5G候選波形Filtered-OFDM技術(shù)研究與分析*

劉會衡

0 引 言

目前，移動通信已經(jīng)成為連接人類社會最重要的信息網(wǎng)絡(luò)。它不僅深刻改變了人們的生活方式，而且極大地推動了社會發(fā)展。一方面，移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，大量數(shù)據(jù)傳輸帶來了移動流量超千倍的增長；另一方面，物聯(lián)網(wǎng)的萬物相連也帶來了海量設(shè)備和多樣化業(yè)務(wù)的移動接入問題。為了適應(yīng)未來異樣化的業(yè)務(wù)需求，5G通信開始進(jìn)入研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。5G主要解決多樣化應(yīng)用場景下不同性能要求帶來的挑戰(zhàn)。國際無線標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)3GPP定義了5G主要應(yīng)用的三大場景[1-2]：①增強(qiáng)移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）場景，指移動通信的基本覆蓋能力，要求無論是靜止還是高速移動，無論是覆蓋中心還是覆蓋邊緣，都能在保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性的同時(shí)，為用戶提供高速的體驗(yàn)速率和高密度流量需求；②海量機(jī)類通信（massive Machine Type Communications，mMTC）場景，它面向大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)通信，支持106/km2以上的連接數(shù)密度，具備超千億網(wǎng)絡(luò)連接能力；③超高可靠低時(shí)延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）場景，主要面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等物聯(lián)網(wǎng)的特殊應(yīng)用需求，為用戶提供毫秒級的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性。

1 5G系統(tǒng)中OFDM的不足

多載波技術(shù)是無線移動通信中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，如4G中使用的正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。OFDM系統(tǒng)在對抗多徑衰落、頻譜效率、高速數(shù)據(jù)傳輸、低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和適合MIMO系統(tǒng)傳輸?shù)榷喾矫婢哂忻黠@優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于LTE、LTE-A和WiMAX等系統(tǒng)[3]。但要，更好地支撐5G多樣化的應(yīng)用場景，必須支持靈活的波形設(shè)計(jì)，而4G的OFDM方式已經(jīng)無法滿足要求，主要表現(xiàn)為[4-6]：①OFDM要求嚴(yán)格的載波同步和子載波正交；②循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）的插入降低了頻率效率；③具有較高的峰均比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）；④全頻帶必須采用統(tǒng)一的波形參數(shù)，不適合5G系統(tǒng)的差異化業(yè)務(wù)，如高速移動的用戶時(shí)延較大，需要較大的子載波間隔，而4G中15 kHz可能無法滿足要求；⑤帶外泄露（Out-of-Band Emission，OOBE）高，5G中由于高速業(yè)務(wù)的需要，用戶可能需要分配1 GHz的帶寬，在某些較低的頻段，可能會由一些頻譜碎片組成，而此時(shí)OFDM實(shí)現(xiàn)起來較困難；⑥不適合認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR）系統(tǒng)，CR系統(tǒng)中，授權(quán)用戶/主用戶（Primary User，PU）和非授權(quán)用戶/次用戶（Secondary User，SU）之間或次用戶與次用戶之間的收發(fā)器鏈路可能不同步，此時(shí)OFDM的高OOBE將導(dǎo)致嚴(yán)重的載波間干擾（Inter-Carrier Interference，ICI）。

2 Filtered-OFDM波形技術(shù)

Filtered-OFDM（F-OFDM）是中國華為公司提出的一種面向5G的多載波傳輸技術(shù)，基本保持了4G OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并通過子帶級濾波獲取較低的帶外泄露。同時(shí)，由于采用了子帶級濾波，使得各個(gè)子帶可以采取異步傳輸模式，各自可以根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)要求來配置參數(shù)，能夠很好地適應(yīng)5G多樣化業(yè)務(wù)的需求[7]。F-OFDM的基本思想是將系統(tǒng)帶寬根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需要分成不同的子帶，子帶之間采用極小的保護(hù)間隔來降低干擾，每個(gè)子帶可以根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求配置不同的波形參數(shù)，包括載波間隔、TTI長度、循環(huán)前綴長度、FFT點(diǎn)數(shù)等。F-OFDM系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的結(jié)構(gòu)，分別如圖1、圖2所示。

