1.3 FBMC/OQAM的演进历史和关键技术

1.3.1 FBMC/OQAM的演进历史

作为现代社会不可缺少的一部分，移动通信正在高速发展并改变着人们的生产和生活方式。移动网络已经成为我们生产、生活和娱乐的必备品，虽然移动网络看不见摸不着，但移动上网、通话都离不开它。在过去的30多年中，移动通信技术已经从第1代发展到了第4代，也就是传统意义的1G到4G。

第1代移动通信系统（1G）是模拟式通信系统。模拟式代表在无线传输采用模拟式的FM调制，将介于300～3400Hz的语音信号转换到高频的载波频率MHz上。这样的模拟通信有很多缺点，比如，保密性不强、系统容量有限及无法传输数据等，也就是说，第1代移动通信系统是无法实现通过手机上网的，这在今天来说无法想象。美国第1代移动通信系统由1984年的AMPS（Advanced Mobile Phone System）制式发展而来，这一制式在加拿大、南美、澳洲及亚太地区被广泛采用。而我国在20世纪80年代初期移动通信产业还属于一片空白，直到1987年的广东第六届全运会上蜂窝移动通信系统才正式启动。随着技术的发展，很快2G时代就来到了人们的身边。我们通常认为2G才是移动通信的真正起点，数字信号取代模拟信号。相比第1代移动通信系统，第2代移动通信系统具备高度的保密性，系统的容量也在增加，同时从这一代开始通过手机也可以上网了。第一款支持WAP的GSM手机是诺基亚7110，它的出现标志着手机上网时代的开始，而那个时代GSM的网速仅有9.6KB/s。2G时代虽然有很多标准，包括当时比较热门的TDMA、CDMA及GSM，但是逐渐开始出现主流的网络制式。由于占尽先机同时获得广大厂商的支持，2G时代GSM开始脱颖而出成为最广泛采用的移动通信制式。早在1989年，欧洲就以GSM作为通信系统的统一标准并正式商业化，同时在欧洲起家的诺基亚和爱立信开始攻占美国和日本市场，仅仅10年时间诺基亚战胜摩托罗拉成为全球最大的移动电话商。第2代移动通信技术标准竞争结束，随后通信厂商也在思考通信标准下一步该往哪个方向发展，此时人们对移动网络的需求不断加大，因此第3代移动通信网络必须在新的频谱上制定出新的标准，享用更高的数据传输速率。终于，国际电信联盟（ITU）发布了官方第3代移动通信（3G）标准IMT-2000（International Mobile Telecommunications 2000，国际移动通信2000标准）。3G存在四种标准制式，分别是CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。其中，TD-SCDMA是我国提出的3G标准，并在2009年实现中国移动商用。3G较之2G实现了再次的提速和更多的通信方式，我们熟悉的可视通话（电话会议）、流媒体、GPS、在线播放等功能也孕育而生。

2013年12月，工信部在其官网上宣布向中国移动、中国电信、中国联通颁发“LTE/第4代数字蜂窝移动通信业务（TD-LTE）”经营许可，也就是4G牌照。至此，移动互联网的网速达到了一个全新的高度。对于用户而言，3G、4G网络最大的区别在于传输速度不同。4G网络作为最新一代通信技术，在传输速度上有着非常大的提升，理论上网速度是3G的50倍，实际体验也都在10倍左右，上网速度可以媲美20M家庭宽带。因此，4G网络可以具备非常流畅的速度，可以观看高清电影、大数据传输速度非常快。但不管是TD-LTE还是FD-LTE，4G都是采用OFDM技术作为其无线接入标准的。

在4G开始商用以后，5G的标准制定和研发也被提上了日程。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。与4G相比，5G不仅将进一步提升用户的网络体验，同时还将满足未来万物互联的应用需求。前几代技术主要是满足人与人的移动通信单一需求，而未来5G的应用场景要广泛得多，既要满足高速率、低时延的要求，还要同时满足物联网海量数据连接的需求。由于OFDM技术的自身固有缺陷，存在高峰均比、对频率偏移敏感、循环前缀造成了频谱浪费、带外泄露过高等缺点，OFDM传输技术并不能满足未来5G的业务需求。FBMC技术由于具有良好的带外抑制，不需要循环前缀，极高额频谱利用率，各载波间不需要保持同步，适合零散化的碎片频谱利用等优点，它的很多特性满足5G通信的需求，近年来受到越来越多学者的关注和研究。1967年[53，54]有学者同时提出了FBMC和OFDM，事实上第一个多载波技术也是使用滤波器组对多载波信号进行处理分析的。但是，由于FBMC和OFDM的计算复杂度高，在当时来说基本不太可能实现，所以在很长一段时间里被人们所忽视。随着信号处理硬件水平的提高和快速傅里叶算法的运用，OFDM首先被学者们关注并且最后广泛地应用在现今的各大通信系统中。伴随着人们对高速率、更稳定通信的需求的增加，以及频谱资源紧缺和应用场景复杂等通信问题日益凸显，同时具有良好时频特性的滤波器组和更低复杂度的传输框架的研究发展[55～60]，具有更多优势的FBMC引起了国内外学者们越来越多的关注。标准推进组IMT-2020（5G）已经将FBMC列为我国5G的无线传输技术备选方案之一。

