基于复数调制的FBMC信号发送和接收的方法及其装置与流程

本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及基于复数调制的滤波器组的多载波(FBMC)信号发送和接收的方法及其装置。

背景技术：

随着信息产业的快速发展，特别是来自移动互联网和物联网(IoT,internet of things)的增长需求，给未来移动通信技术带来前所未有的挑战。如根据国际电信联盟ITU的报告ITU-R M.[IMT.BEYOND 2020.TRAFFIC]，可以预计到2020年，移动业务量增长相对2010年(4G时代)将增长近1000倍，用户设备连接数也将超过170亿，随着海量的IoT设备逐渐渗透到移动通信网络，连接设备数将更加惊人。为了应对这前所未有的挑战，通信产业界和学术界已经展开了广泛的第五代移动通信技术(5G)的研究，面向2020年代。目前在ITU的报告ITU-R M.[IMT.VISION]中已经在讨论未来5G的框架和整体目标，其中对5G的需求展望、应用场景和各项重要性能指标做了详细说明。针对5G中的新需求，ITU的报告ITU-R M.[IMT.FUTURE TECHNOLOGY TRENDS]提供了针对5G的技术趋势相关的信息，旨在解决系统吞吐量显著提升、用户体验一致性、扩展性以支持IoT、时延、能效、成本、网络灵活性、新兴业务的支持和灵活的频谱利用等显著问题。

调制波形和多址方式是无线通信空中接口(Air-interface)设计的重要基础，在5G也不会例外。当前，多载波调制(Multi-carrier Modulation,MCM)技术家族中的典型代表正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术被广泛地应用于广播式的音频和视频领域以及民用通信系统中，例如第三代移动通信合作伙伴项目(3rd Generation Partnership Project，3GPP)制定的Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)协议对应的长期演进(Long Term Evolution，LTE)系统，欧洲的数字视频广播(Digital Video Broadcasting,DVB)和数字音频广播(Digital Audio Broadcasting,DAB)、甚高速数字用户环路(Very-high-bit-rate Digital Subscriber Loop,VDSL)、IEEE802.11a/g无线局域网(Wireless Local Area,WLAN)、IEEE802.22无线城域网(Wireless Regional Area Network,WRAN)和IEEE802.16全球微波互联接入(World Interoperability for Microwave Access,WiMAX)等等。

OFDM技术的基本思想是将宽带信道划分为多个并行的窄带子信道/子载波，使得在频率选择性信道中传输的高速数据流变为在多个并行的独立平坦子信道上传输的低速数据流，因此大大增强了系统抵抗多径干扰的能力,且OFDM可以利用快速反傅里叶变换(IFFT)和快速傅里叶变换(FFT)实现简化的调制和解调方式；其次，通过添加循环前缀(Cyclic Prefix,CP)使跟信道的线性卷积变为圆周卷积，从而根据圆周卷积的性质，当CP长度大于信道最大多径时延时，利用简单的单抽头频域均衡就可实现无符号间干扰(Inter-symbol Interference,ISI)接收,从而降低接收机处理复杂度。虽然基于CP-OFDM调制波形能很好的支持4G时代的移动宽带(Mobile Broadband,MBB)业务需求，不过由于5G将面临更具挑战和更丰富的场景，这使得CP-OFDM在5G的场景中出现很大的限制或者不足之处，主要表现在：

(1)添加CP来抵抗ISI在5G低时延传输的场景会极大的降低频谱利用率，因为低时延传输将极大缩短OFDM的符号长度，而CP的长度只是受制于信道的冲击响应，那么CP的长度跟OFDM的符号长度之比会大大增加，这样的开销造成频谱效率损失非常大，是难以接受的。

(2)严格的时间同步要求在5G的IoT场景中会造成很大的闭环同步维护所需的信令开销，而且严格的同步机制造成数据帧结构无弹性，不能很好的支持多种业务的不同的同步需求。

