基于FBMC的LDM系统的误码率性能及方案分析

⃝可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirectICT Express 1（2015）138www.elsevier.com/locate/icte基于FBMC的LDM系统Soonki Jo，Jong-Soo Seo韩国首尔延世大学电子电气工程系接收日期：2015年8月28日;接受日期：2015年11月9日2015年11月23日在线发布摘要滤波器组多载波（FBMC）技术是多载波调制的可选解决方案之一。FBMC不需要用于正交频分复用（OFDM）的循环前缀（CP）和保护频带，并且CP和保护频带导致频谱效率的损失。FBMC在每个子载波上具有偏移QAM（OQAM）和带限滤波，从而消除了CP和保护带的需要。FBMC滤波通过使用良好的局部化滤波器来保持实信号域的正交性。同时，还引入了层分复用（LDM）来提高频谱效率。在LDM中，低密度奇偶校验（LDPC）编码的多个信号在同一频带上以不同的功率电平同时发送，这些信号形成信号层。FBMC和LDM技术的组合可以最大化频谱效率。本文提出了一种采用FBMC的LDM系统LDM系统具有OFDM和FBMC调制层。为了将FBMC应用到LDM系统中，LDPC解码需要FBMC的对数似然比（LLR）计算方案。本文考虑了LDM系统的三种情况，并分析了每种情况下的误码率性能，以找到合适的方案。2015年，韩国通信信息科学研究所。制作和托管由Elsevier B.V.这是一个开放获取的文章根据CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：FBMC; LDM; LDPC; LLR1. 介绍滤波器组多载波（FBMC）是为多载波调制（如正交频分复用（OFDM））的替代解决方案而提出的[1]。FBMC不需要循环前缀（CP）和保护间隔，因为每个子载波上都有滤波[2]。在FBMC中，使用偏移QAM（OQAM），因为在实域中满足滤波器的正交性。在OQAM中，QAM符号的实部和虚部是分开传输的。因此，FBMC可以实现高频谱效率[3]。由于在时域和频域中使用良好局部化的波形，因此可以考虑每个子载波的单个信道系数提出了另一种用于实现高数据速率的候选技术，称为具有层分复用（LDM）的云传输网络（Cloud-Txn）[4]。LDM是与非正交多址（NOMA）类似的技术。*通讯作者。电子邮件地址：joangel21@yonsei.ac.kr（S. Jo），jsseo@yonsei.ac.kr（J.-S. Seo）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。本文是题为“下一代（5G/6 G）”的特刊的一部分。移动通信但是LDM更多地关注于复用而不是多址接入。多个信号在相同频率上以不同功率同时发射。每个信号提供不同的服务。例如，在2层LDM系统中，上层提供移动服务，下层 用 于 服 务 （ U ） HDTV 。 该 系 统 使 用 强 前 向 纠 错（FEC）编码，例如低密度奇偶校验（LDPC）码来操作。FBMC和LDM是可以提高频谱效率的技术。FBMC不需要CP和保护带，LDM使用具有叠加信号的频带。这两种技术的结合可以实现最大的频谱效率，但是，FBMC应用到LDM系统的研究，到目前为止。并且，还没有引入用于该应用的适当的传输场景。本文提出了一种采用FBMC的LDM系统所提出的LDM系统是具有FBMC和OFDM层的两层系统，并且考虑了三种传输场景。（1）OFDM上的FBMC，（2）FBMC上的OFDM，以及(3)FBMC超过FBMC。在场景1和场景2中，OFDM层被认为是传统的业务信号，并且增加了FBMC信号层。在场景3中，两个层都由FBMC信号组成。为了在LDM系统中插入FBMC层，需要对FBMC信号进行LDPC码译码.因此，我们还介绍了FBMC的对数似然比（LLR）计算方法[5]。http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2015.11.0012405-9595/c2015韩国通信信息科学研究所。