面向5G的PAPR抑制技術研究

謝志偉

【摘要】? ? 5G系統中偏移正交幅度調制濾波器組的多載波技術（FBMC-OQAM）由于頻譜效率高、資源分配靈活等優點備受關注，但同時峰均比（PAPR）較高的缺點也相對明顯。經過深入研究，提出一種雙開關波形選擇法，結合滿足理想時移的波形調制，減少邊帶信息傳輸，降低系統計算復雜度，從而獲得理想的峰均比調制結果。

【關鍵詞】? ? 濾波器組多載波? ? 偏移正交幅度調制? ? 峰均比? ? 雙開關波形選擇

引言：

近年來，為了迎合5G網絡需求，相繼提出了GFDM，FBMC，UFMC等物理層技術，其中FBMC-OQAM技術憑借頻譜效率高、資源分配靈活度高等優點備受關注，適合解決無線通信與均衡接收技術之間的沖突[1]。FBMC-OQAM作為5G通信中關鍵的備選多載波技術相對OFDM的帶外頻譜泄露比較低，無需加循環前綴占據多余帶寬就能對抗符號間干擾，但其較高的系統峰均比（PAPR）問題同樣明顯。由于FBMC-OQAM信號本身實部和虛部信號之間的偏移性，導致傳統的OFDM系統中降低峰均比的算法對FBMC-OQAM系統來說并不適用。針對FBMC-OQAM系統的特點提出有效的降低系統峰均比（PAPR）的方法，是當前通信系統建設中需要重點解決的技術難題。

一、FBMC-OQAM信號及其結構特征

FBMC-OQAM系統的原理如圖1所示，系統主要由四大模塊組成，其中包括：預處理、綜合濾波、分析濾波、后處理 [2]。原始數據信號經由OQAM預處理模塊后，實部和虛部的數據分離，由綜合濾波器將信號發送至接收端，待信號通過分析濾波器組后進行OQAM后處理，最后從接收到的數據中恢復出原始數據。

假設其符號長度為M，和分別表示第m個子載波中第n個信號的實部和虛部。輸入的復數序列，可以用通式表示為：

首先，信號經過OQAM預處理操作后，復數信號的實部和虛部實現了分離，而且兩者之間在時域上相差半個碼元的寬度，即T/2時間[3]。經過綜合濾波器組輸入的信號，各相鄰信號之間的頻率相差1/T，N組信號相加后，可以得到輸出的時域信號為：

其中，（t）為的時域表示;原型濾波器中，g（t）為單位脈沖響應函數。

原始信號輸入過程中，其實部與虛部之間會存在一定的時延，因此信號在時域上會出現疊加的情況。信號在經過IFFT運算后，并行子信道上的信號疊加，就會導致系統產生較高的PAPR[1]，從而降低發射機功率放大器的效率，在實際應用中帶來不利的影響。

二、基于FBMC-OQAM的無失真信號PAPR抑制技術

2.1 雙開關波形選擇法的實現

雙開關波形選擇法是一種降低FBMC-OQAM系統峰均比的新方法，相對于部分傳輸序列法（PTS）以及選擇映射方法（SLM）等計算量大、相對復雜的方法，雙開關波形選擇法的復雜度很低，僅僅需要傳遞很低的一部分邊帶信息即可實現。雙開關波形選擇法主要是通過相移模塊以及4種可選的滿足理想時移多載波條件的波形進行調制，再將4種調制的結果進行比對，選出峰均比最小的調制結果。在調制之前需對4種波形進行預先的編碼，在發送到接收端的過程中，除了發送經過最優波形調制后的信號外，也將使用的理想波形的序號作為邊帶條件一并發出。

雙開關波形選擇法流程，如圖2所示。

以第m個框架的FBMC-OQAM符號為例，對雙開關波形選擇法流程分步驟說明：

1.本過程第m個框架中的FBMC-OQAM符號，可由以下向量表示：

2.對第m個框架的dm進行DFT變換，設其DFT后的結果為，則可表示成：

3.經過步驟2后得到了復數組Dm對其分別取實部和虛部，實部部分為Dm，real，虛部部分為Dm，imag。

4.在得到實部和虛部后，需要對其進行相移，從理論表達上來說，就是對第m個框架的Dm，real和Dm，imag的數據與相移因子進行點乘，與Dm，real點乘的相移因子我們稱為ηm，Dm，imag點乘的相移因子我們稱為μm，相移因子有非常多的選擇，不同的選擇也會對最后的結果造成影響，在研究中，，，通過點乘后分別表示為：Dm，realη與Dm，imagμ。

