面向5G的新型多載波傳輸技術(shù)比較* 1

李　寧，周　圍,2

(1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065; 2.重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065)

?

面向5G的新型多載波傳輸技術(shù)比較* 1

李寧1，周圍1,2

(1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065; 2.重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065)

摘要：介紹了幾種面向5G的新型多載波傳輸技術(shù)：濾波器組多載波(FBMC,Filter Bank Multicarrier)、通用濾波多載波(UFMC,Universal Filtered Multicarrier)和廣義頻分復(fù)用(GFDM,Generalized Frequency Division Multiplexing)的基本原理，并從第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)支持的應(yīng)用場景和技術(shù)需求的角度對三種多載波傳輸技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。研究表明三種多載波傳輸技術(shù)的帶外泄露較低，F(xiàn)BMC系統(tǒng)不使用CP(CP,Cyclic Prefix)，因此具有很高的時(shí)頻效率，但FBMC系統(tǒng)幀的長度比較長，不適合短包類業(yè)務(wù)；UFMC對一組連續(xù)的子載波濾波，可以支持較短的幀結(jié)構(gòu)，但UFMC不使用CP，復(fù)雜度較高；GFDM基于獨(dú)立的塊調(diào)制，具有靈活的幀結(jié)構(gòu)，魯棒性好，復(fù)雜度比前兩者低，便于實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：多載波；第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)；濾波器組多載波；通用濾波多載波；廣義頻分復(fù)用

0引言

近年來，隨著智能終端設(shè)備的發(fā)展，新的技術(shù)和業(yè)務(wù)的不斷出現(xiàn)，未來無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將向多樣化、智能化發(fā)展，當(dāng)前的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)并不能滿足人們的需求。為了應(yīng)對未來海量的設(shè)備連接，不斷涌現(xiàn)的各類新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景如車聯(lián)網(wǎng)(Tactile Internet)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR,Virtual Reality)、在線游戲(Online Gaming)、機(jī)器類通訊(MTC,Machine-Type Communication)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT,Internet of Things)等[1]，第五代無線通信系統(tǒng)(5G Wireless Communication Systems)的研究正如火如荼的進(jìn)行，各個(gè)國家和地區(qū)都紛紛成立了研究和推進(jìn)5G技術(shù)發(fā)展的計(jì)劃或組織如歐洲的第七框架計(jì)劃里的METIS和5GNOW、韓國的5G Forum以及中國的IMT-2020等。

多載波傳輸技術(shù)是未來通信物理層的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中CP-OFDM(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)以其傳輸效率高，易通過FFT/IFFT實(shí)現(xiàn)，易與MIMO結(jié)合等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G LTE-A)和802.16m以及其它通信系統(tǒng)中[2]。但是傳統(tǒng)的CP-OFDM存在帶外泄漏高、同步要求嚴(yán)格、不夠靈活等缺點(diǎn)，不能很好的應(yīng)對未來的各種豐富的業(yè)務(wù)場景。而5G支持豐富的業(yè)務(wù)場景，每種業(yè)務(wù)場景對傳輸技術(shù)的需求各不相同，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)場景來動(dòng)態(tài)地選擇和配置不同的多載波傳輸參數(shù)，同時(shí)又能繼承傳統(tǒng)的CP-OFDM的優(yōu)點(diǎn)，是對5G多載波傳輸技術(shù)的必然要求，所以必須研究開發(fā)出新的多載波傳輸技術(shù)，以適應(yīng)5G新的業(yè)務(wù)的要求。本文將詳細(xì)的介紹幾種目前熱門的多載波傳輸技術(shù)：濾波器組多載波(FBMC)[3]、通用濾波多載波(UFMC)[4]、廣義頻分復(fù)用(GFDM)[5]的基本原理，并對各多載波傳輸技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較與總結(jié)，以對目前5G多載波傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀作一個(gè)綜合性的介紹。本文首先介紹為何傳統(tǒng)的CP-OFDM難以滿足新場景下的需求，然后給出三種新型多載波傳輸技術(shù)的基本原理，最后對幾種多載波傳輸技術(shù)進(jìn)行比較并總結(jié)。

