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1、5G候选波形技术研究摘要】随着4G的商用，对5G移动通信技术的研究已经提上日程并且成为国内外移动通信领域的研究热点。新型多载波技术是5G通信系统中的核心研究技术之一，针对5G中热点候选波形技术FBMC、RB-F-OFDM以及UFMC进行详细的研究，然后根据功率谱密度、误块率以及瞬时平均功率比等参数比较OFDM、FBMC、RB-F-OFDM和UFMC这四种波形技术的性能，并分别给出三种新波形的应用场景建议。【关键词】FBMC；RB-F-OFDM；UFMC；小包场景InvestigationonCandidateWaveformTechniquesfor5GXISiyu，DONGJiangbo，L
2、IUWei，RENYebing，LIUNa，SUNWei，QIHangAbstractWiththecommercializationof4G，theresearchon5Ghasbeenontheagendaandbecomethefocusinthefieldofmobilecommunicationathomeandabroad.ThenewMulti-Carriertechnologyisoneofthecoreresearchtechnologiesinthe5Gcommunicationsystem.Thehotcandidatewaveformtechniquesincludin
3、gFBMC，RB-F-OFDMandUFMCin5Gwereexpounded.ThentheperformanceofthefourwaveformtechniquesincludingOFDM，UFMC，FBMCandRB-F-OFDMwerecomparedaccordingtoPSD，BLERandIAPR，andapplicationscenariossuggestionsweregiven，respectively.KeywordsFBMC；RB-F-OFDM；UFMC；smallpacketscenarios1引言5G空口技术包括4G演进型空口以及5G新空口，5G通过灵活可配置的
4、幀结构和系统参数、超密集组网、多天线、新波形等关键技术来满足多样化应用场景的业务需求。OFDM作为LTE中的根底波形，不管是在理论研究还是实际应用中都已经非常成熟，在时变的信道中如果OFDM的正交性被破坏，其性能将会下降地较快，这使得研究非矩阵脉冲成型的多载波调制技术成为一种趋势，为了适应未来5G移动通信技术需求，一些新的多载波方案被提出。例如，FBMCFilterBankMulti-Carrier，基于滤波器组的多载波波形【1】，GFDMGeneralizedFrequencyDivisionMultiplexing，广义频分复用技术【2】，UFMCUniversalFilteredMult
5、i-CarrierTechnique，通用滤波多载波复用技术【3】，RB-F-OFDMResourceBlockFilteredOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，资源块滤波正交频分复用波形【4】等。本文拟分析FBMC、RB-F-OFDM和UFMC波形原理及其技术优势，并给出场景建议，为后续5G新波形技术的研究及设计提供思路。25G候选波形技术2.1FBMC技术FBMC作为5G热门候选波形技术近年来被广泛地讨论，图1为FBMC的系统模型。在文献【5】中，一种表现优良的原型滤波器被提出。表1是原型滤波器的设计参数。其中K表示重叠因子，根据表1，可以得到
