FBMC/OQAM水声通信系统的适应性成型脉冲设计

黄远芳，冯海泓，李记龙



FBMC/OQAM水声通信系统的适应性成型脉冲设计

黄远芳1,2，冯海泓1，李记龙1

(1. 中国科学院声学研究所东海研究站，上海 201815；2. 中国科学院大学，北京 100049)

水声信道是一个时变的双扩散信道，不仅会引起传输信号的时频扩展，而且会造成严重的信息损失。由于滤波器组多载波/交错正交幅度调制(Filter Bank Based Multicarrier/Offset Quadrature Amplitude Modulation, FBMC/ OQAM)系统可通过改变发送信号的成型脉冲来减小时频扩展带来的符号干扰和子载波干扰，因此更适合快速时变的水下声信道。为了降低现有成型脉冲设计算法的优化难度，提出了一种快速且易于实现的成型脉冲设计方法，该方法根据信道时频统计特性对扩展高斯函数(Extend Gaussian Function, EGF)进行了优化，实现了期望信号能量最大化，并在时域符号间加入适当的保护间隔，进一步增强了抗多途干扰的能力。仿真结果表明，无论在高频散信道还是在低频信道下，相比于其它成型脉冲算法，该算法在降低计算量的同时，改进了的FBMC/OQAM系统的传输性能，误码率降低了2～3 dB。

水声通信；FBMC/OQAM系统；时变信道；成型脉冲滤波器；扩展高斯函数

0 引言

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)由于具有频谱利用率高、均衡器结构简单等特性，成为近年来高速水声通信的研究热点[1]。对于水下声信道，由于声波的传播速度远小于电磁波的传播速度，因此在舰载移动通信条件下的多普勒频移比无线通信的多普勒频移大几个数量级，再加上海洋环境的起伏，使得载波产生较大的频率偏移。随着子载波正交性的破坏，OFDM系统的通信性能将严重下降。虽然循环前缀(Cyclic Prefix, CP)的引入降低了多途效应对系统的影响，但水声信道的时延变化范围较大，可达到几百毫秒的数量级，使得OFDM系统的传输效率和通信误码率之间的矛盾变得尤为突出[2]。针对水声信道的复杂性，具有频谱利用率高、对时变信道不敏感等特性的滤波器组多载波技术(Filter Bank Based Multicarrier, FBMC)受到了格外关注[3-4]。

文献[9-10]指出，当成型脉冲的时频扩散度与实际传输信道的散射函数相匹配时，尤其在双扩散严重的信道中，信干比(Signal Interference Ratio, SIR)可提高3～6 dB。近年来，出现了大量关于FBMC的适应性成型脉冲设计的研究。其中，文献[12-14]和文献[15]分别对埃尔米特(Hermite)脉冲、高斯脉冲进行了优化，文献[16]通过约束带外能量设计出了短时完全重建(Short Perfect Reconstruction，SPR)滤波器。虽然这几类优化脉冲改善了FBMC系统的通信性能，但算法普遍涉及非线性优化问题的求解，复杂度较高，难以满足通信实时性的需求。针对该问题，本文提出了一种适合时变信道环境的成型脉冲设计方法，该方法的主要思想是结合信道散射函数，以最优信道增益为优化准则对EGF脉冲进行设计，并根据信道时间扩散程度在符号间加入适当的保护间隔，进一步降低了多途的影响，实现了系统期望信号的能量最大化和干扰最小化。此外，为了降低系统实现的复杂度，本文给出了一种FBMC/OQAM系统的快速实现方法。蒙特卡洛仿真结果表明，所设计的成型脉冲在时变信道下具有较稳健的通信性能。

1 系统模型

1.1 调制

FBMC/OQAM系统的基带传输函数为[17]

其中，

1.2 正交性

其中，

1.3 时变信道下的信号解调

通常水声信道可看作时变的多途信道，若发送信号经过时变信道(忽略噪声的影响)，则接收信号为[18]