圖1 F-OFDM發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 F-OFDM接收機(jī)結(jié)構(gòu)

F-OFDM系統(tǒng)需要對各個(gè)子帶數(shù)據(jù)對應(yīng)的子載波進(jìn)行統(tǒng)一編號，因?yàn)樽罱K所有子帶的數(shù)據(jù)都需要相加后統(tǒng)一調(diào)制到射頻頻段進(jìn)行傳輸，若不進(jìn)行統(tǒng)一編號，則會發(fā)生不同子帶數(shù)據(jù)重疊的情況，從而導(dǎo)致接收端無法正確解調(diào)。假設(shè)F-OFDM系統(tǒng)共有兩個(gè)子帶，子帶1共有M1個(gè)子載波，以子帶1的載波間隔作為保護(hù)間隔（guardtone）的子載波數(shù)量為N1；子帶2共有M2個(gè)子載波，以子帶2的載波間隔作為保護(hù)間隔的子載波數(shù)量為N2。設(shè)子帶1的可用子載波編號為[Kmin1,Kmax1]，子帶2的可用子載波編號為[Kmin2,Kmax2]，為了保證兩個(gè)子帶數(shù)據(jù)對應(yīng)的子載波不重疊，則子帶2的子載波編號應(yīng)為：

這里，Kmax1+N1必須為偶數(shù)。

子帶濾波器的設(shè)計(jì)對F-OFDM系統(tǒng)性能也有重要影響，一般可以采用對時(shí)域信號加窗進(jìn)行濾波。若時(shí)域sinc函數(shù)響應(yīng)為hd(n)，窗函數(shù)為hw(n)，則子帶濾波器可表示為：

窗函數(shù)可以是hann窗、hamming窗、blackman窗等各種窗函數(shù)。上述方法生成的是基帶濾波器，在實(shí)際濾波時(shí)需要進(jìn)行頻率搬移，這里子帶1的中心頻率為：

實(shí)際濾波時(shí)，子帶1的濾波器系數(shù)應(yīng)為：

子帶2的中心頻率為：

實(shí)際濾波時(shí)，子帶2的濾波器系數(shù)應(yīng)為：

這里，L為濾波器的長度。

在接收端，通過匹配濾波器將各個(gè)子帶的數(shù)據(jù)取出。假設(shè)htx(n)為發(fā)射端子帶濾波器系數(shù)，hrx(n)為接收端濾波器系數(shù)，則匹配濾波器為：

3 Filtered-OFDM性能仿真與分析

假設(shè)子帶1的載波間隔為Δf1=15 kHz，子帶2的載波間隔為Δf2=30 kHz，兩個(gè)子帶的帶寬分別設(shè)置為1 440 kHz和720 kHz，采樣速率均為30.72 MHz。子帶1的IFFT點(diǎn)數(shù)為2 048，子帶2的IFFT點(diǎn)數(shù)為1 024。兩個(gè)子帶濾波器均采用hann窗，調(diào)制方式可設(shè)置為QPSK、16QAM或64QAM等。

圖3為F-OFDM和OFDM系統(tǒng)的功率譜，其中保護(hù)間隔為90 kHz（即3個(gè)子帶2的子載波，記為：guardtone=3）。從圖3可以看出，F(xiàn)-OFDM系統(tǒng)的帶外泄露非常低，比OFDM系統(tǒng)衰減了約40 dB。

