基于UF-OFDM的5G空口设计

张应余 上海贝尔股份有限公司战略部技术战略经理陈晔健 阿尔卡特朗讯贝尔实验室研究科学家

基于UF-OFDM的5G空口设计

张应余 上海贝尔股份有限公司战略部技术战略经理
陈晔健 阿尔卡特朗讯贝尔实验室研究科学家

为了应对5G时代业务的多样性，应对多点协作技术CoMP（Coordinated Multi-Point）以及碎片化频谱的利用等众多场景需求，本文提出了一个可以将所有业务类型集成于一个统一帧结构的空口技术UF-OFDM（Universal Filtered OFDM），该空口技术体现出出色的灵活性与弹性。通过该技术，可以根据业务类型比例分配相应的频谱资源。与针对不同业务分配相应载波相比，该技术将为实现一个高效统一的5G系统提供可能。

通用滤波正交频分复用 通用滤波多载波 多点协作 开环同步

1 引言

在未来几年的时间里，移动宽带与物联网IoT （Internet of Things）的爆炸式增长以及其对移动网络带来的新要求将使4G LTE及其网络演进都难以应对。用户数、设备数以及设备类型都将比以往任何时候多，设备连接密度急速扩张，物联网的高密度连接也会给网络带来极大的信令负担。同时，新的服务和应用带来更加多样化的业务需求。这些都将产生对于未来网络的需求。“网络2020”是上海贝尔对处于IT/CT融合大环境下的未来5G网络的思考，而空口设计则是“网络2020”的一个重要组成。本文将围绕5G空口设计这一业界热点议题阐述其应用场景、基本构成以及UF-OFDM（或者 UFMC，Universal Filtered Multi-Carrier）这一空口技术等。

2 需求

未来5G网络中的移动连接也越来越多地由机器发起，范围从低级别的机器，如传感器和计量器，到高端的物联网设备。根据IDC的预测，物联网设备安装使用量将从2013年的91亿攀升到2020年的281亿。更多的设备，更多的设备类型，更多的连接数以及更多的移动应用，所带来的直接结果就是多样化的数据通信业务。现有LTE网络设计的初衷主要是服务智能手机和提高用户的无线互联网体验，在对小包流量为通信特征的未来巨量的物联网业务来说，LTE网络将会由于其面向连接的通信方式所产生的信令开销而不堪重负，其单一的空口设计也难以满足多样化的通信业务需求。另外，现有LTE网络要求终端保持一致的时频同步来实现用户之间的资源正交性，这就带来了为保持同步所必需的信令开销和功率消耗。从终端的角度来说，现有LTE的设计也难以满足物联网终端低功耗、高能效的需求。

其次，为了改善小区边缘用户的链路质量，多点协作技术CoMP被引入到现有LTE网络中，但实际情况是现有LTE系统是一个同步网络，OFDM信号对时偏与频偏的敏感性使得CoMP技术并没有带来很大增益。尤其是在下行链路中的联合处理（Joint Processing）和上行链路联合接收这两种CoMP形式上，这种多点协作机制本质上很难保证单个终端同时与多个站点保持同步关系。因此，这客观上产生了空口异步性需求。

再次，随着无线频谱变得越来越拥挤，碎片化频谱的有效利用构成了对未来5G网络的需求。对于OFDM技术来说，矩形窗口所产生的旁瓣泄漏较大，在动态利用碎片频谱资源时易形成对其他用户的明显干扰。因此，设计一个具有频域能量约束特征的调制技术是实现高效利用碎片频谱的前提条件。

所有这些都促使着一个有别于现有空口技术，能够满足未来5G网络需求的空口技术的诞生。

3 未来空口的要求

从前面的分析可以看到，未来5G所支持业务的要求具有很大的多样性和跨度。从高速率的视频监控业务到极低速率的温度监测业务，从虚拟现实类低时延业务到时延不敏感类业务，从远程控制类业务到时间或者时间触发类业务，从高端带有供电视频监控终端到低端的电池供电的终端。因此，与之前移动通信相比，5G的空口技术要求有很高的灵活性。