制作和托管由爱思唯尔B. V.这是一个开放获取的文章下，CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons。org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。S. 乔，杰。-S. Seo/ICT Express 1（2015）139- ≤ ≤− −≤ ≤−、[客户端]|k，nn提取，则接收的信号可以被重写为rk，nk，nMRe2Hrk n=Re|h kn|（d kn+I kn）+hnk n、、、LL、、、、k n/M2[客户端]L本文的结构如下。第2节介绍了FBMC调制方式和系统模型。在第3节中，给出了FBMC信号的LLR在第四节中，提出了三种LDM传输场景，并分析了这些场景的误比特率（BER）性能。最后在第五节中，我们得出结论。记法。 （·）表示复共轭运算。2. FBMC系统我们可以将发射机处的FBMC信号表示为[1]表1多路转换器脉冲响应cl， m。n−2n−1n n+1n+2k− 1···−0.125−j 0. 2060.239j 0. 206 −0.125···0.5640.564 0.564 0.564k+1···−0.125j 0. 2060.239−j 0. 206 −0.125···如果信道在求和周期期间被认为是恒定的（1L一、（2 K第一章M2 K接收信号可以写成[8]。s[ m]=M−1k=0n∈Zd p[m=n M2]ej2π<$m −D<$ejφk， n，（1）rk，n=hk，n（dk，n+lk，n）+nk，n.（七）3. FBMC的LLR计算其中d k，n p m和M是实值传输的OQAM符号、原型滤波器和多个子载波。D是滤波器延迟项，φk， n是附加相位项。k和n分别是子载波和时刻索引我们可以将（1）改写为M−1k=0n∈Z为了利用LDPC码，应当计算LLR。本文介绍了FBMC系统的有效LLR计算方案[5]。下面是[5]的LLR估计算法的简要描述因此，有必要对LLR的计算进行进一步的研究。通过将h∈k，n乘以（7）并对实值进行运算，2π D其中p[m]= p[m-nM/2]ej（m-）ejφk， n，即p[m]的时间和频率移位版本。在接收器中，∗2∗在时间n的子载波k中的信号用内部s[m]和p[m]的乘积k， n为|hk，n |2dk，n +Rehk，n nk，n .（八）LLR被描述为rk′n′=s，pk′n′=+∞s[m]p[m]k′n′Pr |D、、、m=−∞+∞M−1LLR（ bl）=logPr（b l = 0（r）|=log（）下一页x∈χ0（九）=d kn p[m]kn p∗[m]k′n′.（三）Pr（b l= 1 |r）P（r|（d）原型滤波器p m满足[3]其中b1是第l比特，并且X0和X0表示子集，其中符号的第L位分别是0和1。 P（ r d）为 条件概率密度函数（PDF）计算关于我们+∞p[m]kn p<$[m]k′n′<$=δkk′δnn′。（四）估计噪声项的LLR、方差在（8）中，Re{h∈k，nnk，n}是噪声，噪声方差如下从（4），（3）可以重写为VarRehk，nnk，n=σ2 为|hk，n|2σ2，（10）Ik， n：内含子间干扰哪里2是噪声项n的方差。+∞k，nrk， n=dk， n+k′=k n′=ndk′，n′m=−∞p[m]k，np<$[m]k′，n′.（五）3.1. 实部和虚部FBMC符号通过相同的信道根据实正交性条件（4），干扰Ik， n是虚数项。如果假设，实数d虚构的JD让我们把<$+m∞p[m]k，np<$[m]k′，n′简化为cl，m[6]。的（r）k， n（i）k， nLs[ m]=dk， n p[m]k， n，（2）k，n、、、、k，n、m=−∞ k=0n∈Zx∈χ1m=−∞140S. 乔，杰。-S. Seo/ICT Express 1（2015）=1（十一）=-系数cl，m表示n=t-s∞系统脉冲响应，K是原型滤波器的重叠因子。