《電子技術(shù)應(yīng)用》
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降低FBMC-OQAM系統(tǒng)峰均比的重疊分段主動(dòng)星座擴(kuò)展算法
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
黃俊偉,呂曉波,張 恒,任 壯
重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,重慶400065
摘要: 作為多載波系統(tǒng),F(xiàn)BMC-OQAM系統(tǒng)存在峰均比(PAPR)較高的問(wèn)題,同時(shí)由于FBMC-OQAM信號(hào)的時(shí)域重疊特性,導(dǎo)致傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)中的方法并不能完全適用。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)主動(dòng)星座擴(kuò)展(ACE)方法進(jìn)行改進(jìn),提出了一種適用于FBMC-OQAM系統(tǒng)的重疊分段主動(dòng)星座擴(kuò)展(OS-ACE)方法。該算法先將重疊數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理,然后再降低每個(gè)數(shù)據(jù)塊的PAPR。理論分析和仿真結(jié)果證明,該算法能夠有效降低FBMC-OQAM系統(tǒng)峰均比,且不會(huì)影響誤碼率性能。
中圖分類號(hào): TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170751
中文引用格式: 黃俊偉,呂曉波,張恒,等. 降低FBMC-OQAM系統(tǒng)峰均比的重疊分段主動(dòng)星座擴(kuò)展算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(11):99-102,106.
英文引用格式: Huang Junwei,Lv Xiaobo,Zhang Heng,et al. An overlapped segmental active constellation extension for the PAPR reduction of the FBMC-OQAM system[J].Application of Electronic Technique,2017,43(11):99-102,106.
An overlapped segmental active constellation extension for the PAPR reduction of the FBMC-OQAM system
Huang Junwei,Lv Xiaobo,Zhang Heng,Ren Zhuang
School of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065,China
Abstract: As a multi carrier system,F(xiàn)BMC-OQAM system also has the problem of high peak-to-average power ratio(PAPR),at the same time, since the time domain overlapping characteristics of FBMC-OQAM signal, traditional methods in OFDM system can not be fully applicable. By improving the traditional Active Constellation Extension(ACE) algorithm in this paper, a modified scheme called overlapped segmental Active Constellation Extension(OS-ACE) is proposed to deal with the high PAPR problem in FBMC-OQAM system. The algorithm firstly divides the overlapped data blocks into several segments, and then reduces the PAPR of each block. Theoretical analysis and simulation results demonstrate the algorithm can effectively reduce the peak-to-average ratio of FBMC-OQAM system without affecting the BER performance.
Key words : FBMC;OQAM;peak-to-average ratio;OS-ACE

0 引言

    第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外移動(dòng)通信領(lǐng)域研究的重點(diǎn),5G中的多址與復(fù)用技術(shù)更成為其中熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)對(duì)載波的頻偏敏感性高,子載波嚴(yán)格的正交性限制了頻譜的靈活適用,因此OFDM無(wú)法滿足5G的發(fā)展需求。濾波器多載波技術(shù)(Filter Bank Multicarrier,F(xiàn)BMC)作為一種有效的多址與復(fù)用技術(shù)被再次提出[1]。

    FBMC通過(guò)采用旁瓣較小的原型濾波器,緩解了OFDM中載波頻偏對(duì)系統(tǒng)傳輸?shù)挠绊?。FBMC采用偏移正交調(diào)制(OQAM)后構(gòu)成的FBMC-OQAM系統(tǒng)具有較低的帶外頻譜泄漏。同時(shí)FBMC無(wú)CP的特性,使得FBMC-OQAM具有比OFDM更高的數(shù)據(jù)傳輸速率[2-5]。

    FBMC-OQAM作為一個(gè)多載波系統(tǒng),傳輸信號(hào)由多個(gè)子信道疊加而成,這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)峰值功率和平均功率比(PAPR)較大,而PAPR較大會(huì)增加硬件成本。因此如何降低FBMC-OQAM系統(tǒng)的PAPR具有研究意義。

