面向5G的非正交多載波傳輸技術(shù)

王華華 李孟杰 余永坤 楊 康

（重慶郵電大學(xué)移動通信重慶市重點實驗室，重慶 400065）

面向5G的非正交多載波傳輸技術(shù)

王華華 李孟杰 余永坤 楊 康

（重慶郵電大學(xué)移動通信重慶市重點實驗室，重慶 400065）

由于正交頻分復(fù)用不能很好地適應(yīng)5G的應(yīng)用場景，本文提出了三種新型非正交多載波傳輸技術(shù)：濾波器組多載波、通用濾波多載波和廣義頻分復(fù)用。詳細(xì)分析了三種非正交多載波傳輸技術(shù)的原理，并且從理論上分析各系統(tǒng)的性能，從而明確其在5G應(yīng)用場景適用的原因。

多載波技術(shù)；濾波器組多載波；通用濾波多載波；廣義頻分復(fù)用

1 引言

5G與4G相比，不但有海量的設(shè)備連接，還有各種新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景，如車聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、在線游戲、機(jī)器類通訊、超高清晰度視頻、自動駕駛汽車、物聯(lián)網(wǎng)等[1]。4G采用的OFDM[2]（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用)多載波傳輸技術(shù)，存在帶外泄露高、同步要求嚴(yán)格、不夠靈活等不利因素，不能很好地應(yīng)對5G的新業(yè)務(wù)和場景，因此必須要提出新型的多載波技術(shù)來滿足5G的需求。本文提出了三種目前熱門的非正交多載波傳播技術(shù)，并且對三種系統(tǒng)的原理和系統(tǒng)模型進(jìn)行了詳細(xì)分析，簡單總結(jié)了三種非正交多載波傳輸技術(shù)各自的特點。

2 濾波器組多載波（FBMC-OQAM）

圖1FBMC系統(tǒng)原理圖

如圖1所示，F(xiàn)BMC系統(tǒng)主要包括原型濾波器、多相結(jié)構(gòu)濾波器組合（PPN,Polyphase Network）和偏置正交幅度調(diào)制（OQAM,Offset Quadrature Amplit-ude Modulation）方式[6]。發(fā)送端傳統(tǒng)的QAM調(diào)制改為OQAM調(diào)制，對復(fù)數(shù)信號進(jìn)行了實部和虛部分離，調(diào)制后將數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換通過IFFT模塊完成頻域到時域轉(zhuǎn)換，將IFFT變換之后通過多相結(jié)構(gòu)PPN模塊處理；接收端也有相應(yīng)的操作。IFFT和PPN稱為分析濾波器組。此框架可以實現(xiàn)基本的基于FBMC的多載波調(diào)制解調(diào)功能。

在時域上，假設(shè)原型濾波器系數(shù)為hi，此時輸入輸出關(guān)系為：

式(1)中，hi(o≤i≤L-1)為濾波器的響應(yīng)系數(shù)，長度為L，對式(1)作相應(yīng)的Z變化表達(dá)式為：

其中

這是信號處理中常見的多項式展開結(jié)構(gòu)，對于單個濾波器，Hp(ZM)包含了頻域響應(yīng)的相位偏移。設(shè)原型濾波器頻率響應(yīng)為B0(f)，那么濾波器組中第k個濾波器就是由B0(f)經(jīng)過k/M個單位頻偏得到，子載波的每一路濾波器在原型濾波器的基礎(chǔ)上需要頻移fi，即乘以e-j2πfit。發(fā)射機(jī)第k整體Z域表達(dá)式如下所示：

令W=e-j2π/M，可以得到如下的濾波器組矩陣方程組

等式右邊第一部分的M×M矩陣即IDFT矩陣，可以由IFFT實現(xiàn)，第二部分就是Hp(ZM)，這是濾波器組中所有濾波器的共有部分，即為多相結(jié)構(gòu)PPN。

