基于UF-OFDM的5G空口設計

張應余 上海貝爾股份有限公司戰略部技術戰略經理陳曄健 阿爾卡特朗訊貝爾實驗室研究科學家

基于UF-OFDM的5G空口設計

張應余 上海貝爾股份有限公司戰略部技術戰略經理
陳曄健 阿爾卡特朗訊貝爾實驗室研究科學家

為了應對5G時代業務的多樣性，應對多點協作技術CoMP（Coordinated Multi-Point）以及碎片化頻譜的利用等眾多場景需求，本文提出了一個可以將所有業務類型集成于一個統一幀結構的空口技術UF-OFDM（Universal Filtered OFDM），該空口技術體現出出色的靈活性與彈性。通過該技術，可以根據業務類型比例分配相應的頻譜資源。與針對不同業務分配相應載波相比，該技術將為實現一個高效統一的5G系統提供可能。

通用濾波正交頻分復用 通用濾波多載波 多點協作 開環同步

1 引言

在未來幾年的時間里，移動寬帶與物聯網IoT （Internet of Things）的爆炸式增長以及其對移動網絡帶來的新要求將使4G LTE及其網絡演進都難以應對。用戶數、設備數以及設備類型都將比以往任何時候多，設備連接密度急速擴張，物聯網的高密度連接也會給網絡帶來極大的信令負擔。同時，新的服務和應用帶來更加多樣化的業務需求。這些都將產生對于未來網絡的需求?！熬W絡2020”是上海貝爾對處于IT/CT融合大環境下的未來5G網絡的思考，而空口設計則是“網絡2020”的一個重要組成。本文將圍繞5G空口設計這一業界熱點議題闡述其應用場景、基本構成以及UF-OFDM（或者 UFMC，Universal Filtered Multi-Carrier）這一空口技術等。

2 需求

未來5G網絡中的移動連接也越來越多地由機器發起，范圍從低級別的機器，如傳感器和計量器，到高端的物聯網設備。根據IDC的預測，物聯網設備安裝使用量將從2013年的91億攀升到2020年的281億。更多的設備，更多的設備類型，更多的連接數以及更多的移動應用，所帶來的直接結果就是多樣化的數據通信業務。現有LTE網絡設計的初衷主要是服務智能手機和提高用戶的無線互聯網體驗，在對小包流量為通信特征的未來巨量的物聯網業務來說，LTE網絡將會由于其面向連接的通信方式所產生的信令開銷而不堪重負，其單一的空口設計也難以滿足多樣化的通信業務需求。另外，現有LTE網絡要求終端保持一致的時頻同步來實現用戶之間的資源正交性，這就帶來了為保持同步所必需的信令開銷和功率消耗。從終端的角度來說，現有LTE的設計也難以滿足物聯網終端低功耗、高能效的需求。

其次，為了改善小區邊緣用戶的鏈路質量，多點協作技術CoMP被引入到現有LTE網絡中，但實際情況是現有LTE系統是一個同步網絡，OFDM信號對時偏與頻偏的敏感性使得CoMP技術并沒有帶來很大增益。尤其是在下行鏈路中的聯合處理（Joint Processing）和上行鏈路聯合接收這兩種CoMP形式上，這種多點協作機制本質上很難保證單個終端同時與多個站點保持同步關系。因此，這客觀上產生了空口異步性需求。

再次，隨著無線頻譜變得越來越擁擠，碎片化頻譜的有效利用構成了對未來5G網絡的需求。對于OFDM技術來說，矩形窗口所產生的旁瓣泄漏較大，在動態利用碎片頻譜資源時易形成對其他用戶的明顯干擾。因此，設計一個具有頻域能量約束特征的調制技術是實現高效利用碎片頻譜的前提條件。

所有這些都促使著一個有別于現有空口技術，能夠滿足未來5G網絡需求的空口技術的誕生。

3 未來空口的要求

從前面的分析可以看到，未來5G所支持業務的要求具有很大的多樣性和跨度。從高速率的視頻監控業務到極低速率的溫度監測業務，從虛擬現實類低時延業務到時延不敏感類業務，從遠程控制類業務到時間或者時間觸發類業務，從高端帶有供電視頻監控終端到低端的電池供電的終端。因此，與之前移動通信相比，5G的空口技術要求有很高的靈活性。

