一種適合5G的新型多載波技術(shù)——FB—OFDM

張萬(wàn)春

摘要：提出了一種適合5G的新型多載波技術(shù)——基于濾波器組的正交頻分復(fù)用（FB-OFDM）技術(shù)，即在收發(fā)端通過(guò)多相濾波器進(jìn)行子載波級(jí)濾波，簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，與LTE系統(tǒng)兼容。認(rèn)為在FB-OFDM系統(tǒng)中，根據(jù)不同場(chǎng)景的需求側(cè)重點(diǎn)，選擇合適的波形函數(shù)調(diào)制發(fā)射數(shù)據(jù)，能夠靈活地適用于不同的業(yè)務(wù)。最后以擴(kuò)展根升余弦函數(shù)為例，通過(guò)仿真驗(yàn)證了FB-OFDM系統(tǒng)的帶外泄露小，異步性能好。

關(guān)鍵詞： 多載波；濾波器組；多相濾波器；波形函數(shù)

Abstract： In this paper， a new type of multi-carrier technology—filter bank- orthogonal frequency division multiplexing （FB-OFDM） technology， which is suitable for 5G， is proposed. Subcarrier level filtering is carried out at the transceiver through polyphase filter， so as to simplify the implementation and be compatible with LTE system. According to the focuses of requirements in different scenes， FB-OFDM system can select appropriate waveform function modulation to transmit data which can be flexibly applied into different businesses. At last， taking expanding raise roof cosine as an example， it is verified through simulation that the out-of-band leakage of the FB-OFDM system is low and the asynchronous performance is good.

multicarrier； filter bank； polyphase filter； pulse function

長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（LTE）是4G無(wú)線蜂窩通信技術(shù)。LTE采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，子載波和OFDM符號(hào)構(gòu)成的時(shí)頻資源組成了LTE系統(tǒng)的無(wú)線物理時(shí)頻資源[1]。目前OFDM技術(shù)在無(wú)線通信中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。通過(guò)使用循環(huán)前綴（CP），CP-OFDM系統(tǒng)能很好地解決多徑時(shí)延問(wèn)題，并且將頻率選擇性信道分成了一套平行的平坦信道，簡(jiǎn)化了信道估計(jì)方法，提高了信道估計(jì)精度。然而，由于CP-OFDM系統(tǒng)帶外泄漏較大，目前LTE系統(tǒng)在頻域上使用了保護(hù)間隔，這就降低了頻譜效率，且CP-OFDM系統(tǒng)性能對(duì)相鄰子帶間的頻偏和時(shí)偏比較敏感，要求相鄰子帶間的用戶嚴(yán)格同步，因此不利于不同子帶間不同業(yè)務(wù)的應(yīng)用。

現(xiàn)在各大公司開始了無(wú)線通信5G技術(shù)的研究，其中，抑制帶外泄漏是一個(gè)重要方向。文獻(xiàn)[2-8]提到了一些新型多載波技術(shù)，如基于濾波器組多載波的移位正交幅度調(diào)制（FBMC-OQAM）技術(shù)，基于子帶濾波的正交頻分復(fù)用（F-OFDM）技術(shù)，通用濾波的多載波（UFMC）技術(shù)和通用頻分復(fù)用（GFDM）技術(shù)。這些技術(shù)可以在一定程度上抑制帶外泄漏，但也都有一定的缺點(diǎn)，如FBMC-OQAM技術(shù)的信道估計(jì)和與多輸出多輸入（MIMO）技術(shù)相結(jié)合是個(gè)難點(diǎn)[9-10]；UFMC技術(shù)和F-OFDM技術(shù)子帶間需要一定的保護(hù)間隔，對(duì)同一子帶上的用戶仍然需要嚴(yán)格同步；GFDM技術(shù)時(shí)頻域數(shù)據(jù)間不正交，接收端解調(diào)復(fù)雜度會(huì)比較高[11-12]。

2015年12月3GPP RAN會(huì)議上的5G SI提案里提出了對(duì)基于OFDM的新波形方案的研究。文章介紹的就是OFDM+濾波器組（FB）的方案，簡(jiǎn)稱為基于濾波器組的正交頻分復(fù)用技術(shù)（FB-OFDM）。與其他新型多載波技術(shù)相比，F(xiàn)B-OFDM技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)[13]。