另外，未来5G的空口需要有一定的弹性。在现实通信场景中，用户类型、业务类型构成比例、用户数以及业务量是随地域和时间变化的，这就要求未来网络的空口技术动态适应这种变化以实现频谱资源的合理分配与有效利用。简单地以静态方式将人人通信，物物通信分别部署于不同载波上将会导致频谱资源的巨大浪费。

4 5G空口的关键构成

●灵活弹性的帧结构

为了设计一个灵活而富有弹性的帧结构，根据空口特征，将5G所承载的通信业务类型分为4类，并用一个统一的帧结构实现这4类业务的传输（见图1）。在实际部署中可以根据业务类型构成比例动态调整各类业务所占用的频谱资源。类型I是调度类接入，这类业务主要是移动宽带用户所发起，需要严格的同步协调；类型II也是调度类接入，这类业务也主要是移动宽带用户所发起，但这些用户位于小区边缘，或者位于小小区中且遭受比较大的小区间干扰，需要借助于CoMP等技术来增强其链路性能；类型III是非调度类接入，这类业务需要较低的时延，因此此类业务主要采取的是竞争式的接入；类型IV也是非调度接入，此类业务也采用竞争式的接入，与类型III的区别是这类业务对时延敏感度较低。在上行链路中，类型II、III、IV可以采用基于下行导频测量的开环同步的方式。

●开环同步与自主定时调整

在现有LTE系统中，用户与基站通信的首要前提就是通过随机接入过程，实现与基站进行同步。系统通过时间调整闭环控制回路控制各终端的上行发射时间，实现各用户上行信号在基站的时间同步。这种同步的取得是以闭环调整的开销为代价的。在CoMP场景下，单一用户很难同时与多个站点保持时间和频率上的同步。

在未来的5G通信系统中，将存在大量的M2M （Machine-to-Machine）类型通信。如继续采用LTE类似同步建立机制，将产生大量的开销；完全异步的通信方式也并非是一个高效的解决方法。事实上，终端完全可以利用一些已有时间信息来进行时间调整，规避两种极端方案的缺点，实现某种程度的折中。选择适当的空口技术并引入适当的同步机制来降低闭环回路的控制开销。开环同步技术就是终端充分利用侦听所获取的信息来进行上行发送定时的调整，减少对闭环同步机制的依赖。这种同步方式可认为是终端的自主定时调整ATA（AutonomousTimingAdvance），与现有技术类似，其依然需要终端与下行同步信号同步，在此基础上利用已有信息进行上行时间的调整。依据已有信息的差异，ATA可以有两种类型。

图1 统一的帧结构

一种方式是，用户可以通过多种方式估计传播时延，并根据传播时延设定相应的定时提前。估计传播时延的方式可以有多种，如利用GPS数据或者路损估计等。由于这种传播时延估计是由每个用户来实现，理想情况下用户的上行信号在基站侧将会获得理想同步；然而，实际估计存在一定的误差，这导致用户的上行信号在基站侧的接收定时位于理想同步的附近。

另外一种方式与用户估计方式不同，同一小区内的所有用户可以使用相同的传播时延取值，例如该传播时延取值对应于小区的覆盖范围。相应的，所有用户使用相同的定时提前。举例来说，基站覆盖范围所对应的最大传播时延大小为NOL,max，那么所有用户的定时提前可取NOL,max/2，由此，同一小区内各用户在基站侧的定时为[-NOL, max/2,NOL,max/2]。基站可以通过多种方式将上述NOL,max取值通知用户，如系统广播方式。

由于开环同步不能完全实现定时对齐，对于OFDM这种调制方式来说残留时间误差必然导致一定程度的符号间干扰、子载波间干扰，客观上就需要采用有别于OFDM的空口技术。

●波形比较

就实现未来5G网络所需的灵活、弹性的空口而言，OFDM多载波技术是一个非常优秀的技术，它不仅有利于采用统一的帧结构形式，而且具有相对简单的均衡解调方法。峰均比PAPR（Peak-to-AveragePower Ratio）是其一个比较明显的缺点，但也有类似于DFT预编码之类的方法来改善信号的PAPR。所以，在时频同步的情况下，OFDM是一个非常有吸引力的技术。

