面向5G的PAPR抑制技術(shù)研究

謝志偉

【摘要】? ? 5G系統(tǒng)中偏移正交幅度調(diào)制濾波器組的多載波技術(shù)（FBMC-OQAM）由于頻譜效率高、資源分配靈活等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，但同時(shí)峰均比（PAPR）較高的缺點(diǎn)也相對(duì)明顯。經(jīng)過(guò)深入研究，提出一種雙開(kāi)關(guān)波形選擇法，結(jié)合滿(mǎn)足理想時(shí)移的波形調(diào)制，減少邊帶信息傳輸，降低系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度，從而獲得理想的峰均比調(diào)制結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】? ? 濾波器組多載波? ? 偏移正交幅度調(diào)制? ? 峰均比? ? 雙開(kāi)關(guān)波形選擇

引言：

近年來(lái)，為了迎合5G網(wǎng)絡(luò)需求，相繼提出了GFDM，F(xiàn)BMC，UFMC等物理層技術(shù)，其中FBMC-OQAM技術(shù)憑借頻譜效率高、資源分配靈活度高等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，適合解決無(wú)線通信與均衡接收技術(shù)之間的沖突[1]。FBMC-OQAM作為5G通信中關(guān)鍵的備選多載波技術(shù)相對(duì)OFDM的帶外頻譜泄露比較低，無(wú)需加循環(huán)前綴占據(jù)多余帶寬就能對(duì)抗符號(hào)間干擾，但其較高的系統(tǒng)峰均比（PAPR）問(wèn)題同樣明顯。由于FBMC-OQAM信號(hào)本身實(shí)部和虛部信號(hào)之間的偏移性，導(dǎo)致傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)中降低峰均比的算法對(duì)FBMC-OQAM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)并不適用。針對(duì)FBMC-OQAM系統(tǒng)的特點(diǎn)提出有效的降低系統(tǒng)峰均比（PAPR）的方法，是當(dāng)前通信系統(tǒng)建設(shè)中需要重點(diǎn)解決的技術(shù)難題。

一、FBMC-OQAM信號(hào)及其結(jié)構(gòu)特征

FBMC-OQAM系統(tǒng)的原理如圖1所示，系統(tǒng)主要由四大模塊組成，其中包括：預(yù)處理、綜合濾波、分析濾波、后處理 [2]。原始數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)由OQAM預(yù)處理模塊后，實(shí)部和虛部的數(shù)據(jù)分離，由綜合濾波器將信號(hào)發(fā)送至接收端，待信號(hào)通過(guò)分析濾波器組后進(jìn)行OQAM后處理，最后從接收到的數(shù)據(jù)中恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。

假設(shè)其符號(hào)長(zhǎng)度為M，和分別表示第m個(gè)子載波中第n個(gè)信號(hào)的實(shí)部和虛部。輸入的復(fù)數(shù)序列，可以用通式表示為：

首先，信號(hào)經(jīng)過(guò)OQAM預(yù)處理操作后，復(fù)數(shù)信號(hào)的實(shí)部和虛部實(shí)現(xiàn)了分離，而且兩者之間在時(shí)域上相差半個(gè)碼元的寬度，即T/2時(shí)間[3]。經(jīng)過(guò)綜合濾波器組輸入的信號(hào)，各相鄰信號(hào)之間的頻率相差1/T，N組信號(hào)相加后，可以得到輸出的時(shí)域信號(hào)為：

其中，（t）為的時(shí)域表示;原型濾波器中，g（t）為單位脈沖響應(yīng)函數(shù)。

原始信號(hào)輸入過(guò)程中，其實(shí)部與虛部之間會(huì)存在一定的時(shí)延，因此信號(hào)在時(shí)域上會(huì)出現(xiàn)疊加的情況。信號(hào)在經(jīng)過(guò)IFFT運(yùn)算后，并行子信道上的信號(hào)疊加，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生較高的PAPR[1]，從而降低發(fā)射機(jī)功率放大器的效率，在實(shí)際應(yīng)用中帶來(lái)不利的影響。

二、基于FBMC-OQAM的無(wú)失真信號(hào)PAPR抑制技術(shù)

2.1 雙開(kāi)關(guān)波形選擇法的實(shí)現(xiàn)