    從OFDM提出以來(lái),已經(jīng)有很多降低OFDM系統(tǒng)PAPR的技術(shù)被提出。一類是信號(hào)無(wú)失真方法,如部分傳輸序列法(PTS)[6-7]和選擇映射法(SLM)[8-9];另一類是信號(hào)有失真技術(shù),如剪切法[10]、主動(dòng)星座擴(kuò)展法(ACE)[11]和壓擴(kuò)法。由于FBMC-OQAM信號(hào)時(shí)域重疊的特性,OFDM中的方法并不能完全適用于FBMC-OQAM系統(tǒng)。

    文獻(xiàn)[12]將OFDM中的壓擴(kuò)法直接運(yùn)用到FBMC系統(tǒng)中,并沒(méi)有考慮FBMC-OQAM系統(tǒng)符號(hào)時(shí)域重疊的特性,其誤碼率和PAPR性能并不能滿足要求。文獻(xiàn)[13] 將OFDM中提出的預(yù)留子載波(TR)方法運(yùn)用到FBMC-OQAM中,同時(shí)考慮了FBMC-OQAM信號(hào)重疊的特點(diǎn),對(duì)TR方法進(jìn)行了改進(jìn),使TR方法更適用于FBMC-OQAM系統(tǒng)。文獻(xiàn)[14]根據(jù)FBMC-OQAM信號(hào)時(shí)域重疊的特點(diǎn),對(duì)OSLM算法進(jìn)行改進(jìn),提出了適用于FBMC-OQAM的AS-I、AS-S和AS-J算法。文獻(xiàn)[15]通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的SLM算法進(jìn)行改進(jìn),利用 FBMC-OQAM 信號(hào)的疊加性,進(jìn)行多數(shù)據(jù)塊處理,提出了MB-SLM 算法 。文獻(xiàn)[16]根據(jù) FBMC-OQAM信號(hào)重疊的特點(diǎn),結(jié)合OFDM中的PTS算法,對(duì)FBMC-OQAM信號(hào)進(jìn)行了分割處理以降低PAPR。

    本文基于OFDM中提出的ACE算法,提出了一種適用于FBMC-OQAM的重疊分段主動(dòng)星座擴(kuò)展算法(OS-ACE)。結(jié)合傳統(tǒng)的ACE算法以及FBMC-OQAM系統(tǒng)符號(hào)重疊的特性,該算法先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分割,然后再對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行剪切和ACE處理。由于采用了ACE算法處理,因此該算法可以在保證誤碼率性能的條件下,降低FBMC-OQAM系統(tǒng)的PAPR。

1 FBMC-OQAM系統(tǒng)模型

    圖1為FBMC-OQAM信號(hào)的發(fā)送框圖。OFDM系統(tǒng)是以一定速率發(fā)送復(fù)信號(hào),而FBMC-OQAM系統(tǒng)采用了OQAM調(diào)制,發(fā)送復(fù)信號(hào)的實(shí)部和虛部之間有T/2的延遲(T為碼元寬度),同時(shí)相鄰子載波之間也有π/2的間隔,以保證信號(hào)在時(shí)頻坐標(biāo)格點(diǎn)上虛實(shí)交替,達(dá)到實(shí)數(shù)域正交的目的。FBMC-OQAM系統(tǒng)的符號(hào)可以表示為:

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    假設(shè)子載波數(shù)量為N,重疊因子為K,則濾波器的長(zhǎng)度L=KN。因?yàn)镕BMC-OQAM系統(tǒng)原型濾波器的脈沖響應(yīng)長(zhǎng)度大于符號(hào)周期T,且輸入信號(hào)的實(shí)部和虛部之間有T/2的時(shí)間延遲,因此FBMC-OQAM的相鄰數(shù)據(jù)塊是有重疊的(如圖2),而這一特點(diǎn)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的峰均值比大小產(chǎn)生影響。