另外，未來5G的空口需要有一定的彈性。在現實通信場景中，用戶類型、業務類型構成比例、用戶數以及業務量是隨地域和時間變化的，這就要求未來網絡的空口技術動態適應這種變化以實現頻譜資源的合理分配與有效利用。簡單地以靜態方式將人人通信，物物通信分別部署于不同載波上將會導致頻譜資源的巨大浪費。

4 5G空口的關鍵構成

●靈活彈性的幀結構

為了設計一個靈活而富有彈性的幀結構，根據空口特征，將5G所承載的通信業務類型分為4類，并用一個統一的幀結構實現這4類業務的傳輸（見圖1）。在實際部署中可以根據業務類型構成比例動態調整各類業務所占用的頻譜資源。類型I是調度類接入，這類業務主要是移動寬帶用戶所發起，需要嚴格的同步協調；類型II也是調度類接入，這類業務也主要是移動寬帶用戶所發起，但這些用戶位于小區邊緣，或者位于小小區中且遭受比較大的小區間干擾，需要借助于CoMP等技術來增強其鏈路性能；類型III是非調度類接入，這類業務需要較低的時延，因此此類業務主要采取的是競爭式的接入；類型IV也是非調度接入，此類業務也采用競爭式的接入，與類型III的區別是這類業務對時延敏感度較低。在上行鏈路中，類型II、III、IV可以采用基于下行導頻測量的開環同步的方式。

●開環同步與自主定時調整

在現有LTE系統中，用戶與基站通信的首要前提就是通過隨機接入過程，實現與基站進行同步。系統通過時間調整閉環控制回路控制各終端的上行發射時間，實現各用戶上行信號在基站的時間同步。這種同步的取得是以閉環調整的開銷為代價的。在CoMP場景下，單一用戶很難同時與多個站點保持時間和頻率上的同步。

在未來的5G通信系統中，將存在大量的M2M （Machine-to-Machine）類型通信。如繼續采用LTE類似同步建立機制，將產生大量的開銷；完全異步的通信方式也并非是一個高效的解決方法。事實上，終端完全可以利用一些已有時間信息來進行時間調整，規避兩種極端方案的缺點，實現某種程度的折中。選擇適當的空口技術并引入適當的同步機制來降低閉環回路的控制開銷。開環同步技術就是終端充分利用偵聽所獲取的信息來進行上行發送定時的調整，減少對閉環同步機制的依賴。這種同步方式可認為是終端的自主定時調整ATA（AutonomousTimingAdvance），與現有技術類似，其依然需要終端與下行同步信號同步，在此基礎上利用已有信息進行上行時間的調整。依據已有信息的差異，ATA可以有兩種類型。

圖1 統一的幀結構

一種方式是，用戶可以通過多種方式估計傳播時延，并根據傳播時延設定相應的定時提前。估計傳播時延的方式可以有多種，如利用GPS數據或者路損估計等。由于這種傳播時延估計是由每個用戶來實現，理想情況下用戶的上行信號在基站側將會獲得理想同步；然而，實際估計存在一定的誤差，這導致用戶的上行信號在基站側的接收定時位于理想同步的附近。

另外一種方式與用戶估計方式不同，同一小區內的所有用戶可以使用相同的傳播時延取值，例如該傳播時延取值對應于小區的覆蓋范圍。相應的，所有用戶使用相同的定時提前。舉例來說，基站覆蓋范圍所對應的最大傳播時延大小為NOL,max，那么所有用戶的定時提前可取NOL,max/2，由此，同一小區內各用戶在基站側的定時為[-NOL, max/2,NOL,max/2]?；究梢酝ㄟ^多種方式將上述NOL,max取值通知用戶，如系統廣播方式。

