适用于天地一体化的GFB-OFDM波形性能分析

摘 要

【关键词】 天地一体化；非地面网络；GFB-OFDM；波形

0 引言

伴随着通信技术的持续进步，在人口密度较高的区域[注：此处应保持原文中标注[1]的位置]已经实现了对全球近八成人口提供移动通信服务的能力[注：此处应保持原文中标注[2]的位置]。然而，在受限于自然环境、运营成本以及技术限制等因素的情况下，在人口密度较低的偏远地区和沙漠、森林、海洋等特定区域中，则难以实现有效的地面网络覆盖[注：此处应保持原文中标注[1]的位置]。这些问题恰恰是非地面网络所具备的独特优势所在，并因此成为推动星地融合发展的重要动力来源之一[注：此处应保持原文中标注[2]的位置]。5G非地面网络（NTN）技术集成了传统卫星通信与地面移动通信的核心要素优势，在利用卫星或空中的平台进行信号传输的基础上不仅拓展了卫星通信产业链而且为下一代空天地一体化融合奠定了坚实的技术基础。

为了满足特定用户的需求，在提供与地面用户相同通信服务的同时

目前用于降低CP-OFDM系统PAPR的技术主要包括有限幅滤波法、编码技术以及部分序列传输法等。其中有限幅滤波法结构简单[6]；然而其非线性处理可能导致内部干扰及外部泄露；而编码技术虽然不会使信号发生畸变[7-8]；但计算复杂度较高且会降低信息速率；这使其在面对较多子载波时并不适用；此外部分序列传输技术和选择性映射法则分别采用了不同的加权序列对处理CP-OFDM符号；能够有效减少高峰值功率出现的概率[9-10]；这些方法属于非畸变类方案；但需要一定带宽来发送冗余信息以供检测；若输出端检测失误则可能造成幅度下降的现象（地板效应）；而子载波预留法则在一部分子载波上不配置数据符号以避免影响数据传输[11]

探索能够适应天地一体化需求的新型技术方案是一种可行的途径

FBMC通过分离已调信号的实部与虚部, 并交错发送周期来实现信号传输

针对更复杂的需求, UFMC技术提供了一种更为灵活的选择

GFDM技术通过引入循环滤波器增强了带外衰减能力

为了解决PAPR过高的难题, F-OFDM方法提出了新的解决方案

OTFS技术则采用了全新的时空域传输策略

本文以FB-OFDM技术为基础建立的滤波器组正交频分复用（GFB-OFDM）方案，在满足通信需求的同时实现了高效率的数据传输。该方案通过直接调制复数已调信号实现信号传输，并经过两次逆快速傅里叶变换后与子带级滤波相结合使用，在天地一体化环境下应用。该方案能够灵活配置地面系统和非地面系统的通信模式，并支持终端设备接收来自卫星和地面的信息源信号。针对不同部署场景的需求，在保证高频谱效率的前提下实现了资源分配的灵活性和大规模数据传输能力的同时有效降低了系统的PAPR性能指标。

1 系统模型

GFB-OFDM系统的信号传输模型框图如图1所示 ：

如图1所示为GFB-OFDM通信系统的信号传输框图，在发送端会向多个终端发送不同的信息。相较于传统的FB-OFDM技术而言，在本方案中通信频谱被划分为多个连续的子载波集合体——每个集合体统称为一个子带——不同子带内的数据分别传输至对应的接收终端。值得注意的是，在本方案中采用的是多级滤波策略：具体而言，在各个子带内部先执行一次快速傅里叶逆变换（IFFT, Inverse Fast Fourier Transform），随后在各子带之间再执行第二次快速傅里叶逆变换（IFFT）。这种双重FFT架构并附加了一种特殊的滤波架构以实现频谱隔离效果的同时还能有效降低系统的计算复杂度[19]

在图1中，在信源生成阶段产生的比特流依次经过编码与调制步骤（即生成相应的调制信号），随后进入子载波级联结模块完成各子带内部的数据处理任务；接着将各子带数据进行整合并送入主载波层级联合优化模块进行综合分析；最终通过数模转换（DAC, Digital Analog Convert）与射频变换模块将信号发送至信道出口；接收端则按照先滤波后解码的流程依次工作：首先经过射频变换与模数转换（ADC, Analog Digital Convert）恢复原始信息；由于射频端已设置了滤波器作用，在后续解码环节仅需关注本用户的特定频段数据；随后通过子载波级解码与数字重构模块恢复各子带信息内容并输出给相关接收设备。

