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OFDM技术背景发展及现状
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OFDM技术背景发展及现状
关注微信公众号2018通信领域简报第8期 5G新波形(一)：RAN1 #84 (2016/4)中的波形讨论过程摘录(1) - 人大人科创_官网
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2016/3举办的RAN#71会议上确定了5G新波形的以OFDM为基础的设计基础。从RAN1#84b开始进行空口相关的讨论，波形方面则包括设计原则和要求、候选波形技术优劣等内容。从RAN1#84会议提案入手，是学习和了解R15中5G空口中新波形相关技术的必要一步。本文借助会议报告，对其中波形有关的提案进行了一些翻译和整理工作，供大家学习。文章内容有关的版权归原提案单位。
&1. RAN#71 (2016/3)提出5G新波形设计基础1.1. &RP-160671：NewSID Proposal: Study on [5G, Next Generation, or other names][T1] New RadioAccess TechnologyRAN#71全会上，在关于SI(study item)的目标要求中，明确了针对eMBB、mMTC和URLLC三大场景进行5G无线接入技术的设计。对于新的接入技术，物理层信号结构设计的基础是：波形基于OFDM，也有可能(potential)支持非正交波形和多址接入。对于其它波形，如果其它一些能够证明有增益的波形还有待研究(FFS, for future study)。同时需要考虑基本的帧结构和信道编码算法。2. RAN1#84bis(2016/4)中的5G新空口设计原则摘录2.1 R1-162151：Considerationson 5G Waveform，Huawei，HiSilicon5G系统的性能将进一步提升，包括峰值速率、峰值频谱效率、UE体验速率、移动性、时延、连接密度、UE和网络能效等方面。5G系统需要采用灵活和适应性强的新空口来对这些多样化的需求提供有效的支持，而其核心则是灵活的波形。LTE系统中的OFDM波形具有频谱效率高、易于实现、有效抵抗多径衰落等特性，因此5G系统仍然考虑基于OFDM来进行波形设计。但是，LTE系统具有以下缺点：(1) & &子载波间隔和符号长度固定。为了避免载波间干扰(ICI)，OFDM的子载波间隔在整个品大范围内不能改变。这种“以不变应万变”的波形设计策略不能同时支持多种移动性场景。此外，给定时间内只支持一种循环前缀(CP)长度，也使得LTE无法同时对不同的信道情况提供支持。(2) & 频谱旁瓣大。OFDM notvery-well localized in frequency，因此导致频谱边带滚降慢，从而产生以下缺点：a)带宽利用率不高，不管是连续频谱还是离散频谱都一样。例如，LTE中，除了频谱模板(mask)之外，还预留了10%带宽作为保护带。b)LTE中需要严格同步，它通过TA信令来实现。来自不同UE尤其是相邻UE的OFDM信号间不同步的时长超过CP长度后，OFDM的频谱旁瓣就很高，从而产生载波间干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)。因此，OFDM波形不支持异步通信。此外，LTE OFDM的大规模同步通信中TA信令开销非常之大(explosive amount)。由于具有以上的缺点，因此LTE OFDM用于5G新空口的话则不够灵活和高效，因此，5G需要设计新的波形，其设计原则如下：(1) & & 灵活性。5G波形应当足够灵活以支持话务类别不同的多种场景，如eMBB、mMTC和URLLC。灵活性方面的设计体现在：a. 灵活支持参数集(numerology)。灵活参数集是多种业务和多种场景的需求。在不同的子载波间隔或/和CP长度之间采用时分转换显然不能满足低时延的要求，也难以实现资源在不同业务之间的动态共享。此外，采用TDM也会影响业务的前向兼容性。因此，波形应该足够灵活，以满足在连续频段上采用频域复用来部署现有和未来业务的要求。尤其重要的是，波形应当能够有效支持不同的子载波间隔、不同的CP长度、不同的TTI长度、不同的系统带宽等。例如，不同的信道模型和不同的传输模式(单站或多站)可能会引入不同的时延扩展，因此需要不同的CP长度。