3.3　多載波技術(shù)

LTE采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)，子載波和OFDM符號(hào)構(gòu)成的時(shí)頻資源組成LTE系統(tǒng)的無(wú)線物理時(shí)頻資源，目前OFDM技術(shù)在無(wú)線通信中已經(jīng)應(yīng)用比較廣泛。由于采用了循環(huán)前綴CP（Cyclic Prefix），CP-OFDM系統(tǒng)能很好地解決多徑時(shí)延問(wèn)題，并且將頻率選擇性信道分解成一套平行的平坦信道，這很好地簡(jiǎn)化了信道估計(jì)方法，并有較高的信道估計(jì)精度。然而，CP-OFDM系統(tǒng)性能對(duì)相鄰子帶間的頻偏和時(shí)偏比較敏感，這主要是由于該系統(tǒng)的頻譜泄漏比較大，因此容易導(dǎo)致子帶間干擾。目前LTE系統(tǒng)在頻域上使用了保護(hù)間隔，但這樣降低了頻譜效率，因此需要采用一些新波形技術(shù)來(lái)抑制帶外泄漏。

滿(mǎn)足5G要求的多址方式，是沿用LTE的OFDM多址方式，還是使用新的多址方式，需要深入比較和研究。OFDM已經(jīng)是主流無(wú)線通信如LTE和WiFi所采用的信號(hào)形式，其主要優(yōu)點(diǎn)有：

用簡(jiǎn)單自然的方式克服了頻率選擇性衰落；

高效率的計(jì)算執(zhí)行（IFFT/FFT），簡(jiǎn)單的頻域均衡方法即可與MIMO方便結(jié)合，但是頻率偏移校正和同步對(duì)OFDM至關(guān)重要。

除了上述優(yōu)點(diǎn)，OFDM的缺點(diǎn)也很明顯：

OFDM矩形脈沖存在很大的帶外頻譜泄漏，帶外干擾大；

對(duì)時(shí)間、頻率同步要求高，OFDM系統(tǒng)要求在全網(wǎng)范圍內(nèi)信號(hào)同步和正交，同步開(kāi)銷(xiāo)大；

OFDM系統(tǒng)頻率的帶外滾降間較慢保護(hù)帶較寬；

需要連續(xù)載波；

峰均比高。

OFDM的主要應(yīng)用場(chǎng)景為移動(dòng)寬帶，在一些場(chǎng)景下的應(yīng)用存在挑戰(zhàn)。

頻譜共享、認(rèn)知無(wú)線電、碎片頻譜的場(chǎng)景。同構(gòu)頻譜共享和碎片頻譜的充分利用，是提高頻譜利用率的最有效方法。動(dòng)態(tài)利用頻譜資源，關(guān)鍵問(wèn)題是系統(tǒng)間共存和抗干擾能力。靈活、充分利用碎片頻譜，關(guān)鍵問(wèn)題是有效抑制帶外頻譜泄漏。

觸摸互聯(lián)網(wǎng)（Tactile Internet）、機(jī)器型通信（MTC）、短促接入的場(chǎng)景。極低時(shí)延業(yè)務(wù)；突發(fā)、短幀傳輸；低成本終端具有較大的頻率偏差，對(duì)正交不利。

多點(diǎn)協(xié)作通信場(chǎng)景。多個(gè)點(diǎn)信號(hào)發(fā)射和接收難度較大。

為了更好地支持5G各種應(yīng)用場(chǎng)景和多樣性的業(yè)務(wù)需求，基礎(chǔ)波形需要滿(mǎn)足如下條件：

更好地支持新業(yè)務(wù)，不僅僅是移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，還需要支持物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)；

具備良好的擴(kuò)展性，通過(guò)簡(jiǎn)單配置或修改即可適應(yīng)新業(yè)務(wù)；

與其他技術(shù)具有良好的兼容性，能夠與多天線技術(shù)、編碼技術(shù)等相結(jié)合。

圍繞業(yè)務(wù)需求，業(yè)界提出了多種對(duì)OFDM的改進(jìn)技術(shù)：一類(lèi)是依賴(lài)于濾波技術(shù)，通過(guò)濾波減小子帶或者子載波的頻譜泄漏，放松對(duì)時(shí)頻同步的要求，克服OFDM的主要缺點(diǎn)；另一類(lèi)主要是進(jìn)一步提高頻譜效率。