6、原型滤波器的频域函数为：1经过傅立叶变换后，原型滤波器的时域函数为：2图1FBMC的系统模型表1原型滤波器的频率系数KH0H1H2H32/dB21/2-35310.9114380.411438-44410.971960/20.235147-65在FBMC系统中使用的调制方式是OQAM，文献【6】提出，在FBMC中同一频率上相邻符号的子载波上携带的信号如果是实数虚数彼此交替出现，那么相邻符号之间的干扰就会消除。表2为FBMC的干扰构成，从表2中可以看出相同频率上相邻符号的子载波以及同一符号相邻子载波之间携带的信号均为实部与虚部交替出现。表2原型滤波器的频率系数f，tn-3n-2n-1nn+1n+
7、2n+3k+1j0.043-0.125-j0.2060.239j0.206-0.125-j0.043k-0.06700.564Xn，k0.5640-0.067k-1-j0.043-0.125j0.2060.239-j0.206-0.125j0.043假设输入的信号为实数Xn，k，n表示符号数，k表示子载波数。表2所示的干扰是在调制方式为OQAM的情况下产生的。表2中的值表示在符号为n，子载波为k情况下的干扰。首先计算在符号n中，子载波k+1以及k-1对k的干扰：34Xn-1，k的时域波形函数如下所示：5在T/2处，Xn-1，k对Xn，k的干扰为0.564Xn-1，k，由于Xn-1，k是虚数，对
8、Xn，k并没有影响。经过对干扰值的分析，可以得出在FBMC系统中OQAM调制方式是可行的。采用了OQAM调制后，信号为虚实交替，经过计算后得到的符号率为M/T，其值与相同设置下不加CP的OFDM系统的符号率相同。输入信号经过IFFT后，经过多项网络PPN，PPN是原型滤波器在时域上的实现，经过PPN后，对输出的信号叠加后进行传输。在接收端多项网络的参数要跟发射端的多项网络呈匹配滤波器的关系，最大程度地复原发射信号。FBMC在OFDM的根底上做出了较大的修改，由于其对每个子载波单独进行滤波以及原型滤波器的优良性能，使得FBMC的带外泄露较OFDM有较大的改善，可以保证异步传输高质量地进行。FBM
9、C有很多优势，但是其在OFDM技术根底上所做出的修改使得其缺陷也不可无视。其是对每一个子载波进行滤波，这导致FBMC的滤波器长度非常大。FBMC在大数据场景是有应用价值的，但是在小包场景却存在一定的缺陷。2.2RB-F-OFDM技术RB-F-OFDM的系统模型如图2所示。在RB-F-OFDM系统中，以子带为根底对波形进行处理，在对发射端补零后进行N点IDFT，补零并没有增加新的信息。使用与传统的OFDM相同的方式添加CP，用来抵抗多径干扰。经过CP添加过程后进行上采样，上采样在时域进行，每个时域复数样点间添加Q-1个“0，在频域上表达为频谱被压缩周期化。接着对信号进行低通滤波，频域上信号所在频
10、率压缩后，进行成形滤波。使用低通等波纹滤波器进行滤波，同时滤除镜像频谱。接着进行上变频，把所有的信号进行相加，然后发射。在接收机端，根据不同RB所在的频段不同，将各个RB的数据进行下变频处理，经过匹配滤波器，Q倍下采样，去掉CP后做N点FFT变换，取相应位置的载波数据得到接收数据。RB-F-OFDM与F-OFDM的区别在于当遇到不连续频谱时，RB-F-OFDM的频谱泄露低于F-OFDM，当可用频谱被不可用的频谱隔开后，F-OFDM只能对整个频带进行统一滤波，而RB-F-OFDM可以对零散频谱单独进行滤波。RB-F-OFDM技术利用滤波器减小了带外辐射，可以降低保护带宽的设置宽度。由于RB-F-
11、OFDM波形变换单位比较小，适用于不连续频谱以及不同业务间的兼容共存。RB-F-OFDM系统与传统OFDM系统的兼容性比较好，对系统的改变要求不高，实现波形的复杂度不高。但是RB-F-OFDM的缺陷是系統既增加了滤波器，又增加了CP，会带来较大的开销，在小包场景中并不是最正确的选择。2.3UFMC技术UFMC的系统实现如图3所示。考虑一个比较简单的UFMC发射机系统，整个传输带宽被分为B个子带，每个子带又由假设干个连续的子载波组成，信号通过一个N点的IDFT完成频域与时域的转换。经过IDFT模块后，输出信号经过一个长度为L的FIR滤波器，经过滤波器的卷积后，UFMC符号的长度为N+L-1，接着