不同的UE速度(最高500Km/h)需要可变的子载波间隔以使多普勒频移的影响最小化。此外，为了满足URLLC的低时延的要求，应当支持较短的TTI，从而需要较大的子载波间隔。b. 频率选择性(localization，局部化?)：它有利于采用较高的频谱效率来提供可空口的灵活性。l采用多个子带的结合(concatenation)来支持灵活和可扩展的带宽。l与其它系统的有效共存以及离散频段的有效利用。5G要实现较高的频谱效率，这也需要频率开销比当前LTE OFDM低的波形，尤其在6GHz以下频谱缺乏的情况下。l有效的异步通信，如mMTC场景和无需TA的上行eMBB场景，其波形都需要较小的UE间干扰泄漏，这需要由较好的频率选择性(局部化？)来提供。c. 时间选择性(localization，局部化?)：这是采用极短TTI进行低时延通信的要求，如URLLC场景。尤其是在TTI较短的情况下，波形的时间选择性(？localization)也会严重影响时间开销，进而影响到频谱效率。 (2) & & 频谱效率。5G的峰值频谱效率为下行30bps/Hz，上行15bps/Hz。基于以下设计原则可用于满足此需求：a. MIMO的友好性。要满足5G的较高的频谱效率，只有采用对常规MIMO和大规模MIMO都能够支持的波形。因此，新波形在和MIMO的整合方面的复杂度应该较低才好，这样，多径信道上传输时，波形的符号间的自干扰(self-ISI)和载波间自干扰(self-ICI)才可以忽略。b. 支持高阶调制。高阶调制如64/256QAM能够提供较高的频谱效率，但它对收发信机的EVM要求较高。因此，新的波形在支持高阶调制方面应当最优才行。 (3) & & 下行、上行和side link的统一的波形设计。统一的波形设计有利于下行、上行、接入共存、D2D以及回传通信等方面。虽然上下行设计原则不同，如上行会受PAPR和UE的功放的非线性的限制，但是上行和下行波形仍然希望尽可能地相同，以便获得更好的干扰消除相关的性能。对于不同链路间的共存，统一波形的好处在于：a. LTE的干扰管理和话务自适应(eIMTA)中，采用动态时分复用(TDD)，可以根据DL/UL话务比例来动态对上下行子帧进行动态分配。兼容的设计有利于采用动态TDD来实现链路间的干扰(DL和UL间)消除，这种干扰采用传统的先进接收机是难以处理的。b. 采用相同波形的链路(接入链路或者回传链路)易于采用与LTE的MU-MIMO类似的空间复用技术，从而提高频谱效率。c. 需要考虑D2D和蜂窝链路中的side link的联合设计，如在单频网(SFN)对side和蜂窝链路传送进行覆盖增强时。PAPR降低可以在功放效率和功耗是主要考虑因素时才考虑采用。(4) & & 实现复杂度。不光要考虑波形本身，还需要考虑其实现难度，不同的实现方法对规范的影响也不一样。尤其是，时域和频域都可用于产生波形，但其复杂度有所区别。再有，在接收机侧，波形在信号检测和信道估计/均衡方面的复杂性应当合理才行。 2.2 &R1-162198：WaveformRequirements，Qualcomm 正文请参见原提案，仅将Proposal拿过来学习参考。(1) & & Proposal1：对于eMBB(包括毫米波)，波形设计应当允许： & - &下行：频谱效率高，易于与MIMO整合。 & - & &上行：频谱效率高，小小区部署时易于与MIMO整合；宏小区部署时，对于链路预算受限的用户，支持低的PAPR波形。(2) & & Proposal2：对于mMTC，波形设计应当允许： & - & 上行：功放效率高，小数据突发的信令/接入开销低，频谱效率高不是主要需求。 & - & 下行：与eMBB类似，但是需要根据带宽来扩展。(3) & & Proposal3：对于URLLC，波形设计应当允许： & - &上行：处理时延低，对于链路预算受限的用户，支持低的PAPR波形。 & -
下行：处理时延低。(4) & & Proposal4：对于D2D(sidelink)场景，波形设计应当允许： & -