雙開(kāi)關(guān)波形選擇法是一種降低FBMC-OQAM系統(tǒng)峰均比的新方法，相對(duì)于部分傳輸序列法（PTS）以及選擇映射方法（SLM）等計(jì)算量大、相對(duì)復(fù)雜的方法，雙開(kāi)關(guān)波形選擇法的復(fù)雜度很低，僅僅需要傳遞很低的一部分邊帶信息即可實(shí)現(xiàn)。雙開(kāi)關(guān)波形選擇法主要是通過(guò)相移模塊以及4種可選的滿(mǎn)足理想時(shí)移多載波條件的波形進(jìn)行調(diào)制，再將4種調(diào)制的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，選出峰均比最小的調(diào)制結(jié)果。在調(diào)制之前需對(duì)4種波形進(jìn)行預(yù)先的編碼，在發(fā)送到接收端的過(guò)程中，除了發(fā)送經(jīng)過(guò)最優(yōu)波形調(diào)制后的信號(hào)外，也將使用的理想波形的序號(hào)作為邊帶條件一并發(fā)出。

雙開(kāi)關(guān)波形選擇法流程，如圖2所示。

以第m個(gè)框架的FBMC-OQAM符號(hào)為例，對(duì)雙開(kāi)關(guān)波形選擇法流程分步驟說(shuō)明：

1.本過(guò)程第m個(gè)框架中的FBMC-OQAM符號(hào)，可由以下向量表示：

2.對(duì)第m個(gè)框架的dm進(jìn)行DFT變換，設(shè)其DFT后的結(jié)果為，則可表示成：

3.經(jīng)過(guò)步驟2后得到了復(fù)數(shù)組Dm對(duì)其分別取實(shí)部和虛部，實(shí)部部分為Dm，real，虛部部分為Dm，imag。

4.在得到實(shí)部和虛部后，需要對(duì)其進(jìn)行相移，從理論表達(dá)上來(lái)說(shuō)，就是對(duì)第m個(gè)框架的Dm，real和Dm，imag的數(shù)據(jù)與相移因子進(jìn)行點(diǎn)乘，與Dm，real點(diǎn)乘的相移因子我們稱(chēng)為ηm，Dm，imag點(diǎn)乘的相移因子我們稱(chēng)為μm，相移因子有非常多的選擇，不同的選擇也會(huì)對(duì)最后的結(jié)果造成影響，在研究中，，，通過(guò)點(diǎn)乘后分別表示為：Dm，realη與Dm，imagμ。

5.經(jīng)過(guò)相移因子后，要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，每個(gè)數(shù)據(jù)塊，可選擇滿(mǎn)足理想時(shí)移的4種不同的多載波波形來(lái)進(jìn)行調(diào)制。假設(shè)每個(gè)數(shù)據(jù)塊含有w個(gè)FBMC符號(hào)，這4種波形在時(shí)域的表達(dá)式分別如下：

在雙開(kāi)關(guān)波形選擇法中，將步驟（4）后的信號(hào)用這四種波形分別進(jìn)行調(diào)制?？梢杂^察到信號(hào)波形與波形僅僅只是相差個(gè)時(shí)延，波形與波形也是相差個(gè)時(shí)延。而波形、跟波形、的不同則是時(shí)延的位置不同，反映在流程上表現(xiàn)的就是產(chǎn)生延遲的信道不同，我們把波形、產(chǎn)生延遲的信道叫做Q信道，把波形與波形產(chǎn)生延遲的信道叫做I信道。不同的時(shí)延會(huì)導(dǎo)致多載波的波形不同，也進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致其峰值不同，進(jìn)而導(dǎo)致其峰均比也不同。

6.信號(hào)經(jīng)過(guò)IDFT調(diào)制以后，能夠得到其時(shí)域信號(hào)。設(shè)其信號(hào)分別為、、、，分別對(duì)這四個(gè)信號(hào)進(jìn)行串并變換，過(guò)采樣再經(jīng)過(guò)原型濾波器成型，得到PPN（多相網(wǎng)絡(luò)）的輸入端。

7.對(duì)PPN的輸入信號(hào)進(jìn)行相移和信號(hào)的疊加，最終形成輸出信號(hào)。

8.對(duì)4種波形產(chǎn)生的輸出信號(hào)，通過(guò)控制Q信道的開(kāi)關(guān)S1以及I信道的開(kāi)關(guān)S2進(jìn)行控制，分別計(jì)算其峰均比值，并且進(jìn)行比較，選擇輸出峰均比最小的波形形成的序列。

