一種適合5G的新型多載波技術——FB—OFDM

張萬春

摘要：提出了一種適合5G的新型多載波技術——基于濾波器組的正交頻分復用（FB-OFDM）技術，即在收發端通過多相濾波器進行子載波級濾波，簡化實現的復雜度，與LTE系統兼容。認為在FB-OFDM系統中，根據不同場景的需求側重點，選擇合適的波形函數調制發射數據，能夠靈活地適用于不同的業務。最后以擴展根升余弦函數為例，通過仿真驗證了FB-OFDM系統的帶外泄露小，異步性能好。

關鍵詞： 多載波；濾波器組；多相濾波器；波形函數

Abstract： In this paper， a new type of multi-carrier technology—filter bank- orthogonal frequency division multiplexing （FB-OFDM） technology， which is suitable for 5G， is proposed. Subcarrier level filtering is carried out at the transceiver through polyphase filter， so as to simplify the implementation and be compatible with LTE system. According to the focuses of requirements in different scenes， FB-OFDM system can select appropriate waveform function modulation to transmit data which can be flexibly applied into different businesses. At last， taking expanding raise roof cosine as an example， it is verified through simulation that the out-of-band leakage of the FB-OFDM system is low and the asynchronous performance is good.

multicarrier； filter bank； polyphase filter； pulse function

長期演進技術（LTE）是4G無線蜂窩通信技術。LTE采用正交頻分復用（OFDM）技術，子載波和OFDM符號構成的時頻資源組成了LTE系統的無線物理時頻資源[1]。目前OFDM技術在無線通信中已經廣泛應用。通過使用循環前綴（CP），CP-OFDM系統能很好地解決多徑時延問題，并且將頻率選擇性信道分成了一套平行的平坦信道，簡化了信道估計方法，提高了信道估計精度。然而，由于CP-OFDM系統帶外泄漏較大，目前LTE系統在頻域上使用了保護間隔，這就降低了頻譜效率，且CP-OFDM系統性能對相鄰子帶間的頻偏和時偏比較敏感，要求相鄰子帶間的用戶嚴格同步，因此不利于不同子帶間不同業務的應用。

現在各大公司開始了無線通信5G技術的研究，其中，抑制帶外泄漏是一個重要方向。文獻[2-8]提到了一些新型多載波技術，如基于濾波器組多載波的移位正交幅度調制（FBMC-OQAM）技術，基于子帶濾波的正交頻分復用（F-OFDM）技術，通用濾波的多載波（UFMC）技術和通用頻分復用（GFDM）技術。這些技術可以在一定程度上抑制帶外泄漏，但也都有一定的缺點，如FBMC-OQAM技術的信道估計和與多輸出多輸入（MIMO）技術相結合是個難點[9-10]；UFMC技術和F-OFDM技術子帶間需要一定的保護間隔，對同一子帶上的用戶仍然需要嚴格同步；GFDM技術時頻域數據間不正交，接收端解調復雜度會比較高[11-12]。

2015年12月3GPP RAN會議上的5G SI提案里提出了對基于OFDM的新波形方案的研究。文章介紹的就是OFDM+濾波器組（FB）的方案，簡稱為基于濾波器組的正交頻分復用技術（FB-OFDM）。與其他新型多載波技術相比，FB-OFDM技術具有一定的優勢[13]。

1 FB-OFDM技術原理

FB-OFDM技術在原理上是通過多個濾波器（即濾波器組）對傳輸帶寬里的多個子載波分別濾波，然后再疊加在一起形成時域數據信號。

FB-OFDM與其他方案的區別為：

（1）UFMC和F-OFDM都是對整個子帶進行濾波，而FB-OFDM是子載波級濾波。

（2）FBMC-OQAM是基于實數調制，實數+設計好的相位因子，可以使得不同資源元素（RE）的數據之間準正交，而FB-OFDM是基于復數調制。

（3）GFDM時頻域數據間不正交，而FB-OFDM根據不同場景選擇合適的波形函數和符號間隔，可以使得時頻域數據間準正交，且FB-OFDM在收發側采用相匹配的多相濾波器來實現，GFDM并沒有提及這一點。

