语音信号的非线性调制频分复用系统设计_【无线通信学术科普系列】浅谈下一代无线通信技术的候选波形—广义频分复用GFDM...

蜂窝移动通信

在过去的30多年中，蜂窝移动通信技术打破了传统有线通信技术的静止和固定的局限性，提高了通信的动态性和灵活性，降低了信息通信服务的成本，提升了社会的网络化和连接化水平，从而推动了社会经济、文化和技术等各方面的发展，给人类社会带来了巨大的变革[1]。

第一代移动通信技术(1G)使用频分多址(FDMA)技术和模拟信号传输技术，支持小范围内的低速率语音传输业务。1G中的模拟传输技术具有明显的弊端，包括频谱利用率低、数据速率低、设备成本高、稳定性和保密性差等。第二代移动通信技术(2G)以提供语音传输和低速率数据业务为目的，采用时分多址(TDMA)技术和数字化处理和传输技术。数字化技术提高了2G系统的频带利用率，拓展了其业务范围，并且使全球漫游通信成为可能。随着网络技术的发展，以数据和多媒体业务为主的通信发展趋势越发明显。在此背景下，第三代移动通信技术(3G)应运而生，以宽带多媒体通信为目的，采用码分多址(CDMA)技术，提升了系统容量和有效地利用了频谱资源。为了满足更高的数据速率和低延迟响应需求，3G技术逐步迈向第四代移动通信技术(4G)。

4G技术采用正交频分复用(OFDM),其具有如下几个明显的优势[2, 3]：

(1)高频带利用率。

子载波保证正交性前提下叠加，节省了频谱资源。

(2)在多径衰落信道下的鲁棒性强。

从时域的角度看，只要保证循环前缀(CP)的长度大于或等于无线信道的最大多径时延扩展，就可以确保接收信号不存在符号间干扰(ISI)。CP还能保证OFDM信号的正交性在多径情况下不被破坏，即也确保接收信号不存在子载波间干扰(ICI)。从频域的角度看，只要保证子载波间隔小于信道的相干带宽，就能把频率选择性衰落信道转换为平坦衰落信道。OFDM信号具有抗多径干扰能力强的优点。

(3)计算复杂度低。

基带离散OFDM信号在发射端的生成和在接收端的恢复可以利用低复杂度的反快速傅里叶变换(IFFT)和快速傅里叶变换(FFT)。

随着越来越多移动多媒体服务和应用的出现，社会对无线连接的需求越来越大。据统计，从2010年到2020年，移动流量上升了250倍[4]。同时，人工智能、车联网、可穿戴设备、移动医疗、虚拟现实和增强现实等崭新的应用场景都对无线移动通信技术提出了大量而广泛的需求，具体表现在数据速率、系统容量、时延、鲁棒性、移动性、终端功耗和部署成本等方面。以移动用户的语音和数据业务为主4G空口技术难以满足以物联网(IoT)为代表的多样业务种类的需求[5]。

第五代移动通信技术(5G)的诞生是为了进一步提升频谱效率和系统容量、降低成本、和适应灵活多样的新业务，实现万物互联互通，进一步深化社会技术变革[6]。下图展示了IMT−2020(5G)相对IMT−Advanced(4G)的需求延伸[7, 8]。

图1−1 IMT−2020和IMT−Advanced的需求图

4G技术中的OFDM信号存在带外(OOB)辐射功率高、同步要求严格、对时偏和频偏敏感和峰均功率比(PAPR)高等缺点，无法适应和满足5G时代的海量机器类通信(mMTC)和超可靠低延时通信(URLLC)的需求。针对5G的新应用和需求，几种新型的多载波传输技术出现了，包括滤波器组多载波(FBMC)、通用滤波多载波(UFMC)和双正交频分复用(BFDM)等[9, 10]。其中，5GNOW项目组[11, 12]中来自德国的Gerhard Fettweis等人为5G空口提出了一种新型多载波传输方案——广义频分复用(GFDM)。