1 FB-OFDM技術(shù)原理

FB-OFDM技術(shù)在原理上是通過(guò)多個(gè)濾波器（即濾波器組）對(duì)傳輸帶寬里的多個(gè)子載波分別濾波，然后再疊加在一起形成時(shí)域數(shù)據(jù)信號(hào)。

FB-OFDM與其他方案的區(qū)別為：

（1）UFMC和F-OFDM都是對(duì)整個(gè)子帶進(jìn)行濾波，而FB-OFDM是子載波級(jí)濾波。

（2）FBMC-OQAM是基于實(shí)數(shù)調(diào)制，實(shí)數(shù)+設(shè)計(jì)好的相位因子，可以使得不同資源元素（RE）的數(shù)據(jù)之間準(zhǔn)正交，而FB-OFDM是基于復(fù)數(shù)調(diào)制。

（3）GFDM時(shí)頻域數(shù)據(jù)間不正交，而FB-OFDM根據(jù)不同場(chǎng)景選擇合適的波形函數(shù)和符號(hào)間隔，可以使得時(shí)頻域數(shù)據(jù)間準(zhǔn)正交，且FB-OFDM在收發(fā)側(cè)采用相匹配的多相濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，GFDM并沒(méi)有提及這一點(diǎn)。

FB-OFDM技術(shù)在原理上是對(duì)傳輸帶寬里的每個(gè)子載波進(jìn)行濾波，但是當(dāng)傳輸帶寬里的子載波個(gè)數(shù)非常多時(shí)，這種操作方式就會(huì)非常復(fù)雜，而且也不利于與LTE技術(shù)兼容。為了簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)技術(shù)的復(fù)雜度，我們可以使用多相濾波器來(lái)處理。

1.1 FB-OFDM系統(tǒng)發(fā)射端原理

FB-OFDM技術(shù)在發(fā)射端的具體實(shí)現(xiàn)如下：先對(duì)子幀內(nèi)每個(gè)符號(hào)的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉反變換（IFFT）處理，然后對(duì)子幀內(nèi)IFFT處理后的時(shí)域數(shù)據(jù)使用多相濾波器進(jìn)行處理。

FB-OFDM系統(tǒng)發(fā)射端原理如圖1所示，其中虛線框內(nèi)是多相濾波器模塊的操作，這個(gè)操作代替了LTE的加CP操作，其余模塊與LTE的完全相同。

圖1的多相濾波器框圖中，Z-1為延時(shí)移位處理，S↓為下采樣，S↑為上采樣，濾波器1、濾波器 2、……、濾波器N。多相濾波器的參數(shù)與選擇的波形函數(shù)有關(guān)，先對(duì)預(yù)先選擇的波形函數(shù)進(jìn)行處理，將處理后的參數(shù)值傳遞給多相濾波器。

當(dāng)波形函數(shù)為矩形且符號(hào)間隔[T1]=[T0]+CP（[T0]為子載波間隔的倒數(shù)，CP為循環(huán)前綴）時(shí)，多相濾波器模塊的操作就等價(jià)于LTE里的添加CP的操作，F(xiàn)B-OFDM方案就變回到LTE方案了。

在FB-OFDM系統(tǒng)側(cè)可以配置波形函數(shù)參數(shù)，不同的參數(shù)值對(duì)應(yīng)著不同的波形函數(shù)。根據(jù)不同場(chǎng)景的需求側(cè)重點(diǎn)，用戶設(shè)備（UE）可以選擇合適的波形函數(shù)調(diào)制發(fā)射數(shù)據(jù)，如對(duì)于帶外泄漏抑制要求比較高的場(chǎng)景，可以選擇升余弦函數(shù)、IOTA函數(shù)等等；對(duì)于數(shù)據(jù)解調(diào)性能要求比較高，但對(duì)帶外泄漏抑制要求不高并且頻偏和時(shí)偏比較小的場(chǎng)景，可以選擇矩形函數(shù)回退到LTE。