1CP-OFDM系統(tǒng)缺陷

5G支持的應(yīng)用和業(yè)務(wù)將會(huì)變的多樣化智能化，不同的業(yè)務(wù)對空口的要求也不一樣，比如帶寬的業(yè)務(wù)要求更高的速率，對時(shí)延要求極為嚴(yán)格的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)以及物聯(lián)網(wǎng)的海量連接等。下面我們直接從5G支持的業(yè)務(wù)場景的角度來解釋為何CP-OFDM難以滿足新場景下的需求。

(1)靈活性問題[1，6-8]。事實(shí)上，一方面車聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)端到端1ms時(shí)延的要求，使得系統(tǒng)必須具有極短的時(shí)域符號和極短的傳輸時(shí)間間隔(TTI,transmission time interval)，而這就需要頻域較寬的子載波帶寬。另一方面，對于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)的很多傳感器同時(shí)連接時(shí)，單個(gè)連接傳送數(shù)據(jù)量極低，這屬于短包類突發(fā)式通信業(yè)務(wù)，這就需要在頻域上配置帶寬比較窄的子載波，這就會(huì)使時(shí)域符號和TTI足夠長，因此對于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)就幾乎可以不考慮時(shí)延擴(kuò)展的問題，也就不需要再引入CP?，F(xiàn)有OFDM方案的子載波帶寬確定后，符號的長度、CP的長度等也就確定了，因此，CP-OFDM系統(tǒng)的靈活性和應(yīng)變能力不足，這就要求新的傳輸技術(shù)能夠支持靈活的配置參數(shù)。

(2)精確的同步[1]。由于OFDM的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在子載波間的正交性，這就需要精確的同步，但如果對于物聯(lián)網(wǎng)場景中如此海量的鏈接都使用精確的同步過程，那么網(wǎng)絡(luò)將存在大量的同步信令，造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，同時(shí)異步操作還可以解決終端省電的問題。

(3)對零散頻段的利用[1]。由于各種原因，通信界中還有很多未使用的分散的頻段，為了解決頻帶資源稀缺的問題，可以將這些離散的頻段利用起來。5G將這些零散頻譜的利用作為5G支持的通信場景中的一種。但是由于CP-OFDM等效于使用矩形窗進(jìn)行脈沖成形，因此旁瓣功率泄露較大，這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的子載波間的干擾，對零散頻段的利用造成了困難。

2幾種面向5G新型多載波傳輸技術(shù)的基本原理

由于CP-OFDM不能滿足5G的需求，各國的學(xué)者紛紛開發(fā)研究出很多新的多載波傳輸技術(shù)，以彌補(bǔ)或者改進(jìn)傳統(tǒng)的CP-OFDM的缺陷。濾波器組多載波(FBMC)、通用濾波多載波(UFMC)、廣義頻分復(fù)用(GFDM)是目前業(yè)界討論的最多的多載波傳輸技術(shù)，下面將分別介紹三種多載波傳輸技術(shù)的基本原理。

2.1濾波器組多載波(FBMC)

FBMC系統(tǒng)由發(fā)送端的綜合濾波器組和接收端的分析濾波器組組成。分析濾波器組把輸入信號分解成多個(gè)子帶信號，綜合濾波器組對各個(gè)子帶信號進(jìn)行綜合后進(jìn)行重建輸出，由此可知，分析濾波器組和綜合濾波器組互為逆向結(jié)構(gòu)[7，9]。無論是分析濾波器組還是綜合濾波器組它們的核心結(jié)構(gòu)都是原型濾波器，濾波器組中的其它濾波器都是基于原型濾波器頻移而得到的，分析濾波器組和綜合濾波器組的原型函數(shù)互為共軛和時(shí)間翻轉(zhuǎn)[9]。圖1是FBMC系統(tǒng)基于IFFT/FFT實(shí)現(xiàn)的框圖，接收端輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換，然后通過OQAM處理以消除相鄰子載波之間的干擾，再經(jīng)過IFFT變換，之后進(jìn)入多相濾波器組，而接收端進(jìn)行相應(yīng)的逆變換恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。值得一提的是，由于原型濾波器可以根據(jù)實(shí)際的需求在一定準(zhǔn)則下進(jìn)行設(shè)計(jì)，各濾波器之間不再是正交的，因此FBMC子載波之間存在干擾，F(xiàn)BMC采用OQAM方式處理數(shù)據(jù)既可以避免相鄰子載波之間的干擾，又可以保持與FFT相同的碼率，使得所有的子載波得以充分利用。

