［王瓊 尹志杰 王勝］

新一代無線通信系統(tǒng)中的F-OFDM技術(shù)研究

［王瓊 尹志杰 王勝］

F-OFDM是一種可變子載波帶寬的自適應(yīng)空口波形調(diào)制技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)空口物理層切片后向兼容LTE 4G系統(tǒng)、又能滿足未來5G發(fā)展的需求。它將OFDM載波帶寬劃分成多個(gè)不同參數(shù)的子帶，它可根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景來動(dòng)態(tài)地選擇和配置波形參數(shù)。F-OFDM采用子帶濾波器來實(shí)現(xiàn)子帶的劃分,濾波器設(shè)計(jì)過程中的窗函數(shù)選擇尤為重要。

F-OFDM OFDM 子帶濾波器 窗函數(shù)

王瓊

碩士生導(dǎo)師，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，教授級(jí)正高工，主要研究方向：移動(dòng)通信。

尹志杰

王勝

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向：移動(dòng)通信。

引言

隨著4G技術(shù)成熟并廣泛商用，移動(dòng)通信開始向5G的發(fā)展階段進(jìn)行邁進(jìn)。5G發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，5G將在現(xiàn)有4G系統(tǒng)能力的基礎(chǔ)上大幅度提升性能，滿足人們對高速率、超高數(shù)據(jù)容量、海量連接數(shù)量、節(jié)能通信、極致用戶體驗(yàn)的無線接入要求[1]。為滿足5G需求，需要從無線空口技術(shù)、無線組網(wǎng)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等方面實(shí)現(xiàn)革命性創(chuàng)新，其中無線空口技術(shù)[2]是當(dāng)前5G研究的重要領(lǐng)域。

波形是無線通信物理層最基礎(chǔ)的技術(shù)[3]。CP-OFDM以其傳輸效率高、實(shí)現(xiàn)簡單、易與MIMO結(jié)合等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛用于4G LTE、Wifi等無線通信系統(tǒng)中[4]。但是CP-OFDM技術(shù)只是為了移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的，無法滿足新一代無線通信系統(tǒng)中豐富的業(yè)務(wù)場景的需求，尤其是無法滿足物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)這兩種業(yè)務(wù)所需要的更低的時(shí)延、更大的連接數(shù)的要求。因此5G空口波形技術(shù)需克服CP-OFDM系統(tǒng)在整個(gè)帶寬只支持一種波形參數(shù)、帶外泄露高、同步要求嚴(yán)格等缺點(diǎn)，且能夠根據(jù)具體的業(yè)務(wù)場景來動(dòng)態(tài)地選擇和配置波形參數(shù)[5]。

1 F-OFDM技術(shù)簡介

針對5G系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)，華為在2015年的世界移動(dòng)通信大會(huì)上提出F-OFDM（Filtered-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）可變子載波帶寬的非正交接入技術(shù)[6]。F-OFDM是一種可變子載波帶寬的自適應(yīng)空口波形調(diào)制技術(shù),是基于OFDM的改進(jìn)方案。F-OFDM能夠?qū)崿F(xiàn)空口物理層切片后向兼容LTE 4G系統(tǒng)、又能滿足未來5G發(fā)展的需求。F-OFDM技術(shù)的基本思想是：將OFDM載波帶寬劃分成多個(gè)不同參數(shù)的子帶，并對子帶進(jìn)行濾波，而在子帶間盡量留出較少的隔離頻帶。比如，為了實(shí)現(xiàn)低功耗大覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，可在選定的子帶中采用單載波波形；為了實(shí)現(xiàn)較低的空口時(shí)延，可以采用更小的傳輸時(shí)隙長度；為了對抗多徑信道，可以采用更小的子載波間隔和更長的循環(huán)前綴。

圖1 OFDM和F-OFDM的收發(fā)機(jī)

F-OFDM技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[7]：支持在不同的子帶上配置不同的子載波間隔，從而更好的支撐不同的業(yè)務(wù)；支持在不同的子帶上配置不同的CP長度，從而更好的適配信道；支持在不同的子帶上進(jìn)行異步信號(hào)的傳輸，從而節(jié)省TA調(diào)整的信令開銷；具有更好的帶外抑制特性，從而節(jié)省保護(hù)帶的開銷，提高頻譜效率。

2 F-OFDM收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)

F-OFDM收發(fā)機(jī)的濾波操作是疊加在現(xiàn)有OFDM技術(shù)基礎(chǔ)之上[8]。OFDM和F-OFDM的收發(fā)機(jī)示意圖如圖1。

OFDM的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)基本過程如下。首先，LTE中所有用戶的數(shù)據(jù)選用15KHz作為子載波間隔進(jìn)行子載波映射。其次，為了把信號(hào)從頻域變換到時(shí)域，對信號(hào)進(jìn)行FFT size 為2048的IFFT變換。再次，對信號(hào)進(jìn)行加循環(huán)前綴（CP，Cyclic Prefix）操作。接著使用寬帶濾波器來限制信號(hào)的整體帶外泄露。接收機(jī)的信號(hào)處理過程是發(fā)射機(jī)的逆過程，首先進(jìn)行去CP的操作，然后進(jìn)行FFT size為2048的FFT變換，最后進(jìn)行子帶數(shù)據(jù)檢測（即解調(diào)和譯碼）。

