《电子技术应用》

降低FBMC-OQAM系统峰均比的重叠分段主动星座扩展算法

2017年电子技术应用第11期 作者:黄俊伟,吕晓波,张 恒,任 壮
2017/12/5 12:00:00

    摘  要: 作为多载波系统,FBMC-OQAM系统存在峰均比(PAPR)较高的问题,同时由于FBMC-OQAM信号的时域重叠特性,导致传统OFDM系统中的方法并不能完全适用。通过对传统主动星座扩展(ACE)方法进行改进,提出了一种适用于FBMC-OQAM系统的重叠分段主动星座扩展(OS-ACE)方法。该算法先将重叠数据进行分割处理,然后再降低每个数据块的PAPR。理论分析和仿真结果证明,该算法能够有效降低FBMC-OQAM系统峰均比,且不会影响误码率性能。

    关键词: 滤波器多载波偏移正交幅度调制峰均值比;重叠分段星座扩展算法

    中图分类号: TN929.5

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170751


    中文引用格式: 黄俊伟,吕晓波,张恒,等. 降低FBMC-OQAM系统峰均比的重叠分段主动星座扩展算法[J].电子技术应用,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.

0 引言

    第五代移动通信技术(5G)已经成为国内外移动通信领域研究的重点,5G中的多址与复用技术更成为其中热点。传统的正交频分复用(OFDM)技术对载波的频偏敏感性高,子载波严格的正交性限制了频谱的灵活适用,因此OFDM无法满足5G的发展需求。滤波器多载波技术(Filter Bank Multicarrier,FBMC)作为一种有效的多址与复用技术被再次提出[1]

    FBMC通过采用旁瓣较小的原型滤波器,缓解了OFDM中载波频偏对系统传输的影响。FBMC采用偏移正交调制(OQAM)后构成的FBMC-OQAM系统具有较低的带外频谱泄漏。同时FBMC无CP的特性,使得FBMC-OQAM具有比OFDM更高的数据传输速率[2-5]

    FBMC-OQAM作为一个多载波系统,传输信号由多个子信道叠加而成,这会导致信号峰值功率和平均功率比(PAPR)较大,而PAPR较大会增加硬件成本。因此如何降低FBMC-OQAM系统的PAPR具有研究意义。

    从OFDM提出以来,已经有很多降低OFDM系统PAPR的技术被提出。一类是信号无失真方法,如部分传输序列法(PTS)[6-7]和选择映射法(SLM)[8-9];另一类是信号有失真技术,如剪切法[10]、主动星座扩展法(ACE)[11]和压扩法。由于FBMC-OQAM信号时域重叠的特性,OFDM中的方法并不能完全适用于FBMC-OQAM系统。

    文献[12]将OFDM中的压扩法直接运用到FBMC系统中,并没有考虑FBMC-OQAM系统符号时域重叠的特性,其误码率和PAPR性能并不能满足要求。文献[13] 将OFDM中提出的预留子载波(TR)方法运用到FBMC-OQAM中,同时考虑了FBMC-OQAM信号重叠的特点,对TR方法进行了改进,使TR方法更适用于FBMC-OQAM系统。文献[14]根据FBMC-OQAM信号时域重叠的特点,对OSLM算法进行改进,提出了适用于FBMC-OQAM的AS-I、AS-S和AS-J算法。文献[15]通过对传统的SLM算法进行改进,利用 FBMC-OQAM 信号的叠加性,进行多数据块处理,提出了MB-SLM 算法 。文献[16]根据 FBMC-OQAM信号重叠的特点,结合OFDM中的PTS算法,对FBMC-OQAM信号进行了分割处理以降低PAPR。

    本文基于OFDM中提出的ACE算法,提出了一种适用于FBMC-OQAM的重叠分段主动星座扩展算法(OS-ACE)。结合传统的ACE算法以及FBMC-OQAM系统符号重叠的特性,该算法先对输入信号进行动态分割,然后再对各个部分进行剪切和ACE处理。由于采用了ACE算法处理,因此该算法可以在保证误码率性能的条件下,降低FBMC-OQAM系统的PAPR。

1 FBMC-OQAM系统模型

    图1为FBMC-OQAM信号的发送框图。OFDM系统是以一定速率发送复信号,而FBMC-OQAM系统采用了OQAM调制,发送复信号的实部和虚部之间有T/2的延迟(T为码元宽度),同时相邻子载波之间也有π/2的间隔,以保证信号在时频坐标格点上虚实交替,达到实数域正交的目的。FBMC-OQAM系统的符号可以表示为:

tx4-gs1-5.gif

tx4-t1.gif

    假设子载波数量为N,重叠因子为K,则滤波器的长度L=KN。因为FBMC-OQAM系统原型滤波器的脉冲响应长度大于符号周期T,且输入信号的实部和虚部之间有T/2的时间延迟,因此FBMC-OQAM的相邻数据块是有重叠的(如图2),而这一特点会对系统的峰均值比大小产生影响。