(3)OFDM采用矩形脉冲成形(Rectangular Pulse)使得其频域旁瓣滚降很慢，造成很大的带外泄露。因此OFDM对频偏(CarrierFrequencyOffset，CFO)非常敏感。然而5G将会有很多的碎片化频谱灵活接入/共享的需求，OFDM的高带外泄露极大的限制了频谱接入的灵活性或者说需要很大的频域保护带从而降低了频谱的利用率。

上述不足主要是由CP-OFDM自身的固有特性造成的，尽管通过采取一定的措施可以降低这些缺点造成的影响，但同时会增加系统设计的复杂度，且无法从根本上解决问题。

正因为如此，如ITU的报告ITU-R M.[IMT.FUTURE TECHNOLOGY TRENDS]所述，一些新的基于多载波调制的波形调制技术被纳入5G的考虑范围之内。其中，基于滤波器组的多载波(Filter Bank Multiple Carrier，FBMC)调制技术成为热点研究对象之一，由于其提供了成型滤波器(Prototype Filter)设计的自由度，可以采用时频域聚焦性(Time/frequency Localization,TFL)很好的滤波器对传输波形 进行脉冲成型，使得传输信号能表现出多种较优的特性，包括：不需要CP来对抗ISI从而提高频谱效率，较低的带外泄露从而很好的支持灵活的碎片化频谱接入，以及对频偏不敏感的特性。比较典型的FBMC系统通常使用一种叫做偏置正交幅度调制(Offset Quadrature Amplitude Modulation，OQAM)的技术来达到频谱效率最大化，所以通常称这种技术为FBMC/OQAM系统，也可称作OFDM/OQAM系统。关于FBMC如何用于数字通信可以简单参考一篇早期文献“Analysis and design of OFDM/OQAM systems based on filter bank theory”,IEEE Transactions on Signal Processing,Vol.50,No.5,2002。

FBMC有一些OFDM所不具备的良好特性，从而在5G研究中获得关注，不过其本身固有的一些缺点使得其在无线通信系统中应用也存在着不少挑战，这些急需解决的挑战正在被不断的研究中。其中一个显著的问题就是使用FBMC的系统为了获得最大的频谱效率，必须使用FBMC/OQAM或OFDM/OQAM的调制方式。这种调制方式下的载波间仅存在实数域正交而非纯正交的关系，这就意味着每个载波上的信号会受到相邻载波上信号的干扰，这些干扰可以通过提取实虚部的方式在接收端消除。然而，这种虚部干扰可能在某些场景下无法获得完全的消除，从而降低系统的可靠性。例如，在信道存在较大频率选择性和时变特性的时候，传统的均衡将无法保障干扰为纯虚，从而导致残余干扰使得系统性能下降。更为严重的是，当FBMC/OQAM与多天线传输方法结合时，可能带来灾难性的后果。例如传统的STBC(Space-Time Block Coding，空时分组编码)里，Alamouti码(Alamouti code)需要传输的信号为复数，而由于虚部干扰的随机性，Alamouti code与FBMC/OQAM的结合非常困难。

