5G網絡新波形候選技術研究

楊樂

【摘 要】針對5G網絡技術研究中主流的新波形候選技術W-OFDM、FBMC-OQAM、FB-OFDM、UFMC和F-OFDM等五種技術方案進行了詳細介紹，并分別分析了各自的差異性和優缺點，提出了相關應用建議。

【關鍵詞】新波形候選 W-OFDM FBMC-OQAM FB-OFDM

Investigation on Waveform Candidate Techniques for 5G Networks

[Abstract] Five technical solutions in the mainstream waveform candidate techniques in 5G networks including W-OFDM， FBMC-OQAM， FB-OFDM， UFMC and F-OFDM were expounded. Their differences， advantages and disadvantages were analyzed. Corresponding application suggestions were put forward.

[Key words]waveform candidate W-OFDM FBMC-OQAM FB-OFDM

1 引言

LTE采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術，子載波和OFDM符號構成的時頻資源組成LTE系統的無線物理時頻資源，目前OFDM技術在無線通信中已經應用的比較廣泛。由于采用了循環前綴CP（Cyclic Prefix），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，這很好地簡化了信道估計方法，并有較高的信道估計精度。然而，CP-OFDM系統性能對相鄰子帶間的頻偏和時偏比較敏感，這主要是由于該系統的頻譜泄漏比較大，因此容易導致子帶間干擾。目前LTE系統在頻域上使用了保護間隔，但這樣降低了頻譜效率，因此需要采用一些新波形技術來抑制帶外泄漏。

目前無線通信5G技術中抑制帶外泄漏的新波形技術方案是5G技術研究的一個重要方向。目前在3GPP會議上各公司提出來的主要新波形候選技術包括：加窗正交頻分復用CP-OFDM with WOLA（CP-OFDM with Weighted Overlap and Add）、移位的濾波器組多載波FBMC-OQAM（Filter Bank Multicarrier-Offset QAM）、濾波器組的正交頻分復用FB-OFDM（Filter Bank OFDM）、通用濾波多載波UFMC（Universal Filtered Multicarrier）和濾波的正交頻分復用F-OFDM（Filtered OFDM）。

2 新波形技術方案介紹

2.1 加窗正交頻分復用CP-OFDM with WOLA

CP-OFDM with WOLA是由高通公司牽頭提出來的。為了描述簡單，本文將CP-OFDM with WOLA簡寫為W-OFDM。W-OFDM的主要思想就是使用時域升余弦函數窗代替LTE的矩形窗。由于矩形窗邊緣變化非常陡，因而頻域上帶外泄漏就比較大；而升余弦函數窗邊緣變化比較緩慢，因而頻域上帶外泄漏就小。圖1是W-OFDM發射端的處理框圖，其中黑色的處理框圖是與LTE相同的處理過程，紅色框圖是在LTE的發射處理過程中增加的。圖2是加窗的方法簡圖。使用的加窗函數為時域升余弦函數窗，因此在符號間隔邊緣處為變化比較緩慢的曲線。該曲線占用了一定的CP區域，而且會導致相鄰符號間存在部分數據重疊。

W-OFDM的優點是：實現比較簡單，只是在原來的LTE的發射處理過程中增加一個時域加窗就行，而且可以通過實現的手段執行，即不需要修改物理層標準協議。W-OFDM的缺點為：抑制帶外泄漏的效果有限，由于加窗占用了部分CP區域，因此抗多徑時延信道能力下降。

2.2 移位的濾波器組多載波FBMC-OQAM

FBMC-OQAM也是在時域加窗，與W-OFDM不同的是：FBMC-OQAM的窗函數比較長，通常為4～5個符號長度，窗函數一般使用IOTA（Isotropic Orthogonal Transform Algorithm）函數；FBMC-OQAM調制的數據為實數，即將復數的實部和虛部提取出來，分別進行調制處理。

IOTA函數的時域波形和頻域波形如圖3所示。可以看出，IOTA函數的時域波形和頻域波形是相同的形狀。因此FBMC-OQAM的時域和頻域都收的比較緊，因此具有很好的帶外抑制泄漏效果。

