5G新型多载波UF-OFDM技术及测试

刘海静 诺基亚和上海贝尔贝尔实验室（中国）工程师

汪勇刚 诺基亚和上海贝尔贝尔实验室（中国）高级工程师

王河 诺基亚和上海贝尔贝尔实验室（中国）高级工程师

5G新型多载波UF-OFDM技术及测试

刘海静 诺基亚和上海贝尔贝尔实验室（中国）工程师

汪勇刚 诺基亚和上海贝尔贝尔实验室（中国）高级工程师

王河 诺基亚和上海贝尔贝尔实验室（中国）高级工程师

对5G新型多载波技术之一UF-OFDM技术进行了介绍，给出了参与中国5G技术研发试验第一阶段测试相应的测试方案和测试结果。测试结果表明，与现有LTE CP-OFDM技术相比，通过大幅度降低带外泄漏，UF-OFDM降低了对时频同步的要求，能够更好地支持异步传输，可满足5G系统在统一技术框架基础上支持不同场景差异化技术方案的需求。

UF-OFDM；滤波；异步传输；测试

1 引言

随着移动互联网和物联网的飞速发展，5G需要满足多样化业务需求，解决不同应用场景下的差异化性能指标带来的挑战，有效实现连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠等目标。为了满足上述需求，发展5G新空口技术势在必行。

一直以来，波形一直是无线空口技术的主要组成部分之一。4G选择了CP-OFDM作为其空口传输波形。CP-OFDM技术具有传输效率高，实现简单，易与MIMO结合的优点。但CP-OFDM频域的正交性结构决定了它对时偏和频偏非常敏感。同时，由于CP-OFDM在时域处理中采用了矩形窗截断，故存在较高的带外泄露，更加不利于对相邻子带异步传输的支持。另外，4G系统功能中采用的CP-OFDM技术在整个带宽中只支持一种波形参数配置，不能很好地满足多样化的业务需求。

为了满足丰富多样的业务需求，5G新波形技术需要能够针对不同的业务场景、传输环境，为每个用户选择合适的多载波参数进行灵活配置，并能同时服务不同参数配置的多个用户。例如，为低时延业务配置较短的符号长度，为多媒体广播业务配置较大的子载波间隔，并允许两种业务的并行传输。另外，物联网业务成为5G应用的重要组成部分之一。针对日益丰富的物联网应用，5G需要提供有效的小数据包传输。尽可能避免用于同步和其他需求的信令交互，减少信令开支，缩短终端设备的活跃时间，降低终端功耗。这就需要5G新波形技术对时频不同步具有较高的耐受性，有效地支持多用户异步传输。

本文针对贝尔实验室提出的5G新型多载波技术UF-OFDM及其实现方案，从收发机设计、测试系统搭建、测试用例及结论等方面进行了介绍。测试结果表明，UF-OFDM技术继承了CP-OFDM的优点，并通过滤波技术大幅度降低带外泄漏，可有效支持相邻子带的异步传输。同时，UF-OFDM能够根据不同业务对于波形参数的不同需求在统一的物理层平台上进行动态的选择和配置，可满足5G系统在统一技术框架基础上支持不同场景差异化技术方案的需求。

2 UF-OFDM技术简介

UF-OFDM采用基于滤波器的多载波方案，利用带限的子载波实现多载波传输，在每个子载波或子载波组上使用滤波器进行处理，然后合成为宽带信号进行发送和接收。相对于CP-OFDM，它具有低的带外干扰，对于时频异步引起的载波间干扰相对鲁棒。

如图1所示，对每个用户，UF-OFDM根据不同的业务需求进行波形参数配置，然后按照如下步骤对需要发送的输入符号进行调制：

●对输入符号进行IFFT操作，生成时域信号。

●在时域对信号进行CP或ZP处理。

●按照子带或者子载波对信号进行滤波。

图1 单用户UF-OFDM信号调制

ZP和CP都能够提供ISI。有研究证明ZP具有更好的频偏鲁棒性，而CP具有更好的PAPR性能。在实际系统中，通常一组子载波组成一个子带，被分配给同一用户。因此，只需要在不同子带间进行抗ICI处理，也就是说，可以以子带为单位进行滤波操作。在下文中，我们主要对采用了ZP和子带滤波的UF-OFDM进行讨论。其发射机和接收机结构如图2所示。获得最终的接收符号。

