面向5G的新型多载波传输技术比较* 1

李　宁，周　围,2

(1.重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065; 2.重庆邮电大学 光电工程学院，重庆 400065)



面向5G的新型多载波传输技术比较* 1

李宁1，周围1,2

(1.重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065; 2.重庆邮电大学 光电工程学院，重庆 400065)

摘要：介绍了几种面向5G的新型多载波传输技术：滤波器组多载波(FBMC,Filter Bank Multicarrier)、通用滤波多载波(UFMC,Universal Filtered Multicarrier)和广义频分复用(GFDM,Generalized Frequency Division Multiplexing)的基本原理，并从第五代移动通信系统(5G)支持的应用场景和技术需求的角度对三种多载波传输技术的优缺点进行比较。研究表明三种多载波传输技术的带外泄露较低，FBMC系统不使用CP(CP,Cyclic Prefix)，因此具有很高的时频效率，但FBMC系统帧的长度比较长，不适合短包类业务；UFMC对一组连续的子载波滤波，可以支持较短的帧结构，但UFMC不使用CP，复杂度较高；GFDM基于独立的块调制，具有灵活的帧结构，鲁棒性好，复杂度比前两者低，便于实际应用。

关键词：多载波；第五代移动通信系统；滤波器组多载波；通用滤波多载波；广义频分复用

0引言

近年来，随着智能终端设备的发展，新的技术和业务的不断出现，未来无线数据业务将向多样化、智能化发展，当前的无线蜂窝网络并不能满足人们的需求。为了应对未来海量的设备连接，不断涌现的各类新的业务和应用场景如车联网(Tactile Internet)、虚拟现实(VR,Virtual Reality)、在线游戏(Online Gaming)、机器类通讯(MTC,Machine-Type Communication)、物联网(IoT,Internet of Things)等[1]，第五代无线通信系统(5G Wireless Communication Systems)的研究正如火如荼的进行，各个国家和地区都纷纷成立了研究和推进5G技术发展的计划或组织如欧洲的第七框架计划里的METIS和5GNOW、韩国的5G Forum以及中国的IMT-2020等。

多载波传输技术是未来通信物理层的关键技术之一，其中CP-OFDM(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)以其传输效率高，易通过FFT/IFFT实现，易与MIMO结合等诸多优点被广泛用于第四代移动通信系统(4G LTE-A)和802.16m以及其它通信系统中[2]。但是传统的CP-OFDM存在带外泄漏高、同步要求严格、不够灵活等缺点，不能很好的应对未来的各种丰富的业务场景。而5G支持丰富的业务场景，每种业务场景对传输技术的需求各不相同，能够根据业务场景来动态地选择和配置不同的多载波传输参数，同时又能继承传统的CP-OFDM的优点，是对5G多载波传输技术的必然要求，所以必须研究开发出新的多载波传输技术，以适应5G新的业务的要求。本文将详细的介绍几种目前热门的多载波传输技术：滤波器组多载波(FBMC)[3]、通用滤波多载波(UFMC)[4]、广义频分复用(GFDM)[5]的基本原理，并对各多载波传输技术的优缺点进行比较与总结，以对目前5G多载波传输技术的研究现状作一个综合性的介绍。本文首先介绍为何传统的CP-OFDM难以满足新场景下的需求，然后给出三种新型多载波传输技术的基本原理，最后对几种多载波传输技术进行比较并总结。

1CP-OFDM系统缺陷

5G支持的应用和业务将会变的多样化智能化，不同的业务对空口的要求也不一样，比如带宽的业务要求更高的速率，对时延要求极为严格的车联网业务以及物联网的海量连接等。下面我们直接从5G支持的业务场景的角度来解释为何CP-OFDM难以满足新场景下的需求。

(1)灵活性问题[1，6-8]。事实上，一方面车联网自动驾驶业务端到端1ms时延的要求，使得系统必须具有极短的时域符号和极短的传输时间间隔(TTI,transmission time interval)，而这就需要频域较宽的子载波带宽。另一方面，对于物联网业务，当物联网的很多传感器同时连接时，单个连接传送数据量极低，这属于短包类突发式通信业务，这就需要在频域上配置带宽比较窄的子载波，这就会使时域符号和TTI足够长，因此对于物联网业务就几乎可以不考虑时延扩展的问题，也就不需要再引入CP。现有OFDM方案的子载波带宽确定后，符号的长度、CP的长度等也就确定了，因此，CP-OFDM系统的灵活性和应变能力不足，这就要求新的传输技术能够支持灵活的配置参数。

(2)精确的同步[1]。由于OFDM的优势主要体现在子载波间的正交性，这就需要精确的同步，但如果对于物联网场景中如此海量的链接都使用精确的同步过程，那么网络将存在大量的同步信令，造成网络阻塞，同时异步操作还可以解决终端省电的问题。

