基于滤波器组多载波的多点协作通信系统

宋国超+陈达+江涛

摘要：提出了一种基于滤波器组多载波（FBMC）的多点协作（CoMP）传输技术，并搭建了基于软件无线电设备（USRP）的FBMC-CoMP通信系统原型验证平台，认为通过设计预编码可以消除小区间干扰。为验证所提出FBMC-CoMP传输技术及预编码设计的可行性，在原型验证平台上进行了FBMC-CoMP异步能力及误码率等性能的测试。测试结果显示：FBMC-CoMP能够抵抗的最大基站延时差为0.7 us，此时通信误码率小于0.003。

关键词： FBMC；CoMP；异步传输；原型验证平台

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

作为经典的多载波调制技术，正交频分复用（OFDM）已经成为主流宽带通信的标准，如长期演进（LTE）和IEEE 802.11ac等。通过在信号头部加入足够长的循环前缀（CP），CP-OFDM可以有效对抗多径衰落，将频率选择性宽带信道转化为一系列并行平坦窄带子信道，降低信道估计与均衡实现复杂度。但是，CP-OFDM还存在一些问题，例如：CP的加入降低了频谱利用率，也增加了发送功率开销；CP-OFDM信号基于矩形脉冲成形，频谱带外泄漏较大，难以对抗因时间或频率偏差导致的干扰，要求不同用户之间的信号严格同步。

作为OFDM的升级技术，最近兴起的滤波器组多载波（FBMC）被研究者认为是未来无线通信中最具潜力的多载波技术之一[1-3]。FBMC使用具有良好时频聚焦特性的滤波器，信号带外泄漏极低，用户间无需保护频带，提高了频谱利用率，并且FBMC不需要CP也可以有效抵抗多径衰落。此外，FBMC基于非正交处理，不要求严格的信号同步，特别适用于异步通信场景，例如：上行非同步接入、认知无线电[1]及多点协作（CoMP）等。

CoMP传输技术在第3代合作伙伴计划（3GPP）的演进的LTE（LTE-A）方案中被提出，是一种能够消除小区间干扰的新技术[4]，同时也在第5代移动通信（5G）中备受关注[5-6]。CoMP也是一种多输入多输出（MIMO）技术，利用空间信道上的差异进行信号传输，通过多基站联合预编码，为小区边缘用户提供更高的服务质量，能够大幅提高无线网络容量。但是，CoMP基于非同步处理，基站信号到达不同用户的时间存在很大差异。如果采用OFDM作为调制技术，为保持信号的正交性，必须采用很长的CP，从而严重降低系统容量。考虑到FBMC信号不需要严格同步的技术优势，我们认为将FBMC与CoMP结合是一种极具潜力的未来通信技术[7]。