FB-OFDM技術在原理上是對傳輸帶寬里的每個子載波進行濾波，但是當傳輸帶寬里的子載波個數非常多時，這種操作方式就會非常復雜，而且也不利于與LTE技術兼容。為了簡化實現技術的復雜度，我們可以使用多相濾波器來處理。

1.1 FB-OFDM系統發射端原理

FB-OFDM技術在發射端的具體實現如下：先對子幀內每個符號的頻域數據進行快速傅里葉反變換（IFFT）處理，然后對子幀內IFFT處理后的時域數據使用多相濾波器進行處理。

FB-OFDM系統發射端原理如圖1所示，其中虛線框內是多相濾波器模塊的操作，這個操作代替了LTE的加CP操作，其余模塊與LTE的完全相同。

圖1的多相濾波器框圖中，Z-1為延時移位處理，S↓為下采樣，S↑為上采樣，濾波器1、濾波器 2、……、濾波器N。多相濾波器的參數與選擇的波形函數有關，先對預先選擇的波形函數進行處理，將處理后的參數值傳遞給多相濾波器。

當波形函數為矩形且符號間隔[T1]=[T0]+CP（[T0]為子載波間隔的倒數，CP為循環前綴）時，多相濾波器模塊的操作就等價于LTE里的添加CP的操作，FB-OFDM方案就變回到LTE方案了。

在FB-OFDM系統側可以配置波形函數參數，不同的參數值對應著不同的波形函數。根據不同場景的需求側重點，用戶設備（UE）可以選擇合適的波形函數調制發射數據，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、IOTA函數等等；對于數據解調性能要求比較高，但對帶外泄漏抑制要求不高并且頻偏和時偏比較小的場景，可以選擇矩形函數回退到LTE。

符號間隔[T1]也可作為FB-OFDM系統側參數，當信道條件非常好時，[T1]可以小于[T0]，實現超奈奎斯特傳輸，提高系統容量；當信道條件差時，[T1]可以大于[T0]，使得FB-OFDM系統的符號間子載波間的數據接近正交。符號間隔[T1]也在多相濾波器模塊里實現。

不同波形函數及其相應的參數對帶外泄漏抑制以及數據解調性能的影響也不同。我們需要對波形函數做更多研究，以挑選出一些更好的波形函數。

1.2 FB-OFDM系統接收端原理

FB-OFDM系統接收端原理如圖2所示，其中虛線框內是多相濾波器模塊的操作，這個操作代替了LTE去CP操作，其余模塊與LTE的相同。

圖 2的多相濾波器框圖中，Z-1為延時移位處理，S↓為下采樣，S↑為上采樣。這里采用了最小均方差（MMSE）算法的濾波處理，可以抑制符號間的干擾，提升接收端解調性能。

2 FB-OFDM技術性能仿真

及分析

為了很好地抑制帶外泄漏，FB-OFDM系統可以選擇不同的波形函數進行調制。文章中，我們就以擴展根升余弦函數為例進行介紹。

2.1 一種適合FB-OFDM技術的波形

函數

擴展根升余弦函數由兩個函數乘積構成，其中一個函數為：頻域上的根升余弦函數通過傅里葉變換到時域上的函數；另一個函數為：時域升余弦函數。由于是通過根升余弦函數擴展而獲得的新函數，在文章中，我們將此新函數定義為擴展根升余弦函數。

我們可以推導出頻域上的根升余弦函數通過傅里葉變換到時域上的函數具體生成。設頻域上的升余弦函數[y（f）]表達式為：

那么，頻域根升余弦函數（根升余弦函數即為升余弦函數的平方根）為[sry（f）=y（f）]。

其中，A為常數；[α]為滾降因子，取值范圍為[0，1]；|.|為絕對值運算符；[f0]為頻域升余弦函數在頻域上的半值寬度的一半。那么，頻域根升余弦函數在時域的表達形式為：

