F-OFDM系統的基帶技術研究

楊　凡，曾孝平，周繼華，阮定良，張　波，吳　華

(1.重慶金美通信有限責任公司，重慶　400030；2.重慶大學 通信工程學院，重慶　400044)

?

F-OFDM系統的基帶技術研究

楊凡1,2，曾孝平2，周繼華1，阮定良1，張波1，吳華2

(1.重慶金美通信有限責任公司，重慶400030；2.重慶大學 通信工程學院，重慶400044)

在對傳統LTE-OFDM深入研究的基礎上，針對濾波OFDM(F-OFDM)技術特點，設計了數據幀格式，建立F-OFDM基帶系統模型，通過對2個子帶進行濾波處理，實現了各個子帶波形的解耦，并仿真驗證其性能。仿真結果表明：在AWGN信道下，F-OFDM系統的下行基帶信號的帶外衰減超過60dB，較LTE-OFDM高28dB，F-OFDM與LTE-OFDM的BER接近一致，與理論值的差異小于1dB。相比LTE-OFDM系統，F-OFDM系統在保證誤碼率性能的前提下，大大改善了帶外頻譜泄漏，并進一步提高了頻譜效率。

濾波OFDM；5G；誤碼率；帶外信號頻譜泄漏

從20世紀70年代至今，無線通信系統已從第1代發展到了第4代[1]。從無線通信的發展史來看，人們對高速率、高帶寬的無線傳輸需求日益增長。“在較寬的頻帶內提供穩定的高數據傳輸，并在有限的帶寬內提高頻譜利用率”成為人們對第5代無線通信系統(5G)的基本要求。目前，寬帶無線通信廣泛采用OFDM技術，因其具有超強的抗多徑干擾能力和DFT簡單易行的特點已經在LTE/LTE-A系統(4G)中廣泛應用，但由于傳統的OFDM技術先天具有峰均比(PAPR)高、對時間和頻率的同步要求很嚴、信號帶外輻射較大的缺點，使得傳統的OFDM系統并不適用于傳輸速率更高的通信系統[2-4]。為了克服上述缺點，人們在OFDM技術基礎上提出了濾波OFDM(F-OFDM)。F-OFDM除了具備傳統OFDM的優點外，在帶外信號頻譜泄漏和頻譜利用率上有很好的性能，因此被推薦為5G的候選技術之一[2-6]。F-OFDM的基本思想是將系統帶寬劃分為若干子帶，子帶之間只存在極低的保護帶開銷，每種子帶根據實際業務場景需求配置不同的波形參數。各子帶通過子帶濾波器進行濾波，從而實現各子帶波形的解耦。F-OFDM每個子帶可以認為是不重疊的，所以造成的頻譜泄露很少具有極低的帶外泄露，不僅能提升頻譜使用效率，還可以有效利用零散頻譜實現與其他波形共存。同時，F-OFDM根據業務的不同劃分為不同的子帶，并在每個子帶配置不同的TTI、子載波間隔和CP長度等，從而實現靈活自適應的5G空口技術，以支持5G按業務需求的動態軟空口參數配置，提高5G系統的靈活性和可擴展性[3,5-8]。

1　基于F-OFDM的收發系統

1.1系統框圖

F-OFDM發射接收端處理流程如圖1所示，以2個子帶為例。經過不同子載波的數據在頻域上經過不同的子帶濾波器，在射頻端合并后經過信道，接收端接收到信號后，分給不同子帶進行濾波，不同子帶的濾波數據再按照傳統OFDM系統進行接收處理。

1.2子帶的幀結構

在F-OFDM系統中，設計了2個不同子帶的幀結構，如圖2所示。系統的采樣率為30.72MHz，設定子帶1的子載波間隔為15kHz,子帶2的子載波間隔為30kHz。子帶1和子帶2的帶寬均為720kHz，不同子帶之間需要預留保護子載波隔離子帶間干擾，保護子載波數量及數據子載波映射的子載波編號設定見本文1.3節。由于2個子帶的子載波間隔不同，為了達到相同的采樣率，需要使用不同的FFT點數。本文設計的子帶1和子帶2的FFT點數分別為2 048和1 024。

