的解决方法：一是频域插值的实现方法，根据第ibwp的子载波配置参数μⁱ，在频域上直接插入零，然后各bwp分别进行ifft和加cp，最后所有bwp合并输出，完成基带信号产生；二是时域插值的实现方法，各bwp先分别进行ifft和加cp，然后根据第i个bwp的子载波配置参数μⁱ，在时域上插值，最后所有bwp进行合并输出，完成基带信号产生。第一种方法的缺陷在于：根据最新的3gppr15协议，ifft长度为其中κ为64，第一种方法中ifft的最大长度为131037，且不同μⁱ(0～4)长度各不同，增加了实现的复杂度；同时在不同bwp合并时，需要等到所有bwp的ifft和增加cp完成后进行，产生很大的延时，特别对于ifft长度最小的bwp。第二种方法的缺陷在于：根据最新的3gppr15协议，由于不同μⁱ(0～4)的符号时间不同，最大的符号时间约为71.43us(μⁱ＝0)，最小的符号时间为4.46us(μⁱ＝4)，不同bwp是在加cp后合并，最短时间的符号要等最长时间符号时域插值完，才能合并输出，对最短时间的符号会产生1倍自身符号时间的延时。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的采用频域插值和时域插值方法实现5g系统cp-ofdm调制带来的高延时的不足，提出了一种采用时域速率匹配技术大幅度降低基带处理时延时的5g基带信号产生方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种低延时的5g基带信号产生方法，采用低延时的5g基带信号产生装置包括系统同步模块、预处理模块、ifft模块、增加cp模块、速率匹配模块、频谱搬移模块和同步合并模块，5g系统的系统参数进入系统同步模块，为预处理模块、增加cp模块、速率匹配模块、频谱搬移模块和同步合并模块提供参数；其特征在于，采用cp直接输出预处理处理技术和时域速率匹配技术，具体包括以下步骤：

步骤1：根据高层传下的系统参数，确定各处理单元的配置参数；

步骤2：对各bwp资源元素的值进行预处理；

步骤3：预处理后的各bwp数据进行改进cp-ofdm处理，实现各bwp符号数据输出，先进行ifft处理，经过预处理后，ifft先输出cp，因此直接输出；其次保持先输出cp数据，在ifft输出完成后，顺序输出cp，为加cp处理，输出符号数据；

步骤4：各bwp符号数据进行速率匹配处理，实现不同子载波空间配置参数下的数据输出率与系统数据输出率的一致性以及消除bwp间的串扰，根据插值配置参数o实现时域插值，包括补0和滤波两个处理步骤；

步骤5：速率匹配后的数据进行频谱搬移处理，bwp数据搬移到对应的频谱位置；

步骤6：频谱搬移后的数据进行同步合并处理，合成单路数据输出，完成5g基带信号产生，利用系统同步产生器产生的帧同步信号、子帧同步信号、半子帧同步信号、时隙同步信号和符号同步信号，完成信号的同步合并输出。

优选地，所述步骤1中，系统参数包括系统带宽bd、bwp个数b，子载波配置参数uⁱ(i＝1,2,...b)、cp类型c，各处理单元的配置参数，包括ifft长度lifft、预处理的cp长度参数lcp、速率匹配的插值配置参数o、bwp的中心位置pstbwpⁱ(i＝1,2,...b)；

根据5g信号带宽bd和子载波配置参数uⁱ(i＝1,2,...b)，通过式(1)确定ifft的长度lifft为

lifft＝2ⁿ(1)

其中，n满足的整数,i＝1,2,...,b，基于3gppr15协议规定的最小ifft长度为4096，以及ifft实现一致性，取n为12，即ifft的长度lifft为4096；

根据子载波配置参数uⁱ(i＝1,2,...b)确定系统数据速率rs，即合并输出的数据速率rs采用式(2)表示：

rs＝lifft·15·2^max_uksps(2)

其中，max_u为取系统子载波配置参数uⁱ(i＝1,2,...b)的最大值，lifft为ifft的长度；

根据cp类型c，即正常cp或扩展cp，确定cp的长度用式(3)表示：

其中，i＝1,2,...,b，为子载波配置参数μⁱ下的子帧上时隙数，为时隙上的符号数，lifft为ifft的长度；

根据系统参数uⁱ(i＝1,2,...b)，采用式(4)确定速率匹配的插值配置参数oⁱ为

其中，i＝1,2,...,b，max_u为取系统子载波配置参数uⁱ(i＝1,2,...b)的最大值；

各bwp资源元素上的数据采用式(5)