對于F-OFDM的整機(jī)結(jié)構(gòu)，信號(hào)首先被分為若干個(gè)子帶，每個(gè)子帶的整體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與OFDM基本一致。需注意，由于子帶映射過程中子載波間隔不同，同時(shí)得保證IFFT變換之后的信號(hào)采樣率保持一致，因此在IFFT變換時(shí)所需要的FFT size得進(jìn)行合理的選擇。F-OFDM的接收機(jī)同樣是發(fā)射機(jī)的逆過程。在經(jīng)過子帶級(jí)的濾波之后，各個(gè)子帶的數(shù)據(jù)被分離開，經(jīng)過分離之后的每個(gè)子帶的接收機(jī)處理過程和OFDM接收機(jī)的處理過程是一樣的。

3 濾波器的設(shè)計(jì)

F-OFDM技術(shù)的核心問題在于濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。F-OFDM采用子帶濾波器來實(shí)現(xiàn)子帶的劃分，設(shè)計(jì)的子帶濾波器需達(dá)到以下性能要求：實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，帶內(nèi)近似平坦且?guī)舛附?，能夠在比較小的保護(hù)帶的前提下更好的支持信號(hào)傳輸，尤其是支持高階調(diào)制和高碼率信號(hào)的傳輸。濾波器設(shè)計(jì)過程中，窗函數(shù)的選擇、濾波器系數(shù)的計(jì)算、濾波方式的選取尤為重要。

3.1 窗函數(shù)的選擇

濾波器的設(shè)計(jì)方法采用傳統(tǒng)的窗函數(shù)法，即對時(shí)域sinc函數(shù)加不同的窗函數(shù)，來獲得濾波器的時(shí)域響應(yīng)[9]，可以理解為，時(shí)域窗函數(shù)的軟截?cái)嗵幚硐喈?dāng)于頻域的有限長的循環(huán)卷積處理。即，，其中，窗函數(shù)的選擇需要在時(shí)頻局域化，以及通帶內(nèi)的平坦度之間進(jìn)行折中。

設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時(shí),窗函數(shù)不僅可以影響過渡帶寬度，還能影響肩峰和波動(dòng)的大小。因此,選擇窗函數(shù)應(yīng)使其頻譜盡量滿足以下兩個(gè)要求：主瓣寬度盡量小，過渡帶盡量陡；為了使能量盡量集中在主瓣內(nèi)，得使肩峰和波動(dòng)減小，同時(shí)旁瓣相對于主瓣越小越好。常見的窗函數(shù)如表1。

表1 常見窗函數(shù)

圖2給出了表1中三種常見窗函數(shù)頻譜特性曲線，在濾波器設(shè)計(jì)過程中，濾波器階數(shù)設(shè)置為512，采樣頻率為30.72MHz，截止頻率設(shè)置為360KHz。當(dāng)為Kaiser窗函數(shù)時(shí)，β值設(shè)置為4。通過對比可以看到給出的三種窗函數(shù)過渡帶的陡峭程度差不多，但是Hanning窗對旁瓣的衰減抑制作用明顯要比Kaiser窗和RRC窗有優(yōu)勢，故本文選擇Hanning窗來設(shè)計(jì)濾波器。

圖2 窗函數(shù)頻譜特性曲線

3.2 濾波器系數(shù)

基帶濾波器的中心頻率是0，需要根據(jù)兩個(gè)子帶的位置對濾波器系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的頻率搬移。假設(shè)子帶1的子載波數(shù)量為M1，子帶1的保護(hù)子載波數(shù)量為N1，子帶2的子載波數(shù)量為M2，子帶2 的保護(hù)子載波數(shù)量為N2。則，

假設(shè)基帶低通濾波器的系數(shù)為h=(h0,h1,???,hT?1),T為濾波器的長度。則，

3.3 頻域?yàn)V波

4 結(jié)束語

F-OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，即可以將整個(gè)頻段按照未來不同種類的業(yè)務(wù)精細(xì)分割，對空口實(shí)現(xiàn)靈活切片，更好的支持不同業(yè)務(wù)對帶寬時(shí)延、可靠性的要求，同時(shí)帶來頻譜資源利用率提升。但對于發(fā)射機(jī),如何將OFDM載波帶寬劃分成多個(gè)不同參數(shù)的子帶，并對子帶進(jìn)行濾波，且在子帶間盡量留出較少的隔離頻帶，是整個(gè)系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題之一。在接收端，如何針對不同的業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)出高性能、帶寬可調(diào)的濾波器將是提升F-OFDM實(shí)用價(jià)值的關(guān)鍵。

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，男，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向：移動(dòng)通信。

（2016-07-06）（

2016-10-22）