5G候选波形Filtered-OFDM技术研究与分析*

刘会衡

0 引 言

目前，移动通信已经成为连接人类社会最重要的信息网络。它不仅深刻改变了人们的生活方式，而且极大地推动了社会发展。一方面，移动互联网的快速发展，大量数据传输带来了移动流量超千倍的增长；另一方面，物联网的万物相连也带来了海量设备和多样化业务的移动接入问题。为了适应未来异样化的业务需求，5G通信开始进入研究和标准化工作。5G主要解决多样化应用场景下不同性能要求带来的挑战。国际无线标准化机构3GPP定义了5G主要应用的三大场景[1-2]：①增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）场景，指移动通信的基本覆盖能力，要求无论是静止还是高速移动，无论是覆盖中心还是覆盖边缘，都能在保证业务的连续性的同时，为用户提供高速的体验速率和高密度流量需求；②海量机类通信（massive Machine Type Communications，mMTC）场景，它面向大规模物联网通信，支持106/km2以上的连接数密度，具备超千亿网络连接能力；③超高可靠低时延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）场景，主要面向车联网、工业控制等物联网的特殊应用需求，为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性。

1 5G系统中OFDM的不足

多载波技术是无线移动通信中的一个关键技术，如4G中使用的正交频分复用（OFDM）技术。OFDM系统在对抗多径衰落、频谱效率、高速数据传输、低实现复杂度和适合MIMO系统传输等多方面具有明显优势，因此被广泛应用于LTE、LTE-A和WiMAX等系统[3]。但要，更好地支撑5G多样化的应用场景，必须支持灵活的波形设计，而4G的OFDM方式已经无法满足要求，主要表现为[4-6]：①OFDM要求严格的载波同步和子载波正交；②循环前缀（Cyclic Prefix，CP）的插入降低了频率效率；③具有较高的峰均比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）；④全频带必须采用统一的波形参数，不适合5G系统的差异化业务，如高速移动的用户时延较大，需要较大的子载波间隔，而4G中15 kHz可能无法满足要求；⑤带外泄露（Out-of-Band Emission，OOBE）高，5G中由于高速业务的需要，用户可能需要分配1 GHz的带宽，在某些较低的频段，可能会由一些频谱碎片组成，而此时OFDM实现起来较困难；⑥不适合认知无线电（Cognitive Radio，CR）系统，CR系统中，授权用户/主用户（Primary User，PU）和非授权用户/次用户（Secondary User，SU）之间或次用户与次用户之间的收发器链路可能不同步，此时OFDM的高OOBE将导致严重的载波间干扰（Inter-Carrier Interference，ICI）。

2 Filtered-OFDM波形技术

Filtered-OFDM（F-OFDM）是中国华为公司提出的一种面向5G的多载波传输技术，基本保持了4G OFDM系统的结构，并通过子带级滤波获取较低的带外泄露。同时，由于采用了子带级滤波，使得各个子带可以采取异步传输模式，各自可以根据实际业务要求来配置参数，能够很好地适应5G多样化业务的需求[7]。F-OFDM的基本思想是将系统带宽根据用户业务需要分成不同的子带，子带之间采用极小的保护间隔来降低干扰，每个子带可以根据用户业务需求配置不同的波形参数，包括载波间隔、TTI长度、循环前缀长度、FFT点数等。F-OFDM系统发射机和接收机的结构，分别如图1、图2所示。

图1 F-OFDM发射机结构

图2 F-OFDM接收机结构

F-OFDM系统需要对各个子带数据对应的子载波进行统一编号，因为最终所有子带的数据都需要相加后统一调制到射频频段进行传输，若不进行统一编号，则会发生不同子带数据重叠的情况，从而导致接收端无法正确解调。假设F-OFDM系统共有两个子带，子带1共有M1个子载波，以子带1的载波间隔作为保护间隔（guardtone）的子载波数量为N1；子带2共有M2个子载波，以子带2的载波间隔作为保护间隔的子载波数量为N2。设子带1的可用子载波编号为[Kmin1,Kmax1]，子带2的可用子载波编号为[Kmin2,Kmax2]，为了保证两个子带数据对应的子载波不重叠，则子带2的子载波编号应为：

