天地一体化网络空口波形仿真

谭 琪，朱立东

(电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室，四川 成都 611731)

0 引言

得益于低成本火箭发射技术、微小卫星平台技术和载荷技术的迅猛发展，实现全球信息化，特别是天基信息共享的天地一体化信息网络正在全世界范围内引发广泛关注[1-2]。

天地一体化信息网络是由多颗不同轨道上、不同种类和不同性能的卫星形成星座覆盖全球，通过星间、星地链路将地面、海上、天上和空中的用户、飞行器以及各种通信平台密集联合，以IP为信息承载方式，采用智能化的高速星上处理、交换和路由技术，面向光学、红外多谱段的信息，按照信息资源的最大有效综合利用原则，进行信息准确获取、快速处理和高效传输的一体化高速宽带大容量信息网络，即天基、空基和陆基一体化综合信息网络[3]。

国际卫星通信业界对于3GPP的5G标准制定工作的参与度越来越高。他们认为，卫星网络与地面网络融合的5G网络架构具有一定的市场发展潜力。近日，3GPP已经完成了相关前期研究工作，认为可以把卫星作为5G多种接入技术之一，将来可以用“卫星5G”来实现对于“泛在覆盖”有苛刻需求的应急通信、工业应用等5G场景之覆盖。其中的“卫星”，指的是运行于低轨(LEO)、中轨(MEO)、地球同步轨道和高椭圆轨道(HEO)的航天器。卫星网络和地面网络的融合势在必行，且在5G时期，卫星接入方式将会被写入5G标准。

然而，一直以来，卫星网络与地面网络相对独立发展，空中接口及传输体制不一致，传输效率低下。为发展天地一体化网络、真正实现全球无缝覆盖，需要在空口波形上进行一体化设计。目前国内外关于天地一体化网络的研究主要集中在网络体制方面，很少涉及到物理层波形设计方面。为研究天地一体化网络的空中接口波形设计方案，本文参考了地面5G系统波形，分析了各方面的性能，考虑将地面波形应用到天地一体化网络中。

1 5G波形对比分析

随着通信技术的发展，目前在地面第五代移动通信系统中提出了多种新型候选多载波技术，如滤波器组多载波技术(FBMC)[4]，通用滤波器多载波技术(UFMC)[5]和广义频分复用技术(GFDM)[6]等。OFDM，FBMC，UFMC，GFDM四种多载波波形的对比如表1所示。

表1 OFDM，FBMC，UFMC，GFDM四种多载波波形的对比[7]

由于GFDM技术要求有CP，使得GFDM技术既具有OFDM技术有效抗多径的优点，又具有FBMC技术中通过引入子载波滤波器组，而不要求子载波严格正交的优点。同时较UFMC而言，同样是完成一组对子载波的滤波，GFDM使用的滤波器数目减少，这使得系统的实现复杂度适中，并且GFDM采用非矩形滤波器组的设计，较OFDM具有更高的频谱利用率和更小的带外辐射。因此，选择GFDM作为天地一体化网络波形设计的调制方案。

2 GFDM系统模型

GFDM收发信机框图如图1所示[8]。

图1 GFDM收发信机框图

图2 GFDM调制器框图

每个dk,m都对应一个脉冲成型滤波器。设第k个子载波上传输的第m个子符号对应的脉冲成型滤波器为gk,m[n]，gk,m[n]的表达式为[10]：

(1)

(2)

(3)

A为KM×KM的传输矩阵：

(4)

3 GFDM的性能分析

文献[13]中提出了GFDM的3种基本接收算法：MF,ZF,MMSE。仿真参数如表2所示。

表2 误码率性能仿真参数

3种算法的误码率结果如图3所示。

图3 GFDM的MF，ZF，MMSE接收的误码率性能

当处于高信噪比环境下，MF接收机性能较差，因为MF接收机不能抑制干扰，因此有必要在MF接收机的基础上实施干扰消除算法。当处于低信噪比环境下，ZF接收机的性能较差，因为ZF接收机存在噪声放大的问题尤其是在低信噪比环境下。MMSE接收机在噪声增强和干扰抑制二者之间取得了很好的平衡，它的性能最好，但是复杂度也最高。同时，由于GFDM系统自干扰的存在，GFDM的3种接收算法的误码率性能曲线始终在OFDM的理论误码率曲线上方。表1说明GFDM比OFDM更适用于天地一体化网络，并且当GFDM应用到天地一体化网络时，在低信噪比下的接收性能会更重要。在低信噪比时，MF接收机的性能非常接近于MMSE接收机，因为MF接收机能使接收信噪比达到最大，加上MF复杂度低的特点，MF接收机非常适用于天地一体化网络。所以有必要研究基于MF的干扰抑制接收算法。

GFDM和OFDM的功率谱密度对比如图4所示，相应的仿真参数如表3所示。OFDM的频谱泄露比GFDM更严重，使用RC滤波器的GFDM信号带外辐射比OFDM低27 dB，使用RRC滤波器的GFDM信号带外辐射比OFDM低15 dB。

图4 OFDM信号和GFDM信号的功率谱密度

表3 功率谱密度仿真参数

从图4可以看出，GFDM的带外性能受发送滤波种类的影响，使用RC滤波器的GFDM信号的带外辐射比使用RC滤波器低12 dB。由于较低的带外辐射，GFDM比OFDM更适用于天地一体化网络。

GFDM和OFDM的频谱效率对比如图5所示，横坐标的M表示子符号数，相应的仿真参数如表4所示。

图5 GFDM与OFDM频谱效率对比

表4 频谱效率仿真参数

由图5可以看出，当CP长度等于子载波数的1/4时，OFDM的频谱效率恒为80%，不随子符号数M的变化而变化。而GFDM的频谱效率随着M的增加而增加。只要GFDM的子符号数M>1，GFDM的频谱效率均比OFDM要高。

GFDM和OFDM的PAPR对比如图6所示，相应的仿真参数如表5所示。

从图6可以看出，同所有的多载波技术一样，GFDM也存在峰均功率比的问题。GFDM和OFDM的PAPR相当，未来仍然需要研究PAPR减少技术。

图6 GFDM和OFDM的PAPR对比

表5 PAPR仿真参数

4 结束语

研究一体化的空中接口波形对于天地一体化网络的发展具有重要意义。本文分析了与5G融合的天地一体化网络的发展趋势，然后比较了几种5G候选波形的优缺点，从理论上指出GFDM更适合作为天地一体化网络的物理层传输方案。在此基础上仿真了GFDM的各种性能，包括MF,ZF,MMSE三种基本解调算法的误码率性能、GFDM与OFDM功率谱的比较和PAPR性能分析。分析结果表明，GFDM适用于天地低一体化的空中接口波形，要进行实际应用，未来还需更多研究。