5G網(wǎng)絡(luò)新波形候選技術(shù)研究

楊樂

【摘 要】針對5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究中主流的新波形候選技術(shù)W-OFDM、FBMC-OQAM、FB-OFDM、UFMC和F-OFDM等五種技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并分別分析了各自的差異性和優(yōu)缺點(diǎn)，提出了相關(guān)應(yīng)用建議。

【關(guān)鍵詞】新波形候選 W-OFDM FBMC-OQAM FB-OFDM

Investigation on Waveform Candidate Techniques for 5G Networks

[Abstract] Five technical solutions in the mainstream waveform candidate techniques in 5G networks including W-OFDM， FBMC-OQAM， FB-OFDM， UFMC and F-OFDM were expounded. Their differences， advantages and disadvantages were analyzed. Corresponding application suggestions were put forward.

[Key words]waveform candidate W-OFDM FBMC-OQAM FB-OFDM

1 引言

LTE采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)，子載波和OFDM符號構(gòu)成的時(shí)頻資源組成LTE系統(tǒng)的無線物理時(shí)頻資源，目前OFDM技術(shù)在無線通信中已經(jīng)應(yīng)用的比較廣泛。由于采用了循環(huán)前綴CP（Cyclic Prefix），CP-OFDM系統(tǒng)能很好地解決多徑時(shí)延問題，并且將頻率選擇性信道分成了一套平行的平坦信道，這很好地簡化了信道估計(jì)方法，并有較高的信道估計(jì)精度。然而，CP-OFDM系統(tǒng)性能對相鄰子帶間的頻偏和時(shí)偏比較敏感，這主要是由于該系統(tǒng)的頻譜泄漏比較大，因此容易導(dǎo)致子帶間干擾。目前LTE系統(tǒng)在頻域上使用了保護(hù)間隔，但這樣降低了頻譜效率，因此需要采用一些新波形技術(shù)來抑制帶外泄漏。

目前無線通信5G技術(shù)中抑制帶外泄漏的新波形技術(shù)方案是5G技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。目前在3GPP會議上各公司提出來的主要新波形候選技術(shù)包括：加窗正交頻分復(fù)用CP-OFDM with WOLA（CP-OFDM with Weighted Overlap and Add）、移位的濾波器組多載波FBMC-OQAM（Filter Bank Multicarrier-Offset QAM）、濾波器組的正交頻分復(fù)用FB-OFDM（Filter Bank OFDM）、通用濾波多載波UFMC（Universal Filtered Multicarrier）和濾波的正交頻分復(fù)用F-OFDM（Filtered OFDM）。

2 新波形技術(shù)方案介紹

2.1 加窗正交頻分復(fù)用CP-OFDM with WOLA

CP-OFDM with WOLA是由高通公司牽頭提出來的。為了描述簡單，本文將CP-OFDM with WOLA簡寫為W-OFDM。W-OFDM的主要思想就是使用時(shí)域升余弦函數(shù)窗代替LTE的矩形窗。由于矩形窗邊緣變化非常陡，因而頻域上帶外泄漏就比較大；而升余弦函數(shù)窗邊緣變化比較緩慢，因而頻域上帶外泄漏就小。圖1是W-OFDM發(fā)射端的處理框圖，其中黑色的處理框圖是與LTE相同的處理過程，紅色框圖是在LTE的發(fā)射處理過程中增加的。圖2是加窗的方法簡圖。使用的加窗函數(shù)為時(shí)域升余弦函數(shù)窗，因此在符號間隔邊緣處為變化比較緩慢的曲線。該曲線占用了一定的CP區(qū)域，而且會導(dǎo)致相鄰符號間存在部分?jǐn)?shù)據(jù)重疊。

W-OFDM的優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)比較簡單，只是在原來的LTE的發(fā)射處理過程中增加一個(gè)時(shí)域加窗就行，而且可以通過實(shí)現(xiàn)的手段執(zhí)行，即不需要修改物理層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。W-OFDM的缺點(diǎn)為：抑制帶外泄漏的效果有限，由于加窗占用了部分CP區(qū)域，因此抗多徑時(shí)延信道能力下降。

2.2 移位的濾波器組多載波FBMC-OQAM

FBMC-OQAM也是在時(shí)域加窗，與W-OFDM不同的是：FBMC-OQAM的窗函數(shù)比較長，通常為4～5個(gè)符號長度，窗函數(shù)一般使用IOTA（Isotropic Orthogonal Transform Algorithm）函數(shù)；FBMC-OQAM調(diào)制的數(shù)據(jù)為實(shí)數(shù)，即將復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部提取出來，分別進(jìn)行調(diào)制處理。

IOTA函數(shù)的時(shí)域波形和頻域波形如圖3所示?？梢钥闯?，IOTA函數(shù)的時(shí)域波形和頻域波形是相同的形狀。因此FBMC-OQAM的時(shí)域和頻域都收的比較緊，因此具有很好的帶外抑制泄漏效果。

FBMC-OQAM鏈路收發(fā)處理過程如圖4所示。紅色字體的框圖是與OFDM系統(tǒng)收發(fā)鏈路的不同處理過程。與OFDM系統(tǒng)相比，F(xiàn)BMC-OQAM系統(tǒng)的最大區(qū)別在于：在發(fā)射端，基帶經(jīng)過IFFT處理后，還要進(jìn)行多相濾波器的處理；在接收端，接收數(shù)據(jù)在進(jìn)行FFT處理之前，要先經(jīng)過多相濾波器的處理。

