5G新型多載波UF-OFDM技術(shù)及測試

劉海靜 諾基亞和上海貝爾貝爾實驗室（中國）工程師

汪勇剛 諾基亞和上海貝爾貝爾實驗室（中國）高級工程師

王河 諾基亞和上海貝爾貝爾實驗室（中國）高級工程師

5G新型多載波UF-OFDM技術(shù)及測試

劉海靜 諾基亞和上海貝爾貝爾實驗室（中國）工程師

汪勇剛 諾基亞和上海貝爾貝爾實驗室（中國）高級工程師

王河 諾基亞和上海貝爾貝爾實驗室（中國）高級工程師

對5G新型多載波技術(shù)之一UF-OFDM技術(shù)進行了介紹，給出了參與中國5G技術(shù)研發(fā)試驗第一階段測試相應(yīng)的測試方案和測試結(jié)果。測試結(jié)果表明，與現(xiàn)有LTE CP-OFDM技術(shù)相比，通過大幅度降低帶外泄漏，UF-OFDM降低了對時頻同步的要求，能夠更好地支持異步傳輸，可滿足5G系統(tǒng)在統(tǒng)一技術(shù)框架基礎(chǔ)上支持不同場景差異化技術(shù)方案的需求。

UF-OFDM；濾波；異步傳輸；測試

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，5G需要滿足多樣化業(yè)務(wù)需求，解決不同應(yīng)用場景下的差異化性能指標帶來的挑戰(zhàn)，有效實現(xiàn)連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠等目標。為了滿足上述需求，發(fā)展5G新空口技術(shù)勢在必行。

一直以來，波形一直是無線空口技術(shù)的主要組成部分之一。4G選擇了CP-OFDM作為其空口傳輸波形。CP-OFDM技術(shù)具有傳輸效率高，實現(xiàn)簡單，易與MIMO結(jié)合的優(yōu)點。但CP-OFDM頻域的正交性結(jié)構(gòu)決定了它對時偏和頻偏非常敏感。同時，由于CP-OFDM在時域處理中采用了矩形窗截斷，故存在較高的帶外泄露，更加不利于對相鄰子帶異步傳輸?shù)闹С?。另外?G系統(tǒng)功能中采用的CP-OFDM技術(shù)在整個帶寬中只支持一種波形參數(shù)配置，不能很好地滿足多樣化的業(yè)務(wù)需求。

為了滿足豐富多樣的業(yè)務(wù)需求，5G新波形技術(shù)需要能夠針對不同的業(yè)務(wù)場景、傳輸環(huán)境，為每個用戶選擇合適的多載波參數(shù)進行靈活配置，并能同時服務(wù)不同參數(shù)配置的多個用戶。例如，為低時延業(yè)務(wù)配置較短的符號長度，為多媒體廣播業(yè)務(wù)配置較大的子載波間隔，并允許兩種業(yè)務(wù)的并行傳輸。另外，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)成為5G應(yīng)用的重要組成部分之一。針對日益豐富的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，5G需要提供有效的小數(shù)據(jù)包傳輸。盡可能避免用于同步和其他需求的信令交互，減少信令開支，縮短終端設(shè)備的活躍時間，降低終端功耗。這就需要5G新波形技術(shù)對時頻不同步具有較高的耐受性，有效地支持多用戶異步傳輸。

本文針對貝爾實驗室提出的5G新型多載波技術(shù)UF-OFDM及其實現(xiàn)方案，從收發(fā)機設(shè)計、測試系統(tǒng)搭建、測試用例及結(jié)論等方面進行了介紹。測試結(jié)果表明，UF-OFDM技術(shù)繼承了CP-OFDM的優(yōu)點，并通過濾波技術(shù)大幅度降低帶外泄漏，可有效支持相鄰子帶的異步傳輸。同時，UF-OFDM能夠根據(jù)不同業(yè)務(wù)對于波形參數(shù)的不同需求在統(tǒng)一的物理層平臺上進行動態(tài)的選擇和配置，可滿足5G系統(tǒng)在統(tǒng)一技術(shù)框架基礎(chǔ)上支持不同場景差異化技術(shù)方案的需求。

