基于濾波器組多載波的多點(diǎn)協(xié)作通信系統(tǒng)

宋國超+陳達(dá)+江濤

摘要：提出了一種基于濾波器組多載波（FBMC）的多點(diǎn)協(xié)作（CoMP）傳輸技術(shù)，并搭建了基于軟件無線電設(shè)備（USRP）的FBMC-CoMP通信系統(tǒng)原型驗(yàn)證平臺(tái)，認(rèn)為通過設(shè)計(jì)預(yù)編碼可以消除小區(qū)間干擾。為驗(yàn)證所提出FBMC-CoMP傳輸技術(shù)及預(yù)編碼設(shè)計(jì)的可行性，在原型驗(yàn)證平臺(tái)上進(jìn)行了FBMC-CoMP異步能力及誤碼率等性能的測試。測試結(jié)果顯示：FBMC-CoMP能夠抵抗的最大基站延時(shí)差為0.7 us，此時(shí)通信誤碼率小于0.003。

關(guān)鍵詞： FBMC；CoMP；異步傳輸；原型驗(yàn)證平臺(tái)

Abstract： In this paper， a new coordinated multipoint （CoMP） transmission technology based on filter bank multicarrier （FBMC） is proposed， and a prototype verification platform for FMBC-CoMP communication system using the universal software ratio peripheral （USRP） is built. And the co-channel interference among cell edge users can be eliminated by the precoding design. In order to verify the FBMC-CoMP transmission technology and the precoding， a test on the asynchronous ability and the bit error rate of FBMC-CoMP is made. Experiment results show that the maximum base station delay difference which FBMC-CoMP could resist to is 0.7 us， and the bit error rate is less than 0.003.

Key words： FBMC； CoMP； asynchronous transfer； prototype verification platform

作為經(jīng)典的多載波調(diào)制技術(shù)，正交頻分復(fù)用（OFDM）已經(jīng)成為主流寬帶通信的標(biāo)準(zhǔn)，如長期演進(jìn)（LTE）和IEEE 802.11ac等。通過在信號(hào)頭部加入足夠長的循環(huán)前綴（CP），CP-OFDM可以有效對(duì)抗多徑衰落，將頻率選擇性寬帶信道轉(zhuǎn)化為一系列并行平坦窄帶子信道，降低信道估計(jì)與均衡實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。但是，CP-OFDM還存在一些問題，例如：CP的加入降低了頻譜利用率，也增加了發(fā)送功率開銷；CP-OFDM信號(hào)基于矩形脈沖成形，頻譜帶外泄漏較大，難以對(duì)抗因時(shí)間或頻率偏差導(dǎo)致的干擾，要求不同用戶之間的信號(hào)嚴(yán)格同步。

作為OFDM的升級(jí)技術(shù)，最近興起的濾波器組多載波（FBMC）被研究者認(rèn)為是未來無線通信中最具潛力的多載波技術(shù)之一[1-3]。FBMC使用具有良好時(shí)頻聚焦特性的濾波器，信號(hào)帶外泄漏極低，用戶間無需保護(hù)頻帶，提高了頻譜利用率，并且FBMC不需要CP也可以有效抵抗多徑衰落。此外，F(xiàn)BMC基于非正交處理，不要求嚴(yán)格的信號(hào)同步，特別適用于異步通信場景，例如：上行非同步接入、認(rèn)知無線電[1]及多點(diǎn)協(xié)作（CoMP）等。

CoMP傳輸技術(shù)在第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）的演進(jìn)的LTE（LTE-A）方案中被提出，是一種能夠消除小區(qū)間干擾的新技術(shù)[4]，同時(shí)也在第5代移動(dòng)通信（5G）中備受關(guān)注[5-6]。CoMP也是一種多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)，利用空間信道上的差異進(jìn)行信號(hào)傳輸，通過多基站聯(lián)合預(yù)編碼，為小區(qū)邊緣用戶提供更高的服務(wù)質(zhì)量，能夠大幅提高無線網(wǎng)絡(luò)容量。但是，CoMP基于非同步處理，基站信號(hào)到達(dá)不同用戶的時(shí)間存在很大差異。如果采用OFDM作為調(diào)制技術(shù)，為保持信號(hào)的正交性，必須采用很長的CP，從而嚴(yán)重降低系統(tǒng)容量。考慮到FBMC信號(hào)不需要嚴(yán)格同步的技術(shù)優(yōu)勢，我們認(rèn)為將FBMC與CoMP結(jié)合是一種極具潛力的未來通信技術(shù)[7]。

