《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于LMS算法的UFMC系統(tǒng)自適應(yīng)干擾消除
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
田廣東,王 珊,,何 萍,,段思睿
重慶郵電大學(xué),,重慶400065
摘要: 通用濾波組多載波(UFMC)技術(shù)是5G中的候選波形,,能夠支持異步傳輸,。但是UFMC系統(tǒng)與OFDM系統(tǒng)一樣,對(duì)載波頻率偏移比較敏感,,載波頻率偏移導(dǎo)致子帶內(nèi)載波間干擾(ICI)和子帶間干擾(IBI),從而使系統(tǒng)的性能急劇下降,。提出了一種在通用濾波組多載波(UFMC)系統(tǒng)中消除干擾的方法,。該方法采用了最小均方自適應(yīng)算法(LMS),主要對(duì)2N點(diǎn)FFT的輸出進(jìn)行處理,,通過(guò)多次迭代運(yùn)算和濾波處理,,使得接收機(jī)中頻率偏移誤差接近于零,這樣可以消除在接收信號(hào)中由于頻率偏移而產(chǎn)生的干擾,。仿真結(jié)果表明,,在頻偏糾正后UFMC系統(tǒng)有較好的誤比特率性能。
中圖分類號(hào): TN919
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.005
中文引用格式: 田廣東,,王珊,,何萍,等. 基于LMS算法的UFMC系統(tǒng)自適應(yīng)干擾消除[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,,42(7):21-25.
英文引用格式: Tian Guangdong,Wang Shan,,He Ping,,et al. Adaptive interference cancellation for UFMC system based on LMS algorithm[J].Application of Electronic Technique,,2016,42(7):21-25.
Adaptive interference cancellation for UFMC system based on LMS algorithm
Tian Guangdong,,Wang Shan,,He Ping,Duan Sirui
Chongqing University of Posts and Telecommunications,,Chongqing 400065,,China
Abstract: Universal Filtered Multi-Carrier(UFMC) technology is a 5G candidate waveform to support asynchronous transmission. However, the UFMC systems is sensitive to carrier frequency offset what is the same as the OFDM system.Carrier frequency offset leads to inter-carrier interference(ICI) and inter-band Interference(IBI),and the performance of the system is decreased dramatically. This paper presents a method to eliminate interference in the Universal Filtered Multi-Carrier(UFMC) system. The method was based on the Least Mean Square algorithm(LMS) that the output of 2N point FFT is mainly processed. The frequency offset error is close to zero in the receiver through the iterative operation and filter processing, which can eliminate the interference caused by frequency offset in the received signal. The simulation results show that the UFMC system has better bit error rate performance after the frequency offset correction.
Key words : UFMC,;LMS,;carrier frequency offset;inter-carrier interference,;inter-band Interference

0 引言

    面向2020年及未來(lái),,移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將成為移動(dòng)通信發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力,為第五代移動(dòng)通信(5G)提供了廣闊的應(yīng)用前景,。與4G相比,,5G能夠融合多種無(wú)線接入方式,并充分利用低頻和高頻等頻譜資源,,大幅度提升頻譜效率,,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展[1]。在4G中,,最重要的多載波調(diào)制技術(shù)是OFDM,被廣泛應(yīng)用于LTE和MIMO中,,但是OFDM系統(tǒng)容易受到系統(tǒng)中ICI和ISI的影響,也就是在正交性得不到充分保證的情況下,,信號(hào)的失真就會(huì)很嚴(yán)重,,降低了系統(tǒng)的性能[2]