技术实现要素：

本发明提供一种基于复数调制的FBMC信号发送和接收方法，以解决FBMC调制方式应用于无线通信系统中时面临的载波间干扰的问题。

本申请公开了一种基于复数调制的滤波器组的多载波FBMC信号发送方法，包括：

对复数信号a进行预编码得到X＝Ta，其中，T为预编码矩阵，T为干扰矩阵I的右奇异值矩阵的共轭转秩；

使用FBMC调制方式发送X。

较佳的，对干扰矩阵I进行奇异值分解：I＝WΣH^H，其中，H^H为右奇异值矩阵，W为左奇异值矩阵，Σ为对角矩阵，所述预编码矩阵T＝H。

较佳的，预编码矩阵进一步包含功率分配矩阵：T＝HP，其中，功率分配矩阵P为对角矩阵。

较佳的，所述干扰矩阵I是根据FBMC调制方式下载波间的干扰系数构成的矩阵。

较佳的，所述进行预编码为对频域上多个子载波上的复数信号进行的联合预编码。

较佳的，所述使用FBMC调制方式发送X包括按照公式(1)生成基带发射信号：

其中：(·)_m,n表示频时点；

X_m,n为在第n个符号的第m个子载波上发送的复数调制信号；

τ₀为符号周期：τ₀＝1/(v₀)；v₀是载波间的间隔；

g是原型滤波器函数，其时域冲击响应长度为τ₀的K倍，K为滤波器的重叠因子；

g_m,n(t)为调制X_m,n的整体合成滤波器函数。

本申请还提供了一种发射机，包括：预编码模块和发送模块，其中：

所述预编码模块，用于对复数信号a进行预编码得到X＝Ta，其中，T为预编码矩阵，T为干扰矩阵I的右奇异值矩阵的共轭转秩；

所述发送模块，用于使用FBMC调制方式发送X。

本申请还提供了一种基于复数调制的滤波器组的多载波FBMC信号接收方法，包括：

使用FBMC解调方式检测接收信号；

对接收信号进行后处理得到Y＝Uy，其中，y为接收信号，Y为后处理后的信号，U为后处理矩阵，U为干扰矩阵I的左奇异值矩阵的共轭转秩。

较佳的，对干扰矩阵I进行奇异值分解：I＝WΣH^H，其中，H^H为右奇异值矩阵，W为左奇异值矩阵，Σ为对角矩阵，令所述后处理矩阵U＝W^H。

较佳的，所述干扰矩阵I是根据FBMC调制方式下载波间的干扰系数构成的矩阵。

较佳的，所述进行后处理为对频域上多个子载波上的复数信号进行的联合后 处理。

本申请还提供了一种接收机，包括：接收模块和后处理模块，其中：

所述接收模块，用于使用FBMC解调方式检测接收信号；

所述后处理模块，用于对接收信号进行后处理得到Y＝Uy，其中，y为接收信号，Y为后处理后的信号，U为后处理矩阵，U为干扰矩阵I的左奇异值矩阵的共轭转秩。

由上述技术方案可见，本申请在基于复数调制的FBMC系统中，发射端通过采用干扰矩阵的右奇异值矩阵的共轭转秩对复数信号进行预编码，并且接收端采用干扰矩阵的左奇异值矩阵的共轭转秩对接收信号进行后处理，使得载波间干扰(ICI)得以成功消除，从而解决了将FBMC调制方式应用于无线通信系统时所遇到的障碍，实现了对FBMC技术的有效利用。

附图说明

图1为本申请一种基于复数的QAM-FBMC信号生成示意图；

图2为本申请一实施例中发送端的处理流程示意图；

图3为本申请一实施例中接收端的处理流程示意图；

图4为OFDM和QAM-FBMC的误码率比较图；

图5为本申请一较佳发射机的组成结构示意图；

图6为本申请一较佳接收机的组成结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。

采用基于滤波器组多载波技术的调制方式FBMC，可以获得具有更好时频聚焦性的信号波形，例如基于各向同性正交变换算法(Isotropic Orthogonal Transform Algorithm，IOTA)、基于扩展高斯函数(Extended Gaussian Function，EGF)和欧洲PHYDYAS等原型滤波器函数。FBMC使用时频域聚焦性(Time/Frequency Localization,TFL)很好的成型滤波器对每个子载波的信号进行脉冲成型(Pulse Shaping)，这使得：1)FBMC可以不需要CP也能极大抑制多径带来的ISI,不仅相对OFDM能带来更高的频谱效率和能量效率，同时可以在更大的时间误差下获得良好的接收可靠性，从而允许非严格同步的传输；2)得益于良好的频率聚焦性，FBMC可以在极窄的频率资源内传输信号并保持非常低的带外泄露，从而可以较 好的抑制由于多普勒或相位噪声等带来的载波间干扰(ICI)。因此，FBMC在认知无线电、碎片化的频带接入和非同步传输等场景下具有极大的潜力。

为获得FBMC的最高频谱效率，需要使用偏置正交幅度调制(OQAM：Offset Quadrature Amplitude Modulation)技术,称为FBMC/OQAM或OFDM/OQAM，本文后续全部简称为OQAM。在OQAM中，一个QAM符号被分成两路信号，分别被交替调制到一个子载波的实部或虚部并通过在时间上交错的方法发送。在接收端，如果没有信道的影响，交替提取每个子载波上信号的实部和虚部，即可恢复发送信号。然而，OQAM调制方法无法避免载波间的虚部干扰，这在许多场景中限制了其应用，例如Alamouti coding无法适用于OQAM调制中。为此，本申请提供一种基于复数信号的FBMC系统(QAM-FBMC)，其基带发射信号可以表示为：

