基于濾波器組多載波的多點協作通信系統

宋國超+陳達+江濤

摘要：提出了一種基于濾波器組多載波（FBMC）的多點協作（CoMP）傳輸技術，并搭建了基于軟件無線電設備（USRP）的FBMC-CoMP通信系統原型驗證平臺，認為通過設計預編碼可以消除小區間干擾。為驗證所提出FBMC-CoMP傳輸技術及預編碼設計的可行性，在原型驗證平臺上進行了FBMC-CoMP異步能力及誤碼率等性能的測試。測試結果顯示：FBMC-CoMP能夠抵抗的最大基站延時差為0.7 us，此時通信誤碼率小于0.003。

關鍵詞： FBMC；CoMP；異步傳輸；原型驗證平臺

Abstract： In this paper， a new coordinated multipoint （CoMP） transmission technology based on filter bank multicarrier （FBMC） is proposed， and a prototype verification platform for FMBC-CoMP communication system using the universal software ratio peripheral （USRP） is built. And the co-channel interference among cell edge users can be eliminated by the precoding design. In order to verify the FBMC-CoMP transmission technology and the precoding， a test on the asynchronous ability and the bit error rate of FBMC-CoMP is made. Experiment results show that the maximum base station delay difference which FBMC-CoMP could resist to is 0.7 us， and the bit error rate is less than 0.003.

Key words： FBMC； CoMP； asynchronous transfer； prototype verification platform

作為經典的多載波調制技術，正交頻分復用（OFDM）已經成為主流寬帶通信的標準，如長期演進（LTE）和IEEE 802.11ac等。通過在信號頭部加入足夠長的循環前綴（CP），CP-OFDM可以有效對抗多徑衰落，將頻率選擇性寬帶信道轉化為一系列并行平坦窄帶子信道，降低信道估計與均衡實現復雜度。但是，CP-OFDM還存在一些問題，例如：CP的加入降低了頻譜利用率，也增加了發送功率開銷；CP-OFDM信號基于矩形脈沖成形，頻譜帶外泄漏較大，難以對抗因時間或頻率偏差導致的干擾，要求不同用戶之間的信號嚴格同步。

作為OFDM的升級技術，最近興起的濾波器組多載波（FBMC）被研究者認為是未來無線通信中最具潛力的多載波技術之一[1-3]。FBMC使用具有良好時頻聚焦特性的濾波器，信號帶外泄漏極低，用戶間無需保護頻帶，提高了頻譜利用率，并且FBMC不需要CP也可以有效抵抗多徑衰落。此外，FBMC基于非正交處理，不要求嚴格的信號同步，特別適用于異步通信場景，例如：上行非同步接入、認知無線電[1]及多點協作（CoMP）等。

CoMP傳輸技術在第3代合作伙伴計劃（3GPP）的演進的LTE（LTE-A）方案中被提出，是一種能夠消除小區間干擾的新技術[4]，同時也在第5代移動通信（5G）中備受關注[5-6]。CoMP也是一種多輸入多輸出（MIMO）技術，利用空間信道上的差異進行信號傳輸，通過多基站聯合預編碼，為小區邊緣用戶提供更高的服務質量，能夠大幅提高無線網絡容量。但是，CoMP基于非同步處理，基站信號到達不同用戶的時間存在很大差異。如果采用OFDM作為調制技術，為保持信號的正交性，必須采用很長的CP，從而嚴重降低系統容量?？紤]到FBMC信號不需要嚴格同步的技術優勢，我們認為將FBMC與CoMP結合是一種極具潛力的未來通信技術[7]。

