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Inaki Val Aitor Lizeaga,佩德罗·m·罗德里格斯,米克尔Mendicute, ”评估5 g调制候选人WCP-COQAM GFDM-OQAM, FBMC-OQAM低波段高度分散的无线频道”,计算机网络和通讯》杂志上, 卷。2017年, 文章的ID2398701, 11 页面, 2017年。 https://doi.org/10.1155/2017/2398701
评估5 g调制候选人WCP-COQAM GFDM-OQAM, FBMC-OQAM低波段高度分散的无线频道
文摘
我们分析一些候选人调节5 g: FBMC-OQAM GFDM-OQAM, WCP-COQAM。与大多数相关的文献资料,面向移动通信,我们的研究重点是5克在基于认知无线电的工业无线通信。根据ultrareliability和低延迟需求的工业通信,我们在低波段传输模拟上述调节(载波频率低于6 GHz,比100 MHz带宽较窄)通过大型室内空间和严重的多径信道,模拟工业大厅。此外,我们给WCP-COQAM的详细信息以及窗口如何影响防护多路径效应和GFDM-OQAM相比降低了频谱效率。我们也比较上述过滤多载波技术和OFDM的健壮性与多路径通道,功率谱密度和频谱效率。基于这些结果,我们的目标是提供一个近似知道5 g MCM候选人是否适合工业无线通信基于CR。
1。介绍
多载波调制(MCM)方案广泛采用在无线通信系统中,正交频分复用(OFDM)是最扩展之一。尽管OFDM在无线通信的特点和优点,它也呈现显著的缺点,如高带外(OOB)辐射。考虑这一事实和即将到来的应用程序,需要在无线通信中,很多研究在新波形物理(体育)通信层的第五代(5克)进行了为了克服OFDM的局限性1- - - - - -4]。因此,一些脉冲整形技术存在,允许在罗马数字副载波过滤系统。这些技术提供良好的频率定位,减少OOB辐射。在5 g的主要体育候选人中,大多数扩展MCM计划参考书目的滤波器组多载波偏移正交调幅(FBMC-OQAM) [5),广义频分多路复用(GFDM) [6),和普遍过滤多载波(UFMC) [7]。FBMC-OQAM和GFDM在于过滤每一副载波为了得到好每个副载波频率定位;UFMC,相反,由过滤组副载波只为了减少OOB辐射。
尽管大多数的研究进行体育建议5 g是面向移动通信、5 g实际上是为了覆盖广泛的应用领域8]。为了应对服务的多样性和灵活性,5 g将需求,在9,10)创新框架允许多项次能带过滤多载波系统介绍。这些框架提供一个结构的可用频谱分为部分波段致力于不同的服务。不同服务之间的分裂和避免干扰是由子带滤波的方法。
在所有5 g将涵盖的应用领域,我们的研究侧重于无线工业通信(11]。具体地说,我们研究健壮PHY层为工业设计的基于无线通信的认知无线电(CR) [12,13]。因为现有的工业无线通信系统内部基于IEEE 802.15.4标准提供服务缺乏鲁棒性对这些恶劣的信道条件14,15),新方案PHY层必须提出在工业无线通信。这种工业场景的特点是高脉冲噪声和干扰的存在与其他无线系统和衰落信道由于严重的多路径效应和阴影造成的众多,大,金属障碍在传播渠道。在这项工作中,我们模拟传输通过大型室内场所和严重的多路径通道模型的一些特点。
除了上述严酷的环境下,要求工业通信对无线系统假设一个额外的挑战,尤其是在一些工厂自动化(FA)的应用程序。自从5 g旨在涵盖这些工业通讯(“ultrareliability和低延迟需求包错误率,100点附近无线传输时间,1 ms的端到端延迟)[16- - - - - -18),在这项工作中,我们模拟和评估的一些MCM 5 g候选人低波段传输(载波频率低于6 GHz,比100 MHz带宽较窄)。
