面向 5G 應(yīng)用的 OQAM-OFDM 調(diào)制：原理、技術(shù)和挑戰(zhàn)

李俊，田苑，邱玉，陳達(dá)，江濤

（華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

面向 5G 應(yīng)用的 OQAM-OFDM 調(diào)制：原理、技術(shù)和挑戰(zhàn)

李俊，田苑，邱玉，陳達(dá)，江濤

（華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

OFDM 因其本身存在的技術(shù)缺陷，已經(jīng)很難滿足未來 5G 支持更多通信設(shè)備連接和多樣化通信場景的需求。 作為 OFDM 技術(shù)的一種替代方案，OQAM-OFDM 技術(shù)采用了具有良好頻域聚焦特性的原型濾波器，為其在 5G 中的應(yīng)用提供了廣闊的前景。 首先簡要介紹 OQAM-OFDM 系統(tǒng)的基本原理和特性，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析其在 5G 應(yīng)用中的優(yōu)勢，最后闡述了 OQAM-OFDM 應(yīng)用在 5G 中的關(guān)鍵技術(shù)問題，包括拖尾抑制等。

5G；OQAM-OFDM；OFDM；原型濾波器；拖尾抑制

1 引言

在過去的 30 年中，移動通信呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢，從只支持語音業(yè)務(wù)的第一代（1G）移動通信系統(tǒng)演進(jìn)到可支持高速寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的第四代（4G）移動通信系統(tǒng)，為人類生活提供了極大便利。作為面向 2020 年以后移動通信需求的新系統(tǒng)，第五代（5G）移動通信系統(tǒng)面臨數(shù)據(jù)流量的指數(shù)增長、海量設(shè)備的連接和多樣化的業(yè)務(wù)需求等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。與 4G 相比，5G 不僅要支持更高的傳輸速率，還要支持低功 耗 大 連 接 、低 時 延 高 可 靠 等 更 加 多 樣 化 的 場 景［1，2］。

2 OQAM-OFDM 系統(tǒng)

OFDM 技術(shù)存在一個主要缺陷，即其采用的時域矩形窗使得子載波頻域波形呈現(xiàn) SINC 函數(shù)形狀，導(dǎo)致了嚴(yán)重的帶外泄漏。該缺陷引發(fā)的一系列問題使得 OFDM 難以勝任 5G 提出的更高技術(shù)指標(biāo)需求和更復(fù)雜應(yīng)用場景支持的挑戰(zhàn)。不同于 OFDM 使用的時域矩形窗，OQAM-OFDM 每個載波上的調(diào)制信號都通過一個精心設(shè)計的原型濾波器來塑形，從而獲得良好的信號頻域聚焦性。圖1展示了OFDM 與 OQAM-OFDM 的脈沖時間響應(yīng)與頻率響應(yīng)對比。圖 1（a）中 OFDM 采 用 的 是 一 個 時 域 矩 形 窗 ，OQAM-OFDM采用了一個優(yōu)化后的升余弦濾波器，對應(yīng)的頻率響應(yīng)如圖1（b）所示。可以看到，OFDM 矩形窗在頻域上具有非常高的旁瓣，第一個旁瓣只比主瓣低十幾 dB，而 OQAM-OFDM 帶外泄漏則非常少。

OQAM-OFDM 技術(shù)以頻分復(fù)用為基本原理，其結(jié)構(gòu)的特別之處在于收發(fā)兩端的濾波器組，兩者都是原型濾波器經(jīng)過頻移后得到的。圖 2 是 OQAM-OFDM 系統(tǒng)的一種快速實現(xiàn)框架，通 過使用 FFT／IFFT 能夠極大降低 實 現(xiàn)復(fù)雜度 。與 OFDM 系統(tǒng)不同的是，OQAM-OFDM 的輸入信號是原始復(fù)數(shù)信號經(jīng)過取實部和取虛部操作后的兩個實數(shù)符號，并且每個實數(shù)符號持續(xù)時間是原始復(fù)數(shù)符號的一半。然后將實數(shù)符號通過 OQAM 預(yù)調(diào)制，對每個實數(shù)符號加上一定的相位實現(xiàn)實虛交錯的結(jié)構(gòu)。之后，實虛交錯數(shù)據(jù)通過發(fā)送端的濾波器組被分解為若干個并行的子載波信號。OQAM-OFDM 系統(tǒng)接收端同樣有一組濾波器用于多載波信號解調(diào)，解調(diào)后的信號還需要進(jìn)行相位解調(diào)以抵消發(fā)射端的預(yù)調(diào)制處理。然后，再通過信道均衡和取實部處理，得到一組實數(shù)符號。最后，將實數(shù)符號對應(yīng)上原始復(fù)數(shù)符號的實虛部，合成為原始發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖1 OQAM-OFDM 與 OFDM 脈沖對比

