滤波器组多载波通信系统中虚部干扰问题研究

Filter bank multicarrier (FBMC) modulation has been recognized as a potential alternative to cyclic prefixed orthogonal frequency division multiplexing (CP-OFDM), for some emerging scenarios of the 5th generation mobile communication system. However, due to the imaginary interference intrinsic to FBMC systems, FBMC is still not comparable with OFDM in terms of system complexity and error performance, when channel estimation and multiple antennas (MIMO) are taken into consideration. In this proposal, we plan to investigate (1) relationship between the FBMC imaginary interference and prototype filter, and design of the prototype filter; (2) pilot design for FBMC systems and channel estimation methods that mitigate the imaginary interference on pilot symbols; (3) imaginary interference mitigation in MIMO-FBMC systems; (4) design, implementation and test of an FBMC prototype system. The aim of the proposal is to obtain effective methods that suppress the imaginary interference or cancel its influence, for FBMC channel estimation and MIMO-FBMC systems, and to obtain the optimal prototype filter that supports these methods. The FBMC prototype system is designed to demonstrate the effectiveness and advantages of the proposed imaginary interference mitigation methods. The outcomes of proposed project could benefit the design of future FBMC systems and enable the adoption of FBMC technique in 5th generation mobile communication system.

滤波器组多载波（FBMC）技术及其在未来第五代移动通信（5G）的应用前景已经受到广泛重视，但因为虚部干扰的存在，FBMC在信道估计和多天线（MIMO）方面，与循环前缀正交频分复用（CP-OFDM）相比，还存在方案复杂和性能差距等问题。本项目针对FBMC系统的虚部干扰问题，拟对（1）FBMC信号虚部干扰的形成机制和原型滤波器设计、（2）FBMC信号导频设计和信道估计中虚部干扰的抑制、（3）MIMO-FBMC中虚部干扰的抑制、（4）技术验证样机的设计、实现和测试，共四个方面开展研究。获得在信道估计和MIMO传输中，能有效抑制虚部干扰和消除虚部干扰影响的方法和技术方案，以及支持这些方法和技术方案的最优化原型滤波器，并通过FBMC系统样机验证这些方法和技术方案的有效性和性能优势，从而推进FBMC技术发展和在5G中的应用。

滤波器组多载波（FBMC）技术及其在未来第五代移动通信（5G）的应用前景已经受到广泛重视，但因为虚部干扰的存在，FBMC在信道估计和多天线（MIMO）方面，与循环前缀正交频分复用（CP-OFDM）相比，还存在方案复杂和性能差距等问题。本项目针对FBMC系统的虚部干扰问题，对（1）FBMC信号虚部干扰的形成机制和原型滤波器设计、（2）FBMC信号导频设计和信道估计、（3）MIMO-FBMC、（4）技术验证样机，共四个方面开展研究。在滤波器设计、波形设计、导频设计、信道估计和MIMO-FBMC等方面获得了一系列研究成果，主要包括：面向信道估计优化的原型滤波器设计、低频率扩展的短滤波器设计、利用虚部干扰的FBMC信号拖尾抑制、基于梳状导频的前导序列设计与信道估计、MIMO-FBMC系统基于频分复用结构的前导序列优化及信道估计、基于频域扩展的MIMO-FBMC系统架构、FBMC块状Alamouti编码设计、FBMC Alamouti分集接收机。这些方案或者有效抑制虚部干扰、或者消除虚部干扰影响、甚至利用虚部干扰提升FBMC系统的误码率和频率效率性能，使FBMC具有和OFDM相当的信道估计性能和MIMO下的误码率性能。本项目还开发了一套基于USRP硬件和自行研发软件部分的系统原型验证平台，对于系统的时差频差容忍能力、抗干扰能力、容量增益、频谱效率等相关性能进行测试，并与相应的OFDM系统进行对比，测试结果表明FBMC系统相比OFDM在这些方面具有明显优势。考虑到实现复杂度和兼容性，5G最终沿用了4G的OFDM作为调制技术。但在一些特殊的应用领域，比如空间通信和军事通信，考虑到FBMC在抗频偏、支持异步通信和频谱效率上的优势，FBMC仍有一定的应用前景。本项目研发的滤波器组多载波关键技术，包括滤波器设计、波形设计、导频设计和多天线技术等，可以作为技术基础服务于这些应用领域。