图3显示了CP-OFDM和UF-OFDM基带发送信号的功率谱密度。与CP-OFDM相比，UF-OFDM具有更大的带外泄露抑制。这使UF-OFDM能够更好地抵抗时频异步造成的ICI，更加适用于异步多址接入、高速移动等应用场景。

3 UF-OFDM测试方案

图2 采用了ZP处理的子带滤波UF-OFDM示例框图

3.1 测试系统设计

5G新型多载波(UF-OFDM)关键技术测试系统如图4所示，包含了一个2通道发送的5G终端原型样机，一个2通道接收的5G基站原型样机，并通过信道仿真器模拟真实的室外无线衰落信道。

测试系统参数配置见表1。

3.2 测试场景设计

首先，系统带宽被分为多个子带，每个子带具有各自的配置（子带宽度、子载波间隔等），然后，每个子带进行独立的滤波操作。最后，将各子带信号相加，形成最终的发射信号。针对每个子带不同的需求，滤波器可以进行灵活配置。滤波器具体系数的设计一般以增大带外衰减，限制带内衰落为目标。与采用了CP的CP-OFDM相比，图2中采用了ZP，在时域符号边缘添加了ZP。通过对滤波器抽头数的设计，使滤波产生的拖尾被包含在ZP之内，故相邻时域符号之间不会相互重叠，在频率平坦衰落信道中能够有效地避免ISI。

接收机不需要知道滤波器的具体系数，只需要知道滤波器的抽头个数。首先，根据抽头个数，对接收到的时域信号进行预处理，消除滤波拖尾的影响（类似与CP-OFDM接收端的去CP操作），再对处理后的信号采用FFT操作，得到频域信号，最后进行频域信号处理，

图3 UF-OFDM和CP-OFDM波形的频谱性能

图4 5G新型多载波（UF-OFDM)关键技术测试系统

表1 UF-OFDM测试参数配置

CP-OFDM系统对频率偏移和时间偏移造成的干扰比较敏感。原因是在于CP-OFDM在处理过程中对时域信号加载了矩形窗。反映在频域，即每一个频域采样点的脉冲变为sinc函数信号。由于sinc信号旁瓣功率较大，因而一旦不同步，则较大的带外信号即转变为干扰。UF-OFDM的设计思想即用滤波器进行带外信号抑制。

根据未来5G业务多样化、接入异步化等要求，本文设计了频率不对齐、时间不对齐等测试场景，用以验证UF-OFDM技术的性能特征。图5给出了两用户测试场景基本配置。两个用户占用相邻的频带资源，一个用户（UE1）占用10 RBs。另一个用户（UE2）占用下一个1RB的资源块，可用于承载机器类通信的业务。

图5 两用户测试场景示意

（1）频率异步

载波频率偏移（CFO）是由于发送端和接收端的晶振频率未对准，或者是由于移动用户的Doppler频偏造成的。CP-OFDM需要很高的同步要求，一旦未对准，则会在相邻用户间引入较高的载波间干扰，即ICI。由于CP-OFDM中较高的旁瓣功率，因此由CFO而导致的ICI更严重。相对而言，UF-OFDM更能抵抗CFO带来的影响，因为它的带外功率或者说旁瓣功率受到了很大的抑制。

在具体测试中，干扰信号（UE2）频点向被测信号（UE1）偏移2KHz和4KHz，用于观察频率异步干扰对被测信号造成的影响（见图6）。

图6 频率异步测试场景示意

（2）时间异步

CP-OFDM需要严格的时间同步，一旦FFT的操作不在相同的采样点上执行，干扰就会产生。时间异步有两种情况，一种是符号级别时间异步，用户的发送信号完全不同步，基站接收某一用户信号并与之同步、采样。此时干扰的产生是由其它非同步且占用相邻子载波的用户产生，由于OFDM符号的采样错位而导致频谱带外泄露，又因干扰信号频谱资源在相邻子载波，因而对接收信号产生干扰。

另一种是CP级别时间异步，用户只采用了开环同步技术，与基站非严格同步，基站接收该用户信号时只按基站基准时间采样，相邻子载波的用户信号成为干扰源。干扰的产生和CP有关，如果时间偏移是向后，并且小于CP长度，则不会有干扰。但是如果是另外一个方向，即向前的时间偏移，则性能损失立刻就会发生。UF-OFDM不同，它的实现中没有采用CP。相应的性能的损失是随着时间偏移的增大而温和地增大。

