FBMC-OQAM系統(tǒng)的過(guò)采樣技術(shù)研究

桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 廣西 桂林 541004

1 引言

隨著科技的發(fā)展,高速鐵路的速度迅猛提升,其中,最高時(shí)速高達(dá)420公里/小時(shí)。然而交通和通信是密切相關(guān)的,作為新一代移動(dòng)通信發(fā)展的主要方向——5th Generation(5G)技術(shù),隨之發(fā)展成新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施中必不可少的組成部分。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的不斷推動(dòng)和每年出行的人數(shù)水漲船高的情形下,人們希望能夠在乘坐高鐵中享受高速的網(wǎng)上沖浪、視頻直播等,然后,由于在高速移動(dòng)的環(huán)境下,環(huán)境的不穩(wěn)定以及不確定性等容易產(chǎn)生多徑傳播效應(yīng),導(dǎo)致通信過(guò)程中信號(hào)發(fā)生頻率偏移。為了提高此環(huán)境下的通信質(zhì)量,5G新的接入技術(shù)備案有很多,其中,早期傳統(tǒng)系統(tǒng)中通常采用的是OFDM技術(shù)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)[1],但此技術(shù)在改善的同時(shí)會(huì)增加一定的誤碼率。除此之外,多載波系統(tǒng)FBMC(Filter Bank Multi-Carrier,FBMC)被廣泛應(yīng)用于高速移動(dòng)環(huán)境[2],它具有一定的抗干擾能力,但易遭受頻選衰落,在技術(shù)的不斷發(fā)展中,在FBMC基礎(chǔ)上FBMC-OQAM(Filter Bank Multi Carrier with Off-set Quadrature Amplitude Modulation)被提出用于抑制信道衰落[3],但同時(shí)對(duì)接收信號(hào)帶來(lái)了困難。

本文在FBMC-OQAM技術(shù)的基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步減少接收端接收信號(hào)的復(fù)雜度,提出將過(guò)采樣技術(shù)應(yīng)用于FBMC-OQAM系統(tǒng),以適用于高速移動(dòng)環(huán)境下,從而達(dá)到降低系統(tǒng)誤碼率,提高系統(tǒng)性能的目的。

2 FBMC-OQAM系統(tǒng)

自早期Chang和Saltberg提出FBMC的概念后,由于其本身的復(fù)雜度,一直未被使用,直到2008年后,FBMC通過(guò)采用多項(xiàng)濾波的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的降低后,該系統(tǒng)才被廣泛運(yùn)用。此后,FBMC進(jìn)一步使用濾波器組作為多載波調(diào)制器。其中,FBMC-OQAM系統(tǒng)中,在FBMC的基礎(chǔ)上,通過(guò)引入的OQAM技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)全速率正交傳輸功能。所以,采用OQAM不是為了降低峰均比,本質(zhì)是利用它可以保證載波之間的正交,而Zigbee的通訊方式采用OQAM調(diào)制單純是因?yàn)槠淇梢越档头寰取４送?從時(shí)頻聚焦角度來(lái)看,該系統(tǒng)使用的原型濾波函數(shù)好于OFDM系統(tǒng)中的矩形窗函數(shù),原型濾波器使帶外幅度快速衰落,這種優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在其能夠抵抗信道對(duì)信號(hào)的時(shí)頻彌散干擾。

當(dāng)然,FBMC采用OQAM保證全速率傳輸時(shí)載波正交的同時(shí),因?yàn)镺QAM也增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度,尤其是對(duì)于MIMO場(chǎng)景下系統(tǒng)的復(fù)雜性。

3 過(guò)采樣技術(shù)

在FBMC-OQAM的基礎(chǔ)上,通過(guò)引入的過(guò)采樣技術(shù),可以在滿足全速率正交傳輸?shù)那疤嵯?同時(shí)結(jié)合過(guò)采樣技術(shù)的優(yōu)勢(shì),將之應(yīng)用于高速移動(dòng)環(huán)境下。該系統(tǒng)可以在實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣信號(hào)有效接收的同時(shí),極大降低了檢測(cè)運(yùn)算復(fù)雜度。其中,將過(guò)采樣技術(shù)應(yīng)用于FBMC-OQAM系統(tǒng)的總框圖如圖1所示:

圖1 FBMC-OQAM的過(guò)采樣系統(tǒng)基本框圖

FBMC-OQAM系統(tǒng)基帶等效發(fā)送信號(hào)表達(dá)式可以表示為:

式子中,am,n符號(hào)代表第n個(gè)時(shí)隙第m個(gè)子載波上傳送的實(shí)值,gm,n(t)代表時(shí)頻點(diǎn)(m,n)位置的原型濾波器函數(shù),出自下式:

式子中,子載波間隔由fΔ表示,時(shí)域沖激響應(yīng)則表示為g(t)。

假設(shè)信道的離散脈沖響應(yīng)表示為,其中最大多徑延遲由Lh表示,將x(t)發(fā)射到信道中,則y(t)如h=[h(0),h(1),…,h(Lh-1)]T下:

其中,ω(t)為AWGN。使用間隔T2=T1/ε(T1=Ts/2M)對(duì)y(t)以繼續(xù)采樣,采樣后如下式所示:

其中,hε(k,τ)代表時(shí)域離散脈沖響應(yīng)以及噪聲采樣值,發(fā)送端信號(hào)的過(guò)采樣形式表示為xε(k),以T2采樣的接收端信號(hào)表示為yε(k),ωε(k)則為噪聲采樣值。

設(shè)接收端過(guò)采樣后的輸出可用矩陣如下:

式中:

第m個(gè)子載波對(duì)應(yīng)的ε個(gè)接收端信號(hào)過(guò)采樣符號(hào)如下:

經(jīng)過(guò)PPN-FFT處理實(shí)現(xiàn)多載波解調(diào)。將y傳入后,濾波器第m個(gè)子帶的輸出如下:

在速度為300km/h環(huán)境下移動(dòng),采用過(guò)采樣系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行仿真,并與傳統(tǒng)的方案FBMC-OQAM進(jìn)行比較,結(jié)果如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)FBMC-OQAM系統(tǒng)和過(guò)采樣系統(tǒng)性能圖

仿真結(jié)果表明,加入過(guò)采樣技術(shù)后的系統(tǒng)明顯比傳統(tǒng)方案性能好,將之應(yīng)用于高速環(huán)境下的誤碼率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通FBMC-OQAM方式。此外,隨著比特信噪比的增加,提出的過(guò)采樣系統(tǒng)性能提升的程度更大。

4 結(jié)論

本文首先簡(jiǎn)單介紹了FBMC-OQAM的原理,然后針對(duì)其缺陷,為了進(jìn)一步提升適用于高速移動(dòng)通信環(huán)境下的通信技術(shù),通過(guò)引入提出過(guò)采樣技術(shù),并將之應(yīng)用于FBMC-OQAM系統(tǒng)。同時(shí)通過(guò)仿真證明,該方法與傳統(tǒng)的FBMC-OQAM相比,能有效改善性能,降低系統(tǒng)誤碼率。