FBMC/OQAM水聲通信系統的適應性成型脈沖設計

黃遠芳，馮海泓，李記龍

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FBMC/OQAM水聲通信系統的適應性成型脈沖設計

黃遠芳1,2，馮海泓1，李記龍1

(1. 中國科學院聲學研究所東海研究站，上海 201815；2. 中國科學院大學，北京 100049)

水聲信道是一個時變的雙擴散信道，不僅會引起傳輸信號的時頻擴展，而且會造成嚴重的信息損失。由于濾波器組多載波/交錯正交幅度調制(Filter Bank Based Multicarrier/Offset Quadrature Amplitude Modulation, FBMC/ OQAM)系統可通過改變發送信號的成型脈沖來減小時頻擴展帶來的符號干擾和子載波干擾，因此更適合快速時變的水下聲信道。為了降低現有成型脈沖設計算法的優化難度，提出了一種快速且易于實現的成型脈沖設計方法，該方法根據信道時頻統計特性對擴展高斯函數(Extend Gaussian Function, EGF)進行了優化，實現了期望信號能量最大化，并在時域符號間加入適當的保護間隔，進一步增強了抗多途干擾的能力。仿真結果表明，無論在高頻散信道還是在低頻信道下，相比于其它成型脈沖算法，該算法在降低計算量的同時，改進了的FBMC/OQAM系統的傳輸性能，誤碼率降低了2～3 dB。

水聲通信；FBMC/OQAM系統；時變信道；成型脈沖濾波器；擴展高斯函數

0 引言

正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)由于具有頻譜利用率高、均衡器結構簡單等特性，成為近年來高速水聲通信的研究熱點[1]。對于水下聲信道，由于聲波的傳播速度遠小于電磁波的傳播速度，因此在艦載移動通信條件下的多普勒頻移比無線通信的多普勒頻移大幾個數量級，再加上海洋環境的起伏，使得載波產生較大的頻率偏移。隨著子載波正交性的破壞，OFDM系統的通信性能將嚴重下降。雖然循環前綴(Cyclic Prefix, CP)的引入降低了多途效應對系統的影響，但水聲信道的時延變化范圍較大，可達到幾百毫秒的數量級，使得OFDM系統的傳輸效率和通信誤碼率之間的矛盾變得尤為突出[2]。針對水聲信道的復雜性，具有頻譜利用率高、對時變信道不敏感等特性的濾波器組多載波技術(Filter Bank Based Multicarrier, FBMC)受到了格外關注[3-4]。

文獻[9-10]指出，當成型脈沖的時頻擴散度與實際傳輸信道的散射函數相匹配時，尤其在雙擴散嚴重的信道中，信干比(Signal Interference Ratio, SIR)可提高3～6 dB。近年來，出現了大量關于FBMC的適應性成型脈沖設計的研究。其中，文獻[12-14]和文獻[15]分別對埃爾米特(Hermite)脈沖、高斯脈沖進行了優化，文獻[16]通過約束帶外能量設計出了短時完全重建(Short Perfect Reconstruction，SPR)濾波器。雖然這幾類優化脈沖改善了FBMC系統的通信性能，但算法普遍涉及非線性優化問題的求解，復雜度較高，難以滿足通信實時性的需求。針對該問題，本文提出了一種適合時變信道環境的成型脈沖設計方法，該方法的主要思想是結合信道散射函數，以最優信道增益為優化準則對EGF脈沖進行設計，并根據信道時間擴散程度在符號間加入適當的保護間隔，進一步降低了多途的影響，實現了系統期望信號的能量最大化和干擾最小化。此外，為了降低系統實現的復雜度，本文給出了一種FBMC/OQAM系統的快速實現方法。蒙特卡洛仿真結果表明，所設計的成型脈沖在時變信道下具有較穩健的通信性能。

1 系統模型

1.1 調制

FBMC/OQAM系統的基帶傳輸函數為[17]

其中，

1.2 正交性

其中，

1.3 時變信道下的信號解調

通常水聲信道可看作時變的多途信道，若發送信號經過時變信道(忽略噪聲的影響)，則接收信號為[18]

其中，

1.4 輸出信干擾比

1.5 系統實現

由于交換反快速傅里葉變換(Inverse Fast Fourier transform, IFFT)與的位置不影響計算結果，因此可先計算數據流的IFFT，然后與脈沖相乘。具體離散系統實現流程如圖1所示，其中，的截斷區間為，L是重疊因子。與文獻[17]不同的是，本文的調制解調流程采用時域加窗，對實部和虛部進行處理后延遲相加，因此只需給出指定長度的脈沖波形，實現起來更簡單。

2 適應性成型脈沖設計

2.1 時變信道模型

2.2 基帶成型脈沖濾波器

本文采用EGF脈沖，其表達式為：

2.3 時頻局域性(Time Frequency Localization, TFL)