图7给出了符号级别的时间偏移测试用例配置。干扰信号（UE2）较之被测信号（UE1）滞后1/4符号和1/2符号，测试该时间异步的干扰对被测信号造成的性能影响。

图7 符号级别时间异步测试场景示意

图8给出CP级别时间偏移测试场景。在该场景中，UE1与基站保持同步；UE2采用了开环同步技术，与基站的同步差在CP级别。主要测试时间不同步对被测信号（UE2）性能造成的影响，此时UE2的接收处理是以UE1（即基站）基准起始时刻为采样时间。

图8 CP级别时间异步测试场景示意

4 测试结果及分析

4.1 频率异步

如图9所示，随着干扰信号功率升高，与传统LTE CP-OFDM相比，UF-OFDM技术能够提供更好的抗频偏的性能。具体地，当干扰信号功率比信号功率高10dB，并且频率偏差达到2KHz时，UF-OFDM技术相对于同步方式几乎没有性能损失，而传统LTE CP-OFDM达到了6dB以上的性能损失。当频率偏差达到4KHz时，UF-OFDM技术几乎没有性能损失，传统LTECP-OFDM已无法获得BLER=0.1的解码性能。

4.2 时间异步

（1）符号级别时间异步

图10表示了当时间异步在符号级别时，UF-OFDM和CP-OFDM的BLER-SNR性能。随着干扰信号功率升高，与传统LTECP-OFDM相比，UF-OFDM技术能够提供较好的抗时偏的性能。具体地，当干扰信号功率比信号功率高10dB，并且上行异步时，即同步偏差在1/4Symbols和1/2Symbols，传统LTE CP-OFDM和UF-OFDM都有一定的性能损失。比较而言，传统LTE CP-OFDM相对于UF-OFDM有约2dB的额外的性能损失。

（2）CP级别时间异步

当UE2无闭环同步，UE2信号无TA测量和纠正，

致使UE2相对于基站的帧对齐时间提前的非同步情况下，对该信号而言，UF-OFDM技术的性能高于传统LTECP-OFDM技术。具体地，当上行同步差在-CP以内时UF-OFDM技术相对于传统LTECP-OFDM技术有3dB的增益（BLER=0.1）。反之，当上行同步差在+ CP以内时，UF-OFDM技术与传统LTECP-OFDM技术性能相当（见图11）。

图9 频率异步测试模式UF-OFDM，CP-OFDM BLER-SNR性能比较

图10 符号级别时间异步测试模式UF-OFDM，CP-OFDM BLER-SNR性能比较

综上，与传统LTECP-OFDM技术相比，UF-OFDM技术能够提供更好的抗频偏和时偏干扰信号的能力,特别是在干扰信号功率较高时。当上行信号无TA测量和纠正，致使和基站的帧对齐时间相差约CP级别的非严格同步情况下，对该信号的解码，UF-OFDM技术的性能明显优于传统LTECP-OFDM技术，并且和干扰功率强度无关。说明UF-OFDM特别适用于5GIoT新型业务的传输需求。

图11 CP符号时间异步测试模式UF-OFDM，CP-OFDM BLER-SNR性能比较

5 结束语

作为5G新型多载波技术极具竞争力的候选方案之一，UF-OFDM技术可有效抑制带外泄露，降低对时间同步和频率同步的要求；同时，面向5G不同场景及业务需求，能够进行灵活的子带配置，并支持基于不同子带采用不同技术方案的异步传输；针对5GIoT新型业务，可无需上行同步操作，实现超低时延传输，而无性能损失；同时，相对于其他基于滤波的OFDM技术而言，UF-OFDM的滤波器阶数较少，具有较低的实现复杂度。

[1]T.Wild et al.Universal Filtered OFDM(UF-OFDM)-A New Waveform for the 5G Air Interface[J].NOKIA Technology White Paper,12,2015.

[2]P.Weitkemper et al.Hardware Experiments on Multicarrier Waveforms for 5G.2016 IEEE Wireless Communications and Networking Conference,Doha,Qatar,2016,pp.1-6.

2016-10-26）