PAPR 【网安学术】使用PTS和SLM联合技术降低FBMC-OQAM系统的PAPR

摘要:滤波器组多载波系统(FBMC)已经被认真考虑作为第五代移动通信的无线接入技术。带偏移的滤波器组多载波调制(FBMC-OQAM)是一种多载波技术，因此具有很高的PAPR，而大多数传统的降低PAPR的正交频分复用技术不适合FBMC。为了克服这一问题，对传统的选择性映射(SLM)方法和部分传输序列(PTS)方法进行了优化和改进，提出了FBMC-OQAM系统中SLM和PTS(SLM-PTS)方法的结合来减少PAPR。仿真结果表明，该方法能够显著降低FBMC-OQAM系统的PAPR。

0报价

正交频分复用是4G蜂窝网络标准长期演进中采用的一种调制技术。然而，正交频分复用的带外辐射强，旁瓣高，导致频谱感知精度低。未来的无线标准需要为下一代移动系统提出一种新的高传输数据速率和高频谱利用率的调制技术。带偏移正交幅度调制的滤波器组多载波调制(FBMC)作为未来第五代移动通信标准的主要候选，已经引起了人们的关注。

FBMC-OQAM是一种多载波技术。通过基于快速傅里叶逆变换/快速傅里叶变换和OQAM符号的滤波器组，可以将实符号以两倍于FBMC/正交调幅的符号速率加载到子载波中，因此具有较高的频谱效率。旁瓣较小的滤波器减小了载波频移，减轻了其对正交频分复用传输的影响，使频谱带外泄漏特别低。由于FBMC-OQAM系统不插入循环前缀，因此传输数据速率高，频谱利用率高[3]。然而，FBMC-OQAM和正交频分复用都是多载波调制技术。在符号传输过程中，多个子信道传输信号的叠加会产生较大的峰值，导致较高的峰均比(PAPR)。高PAPR导致非线性功率放大器中FBMC-OQAM性能的严重退化，因此降低FBMC-OQAM系统的PAPR是下一代通信技术的主要问题。一般来说，PAPR还原技术大致可以分为两类——失真技术和非失真技术。失真技术包括压扩技术(星座扩展法)和削波技术(消峰法)，不失真技术包括编码技术(分组编码)和概率技术。概率解决方案，如选择性映射(SLM)和部分传输序列(PTS)，主要是降低信号中出现高峰的概率，而不是降低最大信号的幅度[4]。它们复杂度相对较低，在恢复边带信息时不会影响误码率，因此更有优势。

比较FBMC-OQAM信号和正交频分复用信号的差异，FBMC-OQAM信号的相邻数据块相互重叠，因此传统的PAPR缩减技术不能用于FBMC-OQAM系统。文献[5]没有考虑FBMC-OQAM符号的特殊性，直接在FBMC系统的OFDM系统中应用削波法和压扩法，导致PAPR性能较差。当计算当前符号的最佳PAPR缩减时，必须考虑FBMC-OQAM信号的过去符号。考虑到过去的符号，分散的空间光调制器被用来减少FBMC-OQAM信号的PAPR。在当前符号处，由传统方案确定的最佳相位模式对于分散的空间光调制器方案来说是低效的通过分析近年来国内外对FBMC-OQAM信号PAPR还原方法的研究现状，可以看出现有的许多方法都有一定的局限性。本文首先对信号进行分组，然后将SLM方法和PTS方法相结合。该改进方法首先划分不同的子块，将串并信号分成矩阵，然后计算每个子块数据的权重，然后从每个子块中选择一个传输序列。这个序列乘以旋转因子，然后求和。最后，通过遍历选择相应的最优旋转因子，找到最小的一组子块序列组合的PAPR值，从而获得较低的FBMC-OQAM信号的PAPR性能。。文献1 FBMC-OQAM系统原理充分利用了FBMC-OQAN信号的特点，提出了一种基于网格的动态规划SLM算法来检测最优相位旋转矢量。

[6]

[7]