在这篇文章中,在上述产业环境特点,我们关注的是严重的多路径效应。我们分析FBMC-OQAM GFDM-OQAM,也有窗的循环prefix-circular OQAM (WCP-COQAM)调制系统。尽管WCP-COQAM [19- - - - - -21]扩展不如其他两个方案参考书目,它与GFDM共享一些相似之处,这让5克(另一位候选人22)和一个有趣的MCM方案分析。我们评估他们的表现的比特误码率(BER),功率谱密度(PSD)和光谱效率(SE)高度分散的渠道。我们比较这些结果与传统OFDM和使用SE表示使用循环前缀(CP)的成本扩展,副载波过滤和窗口计划每个MCM系统。
基于这些分析和结果,我们的目标是提供一个概念的适用性5 g MCM候选人基于CR的工业无线通信。
从上述的分析和评估MCM系统,我们提供以下贡献:(1)本文补充工作(19- - - - - -21)通过将额外的详细信息窗口如何影响多路径通道和防护WCP-COQAM SE。我们国家的条件提供完整的正交多路径通道和我们展示窗口减少SE WCP-COQAM GFDM-OQAM相比。我们解释所有这些细节部分2.3,2.4,3并提供一些结果与讨论部分4.3。(2)虽然大多数研究5 g是专注于移动通信,我们模拟和评估的一些主要5 g调制在不同条件下的候选人。我们模拟低波段传输通过大型室内场所和严重的多路径通道为了模型的一些无线工业环境的特征。在这些条件下的误码率,PSD, SE分析,我们评估上述MCM系统是否适合无线工业通信基于CR。
本文组织如下:在部分2,我们将解释的理论背景MCM系统我们要分析;节3,给出更详细的解释关于WCP-COQAM和做一些澄清的参考书目;节4从我们的模拟,我们目前获得的结果,在此基础上我们比较和讨论认为MCM系统的性能;节5,我们国家我们从我们的研究获得的结论;最后,在节6,我们解释我们的调查将是下一个步骤。
2。多载波调制
MCM系统我们分析是基于OQAM代替经典的智商调节(例如,N-PSK和N-QAM)。我们关注OQAM-based方案的原因是MCM系统不能同时保持良好的时频定位(伦敦交通局)、奈奎斯特率,象征和之间的正交性传播符号如果使用传统的智商调节,因为它由Balian-Low表示定理(BLT) [23]。根据BLT,码间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)的原型滤波器引入这些MCM系统使它不可能达到完美重建复杂的价值符号传播在奈奎斯特速率。因此,如果使用匹配滤波器接收机,FBMC和GFDM执行比OFDM系统。一个解决方案来克服定义的约束BLT交替发送真实和虚构的价值符号在奈奎斯特速率的两倍,而不是复杂的符号。这种技术被称为OQAM [5]。这个策略允许过滤后的数据符号保持正交,保持良好的伦敦交通局和奈奎斯特率象征,所有在同一时间。
因此,我们首先介绍OQAM技术,接下来,我们解释了MCM的其他计划。
2.1。OQAM
OQAM由,基本上,在一个复杂的符号分割为两个semisymbols,一个真正的和一个虚构的。这个操作之后,整个OQAM符号持续时间仍等于原始的持续时间复杂的符号,而每个semisymbol一半的时间整个符号,如图1。因此,OQAM象征结构的采样率是原始复杂的符号结构的两倍。值得一提的是,这个采样过密不携带任何变化的总带宽传输信号时OQAM用于MCM系统。正如我们解释部分2.2多载波信号OQAM序列化时,其符号率是一样的在传统的IQ调制。
ISI OQAM方案讨论到目前为止可以减少由脉冲整形过程引起的。因为虚构和真实semisymbols交替传输、干扰来自相邻semisymbols可以在接收方(即被忽略。、干扰引起的真正semisymbol临近假想semisymbol可以忽略,反之亦然)。
同样,在频域,脉冲整形使相邻的副载波互相重叠,造成严重的ICI。如果这些副载波组织这真实和虚构的交替进行的一个旁边,这里从相邻的副载波将避免因为干扰来自接收机中可以忽略。图2显示的框图OQAM MCM系统。图3,另一方面,显示了解调过程恢复原来的复杂数据符号。
