李新

【摘 要】在未來的5G時代，由于ITU IMT-2020定義了更加豐富的關(guān)鍵能力和評估場景，因此在設(shè)計調(diào)整編碼方案時，一些新的技術(shù)方案應(yīng)該被考慮作為候選方案來進(jìn)行研究和評估。對于干擾限制場景，最有前途的技術(shù)之一是頻率正交幅度調(diào)制（FQAM），這是因為 FQAM可提高小區(qū)邊緣的用戶吞吐量，而在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)邊緣用戶受干擾限制，僅能使用一些可用頻率的子載波。

【關(guān)鍵詞】5G；FQAM；OFDM

1 5G簡介

日益增長的數(shù)據(jù)流量以及智能終端的普及，導(dǎo)致4G在容量、速率、頻譜等方面已經(jīng)不能滿足人們對網(wǎng)絡(luò)的需求，基于此，第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）應(yīng)運而生。

5G是面向2020 年以后移動通信需求而發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng)。根據(jù)移動通信的發(fā)展規(guī)律，5G 將具有超高的頻譜利用率和能效，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G 移動通信提高一個量級或更高，其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統(tǒng)安全和用戶體驗也將得到顯著的提高。5G 移動通信將與其他無線移動通信技術(shù)密切結(jié)合，構(gòu)成新一代無所不在的移動信息網(wǎng)絡(luò)，滿足未來10 年移動互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000 倍的發(fā)展需求。因此，需要我們開展研究，明確5G的業(yè)務(wù)和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，為5G技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)設(shè)計指引方向。

整個行業(yè)和學(xué)術(shù)界經(jīng)過多年的討論，第五代（5G）蜂窩網(wǎng)絡(luò)的要求和期望已經(jīng)明確表示。對于5G新引進(jìn)的用戶體驗速率，在現(xiàn)有系統(tǒng)里類似為小區(qū)邊緣速率。ITU IMT-2020定義了用戶體驗速率在未來需要達(dá)到100Mbits/s，這比4G系統(tǒng)高出近10倍，這將會成為一個非常大的挑戰(zhàn)。因為在基于OFDM技術(shù)的蜂窩小區(qū)邊緣（例如LTE小區(qū)），小區(qū)間干擾（ICI）帶來的問題非常嚴(yán)重，而這一干擾的分布取決于干擾信號的調(diào)制方式。例如，對于QAM調(diào)制方式，在所有子載波都被占用的時候，小區(qū)間干擾接近高斯分布。所以為了緩解ICI從而調(diào)高用戶體驗速率，引入新的調(diào)制編碼方案將變得十分有必要。FQAM作為相關(guān)的潛在候選方案之一，就是希望能夠主動地改造小區(qū)間干擾，使得這一分布非高斯化，進(jìn)而提高信道容量。小區(qū)間干擾的統(tǒng)計特性能夠通過改變干擾用戶的調(diào)制方式加以改造。如果干擾用戶使用這種結(jié)合FSK和QAM特性的FQAM調(diào)制方式，將會得到統(tǒng)計分布非高斯化的小區(qū)間干擾，從而提升小區(qū)邊緣的性能。

2 FQAM原理

FQAM是頻移鍵控（FSK）和正交幅度調(diào)制（QAM）的組合，對于M進(jìn)制FQAM，M=MFMQ，每個（MF，MQ）-FQAM符號通過在MQ個QAM符號中選擇一個QAM符號來攜帶log2MQ比特，在MF個頻率中選擇一個頻率來攜帶log2MF比特。因此，任何（MF，MQ）-FQAM符號可以表示為一個長度為log2M的二進(jìn)制向量，其中l(wèi)og2MF位對應(yīng)于MF階FSK調(diào)制中的一個頻率，最后的log2MQ位確定MQ階QAM中的一個符號，所以，M階 FQAM中所選擇的QAM符號通過選定的頻率發(fā)送。

