面向5G的新型多載波傳輸技術比較* 1

李　寧，周　圍,2

(1.重慶郵電大學 移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶 400065; 2.重慶郵電大學 光電工程學院，重慶 400065)

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面向5G的新型多載波傳輸技術比較* 1

李寧1，周圍1,2

(1.重慶郵電大學 移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶 400065; 2.重慶郵電大學 光電工程學院，重慶 400065)

摘要：介紹了幾種面向5G的新型多載波傳輸技術：濾波器組多載波(FBMC,Filter Bank Multicarrier)、通用濾波多載波(UFMC,Universal Filtered Multicarrier)和廣義頻分復用(GFDM,Generalized Frequency Division Multiplexing)的基本原理，并從第五代移動通信系統(5G)支持的應用場景和技術需求的角度對三種多載波傳輸技術的優缺點進行比較。研究表明三種多載波傳輸技術的帶外泄露較低，FBMC系統不使用CP(CP,Cyclic Prefix)，因此具有很高的時頻效率，但FBMC系統幀的長度比較長，不適合短包類業務；UFMC對一組連續的子載波濾波，可以支持較短的幀結構，但UFMC不使用CP，復雜度較高；GFDM基于獨立的塊調制，具有靈活的幀結構，魯棒性好，復雜度比前兩者低，便于實際應用。

關鍵詞：多載波；第五代移動通信系統；濾波器組多載波；通用濾波多載波；廣義頻分復用

0引言

近年來，隨著智能終端設備的發展，新的技術和業務的不斷出現，未來無線數據業務將向多樣化、智能化發展，當前的無線蜂窩網絡并不能滿足人們的需求。為了應對未來海量的設備連接，不斷涌現的各類新的業務和應用場景如車聯網(Tactile Internet)、虛擬現實(VR,Virtual Reality)、在線游戲(Online Gaming)、機器類通訊(MTC,Machine-Type Communication)、物聯網(IoT,Internet of Things)等[1]，第五代無線通信系統(5G Wireless Communication Systems)的研究正如火如荼的進行，各個國家和地區都紛紛成立了研究和推進5G技術發展的計劃或組織如歐洲的第七框架計劃里的METIS和5GNOW、韓國的5G Forum以及中國的IMT-2020等。

多載波傳輸技術是未來通信物理層的關鍵技術之一，其中CP-OFDM(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)以其傳輸效率高，易通過FFT/IFFT實現，易與MIMO結合等諸多優點被廣泛用于第四代移動通信系統(4G LTE-A)和802.16m以及其它通信系統中[2]。但是傳統的CP-OFDM存在帶外泄漏高、同步要求嚴格、不夠靈活等缺點，不能很好的應對未來的各種豐富的業務場景。而5G支持豐富的業務場景，每種業務場景對傳輸技術的需求各不相同，能夠根據業務場景來動態地選擇和配置不同的多載波傳輸參數，同時又能繼承傳統的CP-OFDM的優點，是對5G多載波傳輸技術的必然要求，所以必須研究開發出新的多載波傳輸技術，以適應5G新的業務的要求。本文將詳細的介紹幾種目前熱門的多載波傳輸技術：濾波器組多載波(FBMC)[3]、通用濾波多載波(UFMC)[4]、廣義頻分復用(GFDM)[5]的基本原理，并對各多載波傳輸技術的優缺點進行比較與總結，以對目前5G多載波傳輸技術的研究現狀作一個綜合性的介紹。本文首先介紹為何傳統的CP-OFDM難以滿足新場景下的需求，然后給出三種新型多載波傳輸技術的基本原理，最后對幾種多載波傳輸技術進行比較并總結。

1CP-OFDM系統缺陷

5G支持的應用和業務將會變的多樣化智能化，不同的業務對空口的要求也不一樣，比如帶寬的業務要求更高的速率，對時延要求極為嚴格的車聯網業務以及物聯網的海量連接等。下面我們直接從5G支持的業務場景的角度來解釋為何CP-OFDM難以滿足新場景下的需求。

(1)靈活性問題[1，6-8]。事實上，一方面車聯網自動駕駛業務端到端1ms時延的要求，使得系統必須具有極短的時域符號和極短的傳輸時間間隔(TTI,transmission time interval)，而這就需要頻域較寬的子載波帶寬。另一方面，對于物聯網業務，當物聯網的很多傳感器同時連接時，單個連接傳送數據量極低，這屬于短包類突發式通信業務，這就需要在頻域上配置帶寬比較窄的子載波，這就會使時域符號和TTI足夠長，因此對于物聯網業務就幾乎可以不考慮時延擴展的問題，也就不需要再引入CP。現有OFDM方案的子載波帶寬確定后，符號的長度、CP的長度等也就確定了，因此，CP-OFDM系統的靈活性和應變能力不足，這就要求新的傳輸技術能夠支持靈活的配置參數。

(2)精確的同步[1]。由于OFDM的優勢主要體現在子載波間的正交性，這就需要精確的同步，但如果對于物聯網場景中如此海量的鏈接都使用精確的同步過程，那么網絡將存在大量的同步信令，造成網絡阻塞，同時異步操作還可以解決終端省電的問題。

