面向5G的PAPR抑制技术研究

谢志伟

【摘要】    5G系统中偏移正交幅度调制滤波器组的多载波技术（FBMC-OQAM）由于频谱效率高、资源分配灵活等优点备受关注，但同时峰均比（PAPR）较高的缺点也相对明显。经过深入研究，提出一种双开关波形选择法，结合满足理想时移的波形调制，减少边带信息传输，降低系统计算复杂度，从而获得理想的峰均比调制结果。

【关键词】    滤波器组多载波    偏移正交幅度调制    峰均比    双开关波形选择

引言：

近年来，为了迎合5G网络需求，相继提出了GFDM，FBMC，UFMC等物理层技术，其中FBMC-OQAM技术凭借频谱效率高、资源分配灵活度高等优点备受关注，适合解决无线通信与均衡接收技术之间的冲突[1]。FBMC-OQAM作为5G通信中关键的备选多载波技术相对OFDM的带外频谱泄露比较低，无需加循环前缀占据多余带宽就能对抗符号间干扰，但其较高的系统峰均比（PAPR）问题同样明显。由于FBMC-OQAM信号本身实部和虚部信号之间的偏移性，导致传统的OFDM系统中降低峰均比的算法对FBMC-OQAM系統来说并不适用。针对FBMC-OQAM系统的特点提出有效的降低系统峰均比（PAPR）的方法，是当前通信系统建设中需要重点解决的技术难题。

一、FBMC-OQAM信号及其结构特征

FBMC-OQAM系统的原理如图1所示，系统主要由四大模块组成，其中包括：预处理、综合滤波、分析滤波、后处理 [2]。原始数据信号经由OQAM预处理模块后，实部和虚部的数据分离，由综合滤波器将信号发送至接收端，待信号通过分析滤波器组后进行OQAM后处理，最后从接收到的数据中恢复出原始数据。

假设其符号长度为M，和分别表示第m个子载波中第n个信号的实部和虚部。输入的复数序列，可以用通式表示为：

首先，信号经过OQAM预处理操作后，复数信号的实部和虚部实现了分离，而且两者之间在时域上相差半个码元的宽度，即T/2时间[3]。经过综合滤波器组输入的信号，各相邻信号之间的频率相差1/T，N组信号相加后，可以得到输出的时域信号为：

其中，（t）为的时域表示;原型滤波器中，g（t）为单位脉冲响应函数。

原始信号输入过程中，其实部与虚部之间会存在一定的时延，因此信号在时域上会出现叠加的情况。信号在经过IFFT运算后，并行子信道上的信号叠加，就会导致系统产生较高的PAPR[1]，从而降低发射机功率放大器的效率，在实际应用中带来不利的影响。

二、基于FBMC-OQAM的无失真信号PAPR抑制技术

2.1 双开关波形选择法的实现

双开关波形选择法是一种降低FBMC-OQAM系统峰均比的新方法，相对于部分传输序列法（PTS）以及选择映射方法（SLM）等计算量大、相对复杂的方法，双开关波形选择法的复杂度很低，仅仅需要传递很低的一部分边带信息即可实现。双开关波形选择法主要是通过相移模块以及4种可选的满足理想时移多载波条件的波形进行调制，再将4种调制的结果进行比对，选出峰均比最小的调制结果。在调制之前需对4种波形进行预先的编码，在发送到接收端的过程中，除了发送经过最优波形调制后的信号外，也将使用的理想波形的序号作为边带条件一并发出。

双开关波形选择法流程，如图2所示。

以第m个框架的FBMC-OQAM符号为例，对双开关波形选择法流程分步骤说明：

1.本过程第m个框架中的FBMC-OQAM符号，可由以下向量表示：

2.对第m个框架的dm进行DFT变换，设其DFT后的结果为，则可表示成：

3.经过步骤2后得到了复数组Dm对其分别取实部和虚部，实部部分为Dm，real，虚部部分为Dm，imag。

4.在得到实部和虚部后，需要对其进行相移，从理论表达上来说，就是对第m个框架的Dm，real和Dm，imag的数据与相移因子进行点乘，与Dm，real点乘的相移因子我们称为ηm，Dm，imag点乘的相移因子我们称为μm，相移因子有非常多的选择，不同的选择也会对最后的结果造成影响，在研究中，，，通过点乘后分别表示为：Dm，realη与Dm，imagμ。

