面向5G的無線寬帶多載波傳輸技術

趙錦程，黃斐一，孔繁盛

面向5G的無線寬帶多載波傳輸技術

趙錦程1，黃斐一2，孔繁盛2

（1.東南大學移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.中國移動互聯網基地，廣東 廣州 510640）

新一代多載波技術是第五代移動通信系統（5G）的關鍵技術之一。研究表明，正交頻分復用（OFDM）在5G場景下可能不再是最佳選擇。主要討論了濾波器組多載波（FBMC）、廣義頻分復用（GFDM）等幾種熱門的多載波傳輸技術，給出其內在聯系，分析其利弊，為進一步研究提供參考。

多載波技術濾波器組多載波廣義頻分復用通用濾波多載波正交頻分復用

1　引言

一般來說，5G是面向2020年以后移動通信需求而發展的新一代移動通信系統，其具有超高的頻譜利用率和能效，在傳輸速率、時延等方面較4G系統提高一個量級或更高[1]。5G系統主要面臨以下挑戰：機對機通信（M2M），頻譜碎片化，實時應用和異構網絡[2]。從無線傳輸的層面看，第一，由于M2M的大規模和不定時性，不宜采用對同步要求高的方案；第二，若要充分挖掘已用頻帶之間的碎片資源，不宜采用旁瓣功率泄露較大的方案；第三，實時應用頻繁地使用短幀傳輸數據；最后，在異構網中不同子帶應當是異步的、可靈活分配的。可以看到，5G場景下對多載波多址傳輸技術提出了更加苛刻的要求。

正交頻分復用（OFDM）起源于上世紀70年代，經過數十年的發展，得到了廣泛應用和深入研究。其具備頻譜效率高、收發機復雜度低、易于和多天線技術（MIMO）結合使用等優點。同時其存在抗載波頻偏較弱、峰均比較大、帶外功率泄露較嚴重等問題。特別地，OFDM的以下缺點使其難以滿足新場景下的需求。首先，各子載波之間必須同步以保持正交性，在小區內存在海量傳感節點時同步的代價將難以承受；第二，其采用方波作為基帶波形，載波旁瓣較大；最后，其使用的CP長度僅與無線信道有關，所以在頻繁傳輸短幀時CP會造成無線資源的大量浪費。因此有必要探索和發展新一代多載波技術。

責任編輯：劉文竹liuwenzhu@mbcom.cn

本文介紹幾種近年來較具有競爭力的多載波傳輸方法的原理和核心技術，分析不同方法之間的內在聯系，比較其利弊得失，并給出進一步研究方向。

2　新一代多載波傳輸方法

目前，FBMC（Filter bank multi-carrier，濾波器組多載波）和GFDM（Generalized frequency division multiplexing，廣義頻分復用）以各自的優點吸引了學術界的熱烈討論。FBMC不采用循環前綴，各子帶不要求同步，頻譜效率很高[3]。90年代較為流行的離散多音頻調制（DMT）和離散小波多音頻調制（DWMT）均可看作是FBMC的特例[4]。2009年Fettweis等人提出的GFDM[5]具有較高的頻譜效率和較低的接收機復雜度，亦不要求子載波同步。2013年Vakilian等人提出UFMC（Universal filtered multicarrier，通用濾波多載波）技術[6]結合了濾波OFDM（filtered-OFDM）和FBMC的一些優點。FBMC、GFDM和UFMC共同成為歐盟5GNOW項目組重點關注的多載波技術備選方案[2]。

這3種技術通過不同的方法解決OFDM存在的問題，相應地在不同方面提高了復雜性。

2.1濾波器組多載波

濾波器組多載波（FBMC）是一種頻譜效率高、實現復雜度尚可、無需同步的多載波傳輸方案。其在每個子載波上濾波，濾波器經過特殊設計滿足奈奎斯特無碼間干擾準則來消除符號間干擾（ISI）。相鄰的子帶交疊與OFDM相同（均為3dB），如圖1所示，由此產生的載波間干擾（ICI）通過偏移正交幅度調制（OQAM）消除或間隔地使用子帶。由于實際傳輸要經過多徑信道，各子帶需要頻域或時域均衡。本節將從濾波器組實現、原型濾波器設計、偏移調制幾個角度介紹FBMC，同時指出其不足之處。

圖1　FBMC濾波器組頻率響應

◆濾波器組實現

濾波器組多載波（FBMC）通過使用濾波器組抑制旁瓣。這里的濾波器組從概念上可看作是一組并行的帶通濾波器，在FBMC中利用一個低通原型濾波器分別調制到不同的載頻得到。實際可以通過FFT網絡實現濾波器組的調制，從而降低計算復雜度。若信道共使用M個子載波（即FFT尺寸為K），則為了取得較好的帶外衰減，需要的等效FIR濾波器長度為K×M，K同時是子帶重疊的衡量標準，本文稱之為重疊因子。

