5G新型多載波UF-OFDM技術及測試

劉海靜 諾基亞和上海貝爾貝爾實驗室（中國）工程師

汪勇剛 諾基亞和上海貝爾貝爾實驗室（中國）高級工程師

王河 諾基亞和上海貝爾貝爾實驗室（中國）高級工程師

5G新型多載波UF-OFDM技術及測試

劉海靜 諾基亞和上海貝爾貝爾實驗室（中國）工程師

汪勇剛 諾基亞和上海貝爾貝爾實驗室（中國）高級工程師

王河 諾基亞和上海貝爾貝爾實驗室（中國）高級工程師

對5G新型多載波技術之一UF-OFDM技術進行了介紹，給出了參與中國5G技術研發試驗第一階段測試相應的測試方案和測試結果。測試結果表明，與現有LTE CP-OFDM技術相比，通過大幅度降低帶外泄漏，UF-OFDM降低了對時頻同步的要求，能夠更好地支持異步傳輸，可滿足5G系統在統一技術框架基礎上支持不同場景差異化技術方案的需求。

UF-OFDM；濾波；異步傳輸；測試

1 引言

隨著移動互聯網和物聯網的飛速發展，5G需要滿足多樣化業務需求，解決不同應用場景下的差異化性能指標帶來的挑戰，有效實現連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠等目標。為了滿足上述需求，發展5G新空口技術勢在必行。

一直以來，波形一直是無線空口技術的主要組成部分之一。4G選擇了CP-OFDM作為其空口傳輸波形。CP-OFDM技術具有傳輸效率高，實現簡單，易與MIMO結合的優點。但CP-OFDM頻域的正交性結構決定了它對時偏和頻偏非常敏感。同時，由于CP-OFDM在時域處理中采用了矩形窗截斷，故存在較高的帶外泄露，更加不利于對相鄰子帶異步傳輸的支持。另外，4G系統功能中采用的CP-OFDM技術在整個帶寬中只支持一種波形參數配置，不能很好地滿足多樣化的業務需求。

為了滿足豐富多樣的業務需求，5G新波形技術需要能夠針對不同的業務場景、傳輸環境，為每個用戶選擇合適的多載波參數進行靈活配置，并能同時服務不同參數配置的多個用戶。例如，為低時延業務配置較短的符號長度，為多媒體廣播業務配置較大的子載波間隔，并允許兩種業務的并行傳輸。另外，物聯網業務成為5G應用的重要組成部分之一。針對日益豐富的物聯網應用，5G需要提供有效的小數據包傳輸。盡可能避免用于同步和其他需求的信令交互，減少信令開支，縮短終端設備的活躍時間，降低終端功耗。這就需要5G新波形技術對時頻不同步具有較高的耐受性，有效地支持多用戶異步傳輸。

本文針對貝爾實驗室提出的5G新型多載波技術UF-OFDM及其實現方案，從收發機設計、測試系統搭建、測試用例及結論等方面進行了介紹。測試結果表明，UF-OFDM技術繼承了CP-OFDM的優點，并通過濾波技術大幅度降低帶外泄漏，可有效支持相鄰子帶的異步傳輸。同時，UF-OFDM能夠根據不同業務對于波形參數的不同需求在統一的物理層平臺上進行動態的選擇和配置，可滿足5G系統在統一技術框架基礎上支持不同場景差異化技術方案的需求。

2 UF-OFDM技術簡介

UF-OFDM采用基于濾波器的多載波方案，利用帶限的子載波實現多載波傳輸，在每個子載波或子載波組上使用濾波器進行處理，然后合成為寬帶信號進行發送和接收。相對于CP-OFDM，它具有低的帶外干擾，對于時頻異步引起的載波間干擾相對魯棒。

如圖1所示，對每個用戶，UF-OFDM根據不同的業務需求進行波形參數配置，然后按照如下步驟對需要發送的輸入符號進行調制：

●對輸入符號進行IFFT操作，生成時域信號。

●在時域對信號進行CP或ZP處理。

●按照子帶或者子載波對信號進行濾波。

圖1 單用戶UF-OFDM信號調制

ZP和CP都能夠提供ISI。有研究證明ZP具有更好的頻偏魯棒性，而CP具有更好的PAPR性能。在實際系統中，通常一組子載波組成一個子帶，被分配給同一用戶。因此，只需要在不同子帶間進行抗ICI處理，也就是說，可以以子帶為單位進行濾波操作。在下文中，我們主要對采用了ZP和子帶濾波的UF-OFDM進行討論。其發射機和接收機結構如圖2所示。獲得最終的接收符號。

