适用于UFMC波形的同步参考信号发送与频偏估计方法技术

本发明专利技术提供了一种适用于UFMC波形的同步参考信号发送与频偏估计方法，设计了一个具有循环结构的同步参考信号用于发送，在接收端利用简单的相关方法就可以估计出整数倍频偏，极大地降低了计算复杂度，同时保证估计性能不变。本发明专利技术既适用于下一代通信系统中可能采用的UFMC波形技术，又适于其它多载波系统，如滤波器组多载波(FBMC)，广义频分复用(GDMC)等。本发明专利技术的频偏估计方法也可适用于这些有滤波器的新波形技术。此外，本发明专利技术同样适用于传统的波形，如OFDM等。

Synchronized Reference Signal Transmitting and Frequency Offset Estimation for UFMC Waveform

The invention provides a synchronous reference signal transmission and frequency offset estimation method suitable for UFMC waveform. A synchronous reference signal with cyclic structure is designed for transmission. The integer frequency offset can be estimated by simple correlation method at the receiving end, which greatly reduces the computational complexity and guarantees the estimation performance unchanged. The invention is suitable for UFMC waveform technology which may be used in next generation communication system, and other multi-carrier systems, such as filter bank multi-carrier (FBMC), generalized frequency division multiplexing (GDMC), etc. The frequency offset estimation method of the present invention can also be applied to the new waveform technology of these filters. In addition, the invention is also applicable to traditional waveforms, such as OFDM, etc.