2 UF-OFDM技術(shù)簡介

UF-OFDM采用基于濾波器的多載波方案，利用帶限的子載波實現(xiàn)多載波傳輸，在每個子載波或子載波組上使用濾波器進行處理，然后合成為寬帶信號進行發(fā)送和接收。相對于CP-OFDM，它具有低的帶外干擾，對于時頻異步引起的載波間干擾相對魯棒。

如圖1所示，對每個用戶，UF-OFDM根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求進行波形參數(shù)配置，然后按照如下步驟對需要發(fā)送的輸入符號進行調(diào)制：

●對輸入符號進行IFFT操作，生成時域信號。

●在時域?qū)π盘栠M行CP或ZP處理。

●按照子帶或者子載波對信號進行濾波。

圖1 單用戶UF-OFDM信號調(diào)制

ZP和CP都能夠提供ISI。有研究證明ZP具有更好的頻偏魯棒性，而CP具有更好的PAPR性能。在實際系統(tǒng)中，通常一組子載波組成一個子帶，被分配給同一用戶。因此，只需要在不同子帶間進行抗ICI處理，也就是說，可以以子帶為單位進行濾波操作。在下文中，我們主要對采用了ZP和子帶濾波的UF-OFDM進行討論。其發(fā)射機和接收機結(jié)構(gòu)如圖2所示。獲得最終的接收符號。

圖3顯示了CP-OFDM和UF-OFDM基帶發(fā)送信號的功率譜密度。與CP-OFDM相比，UF-OFDM具有更大的帶外泄露抑制。這使UF-OFDM能夠更好地抵抗時頻異步造成的ICI，更加適用于異步多址接入、高速移動等應(yīng)用場景。

3 UF-OFDM測試方案

圖2 采用了ZP處理的子帶濾波UF-OFDM示例框圖

3.1 測試系統(tǒng)設(shè)計

5G新型多載波(UF-OFDM)關(guān)鍵技術(shù)測試系統(tǒng)如圖4所示，包含了一個2通道發(fā)送的5G終端原型樣機，一個2通道接收的5G基站原型樣機，并通過信道仿真器模擬真實的室外無線衰落信道。

測試系統(tǒng)參數(shù)配置見表1。

3.2 測試場景設(shè)計

首先，系統(tǒng)帶寬被分為多個子帶，每個子帶具有各自的配置（子帶寬度、子載波間隔等），然后，每個子帶進行獨立的濾波操作。最后，將各子帶信號相加，形成最終的發(fā)射信號。針對每個子帶不同的需求，濾波器可以進行靈活配置。濾波器具體系數(shù)的設(shè)計一般以增大帶外衰減，限制帶內(nèi)衰落為目標。與采用了CP的CP-OFDM相比，圖2中采用了ZP，在時域符號邊緣添加了ZP。通過對濾波器抽頭數(shù)的設(shè)計，使濾波產(chǎn)生的拖尾被包含在ZP之內(nèi)，故相鄰時域符號之間不會相互重疊，在頻率平坦衰落信道中能夠有效地避免ISI。

接收機不需要知道濾波器的具體系數(shù)，只需要知道濾波器的抽頭個數(shù)。首先，根據(jù)抽頭個數(shù)，對接收到的時域信號進行預(yù)處理，消除濾波拖尾的影響（類似與CP-OFDM接收端的去CP操作），再對處理后的信號采用FFT操作，得到頻域信號，最后進行頻域信號處理，

圖3 UF-OFDM和CP-OFDM波形的頻譜性能

圖4 5G新型多載波（UF-OFDM)關(guān)鍵技術(shù)測試系統(tǒng)

