5G网络新波形候选技术研究

杨乐

【摘 要】针对5G网络技术研究中主流的新波形候选技术W-OFDM、FBMC-OQAM、FB-OFDM、UFMC和F-OFDM等五种技术方案进行了详细介绍，并分别分析了各自的差异性和优缺点，提出了相关应用建议。

【关键词】新波形候选 W-OFDM FBMC-OQAM FB-OFDM

Investigation on Waveform Candidate Techniques for 5G Networks

[Abstract] Five technical solutions in the mainstream waveform candidate techniques in 5G networks including W-OFDM， FBMC-OQAM， FB-OFDM， UFMC and F-OFDM were expounded. Their differences， advantages and disadvantages were analyzed. Corresponding application suggestions were put forward.

[Key words]waveform candidate W-OFDM FBMC-OQAM FB-OFDM

1 引言

LTE采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術，子载波和OFDM符号构成的时频资源组成LTE系统的无线物理时频资源，目前OFDM技术在无线通信中已经应用的比较广泛。由于采用了循环前缀CP（Cyclic Prefix），CP-OFDM系统能很好地解决多径时延问题，并且将频率选择性信道分成了一套平行的平坦信道，这很好地简化了信道估计方法，并有较高的信道估计精度。然而，CP-OFDM系统性能对相邻子带间的频偏和时偏比较敏感，这主要是由于该系统的频谱泄漏比较大，因此容易导致子带间干扰。目前LTE系统在频域上使用了保护间隔，但这样降低了频谱效率，因此需要采用一些新波形技术来抑制带外泄漏。

目前无线通信5G技术中抑制带外泄漏的新波形技术方案是5G技术研究的一个重要方向。目前在3GPP会议上各公司提出来的主要新波形候选技术包括：加窗正交频分复用CP-OFDM with WOLA（CP-OFDM with Weighted Overlap and Add）、移位的滤波器组多载波FBMC-OQAM（Filter Bank Multicarrier-Offset QAM）、滤波器组的正交频分复用FB-OFDM（Filter Bank OFDM）、通用滤波多载波UFMC（Universal Filtered Multicarrier）和滤波的正交频分复用F-OFDM（Filtered OFDM）。

2 新波形技术方案介绍

2.1 加窗正交频分复用CP-OFDM with WOLA

CP-OFDM with WOLA是由高通公司牵头提出来的。为了描述简单，本文将CP-OFDM with WOLA简写为W-OFDM。W-OFDM的主要思想就是使用时域升余弦函数窗代替LTE的矩形窗。由于矩形窗边缘变化非常陡，因而频域上带外泄漏就比较大；而升余弦函数窗边缘变化比较缓慢，因而频域上带外泄漏就小。图1是W-OFDM发射端的处理框图，其中黑色的处理框图是与LTE相同的处理过程，红色框图是在LTE的发射处理过程中增加的。图2是加窗的方法简图。使用的加窗函数为时域升余弦函数窗，因此在符号间隔边缘处为变化比较缓慢的曲线。该曲线占用了一定的CP区域，而且会导致相邻符号间存在部分数据重叠。

W-OFDM的优点是：实现比较简单，只是在原来的LTE的发射处理过程中增加一个时域加窗就行，而且可以通过实现的手段执行，即不需要修改物理层标准协议。W-OFDM的缺点为：抑制带外泄漏的效果有限，由于加窗占用了部分CP区域，因此抗多径时延信道能力下降。

2.2 移位的滤波器组多载波FBMC-OQAM

FBMC-OQAM也是在时域加窗，与W-OFDM不同的是：FBMC-OQAM的窗函数比较长，通常为4～5个符号长度，窗函数一般使用IOTA（Isotropic Orthogonal Transform Algorithm）函数；FBMC-OQAM调制的数据为实数，即将复数的实部和虚部提取出来，分别进行调制处理。

IOTA函数的时域波形和频域波形如图3所示。可以看出，IOTA函数的时域波形和频域波形是相同的形状。因此FBMC-OQAM的时域和频域都收的比较紧，因此具有很好的带外抑制泄漏效果。

FBMC-OQAM链路收发处理过程如图4所示。红色字体的框图是与OFDM系统收发链路的不同处理过程。与OFDM系统相比，FBMC-OQAM系统的最大区别在于：在发射端，基带经过IFFT处理后，还要进行多相滤波器的处理；在接收端，接收数据在进行FFT处理之前，要先经过多相滤波器的处理。

FBMC-OQAM的优点为：带外泄漏小，不需要CP，这样可以提高频谱效率。FBMC-OQAM的缺点为：收发处理复杂度相对比较高，由于是实数调制，因此信道估计比较复杂，而且与MIMO技术相结合比较困难。