[IFsry（t）=IFFT（sry（t））] （1）

其中，[IFFT（.）]表示對頻域函數做IFFT變換，成為時域函數。

我們還可以推導出時域升余弦函數具體生成過程。

設時域升余弦函數表達式為：

其中，B為常數；[β]為滾降因子，取值范圍為[0，1]；|.|為絕對值運算符；[T0]為升余弦函數的半值寬度的一半。

擴展根升余弦函數[W（t）]為：

[W（t）= IFsry（t）x（t）] （2）

函數[IFsry（t）]具有很窄的頻譜特性，其頻譜的半值寬度為[f0]，而且該函數的相關特性比較好，有利于保證符號間正交；但是該函數在時域上無限長，如果直接用來調制IFFT之后的符號數據，則符號數據也將無限長。函數[x（t）]具有很窄的時域特性，其時域的半值寬度為[T0]。因此將這兩個函數乘積獲得的擴展根升余弦函數同時具有很好的頻域特性和時域特性。

2.2 性能仿真結果及分析

以擴展升余弦函數為例，FB-OFDM技術方案與OFDM（即LTE）的仿真性能對比，本節內容包括以下幾個方面：功率譜密度（PSD），無時偏無頻偏BLER（誤比特率）性能，相鄰子帶存在其他異步用戶干擾時的BLER性能（子帶間無保護子載波），同一子帶的相鄰子幀存在其他異步用戶干擾時的BLER性能。

FB-OFDM技術方案的仿真參數如表1所示。

（1）PSD

圖3顯示，與OFDM相比，FB-OFDM的帶外泄漏很小，而且在傳輸帶寬之外的邊緣，FB-OFDM能量泄漏衰減很快，這有利于減少保護子載波個數。

（2）無時偏無頻偏BLER性能

圖4顯示，在加性高斯白噪聲（AWGN）和無時偏無頻偏情況下，與OFDM相比，FB-OFDM性能降低的非常小。因此FB-OFDM以非常小的代價就能夠換取帶外泄漏的明顯降低。

（3）相鄰子帶存在其他異步用戶干擾時的BLER性能

圖5顯示，當相鄰子帶存在其他異步用戶干擾時，FB-OFDM明顯好于OFDM方案。這有利于子帶間用戶的異步及使用不同特性的業務。

（4）同一子帶的相鄰子幀存在其他異步用戶干擾時的BLER性能

圖6顯示，同一子帶的相鄰子幀存在其他異步用戶干擾時， FB-OFDM方案明顯好于OFDM方案。這有利于降低對用戶同步的要求。

3 結束語

文章首先介紹了FB-OFDM技術原理，隨后給出了一種波形函數的性能仿真結果。從仿真結果可以看出，FB-OFDM技術有很多優勢：

（1）與LTE技術兼容性好?？梢院芊奖愕鼗赝说絃TE的OFDM技術，兼容LTE的MIMO方案。從前文中FB-OFDM方案發射端和接收端原理框圖可以看出，與LTE相比，FB-OFDM方案僅僅是多了一項多相濾波器模塊的操作，而且這個操作可以獨立進行，因此從技術實現的角度看，FB-OFDM方案與LTE具有著很好的兼容性。

（2）波形函數選擇靈活性好。不同場景使用不同的波形函數，以滿足不同場景的重點需求。

（3）帶外泄漏小。通過選擇合適的波形函數，可以很好地抑制帶外泄漏，有利于減少保護子載波個數，并且提高頻譜效率，特別是提高窄帶頻譜效率。

（4）異步性能好。不同子帶間可以異步，不同子帶的子載波間隔和符號長度可以不同，以滿足不同業務的需求，而且子帶間不需要保護間隔。同一子帶的不同子幀用戶對同步的要求也降低了。

（5）資源調度靈活。由于是子載波級濾波，因此子帶的最小單位可以是單個子載波，即可以基于單個子載波進行調度，并且每個子載波之間可以異步。