劉會衡

0 引 言

目前，移動通信已經成為連接人類社會最重要的信息網絡。它不僅深刻改變了人們的生活方式，而且極大地推動了社會發展。一方面，移動互聯網的快速發展，大量數據傳輸帶來了移動流量超千倍的增長；另一方面，物聯網的萬物相連也帶來了海量設備和多樣化業務的移動接入問題。為了適應未來異樣化的業務需求，5G通信開始進入研究和標準化工作。5G主要解決多樣化應用場景下不同性能要求帶來的挑戰。國際無線標準化機構3GPP定義了5G主要應用的三大場景[1-2]：①增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）場景，指移動通信的基本覆蓋能力，要求無論是靜止還是高速移動，無論是覆蓋中心還是覆蓋邊緣，都能在保證業務的連續性的同時，為用戶提供高速的體驗速率和高密度流量需求；②海量機類通信（massive Machine Type Communications，mMTC）場景，它面向大規模物聯網通信，支持106/km2以上的連接數密度，具備超千億網絡連接能力；③超高可靠低時延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）場景，主要面向車聯網、工業控制等物聯網的特殊應用需求，為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業務可靠性。

1 5G系統中OFDM的不足

多載波技術是無線移動通信中的一個關鍵技術，如4G中使用的正交頻分復用（OFDM）技術。OFDM系統在對抗多徑衰落、頻譜效率、高速數據傳輸、低實現復雜度和適合MIMO系統傳輸等多方面具有明顯優勢，因此被廣泛應用于LTE、LTE-A和WiMAX等系統[3]。但要，更好地支撐5G多樣化的應用場景，必須支持靈活的波形設計，而4G的OFDM方式已經無法滿足要求，主要表現為[4-6]：①OFDM要求嚴格的載波同步和子載波正交；②循環前綴（Cyclic Prefix，CP）的插入降低了頻率效率；③具有較高的峰均比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）；④全頻帶必須采用統一的波形參數，不適合5G系統的差異化業務，如高速移動的用戶時延較大，需要較大的子載波間隔，而4G中15 kHz可能無法滿足要求；⑤帶外泄露（Out-of-Band Emission，OOBE）高，5G中由于高速業務的需要，用戶可能需要分配1 GHz的帶寬，在某些較低的頻段，可能會由一些頻譜碎片組成，而此時OFDM實現起來較困難；⑥不適合認知無線電（Cognitive Radio，CR）系統，CR系統中，授權用戶/主用戶（Primary User，PU）和非授權用戶/次用戶（Secondary User，SU）之間或次用戶與次用戶之間的收發器鏈路可能不同步，此時OFDM的高OOBE將導致嚴重的載波間干擾（Inter-Carrier Interference，ICI）。

2 Filtered-OFDM波形技術

Filtered-OFDM（F-OFDM）是中國華為公司提出的一種面向5G的多載波傳輸技術，基本保持了4G OFDM系統的結構，并通過子帶級濾波獲取較低的帶外泄露。同時，由于采用了子帶級濾波，使得各個子帶可以采取異步傳輸模式，各自可以根據實際業務要求來配置參數，能夠很好地適應5G多樣化業務的需求[7]。F-OFDM的基本思想是將系統帶寬根據用戶業務需要分成不同的子帶，子帶之間采用極小的保護間隔來降低干擾，每個子帶可以根據用戶業務需求配置不同的波形參數，包括載波間隔、TTI長度、循環前綴長度、FFT點數等。F-OFDM系統發射機和接收機的結構，分別如圖1、圖2所示。

圖1 F-OFDM發射機結構

圖2 F-OFDM接收機結構

F-OFDM系統需要對各個子帶數據對應的子載波進行統一編號，因為最終所有子帶的數據都需要相加后統一調制到射頻頻段進行傳輸，若不進行統一編號，則會發生不同子帶數據重疊的情況，從而導致接收端無法正確解調。假設F-OFDM系統共有兩個子帶，子帶1共有M1個子載波，以子帶1的載波間隔作為保護間隔（guardtone）的子載波數量為N1；子帶2共有M2個子載波，以子帶2的載波間隔作為保護間隔的子載波數量為N2。設子帶1的可用子載波編號為[Kmin1,Kmax1]，子帶2的可用子載波編號為[Kmin2,Kmax2]，為了保證兩個子帶數據對應的子載波不重疊，則子帶2的子載波編號應為：