1.1 FBMC-OQAM信号结构

具有偏移正交幅度调制(FBMC-OQAM)的滤波器组多载波技术被认为是下一代无线通信系统的主要研究方法。与循环前缀-正交频分复用技术相比，FBMC-OQAM系统利用其原型滤波器的调制来抑制频谱，因此不需要添加循环前缀。所以在同等条件下，具有更高的频谱利用率。

FBMC-OQAM系统主要由OQAM预处理模块、合成滤波器组(SFB)、分析滤波器组(AFB)和OQAM后处理模块组成。为了降低系统计算的复杂度，采用PPN滤波器组的相应处理来代替传统的滤波器组结构[8]。FBMC-OQAM系统的基本结构如图1所示。在FBMC-OQAM系统中，OQAM用于调制信号。预处理级位于FBMC-OQAM的发射端。图2是OQAM预处理结构图。

其中实数符号由复数Cm映射而来，n；n从M到M-1的变化如下:

其中h(t)是原型滤波器的脉冲响应，这种时间交错规则的数学意义出现在参考文献[8]中，它有一个相位项，设置为。图3示出了发射端的多相网络的滤波器组。

PHYDYAS滤波器的脉冲响应为:

其中a是标准化常数，并且

1.2 fbmc-oqam系统中PAPR的定义

峰均功率比通常定义为一段时间内最大峰值功率与平均功率之比。如果连续时间基带信号为s(t)，则一个传输周期内的PAPR定义为[12]:

大多数现有的简化PAPR技术只能在离散时间信号上实现。如果信号以奈奎斯特速率采样，可能会错过一些峰值，因此有必要进行过采样。PAPR的互补累积分布函数(CCDF)是分析PAPR的有用参数，定义为离散时间信号的PAPR超过给定阈值的概率，其表达式如下:

此后，CCDF函数被用来度量FBMC-OQAM系统的PAPR分布。

2 PAPR还原技术

2.1 SLM技术

空间光调制器方法是一种简单有效的PAPR还原技术。频域相位旋转产生n组不同的矢量，乘以输入符号得到不同的PAPR，然后选择峰均比最小的信号进行传输。即长度为n的k个相互独立的相位加权因子向量乘以n个离散的频域信号数据，得到k个不同的输出序列，然后进行IFFT运算，选择峰值平均值较小的序列进行传输。图4是用空间光调制器方法降低信号PAPR值的结构框图。

2.2临时技术秘书处技术

图5是使用PTS方法降低信号PAPR值的结构框图。频域数据信息分为v组，如。每组的所有子载波都乘以加权因子，以降低PAPR性能。

每组中的相关相位值由等式(11)给出:

其中w是预定的离散相的数量。乘以每组的加权因子，子载波向量为:

其中是加权因子，需要通知接收机作为辅助信息。通过使用等式(13)，在时域中优化V组加权因子的集合，以实现更好的PAPR性能。

2.3可持续土地管理与临时技术秘书处相结合的方法

由于SLM法和PTS法各有利弊，以下将采用先将传输数据分块，再结合SLM法和PTS法的方法。实现的原理和结构框图如图6所示。

该改进方法首先将输入数据划分为多个子块，将串并行变换后的信号划分为N个矩阵，通过SLM算法计算每个矩阵，即生成一个随机序列，该随机序列由子块的每个矩阵与随机生成的相位加权因子向量进行点乘生成。然后，对每个子块生成的随机序列进行傅里叶逆变换，最后从随机序列中选择一个序列进行传输。这个序列乘以旋转因子，然后求和。最后通过遍历选择相应的最优旋转因子，找出一组PAPR值最小的子块序列组合信号。

3模拟结果

本文的仿真实验是在MATLAB仿真平台上进行的。为了保证仿真结果的可靠性，选择了105个FBMC符号。子载波个数为64，FBMC信号用4QAM调制，原型滤波器重叠因子K为4。仿真中不考虑边带信息，向量旋转向量集为{1 -1 i -i}，其中PTS方法中的数据划分采用邻区划分方法。