圖1　基于IFFT/FFT實(shí)現(xiàn)的FBMC系統(tǒng)框

其中多相濾波器組的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中Hi(i=1,2,…,M-1)表示子帶濾波器頻率響應(yīng)的Z變換。

圖2　PPN結(jié)構(gòu)框

目前關(guān)于FBMC的研究大多集中在認(rèn)知無線電和頻譜感知的方面，旨在利用零散的頻段。這就要求原型濾波器在滿足一定準(zhǔn)則下旁瓣衰減水平高。圖3和圖4分別顯示了使用PHYDYAS項(xiàng)目組[9]設(shè)計(jì)的濾波器的FBMC系統(tǒng)與OFDM的子載波的衰減情況。

圖3　FBMC子帶衰減

圖4　OFDM子帶衰減

通過設(shè)計(jì)FBMC的原型濾波器的沖激響應(yīng)和頻率響應(yīng)，以達(dá)到降低帶外泄露的目的，便于利用零散的頻譜資源，并且各子載波之間不必是正交的，可以使用更小的頻率保護(hù)間隔，因此不需要插入循環(huán)前綴，使系統(tǒng)具有更高的時(shí)頻效率。但此時(shí)由于子載波之間不是正交的，必然會(huì)導(dǎo)致較高的符號間干擾(ISI,Inter Symbol Interference)。最后，由于FBMC能實(shí)現(xiàn)各子載波帶寬設(shè)置、各子載波之間的交疊程度的靈活控制，從而可靈活控制載波間干擾(ICI,Inter Carrier Interference)。值得說明的是，因?yàn)樽虞d波具有較窄的帶寬，發(fā)射濾波器的沖激響應(yīng)的長度通常很長，于是FBMC的幀的長度比OFDM的幀長，但FBMC符號中沒有循環(huán)前綴，從而可以彌補(bǔ)這種效率損失。此外，F(xiàn)BMC的計(jì)算復(fù)雜度高于OFDM，但由于信號處理和電子設(shè)備的顯著進(jìn)步，F(xiàn)BMC實(shí)際應(yīng)用是可行的。

2.2通用濾波多載波(UFMC)

由于FBMC濾波器的幀的長度要求使得FBMC不適用于短包類通信業(yè)務(wù)以及對時(shí)延要求較高的業(yè)務(wù)，所以有學(xué)者提出了一種針對FBMC的改進(jìn)方案—通用濾波多載波技術(shù)(UFMC)[4]。UFMC通過對一組連續(xù)的子載波進(jìn)行濾波操作，其中子載波的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行配置，這樣就能克服FBMC系統(tǒng)中存在的不足。當(dāng)每組中子載波數(shù)為1時(shí)UFMC就成為FBMC傳輸，所以FBMC是UFMC的一種特殊情況，因此UFMC也被稱為通用濾波的OFDM(UF-OFDM,universal filter OFDM)。圖5為UFMC的發(fā)射機(jī)框圖。

圖5　UFMC發(fā)射端框

如圖5所示，k表示第k位用戶，系統(tǒng)共有B個(gè)子帶，i為子帶索引，L為子帶濾波器的長度，IDFT的長度為N，則發(fā)射端疊加所有子帶后的信號為：

(1)

式中，Vik為第k位用戶的第i個(gè)子帶的IDFT矩陣，F(xiàn)ik是一個(gè)由濾波器沖激響應(yīng)組成的Toeplitz濾波矩陣，sik是第k位用戶的第i個(gè)子帶的傳輸信號，xk為所有子帶疊加后的信號。

