F-OFDM系統(tǒng)的基帶技術(shù)研究

楊　凡，曾孝平，周繼華，阮定良，張　波，吳　華

(1.重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶　400030；2.重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院，重慶　400044)

?

F-OFDM系統(tǒng)的基帶技術(shù)研究

楊凡1,2，曾孝平2，周繼華1，阮定良1，張波1，吳華2

(1.重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶400030；2.重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院，重慶400044)

在對(duì)傳統(tǒng)LTE-OFDM深入研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)濾波OFDM(F-OFDM)技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)幀格式，建立F-OFDM基帶系統(tǒng)模型，通過對(duì)2個(gè)子帶進(jìn)行濾波處理，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)子帶波形的解耦，并仿真驗(yàn)證其性能。仿真結(jié)果表明：在AWGN信道下，F(xiàn)-OFDM系統(tǒng)的下行基帶信號(hào)的帶外衰減超過60dB，較LTE-OFDM高28dB，F(xiàn)-OFDM與LTE-OFDM的BER接近一致，與理論值的差異小于1dB。相比LTE-OFDM系統(tǒng)，F(xiàn)-OFDM系統(tǒng)在保證誤碼率性能的前提下，大大改善了帶外頻譜泄漏，并進(jìn)一步提高了頻譜效率。

濾波OFDM；5G；誤碼率；帶外信號(hào)頻譜泄漏

從20世紀(jì)70年代至今，無線通信系統(tǒng)已從第1代發(fā)展到了第4代[1]。從無線通信的發(fā)展史來看，人們對(duì)高速率、高帶寬的無線傳輸需求日益增長?！霸谳^寬的頻帶內(nèi)提供穩(wěn)定的高數(shù)據(jù)傳輸，并在有限的帶寬內(nèi)提高頻譜利用率”成為人們對(duì)第5代無線通信系統(tǒng)(5G)的基本要求。目前，寬帶無線通信廣泛采用OFDM技術(shù)，因其具有超強(qiáng)的抗多徑干擾能力和DFT簡單易行的特點(diǎn)已經(jīng)在LTE/LTE-A系統(tǒng)(4G)中廣泛應(yīng)用，但由于傳統(tǒng)的OFDM技術(shù)先天具有峰均比(PAPR)高、對(duì)時(shí)間和頻率的同步要求很嚴(yán)、信號(hào)帶外輻射較大的缺點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)并不適用于傳輸速率更高的通信系統(tǒng)[2-4]。為了克服上述缺點(diǎn)，人們在OFDM技術(shù)基礎(chǔ)上提出了濾波OFDM(F-OFDM)。F-OFDM除了具備傳統(tǒng)OFDM的優(yōu)點(diǎn)外，在帶外信號(hào)頻譜泄漏和頻譜利用率上有很好的性能，因此被推薦為5G的候選技術(shù)之一[2-6]。F-OFDM的基本思想是將系統(tǒng)帶寬劃分為若干子帶，子帶之間只存在極低的保護(hù)帶開銷，每種子帶根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)場景需求配置不同的波形參數(shù)。各子帶通過子帶濾波器進(jìn)行濾波，從而實(shí)現(xiàn)各子帶波形的解耦。F-OFDM每個(gè)子帶可以認(rèn)為是不重疊的，所以造成的頻譜泄露很少具有極低的帶外泄露，不僅能提升頻譜使用效率，還可以有效利用零散頻譜實(shí)現(xiàn)與其他波形共存。同時(shí)，F(xiàn)-OFDM根據(jù)業(yè)務(wù)的不同劃分為不同的子帶，并在每個(gè)子帶配置不同的TTI、子載波間隔和CP長度等，從而實(shí)現(xiàn)靈活自適應(yīng)的5G空口技術(shù)，以支持5G按業(yè)務(wù)需求的動(dòng)態(tài)軟空口參數(shù)配置，提高5G系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性[3,5-8]。