由于開環同步不能完全實現定時對齊，對于OFDM這種調制方式來說殘留時間誤差必然導致一定程度的符號間干擾、子載波間干擾，客觀上就需要采用有別于OFDM的空口技術。

●波形比較

就實現未來5G網絡所需的靈活、彈性的空口而言，OFDM多載波技術是一個非常優秀的技術，它不僅有利于采用統一的幀結構形式，而且具有相對簡單的均衡解調方法。峰均比PAPR（Peak-to-AveragePower Ratio）是其一個比較明顯的缺點，但也有類似于DFT預編碼之類的方法來改善信號的PAPR。所以，在時頻同步的情況下，OFDM是一個非常有吸引力的技術。

但是，未來5G網絡除了面對更高需求的移動寬帶業務，還將面對需求紛繁多樣的物聯網業務。從前文可以看到放松同步性的要求是5G空口的一個重要特征，類似于ATA的技術可以替代現有閉環同步方法，使得低端終端的成本可以進一步降低，同時降低了一些同步的開銷。但是，對OFDM信號來說，放松同步性的結果就是符號間以及子載波之間干擾的增加，這將降低系統性能。因此，有必要考慮一種有別于OFDM的多載波波形調制方法。

FBMC（Filter-Bank based Multi-Carrier）就是一種能顯著降低旁瓣功率水平，尤其適用于碎片化頻譜利用和異步通信的技術。其代價是利用時域為多個符號長度的濾波器對每一子載波逐一濾波，對于小包數據為特征的物聯網通信而言，這將大大增加系統開銷。此外，針對OFDM信號所廣泛采用的MIMO技術難以得到移植。這也是為什么提出UF-OFDM（或者UFMC）這一新的信號調制方法的原因之一。表1簡單地將OFDM、UF-OFDM、FBMC做了對比，下面將詳細介紹UF-OFDM技術。

表1 OFDM、UF-OFDM、FBMC技術的比較

5 UF-OFDM的主要介紹

●發射機

在FBMC技術中，濾波器所處理的對象是單個子載波；與此不同的是，UF-OFDM濾波器的處理對象為一組子載波，如一個LTE資源塊RB（Resource Block），即 12個子載波。下面具體解釋一下UF-OFDM的發射機。

圖2給出了UF-OFDM發射機的示例圖。其中，用戶k所使用資源數量為B個子帶，每個子帶所攜帶的符號位為Si,k，i=1,2,…B，濾波器的長度為L，每個子帶的符號首先經過IDFT調制變換到時域，即信號向量Vi,kSi,k，這里的Vi,k是IDFT變換矩陣V的一部分列向量所組成矩陣，即所有子帶的變換矩陣列向量構成完整的IDFT變換矩陣。之后，再將時域信號通過濾波器進行線性濾波操作，即Fi,kVi,kSi,k，這里，Fi,k是常對角矩陣（Toeplitz矩陣），其每一列由相應子帶位置的FIR濾波器系數循環移位獲得。由此，用戶k在單個發射天線的發射信號可以表示為：

或者，上述表達方式可改寫為矩陣形式，即：

其中，

圖2 UF-OFDM發射和接收原理示意圖

表2總結了UF-OFDM發射機的主要參數。圖3以一個LTE資源塊為例給出了OFDM與UF-OFDM之間頻域的對比，子帶的寬度為12個子載波?？梢?，在對12個子載波進行濾波之后，帶外旁瓣得到極大的抑制。圖4以6個LTE資源塊為例給出了UF-OFDM信號的頻譜圖，子帶的寬度為12個子載波。由上面的發射機可以看到，每個UF-OFDM符號都包括由濾波器濾波所導致的拖尾部分，通過設定恰當的濾波器長度，這部分拖尾能夠實現避免ISI的功能。在這里，需要說明的是，不同子帶的子載波數目不一定相同，即ni的取值可以隨i的變化而變化；不同子帶的子載波間隔、濾波器長度也可以不同。

