新一代无线通信系统中的F-OFDM技术研究

［王琼 尹志杰 王胜］

新一代无线通信系统中的F-OFDM技术研究

［王琼 尹志杰 王胜］

F-OFDM是一种可变子载波带宽的自适应空口波形调制技术,能够实现空口物理层切片后向兼容LTE 4G系统、又能满足未来5G发展的需求。它将OFDM载波带宽划分成多个不同参数的子带，它可根据不同的业务场景来动态地选择和配置波形参数。F-OFDM采用子带滤波器来实现子带的划分,滤波器设计过程中的窗函数选择尤为重要。

F-OFDM OFDM 子带滤波器 窗函数

王琼

硕士生导师，重庆邮电大学通信与信息工程学院，教授级正高工，主要研究方向：移动通信。

尹志杰

王胜

重庆邮电大学通信与信息工程学院硕士研究生，主要研究方向：移动通信。

引言

随着4G技术成熟并广泛商用，移动通信开始向5G的发展阶段进行迈进。5G发展的主要驱动力是移动互联网和物联网，5G将在现有4G系统能力的基础上大幅度提升性能，满足人们对高速率、超高数据容量、海量连接数量、节能通信、极致用户体验的无线接入要求[1]。为满足5G需求，需要从无线空口技术、无线组网技术以及网络架构等方面实现革命性创新，其中无线空口技术[2]是当前5G研究的重要领域。

波形是无线通信物理层最基础的技术[3]。CP-OFDM以其传输效率高、实现简单、易与MIMO结合等诸多优点，目前已经被广泛用于4G LTE、Wifi等无线通信系统中[4]。但是CP-OFDM技术只是为了移动宽带业务设计的，无法满足新一代无线通信系统中丰富的业务场景的需求，尤其是无法满足物联网和虚拟现实这两种业务所需要的更低的时延、更大的连接数的要求。因此5G空口波形技术需克服CP-OFDM系统在整个带宽只支持一种波形参数、带外泄露高、同步要求严格等缺点，且能够根据具体的业务场景来动态地选择和配置波形参数[5]。

1 F-OFDM技术简介

针对5G系统所面临的挑战，华为在2015年的世界移动通信大会上提出F-OFDM（Filtered-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）可变子载波带宽的非正交接入技术[6]。F-OFDM是一种可变子载波带宽的自适应空口波形调制技术,是基于OFDM的改进方案。F-OFDM能够实现空口物理层切片后向兼容LTE 4G系统、又能满足未来5G发展的需求。F-OFDM技术的基本思想是：将OFDM载波带宽划分成多个不同参数的子带，并对子带进行滤波，而在子带间尽量留出较少的隔离频带。比如，为了实现低功耗大覆盖的物联网业务，可在选定的子带中采用单载波波形；为了实现较低的空口时延，可以采用更小的传输时隙长度；为了对抗多径信道，可以采用更小的子载波间隔和更长的循环前缀。

图1 OFDM和F-OFDM的收发机

F-OFDM技术具有以下几个优点[7]：支持在不同的子带上配置不同的子载波间隔，从而更好的支撑不同的业务；支持在不同的子带上配置不同的CP长度，从而更好的适配信道；支持在不同的子带上进行异步信号的传输，从而节省TA调整的信令开销；具有更好的带外抑制特性，从而节省保护带的开销，提高频谱效率。

2 F-OFDM收发机结构

F-OFDM收发机的滤波操作是叠加在现有OFDM技术基础之上[8]。OFDM和F-OFDM的收发机示意图如图1。

OFDM的发射机和接收机基本过程如下。首先，LTE中所有用户的数据选用15KHz作为子载波间隔进行子载波映射。其次，为了把信号从频域变换到时域，对信号进行FFT size 为2048的IFFT变换。再次，对信号进行加循环前缀（CP，Cyclic Prefix）操作。接着使用宽带滤波器来限制信号的整体带外泄露。接收机的信号处理过程是发射机的逆过程，首先进行去CP的操作，然后进行FFT size为2048的FFT变换，最后进行子带数据检测（即解调和译码）。

对于F-OFDM的整机结构，信号首先被分为若干个子带，每个子带的整体实现结构与OFDM基本一致。需注意，由于子带映射过程中子载波间隔不同，同时得保证IFFT变换之后的信号采样率保持一致，因此在IFFT变换时所需要的FFT size得进行合理的选择。F-OFDM的接收机同样是发射机的逆过程。在经过子带级的滤波之后，各个子带的数据被分离开，经过分离之后的每个子带的接收机处理过程和OFDM接收机的处理过程是一样的。