一致的(symmertric)波形。 & - &频谱效率高。(5) & & Proposal5：对于IAB(综合接入和回传)场景，波形设计应当允许： & - & 与eMBB上行需求相类似。3. RAN1#84bis(2016/4)中的5G新空口技术分析摘录3.1 &R1-161172：General designprinciples for 5G new radio interface: Key functionalities, SamsungLTE中，采用OFDM波形，下行采用OFDMA多址接入技术，上行采用SC-FDMA。LTE商用部署表明，采用OFDM，收发信机的复杂度合理，且能够满足频谱效率和覆盖的需求。基于商用经验以及分析比较，我们认为OFDM仍然是5G新空口的一个候选项。如果选择OFDM作为基准波形，则OFDMA自然就是下行多址技术的选项了。上行多址技术则需要考虑OFDMA和SC-FDMA。SC-FDMA对覆盖有好处，OFMDA则利于频谱效率。如果对所有场景(下行、上行、sidelink、无线回传/中继等)都考虑采用公共的波形，则OFDMA优于SC-FDMA。如果考虑不同的设计，则SC-FDMA可用于用来进行覆盖增强。3.2 &R1-161222：DesignPrinciples of NR inRAN1，ZTE对于波形，LTE中广泛采用了CP-OFDM，因此NR波形应当具有与CP-OFDM良好地共存的特性。也就是说，NR的波形只需要对CP-OFDM针对特定场景作一些改变就可以了，比如，需求低的情况下，降低带外杂散降低和频域和时域同步要求，并易于后退(fall back)到CP-OFDM就可以了。更好的一个选项是FB-OFDM(filter-bank OFDM)，它对CP-OFDM子载波进行滤波，因此可以使用有效的多相(polyphase)滤波器设计。CP-OFDM和FB-OFDM的唯一的区别就是多相滤波器，由于对每个子载波的带外泄漏进行滤波，因此该波形的带外泄漏较低，时/频域同步的强壮性较好。如果多相滤波器定义为单抽头(one-tap)，则FB-OFDM可以很好地后退到CP-OFDM。3.3 &R1-162225：Discussionon New Waveform for new radio interface，ZTE为了满足多种业务和场景的需求，5G波形应当采用统一的架构，并支持不同的子带宽配置(如子载波、子帧长度、子带大小等)，波形设计中应当考虑降低对相邻子带的能量泄漏。LTE中所采用的CP-OFDM及其变形(W-OFDM，即对时域OFDM符号加窗-windowing)可能不适合下一代通信，因为CP-OFDM存在带外泄漏，且CP开销增加。即使CP开销增加，其带外能量也不能迅速降低且足够减少，这是的子带间的保护带较大，因此频谱效率较低。一些候选波形如下：- & & Filter Bank MultiCarrier (FBMC)- & & Generalized Frequency DivisionMultiplexing (GFDM)- & & Universal Frequency MultiCarrier (UFMC)- & & Filtered-OFDM (F-OFDM)- & &FilterBank-OFDM (FB-OFDM)根据频域的滤波粒度的不同，它们可以分为： & - &类别A：子载波级脉冲整形法。其特点是，频域滤波粒度为子载波，时域处理方法为脉冲整形，波形技术包括FBMC、GFDM、FB-OFDM。 & - &类别B：子带级IFR滤波法。其特点是，频域滤波粒度为子带，时域处理方法为IFR滤波，波形技术包括UFMC、F-OFDM。对于类别A，子带信号的发送可以在IFFT之后采用多相滤波过程来实现。对于类别B，基带信号的发送可以在IFFT和CP添加之后采用IFR滤波过程来实现。通常，多相滤波过程的复杂度低于IFR滤波过程。因此，应该首选类别A的波形。比较不同波形的功率谱密度可知，不同波形技术的CFR(峰值因子消减)性能是不同的。FBMC、GFDM、F-OFDM和FB-OFDM在工作带宽之外都比OFDM和W-OFDM衰减要快。因此相比OFDM和W-OFDM，它们需要较小的保护带来对邻近频段进行隔离，从而提高了频谱效率。另外，相比IFR滤波法，脉冲整形法可以保证较低的带外泄漏，尤其对于邻近信道而言，从而需要减少的保护子载波来保证子带间的良好隔离，从这个意义上来讲，类别A也是首选。3.4 &R1-384，IntelR1-162379Overview of new radio accesstechnology requirements and designsR1-162384： Considerations on waveform selectionfor new radio interfaceLTE中采用基于循环校验(CP)的OFDM支持移动宽带业务，它采用单抽头(single-tap)均衡器来处理多径衰落，且易于与高阶MIMO算法相适应。在新的RAT中，mMIMO和波束赋形是一项关键技术，因此CP-OFDM可以在eMBB场景下复用。