人大人科创

张江-硅谷创新创业平台

2018通信领域简报第8期 5G新波形(二) 基础波形和候选波形

5G新波形(二)：

1.　评估的波形

以CP-OFDM为基准，分析对比W-OFDM、F-OFDM的2种变形，以及FBMC/OQAM。

1.1 CP-OFDM

OFDM适用于多种无线标准，如WiFi、WiMax和LTE。另外，采用CP-OFDM可以提供更多好处，如采用FFT来有效抵抗多径衰落，且与MIMO有较好的适配性。下图为CP-OFDM发射机框图。

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526545223(1).png$

CP-OFDM的缺点在于带外泄漏比较高，因此需要较大的保护带宽，难以使用窄带频谱(white spaces)。使用CP还降低了总体频谱效率，对于异步和高速移动性用户，ICI的累加可能是系统总体性能降低。另外，如果不插入大的保护带宽，则CP-OFDM的参数集(numerology)难以在相邻频带内灵活改变。

1.2 W-OFDM

LTE系统中，通常对CP-OFDM的时域信号进行加窗(windowing)，以满足频谱发射模板(mask)的要求。这种系统我们称之为M-OFDM。W-OFDM天然具有CP-OFDM的特点，但是采用加窗技术后，带外泄漏得到有效抑制。从而更适用于异步多址接入。因此，在高速移动场景下，除了CP-OFDM的缺陷之外，不同加窗长度和新到传播延迟下，由于ICI的累加，还可能会引入一些系统间干扰(ISI)。W-OFDM发射机框图示意如下。

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526545332(1).png$

1.3 F-OFDM

F-OFDM可以看作是不采用滤波的CP-OFDM和采用子载波滤波的FBMC/OQAM之间的一个折中。F-OFDM中，对一组子载波即子带进行滤波。整个系统带宽被分成几个子带，每个子带分别过滤，过滤后的子带根据时频资源的分配来进行传送。

滤波器的选择很灵活，其目标在于降低带外(OOB)发射和带内失真。另外，采用不同滤波器时，F-OFDM的实际性能严重取决于所考虑的场景和实际的滤波器设计。

相比CP-OFDM，更低的带外杂散使得F-OFDM更适于异步多址接入。它具有CP-OFDM的一些优点，如通过对附加滤波的适当选择，使带内失真的数量(amount)得以限制(limited)，从而提高频谱效率。另外，不同子带间也支持灵活的参数集。

然而，类似于CP-OFDM，在高速移动情况下，ICI的累加会降低系统整体性能。

考虑2种F-OFDM。第一种是UF-OFDM，相对于CP-OFDM来讲，它不使用CP，但是在时域符号间采用零进行填充。选择的滤波器具有短的时间相应，以便滤波器的尾部能够完全覆盖在零填充里面，从而使得符号在时域内不会重叠，频率乒坛衰落信道上不会产生ISI。发射机框图如下。

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526545500(1).png$

F-OFDM的另一种变形是f-OFDM，它保持CP-OFDM中的CP，但是所采用的滤波器的响应时间比UF-OFDM要长，但比FBMC/OQAM要短。由于滤波器尾部超过CP长度，所以即使频率平坦型衰落信道也存在一定数量的ISI，但是通过对滤波器的合理选择，可使ISI的影响保持在相当小的范围内。f-OFDM的发射机框图示意如下。

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526545534(1).png$

接受侧，接收信号首先通过与发射端相匹配的滤波器，然后再通过惯用的CP-OFDM接收机。

1.4 FBMC/OQAM

FBMC/OQAM是一种多载波调制技术，收/发端都对每个子载波进行滤波。所选择的滤波器时域较长，以使频域获得更好的localization。其目标场景是无需精准同步的异步传输、零碎频谱、感知无线电、高速移动用户(多普勒频移大)等，在同一带宽内可以有效进行基本参数的自适应，如子载波间隔或者符号长度。另外，由于不采用CP，所以可以获得更高的频谱效率。

然而，要获得FBMC/OQAM的这些特性，还需要付出一些代价，这就是正交性条件有所放松，需要从使用QAM的复数域(complexfield)放松到使用OQAM的实数域(real field)。其影响就是，CP-OFDM的一些正交设计如发射分集(如Alamouti)和离散的基于导频的信道估算不能直接用于FBMC/OQAM。其背后的主要原因是存在内在干扰(intrinsic interference)。此外，系统复杂性也是一个严重的问题。FBMA/OQAM发射机的复杂性与采用特定实现技术的CP-OFDM具有可比性，然而，接收机的复杂性增加仍然是个缺点。下图为基于多相实现的FBMC/OQAM发射机框图。