1　基于F-OFDM的收發(fā)系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)框圖

F-OFDM發(fā)射接收端處理流程如圖1所示，以2個(gè)子帶為例。經(jīng)過不同子載波的數(shù)據(jù)在頻域上經(jīng)過不同的子帶濾波器，在射頻端合并后經(jīng)過信道，接收端接收到信號(hào)后，分給不同子帶進(jìn)行濾波，不同子帶的濾波數(shù)據(jù)再按照傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)進(jìn)行接收處理。

1.2子帶的幀結(jié)構(gòu)

在F-OFDM系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了2個(gè)不同子帶的幀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。系統(tǒng)的采樣率為30.72MHz，設(shè)定子帶1的子載波間隔為15kHz,子帶2的子載波間隔為30kHz。子帶1和子帶2的帶寬均為720kHz，不同子帶之間需要預(yù)留保護(hù)子載波隔離子帶間干擾，保護(hù)子載波數(shù)量及數(shù)據(jù)子載波映射的子載波編號(hào)設(shè)定見本文1.3節(jié)。由于2個(gè)子帶的子載波間隔不同，為了達(dá)到相同的采樣率，需要使用不同的FFT點(diǎn)數(shù)。本文設(shè)計(jì)的子帶1和子帶2的FFT點(diǎn)數(shù)分別為2 048和1 024。

1.3子帶中的子載波映射

為了避免每個(gè)子帶的子載波重疊，需要對(duì)各個(gè)子帶中的子載波統(tǒng)一進(jìn)行編號(hào)[6]，編號(hào)為[Kmin, Kmax]。設(shè)第1子帶和第2子帶的子載波數(shù)量分別為M1，M2。第1子帶和第2子帶的保護(hù)子載波數(shù)量分別為N1，N2，如圖3所示。

圖1F-OFDM系統(tǒng)框圖

圖2 F-OFDM時(shí)頻資源映射

圖3　F-OFDM不同子帶的子載波映射

1.4子帶的濾波器設(shè)計(jì)

如圖1所示，在進(jìn)入每個(gè)子帶濾波器，發(fā)端會(huì)在每個(gè)OFDM符號(hào)前產(chǎn)生了M個(gè)連續(xù)的子載波，即一個(gè)OFDM符號(hào)周期中包含M點(diǎn)的數(shù)據(jù)子載波和Ng點(diǎn)的循環(huán)前綴，當(dāng)經(jīng)過N點(diǎn)IFFT后，每個(gè)子帶完成各子帶的基帶成形，這一過程可以由式(1)表示：

(1)

其中：

(2)

dt,m為OFDM符號(hào)t中子載波序號(hào)為m的數(shù)據(jù)符號(hào)；L為OFDM符號(hào)的長度；{m′,m′+1,…，m′+M-1}為分配的子載波的范圍。

(3)

其中，子帶濾波器的帶寬為分配子載波的頻帶寬帶的總和。

考慮到F-OFDM信號(hào)要求各個(gè)子帶內(nèi)的時(shí)域信號(hào)不失真，各個(gè)子帶間的ISI干擾盡量小。所以，對(duì) f(n)采用Hanning窗處理，結(jié)合本文1.2節(jié)中子幀的設(shè)計(jì)要求，設(shè)定窗函數(shù)的時(shí)域?qū)挾萒w為子幀中符號(hào)周期的一半，階數(shù)為513。系統(tǒng)采樣率為30.72MHz，歸一化截止頻率為0.405。

子帶1中心頻率為

(4)

子帶1的濾波器系數(shù)為

(5)

子帶2中心頻率為

(6)

子帶2濾波器系數(shù)為

(7)