可以找到更多细节OQAM (5]。
2.2。FBMC-OQAM
FBMC在于过滤每个子通道为了得到距离副载波。图4显示的基本表示FBMC-OQAM transmultiplexer。主块OQAM预处理或调制器,合成滤波器组,分析滤波器组,和OQAM后处理或解调器。
FBMC-OQAM方案的关键部件是合成和分析滤波器,每个子通道由一个过滤器。的过滤器子通道的定义是 在哪里原型滤波器的长度吗和 。对应的指数因素th副载波,副载波的总数。
注意,FBMC-OQAM方案是一个多重速率的系统。在过滤OQAM数据符号,它们upsampled用零填充过程的信号采样过量 : upsampling系数的原因而不是是OQAM预处理已经引入了一个upsampling因素2。因此,FBMC-OQAM信号可以表示为
在接收端,FBMC-OQAM信号解调,这样,在第一个地方,每个子通道过滤只为了得到其相应的信号: 在哪里 。
然后,在时域采样,所以原始OQAM信号的估计得到:
传输通道、噪音、均衡和其他问题已经省略了为了只关注FBMC-OQAM波形调制和解调。可以找到更多细节FBMC-OQAM (5]。
2.3。GFDM-OQAM
的结构GFDM-OQAM transmultiplexer相似的FBMC-OQAM transmultiplexer图所示4。GFDM-OQAM也是基于OQAM调制和子通道过滤。GFDM-OQAM过滤的区别是,由一个圆形的卷积代替FBMC-OQAM中所使用的线性卷积。现在这种方式,调制系统采用基于块的信号结构,以便CP可以添加到提供正交性对多路径通道而不影响信号的伦敦交通局。
我们考虑一个GFDM-OQAM系统子信道,复杂的数据符号在每个块(即,在每个块)OQAM符号。因此,如果我们考虑作为一个GFDM-OQAM块,它可以表示为 在哪里 和过滤器是通过周期性的重复中定义的过滤器(1)。所以 。
在接收端,GFDM-OQAM信号解调,这样,在第一个地方,每个子通道过滤只为了得到其相应的信号。再一次,FBMC-OQAM和GFDM-OQAM接收器之间的区别在于循环卷积: 在哪里 。
然后,在时域采样,所以原始OQAM信号的估计获得,正如它所示(5)。
CP的插入、传输通道、噪音、均衡等问题已经省略了为了只关注GFDM-OQAM波形调制和解调。可以找到更多细节GFDM-OQAM (19,20.]。在这些作品中,介绍了GFDM-OQAM的想法,虽然作者将这个计划称为FBMC-COQAM或COQAM一样。
2.4。WCP-COQAM
介绍了WCP-COQAM [21]。这种技术可以被认为是一个GFDM-OQAM系统与一个窗口过程,提高了PSD对GFDM-OQAM。
在WCP-COQAM, CP和窗口是相关的。CP分为两个部分:保护间隔(GI)和窗口间隔(WI)(称为RI (21])。所以CP的总长度等于长度之和的胃肠道和WI部分: GI是CP的一部分,旨在防止多路径通道和WI的一部分将用于窗口。
让我们考虑一个GFDM-OQAM信号队列的几个GFDM-OQAM块,每个CP的延伸长度 。同样的,我们会考虑副载波的总数每一块的符号。然后WCP-COQAM信号定义为块 在哪里 ; 和窗口函数被定义为 在我们的工作中,我们使用的汉明窗窗口系数。图5展示了代表整个过程的框图。
它必须注意到(9)和(10),CP WI对应部分的样品也是最后一个样本块乘以窗口系数和它们与WI重叠区域的前一个和后一个块,分别。通过重叠WI地区,这些额外的样品是阻止减少,如图6。
接收机结构如图7。值得注意的是,图7只显示一个GFDM-OQAM的恢复过程块从收到WCP-COQAM信号。一旦GFDM-OQAM信号恢复,有几种解调算法。节2.3本文的基本解调方案GFDM-OQAM解释和在21介绍一种计算有效的解调方案。
