FBMC-OQAM sisteminin PAPR'sini azaltmak için bir ön kodlama algoritması
Wang Qiong, Huang Jingjing, Wu Lei
(İletişim ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Chongqing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Chongqing 400065)
FBMC-OQAM sistemindeki PAPR'nin temel nedenlerinin analizine dayalı olarak, bir ön kodlama algoritması (Ön kodlama) önerilir. Algoritma iki bölüme ayrılmıştır: dönüşüm kodlama ve faz karıştırma. FBMC-OQAM sinyalinin yüksek PAPR'sinin iki temel nedeni vardır: birincisi, iletilen sinyalin periyodik olmayan otokorelasyonundan etkilenmesidir; bu, dönüşüm kodlamasıyla geliştirilebilir; diğeri, alt taşıyıcı sinyallerinin sürekli üst üste binmesidir.Alt taşıyıcı fazları tutarlı olduğunda, Faz karıştırması ile geliştirilebilen yüksek tepe gücü olacaktır. Bu iki yöntem, sinyal bozulmasına neden olmadan FBMC-OQAM sinyalinin PAPR'sini etkili bir şekilde azaltabilir Teorik analiz ve sayısal simülasyon, önerilen algoritmanın iyi BER (Bit Hata Oranı) performansına sahip olduğunu doğrulamıştır.
TN911.72 belge tanımlama kodu: ADoi: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.03.020
Teklif biçimi: Wang Qiong, Huang Jingjing, Wu Lei. FBMC-OQAM sisteminin PAPR'sini azaltmak için bir ön kodlama algoritması J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2017,36 (3): 67-70,74.
0 Önsöz
Beşinci nesil mobil iletişim (5G) teknolojisi araştırması, endüstride büyük ilgi gören bir konudur ve 5G çoklu erişim ve çoklama şemalarının tasarımı yapılmaktadır [1]. Bununla birlikte, Ortogonal Frekans Bölmeli Çoklama (OFDM) teknolojisi, geniş spektrumlu bant dışı sızıntı ve düşük iletim hızı gibi kusurlara sahiptir ve OFDM teknolojisini artık 5G'nin geliştirme ihtiyaçları için uygun hale getirmemektedir. Şu anda, filtre bankası çoklu taşıyıcı (FBMC) ve evrensel filtre çoklu taşıyıcı (UFMC) gibi etkili 5G çoklu erişim ve çoklama teknolojisi alternatifleri önerilmiştir [1].
FBMC-OQAM çok taşıyıcılı bir sistemdir, aynı zamanda çok yüksek PAPR problemine sahiptir [2], ancak FBMC-OQAM sistemleri için PAPR'yi azaltmanın daha az yolu vardır. FBMC-OQAM sistemine biçimlendirme filtrelerinin eklenmesi nedeniyle, bitişik veri blokları zaman alanında birbiriyle örtüşür ve OFDM'den çok farklı bir sinyal yapısı ile sonuçlanır [3]. Bu nedenle, OFDM sinyallerinin PAPR'sini azaltmak için mevcut yöntemler FBMC-OQAM sistemine tamamen uygulanamaz. Aşağıda kısaca mevcut araştırma durumu anlatılmaktadır.
Literatür [4], OFDM sistemindeki sınırlama yöntemini ve sıkıştırma yöntemini doğrudan FBMC sistemine uygulamayı önermektedir, bu sadece yeni bit hata oranını getirmekle kalmaz, aynı zamanda PAPR'nin performansı da iyi değildir; Literatür [5] yinelemeli bir kesme önermektedir Yöntem, sistem üzerinde çok az etkisi olan FBMC'nin tepe / ortalama oranını düşürür, ancak yine de büyük bir hata oranı bozulmasına neden olabilir; FBMC-OQAM sinyalinin özelliklerine göre, SLM algoritması geliştirilir ve FBMC-OQAM sinyali üst üste getirilir. MB-SLM algoritması, çoklu veri bloğu işleme için önerilmiştir; literatür [7], FBMC-OQAM sistemi altında PTS algoritmasının optimal çözümünü bulmak için dinamik bir algoritma kullanan MBJO-PTS-DP algoritmasını önermektedir, ancak hesaplama karmaşıklığı Daha büyük.
