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        一種降低FBMC-OQAM系統(tǒng)PAPR的低復雜度選擇性映射算法*

        2017-09-18 00:25:01楊永立
        電訊技術(shù) 2017年9期
        關(guān)鍵詞:復雜度矢量選擇性

        ,楊永立,潘 暢

        (武漢科技大學 信息科學與工程學院,武漢430081)

        一種降低FBMC-OQAM系統(tǒng)PAPR的低復雜度選擇性映射算法*

        吳建霞**,楊永立,潘 暢

        (武漢科技大學 信息科學與工程學院,武漢430081)

        濾波器組多載波(FBMC)是第五代蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線接入技術(shù)重點考慮的對象之一,然而其存在較高的峰均功率比(PAPR)。通過分析FBMC-OQAM信號的重疊特性和信號功率分布特點,將傳統(tǒng)選擇性映射(SLM)方法加以改進,提出了一種比色散選擇性映射(DSLM)方法更優(yōu)的低復雜度色散選擇性映射(LD-SLM)方法。LD-SLM方法用備選旋轉(zhuǎn)矢量將當前數(shù)據(jù)塊信號旋轉(zhuǎn),通過計算在當前信號周期[T,3T]區(qū)間內(nèi)信號的PAPR來選取最優(yōu)旋轉(zhuǎn)矢量,并更新當前數(shù)據(jù)塊信號,接著對下一個數(shù)據(jù)塊信號進行同樣的優(yōu)化,直至所有的數(shù)據(jù)塊都被優(yōu)化。通過比較算法復雜度可知,LD-SLM算法相比DSLM算法降低了50%,仿真實驗表明LD-SLM方法能有效降低FBMC-OQAM系統(tǒng)的PAPR。

        FBMC-OQAM系統(tǒng);峰均功率比降低;選擇性映射;低復雜度算法

        1 引 言

        濾波器組多載波(Filter Bank Multi-carrier,F(xiàn)BMC)是一種頻譜效率高、實現(xiàn)復雜度尚可、無需同步的多載波傳輸方案。FBMC與偏移正交幅度調(diào)制(Offset Quadrature Amplitude Modulation,OQAM)結(jié)合的FBMC-OQAM系統(tǒng)被我國學者最早應用于國家“863”計劃后3G試驗系統(tǒng)中[1],已日益成為無線電波即將到來的5G無線接入技術(shù)的領(lǐng)跑者[2]。這種調(diào)制方案消除或間隔地使用子帶,提供了許多優(yōu)勢,例如優(yōu)秀的頻率定位和較低的功率譜密度(Power Spectral Density,PSD)旁瓣等,比正交頻分復用更適合5G 無線接入技術(shù)(Radio Access Technology,RAT),吸引了越來越多人的研究興趣[3-4]。然而,F(xiàn)BMC-OQAM作為一種多載波技術(shù),和正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)一樣都存在峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)較高的問題,這將降低高功率放大器(High Power Amplifier,HPA)的效率,導致信號失真、頻譜擴展、系統(tǒng)性能下降[5]。故研究降低FBMC-OQAM信號PAPR的有效技術(shù)是目前無線通信領(lǐng)域一個亟待解決的問題。

        OFDM中PAPR減小技術(shù)有限幅技術(shù)[6]、疊加訓練序列方法[7]、融合算法[8]、μ-law壓擴法[9]等。FBMC-OQAM因其重疊特性而無法運用OFDM中降低PAPR的方法,因此,學者們對降低FBMC-OQAM系統(tǒng)PAPR的新方法進行了研究。文獻[10]討論了脈沖幅度調(diào)制(Pulse Amplitude Modulation,PAM)符號的FBMC-OQAM系統(tǒng)降低PAPR的方案,但是這些方案僅限于PAM符號且誤碼率(Bit Error Rate,BER)性能較差。文獻[11]實現(xiàn)了運用迭代補償?shù)募羟蟹桨笢p小FBMC-OQAM系統(tǒng)的PAPR,但是該系統(tǒng)需要設(shè)計一個復雜的接收機來滿足剪切噪音的補償。多模塊聯(lián)合優(yōu)化(MBJO)技術(shù)[13]和滑動窗口語音預留(SWTR)技術(shù)[12]目前也都運用于FBMC-OQAM系統(tǒng)的PAPR降低中,但是系統(tǒng)的誤碼性能沒有在文中進行研究且系統(tǒng)復雜性較高。文獻[14]提出了一種色散選擇性映射(DSLM)方法,這種方法與傳統(tǒng)的選擇性映射(SLM)方法類似,考慮了FBMC-OQAM信號的重疊性,主要利用了它的時間色散性質(zhì),但是計算復雜度比較高。

