高速移動(dòng)環(huán)境下FBMC-OQAM技術(shù)的研究

羅珍珍　王蘇妍

【摘 要】針對(duì)高速移動(dòng)環(huán)境下的通信特點(diǎn)，提出了一種基于FBMC-OQAM系統(tǒng)的方法用于抑制干擾。該方法以FBMC技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)引入OQAM調(diào)制實(shí)現(xiàn)了全速率正交傳輸，用于增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)頻偏的魯棒性。結(jié)果表明，該方法能夠在高速移動(dòng)的環(huán)境下，有效消除多徑信道中的干擾和衰落，提高誤碼率和系統(tǒng)性能。

【關(guān)鍵詞】高速移動(dòng);FBMC-OQAM;魯棒性;系統(tǒng)性能

中圖分類(lèi)號(hào)： TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）31-0018-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.008

Research on FBMC-OQAM Technology in High Speed Mobile Environment

LUO Zhen-zhen1 WANG Su-yan2

（1.Institute of Information Technology of Guet，Guilin Guangxi 541004，China;

2.Guangdong Xin'an Vocational Technical College，Shenzhen Guangdong 518000，China）

【Abstract】For communication characteristics in high-speed mobile environments，a method of FBMC-OQAM system is proposed to suppress interference.The method is based on FBMC technology，and full rate orthogonal transmission is achieved by introducing OQAM modulation to enhance the robustness of the system to frequency offset.As the results is shown，the proposed method can eliminate the interference and fading in multipath channels effectively，and improve the bit error rate and system performance in a high-speed mobile environment.

【Key words】High-speed movement;FBMC-OQAM;Robustness;System performance

0 引言

移動(dòng)通信的普及和第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5th Generation， 5G）的到來(lái)，通信技術(shù)已經(jīng)徹底改變了人們的生活方式。與此同時(shí)，近幾年高速鐵路的快速發(fā)展，使得交通成為了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，隨著信息化時(shí)代的推進(jìn)，越來(lái)越多的人希望在乘坐高鐵出行中能夠使用移動(dòng)終端聯(lián)網(wǎng)通信，享受瀏覽網(wǎng)頁(yè)、視頻直播等互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，而在高鐵快速移動(dòng)環(huán)境下，使得通信信號(hào)發(fā)生頻率偏移，信道呈現(xiàn)衰落性，而高鐵軌道兩側(cè)的樹(shù)木、建筑物等又使得電磁波產(chǎn)生多徑傳播效應(yīng)[1]。為了提高通信系統(tǒng)傳輸速率，4G和5G中采用了OFDM技術(shù)■，它能夠有效對(duì)抗頻選衰落，但其同步要求高，會(huì)增加誤碼率。除此之外，多載波系統(tǒng)是FBMC■被廣泛應(yīng)用，其只有相鄰子載波有重疊，因此具有一定的抗干擾能力。

本文針對(duì)系統(tǒng)全速率傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，在FBMC技術(shù)的基礎(chǔ)上，將OQAM調(diào)制與FBMC系統(tǒng)相結(jié)合，提出■■系統(tǒng)，以用于抑制高速移動(dòng)環(huán)境下信道衰落及干擾，提高高速移動(dòng)環(huán)境下的系統(tǒng)性能。

1 FBMC原理

FBMC系統(tǒng)使用濾波器組作為多載波調(diào)制器，各子載波之間只需滿(mǎn)足實(shí)數(shù)域正交性，不需要像OFDM那樣必須在整個(gè)復(fù)數(shù)域正交，所以不涉及影響到頻譜效率下降的狀況。另外，F(xiàn)BMC中的濾波器組由具有優(yōu)良時(shí)頻聚焦性的原型濾波器構(gòu)造，系統(tǒng)的帶外功率輻射非常低，從而導(dǎo)致重疊現(xiàn)象只會(huì)發(fā)生在相鄰子載波，具有一定的抗ICI（子載波干擾）能力，這種優(yōu)勢(shì)正好與高速移動(dòng)帶來(lái)的ICI相契合。不過(guò)，因?yàn)闉V波器組不可避免的存在正交性差異，在雙選信道下，該干擾被串?dāng)_為了復(fù)數(shù)干擾，對(duì)接收端信號(hào)的檢測(cè)接收技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。

2 FBMC-OQAM系統(tǒng)

與FBMC相比，F(xiàn)BMC-OQAM系統(tǒng)，通過(guò)引入OQAM調(diào)制實(shí)現(xiàn)了全速率正交傳輸，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，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)頻偏的魯棒性，實(shí)現(xiàn)對(duì)ICI的抑制。