圖2 OQAM-OFDM 快速實現(xiàn)架構(gòu)

相 比 于 OFDM，OQAM-OFDM 具 有 以 下 主 要 優(yōu) 勢 ：OQAM-OFDM 通過使用具有良好頻域聚焦特性的原型濾波器，能夠在不引入循環(huán)前綴的情況下有效對抗多徑衰落，避免了循環(huán)前綴帶來的頻譜資源浪費(fèi)；OQAM-OFDM信號的帶外泄露非常微弱，極大降低了對鄰近頻譜其他用戶造成的干擾；極低的信號帶外泄露使得 OQAM-OFDM 用戶之間不需要保證嚴(yán)格的同步和正交，可以較好地支持異步傳輸。

3 OQAM-OFDM 在 5G 應(yīng)用中的優(yōu)勢

5G 在傳輸速率和資源利用率等方面較 4G 會有量級提升，并且覆蓋能力、傳輸時延和用戶體驗也將得到顯著的改善。這一系列指標(biāo)要求都為 5G 物理層調(diào)制技術(shù)帶來了極大的挑戰(zhàn)。

3.1 5G 需求

為了提高系統(tǒng)吞吐量，5G 將支持以毫米波通信為典型的高頻通信技術(shù)。高頻信號存在繞射能力差、波束窄和傳播損耗高等缺點，給全網(wǎng)覆蓋、用戶定位等帶來了極大的困難。因此在人群比較密集、通信需求量大的地方，可以利用高頻通信提供距離短而容量大的接入。而在更廣的范圍，仍需要低頻通信聯(lián)合組網(wǎng)，實現(xiàn)連續(xù)廣域覆蓋。但是，增加頻譜資源始終是一種受限制的解決方案。未來 5G 移動通信容量的提升不能僅靠頻譜的擴(kuò)展，還需要引入新的調(diào)制技術(shù)以提升頻譜使用效率，才能在有限頻譜資源下解決移動通信流量爆炸性增長的問題。

未來 5G 移動通信還需要支持低功耗大連接、低時延高 可 靠 的 業(yè) 務(wù) 。 機(jī) 器 與 機(jī) 器 （machine to machine，M2M ）通信是一種典型的低功耗大連接業(yè)務(wù)，它允許機(jī)器能夠在無人為干預(yù)的前提下直接通信。M2M 用戶數(shù)量大但數(shù)據(jù)量小且有突發(fā)性，維持全網(wǎng)同步和正交不經(jīng)濟(jì)，也不現(xiàn)實。而且，巨大的同步開銷還威脅網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。同時，為了滿足車聯(lián)網(wǎng)等低時延高可靠業(yè)務(wù)對時延的需求，用戶需要減少同步開銷，甚至不要同步過程，以避免耗費(fèi)大量的時間在信令開銷和傳輸?shù)却稀４送猓啾?4G，5G 支持的業(yè)務(wù)類型將更加豐富。因此需要能夠根據(jù)不同場景的需求，靈活調(diào)整參數(shù)以適應(yīng)不同業(yè)務(wù)類型。

（二）高中班主任應(yīng)當(dāng)擁有較高的教育教學(xué)水平。班主任首先的身份是一名教師，其次才是一名班級的管理者。而教師與育人可謂是相輔相成的，所以教師的教學(xué)水平越高，學(xué)生們與教師的關(guān)系則越親密，班主任在班級中樹立的威信也就越高。這便非常有助于教師在日常引導(dǎo)學(xué)生們樹立起科學(xué)正確的人生價值觀。所以，高中班主任在日常工作的過程中，必須不斷提高自己的教育教學(xué)水平。

綜上所述，隨著移動通信業(yè)務(wù)不斷拓展及用戶體驗要求的提升，5G 對吞吐量、連接數(shù)及時延三維度下的需求提出了更嚴(yán)苛的要求。為了應(yīng)對這一要求，5G 需要拋棄同步和正交，在高效利用頻譜資源的情況下達(dá)到高速、實時、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。在物理層技術(shù)上，主要體現(xiàn)在需要一種高譜效、支持異步傳輸和參數(shù)可靈活配置的調(diào)制技術(shù)。