其中：(·)_m,n表示频时点(Frequency-time Point)；

X_m,n为在第n个符号的第m个子载波上发送的复数调制信号；

τ₀为符号周期：τ₀＝1/(v₀)；v₀是载波间的间隔；

g是原型滤波器函数，其时域冲击响应长度一般为τ₀的K倍，这样的话导致相邻的(2K-1)个符号的时域波形会部分重叠，所以K通常也称为滤波器的重叠因子(Overlapping Factor)；

g_m,n(t)为调制X_m,n的整体合成滤波器函数(Synthesis Filter)。

可以看出基于复数的FBMC系统的符号率与基于实数的OQAM系统的符号率相同。图1为一个QAM-FBMC系统的信号生成流程示意图。

由于使用了复数调制，载波间的干扰无法利用提取实虚部的方法消除。载波间的干扰系数可以定义为：

β_m,n,m',n'＝<g_m,n|g_m',n'> (2)

其中，<·|·>表示内积。

由上述可见，QAM-FBMC系统为一个非正交系统，如果不进行特殊处理，将无法正确传输信号。

实施例一:

在本实施例中，将详细说明如何使用本申请提出的方法解决复数FBMC系统中的干扰问题。本实施例给出一个基于特殊滤波器参数的方法，但是本方法可以拓展到任何其他的滤波器参数。

表1为使用PHYDYAS滤波器的OQAM系统中的载波间干扰系数。

表1

需要注意的是，表1中每两列数据表示间隔为τ₀/2的两个OQAM信号之间的干扰。在本申请中，由于系统使用了周期为τ₀的复数信号(QAM)，相应的载波间干扰系数可以由表2表示。

表2：使用PHYDYAS滤波器的QAM-FBMC系统干扰示意

如表2所示，一个载波仅对相同符号的上下两个相邻载波以及对相邻符号的相邻载波产生干扰。假设我们仅考虑频域上一个子带包含12个子载波的情况，其发射信号为a_n＝[a_1,n,a_2,n,...,a_12,n]^T，则其接收信号y_n＝[y_1,n,y_2,n,...,y_12,n]^T可以表示为：

y_n＝I_na_n+I_n-1a_n-1+I_n+1a_n+1 (3)

其中：

对干扰矩阵I_n进行奇异值分解(Singular Value Decomposition),可以得到：

I_n＝WΣH^H (4)

因此，如果对发射信号使用H进行预编码，在接收端使用W^H进行后处理，我们可以得到Y_n：

Y_n＝Σa_n+W^HI_n-1Ha_n-1+W^HI_n+1Ha_n+1 (5)

由于Σ是对角矩阵，所以a_n符号中的载波间干扰(ICI)被完全消除了。除此以外，基于表2，我们知道I_n-1＝I_n+1＝γ(I-D)，其中γ为一个标量，D为一个单位矩阵。由此，公式(5)可以写成：

Y_n＝Σa_n+γ(Σ-D)a_n-1+γ(Σ-D)a_n+1 (6)

由于Σ是对角矩阵并且D为一个单位矩阵，我们知道a_n-1,a_n+1符号带来的载波间干扰被完全消除了，仅残留ISI。比较公式(3)和(6)，通过发射端预编码和接收端后处理的方法，本实施例成功地消除了全部ICI，仅残留部分ISI，一个简单的迫零运算就可以消除残留的ISI。本实施例的发射端处理流程如图2所示，同时图3给出了接收端的流程示意图。