2.1OQAM調(diào)制原理

由于FBMC相鄰的子載波之間存在混疊干擾，若采用常規(guī)的QAM基帶調(diào)制，無法避免相鄰子載波之間的干擾。為了應(yīng)對混疊干擾，在FBMC系統(tǒng)中加入OQAM調(diào)制。OQAM調(diào)制的基本思想是將QAM信號以虛實間隔的方式進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到防止相鄰子載波間干擾的目的；OQAM還將數(shù)據(jù)分為兩路進(jìn)行調(diào)制。其工作原理為：首先將QAM調(diào)制后的復(fù)數(shù)信號的實部和虛部分離，分為兩條路徑進(jìn)行調(diào)制。如圖2所示。

圖2OQAM調(diào)制原理

數(shù)據(jù)經(jīng)過OQAM調(diào)制后分為兩路，每條路奇偶交替為純實數(shù)和虛數(shù)。其星座圖如圖3和圖4所示。

圖3OQAM調(diào)制后第1路星座圖

圖4OQAM調(diào)制后第2路星座圖

FBMC-OQAM技術(shù)是一種基于多個濾波器組的采用交錯正交幅度調(diào)制的多載波通信方式，是5G物理層調(diào)制技術(shù)的備選方案之一[3,7]。FBMC與傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)相比，其各子載波之間不需要嚴(yán)格正交，而且不需要使用CP去消除碼間串?dāng)_(Intersymbol Interference,ISI)，并且能夠利用一些零散頻譜資源，使其頻譜利用率顯著提高；此外FBMC-OQAM對頻率和時間同步要求低，帶外頻譜泄漏低。

3 通用濾波多載波（UFMC）

如圖5所示，UFMC每組子載波構(gòu)成一個子帶，子帶間互不交疊。每個子帶符號通過N點IDFT模塊完成頻域到時域轉(zhuǎn)換，接著經(jīng)過一個長度為L的濾波器模塊，這時的符號長度為N+L-1，然后所有UFMC符號進(jìn)行疊加，最后把基帶信號變換為射頻信號。經(jīng)過無線信道后，首先把射頻信號轉(zhuǎn)化為基帶信號，接著通過添零的方法構(gòu)造一個2N點IFFT，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)信息提取，最后對原始數(shù)據(jù)恢復(fù)。

圖5UFMC系統(tǒng)原理圖

對任意序號為i的子載波進(jìn)行IDFT變換。IDFT模塊的表達(dá)式為：

濾波器的作用就是把經(jīng)過IDFT變換后的時域信號xi和FIR濾波器fi進(jìn)行線性卷積。表達(dá)式為：

通過加法器之后，發(fā)射端的UFMC符號y的表達(dá)式為：

接收端先對時域信號做預(yù)處理，例如通過加窗來抑制多用戶干擾等。然后通過補零使得點數(shù)滿足2N點IFFT變換，然后恢復(fù)原始信號。

UFMC在不同的子頻帶可以使用不同的采樣間隔和濾波長度，使得UFMC可以靈活適應(yīng)5G的各種應(yīng)用場景[8,9]，而且可以通過濾波器的過渡和緩降代替CP抵抗符號間干擾，可以很好地和MIMO技術(shù)結(jié)合。

4 廣義頻分復(fù)用（GFDM）

如圖6所示，發(fā)送比特流經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換為K路并行數(shù)據(jù)，經(jīng)過J-QAM映射以及N倍升采樣之后，與循環(huán)延時mN的成形脈沖g(n-mN)做循環(huán)卷積，各路信號分別與相應(yīng)子載波相乘，完成子載波調(diào)制，串并轉(zhuǎn)換在幀前添加循環(huán)前綴，避免幀間干擾，完成一幀信號的基帶處理。