其中，

1.4 输出信干扰比

1.5 系统实现

由于交换反快速傅里叶变换(Inverse Fast Fourier transform, IFFT)与的位置不影响计算结果，因此可先计算数据流的IFFT，然后与脉冲相乘。具体离散系统实现流程如图1所示，其中，的截断区间为，L是重叠因子。与文献[17]不同的是，本文的调制解调流程采用时域加窗，对实部和虚部进行处理后延迟相加，因此只需给出指定长度的脉冲波形，实现起来更简单。

2 适应性成型脉冲设计

2.1 时变信道模型

2.2 基带成型脉冲滤波器

本文采用EGF脉冲，其表达式为：

2.3 时频局域性(Time Frequency Localization, TFL)

其中,

其中，

图2 σt或σf随α变化的曲线图

Fig.2 σt or σf versus α

2.4 模糊函数简化

将式(22)代入式(12)，得

优化目标等价于

3 仿真结果

本部分将采用Matlab仿真软件对OFDM与FBMC/OQAM通信系统进行仿真，仿真实验所涉及的通信系统参数如表1所示。其中，FBMC/OQAM系统中的每个数据帧由=10个符号组成，帧前均包含一个训练序列用于信道估计，信道估计方法采用最小二乘(Least Square, LS)方法，并在接收端对数据符号进行单抽头迫零均衡。对于给定的信道，子载波间隔的减小可以降低多途对系统的影响，然而由=1可知将会增大，随着的增大无疑会引入较大的频偏影响。考虑到信道影响和频谱效率这两个因素，我们令=16 Hz，相应的=1/=62.5 ms，令时变信道带宽=4.096 kHz，则子信道数目=256。本文主要研究采用不同成型脉冲的FBMC/OQAM系统对时变信道环境的适应性，并与传统OFDM系统对比，除了EGF脉冲，其余脉冲的参数参考文献[18]。如无特别声明，本文采用蒙特卡洛方法对WSSUS信道建模[19]，一个信道由主要的=6条多径组成，各个多径的幅值=[1,0.42,0.28,0.14,0.07,0.02]，对每个信道进行50次仿真平均。

表1 通信系统参数设置

为了更好地适应多途信道，OFDM系统通过在符号间加入循环前缀的方法，在接收端消除大部分码间干扰。相反，FBMC/OQAM系统因其时域符号相互重叠，因此只能通过设计成型脉冲来减小多途信道带来的码间干扰。虽然成型脉冲的设计可在一定程度上降低OFDM系统对频移的敏感，但在强多途环境下，通信性能将严重下降。为了提高FBMC/OQAM系统应对多途的能力，将利用CP-OFDM(Cyclic Prefix- Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系统的特点，在FBMC/OQAM系统加入与CP-OFDM系统的循环前缀相等(为了保证两系统具有相等的通信速率)的保护间隔。

图3 双扩散信道下误码率随保护间隔的变化

图4 低频散信道下误码率随信噪比的变化

图5 高频散信道下误码率随信噪比的变化

图6 强多途信道下误码率随多普勒频移的变化

图7 高频散信道下误码率随多途的变化

4 结论

本文深入研究了FBMC/OQAM系统的成型脉冲设计算法，提出了一种适合水声时变信道的成型脉冲滤波器，并给出了一种简单有效的系统实现方法。在该系统下，将优化的EGF脉冲与其他脉冲在WSSUS时变信道模型下进行了仿真比较，同时也比较了FBMC/OQAM系统与传统OFDM系统的通信性能。结果表明，在时变信道环境中，优化的EGF脉冲在高信噪比条件下通信性能优于其他几类脉冲，同时也优于OFDM系统。尤其在高频散信道下，相比于OFDM系统，FBMC/OQAM系统误码率下降了近5 dB。脉冲优化算法充分利用了时变信道的统计特性，有效降低了时频双扩散效应引入的符号干扰和载波干扰，因此适合带宽资源紧张的快速时变水声信道。

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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

国家自然科学基金重点项目(61531018)。

黄远芳(1992－), 女, 广东汕头人, 硕士, 研究方向为水声通信。

冯海泓,E-mail: fhh@mail.ioa.ac.cn