Yukarıdaki analiz sayesinde, mevcut algoritmaların bazı eksiklikleri vardır ve analizi FBMC-OQAM sinyal yapısından başlatmak nadiren mümkündür. Bu nedenle, bu makale FBMC-OQAM'ın tepe / ortalama oranının temel nedeninden başlamakta ve FBMC-OQAM sisteminin tepe / ortalama oranını azaltan yeni bir ön kodlama algoritması (Ön kodlama) önermek için sinyal yapısı özelliklerini birleştirmektedir.
Bu makaledeki ön kodlama algoritması, sinyal bozulmasına neden olmadan giriş verilerini ön kodlayarak FBMC-OQAM sinyalinin PAPR'sini azaltabilir. Ön kodlama matrisinin farklı tasarımı nedeniyle, Ön kodlama algoritması aşağıdaki iki algoritmaya ayrılabilir: Hadamard matrisine (H-Ön kodlama) dayalı ön kodlama algoritması ve ayrık Fourier dönüşüm matrisine (FP kodlama) dayalı ön kodlama algoritması . Teorik analiz ve sayısal simülasyon bu algoritmanın performansını doğruladı.
1 sistem modeli
FBMC-OQAM sisteminde, N alt taşıyıcı üzerinden iletilmesi gereken M karmaşık giriş sinyali veri bloğu olduğunu varsayalım:
Bunların arasında, Rmn ve Imn sırasıyla m'inci veri bloğu tarafından n'inci alt taşıyıcı yoluyla iletilen sinyalin gerçek kısmını ve sanal kısmını temsil eder. M'inci veri bloğunun karmaşık giriş sinyali bir vektör Cm olarak tanımlanır:
Bunlar arasında (·) T, matris transpozisyon işlemi olarak tanımlanır.
FBMC-OQAM aktarım sisteminin blok diyagramı Şekil 1'deki gibi gösterilmektedir.
FBMC-OQAM sisteminin periyodu T'dir. Karmaşık sinyal iletim için gerçek ve hayali parçalara bölünür ve gerçek parça sinyali ile sanal parça sinyali, zaman alanında T / 2 farkı ile iletilir.Bu işlem, her iki bitişikte gerçekleştirilir. Alt taşıyıcılar arasında. Bu nedenle, M karmaşık orijinal sinyal blokları, OQAM tarafından işlenen ve daha sonra ayrı ayrı iletilen 2M gerçek sinyal bloklarına bölünebilir. Eşleştirme kuralları şunlardır:
Am = (am0, am1, am2, ..., amN-1) T tanımı, m'inci veri bloğu üzerindeki gerçek sayı sinyalini temsil eder. Bunlar arasında, m = 0,1, ..., 2M-1, dolayısıyla orijinal M karmaşık sinyal blokları, iletim için 2M gerçek sinyal blokları halinde işlenebilir.
Ardından işlenen sinyali entegre filtre bankasına gönderin ve ortogonal işlemeden sonra son FBMC-OQAM sinyalini alın:
h (t) prototip filtredir ve mod (m, 2) m'nin kalanının 2'ye bölünmesini temsil eder. Sm (t), m'inci veri bloğunun iletim sinyalidir. Prototip filtre, spektrum örnekleme teknolojisini kullanır. Alt taşıyıcıların sayısı N'dir, örtüşme faktörü k'dir ve yuvarlama faktörü 'dır. Yukarı örnekleme yapılmadığında, filtrenin uzunluğu L = kN-1'dir, o zaman:
Filtrenin dürtü tepkisi şu şekilde tasarlanmıştır:
A'nın standartlaştırılmış bir sabit olduğu ve k = 4 olduğu durumlarda,
FBMC-OQAM prototip filtresinin dürtü yanıt uzunluğu T'den daha uzundur ve giriş sinyalinin gerçek ve sanal bölümleri arasında bir T / 2 gecikmesi vardır, bu nedenle FBMC-OQAM'ın bitişik veri blokları örtüşür ve bitişik veri blokları birbirini etkiler. En yüksek ortalama boyutu. FBMC-OQAM sinyal yapısı Şekil 2'de gösterildiği gibidir.
