摘要:濾波器組多載波系統(tǒng)(FBMC)已經(jīng)被認(rèn)真考慮作為第五代移動(dòng)通信的無線接入技術(shù)。帶偏移的濾波器組多載波調(diào)制(FBMC-OQAM)是一種多載波技術(shù)，因此具有很高的PAPR，而大多數(shù)傳統(tǒng)的降低PAPR的正交頻分復(fù)用技術(shù)不適合FBMC。為了克服這一問題，對傳統(tǒng)的選擇性映射(SLM)方法和部分傳輸序列(PTS)方法進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，提出了FBMC-OQAM系統(tǒng)中SLM和PTS(SLM-PTS)方法的結(jié)合來減少PAPR。仿真結(jié)果表明，該方法能夠顯著降低FBMC-OQAM系統(tǒng)的PAPR。

0報(bào)價(jià)

正交頻分復(fù)用是4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)長期演進(jìn)中采用的一種調(diào)制技術(shù)。然而，正交頻分復(fù)用的帶外輻射強(qiáng)，旁瓣高，導(dǎo)致頻譜感知精度低。未來的無線標(biāo)準(zhǔn)需要為下一代移動(dòng)系統(tǒng)提出一種新的高傳輸數(shù)據(jù)速率和高頻譜利用率的調(diào)制技術(shù)。帶偏移正交幅度調(diào)制的濾波器組多載波調(diào)制(FBMC)作為未來第五代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的主要候選，已經(jīng)引起了人們的關(guān)注。

FBMC-OQAM是一種多載波技術(shù)。通過基于快速傅里葉逆變換/快速傅里葉變換和OQAM符號的濾波器組，可以將實(shí)符號以兩倍于FBMC/正交調(diào)幅的符號速率加載到子載波中，因此具有較高的頻譜效率。旁瓣較小的濾波器減小了載波頻移，減輕了其對正交頻分復(fù)用傳輸?shù)挠绊?，使頻譜帶外泄漏特別低。由于FBMC-OQAM系統(tǒng)不插入循環(huán)前綴，因此傳輸數(shù)據(jù)速率高，頻譜利用率高[3]。然而，F(xiàn)BMC-OQAM和正交頻分復(fù)用都是多載波調(diào)制技術(shù)。在符號傳輸過程中，多個(gè)子信道傳輸信號的疊加會(huì)產(chǎn)生較大的峰值，導(dǎo)致較高的峰均比(PAPR)。高PAPR導(dǎo)致非線性功率放大器中FBMC-OQAM性能的嚴(yán)重退化，因此降低FBMC-OQAM系統(tǒng)的PAPR是下一代通信技術(shù)的主要問題。一般來說，PAPR還原技術(shù)大致可以分為兩類——失真技術(shù)和非失真技術(shù)。失真技術(shù)包括壓擴(kuò)技術(shù)(星座擴(kuò)展法)和削波技術(shù)(消峰法)，不失真技術(shù)包括編碼技術(shù)(分組編碼)和概率技術(shù)。概率解決方案，如選擇性映射(SLM)和部分傳輸序列(PTS)，主要是降低信號中出現(xiàn)高峰的概率，而不是降低最大信號的幅度[4]。它們復(fù)雜度相對較低，在恢復(fù)邊帶信息時(shí)不會(huì)影響誤碼率，因此更有優(yōu)勢。

比較FBMC-OQAM信號和正交頻分復(fù)用信號的差異，F(xiàn)BMC-OQAM信號的相鄰數(shù)據(jù)塊相互重疊，因此傳統(tǒng)的PAPR縮減技術(shù)不能用于FBMC-OQAM系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]沒有考慮FBMC-OQAM符號的特殊性，直接在FBMC系統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)中應(yīng)用削波法和壓擴(kuò)法，導(dǎo)致PAPR性能較差。當(dāng)計(jì)算當(dāng)前符號的最佳PAPR縮減時(shí)，必須考慮FBMC-OQAM信號的過去符號。考慮到過去的符號，分散的空間光調(diào)制器被用來減少FBMC-OQAM信號的PAPR。在當(dāng)前符號處，由傳統(tǒng)方案確定的最佳相位模式對于分散的空間光調(diào)制器方案來說是低效的通過分析近年來國內(nèi)外對FBMC-OQAM信號PAPR還原方法的研究現(xiàn)狀，可以看出現(xiàn)有的許多方法都有一定的局限性。本文首先對信號進(jìn)行分組，然后將SLM方法和PTS方法相結(jié)合。該改進(jìn)方法首先劃分不同的子塊，將串并信號分成矩陣，然后計(jì)算每個(gè)子塊數(shù)據(jù)的權(quán)重，然后從每個(gè)子塊中選擇一個(gè)傳輸序列。這個(gè)序列乘以旋轉(zhuǎn)因子，然后求和。最后，通過遍歷選擇相應(yīng)的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)因子，找到最小的一組子塊序列組合的PAPR值，從而獲得較低的FBMC-OQAM信號的PAPR性能。。文獻(xiàn)1 FBMC-OQAM系統(tǒng)原理充分利用了FBMC-OQAN信號的特點(diǎn)，提出了一種基于網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)規(guī)劃SLM算法來檢測最優(yōu)相位旋轉(zhuǎn)矢量。