但是，未来5G网络除了面对更高需求的移动宽带业务，还将面对需求纷繁多样的物联网业务。从前文可以看到放松同步性的要求是5G空口的一个重要特征，类似于ATA的技术可以替代现有闭环同步方法，使得低端终端的成本可以进一步降低，同时降低了一些同步的开销。但是，对OFDM信号来说，放松同步性的结果就是符号间以及子载波之间干扰的增加，这将降低系统性能。因此，有必要考虑一种有别于OFDM的多载波波形调制方法。

FBMC（Filter-Bank based Multi-Carrier）就是一种能显著降低旁瓣功率水平，尤其适用于碎片化频谱利用和异步通信的技术。其代价是利用时域为多个符号长度的滤波器对每一子载波逐一滤波，对于小包数据为特征的物联网通信而言，这将大大增加系统开销。此外，针对OFDM信号所广泛采用的MIMO技术难以得到移植。这也是为什么提出UF-OFDM（或者UFMC）这一新的信号调制方法的原因之一。表1简单地将OFDM、UF-OFDM、FBMC做了对比，下面将详细介绍UF-OFDM技术。

表1 OFDM、UF-OFDM、FBMC技术的比较

5 UF-OFDM的主要介绍

●发射机

在FBMC技术中，滤波器所处理的对象是单个子载波；与此不同的是，UF-OFDM滤波器的处理对象为一组子载波，如一个LTE资源块RB（Resource Block），即 12个子载波。下面具体解释一下UF-OFDM的发射机。

图2给出了UF-OFDM发射机的示例图。其中，用户k所使用资源数量为B个子带，每个子带所携带的符号位为Si,k，i=1,2,…B，滤波器的长度为L，每个子带的符号首先经过IDFT调制变换到时域，即信号向量Vi,kSi,k，这里的Vi,k是IDFT变换矩阵V的一部分列向量所组成矩阵，即所有子带的变换矩阵列向量构成完整的IDFT变换矩阵。之后，再将时域信号通过滤波器进行线性滤波操作，即Fi,kVi,kSi,k，这里，Fi,k是常对角矩阵（Toeplitz矩阵），其每一列由相应子带位置的FIR滤波器系数循环移位获得。由此，用户k在单个发射天线的发射信号可以表示为：

或者，上述表达方式可改写为矩阵形式，即：

其中，

图2 UF-OFDM发射和接收原理示意图

表2总结了UF-OFDM发射机的主要参数。图3以一个LTE资源块为例给出了OFDM与UF-OFDM之间频域的对比，子带的宽度为12个子载波。可见，在对12个子载波进行滤波之后，带外旁瓣得到极大的抑制。图4以6个LTE资源块为例给出了UF-OFDM信号的频谱图，子带的宽度为12个子载波。由上面的发射机可以看到，每个UF-OFDM符号都包括由滤波器滤波所导致的拖尾部分，通过设定恰当的滤波器长度，这部分拖尾能够实现避免ISI的功能。在这里，需要说明的是，不同子带的子载波数目不一定相同，即ni的取值可以随i的变化而变化；不同子带的子载波间隔、滤波器长度也可以不同。