3.3.1　OFDM改進(jìn)

目前無(wú)線通信5G技術(shù)中抑制帶外泄漏的新波形技術(shù)方案是5G技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。目前在3GPP會(huì)議上各公司提出來(lái)的主要新波形候選技術(shù)包括：加窗正交頻分復(fù)用（CP-OFDM with WOLA，CP-OFDM with Weighted Overlap and Add）、移位的濾波器組多載波（FBMC-OQAM，F(xiàn)ilter Bank Multicarrier-Offset QAM）、濾波器組的正交頻分復(fù)用（FBOFDM，F(xiàn)ilter Bank OFDM）、通用濾波多載波（UFMC，Universal Filtered Multicarrier）、濾波的正交頻分復(fù)用（F-OFDM，F(xiàn)iltered OFDM）和廣義頻分復(fù)用（Greneralized Frequency Division Multiplexing，GFDM）。

1.加窗正交頻分復(fù)用（CP-OFDM w ith WOLA）

CP-OFDM with WOLA是由高通公司牽頭提出來(lái)的，簡(jiǎn)寫(xiě)為W-OFDM。W-OFDM的主要思想就是使用時(shí)域升余弦函數(shù)窗代替LTE的矩形窗。由于矩形窗邊緣變化非常陡，因而頻域上帶外泄漏就比較大；而升余弦函數(shù)窗邊緣變化比較緩慢，因而頻域上帶外泄漏就小。圖3.30是W-OFDM發(fā)射端的處理框圖，其中灰色框圖是在LTE的發(fā)射處理過(guò)程中增加的。圖3.31是加窗的方法簡(jiǎn)圖，使用的加窗函數(shù)為時(shí)域升余弦函數(shù)窗，因此在符號(hào)間隔邊緣處為變化比較緩慢的曲線。該曲線占用了一定的CP區(qū)域，而且會(huì)異致相鄰符號(hào)間存在部分?jǐn)?shù)據(jù)重疊。

W-OFDM的優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，只是在原來(lái)的LTE的發(fā)射處理過(guò)程中增加一個(gè)時(shí)域加窗就行，而且不需要修改物理層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。W-OFDM的缺點(diǎn)為：抑制帶外泄漏的效果有限，由于加窗占用了部分CP區(qū)域，因此抗多徑時(shí)延信道能力下降。

2.移位的濾波器組多載波（FBMC-OQAM）

FBMC-OQAM也是在時(shí)域加窗，與W-OFDM不同的是：FBMC-OQAM的窗函數(shù)比較長(zhǎng)，通常為4～5個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度，窗函數(shù)一般使用IOTA（Isotropic Orthogonal Transform Algo-rithm）函數(shù)。IOTA函數(shù)的時(shí)域波形和頻域波形是相同的形狀。因此FBMC-OQAM的時(shí)域和頻域都收得比較緊，具有很好的帶外抑制泄漏效果。FBMC-OQAM調(diào)制的數(shù)據(jù)為實(shí)數(shù)，即將復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部提取出來(lái)，分別進(jìn)行調(diào)制處理。

FBMC-OQAM鏈路收發(fā)處理過(guò)程如圖3.32所示。灰色框圖是與OFDM系統(tǒng)收發(fā)鏈路的不同處理過(guò)程。與OFDM系統(tǒng)相比，F(xiàn)BMC-OQAM系統(tǒng)的最大區(qū)別在于：在發(fā)射端，基帶經(jīng)過(guò)IFFT處理后，還要進(jìn)行多相濾波器的處理；在接收端，接收數(shù)據(jù)在進(jìn)行FFT處理之前，要先經(jīng)過(guò)多相濾波器的處理。

FBMC-OQAM的優(yōu)點(diǎn)為：帶外泄漏小，不需要CP，這樣可以提高頻譜效率。FBMCOQAM的缺點(diǎn)為：收發(fā)處理復(fù)雜度相對(duì)比較高，由于是實(shí)數(shù)調(diào)制，因此信道估計(jì)比較復(fù)雜，而且與MIMO技術(shù)相結(jié)合比較困難。

