辛雨 黃琛

【摘 要】首先介紹了FDSS調(diào)制技術(shù)降低峰均比（PAPR）的基本原理，然后設(shè)計了在5G上行DFT-S-OFDM波形上采用透明和非透明兩種FDSS技術(shù)方案。通過仿真得出，這兩種FDSS技術(shù)方案都可以有效降低π/2-BPSK調(diào)制的DFT-S-OFDM波形信號的PAPR，因此可以提高信號的發(fā)射功率，進(jìn)而提升系統(tǒng)解調(diào)性能。

【關(guān)鍵詞】頻域賦形；峰均比；π/2-BPSK調(diào)制；DFT-S-OFDM波形；發(fā)射功率

Research on FDSS Modulation Technique

XIN Yu， HUANG Chen

[Abstract] In order to reduce the signal PAPR to meet some technical requirements for 5G， the basic principle of FDSS modulation technique to reduce PAPR was introduced firstly. Then， two schemes of FDSS including the transparent mode and the non-transparent mode were designed on 5G uplink DFT-S-OFDM waveform. Simulation results show that the two FDSS schemes can effectively reduce the PAPR of DFT-S-OFDM waveform signals modulated by π/2-BPSK. In conclusion， the two schemes not only increase the signal transmission power but also improve the system demodulation performance.

[Key words]FDSS； PAPR； π/2-BPSK modulation； DFT-S-OFDM waveform； transmission power

1 引言

為了滿足未來增加的通信業(yè)務(wù)需求，5G系統(tǒng)將引入物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的新設(shè)備種類和新業(yè)務(wù)類型，如mMTC（massive Machine Type Connection，海量機(jī)器類型通信接入）場景，其特點是海量低成本設(shè)備、小包、稀發(fā)性的數(shù)據(jù)接入，其波形需要支持這些特征的需求，希望信號波形的PAPR（Peak Average Power Ratio，峰均比）盡量低。信號波形的PAPR越低意味著更高的PA（Power Amplifier，功率放大器）效率，進(jìn)而意味著更低的功耗和成本（有的低成本終端希望電池續(xù)航時間為10年）。此外，高頻場景（>40 GHz）是未來5G的重要場景，也是未來超寬頻譜利用的重要頻段，其波形需要應(yīng)對更高的相位噪聲、多普勒頻偏、傳輸損耗以及更低的PA效率等挑戰(zhàn)。因此，低PAPR特性的波形對于高頻場景也很重要。

目前3GPP正在研究的5G移動通信標(biāo)準(zhǔn)上行支持DFT-S-OFDM（Discrete Fourier Transmission-Single Carrier-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，離散傅里葉變換單載波正交頻分復(fù)用）波形，并支持PAPR比較低的π/2-BPSK調(diào)制方式，但是仍然很難滿足5G信號更低PAPR需求的應(yīng)用場景。因此有必要研究進(jìn)一步降低PAPR的調(diào)制技術(shù)。

本文先介紹了FDSS（Frequency Domain Spectrum Shaping，頻域賦形）調(diào)制技術(shù)降低PAPR的基本原理，然后設(shè)計了在5G上行DFT-S-OFDM波形上采用兩種FDSS技術(shù)方案，隨后給出了仿真及分析。

2 FDSS技術(shù)原理介紹

一組離散時域數(shù)據(jù)信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊DAC后輸出的模擬連續(xù)信號的峰均比與該組離散時域數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性有一定的關(guān)系。

假設(shè)一組離散時域數(shù)據(jù)信號y（n）與一組時延離散數(shù)據(jù)d（n）卷積后，獲得yd（n）：

y（n）d（n）=yd（n） （1）

假設(shè)y（n）和yd（n）經(jīng)過DAC后輸出信號的峰均比分別為PAPR1和PAPR2。如果d（n）為一組設(shè)計好的權(quán)重系數(shù)序列的話，則yd（n）的相鄰數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性會比y（n）的相鄰數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性要好。所以，PAPR2會小于PAPR1。因此，一組離散時域數(shù)據(jù)與設(shè)計好的一組離散數(shù)據(jù)卷積后，可以有效地降低PAPR。

根據(jù)卷積定理，兩個時域信號的卷積操作可以等效于該兩個時域信號在頻域里的點乘操作。因此將一組離散時域數(shù)據(jù)經(jīng)過DFT之后變換成離散頻域數(shù)據(jù)，然后點乘設(shè)計好的頻譜賦形（Spectrum Shaping）序列，再經(jīng)過IDFT（Inverse Discrete Fourier Transform，反離散傅里葉變換）之后的時域信號就可以有效地降低PAPR。由于點乘操作比卷積操作復(fù)雜度低，這種降PAPR的技術(shù)在頻域中操作更好，因此稱這種技術(shù)為頻域賦形。