2 FBMC-OQAM sistemi PAPR analizi
Çoklu taşıyıcı modülasyonunda alt taşıyıcı sinyallerinin sürekli üst üste binmesi nedeniyle, alt taşıyıcı fazları tutarlı olduğunda, yüksek tepe gücü ortaya çıkacak ve şu şekilde tanımlanan yüksek PAPR ile sonuçlanacaktır:
E {·} ortalama işlemi temsil eder. Sistemin PAPR performansı, PAPR'nin verilen eşiği aşma olasılığını hesaplayabilen Tamamlayıcı Hata Kümülatif Fonksiyonu (CCDF) ile ifade edilebilir. Bu nedenle, PAPR, alt taşıyıcı aşamalarının ön kodlama yoluyla tutarlı olma olasılığını azaltarak azaltılabilir.
Açıktır ki, herhangi bir karmaşık sayı Z için, Re (Z) | Z |, dolayısıyla
M'inci veri bloğu için giriş sinyalinin periyodik olmayan otokorelasyon fonksiyonu. Bu nedenle, sinyalin anlık gücünün, iletilen verilerin periyodik olmayan otokorelasyon fonksiyonuna bağlı olduğu sonucuna varılabilir.
İletilen veri bloğu Am, ön kodlama matrisi P = (pij) N × N dönüşüm ön kodlama işlemine maruz kalırsa, yeni simge grubu Bm şu şekilde elde edilir:
Bunlar arasında bmk = Nj = 0pijamj, k = 0,1, ..., N-1.
Şu anda, bmk'nin periyodik olmayan otokorelasyon işlevi:
Pl (k), ön kodlama matrisi P'nin ilk sütunundaki Pl vektörünün periyodik olmayan otokorelasyon fonksiyonunu temsil eder. Denklem (10) ile denklem (12) karşılaştırıldığında, dizinin ön kodlamadan sonraki periyodik olmayan otokorelasyon fonksiyonu, ön kodlama matrisinin korelasyon özellikleri tarafından belirlenir. Bu nedenle, uygun bir ön kodlama matrisinin seçilmesi, FBMCOQAM sinyalinin tepe / ortalama oranının dağılım özelliklerini önemli ölçüde geliştirebilir. Bu nedenle, alt taşıyıcıların ortogonalitesini etkilemeden, sekans verilerinin korelasyonunu azaltmak için orijinal verileri önceden kodlayarak ve ardından çoklu taşıyıcı modülasyonu gerçekleştirerek veya yüksek PAPR'nin CCDF dağılımını azaltarak, tepe-ortalama oran istatistiksel dağılımında bir gelişme elde edilebilir. , Alıcı uç, ters dönüşüm yoluyla orijinal bilgiyi geri yükleyebilir.
3 Ön kodlama matris tasarımı
Bu yazıda önerilen ön kodlama algoritması, dönüşüm ön kodlaması ve faz karıştırmaya bölünmüştür Yan bant bilgisinin iletimini azaltmak için, korelasyon ön kodlaması ve faz karıştırması için aynı matris kullanılabilir. Yukarıdan, ön kodlama matrisinin (P) karşılaması gerektiği bilinmektedir: sütun vektörleri Pl birbirine ortogonaldir ve Pij matris elemanının modülü her ikisi de 1'dir. Bu koşulu karşılayan yaygın matrisler arasında Hadamard matrisi (H-Ön kodlama) ve ayrık Fourier dönüşüm matrisi bulunur.
(1) Hadamard matrisi
Hadamard matrisi H, +1 ve -1 öğelerinden oluşan ortogonal bir kare matristir. 2. dereceden Hadamard matrisi H2 = 11
1-1.
Genel ilişki şudur:
(2) Ayrık Fourier dönüşüm matrisi
Ayrık Fourier dönüşüm matrisi, ayrık Fourier dönüşümünün matris çarpımı ile ifade edildiği bir ifadedir.
FN, N noktalı ayrık Fourier dönüşüm matrisi olarak adlandırılır ve şu şekilde tanımlanır:
onların arasında,
Ön kodlamaya dayalı PAPR'yi azaltmak için 4 algoritma
(1) Başlatma
Orijinal karmaşık sinyal bloğunu 2M FBMCOQAM gerçek sinyal blokları Am ile eşleyin ve uygun ön kodlama matrisi P'yi seçin.
(2) Dönüşüm matrisi
FBMC-OQAM sinyalinin m'inci veri bloğu, ön kodlama matrisi P ile elde edilen sinyal şu şekilde ifade edilir: Bm = PAm = (bm0, bm1, bm2, ..., bmN-1) T, burada m = 0,1, ..., 2M-1.
