FBMC physical layer: a primer

滤波器组多载波传输技术物理层：入门指南

概要：

FBMC技术引导了一种相对传统通信网络加强了的物理层，这是一种促成新概念，尤其是认知无线电(Cognitive Radio)的使能技术。 本文档的目的是提供一个FBMC的综述，并强调一些影响通信网络的特性。阅读本文的唯一前提要求是有关数字信号处理的基本知识，尤其是采样定理和快速傅里叶变换（FFT）以及有限长单位冲激响应(FIR)滤波器。更多关于已提到的技术的一些进展和与其相关的替代品以及更多复杂的方法都可以在该网站获取http://www.ict-phydyas.org。

本文以FFT在多载波通信的直接应用来展开，指出这种最简单化的途径的局限性，尤其是频谱泄露。然后，将展示FFT途径可以演进为一种能直接设计和实现滤波器组的途径。对每个数据块而言，时间窗被扩展到多个载波符号周期之外，并在时域上出现符号重叠。此时重叠是基于传统有效的单载波调制，其中的码间串扰是可以避免的，如果信道滤波器满足奈奎斯特准则的话。这个基本原理将可以应用到多载波传输上。至于应用方面，滤波器组途径仅仅是直接FFT途径的一个延伸，并且它可以被理解为一个扩展FFT。另一种方案有着更少的计算需求，就是所谓的”多相网络-快速傅里叶变换"(PPN-FFT)技术，该技术保持着FFT的点数但添加了一系列数字滤波器。 与必须保证所有载波的正交性的正交频分复用(OFDM)不同的是，FBMC只需要相邻子信道正交即可。事实上，OFDM是在给定的频率带宽上进行开拓，而FBMC则是用这给定的带宽将传输信道分解成一定数目的子信道。为了充分利用子信道带宽，子信道的调制器必须配合相邻正交性的约束，为此使用了偏移正交幅度调制(OQAM)。 滤波器组和OQAM调制的结合可得到最大的比特率，且不需要用于OFDM的保护时间(guard time)和循环前缀(cyclic prefix)。

传输信道的效应在子信道层级被补偿。子信道均衡器可以处理载波频偏、时偏以及相位和幅度的畸变，因此可以接纳异步用户。当FBMC工作突发传输状态时，突变的长度会被扩展以允许由滤波器脉冲响应引起的始末转变。如果允许一些临时频率泄漏的话，这些转变可能被削减，例如无论何时频隙(frequency gap)都会在相邻用户间出现。作为一种多载波方案，FBMC可得益于多天线系统，于是MIMO技术得以应用。而且既然借助于OQAM调制，那么在当前的多元化环境下为一些MIMO途径所作的配合也是必要的。

FBMC系统可能和OFDM系统共存。由于FBMC是OFDM的演化，所以一定程度的兼容是可以预见的。事实上，初始相位对双方可能是共同的，而且有效的双工模式应用也将被意识到。

在多用户环境下，一旦空闲子信道出现在两者之间，分配给用户的子信道或子信道组会被尽快分离。因此用户不必被异步化即可获取传输系统的通道。这是一个针对上行链路的关键设备——对由基站管理的网络或者未来的“机会通信”(opportunistic communications)都是如此。而在认知无线电领域，FBMC技术提供了这样一种可能：用相同的设备协同实现频率感测(spectrum sensing)和信息传输的功能。更重要的是，用户将享受到一种有可靠保证的频谱保护。

Contents:

Summary

• 1. 作为多载波调制器的FFT
• 2. FFT的滤波效应
• 3. 原型滤波器的设计——奈奎斯特准则
• 4. 扩展FFT来实现滤波器组
• 5. 用PPN-FFT降低计算复杂度
• 6. OQAM调制
• 7. 传输通道效应
• 8. 子信道均衡器
• 9. FBMC的突发传输
• 10. MIMO和FBMC结合
• 11. 与OFDM的兼容性
• 12. 网络中的FBMC

2.FFT的滤波效应

让我们假设FFT在串行传输样本的速率运行。