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面向5G的FQAM调制技术应用研究

2017-08-21李新

科技视界 2017年10期
关键词:载波音频频率

李新

【摘 要】在未来的5G时代,由于ITU IMT-2020定义了更加丰富的关键能力和评估场景,因此在设计调整编码方案时,一些新的技术方案应该被考虑作为候选方案来进行研究和评估。对于干扰限制场景,最有前途的技术之一是频率正交幅度调制(FQAM),这是因为 FQAM可提高小区边缘的用户吞吐量,而在传统网络中,小区边缘用户受干扰限制,仅能使用一些可用频率的子载波。

【关键词】5G;FQAM;OFDM

1 5G简介

日益增长的数据流量以及智能终端的普及,导致4G在容量、速率、频谱等方面已经不能满足人们对网络的需求,基于此,第五代移动通信网络(5G)应运而生。

5G是面向2020 年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统。根据移动通信的发展规律,5G 将具有超高的频谱利用率和能效,在传输速率和资源利用率等方面较4G 移动通信提高一个量级或更高,其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也将得到显著的提高。5G 移动通信将与其他无线移动通信技术密切结合,构成新一代无所不在的移动信息网络,满足未来10 年移动互联网流量增加1000 倍的发展需求。因此,需要我们开展研究,明确5G的业务和关键技术指标,为5G技术发展和系统设计指引方向。

整个行业和学术界经过多年的讨论,第五代(5G)蜂窝网络的要求和期望已经明确表示。对于5G新引进的用户体验速率,在现有系统里类似为小区边缘速率。ITU IMT-2020定义了用户体验速率在未来需要达到100Mbits/s,这比4G系统高出近10倍,这将会成为一个非常大的挑战。因为在基于OFDM技术的蜂窝小区边缘(例如LTE小区),小区间干扰(ICI)带来的问题非常严重,而这一干扰的分布取决于干扰信号的调制方式。例如,对于QAM调制方式,在所有子载波都被占用的时候,小区间干扰接近高斯分布。所以为了缓解ICI从而调高用户体验速率,引入新的调制编码方案将变得十分有必要。FQAM作为相关的潜在候选方案之一,就是希望能够主动地改造小区间干扰,使得这一分布非高斯化,进而提高信道容量。小区间干扰的统计特性能够通过改变干扰用户的调制方式加以改造。如果干扰用户使用这种结合FSK和QAM特性的FQAM调制方式,将会得到统计分布非高斯化的小区间干扰,从而提升小区边缘的性能。

2 FQAM原理

FQAM是頻移键控(FSK)和正交幅度调制(QAM)的组合,对于M进制FQAM,M=MFMQ,每个(MF,MQ)-FQAM符号通过在MQ个QAM符号中选择一个QAM符号来携带log2MQ比特,在MF个频率中选择一个频率来携带log2MF比特。因此,任何(MF,MQ)-FQAM符号可以表示为一个长度为log2M的二进制向量,其中log2MF位对应于MF阶FSK调制中的一个频率,最后的log2MQ位确定MQ阶QAM中的一个符号,所以,M阶 FQAM中所选择的QAM符号通过选定的频率发送。

表1 (4,4)-FQAM的二进制代码

以16进制FQAM为例,表1中列出了(4,4)-FQAM的二进制代码,其中,四进制QAM(即四进制PSK(QPSK)调制)符号)是按照格雷码映射规则表示。 以以上二进制代码表示为基础,图1表示了(4,4)-FQAM信号星座的例子,即由4-QAM和4-FSK调制组合的16-FQAM方案。图1A至图1C表示了一个FQAM方案的概念。参考图1A至1C,在图1A所示的4-QAM方案中,可以通过在正交坐标系中具有4个星座点来生成具有不同相位的4个复数符号。在图1B所示的4-FSK调制方案中,可以通过使用4个频率值来生成具有不同频率值的4个复符号。在16-FQAM方案中,组合了4-QAM方案和4-FSK调制方案,如图1C所示。因为FQAM符号具有4个不同的频率值,并且同时具有4个相位值,所以可以产生总共16个符号。

如上所述,不管QAM符号和频率映射关系如何,仅由QAM方案可以表示的比特流的数量通过使用的频率数达到了扩展。也就是说,只能通过FSK调制方式表示的比特流的数量通过使用每个FSK符号的相位和大小的QAM符号的数量达到了扩展。总之,每个FQAM符号通过各自的相位和大小的组合及每个FQAM符号所映射的频率上的位置来识别,进行区分。