符號(hào)間隔[T1]也可作為FB-OFDM系統(tǒng)側(cè)參數(shù)，當(dāng)信道條件非常好時(shí)，[T1]可以小于[T0]，實(shí)現(xiàn)超奈奎斯特傳輸，提高系統(tǒng)容量；當(dāng)信道條件差時(shí)，[T1]可以大于[T0]，使得FB-OFDM系統(tǒng)的符號(hào)間子載波間的數(shù)據(jù)接近正交。符號(hào)間隔[T1]也在多相濾波器模塊里實(shí)現(xiàn)。

不同波形函數(shù)及其相應(yīng)的參數(shù)對(duì)帶外泄漏抑制以及數(shù)據(jù)解調(diào)性能的影響也不同。我們需要對(duì)波形函數(shù)做更多研究，以挑選出一些更好的波形函數(shù)。

1.2 FB-OFDM系統(tǒng)接收端原理

FB-OFDM系統(tǒng)接收端原理如圖2所示，其中虛線框內(nèi)是多相濾波器模塊的操作，這個(gè)操作代替了LTE去CP操作，其余模塊與LTE的相同。

圖 2的多相濾波器框圖中，Z-1為延時(shí)移位處理，S↓為下采樣，S↑為上采樣。這里采用了最小均方差（MMSE）算法的濾波處理，可以抑制符號(hào)間的干擾，提升接收端解調(diào)性能。

2 FB-OFDM技術(shù)性能仿真

及分析

為了很好地抑制帶外泄漏，F(xiàn)B-OFDM系統(tǒng)可以選擇不同的波形函數(shù)進(jìn)行調(diào)制。文章中，我們就以擴(kuò)展根升余弦函數(shù)為例進(jìn)行介紹。

2.1 一種適合FB-OFDM技術(shù)的波形

函數(shù)

擴(kuò)展根升余弦函數(shù)由兩個(gè)函數(shù)乘積構(gòu)成，其中一個(gè)函數(shù)為：頻域上的根升余弦函數(shù)通過(guò)傅里葉變換到時(shí)域上的函數(shù)；另一個(gè)函數(shù)為：時(shí)域升余弦函數(shù)。由于是通過(guò)根升余弦函數(shù)擴(kuò)展而獲得的新函數(shù)，在文章中，我們將此新函數(shù)定義為擴(kuò)展根升余弦函數(shù)。

我們可以推導(dǎo)出頻域上的根升余弦函數(shù)通過(guò)傅里葉變換到時(shí)域上的函數(shù)具體生成。設(shè)頻域上的升余弦函數(shù)[y（f）]表達(dá)式為：

那么，頻域根升余弦函數(shù)（根升余弦函數(shù)即為升余弦函數(shù)的平方根）為[sry（f）=y（f）]。

其中，A為常數(shù)；[α]為滾降因子，取值范圍為[0，1]；|.|為絕對(duì)值運(yùn)算符；[f0]為頻域升余弦函數(shù)在頻域上的半值寬度的一半。那么，頻域根升余弦函數(shù)在時(shí)域的表達(dá)形式為：

[IFsry（t）=IFFT（sry（t））] （1）

其中，[IFFT（.）]表示對(duì)頻域函數(shù)做IFFT變換，成為時(shí)域函數(shù)。

我們還可以推導(dǎo)出時(shí)域升余弦函數(shù)具體生成過(guò)程。

設(shè)時(shí)域升余弦函數(shù)表達(dá)式為：

其中，B為常數(shù)；[β]為滾降因子，取值范圍為[0，1]；|.|為絕對(duì)值運(yùn)算符；[T0]為升余弦函數(shù)的半值寬度的一半。

擴(kuò)展根升余弦函數(shù)[W（t）]為：

[W（t）= IFsry（t）x（t）] （2）

函數(shù)[IFsry（t）]具有很窄的頻譜特性，其頻譜的半值寬度為[f0]，而且該函數(shù)的相關(guān)特性比較好，有利于保證符號(hào)間正交；但是該函數(shù)在時(shí)域上無(wú)限長(zhǎng)，如果直接用來(lái)調(diào)制IFFT之后的符號(hào)數(shù)據(jù)，則符號(hào)數(shù)據(jù)也將無(wú)限長(zhǎng)。函數(shù)[x（t）]具有很窄的時(shí)域特性，其時(shí)域的半值寬度為[T0]。因此將這兩個(gè)函數(shù)乘積獲得的擴(kuò)展根升余弦函數(shù)同時(shí)具有很好的頻域特性和時(shí)域特性。