3.2 OQAM-OFDM 技術(shù)優(yōu)勢

（1）高頻譜效率

為了對抗多徑衰落，OFDM 系統(tǒng)需要引入循環(huán)前綴，導(dǎo)致頻譜利用率下降。此外，OFDM 采用時域矩形窗，具有很高的帶外泄漏。為了避免上述缺陷，OQAM-OFDM 采用了更為精細(xì)的濾波器設(shè)計。一方面，濾波器的良好頻域聚焦特性能夠有效對抗多徑衰落，避免了循環(huán)前綴的使用，提升頻譜利用率；另一方面，濾波器的良好頻域聚焦特性使得 OQAM-OFDM 發(fā)送信號的帶外泄露非常微弱，極大降低了對鄰近頻譜其他用戶造成的干擾，如圖 3 所示。因此，OQAM-OFDM 可以有效地應(yīng)用于非連續(xù)頻譜通信中，提升5G 頻譜利用率。綜上所述，OQAM-OFDM 不僅能夠避免額外頻譜資源開銷，還能有效利用碎片頻譜，實現(xiàn)更高效的頻譜資源利用。

圖3 OQAM-OFDM 與 OFDM 系統(tǒng)對周圍系統(tǒng)的干擾

（2）支持異步傳輸

傳統(tǒng)的 OFDM 信號采用時域矩形窗，頻域聚焦性差。為了保證載波之間的正交性，不同用戶的多載波信號需要保證嚴(yán)格的同步，從而導(dǎo)致 M2M 等大連接通信節(jié)點需要耗費(fèi)大量的時間在信令開銷和傳輸?shù)却希y以滿足低時延要求。OQAM-OFDM 技術(shù)使用了性能良好的原型濾波器，帶外泄露低，因此對時間和頻率的同步要求比 OFDM技術(shù)低，更適合進(jìn)行異步傳輸。

（3）參數(shù)可靈活配置

由于需要嚴(yán)格的正交，OFDM 系統(tǒng)載波必須設(shè)置相同的帶寬，并且各載波之間需要保持完全同步與正交。不同于 OFDM 技術(shù)，OQAM-OFDM 采 用的是非 矩 形 原型濾波器，其良好的頻域聚焦特性能夠大幅度降低信號旁瓣和帶外泄漏，使得用戶之間不再需要嚴(yán)格的同步和正交。因此，OQAM-OFDM 各子載波帶寬、子載波交疊程度等都可以靈活調(diào)控。這一良好特性不僅為異步傳輸創(chuàng)造了條件， 也為 5G 多樣化業(yè)務(wù)通信場景提供了靈活配置參數(shù)的可能。

4 關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

OQAM-OFDM 技術(shù)的異步傳傳輸特性為其在 5G 中的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。但是，要想真正實現(xiàn)OQAM-OFDM技術(shù)在 5G 中的商業(yè)應(yīng)用，還有一些關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決。下面從原型濾波器設(shè)計、拖尾抑制、多用戶異步通信下的信道估計以及與大規(guī)模 MIMO 結(jié)合這幾個方面來分析。

（1）原型濾波器設(shè)計

原型濾波器是 OQAM-OFDM 技術(shù)的核心部分，其設(shè)計直 接 影 響 OQAM-OFDM 通 信 系 統(tǒng) 的 性 能 。需 要 指 出 的是，非矩形原型濾波器的引入破壞了信號的完全正交性 ，造 成 了 信 號 間 的 干 擾［11，12］。 因 此 在 未 來 5G 通 信 場 景下，需要結(jié)合實際通信環(huán)境，設(shè)計能夠抑制信號干擾的原型濾波器。

（2）拖尾抑制

OQAM-OFDM 技術(shù)采用具有較長沖激響應(yīng)的原型濾波器，信號波形前后會產(chǎn)生較長的拖尾。在較長的數(shù)據(jù)分組通信場景下，這一拖尾幾乎沒有影響。然而在未來 5G 場景下，M2M 通信包含大量的短幀數(shù)據(jù)，這使得 OQAM-OFDM頻譜效率出現(xiàn)下降。現(xiàn)有的拖尾抑制方法已經(jīng)可以去除全 部 的 拖 尾 ， 但 是 會 出 現(xiàn) 一 定 性 能 損 失［13，14］。為 了 解 決 這一問題，未來需要探索新的拖尾抑制方法，兼顧OQAM-OFDM 帶外和誤碼率兩方面的性能，同時有效抑制信號拖尾。