中間的0號(hào)子載波為直流分量，不做數(shù)據(jù)映射。N1=0，N2=1，則子帶1和子帶2的中心頻率為0和765kHz。

基帶信號(hào)在經(jīng)過子帶濾波前為傳統(tǒng)的OFDM信號(hào)，經(jīng)過子帶中的子載波映射和子帶濾波后形成F-OFDM信號(hào)。從圖4可以看出：子帶1濾波前的OFDM基帶信號(hào)帶外衰減為32dB，而F-OFDM為了避免由于ISI造成的頻譜泄漏降低帶外輻射功率，一方面濾波器窗函數(shù)的時(shí)域?qū)挾萒w設(shè)計(jì)為子幀中符號(hào)周期的一半，犧牲了連續(xù)OFDM符號(hào)的正交性，降低了OFDM符號(hào)的峰均比，使帶外輻射功率降低；另一方面，濾波器使用了具有軟截?cái)嘈再|(zhì)的Hanning窗，使得濾波器的沖擊響應(yīng)能快速衰落，濾波后的信號(hào)能量集中在帶內(nèi)，進(jìn)一步降低了帶外輻射性能。在圖4中可以看出：子帶1濾波輸出的帶外衰減可達(dá)60dB，F(xiàn)-OFDM基帶信號(hào)較OFDM基帶信號(hào)在OOB性能上有28dB的提升。

圖4　F-OFDM發(fā)射機(jī)OOB性能(AWGN信道)

2　性能測試

根據(jù)本文建立的F-OFDM收發(fā)仿真模型分別進(jìn)行F-OFDM在AWGN、EPA信道下的性能測試和F-OFDM與LTE-OFDM的BER性能對(duì)比。仿真參數(shù)如表1所示。

表1　F-OFDM與LTE-OFDM仿真參數(shù)

2.1不同信道的性能仿真

根據(jù)表1中F-OFDM系統(tǒng)的參數(shù)，分別在AWGN、EPA信道下對(duì)F-OFDM進(jìn)行性能測試。在F-OFDM的2個(gè)子帶間隔1個(gè)子載波的條件下，由于子帶濾波器Hanning窗的軟截?cái)嘈再|(zhì)，使得子帶間的ISI得到有效抑制。從圖5中可以看出：AWGN信道下，各個(gè)子帶的BER性能與理論值一致。在引入具有頻率選擇性衰落的EPA(3km/h)信道下，子帶濾波器對(duì)子信道間的ISI的抑制效果以及接收端對(duì)子信道進(jìn)行均衡的效果均會(huì)較AWGN信道下的差。在性能測試中可以看出：在誤碼率10-3處，2個(gè)子帶經(jīng)過EPA信道較理論值分別有0.5dB和1dB的差距，如圖6所示?？傊贏WGN和EPA信道下，F(xiàn)-OFDM系統(tǒng)的性能均接近于理論值。

圖5　F-OFDM接收機(jī)誤比特率(AWGN信道)

圖6　F-OFDM接收機(jī)誤比特率(EPA信道)

2.2F-OFDM與LTE-OFDM性能對(duì)比

F-OFDM系統(tǒng)在收發(fā)端均加入了子帶濾波器，相比LTE-OFDM系統(tǒng)，濾波器的時(shí)域?qū)挾葴p少了一半，濾波后的帶內(nèi)子載波的正交性沒有LTE-OFDM系統(tǒng)嚴(yán)格，但帶來了保護(hù)間隔的縮小(1個(gè)子載波)和帶外OOB性能的提高。F-OFDM系統(tǒng)在經(jīng)過接收端濾波子帶解耦后，與LTE-OFDM的接收處理基本一致。所以，2個(gè)系統(tǒng)的性能基本一致，這點(diǎn)從圖7中可以看出。由于接收端子帶解耦會(huì)對(duì)接收信道的信噪比有影響，所以F-OFDM系統(tǒng)相比理論值在10-3處的誤碼性能會(huì)有小于1dB的差異。

3　結(jié)論

F-OFDM對(duì)子帶的配置靈活。不同子帶可以配置不同CP和子載波間隔，比LTE-OFDM系統(tǒng)更能有效配置資源。

帶外發(fā)射OOB性能遠(yuǎn)好于LTE-OFDM，其中F-OFDM帶外衰減超過60dB，比LTE-OFDM帶外衰減高28dB。

在AWGN信道下，F(xiàn)-OFDM系統(tǒng)的性能與LTE-OFDM一致，與理論值的差異也小于1dB。

圖7　F-OFDM與OFDM性能對(duì)比(AWGN信道)

[1]楊芳,時(shí)和平,周磊.專用通信裝備配發(fā)過程的WF-nets模型[J].四川兵工學(xué)報(bào),2015,36(7):73-78.