1.3子帶中的子載波映射

為了避免每個子帶的子載波重疊，需要對各個子帶中的子載波統一進行編號[6]，編號為[Kmin, Kmax]。設第1子帶和第2子帶的子載波數量分別為M1，M2。第1子帶和第2子帶的保護子載波數量分別為N1，N2，如圖3所示。

圖1F-OFDM系統框圖

圖2 F-OFDM時頻資源映射

圖3　F-OFDM不同子帶的子載波映射

1.4子帶的濾波器設計

如圖1所示，在進入每個子帶濾波器，發端會在每個OFDM符號前產生了M個連續的子載波，即一個OFDM符號周期中包含M點的數據子載波和Ng點的循環前綴，當經過N點IFFT后，每個子帶完成各子帶的基帶成形，這一過程可以由式(1)表示：

(1)

其中：

(2)

dt,m為OFDM符號t中子載波序號為m的數據符號；L為OFDM符號的長度；{m′,m′+1,…，m′+M-1}為分配的子載波的范圍。

(3)

其中，子帶濾波器的帶寬為分配子載波的頻帶寬帶的總和。

考慮到F-OFDM信號要求各個子帶內的時域信號不失真，各個子帶間的ISI干擾盡量小。所以，對 f(n)采用Hanning窗處理，結合本文1.2節中子幀的設計要求，設定窗函數的時域寬度Tw為子幀中符號周期的一半，階數為513。系統采樣率為30.72MHz，歸一化截止頻率為0.405。

子帶1中心頻率為

(4)

子帶1的濾波器系數為

(5)

子帶2中心頻率為

(6)

子帶2濾波器系數為

(7)

中間的0號子載波為直流分量，不做數據映射。N1=0，N2=1，則子帶1和子帶2的中心頻率為0和765kHz。

基帶信號在經過子帶濾波前為傳統的OFDM信號，經過子帶中的子載波映射和子帶濾波后形成F-OFDM信號。從圖4可以看出：子帶1濾波前的OFDM基帶信號帶外衰減為32dB，而F-OFDM為了避免由于ISI造成的頻譜泄漏降低帶外輻射功率，一方面濾波器窗函數的時域寬度Tw設計為子幀中符號周期的一半，犧牲了連續OFDM符號的正交性，降低了OFDM符號的峰均比，使帶外輻射功率降低；另一方面，濾波器使用了具有軟截斷性質的Hanning窗，使得濾波器的沖擊響應能快速衰落，濾波后的信號能量集中在帶內，進一步降低了帶外輻射性能。在圖4中可以看出：子帶1濾波輸出的帶外衰減可達60dB，F-OFDM基帶信號較OFDM基帶信號在OOB性能上有28dB的提升。

圖4　F-OFDM發射機OOB性能(AWGN信道)

2　性能測試

根據本文建立的F-OFDM收發仿真模型分別進行F-OFDM在AWGN、EPA信道下的性能測試和F-OFDM與LTE-OFDM的BER性能對比。仿真參數如表1所示。

表1　F-OFDM與LTE-OFDM仿真參數

2.1不同信道的性能仿真

根據表1中F-OFDM系統的參數，分別在AWGN、EPA信道下對F-OFDM進行性能測試。在F-OFDM的2個子帶間隔1個子載波的條件下，由于子帶濾波器Hanning窗的軟截斷性質，使得子帶間的ISI得到有效抑制。從圖5中可以看出：AWGN信道下，各個子帶的BER性能與理論值一致。在引入具有頻率選擇性衰落的EPA(3km/h)信道下，子帶濾波器對子信道間的ISI的抑制效果以及接收端對子信道進行均衡的效果均會較AWGN信道下的差。在性能測試中可以看出：在誤碼率10-3處，2個子帶經過EPA信道較理論值分別有0.5dB和1dB的差距，如圖6所示。總之，在AWGN和EPA信道下，F-OFDM系統的性能均接近于理論值。

圖5　F-OFDM接收機誤比特率(AWGN信道)

圖6　F-OFDM接收機誤比特率(EPA信道)

2.2F-OFDM與LTE-OFDM性能對比

F-OFDM系統在收發端均加入了子帶濾波器，相比LTE-OFDM系統，濾波器的時域寬度減少了一半，濾波后的帶內子載波的正交性沒有LTE-OFDM系統嚴格，但帶來了保護間隔的縮小(1個子載波)和帶外OOB性能的提高。F-OFDM系統在經過接收端濾波子帶解耦后，與LTE-OFDM的接收處理基本一致。所以，2個系統的性能基本一致，這點從圖7中可以看出。由于接收端子帶解耦會對接收信道的信噪比有影響，所以F-OFDM系統相比理論值在10-3處的誤碼性能會有小于1dB的差異。

