基于多参数可变滤波器的GFDM性能研究.pdf
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1、第 卷第 期 年 月系统工程与电子技术 文章编号:()网址:收稿日期:;修回日期:;网络优先出版日期:。网络优先出版地址:基金项目:国家自然科学基金();黑龙江省自然科学基金();中国博士后科学基金()资助课题通讯作者引用格式:王震铎,王朝晖,孙志国,等基于多参数可变滤波器的性能研究系统工程与电子技术,():犚犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲犳 狅 狉犿犪 狋:,():基于多参数可变滤波器的犌犉犇犕性能研究王震铎,王朝晖,孙志国,宁晓燕(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江 哈尔滨 )摘要:作为适用于 场景的多载波调制方案之一,广义频分复用(,)波形具有灵活的时频资源分布。为了进一步降低系统
2、的带外功率泄露,提出了一种基于多参数可变的原型滤波器,通过多参数的灵活配置实现了更好的带外功率抑制能力,以及带外功率抑制效能的精确控制,同时推导了带有多参数可变滤波器的系统在频率选择性衰落信道下的理论误码率(,)表达式。此外,为了进一步提升系统在复杂信道场景下的性能,提出了适用于多参数波形的消息传递(,)接收机,根据等效信道矩阵给出了接收算法的数学模型。仿真结果表明,接收机可有效提升波形在复杂信道下的性能,同时基于多参数可变滤波器的系统在有效抑制带外功率的同时,与传统升余弦(,)滤波器相比,在应用接收机时仅有很小的性能损失。关键词:广义频分复用;多参数滤波器;消息传递;误码率中图分类号:文献标
3、志码:犇犗犐:犌犉犇犕狆 犲 狉 犳 狅 狉犿犪 狀 犮 犲狉 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犫 犪 狊 犲 犱狅 狀犿狌 犾 狋 犻 狆 犪 狉 犪犿犲 狋 犲 狉狏 犪 狉 犻 犪 犫 犾 犲犳 犻 犾 狋 犲 狉 ,(犛 犮 犺 狅 狅 犾狅 犳犐 狀犳 狅 狉犿犪 狋 犻 狅 狀犪 狀犱犆狅犿犿狌 狀 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犈狀犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀犵,犎犪 狉 犫 犻 狀犈狀犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀犵犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔,犎犪 狉 犫 犻 狀 ,犆犺 犻 狀 犪)犃犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,(),(),(),()犓犲 狔狑狅 狉 犱 狊:();();
4、()引言随着移动通信领域业务需求的不断增长,基于正交频分复用(,)技术的第代通信系统的发展已经达到饱和阶段,技术迎来了迅速发展的新时代。国际电信联盟将 年及之第 期王震铎等:基于多参数可变滤波器的性能研究 后的无线通信使用场景分为三大类:增强型移动宽带(,),大规模机器通信(,)和超可靠低时延通信(,)。为了实现上述应用场景,通信技术需要提高无线服务的质量和数量,同时保持通信链路的可靠性和低延迟。与通信系统相比,无线通信系统面临更低功耗、更高频谱效率、更低带外功率泄露和更低延迟等挑战。因此,对通信技术物理层的要求是:大规模并发访问,高能量效率,低延迟和超高可靠性。为了满足这样的物理层要求,通信
5、技术需要一种新的波形,新波形可以灵活地分配时频资源,具有更宽松的同步要求,以及更加便于实施的载波聚合方案。为此,研究者们提出广义频分复用(,)技术。波形是一种时频资源配置灵活的波形,和单载波频分复用系统可以看作的特例。波形的特点是具备较低的带外功率,减少了循环前缀(,)的开销,还支持可变的原型滤波器。时频资源配置的灵活性受到了物联网、车联网等低延迟应用的青睐 。是一种基于时频资源块的非正交多载波调制方案,每个时频资源单位由若干个子符号和子载波构成。在系统中,为了保证各子载波之间的正交特性,避免载波间干扰,每个符号都添加了,这导致系统的频带利用率较低。而在系统中,子载波间并不正交,多个子符号共用
