面向5G的非正交多載波傳輸技術(shù)

王華華 李孟杰 余永坤 楊 康

（重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

面向5G的非正交多載波傳輸技術(shù)

王華華 李孟杰 余永坤 楊 康

（重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

由于正交頻分復(fù)用不能很好地適應(yīng)5G的應(yīng)用場(chǎng)景，本文提出了三種新型非正交多載波傳輸技術(shù)：濾波器組多載波、通用濾波多載波和廣義頻分復(fù)用。詳細(xì)分析了三種非正交多載波傳輸技術(shù)的原理，并且從理論上分析各系統(tǒng)的性能，從而明確其在5G應(yīng)用場(chǎng)景適用的原因。

多載波技術(shù)；濾波器組多載波；通用濾波多載波；廣義頻分復(fù)用

1 引言

5G與4G相比，不但有海量的設(shè)備連接，還有各種新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景，如車聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、在線游戲、機(jī)器類通訊、超高清晰度視頻、自動(dòng)駕駛汽車、物聯(lián)網(wǎng)等[1]。4G采用的OFDM[2]（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用)多載波傳輸技術(shù)，存在帶外泄露高、同步要求嚴(yán)格、不夠靈活等不利因素，不能很好地應(yīng)對(duì)5G的新業(yè)務(wù)和場(chǎng)景，因此必須要提出新型的多載波技術(shù)來(lái)滿足5G的需求。本文提出了三種目前熱門(mén)的非正交多載波傳播技術(shù)，并且對(duì)三種系統(tǒng)的原理和系統(tǒng)模型進(jìn)行了詳細(xì)分析，簡(jiǎn)單總結(jié)了三種非正交多載波傳輸技術(shù)各自的特點(diǎn)。

2 濾波器組多載波（FBMC-OQAM）

圖1FBMC系統(tǒng)原理圖

如圖1所示，F(xiàn)BMC系統(tǒng)主要包括原型濾波器、多相結(jié)構(gòu)濾波器組合（PPN,Polyphase Network）和偏置正交幅度調(diào)制（OQAM,Offset Quadrature Amplit-ude Modulation）方式[6]。發(fā)送端傳統(tǒng)的QAM調(diào)制改為OQAM調(diào)制，對(duì)復(fù)數(shù)信號(hào)進(jìn)行了實(shí)部和虛部分離，調(diào)制后將數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換通過(guò)IFFT模塊完成頻域到時(shí)域轉(zhuǎn)換，將IFFT變換之后通過(guò)多相結(jié)構(gòu)PPN模塊處理；接收端也有相應(yīng)的操作。IFFT和PPN稱為分析濾波器組。此框架可以實(shí)現(xiàn)基本的基于FBMC的多載波調(diào)制解調(diào)功能。

在時(shí)域上，假設(shè)原型濾波器系數(shù)為hi，此時(shí)輸入輸出關(guān)系為：

式(1)中，hi(o≤i≤L-1)為濾波器的響應(yīng)系數(shù)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，對(duì)式(1)作相應(yīng)的Z變化表達(dá)式為：

其中

這是信號(hào)處理中常見(jiàn)的多項(xiàng)式展開(kāi)結(jié)構(gòu)，對(duì)于單個(gè)濾波器，Hp(ZM)包含了頻域響應(yīng)的相位偏移。設(shè)原型濾波器頻率響應(yīng)為B0(f)，那么濾波器組中第k個(gè)濾波器就是由B0(f)經(jīng)過(guò)k/M個(gè)單位頻偏得到，子載波的每一路濾波器在原型濾波器的基礎(chǔ)上需要頻移fi，即乘以e-j2πfit。發(fā)射機(jī)第k整體Z域表達(dá)式如下所示：

令W=e-j2π/M，可以得到如下的濾波器組矩陣方程組

等式右邊第一部分的M×M矩陣即IDFT矩陣，可以由IFFT實(shí)現(xiàn)，第二部分就是Hp(ZM)，這是濾波器組中所有濾波器的共有部分，即為多相結(jié)構(gòu)PPN。