1 FBMC技術原理

FBMC采用時頻聚焦特性良好的原型濾波器（例如：IOTA、PHYDYAS等[8-9]），相比OFDM具有更低的帶外頻譜泄漏和更高的頻譜利用率。

圖1是FBMC的系統原理，調制過程可分為下面3個步驟：

（1）發送端的數據經過串并轉換后，進行脈沖幅度調制（PAM）生成實數符號，其中為第個子載波，為第個PAM符號。PAM符號周期為，為子載波個數，為采樣間隔。

（2）將乘以相位旋轉因子后進行點上采樣，再將上采樣得到的數據通過原型濾波器。具有實偶對稱性，其長度為，其中為重疊因子。

（3）將通過濾波器的信號乘以調制因子，對不同子載波求和后發送出去。

經過上述操作后，發送端的信號可表示為：

（1）

在理想信道下，接收信號與發送信號相同，即。FBMC的解調過程與調制過程類似，這里不再贅述。接收端得到的解調符號可以表示為：

為了完美恢復出原始輸入符號，濾波器組需要滿足如下條件：

在滿足上述條件時，解調符號可以改寫為：

（4）

其中為純虛數?？梢钥吹剑簩M行取實操作后就能夠完美恢復出原始輸入符號。

為了降低實現復雜度或提升解調性能，也可以借助于快速傅里葉變換將FBMC用頻域擴展或者多相濾波器的方式實現[10-11]。

2 FBMC-CoMP

2.1 FBMC-CoMP傳輸技術

為充分結合FBMC與CoMP的優勢，我們提出基于FBMC的CoMP傳輸技術，其中所有基站使用FBMC作為調制技術，并同時同頻向用戶傳輸數據?；贔BMC-CoMP傳輸技術的通信場景如圖2所示，其中我們定義處在小區面積70%以外的用戶為小區邊緣用戶。不難看出小區邊緣用戶面臨著通信質量降低的問題：小區邊緣用戶離本小區基站與其他小區基站距離相近，其他小區的基站會對小區邊緣用戶產生同頻干擾，導致小區邊緣用戶的信干比較低；邊緣用戶所在不同基站的地理位置差異，不同小區的基站信號到達邊緣用戶存在不同時延，使信號之間正交性變差，進一步降低小區邊緣用戶的信干比。為克服上述問題，FBMC-CoMP傳輸技術利用FBMC波形的非完全正交特性，通過基站控制器對不同地理位置的基站信號進行聯合處理，使得原來相互獨立的通信鏈路組合成協作簇。

2.2 FBMC-CoMP通信系統原型驗證

平臺

由于FBMC-CoMP信道信息狀態的反饋、饋線的布置以及數據集中處理都具有極大挑戰性，還未見FBMC-CoMP通信系統的原型驗證平臺。本研究團隊經過多年技術攻關，搭建了一套基于軟件無線電設備（USRP）的FBMC-CoMP通信系統原型驗證系統，并驗證了FBMC-CoMP的技術優勢。FBMC-CoMP通信系統參數配置如表1所示。

2.2.1 硬件架構

基于USRP原型驗證平臺的硬件架構如圖3所示，其中主要包括：基站控制器、基站、用戶3個部分。整個系統可看成一個12的分布式MIMO系統，其中為用戶個數。

基站控制器主要使用美國國家儀器公司（NI）的外圍組建互連總線（PXIe）機箱搭建而成，機箱內插有一些不同的功能模塊，其中包括主頻為2.3 GHz 8核的嵌入式控制器PXIe-8880，負責完成各個基站的調度、數據的匯集、預編碼矩陣求解等；現場可編程門陣列（FPGA）協處理單元Flex 可支配的輸入輸出（RIO），完成MIMO處理，如聯合預編碼、MIMO檢測等；PXI數據路由器CPS-8910，負責基站數據匯總與分發；時頻同步器6674T，用作基站的頻率同步以及定時同步。

原型驗證平臺包含3個基站，每個基站由2個嵌有高性能FPGA處理單元的USRP組成，每個USRP則包含了2個射頻單元，每個基站一共有4根發送天線。

用戶由1臺USRP與1臺計算機組成，共有4個單天線用戶。

2.2.2 軟件架構

FBMC-CoMP通信系統的軟件架構如圖4所示，軟件架構取決于硬件，同樣將數據流進行分層處理。

在基站控制器中，通過PXIe總線完成射頻參數的配置、多媒體接入控制（MAC）層數據的配置、預編碼矩陣的計算，以及與Flex RIO和USRP的交互處理等操作，基站控制器與Flex RIO間的傳輸是通過直接內存存?。―MA）先入先出（FIFO）隊列實現。

Flex RIO需要完成擾碼、信道編碼、正交振幅調制（QAM）映射及聯合預編碼等操作，我們分別使用了FBMC-CoMP-ZF算法與FBMC-CoMP-MMSE算法完成對基站數據的預編碼操作，Flex RIO預編碼后的數據通過點對點（P2P）的隊列傳送給基站中的USRP。