        分析國內(nèi)外近幾年對FBMC-OQAM信號PAPR降低方法的分析可知,現(xiàn)存的方法很多都具有一定的局限性。為此,本文介紹一種降低FBMC-OQAM系統(tǒng)PAPR的低復雜度色散選擇性映射技術(shù)(Dispersive SLM,DSLM)方法更優(yōu)的低復雜度色散選擇性映射(Low-complexity of Dispersion Selective Mapping,LD-SLM)。新方法既考慮到了FBMC-OQAM信號的自然重疊部分,又縮短了搜索時間,比DSLM技術(shù)在算法復雜度上更有優(yōu)勢,可以適用于任何原型濾波器。

        2 FBMC-OQAM系統(tǒng)原理

        2.1FBMC-OQAM信號結(jié)構(gòu)

        如圖1所示,在FBMC-OQAM系統(tǒng)中,我們采用基于OQAM調(diào)制的信號傳輸。

        圖1 FBMC-OQAM信號模型Fig.1 FBMC-OQAM signal model

        對于有M個復雜輸入信號、N個子載波的發(fā)射端可以寫成

        (1)

        對信號進行過采樣,采樣周期為T0,過采樣因子為K。文獻[15]指出,過采樣因子K≥4時,采樣后信號的PAPR值與連續(xù)信號的PAPR值非常接近,下文仿真中K取4。符號通過原型濾波器h(t)和被N個子載波調(diào)制之后可以得到

        (2)

        (3)

        Lh為原型濾波器h(t)的長度,可以看出Xm(t)的長度為(Lh+T/2)。最后,將M個數(shù)據(jù)塊疊加在一起可以得到FBMC-OQAM最終信號

        (4)

        由式(2)和式(4)可得

        (5)

        式中:n∈[0,N-1],m∈[0,M-1]。h(t)為原型濾波器的脈沖響應,本文采用PHYDYAS原型濾波器,運用頻譜抽樣技術(shù)。濾波器的長度為L=KN-1,根據(jù)期望Hk值滿足的關(guān)系可得

        (6)

        濾波器組的設(shè)計目前有快速FFT和多相濾波網(wǎng)絡(luò)兩種方案[16]。濾波器的脈沖響應如下:

        (7)

        定義FBMC-OQAM信號的功率分布為

        (8)

        圖2為4個相鄰數(shù)據(jù)塊的功率分布。從圖中可以看出,每個FBMC-OQAM信號持續(xù)4.5T,與隨后的4個信號均重疊。且從圖中可以看出,F(xiàn)BMC-OQAM信號的功率主要分布在其信號持續(xù)周期的第2~3個符號周期之間,即集中在[mT,(m+2)T]之間。

        圖2 FBMC-OQAM連續(xù)4個數(shù)據(jù)塊功率分布Fig.2 Power distribution of FBMC-OQAM continuous four data blocks

        2.2FBMC-OQAM系統(tǒng)PAPR的定義

        通常我們將一段時間內(nèi)最大峰值功率與平均功率的比值,稱之為峰均功率比。連續(xù)時間基帶信號x(t),一個傳輸周期T內(nèi)的PAPR定義為

        (9)

        大多數(shù)PAPR降低方案執(zhí)行在頻域信號上,所以我們需要對連時域FBMC-OQAM信號采樣。普通的奈奎斯特率采樣會丟失一些峰值,故實際操作中我們需采用過采樣技術(shù)?;鶐д{(diào)制離散時間信號x[n]的PAPR表達式定義為[17]

        (10)

        互補累計分布函數(shù)(Complementary Cumul-ative Distribution Function,CCDF)是一種測量和計算多載波PAPR常用的方法。CCDF定義為第m調(diào)制符號的PAPR超過給定閾值的概率,其表達式如下:

        CCDF[PAPR(xm)]=Pr(PAPR(xm)>γ) 。

        (11)

        下文中,我們都有用CCDF函數(shù)來衡量FBMC-OQAM系統(tǒng)的PAPR分布。

        3 PAPR減小技術(shù)

        3.1傳統(tǒng)的SLM技術(shù)

        根據(jù)仿真分析,相比原始OFDM系統(tǒng),運用SLM技術(shù)后,其PAPR值有效降低,且隨著旋轉(zhuǎn)矢量數(shù)的增大,性能對比也有所提升。

        由于FBMC-OQAM信號的重疊性,在OFDM中很好利用的SLM方法已經(jīng)不能再適用于FBMC-OQAM系統(tǒng)了。下文中我們提出一種新的方法來降低FBMC-OQAM信號的PAPR。