表1 UF-OFDM測試參數(shù)配置

CP-OFDM系統(tǒng)對頻率偏移和時間偏移造成的干擾比較敏感。原因是在于CP-OFDM在處理過程中對時域信號加載了矩形窗。反映在頻域，即每一個頻域采樣點的脈沖變?yōu)閟inc函數(shù)信號。由于sinc信號旁瓣功率較大，因而一旦不同步，則較大的帶外信號即轉(zhuǎn)變?yōu)楦蓴_。UF-OFDM的設(shè)計思想即用濾波器進行帶外信號抑制。

根據(jù)未來5G業(yè)務(wù)多樣化、接入異步化等要求，本文設(shè)計了頻率不對齊、時間不對齊等測試場景，用以驗證UF-OFDM技術(shù)的性能特征。圖5給出了兩用戶測試場景基本配置。兩個用戶占用相鄰的頻帶資源，一個用戶（UE1）占用10 RBs。另一個用戶（UE2）占用下一個1RB的資源塊，可用于承載機器類通信的業(yè)務(wù)。

圖5 兩用戶測試場景示意

（1）頻率異步

載波頻率偏移（CFO）是由于發(fā)送端和接收端的晶振頻率未對準，或者是由于移動用戶的Doppler頻偏造成的。CP-OFDM需要很高的同步要求，一旦未對準，則會在相鄰用戶間引入較高的載波間干擾，即ICI。由于CP-OFDM中較高的旁瓣功率，因此由CFO而導(dǎo)致的ICI更嚴重。相對而言，UF-OFDM更能抵抗CFO帶來的影響，因為它的帶外功率或者說旁瓣功率受到了很大的抑制。

在具體測試中，干擾信號（UE2）頻點向被測信號（UE1）偏移2KHz和4KHz，用于觀察頻率異步干擾對被測信號造成的影響（見圖6）。

圖6 頻率異步測試場景示意

（2）時間異步

CP-OFDM需要嚴格的時間同步，一旦FFT的操作不在相同的采樣點上執(zhí)行，干擾就會產(chǎn)生。時間異步有兩種情況，一種是符號級別時間異步，用戶的發(fā)送信號完全不同步，基站接收某一用戶信號并與之同步、采樣。此時干擾的產(chǎn)生是由其它非同步且占用相鄰子載波的用戶產(chǎn)生，由于OFDM符號的采樣錯位而導(dǎo)致頻譜帶外泄露，又因干擾信號頻譜資源在相鄰子載波，因而對接收信號產(chǎn)生干擾。

另一種是CP級別時間異步，用戶只采用了開環(huán)同步技術(shù)，與基站非嚴格同步，基站接收該用戶信號時只按基站基準時間采樣，相鄰子載波的用戶信號成為干擾源。干擾的產(chǎn)生和CP有關(guān)，如果時間偏移是向后，并且小于CP長度，則不會有干擾。但是如果是另外一個方向，即向前的時間偏移，則性能損失立刻就會發(fā)生。UF-OFDM不同，它的實現(xiàn)中沒有采用CP。相應(yīng)的性能的損失是隨著時間偏移的增大而溫和地增大。

圖7給出了符號級別的時間偏移測試用例配置。干擾信號（UE2）較之被測信號（UE1）滯后1/4符號和1/2符號，測試該時間異步的干擾對被測信號造成的性能影響。

圖7 符號級別時間異步測試場景示意

圖8給出CP級別時間偏移測試場景。在該場景中，UE1與基站保持同步；UE2采用了開環(huán)同步技術(shù)，與基站的同步差在CP級別。主要測試時間不同步對被測信號（UE2）性能造成的影響，此時UE2的接收處理是以UE1（即基站）基準起始時刻為采樣時間。