图7显示了FBMC-OQAM原始信号的PAPR。当加权因子K的长度=2，4，8时，信号的PAPR CCDF曲线用选择映射法处理。

采用空间光调制器后，随着相位旋转因子个数的增加，FBMC系统的PAPR值减小。从图7可以看出，当K =2时，PAPR值下降最多。随着k的增加，PAPR不会明显减少，反而会增加系统计算和实现的复杂度。

图8是采用PTS方法时，不同v值下FBMC系统与原始信号的CCDF比较。

随着v值的增加，信号的PAPR性能进一步提高。考虑到系统计算的复杂性和PAPR性能，当V =4，累积分布函数CCDF =10-3时，PAPR性能提高约2.3分贝。

图9显示了当SLM方法K =4和PTS方法V =4时，通过组合SLM和PTS得到的PAPR的CCDF曲线。

其中SLM和PTS组合方法采用相邻等距分组。如图9所示，改进方法的PAPR性能明显提高了约2.1分贝。

本文研究了FBMC-OQAM信号的结构和特征。由于FBMC-OQAM系统由多个正交子载波组成，信号由这些子载波上的符号组成，因此FBMC-OQAM系统存在较高的峰均比问题。为了充分发挥FBMC-OQAM体系的优势，结合其结构特点，对如何降低FBMC-OQAM体系的PAPR进行了研究。本文采用空间光调制器法和时域有限差分法来降低FBMC-OQAM信号的峰均功率比，并将这两种方法进行了结合和改进，并用Matlab软件对不同算法进行了仿真。仿真结果表明，改进后的方法可以获得比空间光调制器方法和时间点法更好的PAPR性能。

参考文献:

[1]伊哈兰宁，维霍莱宁A，斯蒂茨T H，等.基于滤波器组的无线上行多模多址方案[C].信号处理大会，2015:1354-1358。

[2]温德，波奇，斯特罗梅尔等.高效5G系统设计的稀疏信号处理概念[J].IEEE接入，2015(03):195-208。

[3]伊哈兰宁，斯蒂茨，铃音，等.基于滤波器组的无线通信多载波调制中信道均衡[J].欧洲信号处理进展杂志，2006，2007(01):1-18。

刘英。FBMC系统中降低峰均比方法的研究[D]。南京:东南大学，2017。

[5]FBMC-OQAM系统中峰均功率比的降低[C]。第四届计算和通信进展国际会议IEEE，2014:286-290。

[6]布洛苏，谢，罗维拉，等.使用色散空间光调制器技术的FBMC-OQAM系统的PAPR归约[C].第11届IEEE无线通信系统国际研讨会，2014 .

[7]布洛苏·S·S·K·C，谢克·H，罗维拉斯·D .基于网格的空间光调制器在降低FBMC-OQAM信号的PAPR方面优于逐符号方法[C]。IEEE国际通信会议，2015:4757-4762。

[8]张瑞文.多通道数据传输用带限正交信号的合成[J].贝尔实验室技术杂志，2014，45(10):1775-1796。

[9]西韩平，西克莱特，拉康.基于滤波器组理论的正交频分复用/OQAM系统的分析与设计[J].IEEE Trans。《信号处理》，2002(50):1170-1183。

[10]弗洛奇，阿拉尔德，贝鲁.编码正交频分复用[J].《电气和电子工程师协会学报》，2002，83(06):982-996。

[11]贝朗杰.基于滤波器组的多载波传输的原型滤波器的规范和设计[C]。IEEE声学、语音和信号处理国际会议，2001:2417-2420。

[12]奥恰伊·赫，伊迈·赫.关于正交频分复用信号中峰均功率比的分布[J].IEEE Trans。通讯，2001，49(02):282-289。

作者简介:

吴晴晴，江苏大学计算机科学与通信工程学院硕士，主要研究方向为光纤通信；

刘占胜，江苏大学计算机科学与通信工程学院副教授，博士。他的主要研究兴趣是光通信和光无线通信。

原始声明>:>;>。

本微信微信官方账号发表的原创文章，欢迎个人转发。未经授权，其他媒体、微信微信官方账号、网站不得转载。