F-OFDM系统的基带技术研究

杨　凡，曾孝平，周继华，阮定良，张　波，吴　华

(1.重庆金美通信有限责任公司，重庆　400030；2.重庆大学 通信工程学院，重庆　400044)



F-OFDM系统的基带技术研究

杨凡1,2，曾孝平2，周继华1，阮定良1，张波1，吴华2

(1.重庆金美通信有限责任公司，重庆400030；2.重庆大学 通信工程学院，重庆400044)

在对传统LTE-OFDM深入研究的基础上，针对滤波OFDM(F-OFDM)技术特点，设计了数据帧格式，建立F-OFDM基带系统模型，通过对2个子带进行滤波处理，实现了各个子带波形的解耦，并仿真验证其性能。仿真结果表明：在AWGN信道下，F-OFDM系统的下行基带信号的带外衰减超过60dB，较LTE-OFDM高28dB，F-OFDM与LTE-OFDM的BER接近一致，与理论值的差异小于1dB。相比LTE-OFDM系统，F-OFDM系统在保证误码率性能的前提下，大大改善了带外频谱泄漏，并进一步提高了频谱效率。

滤波OFDM；5G；误码率；带外信号频谱泄漏

从20世纪70年代至今，无线通信系统已从第1代发展到了第4代[1]。从无线通信的发展史来看，人们对高速率、高带宽的无线传输需求日益增长。“在较宽的频带内提供稳定的高数据传输，并在有限的带宽内提高频谱利用率”成为人们对第5代无线通信系统(5G)的基本要求。目前，宽带无线通信广泛采用OFDM技术，因其具有超强的抗多径干扰能力和DFT简单易行的特点已经在LTE/LTE-A系统(4G)中广泛应用，但由于传统的OFDM技术先天具有峰均比(PAPR)高、对时间和频率的同步要求很严、信号带外辐射较大的缺点，使得传统的OFDM系统并不适用于传输速率更高的通信系统[2-4]。为了克服上述缺点，人们在OFDM技术基础上提出了滤波OFDM(F-OFDM)。F-OFDM除了具备传统OFDM的优点外，在带外信号频谱泄漏和频谱利用率上有很好的性能，因此被推荐为5G的候选技术之一[2-6]。F-OFDM的基本思想是将系统带宽划分为若干子带，子带之间只存在极低的保护带开销，每种子带根据实际业务场景需求配置不同的波形参数。各子带通过子带滤波器进行滤波，从而实现各子带波形的解耦。F-OFDM每个子带可以认为是不重叠的，所以造成的频谱泄露很少具有极低的带外泄露，不仅能提升频谱使用效率，还可以有效利用零散频谱实现与其他波形共存。同时，F-OFDM根据业务的不同划分为不同的子带，并在每个子带配置不同的TTI、子载波间隔和CP长度等，从而实现灵活自适应的5G空口技术，以支持5G按业务需求的动态软空口参数配置，提高5G系统的灵活性和可扩展性[3,5-8]。

1　基于F-OFDM的收发系统

1.1系统框图

F-OFDM发射接收端处理流程如图1所示，以2个子带为例。经过不同子载波的数据在频域上经过不同的子带滤波器，在射频端合并后经过信道，接收端接收到信号后，分给不同子带进行滤波，不同子带的滤波数据再按照传统OFDM系统进行接收处理。

1.2子带的帧结构

在F-OFDM系统中，设计了2个不同子带的帧结构，如图2所示。系统的采样率为30.72MHz，设定子带1的子载波间隔为15kHz,子带2的子载波间隔为30kHz。子带1和子带2的带宽均为720kHz，不同子带之间需要预留保护子载波隔离子带间干扰，保护子载波数量及数据子载波映射的子载波编号设定见本文1.3节。由于2个子带的子载波间隔不同，为了达到相同的采样率，需要使用不同的FFT点数。本文设计的子带1和子带2的FFT点数分别为2 048和1 024。

1.3子带中的子载波映射

为了避免每个子带的子载波重叠，需要对各个子带中的子载波统一进行编号[6]，编号为[Kmin, Kmax]。设第1子带和第2子带的子载波数量分别为M1，M2。第1子带和第2子带的保护子载波数量分别为N1，N2，如图3所示。