    因此,,新型的波形會(huì)應(yīng)用到5G中,,例如FBMC技術(shù)、UFMC技術(shù),、F-OFDM技術(shù)等,。這些新技術(shù)都采用了濾波的方法,通過(guò)多個(gè)載波濾波減小頻譜旁瓣水平,,可以避免OFDM的缺點(diǎn),,同時(shí)減小保護(hù)帶開(kāi)銷。與OFDM相比,,F(xiàn)BMC是在每個(gè)子載波上濾波和不采用CP,,而OFDM是在整個(gè)帶上濾波,所以FBMC的頻譜旁瓣和載波間的干擾(ICI)較少,。UFMC使用了沖擊響應(yīng)較短的濾波器,,把子載波分成多個(gè)子帶,,然后在每個(gè)子帶上進(jìn)行濾波,而且與FBMC相比,,UFMC的濾波長(zhǎng)度較短一些[3],。UFMC系統(tǒng)對(duì)時(shí)頻校準(zhǔn)和非正交的要求不高,同時(shí)能夠支持短突發(fā)異步通信[4],。然而,,與OFDM系統(tǒng)相似,UFMC系統(tǒng)受發(fā)送端和接收端晶體振蕩器以及多普勒效應(yīng)的影響而產(chǎn)生載波頻率偏差(CFO)時(shí),,不但會(huì)導(dǎo)致子帶內(nèi)載波間的干擾(ICI)和子帶間的干擾(IBI),,還會(huì)引起接收信號(hào)的相位旋轉(zhuǎn)[5]。即使是很小的載波頻率偏差,,也會(huì)導(dǎo)致UFMC系統(tǒng)的性能急劇下降,。因此如何在UFMC系統(tǒng)中有效地減少干擾,使其既能提高傳輸可靠性,,又能保障信號(hào)的有效性,,已經(jīng)成為這一領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

    目前,,有關(guān)UFMC系統(tǒng)干擾消除的文獻(xiàn)不多,,但是基于自適應(yīng)的干擾抑制算法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于自適應(yīng)濾波的方法來(lái)消除OFDM系統(tǒng)中載波頻偏引起的干擾,。自適應(yīng)濾波器自動(dòng)調(diào)整濾波系數(shù)直到誤差最小,,最后接收端得到輸出信號(hào)。文獻(xiàn)[7]通過(guò)LMS自適應(yīng)算法,,每個(gè)OFDM符號(hào)使用導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)估計(jì)出復(fù)雜的系數(shù),,然后頻域接收到的信號(hào)被添加到每個(gè)復(fù)雜系數(shù)。經(jīng)過(guò)多次疊加運(yùn)算,,最后使得ICI和公共相位誤差接近于零,這樣可以消除在接收信號(hào)中的干擾,。由于不需要訓(xùn)練序列和符號(hào)傳送,,因此帶寬效率沒(méi)有損失。文獻(xiàn)[8]借鑒了傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)的主動(dòng)干擾消除算法(AIC),,把改進(jìn)的主動(dòng)干擾消除的方法應(yīng)用到UFMC系統(tǒng)中,,從而減少頻率偏差產(chǎn)生的子帶間的干擾(IBI),但是該方法采用矩陣運(yùn)算,,比較復(fù)雜,。本文提出了一種基于最小均方自適應(yīng)算法(LMS),其本質(zhì)上是一個(gè)使頻率偏移誤差的均方值最小化的統(tǒng)計(jì)梯度算法,。這種消除干擾的方法是采用LMS算法和自適應(yīng)濾波器結(jié)合在一起,,通過(guò)多次迭代更新濾波器系數(shù),,然后根據(jù)接收機(jī)中FFT輸出的值,使得接收機(jī)中頻率偏移誤差接近于零,,最后得到期望信號(hào),。該方法沒(méi)有使用矩陣運(yùn)算,復(fù)雜度較低,?;贚MS算法可以消除在接收信號(hào)中由于頻率偏移而產(chǎn)生的頻譜泄漏,從而提高UFMC系統(tǒng)的性能,。

1 UFMC信號(hào)模型

    UFMC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

5g4-t1.gif

    由圖1可知,UFMC的K個(gè)子載波分成B個(gè)子帶,,子帶i上的子載波數(shù)量為K,,即KiB=K。每個(gè)子帶進(jìn)行N點(diǎn)IDFT變換,,所以子帶B的頻域信號(hào)經(jīng)過(guò)N點(diǎn)IDFT變換得到的時(shí)域信號(hào)為:

    5g4-gs1.gif

其中,,i表示子帶的下標(biāo)。

    UFMC是基于子帶濾波,,濾波器可以是相同的,,也可以是不同的。假設(shè)每個(gè)子帶的濾波器是相同的,,濾波器fi的長(zhǎng)度為L(zhǎng),,則子帶i經(jīng)過(guò)濾波器fi濾波后,UFMC的每個(gè)子帶發(fā)送時(shí)域信號(hào)xi表示為:

    5g4-gs2.gif

    在理想情況下,,UFMC的基帶等效離散時(shí)間發(fā)送信號(hào)為:

     5g4-gs3.gif

其中,,n和l分別表示時(shí)間符號(hào)下標(biāo),Si(k)為子帶i的第k個(gè)子載波,,N為子帶i的IDFT點(diǎn)數(shù),。

    在UFMC系統(tǒng)中假定信道具有加性高斯白噪聲(AWGN),發(fā)射機(jī)和接收機(jī)振蕩器的不穩(wěn)定性和多普勒效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生載波頻率偏差(CFO),,導(dǎo)致信號(hào)失真,,因此當(dāng)UFMC系統(tǒng)存在CFO時(shí),B個(gè)子帶經(jīng)過(guò)濾波后,,接收端接收到的信號(hào)為:

    5g4-gs4.gif

    Z是信道中加入的高斯噪聲,,ci是子帶i在時(shí)域上的頻偏,可表示為:

5g4-gs5-8.gif

    由于在UFMC系統(tǒng)中,,載波頻率偏差會(huì)導(dǎo)致同一個(gè)子帶內(nèi)產(chǎn)生子載波間干擾(ICI)和子帶間的干擾(IBI),,也就是帶內(nèi)失真和帶外泄漏。從式(7)可以看出,,UFMC系統(tǒng)受到干擾的影響而其性能下降,。因此,,在移動(dòng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)一個(gè)UFMC系統(tǒng),對(duì)CFO產(chǎn)生的干擾進(jìn)行消除是很有必要的,。

2 最小均方誤差的干擾抑制算法

    實(shí)現(xiàn)UFMC系統(tǒng)干擾抑制,,即選定頻域信號(hào)、參考信號(hào),,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行干擾消除和降低頻譜泄漏,。本文提出的方案的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

5g4-t2.gif

    從圖中可以看出,,UFMC系統(tǒng)的接收端增加了一個(gè)基于LMS自適應(yīng)濾波器,。LMS算法的特征已經(jīng)廣泛應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)中,通過(guò)改進(jìn)后的算法應(yīng)用到UFMC系統(tǒng)中,。

    LMS算法是線性自適應(yīng)濾波算法的一種,,它能夠根據(jù)輸入信號(hào)的變化自動(dòng)調(diào)整濾波系數(shù)。自適應(yīng)濾波器廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)辨識(shí),、干擾消除和預(yù)測(cè)目的,。本文采用了LMS自適應(yīng)濾波的方法來(lái)消除UFMC系統(tǒng)中載波頻偏引起的干擾。最小均方(LMS)和遞歸最小二乘(RLS)大多采用自適應(yīng)算法來(lái)更新濾波器系數(shù),。自適應(yīng)濾波器調(diào)整其系數(shù)直到獲得與參考信號(hào)相同的期望信號(hào),,即信號(hào)沒(méi)有頻率偏移。因此,,自適應(yīng)濾波器通過(guò)優(yōu)化濾波器系數(shù)來(lái)減少由頻偏造成的ICI和IBI,。

    利用自適應(yīng)算法抑制UFMC系統(tǒng)干擾的過(guò)程如下:

    (1)首先利用經(jīng)2N點(diǎn)FFT變換得到的頻域信號(hào)R(k)、濾波器濾波系數(shù)矢量估計(jì)值W(k)以及期望信號(hào)d(k),,得到的誤差信號(hào):

5g4-gs9-12.gif

其中E代表期望,,上標(biāo)“*”代表共軛。

    為了確定第k個(gè)子載波的在適應(yīng)濾波系數(shù),,需要多次迭代直到誤差信號(hào)e(k)足夠小,。

    (2)步長(zhǎng)μ通過(guò)LMS算法來(lái)估計(jì)濾波器的權(quán)重。它是一個(gè)重要的參數(shù),,利用LMS算法更新濾波器的系數(shù)的表達(dá)式為:

5g4-gs13-14.gif

    (3)經(jīng)過(guò)濾波器濾波后得到的輸出信號(hào)y(k),,為了使輸出得到理想要求,濾波器不斷地調(diào)整濾波器w(k),,使均方誤差e(k)達(dá)到最小值0。

3 仿真分析

    經(jīng)過(guò)前面對(duì)自適應(yīng)算法過(guò)程的理論分析后,,本節(jié)將利用MATLAB仿真軟件對(duì)載波頻偏產(chǎn)生的干擾和LMS自適應(yīng)抑制干擾算法的性能進(jìn)行分析,。在仿真中,比較了UFMC與采用LMS算法后UFMC干擾抑制效果,,為了更好地說(shuō)明該算法的有益性,,分別比較了在受到相同載波頻偏的條件下UFMC和提出的UFMC-LMS的BER性能,。

    本文仿真的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:FFT大小為N=1 024;采用正交相位偏移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,,QPSK)調(diào)制方式,;濾波長(zhǎng)度為L(zhǎng)=20;子帶數(shù)目B=10,;每個(gè)子帶的子載波數(shù)目為12,,在子帶之間沒(méi)有保護(hù)的子載波,并且全部的子帶都采用相同的濾波器,;UFMC系統(tǒng)中采用的切比雪夫?yàn)V波器的邊帶衰減是40 dB,;信道模型采用的是AWGN;歸一化的采樣頻偏為0.05和0.1,。在仿真過(guò)程中,,采用LMS均衡方法進(jìn)行頻域均衡,補(bǔ)償載波頻率偏差,。由于受到載波頻偏(CFO)的影響,,UFMC信號(hào)失真,所以每個(gè)子載波和子帶之間分別產(chǎn)生了ICI和IBI,。當(dāng)歸一化的頻偏為0.1和輸入的信噪比為16 dB時(shí),,UFMC系統(tǒng)調(diào)制的星座圖如圖3所示。

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    從圖3中可以看出,,發(fā)送信號(hào)受到頻偏的影響和經(jīng)過(guò)AWGN信道后,,星座點(diǎn)發(fā)生了彌散,在SNR較低的情況下,,會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的判決,。因此,為了保障信號(hào)有效地傳輸,,在接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行干擾抑制是值得研究的,。由于采用提出的LMS算法后,頻率偏移得到了幾乎完美的補(bǔ)償,,UFMC系統(tǒng)能消除由于頻率偏移而引入的干擾,。因此,系統(tǒng)輸出的信號(hào)與沒(méi)有受到載波頻偏時(shí)的BER基本上保持不變,。圖4畫(huà)出了在不同頻偏下UFMC系統(tǒng)的性能,。

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    從該圖中可以看出在AWGN信道下,隨著CFO的增大,,信號(hào)的誤比特率增大,,所以減少UFMC系統(tǒng)的干擾是很有必要的。圖5畫(huà)出了在不同載波頻偏下采用LMS算法與沒(méi)有采用算法的UFMC系統(tǒng)輸出BER的比較圖。

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    由圖5可知,,在加性高斯白噪聲(AWGN)信道下,,不同的頻偏下采用LMS算法抑制干擾的UFMC系統(tǒng)的比特錯(cuò)誤率(BER)。隨著SNR的增大,,ICI和IBI對(duì)系統(tǒng)性能影響所占比重不斷增加,,但是這種情況下新方法對(duì)系統(tǒng)性能的改善越來(lái)越明顯。

    不同步長(zhǎng)下干擾抑制后UFMC系統(tǒng)的誤碼率性能如圖6所示,,當(dāng)步長(zhǎng)為0.01與0.02時(shí),,步長(zhǎng)較小的情況下UFMC系統(tǒng)的誤比特率更小。因此步長(zhǎng)的范圍是在接收端的頻域信號(hào)的最大特征值內(nèi),,并且取最小值時(shí)該系統(tǒng)的性能會(huì)更好,。從以上分析可以看出:在給定的仿真條件下,本文提出的LMS算法能夠有效地抑制載波頻偏造成的干擾,。