（3）多用戶異步通信下的信道估計

由于 OQAM-OFDM 信號間的干擾，傳統(tǒng)的 OFDM 中的信道估計技術(shù)需要經(jīng)過一定調(diào)整才能在 OQAM-OFDM 中使用。現(xiàn)有 OQAM-OFDM 信道估計技術(shù)很少在多用戶異步通信場景下評估其性能，并且其中多數(shù)信道估計方法還要基 于 低 頻 率 選 擇 性 信 道 的 假 設(shè) 條 件［15，16］。為 了 支 持 5G 中 的多用戶異步通信，需要設(shè)計能夠適應(yīng)高頻率選擇性信道環(huán)境的信道估計技術(shù)，并有效降低導(dǎo)頻對其他用戶的干擾以及其他用戶對導(dǎo)頻信道估計性能的影響。

（4）與大規(guī)模 MIMO 技術(shù)結(jié)合

OQAM-OFDM 與 大 規(guī) 模 MIMO 技 術(shù) 的 結(jié) 合 既 可 以 有效對抗多徑信道衰落、提高頻譜利用率，又可以成百上千 倍 地 提 升 系 統(tǒng) 容 量 ，從 而 應(yīng) 對 5G 數(shù) 據(jù) 流 量 的 增 長［17］。然 而 ，目 前 OQAM-OFDM 與 大 規(guī) 模 MIMO 技 術(shù) 的 結(jié) 合 尚處于起步階段，還面臨導(dǎo)頻污染和高峰均功率比等方面的問題。

5 結(jié)束語

世界各國在推動 4G 產(chǎn)業(yè)化工作的同時，已開始著眼于5G 的研究。相比 4G，5G 不僅要支持更高的傳輸速率，還要支持低功耗大連接、低時延高可靠等更加多樣化的場景。為了應(yīng)對這一嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，未來 5G 物理層調(diào)制技術(shù)必須支持異步傳輸。作為一種支持異步傳輸?shù)亩噍d波技術(shù)，OQAM-OFDM 受到了廣泛關(guān)注。本文在介紹 OQAM-OFDM基本原理和特性的基礎(chǔ)上，介紹了 5G 應(yīng)用中的優(yōu)勢主要為：高頻譜效率、支持異步傳輸、參數(shù)可靈活配置，最后從原型濾波器設(shè)計、拖尾抑制、多用戶異步通信下的信道估計以及與大規(guī)模 MIMO 結(jié)合等方面，指出存在的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

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Principles，technologies and challenges of OQAM-OFDM for 5G applications

LI Jun，TIAN Yuan，QIU Yu，CHEN Da，JIANG Tao
Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

5G will need to be able to support much larger connections of communication devices and meet the requirements of diverse scenarios.However，this requirement cannot be met by OFDM （orthogonal frequency division multiplexing）due to its own drawbacks.As an alternative approach to OFDM，OQAM-OFDM （offset quadrature amplitude modulation based orthogonal frequency division multiplexing）adopts a prototype filter that is well localized in frequency domain，which makes OQAM-OFDM quite suitable for 5G.The OQAM-OFDM system was briefly introduced，then，its superiority employed in 5G was deeply discussed.Finally，some key technical issues of OQAM-OFDM for application in 5G were summarized，such as tail shortening.

5G，OQAM-OFDM，OFDM，prototype filter，tail shortening

s：The National High Technology Research and Development Programof China（863 Program）（No.2015AA01A710，No.2014AA01A704）

TP393

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016157

李俊（1992-），男，華中科技大學(xué)博士生，主要研究方向為 OQAM-OFDM 和 MIMO 系統(tǒng)。

田苑（1991-），女，華中科技大學(xué)博士生，主要研究方向 為 OQAM-OFDM 原 型 濾波器設(shè)計。

邱玉（1992-），女，華中科技大學(xué)碩士生，主要研究方向為 OQAM-OFDM 和 MIMO 系統(tǒng)。

陳達(dá)（1986-），男，華 中科技大 學(xué)講師，主要研究方向為 OQAM-OFDM 和大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)。

江濤（1970-），男 ，華中科技 大 學(xué)教授，主要研究方向 包 括 OFDM 及 OQAM-OFDM 通信系統(tǒng)、大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)和信號處理。

2016-05-10；

：2016-06-02

國家高技術(shù)研究 發(fā) 展 計 劃 （“863”計劃）基 金 資助項目（No.2015AA01A710，No.2014AA01A704）