3 滤波器的设计

F-OFDM技术的核心问题在于滤波器的设计和实现。F-OFDM采用子带滤波器来实现子带的划分，设计的子带滤波器需达到以下性能要求：实现复杂度低，带内近似平坦且带外陡降，能够在比较小的保护带的前提下更好的支持信号传输，尤其是支持高阶调制和高码率信号的传输。滤波器设计过程中，窗函数的选择、滤波器系数的计算、滤波方式的选取尤为重要。

3.1 窗函数的选择

滤波器的设计方法采用传统的窗函数法，即对时域sinc函数加不同的窗函数，来获得滤波器的时域响应[9]，可以理解为，时域窗函数的软截断处理相当于频域的有限长的循环卷积处理。即，，其中，窗函数的选择需要在时频局域化，以及通带内的平坦度之间进行折中。

设计数字滤波器时,窗函数不仅可以影响过渡带宽度，还能影响肩峰和波动的大小。因此,选择窗函数应使其频谱尽量满足以下两个要求：主瓣宽度尽量小，过渡带尽量陡；为了使能量尽量集中在主瓣内，得使肩峰和波动减小，同时旁瓣相对于主瓣越小越好。常见的窗函数如表1。

表1 常见窗函数

图2给出了表1中三种常见窗函数频谱特性曲线，在滤波器设计过程中，滤波器阶数设置为512，采样频率为30.72MHz，截止频率设置为360KHz。当为Kaiser窗函数时，β值设置为4。通过对比可以看到给出的三种窗函数过渡带的陡峭程度差不多，但是Hanning窗对旁瓣的衰减抑制作用明显要比Kaiser窗和RRC窗有优势，故本文选择Hanning窗来设计滤波器。

图2 窗函数频谱特性曲线

3.2 滤波器系数

基带滤波器的中心频率是0，需要根据两个子带的位置对滤波器系数进行相应的频率搬移。假设子带1的子载波数量为M1，子带1的保护子载波数量为N1，子带2的子载波数量为M2，子带2 的保护子载波数量为N2。则，

假设基带低通滤波器的系数为h=(h0,h1,⋅⋅⋅,hT−1),T为滤波器的长度。则，

3.3 频域滤波

4 结束语

F-OFDM技术的优点是显而易见的，即可以将整个频段按照未来不同种类的业务精细分割，对空口实现灵活切片，更好的支持不同业务对带宽时延、可靠性的要求，同时带来频谱资源利用率提升。但对于发射机,如何将OFDM载波带宽划分成多个不同参数的子带，并对子带进行滤波，且在子带间尽量留出较少的隔离频带，是整个系统需要解决的关键问题之一。在接收端，如何针对不同的业务需求，设计出高性能、带宽可调的滤波器将是提升F-OFDM实用价值的关键。

1 Andrews J G,Buzzi S,Wan C,et al.What will 5G be?[J].IEEE journal on selected areas in communications,2014,32(6):1065-1082

2 Wunder G,Jung P,Kasparick M,et al.5GNOW: nonorthogonal,asynchronous waveforms for future mobile applications[J].IEEE Communications Magazine,2014,52(2):97-105

3 Banelli P,Buzzi S,Colavolpe G,et al.Modulation formats and waveforms for 5G networks: who will be the heir of OFDM?: An overview of alternative modulation schemes for improved spectral efficiency[J].IEEE Signal Processing Magazine,2014,31(6):80-93

4 Bellanger M,Mattera D,Tanda M.Lapped-OFDM as an alternative to CP-OFDM For 5G asynchronous access and cognitive radio[C]// Vehicular Technology Conference.IEEE,2015

5 Renfors M,Yli-Kaakinen J,Levanen T,et al.Efficient fastconvolution implementation of filtered CP-OFDM waveform processing for 5G[C]// IEEE GLOBECOM Workshops.IEEE,2015

6 Tong W,Ma J,Huawei P Z.Enabling technologies for 5G air-interface with emphasis on spectral efficiency in the presence of very large number of links[C]// Asia-Pacific Conference on Communications.IEEE,2015

7 Abdoli J,Jia M,Ma J.Filtered OFDM: A new waveform for future wireless systems[C]// IEEE,International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications.IEEE,2015

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9 Sahin A,Guvenc I,Arslan H.A survey on multicarrier communications: prototype filters,lattice structures,and implementation aspects[J].Mathematics,2012,16(3):1312-1338

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10.3969/j.issn.1006-6403.2016.11.011

，男，重庆邮电大学通信与信息工程学院硕士研究生，主要研究方向：移动通信。

（2016-07-06）（

2016-10-22）