2.1OQAM調(diào)制原理

由于FBMC相鄰的子載波之間存在混疊干擾，若采用常規(guī)的QAM基帶調(diào)制，無(wú)法避免相鄰子載波之間的干擾。為了應(yīng)對(duì)混疊干擾，在FBMC系統(tǒng)中加入OQAM調(diào)制。OQAM調(diào)制的基本思想是將QAM信號(hào)以虛實(shí)間隔的方式進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到防止相鄰子載波間干擾的目的；OQAM還將數(shù)據(jù)分為兩路進(jìn)行調(diào)制。其工作原理為：首先將QAM調(diào)制后的復(fù)數(shù)信號(hào)的實(shí)部和虛部分離，分為兩條路徑進(jìn)行調(diào)制。如圖2所示。

圖2OQAM調(diào)制原理

數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)OQAM調(diào)制后分為兩路，每條路奇偶交替為純實(shí)數(shù)和虛數(shù)。其星座圖如圖3和圖4所示。

圖3OQAM調(diào)制后第1路星座圖

圖4OQAM調(diào)制后第2路星座圖

FBMC-OQAM技術(shù)是一種基于多個(gè)濾波器組的采用交錯(cuò)正交幅度調(diào)制的多載波通信方式，是5G物理層調(diào)制技術(shù)的備選方案之一[3,7]。FBMC與傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)相比，其各子載波之間不需要嚴(yán)格正交，而且不需要使用CP去消除碼間串?dāng)_(Intersymbol Interference,ISI)，并且能夠利用一些零散頻譜資源，使其頻譜利用率顯著提高；此外FBMC-OQAM對(duì)頻率和時(shí)間同步要求低，帶外頻譜泄漏低。

3 通用濾波多載波（UFMC）

如圖5所示，UFMC每組子載波構(gòu)成一個(gè)子帶，子帶間互不交疊。每個(gè)子帶符號(hào)通過(guò)N點(diǎn)IDFT模塊完成頻域到時(shí)域轉(zhuǎn)換，接著經(jīng)過(guò)一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的濾波器模塊，這時(shí)的符號(hào)長(zhǎng)度為N+L-1，然后所有UFMC符號(hào)進(jìn)行疊加，最后把基帶信號(hào)變換為射頻信號(hào)。經(jīng)過(guò)無(wú)線信道后，首先把射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為基帶信號(hào)，接著通過(guò)添零的方法構(gòu)造一個(gè)2N點(diǎn)IFFT，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)信息提取，最后對(duì)原始數(shù)據(jù)恢復(fù)。

圖5UFMC系統(tǒng)原理圖

對(duì)任意序號(hào)為i的子載波進(jìn)行IDFT變換。IDFT模塊的表達(dá)式為：

濾波器的作用就是把經(jīng)過(guò)IDFT變換后的時(shí)域信號(hào)xi和FIR濾波器fi進(jìn)行線性卷積。表達(dá)式為：

通過(guò)加法器之后，發(fā)射端的UFMC符號(hào)y的表達(dá)式為：

接收端先對(duì)時(shí)域信號(hào)做預(yù)處理，例如通過(guò)加窗來(lái)抑制多用戶干擾等。然后通過(guò)補(bǔ)零使得點(diǎn)數(shù)滿足2N點(diǎn)IFFT變換，然后恢復(fù)原始信號(hào)。

UFMC在不同的子頻帶可以使用不同的采樣間隔和濾波長(zhǎng)度，使得UFMC可以靈活適應(yīng)5G的各種應(yīng)用場(chǎng)景[8,9]，而且可以通過(guò)濾波器的過(guò)渡和緩降代替CP抵抗符號(hào)間干擾，可以很好地和MIMO技術(shù)結(jié)合。