3.濾波器組的正交頻分復(fù)用（FB-OFDM）

FB-OFDM也是在時(shí)域加窗，時(shí)域加窗在技術(shù)原理上都屬于子載波級(jí)濾波。與W-OFDM不同的是：FB-OFDM的窗函數(shù)可以比較長(zhǎng)，也可以比較短，具體根據(jù)場(chǎng)景需要來(lái)靈活選擇。與FBMC-OQAM不同的是：FB-OFDM調(diào)制的數(shù)據(jù)仍然為實(shí)數(shù)，因此可以與LTE保持比較好的兼容性，而且信道估計(jì)比較簡(jiǎn)單，與MIMO技術(shù)相結(jié)合比較容易。

FB-OFDM系統(tǒng)發(fā)射端原理如圖3.33所示。其中灰色框內(nèi)是多相濾波器模塊的操作，這個(gè)操作代替了LTE的加CP操作，其余模塊與LTE的完全相同。

多相濾波器的參數(shù)與選擇的波形函數(shù)有關(guān)。當(dāng)波形函數(shù)為矩形且符號(hào)間隔T1＝T0+CP（T0為子載波間隔的倒數(shù)，CP為循環(huán)前綴）時(shí)，多相濾波器模塊的操作就等價(jià)于LTE中的添加CP的操作，F(xiàn)B-OFDM方案就變回到LTE方案了。

在FB-OFDM系統(tǒng)側(cè)可以配置波形函數(shù)參數(shù)，不同的參數(shù)值對(duì)應(yīng)著不同的波形函數(shù)。根據(jù)不同場(chǎng)景的需求側(cè)重點(diǎn)，UE可以選擇合適的波形函數(shù)調(diào)制發(fā)射數(shù)據(jù)。比如，對(duì)于帶外泄漏抑制要求比較高的場(chǎng)景，可以選擇升余弦函數(shù)、IOTA函數(shù)等；對(duì)于數(shù)據(jù)解調(diào)性能要求比較高，但對(duì)帶外泄漏抑制要求不高且頻偏和時(shí)偏比較小的場(chǎng)景，可以選擇矩形函數(shù)回退到LTE。

符號(hào)間隔T1也可以作為FB-OFDM系統(tǒng)側(cè)參數(shù)，并在多相濾波器模塊中進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)信道條件非常好時(shí)，T1可以小于T0，實(shí)現(xiàn)超奈奎斯特傳輸，提高系統(tǒng)容量。當(dāng)信道條件差時(shí)，T1可以大于T0，使得FB-OFDM系統(tǒng)的符號(hào)間子載波間的數(shù)據(jù)接近正交、符號(hào)間隔T1也在多相濾波器模塊中實(shí)現(xiàn)。

不同的波形函數(shù)及其相應(yīng)的參數(shù)對(duì)帶外泄漏抑制以及數(shù)據(jù)解調(diào)性能的影響也不同。需要對(duì)波形函數(shù)進(jìn)行更多的研究，以挑選出一些更好的波形函數(shù)。

FB-OFDM系統(tǒng)接收端原理如圖3.34所示，其中灰色框內(nèi)是多相濾波器模塊的操作，這個(gè)操作代替了LTE的去CP操作，其余模塊與LTE的完全相同。

FB-OFDM的優(yōu)點(diǎn)為：帶外泄漏小；不同場(chǎng)景使用不同的波形函數(shù)，可以滿(mǎn)足不同場(chǎng)景的重點(diǎn)需求；異步性能好；與LTE技術(shù)兼容性好；發(fā)射和接收端實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低。FB-OFDM的缺點(diǎn)為：由于沒(méi)有CP，因而抗多徑時(shí)延信道能力略微降低。

4.通用濾波多載波（UFMC）

UFMC屬于子帶級(jí)濾波。在傳輸帶寬中，對(duì)每個(gè)RB的數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行IFFT，然后加濾波器濾波，該濾波器在時(shí)域上添加，屬于時(shí)域卷積操作，運(yùn)算量比較大。經(jīng)過(guò)濾波后的每個(gè)RB的數(shù)據(jù)再疊加合成一路數(shù)據(jù)。

UFMC不加CP，而是加保護(hù)間隔。在每個(gè)RB的時(shí)域數(shù)據(jù)上增加濾波器操作，會(huì)擴(kuò)展數(shù)據(jù)符號(hào)的時(shí)域長(zhǎng)度，為了避免相鄰符號(hào)間的數(shù)據(jù)重疊，符號(hào)間需要增加保護(hù)間隔。

