文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170751
中文引用格式： 黃俊偉，呂曉波，張恒，等. 降低FBMC-OQAM系統峰均比的重疊分段主動星座擴展算法[J].電子技術應用，2017，43(11)：99-102，106.
英文引用格式： Huang Junwei，Lv Xiaobo，Zhang Heng，et al. An overlapped segmental active constellation extension for the PAPR reduction of the FBMC-OQAM system[J].Application of Electronic Technique，2017，43(11)：99-102，106.
0 引言
第五代移動通信技術(5G)已經成為國內外移動通信領域研究的重點，5G中的多址與復用技術更成為其中熱點。傳統的正交頻分復用(OFDM)技術對載波的頻偏敏感性高，子載波嚴格的正交性限制了頻譜的靈活適用，因此OFDM無法滿足5G的發展需求。濾波器多載波技術(Filter Bank Multicarrier，FBMC)作為一種有效的多址與復用技術被再次提出[1]。
FBMC通過采用旁瓣較小的原型濾波器，緩解了OFDM中載波頻偏對系統傳輸的影響。FBMC采用偏移正交調制(OQAM)后構成的FBMC-OQAM系統具有較低的帶外頻譜泄漏。同時FBMC無CP的特性，使得FBMC-OQAM具有比OFDM更高的數據傳輸速率[2-5]。
FBMC-OQAM作為一個多載波系統，傳輸信號由多個子信道疊加而成，這會導致信號峰值功率和平均功率比(PAPR)較大，而PAPR較大會增加硬件成本。因此如何降低FBMC-OQAM系統的PAPR具有研究意義。
從OFDM提出以來，已經有很多降低OFDM系統PAPR的技術被提出。一類是信號無失真方法，如部分傳輸序列法(PTS)[6-7]和選擇映射法(SLM)[8-9]；另一類是信號有失真技術，如剪切法[10]、主動星座擴展法(ACE)[11]和壓擴法。由于FBMC-OQAM信號時域重疊的特性，OFDM中的方法并不能完全適用于FBMC-OQAM系統。
文獻[12]將OFDM中的壓擴法直接運用到FBMC系統中，并沒有考慮FBMC-OQAM系統符號時域重疊的特性，其誤碼率和PAPR性能并不能滿足要求。文獻[13] 將OFDM中提出的預留子載波(TR)方法運用到FBMC-OQAM中，同時考慮了FBMC-OQAM信號重疊的特點，對TR方法進行了改進，使TR方法更適用于FBMC-OQAM系統。文獻[14]根據FBMC-OQAM信號時域重疊的特點，對OSLM算法進行改進，提出了適用于FBMC-OQAM的AS-I、AS-S和AS-J算法。文獻[15]通過對傳統的SLM算法進行改進，利用 FBMC-OQAM 信號的疊加性，進行多數據塊處理，提出了MB-SLM 算法 。文獻[16]根據 FBMC-OQAM信號重疊的特點，結合OFDM中的PTS算法，對FBMC-OQAM信號進行了分割處理以降低PAPR。
本文基于OFDM中提出的ACE算法，提出了一種適用于FBMC-OQAM的重疊分段主動星座擴展算法(OS-ACE)。結合傳統的ACE算法以及FBMC-OQAM系統符號重疊的特性，該算法先對輸入信號進行動態分割，然后再對各個部分進行剪切和ACE處理。由于采用了ACE算法處理，因此該算法可以在保證誤碼率性能的條件下，降低FBMC-OQAM系統的PAPR。
1 FBMC-OQAM系統模型
圖1為FBMC-OQAM信號的發送框圖。OFDM系統是以一定速率發送復信號，而FBMC-OQAM系統采用了OQAM調制，發送復信號的實部和虛部之間有T/2的延遲(T為碼元寬度)，同時相鄰子載波之間也有π/2的間隔，以保證信號在時頻坐標格點上虛實交替，達到實數域正交的目的。FBMC-OQAM系統的符號可以表示為：
假設子載波數量為N，重疊因子為K，則濾波器的長度L=KN。因為FBMC-OQAM系統原型濾波器的脈沖響應長度大于符號周期T，且輸入信號的實部和虛部之間有T/2的時間延遲，因此FBMC-OQAM的相鄰數據塊是有重疊的(如圖2)，而這一特點會對系統的峰均值比大小產生影響。
OFDM系統中PAPR表示信號的峰值與信號的均值之比，用來反映信號的幅度變化。若s[n]表示N個子載波上待發送的復信號，那么PAPR可以定義為：
因為FBMC-OQAM系統和OFDM系統都是以相同的速率(1/T)發送信號，因此在FBMC-OQAM中仍然以式(5)計算FBMC-OQAM信號的PAPR。