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4 結(jié)論

    在本文中,,UFMC系統(tǒng)采用QPSK調(diào)制,然后分析了該系統(tǒng)在AWGN信道下受到載波頻偏的誤碼性能,。從仿真圖可以看出當(dāng)存在載波頻率偏移時(shí),,UFMC系統(tǒng)的性能降低。檢測(cè)載波頻偏產(chǎn)生的干擾與去除是UFMC系統(tǒng)接收機(jī)需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題,。因此基于LMS算法的自適應(yīng)濾波技術(shù),,提出了在AWGN信道下降低頻偏引起的干擾,并且在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,。仿真結(jié)果表明,,提出的頻域干擾抑制方法能避免時(shí)域變換后的干擾能量泄漏,有效地減少干擾的影響,,同時(shí)系統(tǒng)誤碼率有明顯改善,。

參考文獻(xiàn)

[1] IMT-2020(5G)PG-White paper on 5G concept[OL].URL:(2015-02-13).http://www.imt-2020.cn/zh/documents/listByQuery?currentPage=1&content=.

[2] WUNDER G,JUNG P,,KASPARICK M,,et al.5GNOW:non-orthogonal, asynchronous waveforms for future mobile applications[J].Communications Magazine,IEEE,,2014,,52(2):97-105.

[3] SCHAICH F,WILD T.Waveform contenders for 5G-OFDM vs.FBMC vs.UFMC[C].Proceedings of 6th International Symposium on Communications,,Control,,and Signal Processing(ISCCSP 2014),Athens,,Greece,,May 2014,in press,2014:457-460.

[4] WILD T,,SHAICH F,Chen Yejian.5G air interface design based on Universal Filtered UF-OFDM[C].Proceedings of the 19th International Conference on Digital Signal Processing,,2014:699-704.

[5] SCHAICH F,,WILD T,Chen Yejian.Wavefrom contenders for 5G-suitability for short packet and low latency transmissions[C].Vehicular Technology Conference(VTC Spring),,2014:1-5.

[6] KHEDKAR A R.Trained adaptive filter based approach to mitigate ICI in OFDM system[C].Pervasive Computing (ICPC),,2015:1-4.

[7] MATSUMOTO K,CHANG Y.Frequency domain phase noise compensation emloying adaptive algorithms for millimeter-wave OFDM systems[C].Microwave Conference(APMC),,2014:1262-1264.

[8] WANG H,,ZHANG Z,ZHANG Y,,et al.Universal filtered multi-carrier transmission with active interference cancellation[C].IEEE Wireless Communications & Signal Processing(WCSP),,2015:1-6.

[9] SREEDHAR D,CHOCKALINGAM A.MMSE receiver for multiuser interference cancellation in uplink OFDMA[C].Vehicular Technology Conference,,2006,,VTC 2006-Spring.IEEE 63rd.IEEE.2006,5:2125-2129.

[10] SEYEDI A,,SAULNIER G J.General ICI self-cancellation scheme for OFDM systems[J].Vehicular Technology,,IEEE Transactions on,2005,,54(1):198-210.

[11] HOU W S,,CHEN B S.ICI cancellation for OFDM communication systems in time-varying multipath fading channels[J].IEEE Transactions on Communications.2005,4(5):2100-2110.

[12] TANG S,,GONG K,,SONG J.Intercarrier interference cancellation with frequency diversity for OFDM systems[C].IEEE Trans.Broadcast,2007,,53:132-137.

[13] KIM J G,,BAE W G.Adaptive step control of LMS-based interference cancellation for WMAN ICS radio repeater[C].Information Networking(ICOIN),2015:253-258.

[14] GHANBARISABAGH M,,ALIAS M Y,,Abdul-Rashid H A.Performance analysis of least mean square time-domain equalizer in long-haul direct-detection optical OFDM transmission[C].Photonics(ICP),2010:1-4.

[15] KUMARAPANDIAN S,,REENA M P.Performance analysis of CFO mitigation algorithms in asynchronous cooperative OFDM communication system[C].Sustainable Energy and Intelligent Systems(SEISCON 2011),,2011:632-637.

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