3 FDSS在DFT-S-OFDM中的應(yīng)用

如果將FDSS技術(shù)應(yīng)用于5G上行的DFT-S-OFDM波形處理中，則可以進(jìn)一步降低5G上行信號的PAPR?；舅悸窞椋涸贒FT-S-OFDM波形處理過程的DFT之后和IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，逆快速傅里葉變換）之前的頻域數(shù)據(jù)中，點乘設(shè)計好的Spectrum Shaping序列即可。FDSS技術(shù)應(yīng)用于5G上行的DFT-S-OFDM波形處理的具體方案又可以分為非透明方式和透明方式。

（1）非透明方式

在發(fā)射端使用了FDSS調(diào)制技術(shù)后，對于接收端來說，需要已知發(fā)射端FDSS調(diào)制參數(shù)并做相應(yīng)的解調(diào)處理，這種方式稱為非透明方式。非透明方式最大的特點是參考信號不經(jīng)過FDSS調(diào)制。

對于非透明方式，F(xiàn)DSS技術(shù)在上行發(fā)射端DFT-S-OFDM波形中的應(yīng)用框圖如圖1所示。待發(fā)送的比特數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制模塊后變成符號級數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過DFT模板從時域變到頻域，在頻域進(jìn)行FDSS操作，然后經(jīng)過IFFT模塊從頻域變回到時域，然后加CP（Cyclic Prefix，循環(huán)前綴）操作。除了FDSS模塊是新增加的操作之外，整個發(fā)射端的其他操作與LTE上行發(fā)射端的操作完全相同。

接收端的處理框圖如圖2所示。接收數(shù)據(jù)經(jīng)過去CP后，再經(jīng)過FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換）模塊從時域變到頻域，在頻域進(jìn)行IFDSS（Inverse Frequency Domain Spectrum Shaping，逆頻域賦形）操作，即在頻域里點除已知的設(shè)計好的Spectrum Shaping序列。然后再經(jīng)過信道均衡模塊、IDFT模塊和解調(diào)模塊，最后就可以恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)信息。除了IFDSS模塊和SS（Spectrum Shaping，頻譜賦形）序列產(chǎn)生模塊是新增加的操作之外，整個接收端的其他操作與LTE上行接收端的操作完全相同。

（2）透明方式

換個角度看，F(xiàn)DSS處理可以等價于一種無線信道中的多徑時延處理，因此，如果在發(fā)射端參考信號也經(jīng)過FDSS處理的話，那么在接收端，IFDSS就可以與無線信道的響應(yīng)系數(shù)一起做頻域均衡處理。這時接收端并不需要預(yù)先知道發(fā)射端的Spectrum Shaping序列，F(xiàn)DSS可以成為一種透明的實現(xiàn)技術(shù)，對標(biāo)準(zhǔn)沒有影響。因此，透明方式最大的特點是參考信號也經(jīng)過FDSS調(diào)制。參考信號經(jīng)過FDSS處理后，可以降低參考信號的PAPR，進(jìn)而降低整個上行信號的平均PAPR，因此，透明方式信號的PAPR比非透明方式的更低。

FDSS作為一種透明的實現(xiàn)技術(shù)在上行發(fā)射端DFT-S-OFDM波形中的應(yīng)用框圖如圖3所示。除了FDSS模塊是新增加的操作之外，整個發(fā)射端的其他操作與LTE上行發(fā)射端的操作完全相同。

接收端的處理框圖如圖4所示。可以看出，透明方式下整個接收端的操作與LTE上行接收端的操作完全相同。

4 FDSS仿真研究及分析

對于5G上行采用π/2-BPSK調(diào)制方式的DFT-S-OFDM波形信號，進(jìn)一步使用FDSS調(diào)制技術(shù)，可以進(jìn)一步降低PAPR。本節(jié)分別使用透明和非透明這兩種技術(shù)方式來仿真FDSS調(diào)制技術(shù)的效果。

4.1 FDSS仿真參數(shù)

FDSS處理中的一組時延離散數(shù)據(jù)可以表示為：anD-2n-1+…+a1D-1+a0+b1D1+…+bnD2n+1，為了減少運算復(fù)雜度，可以對該多項式做一些簡化。在本節(jié)仿真中，簡化為aD-1+a0+bD1，即其他系數(shù)取零。

仿真中，令a0=1，a=b。通過選擇不同的a值來仿真Spectrum Shaping函數(shù)曲線在頻域里的特征，仿真結(jié)果如圖5所示：

從圖5可以看出，a值越大，Spectrum Shaping函數(shù)曲線在頻域中越窄，說明FDSS處理后的DFT-S-OFDM波形在頻域上會收得越緊，也說明在時域上變化會越緩慢，即時域離散數(shù)據(jù)間的相關(guān)性會越大，因此PAPR會越小。但是，如果DFT-S-OFDM波形在頻域上收得越緊，會導(dǎo)致頻域上各子載波的信噪比分布越不均勻，會降低解調(diào)性能。因此為了折中平衡考慮，在后面的仿真中使用了a=0.3。