12、将所有经过滤波器后的UFMC信号进行叠加。在接收端通过加零操作来构造一个2N点的FFT，然后对数据信息进行提取，经过信道估计后对原始符号数据进行恢复【7】。图3UFMC的系统模型对于任意序号为i的子载波，频域信号通过IDFT变为时域信号。IDFT模块可以表达成如下形式：6在公式6中Si是一个非空的组，它包含子载波的序号。由于滤波器的作用，输出信号yi可以表示为时域信号xi与FIR滤波器fi之间的线性卷积。卷积公式可以表示为：yi=xifi7在前面已经介绍过yi的长度为N+L-1。经过加法器后，发射端的UFMC符号y可以表示为：8在接收端，可以使用一些可选的时域预处理方式，比方通过加窗来抑制多用
13、户干扰，利用相位旋转进行频率偏移补偿等。基于FFT的检测用于将接收到的信号从时域转换为频域，补零后完成2N点FFT操作，偶数子载波包含数据，奇数子载波包含干扰，经过2点抽样以及数据提取后恢复出原始信号。在经过2N点FFT变换后，任何在OFDM中适用的技术都可以应用在UFMC中，比方信道估计与均衡等。UFMC可以通过滤波器的过渡和缓降提供一个内在的软保护来抵抗符号间干扰，可以提高异步情况下的多径用户的鲁棒性。对UFMC技术而言，需要研究它的时频效率，时频效率主要从两个方面进行考虑，一方面要考虑的是时域方面的开销，比方滤波器滚降，循环前缀等；另一方面是频域方面的开销，比方频率保护等。在时域方面，U
14、FMC滤波处理时间比FBMC的短，滤波器长度变短直接导致时域开销变小。在频域方面，UFMC的子载波是相互正交的，而FBMC的子载波不是相互正交的，因此需要一些格外的信令开销来做保护，这些信令的引入使得整个系统的效率十分低下，而这些问题在UFMC中那么可以防止8，因此UFMC适用于小包场景。3四种波形性能比较在这一小节中，首先比较了OFDM、FBMC、RB-F-OFDM以及UFMC这四种波形的功率谱密度性能。从图4可以看出，FBMC的PSD性能最优良，最差为OFDM，UFMC以及RB-F-OFDM那么介于两者之间。这种差异表现主要跟四种波形的系统原理有关系。图4OFDM、FBMC、RB-F-OF
15、DM和UFMC的PSD性能比较OFDM波形采用方波作为基带波形，矩形脉冲在频域上为Sinc函数，Sinc函数使得整个系统的带外泄漏较大。为了进一步降低频谱泄露，可以在5G候选波形技术中选择性能更为优良的滤波器。5G候选波形FBMC、RB-F-OFDM和UFMC等均使用了滤波器来提升PSD性能。FBMC系统选取了时频聚焦性能良好的原型滤波器对每一个子载波进行滤波，其滤波力度强，因此FBMC技术的PSD性能是这四种波形里面最好的。不同于OFDM不使用滤波器以及FBMC中对每个子载波均使用滤波器，UFMC以及RB-F-OFDM选择对一组连续的子载波进行滤波，因此PSD性能也介于OFDM以及FBMC之
16、间。图5表示了在LTE链路级仿真中OFDM、FBMC、RB-F-OFDM和UFMC这四种波形的单用户误块率性能比较。仿真条件：子载波个数为36其中RB-F-OFDM以及UFMC包含3个子带，每个子带有12个子载波，调制方式为QPSK，码率为1/3，信道编码方式为Turbo编码，信道为ETU信道，用户速率为3km/h，从仿真图形中可以看出，四种波形的误块率十分接近。由于OFDM没有使用滤波器，因此没有滤波器方面带来的干扰，所以OFDM的误块率性能最好。其余三种波形均采用了滤波器，虽然带来了一定的干扰，但是在接收端分别做了不同程度的恢复比方UFMC的2N点FFT以及FBMC和RB-F-OFDM的匹配滤波器，因此单用户误块率性能跟OFDM十分接近。图5OFDM、FBMC、RB-F-OFDM和UFMC的BLER性能比较PAPRPeak-to-AveragePowerRatio，峰均功率比被广泛用来衡量一个给定信号的包络波动幅度。当PAPR过大时，将会增加功放、模数转