原型低通濾波器的設計需要單獨討論，一般更大的帶外衰減通常意味著更高的濾波器階數，即更高的實現復雜度。通過數學推導[7]，可得FBMC濾波器組2種等效的低復雜度實現。第一種為擴展FFT實現，即FFT尺寸為原來的K倍，相應的，其均衡器可以在頻域實現。第二種為FFT加多相濾波網絡實現，是一種復雜度更低的時域濾波方法，不過其均衡器設計較第一種復雜。圖2給出了2種低復雜度實現的系統框圖，圖2（a）中取K=4。

◆原型濾波器設計

原型濾波器的設計除了滿足抑制旁瓣的要求外，還應減小符號間干擾對接收性能造成的影響。根據奈奎斯特無碼間干擾準則，可采用均方根奈奎斯特濾波器。上一節提到，為簡化系統設計，濾波器長度應為M的K倍。若采用擴展FFT實現，可用頻率采樣法設計（2K-1）點頻域濾波器。其中心頻點對應的濾波器系數為H0，距離中心頻點i的濾波器系數為Hi。表1給出了重疊因子的幾個典型值對應的均方根奈奎斯特頻域濾波器系數：

圖2　FBMC低復雜度實現框圖

表1　均方根奈奎斯特濾波器頻域采樣系數

更復雜的濾波器設計方法諸如IOTA[8]能夠取得比均方根奈奎斯特濾波器更好的性能[3]。

◆偏移調制

FBMC系統中各子帶嚴重的交疊將帶來很大的載波間干擾（ICI）。為了解決這個問題，可采用偏移正交幅度調制（OQAM）。然而OQAM的使用不利于MIMO情境下的FBMC信道估計，需要輔以其他技術來消除這個影響。

2.2廣義頻分復用

廣義頻分復用（GFDM）是一種頻譜效率高、發送和接收較為簡單、帶外功率泄露小、各子帶無需同步的多載波傳輸方案。其將S個時隙和M個子載波上的符號塊視為一幀，通過設計一組濾波器以及Tailbiting操作將發送端的濾波過程轉化為循環卷積，省去了發送濾波器拖尾消耗的CP長度[9]。與OFDM不同的是，其在每個子載波上分別加CP而不是在調制后加。接收端使用一階頻域均衡，通過Double-SIC技術可較為徹底地消除ICI[10]。

GFDM的收發機原理如圖3所示，其中每個子帶的原型低通濾波器（LPF）相同。發送過程中的Tailbiting步驟如圖4所示。

Tailbiting不僅節省了CP開銷，而且使得發射機的多載波調制過程可以利用FFT快速實現以降低計算復雜度。FFT快速實現結構如圖5所示。其中N倍內插步驟由于在頻域內進行，實際僅僅是將M點FFT的結果復制N次。濾波器的設計可參考FBMC中原型低通濾波器。

由于CP的存在，多徑信道等效為循環卷積信道，因此接收機部分可使用頻域單點均衡，這一點與OFDM中類似。

2.3通用濾波多載波

由于OFDM旁瓣較大，實際多采用預留保護帶及濾波OFDM技術實現多址傳輸。濾波OFDM通過在每個OFDM符號上加濾波器壓縮旁瓣，通用濾波多載波（UFMC）轉而在一組連續的子載波上進行濾波（例如用升余弦濾波器），由于濾波器通頻帶變寬，其階數相應下降，大大降低了對器件性能的要求。UFMC每組子載波構成一個子帶，子帶間互不交疊。UFMC在提出時沒有采用CP，不使用CP的代價有：1）同一個子帶內產生了載波間干擾（ICI），需要在接收端進行均衡；2）對于濾波后的時域拖尾造成的符號間干擾（ISI），UFMC設定了時域保護間隔，故與CP系統相比并沒有提高頻譜效率。不難發現，UFMC實際上是以發射機和均衡器的復雜度增加為代價，獲得了子帶無需同步的特性。UFMC系統結構示意圖如圖6所示。

圖3　GFDM收發機原理圖

圖4　Tailbiting操作步驟

圖5　GFDM發射機快速實現原理圖

3　比較與分析

3.1技術特點

總體來說，FBMC是一種頻譜效率高、實現復雜度較低、無需CP的異步傳輸方案。然而為了達到高的頻譜效率而依賴OQAM，使其與MIMO結合并不如OFDM那樣自然。近期有學者開始對其在大規模MIMO下的應用進行探索。