本文FDSS仿真的其他參數(shù)如表1所示。

4.2 PAPR仿真對比

采用CCDF（Complementary Cumulative Distribution Function，互補(bǔ)累計分布函數(shù)）的方法來研究波形信號的PAPR分布。信號S的瞬時功率與均值功率比的互補(bǔ)累計分布函數(shù)fCCDF（x）如下：

fCCDF（x）=P （2）

其中，P（*）為滿足條件*的概率，|S|2為信號S的瞬時功率值，E（|S|2）為信號S的均值功率值。x為PAPR的線性值，轉(zhuǎn)化成dB單位之后就為圖6中的橫坐標(biāo)值，fCCDF（x）為圖6中的縱坐標(biāo)值。

從圖6的PAPR CCDF仿真結(jié)果可以看出，與不使用FDSS相比，使用了FDSS的π/2-BPSK信號具有更低的PAPR。根據(jù)仿真結(jié)果分析得出，在CCDF為10-2時，大約降低2 dB，CCDF為10-3時，大約降低3 dB。以保守的方式來看，至少可以降低2 dB。這也就意味著使用了FDSS調(diào)制技術(shù)的終端的最大可達(dá)發(fā)射功率有一定的提升空間。

終端實際可采用的最大發(fā)射功率除了分析PAPR的影響之外，還需要考慮ACLR（Adjacent Channel Leakage Ratio，鄰信道泄漏比）、EVM（Error Vector Magnitude，誤差矢量幅度）和頻譜掩碼等指標(biāo)的影響。經(jīng)過PA模型仿真后，綜合考慮了滿足ACLR、EVM和頻譜掩碼等指標(biāo)要求，使用FDSS技術(shù)后的π/2-BPSK信號可達(dá)到的發(fā)送功率至少可以提升大約1.7 dB。

4.3 鏈路性能仿真對比

分別使用透明方案和非透明方案的FDSS技術(shù)，在AWGN和TDL-C 300 ns兩種無線信道下進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如表1所示。仿真得出在誤塊率BLER=0.1時對應(yīng)的信噪比SNR值如表2所示：

從表2的仿真結(jié)果可以看出，使用了FDSS技術(shù)后，雖然可以使最大可達(dá)到的發(fā)射功率增加大約1.7 dB，但是鏈路解調(diào)性能卻下降了大約0.6～0.7 dB，這是因為Spectrum Shaping使得頻域上各子載波SNR分布不均勻，導(dǎo)致總體解調(diào)性能下降。結(jié)合發(fā)射功率增大1.7 dB，總的來說，使用了FDSS技術(shù)可以使得解調(diào)性能提升大約1 dB。從上面仿真還可以看出，F(xiàn)DSS采用透明的實現(xiàn)技術(shù)與采用非透明的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)對性能影響差別不大。

另外，對于非透明方式，如果對Spectrum Shaping函數(shù)進(jìn)行深入研究和特殊設(shè)計，接收端已知該函數(shù)并進(jìn)行特殊的算法處理，可以做到使用了FDSS技術(shù)后，鏈路解調(diào)性能幾乎沒有下降，這樣總體性能增益就是發(fā)射功率節(jié)省下來的大約1.7 dB。但是這種特殊的算法處理會增加接收端的復(fù)雜度。對于透明方式，接收端處理與LTE上行接收端處理完全相同，沒有額外增加復(fù)雜度，而且，如前所述，透明方式信號的PAPR比非透明方式的更低。因此，綜上所述，F(xiàn)DSS采用透明的實現(xiàn)技術(shù)與采用非透明的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)各有各的優(yōu)點和缺點。

5 結(jié)束語

5G的一些應(yīng)用場景，比如mMTC場景和高頻場景需要上行有更低的PAPR，雖然π/2-BPSK調(diào)制的DFT-S-OFDM波形的PAPR比較低，但仍然很難滿足5G的一些需求，因此有必要進(jìn)一步降低PAPR。本文先介紹了FDSS調(diào)制技術(shù)可以降低PAPR的基本原理，然后設(shè)計了在5G上行DFT-S-OFDM波形上采用透明和非透明兩種FDSS技術(shù)方案。通過仿真得出，這兩種FDSS技術(shù)方案都可以有效降低π/2-BPSK調(diào)制的DFT-S-OFDM波形信號的PAPR，因此可以提高信號的發(fā)射功率。然后對這兩種FDSS技術(shù)方案進(jìn)行了性能仿真對比，分析得出，采用透明和非透明FDSS技術(shù)都可以提升系統(tǒng)解調(diào)性能，并且各有各的優(yōu)缺點。

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