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岭桂
5 years ago
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1 Filtered-OFDM 技术简介 -for InnovateAsia

2 目录 Table of Contents 1 引言... 4 收发机总体结构 F-OFDM 新增算法子载波映射滤波器系数频域滤波基本方案描述滤波器频域响应计算参考资料清单 List of reference 第页, 共 11 页 Page, Total11

3 List of abbreviations 缩略语清单 Abbreviations 缩略语 Full spelling 英文全名 Chinese explanation 中文解释 LTE Long Term Evolution 长期演进 F-OFDM Filtered-OFDM 滤波 OFDM 第 3 页, 共 11 页 Page 3, Total11

4 1 引言本文档的目的是描述 Filtered-OFDM 的新增算法, 用于指导 Innovateasia FPGA 大赛 F-OFDM 的核心问题在于滤波器的设计和实现, 收发机的滤波操作是叠加在现有 OFDM 技术基础之上因此, 本文档仅包含新增的收发滤波器设计和实现部分, 其他部分的算法不在本文档的范畴内本文档中的两个子带配置假设为 70KHz+70KH 如果子带的带宽发生变化, 并不影响本文档中的算法实施, 只需要替换滤波器以及调整相应参数即可此外, 本文档中给出的滤波器系数的采样率均为 30.7MHz 收发机总体结构 F-OFDM 的发射机和接收机结构简图如图 1 所示, 其基本过程描述如下 : 1 数据首先分别映射到各个子带上, 当前的设计需求是按照 70KHz 和 70KHz 的带宽来放置两个子带不同子带之间需要预留保护子载波来隔离子带间的干扰, 保护子载波的数量以及数据子载波映射的子载波编号详见第 3 节对各个子带分别进行 IFFT 变换由于个子带的子载波间隔不同, 为了达到相同的采样率, 需要使用不同的 FFT size 3 加循环前缀的操作与 LTE 中的方法相同 4 滤波操作各个子带用本子带的滤波器进行滤波, 限制本子带在频域上的功率泄露需要注意的是, 滤波在时域上是连续进行的, 因此会跨符号跨子帧进行处理在两个下行子帧的交界位置, 需要把两个子帧的数据拼接起来进行滤波操作信号发射模块子载波映射 1 IFFT (size N1) Add CP1 Subband 1 filter Subband Filter Remove CP FFT (Size N) 信号检测 Fading channel 信号发射模块子载波映射 IFFT (size N) Add CP Subband filter Subband Filter Remove CP FFT (Size N) 信号检测图 1 F-OFDM 收发机示意图第 4 页, 共 11 页 Page 4, Total11

5 几点说明 : 1 在本链路中, 信号不会经过 RRU 故只把基带信号经过不同的 fading channel 即可为了简化实现的工作量, 信号发射模块和信号检测模块只包括必要的 CRC 校验 FEC 编码调制, 以及对应的接收机逆过程, 如图所示 ; (a) 信号发射模块 (b) 信号接收模块 3 两个子带的基本链路参数如下表所述 : 图信号发射和接收模块组成 Parameters subband1 Duplex Antenna config. Sampling rate FDD SISO 30.7Mbps Subband BW 70KHz 70KHz 可配置, 两子带可以不同 Subcarrier spacing 15KHz 30KHz FFT size Symbol duration 1/15K=66.67us 1/30K=33.33us TTI 1ms 0.ms # symbol per TTI 14 5 CP length 160 samples(5.us) for symbol samples(4.7us) for symbol 4 samples for symbol 1 00 samples for symbol ~5 ~7 Guard tone number 0/1//3 CRC 4 bit Modulation QPSK/16QAM/64QAM 可配置, 两子带可以不同第 5 页, 共 11 页 Page 5, Total11

