非线性压扩技术降低FBMC/OQAM系统峰均比的性能评估

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线ScienceDirectICT Express 5（2019）41www.elsevier.com/locate/icte非线性压扩变换降低FBMC系统峰均比的性能评估Imad A. 埃及开罗艾因夏姆斯大学电子与通信系b嵌入式系统设计，电子工厂部，埃及开罗接收日期：2017年3月9日;接收日期：2017年12月18日;接受日期：2018年1月31日在线发售2018年摘要具有偏移正交幅度调制的滤波器组多载波（FBMC/OQAM）是5G通信中使用的最佳波形之一。FBMC是多载波调制系统（MCM），其遭受导致功率效率降低的高峰均功率比（PAPR）。非线性压扩技术被广泛用于降低峰均功率比（PAPR）。在本文中，我们已经评估了不同的非线性压扩技术的性能，以降低峰均比在FBMC/OQAM系统，同时实现良好的比特误码率。我们评估了双曲正切、误差函数、对数函数、A律和Mu律压扩技术。发现最佳的压扩函数是Mu律。c2018韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V.这是一篇开放获取的文章，CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：FBMC/OQAM; PAPR;非线性压扩1. 介绍在多载波传输中，子载波在时域中彼此独立，使得它们的复合信号具有大的动态范围，因为子载波可以对齐以产生相长或相消叠加。相长叠加将导致具有高包络峰值的信号信号功率的这种大的变化是根据峰均功率比来测量的[1] 。 滤 波 器 组 多 载 波 偏 移 正 交 幅 度 调 制 系 统（FBMC/OQAM）作为下一代无线通信系统（5G）的许多新波形之一被提出。FBMC系统是一种多载波调制方案，具有松弛的正交性、增加的频率效率、改进的形状、*通讯作者。电子邮件地址：imadshaheen@gmail.com（I.A.Shaheen），aaazekry@hotmail.com（A. Zekry），fatma.eng.asu.edu.eg（F.Newagy），engreem@yahoo.com（R.Ibrahim）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2018.01.017以及FBMC/OQAM技术中固有的低带外干扰。FBMC/OQAM系统的主要缺点是发送信号的高为了克服这一点，许多研究人员提出了降低FBMC系统PAPR的方案[2]。采用基于凸集投影和智能梯度投影的主动星座扩展（ACE）技术降低FBMC系统的峰均比。但是它们增加了传输的平均功率，导致功率效率降低并降低了误码率（BER）性能，并且它们需要更多的实现复杂度[1，3，4]。非线性压扩技术具有复杂度低、误码率好等优点，是多载波调制中最好的峰均比抑制技术之一。压扩功能用于衰减高峰值并放大低振幅。在接收器处，应用逆压扩功能以便恢复原始信号。此外，通过选择合适的压扩参数，压扩后的平均发射功率可以保持不变在这2405-9595/c2018韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。42I.A. Shaheen，A.Zekry，F.Newagy等人/ICT Express 5（2019）41== −=∑ ∑-2N2N[客户端]论文中，我们采用不同的非线性压扩技术来降低FBMC系统的峰均比。所用的压扩技术有双曲正切（tanh）、误差函数（erf）、对数函数（log）、μ律和A律压扩。本文组织如下：第2节提出了建议的收发器结构的FBMC/OQAM系统模型，使用非线性压扩技术。第三节介绍了功率谱峰均比问题，建成的系统。在第4节中，不同的非线性压扩技术被突出显示，它们被单独应用于所提出的系统。第五章给出了FBMC系统的仿真结果。第六节是论文的总结。2. FBMC/OQAM系统模型图图 1显示了 所 提 出 的 F B M C 的框图/其中h（−1）（rk）表示接收器侧的逆压扩函数;即扩展过程。因此，接收器执行发射器的逆处理以再次恢复原始数据。因此，它的构建块将反映这一事实，如图所示。1.一、3. 峰均功率比（PAPR）FBMC系统的主要问题是峰均比过高，降低了功率放大器的效率FBMC系统用于发送调制不同子载波的复合符号，从而导致高PAPR。FBMC系统的PAPR被定义为峰值功率与平均功率之比[1]。