一种具有近似恒包络波形的频分多址通信方法及系统技术方案

本发明专利技术提出一种具有近似恒包络波形的频分多址通信方法及系统。在该方法中，通过对系统成形滤波器进行重新设计，使滤波器函数形状在频域接近正态分布曲线的形状，对频域发送数据信号进行频域传输处理，并在CP‑OFDMA框架下产生具有近似恒包络波形的发送信号。并进一步在系统接收端，通过设计多用户接收信号与发送信号之间的线性传输矩阵为对角矩阵块形式，实现低复杂的多用户广义线性MMSE联合均衡算法。在小区边缘和星地通信等对功率效率要求较高的场景中，本发明专利技术解决了由于系统发射端功率受限，功率放大器非线性的因素，导致系统发送信号功率效率低的问题，降低发送信号的峰均比、减少信号的非线性失真，提高系统发送信号的功率效率。

A frequency division multiple access communication method and system with approximate constant envelope waveform

【技术实现步骤摘要】
一种具有近似恒包络波形的频分多址通信方法及系统
本专利技术属于移动通信领域，具体涉及在小区边缘和星地通信等对功率效率要求较高的场景中，一种在CP-OFDMA框架下发送信号具有近似恒包络波形的频分多址通信方法及系统。
技术介绍
目前地面5G移动通信系统正在商用化，移动通信网络正朝着更高速，更高的频谱效率和更好的能效发展。作为地面通信网络的重要补充和延伸，卫星移动通信系统在偏远地区等特殊场景的通信服务中发挥着重要的作用。因此卫星通信系统与地面5G融合系统可以进行优势互补，以提升全球区域范围内的通信系统的服务质量。通过将卫星通信系统与5G新型无线空口技术(NR,NewRadio)进行融合，可以将地面的前沿通信技术应用到非地面网络以提升融合通信系统的整体性能，为用户提供高质量的卫星通信服务。卫星通信场景与地面网络有着很大的差别，比如由于星地通信链路长、移动端功率受限，传输过程中信号功率损失严重，需要提高信号的发射功率和功率效率以保证信号顺利到达接收端。因此在小区边缘和星地通信等对功率效率要求较高的场景中，需要对发送信号的波形进行重新设计以减小信号经过功率放大器的非线性失真和功率回退，提高发送端的功率效率，改善通信系统的性能。3GPP(3rdGenerationPartnershipProject)在研究报告TR38.811中指出星地融合通信系统所面临的功率效率的问题：功率放大器(PA,PowerAmplifier)是卫星有效载荷架构的关键组成部分。为了提高发送信号系统的功率效率，往往设置驱动信号靠近功率放大器的饱和区，但是这样会使得功放表现出非线性。非线性失真会导致发送信号的星座映射点发生变形而聚合在一起，从而使信号的接收变得复杂。在5GNR的下行传输链路中，发送信号由CP-OFDM调制产生，具有很高的峰值平均功率比(PeaktoAveragePowerRatio，PAPR)。功放的非线性对信号造成的失真可以通过增加功放的功率回退来改善，但是这会导致功率放大器的功率效率降低，通常会在功率回退和信号的非线性失真之间进行折衷，以实现较优的系统性能。虽然在下行链路中使用高PAPR值的CP-OFDM调制不会限制5GNR在非地面网络中的融合，但是这会相当影响融合通信系统的性能与效果。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种具有近似恒包络波形的频分多址通信方法及系统，通过在CP-OFDMA框架下对信号发送波形进行重新设计，使得发送信号的包络近似恒定，降低信号的非线性失真，提升通信系统的功率效率。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种具有近似恒包络波形的频分多址通信方法，包括以下步骤：对频域发送信号进行频域传输处理，并在CP-OFDMA框架下，产生具有近似恒包络波形特性的调制发送信号，其中频域传输处理所采用的成形滤波器包括半正弦函数滤波器和高斯低通滤波器，形状在频域上接近正态分布曲线；进行子载波映射时，根据系统总带宽、用户数目及每个用户所占的带宽之间的相对关系灵活调整用户之间的子载波间隔。