這里，Kmax1+N1必須為偶數。

子帶濾波器的設計對F-OFDM系統性能也有重要影響，一般可以采用對時域信號加窗進行濾波。若時域sinc函數響應為hd(n)，窗函數為hw(n)，則子帶濾波器可表示為：

窗函數可以是hann窗、hamming窗、blackman窗等各種窗函數。上述方法生成的是基帶濾波器，在實際濾波時需要進行頻率搬移，這里子帶1的中心頻率為：

實際濾波時，子帶1的濾波器系數應為：

子帶2的中心頻率為：

實際濾波時，子帶2的濾波器系數應為：

這里，L為濾波器的長度。

在接收端，通過匹配濾波器將各個子帶的數據取出。假設htx(n)為發射端子帶濾波器系數，hrx(n)為接收端濾波器系數，則匹配濾波器為：

3 Filtered-OFDM性能仿真與分析

假設子帶1的載波間隔為Δf1=15 kHz，子帶2的載波間隔為Δf2=30 kHz，兩個子帶的帶寬分別設置為1 440 kHz和720 kHz，采樣速率均為30.72 MHz。子帶1的IFFT點數為2 048，子帶2的IFFT點數為1 024。兩個子帶濾波器均采用hann窗，調制方式可設置為QPSK、16QAM或64QAM等。

圖3為F-OFDM和OFDM系統的功率譜，其中保護間隔為90 kHz（即3個子帶2的子載波，記為：guardtone=3）。從圖3可以看出，F-OFDM系統的帶外泄露非常低，比OFDM系統衰減了約40 dB。

圖3 F-OFDM和OFDM功率譜對比

圖4 和圖5分別對不同濾波器長度下F-OFDM系統和OFDM系統的誤碼率進行分析，調制方式為16QAM。當信噪比較低時，F-OFDM系統的誤碼率基本和OFDM系統一致。如圖4所示，若子帶濾波器的長度較短（L=257），在信噪比較高時，F-OFDM系統誤碼率高于OFDM系統。但是，隨著濾波器長度的增加，子帶的濾波效果越來越好，F-OFDM系統的誤碼率逐漸改善。從圖5可以看出，當L=1 025時，在高信噪比情況下，F-OFDM系統兩個子帶數據的誤碼率均低于OFDM系統。同時，子帶濾波器長度越長，F-OFDM系統性能改善越明顯。例如，L=1 025、SNR=0 dB時，子帶2的誤碼率為10-2，較L=257時提高了約6 dB。

圖4 濾波器長度L=257

圖5 濾波器長度L=1 025

圖6 和圖7為guardtone=3和guardtone=0時F-OFDM系統和OFDM系統的誤碼率，調制方式為16QAM。在guardtone=3時，因為兩個子帶之間的保護間隔較大，OFDM表現出了更佳的性能，而F-OFDM在高信噪比時由于濾波的影響，誤碼率略高。隨著兩個子帶間保護間隔的減小，誤碼率逐漸加大。在guardtone=0時，F-OFDM系統由于存在子帶級的濾波，兩個子帶間的干擾沒有OFDM系統嚴重，其誤碼率有所改善。如圖7所示，此時F-OFDM系統兩個子帶數據的誤碼率均低于OFDM系統。

圖6 guardtone=3時的誤碼率

圖7 guardtone=0時的誤碼率

為了更加直觀地看到保護間隔對F-OFDM系統性能的影響，圖8對guardtone取值0～3時的子帶1的誤碼率進行了仿真分析。可以明顯看出，隨著保護間隔的減少，誤碼率越來越大。尤其是無保護間隔時，兩個子帶數據之間的干擾比較嚴重。

圖8 不同保護間隔時子帶1的誤碼率

圖9 仍以子帶1的數據為例，仿真分析了不同調制方式下F-OFDM系統的誤碼率。可以看出，隨著調制階數的增加，系統誤碼率逐步增加。這是因為隨著調制階數的增加，信號星座圖將更加密集，數據解調判決時的錯誤概率進一步加大。

圖9 不同調制方式時子帶1的誤碼率

4 結 語

本文研究和分析了5G候選波形F-OFDM技術的優點以及各種參數對系統性能的影響，并與OFDM系統進行了對比。F-OFDM技術由于采用了子帶級的濾波，其功率譜的帶外泄露較OFDM系統明顯降低，同時各子帶參數可靈活配置，能適應5G系統多樣化的應用場景。因此，子帶濾波器長度、子帶間的保護間隔以及數據的調制方式，都對系統的誤碼率有著重要影響，在實際設計過程中應綜合考慮。

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