本文采用K4，若dk，n ∈jφk， n被认为是dk，n，则主FBMC符号经历相同信道（hk， n hk′，n′h），组合QAM符号的PDF表示为P（r）|d，|H|（二）系数在表1中给出[7]。然后，juk， n表示为作为1r˜- -一种|H|2d2Ik， n=12K−1c l，m d k+l，n+m; l，m k = 0。（六）=2πσ2exp−2σ2+r（i）k′，n′ - -一种|H|2 d（i）k′，n′2002年，1（r）k， n（r）k， nl=−1m=−（ 2K−1）S. 乔，杰。-S. Seo/ICT Express 1（2015）141OFDMFBMCOFDMFBMC=- -−−aB10.80.60.40.20-0.2100-10-20-30-40-50-60-70-80-90-4-3-2-101234-100-4-3-2-101234子载波索引子载波索引Fig. 1. (a)Sinc滤波器和PHYDYAS滤波器的波形。（b）滤波器的功率谱。(Blue：OFDM，红色：FBMC）。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版。）3.2. 实部和虚部FBMC符号通过不同的通道如果假设实数d（r） k， n和虚数jd（i） k， n FBMC符号经历不同的信道（hk， n=h1，n =hk′，n′h2），则组合QAM符号的PDF表示为P（r）|d，|H1|2，|H2|（二）1r˜(r)k,n - -一种|H1|2个d2σ˜22（r） k， n.=exp−ε222πσ˜1σ˜2r（i）k′，n′− |H2|2d（′i）k′，n+2σ2中国（12）图二. OFDM和FBMC的PSD（每侧1 K模式和86个保护频带）。4. 基于FBMC的LDM系统4.1. OFDM和FBMCFBMC使用PHDYAS滤波器，该滤波器具有低旁瓣并在没有保护带的情况下最大化频谱效率。在这一部分中，我们比较了OFDM和FBMC的旁瓣。DVB-T2定义了每个FFT模式的有效子载波数。例如，在IK模式中，使用852个活动载波一般来说，对于DVB-T2的任何传输模式，只有约85%的总副载波用于传输。剩余的15%的子载波被用作保护频带。如果没有这个保护带，OFDM信号的高旁瓣功率会对相邻业务产生干扰。在图1（a）中，表示OFDM的sinc滤波器和FBMC的PHYDYAS滤波器。图1（b）示出了dB标度的滤波器形状。FBMC的旁瓣明显低于OFDM。sinc滤波器的第一副瓣功率为17 dB，而FBMC的第一副瓣功率接近40 dB。两种调制之间的这种区别在多载波环境中变得图2示出了在IK模式下如DVB-T2规定，86个空副载波分配在两边。一个有趣的观察，OFDM旁瓣功率仅在其任一端上减小到大约55dB，而在FBMC的任一端上仅需要单个空子载波以将旁瓣功率减小到大约60dB。在本文中，我们考虑1 K模式的传输与OFDM和FBMC的空子载波数分别为172和零。4.2. LDM场景在FBMC和OFDM相结合的LDM系统中，我们考虑了三种传输场景。(1) 假设1. OFDM上的FBMC图3（a）表示LDM场景1。在场景1中，在上层中发送FBMC信号，并且在下层中发送OFDM信号。现有业务中的OFDM信号与FBMC信号重叠。(2) 假设2. FBMC上的OFDM图3（b）表示LDM场景2。在场景2中，在上层中发送OFDM信号，并且在上层中发送FBMC信号。振幅功率（dB）1142S. 乔，杰。-S. Seo/ICT Express 1（2015）图三. (a)LDM场景1. (b)LDM场景2. (c)LDM场景3.在下层传输。底层FBMC信号在OFDM信号下传输。(3) 假设3. FBMC超过FBMC。图3（c）表示LDM场景3。在场景3中，上层和下层都具有FBMC信号，并且假设传统业务也使用FBMC调制。5. 性能分析在本节中，分析了在加性高斯白噪声（AWGN）信道因为如果上层信号被完美解调，则可以通过消除上层信号来容易地检测下层信号。图图4-6表示根据上层和下层之间的功率间隙的每个场景的BER性能。