開(kāi)關(guān)S1的位置位于IDFT調(diào)制之前，開(kāi)關(guān)S2的位置是在PPN多相網(wǎng)絡(luò)之后，S1開(kāi)關(guān)與S2開(kāi)關(guān)的閉合狀態(tài)可以通過(guò)兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)來(lái)進(jìn)行表示，分別為0，0;1，0;1，1;0，1.在傳輸輸出信號(hào)時(shí)，這兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)也會(huì)作為邊帶信息發(fā)送到接收端，而作為邊帶信息其大小只有2bit，對(duì)于整個(gè)信道來(lái)說(shuō)幾乎可以忽略不計(jì)。

2.2雙開(kāi)關(guān)波形選擇法的計(jì)算量分析

對(duì)于雙開(kāi)關(guān)波形選擇法，它主要的計(jì)算量體現(xiàn)在：一次DFT運(yùn)算、2次IDFT運(yùn)算、4次PPN運(yùn)算。由于計(jì)算機(jī)復(fù)乘運(yùn)算所需時(shí)間遠(yuǎn)比復(fù)加多，在此只考慮雙開(kāi)關(guān)波形選擇法的復(fù)乘運(yùn)算。雙開(kāi)關(guān)波形選擇法需要的計(jì)算過(guò)程及計(jì)算量，如表1所示：

其中V為部分傳輸序列法的分割子塊數(shù)，U為選擇映射法的加權(quán)因子長(zhǎng)度。假設(shè)V=4，K=4，U=4的情況來(lái)分別計(jì)算其計(jì)算量，可以得到，部分傳輸序列法的計(jì)算量為122880，SLM的計(jì)算量為103424，而雙開(kāi)關(guān)波形選擇法僅僅只需要38656，計(jì)算量接近于部分傳輸序列法的。由此可見(jiàn)，雙開(kāi)關(guān)波形選擇法的應(yīng)用，可以大大降低系統(tǒng)的計(jì)算量。

三、仿真結(jié)果及分析

通過(guò)matlab仿真，如圖3所示。

當(dāng)CCDF=0.001時(shí)，雙開(kāi)關(guān)波形選擇法的峰均比約為7.5dB，改善了約3.8dB，這一數(shù)字與部分傳輸序列法V=8時(shí)的數(shù)據(jù)一樣。由計(jì)算可得，當(dāng)V=4時(shí)部分傳輸序列法的計(jì)算量已經(jīng)是雙開(kāi)關(guān)波形選擇法的3倍多。而V的增大也會(huì)使得部分傳輸序列法的計(jì)算量指數(shù)增長(zhǎng)。而雙開(kāi)關(guān)波形選擇法用了V=4接近四分之一的計(jì)算量卻達(dá)到了V=8時(shí)降低峰均比的性能。

而與選擇映射法相比，其計(jì)算量與降低峰均比的性能也是完勝。所以可見(jiàn)，雙開(kāi)關(guān)波形選擇法是一種比較理想的抑制FBMC峰均比性能的方法。

四、結(jié)束語(yǔ)

5G時(shí)代，人們對(duì)頻譜利用率、傳輸時(shí)延、用戶(hù)體驗(yàn)等方面提出了更高的要求，F(xiàn)BMC-OQAM系統(tǒng)憑借其諸多優(yōu)勢(shì)具有較好的應(yīng)用前景，但作為多載波系統(tǒng)其自身同樣存在著PAPR過(guò)高的問(wèn)題。

圍繞FBMC-OQAM系統(tǒng)中PAPR抑制技術(shù)的研究，提出雙開(kāi)關(guān)波形選擇法并應(yīng)用于FBMC-OQAM系統(tǒng)，通過(guò)與部分傳輸序列法、映射法等方式仿真對(duì)比分析，雙開(kāi)關(guān)選擇法在其計(jì)算量與降低峰均比方面都體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。本方法的應(yīng)用可為今后5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的建設(shè)與優(yōu)化提供有效的技術(shù)支持，推動(dòng)5G場(chǎng)景應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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[2]梁燕，秦夢(mèng)瑤，張賀偉.FBMC/OQAM系統(tǒng)導(dǎo)頻輔助信道估計(jì)方法概述[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，27（4）478-483

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