圖8 CP級別時間異步測試場景示意

4 測試結(jié)果及分析

4.1 頻率異步

如圖9所示，隨著干擾信號功率升高，與傳統(tǒng)LTE CP-OFDM相比，UF-OFDM技術(shù)能夠提供更好的抗頻偏的性能。具體地，當干擾信號功率比信號功率高10dB，并且頻率偏差達到2KHz時，UF-OFDM技術(shù)相對于同步方式幾乎沒有性能損失，而傳統(tǒng)LTE CP-OFDM達到了6dB以上的性能損失。當頻率偏差達到4KHz時，UF-OFDM技術(shù)幾乎沒有性能損失，傳統(tǒng)LTECP-OFDM已無法獲得BLER=0.1的解碼性能。

4.2 時間異步

（1）符號級別時間異步

圖10表示了當時間異步在符號級別時，UF-OFDM和CP-OFDM的BLER-SNR性能。隨著干擾信號功率升高，與傳統(tǒng)LTECP-OFDM相比，UF-OFDM技術(shù)能夠提供較好的抗時偏的性能。具體地，當干擾信號功率比信號功率高10dB，并且上行異步時，即同步偏差在1/4Symbols和1/2Symbols，傳統(tǒng)LTE CP-OFDM和UF-OFDM都有一定的性能損失。比較而言，傳統(tǒng)LTE CP-OFDM相對于UF-OFDM有約2dB的額外的性能損失。

（2）CP級別時間異步

當UE2無閉環(huán)同步，UE2信號無TA測量和糾正，

致使UE2相對于基站的幀對齊時間提前的非同步情況下，對該信號而言，UF-OFDM技術(shù)的性能高于傳統(tǒng)LTECP-OFDM技術(shù)。具體地，當上行同步差在-CP以內(nèi)時UF-OFDM技術(shù)相對于傳統(tǒng)LTECP-OFDM技術(shù)有3dB的增益（BLER=0.1）。反之，當上行同步差在+ CP以內(nèi)時，UF-OFDM技術(shù)與傳統(tǒng)LTECP-OFDM技術(shù)性能相當（見圖11）。

圖9 頻率異步測試模式UF-OFDM，CP-OFDM BLER-SNR性能比較

圖10 符號級別時間異步測試模式UF-OFDM，CP-OFDM BLER-SNR性能比較

綜上，與傳統(tǒng)LTECP-OFDM技術(shù)相比，UF-OFDM技術(shù)能夠提供更好的抗頻偏和時偏干擾信號的能力,特別是在干擾信號功率較高時。當上行信號無TA測量和糾正，致使和基站的幀對齊時間相差約CP級別的非嚴格同步情況下，對該信號的解碼，UF-OFDM技術(shù)的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)LTECP-OFDM技術(shù)，并且和干擾功率強度無關(guān)。說明UF-OFDM特別適用于5GIoT新型業(yè)務(wù)的傳輸需求。

圖11 CP符號時間異步測試模式UF-OFDM，CP-OFDM BLER-SNR性能比較

5 結(jié)束語

作為5G新型多載波技術(shù)極具競爭力的候選方案之一，UF-OFDM技術(shù)可有效抑制帶外泄露，降低對時間同步和頻率同步的要求；同時，面向5G不同場景及業(yè)務(wù)需求，能夠進行靈活的子帶配置，并支持基于不同子帶采用不同技術(shù)方案的異步傳輸；針對5GIoT新型業(yè)務(wù)，可無需上行同步操作，實現(xiàn)超低時延傳輸，而無性能損失；同時，相對于其他基于濾波的OFDM技術(shù)而言，UF-OFDM的濾波器階數(shù)較少，具有較低的實現(xiàn)復(fù)雜度。

[1]T.Wild et al.Universal Filtered OFDM(UF-OFDM)-A New Waveform for the 5G Air Interface[J].NOKIA Technology White Paper,12,2015.

[2]P.Weitkemper et al.Hardware Experiments on Multicarrier Waveforms for 5G.2016 IEEE Wireless Communications and Networking Conference,Doha,Qatar,2016,pp.1-6.

2016-10-26）