FBMC中可以通过以下三种方式来保证载波间正交。

（1）使用奇数或偶数号子载波实现正交：FBMC中子载波只与相邻的子载波有重叠，与不相邻的子载波间没有重叠。因此，只需要使用FBMC带内的奇数号或偶数号子载波就可以保证任何子载波间正交，没有相互干扰。每个子载波都是完全独立的，可以使用任何QAM调制方式，这种方式显然会降低频谱的使用效率和传输速率。

（2）交错使用FBMC子载波的实部和虚部实现正交：由于特定子载波只与相邻子载波有重叠，保持子载波正交的另一种方法是使用奇数号子载波的虚部和偶数号子载波的虚部传输数据，但这显然会使得传输速率和频谱使用率减半。

（3）使用OQAM实现FBMC全速率正交传输：前面两种FBMC的传输方式虽然能保持子载波正交，但是传输速率和频谱效率都会减半。使用OQAM调制，对于各个子载波，交错对实部和虚部延后半个符号周期，这样既可以保证任何一个子载波与其相邻子载波之间正交，又可以实现全速率传输。为方便对OQAM调制的理解，图1-2给出了QAM调制和OQAM调制的格点图。

1.3.2 FBMC/OQAM中的两个关键技术

虽然与传统的OFDM系统相比，FBMC/OQAM具有它的优势，但是也存在一些问题需要继续研究。和传统的多载波技术一样，FBMC/OQAM技术也存在高峰均比值（PAPR）的问题。由于滤波器的卷积作用，FBMC/OQAM符号之间存在重叠情况，传统用来降低PAPR的方法不能直接应用在FBMC/OQAM系统中。而PAPR较高的信号在通过高功率放大器时会产生带内失真和带外泄露，使系统的性能大幅度降低。因此，降低PAPR对于FBMC/OQAM系统来说具有重要意义。FBMC/OQAM系统还面临着信道估计相对困难问题。由于FBMC/OQAM系统仅在实数域严格正交，滤波器基函数之间存在固有干扰，只是这些干扰均为虚数值，在信道均衡过程中可以通过取实部操作加以消除。但是在复信道条件下，信道估计值就是信道真实值和固有干扰的叠加，在导频点周围的数据事先未知的情况下，固有干扰很难消除，这严重影响了信道估计的精确度。事实上，信道估计已经成为影响FBMC/OQAM走向具体应用的重要因素。

因此，本节接下来将对FBMC/OQAM系统中降低PAPR和信道估计两个关键技术的研究现状进行概括分析。

1.FBMC/OQAM中降低PAPR技术

在传统的OFDM系统中，近10多年来有很多学者提出了多种降低信号PAPR的方法，例如，剪切法（Clipping）、部分传输序列法（Partial Transmission Sequence，PTS）、选择性映射法（Selective Mapping，SLM）和预留子载波法（Tone Reservation，TR）等[61～64]。但是由于滤波器的引入，FBMC/OQAM相邻数据在时域上存在重叠现象，而OFDM信号数据块是独立不重叠的。因此，传统的降低PAPR方法直接应用到FBMC/OQAM中的效果并不会像在OFDM中的那么理想，需要对降低FBMC/OQAM系统的PAPR方法进行更深入的研究。