表2 UF-OFDM的主要参数

●接收机

首先考虑一下时域的检测算法。由发射信号的解析表达接收信号可以表示为：

其中，H具有常对角矩阵（Toeplitz矩阵）结构，y为信号经过信道后所获得的接收信号向量，n为加性噪声。定义，由此，基于匹配滤波的检测算法可以为：

基于迫零ZF（ZeroForcing）的检测算法为：

此外，还可以有其他的检测算法如最小均方差MMSE（MinmumMean SquareError）算法等。

从计算复杂度的角度考虑，可以采用FFT转换到频域进行符号检测，同样还是参照图1给出的接收机示例图，通过对接收信号添零的方式构造长度为2N的符号向量，即：

图3 OFDM与UF-OFDM频域特征对比

图4 6LTERBUF-OFDM信号频谱图

●多址技术

如前所述，越来越多的业务要求未来的空口技术能够放松对于同步性的要求。通过利用用户之间码道正交性，CDMA可以有效地抵抗干扰。但是，即便是轻微异步也会导致产生严重的用户间干扰。作为一种补偿方法，IDMA（InterleavedDivisionMultipleAccess）起初是用来实现用户异步的情况下保持系统的性能的一种手段。近一段时间以来，IDMA在多载波中的应用越来越引起人们的注意。在参考文献8的评估中，与CP-OFDM或者UF-OFDM结合，IDMA被作为一种多址方案与FDMA进行了比较。可以看到，IDMA配合UF-OFDM组合的性能总是优于 IDMA配合CP-OFDM。在低信噪比低码率时，IDMA尤其有效。在高信噪比高阶调制或者高码率情况下，UF-OFDM体现出比CP-OFDM更强的鲁棒性。

6 结束语

为了应对5G时代业务的多样性，本文提出了一个可以把所有业务类型集成于一个统一帧结构的空口技术UF-OFDM。通过该技术，可以根据业务类型的比例分配相应的频谱资源。与针对不同业务分配相应载波相比，该技术将为实现一个高效统一的5G系统提供可能。

1 Wunder,G.;Jung,P.;Kasparick,M.;Wild,T.;Schaich,F.; Chen,Y.;Brink,S.T.et.al.5GNOW:Non-orthogonal,Asynchronous Waveforms for Future Mobile Applications.Communications Magazine.2,2014

2 Wunder,G.;Kasparick,M.;Ten Brink, S.;Schaich,F.;Wild,T.;Gaspar,I.; Ohlmer,E.;Krone,S.;Michailow,N.; Navarro,A.;Fettweis,G.;Ktenas,D.; Berg,V.;Dryjanski,M.;Peitrzyk,S.; Eged,B.5GNOW:Challenging the LTE Design Paradigms of Orthogonality and Synchronicity.Mobile and Wireless Commun.Syst.for 2020 and Beyond,Workshop@77th IEEE Veh.Technol. Conf.Spring(VTC’13 Spring),6,2013

3 Roberts,Lawrence G.ALOHA Packet System With and Without Slots and Capture.ACM SIGCOMM Computer Communication Review.vol.5,issue 2,pp.2842,4,1975

4 Schaich,F.;Wild,T.Relaxed Synchronization Support of Universal Filtered Multi-Carrier Including Autonomous TimingAdvance.IEEE ISWCS14,Barcelona,8,2014

5 Farhang-Boroujeny,B.OFDM Versus Filter Bank Multicarrier.IEEE Signal Process.Mag.,Vol.28,pp.92–112,5, 2011Schaich,F.;Wild,T.;Chen,Y.Waveform Contenders for5G-suitability for Short Packet and Low Latency Transmissions.In Proceedings of IEEE Veh.Technol.Conf. Spring(VTC’14 Spring),5,2014

6 Schaich,F.;Wild,T.;Chen,Y.Waveform Contenders for 5GSuitability for Short Packet and Low Latency Transmissions. In Proceedings of IEEE Veh.Technol.Conf.Spring(VTC’14 Spring),5,2014

7 Kusume,K.;Bauch,G.;Utschick,W.IDMA vs.CDMA: Analysis and Comparison of Two Multiple Access Schemes. IEEE Trans.Wireless Commun.,Vol.11,No.1,pp.7887,1, 2012

8 Chen,Y.;Schaich,F.;Wild,T.Multiple Access and Waveforms for 5G:IDMA and Universal Filtered Multi-Carrier. In Proc.IEEE VTCs14,Seoul,Korea,5,2014

2015-04-30)