[2]VAKILIANV,WILDT,SCHAICHF,etal.Universal-filteredmulti-carriertechniqueforwirelesssystemsbeyondLTE[C]//2013IEEEGlobecomWorkshops(GCWkshps).[S.l.]:IEEE,2013:223-228.

[3]ZHANGX,JIAM,CHENL,etal.Filtered-OFDM-EnablerforFlexibleWaveforminThe5thGenerationCellularNetworks[C]//2015IEEEGlobalCommunicationsConference(GLOBECOM).[S.l.]:IEEE,2015:1-6.

[4]ABDOLIJ,JIAM,MAJ.FilteredOFDM:Anewwaveformforfuturewirelesssystems[C]//2015IEEE16thInternationalWorkshoponSignalProcessingAdvancesinWirelessCommunications(SPAWC).[S.l.]:IEEE,2015:66-70.

[5]吳華.濾波器組多載波系統(tǒng)快速實(shí)現(xiàn)及同步技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[6]仲元紅.寬子帶濾波器組多載波系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2011.

[7]華為技術(shù)有限公司.Filtered-OFDM技術(shù)簡介-forInnovateAsia[R].5G算法大賽，2015.

[8]NEER,PRASADR.OFDMforwirelessmultimediacommunications[M].[S.l.]:ArtechHouse,Inc.,2000.

(責(zé)任編輯楊文青)

ResearchonBasebandTechnologyofFiltered-OFDMWirelessCommunication

YANGFan1, 2,ZENGXiao-ping2,ZHOUJi-hua1,RUANDing-liang1,ZHANGBo1,WUHua2

(1.ChongqingJinmeiCommunicationCo.,Ltd.,Chongqing400030,China;2.CollegeofCommunicationEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

BasedonthedeeplyresearchoftraditionalLTE-OFDM,wedesignedthesystemofFilter-OFDM(F-OFDM)withitscharacteristics,whichdefinedtheformatofframe,andsimulatedthebasebandsystemmodel,andfilteredthetwosub-bandsignalandde-couplesthebasebandsignalandverifieditsperformance.Theexperimentalresultsshowthat:theout-bandattenuationofDLbasebandF-OFDMsignalcanreach60dB,whichimproves28dBoverLTE-OFDM,andtheBERofF-OFDMsystemisalsosimilartoLTE-OFDM,whichhasless1dBthantheoreticalvalue.ComparedwithLTE-OFDMsystem,F-OFDMsystemimprovesOOBleakage,andincreasesthespectrumefficiency,whichalsoimprovesBERperformanceofLTE-OFDMsystem.

Filtered-OFDM; 5G;BER;OOB

2016-04-18

國家自然科學(xué)基金重大研究設(shè)計(jì)培育項(xiàng)目(91438104)

楊凡(1983—)，男，湖北人，博士研究生，工程師，主要從事寬帶通信信號(hào)處理、多載波濾波技術(shù)研究，E-mail: 34179861@qq.com。

format：YANGFan,ZENGXiao-ping,ZHOUJi-hua,etal.ResearchonBasebandTechnologyofFiltered-OFDMWirelessCommunication[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(9):113-117.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.018

TP914.3

A

1674-8425(2016)09-0113-05

引用格式：楊凡，曾孝平，周繼華，等.F-OFDM系統(tǒng)的基帶技術(shù)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(9):113-117.