对于下行mMTC场景，超低成本的连接设备需要采用简单的接收机，发送波束赋形以及空间复用可以增强覆盖，为大量用户提供服务。因此，OFDM也适用于下行mMTC。类似地，OFDM也适用于URLLC场景，因为简单的收发机结构大大降低了处理时间。新的RAT中，上下行还期望采用公共的波形，这样的话，side-link通信中就不再需要采用额外的接收机，且易于抵消side-link和/或动态TDD干扰。进一步来讲，在网络中继或者UE中继条件下，公共的UL和DL波形自然支持回传和接入链路的聚合。如果需要支持异步多址接入，则只需要考虑支持相关URLLC应用的设备，对其引入时/频域偏移处理方面性能强壮的新波形就可以了。对于UL mMTC场景，由于设备移动性不高，且可能具有较长的符号和CP长度，因此不需要频繁的上行同步过程，因此同步多址接入较为现实。然而，一些上行URLLC场景可能需要异步免调度多址接入。假定URLLC应用在收/发处理时延要求较严格，则对OFDM做一些修改如filtered-OFDM就可能更适合于支持异步多址接入了。对于大于40GHz的频段，由于模数转换器(ADC)所需的功耗渐大，且功放效率低，因此需要能效比稿的波形。相对于单纯的单载波发送技术，基于DFT-spread OFDM的波形在PAPR和频谱效率以及FDM&UL功率谱密度等方面的均衡性较好，因此可作为备选波形。另外，采用于信道时延扩展自适应的保护间隔，而不是采用固定CP长度，更利于降低开销。这些概念与波束赋形的相关性更大，因为波束赋形后的信道的有效时延扩展既受传播环境的影响，也受发射/接收波束赋形架构的影响。提案R1-162384：Considerations on waveform selection for new radio interface除了对R1-162379中一些观点进行深入说明之外，还对多种非正交多载波波形以及&40GHz的波形选项进行了分析和说明，建议进一步阅读和学习。3.5 & & &R1--162548，SpreadtrumR1-162547：Some Considerations on Enabling RadioTechnologies for 5G NRR1-162548： “Considerations on Waveform Design forNew RAT”mMTC需要降低信令开销，支持同步上行传送。由于OFDM对时间/频率偏移比较敏感，因此单个MTC UE的稀疏传输所需的载波形也需要对时间/频率偏移比较强壮。F-OFDM和FBMC等新波形具有正交性且带外干扰较低，因此比OFDM更适合于mMTC的异步上行传送。根据带内正交性，波形可以分为4大类，即：·complex正交：OFDM、SC-OFDM和UFMC。时域符号自包含，其中的子载波相互正交。·complex伪正交：F-OFDM。子带滤波器通常大于CP长度，因此引入了些微带内干扰。·Real正交：FBMC-OQAM和GFDM-OQAM。采用偏移(offset modulation)调制。·Non正交：FBMC-QAM和GFDM-QAM以及加窗OFDM。子载波间具有不可忽略的干扰，需要考虑消除。带内干扰主要是由波形的非正交性引起的，在对解调性能进行评估时，它可以被当作是额外的噪声。带内干扰不可忽略时，接受机就需要进行干扰消除，如采用迭代方法等，由于干扰模式只有在多次解调后才能够被评估出来。干扰消除与信道古迹、均衡和信道解码等机制一起作用时，处理复杂度将指数增长。尤其当正交波形于非正交接入技术合并时，处理复杂度会相当高。对于正交或者伪正交波形，带内干扰可以忽略，因此不需要考虑这些问题。因此，建议优先研究正交波形。此外，解调后的SIR应当作为一个链路级的度量，来对波性的带外干扰抑制性能进行评估。对于采用子带滤波的波形来说，滤波器长度也需要根据解调性能进行优化。3.6 & & &R1-162537：Viewson NR waveforms，Mitsubishi & & & 难以采用一种RAT来涵盖所有NR的需求，因为不同用户场景和不同频段下的波形和参数需求(如子载波间隔和CP长度等)是不同的。因此，需要寻找一种足够灵活的波形方案，能够满足前向和后向兼容性的要求，值此在更高和更宽带宽上进行高速率传送，且对不同参数集共存时产生的干扰抵抗具有足够的强壮性。 & & & 传统的基于OFDM的波形，如OFDM/SC-FDMA具有灵活、与MIMO自然融合、频域处理复杂度较低的特性，因此非常吸引人。近来，基于OFDM更改的波形引起注意，是因为它们在一些特定场景下具有好处。 & & &OFDM具有非常灵活的频域结构以及较好的MIMO整合特性，但是PAPR也较高。