FBMC-OQAM系统的过采样技术研究

桂林电子科技大学信息科技学院 广西 桂林 541004

1 引言

随着科技的发展,高速铁路的速度迅猛提升,其中,最高时速高达420公里/小时。然而交通和通信是密切相关的,作为新一代移动通信发展的主要方向——5th Generation(5G)技术,随之发展成新一代信息基础设施中必不可少的组成部分。在互联网时代的不断推动和每年出行的人数水涨船高的情形下,人们希望能够在乘坐高铁中享受高速的网上冲浪、视频直播等,然后,由于在高速移动的环境下,环境的不稳定以及不确定性等容易产生多径传播效应,导致通信过程中信号发生频率偏移。为了提高此环境下的通信质量,5G新的接入技术备案有很多,其中,早期传统系统中通常采用的是OFDM技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)[1],但此技术在改善的同时会增加一定的误码率。除此之外,多载波系统FBMC(Filter Bank Multi-Carrier,FBMC)被广泛应用于高速移动环境[2],它具有一定的抗干扰能力,但易遭受频选衰落,在技术的不断发展中,在FBMC基础上FBMC-OQAM(Filter Bank Multi Carrier with Off-set Quadrature Amplitude Modulation)被提出用于抑制信道衰落[3],但同时对接收信号带来了困难。

本文在FBMC-OQAM技术的基础上,为进一步减少接收端接收信号的复杂度,提出将过采样技术应用于FBMC-OQAM系统,以适用于高速移动环境下,从而达到降低系统误码率,提高系统性能的目的。

2 FBMC-OQAM系统

自早期Chang和Saltberg提出FBMC的概念后,由于其本身的复杂度,一直未被使用,直到2008年后,FBMC通过采用多项滤波的系统实现复杂度的降低后,该系统才被广泛运用。此后,FBMC进一步使用滤波器组作为多载波调制器。其中,FBMC-OQAM系统中,在FBMC的基础上,通过引入的OQAM技术,可以实现全速率正交传输功能。所以,采用OQAM不是为了降低峰均比,本质是利用它可以保证载波之间的正交,而Zigbee的通讯方式采用OQAM调制单纯是因为其可以降低峰均比。此外,从时频聚焦角度来看,该系统使用的原型滤波函数好于OFDM系统中的矩形窗函数,原型滤波器使带外幅度快速衰落,这种优势体现在其能够抵抗信道对信号的时频弥散干扰。

当然,FBMC采用OQAM保证全速率传输时载波正交的同时,因为OQAM也增加了系统实现的复杂度,尤其是对于MIMO场景下系统的复杂性。

3 过采样技术

在FBMC-OQAM的基础上,通过引入的过采样技术,可以在满足全速率正交传输的前提下,同时结合过采样技术的优势,将之应用于高速移动环境下。该系统可以在实现过采样信号有效接收的同时,极大降低了检测运算复杂度。其中,将过采样技术应用于FBMC-OQAM系统的总框图如图1所示:

图1 FBMC-OQAM的过采样系统基本框图

FBMC-OQAM系统基带等效发送信号表达式可以表示为:

式子中,am,n符号代表第n个时隙第m个子载波上传送的实值,gm,n(t)代表时频点(m,n)位置的原型滤波器函数,出自下式:

式子中,子载波间隔由fΔ表示,时域冲激响应则表示为g(t)。

假设信道的离散脉冲响应表示为,其中最大多径延迟由Lh表示,将x(t)发射到信道中,则y(t)如h=[h(0),h(1),…,h(Lh-1)]T下:

其中,ω(t)为AWGN。使用间隔T2=T1/ε(T1=Ts/2M)对y(t)以继续采样,采样后如下式所示:

其中,hε(k,τ)代表时域离散脉冲响应以及噪声采样值,发送端信号的过采样形式表示为xε(k),以T2采样的接收端信号表示为yε(k),ωε(k)则为噪声采样值。

设接收端过采样后的输出可用矩阵如下:

式中:

第m个子载波对应的ε个接收端信号过采样符号如下:

经过PPN-FFT处理实现多载波解调。将y传入后,滤波器第m个子带的输出如下:

在速度为300km/h环境下移动,采用过采样系统对其进行仿真,并与传统的方案FBMC-OQAM进行比较,结果如图2所示。

图2 传统FBMC-OQAM系统和过采样系统性能图

仿真结果表明,加入过采样技术后的系统明显比传统方案性能好,将之应用于高速环境下的误码率远远优于普通FBMC-OQAM方式。此外,随着比特信噪比的增加,提出的过采样系统性能提升的程度更大。

4 结论

本文首先简单介绍了FBMC-OQAM的原理,然后针对其缺陷,为了进一步提升适用于高速移动通信环境下的通信技术,通过引入提出过采样技术,并将之应用于FBMC-OQAM系统。同时通过仿真证明,该方法与传统的FBMC-OQAM相比,能有效改善性能,降低系统误码率。