4 廣義頻分復(fù)用（GFDM）

如圖6所示，發(fā)送比特流經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換為K路并行數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)J-QAM映射以及N倍升采樣之后，與循環(huán)延時(shí)mN的成形脈沖g(n-mN)做循環(huán)卷積，各路信號(hào)分別與相應(yīng)子載波相乘，完成子載波調(diào)制，串并轉(zhuǎn)換在幀前添加循環(huán)前綴，避免幀間干擾，完成一幀信號(hào)的基帶處理。

圖6GFDM系統(tǒng)原理框圖

假設(shè)一幀中同一個(gè)子載波發(fā)送的符號(hào)數(shù)為M，將一幀中的符號(hào)用矩陣表示為：

第k行表示在第k個(gè)子載波上發(fā)送的符號(hào)，第m列表示在第m個(gè)信令時(shí)隙發(fā)送的符號(hào)。

N倍升采樣后的輸出信號(hào)為：

將此信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器進(jìn)行脈沖成形和子載波調(diào)制、串并轉(zhuǎn)換后的發(fā)送信號(hào)為：

最后在發(fā)送端發(fā)射之前，加入CP，得到發(fā)送結(jié)果Xk。

根據(jù)其設(shè)計(jì)原理可以得出GFDM具有信號(hào)接收方式簡(jiǎn)單、帶外功率泄漏小、無(wú)需正交傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，并且GFDM可以根據(jù)不同類型的業(yè)務(wù)與應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)CP長(zhǎng)度的要求，插入不同長(zhǎng)度類型的CP，發(fā)揮CP在系統(tǒng)中重要作用[8]。另外GFDM是基于塊傳輸?shù)?，?duì)于不同的塊可以配置不同的子載波寬度，使其具有靈活的幀結(jié)構(gòu)，從而可以很好地應(yīng)對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了三種新型的多載波，它們都是非正交傳輸技術(shù)，并且在IOT和MTC等5G場(chǎng)景中應(yīng)用更有優(yōu)勢(shì)。本文詳細(xì)分析了它們的原理和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。FBMC有極小帶外干擾，同時(shí)具有OFDM的特點(diǎn)，但不易于與MIMO結(jié)合，而且濾波器長(zhǎng)度太長(zhǎng)，不能很好地適用于物聯(lián)網(wǎng)等小包數(shù)據(jù)的傳輸；UFMC傳輸技術(shù)結(jié)合FBMC和OFDM的大部分優(yōu)點(diǎn)，可以很好地適用于小包數(shù)據(jù)的傳輸，并且與MIMO技術(shù)可以很好地結(jié)合，但是算法復(fù)雜度過(guò)高；GFDM最大的優(yōu)點(diǎn)是在不同的應(yīng)用場(chǎng)景可以靈活配置CP和子載波寬度，從而大大提高了頻譜利用率，而且算法復(fù)雜度低于FBMC和GFDM。

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The Non-orthogonal Multi-carrier Transmission Technology for 5G

Wang Huahua Li Mengjie Yu Yongkun Yang Kang
(Chongqing Key Lab of Mobile Communications Protocol,CQUPT,Chongqing 400065)

Because OFDM cannot adapt to 5G application scenarios,the paper proposes three non-orthogonal multicarrier transmission technologies:FBMC-OQAM,UFMC and GFDM.It analyzes the principles of the three kinds of non-orthogonal multicarrier transmission technologies in detail,and analyzes the performance of each system.Consequently,it clarifies the reason that they are suitable for the application scenarios of 5G.

multi-carrier technology;FBMC;UFMC;GFDM

TN929.5

A

1008-6609(2017)08-0003-03

王華華（1981-），男，山西臨汾人，碩士生導(dǎo)師，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)（移動(dòng)通信基帶處理系統(tǒng)）、通信軟件開(kāi)發(fā)。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2017ZX03001021-004；重慶教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：KJ1500428。