进一步地，所述在CP-OFDMA框架下，产生具有近似恒包络波形特性的调制发送信号表示为：其中，xk,l表示第k子带中第l数据块的发送信号，为归一化Nc点DFT矩阵，(·)H表示对矩阵取共轭转置操作，为2Nd点广义DFT矩阵；第k个子带中第l数据块对应的频域传输处理矩阵其中Sk是维度2Nd×2Nd的系数移位矩阵；扩展矩阵定义为维度为KNd×2Nd，表示张量积，1K/2×1是K/2×1的全1矩阵，是2Nd点的单位矩阵；频域成形滤波器系数矩阵Λk＝diag(λk)，λk为Nc点成形滤波器系数矢量，jk为相位旋转因子；dk,l为第k用户的第l块发送数据矢量，K为系统包含子带总数，Nc为系统包含的子载波总数，Nd为第k子带中数据块的长度。进一步地，第k个子带频域成形滤波器系数矢量定义为：λk＝ckhk其中，ck是第k个子带半正弦函数滤波器频域系数矢量，其第i个元素ck(i)为：hk是第k个子带高斯型低通滤波器的频域系数矢量，其第i个元素hk(i)为：其中离散符号周期NT＝Nc/Nd，离散频率且-Nc/2≤i≤Nc/2+1，0≤k≤K-1；B为高斯低通滤波器的3dB带宽。进一步地，进行子载波映射时，假设在系统带宽Bsys内，所含子带数目为U，各个子带所占带宽为Nd，若Bsys＞＞U*Nd，即系统可以保证各子带之间有足够的保护间隔时，则将各子带进行等间隔的子载波映射；若系统带宽不能保证足够的保护间隔，则取消子载波间隔，将各子带进行无间隔的子载波映射。进一步地，接收端接收到发送信号后，若用户之间存在足够的保护间隔，接收端利用基于MMSE的单用户频域均衡对各用户频域信号恢复重建；若用户之间无保护间隔，接收端结合多用户线性传输模型和广义线性MMSE联合均衡算法对各用户频域信号恢复重建；通过设计多用户接收信号与发送信号之间的线性传输矩阵为对角矩阵块形式，实现低复杂的多用户广义线性MMSE联合均衡算法。进一步地，若系统频带内的用户之间存在足够保护间隔，各用户之间无多址干扰，那么第u个用户的第l块频域接收信号yu,l为：yu,l＝Hu,lGusu,l+zu,l其中，su,l为第u个用户的第l频域发送数据块；Hu,l为第u个用户对应的信道参数矩阵，维度为Nd×Nd；Gu为第u个用户所占频带内的脉冲成形矩阵，维度为Nd×Nd；zu,l是均值为零，方差为的噪声矢量。对第u个用户进行单用户频域均衡处理重建其频域发送信号su,l。进一步地，若用户之间无保护间隔时，用户之间存在多址干扰，由于子载波距离较远的用户之间干扰很小，只考虑当前用户的左右各两个用户的干扰；在频域采用多用户广义线性MMSE联合均衡算法消除多址信号的干扰，进行原始频域数据信号的重建；Nu个用户的线性传输模型为：其中，第l块的频域发送信号矩阵接收信号Al是线性传输矩阵，是噪声系数矩阵；则第l数据块的接收端检测信号为：其中，是译码器反馈的检测值均值，Vl是检测值dl的方差矩阵，为对角矩阵，为噪声方差，为Nc×Nc的单位矩阵，em为单位矩阵的第m列，(·)T是对矩阵取转置操作；检测方差表示为，其中为MMSE检测的误差方差，表示数据信号dl(m)的方差值。进一步地，通过对多用户发送信号重新排列，使得接收信号与发送信号的传输矩阵呈对角矩阵块形式，降低多用户广义线性MMSE联合均衡的计算复杂度，完成接收端的低复杂度实现；具体为：当u为奇数时，第u用户频域发送信号矢量排列为：对应第u用户传输矩阵为当u为偶数时，第u用户发送信号矢量排列为，对应的第u用户传输矩阵为其中，为相对于Nu的模值，是Nd点的反单位矩阵；实现低复杂度的多用户广义线性MMSE联合均衡所需要的线性传输模型为：其中为噪声矩阵块，传输系数矩阵为对角本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有近似恒包络波形的频分多址通信方法，其特征在于：包括以下步骤：/n对频域发送信号进行频域传输处理，并在CP-OFDMA框架下，产生具有近似恒包络波形特性的调制发送信号，其中频域传输处理所采用的成形滤波器包括半正弦函数滤波器和高斯低通滤波器，形状在频域上接近正态分布曲线；/n进行子载波映射时，根据系统总带宽、用户数目及每个用户所占的带宽之间的相对关系灵活调整用户之间的子载波间隔。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有近似恒包络波形的频分多址通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
对频域发送信号进行频域传输处理，并在CP-OFDMA框架下，产生具有近似恒包络波形特性的调制发送信号，其中频域传输处理所采用的成形滤波器包括半正弦函数滤波器和高斯低通滤波器，形状在频域上接近正态分布曲线；
进行子载波映射时，根据系统总带宽、用户数目及每个用户所占的带宽之间的相对关系灵活调整用户之间的子载波间隔。