子载波级处理模块由子带内的快速傅里叶转换（FFT, Fast Fourier Transform）以及该区域内的一级逆向快速傅里叶转换（IFFT）组成；而子带级联合处理则包括子带级处理模块和加窗滤波器两个部分。其中，子带级处理模块负责各相邻子band之间的二级逆向快速傅里叶转换（IFFT），而加窗滤波器所采用的滤波函数具有与母band宽度相当的频域选择性。其核心区别在于：与传统的FB-OFDM系统不同，GFB-OFDM采用了更为复杂的信号处理架构——其子载波级处理模块不仅包含了FFT变换和IFFT变换这两个关键步骤，并等价于每个子band都采用基于离散傅里叶变换的扩频正交频分复用（DFT-s-OFDM, Discrete Fourier Transform-spread-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术实现信号传输。随后通过FB-OFDM的基本原理将各单个载波信号组合形成整体传输信号。至于接收端部分，则与CP-OFDM系统具有相似的设计架构，在射频信号链中同样采用了频率选择性滤波器组，并且这些滤波器组所具有的选择特性能够精确匹配各母band所对应的频率范围。

相关过程的公式描述如下：

设发送端有G个子带，每个子带有2H个数据，可以表示为：

子载波级处理单元负责将时域数据转换为频域子载波的形式。在该系统中定义了一个符号的时域数据点数目（记作N_t）与频域子载波数目（记作N_c）之间并不一定存在一一对应关系。在理想条件下（即信道质量极佳），允许频域子载波数目 N_c 少于 N_t 的数量关系下可实施超奈奎斯特传输策略。这一策略能够显著提升信息传递效率。而在信道质量较差的情况下（即实际应用中的恶劣环境），允许更多的频域子载波被重复发送。这种操作能够显著提升信息传输的可靠性。

同一频段内各子载波采用一致的调制方案及相关参数设置，在实现不同频段间的资源分配时允许各子载波独立配置各自所需的传输特性指标。通过分层处理机制将高阶逆快速傅里叶（IFFT）变换分解为两个低阶版本依次完成计算任务，在保证系统性能的同时有效降低了整体计算复杂度水平。对于多路数据流而言可以通过数据采集模块将其整合后统一进行综合处理操作，在动态调节系统架构时只需关注各节点间的信号传递关系即可实现对不同业务类型的支持；特别值得注意的是该方法完全无需改变滤波器核心参数设置即可实现对多种信道带宽的有效滤波适应这一特点大大简化了系统设计流程并显著提升了设备运行效率

天地一体化终端在与地面网络进行通信时实现了完美兼容，在面对非地面网络通信场景时通过滤波器带宽与发送信号带宽实现完美匹配，并最终采用常规的CP-OFDM接收方式以确保高效的数据传输

在非地面网络下行通信系统中，在同一个时间窗口内，一颗卫星最多可向一个或多个移动终端发送数据流量。每个移动终端都被分配独立的子带信道，在不同终端间存在不同的传输资源需求时，在满足高带宽需求的用户提供多路复用服务的同时（即：允许同一颗卫星向多个终端提供共享接入），对于仅需全带宽接入的情形，则采用 dedicated mode模式；在多星协同通信场景下，在确保各参与卫星使用不同的载波频率资源池的前提下实现动态频谱分配策略的应用，在保证用户体验的同时显著提升了整体通信效率

2 理论分析

2.1 滤波器

加窗滤波模块的设计中，在信号处理中采用了多相结构对各子带进行同步处理。该算法的具体运行流程如图2所示：

如图2所示，加窗滤波模块的工作流程如下：左侧虚线框区域（左侧虚线框）中的子带级数据处理单元输出连接至该模块输入端口。该输入端口接收到来自多个子带间的综合数据集合（多个子带间的综合数据），每个集合均包含相同数量的数据条目；这些数据经过5次反复处理（图中显示为5次）。上部分区域（上侧）配置了时域滤波器电路（时域滤波函数），其形状类似于图示；该电路将被划分为五个长度相同的区间（五个区间），每个区间长度等于单次处理过程中的原始数据条目数目。随后对每次反复处理后的原始信号与对应的时域滤波器区间进行点积运算，并对其进行向右平移若干位的操作（横向箭头表示此过程）。平移后的结果会超出前一次的数据长度（超出前一次的数据长度）。最终将所有平移后的结果垂直叠加形成最终输出信号（下部实线框区域），每个输出点均来自五个区间的叠加结果

由于滤波器采用流水线架构处理各子带联合数据，在加窗滤波过程中输出的GFB-OFDM符号数据中包含了前后相邻符号的部分子带联合信息。这种特性将导致信道干扰（ISI）产生。为解决此特性带来的负面影响，在滤波器之前将当前符号最后一批子带联合信息复制至当前符号头部进行预处理后通过加窗滤波实现移位叠加输出；仅保留本symbol的数据以消除信道干扰（ISI）。若此方法难以有效实施，则可采用在每个symbol前后附加与之对应的参考信号块的方式完全消除信道干扰（ISI）。