[6]

[7]

1.1 FBMC-OQAM信號結(jié)構(gòu)

具有偏移正交幅度調(diào)制(FBMC-OQAM)的濾波器組多載波技術(shù)被認(rèn)為是下一代無線通信系統(tǒng)的主要研究方法。與循環(huán)前綴-正交頻分復(fù)用技術(shù)相比，F(xiàn)BMC-OQAM系統(tǒng)利用其原型濾波器的調(diào)制來抑制頻譜，因此不需要添加循環(huán)前綴。所以在同等條件下，具有更高的頻譜利用率。

FBMC-OQAM系統(tǒng)主要由OQAM預(yù)處理模塊、合成濾波器組(SFB)、分析濾波器組(AFB)和OQAM后處理模塊組成。為了降低系統(tǒng)計(jì)算的復(fù)雜度，采用PPN濾波器組的相應(yīng)處理來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濾波器組結(jié)構(gòu)[8]。FBMC-OQAM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在FBMC-OQAM系統(tǒng)中，OQAM用于調(diào)制信號。預(yù)處理級位于FBMC-OQAM的發(fā)射端。圖2是OQAM預(yù)處理結(jié)構(gòu)圖。

其中實(shí)數(shù)符號由復(fù)數(shù)Cm映射而來，n；n從M到M-1的變化如下:

其中h(t)是原型濾波器的脈沖響應(yīng)，這種時(shí)間交錯(cuò)規(guī)則的數(shù)學(xué)意義出現(xiàn)在參考文獻(xiàn)[8]中，它有一個(gè)相位項(xiàng)，設(shè)置為。圖3示出了發(fā)射端的多相網(wǎng)絡(luò)的濾波器組。

PHYDYAS濾波器的脈沖響應(yīng)為:

其中a是標(biāo)準(zhǔn)化常數(shù)，并且

1.2 fbmc-oqam系統(tǒng)中PAPR的定義

峰均功率比通常定義為一段時(shí)間內(nèi)最大峰值功率與平均功率之比。如果連續(xù)時(shí)間基帶信號為s(t)，則一個(gè)傳輸周期內(nèi)的PAPR定義為[12]:

大多數(shù)現(xiàn)有的簡化PAPR技術(shù)只能在離散時(shí)間信號上實(shí)現(xiàn)。如果信號以奈奎斯特速率采樣，可能會(huì)錯(cuò)過一些峰值，因此有必要進(jìn)行過采樣。PAPR的互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)是分析PAPR的有用參數(shù)，定義為離散時(shí)間信號的PAPR超過給定閾值的概率，其表達(dá)式如下:

此后，CCDF函數(shù)被用來度量FBMC-OQAM系統(tǒng)的PAPR分布。

2 PAPR還原技術(shù)

2.1 SLM技術(shù)

空間光調(diào)制器方法是一種簡單有效的PAPR還原技術(shù)。頻域相位旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生n組不同的矢量，乘以輸入符號得到不同的PAPR，然后選擇峰均比最小的信號進(jìn)行傳輸。即長度為n的k個(gè)相互獨(dú)立的相位加權(quán)因子向量乘以n個(gè)離散的頻域信號數(shù)據(jù)，得到k個(gè)不同的輸出序列，然后進(jìn)行IFFT運(yùn)算，選擇峰值平均值較小的序列進(jìn)行傳輸。圖4是用空間光調(diào)制器方法降低信號PAPR值的結(jié)構(gòu)框圖。

2.2臨時(shí)技術(shù)秘書處技術(shù)

圖5是使用PTS方法降低信號PAPR值的結(jié)構(gòu)框圖。頻域數(shù)據(jù)信息分為v組，如。每組的所有子載波都乘以加權(quán)因子，以降低PAPR性能。