與F-OFDM不同，UFMC使用沖擊響應(yīng)較短的濾波器，且放棄了OFDM中的循環(huán)前綴方案。UFMC采用子帶濾波，而非子載波濾波和全頻段濾波，因而具有更加靈活的特性。子帶濾波的濾波器長(zhǎng)度也更小，保護(hù)帶寬需求更小，具有比OFDM更高的效率。UFMC子載波間正交，非常適合接收端子載波失去正交性的情況。

由于放棄了CP的設(shè)計(jì)，可以利用額外的符號(hào)開(kāi)銷(xiāo)來(lái)設(shè)計(jì)子帶濾波器，而且這些子帶濾波器的長(zhǎng)度要短于FBMC系統(tǒng)的子載波級(jí)濾波器，這一特性更加適合短時(shí)突發(fā)業(yè)務(wù)；UFMC與交織多址（IDMA）相結(jié)合，使得UFMC系統(tǒng)具備了支持多層傳輸?shù)哪芰Γ籙FMC能夠極大地降低帶外輻射，與傳統(tǒng)OFDM相比，其帶外輻射要明顯低得多；UFMC還具有靈活的單載波支持能力，并且支持單載波和多載波的混合結(jié)構(gòu)。

UFMC的優(yōu)點(diǎn)為：以RB級(jí)為單位增加濾波器，這樣濾波器參數(shù)比較固定。UFMC的缺點(diǎn)為：由于濾波器長(zhǎng)度要小于等于保護(hù)間隔長(zhǎng)度，因而帶外泄漏抑制效果有限；每個(gè)RB都需要單獨(dú)IFFT和濾波操作，復(fù)雜度比較高。

5.濾波的正交頻分復(fù)用（F-OFDM）

F-OFDM也屬于子帶級(jí)濾波，與UFMC不同的是：以子帶為單位進(jìn)行濾波，子帶帶寬不固定；繼續(xù)加CP，不加保護(hù)間隔；濾波器長(zhǎng)度大于CP長(zhǎng)度，為半個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度。

由于濾波器長(zhǎng)度為半個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度，又沒(méi)有保護(hù)間隔，因此F-OFDM信號(hào)的符號(hào)間會(huì)存在數(shù)據(jù)重疊和干擾。如圖3.35所示，CP-OFDM信號(hào)的符號(hào)間是沒(méi)有數(shù)據(jù)重疊的，而FOFDM信號(hào)的符號(hào)間存在數(shù)據(jù)重疊。F-OFDM接收端在解調(diào)時(shí)，忽略這個(gè)符號(hào)間的重疊干擾。

F-OFDM能為不同業(yè)務(wù)提供不同的子載波帶寬和CP配置，以滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)的時(shí)頻資源需求，如圖3.36所示。通過(guò)優(yōu)化濾波器的設(shè)計(jì)，可以把不同帶寬子載波之間的保護(hù)頻帶最低做到一個(gè)子載波帶寬。F-OFDM使用了時(shí)域沖擊響應(yīng)較長(zhǎng)的濾波器，子帶內(nèi)部采用了與OFDM一致的信號(hào)處理方法，可以很好地兼容OFDM。同時(shí)根據(jù)不同的業(yè)務(wù)特征需求，靈活地配置子載波帶寬。

F-OFDM的優(yōu)點(diǎn)：由于濾波器長(zhǎng)度大于CP長(zhǎng)度，因而帶外泄漏抑制效果好于UFMC。F-OFDM的缺點(diǎn)為：子帶寬度的變化將導(dǎo)致濾波器參數(shù)發(fā)生變化；子帶寬度不能太窄，否則帶外泄漏抑制效果將降低，符號(hào)間干擾將增大；發(fā)射和接收端實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相對(duì)比較高。

6.廣義頻分復(fù)用（GFDM）

GFDM調(diào)制方案通過(guò)靈活的分塊結(jié)構(gòu)和子載波濾波以及一系列可配置參數(shù)，能夠滿(mǎn)足不同場(chǎng)景的需求，即通過(guò)不同的配置滿(mǎn)足不同的差錯(cuò)速率性能要求。GFDM可以對(duì)時(shí)間和頻率進(jìn)行更為細(xì)致的劃分。