在[21),对于这个方案,完美的同步和理想的通道被假定。所以,在第一时间,第一 一个WCP-COQAM块样品。接下来,第一个(对应于CP扩展)样品,而最后一个样品留给下一个块内处理它们。最后,为了得到所有的样品回原来的位置在原来GFDM-OQAM块,进行循环移位时,可以表示为 在哪里 ;最初的估计信号,是信号切除后的窗口效应,CP。
3所示。WCP-COQAM的正交性条件和频谱效率分析
有几种分析5 g调制候选人的参考书目(24,25),他们中的一些人甚至包括WCP-COQAM调制方案(26,27]。然而,我们所知,没有一个地址窗口在WCP-COQAM波形的影响我们所做的。
在本节中,我们提供一些额外的细节关于窗口如何影响正交性对多路径通道和WCP-COQAM SE。具体来说,我们国家的条件,CP的GI地区扩展必须履行为了提供完整的正交性的存在多路径通道。除此之外,我们还比较WCP-COQAM和GFDM-OQAM(由于相似性MCM系统)的SE,我们表明,在这方面,前者优于后者如果等于多路径保护。
3.1。正交性条件
在WCP-COQAM,多路径通道保护直接关系到CP扩展和窗口过程。为了解释这一事实,我们将展示详细的步骤形成WCP-COQAM块从一个基本GFDM-OQAM块(见部分2.3)。
一旦GFDM-OQAM块形成,CP扩展添加到它。图8(一个)显示第一阶段的细节建设WCP-COQAM信号副载波的总数;每个块的符号数;是长度的地区用于窗口和重叠;胃肠道的长度保护对抗多径效应;和CP扩展的总长度 。 , ,和是最后的样本块的复制以CP扩展形式。如在图表示8(一个)应用窗口之前,这个信号可以被视为一个GFDM-OQAM块与CP扩展。
(一)
(b)
图8 (b)代表了WCP-COQAM块后窗口。如图6在(9)和(10),窗口函数应用于第一和最后一个样本,这些样本是扭曲的。正因为如此,CP、WI和胃肠道不再等于CP′, WI′,分别和胃肠道′。
自从上次样品的影响窗口中,我们定义了一个我们称之为新区域 。因此,现在原来的胃肠道和地区分为GI1和GI2 GI1′ ,分别,所以 , , 。至于这些区域的长度, 和 。注意,GI1和现在才真正的冗余部分。正因为如此,只GI1而不是整个胃肠道(因为它是解释21)作为一个真正的防止间隔多路径通道时频域均衡(FDE)执行。因此, 必须满足为了保持完整的正交性通过多路径通道在哪里传输通道的长度。因此,考虑到 所以 ,我们可以定义WCP-COQAM作为完整的正交性条件 值得一提的是,FDE应该执行GI2和样品 ,包容,因为这是相对应的部分循环卷积和GI1之间传输通道。
3.2。频谱效率分析
图9显示如何在WCP-COQAM相邻块之间的重叠。每个窗口的区域与下一个或前一块重叠,因此WI每一块区域是重叠的前一块区域。因此,样品WI区域内不假设一个过载和他们不影响。基于这一事实,在21),作者声称,窗函数的使用没有影响。然而,这种说法并不准确。虽然在WI不直接影响样品,因为他们重叠的样本前面的块,窗口意味着添加GI2地区为了满足正交性条件中定义(12)。注意,使用的窗口函数和WI和重叠地区扭曲这些样品地区。这和FDE GI2与执行 ,包容,意味着GI2地区是必要的为了恢复那些最初放置在样品地区。在这一点上,我们得出这样的结论:GI1和GI2 WCP-COQAM胃肠道内部分地区至关重要。
为了使公平分析WCP-COQAM SE的我们比较GFDM-OQAM,因为两个调制方案只在窗口和重叠的过程不同。为了维持一个齐次符号GFDM-OQAM和WCP-COQAM之间,我们假设以下注意事项:(为了可读性,从这一点上,参数对应于OFDM将与分指数表示 ,参数对应的分指数GFDM-OQAM会表达 ,和参数对应WCP-COQAM将与分指数表示)。
我们申请这种比较的标准是提供平等保护对多路径通道调节,这样 。因此
从这个分析,很明显,如果维护完整的正交性,窗口过程带来额外GI2地区的CP对SE WCP-COQAM信号的影响。特别是,SE减少的一个因素相比,一个没有窗户的系统以同样的多路径通道保护。