圖3顯示了CP-OFDM和UF-OFDM基帶發送信號的功率譜密度。與CP-OFDM相比，UF-OFDM具有更大的帶外泄露抑制。這使UF-OFDM能夠更好地抵抗時頻異步造成的ICI，更加適用于異步多址接入、高速移動等應用場景。

3 UF-OFDM測試方案

圖2 采用了ZP處理的子帶濾波UF-OFDM示例框圖

3.1 測試系統設計

5G新型多載波(UF-OFDM)關鍵技術測試系統如圖4所示，包含了一個2通道發送的5G終端原型樣機，一個2通道接收的5G基站原型樣機，并通過信道仿真器模擬真實的室外無線衰落信道。

測試系統參數配置見表1。

3.2 測試場景設計

首先，系統帶寬被分為多個子帶，每個子帶具有各自的配置（子帶寬度、子載波間隔等），然后，每個子帶進行獨立的濾波操作。最后，將各子帶信號相加，形成最終的發射信號。針對每個子帶不同的需求，濾波器可以進行靈活配置。濾波器具體系數的設計一般以增大帶外衰減，限制帶內衰落為目標。與采用了CP的CP-OFDM相比，圖2中采用了ZP，在時域符號邊緣添加了ZP。通過對濾波器抽頭數的設計，使濾波產生的拖尾被包含在ZP之內，故相鄰時域符號之間不會相互重疊，在頻率平坦衰落信道中能夠有效地避免ISI。

接收機不需要知道濾波器的具體系數，只需要知道濾波器的抽頭個數。首先，根據抽頭個數，對接收到的時域信號進行預處理，消除濾波拖尾的影響（類似與CP-OFDM接收端的去CP操作），再對處理后的信號采用FFT操作，得到頻域信號，最后進行頻域信號處理，

圖3 UF-OFDM和CP-OFDM波形的頻譜性能

圖4 5G新型多載波（UF-OFDM)關鍵技術測試系統

表1 UF-OFDM測試參數配置

CP-OFDM系統對頻率偏移和時間偏移造成的干擾比較敏感。原因是在于CP-OFDM在處理過程中對時域信號加載了矩形窗。反映在頻域，即每一個頻域采樣點的脈沖變為sinc函數信號。由于sinc信號旁瓣功率較大，因而一旦不同步，則較大的帶外信號即轉變為干擾。UF-OFDM的設計思想即用濾波器進行帶外信號抑制。

根據未來5G業務多樣化、接入異步化等要求，本文設計了頻率不對齊、時間不對齊等測試場景，用以驗證UF-OFDM技術的性能特征。圖5給出了兩用戶測試場景基本配置。兩個用戶占用相鄰的頻帶資源，一個用戶（UE1）占用10 RBs。另一個用戶（UE2）占用下一個1RB的資源塊，可用于承載機器類通信的業務。

圖5 兩用戶測試場景示意

（1）頻率異步

載波頻率偏移（CFO）是由于發送端和接收端的晶振頻率未對準，或者是由于移動用戶的Doppler頻偏造成的。CP-OFDM需要很高的同步要求，一旦未對準，則會在相鄰用戶間引入較高的載波間干擾，即ICI。由于CP-OFDM中較高的旁瓣功率，因此由CFO而導致的ICI更嚴重。相對而言，UF-OFDM更能抵抗CFO帶來的影響，因為它的帶外功率或者說旁瓣功率受到了很大的抑制。

在具體測試中，干擾信號（UE2）頻點向被測信號（UE1）偏移2KHz和4KHz，用于觀察頻率異步干擾對被測信號造成的影響（見圖6）。

圖6 頻率異步測試場景示意

（2）時間異步

CP-OFDM需要嚴格的時間同步，一旦FFT的操作不在相同的采樣點上執行，干擾就會產生。時間異步有兩種情況，一種是符號級別時間異步，用戶的發送信號完全不同步，基站接收某一用戶信號并與之同步、采樣。此時干擾的產生是由其它非同步且占用相鄰子載波的用戶產生，由于OFDM符號的采樣錯位而導致頻譜帶外泄露，又因干擾信號頻譜資源在相鄰子載波，因而對接收信號產生干擾。