M'inci veri bloğu FBMC-OQAM tarafından işlendikten sonra gönderilen sinyal şu şekildedir:
(3) Faz karıştırma kodu
m = 0 olduğunda, yani 0. veri bloğu S0 (t) faz karıştırıldığında, FBMC-OQAM'in 0. veri bloğu sinyalinin tepe değeri en aza indirilir ve alternatif faz karıştırma kodu c0, u, ön kodlama matrisine aittir. U = {P1, P2, ..., PN} sütun vektörleri tarafından oluşturulan U seti, c0, u * faz karıştırma kodlarının en küçük PAPR grubunu seçin:
En iyi faz karıştırma kodu düzeltmesinden sonraki sinyal şu şekildedir:
M'inci veri bloğu Sm (t) olduğunda, 0 < m2M-1, m'inci veri bloğundan önceki veri bloğu, veri bloğunun en iyi faz karıştırma kodu ile düzeltilen sinyal S ^ m-1 (t), S ^ m-2 (t), ..., S ^ 0 (t), aday faz karıştırma kodlarından cm, u, en iyi faz karıştırma kodunu cm olarak seçin, u *:
Şu anda, en iyi faz karıştırma kodundan sonra m'inci veri bloğunun sinyali cm, u * S ^ m (t) = N 1k = 0Sm (t) cm, u * k
Tüm 2M veri blokları aranana kadar adımını tekrarlayın, faz karıştırma kodlu FBMC-OQAM sinyalini S ^ (t) = 2M 1m = 0S ^ m (t) alın ve şu anda sistemin PAPR'sini bulun . Simülasyon, sistemin PAPR'sinin önemli ölçüde azaltılabileceğini göstermektedir.
5 Simülasyon sonuçları ve analizi
Bu metnin simülasyonunda FBMC-OQAM'ın alt taşıyıcılarının sayısı N = 8,16,32'dir, 4QAM modülasyon modu benimsenmiştir ve FBMC-OQAM'ın veri bloğu M = 128'dir. Alt taşıyıcıların yan bant bilgileri simülasyonda dikkate alınmaz ve ön kodlama matrisi esas olarak Hadamard matrisini ve ayrık Fourier dönüşüm matrisini kullanır.
Geleneksel PTS algoritması, SLM algoritması, sınırlama yöntemi, karşılaştırmalı dönüştürme yöntemi vb. İle karşılaştırıldığında simülasyon, bu makaledeki algoritmanın PAPR'yi azaltabileceğini göstermektedir.
Şekil 3, N = 32 olduğunda, FBMC-OQAM sisteminde PAPR'yi azaltmak için H-Ön kodlama ve F-Ön kodlama algoritmalarının kullanıldığını göstermektedir. Bu makale ayrıca geleneksel PTS algoritması, SLM algoritması, sınırlama yöntemi ve karşılaştırmalı yöntemin simülasyon sonuçlarını karşılaştırmaktadır. Şekil 4, algoritmanın toplam beyaz Gauss gürültü kanalı altında sistemin bit hata oranı üzerindeki etkisini göstermektedir.
Şekil 3'ten görülebileceği gibi, geleneksel PTS algoritması doğrudan FBMC-OQAM sistemine uygulandığında, V = 4 ve CCDF = 0,001 olduğunda, PAPR performansının yaklaşık 0,7 dB arttığı; benzer şekilde geleneksel SLM algoritması kullanıldığında U = 16 , PAPR'nin performansı yalnızca yaklaşık 0.1 dB artırılır. Bu yazıda algoritma kullanılırken, H-Ön kodlama algoritmasının PAPR performansı 1,7 dB, F-Percoding algoritması ise 2,3 dB geliştirildi. Bu nedenle, geleneksel PTS algoritmasının ve SLM algoritmasının, PAPR'sini azaltmak için doğrudan FBMC-OQAM sistemine uygulandığı açık değildir Bu makaledeki ön kodlama algoritması, FBMC-OQAM sisteminin PAPR'sini etkili bir şekilde azaltabilir.