6 Turbo coding rate 1/3,1/, 3/4 可配置, 两子带可以不用 3 F-OFDM 新增算法 3.1 子载波映射对于个相邻子带的子载波映射, 需要对个子带的子载波进行统一的编号定义假设第一个子带的子载波数量为 M1, 在 048 个总子载波数量中的编号为 [Kmin Kmax], 此处 Kmin 和 Kmax 的取值范围为 [-103,104] 范围内的整数以第一个子带的子载波间距为间距的保护子载波数量为 N1; 并假设第二个子带上的子载波总数为 M, 以第二子载带的子载波间距为间距的保护子载波数量为 N 如图 3 所示, M1 N1 N M 子带 1 子带子带 1 subcarrier spacing f 1 f 图 3: 两个子带的子载波映射关系子带 subcarrier spacing 则第二个子带的子载波编号为 K max N 1 max 1 1, K N N N M, 这里 K N m a x 1 必须为偶数以两个子带均为 70KHz 带宽为例, 则 M1=48,M=4 假设子带 1 的子载波映射编号为 [-4, -1] [1 4], 中间的 0 号子载波为直流分量, 不做数据映射假设 N1=0,N=1, 则子带的子载波编号为 [14, 37] 保护子载波的数量 N 1和 N 应当综合考虑功率谱子带间干扰的水平以及个子带的调制编码类型参数来确定, 在本次链路中, 需要对比在不同的调制编码配置下, N 1 和 N 取不同值时链路的 BLER/PER 性能第 6 页, 共 11 页 Page 6, Total11

filter 的时域加窗生成方法可以采用 Matlab 子带的滤波器工具, 来生成上述时域滤波器系数如下图所示图 5 Matlab 中的滤波器生成工具上述过程生成的是基带滤波器的时域系数 (

7 3. 滤波器系数滤波器的设计方法采用传统的窗函数法, 即对时域 sinc 函数加不同的窗函数, 来获得滤波器的时域响应即, W W W Sinc spec _ win filter _ time 其中, 窗函数的选择需要在时频局域化, 以及通带内的平坦度之间进行折中实现时, 可以选择 Hanning 窗 Kaiser 窗或 RRC 窗下图为采用 Hanning 窗的滤波器时域生成方法图 4 filter 的时域加窗生成方法可以采用 Matlab 子带的滤波器工具, 来生成上述时域滤波器系数如下图所示图 5 Matlab 中的滤波器生成工具上述过程生成的是基带滤波器的时域系数 ( 基带滤波器是指滤波器的中心频率是 0) 需要根据两个子带的位置对滤波器系数进行相应的频率搬移下面描述子带滤波器的频谱搬移方法同样第 7 页, 共 11 页 Page 7, Total11

8 假设子带 1 的子载波数量为 M1, 子带 1 的保护子载波数量为 N1, 子带的子载波数量为 M, 子带的保护子载波数量为 N 则子带 1 的中心频率为 F ( K K ) * f min max 1 1 子带的中心频率为 M F Kmax N1 * f1 ( N 0.5)* f Kmax N1 is even 仍以 3.1 中的以两个子带均为 70KHz 带宽为例, 则 M1=48,M=4 假设子带 1 的子载波映射编号为 [-4, -1] [1 4], 中间的 0 号子载波为直流分量, 不做数据映射假设 N1=0,N=1, 则子带 1 和子带的中心频率为 : F, F (4 0)*15 ( )*30 765KHz 1 0 假设基带低通滤波器的系数为,T 为滤波器的长度则子带 1 上的滤波器系数可以通过以下公式计算得到 : f 1 则子带上的滤波器系数可以通过以下公式计算得到 : f 3.3 频域滤波基本方案描述滤波操作通常在时域通过线性卷积实现, 假设滤波器响应为 h[n], 长度为 T, 则滤波操作为 : T 1 yn xn mhm (1) m0 假设数据的总长度为 N, 那么总的复数乘法计算次数约为 N*T 在 F-OFDM 中, 为了控制子带间干扰, [1] 滤波器长度 T 通常会较大, 计算复杂度非常高为了减小复杂度, 可以采用低复杂度的频域实现如下图所示, 首先在待滤波数据前添加 T-1 个 0, 然后将数据进行分段, 每段的长度为 L+T-1, 且连续两段数据中有 T-1 个数据是重叠的 L 的选取是一个实现问题, 原则上 L 的选取应当使 L+T-1 为的整数次幂, 方便进行 IFFT 变换第 8 页, 共 11 页 Page 8, Total11

