天地一體化網絡空口波形仿真

譚 琪，朱立東

(電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都 611731)

0 引言

得益于低成本火箭發射技術、微小衛星平臺技術和載荷技術的迅猛發展，實現全球信息化，特別是天基信息共享的天地一體化信息網絡正在全世界范圍內引發廣泛關注[1-2]。

天地一體化信息網絡是由多顆不同軌道上、不同種類和不同性能的衛星形成星座覆蓋全球，通過星間、星地鏈路將地面、海上、天上和空中的用戶、飛行器以及各種通信平臺密集聯合，以IP為信息承載方式，采用智能化的高速星上處理、交換和路由技術，面向光學、紅外多譜段的信息，按照信息資源的最大有效綜合利用原則，進行信息準確獲取、快速處理和高效傳輸的一體化高速寬帶大容量信息網絡，即天基、空基和陸基一體化綜合信息網絡[3]。

國際衛星通信業界對于3GPP的5G標準制定工作的參與度越來越高。他們認為，衛星網絡與地面網絡融合的5G網絡架構具有一定的市場發展潛力。近日，3GPP已經完成了相關前期研究工作，認為可以把衛星作為5G多種接入技術之一，將來可以用“衛星5G”來實現對于“泛在覆蓋”有苛刻需求的應急通信、工業應用等5G場景之覆蓋。其中的“衛星”，指的是運行于低軌(LEO)、中軌(MEO)、地球同步軌道和高橢圓軌道(HEO)的航天器。衛星網絡和地面網絡的融合勢在必行，且在5G時期，衛星接入方式將會被寫入5G標準。

然而，一直以來，衛星網絡與地面網絡相對獨立發展，空中接口及傳輸體制不一致，傳輸效率低下。為發展天地一體化網絡、真正實現全球無縫覆蓋，需要在空口波形上進行一體化設計。目前國內外關于天地一體化網絡的研究主要集中在網絡體制方面，很少涉及到物理層波形設計方面。為研究天地一體化網絡的空中接口波形設計方案，本文參考了地面5G系統波形，分析了各方面的性能，考慮將地面波形應用到天地一體化網絡中。

1 5G波形對比分析

隨著通信技術的發展，目前在地面第五代移動通信系統中提出了多種新型候選多載波技術，如濾波器組多載波技術(FBMC)[4]，通用濾波器多載波技術(UFMC)[5]和廣義頻分復用技術(GFDM)[6]等。OFDM，FBMC，UFMC，GFDM四種多載波波形的對比如表1所示。

表1 OFDM，FBMC，UFMC，GFDM四種多載波波形的對比[7]

由于GFDM技術要求有CP，使得GFDM技術既具有OFDM技術有效抗多徑的優點，又具有FBMC技術中通過引入子載波濾波器組，而不要求子載波嚴格正交的優點。同時較UFMC而言，同樣是完成一組對子載波的濾波，GFDM使用的濾波器數目減少，這使得系統的實現復雜度適中，并且GFDM采用非矩形濾波器組的設計，較OFDM具有更高的頻譜利用率和更小的帶外輻射。因此，選擇GFDM作為天地一體化網絡波形設計的調制方案。

2 GFDM系統模型

GFDM收發信機框圖如圖1所示[8]。

圖1 GFDM收發信機框圖

圖2 GFDM調制器框圖

每個dk,m都對應一個脈沖成型濾波器。設第k個子載波上傳輸的第m個子符號對應的脈沖成型濾波器為gk,m[n]，gk,m[n]的表達式為[10]：

(1)

(2)

(3)

A為KM×KM的傳輸矩陣：

(4)

3 GFDM的性能分析

文獻[13]中提出了GFDM的3種基本接收算法：MF,ZF,MMSE。仿真參數如表2所示。

表2 誤碼率性能仿真參數

3種算法的誤碼率結果如圖3所示。

圖3 GFDM的MF，ZF，MMSE接收的誤碼率性能

當處于高信噪比環境下，MF接收機性能較差，因為MF接收機不能抑制干擾，因此有必要在MF接收機的基礎上實施干擾消除算法。當處于低信噪比環境下，ZF接收機的性能較差，因為ZF接收機存在噪聲放大的問題尤其是在低信噪比環境下。MMSE接收機在噪聲增強和干擾抑制二者之間取得了很好的平衡，它的性能最好，但是復雜度也最高。同時，由于GFDM系統自干擾的存在，GFDM的3種接收算法的誤碼率性能曲線始終在OFDM的理論誤碼率曲線上方。表1說明GFDM比OFDM更適用于天地一體化網絡，并且當GFDM應用到天地一體化網絡時，在低信噪比下的接收性能會更重要。在低信噪比時，MF接收機的性能非常接近于MMSE接收機，因為MF接收機能使接收信噪比達到最大，加上MF復雜度低的特點，MF接收機非常適用于天地一體化網絡。所以有必要研究基于MF的干擾抑制接收算法。

GFDM和OFDM的功率譜密度對比如圖4所示，相應的仿真參數如表3所示。OFDM的頻譜泄露比GFDM更嚴重，使用RC濾波器的GFDM信號帶外輻射比OFDM低27 dB，使用RRC濾波器的GFDM信號帶外輻射比OFDM低15 dB。

圖4 OFDM信號和GFDM信號的功率譜密度

表3 功率譜密度仿真參數

從圖4可以看出，GFDM的帶外性能受發送濾波種類的影響，使用RC濾波器的GFDM信號的帶外輻射比使用RC濾波器低12 dB。由于較低的帶外輻射，GFDM比OFDM更適用于天地一體化網絡。

GFDM和OFDM的頻譜效率對比如圖5所示，橫坐標的M表示子符號數，相應的仿真參數如表4所示。

圖5 GFDM與OFDM頻譜效率對比

表4 頻譜效率仿真參數

由圖5可以看出，當CP長度等于子載波數的1/4時，OFDM的頻譜效率恒為80%，不隨子符號數M的變化而變化。而GFDM的頻譜效率隨著M的增加而增加。只要GFDM的子符號數M>1，GFDM的頻譜效率均比OFDM要高。

GFDM和OFDM的PAPR對比如圖6所示，相應的仿真參數如表5所示。

從圖6可以看出，同所有的多載波技術一樣，GFDM也存在峰均功率比的問題。GFDM和OFDM的PAPR相當，未來仍然需要研究PAPR減少技術。

圖6 GFDM和OFDM的PAPR對比

表5 PAPR仿真參數

4 結束語

研究一體化的空中接口波形對于天地一體化網絡的發展具有重要意義。本文分析了與5G融合的天地一體化網絡的發展趨勢，然后比較了幾種5G候選波形的優缺點，從理論上指出GFDM更適合作為天地一體化網絡的物理層傳輸方案。在此基礎上仿真了GFDM的各種性能，包括MF,ZF,MMSE三種基本解調算法的誤碼率性能、GFDM與OFDM功率譜的比較和PAPR性能分析。分析結果表明，GFDM適用于天地低一體化的空中接口波形，要進行實際應用，未來還需更多研究。