3　結論

F-OFDM對子帶的配置靈活。不同子帶可以配置不同CP和子載波間隔，比LTE-OFDM系統更能有效配置資源。

帶外發射OOB性能遠好于LTE-OFDM，其中F-OFDM帶外衰減超過60dB，比LTE-OFDM帶外衰減高28dB。

在AWGN信道下，F-OFDM系統的性能與LTE-OFDM一致，與理論值的差異也小于1dB。

圖7　F-OFDM與OFDM性能對比(AWGN信道)

[1]楊芳,時和平,周磊.專用通信裝備配發過程的WF-nets模型[J].四川兵工學報,2015,36(7):73-78.

[2]VAKILIANV,WILDT,SCHAICHF,etal.Universal-filteredmulti-carriertechniqueforwirelesssystemsbeyondLTE[C]//2013IEEEGlobecomWorkshops(GCWkshps).[S.l.]:IEEE,2013:223-228.

[3]ZHANGX,JIAM,CHENL,etal.Filtered-OFDM-EnablerforFlexibleWaveforminThe5thGenerationCellularNetworks[C]//2015IEEEGlobalCommunicationsConference(GLOBECOM).[S.l.]:IEEE,2015:1-6.

[4]ABDOLIJ,JIAM,MAJ.FilteredOFDM:Anewwaveformforfuturewirelesssystems[C]//2015IEEE16thInternationalWorkshoponSignalProcessingAdvancesinWirelessCommunications(SPAWC).[S.l.]:IEEE,2015:66-70.

[5]吳華.濾波器組多載波系統快速實現及同步技術研究[D].重慶：重慶大學，2009.

[6]仲元紅.寬子帶濾波器組多載波系統及其關鍵技術研究[D].重慶：重慶大學，2011.

[7]華為技術有限公司.Filtered-OFDM技術簡介-forInnovateAsia[R].5G算法大賽，2015.

[8]NEER,PRASADR.OFDMforwirelessmultimediacommunications[M].[S.l.]:ArtechHouse,Inc.,2000.

(責任編輯楊文青)

ResearchonBasebandTechnologyofFiltered-OFDMWirelessCommunication

YANGFan1, 2,ZENGXiao-ping2,ZHOUJi-hua1,RUANDing-liang1,ZHANGBo1,WUHua2

(1.ChongqingJinmeiCommunicationCo.,Ltd.,Chongqing400030,China;2.CollegeofCommunicationEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

BasedonthedeeplyresearchoftraditionalLTE-OFDM,wedesignedthesystemofFilter-OFDM(F-OFDM)withitscharacteristics,whichdefinedtheformatofframe,andsimulatedthebasebandsystemmodel,andfilteredthetwosub-bandsignalandde-couplesthebasebandsignalandverifieditsperformance.Theexperimentalresultsshowthat:theout-bandattenuationofDLbasebandF-OFDMsignalcanreach60dB,whichimproves28dBoverLTE-OFDM,andtheBERofF-OFDMsystemisalsosimilartoLTE-OFDM,whichhasless1dBthantheoreticalvalue.ComparedwithLTE-OFDMsystem,F-OFDMsystemimprovesOOBleakage,andincreasesthespectrumefficiency,whichalsoimprovesBERperformanceofLTE-OFDMsystem.

Filtered-OFDM; 5G;BER;OOB

2016-04-18

國家自然科學基金重大研究設計培育項目(91438104)

楊凡(1983—)，男，湖北人，博士研究生，工程師，主要從事寬帶通信信號處理、多載波濾波技術研究，E-mail: 34179861@qq.com。

format：YANGFan,ZENGXiao-ping,ZHOUJi-hua,etal.ResearchonBasebandTechnologyofFiltered-OFDMWirelessCommunication[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(9):113-117.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.018

TP914.3

A

1674-8425(2016)09-0113-05

引用格式：楊凡，曾孝平，周繼華，等.F-OFDM系統的基帶技術研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(9):113-117.