5.经过相移因子后，要对信号进行调制，每个数据块，可选择满足理想时移的4种不同的多载波波形来进行调制。假设每个数据块含有w个FBMC符号，这4种波形在时域的表达式分别如下：

在双开关波形选择法中，将步骤（4）后的信号用这四种波形分别进行调制。可以观察到信号波形与波形仅仅只是相差个时延，波形与波形也是相差个时延。而波形、跟波形、的不同则是时延的位置不同，反映在流程上表现的就是产生延迟的信道不同，我们把波形、产生延迟的信道叫做Q信道，把波形与波形产生延迟的信道叫做I信道。不同的时延会导致多载波的波形不同，也进而会导致其峰值不同，进而导致其峰均比也不同。

6.信号经过IDFT调制以后，能够得到其时域信号。设其信号分别为、、、，分别对这四个信号进行串并变换，过采样再经过原型滤波器成型，得到PPN（多相网络）的输入端。

7.对PPN的输入信号进行相移和信号的叠加，最终形成输出信号。

8.对4种波形产生的输出信号，通过控制Q信道的开关S1以及I信道的开关S2进行控制，分别计算其峰均比值，并且进行比较，选择输出峰均比最小的波形形成的序列。

开关S1的位置位于IDFT调制之前，开关S2的位置是在PPN多相网络之后，S1开关与S2开关的闭合状态可以通过两个二进制数来进行表示，分别为0，0;1，0;1，1;0，1.在传输输出信号时，这两个二进制数也会作为边带信息发送到接收端，而作为边带信息其大小只有2bit，对于整个信道来说几乎可以忽略不计。

2.2双开关波形选择法的计算量分析

对于双开关波形选择法，它主要的计算量体现在：一次DFT运算、2次IDFT运算、4次PPN运算。由于计算机复乘运算所需时间远比复加多，在此只考虑双开关波形选择法的复乘运算。双开关波形选择法需要的计算过程及计算量，如表1所示：

其中V为部分传输序列法的分割子块数，U为选择映射法的加权因子长度。假设V=4，K=4，U=4的情况来分别计算其计算量，可以得到，部分传输序列法的计算量为122880，SLM的計算量为103424，而双开关波形选择法仅仅只需要38656，计算量接近于部分传输序列法的。由此可见，双开关波形选择法的应用，可以大大降低系统的计算量。

三、仿真结果及分析

通过matlab仿真，如图3所示。

当CCDF=0.001时，双开关波形选择法的峰均比约为7.5dB，改善了约3.8dB，这一数字与部分传输序列法V=8时的数据一样。由计算可得，当V=4时部分传输序列法的计算量已经是双开关波形选择法的3倍多。而V的增大也会使得部分传输序列法的计算量指数增长。而双开关波形选择法用了V=4接近四分之一的计算量却达到了V=8时降低峰均比的性能。

而与选择映射法相比，其计算量与降低峰均比的性能也是完胜。所以可见，双开关波形选择法是一种比较理想的抑制FBMC峰均比性能的方法。

四、结束语

5G时代，人们对频谱利用率、传输时延、用户体验等方面提出了更高的要求，FBMC-OQAM系统凭借其诸多优势具有较好的应用前景，但作为多载波系统其自身同样存在着PAPR过高的问题。

围绕FBMC-OQAM系统中PAPR抑制技术的研究，提出双开关波形选择法并应用于FBMC-OQAM系统，通过与部分传输序列法、映射法等方式仿真对比分析，双开关选择法在其计算量与降低峰均比方面都体现出明显的优势。本方法的应用可为今后5G网络建设的建设与优化提供有效的技术支持，推动5G场景应用进一步发展。

参  考  文  献

[1]柳颖.FBMC系统中降低峰均比方法的研究 [D].南京：东南大学，2017

[2]梁燕，秦梦瑶，张贺伟.FBMC/OQAM系统导频辅助信道估计方法概述[J].重庆邮电大学学报，2015，27（4）478-483

[3]芦世先.降低FBMC_OQAM信号峰均功率比的无失真方法 [D].武汉：华中科技大学，2013