快速時(shí)變信道下OQAM-FBMC系統(tǒng)時(shí)頻同步技術(shù)研究＊

金志平，劉 云

（1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528400；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510000）

1 目的意義

隨著增加FBMC符號的長度可減小保護(hù)間隔所占的比例，但快速時(shí)變信道相比較快的時(shí)變性決定了FBMC符號不能設(shè)置過長，其根源是信道在符號時(shí)間內(nèi)的明顯變化將導(dǎo)致嚴(yán)重的ICI（子載波間干擾）。因此，保護(hù)間隔通占據(jù)快速時(shí)變FBMC符號的比例達(dá)20%以上，導(dǎo)致傳統(tǒng)快速時(shí)變FBMC系統(tǒng)頻譜效率不高。雖然OQAM-FBMC比傳統(tǒng)FBMC實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度要高，隨著硬件的發(fā)展，其可應(yīng)用性已大大加強(qiáng)，且快速時(shí)變符號速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于時(shí)不變無線通信，其用于快速時(shí)變通信的可行性進(jìn)一步提高。

2 市場預(yù)測和發(fā)展趨勢

快速時(shí)變信道帶寬很窄，且呈現(xiàn)時(shí)間-頻率雙重選擇性衰落，實(shí)現(xiàn)高速可靠通信的難度大。相比于傳統(tǒng)FBMC（濾波器組多載波）技術(shù)，OQAM-FBMC（基于偏移正交幅度調(diào)制的濾波器組多載波）技術(shù)具有頻譜效率更高、抗時(shí)頻雙選衰落能力更強(qiáng)的特點(diǎn)，對于快速時(shí)變通信具有潛在的研究價(jià)值。水聲信道是最常見的一種快速時(shí)變信道。現(xiàn)階段，水聲通信作為唯一一種可以在水下進(jìn)行信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)耐ㄐ判问剑湓谲娛潞兔裼玫膽?yīng)用上都有著重大的意義，因此，水聲通信技術(shù)也越來越受到了人們的重視，應(yīng)用越來越廣泛。OQAM-FBMC系統(tǒng)可應(yīng)用于水聲通信等快速時(shí)變通信中，在軍事領(lǐng)域，海上石油勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測等民用領(lǐng)域帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 具體研究開發(fā)內(nèi)容

OQAM-FBMC信號與傳統(tǒng)FBMC信號差別很大，相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)也有諸多不同，在時(shí)不變無線通信中，針對OQAM-FBMC系統(tǒng)的時(shí)頻同步已有不少研究成果，但一般以符號時(shí)間內(nèi)信道不變?yōu)榧僭O(shè)，本項(xiàng)目針對快速時(shí)變信道的時(shí)變性不可忽略的特點(diǎn)開展相關(guān)研究，擬研究快速時(shí)變OQAM-FBMC系統(tǒng)的時(shí)間及頻率同步算法。

雖然時(shí)不變系統(tǒng)的時(shí)頻同步研究已經(jīng)比較成熟，但時(shí)不變算法在壓擴(kuò)效應(yīng)明顯的快速時(shí)變信道中魯棒性較差。現(xiàn)有快速時(shí)變信道同步研究不多，采用的前導(dǎo)結(jié)構(gòu)也比較單一，比如偽隨機(jī)序列或二段重復(fù)序列，雖有可用算法但性能未見突破。另一方面，近年來，時(shí)不變系統(tǒng)上同步研究中涌現(xiàn)了不少新的思想，可供快速時(shí)變信道同步借鑒。

現(xiàn)有OQAM-FBMC研究一般針對時(shí)不變信道，在快速時(shí)變信道下還須考慮信道在符號時(shí)間內(nèi)變化的問題。針對該問題，本項(xiàng)目主要研究快速時(shí)變信道下OQAM-FBMC通信的關(guān)鍵支撐技術(shù)——時(shí)頻同步技術(shù)，需要解決抗尺度壓擴(kuò)、抗頻偏并可利用多徑的符號同步測度函數(shù)問題；本項(xiàng)目的研究成果有望為OQAM-FBMC技術(shù)在快速時(shí)變通信中的應(yīng)用提供有力的理論支撐。