在理论研究方面，文献[65]对FBMC/OQAM系统的互补累积分布函数（Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF）进行了理论推导，得出了FBMC/OQAM信号的CCDF公式。文献[66]将剪切法运用到FBMC/OQAM系统中，这样处理可以大幅降低信号的峰值平均功率比（PAPR），但是会导致功率谱密度的旁瓣大幅上升。在文献[67]中，作者研究了FBMC/OQAM系统中的选择性映射法（SLM），提出了一种重叠的选择性映射方法（Overlapped SLM，OSLM）。OSLM方法在选取相位旋转因子时，超过滤波器长度的部分在前面已选的相位旋转因子基础上按照PAPR最小原则选取。从仿真结果可以看出，OSLM方法降低PAPR的效果随着加权相位系数个数的增加而提高，而加权相位系数越多，计算量就越大。在文献[68，69]中，作者提出了两种基于SLM的FBMC/OQAM系统PAPR降低方法，这两种方法都考虑了FBMC/OQAM符号的重叠特性。上述4种基于SLM的处理都需要额外的频谱带宽来获得优化的相位序列。

文献[70]提出了一种基于滑动窗口的预留子载波方法（Sliding Window Ton Reservation，SW-TR），该方法是通过设定一定数量窗口，然后对窗内的信号进行限幅和削峰处理，最后对所有窗口信号进行叠加。仿真结果表明该方法可以较大程度地降低FBMC/OQAM信号的PAPR。基于滑动窗口的预留子载波方法是通过对每个窗口内的信号进行限幅削峰，并考虑了邻近窗口之间的重叠影响。文献[71]提出了一种多数据块预留子载波方法（Multiblock TR，MB-TR），MB-TR的核心思想是基于信号的重叠结构考虑相邻的数据块来获得限幅噪声，通过采用加权最小二乘法拟合峰值消除信号的限幅噪声的波形。仿真结果表明MB-TR可以提供比剪切控制预留子载波方法（Clipping Control TR，CC-TR）更优的PAPR抑制性能，并且计算复杂度还更低。Vangala等人[72]利用FBMC/OQAM重叠结构提出重叠缩放预留子载波（Overlapped Scaling TR，OS-TR）和多核预留子载波（Multi Kernel TR，MK-TR）方法，仿真结果表明这两种方法都能获得比MB-TR更好的PAPR抑制性能。

在文献[73]中，作者提出了FBMC/OQAM系统中一种分段的部分传输序列（Segmental PTS，S-PTS）PAPR降低方法。该方法通过把所有FBMC/OQAM数据块分成若干个部分，然后划分出一些不重叠的子数据块集，在每个部分中通过不同的相位因子来产生峰值最优化的信号。该方法在不降低误码性能情况下能取得一定的降低PAPR效果，但是基于PTS处理得到的优化子数据块没有考虑相邻段之间数据块叠加影响。Liu等人[74]提出了一种基于两步优化结构降低FBMC/OQAM系统PAPR的方法，称为预处理部分传输序列（Pretreated PTS，P-PTS）。与文献[73]中的S-PTS方法进行仿真对比分析，结果表明：P-PTS具有比S-PTS更优的PAPR抑制性能，而且具有更低的计算复杂度。在文献[75，76]中，作者们提出了降低FBMC/OQAM系统PAPR的联合算法，其中一种是结合SLM和TR的联合算法，另一种是结合子载波注入和压缩扩展变换的混合算法。很明显，这样的做法是把两种算法做了一个结合，利用了两种方法的联合性能。文献[77]提出了一种结合动态星座扩展和TR的联合算法。该联合算法在进行动态星座扩展过程时就考虑了FBMC/OQAM数据块重叠的影响，然后结合TR算法，结果表明该算法可以提供更优的联合性能。

通过对研究现状进行分析发现，近年来FBMC/OQAM系统的PAPR问题受到了学者们的广泛关注，相关研究也取得了一定的进展，但还可以从其他方面入手。例如，针对FBMC系统中降低PAPR的联合方法研究较少，由于联合算法具有比单一算法固有的联合优势，所以可以进一步研究联合算法来降低FBMC/OQAM系统的PAPR。然后在联合算法的基础上，结合FBMC/OQAM信号的重叠结构特征，提出考虑多数据重叠的联合优化来降低系统PAPR。