UFMC不使用循環(huán)前綴，濾波器的長度取決于子帶的寬度。根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求配置子載波的個(gè)數(shù)使得UFMC變得更加靈活，因此UFMC具有FBMC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，還可以支持不同類型的業(yè)務(wù)。相比于FBMC的濾波器長度，UFMC技術(shù)可以使用較短濾波器長度，這樣可以支持短包類業(yè)務(wù)。

2.3廣義頻分復(fù)用(GFDM)

相對OFDM和FBMC，UFMC有更多優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)闆]有CP，UFMC比CP-OFDM對短時(shí)間的不重合更敏感，因此，UFMC可能對需要松散時(shí)間同步以節(jié)約能源的應(yīng)用場景不適合。為此，廣義頻分復(fù)用(GFDM)被提出[5,10]。圖6為GFDM的傳輸原理框圖。

圖6　GFDM發(fā)射端框

在GFDM系統(tǒng)中，K為子載波數(shù)，M為發(fā)送的符號數(shù)，每個(gè)符號進(jìn)行L≥K的上采樣，則總的采樣數(shù)N=KM，g[n]為脈沖成形濾波器，進(jìn)行GFDM調(diào)制后的信號為：

(2)

式中，k為子載波索引，m為符號索引，n為抽樣索引，其中k=0,…,K-1，m=0,…,M-1，n=0,…,N-1，則特別的取L=K，則N=KM，式2變?yōu)椋?/p>

(3)

A=(g00,…gK-1,0,g01,…,g0,M-1,…,gK-1,M-1)

d=(d00,…,dK-1,0,d01,…,d0,M-1,…,dK-1,M-1)T

當(dāng)L=K，則N=KM，A就成為一個(gè)N×N矩陣，d和x成為KM×1向量。所以GFDM調(diào)制器的矩陣形式為x=Ad。圖7為GFDM調(diào)制器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)框圖[10]。

圖7　GFDM調(diào)制器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)框

根據(jù)不同類型的業(yè)務(wù)和應(yīng)用對空口的要求，GFDM可以選擇不同的脈沖成型濾波器和插入不同類型的CP。此外由于GFDM信號在頻域具有稀疏性，可以設(shè)計(jì)較低復(fù)雜度的發(fā)射和接收算法。此外GFDM基于獨(dú)立的塊調(diào)制，通過配置不同的子載波與子符號，使得其具有靈活的幀結(jié)構(gòu)，可以適用于不同的業(yè)務(wù)類型。GFDM的子載波通過有效的原型濾波器濾波，在時(shí)間和頻率域被循環(huán)移位，此過程減少了帶外泄漏，使目前的服務(wù)或其他用戶之間不產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，因而具有FBMC的ICI抑制能力。

3FBMC、UFMC、GFDM技術(shù)比較

三種多載波調(diào)制技術(shù)FBMC、UFMC、GFDM具有各自的特點(diǎn)，表1對三種多載波傳輸技術(shù)在各個(gè)指標(biāo)下的性能特點(diǎn)[11]。

表1　FBMC、UFMC、GFDM比較

4結(jié)語

FBMC旁瓣水平低，降低了對同步的嚴(yán)格要求，但是濾波器的沖激響應(yīng)長度通常很長，所以FBMC的幀較長，不適用于短包類通信業(yè)務(wù)。UFMC是對一組連續(xù)的子載波進(jìn)行濾波處理，UFMC技術(shù)可以使用較短濾波器長度，這樣可以支持短包類業(yè)務(wù)，但UFMC沒有CP，因此對需要松散時(shí)間同步以節(jié)約能源的應(yīng)用場景不適合，此外FBMC和UFMC系統(tǒng)的復(fù)雜度較高。GFDM可以使用CP，具有靈活的幀結(jié)構(gòu)，可以適配不同的業(yè)務(wù)類型。但三種技術(shù)的復(fù)雜度均比OFDM復(fù)雜，其中GFDM的復(fù)雜度較低，不過根據(jù)摩爾定理，集成電路的發(fā)展將會(huì)彌補(bǔ)這一不足。

參考文獻(xiàn)：

[1]WunderG,JungP,KasparickM,etal.5GNOW:Non-orthogonal,AsynchronousWaveformsforFutureMobileApplications[J].CommunicationsMagazineIEEE,2014,52(2):97-105.

