面向5G的非正交多载波传输技术

王华华 李孟杰 余永坤 杨 康

（重庆邮电大学移动通信重庆市重点实验室，重庆 400065）

面向5G的非正交多载波传输技术

王华华 李孟杰 余永坤 杨 康

（重庆邮电大学移动通信重庆市重点实验室，重庆 400065）

由于正交频分复用不能很好地适应5G的应用场景，本文提出了三种新型非正交多载波传输技术：滤波器组多载波、通用滤波多载波和广义频分复用。详细分析了三种非正交多载波传输技术的原理，并且从理论上分析各系统的性能，从而明确其在5G应用场景适用的原因。

多载波技术；滤波器组多载波；通用滤波多载波；广义频分复用

1 引言

5G与4G相比，不但有海量的设备连接，还有各种新的业务和应用场景，如车联网、虚拟现实、在线游戏、机器类通讯、超高清晰度视频、自动驾驶汽车、物联网等[1]。4G采用的OFDM[2]（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)多载波传输技术，存在带外泄露高、同步要求严格、不够灵活等不利因素，不能很好地应对5G的新业务和场景，因此必须要提出新型的多载波技术来满足5G的需求。本文提出了三种目前热门的非正交多载波传播技术，并且对三种系统的原理和系统模型进行了详细分析，简单总结了三种非正交多载波传输技术各自的特点。

2 滤波器组多载波（FBMC-OQAM）

图1FBMC系统原理图

如图1所示，FBMC系统主要包括原型滤波器、多相结构滤波器组合（PPN,Polyphase Network）和偏置正交幅度调制（OQAM,Offset Quadrature Amplit-ude Modulation）方式[6]。发送端传统的QAM调制改为OQAM调制，对复数信号进行了实部和虚部分离，调制后将数据串并转换通过IFFT模块完成频域到时域转换，将IFFT变换之后通过多相结构PPN模块处理；接收端也有相应的操作。IFFT和PPN称为分析滤波器组。此框架可以实现基本的基于FBMC的多载波调制解调功能。

在时域上，假设原型滤波器系数为hi，此时输入输出关系为：

式(1)中，hi(o≤i≤L-1)为滤波器的响应系数，长度为L，对式(1)作相应的Z变化表达式为：

其中

这是信号处理中常见的多项式展开结构，对于单个滤波器，Hp(ZM)包含了频域响应的相位偏移。设原型滤波器频率响应为B0(f)，那么滤波器组中第k个滤波器就是由B0(f)经过k/M个单位频偏得到，子载波的每一路滤波器在原型滤波器的基础上需要频移fi，即乘以e-j2πfit。发射机第k整体Z域表达式如下所示：

令W=e-j2π/M，可以得到如下的滤波器组矩阵方程组

等式右边第一部分的M×M矩阵即IDFT矩阵，可以由IFFT实现，第二部分就是Hp(ZM)，这是滤波器组中所有滤波器的共有部分，即为多相结构PPN。

2.1OQAM调制原理

由于FBMC相邻的子载波之间存在混叠干扰，若采用常规的QAM基带调制，无法避免相邻子载波之间的干扰。为了应对混叠干扰，在FBMC系统中加入OQAM调制。OQAM调制的基本思想是将QAM信号以虚实间隔的方式进行调制，达到防止相邻子载波间干扰的目的；OQAM还将数据分为两路进行调制。其工作原理为：首先将QAM调制后的复数信号的实部和虚部分离，分为两条路径进行调制。如图2所示。

图2OQAM调制原理

数据经过OQAM调制后分为两路，每条路奇偶交替为纯实数和虚数。其星座图如图3和图4所示。

图3OQAM调制后第1路星座图

图4OQAM调制后第2路星座图

FBMC-OQAM技术是一种基于多个滤波器组的采用交错正交幅度调制的多载波通信方式，是5G物理层调制技术的备选方案之一[3,7]。FBMC与传统的OFDM系统相比，其各子载波之间不需要严格正交，而且不需要使用CP去消除码间串扰(Intersymbol Interference,ISI)，并且能够利用一些零散频谱资源，使其频谱利用率显著提高；此外FBMC-OQAM对频率和时间同步要求低，带外频谱泄漏低。

3 通用滤波多载波（UFMC）

如图5所示，UFMC每组子载波构成一个子带，子带间互不交叠。每个子带符号通过N点IDFT模块完成频域到时域转换，接着经过一个长度为L的滤波器模块，这时的符号长度为N+L-1，然后所有UFMC符号进行叠加，最后把基带信号变换为射频信号。经过无线信道后，首先把射频信号转化为基带信号，接着通过添零的方法构造一个2N点IFFT，然后进行数据信息提取，最后对原始数据恢复。

