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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
黄俊伟,吕晓波,张 恒,任 壮
重庆邮电大学 通信与信息工程学院,重庆400065
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。
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.
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,FBMC-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。

tx4-t4.gif

    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。

tx4-t5.gif

    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。

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