GFDM由于保留了CP，所以實現較為簡單，GFDM在一定條件下能夠退化為OFDM。4種多載波技術的技術特點比較如表2所示。

圖6　UFMC系統結構示意圖

表2　4種多載波技術的技術特點比較

3.2計算復雜度

表3粗略分析了OFDM、FBMC和GFDM這3種多載波技術的實現復雜度。載波總數均為N，實際使用M個子載波，復雜度的衡量標準為發送S×M個符號流所需要的乘法運算次數。GFDM采用圖2的實現方式，FBMC重疊因子K的典型值為4。FBMC-P是多相網絡實現方式，FBMC-E是可擴展FFT方式。

表3　幾種多載波技術的計算復雜度

4　結束語

FBMC、GFDM和UFMC被歐盟5GNOW項目組提名為5G多載波技術的備選方案，引起越來越多的關注。能否在頻譜效率、接收機復雜度、多址接入靈活性等方面取得較好的折衷，同時解決OFDM在5G下的不足，是5G多載波傳輸技術研究的重點，同時也是難點。

從計算復雜度上來看，OFDM是最簡單的多載波傳輸方式，緊隨其后的是FBMC的多相網絡實現，其次是GFDM、FBMC的擴展FFT實現。GFDM和FBMC各子帶均不要求同步，并且在從旁瓣抑制上均明顯好于OFDM。FBMC各子帶濾波器高度重疊，并且不需CP，故頻譜效率高于GFDM。同時應該看到FBMC只能采用OQAM來減輕嚴重的ICI，使其在MIMO中的應用受到一定限制，GFDM則沒有類似缺點，使用靈活，收發機結構簡單。UFMC是二者的折衷。這3種方案的接收效果取決于均衡器的設計，而均衡的復雜度直接影響到與MIMO結合的效果。目前要實現與OFDM復雜度相仿的頻域單點均衡，仍依賴CP的使用，從而浪費了無線資源，也不適合頻繁的短幀通信需要。如何在這一點上取得突破，將是新一代多載波傳輸方法研究接下來需要解決的核心問題。

[1] 尤肖虎,潘志文,高西奇,等. 5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術[J]. 中國科學, 2014,44(5): 551-563.

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[3] B Farhang-Boroujeny. OFDM versus filter bank multicarrier[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2011,28(3): 92-112.

[4] B Farhang-Boroujeny, H Y Chung. Cosine modulated and offset QAM filter bank multicarrier techniques: a continuous-time prospect[J]. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, 2010,2010: 6.

[5] Gerhard Fettweis, Marco Krondorf, Steffen Bittner. GFDM-generalized frequency division multiplexing[J]. Proceedings of IEEE 69thVTC Spring, 2009: 1-4.

[6] V Vakilian, T Wild, F Schaich et al. Universal-fi ltered multi-carrier technique for wireless systems beyond LTE[J]. Globecom Workshops (GC Wkshps), 2013 IEEE, 2013.

[7] M Bellanger, D LeRuyet, D Roviras, et al. FBMC physical layer: a primer[J]. PHYDYAS, 2010.

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[10] R Datta, N Michailow, M Lentmaier, et al. GFDM Interference Cancellation for Flexible Cognitive Radio PHY Design[J]. Proceedings of IEEE 76th, VTC Fall, 2012. ★

趙錦程：碩士在讀，學士畢業于東南大學信息與科學學院通信工程專業，現于東南大學移動通信國家重點實驗室進行未來寬帶無線通信多載波技術以及大規模MIMO技術等方面的研究，擅長專業領域包括多速率信號處理、統計學習方法。

黃斐一：博士畢業于倫敦大學學院（University College London）通信工程專業，IEEE會員，CCF會員，現任中國移動互聯網基地業務二部高級運營主管，主要職責涵蓋公司移動互聯網業務的安全管理與技術應用等相關工作，擅長專業領域包括信息安全、移動互聯網業務運營、大數據挖掘等。

孔繁盛：碩士畢業于南京郵電學院計算機軟件專業，現任中國移動互聯網基地業務二部副總經理，分管信息安全、互聯網業務平臺建設和運維等工作。

Wireless Broadband Multicarrier Transmission Techniques Oriented to 5G

ZHAO Jin-cheng1, HUANG Fei-yi2, KONG Fan-sheng2
(1. National Mobile Communications Research Laboratory of Southeast University, Nanjing 211189, China; 2. China Mobile Internet Base, Guangzhou 510640, China)

New generation of multicarrier technique is the one of key techniques of 5G mobile communications. Related research demonstrates that OFDM may not be the optimal in future 5G. Several popular multicarrier transmission techniques including fi lter bank based multicarrier (FBMC), generalized frequency division multiplexing (GFDM) and so on were discussed in this paper. Their relationship, advantages and disadvantages were presented to provide a useful reference to further research.

multicarrier techniqueFBMCGFDMUFMCOFDM

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.09.003

TN92

A

1006-1010(2015)09-0014-05

引用格式：趙錦程,黃斐一,孔繁盛. 面向5G的無線寬帶多載波傳輸技術[J]. 移動通信, 2015,39(9): 14-18.

2015-05-01