表1 （4，4）-FQAM的二進(jìn)制代碼

以16進(jìn)制FQAM為例，表1中列出了（4，4）-FQAM的二進(jìn)制代碼，其中，四進(jìn)制QAM（即四進(jìn)制PSK（QPSK）調(diào)制）符號）是按照格雷碼映射規(guī)則表示。 以以上二進(jìn)制代碼表示為基礎(chǔ)，圖1表示了（4，4）-FQAM信號星座的例子，即由4-QAM和4-FSK調(diào)制組合的16-FQAM方案。圖1A至圖1C表示了一個FQAM方案的概念。參考圖1A至1C，在圖1A所示的4-QAM方案中，可以通過在正交坐標(biāo)系中具有4個星座點來生成具有不同相位的4個復(fù)數(shù)符號。在圖1B所示的4-FSK調(diào)制方案中，可以通過使用4個頻率值來生成具有不同頻率值的4個復(fù)符號。在16-FQAM方案中，組合了4-QAM方案和4-FSK調(diào)制方案，如圖1C所示。因為FQAM符號具有4個不同的頻率值，并且同時具有4個相位值，所以可以產(chǎn)生總共16個符號。

如上所述，不管QAM符號和頻率映射關(guān)系如何，僅由QAM方案可以表示的比特流的數(shù)量通過使用的頻率數(shù)達(dá)到了擴(kuò)展。也就是說，只能通過FSK調(diào)制方式表示的比特流的數(shù)量通過使用每個FSK符號的相位和大小的QAM符號的數(shù)量達(dá)到了擴(kuò)展?？傊總€FQAM符號通過各自的相位和大小的組合及每個FQAM符號所映射的頻率上的位置來識別，進(jìn)行區(qū)分。

3 FQAM-OFDM系統(tǒng)

正交頻分多址（OFDMA）將是下一代無線網(wǎng)絡(luò)的主要多址接入方案，因為兩種接受的5G標(biāo)準(zhǔn)（長期演進(jìn) - 高級和802.16m）均采用OFDMA作為多址接入技術(shù)。OFDMA的特點是其簡單性和高頻譜效率，OFDMA系統(tǒng)多用戶多樣性不僅可以用于增加網(wǎng)絡(luò)容量，還可以降低能耗，當(dāng)向相應(yīng)的用戶分配“好”信道時，傳輸功率可以大大降低。將M階FQAM技術(shù)應(yīng)用到OFDMA網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路中，可以實現(xiàn)高帶寬效率，并使ICI加性噪聲非高斯，如圖2所示。

圖3是一個在無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用FQAM時配置信號的示例，給出了當(dāng)FQAM方案應(yīng)用于正交頻分復(fù)用/正交頻分復(fù)用高級（OFDM / OFDMA）方案的無線通信系統(tǒng)時的一些幀，是應(yīng)用圖1C所示的16-FQAM方案的示例。在圖3中，橫軸表示時間，縱軸表示頻率。 時間軸上的分類單位是符號，頻率軸上的分類單位是副載波，包括一個符號和一個子載波的單元就是一個頻點。

如圖3所示，一個FQAM塊包括占用一個符號和4個子載波的4個頻率。 雖然在圖3中，包括在一個FQAM塊中的子載波被示出為相鄰的，但實際中并不限于此。此外，包括在一個FQAM塊中的子載波可能不會是連續(xù)的。以第一塊201為例，任何符號未被映射到4個符號中的第一音頻，第二音頻和第四音頻，而是被映射到第三音頻，映射到此音頻的符號具有“1 + j”相位值。也就是說，F(xiàn)QAM符號通過符號本身所映射的音頻的頻率軸上的位置和符號本身的相位值的表示4比特的信息。