图1F-OFDM系统框图

图2 F-OFDM时频资源映射

图3　F-OFDM不同子带的子载波映射

1.4子带的滤波器设计

如图1所示，在进入每个子带滤波器，发端会在每个OFDM符号前产生了M个连续的子载波，即一个OFDM符号周期中包含M点的数据子载波和Ng点的循环前缀，当经过N点IFFT后，每个子带完成各子带的基带成形，这一过程可以由式(1)表示：

(1)

其中：

(2)

dt,m为OFDM符号t中子载波序号为m的数据符号；L为OFDM符号的长度；{m′,m′+1,…，m′+M-1}为分配的子载波的范围。

(3)

其中，子带滤波器的带宽为分配子载波的频带宽带的总和。

考虑到F-OFDM信号要求各个子带内的时域信号不失真，各个子带间的ISI干扰尽量小。所以，对 f(n)采用Hanning窗处理，结合本文1.2节中子帧的设计要求，设定窗函数的时域宽度Tw为子帧中符号周期的一半，阶数为513。系统采样率为30.72MHz，归一化截止频率为0.405。

子带1中心频率为

(4)

子带1的滤波器系数为

(5)

子带2中心频率为

(6)

子带2滤波器系数为

(7)

中间的0号子载波为直流分量，不做数据映射。N1=0，N2=1，则子带1和子带2的中心频率为0和765kHz。

基带信号在经过子带滤波前为传统的OFDM信号，经过子带中的子载波映射和子带滤波后形成F-OFDM信号。从图4可以看出：子带1滤波前的OFDM基带信号带外衰减为32dB，而F-OFDM为了避免由于ISI造成的频谱泄漏降低带外辐射功率，一方面滤波器窗函数的时域宽度Tw设计为子帧中符号周期的一半，牺牲了连续OFDM符号的正交性，降低了OFDM符号的峰均比，使带外辐射功率降低；另一方面，滤波器使用了具有软截断性质的Hanning窗，使得滤波器的冲击响应能快速衰落，滤波后的信号能量集中在带内，进一步降低了带外辐射性能。在图4中可以看出：子带1滤波输出的带外衰减可达60dB，F-OFDM基带信号较OFDM基带信号在OOB性能上有28dB的提升。

图4　F-OFDM发射机OOB性能(AWGN信道)

2　性能测试

根据本文建立的F-OFDM收发仿真模型分别进行F-OFDM在AWGN、EPA信道下的性能测试和F-OFDM与LTE-OFDM的BER性能对比。仿真参数如表1所示。

表1　F-OFDM与LTE-OFDM仿真参数

2.1不同信道的性能仿真

根据表1中F-OFDM系统的参数，分别在AWGN、EPA信道下对F-OFDM进行性能测试。在F-OFDM的2个子带间隔1个子载波的条件下，由于子带滤波器Hanning窗的软截断性质，使得子带间的ISI得到有效抑制。从图5中可以看出：AWGN信道下，各个子带的BER性能与理论值一致。在引入具有频率选择性衰落的EPA(3km/h)信道下，子带滤波器对子信道间的ISI的抑制效果以及接收端对子信道进行均衡的效果均会较AWGN信道下的差。在性能测试中可以看出：在误码率10-3处，2个子带经过EPA信道较理论值分别有0.5dB和1dB的差距，如图6所示。总之，在AWGN和EPA信道下，F-OFDM系统的性能均接近于理论值。

图5　F-OFDM接收机误比特率(AWGN信道)

图6　F-OFDM接收机误比特率(EPA信道)

2.2F-OFDM与LTE-OFDM性能对比

F-OFDM系统在收发端均加入了子带滤波器，相比LTE-OFDM系统，滤波器的时域宽度减少了一半，滤波后的带内子载波的正交性没有LTE-OFDM系统严格，但带来了保护间隔的缩小(1个子载波)和带外OOB性能的提高。F-OFDM系统在经过接收端滤波子带解耦后，与LTE-OFDM的接收处理基本一致。所以，2个系统的性能基本一致，这点从图7中可以看出。由于接收端子带解耦会对接收信道的信噪比有影响，所以F-OFDM系统相比理论值在10-3处的误码性能会有小于1dB的差异。

