快速时变信道下OQAM-FBMC系统时频同步技术研究＊

金志平，刘 云

（1.中山职业技术学院，广东 中山 528400；2.仲恺农业工程学院 信息科学与技术学院，广东 广州 510000）

1 目的意义

随着增加FBMC符号的长度可减小保护间隔所占的比例，但快速时变信道相比较快的时变性决定了FBMC符号不能设置过长，其根源是信道在符号时间内的明显变化将导致严重的ICI（子载波间干扰）。因此，保护间隔通占据快速时变FBMC符号的比例达20%以上，导致传统快速时变FBMC系统频谱效率不高。虽然OQAM-FBMC比传统FBMC实现复杂度要高，随着硬件的发展，其可应用性已大大加强，且快速时变符号速率远远低于时不变无线通信，其用于快速时变通信的可行性进一步提高。

2 市场预测和发展趋势

快速时变信道带宽很窄，且呈现时间-频率双重选择性衰落，实现高速可靠通信的难度大。相比于传统FBMC（滤波器组多载波）技术，OQAM-FBMC（基于偏移正交幅度调制的滤波器组多载波）技术具有频谱效率更高、抗时频双选衰落能力更强的特点，对于快速时变通信具有潜在的研究价值。水声信道是最常见的一种快速时变信道。现阶段，水声通信作为唯一一种可以在水下进行信息远程传输的通信形式，其在军事和民用的应用上都有着重大的意义，因此，水声通信技术也越来越受到了人们的重视，应用越来越广泛。OQAM-FBMC系统可应用于水声通信等快速时变通信中，在军事领域，海上石油勘探、海洋环境监测等民用领域带来巨大的经济效益。

3 具体研究开发内容

OQAM-FBMC信号与传统FBMC信号差别很大，相应的关键技术也有诸多不同，在时不变无线通信中，针对OQAM-FBMC系统的时频同步已有不少研究成果，但一般以符号时间内信道不变为假设，本项目针对快速时变信道的时变性不可忽略的特点开展相关研究，拟研究快速时变OQAM-FBMC系统的时间及频率同步算法。

虽然时不变系统的时频同步研究已经比较成熟，但时不变算法在压扩效应明显的快速时变信道中鲁棒性较差。现有快速时变信道同步研究不多，采用的前导结构也比较单一，比如伪随机序列或二段重复序列，虽有可用算法但性能未见突破。另一方面，近年来，时不变系统上同步研究中涌现了不少新的思想，可供快速时变信道同步借鉴。

现有OQAM-FBMC研究一般针对时不变信道，在快速时变信道下还须考虑信道在符号时间内变化的问题。针对该问题，本项目主要研究快速时变信道下OQAM-FBMC通信的关键支撑技术——时频同步技术，需要解决抗尺度压扩、抗频偏并可利用多径的符号同步测度函数问题；本项目的研究成果有望为OQAM-FBMC技术在快速时变通信中的应用提供有力的理论支撑。

4 需要解决的技术关键问题

本项目拟开展的相关研究的具体内容如下。

4.1 同步误差对OQAM-FBMC系统性能影响分析

同步误差包括符号定时误差、重采样率误差、频偏估计误差，系统误码率对它们的敏感性可能不相同。类似问题在时不变FBMC系统中已得到定量研究，但该问题在快速时变OQAM-FBMC中有2个不同之处：①OQAM-FBMC抗干扰能力与FBMC不同，对同步误差敏感性也不同；②快速时变系统需对接收信号重采样以补偿信号的时域尺度压扩，因此，存在采样率误差，而时不变信道的压扩效应可忽略。

4.2 前导设计

针对快速时变信道时域尺度压扩明显、载波频移大、多径分量丰富等特点，设计用于系统联合同步的辅助数据——前导。符号定时同步算法、重采样率估计算法和频谱估计算法都基于该前导，每一种算法都给前导的设计提出了约束条件，需要综合考虑。常见的前导结构很多，比如伪随机序列前导、多段重复结构前导、共轭对称结构前导、线性调频序列前导等，不同的前导结合相应的算法都有其自身的优点，本项目将综合借鉴这些思想研究前导的设计。

4.3 时频同步算法设计

先设计时频联合同步的框架性方案，再研究方案内的各个具体算法。研究可抗频偏、抗时域尺度压扩并可利用多径的时间同步算法，实现符号的高鲁棒性检测和信号帧起点的准确估计；针对快速时变信道各簇路径的多普勒扩展因子可能不同，以子载波间干扰最小为目标，研究接收信号的最佳重采样率的估计算法；研究对定时误差不敏感的、可利用多径的载波频偏估计算法。拟解决的关键问题为抗尺度压扩、抗频偏并可利用多径的符号同步测度函数问题，实现信号的时频同步时，要进行符号的高鲁棒性的检测，测度函数是算法的关键。快速时变信道的时域尺度压扩效应在时不变同步算法中不需要考虑，并且快速时变信道导致的信号归一化频偏范围也比时不变系统大得多，所设计符号同步测度必须对这些因素不敏感。同时，多径会导致信号的能量在时域弥散，所设计的同步测度函数不能仅仅是对抗多径，而要充分地利用多径，以保证符号同步算法的鲁棒性。

5 特色和创新之处

将OQAM-FBMC技术应用于时频双选快速时变信道。快速时变信道频带资源极其宝贵，且呈现出时频双重选择性，OQAM-FBMC技术具有比传统FBMC更高的频谱效率，具有更好的对抗信道时-频选择性的能力，为高速率快速时变通信提供了新的机制选择。用高阶统计量设计快速时变同步算法，在短前导下实现高效的同步。快速时变FBMC系统普遍采用二阶统计量进行同步，而最近时不变FBMC同步技术的研究成果表明，采用高阶统计量可以明显缩短同步需要的前导长度。对快速时变OQAM-FBMC系统非常有利：短前导可以避免信道在前导时间内时变，提高算法鲁棒性；短前导可以节省同步开销，提高系统频谱效率。

参考文献：

［1］崔文佳.OQAM/FBMC通信系统中分散式导频的设计与信道估计研究［D］.武汉：华中科技大学，2016.

［2］李若梦.降低 FBMC-OQAM 峰均值比的低复杂度PTS算法［J］.计算机应用，2017，37（09）：2501-2506.

［3］程国兵.OFDM/OQAM系统中的关键技术研究［D］.成都：电子科技大学，2013.

［4］王芳.OQAM-FBMC信号拖尾抑制研究［D］.武汉：华中科技大学，2016.