PON链路中OFDM和FBMC的传输性能比较*

刘战胜，吴庆典，程吉喆，薛 康，王洪金

（江苏大学 计算机科学与通信工程学院，江苏 镇江 212013）

0 引 言

多载波调制（MCM）技术由于其高频谱效率（SE）而适用于无线和有线应用的高数据速率传输。正交频分复用（OFDM）是多载波调制技术之一，已广泛应用于当前的移动通信系统，并在下一代无源光网络中进行了研究[1-2]。由于使用循环前缀（CP），OFDM的频谱效率受到了限制。此外，OFDM调制方案呈现出正弦形频率响应，导致相邻信道泄漏（ACL）[3]，需要大的保护间隔以避免符号间干扰（ISI）。然而，保护间隔在数据传输中是纯冗余，减少了频谱利用率。因此，使用了旁瓣抑制技术[4-5]，但限制了OFDM的传输性能。为了实现更好的频谱效率，基于偏移正交幅度调制（OQAM）的滤波器组多载波（FBMC-OQAM）是用于下一代无线通信系统[6-9]以及相干光通信系统的替代调制方案[10-11]。FBMC能够克服上述OFDM的缺点。与OFDM相比，FBMC的使用实现了更好的频谱利用率，并且由于缺少CP和更低的信道泄露而增加了系统容量。

本文中，FBMC被用作无源光网络（PON）传输链路中的多载波调制方案，比较OFDM和FBMC的性能，证明了FBMC调制方案在光传输链路中的适合程度。

1 OFDM与FBMC调制原理

1.1 OFDM调制原理

复杂的基带OFDM信号可以写为：

其中N是总的子载波数，Ts是子载波的符号持续时间，{Xi}是用于调制发送的子载波的符号序列。

OFDM信号的第k个样本为：

这是逆离散傅立叶变换。

图1中描绘了简单的OFDM传输方案。在串行到并行（S/P）转换后，将输入随机序列映射到具有正交幅度调制（QAM）映射的符号，通过逆快速傅里叶变换（IFFT）将符号加载到子载波。IFFT后，循环前缀（CP）被用作连续OFDM符号之间的保护间隔，以便防止码间干扰（ISI）。OFDM信号在并行到串行（P/S）转换后生成，并通过信道到达接收器，在接收器处执行反向操作。在去除CP后，执行快速傅里叶变换（FFT）和QAM解映射，即可获得接收的序列。

图1 OFDM调制结构

1.2 FBMC调制原理

如前所述，FBMC中不需要CP。FBMC-OQAM调制方案如图2所示。代替CP，分别在发射机和接收机处使用合成滤波器组（SFB）和分析滤波器组（AFB）。SFB和AFB可以通过使用快速傅里叶逆变换（IFFT）/FFT和多相网络（PPN）来实现[12-13]。PPN的每个部分都需要K次乘法。例如，当重叠因子为4时，有4次乘法，如图3所示。

图2 FBMC调制结构

图3 K=4时发射机端的PPN部分

考虑到FBMC-OQAM系统[13]，在发射端其中M个复数输入符号需要在N个子载波上传输，可以写为：

在第m个数据块中的输入符号可以被分组为：

使用OQAM调制，复数符号的实部和虚部以半符号持续时间的时间偏移发送。符号的实部和虚部由时间T/2交错，其中T是FBMC-OQAM符号周期。对于相邻的两个子载波，在前一个符号的实部上引入T/2的定时偏移，在后一个符号的虚部上引入T/2的定时偏移。将这些符号组合成滤波器，用N个子载波调制，其中每两个子载波之间的间隔为1/T[14]。一个具有M个符号的FBMC-OQAM调制信号可写为：

其中，am´,n是从复数Cm,n映射的实符号；n从m变化到M-1，如下所示：

其中δ∈{0,1}，h(t)是原型滤波器的脉冲响应。这个时间交错规则的数学意义在于它有一个相位项φm´,n，被设定。

原型滤波器的离散脉冲响应h[i]由式（7）给出[12]：

其中Hk是原型滤波器的频率系数，K是重叠因子。对于K=4，H1、H2和H3分别为 0.971 96、

2 2和0.235 147[8]。脉冲响应如图4所示，重叠因子K=4，子信道数M=512。图5显示了OFDM和FBMC频率响应的比较。为了与OFDM进行比较，FBMC方案具有较低的相邻信道泄露，可以降低码间干扰。

图4 K=4且M=512的原型滤波器的脉冲响应

图5 K=4时对比OFDM和FBMC的频率响应

2 实验方法

Optisystem是一款光通信系统仿真设计软件，可以帮助用户规划、测试和模拟传输层所有的光线系统，也提供了从组件到系统各个层面的传输层光通信系统设计与规划。Optisystem本身没有提供相应的语言接口，并不支持新算法和协议仿真，所以必须借助Matlab编程构造新组件来实现。设计光通信系统时，Optisystem利用Matlab的开放、可拓展架构进行联合仿真、分析、后处理和信息优化。

本文在Optisystem中使用Matlab协同仿真进行仿真，联合仿真结构框图如图6所示。OFDM或FBMC信号由Matlab生成，设置相应的系统参数，并通过Matlab协同仿真接口加载到Optisystem中。OFDM或FBMC信号在光学载波上用光学调制器调制，该光学调制器由分布反馈激光器接种。调制光信号通过数十公里的单模光纤（SMF），在接收器处，光电探测器用于将光信号转换为电信号。另一个Matlab协同仿真接口用于在光电探测器后实现OFDM或FBMC解调。

图6 联合仿真结构

3 仿真结果

比较PON链路中OFDM和FBMC的传输性能。对于OFDM和FBMC信号，传输数据速率从21 Gb/s扫描到30 Gb/s，固定传输距离为20 km，误码率（BER）作为主要性能因素。在4QAM/16QAM和4OQAM/16OQAM的不同调制格式下分别应用于OFDM和FBMC，具有固定距离的传输性能如图7所示。FMBC的BER低于OFDM的BER。较低数据速率下的缺失点意味着没有错误位，因此BER的对数在这些点处为负无穷大。与25 Gb/s的OFDM信号相比，FBMC信号的BER提高约1 dB。随着数据速率的增加，由于光纤的分散，传输性能变差。

图7 传输距离为20 km时OFDM和FBMC的BER性能

使用20 Gb/s的固定信号数据速率进行进一步的传输性能比较。扫描传输距离，图8显示了BER与传输距离的关系。可以清楚看出，FMBC的传输性能优于OFDM，特别是对于高阶调制格式。此外，随着传输距离的增加，性能也会变差。

图8 比特率为20 Gb/s时OFDM和FBMC的BER性能

4 结 语

比较PON链路中OFDM和FBMC的传输性能。结果表明，FBMC调制方案由于相邻信道泄露较低，可以提高链路传输性能。FBMC通过20 km光纤以25 Gb/s获得了大约1 dB的误码率改善。从另一个观点来看，与OFDM调制方案相比，FBMC调制方案不需要循环前缀，所以在PON传输链路中利用FBMC调制方案可以实现更高的频谱效率传输系统。