每組中的相關(guān)相位值由等式(11)給出:

其中w是預(yù)定的離散相的數(shù)量。乘以每組的加權(quán)因子，子載波向量為:

其中是加權(quán)因子，需要通知接收機(jī)作為輔助信息。通過使用等式(13)，在時(shí)域中優(yōu)化V組加權(quán)因子的集合，以實(shí)現(xiàn)更好的PAPR性能。

2.3可持續(xù)土地管理與臨時(shí)技術(shù)秘書處相結(jié)合的方法

由于SLM法和PTS法各有利弊，以下將采用先將傳輸數(shù)據(jù)分塊，再結(jié)合SLM法和PTS法的方法。實(shí)現(xiàn)的原理和結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

該改進(jìn)方法首先將輸入數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)子塊，將串并行變換后的信號劃分為N個(gè)矩陣，通過SLM算法計(jì)算每個(gè)矩陣，即生成一個(gè)隨機(jī)序列，該隨機(jī)序列由子塊的每個(gè)矩陣與隨機(jī)生成的相位加權(quán)因子向量進(jìn)行點(diǎn)乘生成。然后，對每個(gè)子塊生成的隨機(jī)序列進(jìn)行傅里葉逆變換，最后從隨機(jī)序列中選擇一個(gè)序列進(jìn)行傳輸。這個(gè)序列乘以旋轉(zhuǎn)因子，然后求和。最后通過遍歷選擇相應(yīng)的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)因子，找出一組PAPR值最小的子塊序列組合信號。

3模擬結(jié)果

本文的仿真實(shí)驗(yàn)是在MATLAB仿真平臺上進(jìn)行的。為了保證仿真結(jié)果的可靠性，選擇了105個(gè)FBMC符號。子載波個(gè)數(shù)為64，F(xiàn)BMC信號用4QAM調(diào)制，原型濾波器重疊因子K為4。仿真中不考慮邊帶信息，向量旋轉(zhuǎn)向量集為{1 -1 i -i}，其中PTS方法中的數(shù)據(jù)劃分采用鄰區(qū)劃分方法。

圖7顯示了FBMC-OQAM原始信號的PAPR。當(dāng)加權(quán)因子K的長度=2，4，8時(shí)，信號的PAPR CCDF曲線用選擇映射法處理。

采用空間光調(diào)制器后，隨著相位旋轉(zhuǎn)因子個(gè)數(shù)的增加，F(xiàn)BMC系統(tǒng)的PAPR值減小。從圖7可以看出，當(dāng)K =2時(shí)，PAPR值下降最多。隨著k的增加，PAPR不會(huì)明顯減少，反而會(huì)增加系統(tǒng)計(jì)算和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

圖8是采用PTS方法時(shí)，不同v值下FBMC系統(tǒng)與原始信號的CCDF比較。

隨著v值的增加，信號的PAPR性能進(jìn)一步提高?？紤]到系統(tǒng)計(jì)算的復(fù)雜性和PAPR性能，當(dāng)V =4，累積分布函數(shù)CCDF =10-3時(shí)，PAPR性能提高約2.3分貝。

圖9顯示了當(dāng)SLM方法K =4和PTS方法V =4時(shí)，通過組合SLM和PTS得到的PAPR的CCDF曲線。

其中SLM和PTS組合方法采用相鄰等距分組。如圖9所示，改進(jìn)方法的PAPR性能明顯提高了約2.1分貝。

本文研究了FBMC-OQAM信號的結(jié)構(gòu)和特征。由于FBMC-OQAM系統(tǒng)由多個(gè)正交子載波組成，信號由這些子載波上的符號組成，因此FBMC-OQAM系統(tǒng)存在較高的峰均比問題。為了充分發(fā)揮FBMC-OQAM體系的優(yōu)勢，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對如何降低FBMC-OQAM體系的PAPR進(jìn)行了研究。本文采用空間光調(diào)制器法和時(shí)域有限差分法來降低FBMC-OQAM信號的峰均功率比，并將這兩種方法進(jìn)行了結(jié)合和改進(jìn)，并用Matlab軟件對不同算法進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的方法可以獲得比空間光調(diào)制器方法和時(shí)間點(diǎn)法更好的PAPR性能。

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作者簡介:

吳晴晴，江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院碩士，主要研究方向?yàn)楣饫w通信；

劉占勝，江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院副教授，博士。他的主要研究興趣是光通信和光無線通信。

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