无线通信中的多载波调制_OFDM和FBMC

技术背景近几年无线通信技术发展迅速，移动通信与互联网的逐渐融合。以多媒体业务为代表的移动互联网开始步入人们的生活。人们对移动数据业务的需求越来越高，无线通信的发展面临着一系列问题。目前的无线通信技术主要面临两个方面的挑战：①频谱资源紧张很多频谱资源已被占用，且频谱是无法再生的②频谱利用效率低已授权频段的使用率常常只有30%左右OFDM技术OFDM(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)技术被广泛应用于各类无线通信系统，如WiMaX、LTE和LTE-A系统的下行链路。OFDM技术具有以下优点：•频谱效率高•对抗多径衰落•抗码间串绕能力强•实现复杂度低OFDM技术但OFDM技术也存在很多不足之处，比如：•需要插入循环前缀以对抗多径衰落，从而导致无线资源的浪费;•对载波频偏的敏感性高，具有较高的峰均比;•另外，各子载波必须具有相同的带宽，各子载波之间必须保持同步，各子载波之间必须保持正交等，限制了频谱使用的灵活性；•此外，由于OFDM技术采用了方波作为基带波形，载波旁瓣较大，从而在各载波同步不能严格保证的情况下使得相邻载波之间的干扰比较严重。FBMC技术由于OFDM的以上不足，基于滤波器组的多载波技术(FBMC，filter-bankbasedmulticarrier)近年来受到了广泛的关注。现已广泛应用于图像处理、雷达信号处理、通信信号处理等诸多领域。FBMC具有以下优点：•原型滤波器的冲击响应和频率响应可以根据需要进行设计，各载波之间不再必须是正交的，不需要插入循环前缀•能实现各子载波带宽设置、各子载波之间的交叠程度的灵活控制，从而可灵活控制相邻子载波之间的干扰，并且便于使用一些零散的频谱资源•各子载波之间不需要同步，同步、信道估计、检测等可在各资载波上单独进行处理，因此尤其适合于难以实现各用户之间严格同步的上行链路FBMC技术但另一方面，FBMC技术也存在一些不足：•由于各载波之间相互不正交，子载波之间存在干扰;•采用非矩形波形，导致符号之间存在时域干扰，需要通过采用一些技术来进行干扰的消除OFDM基本原理OFDM主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。OFDM基本原理IDFT：DFT：式中，k表示子载波下标，表示插值器倍数，表示抽取器倍数，w(n)为矩形窗函数，pk(n)表示第k路子载波上的增益。MMkkkMkmknmMpmMnkMjnXnpMmXemMnwMnxk|)}(*)({1})()({1)(1010)()(2others,0101|10)(2Mn,w(n)(n)*x(n)px(n)n)ew(mM(m)XMkMnnmMpmM)k(nMπjkkMMOFDM基本原理基于DFT变换的OFDM系统框图OFDM基本原理FBMC基本原理在基于滤波器组的多载波技术中，发送端通过合成滤波器组来实现多载波调制，接收端通过分析滤波器组来实现多载波解调。合成滤波器组和分析滤波器组由一组并行的成员滤波器构成，其中各个成员滤波器都是由原型滤波器经载波调制而得到的调制滤波器。分析滤波器组：综合滤波器：式中，*表示共轭，hp为分析滤波器组原型函数，𝑊𝑀−𝑛𝑘=𝑒𝑗2𝜋𝑛𝑘/𝑀为频移系数，Lp为滤波器长度且有Lp=KM，M为滤波器个数，K为重叠因子，n的取值范围为自然数，即n=1，2，3，…。2/)1(2)()(pLjnkMpkeWnhnh2/)1(2*)1()(pLjknMppkeWnLhngFBMC基本原理滤波器组多载波系统收发端示意图FBMC基本原理IDFT：DFT：式中，ℎ𝑘𝑚=ℎ𝑚𝑀+𝑘，ℎ𝑛为原型函数。MMKkkMKmkhmMnkMjnXnhMmXemMnhMnxnmMk|)}(*)({1})()({1)(1010)(2)(MkMnnmMpmM)k(nMπjk(n)*y(n)hy(n)n)eh(mM(m)XK|10)(2OFDM的技术本质就是FFT滤波器组。FBMC基本原理OFDM系统的滤波器组结构框图在FBMC技术中，多载波性能取决于原型滤波器的设计和调制滤波器的设计，而为了满足特定的频率响应特性的要求，要求原型滤波器的长度远远大于子信道的数量，实现复杂度高，不利于硬件实现。因此，发展符合5G要求的滤波器组的快速实现算法是FBMC技术重要的研究内容。谢谢！