1 FBMC技術(shù)原理

FBMC采用時(shí)頻聚焦特性良好的原型濾波器（例如：IOTA、PHYDYAS等[8-9]），相比OFDM具有更低的帶外頻譜泄漏和更高的頻譜利用率。

圖1是FBMC的系統(tǒng)原理，調(diào)制過程可分為下面3個(gè)步驟：

（1）發(fā)送端的數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制（PAM）生成實(shí)數(shù)符號(hào)，其中為第個(gè)子載波，為第個(gè)PAM符號(hào)。PAM符號(hào)周期為，為子載波個(gè)數(shù)，為采樣間隔。

（2）將乘以相位旋轉(zhuǎn)因子后進(jìn)行點(diǎn)上采樣，再將上采樣得到的數(shù)據(jù)通過原型濾波器。具有實(shí)偶對(duì)稱性，其長度為，其中為重疊因子。

（3）將通過濾波器的信號(hào)乘以調(diào)制因子，對(duì)不同子載波求和后發(fā)送出去。

經(jīng)過上述操作后，發(fā)送端的信號(hào)可表示為：

（1）

在理想信道下，接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)相同，即。FBMC的解調(diào)過程與調(diào)制過程類似，這里不再贅述。接收端得到的解調(diào)符號(hào)可以表示為：

為了完美恢復(fù)出原始輸入符號(hào)，濾波器組需要滿足如下條件：

在滿足上述條件時(shí)，解調(diào)符號(hào)可以改寫為：

（4）

其中為純虛數(shù)?？梢钥吹剑簩?duì)進(jìn)行取實(shí)操作后就能夠完美恢復(fù)出原始輸入符號(hào)。

為了降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度或提升解調(diào)性能，也可以借助于快速傅里葉變換將FBMC用頻域擴(kuò)展或者多相濾波器的方式實(shí)現(xiàn)[10-11]。

2 FBMC-CoMP

2.1 FBMC-CoMP傳輸技術(shù)

為充分結(jié)合FBMC與CoMP的優(yōu)勢，我們提出基于FBMC的CoMP傳輸技術(shù)，其中所有基站使用FBMC作為調(diào)制技術(shù)，并同時(shí)同頻向用戶傳輸數(shù)據(jù)?；贔BMC-CoMP傳輸技術(shù)的通信場景如圖2所示，其中我們定義處在小區(qū)面積70%以外的用戶為小區(qū)邊緣用戶。不難看出小區(qū)邊緣用戶面臨著通信質(zhì)量降低的問題：小區(qū)邊緣用戶離本小區(qū)基站與其他小區(qū)基站距離相近，其他小區(qū)的基站會(huì)對(duì)小區(qū)邊緣用戶產(chǎn)生同頻干擾，導(dǎo)致小區(qū)邊緣用戶的信干比較低；邊緣用戶所在不同基站的地理位置差異，不同小區(qū)的基站信號(hào)到達(dá)邊緣用戶存在不同時(shí)延，使信號(hào)之間正交性變差，進(jìn)一步降低小區(qū)邊緣用戶的信干比。為克服上述問題，F(xiàn)BMC-CoMP傳輸技術(shù)利用FBMC波形的非完全正交特性，通過基站控制器對(duì)不同地理位置的基站信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合處理，使得原來相互獨(dú)立的通信鏈路組合成協(xié)作簇。

2.2 FBMC-CoMP通信系統(tǒng)原型驗(yàn)證

平臺(tái)

由于FBMC-CoMP信道信息狀態(tài)的反饋、饋線的布置以及數(shù)據(jù)集中處理都具有極大挑戰(zhàn)性，還未見FBMC-CoMP通信系統(tǒng)的原型驗(yàn)證平臺(tái)。本研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，搭建了一套基于軟件無線電設(shè)備（USRP）的FBMC-CoMP通信系統(tǒng)原型驗(yàn)證系統(tǒng)，并驗(yàn)證了FBMC-CoMP的技術(shù)優(yōu)勢。FBMC-CoMP通信系統(tǒng)參數(shù)配置如表1所示。

2.2.1 硬件架構(gòu)

基于USRP原型驗(yàn)證平臺(tái)的硬件架構(gòu)如圖3所示，其中主要包括：基站控制器、基站、用戶3個(gè)部分。整個(gè)系統(tǒng)可看成一個(gè)12的分布式MIMO系統(tǒng)，其中為用戶個(gè)數(shù)。

基站控制器主要使用美國國家儀器公司（NI）的外圍組建互連總線（PXIe）機(jī)箱搭建而成，機(jī)箱內(nèi)插有一些不同的功能模塊，其中包括主頻為2.3 GHz 8核的嵌入式控制器PXIe-8880，負(fù)責(zé)完成各個(gè)基站的調(diào)度、數(shù)據(jù)的匯集、預(yù)編碼矩陣求解等；現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）協(xié)處理單元Flex 可支配的輸入輸出（RIO），完成MIMO處理，如聯(lián)合預(yù)編碼、MIMO檢測等；PXI數(shù)據(jù)路由器CPS-8910，負(fù)責(zé)基站數(shù)據(jù)匯總與分發(fā)；時(shí)頻同步器6674T，用作基站的頻率同步以及定時(shí)同步。