根据以上分析可知，在GFB-OFDM系统中使用的各子带滤波器需隔离各子带间的信号，并且为了减少相邻子带间的数据干扰，在选择这些滤波器时应特别注意其对外溢泄漏性能的优化设计。其中每个子带所采用的具体滤波器方案均可依据其特定的工作特性进行独立配置以满足系统的总体性能需求

本文仿真中所采用的滤波函数是基于频域平方根升余弦滤波器设计出来的时域函数；同时，在时域上采用升余弦型窗函数对信号进行加窗处理。

平方根升余弦滤波器的频域函数为根升余弦函数，表达式为：

如上所述，在分析结果中可以看出，在特定频段（即目标特定频率范围内）内，在该特定频率点处所对应的信号仅会受到与之直接关联的相邻频率点信号的影响；而与其他相邻频率点或不同频率范围内的信号之间则不存在任何相互影响的关系。

基于上述公式推导结果，在信号处理中可绘制子带上各子载波与其所属及相关子带权重因子的幅值与相位分布图，并对其参数进行详细配置。具体而言，在本设计中其参数取值分别为G为4、H为6、K为4、N为5。其中所述滤波器设计基于2.1节中的方法

子带0的权重因子的幅值图和相位图如图3所示 ：

每个载波的数据都是所有对应位置载波数据加权叠加的结果。本组每个载波的权重大小（除端点附近外）都在1附近波动，并且远大于其他各组对应的数值。本组所有载波均保持零点相位无任何变化。而其他各组中除端点附近的少数几个外其余数值都很小可忽略不计。通过分析幅度和相位分布图可以看出在各组之间存在一定水平的互相干扰其中接近端点的位置尤为突出因此采用CP-OFDM接收机仍能有效处理GFB-OFDM信号

对于子带边缘子载波干扰较为显著的问题，在滤波器设计上存在根本性缺陷。假设滤波器具有理想的矩形截止特性，则可以在各个子带上实现均匀的能量分配；然而这种理想化假设难以实现。为了有效消除边缘子载波干扰的影响，在接收端接收信号前需采取以下措施：一方面可以在信号边缘处人为地叠加若干个重复的子载波信号；另一方面还可以在滤波操作之前对滤波器的设计特性进行适当的预补偿处理；通过这些手段最终能够获得较为理想的滤波效果。

2.3 PAPR理论分析

基于GFB-OFDM系统信号传输模型的框图分析可知,每个子带内的处理过程与单载波波形的处理方式相同,进而得出结论:GFB-OFDM系统的PAPR等于子带数个单载波进行传输时所对应的PAPR值。

设子带联合处理前，第g个子带的数据为：

3 仿真分析

基于matlab仿真平台对gfb-ofdm和cp-ofdm系统的仿真实验中发现，在信号传输效率方面二者存在显著差异。研究重点从功率谱密度、误比特率以及不同子带数下的峰值信噪比三个方面展开评估。

GFB-OFDM仿真参数列表如表2所示 ：

3.1 功率谱密度

CP-OFDM与GFB-OFDM的功率谱密度图如图4所示。相较于CP-OFDM而言,GFB-OFDM具有更低的带外泄漏,并且在通带外功率衰减方面表现更为突出,这使得其在减少保护带宽方面具有显著优势

3.2 误比特率性能

如图5所示，在加性高斯白噪声信道环境下（AWGN），与循环前缀正交频分复用（CP-OFDM）相比而言，在误差矢量比（BER）上GFB-OFDM的表现仅略逊色于后者。在同一BER水平上,GFB-OFDM所需的有效信噪比（Eb/N0）相较于CP-OFDM增加了不超过0.1dB,这表明接收器对GBF-OFDM与CP-OFDM的接收性能差异极为微小。

3.3 峰均比性能

对比分析了基于pi/2BPSK和16QAM两种调制方案下DVB、CP-OFDM及GFB-OFDM三种信号形式的PAPR特性。如图6所示为三种信号形式在不同调制方案下的CCDF-PAPR曲线分布图。其中GFB-OFDM采用1至4个子频段，并通过调整CP-OFDM对应的子载波数目来保持一致的带宽范围；每个子图分别对应不同的子频段数量。

从图6可以看出，在累积互补分布函数（CCDF）值为10^-4的情况下，CP-OFDM系统的信噪比（PAPR）基本稳定在9.7 dB附近；相比之下，在相同的参数条件下，基于格子前向多载波（GFB）的正交频分多束技术系统因子带数目及调制方案的不同而呈现出显著的优势；值得注意的是，在某些特定参数设置下（如接近数字视频广播系统DVB的要求），GFB-OFDM系统的信噪比表现尤为突出。

4 结束语

探讨适配性对于推进一体化网络发展具有重要意义