2.根据权利要求1所述的一种具有近似恒包络波形的频分多址通信方法，其特征在于：所述在CP-OFDMA框架下，产生具有近似恒包络波形特性的调制发送信号表示为：



其中，xk,l表示第k子带中第l数据块的发送信号，为归一化Nc点DFT矩阵，(·)H表示对矩阵取共轭转置操作，为2Nd点广义DFT矩阵；第k个子带中第l数据块对应的频域传输处理矩阵其中Sk是维度2Nd×2Nd的系数移位矩阵；扩展矩阵定义为维度为KNd×2Nd，表示张量积，1K/2×1是K/2×1的全1矩阵，是2Nd点的单位矩阵；频域成形滤波器系数矩阵Λk＝diag(λk)，λk为Nc点成形滤波器系数矢量，jk为相位旋转因子；dk,l为第k用户的第l块发送数据矢量，K为系统包含子带总数，Nc为系统包含的子载波总数，Nd为第k子带中数据块的长度。


3.根据权利要求1所述的一种具有近似恒包络波形的频分多址通信方法，其特征在于：第k个子带频域成形滤波器系数矢量定义为
λk＝ckhk
其中，ck是第k个子带半正弦函数滤波器频域系数矢量，其第i个元素ck(i)为



hk是第k个子带高斯型低通滤波器的频域系数矢量，其第i个元素hk(i)为



其中离散符号周期NT＝Nc/Nd，离散频率且-Nc/2≤i≤Nc/2+1，0≤k≤K-1；B为高斯低通滤波器的3dB带宽，K为系统包含子带总数，Nc为系统包含的子载波总数，Nd为第k子带中数据块的长度。


4.根据权利要求1所述的一种具有近似恒包络波形的频分多址通信方法，其特征在于：进行子载波映射时，假设在系统带宽Bsys内，所含子带数目为U，各个子带所占带宽为Nd，若Bsys＞＞U*Nd，即系统可以保证各子带之间有足够的保护间隔时，则将各子带进行等间隔的子载波映射；若系统带宽不能保证足够的保护间隔，则取消子载波间隔，将各子带进行无间隔的子载波映射。


5.根据权利要求2所述的一种具有近似恒包络波形的频分多址通信方法，其特征在于：接收端接收到发送信号后，
若用户之间存在足够的保护间隔，接收端利用基于MMSE的单用户频域均衡对各用户频域信号恢复重建；
若用户之间无保护间隔，接收端结合多用户线性传输模型和广义线性MMSE联合均衡算法对各用户频域信号恢复重建；
通过设计多用户接收信号与发送信号之间的线性传输矩阵为对角矩阵块形式，实现低复杂的多用户广义线性MMSE联合均衡算法。


6.根据权利要求5所述的一种具有近似恒包络波形的频分多址通信方法，其特征在于：若系统频带内的用户之间存在足够保护间隔，各用户之间无多址干扰，那么第u个用户的第l块频域接收信号yu,l：
yu,l＝Hu,lGusu,l+zu,l
其中，su,l为第u个用户的第l频域发送数据块；H...

【专利技术属性】
技术研发人员：王闻今，刘彦浩，房天昊，侯宏卫，陈婷婷，丁睿，尤力，高西奇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32