    OFDM系統(tǒng)中PAPR表示信號(hào)的峰值與信號(hào)的均值之比,用來(lái)反映信號(hào)的幅度變化。若s[n]表示N個(gè)子載波上待發(fā)送的復(fù)信號(hào),那么PAPR可以定義為:

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    因?yàn)镕BMC-OQAM系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)都是以相同的速率(1/T)發(fā)送信號(hào),因此在FBMC-OQAM中仍然以式(5)計(jì)算FBMC-OQAM信號(hào)的PAPR。

    由于FBMC-OQAM信號(hào)的PAPR是一個(gè)隨機(jī)值,因此用互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)(CCDF)來(lái)衡量信號(hào)的PAPR[17]?;パa(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)表示數(shù)據(jù)塊的峰均比值大于給定門限PAPR0的概率,其定義式為:

    tx4-gs7.gif

2 重疊分段主動(dòng)星座擴(kuò)展算法

    在FBMC-OQAM系統(tǒng)中,因?yàn)橄噜彅?shù)據(jù)塊之間有重疊,因此不能像OFDM系統(tǒng)中直接對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行處理,需要考慮數(shù)據(jù)塊之間重疊部分對(duì)PAPR性能的影響。對(duì)于OS-ACE算法,首先把相互重疊的數(shù)據(jù)塊分割成幾個(gè)部分,在每個(gè)分割后的數(shù)據(jù)塊中,仍然保留了相鄰數(shù)據(jù)塊對(duì)該數(shù)據(jù)塊的影響,同時(shí)每個(gè)分割部分也有重疊,避免了分割長(zhǎng)度的偶然性對(duì)PAPR性能的影響,然后再對(duì)分割后的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行處理。對(duì)于時(shí)域FBMC-OQAM信號(hào),N個(gè)子載波上第m個(gè)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)疊加后可以表示為式(5)。

    式(5)中am,n包含了實(shí)部和虛部信號(hào),因此相鄰數(shù)據(jù)塊之間的間隔是N(實(shí)部和虛部之間間隔是N/2)。由于實(shí)際發(fā)送過(guò)程中,實(shí)部和虛部是分開(kāi)發(fā)送,因此,為了便于分析,OS-ACE方案中對(duì)復(fù)信號(hào)的實(shí)部和虛部分開(kāi)處理,具體的劃分方案如圖2。這時(shí)N個(gè)子載波上第m個(gè)數(shù)據(jù)塊可以表示為:

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    如圖2所示,假設(shè)時(shí)域重疊的信號(hào)被分割成個(gè)p部分,并且每個(gè)部分的長(zhǎng)度是JN,J是不小于1的整數(shù)。相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)塊重疊部分的長(zhǎng)度是ON,O的范圍從0~J-1。因此,J的大小決定了每個(gè)部分的長(zhǎng)度,也就是每次能處理的數(shù)據(jù)塊的數(shù)量,J越大則能同時(shí)處理的數(shù)據(jù)塊的數(shù)量也越多,那么該方案降低PAPR的性能也越好。但是當(dāng)J大于重疊因子K時(shí),由于處理的數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度(JN)大于了實(shí)際數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度(KN),所以這種性能的提升是沒(méi)有意義的。具體J和O的取值對(duì)降低PAPR性能的影響將在第3節(jié)給出。當(dāng)J=1、O=0時(shí),表示每一分割部分的長(zhǎng)度等于一個(gè)完整數(shù)據(jù)(實(shí)部和虛部)的長(zhǎng)度,并且每個(gè)部分之間沒(méi)有重疊。這一條件下,改進(jìn)的OS-ACE算法與傳統(tǒng)的ACE算法是相同的。于是可以得出具體分割的數(shù)據(jù)塊的個(gè)數(shù)P為:

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    OS-ACE算法的具體處理步驟如下:

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    當(dāng)?shù)趐個(gè)數(shù)據(jù)塊經(jīng)過(guò)ACE方案處理后,繼續(xù)處理第p+1個(gè)數(shù)據(jù)塊,直到所有的P個(gè)數(shù)據(jù)塊全部處理完成。

3 仿真結(jié)果

    這一部分主要對(duì)所提出的OS-ACE算法PAPR性能以及誤碼率性能進(jìn)行對(duì)比仿真驗(yàn)證。仿真采用的FBMC-OQAM系統(tǒng)具有64個(gè)子載波,原型濾波器的長(zhǎng)度為4N(重疊因子為4),表示濾波處理后的時(shí)域信號(hào)長(zhǎng)度為原始信號(hào)的4倍。PAPR性能以互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)(CCDF)作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

    首先,對(duì)比了OS-ACE算法中重疊長(zhǎng)度不同(O的取值不同)條件下PAPR的性能。仿真采用的剪切率CR=1.8,每個(gè)部分的長(zhǎng)度是3N(J=3),重疊部分長(zhǎng)度分別為O=0,1,2,O=0表示相鄰部分之間沒(méi)有重疊。仿真結(jié)果如圖3,仿真結(jié)果表明:OS-ACE算法能有效地降低FBMC-OQAM系統(tǒng)的PAPR,并且隨著重疊部分長(zhǎng)度的增加,OS-ACE算法降低PAPR的性能有所提升。

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    圖4顯示了分割數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度不同的情況下(J取值不同)PAPR的性能。由仿真結(jié)果可以看出分割部分長(zhǎng)度對(duì)PAPR的性能有很大的影響。當(dāng)J=5、O=4時(shí)PAPR的性能是最好的,并且每個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)塊越長(zhǎng)降低PAPR的性能也越好,當(dāng)J增加到4時(shí),J的增加對(duì)PAPR性能的提升不再明顯。此外,增加O的值對(duì)PAPR的性能也有提升,但是不如增加J的值效果明顯。由式(11)可知分割的數(shù)據(jù)塊個(gè)數(shù)P由(J-O)決定,O的大小決定了重疊部分的長(zhǎng)度,同時(shí)O越大,計(jì)算復(fù)雜度也越高。綜合考慮后,在J=4、O=2的條件下,既可以獲得較好的PAPR性能,又可以適當(dāng)降低計(jì)算的復(fù)雜度。

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    圖5顯示了在J=4、O=2的條件下,OS-ACE算法與傳統(tǒng)ACE算法降低PAPR的性能比較結(jié)果。從仿真結(jié)果可以得出:在FBMC-OQAM系統(tǒng)中,OS-ACE算法的性能比傳統(tǒng)的ACE算法更好。

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    圖6顯示了OS-ACE算法與傳統(tǒng)的ACE算法誤比特率性能的比較結(jié)果。仿真結(jié)果表明:與傳統(tǒng)的ACE算法相比,OS-ACE算法在降低FBMC-OQAM系統(tǒng)PAPR的同時(shí),算法的誤比特率性能并沒(méi)有下降。

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4 結(jié)論

    本文中提出了一種OS-ACE算法用于降低FBMC-OQAM系統(tǒng)峰均比值。根據(jù)FBMC-OQAM信號(hào)時(shí)域重疊的特性,OS-ACE算法將重疊信號(hào)分割成幾個(gè)部分,每個(gè)部分都是由原來(lái)連續(xù)重疊的數(shù)據(jù)塊組成。因此,分割之后可以消除原來(lái)相鄰數(shù)據(jù)塊之間重疊的特性,同時(shí)由于采用了部分重疊的分割方式,可以進(jìn)一步提高降低PAPR的性能。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性,仿真結(jié)果表明在不影響誤碼率的條件下,該算法比傳統(tǒng)的ACE算法具有更好的降低PAPR的性能。

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