由于FBMC-OQAM信號的PAPR是一個隨機值，因此用互補累計分布函數(CCDF)來衡量信號的PAPR[17]。互補累計分布函數表示數據塊的峰均比值大于給定門限PAPR0的概率，其定義式為：
2 重疊分段主動星座擴展算法
在FBMC-OQAM系統中，因為相鄰數據塊之間有重疊，因此不能像OFDM系統中直接對每個數據塊進行處理，需要考慮數據塊之間重疊部分對PAPR性能的影響。對于OS-ACE算法，首先把相互重疊的數據塊分割成幾個部分，在每個分割后的數據塊中，仍然保留了相鄰數據塊對該數據塊的影響，同時每個分割部分也有重疊，避免了分割長度的偶然性對PAPR性能的影響，然后再對分割后的數據塊進行處理。對于時域FBMC-OQAM信號，N個子載波上第m個數據塊的數據疊加后可以表示為式(5)。
式(5)中am，n包含了實部和虛部信號，因此相鄰數據塊之間的間隔是N(實部和虛部之間間隔是N/2)。由于實際發送過程中，實部和虛部是分開發送，因此，為了便于分析，OS-ACE方案中對復信號的實部和虛部分開處理，具體的劃分方案如圖2。這時N個子載波上第m個數據塊可以表示為：
如圖2所示，假設時域重疊的信號被分割成個p部分，并且每個部分的長度是JN，J是不小于1的整數。相鄰兩個數據塊重疊部分的長度是ON，O的范圍從0～J-1。因此，J的大小決定了每個部分的長度，也就是每次能處理的數據塊的數量，J越大則能同時處理的數據塊的數量也越多，那么該方案降低PAPR的性能也越好。但是當J大于重疊因子K時，由于處理的數據塊長度(JN)大于了實際數據的長度(KN)，所以這種性能的提升是沒有意義的。具體J和O的取值對降低PAPR性能的影響將在第3節給出。當J=1、O=0時，表示每一分割部分的長度等于一個完整數據(實部和虛部)的長度，并且每個部分之間沒有重疊。這一條件下，改進的OS-ACE算法與傳統的ACE算法是相同的。于是可以得出具體分割的數據塊的個數P為：
OS-ACE算法的具體處理步驟如下：
當第p個數據塊經過ACE方案處理后，繼續處理第p+1個數據塊，直到所有的P個數據塊全部處理完成。
3 仿真結果
這一部分主要對所提出的OS-ACE算法PAPR性能以及誤碼率性能進行對比仿真驗證。仿真采用的FBMC-OQAM系統具有64個子載波，原型濾波器的長度為4N(重疊因子為4），表示濾波處理后的時域信號長度為原始信號的4倍。PAPR性能以互補累計分布函數(CCDF)作為評估標準。
首先，對比了OS-ACE算法中重疊長度不同(O的取值不同)條件下PAPR的性能。仿真采用的剪切率CR=1.8，每個部分的長度是3N(J=3)，重疊部分長度分別為O=0，1，2，O=0表示相鄰部分之間沒有重疊。仿真結果如圖3，仿真結果表明：OS-ACE算法能有效地降低FBMC-OQAM系統的PAPR，并且隨著重疊部分長度的增加，OS-ACE算法降低PAPR的性能有所提升。
圖4顯示了分割數據塊長度不同的情況下(J取值不同)PAPR的性能。由仿真結果可以看出分割部分長度對PAPR的性能有很大的影響。當J=5、O=4時PAPR的性能是最好的，并且每個部分數據塊越長降低PAPR的性能也越好，當J增加到4時，J的增加對PAPR性能的提升不再明顯。此外，增加O的值對PAPR的性能也有提升，但是不如增加J的值效果明顯。由式(11)可知分割的數據塊個數P由(J-O)決定，O的大小決定了重疊部分的長度，同時O越大，計算復雜度也越高。綜合考慮后，在J=4、O=2的條件下，既可以獲得較好的PAPR性能，又可以適當降低計算的復雜度。
圖5顯示了在J=4、O=2的條件下，OS-ACE算法與傳統ACE算法降低PAPR的性能比較結果。從仿真結果可以得出：在FBMC-OQAM系統中，OS-ACE算法的性能比傳統的ACE算法更好。
圖6顯示了OS-ACE算法與傳統的ACE算法誤比特率性能的比較結果。仿真結果表明：與傳統的ACE算法相比，OS-ACE算法在降低FBMC-OQAM系統PAPR的同時，算法的誤比特率性能并沒有下降。
4 結論
本文中提出了一種OS-ACE算法用于降低FBMC-OQAM系統峰均比值。根據FBMC-OQAM信號時域重疊的特性，OS-ACE算法將重疊信號分割成幾個部分，每個部分都是由原來連續重疊的數據塊組成。因此，分割之后可以消除原來相鄰數據塊之間重疊的特性，同時由于采用了部分重疊的分割方式，可以進一步提高降低PAPR的性能。仿真結果驗證了該算法的有效性，仿真結果表明在不影響誤碼率的條件下，該算法比傳統的ACE算法具有更好的降低PAPR的性能。
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