表2 UF-OFDM的主要參數

●接收機

首先考慮一下時域的檢測算法。由發射信號的解析表達接收信號可以表示為：

其中，H具有常對角矩陣（Toeplitz矩陣）結構，y為信號經過信道后所獲得的接收信號向量，n為加性噪聲。定義，由此，基于匹配濾波的檢測算法可以為：

基于迫零ZF（ZeroForcing）的檢測算法為：

此外，還可以有其他的檢測算法如最小均方差MMSE（MinmumMean SquareError）算法等。

從計算復雜度的角度考慮，可以采用FFT轉換到頻域進行符號檢測，同樣還是參照圖1給出的接收機示例圖，通過對接收信號添零的方式構造長度為2N的符號向量，即：

圖3 OFDM與UF-OFDM頻域特征對比

圖4 6LTERBUF-OFDM信號頻譜圖

●多址技術

如前所述，越來越多的業務要求未來的空口技術能夠放松對于同步性的要求。通過利用用戶之間碼道正交性，CDMA可以有效地抵抗干擾。但是，即便是輕微異步也會導致產生嚴重的用戶間干擾。作為一種補償方法，IDMA（InterleavedDivisionMultipleAccess）起初是用來實現用戶異步的情況下保持系統的性能的一種手段。近一段時間以來，IDMA在多載波中的應用越來越引起人們的注意。在參考文獻8的評估中，與CP-OFDM或者UF-OFDM結合，IDMA被作為一種多址方案與FDMA進行了比較?？梢钥吹?，IDMA配合UF-OFDM組合的性能總是優于 IDMA配合CP-OFDM。在低信噪比低碼率時，IDMA尤其有效。在高信噪比高階調制或者高碼率情況下，UF-OFDM體現出比CP-OFDM更強的魯棒性。

6 結束語

為了應對5G時代業務的多樣性，本文提出了一個可以把所有業務類型集成于一個統一幀結構的空口技術UF-OFDM。通過該技術，可以根據業務類型的比例分配相應的頻譜資源。與針對不同業務分配相應載波相比，該技術將為實現一個高效統一的5G系統提供可能。

1 Wunder,G.;Jung,P.;Kasparick,M.;Wild,T.;Schaich,F.; Chen,Y.;Brink,S.T.et.al.5GNOW:Non-orthogonal,Asynchronous Waveforms for Future Mobile Applications.Communications Magazine.2,2014

2 Wunder,G.;Kasparick,M.;Ten Brink, S.;Schaich,F.;Wild,T.;Gaspar,I.; Ohlmer,E.;Krone,S.;Michailow,N.; Navarro,A.;Fettweis,G.;Ktenas,D.; Berg,V.;Dryjanski,M.;Peitrzyk,S.; Eged,B.5GNOW:Challenging the LTE Design Paradigms of Orthogonality and Synchronicity.Mobile and Wireless Commun.Syst.for 2020 and Beyond,Workshop@77th IEEE Veh.Technol. Conf.Spring(VTC’13 Spring),6,2013

3 Roberts,Lawrence G.ALOHA Packet System With and Without Slots and Capture.ACM SIGCOMM Computer Communication Review.vol.5,issue 2,pp.2842,4,1975

4 Schaich,F.;Wild,T.Relaxed Synchronization Support of Universal Filtered Multi-Carrier Including Autonomous TimingAdvance.IEEE ISWCS14,Barcelona,8,2014

5 Farhang-Boroujeny,B.OFDM Versus Filter Bank Multicarrier.IEEE Signal Process.Mag.,Vol.28,pp.92–112,5, 2011Schaich,F.;Wild,T.;Chen,Y.Waveform Contenders for5G-suitability for Short Packet and Low Latency Transmissions.In Proceedings of IEEE Veh.Technol.Conf. Spring(VTC’14 Spring),5,2014

6 Schaich,F.;Wild,T.;Chen,Y.Waveform Contenders for 5GSuitability for Short Packet and Low Latency Transmissions. In Proceedings of IEEE Veh.Technol.Conf.Spring(VTC’14 Spring),5,2014

7 Kusume,K.;Bauch,G.;Utschick,W.IDMA vs.CDMA: Analysis and Comparison of Two Multiple Access Schemes. IEEE Trans.Wireless Commun.,Vol.11,No.1,pp.7887,1, 2012

8 Chen,Y.;Schaich,F.;Wild,T.Multiple Access and Waveforms for 5G:IDMA and Universal Filtered Multi-Carrier. In Proc.IEEE VTCs14,Seoul,Korea,5,2014

2015-04-30)