圖3 F-OFDM和OFDM功率譜對比

圖4 和圖5分別對不同濾波器長度下F-OFDM系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)的誤碼率進(jìn)行分析，調(diào)制方式為16QAM。當(dāng)信噪比較低時(shí)，F(xiàn)-OFDM系統(tǒng)的誤碼率基本和OFDM系統(tǒng)一致。如圖4所示，若子帶濾波器的長度較短（L=257），在信噪比較高時(shí)，F(xiàn)-OFDM系統(tǒng)誤碼率高于OFDM系統(tǒng)。但是，隨著濾波器長度的增加，子帶的濾波效果越來越好，F(xiàn)-OFDM系統(tǒng)的誤碼率逐漸改善。從圖5可以看出，當(dāng)L=1 025時(shí)，在高信噪比情況下，F(xiàn)-OFDM系統(tǒng)兩個(gè)子帶數(shù)據(jù)的誤碼率均低于OFDM系統(tǒng)。同時(shí)，子帶濾波器長度越長，F(xiàn)-OFDM系統(tǒng)性能改善越明顯。例如，L=1 025、SNR=0 dB時(shí)，子帶2的誤碼率為10-2，較L=257時(shí)提高了約6 dB。

圖4 濾波器長度L=257

圖5 濾波器長度L=1 025

圖6 和圖7為guardtone=3和guardtone=0時(shí)F-OFDM系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)的誤碼率，調(diào)制方式為16QAM。在guardtone=3時(shí)，因?yàn)閮蓚€(gè)子帶之間的保護(hù)間隔較大，OFDM表現(xiàn)出了更佳的性能，而F-OFDM在高信噪比時(shí)由于濾波的影響，誤碼率略高。隨著兩個(gè)子帶間保護(hù)間隔的減小，誤碼率逐漸加大。在guardtone=0時(shí)，F(xiàn)-OFDM系統(tǒng)由于存在子帶級的濾波，兩個(gè)子帶間的干擾沒有OFDM系統(tǒng)嚴(yán)重，其誤碼率有所改善。如圖7所示，此時(shí)F-OFDM系統(tǒng)兩個(gè)子帶數(shù)據(jù)的誤碼率均低于OFDM系統(tǒng)。

圖6 guardtone=3時(shí)的誤碼率

圖7 guardtone=0時(shí)的誤碼率

為了更加直觀地看到保護(hù)間隔對F-OFDM系統(tǒng)性能的影響，圖8對guardtone取值0～3時(shí)的子帶1的誤碼率進(jìn)行了仿真分析?？梢悦黠@看出，隨著保護(hù)間隔的減少，誤碼率越來越大。尤其是無保護(hù)間隔時(shí)，兩個(gè)子帶數(shù)據(jù)之間的干擾比較嚴(yán)重。

圖8 不同保護(hù)間隔時(shí)子帶1的誤碼率

圖9 仍以子帶1的數(shù)據(jù)為例，仿真分析了不同調(diào)制方式下F-OFDM系統(tǒng)的誤碼率?？梢钥闯?，隨著調(diào)制階數(shù)的增加，系統(tǒng)誤碼率逐步增加。這是因?yàn)殡S著調(diào)制階數(shù)的增加，信號星座圖將更加密集，數(shù)據(jù)解調(diào)判決時(shí)的錯(cuò)誤概率進(jìn)一步加大。

圖9 不同調(diào)制方式時(shí)子帶1的誤碼率

4 結(jié) 語

本文研究和分析了5G候選波形F-OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及各種參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，并與OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了對比。F-OFDM技術(shù)由于采用了子帶級的濾波，其功率譜的帶外泄露較OFDM系統(tǒng)明顯降低，同時(shí)各子帶參數(shù)可靈活配置，能適應(yīng)5G系統(tǒng)多樣化的應(yīng)用場景。因此，子帶濾波器長度、子帶間的保護(hù)間隔以及數(shù)據(jù)的調(diào)制方式，都對系統(tǒng)的誤碼率有著重要影響，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)綜合考慮。

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