圖6GFDM系統(tǒng)原理框圖

假設(shè)一幀中同一個子載波發(fā)送的符號數(shù)為M，將一幀中的符號用矩陣表示為：

第k行表示在第k個子載波上發(fā)送的符號，第m列表示在第m個信令時隙發(fā)送的符號。

N倍升采樣后的輸出信號為：

將此信號經(jīng)過濾波器進(jìn)行脈沖成形和子載波調(diào)制、串并轉(zhuǎn)換后的發(fā)送信號為：

最后在發(fā)送端發(fā)射之前，加入CP，得到發(fā)送結(jié)果Xk。

根據(jù)其設(shè)計原理可以得出GFDM具有信號接收方式簡單、帶外功率泄漏小、無需正交傳輸?shù)葍?yōu)勢，并且GFDM可以根據(jù)不同類型的業(yè)務(wù)與應(yīng)用場景對CP長度的要求，插入不同長度類型的CP，發(fā)揮CP在系統(tǒng)中重要作用[8]。另外GFDM是基于塊傳輸?shù)?，對于不同的塊可以配置不同的子載波寬度，使其具有靈活的幀結(jié)構(gòu)，從而可以很好地應(yīng)對未來移動通信的需求。

5 結(jié)束語

本文介紹了三種新型的多載波，它們都是非正交傳輸技術(shù)，并且在IOT和MTC等5G場景中應(yīng)用更有優(yōu)勢。本文詳細(xì)分析了它們的原理和各自的優(yōu)缺點。FBMC有極小帶外干擾，同時具有OFDM的特點，但不易于與MIMO結(jié)合，而且濾波器長度太長，不能很好地適用于物聯(lián)網(wǎng)等小包數(shù)據(jù)的傳輸；UFMC傳輸技術(shù)結(jié)合FBMC和OFDM的大部分優(yōu)點，可以很好地適用于小包數(shù)據(jù)的傳輸，并且與MIMO技術(shù)可以很好地結(jié)合，但是算法復(fù)雜度過高；GFDM最大的優(yōu)點是在不同的應(yīng)用場景可以靈活配置CP和子載波寬度，從而大大提高了頻譜利用率，而且算法復(fù)雜度低于FBMC和GFDM。

[1]Wunder G，Jung P，Kasparick M，et al．5G NOW：Non-or-thogonal，Asynchronous Waveforms for Future Mobile Applications[J]． Communications Magazine IEEE，2014，52(2)：97-105．

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[5]Fettweis G，Krondorf M，Bittner S．GFDM-Generalized Frequency Division Multip-lexing[C]．IEEE Vehicular Technology Conference，2009：1-4．

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[7]謝顯中．第5代移動通信基本要求與新型多址復(fù)用技術(shù)[J]．重慶郵電大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，27(04)：434-440． [8]趙瑞芳．非正交多載波傳輸技術(shù)的研究[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2015．

[9]席思雨．面向小包傳輸?shù)耐ㄓ脼V波多載波復(fù)用技術(shù)研究[D]．北京：北京交通大學(xué)，2017．

The Non-orthogonal Multi-carrier Transmission Technology for 5G

Wang Huahua Li Mengjie Yu Yongkun Yang Kang
(Chongqing Key Lab of Mobile Communications Protocol,CQUPT,Chongqing 400065)

Because OFDM cannot adapt to 5G application scenarios,the paper proposes three non-orthogonal multicarrier transmission technologies:FBMC-OQAM,UFMC and GFDM.It analyzes the principles of the three kinds of non-orthogonal multicarrier transmission technologies in detail,and analyzes the performance of each system.Consequently,it clarifies the reason that they are suitable for the application scenarios of 5G.

multi-carrier technology;FBMC;UFMC;GFDM

TN929.5

A

1008-6609(2017)08-0003-03

王華華（1981-），男，山西臨汾人，碩士生導(dǎo)師，高級工程師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)（移動通信基帶處理系統(tǒng)）、通信軟件開發(fā)。

國家科技重大專項項目，項目編號：2017ZX03001021-004；重慶教委科學(xué)技術(shù)研究項目，項目編號：KJ1500428。