因此，F(xiàn)BMC-OQAM系統(tǒng)框圖可用如圖1所示進(jìn)行描述。

設(shè)定子載波個(gè)數(shù)為M，首先將待發(fā)送的比特流傳入OQAM預(yù)處理模塊，然后通過(guò)QAM調(diào)制映射為復(fù)信號(hào)，并根據(jù)子載波個(gè)數(shù)M進(jìn)行串并變換。接著對(duì)復(fù)信號(hào)做偏移處理，先分別取出各個(gè)復(fù)信號(hào)的實(shí)部和虛部，然后通過(guò)對(duì)兩者乘以相位旋轉(zhuǎn)因子，并讓其中一個(gè)先輸出另外一個(gè)延遲τ0=Ts/2（Ts表示FBMC符號(hào)周期）輸出實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的實(shí)虛交錯(cuò)，再采用不同映射操作，使得相鄰子載波上的符號(hào)有π/2的間隔，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)符號(hào)在時(shí)頻格點(diǎn)上呈現(xiàn)虛、實(shí)交錯(cuò)分布。緊接著將其處理后的輸出傳入到綜合濾波器，再通過(guò)IFFT以及PPN處理，然后實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制。最終，全部疊加發(fā)送到信道中。FBMC-OQAM系統(tǒng)基帶等效發(fā)送信號(hào)表達(dá)式可以表示為：

■（1）

式中，am，n指的是第n個(gè)時(shí)隙第m個(gè)子載波上傳送的實(shí)值符號(hào)，gm，n（t）則是時(shí)頻點(diǎn)（m，n）處的原型濾波器函數(shù)，由下式獲得：

■（2）

式中，f△為子載波間隔，g（t）表示原型濾波器的時(shí)域沖激響應(yīng)。

在理想信道下，發(fā)送端信號(hào)x（t），F(xiàn)BMC-OQAM系統(tǒng)可以表示如下：

■（3）

其中，R表示取實(shí)數(shù)操作，只有當(dāng)m=p時(shí)，ε■=1，當(dāng)m≠p，ε■=0，即通過(guò)取實(shí)操作，消除了不同格點(diǎn)處符號(hào)之間求內(nèi)積得出的純虛數(shù)干擾，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)數(shù)域正交。由此，接收信號(hào)rm，n表示為：

■（4）

結(jié)合實(shí)數(shù)域正交性，上式還可以表示為：

■（5）

式中，im，n表示不同格點(diǎn)處符號(hào)之間求內(nèi)積得出的純虛數(shù)干擾，通常被稱(chēng)為系統(tǒng)固有虛部干擾。通過(guò)對(duì)分析濾波器輸出符號(hào)進(jìn)行取實(shí)部操作，恢復(fù)出原符號(hào)：

■（6）

在多徑信道下，接收端信號(hào)表達(dá)式可以表示為：

■（7）

式中，h（t，τ）指的是時(shí)域信道沖激響應(yīng)，■卷積運(yùn)算，ω（t）則為高斯白噪聲，hm，n表示時(shí)頻格點(diǎn)（m，n）處的信道參數(shù)。則接收端分析濾波器輸出的時(shí)頻格點(diǎn)為（m0，n0）處的符號(hào)可以表示為：

r■=〈y（t），g■〉■

=■■h■a■〈g■，g■〉■+〈ω■，g■〉■=h■a■+ω■（8）

在理想信道估計(jì)下，即■m■，n■=hm■，n■，采用ZF均衡得：

■（9）

不考慮AWGN的情況下，即ω■=0，由式（9）得到原始發(fā)送信號(hào)為：

■■=a■（10）

圖2 FBMC-OQAM系統(tǒng)性能圖

在速度為300km/h環(huán)境下移動(dòng)，采用6條徑的COST207模型，使用該系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行仿真，并與傳統(tǒng)的FBMC比較，得到性能效果圖如圖2所示。圖中曲線為歸一化多普勒頻移FdTs=0的條件下，采用提出的Sub-block DD-BDFE的過(guò)采樣檢測(cè)方案仿真得到。

從圖2中可以看出，F(xiàn)BMC-OQAM系統(tǒng)的誤比特率性能遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)系統(tǒng)。在BER為10-2時(shí)，其誤比特率性能提高約，并且隨著的增加性能提升的程度更大。意味著它能夠消除掉存在于多徑信道中的干擾。因此，將FBMC-OQAM技術(shù)引入高速移動(dòng)環(huán)境下，隨著信噪比EbNo的增加，誤碼率BER得到明顯改善，系統(tǒng)性能大大提高。

3 結(jié)論

本文針對(duì)高速移動(dòng)下環(huán)境的特點(diǎn)，為了進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)技術(shù)，首先簡(jiǎn)單介紹了FBMC的原理，然后在FBMC的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入OQAM調(diào)制，提出FBMC-OQAM系統(tǒng)，并分析其與FBMC的區(qū)別，最后將其應(yīng)用于高速通信，同時(shí)通過(guò)仿真證明，該方法與FBMC相比，具有更高的頻譜利用率和一定的抗頻偏能力，能有效改善性能。

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