4 需要解決的技術(shù)關(guān)鍵問題

本項(xiàng)目擬開展的相關(guān)研究的具體內(nèi)容如下。

4.1 同步誤差對OQAM-FBMC系統(tǒng)性能影響分析

同步誤差包括符號定時(shí)誤差、重采樣率誤差、頻偏估計(jì)誤差，系統(tǒng)誤碼率對它們的敏感性可能不相同。類似問題在時(shí)不變FBMC系統(tǒng)中已得到定量研究，但該問題在快速時(shí)變OQAM-FBMC中有2個(gè)不同之處：①OQAM-FBMC抗干擾能力與FBMC不同，對同步誤差敏感性也不同；②快速時(shí)變系統(tǒng)需對接收信號重采樣以補(bǔ)償信號的時(shí)域尺度壓擴(kuò)，因此，存在采樣率誤差，而時(shí)不變信道的壓擴(kuò)效應(yīng)可忽略。

4.2 前導(dǎo)設(shè)計(jì)

針對快速時(shí)變信道時(shí)域尺度壓擴(kuò)明顯、載波頻移大、多徑分量豐富等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)用于系統(tǒng)聯(lián)合同步的輔助數(shù)據(jù)——前導(dǎo)。符號定時(shí)同步算法、重采樣率估計(jì)算法和頻譜估計(jì)算法都基于該前導(dǎo)，每一種算法都給前導(dǎo)的設(shè)計(jì)提出了約束條件，需要綜合考慮。常見的前導(dǎo)結(jié)構(gòu)很多，比如偽隨機(jī)序列前導(dǎo)、多段重復(fù)結(jié)構(gòu)前導(dǎo)、共軛對稱結(jié)構(gòu)前導(dǎo)、線性調(diào)頻序列前導(dǎo)等，不同的前導(dǎo)結(jié)合相應(yīng)的算法都有其自身的優(yōu)點(diǎn)，本項(xiàng)目將綜合借鑒這些思想研究前導(dǎo)的設(shè)計(jì)。

4.3 時(shí)頻同步算法設(shè)計(jì)

先設(shè)計(jì)時(shí)頻聯(lián)合同步的框架性方案，再研究方案內(nèi)的各個(gè)具體算法。研究可抗頻偏、抗時(shí)域尺度壓擴(kuò)并可利用多徑的時(shí)間同步算法，實(shí)現(xiàn)符號的高魯棒性檢測和信號幀起點(diǎn)的準(zhǔn)確估計(jì)；針對快速時(shí)變信道各簇路徑的多普勒擴(kuò)展因子可能不同，以子載波間干擾最小為目標(biāo)，研究接收信號的最佳重采樣率的估計(jì)算法；研究對定時(shí)誤差不敏感的、可利用多徑的載波頻偏估計(jì)算法。擬解決的關(guān)鍵問題為抗尺度壓擴(kuò)、抗頻偏并可利用多徑的符號同步測度函數(shù)問題，實(shí)現(xiàn)信號的時(shí)頻同步時(shí)，要進(jìn)行符號的高魯棒性的檢測，測度函數(shù)是算法的關(guān)鍵。快速時(shí)變信道的時(shí)域尺度壓擴(kuò)效應(yīng)在時(shí)不變同步算法中不需要考慮，并且快速時(shí)變信道導(dǎo)致的信號歸一化頻偏范圍也比時(shí)不變系統(tǒng)大得多，所設(shè)計(jì)符號同步測度必須對這些因素不敏感。同時(shí)，多徑會導(dǎo)致信號的能量在時(shí)域彌散，所設(shè)計(jì)的同步測度函數(shù)不能僅僅是對抗多徑，而要充分地利用多徑，以保證符號同步算法的魯棒性。

5 特色和創(chuàng)新之處

將OQAM-FBMC技術(shù)應(yīng)用于時(shí)頻雙選快速時(shí)變信道。快速時(shí)變信道頻帶資源極其寶貴，且呈現(xiàn)出時(shí)頻雙重選擇性，OQAM-FBMC技術(shù)具有比傳統(tǒng)FBMC更高的頻譜效率，具有更好的對抗信道時(shí)-頻選擇性的能力，為高速率快速時(shí)變通信提供了新的機(jī)制選擇。用高階統(tǒng)計(jì)量設(shè)計(jì)快速時(shí)變同步算法，在短前導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)高效的同步。快速時(shí)變FBMC系統(tǒng)普遍采用二階統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行同步，而最近時(shí)不變FBMC同步技術(shù)的研究成果表明，采用高階統(tǒng)計(jì)量可以明顯縮短同步需要的前導(dǎo)長度。對快速時(shí)變OQAM-FBMC系統(tǒng)非常有利：短前導(dǎo)可以避免信道在前導(dǎo)時(shí)間內(nèi)時(shí)變，提高算法魯棒性；短前導(dǎo)可以節(jié)省同步開銷，提高系統(tǒng)頻譜效率。

參考文獻(xiàn)：

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