白 林

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

頻率選擇性信道中的GFDM信號檢測算法研究

白 林

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

廣義頻分復(fù)用（GFDM）傳輸技術(shù)憑借帶外頻譜能量泄露小等特點(diǎn)，在認(rèn)知無線電應(yīng)用領(lǐng)域逐漸成為研究熱點(diǎn)，但頻率選擇性衰落信道下的GFDM系統(tǒng)不僅存在自干擾問題，而且由于多徑分量的存在，干擾更為復(fù)雜。提出了一種雙邊干擾抵消的系統(tǒng)檢測算法，利用雙邊干擾對消的反饋信號降低干擾，實(shí)現(xiàn)信號檢測。仿真比較表明，基于本算法的GFDM系統(tǒng)BER性能與OFDM系統(tǒng)性能十分接近。

廣義頻分復(fù)用；信號檢測；多徑信道

0 引言

認(rèn)知無線電技術(shù)通過一定的頻譜接入策略讓次用戶在保證不干擾主用戶的前提下接入主用戶的空閑頻段，從而提高頻譜利用率，有效解決了無線通信頻譜資源日益緊張的問題［1］。如今蜂窩移動通信系統(tǒng)和無線局域網(wǎng)等均采用OFDM技術(shù)作為空中接口標(biāo)準(zhǔn)，然而OFDM帶外功率泄露較大，當(dāng)其應(yīng)用在認(rèn)知無線電架構(gòu)中時，無疑會對主用戶造成不可忽視的干擾。

文獻(xiàn)［2］提出了一種不同于OFDM的廣義多載波傳輸技術(shù)（GFDM）。與OFDM不同，GFDM采用低旁瓣的非矩形脈沖成型，從而降低了帶外功率泄露，而且GFDM不必在每一個符號前面添加循環(huán)前綴，只需在一幀前面添加循環(huán)前綴即可，避免了幀間干擾的同時，提高了頻譜利用率［3－6］。然而，GFDM調(diào)制中，各個子載波在頻域不再保持正交性，在理想信道情況下便引入了ICI干擾［7］，增加了接收端算法的復(fù)雜度。文獻(xiàn)［8］提出了干擾抵消類算法，在AWGN信道下，可以取得與OFDM相似的BER性能。而針對在多徑信道環(huán)境中GFDM信號檢測算法的研究較少。針對工程實(shí)現(xiàn)，本文提出了一種新型檢測算法，用于頻率選擇性衰落環(huán)境下的GFDM系統(tǒng)信號檢測，并通過仿真給出了本算法的性能分析結(jié)果。

1 GFDM信號的產(chǎn)生

1.1 系統(tǒng)模型

GFDM是一種靈活的多載波調(diào)制技術(shù)，其特點(diǎn)非常適合于軟件無線電架構(gòu)，由Fettweis首先引入，發(fā)射機(jī)基帶圖如圖1所示。

圖1 GFDM系統(tǒng)發(fā)射機(jī)框圖

發(fā)送比特流經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換為K路并行數(shù)據(jù)，經(jīng)過J-QAM映射以及N倍升采樣之后，與循環(huán)延時mN的成形脈沖g（n-mN）做循環(huán)卷積，各路信號分別與相應(yīng)子載波相乘，完成子載波調(diào)制，并串轉(zhuǎn)換并在幀前添加循環(huán)前綴，避免幀間干擾，完成一幀信號的基帶處理。假設(shè)一幀中同一個子載波發(fā)送的符號數(shù)為M，將一幀中的符號用矩陣表示為：

第k行表示在第k個子載波上發(fā)送的符號，第m列表示在第m個信令時隙發(fā)送的符號。

N倍升采樣后的輸出信號為：

將此信號經(jīng)過脈沖響應(yīng)為的濾波器進(jìn)行脈沖成形和子載波調(diào)制、并串轉(zhuǎn)換后的發(fā)送信號為：

最后添加循環(huán)前綴發(fā)送至射頻單元。

1.2 脈沖成形波形的構(gòu)造

脈沖成形波形的選擇對于GFDM系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，不同的脈沖成形波形造成的符號間干擾（ISI）與子載波間干擾（ICI）的特性是不同的。一幀GFDM信號由M個信令時隙構(gòu)成，每個時隙的成形脈沖波形依次循環(huán)移位N個數(shù)據(jù)，即在第m個時隙中，成形脈沖波形為：

式中，＜＞N表示模N運(yùn)算。

連續(xù)3個信令時隙內(nèi)的成形脈沖時域波形如圖2所示，M＝3，K＝8，N＝24，采用升降因子為0．5的根升余弦脈沖。

圖2 脈沖成形波形（根升余弦脈沖）

圖3 相鄰子載波信號頻譜

相鄰3個子載波的頻譜如圖3所示。從圖3可以看出，相對于矩形脈沖頻譜高達(dá)－13 dB的旁瓣功率，此脈沖波形頻譜旁瓣功率僅為－40 dB，意味著對信道多普勒頻移和頻偏更具魯棒性，但帶來的不足之處在于子載波間的頻譜喪失了正交性，導(dǎo)致在理想信道環(huán)境下便存在ICI干擾，增加了算法的復(fù)雜度。