采用DFT预编码，SC-FDM波形可以获得与单载波相当的包络(envelope)特性。SC-FDM波形具备OFDM的主要优点，但其采用强壮的信道编码也会带来一些性能损失DFT预编码显著降低了OFDM的包络变化(envelope variations)。对于QPSK，OFDM的立方量度(cubicmetric)为4.7dB，而SC-FDM则降到了1.96dB。CCD曲线表明INP为10^(-3)时，CCDF上降低超过2.5dB。这些低的波罗变化或明SC-FDM适于能量消耗较低、路径损耗高或者覆盖受限的场景。尤其在高频和大的连续带宽的情况下。 & & & 下图为5MHz带宽下、单用户、5RB分配条件下的SC-FDM和OFDM的瞬时名义功率。正是由于这些特性，SC-FDM和OFDM才是NR的候选波形。由于NR频段可能在100GHz以上，因此波形设计也取决于频率范围。高频所需带宽较大，天线增益高也会形成更窄的波束，还需要应对范围减小(reduced range)、高相位噪声以及多普勒频移高等方面的挑战，这都需要采用合适的波形和参数设计(如能量效率高、依靠频率的子载波间隔和/或导频密度)来解决。 & & &建议根据频率范围来来进行波形设计。 & & & 对于低的SHF频段(如厘米波、3.5~10GHz)，OFDM能够地抗多径衰落且具有高的复用增益，因此是一个很好的候选波形。在EHF频段(&30GHz的毫米波)，SC-FDM波形适于解决较高路径衰耗下的覆盖受限问题。在高SHF频段的中间部分，OFDM和SC-FDM都可以作为候选，在DL和UL上应当根据场景进行选择。远离基站的离散用户可以使用能效高的基于SC-FDM的波形来扩展覆盖，而基站近处的用户则可以受益于基于OFDM的波形的灵活性。直角整形(Rectangular-shaped)的OFDM类波形(非滤波)在用户间需要严格的频率和时间同步，以便维持正交性，并具有相当低的衰变率(decay rate)(高的带外(OOB)辐射功率)。虽然LTE/LTE-A中在CP插入后没有定义滤波机制，但实际实现中，通常采用滤波来将OOB泄漏抑制到标准频谱模板(mask)内。除了考虑复杂性和在低频段与LTE/LTE-A的OFDM共存寨外，还需要考虑这些增强手段的有效性。NR设计中，应当对SC-FDM/OFDM增强以降低OOB泄漏，且对波形影响最小化。- & &扩展CP OFDM：通过对原始OFDM信号添加带内干扰使得连续(consecutive)的OFDM符号不连续，从而降低OOB泄漏。同时， CP大小以及接收机复杂度也增加了(需要引入迭代交换机来抑制带内干扰)。- & &Zero-tailSC-FDMA： 插入可变长度的0序列来替代CP(根据每个用户的新到时延扩展)。这使得某些场景下的频谱效率得到增强，且OOB泄漏较低。去除CP要求可变的zerotail长度(需要采用信令表示)。单载波接收机侧的DFE也可以采用空CP来实现。- & &在SC-FDMA中插入静态序列也可以降低OOB泄漏。在DFT前插入静态序列，想比OFDM，可以在ACLR=-45dBc时获得约3dB的回退增益。不同UE采用不同的静态序列可以实现静态序列的复用，使得多种参考信号的容量得到增强。对于基于OFDM的传统载波，还可以采用滤波器在子载波或者载波组级别进行一些修改。- & &FBMC(Filter bank Multicarrier)：在过采样域进行滤波，增强大的传播时延下的性能，并获得快速的旁瓣衰减(OOB低)。通常，基于OQAM，对MIMO的支持性比OFDM要差。- & &GFDM(Generalized Frequency DivisionMultiplexing)：与FBMC非常类似，采用更短的CP，尤其适于非连续频段。接收机需要处理内在的载波间干扰。- & &UFMC(UniversalFiltered Multicarrier)：在子载波组的基础上执行带通滤波，有效降低了OOB泄漏，增强了抵抗频率同步较差时的载波干扰。可用于采用不同参数集的用户。实现复杂度相当高。3.7 & & &R1-163867，CMCC多种候选波形，如OFDM、f-OFDM、UFMC、FBMC、GFDM以及OTFS等。3.8 & & &R1-162882，5GNew Radio physical layer requirements and key technology implications，Nokia多载波OFDM波形适于40GHz以下的eMBB场景，但未必适合于mMTC业务和40GHz的eMBB场景。这些场景应当考虑单载波波形。3.9 & & &R1-162929, Overviewof OTFS Waveform for Next Generation RAT (提议者：CohereTechnologies, AT&T, CMCC, Deutsche Telekom, Telefonica, Telstra)提出一种新的2D调制技术，称为OTFS(正交时频&空间)。详细描述请参见原提案。您现在的位置 >