5.經過相移因子后，要對信號進行調制，每個數據塊，可選擇滿足理想時移的4種不同的多載波波形來進行調制。假設每個數據塊含有w個FBMC符號，這4種波形在時域的表達式分別如下：

在雙開關波形選擇法中，將步驟（4）后的信號用這四種波形分別進行調制。可以觀察到信號波形與波形僅僅只是相差個時延，波形與波形也是相差個時延。而波形、跟波形、的不同則是時延的位置不同，反映在流程上表現的就是產生延遲的信道不同，我們把波形、產生延遲的信道叫做Q信道，把波形與波形產生延遲的信道叫做I信道。不同的時延會導致多載波的波形不同，也進而會導致其峰值不同，進而導致其峰均比也不同。

6.信號經過IDFT調制以后，能夠得到其時域信號。設其信號分別為、、、，分別對這四個信號進行串并變換，過采樣再經過原型濾波器成型，得到PPN（多相網絡）的輸入端。

7.對PPN的輸入信號進行相移和信號的疊加，最終形成輸出信號。

8.對4種波形產生的輸出信號，通過控制Q信道的開關S1以及I信道的開關S2進行控制，分別計算其峰均比值，并且進行比較，選擇輸出峰均比最小的波形形成的序列。

開關S1的位置位于IDFT調制之前，開關S2的位置是在PPN多相網絡之后，S1開關與S2開關的閉合狀態可以通過兩個二進制數來進行表示，分別為0，0;1，0;1，1;0，1.在傳輸輸出信號時，這兩個二進制數也會作為邊帶信息發送到接收端，而作為邊帶信息其大小只有2bit，對于整個信道來說幾乎可以忽略不計。

2.2雙開關波形選擇法的計算量分析

對于雙開關波形選擇法，它主要的計算量體現在：一次DFT運算、2次IDFT運算、4次PPN運算。由于計算機復乘運算所需時間遠比復加多，在此只考慮雙開關波形選擇法的復乘運算。雙開關波形選擇法需要的計算過程及計算量，如表1所示：

其中V為部分傳輸序列法的分割子塊數，U為選擇映射法的加權因子長度。假設V=4，K=4，U=4的情況來分別計算其計算量，可以得到，部分傳輸序列法的計算量為122880，SLM的計算量為103424，而雙開關波形選擇法僅僅只需要38656，計算量接近于部分傳輸序列法的。由此可見，雙開關波形選擇法的應用，可以大大降低系統的計算量。

三、仿真結果及分析

通過matlab仿真，如圖3所示。

當CCDF=0.001時，雙開關波形選擇法的峰均比約為7.5dB，改善了約3.8dB，這一數字與部分傳輸序列法V=8時的數據一樣。由計算可得，當V=4時部分傳輸序列法的計算量已經是雙開關波形選擇法的3倍多。而V的增大也會使得部分傳輸序列法的計算量指數增長。而雙開關波形選擇法用了V=4接近四分之一的計算量卻達到了V=8時降低峰均比的性能。

而與選擇映射法相比，其計算量與降低峰均比的性能也是完勝。所以可見，雙開關波形選擇法是一種比較理想的抑制FBMC峰均比性能的方法。

四、結束語

5G時代，人們對頻譜利用率、傳輸時延、用戶體驗等方面提出了更高的要求，FBMC-OQAM系統憑借其諸多優勢具有較好的應用前景，但作為多載波系統其自身同樣存在著PAPR過高的問題。

圍繞FBMC-OQAM系統中PAPR抑制技術的研究，提出雙開關波形選擇法并應用于FBMC-OQAM系統，通過與部分傳輸序列法、映射法等方式仿真對比分析，雙開關選擇法在其計算量與降低峰均比方面都體現出明顯的優勢。本方法的應用可為今后5G網絡建設的建設與優化提供有效的技術支持，推動5G場景應用進一步發展。

參? 考? 文? 獻

[1]柳穎.FBMC系統中降低峰均比方法的研究 [D].南京：東南大學，2017

[2]梁燕，秦夢瑤，張賀偉.FBMC/OQAM系統導頻輔助信道估計方法概述[J].重慶郵電大學學報，2015，27（4）478-483

[3]蘆世先.降低FBMC_OQAM信號峰均功率比的無失真方法 [D].武漢：華中科技大學，2013