F/0、0/F和F/F分别是“FBMC over OFDM”（场景1）、“OFDM over FBMC”（场景2）和“FBMC over FBMC”（场景3）。QPSK用于仿真，并且考虑FEC码是具有1/3、1/2和3/5码率的LDPC码。场景1和场景2的性能非常相似，场景1看起来更好一点。对于场景3，需要大约SNR 1- 2dB的更多功率来达到场景1的相同性能。在场景1中，下OFDM层信号干扰上FBMC层，但由于空子载波，一些FBMC信号失真较小。在场景2中，所有上OFDM层都受到下FBMC层的影响在场景3中，所有上层FBMC信号都受到下层的干扰，导致最高的性能下降。同时，我们可以发现有趣的结果时，码率为3/5。在1dB功率间隙的情况下，BER本底出现在场景1和场景2中。场景3表现出良好的性能，但BER下限也为10 −6。SNR时为118.7 DB.在3dB功率间隙的情况下，场景1和2变得类似于场景3。当下层具有比上层低5dB的功率时，场景1和场景2的性能超过场景3的性能。6. 结论本文研究了基于FBMC的LDM系统。所提出的LDM系统由两层组成，并且考虑了三种传输场景，其是（1）OFDM 上 的 FBMC 、 （ 2 ） OFDM 上 的 FBMC 和 （ 3 ）FBMC上的FBMC。为了组织信号层，分析了OFDM和FBMC信号的PSD。OFDM信号的旁瓣功率远高于FBMC信号。保护频带仅被分配用于OFDM。由于保护带的不同应用，LDM的性能在不同的场景下有不同的趋势。方案1在以下方面优于其他方案：图四、第一层的BER性能，两层之间有1 dB的功率差图五、第一层的BER性能，两层之间有3 dB的功率差图六、第一层的BER性能，两层之间的功率差为5 dB几乎所有的案件。场景2的性能与场景1相似。但在码率为3/5的层间间隔为1dB的情况下，场景3具有最佳性能。S. 乔，杰。-S. Seo/ICT Express 1（2015）143从这个分析中，我们可以观察到，结合FBMC和OFDM的LDM系统是合适的。与仅由FBMC信号组成的LDM系统相比，组合LDM系统具有更好的性能，尤其是在OFDM情况下的FBMC。确认这 项 工 作 得 到 了MSIP/IITP ICT 研 发 计 划（1391202006，下一代交互式地面广播系统研究）。引用[1] B. Le Foch，M.阿拉德角李国忠，正交频分多路复用器的设计与实现，国立成功大学电机工程研究所硕士论文（1995）。[2] M.G. 张文龙，多载波传输滤波器组的设计与实现，载于：IEEEICASSP会议论文集，盐湖城，2001年5月，第101 - 107页。2417-2420[3] P. Siohan，C. Siclet，N.李文，基于滤波器组理论的OFDM/OQAM系统的分析与设计，北京大学学报，2001。50（5）（2002）1170-1183。[4] Y. 吴湾，澳-地Rong，K.Salehian，G.Gagnon，云传输：A新的频谱复用友好的数字地面广播传输系统，IEEE trans.broadcast。58（3）（2012）329-337。[5] S. Jo，J.Seo，Efficient LLR calculation for FBMC，IEEE Commun.Lett.（2015）http://dx.doi.org/10.1109/LCOMM.2015.2467376。[6] R. Zakaria ， D. Le Ruyet ， A novel FBMC scheme for spatialmultiplexing with maximum likelihood detection ， in ： Proc.IEEEISWCS，Sep.2010，pp. 461-465[7] M. Bellanger 和 PHYDYAS 团 队 ， FBMC 物 理 层 ： 入 门 ， 网 站 ：www.ict-phydyas.org。[8] C. Lele，J. Javaudin，R. Legouable，A. Skrzypczak，P. Sioha，基于前导码的OFDM/OQAM调制的信道估计方法，在：Proc. EuropeanWireless，Apr. 2007年