4所示。仿真结果和讨论
在本节中,我们将展示和讨论的结果模拟之前所描述的系统。基于这些结果,我们评估的性能模拟系统的误码率,PSD和SE。在我们的分析中,我们优先考虑鲁棒性与高度分散的渠道,所以我们使用通过瑞利衰落多路径通道传输的误码为了评估MCM系统的鲁棒性。除了1之外,我们还考虑了PSD的传输信号,因为这是在CR系统的一个重要因素。关于SE,我们用它来代表CP扩展的成本,窗口过程,和卷积反面原型滤波器在FBMC-OQAM造成的,这样我们可以获得不同的MCM系统之间的一个公平的比较。
因为我们正在评估MCM系统,我们认为它适合比较分析了融合与一个OFDM调制技术参考系统,以评估他们的表现。表1展示了我们用于我们的大部分的配置参数模拟。我们选择参数适合低波段传输ultrareliable和低延迟的室内场景。,我们考虑方面像副载波带宽和传输信道的相干带宽,数据块持续时间,和窗口长度为PSD的改进。
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4.1。鲁棒性与多路径通道
在本节中,我们分析每个MCM系统的鲁棒性与多路径通道。为了使一个公平的比较,我们对多路径通道模拟每个系统与平等保护,匹配有效GI长度( , ,和)。选择这些参数如表所示1。
我们使用的均衡技术在我们的模拟是一抽头zero-forcing (ZF) FDE的MCM系统。GFDM-OQAM, OFDM和WCP-COQAM使用CP扩展,以防止ISI造成的传输通道,FBMC-OQAM可以考虑在这方面一个特例。因为它不是一个块调制和没有使用CP扩展,一抽头FDE FBMC-OQAM的不是一个简单的均衡技术。然而,由于附近的副载波带宽和符号持续时间传输信道的相干带宽和时间,分别,我们考虑一抽头FDE FBMC-OQAM在这种情况下的适当均衡方法。深入分析了双重分散渠道对FBMC系统的影响(28]。
我们模拟传输通过瑞利衰落信道模型与指数功率延迟概要(PDP)的均方根(rms)延迟扩展和通道长度 ns和 水龙头。此外,我们模拟未编码的编码通信,与涡轮码、软解码和编码速率 。在图10对,我们比较了误码率MCM系统在这些通道模型,假设完美的同步和完全信道状态信息(CSI)。我们得到了这些通过模拟传输的误码率曲线蒙特卡罗迭代每个MCM系统和每个通道模型。我们发送12288个随机数据位和我们产生新的随机频道在每个蒙特卡罗迭代。
在这里,我们表明,对于未编码的传输,在误码率方面,FBMC-OQAM表现略逊于MCM系统在模拟条件下的其余部分。而在低值每MCM系统提供类似的系统,一个错误地板出现在高因为缺乏在FBMC-OQAM GI值。GFDM-OQAM,另一方面,虽然OFDM和WCP-COQAM提供类似的表演的方方面面提供平等的多路径效应保护,OFDM略优于其他两个MCM方案由于其完美的正交性。
最后,值得注意的是,对于编码传输,所有在场的模拟MCM系统误码率曲线相似,所以他们对多路径通道提供类似的鲁棒性。
4.2。功率谱密度分析
PSD是相关的特征来设计一个CR通信系统适合场景与高光谱占领。在本节中,我们比较了光谱信号的分析MCM系统为了评估其潜在的基于CR系统的适用性。
图11显示了OFDM的光谱,GFDM-OQAM WCP-COQAM, FBMC-OQAM之上的另一个信号。对于这个测试,我们只激活32中央副载波为了使功率泄漏到相邻的副载波可见。
如图11基于FB的MCM系统相比显著减少的OOB辐射OFDM。然而,即使这些MCM之间计划,仍有显著的差异。从这个意义上讲,FBMC-OQAM优于GFDM-OQAM和WCP-COQAM。另一方面,由于窗口,WCP-COQAM显示大大低于GFDM-OQAM OOB辐射。值得一提的是,WI地区的时间越长,越窄WCP-COQAM信号的频谱。因为额外的窗口所需样品胃肠道内的地区,如部分所述3,PSD改善WCP-COQAM GFDM-OQAM SE付出的成本低。对SE节中给出更详细的分析4.3。