图5UFMC系统原理图

对任意序号为i的子载波进行IDFT变换。IDFT模块的表达式为：

滤波器的作用就是把经过IDFT变换后的时域信号xi和FIR滤波器fi进行线性卷积。表达式为：

通过加法器之后，发射端的UFMC符号y的表达式为：

接收端先对时域信号做预处理，例如通过加窗来抑制多用户干扰等。然后通过补零使得点数满足2N点IFFT变换，然后恢复原始信号。

UFMC在不同的子频带可以使用不同的采样间隔和滤波长度，使得UFMC可以灵活适应5G的各种应用场景[8,9]，而且可以通过滤波器的过渡和缓降代替CP抵抗符号间干扰，可以很好地和MIMO技术结合。

4 广义频分复用（GFDM）

如图6所示，发送比特流经过串并转换为K路并行数据，经过J-QAM映射以及N倍升采样之后，与循环延时mN的成形脉冲g(n-mN)做循环卷积，各路信号分别与相应子载波相乘，完成子载波调制，串并转换在帧前添加循环前缀，避免帧间干扰，完成一帧信号的基带处理。

图6GFDM系统原理框图

假设一帧中同一个子载波发送的符号数为M，将一帧中的符号用矩阵表示为：

第k行表示在第k个子载波上发送的符号，第m列表示在第m个信令时隙发送的符号。

N倍升采样后的输出信号为：

将此信号经过滤波器进行脉冲成形和子载波调制、串并转换后的发送信号为：

最后在发送端发射之前，加入CP，得到发送结果Xk。

根据其设计原理可以得出GFDM具有信号接收方式简单、带外功率泄漏小、无需正交传输等优势，并且GFDM可以根据不同类型的业务与应用场景对CP长度的要求，插入不同长度类型的CP，发挥CP在系统中重要作用[8]。另外GFDM是基于块传输的，对于不同的块可以配置不同的子载波宽度，使其具有灵活的帧结构，从而可以很好地应对未来移动通信的需求。

5 结束语

本文介绍了三种新型的多载波，它们都是非正交传输技术，并且在IOT和MTC等5G场景中应用更有优势。本文详细分析了它们的原理和各自的优缺点。FBMC有极小带外干扰，同时具有OFDM的特点，但不易于与MIMO结合，而且滤波器长度太长，不能很好地适用于物联网等小包数据的传输；UFMC传输技术结合FBMC和OFDM的大部分优点，可以很好地适用于小包数据的传输，并且与MIMO技术可以很好地结合，但是算法复杂度过高；GFDM最大的优点是在不同的应用场景可以灵活配置CP和子载波宽度，从而大大提高了频谱利用率，而且算法复杂度低于FBMC和GFDM。

[1]Wunder G，Jung P，Kasparick M，et al．5G NOW：Non-or-thogonal，Asynchronous Waveforms for Future Mobile Applications[J]． Communications Magazine IEEE，2014，52(2)：97-105．

[2]Nee R V，Prasad R．OFDM for Wireless Multimedia communications[M]．Artech House ，Inc，2000：1-15．

[3]Interference cancellation aided channel estimation for OFDM/OQAM system[J]．GuoBing Cheng，Yue Xiao，Su Hu，ShaoQian Li．Science China Information Sciences．2013(12)．

[4]Universal filtered multi-carrier technique for wireless systems beyond LTE．VAKILIAN V，WILD T，SCHAICH F，et al．2013 IEEE Globecom Workshops．2013．

[5]Fettweis G，Krondorf M，Bittner S．GFDM-Generalized Frequency Division Multip-lexing[C]．IEEE Vehicular Technology Conference，2009：1-4．

[6]Preamble design with ICI cancellation for channel estimation in OFDM/OQAM system．Su HuGang WuTeng．IEICE Transa-ctions on Communications．2010．

[7]谢显中．第5代移动通信基本要求与新型多址复用技术[J]．重庆邮电大学学报(自然科学版)，2015，27(04)：434-440． [8]赵瑞芳．非正交多载波传输技术的研究[D]．西安：西安电子科技大学，2015．

[9]席思雨．面向小包传输的通用滤波多载波复用技术研究[D]．北京：北京交通大学，2017．

The Non-orthogonal Multi-carrier Transmission Technology for 5G

Wang Huahua Li Mengjie Yu Yongkun Yang Kang
(Chongqing Key Lab of Mobile Communications Protocol,CQUPT,Chongqing 400065)

Because OFDM cannot adapt to 5G application scenarios,the paper proposes three non-orthogonal multicarrier transmission technologies:FBMC-OQAM,UFMC and GFDM.It analyzes the principles of the three kinds of non-orthogonal multicarrier transmission technologies in detail,and analyzes the performance of each system.Consequently,it clarifies the reason that they are suitable for the application scenarios of 5G.

multi-carrier technology;FBMC;UFMC;GFDM

TN929.5

A

1008-6609(2017)08-0003-03

王华华（1981-），男，山西临汾人，硕士生导师，高级工程师，研究方向为嵌入式系统（移动通信基带处理系统）、通信软件开发。

国家科技重大专项项目，项目编号：2017ZX03001021-004；重庆教委科学技术研究项目，项目编号：KJ1500428。