其中，i＝1～b，为资源映射后的数据。

优选地，所述步骤2中，对各bwp资源元素的值进行预处理，处理结果采用式(6)表示，

其中，xⁱ为第i个bwp资源元素上的数据，为预处理参数pm，pm采用式(7)表示为，

其中，1i为复数单位。

优选地，所述步骤3中，预处理后的各bwp数据进行改进cp-ofdm处理，首先进行ifft，输出为式(8)

iⁱ＝ifft(pⁱ),i＝1～b(8)

其次，增加cp处理，ofdm符号输出为式(9)

优选地，所述步骤4中，为了实现不同子载波空间配置参数下的数据输出率与系统数据速率rs的一致性，对各bwp符号数据进行速率匹配处理，根据插值配置参数o实现时域插值，采用线性插值，处理后结果输出为式(10)

优选地，所述步骤5中，为了bwp数据搬移到对应的频谱位置，根据bwp的中心位置pstbwpⁱ参数进行频谱搬移，采用复乘载波的方法实现，处理后的结果输出qⁱ。

优选地，所述步骤6中，频谱搬移后的数据进行同步合并处理，根据同步参数，对各bwp数据进行复加，合成单路数据输出为式(11)，完成5g基带信号产生，

本发明具有如下有益效果：

该低延时的5g基带信号产生方法采用cp直接输出预处理处理技术可提前一个符号时间输出基带信号，采用时域速率匹配技术可大幅度的降低基带处理时延，满足5g系统对5g基带信号产生的高速率、低延时的要求，可应用到5g系统信号发生器和基带产生模块中，有效推动5g系统标准验证以及硬件研究。

附图说明

图1低延时的5g基带信号产生步骤；

图23gppr15协议版本中uⁱ(i＝1,2,...b)的关系；

图3传统cp-ofdm处理与改进cp-ofdm处理的误差值；

图4低延时的5g基带信号产生原理图；

图5系统子载波配置参数为1的帧、子帧和符号的时间对应关系；

图6系统子载波配置参数为3的帧、子帧和符号的时间对应关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图1和图4所示，一种低延时的5g基带信号产生方法，采用低延时的5g基带信号产生装置包括系统同步模块、预处理模块、ifft模块、增加cp模块、速率匹配模块、频谱搬移模块和同步合并模块，5g系统的系统参数进入系统同步模块，为预处理模块、增加cp模块、速率匹配模块、频谱搬移模块和同步合并模块提供参数；5g系统的不同bwp资源元素的数据和系统同步模块输出的参数进入各自的预处理模块，完成实现各bwp的先输出cp的处理；各bwp的预处理模块输出数据进入各自的ifft模块，完成频域到时域转换；各bwp的ifft模块输出数据和系统同步模块输出的参数进入各自增加cp模块，完成5g符号数据输出；各bwp的增加cp模块输出数据和系统同步模块输出的参数进入各自速率匹配模块，完成所有bwp数据速率匹配到系统数据速率的处理；各bwp的速率匹配模块输出数据和系统同步模块输出的参数进入各自频谱搬移模块，完成所有bwp数据频域位置一一对应；所有bwp的频谱搬移模块输出数据和系统同步模块输出的同步参数进入同步合并模块，完成所有bwp数据速同步合并处理，实现5g基带信号输出。

cp预处理模块根据ifft的长度lifft产生一组完备预处理系数存在rom，根据cp长度输出预处理系数，与进入模块的bwp资源元素的数据xⁱ进行复乘，完成各bwp的预处理功能；

ifft模块对于各bwp的预处理后的数据进行lifft长度的ifft变换，直接调用fftipcore，完成各bwp的的ifft处理功能；

增加cp模块对进入各bwp的ifft处理后的数据直接输出，并存储前cp长度的ifft数据，在ifft数据输出完毕后，顺序输出存储数据，完成各bwp的增加cp的功能；

速率匹配模块对进入各bwp的增加cp后的数据更具插值配置参数oⁱ进行线性插值，使不同bwp的数据速率匹配到系统数据速率，完成各bwp的速率匹配功能；

频谱搬移模块采用复乘载波的方法实现，把bwp数据搬移到对应的频谱位置。

同步合并模块利用符号同步信号syncsymb和符号索引lⁱ，对进入各bwp的频谱搬移后的数据进行同步复加处理，完成5g基带信号产生。

采用cp直接输出预处理处理技术和时域速率匹配技术，具体包括以下步骤：

步骤1：根据高层传下的系统参数，确定各处理单元的配置参数；

步骤2：对各bwp资源元素的值进行预处理；

步骤3：预处理后的各bwp数据进行改进cp-ofdm处理，实现各bwp符号数据输出，先进行ifft处理，经过预处理后，ifft先输出cp，因此直接输出；其次保持先输出cp数据，在ifft输出完成后，顺序输出cp，为加cp处理，输出符号数据；