原型驗(yàn)證平臺(tái)包含3個(gè)基站，每個(gè)基站由2個(gè)嵌有高性能FPGA處理單元的USRP組成，每個(gè)USRP則包含了2個(gè)射頻單元，每個(gè)基站一共有4根發(fā)送天線。

用戶由1臺(tái)USRP與1臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，共有4個(gè)單天線用戶。

2.2.2 軟件架構(gòu)

FBMC-CoMP通信系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖4所示，軟件架構(gòu)取決于硬件，同樣將數(shù)據(jù)流進(jìn)行分層處理。

在基站控制器中，通過PXIe總線完成射頻參數(shù)的配置、多媒體接入控制（MAC）層數(shù)據(jù)的配置、預(yù)編碼矩陣的計(jì)算，以及與Flex RIO和USRP的交互處理等操作，基站控制器與Flex RIO間的傳輸是通過直接內(nèi)存存?。―MA）先入先出（FIFO）隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。

Flex RIO需要完成擾碼、信道編碼、正交振幅調(diào)制（QAM）映射及聯(lián)合預(yù)編碼等操作，我們分別使用了FBMC-CoMP-ZF算法與FBMC-CoMP-MMSE算法完成對(duì)基站數(shù)據(jù)的預(yù)編碼操作，F(xiàn)lex RIO預(yù)編碼后的數(shù)據(jù)通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）的隊(duì)列傳送給基站中的USRP。

在基站USRP的FPGA中完成FBMC波形的調(diào)制及數(shù)字上變頻，然后將FPGA生成的數(shù)字中頻信號(hào)依次經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換與頻譜搬移后由天線發(fā)送出去。我們使用Phydyas濾波器，重疊因子設(shè)置為4，并利用頻域擴(kuò)展的方式實(shí)現(xiàn)FBMC的波形調(diào)制，具有實(shí)現(xiàn)架構(gòu)簡單、預(yù)編碼更精細(xì)等優(yōu)點(diǎn)。參考5G NOW的方案，在幀頭插入塊狀導(dǎo)頻，使用干擾近似法（IAM）完成信道估計(jì)。

3 FBMC-CoMP預(yù)編碼設(shè)計(jì)

在FBMC-CoMP通信系統(tǒng)中，多個(gè)基站要對(duì)邊緣用戶同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，在已知系統(tǒng)信道參數(shù)的情況下，基站通過設(shè)計(jì)預(yù)編碼對(duì)每個(gè)發(fā)送天線賦予不同的加權(quán)系數(shù)，產(chǎn)生具有指向性的波束，從而消除小區(qū)間與用戶間的同頻干擾。

假設(shè)多基站與用戶間的信道矩陣為，預(yù)編碼矩陣為，所有用戶數(shù)據(jù)信號(hào)矢量為，則用戶接收到的信號(hào)為，其中為高斯噪聲，與分別為發(fā)送天線與接收天線的個(gè)數(shù)，且。

按照信號(hào)處理方式的不同，可將預(yù)編碼分為線性預(yù)編碼與非線性預(yù)編碼。由于非線性預(yù)編碼實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度極高，不適用于實(shí)際通信場景。因此，下面我們將首先介紹兩種常用的線性預(yù)編碼方法，然后提出針對(duì)FBMC-CoMP的預(yù)編碼設(shè)計(jì)方法，從而消除邊緣用戶小區(qū)間的同頻干擾。

3.1 迫零預(yù)編碼

迫零預(yù)編碼可將等效信道矩陣完整對(duì)角化，從而消除其他用戶的干擾，達(dá)到同一頻率資源內(nèi)傳輸多個(gè)并行數(shù)據(jù)流的目的。在迫零（ZF）預(yù)編碼中，對(duì)信道矩陣求廣義逆矩陣可以得到其預(yù)編碼矩陣為。此時(shí)，用戶接收信號(hào)可以寫為。ZF預(yù)編碼算法易于實(shí)現(xiàn)，但會(huì)使基站的發(fā)送功率增大，且信道相關(guān)性越強(qiáng)則消耗功率越大。

3.2 MMSE預(yù)編碼

最小均方誤差（MMSE）預(yù)編碼的準(zhǔn)則是使接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)的均方誤差最小，從而在消除其他用戶干擾時(shí)，減小信道中的高斯白噪聲的干擾。MMSE的預(yù)編碼矩陣為：