FBMC-OQAM的優(yōu)點(diǎn)為：帶外泄漏小，不需要CP，這樣可以提高頻譜效率。FBMC-OQAM的缺點(diǎn)為：收發(fā)處理復(fù)雜度相對比較高，由于是實(shí)數(shù)調(diào)制，因此信道估計(jì)比較復(fù)雜，而且與MIMO技術(shù)相結(jié)合比較困難。

2.3 濾波器組的正交頻分復(fù)用FB-OFDM

FB-OFDM也是在時(shí)域加窗，時(shí)域加窗在技術(shù)原理上都屬于子載波級濾波。與W-OFDM不同的是：FB-OFDM的窗函數(shù)可以比較長，也可以比較短，具體根據(jù)場景需要來靈活選擇。與FBMC-OQAM不同的是：FB-OFDM調(diào)制的數(shù)據(jù)仍然為實(shí)數(shù)，因此可以與LTE保持比較好的兼容性，而且信道估計(jì)比較簡單，與MIMO技術(shù)相結(jié)合比較容易。

FB-OFDM系統(tǒng)發(fā)射端原理如圖5所示。其中紅色框內(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。

多相濾波器的參數(shù)與選擇的波形函數(shù)有關(guān)。當(dāng)波形函數(shù)為矩形且符號間隔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)值對應(yīng)著不同的波形函數(shù)。根據(jù)不同場景的需求側(cè)重點(diǎn)，UE可以選擇合適的波形函數(shù)調(diào)制發(fā)射數(shù)據(jù)。比如，對于帶外泄漏抑制要求比較高的場景，可以選擇升余弦函數(shù)、IOTA函數(shù)等；對于數(shù)據(jù)解調(diào)性能要求比較高，但對帶外泄漏抑制要求不高并且頻偏和時(shí)偏比較小的場景，可以選擇矩形函數(shù)回退到LTE。

符號間隔T1也可以作為FB-OFDM系統(tǒng)側(cè)參數(shù)，并在多相濾波器模塊里進(jìn)行設(shè)置。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)的符號間子載波間的數(shù)據(jù)接近正交。符號間隔T1也在多相濾波器模塊里實(shí)現(xiàn)。

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

FB-OFDM系統(tǒng)接收端原理如圖6所示。其中紅色框內(nèi)是多相濾波器模塊的操作，這個(gè)操作代替了LTE的去CP操作，其余模塊與LTE的完全相同。

FB-OFDM的優(yōu)點(diǎn)為：帶外泄漏小；不同場景使用不同的波形函數(shù)，可以滿足不同場景的重點(diǎn)需求；異步性能好；與LTE技術(shù)兼容性好；發(fā)射和接收端實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低。FB-OFDM的缺點(diǎn)為：由于沒有CP，因而抗多徑時(shí)延信道能力略微降低。

2.4 通用濾波多載波UFMC

UFMC屬于子帶級濾波。傳輸帶寬中，每個(gè)RB的數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行IFFT，然后再加濾波器濾波，該濾波器在時(shí)域上添加，屬于時(shí)域卷積操作，運(yùn)算量比較大。然后經(jīng)過濾波后的每個(gè)RB的數(shù)據(jù)再疊加合成一路數(shù)據(jù)。

UFMC不加CP，而是加保護(hù)間隔。如圖7所示，在每個(gè)RB的時(shí)域數(shù)據(jù)上增加濾波器操作，會擴(kuò)展數(shù)據(jù)符號的時(shí)域長度，為了避免相鄰符號間的數(shù)據(jù)重疊，因此符號間增加保護(hù)間隔。

UFMC的優(yōu)點(diǎn)為：以RB級為單位增加濾波器，這樣濾波器參數(shù)比較固定。UFMC的缺點(diǎn)為：由于濾波器長度要小于等于保護(hù)間隔長度，因而帶外泄漏抑制效果有限；每個(gè)RB都需要單獨(dú)IFFT和濾波操作，復(fù)雜度比較高。

2.5 濾波的正交頻分復(fù)用F-OFDM

F-OFDM也屬于子帶級濾波，與UFMC不同的是：以子帶為單位進(jìn)行濾波，子帶帶寬不固定；繼續(xù)加CP，不加保護(hù)間隔；濾波器長度大于CP長度，為半個(gè)符號長度。

由于濾波器長度為半個(gè)符號長度，又沒有保護(hù)間隔，因此F-OFDM的符號間會存在數(shù)據(jù)重疊和干擾。如圖8所示，CP-OFDM的符號間是沒有數(shù)據(jù)重疊的，而F-OFDM的符號間存在數(shù)據(jù)重疊。F-OFDM接收端在解調(diào)時(shí)，忽略這個(gè)符號間的重疊干擾。

F-OFDM的優(yōu)點(diǎn)：由于濾波器長度大于CP長度，因而帶外泄漏抑制效果好于UFMC。F-OFDM的缺點(diǎn)為：子帶寬度的變化將導(dǎo)致濾波器參數(shù)發(fā)生變化；子帶寬度不能太窄，否則帶外泄漏抑制效果將降低，符號間干擾將增大；發(fā)射和接收端實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相對比較高。

3 結(jié)束語

本文對5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究中新波形候選技術(shù)W-OFDM、FBMC-OQAM、FB-OFDM、UFMC和F-OFDM分別進(jìn)行了簡單介紹?？梢钥闯鲞@幾種波形技術(shù)在帶外抑制效果上有一定的差異，在優(yōu)缺點(diǎn)上也有一定的差異，各有所長，各有所短。同時(shí)可知，與LTE的CP-OFDM波形技術(shù)相比，這幾種波形技術(shù)都能在一定程度上抑制帶外泄漏，但也在一定程度上引入了一些缺點(diǎn)?？傊?，各種5G新波形候選技術(shù)在減少帶外泄漏的同時(shí)，也需要付出一定的代價(jià)。

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