    OFDM系统中PAPR表示信号的峰值与信号的均值之比,用来反映信号的幅度变化。若s[n]表示N个子载波上待发送的复信号,那么PAPR可以定义为:

    tx4-gs6.gif

    因为FBMC-OQAM系统和OFDM系统都是以相同的速率(1/T)发送信号,因此在FBMC-OQAM中仍然以式(5)计算FBMC-OQAM信号的PAPR。

    由于FBMC-OQAM信号的PAPR是一个随机值,因此用互补累计分布函数(CCDF)来衡量信号的PAPR[17]。互补累计分布函数表示数据块的峰均比值大于给定门限PAPR0的概率,其定义式为:

    tx4-gs7.gif

2 重叠分段主动星座扩展算法

    在FBMC-OQAM系统中,因为相邻数据块之间有重叠,因此不能像OFDM系统中直接对每个数据块进行处理,需要考虑数据块之间重叠部分对PAPR性能的影响。对于OS-ACE算法,首先把相互重叠的数据块分割成几个部分,在每个分割后的数据块中,仍然保留了相邻数据块对该数据块的影响,同时每个分割部分也有重叠,避免了分割长度的偶然性对PAPR性能的影响,然后再对分割后的数据块进行处理。对于时域FBMC-OQAM信号,N个子载波上第m个数据块的数据叠加后可以表示为式(5)。

    式(5)中am,n包含了实部和虚部信号,因此相邻数据块之间的间隔是N(实部和虚部之间间隔是N/2)。由于实际发送过程中,实部和虚部是分开发送,因此,为了便于分析,OS-ACE方案中对复信号的实部和虚部分开处理,具体的划分方案如图2。这时N个子载波上第m个数据块可以表示为:

    tx4-gs8.gif

tx4-t2.gif

tx4-gs9.gif

    如图2所示,假设时域重叠的信号被分割成个p部分,并且每个部分的长度是JN,J是不小于1的整数。相邻两个数据块重叠部分的长度是ON,O的范围从0~J-1。因此,J的大小决定了每个部分的长度,也就是每次能处理的数据块的数量,J越大则能同时处理的数据块的数量也越多,那么该方案降低PAPR的性能也越好。但是当J大于重叠因子K时,由于处理的数据块长度(JN)大于了实际数据的长度(KN),所以这种性能的提升是没有意义的。具体J和O的取值对降低PAPR性能的影响将在第3节给出。当J=1、O=0时,表示每一分割部分的长度等于一个完整数据(实部和虚部)的长度,并且每个部分之间没有重叠。这一条件下,改进的OS-ACE算法与传统的ACE算法是相同的。于是可以得出具体分割的数据块的个数P为:

tx4-gs10-12.gif

    OS-ACE算法的具体处理步骤如下:

tx4-gs13-15.gif

    当第p个数据块经过ACE方案处理后,继续处理第p+1个数据块,直到所有的P个数据块全部处理完成。

3 仿真结果

    这一部分主要对所提出的OS-ACE算法PAPR性能以及误码率性能进行对比仿真验证。仿真采用的FBMC-OQAM系统具有64个子载波,原型滤波器的长度为4N(重叠因子为4),表示滤波处理后的时域信号长度为原始信号的4倍。PAPR性能以互补累计分布函数(CCDF)作为评估标准。

    首先,对比了OS-ACE算法中重叠长度不同(O的取值不同)条件下PAPR的性能。仿真采用的剪切率CR=1.8,每个部分的长度是3N(J=3),重叠部分长度分别为O=0,1,2,O=0表示相邻部分之间没有重叠。仿真结果如图3,仿真结果表明:OS-ACE算法能有效地降低FBMC-OQAM系统的PAPR,并且随着重叠部分长度的增加,OS-ACE算法降低PAPR的性能有所提升。

tx4-t3.gif

    图4显示了分割数据块长度不同的情况下(J取值不同)PAPR的性能。由仿真结果可以看出分割部分长度对PAPR的性能有很大的影响。当J=5、O=4时PAPR的性能是最好的,并且每个部分数据块越长降低PAPR的性能也越好,当J增加到4时,J的增加对PAPR性能的提升不再明显。此外,增加O的值对PAPR的性能也有提升,但是不如增加J的值效果明显。由式(11)可知分割的数据块个数P由(J-O)决定,O的大小决定了重叠部分的长度,同时O越大,计算复杂度也越高。综合考虑后,在J=4、O=2的条件下,既可以获得较好的PAPR性能,又可以适当降低计算的复杂度。