一般而言，PAPR可以写为最大值|S K|（二）OQAM Transceiver with nonlinear companding. 传送-它由OQAM预处理模块、IFFT模块、PAPR（sk）=E[|S K|二、（七）然后是多相滤波器组和压扩块。因此，FBMC/OQAM系统用于发送OQAM而不是QAM符号。然而，在发送器侧的输入数据在第k个子载波和nT/2时刻由xm ，n表示[5，6]（m：子载波索引，n：符号索引）。在发射机处，每个复数据符号由Sk表示，对于k0，1，. . . . M1，其中M2N是子载波的数量，并且它可以以速率F1/T进行传输。多相滤波器输出端的离散时间基带信号Sk可写为：其中，E[ ]表示信号的期望值。中的PAPRdB可以写成：PAPR（dB）= 10 log 10（PAPR）。（八）峰 均 比 降 低 技 术 的 有 效 性 通 过 互 补 累 积 分 布 函 数（CCDF）来衡量，CCDF是峰均比超过某个阈值的概率CCDF= Prob（PAPR>X0）（9）其中X0是阈值。sk=+∞2N−1Xm，ng[k n N]ej2πm（k-D/2）ejφm， n（1）4. 非线性压扩技术n=−∞m=0其中g[n]是用于设计长度为L的多相滤波器的原型滤波器，d是延迟因子。术语ejφm，n用于确保输入数据xm， n之间存在π/2相位差。通常，φm， n给出为πφmn=（m+n）（2）非线性压扩是一种特殊类型的限幅方案，用于提供更好的BER性能和更低的实现复杂度，以提供更大的PAPR降低构建系统。压扩变换在压缩大信号的同时放大小信号，以增加小信号对噪声和干扰的免疫力。压扩2功能应用于变送器，以压缩输出其中，g[n]定义为：g[n]= g [k-n N] e j2 πm（k-D/2）。（三）多相滤波器输出信号经非线性压扩技术压缩后通过信道传输到发射机。因此，在压缩器的输出处，压扩信号vk由下式给出：vk=h（s k），其中0 ≤k≤M − 1。（四）压扩函数表示为h（.）其用于压缩接收器输入处的FBMC信号的幅度，假设加性高斯白噪声信道[7，8]。接收信号rk可以表示为以下形式：信号使用严格的单调函数，并且在接收器处，逆压扩函数用于在接收器中恢复信号[8，9]。4.1. 双曲正切压扩应用于发射机端的第一个压扩函数如[10]h（ sk）=y1tanh（y2sk）（10）其中参数y1和y2控制补偿电平的量，并且它们必须是正数。逆压扩由下式给出：rk=h（vk）+wk（5）h′（r）=yy[1−tanh2（y r）]（11）其中wk是AWGN。在接收器中，应用逆压扩功能[6，9]。然后我们得到sk=h−1（rk）（6）、I.A. Shaheen，A.Zekry，F.Newagy等人/ICT Express 5（2019）4143k1 2 2k其中1− tanh2（y2sk）≤1，y2，sk（12）以及满足1> y1y2的充分条件。（十三）44I.A. Shaheen，A.Zekry，F.Newagy等人/ICT Express 5（2019）41亩[客户端]⎧⎪⎨一√=| |为⎧=k一1+ In（A）√√克什蒂尔克但是，|RK|≥4.2. 误差函数压扩Fig. 1. 提出的具有压扩的FBMC的收发器结构。其中Mu比率用于控制发射机侧的压扩电平的阶数，其中u（Mu）是归一化第二个压扩函数应用于发送器由[8，9]h（x）=y1erf（y2sk）（ 14）其中压扩参数y1和y2控制压扩电平的量，并且它们必须是正数。逆压扩给出为2年1常数在接收器侧，逆压扩由下式给出：h′（r k）= u（Mu）−1sgn（r k）（1）（（1 +Mu））|RK |− 1）。（二十二）4.5. A律压扩h′（ rk）=与√2exp[−（y2rk）2]（15）应用于发射机末端的第五个也是最后一个压扩函数由[1，2]exp−（y2s k）2≤ 1，n= y2，s k。（16）有充分条件h（ sk）=k（A）sgn（sk）一|S K|1+ In（A）得双曲余切值. |SK|<|SK|Max（二十三）1+In（A）|SK|）， 如果|SK|≥|SK|Maxa>2y1y2。（十八）π得到h′（x）1的条件很容易找到：y1y2<π/2。在（8）中，作者使用了值 y1= 0。6061且y2= 1，因此y1y2= 0。6061<π/ 2。4.3. 对数函数压扩第三个压缩扩展函数应用于其中sgn（y）输入的符号，sk的绝对值。A比率用于控制应用于信号sk。在接收器处应用的A定律展开由下式给出：h′（rk）=k（A）−1sgn（rk）|（1 + In（A）），|R||< |Max |maxX-ray（|R K|（1 + In（A））− 1）|R K|Max发射机表示为[3]h（ sk）=y1loge（ 1+y2sk）（19）其中压扩参数y1和y2控制压扩电平的量，并且它们必须是正数。