(3)對零散頻段的利用[1]。由于各種原因，通信界中還有很多未使用的分散的頻段，為了解決頻帶資源稀缺的問題，可以將這些離散的頻段利用起來。5G將這些零散頻譜的利用作為5G支持的通信場景中的一種。但是由于CP-OFDM等效于使用矩形窗進行脈沖成形，因此旁瓣功率泄露較大，這會導致嚴重的子載波間的干擾，對零散頻段的利用造成了困難。

2幾種面向5G新型多載波傳輸技術的基本原理

由于CP-OFDM不能滿足5G的需求，各國的學者紛紛開發研究出很多新的多載波傳輸技術，以彌補或者改進傳統的CP-OFDM的缺陷。濾波器組多載波(FBMC)、通用濾波多載波(UFMC)、廣義頻分復用(GFDM)是目前業界討論的最多的多載波傳輸技術，下面將分別介紹三種多載波傳輸技術的基本原理。

2.1濾波器組多載波(FBMC)

FBMC系統由發送端的綜合濾波器組和接收端的分析濾波器組組成。分析濾波器組把輸入信號分解成多個子帶信號，綜合濾波器組對各個子帶信號進行綜合后進行重建輸出，由此可知，分析濾波器組和綜合濾波器組互為逆向結構[7，9]。無論是分析濾波器組還是綜合濾波器組它們的核心結構都是原型濾波器，濾波器組中的其它濾波器都是基于原型濾波器頻移而得到的，分析濾波器組和綜合濾波器組的原型函數互為共軛和時間翻轉[9]。圖1是FBMC系統基于IFFT/FFT實現的框圖，接收端輸入數據經過串并變換，然后通過OQAM處理以消除相鄰子載波之間的干擾，再經過IFFT變換，之后進入多相濾波器組，而接收端進行相應的逆變換恢復原始數據。值得一提的是，由于原型濾波器可以根據實際的需求在一定準則下進行設計，各濾波器之間不再是正交的，因此FBMC子載波之間存在干擾，FBMC采用OQAM方式處理數據既可以避免相鄰子載波之間的干擾，又可以保持與FFT相同的碼率，使得所有的子載波得以充分利用。

圖1　基于IFFT/FFT實現的FBMC系統框

其中多相濾波器組的結構如圖2所示，圖中Hi(i=1,2,…,M-1)表示子帶濾波器頻率響應的Z變換。

圖2　PPN結構框

目前關于FBMC的研究大多集中在認知無線電和頻譜感知的方面，旨在利用零散的頻段。這就要求原型濾波器在滿足一定準則下旁瓣衰減水平高。圖3和圖4分別顯示了使用PHYDYAS項目組[9]設計的濾波器的FBMC系統與OFDM的子載波的衰減情況。

圖3　FBMC子帶衰減

圖4　OFDM子帶衰減

通過設計FBMC的原型濾波器的沖激響應和頻率響應，以達到降低帶外泄露的目的，便于利用零散的頻譜資源，并且各子載波之間不必是正交的，可以使用更小的頻率保護間隔，因此不需要插入循環前綴，使系統具有更高的時頻效率。但此時由于子載波之間不是正交的，必然會導致較高的符號間干擾(ISI,Inter Symbol Interference)。最后，由于FBMC能實現各子載波帶寬設置、各子載波之間的交疊程度的靈活控制，從而可靈活控制載波間干擾(ICI,Inter Carrier Interference)。值得說明的是，因為子載波具有較窄的帶寬，發射濾波器的沖激響應的長度通常很長，于是FBMC的幀的長度比OFDM的幀長，但FBMC符號中沒有循環前綴，從而可以彌補這種效率損失。此外，FBMC的計算復雜度高于OFDM，但由于信號處理和電子設備的顯著進步，FBMC實際應用是可行的。

2.2通用濾波多載波(UFMC)

由于FBMC濾波器的幀的長度要求使得FBMC不適用于短包類通信業務以及對時延要求較高的業務，所以有學者提出了一種針對FBMC的改進方案—通用濾波多載波技術(UFMC)[4]。UFMC通過對一組連續的子載波進行濾波操作，其中子載波的個數根據實際應用進行配置，這樣就能克服FBMC系統中存在的不足。當每組中子載波數為1時UFMC就成為FBMC傳輸，所以FBMC是UFMC的一種特殊情況，因此UFMC也被稱為通用濾波的OFDM(UF-OFDM,universal filter OFDM)。圖5為UFMC的發射機框圖。

圖5　UFMC發射端框

如圖5所示，k表示第k位用戶，系統共有B個子帶，i為子帶索引，L為子帶濾波器的長度，IDFT的長度為N，則發射端疊加所有子帶后的信號為：

(1)

式中，Vik為第k位用戶的第i個子帶的IDFT矩陣，Fik是一個由濾波器沖激響應組成的Toeplitz濾波矩陣，sik是第k位用戶的第i個子帶的傳輸信號，xk為所有子帶疊加后的信號。