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526545577(1).png$

2.　仿真条件

采用3GPP TS 36.213 V12.5.0的MCS和码率等信息。其它相关参数如下：

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526545617(1).png$

3.　初步结果评估

基于提案中给定的仿真条件，根据仿真结果，对比分析不同波形的性能和特性。如频谱特性、时域特性、峰均比(PAPR)等。同时，还比较了不同场景下的特性，如宽带通信、高速移动性以及异步接入等。

3.1　信号界定(confinement)

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526545677(1).png$

将不同波形的功率谱密度与CP-OFDM做对比。FBMC/OQAM的带外泄漏比CP-OFDM有显著降低。f-OFDM和W-OFDM的降低不如FBMC/OQAM明显，但F-OFDM要优于W-OFDM，它们严重取决于所使用的滤波器和窗口。带外泄漏低更适合于异步多址接入和高速移动性场景。

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526545728(1).png$

3个符号的短突发的时域信号幅度如上图所示。可见，W-OFDM和F-OFDM比FBMC/OQAM更适合于短突发传送和/或相当低时延的场景，这是因为FBMC/OQAM通常使用长的滤波器，从而降低了整体效率，增加了上行和极短突发情况下的时延。

3.2 PAPR

多载波传输的缺点是PAPR高，从而给发射机设计带来挑战，尤其对UE挑战更大(上行)。在LTE和LTE-A中，上行对OFDM采用DFT扩展来降低PAPR。DFT-s-OFDM (或SC-FDMA)类似单载波，它继承了OFDM的好处，但是PAPR较低。

采用DFT与否进行对比，假定DFT扩展长度为160且没有导频符号。

可以观察到，不采用DFT时所有波形都具有大致相同的PAPR性能，但FBMC/OQAM的PAPR降低更小。这是FBMC/OQAM的缺点。其他资料表明，不采用DFT的FBMC/OQAM的PRAP降低优于DFT-s-OFDM/OQAM，但还没有好过基于OFDM的波形。

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526545786(1).png$

引入DFT扩展后， F-OFDM和W-OFDM相比CP-OFDM而言，对PAPR的影响一致。FBMC/OQAM的PAPR降低相对其他波形来说则更小。

3.3 SISO

采用线性迫零接收机和2个不同的衰落信道模型：EPA和EVA，还考虑不同的最大多普勒频移(用户移动性)和MCS值。

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526545844(1).png$

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526545869(1).png$

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526545907(1).png$

在一定的信道条件下，对比不同MCS下的SISO性能可知，在低码率情况下，所有波形在相同的MCS下具有相似的性能。但f-OFDM在高码率下性能有些微降低。由于采用了滤波，所过滤的子带的边缘子载波上的功率较低，导致性能下降。这种性能下降只在码率高的情况下才能观察到。

在子带的边缘引入toneoffset子载波(空子载波)，可以降低性能损失。在滤波器通带带宽内引入Tone offset使得滤波器带宽更大，因此，所使用的数据子载波上具有更平坦的功率。

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526545959(1).png$

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526546075(1).png$

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526546100(1).png$

从上面一些图可以观察到，合理的用户移动条件下，所有波形都具有相同的性能。然而，在极度高的(extreme)用户移动性下，FBMC/OQAM比基于OFDM的波形的增益要大，因为它对大的多普勒频移具有更高的强壮性，因此更适于高移动性场景。

3.4 MIMO

2x2 MIMO开环空间复用条件下，采用线性MMSE接收机，在特定的MCS下，所有波形的性能差不多，没有哪个表现得更好。但是像上面提到的，FBMC/OQAM不能使用一些非线性算法如Alamouti或者球形(sphere)检测等。

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526546166.png$

3.5　同步性

关于同步性，在异步接入传输时，测试用户和干扰用户的发射功率相同、干扰用户功率高20dB和40dB情况时，对比其BLER性能可知，W-OFDM、UF-OFDM、f-OFDM和FBMC/OAM的性能都比CP-OFDM要好，这是因为它们具有较小的带外泄漏。但是，为了获得与同步CP-OFDM相同的性能，FBMC/OQAM和f-OFDM比其他带宽需要更小的保护带子载波数。

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526546214(1).png$

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526546242(1).png$

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526546267(1).png$

4.　总体比较

$C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\1526546292(1).png$

5.　基本结论

根据以上对比分析，建议将CP-OFDM作为基础波形。考虑W-OFDM和F-OFDM作为新波形的候选项。