一其中k（A）是归一化常数。5. 绩效评价1+ In（A）贝尔。逆压扩给出为h′（r）y1 y2.（二十）1+y2rk4.4. μ律压扩技术h′（rk） a，其中（17）1+ In（A）一×（二十四）πI.A. Shaheen，A.Zekry，F.Newagy等人/ICT Express 5（2019）4145=在前一节中，我们讨论了压缩过程对FBMC、OQAM系统的影响以及影响PAPR降低的参数。连续时间信号的FBMC/OQAM系统的PAPR被给出为应用于发射机端的第四个压扩函数由[11]1+亩|S|KPAPR峰值功率平均功率Max|s（t）|2（二十五）（）下一页h（ sk）=u（Mu）sgn（sk）（二十一）E|s（t）|第二章（二十六）（1+亩）46I.A. Shaheen，A.Zekry，F.Newagy等人/ICT Express 5（2019）41||2其中A f是信号的PSD，G（f）是F（f），----||--||=-={}2图二. 不同子载波k下FBMC/OQAM系统的峰均比。其中E. 表示期望算子，t是符号时间，并且Es（t）是s（t）的平均功率，其可以表示为：图三. 具有不同压扩的FBMC/OQAM。6. 功率谱密度FBMC信号的离散随机过程的功率谱密度（PSD）在下面E|s（t）|2 =1/M TMr.Mr.0x（t）波特（二十七）s（f）=|G（f）|2 A（kf）（32）对于离散FBMC信号sk，PAPR由下式计算：L倍过采样FBMC信号，K2变换的原型滤波器g[n]，和f是归一化的频率相对于采样频率f。PAPR（sk）=Max |SK|2P平均值（sk）Maxsk2=E {|S K|（二）.（二十八）S7. 仿真结果将影响FBMC/ OQAM信号中PAPR降低的参数分为两个参数。第一个参数是在FBMC系统中使用的子载波的数量，第二个参数是使用的调制阶数。为了分析两者对FBMC系统的影响，PAPR的最高值由下式给出：k {|S K|（二）在建立了所提出的FBMC收发器的Matlab模型之后，我们评估了FBMC/ OQAM系统的性能，其中不同的压扩技术在前一节中解释，分别应用于收发器。我们认为，子载波的数量为512，调制阶数使用128 OQAM和输入数据的大小是2200源比特。原型过滤器是P AP R最高=最大美国{|SK|（二）.（二十九）平方根升余弦（SRRC）脉冲整形滤波器，设PAPR为输入调制阶数的PAPR，定义为重叠因子为6，滚降因子设置为0.53。还有，我们考虑加性高斯白噪声（AWGN）信道最大值sk2美国{|S|（二）.（三十）in our simulation模拟. 压扩参数设置为y1==K则最高PAPR可以重写为P AP R最高= k（三十一）从上面的等式我们可以观察到，PAPR与FBMC/OQAM系统中使用的子载波的数量（k）成正比。图2示出了针对不同数量的子载波128、256、512和1024的作为FBMC/OQAM系统的从图中我们可以观察到，PAPR随着子载波数量的增加而增加。在CCDF处获得了19.16dB的最高峰均比10- 3为M1024，对于M128、 256和512，获得的PAPR为分别为15.21 dB、16.5 dB和18.41 dB2I.A. Shaheen，A.Zekry，F.Newagy等人/ICT Express 5（2019）4147=0。6061和y21为双曲正切，误差函数和设置Mu压扩参数时的对数函数A压扩参数被设置为87.7。图图3示出了在不同压扩技术下FBMC/OQAM系统的作为PAPR的函数的模拟CCDF。表1描述了CCDF处的PAPR 10- 3为不同的压缩扩展技术。从图2和表1可以看出，对于Mu压扩，PAPR在10 −3互补累积分布函数（CCDF）时比原始 FBMC系统降低约 11.781dB，对于A律压扩，PAPR在10−3互补累积分布函数（CCDF）时降低约10.531 dB，而tanh、erf和对数压扩的PAPR降低幅度较小。48I.A. Shaheen，A.Zekry，F.Newagy等人/ICT Express 5（2019）41=≈==01（（））=∑[（（））]=P补偿值=kk≤ M−k=0K表1CCDF= 10−3时的PAPR。方案PAPR（dB）常规FBMC18.41具有MU定律压扩的6.629带A律压扩的7.879带erf压扩的12.51带对数压扩的12.99带双曲正切压扩的FBMC17.29见图4。 