9 图 6 频域滤波的输入信号对上述分段后的数据进行 L+T-1 点的 FFT 变换, 并与滤波器的频域响应相乘, 并再通过 IFFT 变回时域即 : 其中滤波器的频域响应 FFT L T 并存储下来即可 y n IFFT FFT x n FFT h n () i LT 1 LT 1 i LT 1 1hn 由于频域乘法等效于时域循环卷积, 因此上述计算得到的循环卷积结果上述计算结果中, 在一次滤波操作中是不变的, 只需计算一次, 或者离线计算 yi n 的前 T-1 个数据中包含了部分则是线性卷积的结果因此, 如下图所示, 可将每段序将数据进行拼接, 得到等效的线性卷积的结果 yi yi n 相当于是 i x n 和 hn 的时域 i x n 的后 T-1 个数据的成分, 其余 n 的前 T-1 个数据丢掉, 并按照先后顺第 9 页, 共 11 页 Page 9, Total11

10 忽略计算滤波器的频域响应 FFT L T 图 7 输出信号的重组 1hn 所需的复杂度对长度为 N 的数据进行频域滤波所需的复数乘法次数为 N L L T 1 log L T 1 L T 1, 与时域滤波所需的乘 L T 1 log L T 1 L T 1 法复杂度的比例约为举例来说, 当 T=51,L=1537 时, LT 频域滤波的乘法次数是时域滤波的倍 L 的选取是个实现问题, 原则上应超过 T 的若干倍如果 L 选取的过小, 由于滤波后有 T-1 个数据会被丢弃, 将造成无效计算的比例较大 3.3. 滤波器频域响应计算无论上行还是下行, 发射机滤波器都可通过 3. 节中的方法确定而接收机采用匹配滤波机制, 即接收机滤波器满足如下关系 : 滤波器频域响应的计算方法比较简单, 直接在上述发射机或接收机的滤波器系数的尾部添 0, 使添 0 后的数据长度为 L+T-1, 并进行 L+T-1 点的 FFT 变换即可第 10 页, 共 11 页 Page 10, Total11

11 参考资料清单 List of reference [1]. R. Nee and R. Prasad, OFDM for Wireless Multimedia Communications. Artech House, Inc., 000. []. A. Bahai, B. R. Saltzberg, and M. Ergen, Multi-Carrier Digital Communications: Theory and Applications of OFDM. Springer Science & Business Media, 004. [3]. 3GPP, Overview of 3GPP release 8 v0.3.3, Tech. Rep., Sep [4]. A. Antoniou, Digital Filters: Analysis, Design, and Applications, New York, NY: McGraw-Hill, [5]. Douglas L. Jones, "Fast Convolution", available online: 第 11 页, 共 11 页 Page 11, Total11

MAN- Metropolitan Area Network Resilient Packet Ring a : 5GHz 54Mbps b : 2.4GHz 11Mbps c : MAC Bridge 802.1D 80

MAN- Metropolitan Area Network Resilient Packet Ring a : 5GHz 54Mbps b : 2.4GHz 11Mbps c : MAC Bridge 802.1D 80 IEEE 802.11a s0323516@ncnu.edu.tw 1 (WLAN) [1] 1963 IEEE Institute Of Electrical and Electronics Engineers LAN MAN-Metropolitan Area Network IEEE 802 IEEE 802 Working Group 802.11 IEEE 802 802.1 LAN MAN