FBMC-OQAM鏈路收發處理過程如圖4所示。紅色字體的框圖是與OFDM系統收發鏈路的不同處理過程。與OFDM系統相比，FBMC-OQAM系統的最大區別在于：在發射端，基帶經過IFFT處理后，還要進行多相濾波器的處理；在接收端，接收數據在進行FFT處理之前，要先經過多相濾波器的處理。

FBMC-OQAM的優點為：帶外泄漏小，不需要CP，這樣可以提高頻譜效率。FBMC-OQAM的缺點為：收發處理復雜度相對比較高，由于是實數調制，因此信道估計比較復雜，而且與MIMO技術相結合比較困難。

2.3 濾波器組的正交頻分復用FB-OFDM

FB-OFDM也是在時域加窗，時域加窗在技術原理上都屬于子載波級濾波。與W-OFDM不同的是：FB-OFDM的窗函數可以比較長，也可以比較短，具體根據場景需要來靈活選擇。與FBMC-OQAM不同的是：FB-OFDM調制的數據仍然為實數，因此可以與LTE保持比較好的兼容性，而且信道估計比較簡單，與MIMO技術相結合比較容易。

FB-OFDM系統發射端原理如圖5所示。其中紅色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。

多相濾波器的參數與選擇的波形函數有關。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，UE可以選擇合適的波形函數調制發射數據。比如，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；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也可以作為FB-OFDM系統側參數，并在多相濾波器模塊里進行設置。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。

不同的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。需要對波形函數做更多的研究，以挑選出一些更好的波形函數。

FB-OFDM系統接收端原理如圖6所示。其中紅色框內是多相濾波器模塊的操作，這個操作代替了LTE的去CP操作，其余模塊與LTE的完全相同。

FB-OFDM的優點為：帶外泄漏小；不同場景使用不同的波形函數，可以滿足不同場景的重點需求；異步性能好；與LTE技術兼容性好；發射和接收端實現復雜度低。FB-OFDM的缺點為：由于沒有CP，因而抗多徑時延信道能力略微降低。

2.4 通用濾波多載波UFMC

UFMC屬于子帶級濾波。傳輸帶寬中，每個RB的數據單獨進行IFFT，然后再加濾波器濾波，該濾波器在時域上添加，屬于時域卷積操作，運算量比較大。然后經過濾波后的每個RB的數據再疊加合成一路數據。

UFMC不加CP，而是加保護間隔。如圖7所示，在每個RB的時域數據上增加濾波器操作，會擴展數據符號的時域長度，為了避免相鄰符號間的數據重疊，因此符號間增加保護間隔。

UFMC的優點為：以RB級為單位增加濾波器，這樣濾波器參數比較固定。UFMC的缺點為：由于濾波器長度要小于等于保護間隔長度，因而帶外泄漏抑制效果有限；每個RB都需要單獨IFFT和濾波操作，復雜度比較高。

2.5 濾波的正交頻分復用F-OFDM

F-OFDM也屬于子帶級濾波，與UFMC不同的是：以子帶為單位進行濾波，子帶帶寬不固定；繼續加CP，不加保護間隔；濾波器長度大于CP長度，為半個符號長度。

由于濾波器長度為半個符號長度，又沒有保護間隔，因此F-OFDM的符號間會存在數據重疊和干擾。如圖8所示，CP-OFDM的符號間是沒有數據重疊的，而F-OFDM的符號間存在數據重疊。F-OFDM接收端在解調時，忽略這個符號間的重疊干擾。

F-OFDM的優點：由于濾波器長度大于CP長度，因而帶外泄漏抑制效果好于UFMC。F-OFDM的缺點為：子帶寬度的變化將導致濾波器參數發生變化；子帶寬度不能太窄，否則帶外泄漏抑制效果將降低，符號間干擾將增大；發射和接收端實現復雜度相對比較高。

3 結束語

本文對5G網絡技術研究中新波形候選技術W-OFDM、FBMC-OQAM、FB-OFDM、UFMC和F-OFDM分別進行了簡單介紹。可以看出這幾種波形技術在帶外抑制效果上有一定的差異，在優缺點上也有一定的差異，各有所長，各有所短。同時可知，與LTE的CP-OFDM波形技術相比，這幾種波形技術都能在一定程度上抑制帶外泄漏，但也在一定程度上引入了一些缺點。總之，各種5G新波形候選技術在減少帶外泄漏的同時，也需要付出一定的代價。

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