FBMC/OQAM的BER性能图4示出了具有不同非线性压扩技术的FBMC/OQAM的模拟误比特率性能。从该图中可以清楚地看出，当Mu参数设置为255.在语音业务所需的最小误码率10- 3的误码率下，Mu255压扩的每比特能量损失与噪声密度之比Eb/N 0略大于2dB。这意味着，人们只需要增加图五. 常规信号和各种非线性压扩信号的功率谱密度PSD。对于Mu定律压扩方案，归一化常数u（Mu）用于确保压 扩 的 FBMC/OQAM 信 号 的 平 均 功 率 等 于 未 复 合 的FBMC/OQAM信号的平均Mu律压缩格式的u（Mu）的一个建议的近似值由下式给出：u（Mu）In（1+ Mu）。（三十三）亩在图6中示出了在利用Mu 255进行压扩之前和之后与数据符号相关联的峰值降低的示例，其中，压扩信号被缩放以产生等于未压扩信号的平均功率。结果表明，压扩过程增加了低电平信号分量，减少了高电平信号分量，其中压扩FBMC/OQAM信号的峰值功率由下式给出：Mu压缩的平均功率仅约为2 dB，达到相同的误码率。同时，在提高峰均功率比方面实现了11.8 dB的增益P压缩峰值最大值≤k≤M−在1+ Mu P峰值。（34）In（1+Mu）因此，净增益将为9.8 dB。如果将压缩信号的平均值增加2dB，则峰均功率仍将减少9.8dB如果在命令之前和之后保持相同的峰值功率，则比率。压扩的FBMC/OQAM信号的平均功率为给出M∑−1{In（1+Mu[Pk（t）]）}k=0（1+亩）模拟了常规激光器的功率谱密度PSDFBMC和采用各种非线性压扩技术的系统的性能如图所示。 五、从图中可以清楚地看出，在Mu之后，PSD几乎保持不变与FBMC系统一起使用的law压缩扩展。 即使AV-研究了Mu压缩后的FBMC/OQAM信号的PAPR定律压扩由下式给出：PAPR maxkIn 1+MuPpeak（36）0≤ 1M−1{ln（ 1+ Mu [P（t）]）}Mu压扩信号的平均功率增加2dB，带外发射增长仍然可以忽略。因此，与其他非线性压扩技术相比，μ律压扩产生低带外（OOB）频谱，并提供良好的因此，与其他压扩技术相比，MU法则压扩其中Pk（t）是第k个子载波的归一化瞬时FBMC功率，并且Ppeak是来自压扩器的归一化FBMC功率。图7示出了常规FBMC信号和具有Mu压缩扩展方案的压缩扩展的FBMC信号的功率谱密度，其中Mu压缩扩展方案具有Mu 255。很明显，PSD在Mu压缩扩展之后保持不变。.（三十五）I.A. Shaheen，A.Zekry，F.Newagy等人/ICT Express 5（2019）4149见图6。Mu等于255的具有相等平均功率的压扩和非复合FBMC/OQAM信号的峰值消除。见图7。具有相等平均功率且Mu等于255的压扩和未复合FBMC信号的PSD。综上所述，仿真结果表明，所提出的Mu律压扩方案在降低PAPR、BER性能和带外辐射方面具有更好的性能。通过对调制阶数和子载波数的变化过程进行选择，可以在FBMC/OQAM系统的8. 结论FBMC/OQAM是用于下一代无线通信系统5G的最佳波形之一，因为它提供了良好的光谱效率和低的带外发射。本文的主要目的是评估在不同的非线性压扩技术，以降低FBMC/OQAM系统的PAPR的系统尝试的技术是双曲正切，误差函数，对数函数，Mu定律和A定律压扩。计算机仿真结果表明，Mu律压扩方案比其他方案具有更好的PAPR抑制效果，误码率和功率谱密度性能。此外，我们可以通过仔细地改变Mu压扩参数来满足不同的系统要求，从而在PAPR降低和BER性能之间进行有效的权衡。利益冲突作者声明，本文中不存在利益冲突引用[1] N. Raju，S.S. Pillai，Companding and pulse shaping technique for paprreduction in FBMC systems ， in ： 2015 International Conference onControl ， Instrumentation ， CommunicationandComputationalTechnologies，ICCICCT，Kumaracoil，2015，pp. 八九比九三[2] Imad A. Shaheen ， Abdelhalim Zekry ， Fatma Newagy ， ReemIbrahim，提出了降低STBC MIMO FBMC系统PAPR的新方案，Commun.应用电子学6（9）（2017）27-33。[3] H.龚，W。叶，S。Feng，F. 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