2.FBMC/OQAM中信道估计的研究介绍

在多载波系统中，传统的信道估计主要分为基于导频结构的信道估计和盲信道估计两种。基于导频的信道估计方面，由于FMBC/OQAM信号自身的特点，传统的OFDM信道估计方法不能直接被应用到FBMC/OQAM中。现有的研究主要基于导频结构来展开，从导频干扰近似和干扰利用两个角度进行了分析。文献[78～81]研究了基于干扰近似（Interference Approximate Method，IAM）的信道估计方法，提出了相应的多种导频结构，从理论和仿真上对比了它们的性能优劣。文献[82～86]从消除载波间干扰的角度，也就是干扰消除（Interference Cancellation Method，ICM）方面，先计算导频产生的干扰，然后将干扰从接收信号中消除，提出可通过相应的导频结构来提高信道估计的性能。在文献[86]中，不同于传统的最小二乘法（LS）估计方法，作者提出的是基于IAM的线性最小均方误差（Linear Minimum Mean Square Error，LMMSE）估计方法，通过仿真验证了可以在FBMC中实现LMMSE信道估计。

基于导频结构的信道估计方法的优点是估计精度较高，缺点是浪费了频率资源。而盲信道估计方法是通过利用大量的统计信息来估计信道参数，计算复杂度高。在导频估计和盲估计中间还存在一种半盲的估计方法，该方法通常是在盲估计的基础上利用少量导频来消除盲估计的相位模糊，从而提供一种更优的信道估计性能。随着信号处理硬件水平的提升，相信在未来盲信道估计算法和半盲信道估计算法会有一定的应用前景。

文献[87]提出了一种基于OQAM符号特征的IAM（OCB-IAM）半盲估计算法，该算法利用IAM导频结构和OQAM实符号的有限集合特征，将信道衰落系数幅度和相位分开估计，在仅获得导频位置而未知导频符号值的条件下实现了FBMC/OQAM系统半盲信道估计。文献[88]也提出了一种FBMC/OQAM系统半盲信道估计方法。该方法利用真实的传输符号的属性，不断地识别在接收到的信号中的信道诱导的旋转因子，从而达到降低导频开销的目的，仿真结果验证了该方法的有效性。文献[89]扩展了基于信号和干扰统计特性的一种半盲FBMC/OQAM系统信道估计方法。关于FBMC/OQAM系统的盲信道估计方法的研究较少，文献[90]提出一种FBMC/OQAM系统（采用IOTA滤波器）基于线性预编码的盲信道估计算法，通过预编码的自相关和互相关矩阵结构在接收端实现盲信道估计。文献[91]研究了在快速时变信道下基于FBMC的无线传输盲信道估计算法。提出了一种四阶功率高度算法，通过自动去卷积的步骤，可以直接估计信道冲击响应。

近年来，在稀疏信号处理领域发展起来一门新学科—压缩感知（Compressive Sensing，CS）技术[92～97]。大量的统计和实测发现，无线信道的脉冲响应具有很多的稀疏性[98～100]，一些学者提出应用压缩感知来进行信道估计[101～104]。现有基于压缩感知信道估计的研究多集中在OFDM系统[105～114]。查找已有的文献，只发现少量基于压缩感知的FBMC/OQAM系统信道估计的文献。文献[115]中，作者提出基于正交匹配追踪（Orthogonal Matching Pursuit，OMP）的IAM导频结构的FBMC/OQAM信道估计方法。仿真结果表明，对比传统的导频结构的LS信道估计方法，基于压缩感知的方法可以显著地提高信道估计性能。OMP、正则化正交匹配追踪（Regularized OMP，ROMP）、子空间追踪（Subspace Pursuit，SP）、压缩采样匹配追踪（Compressive Sampling Matching Pursuit，CoSaMP）等算法[116～119]是基于稀疏度已知情况下对信道进行估计的，而在实际情况中，信道稀疏度并不是已知的。稀疏自适应匹配追踪（Sparse Adaptive Matching Pursuit，SAMP）[120]算法是一类自适应估计稀疏度的信号重构算法，但是重构性能不如CoSaMP好。现有的研究表明[113，119]，CoSaMP算法是贪婪重构算法中的最优算法，但该算法的前提条件是必须获得信号的稀疏度。

通过对研究现状的分析和总结发现，FBMC/OQAM的信道估计技术还没有得到充分的研究，相关更优的算法还需要继续深入探讨。例如，可以在现有的导频序列中通过分析研究，寻找出更优的导频序列来优化FBMC/OQAM系统的信道估计精度。然后，由于传统的压缩感知重构算法大多是在稀疏度已知的情况下进行的，现有的针对FBMC/OQAM压缩感知信道估计的研究也集中建立在已知稀疏度的条件下，基于这样一种研究现状可以进一步研究稀疏自适应信道估计方法。从研究现状中还发现，目前，针对FBMC/OQAM系统盲信道估计算法的研究还比较少，后续可以作为一个研究内容来展开。