(3)对零散频段的利用[1]。由于各种原因，通信界中还有很多未使用的分散的频段，为了解决频带资源稀缺的问题，可以将这些离散的频段利用起来。5G将这些零散频谱的利用作为5G支持的通信场景中的一种。但是由于CP-OFDM等效于使用矩形窗进行脉冲成形，因此旁瓣功率泄露较大，这会导致严重的子载波间的干扰，对零散频段的利用造成了困难。

2几种面向5G新型多载波传输技术的基本原理

由于CP-OFDM不能满足5G的需求，各国的学者纷纷开发研究出很多新的多载波传输技术，以弥补或者改进传统的CP-OFDM的缺陷。滤波器组多载波(FBMC)、通用滤波多载波(UFMC)、广义频分复用(GFDM)是目前业界讨论的最多的多载波传输技术，下面将分别介绍三种多载波传输技术的基本原理。

2.1滤波器组多载波(FBMC)

FBMC系统由发送端的综合滤波器组和接收端的分析滤波器组组成。分析滤波器组把输入信号分解成多个子带信号，综合滤波器组对各个子带信号进行综合后进行重建输出，由此可知，分析滤波器组和综合滤波器组互为逆向结构[7，9]。无论是分析滤波器组还是综合滤波器组它们的核心结构都是原型滤波器，滤波器组中的其它滤波器都是基于原型滤波器频移而得到的，分析滤波器组和综合滤波器组的原型函数互为共轭和时间翻转[9]。图1是FBMC系统基于IFFT/FFT实现的框图，接收端输入数据经过串并变换，然后通过OQAM处理以消除相邻子载波之间的干扰，再经过IFFT变换，之后进入多相滤波器组，而接收端进行相应的逆变换恢复原始数据。值得一提的是，由于原型滤波器可以根据实际的需求在一定准则下进行设计，各滤波器之间不再是正交的，因此FBMC子载波之间存在干扰，FBMC采用OQAM方式处理数据既可以避免相邻子载波之间的干扰，又可以保持与FFT相同的码率，使得所有的子载波得以充分利用。

图1　基于IFFT/FFT实现的FBMC系统框

其中多相滤波器组的结构如图2所示，图中Hi(i=1,2,…,M-1)表示子带滤波器频率响应的Z变换。

图2　PPN结构框

目前关于FBMC的研究大多集中在认知无线电和频谱感知的方面，旨在利用零散的频段。这就要求原型滤波器在满足一定准则下旁瓣衰减水平高。图3和图4分别显示了使用PHYDYAS项目组[9]设计的滤波器的FBMC系统与OFDM的子载波的衰减情况。

图3　FBMC子带衰减

图4　OFDM子带衰减

通过设计FBMC的原型滤波器的冲激响应和频率响应，以达到降低带外泄露的目的，便于利用零散的频谱资源，并且各子载波之间不必是正交的，可以使用更小的频率保护间隔，因此不需要插入循环前缀，使系统具有更高的时频效率。但此时由于子载波之间不是正交的，必然会导致较高的符号间干扰(ISI,Inter Symbol Interference)。最后，由于FBMC能实现各子载波带宽设置、各子载波之间的交叠程度的灵活控制，从而可灵活控制载波间干扰(ICI,Inter Carrier Interference)。值得说明的是，因为子载波具有较窄的带宽，发射滤波器的冲激响应的长度通常很长，于是FBMC的帧的长度比OFDM的帧长，但FBMC符号中没有循环前缀，从而可以弥补这种效率损失。此外，FBMC的计算复杂度高于OFDM，但由于信号处理和电子设备的显著进步，FBMC实际应用是可行的。

2.2通用滤波多载波(UFMC)

由于FBMC滤波器的帧的长度要求使得FBMC不适用于短包类通信业务以及对时延要求较高的业务，所以有学者提出了一种针对FBMC的改进方案—通用滤波多载波技术(UFMC)[4]。UFMC通过对一组连续的子载波进行滤波操作，其中子载波的个数根据实际应用进行配置，这样就能克服FBMC系统中存在的不足。当每组中子载波数为1时UFMC就成为FBMC传输，所以FBMC是UFMC的一种特殊情况，因此UFMC也被称为通用滤波的OFDM(UF-OFDM,universal filter OFDM)。图5为UFMC的发射机框图。

图5　UFMC发射端框

如图5所示，k表示第k位用户，系统共有B个子带，i为子带索引，L为子带滤波器的长度，IDFT的长度为N，则发射端叠加所有子带后的信号为：

(1)

式中，Vik为第k位用户的第i个子带的IDFT矩阵，Fik是一个由滤波器冲激响应组成的Toeplitz滤波矩阵，sik是第k位用户的第i个子带的传输信号，xk为所有子带叠加后的信号。