（5）

其中為加性高斯白噪聲功率，為接收信號(hào)功率。MMSE算法可以有效消除高斯白噪聲，但是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較大。

3.3 FBMC-CoMP-ZF與

FBMC-CoMP-MMSE預(yù)編碼

當(dāng)信道頻率選擇性較強(qiáng)時(shí)，不同子載波對(duì)應(yīng)的信道矩陣會(huì)有很大差異，如果所有子載波使用同一個(gè)預(yù)編碼矩陣，會(huì)導(dǎo)致波束賦形的效果很差，用戶間的干擾不能消除，因此必須對(duì)每個(gè)子載波分別進(jìn)行預(yù)編碼。

假設(shè)第個(gè)子載波的信道矩陣為，其預(yù)編碼矩陣為，基站所有天線發(fā)送信號(hào)矢量表示為：

其中為個(gè)用戶在第個(gè)符號(hào)與第個(gè)子載波處的PAM符號(hào)的數(shù)據(jù)矢量。

發(fā)送信號(hào)經(jīng)過信道后到達(dá)各個(gè)用戶，所有用戶在第個(gè)符號(hào)與第個(gè)子載波處的信號(hào)恢復(fù)矢量表示為：

假設(shè)信道相關(guān)帶寬大于3個(gè)子載波間隔，則在第個(gè)子載波相鄰的子載波處有和?；诘刃诺谰仃囃暾麑?duì)角化的一系列思想，我們提出FBMC-CoMP-ZF預(yù)編碼為：

經(jīng)過FBMC-CoMP-ZF預(yù)編碼后，可以重寫為：

其中和分別為信道對(duì)的虛部與實(shí)部的高斯白噪聲。對(duì)信號(hào)取實(shí)部后恢復(fù)出的信號(hào)為。為減小高斯白噪聲對(duì)的干擾，我們提出FBMC-CoMP-MMSE預(yù)編碼為

4 仿真與測試結(jié)果

4.1 MATLAB仿真結(jié)果

為驗(yàn)證所提出的FBMC-CoMP傳輸技術(shù)及預(yù)編碼的優(yōu)勢，我們對(duì)系統(tǒng)中一個(gè)基站引入個(gè)采樣點(diǎn)的延時(shí)，并在高斯信道下評(píng)估應(yīng)用FBMC-CoMP-ZF與FBMC-CoMP-MMSE預(yù)編碼的系統(tǒng)誤碼率（BER）性能。圖5是MATLAB仿真所得的FBMC-CoMP誤碼率曲線。從圖5中可以看出：

（1）在高斯信道下FBMC-CoMP-MMSE算法優(yōu)于FBMC-CoMP-ZF算法，并能夠提供較好的BER性能。

（2）隨著延時(shí)采樣點(diǎn)的增大，BER性能會(huì)逐漸變差，但在采樣點(diǎn)小于14時(shí)誤碼率小于5%，系統(tǒng)能夠進(jìn)行可靠的通信。

4.2原型驗(yàn)證平臺(tái)測試結(jié)果

為了模擬基站信號(hào)傳播過程中的衰減，我們?nèi)藶榻档突镜陌l(fā)送功率，以FBMC-CoMP-ZF預(yù)編碼算法為例子，分別測試了發(fā)送端在-5 dBmW、

-3 dBmW、-2 dBmW的BER曲線。從圖6中可以看出：當(dāng)采樣點(diǎn)小于14（延時(shí)差為0.7 us）時(shí)，系統(tǒng)仍然能夠?yàn)橛脩籼峁┛煽康姆?wù)，且隨著FBMC調(diào)制子載波數(shù)目的增多，F(xiàn)BMC-CoMP能夠適應(yīng)的延時(shí)也會(huì)線性增大。基站同時(shí)同頻對(duì)4個(gè)用戶進(jìn)行信號(hào)傳輸，所以容量增益為4倍（6 dB）。

5 結(jié)束語

我們首先提出了一種基于FBMC的CoMP傳輸技術(shù)，并搭建了基于USRP的FBMC-CoMP的原型驗(yàn)證平臺(tái)，然后提出了FBMC-CoMP中的預(yù)編碼設(shè)計(jì)以消除小區(qū)間干擾。最后，我們通過MATLAB仿真與原型驗(yàn)證平臺(tái)的測試，驗(yàn)證了FBMC-CoMP無需循環(huán)前綴且能夠進(jìn)行可靠通信的技術(shù)優(yōu)勢。測試結(jié)果表明：所提出的FBMC-CoMP傳輸技術(shù)能夠忍受不同基站信號(hào)到達(dá)的時(shí)延差，并為邊緣用戶提供可靠的通信服務(wù)，大幅提高了通信容量。

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