UFMC不使用循環前綴，濾波器的長度取決于子帶的寬度。根據實際的應用需求配置子載波的個數使得UFMC變得更加靈活，因此UFMC具有FBMC系統的優點，還可以支持不同類型的業務。相比于FBMC的濾波器長度，UFMC技術可以使用較短濾波器長度，這樣可以支持短包類業務。

2.3廣義頻分復用(GFDM)

相對OFDM和FBMC，UFMC有更多優點，但因為沒有CP，UFMC比CP-OFDM對短時間的不重合更敏感，因此，UFMC可能對需要松散時間同步以節約能源的應用場景不適合。為此，廣義頻分復用(GFDM)被提出[5,10]。圖6為GFDM的傳輸原理框圖。

圖6　GFDM發射端框

在GFDM系統中，K為子載波數，M為發送的符號數，每個符號進行L≥K的上采樣，則總的采樣數N=KM，g[n]為脈沖成形濾波器，進行GFDM調制后的信號為：

(2)

式中，k為子載波索引，m為符號索引，n為抽樣索引，其中k=0,…,K-1，m=0,…,M-1，n=0,…,N-1，則特別的取L=K，則N=KM，式2變為：

(3)

A=(g00,…gK-1,0,g01,…,g0,M-1,…,gK-1,M-1)

d=(d00,…,dK-1,0,d01,…,d0,M-1,…,dK-1,M-1)T

當L=K，則N=KM，A就成為一個N×N矩陣，d和x成為KM×1向量。所以GFDM調制器的矩陣形式為x=Ad。圖7為GFDM調制器的數字實現框圖[10]。

圖7　GFDM調制器的數字實現框

根據不同類型的業務和應用對空口的要求，GFDM可以選擇不同的脈沖成型濾波器和插入不同類型的CP。此外由于GFDM信號在頻域具有稀疏性，可以設計較低復雜度的發射和接收算法。此外GFDM基于獨立的塊調制，通過配置不同的子載波與子符號，使得其具有靈活的幀結構，可以適用于不同的業務類型。GFDM的子載波通過有效的原型濾波器濾波，在時間和頻率域被循環移位，此過程減少了帶外泄漏，使目前的服務或其他用戶之間不產生嚴重干擾，因而具有FBMC的ICI抑制能力。

3FBMC、UFMC、GFDM技術比較

三種多載波調制技術FBMC、UFMC、GFDM具有各自的特點，表1對三種多載波傳輸技術在各個指標下的性能特點[11]。

表1　FBMC、UFMC、GFDM比較

4結語

FBMC旁瓣水平低，降低了對同步的嚴格要求，但是濾波器的沖激響應長度通常很長，所以FBMC的幀較長，不適用于短包類通信業務。UFMC是對一組連續的子載波進行濾波處理，UFMC技術可以使用較短濾波器長度，這樣可以支持短包類業務，但UFMC沒有CP，因此對需要松散時間同步以節約能源的應用場景不適合，此外FBMC和UFMC系統的復雜度較高。GFDM可以使用CP，具有靈活的幀結構，可以適配不同的業務類型。但三種技術的復雜度均比OFDM復雜，其中GFDM的復雜度較低，不過根據摩爾定理，集成電路的發展將會彌補這一不足。

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Comparison of New Multicarrier Transmission Techniques for 5G

LI Ning1,ZHOU Wei1,2

(1.Chongqing Key Laboratory of Mobile Communications Technology;2.College of Optoelectronic Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

Abstract：This paper describes several 5G-oriented multicarrier transmission technologies,including FBMC (Filter Bank Multicarrier),UFMC (Universal Filtered Multicarrier) and GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing).In view of 5G application scenario and technical requirement,the three candidate multicarrier transmission technologies have fairly low out-of-band radiation,FBMC does not apply CP (Cyclic Prefix) and thus is able to approach a higher time-frequency efficiency,while with fairly long frame length,is not applicable to short-packet service.Meanwhile UFMC,with filtering on a group of subcarriers,can support short-frame structure,but without applying cyclic prefix (CP),thus has fairly high complexity.GFDM,based on the modulation of independent blocks,with flexible frame structure and good robustness,including low-complexity implementation,is suitable for practical applications.

Key words：Multicarrier;5G;FBMC;UFMC;GFDM

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.05.002

* 收稿日期：2015-12-06；修回日期：2016-03-22Received date:2015-12-06；Revised date：2016-03-22

基金項目：重慶市基礎與前沿研究計劃項目(No.cstc2015jcyjA40040)；重慶郵電大學“文峰骨干教師培養計劃項目”資助

Foundation Item:Fundamental and Frontier Research Project of Chongqing(No.cstc2015jcyjA40040);The Wenfeng Backbone Training Project of Chongqing Universsity of Posts and Telecommunications

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)05-0519-05

作者簡介：

李寧(1992—)，男，碩士研究生，主要研究方向為無線移動通信，數字信號處理；

周圍(1971—)，男，教授，碩導，博士，主要研究方向為無線移動通信技術、通信系統及信號處理、智能天線技術等。