UFMC不使用循环前缀，滤波器的长度取决于子带的宽度。根据实际的应用需求配置子载波的个数使得UFMC变得更加灵活，因此UFMC具有FBMC系统的优点，还可以支持不同类型的业务。相比于FBMC的滤波器长度，UFMC技术可以使用较短滤波器长度，这样可以支持短包类业务。

2.3广义频分复用(GFDM)

相对OFDM和FBMC，UFMC有更多优点，但因为没有CP，UFMC比CP-OFDM对短时间的不重合更敏感，因此，UFMC可能对需要松散时间同步以节约能源的应用场景不适合。为此，广义频分复用(GFDM)被提出[5,10]。图6为GFDM的传输原理框图。

图6　GFDM发射端框

在GFDM系统中，K为子载波数，M为发送的符号数，每个符号进行L≥K的上采样，则总的采样数N=KM，g[n]为脉冲成形滤波器，进行GFDM调制后的信号为：

(2)

式中，k为子载波索引，m为符号索引，n为抽样索引，其中k=0,…,K-1，m=0,…,M-1，n=0,…,N-1，则特别的取L=K，则N=KM，式2变为：

(3)

A=(g00,…gK-1,0,g01,…,g0,M-1,…,gK-1,M-1)

d=(d00,…,dK-1,0,d01,…,d0,M-1,…,dK-1,M-1)T

当L=K，则N=KM，A就成为一个N×N矩阵，d和x成为KM×1向量。所以GFDM调制器的矩阵形式为x=Ad。图7为GFDM调制器的数字实现框图[10]。

图7　GFDM调制器的数字实现框

根据不同类型的业务和应用对空口的要求，GFDM可以选择不同的脉冲成型滤波器和插入不同类型的CP。此外由于GFDM信号在频域具有稀疏性，可以设计较低复杂度的发射和接收算法。此外GFDM基于独立的块调制，通过配置不同的子载波与子符号，使得其具有灵活的帧结构，可以适用于不同的业务类型。GFDM的子载波通过有效的原型滤波器滤波，在时间和频率域被循环移位，此过程减少了带外泄漏，使目前的服务或其他用户之间不产生严重干扰，因而具有FBMC的ICI抑制能力。

3FBMC、UFMC、GFDM技术比较

三种多载波调制技术FBMC、UFMC、GFDM具有各自的特点，表1对三种多载波传输技术在各个指标下的性能特点[11]。

表1　FBMC、UFMC、GFDM比较

4结语

FBMC旁瓣水平低，降低了对同步的严格要求，但是滤波器的冲激响应长度通常很长，所以FBMC的帧较长，不适用于短包类通信业务。UFMC是对一组连续的子载波进行滤波处理，UFMC技术可以使用较短滤波器长度，这样可以支持短包类业务，但UFMC没有CP，因此对需要松散时间同步以节约能源的应用场景不适合，此外FBMC和UFMC系统的复杂度较高。GFDM可以使用CP，具有灵活的帧结构，可以适配不同的业务类型。但三种技术的复杂度均比OFDM复杂，其中GFDM的复杂度较低，不过根据摩尔定理，集成电路的发展将会弥补这一不足。

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Comparison of New Multicarrier Transmission Techniques for 5G

LI Ning1,ZHOU Wei1,2

(1.Chongqing Key Laboratory of Mobile Communications Technology;2.College of Optoelectronic Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

Abstract：This paper describes several 5G-oriented multicarrier transmission technologies,including FBMC (Filter Bank Multicarrier),UFMC (Universal Filtered Multicarrier) and GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing).In view of 5G application scenario and technical requirement,the three candidate multicarrier transmission technologies have fairly low out-of-band radiation,FBMC does not apply CP (Cyclic Prefix) and thus is able to approach a higher time-frequency efficiency,while with fairly long frame length,is not applicable to short-packet service.Meanwhile UFMC,with filtering on a group of subcarriers,can support short-frame structure,but without applying cyclic prefix (CP),thus has fairly high complexity.GFDM,based on the modulation of independent blocks,with flexible frame structure and good robustness,including low-complexity implementation,is suitable for practical applications.

Key words：Multicarrier;5G;FBMC;UFMC;GFDM

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.05.002

* 收稿日期：2015-12-06；修回日期：2016-03-22Received date:2015-12-06；Revised date：2016-03-22

基金项目：重庆市基础与前沿研究计划项目(No.cstc2015jcyjA40040)；重庆邮电大学“文峰骨干教师培养计划项目”资助

Foundation Item:Fundamental and Frontier Research Project of Chongqing(No.cstc2015jcyjA40040);The Wenfeng Backbone Training Project of Chongqing Universsity of Posts and Telecommunications

中图分类号：TN929.5

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2016)05-0519-05

作者简介：

李宁(1992—)，男，硕士研究生，主要研究方向为无线移动通信，数字信号处理；

周围(1971—)，男，教授，硕导，博士，主要研究方向为无线移动通信技术、通信系统及信号处理、智能天线技术等。