GFDM接收機(jī)流程如圖3.37所示。

GFDM的關(guān)鍵特性是將時(shí)間頻率資源劃分為K個(gè)子載波和M個(gè)子符號(hào)，并允許根據(jù)需求來(lái)調(diào)整頻譜的使用。當(dāng)M＝1，A和B為傅里葉變換矩陣時(shí)，GFDM就會(huì)變成傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)。當(dāng)K＝1，脈沖整形函數(shù)為Dirichlet脈沖時(shí)，GFDM就變成了SC-FDM系統(tǒng)。

脈沖整形濾波器的選擇強(qiáng)烈影響著GFDM信號(hào)的頻譜特性和符號(hào)差錯(cuò)率。為了利用脈沖整形降低帶外輻射，如下兩種技術(shù)需要配合GFDM使用，不同的方法其帶外輻射抑制能力不同。

①插入保護(hù)符號(hào)（GS）：當(dāng)使用無(wú)符號(hào)間干擾的發(fā)送濾波器和長(zhǎng)度為rK（r＞0）的CP時(shí)，將第0個(gè)和第M-r個(gè)子符號(hào)設(shè)置為固定值（例如0）時(shí)，可以降低帶外輻射，此GFDM稱(chēng)之為GS-GFDM。

②聚攏塊邊界：由于插入CP會(huì)導(dǎo)致發(fā)送數(shù)據(jù)量的減少，通過(guò)在發(fā)送端乘以一個(gè)窗口函數(shù)可以提供一個(gè)平滑的帶外衰減，此GFDM稱(chēng)為W-GFDM。但是此方法也會(huì)導(dǎo)致噪聲的放大，可以通過(guò)均方根塊窗口進(jìn)行消除，需要發(fā)送端和接收端進(jìn)行匹配濾波處理。

3.3.2　超奈奎斯特技術(shù)（FTN）

超奈奎斯特技術(shù)，是通過(guò)將樣點(diǎn)符號(hào)間隔設(shè)置得比無(wú)符號(hào)間串?dāng)_的抽樣間隔小一些，在時(shí)域、頻域或者兩者的混合上使得傳輸調(diào)制覆蓋更加緊密，這樣相同時(shí)間內(nèi)可以傳輸更多的樣點(diǎn)，進(jìn)而提升頻譜效率。但是FTN人為引入了符號(hào)間串?dāng)_，所以對(duì)信道的時(shí)延擴(kuò)展和多普勒頻移更為敏感，F(xiàn)TN原理如圖3.38所示。接收機(jī)檢測(cè)需要將這些考慮在內(nèi)，可能會(huì)被限制在時(shí)延擴(kuò)展低的場(chǎng)景，或者低速移動(dòng)的場(chǎng)景中。同時(shí)FTN對(duì)于全覆蓋、高速移動(dòng)的支持不如OFDM技術(shù)，而且FTN接收機(jī)比較復(fù)雜。FTN是一種純粹的物理層技術(shù)。

FTN作為一種在不增加帶寬、不降低BER性能的條件下，理論上潛在可以提升一倍速率的技術(shù)，其主要的限制在于干擾，主要依賴(lài)于所使用的調(diào)制方式。隨著速率的提高，誤碼率也在提升。FTN的主要技術(shù)功能如下：

FTN能夠提升25%的速率；

采用多載波調(diào)制時(shí)吞吐量增益更高。

FTN在5G中的應(yīng)用，還須確定如下一些關(guān)鍵問(wèn)題。如不能解決這些問(wèn)題，F(xiàn)TN就只能在低速、低干擾的場(chǎng)景下應(yīng)用。

移動(dòng)性和時(shí)延擴(kuò)展對(duì)FTN的影響；

與傳統(tǒng)的MCS的比較；

與MIMO技術(shù)的結(jié)合；

在多載波中應(yīng)用的峰均比的問(wèn)題。

FTN可能會(huì)作為OFDM/OQAM等調(diào)制方式的補(bǔ)充，基于不同的信道條件可選擇開(kāi)啟或者關(guān)閉。OFDM/OQAM/FTN發(fā)送鏈路如圖3.39所示。在此方案中，F(xiàn)TN合并到OFDM/OQAM調(diào)制方案中。接收端使用MMSE IC-LE方案迭代抑制FTN和信道帶來(lái)的干擾。干擾消除分為兩步，一是ICI消除，二是ISI消除。

圖3.40所示為SISOMMSE IC-LE內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中ICI使用反饋進(jìn)行預(yù)測(cè)然后分別消除。