频段带宽20好还是40好 频段带宽是什么意思 带宽和宽带的区别
　 949健康网 949949.com
频段，是一个有关通讯和声音理学方面的词语，通讯方面的频段意思是指一定的无线电波的频率范围；声音和音乐中的频段是指声音频率而言，人耳对声音频率的感觉是从最低的20Hz到最高的20KHz，而人的语音频率范围则集中在80Hz~12kHz之间，不同频段的声音对人的感受是不同的。
TP的路由器频段带宽设置20好还是40好？ TP的路由器还有具体型号 要看它支持的无线设置时多少，一般11N默认20M 20M的穿透力好，相对应得带宽是65M 40M的穿透力差，传输距离短，但是相对应得带宽是150M 其实怎么说呢，你路由器拿来出厂默认设置时多少就多少吧，一般路由器厂家都会把设置配好的 (kljfge717 / io986469q)
　　4G网络方兴未艾之时，5G时代大幕即将被拉开。
　　昨日（11月19日），在华为无线举办的全球移动宽带论坛上，华为无线CMO（首席营销官）杨超斌表示，华为已经在全球9个国家建立5G研发中心，投入6亿美元、300多个顶级科学家开展5G网络研发。
　　据华为方面介绍，5G时代网络传输速率将达到10GMpbs，将是4G峰值的100倍，将于2020年开始商用。
　　在“流量货币化”趋势下，电信设备商与运营商同样面临着被“OTT”的局面，华为投入重金抢先开启5G网络布局，即意在抢占行业制高点，也是在扭转“管道化”危机。
　　5G网络趋向融合
　　华为轮值CEO徐直军在论坛上表示，未来，网络的体验将是第一生产力。5G网络将满足物联网需求，连接数量将达到1000亿；在支撑移动互联网取得突破性进展，实现在各行各业的应用。但5G目前仍处于业界共同定义阶段，行业对5G的研究重在关键性技术和相关标准的制定和统一。
　　据华为方面介绍，5G时代，移动网络将会成为社会内容分发的一个主要渠道，这需要移动网络提供更大容量的带宽，移动通信行业应该获得更多频谱。6G以下频段仍然是主要频段，而在容量特别密集的区域，需要分配一些高端的频谱，作为6G以下核心频谱的补充。
　　杨超斌表示，华为2009年就启动了5G预研；预计在2018年部署5G实验网，到2020年实现5G商用。
　　据了解，目前不仅华为在5G网络大手笔投入，欧盟、日本、韩国等国企业都已启动5G前期研究工作，争取未来为用户提供更加高速便捷的移动互联网服务。爱立信今年7月公布了其5G发展状况。爱立信表示，已经实现了每秒5G速率，5G商用大约在2020年实现。此外，诺基亚、三星等电信设备商都在加紧5G研究。
　　值得注意的是，全球运营商目前形态各异的网络制式，在5G时代将发展成为融合网络。
　　华为方面就表示，5G网络时代将不再有制式差别，将不同国家、不同行业的诉求能够统一起来，形成一套全球统一的规范。这不仅能解决全球漫游的问题，也将大幅度降低设备、终端成本。一种适合5G的新型多载波技术——FB-OFDM
作者张万春，中兴通讯股份有限公司无线研究院院长辛 & &雨，中兴通讯股份有限公司资深技术预研工程师郁光辉，中兴通讯股份有限公司资深技术预研工程师摘要提出了一种适合5G 的新型多载波技术—— 基于滤波器组的正交频分复用（FB-OFDM）技术，即在收发端通过多相滤波器进行子载波级滤波，简化实现的复杂度，与LTE 系统兼容。认为在FB-OFDM 系统中，根据不同场景的需求侧重点，选择合适的波形函数调制发射数据，能够灵活地适用于不同的业务。最后以扩展根升余弦函数为例，通过仿真验证了FB-OFDM 系统的带外泄露小，异步性能好。关键词：多载波；滤波器组；多相滤波器；波形函数1、引言：与其他新型多载波技术相比，FB-OFDM 技术具有一定的优势长期演进技术（LTE）是4G 无线蜂窝通信技术。LTE 采用正交频分复用OFDM技术，子载波和OFDM 符号构成的时频资源组成了LTE 系统的无线物理时频资源。目前OFDM 技术在无线通信中已经广泛应用。通过使用循环前缀，CP-OFDM 系统能很好地解决多径时延问题，并且将频率选择性信道分成了一套平行的平坦信道，简化了信道估计方法，提高了信道估计精度。