其中,

其中，

圖2 σt或σf隨α變化的曲線圖

Fig.2 σt or σf versus α

2.4 模糊函數簡化

將式(22)代入式(12)，得

優化目標等價于

3 仿真結果

本部分將采用Matlab仿真軟件對OFDM與FBMC/OQAM通信系統進行仿真，仿真實驗所涉及的通信系統參數如表1所示。其中，FBMC/OQAM系統中的每個數據幀由=10個符號組成，幀前均包含一個訓練序列用于信道估計，信道估計方法采用最小二乘(Least Square, LS)方法，并在接收端對數據符號進行單抽頭迫零均衡。對于給定的信道，子載波間隔的減小可以降低多途對系統的影響，然而由=1可知將會增大，隨著的增大無疑會引入較大的頻偏影響?？紤]到信道影響和頻譜效率這兩個因素，我們令=16 Hz，相應的=1/=62.5 ms，令時變信道帶寬=4.096 kHz，則子信道數目=256。本文主要研究采用不同成型脈沖的FBMC/OQAM系統對時變信道環境的適應性，并與傳統OFDM系統對比，除了EGF脈沖，其余脈沖的參數參考文獻[18]。如無特別聲明，本文采用蒙特卡洛方法對WSSUS信道建模[19]，一個信道由主要的=6條多徑組成，各個多徑的幅值=[1,0.42,0.28,0.14,0.07,0.02]，對每個信道進行50次仿真平均。

表1 通信系統參數設置

為了更好地適應多途信道，OFDM系統通過在符號間加入循環前綴的方法，在接收端消除大部分碼間干擾。相反，FBMC/OQAM系統因其時域符號相互重疊，因此只能通過設計成型脈沖來減小多途信道帶來的碼間干擾。雖然成型脈沖的設計可在一定程度上降低OFDM系統對頻移的敏感，但在強多途環境下，通信性能將嚴重下降。為了提高FBMC/OQAM系統應對多途的能力，將利用CP-OFDM(Cyclic Prefix- Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系統的特點，在FBMC/OQAM系統加入與CP-OFDM系統的循環前綴相等(為了保證兩系統具有相等的通信速率)的保護間隔。

圖3 雙擴散信道下誤碼率隨保護間隔的變化

圖4 低頻散信道下誤碼率隨信噪比的變化

圖5 高頻散信道下誤碼率隨信噪比的變化

圖6 強多途信道下誤碼率隨多普勒頻移的變化

圖7 高頻散信道下誤碼率隨多途的變化

4 結論

本文深入研究了FBMC/OQAM系統的成型脈沖設計算法，提出了一種適合水聲時變信道的成型脈沖濾波器，并給出了一種簡單有效的系統實現方法。在該系統下，將優化的EGF脈沖與其他脈沖在WSSUS時變信道模型下進行了仿真比較，同時也比較了FBMC/OQAM系統與傳統OFDM系統的通信性能。結果表明，在時變信道環境中，優化的EGF脈沖在高信噪比條件下通信性能優于其他幾類脈沖，同時也優于OFDM系統。尤其在高頻散信道下，相比于OFDM系統，FBMC/OQAM系統誤碼率下降了近5 dB。脈沖優化算法充分利用了時變信道的統計特性，有效降低了時頻雙擴散效應引入的符號干擾和載波干擾，因此適合帶寬資源緊張的快速時變水聲信道。

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Adaptive pulse shaping design for FBMC/OQAM system in underwater acoustic communication

HUANG Yuan-fang1,2, FENG Hai-hong1, LI Ji-long1

(1. Shanghai Acoustic Laboratory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201815, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Underwater acoustic channel is a time-varying doubly dispersive channel, which will not only cause the time-frequency spread of transmission signal, but also cause serious loss of information. Pulse shaping design of the FBMC/OQAM systems can reduce the inter-symbol interference (ISI) and inter-channel interference (ICI) in time-varying channels, therefore is more suitable for highly time-varying underwater acoustic channel. To avoid the difficulty of optimizing the existing methods, a fast and reliable pulse shaping design method is introduced, which takes advantage of the statistic characteristics of time-varying channels to optimize the Extended Gaussian Function (EGF) for maximizing the energy of the desired signal and adds appropriate protection intervals between symbols to further combat time dispersion. Simulation results show that the performance of the proposed adaptive pulse shaping design method is superior to some other methods, whether in algorithm’s speed or in system communication performance, and whether in frequency mildly dispersive channel or in frequency highly dispersive channel. The error rate of FBMC/OQAM systems is reduced by 2～3 dB.

underwater acoustic communication; FBMC/OQAM system; time-varying channel;pulse shaping filter;extended Gaussian function

TB56

A

1000-3630(2019)-01-0032-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.005

2018-01-26;

2018-03-08

國家自然科學基金重點項目(61531018)。

黃遠芳(1992－), 女, 廣東汕頭人, 碩士, 研究方向為水聲通信。

馮海泓,E-mail: fhh@mail.ioa.ac.cn