Şekil 3'ten sınırlayıcı yöntem ve -yasalı genişleme dönüştürme yönteminin FBMC-OQAM sisteminin PAPR'sini önemli ölçüde azaltabildiği görülebilmesine rağmen, Şekil 4'ten sınırlama yöntemi ve -yasası karşılaştırmalı dönüştürme yönteminin daha büyük bir dereceye sahip olduğu görülebilir. Sistemin bit hata oranının bozulması. H-Ön kodlama ve F-Ön kodlama algoritmaları, orijinal sinyal ile hemen hemen aynı bit hata oranına sahiptir. 5G'nin gelecekteki geliştirilmesinde, sinyalin bit hata oranı gereksinimleri daha yüksek olacaktır, bu nedenle bit hata oranı pahasına PAPR'nin azaltılması 5G çağında artık uygulanamayacaktır. Bu yazıda yer alan ön kodlama algoritmasının sistemin bit hata oranını etkilemediği ve geleceğin gerçek gelişimiyle daha uyumlu olduğu sonucuna varılabilir.
Şekil 5, taşıyıcı sayısı farklı değerler aldığında FBMC-OQAM sistemindeki PAPR'yi azaltmada H-Percoding ve F-Percoding algoritmalarının etkisini göstermektedir.
Şekil 5'den, N farklı değerler aldığında, hem H-Ön Kodlama hem de F-Ön Kodlama algoritmalarının FBMC-OQAM sisteminin PAPR'sini önemli ölçüde azaltabileceği görülebilir. N = 8,16,32 olduğunda, bu makaledeki algoritma PAPR'yi yaklaşık 1,6 ~ 2,5 dB azaltabilir. FBMC-OQAM sisteminin PAPR'si, taşıyıcıların sayısından etkilenir. Taşıyıcı sayısı arttıkça, sistemin PAPR'si de artar. F-Ön kodlama algoritmasının performansı, H-Ön kodlama algoritmasından biraz daha iyidir. N = 32 olduğunda, F-Ön kodlama algoritması, PAPR performansını H-Ön kodlama algoritmasından yaklaşık 0,5 dB daha iyi azaltır.
6. Sonuç
Bu yazıda önerilen ön kodlama algoritması, FBMC-OQAM sisteminin PAPR'sini önemli ölçüde azaltabilir. FBMC-OQAM sisteminin yapısal özellikleriyle birleştirildiğinde, yüksek PAPR'nin temel nedeni analiz edilir ve FBMC-OQAM sistemindeki PAPR'yi sinyal bozulmasına neden olmadan azaltmak için bir ön kodlama algoritması önerilir. Simülasyon deneyi, FBMC-OQAM sisteminde bu algoritmanın uygulanabilirliğini doğrular. Simülasyon sonucu, FBMC-OQAM sisteminde, bu algoritmanın uygulanmasından sonra, sistemin tepe / ortalama oranının önemli ölçüde düştüğünü kanıtlıyor.
Referanslar
1 Xie Xianzhong. 5. nesil mobil iletişim ve yeni çoklu erişim teknolojisinin temel gereksinimleri J. Journal of Chongqing University of Post and Telecommunications (Natural Science Edition), 2015, 27 (4): 438-443.
2 RAHMATALLAH Y, MOHAN S. OFDM sistemlerinde tepe / ortalama güç oranı düşüşü: bir anket ve taksonomi J. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2013, 15 (15): 1567-1592.
3 RAHIM M U, STITZ TH, RENFORS M. Çok taşıyıcılı sistemlerde kırpmaya dayalı PAPR azaltma analizi C .IEEE Araç Teknolojisi Konferansı, IEEE, 2009: 1-5.
4 VARGHESE N, CHUNKATH J, SHEEBA V S. FBMCOQAM sisteminde tepe / ortalama güç oranı düşüşü C. Bilgisayar ve İletişimde Gelişmeler (ICACC), 2014 Fourth International Conference on. IEEE, 2014: 286-290 .
[5] KOLLAR Z, VARGA L, CZIMER K. FBMC Clip C için kırpma tabanlı yinelemeli PAPR azaltma teknikleri. 17. Uluslararası OFDM Çalıştayı Bildirileri, 2012: 1-7.
6 LAABIDI M, ZAYANI R, BOUALLEGUE R. FBMC / OQAM Sistemlerinde PAPR azaltımı için yeni bir çoklu blok seçici haritalama şeması C. Bilgi Teknolojisi ve Bilgisayar Uygulamaları Kongresi (WCITCA), 2015 Dünya Kongresi, IEEE, 2015 .
[7] QU D, LU S, JIANG T. FBMCOQAM sinyallerinin tepe noktadan ortalamaya güç oranı azaltımı için çoklu blok eklem optimizasyonu J. Sinyal İşleme IEEE İşlemleri, 2013, 61 (7): 1605 -1613.