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    图5显示了在J=4、O=2的条件下,OS-ACE算法与传统ACE算法降低PAPR的性能比较结果。从仿真结果可以得出:在FBMC-OQAM系统中,OS-ACE算法的性能比传统的ACE算法更好。

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    图6显示了OS-ACE算法与传统的ACE算法误比特率性能的比较结果。仿真结果表明:与传统的ACE算法相比,OS-ACE算法在降低FBMC-OQAM系统PAPR的同时,算法的误比特率性能并没有下降。

tx4-t6.gif

4 结论

    本文中提出了一种OS-ACE算法用于降低FBMC-OQAM系统峰均比值。根据FBMC-OQAM信号时域重叠的特性,OS-ACE算法将重叠信号分割成几个部分,每个部分都是由原来连续重叠的数据块组成。因此,分割之后可以消除原来相邻数据块之间重叠的特性,同时由于采用了部分重叠的分割方式,可以进一步提高降低PAPR的性能。仿真结果验证了该算法的有效性,仿真结果表明在不影响误码率的条件下,该算法比传统的ACE算法具有更好的降低PAPR的性能。

参考文献

[1] 尤肖虎,潘志文,高西奇,等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学:信息科学,2014,44(5):551-563.

[2] XIE X.Key requirements and multi-access multiplexing techniques for 5G[J].Journal of Chongqing University of Posts & Telecommunications,2015,27(4):434-440.

[3] SCHAICH F,WILD T.Waveform contenders for 5G-OFDM vs. FBMC vs. UFMC[C].International Symposium on Communications, Control and Signal Processing,2014:457-460.

[4] FARHANG-BOROUJENY B.OFDM versus filter bank multicarrier[J].Signal Processing Magazine IEEE,2011,28(3):92-112.

[5] BELLANGER M G.Specification and design of a prototype filter for filter bank based multicarrier transmission[C].IEEE International Conference on Acoustics,Speech,and Signal Processing,2001.Proceedings.IEEE,2001:2417-2420.

[6] ALAVI A,TELLAMBURA C,FAIR I.PAPR reduction of OFDM signals using partial transmit sequence: an optimal approach using sphere decoding[J].IEEE Communications Letters,2005,9(11):982-984.

[7] CIMINI L J,SOLLENBERGER N R.Peak-to-average power ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequences[J].IEEE Communications Letters,2000,4(3):86-88.

[8] HEO S J,NOH H S,NO J S,et al.A modified SLM scheme with low complexity for PAPR reduction of OFDM systems[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2007,53(4):804-808.

[9] LIU X,WU Q,YANG Y.A new SLM OFDM scheme with low complexity for PAPR reduction in CR system[C].IEEE International Conference on Wireless Information Technology and Systems.IEEE,2010:1-4.

[10] REN G,ZHANG H,CHANG Y.A complementary clipping transform technique for the reduction of peak-to-average power ratio of OFDM system[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2003,49(4):922-926.

[11] ZHOU Y,JIANG T.A novel clipping integrated into ACE for PAPR reduction in OFDM systems[C].International Conference on Wireless Communications & Signal Processing.IEEE,2009:1-4.

[12] VARGHESE N,CHUNKATH J,SHEEBA V S.Peak-to-average power ratio reduction in FBMC-OQAM system[C].International Conference on Advances in Computing & Communications.2014:286-290.

[13] LAABIDI M,ZAYANI R,BOUALLEGUE R.A new tone reservation scheme for PAPR reduction in FBMC/OQAM systems[C].Wireless Communications and Mobile Computing Conference.IEEE,2015:862-867.

[14] ZHOU Y,JIANG T,HUANG C,et al.Peak-to-average power ratio reduction for OFDM/OQAM signals via alternative-signal method[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2014,63(1):494-499.

[15] LAABIDI M,ZAYANI R,BOUALLEGUE R.A novel multi-block selective mapping scheme for PAPR reduction in FBMC/OQAM systems[C].Information Technology and Computer Applications Congress.IEEE,2015:1-5.

[16] YE C,LI Z,JIANG T,et al.PAPR reduction of OQAM-OFDM signals using segmental PTS scheme with low complexity[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2014,60(1):141-147.

[17] AL-ANBAGI H N,ELLEITHY K.A new proposed peak-to-average power reduction parameter to evaluate SLM and PTS as OFDM PAPR reduction schemes[C].Research and Development.IEEE,2013:398-401.

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