3 FQAM-OFDM系统

正交频分多址(OFDMA)将是下一代无线网络的主要多址接入方案,因为两种接受的5G标准(长期演进 - 高级和802.16m)均采用OFDMA作为多址接入技术。OFDMA的特点是其简单性和高频谱效率,OFDMA系统多用户多样性不仅可以用于增加网络容量,还可以降低能耗,当向相应的用户分配“好”信道时,传输功率可以大大降低。将M阶FQAM技术应用到OFDMA网络的下行链路中,可以实现高带宽效率,并使ICI加性噪声非高斯,如图2所示。

图3是一个在无线通信系统中应用FQAM时配置信号的示例,给出了当FQAM方案应用于正交频分复用/正交频分复用高级(OFDM / OFDMA)方案的无线通信系统时的一些帧,是应用图1C所示的16-FQAM方案的示例。在图3中,横轴表示时间,纵轴表示频率。 时间轴上的分类单位是符号,频率轴上的分类单位是副载波,包括一个符号和一个子载波的单元就是一个频点。

如图3所示,一个FQAM块包括占用一个符号和4个子载波的4个频率。 虽然在图3中,包括在一个FQAM块中的子载波被示出为相邻的,但实际中并不限于此。此外,包括在一个FQAM块中的子载波可能不会是连续的。以第一块201为例,任何符号未被映射到4个符号中的第一音频,第二音频和第四音频,而是被映射到第三音频,映射到此音频的符号具有“1 + j”相位值。也就是说,FQAM符号通过符号本身所映射的音频的频率轴上的位置和符号本身的相位值的表示4比特的信息。

FQAM调制度可以通过QAM调制度和FSK调制度的组合来表示。当FQAM调制度给定时,可以根据信道质量来确定QAM调制度和FSK调制度之间的比率。例如,当通道相对较差时,优选地增加FSK调制度。另一方面,当通道相对较好时,优选增加QAM调制度。因此,支持FQAM方案的发送端和接收端可以根据信道质量来确定QAM调制度和FSK调制度。 例如,当发送端或接收端是基站时,基站可以确定QAM调制度和FSK调制度,并将所确定的调制度数或调制度数的组合通知给移动台。在这种情况下,可以通过地图消息通知调制度数或调制度数的组合。为此,发送端和接收端中的至少一个可以存储定义与信道质量相对应的QAM调制度和FSK调制度组合的表。

图4给出了FQAM发射机的框图。可以看出,m个信息位分割成g组,OFDM的N个子载波块被分成每个MF子载波的g个子块(g=N/ MF)。 每组的第一个log2MF位用于选择可携带的MF的子载波MQ-ary信号星座的符号映射组的下一个log2MQ位。 因此,每个子块发送log2MF+log2MQ位,发射机的其他部分与传统OFDM相同。

4 结论

在3G、4G时代,Turbo码和正交振幅调制已经使得在单天线情况下可以逼近香农极限,但还是有足够的研究空间去推进一些更加优秀的调制编码方案应用5G蜂窝系统里。

FQAM是基于OFDM的系统的FSK和QAM边缘的组合,对于像LTE这样受到ICI严重影响的系统,其噪声分布取决于干扰信号的调制方案(在QAM情况下接近高斯,特别是当子载波完全使用),FQAM设计的关键点是主动干扰设计,使得ICI分布非高斯,具有提高信道容量的潜力。

通过对3GPP LTE下行链路进行系统级仿真建模,仿真结果表明,误帧率为1%时,在小区边缘的用户的传输速率可以提高约为3倍,小区边缘吞吐量明显增加。除了计算机模拟评估之外,性能也通过硬件实现测试台进行评估,并观察到类似的性能增益。因此FQAM可以被认为是5G的小区边缘性能改进的候选技术。

【参考文献】

[1]J. G. Andrews, S. Buzzi, W. Choi, S. V. Hanly, A. Lozano, A. C. K. Soong, and J. C. Zhang, “What will 5G be?” IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 32, no. 6, pp. 1065–1082, Jun. 2014.

[2]W. H. Chin, F. Zhong, and R. Haines, “Emerging technologies and research challenges for 5G wireless networks,” IEEE Wireless Commun.,vol. 21, no. 2, pp. 106–112, Apr. 2014.

[3]Latif A, Gohar N D. A hybrid MQAM-LFSK OFDM transceiver with low PAPR. In: Proc 2nd IEEE Int Conf on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing(WiCom06), Wuhan, China, 2006. 1–4

[4]Sungnam Hong et al., “A Modulation Technique for Active Interference Design under Down link Cellular OFDMA Networks,” in Proc. IEEE WCNC14, pp.683-688, Apr. 2014.

[5]Sungnam Hong et al., “Frequency and Quadra ture-Amplitude Modulation for Downlink Cellular OFDMA Networks,” IEEE Journal on Selected Areas in Communication, vol. 32, no. 6, pp.1256- 1267, Jun. 2014.

[责任编辑:朱麗娜]

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