一種基于導(dǎo)頻的FBMC信道估計(jì)算法

王獻(xiàn)煒，顏 彪，王應(yīng)元，周 琦，王夢(mèng)實(shí)

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225009)

0 引言

下一代移動(dòng)通信系統(tǒng),即第五代移動(dòng)通信技術(shù)需要支撐更多的低延時(shí)和高速率的通信[1-4]。傳統(tǒng)的OFDM作為第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)之一，因其抗干擾能力強(qiáng)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而長期被使用，然而OFDM同時(shí)也存在著對(duì)頻偏敏感和帶外輻射過高的缺點(diǎn)。相比OFDM，F(xiàn)BMC的高頻譜利用率[5-6]，低帶外泄漏和時(shí)頻聚焦性，同時(shí)引入交錯(cuò)正交幅度調(diào)制(Offset Quadrature Amplitude Modulation,OQAM)提高了系統(tǒng)的抗干擾能力[7]，成為了第五代移動(dòng)通信的一個(gè)備選技術(shù)[8-10]。

因?yàn)镕BMC/OQAM系統(tǒng)只是滿足實(shí)數(shù)域正交，同OFDM系統(tǒng)的正交性條件有所不同，引入了虛部干擾，所以信道估計(jì)比OFDM系統(tǒng)更加復(fù)雜。在時(shí)變信道背景下，基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)是一種很好的選擇，因?yàn)閷?dǎo)頻可以追蹤信道的變化。在FBMC/OQAM系統(tǒng)中，導(dǎo)頻會(huì)受到系統(tǒng)自身的虛部干擾影響。文獻(xiàn)[11]提出輔助導(dǎo)頻的算法來消除虛部干擾，但是造成了較大的功率偏移；文獻(xiàn)[12]提出對(duì)導(dǎo)頻進(jìn)行預(yù)編碼的算法，但是隨著編碼符號(hào)數(shù)量的增加，系統(tǒng)的復(fù)雜度隨之迅速提高。

本文對(duì)導(dǎo)頻進(jìn)行預(yù)編碼的算法進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)運(yùn)用輔助導(dǎo)頻的干擾消除思想。先對(duì)導(dǎo)頻附近干擾系數(shù)較大的符號(hào)通過輔助導(dǎo)頻進(jìn)行干擾消除，對(duì)其余的符號(hào)進(jìn)行改進(jìn)的預(yù)編碼從而消除系統(tǒng)虛部干擾，再通過最小二乘法(Least Square，LS)得到信道的估計(jì)值，最后進(jìn)行線性信道插值得到完整的信道信息。該算法相對(duì)于傳統(tǒng)的FBMC/OQAM信道估計(jì)，改進(jìn)了信道估計(jì)的算法，使系統(tǒng)信道估計(jì)的準(zhǔn)確性得到提高，減少了算法的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)性能。

1 FBMC/OQAM系統(tǒng)

FBMC/OQAM系統(tǒng)的基帶傳輸模型如圖1所示。其中，am,n表示經(jīng)過星座映射后的PAM或者QAM符號(hào)，m表示子載波索引，n表示時(shí)隙的索引，am,n表示第n個(gè)時(shí)隙第m個(gè)子載波上攜帶的數(shù)據(jù)。M是子載波數(shù)目，子載波間隔是1/T，其中，T表示符號(hào)映射后的符號(hào)間隔，g[k]表示原型濾波器[13]。這里的原型濾波器是基于Hermite多項(xiàng)式[4]。

FBMC/OQAM的系統(tǒng)等效基帶發(fā)送信號(hào)可以表示為：

(1)

其中

(2)

圖1 FBMC/OQAM系統(tǒng)基帶傳輸模型

2 預(yù)編碼消除干擾分析

信號(hào)接收端接收到的信號(hào):

(3)

式中，Hm,n表示信號(hào)在時(shí)頻格點(diǎn)(m,n)位置的信道。接收到的信號(hào)和gm0,n0做內(nèi)積后得到的信號(hào)為：

(4)

(5)

式中，Ω表示導(dǎo)頻周圍的鄰域符號(hào)范圍，Ik表示周圍符號(hào)對(duì)第k個(gè)符號(hào)的干擾權(quán)重。針對(duì)這種情況，文獻(xiàn)[12]提出了一種預(yù)編碼算法，假設(shè)存在一個(gè)編碼矩陣C=[C0,C1,...C7],式中Ck=[C0,k,C1,k,...C7,k]T,令矩陣A表示編碼后的數(shù)據(jù)，D表示未編碼的數(shù)據(jù)矩陣，D=[d0,d1,...d7]T發(fā)送端可以表示為A=C·D,虛部干擾的部分可以表示為:

(6)

3 改進(jìn)的預(yù)編碼方案

改進(jìn)的預(yù)編碼方案分為2個(gè)階段：預(yù)干擾消除階段和低復(fù)雜度編碼階段。在預(yù)干擾消除階段，先通過輔助導(dǎo)頻消除時(shí)頻格點(diǎn)上相鄰載波和時(shí)隙的k個(gè)數(shù)據(jù)干擾[15]，設(shè)計(jì)輔助導(dǎo)頻為：

(7)

式中，Ω*表示除了導(dǎo)頻符號(hào)和輔助導(dǎo)頻符號(hào)以外的數(shù)據(jù)符號(hào)。在第二階段繼續(xù)對(duì)導(dǎo)頻周圍的P個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼，編碼矩陣C可以通過施密特正交化的算法得到[16]，但計(jì)算量過大，隨著編碼矩陣維度的增加，復(fù)雜度提升迅速。采用一種分階段編碼的思想來降低矩陣的維度，將A=C·D拆解成2個(gè)部分，第一部分對(duì)其N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼得到：

(8)

U=-Ii*I*(|I|2)-1,

(9)

式中，干擾權(quán)重I是已知數(shù)據(jù)，相比原先對(duì)P個(gè)符號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼的p*p*2次矩陣運(yùn)算，現(xiàn)在只需要N*N*2次矩陣運(yùn)算加上(P-N)+(P-N)+1次乘法運(yùn)算，對(duì)于P越大N越少的情況，運(yùn)算復(fù)雜度大大降低的同時(shí)還消除了干擾。

4 仿真分析

對(duì)提出的基于導(dǎo)頻的改進(jìn)預(yù)編碼信道估計(jì)算法進(jìn)行了Matlab仿真，系統(tǒng)的仿真參數(shù)值如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

OFDM算法因滿足復(fù)數(shù)域正交，和FBMC/OQAM的實(shí)數(shù)域正交條件有所區(qū)別[17]，所以仿真采用的符號(hào)數(shù)目是FBMC/OQAM算法的一半。利用新提出的FBMC信道估計(jì)算法得到的誤比特率(Bit Error Rate,BER)與信噪比(Signal Noise Ratio,SNR) 仿真曲線如圖2所示，圖2中還列出了其他幾種傳統(tǒng)信道估計(jì)算法的BER和SNR仿真曲線圖。

從圖2可以看出，新提出的FBMC信道估計(jì)算法比OFDM信道估計(jì)算法、傳統(tǒng)預(yù)編碼FBMC信道估計(jì)算法以及導(dǎo)頻輔助的FBMC信道估計(jì)算法性能都要好，并且運(yùn)算復(fù)雜度也比傳統(tǒng)預(yù)編碼信道估計(jì)算法低。

圖2 BER與SNR曲線圖

圖3對(duì)新提出的FBMC信道估計(jì)算法和OFDM信道估計(jì)算法以及輔助導(dǎo)頻的FBMC信道算法的發(fā)送功率進(jìn)行了比較。可以看出相對(duì)于輔助導(dǎo)頻的FBMC信道估計(jì)算法，OFDM信道算法和新提出的FBMC信道估計(jì)算法的發(fā)送功率更具有魯棒性。

圖3 時(shí)間和發(fā)送功率曲線圖

圖4 頻譜密度曲線圖

圖4所示為新提出的FBMC信道估計(jì)算法和輔助導(dǎo)頻的FBMC信道估計(jì)算法以及OFDM信道估計(jì)算法的頻譜密度圖。從圖4可以看出，相對(duì)OFDM信道估計(jì)算法，其余的2種算法均具有較高的頻譜效率。

5 結(jié)束語

針對(duì)FBMC/OQAM系統(tǒng)的信道估計(jì)算法和傳統(tǒng)的OFDM信道估計(jì)算法類似，都是通過導(dǎo)頻實(shí)現(xiàn)，并基于傳統(tǒng)預(yù)編碼方法的改進(jìn)。將新提出的信道估計(jì)算法應(yīng)用于FBMC/OQAM系統(tǒng)，降低導(dǎo)頻干擾的同時(shí)還減少預(yù)編碼的復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)的性能得到了明顯提高，并且實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度更低。