6、一个,节省了频带资源,提升了系统的频带利用率。另外,相比系统,系统可以有效降低系统带外功率泄露。正如 等在文献 中指出的那样,利用原型滤波器在时域和频域中循环移位,对子载波进行滤波,减少了带外泄露,使得碎片化频谱和动态频谱分配具有可行性。文献 已经提出了许多原型滤波器,包括升余弦(,)滤波器、根(,)滤波器、滤波器和高斯脉冲滤波器。文献 基于系统的矩阵表征方法提出一种恒定幅度特征矩阵滤波器方法,在提升误符号性能的同时达到了与滤波器相当的带外功率性能。文献基于速率最大化和带外泄露最小化的准则,对系统原型滤波器进行了优化设计,证明了在没有载波频偏的加性高斯白噪声(,)信道中,滤波器具有最优的性能。
7、文献 将系统与索引调制相结合,以减少带外功率泄露。文献 使用二次规划方法设计的原型滤波器,其带外功率性能优于使用滤波器的系统。文献 提出适用于系统的双滤波器,其性能优于传统的系统,然而尚未获得适用于不同场景下的原型滤波器。本文提出一种适用于波形的多参数可变的原型滤波器,来满足不同场景对于带外功率抑制性能和误码率(,)性能的需求,并推导了带有多参数可变滤波器的系统在信道和衰落信道下的理论表达式。为了进一步提升系统在复杂信道下的适应能力,利用消息传递(,)接收机提升波形性能。仿真结果表明,在显著抑制带外功率的同时,仅会造成轻微的性能损失。系统模型波形作为通信网络空口技术的一种候选波形,在犓个子载波
8、上传输犖个符号,每个子载波传输犕个子符号且满足犖犓犕。第犽个子载波上的犕个子符号通过原型滤波器循环卷积进行滤波,滤波后的信号经过上变频到第犽个子载波的频率上,生成的第犽个子载波上的发射信号狓犽狀为狓犽狀烄烆犕犿犱犽,犿狀犿犓 犵狀烌烎 烄烆 犽 狀烌烎犓,狀犖()式中:表示循环卷积。在一个符号时间间隔内调制形成的信号可以表示为狓狀犓犽狓犽狀犓犽犕犿犱犽,犿犵犽,犿狀()式中:犱犽,犿表示第犽个子载波上的第犿个子符号;犵犽,犿狀犵狀犿犓 (犽 狀犓)由原型滤波器经过时频移位后得到。在系统中,原型滤波器在时域和频域的移位步长分别为犓和犓。应当注意的是,当系统的子载波数和子符号数在某种特殊情况下时,
9、即当系统的子符号数犕并且原型滤波器犵狀槡犓时,系统退化为系统。当系统的子载波数犓并且犵狀狀时,系统退化为单载波频域均衡(,)系统。从这个角度来看,系统可以视作系统和 系统的混合载波系统。根据式(),系统调制过程的矩阵表达形式为狓犃犱()式中:犃为犓犕犓犕阶调制矩阵,具体结构为犃犌,犌,犌犕()式中:犌犿犵,犿,犵,犿,犵犓,犿,犿,犕,由原型滤波器时移和频移构成。调制矩阵中包含了调制过程中涉及的所有信号处理步骤。原型滤波器是影响系统带外功率的一个重要因素,不同的原型滤波器会导致系统产生不同的带外功率,可通过对现有的原型滤波器进行改进,以满足不同场景对系统带外功率的需求。系统中常用的原型滤波器有
10、滤波器犵(狋)(狋)(狋)(狋)、滤波器犵(狋)(狋)(狋)(狋)槡等。为 系统工程与电子技术第 卷进一步降低波形的带外功率,提高的频谱效率,本文针对系统的原型滤波器加以设计,提出一种基于多参数可变的原型滤波器,建立具有多个可调参数的原型滤波器的广义化数学模型,通过多参数的联合控制,实现对带外功率性能的有效抑制与精准控制。所提出的多参数可变滤波器表示为犵(狋)(狋)(狋)(狋)狋()式中:,为滚降系数;,犖为控制带外功率抑制的参数。当,时,上式中的滤波器可退化为滤波器。图为多参数可变滤波器的调制过程。图基于多参数可变滤波器的调制 如图所示,基于多参数可变滤波器的信号可以表示为狓(狀)犓犽犕犿犵
11、犽,犿狀犱犽,犿()其矩阵形式为狓犃犱()式中:调制矩阵犃由新设计的原型滤波器生成,即犃(犵,犵,犵犓,犵,犵,犵犓,犕),其中每一个犵犽,犿均由多参数可变滤波器的时间移位和频率偏移构成。对经过调制产生的信号,添加循环前缀并通过发射机发射。经过无线信道后,信号到达系统的接收机。系统常用的接收机主要有匹配滤波(,)接收机、迫零(,)接收机和最小均方误差(,)接收机 。假设接收端完美同步,为了获得发射的符号,去掉后对接收信号进行解调。系统的发射与接收流程如图及下述步骤所示:步骤对待发送的信息数据进行映射,映射后的数据犱犽,犿位于时频平面;步骤对于基带调制后的数据,使用由多参数可变滤波器构成的调制模
12、块进行调制,得到时域信号狓;步骤将时域信号添加后发送至无线信道;接收机接收到信号后去掉,并将信号发送到接收端,在接收端可以采用接收机或算法接收机;步骤对从接收端得到的数据进行解映射,得到传输的信息数据,并通过计算得到。图基于多参数可变滤波器的系统框图 犌犉犇犕系统性能分析 犣犉接收机性能分析在系统的发射端,一般可对传输数据进行阶数为犑的正交振幅调制(,)调制。在信道下,犑调制的误符号率为犘狊,犑烄烆槡烌烎犑烄烆犙犑槡烌烎()式中:表示信息传输过程中的信噪比;犑为调制阶数;犙函数定义为犙(狓)槡狓 (狌)狌。当系统信噪比足够大时,系统的误比特率和误符号率服从犘犫犘狊 犑。信号经过信道传输后,在接
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