GFDM是一种基于循环块结构的非正交多载波[15, 36]传输技术，能够满足5G高数据传输速率、低延迟和低OOB功率辐射等要求，能够有效地解决OFDM多载波传输技术的瓶颈问题[9]。

在IoT、MTC、认知无线电(CR)和触屏网络(TI)等方面中有着广阔的应用前景[13]。目前，GFDM已经得到了快速的发展，并逐步应用于实际。本文正是在这样的背景下，对GFDM系统的关键技术进行了研究。

GFDM作为新一代蜂窝移动通信技术的候选核心技术，具有以下优势：

灵活的时频结构，适用于频谱碎片化程度高或实时性要求高的场合[15]。

灵活的滤波器设计，实现高频谱聚焦性和低OOB信号功率辐射；

以数据块为单位，GFDM能够作为5G候选多载波传输技术的一种理论框架，通过设置参数可以转换成OFDM、SC−FDM和FBMC等；

GFDM对LTE的前向兼容性好[16]。

但是，GFDM仍存在着不少技术上的问题：

作为多载波系统，GFDM仍面临着高PAPR的问题。

GFDM信号经过功率放大器(HPA)时会产生信号的非线性畸变，导致带内信号失真，带外信号辐射，降低系统可靠性。为了防止这种情况发生，HPA必须留有一定的回退功率以避免信号非线性失真，增加了发射机的功耗。目前，GFDM系统的PAPR抑制方法的研究比较少，仅有的几种抑制算法，如Clipping限幅法[20]、Polynomial多项式压扩算法[21]、部分传输序列(PTS)方法[22]以及离散傅里叶变换(DFT)预编码[23]等，都是直接借鉴于OFDM系统的传统PAPR抑制方法，并没有结合GFDM系统特性进行设计和优化。限幅和多项式压扩的PAPR抑制效果好但误码率(BER)性能较差，且信号OOB功率辐射严重。而PTS和DFT预编码可以保证信号不畸变和BER性能不下降，但其PAPR抑制效果相对较差且计算复杂度高。总而言之，现有的GFDM系统PAPR抑制方法仍无法保证BER性能前提下获得很好的PAPR抑制效果，综合性能仍有待提高。

GFDM是一个非正交的多载波系统，存在固有的子载波间干扰和符号间干扰，降低了系统BER性能。

为了提高接收性能，接收端可以采用干扰消除技术。现有的干扰消除方法包括线性接收[36](匹配滤波(MF)，迫零(ZF)和最小均方误差(MMSE)等)、非线性接收[33, 34]、预编码[39]、偏移正交幅度调制的广义频分复用系统(OQAM−GFDM)[41, 42]和奇偶双滤波器组法[45]等。不过，线性/非线性接收以及预编码等方法的计算复杂度高，且无法完全消除系统内部干扰。OQAM−GFDM仅能实现信号实部的正交性，兼容性差，无法应用于实际信道，也无法与信道估计和MIMO等技术结合。而奇偶双滤波器组法实现的系统正交性是以信号OOB功率辐射为代价的。总之，现有方法仍无法在保证GFDM 的计算复杂度，功率谱密度(PSD)性能以及兼容性等性能指标良好的前提下，实现系统的完全正交。GFDM系统的干扰消除技术仍有待进一步研究。

综上所述，PAPR和内部干扰问题均会降低GFDM系统的综合性能，阻碍其进一步发展和应用于实际。为了改善GFDM系统发射性能，对GFDM系统进行PAPR特性及其抑制算法研究和优化是很有必要的。此外，为提高GFDM系统接收性能，对GFDM内部干扰消除方法进行研究和分析非常有现实价值。

参考文献

参考文献过多，请参考以下有道云链接：

[1-72 ] http://note.youdao.com/noteshare?id=e72d75ac6af09df630994cea5e42bf7a&sub=2CC0B715CA694DFEA19DB39079F3BC13