然而，由于CP-OFDM系统带外泄漏较大，目前LTE系统在频域上使用了保护间隔，这就降低了频谱效率，且CP-OFDM系统性能对相邻子带间的频偏和时偏比较敏感，要求相邻子带间的用户严格同步，因此不利于不同子带间不同业务的应用。现在各大公司开始了无线通信5G技术的研究，其中，抑制带外泄漏是一个重要方向。很多文献提到了一些新型多载波技术，如基于滤波器组多载波的移位正交幅度调制FBMC-OQAM技术，基于子带滤波的正交频分复用F-OFDM技术，通用滤波的多载波UFMC技术和通用频分复用GFDM技术。这些技术可以在一定程度上抑制带外泄漏，但也都有一定的缺点，如FBMC-OQAM 技术的信道估计和与多输出多输入MIMO技术相结合是个难点；UFMC 技术和F-OFDM 技术子带间需要一定的保护间隔，对同一子带上的用户仍然需要严格同步；GFDM 技术时频域数据间不正交，接收端解调复杂度会比较高。2015 年12 月3GPP RAN 会议上的5G SI 提案里提出了对基于OFDM 的新波形方案的研究。文章介绍的就是OFDM+滤波器组的方案，简称为基于滤波器组的正交频分复用技术FB-OFDM。与其他新型多载波技术相比，FB-OFDM 技术具有一定的优势。1、FB-OFDM 技术原理FB-OFDM技术在原理上是通过多个滤波器对传输带宽里的多个子载波分别滤波，然后再叠加在一起形成时域数据信号。FB-OFDM 与其他方案的区别为：（1）UFMC 和F-OFDM 都是对整个子带进行滤波，而FB-OFDM 是子载波级滤波。（2）FBMC-OQAM 是基于实数调制，实数+设计好的相位因子，可以使得不同资源元素（RE）的数据之间准正交，而FB-OFDM 是基于复数调制。FB-OFDM根据不同场景选择合适的波形函数和符号间隔，可以使得时频域数据间准正交，且FB-OFDM 在收发侧采用相匹配的多相滤波器来实现，GFDM 并没有提及这一点。FB-OFDM 技术在原理上是对传输带宽里的每个子载波进行滤波，但是当传输带宽里的子载波个数非常多时，这种操作方式就会非常复杂，而且也不利于与LTE 技术兼容。为了简化实现技术的复杂度，我们可以使用多相滤波器来处理。2.1 &&FB-OFDM 系统发射端原理FB-OFDM 技术在发射端的具体实现如下：先对子帧内每个符号的频域数据进行快速傅里叶反变换IFFT处理，然后对子帧内IFFT 处理后的时域数据使用多相滤波器进行处理。FB-OFDM 系统发射端原理如图1 所示，其中虚线框内是多相滤波器模块的操作，这个操作代替了LTE 的加CP 操作，其余模块与LTE 的完全相同。图1 &&FB-OFDM 系统发射端原理图1 的多相滤波器框图中，Z的-1次方为延时移位处理，S↓为下采样，S↑为上采样，滤波器1、滤波器2、……、滤波器N。多相滤波器的参数与选择的波形函数有关，先对预先选择的波形函数进行处理，将处理后的参数值传递给多相滤波器。当波形函数为矩形且符号间隔T1 = T0 +CP（T0为子载波间隔的倒数，CP为循环前缀）时，多相滤波器模块的操作就等价于LTE里的添加CP的操作，FB-OFDM方案就变回到LTE方案了。在FB-OFDM 系统侧可以配置波形函数参数，不同的参数值对应着不同的波形函数。根据不同场景的需求侧重点，用户设备可以选择合适的波形函数调制发射数据，如对于带外泄漏抑制要求比较高的场景，可以选择升余弦函数、IOTA 函数等等；对于数据解调性能要求比较高，但对带外泄漏抑制要求不高并且频偏和时偏比较小的场景，可以选择矩形函数回退到LTE。符号间隔T1也可作为FB-OFDM系统侧参数，当信道条件非常好时，T1可以小于T0，实现超奈奎斯特传输，提高系统容量；当信道条件差时，T1可以大于T0，使得FB-OFDM系统的符号间子载波间的数据接近正交。符号间隔T1也在多相滤波器模块里实现。不同波形函数及其相应的参数对带外泄漏抑制以及数据解调性能的影响也不同。我们需要对波形函数做更多研究，以挑选出一些更好的波形函数。2.2 &&FB-OFDM系统接收端原理FB-OFDM 系统接收端原理如图2 所示，其中虚线框内是多相滤波器模块的操作，这个操作代替了LTE 去CP 操作，其余模块与LTE 的相同。图2 的多相滤波器框图中，Z的-1次方为延时移位处理，S↓为下采样，S↑为上采样。这里采用了最小均方差（MMSE）算法的滤波处理，可以抑制符号间的干扰，提升接收端解调性能。图2 &&FB-OFDM 系统接收端原理3、FB-OFDM 技术性能仿真及分析为了很好地抑制带外泄漏，FBOFDM系统可以选择不同的波形函数进行调制。