[2]NeeRV,PrasadR.OFDMforWirelessMultimediaCommunications[M].ArtechHouse,Inc,2000:1-15.

[3]Farhang-BoroujenyB.OFDMVersusFilterBankMulticarrier[J].IEEESignalProcessingMagazine,2011,28(3):92-112.

[4]VakilianV,WildT,SchaichF,etal.Universal-FilteredMulti-CarrierTechniqueforWirelessSystemsBeyondLTE[C].GlobecomWorkshops(GCWkshps),2013IEEE.IEEE,2013:223-228.

[5]FettweisG,KrondorfM,BittnerS.GFDM-GeneralizedFrequencyDivisionMultiplexing[C].IEEEVehicularTechnologyConference,2009:1-4.

[6]董愛先,王學(xué)軍.第5代移動(dòng)通信技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].通信技術(shù),2014,47(03):235-240.

DONGAi-xian,WANGXue-jun.TechnologiesandFutureDevelopmentTrendof5GMobileCommunicationSystem[J].CommunicationsTechnology,2014,47(03):235-240.

[7]謝顯中.第5代移動(dòng)通信基本要求與新型多址復(fù)用技術(shù)[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2015,27(04):435-440.

XIEXiang-zhong.KeyRequirementsandMulti-AccessMultiplexingTechniquesfor5G[J].JournalofChongqingUniversityofPostsandTelecommunications(NaturalScienceEdition),2015,27(04):435-440.

[8]SchaichF,WildT,CHENY.WaveformContendersfor5G-SuitabilityforShortPacketandLowLatencyTransmissions[C].VehicularTechnologyConference(VTCSpring),2014IEEE79th.IEEE,2014:1-5.

[9]BellangerMG.FBMCPhysicalLayer:aPrimer,PHYDYASDocument(Online).Available:http://www.ict-phydyas.org/teamspace/internal-folder/FBMC-Primer_06-2010.pdf.

[10]MichailowN,MattheM,GasparIS,etal.GeneralizedFrequencyDivisionMultiplexingfor5thGenerationCellularNetworks[J].IEEETransactionsonCommunications,2014,62:3045-3061.

[11]LUOFL.SignalProcessingTechniquesfor5G:AnOverview[J].ZTECommunications,2015(1):20-27.

Comparison of New Multicarrier Transmission Techniques for 5G

LI Ning1,ZHOU Wei1,2

(1.Chongqing Key Laboratory of Mobile Communications Technology;2.College of Optoelectronic Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

Abstract：This paper describes several 5G-oriented multicarrier transmission technologies,including FBMC (Filter Bank Multicarrier),UFMC (Universal Filtered Multicarrier) and GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing).In view of 5G application scenario and technical requirement,the three candidate multicarrier transmission technologies have fairly low out-of-band radiation,FBMC does not apply CP (Cyclic Prefix) and thus is able to approach a higher time-frequency efficiency,while with fairly long frame length,is not applicable to short-packet service.Meanwhile UFMC,with filtering on a group of subcarriers,can support short-frame structure,but without applying cyclic prefix (CP),thus has fairly high complexity.GFDM,based on the modulation of independent blocks,with flexible frame structure and good robustness,including low-complexity implementation,is suitable for practical applications.

Key words：Multicarrier;5G;FBMC;UFMC;GFDM

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.05.002

* 收稿日期：2015-12-06；修回日期：2016-03-22Received date:2015-12-06；Revised date：2016-03-22

基金項(xiàng)目：重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(No.cstc2015jcyjA40040)；重慶郵電大學(xué)“文峰骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目”資助

Foundation Item:Fundamental and Frontier Research Project of Chongqing(No.cstc2015jcyjA40040);The Wenfeng Backbone Training Project of Chongqing Universsity of Posts and Telecommunications

中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)05-0519-05

作者簡介：

李寧(1992—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線移動(dòng)通信，數(shù)字信號處理；

周圍(1971—)，男，教授，碩導(dǎo)，博士，主要研究方向?yàn)闊o線移動(dòng)通信技術(shù)、通信系統(tǒng)及信號處理、智能天線技術(shù)等。