2.3 滤波器组的正交频分复用FB-OFDM

FB-OFDM也是在时域加窗，时域加窗在技术原理上都属于子载波级滤波。与W-OFDM不同的是：FB-OFDM的窗函数可以比较长，也可以比较短，具体根据场景需要来灵活选择。与FBMC-OQAM不同的是：FB-OFDM调制的数据仍然为实数，因此可以与LTE保持比较好的兼容性，而且信道估计比较简单，与MIMO技术相结合比较容易。

FB-OFDM系统发射端原理如图5所示。其中红色框内是多相滤波器模块的操作，这个操作代替了LTE的加CP操作，其余模块与LTE的完全相同。

多相滤波器的参数与选择的波形函数有关。当波形函数为矩形且符号间隔T1=T0+CP（T0为子载波间隔的倒数，CP为循环前缀）时，多相滤波器模块的操作就等价于LTE里的添加CP的操作，FB-OFDM方案就变回到LTE方案了。

在FB-OFDM系统侧可以配置波形函数参数，不同的参数值对应着不同的波形函数。根据不同场景的需求侧重点，UE可以选择合适的波形函数调制发射数据。比如，对于带外泄漏抑制要求比较高的场景，可以选择升余弦函数、IOTA函数等；对于数据解调性能要求比较高，但对带外泄漏抑制要求不高并且频偏和时偏比较小的场景，可以选择矩形函数回退到LTE。

符号间隔T1也可以作为FB-OFDM系统侧参数，并在多相滤波器模块里进行设置。当信道条件非常好时，T1可以小于T0，实现超奈奎斯特传输，提高系统容量。当信道条件差时，T1可以大于T0，使得FB-OFDM系统的符号间子载波间的数据接近正交。符号间隔T1也在多相滤波器模块里实现。

不同的波形函数及其相应的参数对带外泄漏抑制以及数据解调性能的影响也不同。需要对波形函数做更多的研究，以挑选出一些更好的波形函数。

FB-OFDM系统接收端原理如图6所示。其中红色框内是多相滤波器模块的操作，这个操作代替了LTE的去CP操作，其余模块与LTE的完全相同。

FB-OFDM的优点为：带外泄漏小；不同场景使用不同的波形函数，可以满足不同场景的重点需求；异步性能好；与LTE技术兼容性好；发射和接收端实现复杂度低。FB-OFDM的缺点为：由于没有CP，因而抗多径时延信道能力略微降低。

2.4 通用滤波多载波UFMC

UFMC属于子带级滤波。传输带宽中，每个RB的数据单独进行IFFT，然后再加滤波器滤波，该滤波器在时域上添加，属于时域卷积操作，运算量比较大。然后经过滤波后的每个RB的数据再叠加合成一路数据。

UFMC不加CP，而是加保护间隔。如图7所示，在每个RB的时域数据上增加滤波器操作，会扩展数据符号的时域长度，为了避免相邻符号间的数据重叠，因此符号间增加保护间隔。

UFMC的优点为：以RB级为单位增加滤波器，这样滤波器参数比较固定。UFMC的缺点为：由于滤波器长度要小于等于保护间隔长度，因而带外泄漏抑制效果有限；每个RB都需要单独IFFT和滤波操作，复杂度比较高。

2.5 滤波的正交频分复用F-OFDM

F-OFDM也属于子带级滤波，与UFMC不同的是：以子带为单位进行滤波，子带带宽不固定；继续加CP，不加保护间隔；滤波器长度大于CP长度，为半个符号长度。

由于滤波器长度为半个符号长度，又没有保护间隔，因此F-OFDM的符号间会存在数据重叠和干扰。如图8所示，CP-OFDM的符号间是没有数据重叠的，而F-OFDM的符号间存在数据重叠。F-OFDM接收端在解调时，忽略这个符号间的重叠干扰。

F-OFDM的优点：由于滤波器长度大于CP长度，因而带外泄漏抑制效果好于UFMC。F-OFDM的缺点为：子带宽度的变化将导致滤波器参数发生变化；子带宽度不能太窄，否则带外泄漏抑制效果将降低，符号间干扰将增大；发射和接收端实现复杂度相对比较高。

3 结束语

本文对5G网络技术研究中新波形候选技术W-OFDM、FBMC-OQAM、FB-OFDM、UFMC和F-OFDM分别进行了简单介绍。可以看出这几种波形技术在带外抑制效果上有一定的差异，在优缺点上也有一定的差异，各有所长，各有所短。同时可知，与LTE的CP-OFDM波形技术相比，这几种波形技术都能在一定程度上抑制带外泄漏，但也在一定程度上引入了一些缺点。总之，各种5G新波形候选技术在减少带外泄漏的同时，也需要付出一定的代价。

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