1 FBMC技术原理

FBMC采用时频聚焦特性良好的原型滤波器（例如：IOTA、PHYDYAS等[8-9]），相比OFDM具有更低的带外频谱泄漏和更高的频谱利用率。

图1是FBMC的系统原理，调制过程可分为下面3个步骤：

（1）发送端的数据经过串并转换后，进行脉冲幅度调制（PAM）生成实数符号，其中为第个子载波，为第个PAM符号。PAM符号周期为，为子載波个数，为采样间隔。

（2）将乘以相位旋转因子后进行点上采样，再将上采样得到的数据通过原型滤波器。具有实偶对称性，其长度为，其中为重叠因子。

（3）将通过滤波器的信号乘以调制因子，对不同子载波求和后发送出去。

经过上述操作后，发送端的信号可表示为：

（1）

在理想信道下，接收信号与发送信号相同，即。FBMC的解调过程与调制过程类似，这里不再赘述。接收端得到的解调符号可以表示为：

为了完美恢复出原始输入符号，滤波器组需要满足如下条件：

在满足上述条件时，解调符号可以改写为：

（4）

其中为纯虚数。可以看到：对进行取实操作后就能够完美恢复出原始输入符号。

为了降低实现复杂度或提升解调性能，也可以借助于快速傅里叶变换将FBMC用频域扩展或者多相滤波器的方式实现[10-11]。

2 FBMC-CoMP

2.1 FBMC-CoMP传输技术

为充分结合FBMC与CoMP的优势，我们提出基于FBMC的CoMP传输技术，其中所有基站使用FBMC作为调制技术，并同时同频向用户传输数据。基于FBMC-CoMP传输技术的通信场景如图2所示，其中我们定义处在小区面积70%以外的用户为小区边缘用户。不难看出小区边缘用户面临着通信质量降低的问题：小区边缘用户离本小区基站与其他小区基站距离相近，其他小区的基站会对小区边缘用户产生同频干扰，导致小区边缘用户的信干比较低；边缘用户所在不同基站的地理位置差异，不同小区的基站信号到达边缘用户存在不同时延，使信号之间正交性变差，进一步降低小区边缘用户的信干比。为克服上述问题，FBMC-CoMP传输技术利用FBMC波形的非完全正交特性，通过基站控制器对不同地理位置的基站信号进行联合处理，使得原来相互独立的通信链路组合成协作簇。

2.2 FBMC-CoMP通信系统原型验证

平台

由于FBMC-CoMP信道信息状态的反馈、馈线的布置以及数据集中处理都具有极大挑战性，还未见FBMC-CoMP通信系统的原型验证平台。本研究团队经过多年技术攻关，搭建了一套基于软件无线电设备（USRP）的FBMC-CoMP通信系统原型验证系统，并验证了FBMC-CoMP的技术优势。FBMC-CoMP通信系统参数配置如表1所示。

2.2.1 硬件架构

基于USRP原型验证平台的硬件架构如图3所示，其中主要包括：基站控制器、基站、用户3个部分。整个系统可看成一个12的分布式MIMO系统，其中为用户个数。

基站控制器主要使用美国国家仪器公司（NI）的外围组建互连总线（PXIe）机箱搭建而成，机箱内插有一些不同的功能模块，其中包括主频为2.3 GHz 8核的嵌入式控制器PXIe-8880，负责完成各个基站的调度、数据的汇集、预编码矩阵求解等；现场可编程门阵列（FPGA）协处理单元Flex 可支配的输入输出（RIO），完成MIMO处理，如联合预编码、MIMO检测等；PXI数据路由器CPS-8910，负责基站数据汇总与分发；时频同步器6674T，用作基站的频率同步以及定时同步。

原型验证平台包含3个基站，每个基站由2个嵌有高性能FPGA处理单元的USRP组成，每个USRP则包含了2个射频单元，每个基站一共有4根发送天线。

用户由1台USRP与1台计算机组成，共有4个单天线用户。

2.2.2 软件架构

FBMC-CoMP通信系统的软件架构如图4所示，软件架构取决于硬件，同样将数据流进行分层处理。

在基站控制器中，通过PXIe总线完成射频参数的配置、多媒体接入控制（MAC）层数据的配置、预编码矩阵的计算，以及与Flex RIO和USRP的交互处理等操作，基站控制器与Flex RIO间的传输是通过直接内存存取（DMA）先入先出（FIFO）队列实现。

Flex RIO需要完成扰码、信道编码、正交振幅调制（QAM）映射及联合预编码等操作，我们分别使用了FBMC-CoMP-ZF算法与FBMC-CoMP-MMSE算法完成对基站数据的预编码操作，Flex RIO预编码后的数据通过点对点（P2P）的队列传送给基站中的USRP。

在基站USRP的FPGA中完成FBMC波形的调制及数字上变频，然后将FPGA生成的数字中频信号依次经过数模转换与频谱搬移后由天线发送出去。我们使用Phydyas滤波器，重叠因子设置为4，并利用频域扩展的方式实现FBMC的波形调制，具有实现架构简单、预编码更精细等优点。参考5G NOW的方案，在帧头插入块状导频，使用干扰近似法（IAM）完成信道估计。

3 FBMC-CoMP预编码设计

在FBMC-CoMP通信系统中，多个基站要对边缘用户同时进行信号的传输，在已知系统信道参数的情况下，基站通过设计预编码对每个发送天线赋予不同的加权系数，产生具有指向性的波束，从而消除小区间与用户间的同频干扰。