        3.2LD-SLM技術(shù)

        由上文對FBMC-OQAM信號的平均功率仿真可知,每個信號周期的能量主要集中分布在[T,3T]內(nèi),本文新提出的低復雜度色散選擇性映射方法(Low-complexity of Dispersion Selective Mapping,LD-SLM)的基本思路是:在此前數(shù)據(jù)塊信號已經(jīng)被最優(yōu)旋轉(zhuǎn)矢量優(yōu)化后的前提下,對FBMC-OQAM信號的每個數(shù)據(jù)塊逐一運用SLM方法,通過計算并比較當前信號周期的指定區(qū)間內(nèi)信號的PAPR來選擇最優(yōu)旋轉(zhuǎn)矢量,并與當前數(shù)據(jù)塊信號相乘。在此基礎(chǔ)上,對下一個數(shù)據(jù)塊信號重復運用SLM方法。

        LD-SLM方法考慮到了FBMC-OQAM信號的重疊特性,以及與當前數(shù)據(jù)塊相乘的旋轉(zhuǎn)矢量對前后數(shù)據(jù)塊的影響。LD-SLM方案算法步驟如下:

        Step1 首先初始化旋轉(zhuǎn)矢量,生成U個長度為N的相位旋轉(zhuǎn)矢量

        (12)

        Step2 將當前數(shù)據(jù)塊與旋轉(zhuǎn)矢量相乘,每個輸入數(shù)據(jù)塊Xm都與U個不同的旋轉(zhuǎn)矢量相乘:

        (13)

        其中:·表示矩陣點對點乘法。

        Step3 對信號進行采樣、濾波和調(diào)制。由于FBMC-OQAM信號的重疊性質(zhì),需要考慮當前數(shù)據(jù)塊之前的信號。經(jīng)過此步驟可以得到如下信號:

        (14)

        其中:m∈[0,2π],t∈[0,(m+1/2)T+4T]。

        Step4 接著根據(jù)下列公式計算信號xu(t)的PAPR,計算區(qū)間為Tc:

        (15)

        分析圖2可知,每個信號的功率主要分布在每個信號周期的中間2T區(qū)間,故此處Tc∈[mT+T,mT+3T],跨越2T,而DSLM技術(shù)中Tc∈[mT,mT+4T],跨越4T。

        Step6 更新輸入,根據(jù)umin選擇最佳旋轉(zhuǎn)矢量,與當前數(shù)據(jù)塊相乘,更新輸入信號矩陣

        (16)

        然后返回Step 2,對下一個信號周期的信號Xm+1重復上述步驟,直至m=M-1。

        3.3復雜度分析

        設(shè)N為子載波個數(shù);M為數(shù)據(jù)塊個數(shù);T為碼元寬度/符號周期;K為采樣因子/重疊因子;Lh為濾波器沖激響應長度;T0為采樣周期,Tc為計算PAPR值所取的區(qū)間;m為當前數(shù)據(jù)塊,且m∈[0,M-1];Tc為指定PAPR計算區(qū)間。FBMC輸入信號與旋轉(zhuǎn)矢量相乘需要UN次復數(shù)乘法,通過濾波器需要2UN(m+1)(Lh+1)次實數(shù)乘法;對當前數(shù)據(jù)塊和此前數(shù)據(jù)塊進行調(diào)制需要UN(Lh+mT+T/2)次復數(shù)乘法;計算PAPR需要2UNTc次實數(shù)乘法和UNTc次實數(shù)加法,求最大值需要UNTc次查找比較,求均值需要1次實數(shù)除法;對每個數(shù)據(jù)塊重復上面運算,m從0開始,直至m=M-1。我們將1次實數(shù)乘法、加法、除法和對數(shù)運算,以及一次查找比較運算均記作1次實數(shù)運算。

        由于在計算PAPR值之前步驟相同,此處主要比較計算PAPR時區(qū)別,即采用公式(15)計算時Tc的選取不同。

        對于DSLM,Tc為[0,4T],計算復雜度為

        (17)

        對于LD-SLM,Tc為[T,3T],計算復雜度為

        (18)

        我們將式(17)和式(18)進行相除計算復雜度的比值,將比值記作

        (19)

        4 仿真結(jié)果

        我們首先仿真原始FBMC-OQAM原始信號與運用DSLM算法和LD-SLM算法后的PAPR性能對比,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 U=4時不同方案下PAPR分布Fig.5 PAPR distribution for U=4 under different schemes