下文中，我们就以扩展根升余弦函数为例进行介绍。3.1 一种适合FB-OFDM 技术的波形函数扩展根升余弦函数由两个函数乘积构成，其中一个函数为：频域上的根升余弦函数通过傅里叶变换到时域上的函数；另一个函数为：时域升余弦函数。由于是通过根升余弦函数扩展而获得的新函数，在文章中，我们将此新函数定义为扩展根升余弦函数。我们可以推导出频域上的根升余弦函数通过傅里叶变换到时域上的函数具体生成。设频域上的升余弦函数y( f ) 表达式为：那么，频域根升余弦函数（根升余弦函数即为升余弦函数的平方根）为：sry( f )= y( f )&其中，A为常数；α为滚降因子，取值范围为[0,1]；|.|为绝对值运算符；f0为频域升余弦函数在频域上的半值宽度的一半。那么，频域根升余弦函数在时域的表达形式为：IFsry(t)=IFFT(sry(t))其中，IFFT(.)表示对频域函数做IFFT变换，成为时域函数。我们还可以推导出时域升余弦函数具体生成过程。设时域升余弦函数表达式为：其中，B为常数；β为滚降因子，取值范围为[0,1]；|.|为绝对值运算符；T0 为升余弦函数的半值宽度的一半。扩展根升余弦函数W(t) 为：W(t)= IFsry(t)x(t)函数IFsry(t) 具有很窄的频谱特性，其频谱的半值宽度为f0 ，而且该函数的相关特性比较好，有利于保证符号间正交；但是该函数在时域上无限长，如果直接用来调制IFFT 之后的符号数据，则符号数据也将无限长。函数x(t) 具有很窄的时域特性，其时域的半值宽度为T0 。因此将这两个函数乘积获得的扩展根升余弦函数同时具有很好的频域特性和时域特性。3.2 性能仿真结果及分析以扩展升余弦函数为例，FBOFDM技术方案与OFDM（即LTE）的仿真性能对比，本节内容包括以下几个方面：功率谱密度（PSD），无时偏无频偏BLER（误比特率）性能，相邻子带存在其他异步用户干扰时的BLER 性能（子带间无保护子载波），同一子带的相邻子帧存在其他异步用户干扰时的BLER 性能。FB-OFDM 技术方案的仿真参数如表1 所示。表1 &仿真参数（1）PSD图3 显示，与OFDM 相比，FBOFDM的带外泄漏很小，而且在传输带宽之外的边缘，FB-OFDM 能量泄漏衰减很快，这有利于减少保护子载波个数。图3 功率谱密度PSD（2）无时偏无频偏BLER性能图4 显示，在加性高斯白噪声（AWGN）和无时偏无频偏情况下，与OFDM 相比，FB-OFDM 性能降低的非常小。因此FB-OFDM 以非常小的代价就能够换取带外泄漏的明显降低。图4 &无时偏无频偏BLER 性能（3）相邻子带存在其他异步用户干扰时的BLER 性能图5 显示，当相邻子带存在其他异步用户干扰时，FB-OFDM 明显好于OFDM 方案。这有利于子带间用户的异步及使用不同特性的业务。图5 &相邻子带存在其他异步用户干扰时的BLER 性能（4）同一子带的相邻子帧存在其他异步用户干扰时的BLER 性能图6 显示，同一子带的相邻子帧存在其他异步用户干扰时，FBOFDM方案明显好于OFDM 方案。这有利于降低对用户同步的要求。图6 &同一子带的相邻子帧存在其他异步用户干扰时的BLER 性能4、结束语本文首先介绍了FB-OFDM技术原理，随后给出了一种波形函数的性能仿真结果。从仿真结果可以看出，FB-OFDM 技术有很多优势：（1）与LTE 技术兼容性好。可以很方便地回退到LTE的OFDM技术，兼容LTE的MIMO方案。从前文中FB-OFDM方案发射端和接收端原理框图可以看出，与LTE 相比，FBOFDM方案仅仅是多了一项多相滤波器模块的操作，而且这个操作可以独立进行，因此从技术实现的角度看，FB-OFDM方案与LTE具有着很好的兼容性。（2）波形函数选择灵活性好。不同场景使用不同的波形函数，以满足不同场景的重点需求。（3）带外泄漏小。通过选择合适的波形函数，可以很好地抑制带外泄漏，有利于减少保护子载波个数，并且提高频谱效率，特别是提高窄带频谱效率。（4）异步性能好。不同子带间可以异步，不同子带的子载波间隔和符号长度可以不同，以满足不同业务的需求，而且子带间不需要保护间隔。同一子带的不同子帧用户对同步的要求也降低了。（5）资源调度灵活。由于是子载波级滤波，因此子带的最小单位可以是单个子载波，即可以基于单个子载波进行调度，并且每个子载波之间可以异步。长按二维码关注→本平台及时介绍5G（第五代移动通信）标准化、技术、产品、解决方案、市场（水平市场和垂直市场）等的最新发展现状与趋势。
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