在基站USRP的FPGA中完成FBMC波形的調制及數字上變頻，然后將FPGA生成的數字中頻信號依次經過數模轉換與頻譜搬移后由天線發送出去。我們使用Phydyas濾波器，重疊因子設置為4，并利用頻域擴展的方式實現FBMC的波形調制，具有實現架構簡單、預編碼更精細等優點。參考5G NOW的方案，在幀頭插入塊狀導頻，使用干擾近似法（IAM）完成信道估計。

3 FBMC-CoMP預編碼設計

在FBMC-CoMP通信系統中，多個基站要對邊緣用戶同時進行信號的傳輸，在已知系統信道參數的情況下，基站通過設計預編碼對每個發送天線賦予不同的加權系數，產生具有指向性的波束，從而消除小區間與用戶間的同頻干擾。

假設多基站與用戶間的信道矩陣為，預編碼矩陣為，所有用戶數據信號矢量為，則用戶接收到的信號為，其中為高斯噪聲，與分別為發送天線與接收天線的個數，且。

按照信號處理方式的不同，可將預編碼分為線性預編碼與非線性預編碼。由于非線性預編碼實現復雜度極高，不適用于實際通信場景。因此，下面我們將首先介紹兩種常用的線性預編碼方法，然后提出針對FBMC-CoMP的預編碼設計方法，從而消除邊緣用戶小區間的同頻干擾。

3.1 迫零預編碼

迫零預編碼可將等效信道矩陣完整對角化，從而消除其他用戶的干擾，達到同一頻率資源內傳輸多個并行數據流的目的。在迫零（ZF）預編碼中，對信道矩陣求廣義逆矩陣可以得到其預編碼矩陣為。此時，用戶接收信號可以寫為。ZF預編碼算法易于實現，但會使基站的發送功率增大，且信道相關性越強則消耗功率越大。

3.2 MMSE預編碼

最小均方誤差（MMSE）預編碼的準則是使接收信號與發送信號的均方誤差最小，從而在消除其他用戶干擾時，減小信道中的高斯白噪聲的干擾。MMSE的預編碼矩陣為：

（5）

其中為加性高斯白噪聲功率，為接收信號功率。MMSE算法可以有效消除高斯白噪聲，但是實現復雜度較大。

3.3 FBMC-CoMP-ZF與

FBMC-CoMP-MMSE預編碼

當信道頻率選擇性較強時，不同子載波對應的信道矩陣會有很大差異，如果所有子載波使用同一個預編碼矩陣，會導致波束賦形的效果很差，用戶間的干擾不能消除，因此必須對每個子載波分別進行預編碼。

假設第個子載波的信道矩陣為，其預編碼矩陣為，基站所有天線發送信號矢量表示為：

其中為個用戶在第個符號與第個子載波處的PAM符號的數據矢量。

發送信號經過信道后到達各個用戶，所有用戶在第個符號與第個子載波處的信號恢復矢量表示為：

假設信道相關帶寬大于3個子載波間隔，則在第個子載波相鄰的子載波處有和?；诘刃诺谰仃囃暾麑腔囊幌盗兴枷耄覀兲岢鯢BMC-CoMP-ZF預編碼為：

經過FBMC-CoMP-ZF預編碼后，可以重寫為：

其中和分別為信道對的虛部與實部的高斯白噪聲。對信號取實部后恢復出的信號為。為減小高斯白噪聲對的干擾，我們提出FBMC-CoMP-MMSE預編碼為

4 仿真與測試結果

4.1 MATLAB仿真結果

為驗證所提出的FBMC-CoMP傳輸技術及預編碼的優勢，我們對系統中一個基站引入個采樣點的延時，并在高斯信道下評估應用FBMC-CoMP-ZF與FBMC-CoMP-MMSE預編碼的系統誤碼率（BER）性能。圖5是MATLAB仿真所得的FBMC-CoMP誤碼率曲線。從圖5中可以看出：