4.3。频谱效率分析
在本节中,我们分析SE为了对分散渠道评估的成本获取更高的鲁棒性和更好的PSD的CP扩展和窗口。对于这一分析,我们考虑表中定义的参数1,这样有效的多路径通道保护等于OFDM GFDM-OQAM, WCP-COQAM。方程(15)显示的SE值三块MCM系统: 这里我们展示特定的情况下使用一些特定的参数。一方面,SE GFDM-OQAM礼物高于OFDM因为其胃肠道之前在OFDM符号,胃肠道之前只是一个符号。另一方面,由于窗口操作,CP WCP-COQAM的扩展,特别是胃肠道部分额外的样品GFDM-OQAM和这就是为什么WCP-COQAM也带来了低于GFDM-OQAM SE。然而,在这些条件下,高副载波的数量,我们可以得出结论,OFDM之间的差异SE, GFDM-OQAM, WCP-COQAM并不重要。
关于FBMC-OQAM,再一次,我们认为它不同于其他MCM系统,因为它不是一个块调制,它使用没有胃肠道保护多路径效应。所以它的SE取决于传输帧的长度对卷积尾巴。长时间数据传输,其本身将倾向于1,而对于短数据传输应该倾向于0.5,假设最小样本的数据量相当于GFDM-OQAM或WCP-COQAM块。这个计算很简单如果我们引入4复杂数据符号(8 OQAM符号)(2)。 我们介绍这些upsampled数据(3)。结果信号将包含4095个样本,其中一半将对应于实际数据,其余卷积尾巴从副载波过滤。
我们的研究重点是,考虑到低延迟场景本身可能假设一个重大缺点FBMC-OQAM相比GFDM-OQAM和WCP-COQAM短数据传输。
5。结论
在本文中,我们三个候选人之间做个比较PHY层调制在5 g和OFDM系统的引用,以评估它们是否适合工业无线通信基于CR。为此,我们模拟低波段通信和高度分散的室内通道场景。在这些条件下,我们将展示这些MCM系统的性能和功能从不同的观点。
关于鲁棒性与多路径通道,我们得出结论,分析了MCM系统模拟的条件下提供类似的表演。虽然对未编码的传输FBMC-OQAM地板高提供了一个错误值,地板是纠正这个错误编码时使用。
PSD和OOB辐射,这些过滤MCM方案提供比OFDM抑制频谱。特别是FBMC-OQAM优于其他调制方案在这方面,所以它可能是一个合适的人选CR场景被认为是在我们的研究中。另一方面,虽然不如FBMC-OQAM, WCP-COQAM仍然比GFDM-OQAM更好的PSD,只提供不到10 dB OOB辐射对OFDM的区别。因此,我们得出这样的结论:循环过滤仅是不够的,必须应用窗口,以确保更有效的使用范围。此外,我们认为,由于它也抑制频谱,WCP-COQAM CR应用程序可能是另一个合适的调制方案。
SE分析,讨论部分4.3OFDM的区别,GFDM-OQAM WCP-COQAM并不是真的重要我们在模拟中使用的参数。另一方面,FBMC-OQAM可能患有严重的退化SE在短数据传输的低延迟的场景我们认为在我们的研究中。
6。未来的工作
在这项工作中,我们认为完美的同步和完全信道状态信息接收器,但同样重要的是要考虑在未来更现实的模拟条件。所以下一步将会在我们的调查分析,提出了时频同步和信道估计方法GFDM-OQAM WCP-COQAM。
其他关键我们的研究将是模拟通道模型相当模拟工业无线信道条件。,我们将模拟严重的多径条件下,时变通道,从其他无线系统脉冲噪声和干扰。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作在一定程度上支持TIPOTRANS (ETORTEK)和CIIRCOS (pc2013 - 68)项目的巴斯克政府(西班牙)和COWITRACC (tec2014 - 59490 c2 - 1 - p / 2 p)项目的西班牙经济和竞争力。
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