3　结论

F-OFDM对子带的配置灵活。不同子带可以配置不同CP和子载波间隔，比LTE-OFDM系统更能有效配置资源。

带外发射OOB性能远好于LTE-OFDM，其中F-OFDM带外衰减超过60dB，比LTE-OFDM带外衰减高28dB。

在AWGN信道下，F-OFDM系统的性能与LTE-OFDM一致，与理论值的差异也小于1dB。

图7　F-OFDM与OFDM性能对比(AWGN信道)

[1]杨芳,时和平,周磊.专用通信装备配发过程的WF-nets模型[J].四川兵工学报,2015,36(7):73-78.

[2]VAKILIANV,WILDT,SCHAICHF,etal.Universal-filteredmulti-carriertechniqueforwirelesssystemsbeyondLTE[C]//2013IEEEGlobecomWorkshops(GCWkshps).[S.l.]:IEEE,2013:223-228.

[3]ZHANGX,JIAM,CHENL,etal.Filtered-OFDM-EnablerforFlexibleWaveforminThe5thGenerationCellularNetworks[C]//2015IEEEGlobalCommunicationsConference(GLOBECOM).[S.l.]:IEEE,2015:1-6.

[4]ABDOLIJ,JIAM,MAJ.FilteredOFDM:Anewwaveformforfuturewirelesssystems[C]//2015IEEE16thInternationalWorkshoponSignalProcessingAdvancesinWirelessCommunications(SPAWC).[S.l.]:IEEE,2015:66-70.

[5]吴华.滤波器组多载波系统快速实现及同步技术研究[D].重庆：重庆大学，2009.

[6]仲元红.宽子带滤波器组多载波系统及其关键技术研究[D].重庆：重庆大学，2011.

[7]华为技术有限公司.Filtered-OFDM技术简介-forInnovateAsia[R].5G算法大赛，2015.

[8]NEER,PRASADR.OFDMforwirelessmultimediacommunications[M].[S.l.]:ArtechHouse,Inc.,2000.

(责任编辑杨文青)

ResearchonBasebandTechnologyofFiltered-OFDMWirelessCommunication

YANGFan1, 2,ZENGXiao-ping2,ZHOUJi-hua1,RUANDing-liang1,ZHANGBo1,WUHua2

(1.ChongqingJinmeiCommunicationCo.,Ltd.,Chongqing400030,China;2.CollegeofCommunicationEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

BasedonthedeeplyresearchoftraditionalLTE-OFDM,wedesignedthesystemofFilter-OFDM(F-OFDM)withitscharacteristics,whichdefinedtheformatofframe,andsimulatedthebasebandsystemmodel,andfilteredthetwosub-bandsignalandde-couplesthebasebandsignalandverifieditsperformance.Theexperimentalresultsshowthat:theout-bandattenuationofDLbasebandF-OFDMsignalcanreach60dB,whichimproves28dBoverLTE-OFDM,andtheBERofF-OFDMsystemisalsosimilartoLTE-OFDM,whichhasless1dBthantheoreticalvalue.ComparedwithLTE-OFDMsystem,F-OFDMsystemimprovesOOBleakage,andincreasesthespectrumefficiency,whichalsoimprovesBERperformanceofLTE-OFDMsystem.

Filtered-OFDM; 5G;BER;OOB

2016-04-18

国家自然科学基金重大研究设计培育项目(91438104)

杨凡(1983—)，男，湖北人，博士研究生，工程师，主要从事宽带通信信号处理、多载波滤波技术研究，E-mail: 34179861@qq.com。

format：YANGFan,ZENGXiao-ping,ZHOUJi-hua,etal.ResearchonBasebandTechnologyofFiltered-OFDMWirelessCommunication[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(9):113-117.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.018

TP914.3

A

1674-8425(2016)09-0113-05

引用格式：杨凡，曾孝平，周继华，等.F-OFDM系统的基带技术研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(9):113-117.