【技术实现步骤摘要】
适用于UFMC波形的同步参考信号发送与频偏估计方法
本专利技术属于移动通信
，提供了一种适用于通用滤波多载波(UFMC)波形的同步参考信号发送与频率偏移估计方法。
技术介绍
在移动通信系统中，波形一直是空中接口技术中的主要关注点之一。目前商用的第四代移动通信系统(4G)采用了基于循环前缀的正交频分多址(CP-OFDM)技术作为其空中传输波形。CP-OFDM技术具有传输效率高，实现简单，易与多输入多输出(MIMO)结合的优点。但是，由于CP-OFDM在时域的处理中采用了矩形窗截断，故存在较高的带外泄露，更加不利于对相邻子带异步传输的支持。通用滤波多载波(UFMC)技术继承了CP-OFDM的优点，并通过滤波技术大幅度降低带外泄露，可有效支持相邻子带的异步传输。同时，UFMC能够根据不同业务对于波形参数的不同需求在统一的物理层平台上进行动态的选择和配置，可满足第五代移动通信系统(5G)在统一技术框架基础上支持不同场景差异化技术方案的需求。在UFMC系统中，相邻的子载波组成子带(Sub-band)，一个用户可以占用一个或多个子带，不同的用户占用不同的子带，相互之间没有干扰。然而，由于收发两端晶振的差异，会产生载波的频率偏移(CFO)，从而破坏子带内子载波之间以及不同子带之间的正交性。频率同步是无线通信系统能正常工作的前提。要估计频率偏移，发送端需发送同步参考信号，接收端利用该信号进行估计。通常，频率偏移经过子载波带宽归一化后包含整数部分和小数部分，而整数部分较难估计。在现有的整数频偏估计方法中，最优的方法是最小均方(LS)法。但是，它的实现复杂度太高，很难应用到实际系统中。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出了一种适用于UFMC波形的低复杂度发送和频偏估计方法。该方法设计了一个具有循环结构的同步参考信号用于发送，在接收端利用简单的相关方法就可以估计出整数倍频偏。为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：适用于UFMC波形的同步参考信号发送方法，包括如下步骤：步骤1，系统根据信道相干带宽BC，设置恒包络零自相关CAZAC序列的长度LC，使Δf·LC＜BC，并配置同步参考信号放置的子带，其中Δf表示子载波带宽；步骤2，发送端产生长度为LC的CAZAC序列，并用三个相同的该序列组成同步参考信号，相邻放置到指定的子带上；步骤3，发送端对子带做N点的傅立叶反变换变换到时域，并通过滤波器形成UFMC信号；发送端连续发送该UFMC信号两次；其中，N表示UFMC系统总的子载波数。进一步的，所述步骤3中UFMC信号用矩阵表示如下：其中，Dm是一个N×Nm维的复数矩阵，DmSm表示对第m个子带的频域符号向量Sm做N点的傅立叶反变换，将其变换到时域；Fm为复托普利兹矩阵。本专利技术还提供了适用于UFMC波形的同步参考信号发送与频偏估计方法，在上述步骤1-3的基础上还包括如下步骤：步骤4，接收端取出第二个UFMC信号，补零后做2N点的傅立叶变换得到长度为2N的变换结果；取出该变换结果偶数位置上的N个数值后，能够得到频域的接收信号；步骤5，在调制同步参考信号的子带位置上取出接收信号，用本地产生的参考信号循环移位后与其相关，得到LC个相关结果；其中，模值最大的结果所对应的位移给出了频率偏移的整数部分。进一步的，如果归一化频偏还包含小数部分，则包括步骤6：在接收端将第一个和第二个UFMC信号做相关，提取出平均后的相位信息来估计频率偏移的小数部分。进一步的，所述步骤4中，第二个UFMC信号表示如下：R＝[r(0),r(1),...,r(N+LF-2)]T在信号尾部补N-LF+1个零后得到的列向量如下：其中，LF为滤波器长度。进一步的，所述步骤5中接收信号假设如下：Y＝[y(0),y(1),...,y(LC-1)]相关运算采用如下公式：其中，((n-k))表示循环移位操作，即当n-k＜0时，((n-k))＝(LC+n-k)，而当n-k≥LC时，((n-k))＝(n-k-LC)。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：1.本专利技术设计了一个具有循环结构的同步参考信号，在估计整数倍频偏时，采用了简单的相关方法，在保证估计性能的同时极大地降低了计算复杂度，快速可靠。2.本专利技术既适用于下一代通信系统中可能采用的UFMC波形技术，又适于其它多载波系统，如滤波器组多载波(FBMC)，广义频分复用(GDMC)等。本专利技术的频偏估计方法也可适用于这些有滤波器的新波形技术。此外，本专利技术同样适用于传统的波形，如OFDM等。附图说明图1是UFMC系统发送原理示意图。图2是提出的同步参考信号结构示意图。图3是UFMC时域信号的示意图。图4是本专利技术在归一化频偏为-3时的仿真结果。图5是本专利技术在归一化频偏为2时的仿真结果。具体实施方式以下将结合具体实施例对本专利技术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专利技术而不用于限制本专利技术的范围。UFMC系统的信号结构和现有估计方法如下：步骤一，系统配置子带。假设一个UFMC系统在频域包含N个子载波，每个子载波的带宽为Δf，总带宽为B＝NΔf。这些子载波根据系统配置划分为M个子带(Sub-band)，第m个子带由Nm个相邻的子载波构成。以U＝[0,1,...,N-1]表示子载波位置组成的集合，则表示第m个子带所包含的子载波位置，并且N0+N1+…NM-1＝N。根据系统设置，这M个子带可以分配给相同用户，也可以分配给不同用户。下面假设分配给相同用户，每个子带所包含的子载波数目相同，不同用户以及不同子载波数的情况可以此类推。假设经过信号调制后，用户生成的符号向量为S＝[S(0),S(1),…,S(N-1)]T，其中，S(i)表示经过正交相移键控(QPSK)或正交幅度(QAM)等方法调制的符号，i＝0,1,...,N-1。发送端将S分成不重叠的M个子符号向量，分别配置在M个子带上传输。此时，第m个子带上传输的子符号向量为假设第m个子带的滤波器为fm＝[fm(0),fm(1),...,fm(LF,m-1)]，其中LF,m表示第m个子带的滤波器长度。通常，不同子带滤波器的长度和抽头系数可以不一样。但是，为了分析方便，我们这里假设选取了相同的滤波器，且长度都是LF。步骤二，发送端对子带做傅里叶反变换变换到时域，并形成UFMC信号定义一个(N+LF-1)×N维的复数托普利兹(Toeplitz)矩阵Fm，它的第一列为第一行为[fm(0),01×(N-1)]T。如图1所示，UFMC发送信号可以用矩阵表示为：其中，Dm是一个N×Nm维的复数矩阵。假设D是一个N×N维的能量归一化后的傅立叶反变换(IDFT)矩阵，它的第i行第n列的元素为则Dm由D的列至列元素组成。DmSm表示对第m个子带的频域符号向量Sm做N点的傅立叶反变换(IDFT)，将其变换到时域。得到的时域信号然后通过与复托普利兹矩阵Fm相乘完成滤波过程。最后，将滤波后的所有M个时域子带信号相加得到UFMC基带信号。经过子带滤波器滤波后，此时的UFMC基带信号的长度已由N个采样变成了Nt＝N+LF-1个采样。为了估计频率偏移，发送端需发送接收端已知的同步参考信号。在UFMC系统中，发送端通常连续发送两个一样的同步参考信号。步骤三，接收端对信号进行估计经过多径衰落(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.适用于UFMC波形的同步参考信号发送方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，系统根据信道相干带宽BC，设置恒包络零自相关CAZAC序列的长度LC，使Δf·LC＜BC，并配置同步参考信号放置的子带，其中Δf表示子载波带宽；步骤2，发送端产生长度为LC的CAZAC序列，并用三个相同的该序列组成同步参考信号，相邻放置到指定的子带上；步骤3，发送端对子带做N点的傅立叶反变换变换到时域，并通过滤波器形成UFMC信号；发送端连续发送该UFMC信号两次；其中，N表示UFMC系统总的子载波数。

【技术特征摘要】
1.适用于UFMC波形的同步参考信号发送方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，系统根据信道相干带宽BC，设置恒包络零自相关CAZAC序列的长度LC，使Δf·LC＜BC，并配置同步参考信号放置的子带，其中Δf表示子载波带宽；步骤2，发送端产生长度为LC的CAZAC序列，并用三个相同的该序列组成同步参考信号，相邻放置到指定的子带上；步骤3，发送端对子带做N点的傅立叶反变换变换到时域，并通过滤波器形成UFMC信号；发送端连续发送该UFMC信号两次；其中，N表示UFMC系统总的子载波数。2.根据权利要求1所述的适用于UFMC波形的同步参考信号发送方法，其特征在于，所述步骤3中UFMC信号用矩阵表示如下：其中，Dm是一个N×Nm维的复数矩阵，DmSm表示对第m个子带的频域符号向量Sm做N点的傅立叶反变换，将其变换到时域；Fm为复托普利兹矩阵。3.适用于UFMC波形的同步参考信号发送与频偏估计方法，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的发送方法中的步骤，还包括如下步骤：步骤4，接收端取出第二个UFMC信号，补零后做2N点的傅立叶变换得到长度为2N的变换结果；取出该变换结果偶数位置上的N个数值后，能够...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛彬，张辉，顾佳雯，张佳丽，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32