（1）在高斯信道下FBMC-CoMP-MMSE算法優于FBMC-CoMP-ZF算法，并能夠提供較好的BER性能。

（2）隨著延時采樣點的增大，BER性能會逐漸變差，但在采樣點小于14時誤碼率小于5%，系統能夠進行可靠的通信。

4.2原型驗證平臺測試結果

為了模擬基站信號傳播過程中的衰減，我們人為降低基站的發送功率，以FBMC-CoMP-ZF預編碼算法為例子，分別測試了發送端在-5 dBmW、

-3 dBmW、-2 dBmW的BER曲線。從圖6中可以看出：當采樣點小于14（延時差為0.7 us）時，系統仍然能夠為用戶提供可靠的服務，且隨著FBMC調制子載波數目的增多，FBMC-CoMP能夠適應的延時也會線性增大?；就瑫r同頻對4個用戶進行信號傳輸，所以容量增益為4倍（6 dB）。

5 結束語

我們首先提出了一種基于FBMC的CoMP傳輸技術，并搭建了基于USRP的FBMC-CoMP的原型驗證平臺，然后提出了FBMC-CoMP中的預編碼設計以消除小區間干擾。最后，我們通過MATLAB仿真與原型驗證平臺的測試，驗證了FBMC-CoMP無需循環前綴且能夠進行可靠通信的技術優勢。測試結果表明：所提出的FBMC-CoMP傳輸技術能夠忍受不同基站信號到達的時延差，并為邊緣用戶提供可靠的通信服務，大幅提高了通信容量。

參考文獻

[1] FARHANG-BOROUJENY B. OFDM Versus Filter Bank Multicarrier [J]. IEEE Signal Processing Magazine， 2011， 28（3）： 92-112. DOI： 10.1109/MSP.2011.940267

[2] SCHAICH F， WILD T. Waveform Contenders for 5G — OFDM vs. FBMC vs. UFMC[C]//2014 6th International Symposium on Communications. USA： IEEE， 2014： 457-460. DOI： 10.1109/ISCCSP.2014.6877912

[3] 5GNOW_D3.2_final： 5G waveform candidate selection[EB/OL]. [2014-04-07]. （2017-04-17）. http：//www.5gnow.eu/wp-content/uploads/2015/04/5GNOW_D3.2_final.pdf

[4] 3GPP. Multiplexing and Channel Coding：TS36.212 [S]. 2010

[5] JUNGNICKEL V. The Role of Small Cells， Coordinated Multipoint， and Massive MIMO in 5G[J]. IEEE Communications Magazine， 2014， 52（5）： 44-51. DOI：10.1109/MCOM.2014.6815892

[6] CUI Q. Evolution of Limited-Feedback CoMP Systems from 4G to 5G： CoMP Features and Limited-Feedback Approaches[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine， 2014， 9（3）： 94-103. DOI： 10.1109/MVT.2014.2334451

[7] CHENG Y， LI P， HAARDT M. Coordinated Beamforming for the Multi-User MIMO Downlink Using FBMC/OQAM[C]//2014 6th International Symposium on Communications.USA： IEEE， 2014： 465-469. DOI：10.1109/ISCCSP.2014.6877914

[8] PHYDYAS DelivrablesD3.2： Optimization of transmitter and receiver[EB/OL]. [2010-06-01]. http：//www.ict- phydyas.org/delivrables/PHYDYAS-D3-2.pdf/view

[9] HAAS R， BELFIORE J C. Multiple Carrier Transmission with Time-Frequency Well-Localized Impulses[C]//IEEE Second Symposium on Communications and Vehicular Technology in the Benelux. USA： IEEE， 1994：187-193. DOI：10.1109/SCVT.1994.574163

[10] BELLANGER M. FS-FBMC： A Flexible Robust Scheme for Efficient Multicarrier Broadband Wireless Access[C]//Globecom Workshops （GC Wkshps）， 2012 IEEE. USA： IEEE， 2012： 192-196. DoI：10.1109/GLOCOMW.2012.6477568

[11] CHANG S L， KYUNG Y Y. Polyphase Filter-Based OFDM Transmission System[C]// IEEE 60th Vehicular Technology Conference. USA： IEEE， 2004： 525-528. DOI：10.1109/VETECF.2004.1400062

[12] QU Q， QIU Y and JIANG T. Finer SVD-Based Beamforming for FBMC/OQAM Systems[C]// IEEE Global Communications Conference （GLOBECOM）.USA： IEEE， 2016： 1-7. DOI： 10.1109/GLOCOM.2016.7841842