步骤4：各bwp符号数据进行速率匹配处理，实现不同子载波空间配置参数下的数据输出率与系统数据输出率的一致性以及消除bwp间的串扰，根据插值配置参数o实现时域插值，包括补0和滤波两个处理步骤；

步骤5：速率匹配后的数据进行频谱搬移处理，bwp数据搬移到对应的频谱位置；

步骤6：频谱搬移后的数据进行同步合并处理，合成单路数据输出，完成5g基带信号产生，利用系统同步产生器产生的帧同步信号、子帧同步信号、半子帧同步信号、时隙同步信号和符号同步信号，完成信号的同步合并输出。

优选地，所述步骤1中，系统参数包括系统带宽bd、bwp个数b，子载波配置参数uⁱ(i＝1,2,...b)、cp类型c，各处理单元的配置参数，包括ifft长度lifft、预处理的cp长度参数lcp、速率匹配的插值配置参数o、bwp的中心位置pstbwpⁱ(i＝1,2,...b)；

根据5g信号带宽bd和子载波配置参数uⁱ(i＝1,2,...b)，通过式(1)确定ifft的长度lifft为

lifft＝2ⁿ(1)

其中，n满足的整数,i＝1,2,...,b，基于3gppr15协议规定的最小ifft长度为4096，以及ifft实现一致性，取n为12，即ifft的长度lifft为4096；

根据子载波配置参数uⁱ(i＝1,2,...b)确定系统数据速率rs，即合并输出的数据速率rs采用式(2)表示：

rs＝lifft·15·2^max_uksps(2)

其中，max_u为取系统子载波配置参数uⁱ(i＝1,2,...b)的最大值，lifft为ifft的长度；

根据cp类型c，即正常cp或扩展cp，确定cp的长度用式(3)表示：

其中，i＝1,2,...,b，为子载波配置参数μⁱ下的子帧上时隙数，为时隙上的符号数，lifft为ifft的长度；3gppr15协议版本给出uⁱ(i＝1,2,...b)的关系如图2所示；

根据系统参数uⁱ(i＝1,2,...b)，采用式(4)确定速率匹配的插值配置参数oⁱ为

其中，i＝1,2,...,b，max_u为取系统子载波配置参数uⁱ(i＝1,2,...b)的最大值；图5给出了系统子载波配置参数为1的帧、子帧和符号的时间对应关系；图6给出了系统子载波配置参数为3的帧、子帧和符号的时间对应关系；

各bwp资源元素上的数据采用式(5)

其中，i＝1～b，为资源映射后的数据。

步骤2中，对各bwp资源元素的值进行预处理，处理结果采用式(6)表示，

其中，xⁱ为第i个bwp资源元素上的数据，为预处理参数pm，pm采用式(7)表示为，

其中，1i为复数单位。

所述步骤3中，预处理后的各bwp数据进行改进cp-ofdm处理，首先进行ifft，输出为式(8)

iⁱ＝ifft(pⁱ),i＝1～b(8)

其次，增加cp处理，ofdm符号输出为式(9)

与传统的增加cp相比，ifft先输出cp，因此直接输出ifft，然后把ifft的前部cp数据在重复输出，完成加cp处理，输出符号数据；图3给出了传统cp-ofdm处理与改进cp-ofdm处理的误差值，ifft的长度为4096，cp长度为1024，数据源是pn9，采用qpsk调制，有效rb个数为3300。

所述步骤4中，为了实现不同子载波空间配置参数下的数据输出率与系统数据速率rs的一致性，对各bwp符号数据进行速率匹配处理，根据插值配置参数o实现时域插值，采用线性插值，处理后结果输出为式(10)

所述步骤5中，为了bwp数据搬移到对应的频谱位置，根据bwp的中心位置pstbwpⁱ参数进行频谱搬移，采用复乘载波的方法实现，处理后的结果输出qⁱ。

所述步骤6中，频谱搬移后的数据进行同步合并处理，根据同步参数，对各bwp数据进行复加，合成单路数据输出为式(11)，完成5g基带信号产生，

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。