这里，Kmax1+N1必须为偶数。

子带滤波器的设计对F-OFDM系统性能也有重要影响，一般可以采用对时域信号加窗进行滤波。若时域sinc函数响应为hd(n)，窗函数为hw(n)，则子带滤波器可表示为：

窗函数可以是hann窗、hamming窗、blackman窗等各种窗函数。上述方法生成的是基带滤波器，在实际滤波时需要进行频率搬移，这里子带1的中心频率为：

实际滤波时，子带1的滤波器系数应为：

子带2的中心频率为：

实际滤波时，子带2的滤波器系数应为：

这里，L为滤波器的长度。

在接收端，通过匹配滤波器将各个子带的数据取出。假设htx(n)为发射端子带滤波器系数，hrx(n)为接收端滤波器系数，则匹配滤波器为：

3 Filtered-OFDM性能仿真与分析

假设子带1的载波间隔为Δf1=15 kHz，子带2的载波间隔为Δf2=30 kHz，两个子带的带宽分别设置为1 440 kHz和720 kHz，采样速率均为30.72 MHz。子带1的IFFT点数为2 048，子带2的IFFT点数为1 024。两个子带滤波器均采用hann窗，调制方式可设置为QPSK、16QAM或64QAM等。

图3为F-OFDM和OFDM系统的功率谱，其中保护间隔为90 kHz（即3个子带2的子载波，记为：guardtone=3）。从图3可以看出，F-OFDM系统的带外泄露非常低，比OFDM系统衰减了约40 dB。

图3 F-OFDM和OFDM功率谱对比

图4 和图5分别对不同滤波器长度下F-OFDM系统和OFDM系统的误码率进行分析，调制方式为16QAM。当信噪比较低时，F-OFDM系统的误码率基本和OFDM系统一致。如图4所示，若子带滤波器的长度较短（L=257），在信噪比较高时，F-OFDM系统误码率高于OFDM系统。但是，随着滤波器长度的增加，子带的滤波效果越来越好，F-OFDM系统的误码率逐渐改善。从图5可以看出，当L=1 025时，在高信噪比情况下，F-OFDM系统两个子带数据的误码率均低于OFDM系统。同时，子带滤波器长度越长，F-OFDM系统性能改善越明显。例如，L=1 025、SNR=0 dB时，子带2的误码率为10-2，较L=257时提高了约6 dB。

图4 滤波器长度L=257

图5 滤波器长度L=1 025

图6 和图7为guardtone=3和guardtone=0时F-OFDM系统和OFDM系统的误码率，调制方式为16QAM。在guardtone=3时，因为两个子带之间的保护间隔较大，OFDM表现出了更佳的性能，而F-OFDM在高信噪比时由于滤波的影响，误码率略高。随着两个子带间保护间隔的减小，误码率逐渐加大。在guardtone=0时，F-OFDM系统由于存在子带级的滤波，两个子带间的干扰没有OFDM系统严重，其误码率有所改善。如图7所示，此时F-OFDM系统两个子带数据的误码率均低于OFDM系统。

图6 guardtone=3时的误码率

图7 guardtone=0时的误码率

为了更加直观地看到保护间隔对F-OFDM系统性能的影响，图8对guardtone取值0～3时的子带1的误码率进行了仿真分析。可以明显看出，随着保护间隔的减少，误码率越来越大。尤其是无保护间隔时，两个子带数据之间的干扰比较严重。

图8 不同保护间隔时子带1的误码率

图9 仍以子带1的数据为例，仿真分析了不同调制方式下F-OFDM系统的误码率。可以看出，随着调制阶数的增加，系统误码率逐步增加。这是因为随着调制阶数的增加，信号星座图将更加密集，数据解调判决时的错误概率进一步加大。

图9 不同调制方式时子带1的误码率

4 结 语

本文研究和分析了5G候选波形F-OFDM技术的优点以及各种参数对系统性能的影响，并与OFDM系统进行了对比。F-OFDM技术由于采用了子带级的滤波，其功率谱的带外泄露较OFDM系统明显降低，同时各子带参数可灵活配置，能适应5G系统多样化的应用场景。因此，子带滤波器长度、子带间的保护间隔以及数据的调制方式，都对系统的误码率有着重要影响，在实际设计过程中应综合考虑。

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