滤波器组多载波(Filter Bank Multi-Carrier,FBMC)是5G移动通信系统中可能替代OFDM的调制方式,但是其峰均比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)较高。DFT扩频技术利用DFT扩展输入信号,将FBMC信号的PAPR降到单载波传输的水平,但是仍存在缺点:经过推导发现,在同一符号周期内,传输符号x(t)中有4种不同的符号,导致PAPR值较高。因此,对DFT扩频技术中的相移项进行改进,提出了一种基于多载波等时移条件的DFT扩频(Identically Time Shifted Multicarrier-DFT spreading,ITSM-DFTs)算法。该算法充分利用了DFT扩频技术的单载波效应,理论分析和仿真结果表明,该算法有效降低了FBMC系统的PAPR。
中文引用格式: 刘松,李玥,刘鹏. 降FBMC系统峰均比的改进DFT扩频技术[J].电子技术应用,2019,45(10):76-79. 英文引用格式: Liu Song,Li Yue,Liu Peng. Improved DFT spreading for the PAPR reduction of the FBMC system[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(10):76-79.
0 引言
具有偏移正交幅度调制(Offset Quadrature Amplitude Modulation,OQAM)的滤波器组多载波(Filter Bank Multicarrier,FBMC),其基本概念可以追溯到20世纪60年代[1-2],并在文献[3]~文献[5]中被重新表述。与正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)相比,FBMC具有更好的频谱特性,并且通常不需要循环前缀(Cyclic Prefix,CP),被许多学者认为是第五代(Fifth Generation,5G)无线通信系统中可能替代OFDM的调制方式。FBMC虽然存在不同的变体,但本文将主要研究OQAM调制下的FBMC系统,因为它提供了最高的频谱效率[3]。虽然FBMC有很多优点,但是仍然存在一些待解决的问题。例如,由于FBMC基于多载波调制,因此其峰均比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)较高。当信号通过非线性高功率放大器(High Power Amplifier,HPA)时,高PAPR会导致系统性能严重下降,HPA的非线性会导致带内失真和带外辐射,从而导致误码率(Bit Error Rate,BER)升高以及相邻信道干扰,所以必须对系统的PAPR进行抑制。由于FBMC发送信号具有特殊的重叠结构,因此无法将OFDM系统降PAPR的技术直接应用到FBMC系统中,必须要在传统的降PAPR技术中引入信号处理操作,使其与FBMC系统的信号结构相适应。学者们对此进行了研究。文献[6]使用滑动窗口(Sliding Window,SW)算法改进子载波预留(Tone Reservation,TR)算法,通过对窗口内的连续数据块进行峰值缩减来消除窗口内FBMC信号的峰值,有效降低了FBMC信号的PAPR。但是迭代次数过多,损失了大量预留子载波的能量与带宽,在文献[6]中所述背景下,损失了12.5%。在考虑了FBMC信号的重叠结构的前提下,文献[7]基于传统的选择性映射(Selective Mapping,SLM)方法提出了一种多块选择性映射(Multi-Blocks Selective Mapping,MB-SLM)的方法,文献[8]对传统主动星座扩展方法进行了改进。文献[9]对重叠选择性映射(Overlapped Selective Mapping,OSLM)进行了扩展和推广,提出了一种色散选择性映射(Dispersive Selective Mapping,DSLM)方法,但仍存在计算复杂度过高的缺点。文献[10]将μ-律压扩与改进的部分传输序列相结合,通过牺牲部分PAPR性能来降低计算复杂度。文献[11]中基于段的部分传输序列算法虽然降低了复杂度,但仍然较高,并且由于连续的段之间的不可忽略的周期性零插入导致数据速率降低。文献[12]、[13]利用DFT扩频技术来降低PAPR,但是降低效果并不理想,这是因为实验采用的FBMC调制结构没有适应DFT扩频的单载波效应。为了充分利用DFT扩频技术的单载波效应,本文分析了常用相移模式的缺点,对相移项进行了改进,并提出了基于多载波等时移条件(Identically Time Shifted Multicarrier,ITSM)的DFT扩频(Identically Time Shifted Multicarrier-DFT spreading,ITSM-DFTs)算法。经过理论推导和实验仿真,该算法有效降低了系统的PAPR和BER。
[1] CHANG R W.Synthesis of band-limited orthogonal signals for multichannel data transmission[J].Bell System Technical Journal,1966,45(10):1775-1796.
[2] SALTZBERG B R.Performance of an efficient parallel data transmission system[J].IEEE Transactions on Communication Technology,1967,15(6):805-811.
[3] BOLCSKEI H.Orthogonal frequency division multiplexing based on offset QAM[M].Advances in Gabor Analysis.Birkhauser Boston,2003.
[4] FARHANG-BOROUJENY B,YUEN C H.Cosine modulated and offset QAM filter bank multicarrier techniques:a continuous-time prospect[J].EURASIP Journal on Advances in Signal Processing,2010,2010(1):1-17.
[6] LU S,QU D,HE Y.Sliding window tone reservation technique for the peak-to-average power ratio reduction of FBMC-OQAM signals[J].IEEE Wireless Communications Letters,2012,1(4):268-271.
[9] BULUSU K C,SHAIEK H,ROVIRAS D,et al.Reduction of PAPR for FBMC-OQAM systems using dispersive SLM technique[C].International Symposium on Wireless Communications Systems.IEEE,2014.
[11] YE C,LI Z,JIANG T,et al.PAPR reduction of OQAM-OFDM signals using segmental PTS scheme with low complexity[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2014,60(1):141-147.
[12] IHALAINEN T,VIHOLAINEN A,STITZ T H,et al.Filter bank based multi-mode multiple access scheme for wireless uplink[C].European Signal Processing Conference.IEEE,2015.
[13] YUEN C H,AMINI P,FARHANGBOROUJENY B.Single carrier frequency division multiple access(SC-FDMA) for filter bank multicarrier communication systems[C].Fifth International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks & Communications.IEEE,2015.