        由圖5的仿真結(jié)果可以看出,采用LD-SLM算法后,F(xiàn)BMC-OQAM信號的PAPR性能與原始FBMC信號相比有3.5 dB的提升;與采用DSLM技術(shù)相近,相差只有約0.5 dB性能。這說明本文提出的LD-SLM技術(shù)在降低FBMC-OQAM系統(tǒng)的PAPR性能上與DSLM相近,但相較原始信號有明顯提升。

        我們將FBMC-OQAM信號運用LD-SLM算法后的PAPR性能與運用傳統(tǒng)SLM方法的OFDM信號進行對比仿真,結(jié)果如圖6所示。

        圖6 FBMC信號與OFDM信號PAPR性能對比Fig.6 PAPR performance comparison between FBMC signal and OFDM signal

        從圖6可以看出,F(xiàn)BMC-OQAM信號采用LD-SLM算法后的PAPR性能與OFDM信號采用SLM算法后的PAPR性能非常接近,U取不同值時均相差約0.1 dB。并且隨著LD-SLM算法備選旋轉(zhuǎn)矢量數(shù)的增加,F(xiàn)BMC-OQAM信號的PAPR性能進一步提升,U=32比U=4時提升了約1.5 dB。這說明本文提出的LD-SLM算法能合理利用FBMC-OQAM信號的重疊特性,能有效降低FBMC-OQAM信號的PAPR。

        5 結(jié)束語

        本文對FBMC-OQAM信號的結(jié)構(gòu)和特點進行了研究,在SLM算法和DSLM算法的基礎(chǔ)上提出了LD-SLM算法。算法復雜度分析表明LD-SLM算法比DSLM算法復雜度降低約50%;仿真結(jié)果表明LD-SLM算法能有效降低FBMC-OQAM信號的PAPR,降低效果與DSLM算法接近,與OFDM信號運行SLM方法效果也接近。

        本文提出的低復雜度色散選擇性映射算法有一定的理論和應用價值,與DSLM算法相比有改進。后續(xù)研究中,可以從FBMC-OQAM信號的結(jié)構(gòu)和特點出發(fā),將OFDM中能有效降低PAPR的算法加以改進并應用。

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        ALow-complexitySelectiveMappingAlgorithmforPAPRReductioninFBMC-OQAMSystems

        WU Jianxia,YANG Yongli,PAN Chang

        (School of Information Science and Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

        Filter-bank multi-carrier(FBMC) is one of the key objects of the fifth generation cellular network(5G) radio access technology. However,there is also a high peak-to-average power ratio(PAPR). Through analyzing the overlapping characteristics and signal power distribution characteristics of FBMC-OQAM signal,the selective mapping(SLM) method of reducing PAPR in OFDM system is improved,and a Low-complexity Dispersion Selective Mapping(LD-SLM) method is proposed,which is better than the Dispersive Selective Mapping(DSLM) method. The LD-SLM method rotates the current data block signal with the alternative rotation vector,and selects the optimal rotation vector by calculating the PAPR of the signal in the current signal period [T,3T],and updates the current data block signal. The data block signals are similarly optimized until all data blocks are optimized. By comparing the algorithm complexity,it is concluded that the LD-SLM algorithm is 50% lower than the DSLM algorithm. The simulation results show that the LD-SLM method can effectively reduce the PAPR of the FBMC-OQAM system.

        FBMC-OQAM system;peak-to-average power ratio(PAPR) reduction;selective mapping;low-complexity algorithm

        date:2016-11-29;Revised date:2017-04-24

        10.3969/j.issn.1001-893x.2017.09.014

        吳建霞,楊永立,潘暢.一種降低FBMC-OQAM系統(tǒng)PAPR的低復雜度選擇性映射算法[J].電訊技術(shù),2017,57(9):1058-1063.[WU Jianxia,YANG Yongli,PAN Chang.A low-complexity selective mapping algorithm for PAPR reduction in FBMC-OQAM systems[J].Telecommunication Engineering,2017,57(9):1058-1063.]

        TN929.5

        :A

        :1001-893X(2017)09-1058-06

        吳建霞(1989—),女,湖北孝感人,2014年于武漢科技大學獲工學學士學位,現(xiàn)為碩士研究生,主要研究方向為無線通信;

        Email:1169474032@qq.com

        楊永立(1971—),男,湖北武漢人,武漢科技大學教授,主要研究方向為無線通信和網(wǎng)絡(luò)化自動控制理論和應用等;

        Email:553116411@qq.com

        潘暢(1992—),男,湖北武漢人,2013年于武漢科技大學獲工學學士學位,現(xiàn)為碩士研究生,主要研究方向為無線通信。

        Email:740352892@qq.com

        2016-11-29;

        :2017-04-24

        **通信作者:1169474032@qq.com Corresponding author:1169474032@qq.com

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