FQAM調(diào)制度可以通過QAM調(diào)制度和FSK調(diào)制度的組合來表示。當(dāng)FQAM調(diào)制度給定時，可以根據(jù)信道質(zhì)量來確定QAM調(diào)制度和FSK調(diào)制度之間的比率。例如，當(dāng)通道相對較差時，優(yōu)選地增加FSK調(diào)制度。另一方面，當(dāng)通道相對較好時，優(yōu)選增加QAM調(diào)制度。因此，支持FQAM方案的發(fā)送端和接收端可以根據(jù)信道質(zhì)量來確定QAM調(diào)制度和FSK調(diào)制度。 例如，當(dāng)發(fā)送端或接收端是基站時，基站可以確定QAM調(diào)制度和FSK調(diào)制度，并將所確定的調(diào)制度數(shù)或調(diào)制度數(shù)的組合通知給移動臺。在這種情況下，可以通過地圖消息通知調(diào)制度數(shù)或調(diào)制度數(shù)的組合。為此，發(fā)送端和接收端中的至少一個可以存儲定義與信道質(zhì)量相對應(yīng)的QAM調(diào)制度和FSK調(diào)制度組合的表。

圖4給出了FQAM發(fā)射機的框圖?？梢钥闯?，m個信息位分割成g組，OFDM的N個子載波塊被分成每個MF子載波的g個子塊（g=N/ MF）。 每組的第一個log2MF位用于選擇可攜帶的MF的子載波MQ-ary信號星座的符號映射組的下一個log2MQ位。 因此，每個子塊發(fā)送log2MF+log2MQ位，發(fā)射機的其他部分與傳統(tǒng)OFDM相同。

4 結(jié)論

在3G、4G時代，Turbo碼和正交振幅調(diào)制已經(jīng)使得在單天線情況下可以逼近香農(nóng)極限，但還是有足夠的研究空間去推進(jìn)一些更加優(yōu)秀的調(diào)制編碼方案應(yīng)用5G蜂窩系統(tǒng)里。

FQAM是基于OFDM的系統(tǒng)的FSK和QAM邊緣的組合，對于像LTE這樣受到ICI嚴(yán)重影響的系統(tǒng)，其噪聲分布取決于干擾信號的調(diào)制方案（在QAM情況下接近高斯，特別是當(dāng)子載波完全使用），F(xiàn)QAM設(shè)計的關(guān)鍵點是主動干擾設(shè)計，使得ICI分布非高斯，具有提高信道容量的潛力。

通過對3GPP LTE下行鏈路進(jìn)行系統(tǒng)級仿真建模，仿真結(jié)果表明，誤幀率為1%時，在小區(qū)邊緣的用戶的傳輸速率可以提高約為3倍，小區(qū)邊緣吞吐量明顯增加。除了計算機模擬評估之外，性能也通過硬件實現(xiàn)測試臺進(jìn)行評估，并觀察到類似的性能增益。因此FQAM可以被認(rèn)為是5G的小區(qū)邊緣性能改進(jìn)的候選技術(shù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]J. G. Andrews， S. Buzzi， W. Choi， S. V. Hanly， A. Lozano， A. C. K. Soong， and J. C. Zhang， “What will 5G be？” IEEE J. Select. Areas Commun.， vol. 32， no. 6， pp. 1065–1082， Jun. 2014.

[2]W. H. Chin， F. Zhong， and R. Haines， “Emerging technologies and research challenges for 5G wireless networks，” IEEE Wireless Commun.，vol. 21， no. 2， pp. 106–112， Apr. 2014.

[3]Latif A， Gohar N D. A hybrid MQAM-LFSK OFDM transceiver with low PAPR. In： Proc 2nd IEEE Int Conf on Wireless Communications， Networking and Mobile Computing（WiCom06）， Wuhan， China， 2006. 1–4

[4]Sungnam Hong et al.， “A Modulation Technique for Active Interference Design under Down link Cellular OFDMA Networks，” in Proc. IEEE WCNC14， pp.683-688， Apr. 2014.

[5]Sungnam Hong et al.， “Frequency and Quadra ture-Amplitude Modulation for Downlink Cellular OFDMA Networks，” IEEE Journal on Selected Areas in Communication， vol. 32， no. 6， pp.1256- 1267， Jun. 2014.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]