2.2 性能仿真結(jié)果及分析

以擴(kuò)展升余弦函數(shù)為例，F(xiàn)B-OFDM技術(shù)方案與OFDM（即LTE）的仿真性能對(duì)比，本節(jié)內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：功率譜密度（PSD），無(wú)時(shí)偏無(wú)頻偏BLER（誤比特率）性能，相鄰子帶存在其他異步用戶干擾時(shí)的BLER性能（子帶間無(wú)保護(hù)子載波），同一子帶的相鄰子幀存在其他異步用戶干擾時(shí)的BLER性能。

FB-OFDM技術(shù)方案的仿真參數(shù)如表1所示。

（1）PSD

圖3顯示，與OFDM相比，F(xiàn)B-OFDM的帶外泄漏很小，而且在傳輸帶寬之外的邊緣，F(xiàn)B-OFDM能量泄漏衰減很快，這有利于減少保護(hù)子載波個(gè)數(shù)。

（2）無(wú)時(shí)偏無(wú)頻偏BLER性能

圖4顯示，在加性高斯白噪聲（AWGN）和無(wú)時(shí)偏無(wú)頻偏情況下，與OFDM相比，F(xiàn)B-OFDM性能降低的非常小。因此FB-OFDM以非常小的代價(jià)就能夠換取帶外泄漏的明顯降低。

（3）相鄰子帶存在其他異步用戶干擾時(shí)的BLER性能

圖5顯示，當(dāng)相鄰子帶存在其他異步用戶干擾時(shí)，F(xiàn)B-OFDM明顯好于OFDM方案。這有利于子帶間用戶的異步及使用不同特性的業(yè)務(wù)。

（4）同一子帶的相鄰子幀存在其他異步用戶干擾時(shí)的BLER性能

圖6顯示，同一子帶的相鄰子幀存在其他異步用戶干擾時(shí)， FB-OFDM方案明顯好于OFDM方案。這有利于降低對(duì)用戶同步的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章首先介紹了FB-OFDM技術(shù)原理，隨后給出了一種波形函數(shù)的性能仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出，F(xiàn)B-OFDM技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì)：

（1）與LTE技術(shù)兼容性好?？梢院芊奖愕鼗赝说絃TE的OFDM技術(shù)，兼容LTE的MIMO方案。從前文中FB-OFDM方案發(fā)射端和接收端原理框圖可以看出，與LTE相比，F(xiàn)B-OFDM方案僅僅是多了一項(xiàng)多相濾波器模塊的操作，而且這個(gè)操作可以獨(dú)立進(jìn)行，因此從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度看，F(xiàn)B-OFDM方案與LTE具有著很好的兼容性。

（2）波形函數(shù)選擇靈活性好。不同場(chǎng)景使用不同的波形函數(shù)，以滿足不同場(chǎng)景的重點(diǎn)需求。

（3）帶外泄漏小。通過(guò)選擇合適的波形函數(shù)，可以很好地抑制帶外泄漏，有利于減少保護(hù)子載波個(gè)數(shù)，并且提高頻譜效率，特別是提高窄帶頻譜效率。

（4）異步性能好。不同子帶間可以異步，不同子帶的子載波間隔和符號(hào)長(zhǎng)度可以不同，以滿足不同業(yè)務(wù)的需求，而且子帶間不需要保護(hù)間隔。同一子帶的不同子幀用戶對(duì)同步的要求也降低了。

（5）資源調(diào)度靈活。由于是子載波級(jí)濾波，因此子帶的最小單位可以是單個(gè)子載波，即可以基于單個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)度，并且每個(gè)子載波之間可以異步。