假设多基站与用户间的信道矩阵为，预编码矩阵为，所有用户数据信号矢量为，则用户接收到的信号为，其中为高斯噪声，与分别为发送天线与接收天线的个数，且。

按照信号处理方式的不同，可将预编码分为线性预编码与非线性预编码。由于非线性预编码实现复杂度极高，不适用于实际通信场景。因此，下面我们将首先介绍两种常用的线性预编码方法，然后提出针对FBMC-CoMP的预编码设计方法，从而消除边缘用户小区间的同频干扰。

3.1 迫零预编码

迫零预编码可将等效信道矩阵完整对角化，从而消除其他用户的干扰，达到同一频率资源内传输多个并行数据流的目的。在迫零（ZF）预编码中，对信道矩阵求广义逆矩阵可以得到其预编码矩阵为。此时，用户接收信号可以写为。ZF预编码算法易于实现，但会使基站的发送功率增大，且信道相关性越强则消耗功率越大。

3.2 MMSE预编码

最小均方误差（MMSE）预编码的准则是使接收信号与发送信号的均方误差最小，从而在消除其他用户干扰时，减小信道中的高斯白噪声的干扰。MMSE的预编码矩阵为：

（5）

其中为加性高斯白噪声功率，为接收信号功率。MMSE算法可以有效消除高斯白噪声，但是实现复杂度较大。

3.3 FBMC-CoMP-ZF与

FBMC-CoMP-MMSE预编码

当信道频率选择性较强时，不同子载波对应的信道矩阵会有很大差异，如果所有子载波使用同一个预编码矩阵，会导致波束赋形的效果很差，用户间的干扰不能消除，因此必须对每个子载波分别进行预编码。

假设第个子载波的信道矩阵为，其预编码矩阵為，基站所有天线发送信号矢量表示为：

其中为个用户在第个符号与第个子载波处的PAM符号的数据矢量。

發送信号经过信道后到达各个用户，所有用户在第个符号与第个子载波处的信号恢复矢量表示为：

假设信道相关带宽大于3个子载波间隔，则在第个子载波相邻的子载波处有和。基于等效信道矩阵完整对角化的一系列思想，我们提出FBMC-CoMP-ZF预编码为：

经过FBMC-CoMP-ZF预编码后，可以重写为：

其中和分别为信道对的虚部与实部的高斯白噪声。对信号取实部后恢复出的信号为。为减小高斯白噪声对的干扰，我们提出FBMC-CoMP-MMSE预编码为

4 仿真与测试结果

4.1 MATLAB仿真结果

为验证所提出的FBMC-CoMP传输技术及预编码的优势，我们对系统中一个基站引入个采样点的延时，并在高斯信道下评估应用FBMC-CoMP-ZF与FBMC-CoMP-MMSE预编码的系统误码率（BER）性能。图5是MATLAB仿真所得的FBMC-CoMP误码率曲线。从图5中可以看出：

（1）在高斯信道下FBMC-CoMP-MMSE算法优于FBMC-CoMP-ZF算法，并能够提供较好的BER性能。

（2）随着延时采样点的增大，BER性能会逐渐变差，但在采样点小于14时误码率小于5%，系统能够进行可靠的通信。

4.2原型验证平台测试结果

为了模拟基站信号传播过程中的衰减，我们人为降低基站的发送功率，以FBMC-CoMP-ZF预编码算法为例子，分别测试了发送端在-5 dBmW、

-3 dBmW、-2 dBmW的BER曲线。从图6中可以看出：当采样点小于14（延时差为0.7 us）时，系统仍然能够为用户提供可靠的服务，且随着FBMC调制子载波数目的增多，FBMC-CoMP能够适应的延时也会线性增大。基站同时同频对4个用户进行信号传输，所以容量增益为4倍（6 dB）。

5 结束语

我们首先提出了一种基于FBMC的CoMP传输技术，并搭建了基于USRP的FBMC-CoMP的原型验证平台，然后提出了FBMC-CoMP中的预编码设计以消除小区间干扰。最后，我们通过MATLAB仿真与原型验证平台的测试，验证了FBMC-CoMP无需循环前缀且能够进行可靠通信的技术优势。测试结果表明：所提出的FBMC-CoMP传输技术能够忍受不同基站信号到达的时延差，并为边缘用户提供可靠的通信服务，大幅提高了通信容量。

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