另一種是CP級別時間異步，用戶只采用了開環同步技術，與基站非嚴格同步，基站接收該用戶信號時只按基站基準時間采樣，相鄰子載波的用戶信號成為干擾源。干擾的產生和CP有關，如果時間偏移是向后，并且小于CP長度，則不會有干擾。但是如果是另外一個方向，即向前的時間偏移，則性能損失立刻就會發生。UF-OFDM不同，它的實現中沒有采用CP。相應的性能的損失是隨著時間偏移的增大而溫和地增大。

圖7給出了符號級別的時間偏移測試用例配置。干擾信號（UE2）較之被測信號（UE1）滯后1/4符號和1/2符號，測試該時間異步的干擾對被測信號造成的性能影響。

圖7 符號級別時間異步測試場景示意

圖8給出CP級別時間偏移測試場景。在該場景中，UE1與基站保持同步；UE2采用了開環同步技術，與基站的同步差在CP級別。主要測試時間不同步對被測信號（UE2）性能造成的影響，此時UE2的接收處理是以UE1（即基站）基準起始時刻為采樣時間。

圖8 CP級別時間異步測試場景示意

4 測試結果及分析

4.1 頻率異步

如圖9所示，隨著干擾信號功率升高，與傳統LTE CP-OFDM相比，UF-OFDM技術能夠提供更好的抗頻偏的性能。具體地，當干擾信號功率比信號功率高10dB，并且頻率偏差達到2KHz時，UF-OFDM技術相對于同步方式幾乎沒有性能損失，而傳統LTE CP-OFDM達到了6dB以上的性能損失。當頻率偏差達到4KHz時，UF-OFDM技術幾乎沒有性能損失，傳統LTECP-OFDM已無法獲得BLER=0.1的解碼性能。

4.2 時間異步

（1）符號級別時間異步

圖10表示了當時間異步在符號級別時，UF-OFDM和CP-OFDM的BLER-SNR性能。隨著干擾信號功率升高，與傳統LTECP-OFDM相比，UF-OFDM技術能夠提供較好的抗時偏的性能。具體地，當干擾信號功率比信號功率高10dB，并且上行異步時，即同步偏差在1/4Symbols和1/2Symbols，傳統LTE CP-OFDM和UF-OFDM都有一定的性能損失。比較而言，傳統LTE CP-OFDM相對于UF-OFDM有約2dB的額外的性能損失。

（2）CP級別時間異步

當UE2無閉環同步，UE2信號無TA測量和糾正，

致使UE2相對于基站的幀對齊時間提前的非同步情況下，對該信號而言，UF-OFDM技術的性能高于傳統LTECP-OFDM技術。具體地，當上行同步差在-CP以內時UF-OFDM技術相對于傳統LTECP-OFDM技術有3dB的增益（BLER=0.1）。反之，當上行同步差在+ CP以內時，UF-OFDM技術與傳統LTECP-OFDM技術性能相當（見圖11）。

圖9 頻率異步測試模式UF-OFDM，CP-OFDM BLER-SNR性能比較

圖10 符號級別時間異步測試模式UF-OFDM，CP-OFDM BLER-SNR性能比較

綜上，與傳統LTECP-OFDM技術相比，UF-OFDM技術能夠提供更好的抗頻偏和時偏干擾信號的能力,特別是在干擾信號功率較高時。當上行信號無TA測量和糾正，致使和基站的幀對齊時間相差約CP級別的非嚴格同步情況下，對該信號的解碼，UF-OFDM技術的性能明顯優于傳統LTECP-OFDM技術，并且和干擾功率強度無關。說明UF-OFDM特別適用于5GIoT新型業務的傳輸需求。

圖11 CP符號時間異步測試模式UF-OFDM，CP-OFDM BLER-SNR性能比較

5 結束語

作為5G新型多載波技術極具競爭力的候選方案之一，UF-OFDM技術可有效抑制帶外泄露，降低對時間同步和頻率同步的要求；同時，面向5G不同場景及業務需求，能夠進行靈活的子帶配置，并支持基于不同子帶采用不同技術方案的異步傳輸；針對5GIoT新型業務，可無需上行同步操作，實現超低時延傳輸，而無性能損失；同時，相對于其他基于濾波的OFDM技術而言，UF-OFDM的濾波器階數較少，具有較低的實現復雜度。

[1]T.Wild et al.Universal Filtered OFDM(UF-OFDM)-A New Waveform for the 5G Air Interface[J].NOKIA Technology White Paper,12,2015.

[2]P.Weitkemper et al.Hardware Experiments on Multicarrier Waveforms for 5G.2016 IEEE Wireless Communications and Networking Conference,Doha,Qatar,2016,pp.1-6.

2016-10-26）