為了便于敘述，將發(fā)射信號改寫為矩陣形式：

式中，矩陣A∈CKM×NM包含了一幀中所有發(fā)送符號對應(yīng)的循環(huán)移位脈沖波形。

2 GFDM信號的檢測

接收端下變頻到基帶，采樣得到離散時域信號：

式中，xCP（n）為添加循環(huán)前綴后的發(fā)送信號；h（n）為時不變多徑信道脈沖響應(yīng)；w（n）為零均值高斯白噪聲。

假設(shè)接收端已知信道和理想同步，去掉循環(huán)前綴后得到時域信號r（n），由于循環(huán)前綴長度大于信道時延，信道的線性卷積等于圓周卷積，采用基于DFT變換的頻域均衡得到：

對均衡后的信號req（n）進(jìn)行檢測，這里介紹迫零算法（ZF）、匹配濾波算法（MF）和雙邊干擾抵消算法（DS-SIC）。

2.1 迫零檢測算法

ZF算法可以完全消去干擾，但是對抗加性噪聲的能力卻不盡如人意，有可能會放大噪聲，降低SNR，從而惡化BER。

2.2 匹配濾波檢測算法

另一種接收算法為匹配濾波算法如圖4所示，每一路子載波接收信號經(jīng)過響應(yīng)匹配濾波運(yùn)算，得到：＝AHreq。

圖4 匹配濾波算法

相對于迫零算法，匹配濾波算法忽視了干擾信號的存在，因而對干擾無能為力，但是卻克服了噪聲放大的不利因素。

2.3 雙邊干擾抵消（DS-SIC）算法

該算法的基本思想是檢測第k子載波上的信號時，將相鄰兩邊的子載波k＋1，k－1上的信號置零，以降低干擾。首先基于匹配濾波輸出結(jié)果，檢測第k子載波信號時，構(gòu)造干擾信號：

圖5 雙邊干擾抵消算法

3 仿真結(jié)果分析

時隙數(shù)M＝3，子載波數(shù)K＝64，上采樣因子N＝64，時隙長度256 μs，子載波間隔3 906 Hz，QPSK調(diào)制，成形濾波器為根升余弦濾波器（滾降因子為0．5）。

仿真采用2種信道，其中信道A相干帶寬為11．97 kHz，多徑時延分別為0 μs、2 μs、3 μs、4 μs、7 μs和11 μs；增益分別為0 dB、－7 dB、－6 dB、－22 dB、－16 dB和－20 dB。信道B相干帶寬為7．23 kHz，多徑時延分別為0 μs、3 μs、8 μs、11 μs、13 μs和21 μs；增益分別為0 dB、－7 dB、－15 dB、－22 dB、－24 dB和－19 dB。

GFDM和OFDM調(diào)制在3種不同信道下的誤符號率如圖6、圖7和圖8所示。在3種信道環(huán)境中，匹配濾波算法由于忽視了干擾信號的存在，其性能都是最差的。迫零算法的性能和雙邊干擾抵消算法的性能近似，但是迫零算法由于需要求矩陣偽逆，復(fù)雜度遠(yuǎn)高于雙邊干擾抵消算法，但是后者的計算時延要比迫零算法大。同時還應(yīng)注意到，在3種信道環(huán)境下，基于雙邊干擾檢測算法的GFDM系統(tǒng)性能非常接近于沒有干擾存在情況下的OFDM系統(tǒng)性能，但是GFDM系統(tǒng)的頻譜效率，帶外功率泄露要優(yōu)于OFDM系統(tǒng)。

圖6 AWGN信道下GFDM和OFDM性能

圖7 信道A下GFDM和OFDM性能

圖8 信道B下GFDM和OFDM性能

4 結(jié)束語

由于GFDM系統(tǒng)具有非常優(yōu)異的帶外功率泄露和頻譜接入的靈活性，使其較OFDM系統(tǒng)更加適合于認(rèn)知無線電應(yīng)用。本文描述了3種GFDM信號檢測算法，比較了在頻率選擇性衰落信道環(huán)境下3種算法的性能，并與OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，基于雙邊干擾抵消檢測算法的GFDM系統(tǒng)不僅復(fù)雜度低、帶外功率泄露小、頻譜利用率高，而且誤符號率性能也近似于OFDM系統(tǒng)。

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Research on GFDM Signal Detection Algorithm in Frequency Selective Channel

BAI Lin
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

Currently，GFDM gradually becomes research hot point in cognitive radio area due to its features such as less leakage of out-band spectrum energy．However，the self-interference problem exists in frequency-selective fading channel．Moreover，the interference may be more deteriorated due to multi-channel component．A GFDM detection algorithm in frequency selective-fading channel-double sided interference cancellation is proposed．The algorithm adopts feeding signals of double sided interference cancellation to reduce interference and realize signal test．The simulation result shows that the BER performance of GFDM is comparable to that of OFDM systems．

GFDM；signal detection；multi-path channel

TN915

A

1003－3106（2015）07－0035－03

10．3969／j．issn．1003－3106．2015．07．10

白 林．頻率選擇性信道中的GFDM信號檢測算法研究［J］．無線電工程，2015，45（7）：35－37，82．

白 林男，（1982—），工程師。主要研究方向：數(shù)字信號處理。

2015-04-09

張一瓊男，（1973—），總工程師。主要研究方向：信息對抗。