根据图2，发射端处理流程主要包括：

1)对数据比特进行复数调制得到复数信号；

2)对复数信号进行基于子带的预编码得到预编码后的矩阵X＝Ta，其中，a为复数信号，T为预编码矩阵，T为干扰矩阵I的右奇异值矩阵的共轭转秩；

3)对预编码后的矩阵进行FBMC调制；

4)将调制后的信号发送。

根据图3，接收端处理流程主要包括：

1)使用FBMC解调方式检测接收信号；

2)对接收信号进行后处理得到Y＝Uy，其中，y为接收信号，Y为后处理后的信号，U为后处理矩阵，U为干扰矩阵I的左奇异值矩阵的共轭转秩；

3)对后处理后的信号进行迫零干扰消除；

4)对干扰消除后的信号进行数据检测。

实施例二:

在本实施例中，我们给出一些功率分配的实例。

在公式(6)中，对角矩阵Σ每个元素对每个子载波上的信号进行功率的调整。因此一个直接的功率分配原则为将所有接收信号的功率归一化，也就是使用HΣ^-1对信号进行预编码。这种方法能够有效的获得一致的接收信号强度，但是由于Σ^-1中包含高能量分量，这种功率分配原则会导致发送功率的增加。

另外一种功率分配原则为依据注水原理进行功率分配。然而，在发送功率受限的情况下，依据注水原理进行的功率分配会在某些载波上导致较高的误码率。因此，一种更可行的方法为避免在低效的载波上进行信号传输。例如，假设Σ＝diag(Σ₁,Σ₂,...，Σ₁₂)，并且Σ₁≥Σ₂...≥Σ₁₂，则预编码矩阵可以为HΣ^-1Π，其中Π＝diag(1,1,...，0,...，0)，同时，复数信号仅在非零的载波上发送。这样，发送端将受限的发送功率集中在高效的载波上发送信号，而承受一定量的速率损失。

这里，我们给出仿真结果以展示所述方法的性能，仿真系统包含M＝256个子载波，重复系数为K＝4，数据块包含14个复数FBMC符号，滤波器为PHYDYAS滤波器，信道为ETU信道，速度50km/h，调制方式为QPSK。仿真使用12个子载波进行性能评估，发射端使用归一化的发射功率，功率分配原则为1个子载波上不传输任何信号：Π＝diag(1,1,...,1,0)，接收端使用后处理和迫零法进行干扰消除。图4展示了使用本方法的误码率曲线。作为比较，一个OFDM系统被引入当做参考。从图中可以看到，两者的误码率保持一致，证明FBMC系统里的干扰被完全消除，不造成性能损失。注意，此时FBMC系统有1/12的速率损失，而OFDM由于CP的原因有1/8的速率损失，因此FMBC仍然能够保持较高的传输效率。

实施例三：

本实施例说明如何使用本申请方法在FBMC系统中实现Alamouti coding传输。假设系统为2*1的MIMO系统，在天线端口#1上，偶数个QAM信号a＝[a₁,a_2,...,a_n]首先被预编码得到：y₁＝Σ^-1Ha，随后通过FBMC调制并在天线端口#1上发送信号。 在天线端口#2上，通过预编码得到：y₂＝Σ^-1Hb，然后通过FBMC调制y₂并发送。

在接收端，首先在接收天线上对接收信号进行FBMC解调，得到Y然后分别使用W^H进行后处理并使用迫零法则进行ISI干扰消除，得到后处理信号：Q＝[Q₁,Q₂,...,Q_n]，并根据Q进行Alamouti解码(Alamouti decoding)。

对应于上述方法，本申请提供了一种发射机，其组成结构如图5所示，该发射机包括：预编码模块和发送模块，其中：

所述预编码模块，用于对复数信号a进行预编码得到X＝Ta，其中，T为预编码矩阵，T为干扰矩阵I的右奇异值矩阵的共轭转秩；

所述发送模块，用于使用FBMC调制方式发送X。

对应于上述方法，本申请提供了一种接收机，其组成结构如图6所示，该接收机包括：接收模块和后处理模块，其中：

所述接收模块，用于使用FBMC解调方式检测接收信号；

所述后处理模块，用于对接收信号进行后处理得到Y＝Uy，其中，y为接收信号，Y为后处理后的信号，U为后处理矩阵，U为干扰矩阵I的左奇异值矩阵的共轭转秩。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。