3.3　多载波技术

LTE采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术，子载波和OFDM符号构成的时频资源组成LTE系统的无线物理时频资源，目前OFDM技术在无线通信中已经应用比较广泛。由于采用了循环前缀CP（Cyclic Prefix），CP-OFDM系统能很好地解决多径时延问题，并且将频率选择性信道分解成一套平行的平坦信道，这很好地简化了信道估计方法，并有较高的信道估计精度。然而，CP-OFDM系统性能对相邻子带间的频偏和时偏比较敏感，这主要是由于该系统的频谱泄漏比较大，因此容易导致子带间干扰。目前LTE系统在频域上使用了保护间隔，但这样降低了频谱效率，因此需要采用一些新波形技术来抑制带外泄漏。

满足5G要求的多址方式，是沿用LTE的OFDM多址方式，还是使用新的多址方式，需要深入比较和研究。OFDM已经是主流无线通信如LTE和WiFi所采用的信号形式，其主要优点有：

用简单自然的方式克服了频率选择性衰落；

高效率的计算执行（IFFT/FFT），简单的频域均衡方法即可与MIMO方便结合，但是频率偏移校正和同步对OFDM至关重要。

除了上述优点，OFDM的缺点也很明显：

OFDM矩形脉冲存在很大的带外频谱泄漏，带外干扰大；

对时间、频率同步要求高，OFDM系统要求在全网范围内信号同步和正交，同步开销大；

OFDM系统频率的带外滚降间较慢保护带较宽；

需要连续载波；

峰均比高。

OFDM的主要应用场景为移动宽带，在一些场景下的应用存在挑战。

频谱共享、认知无线电、碎片频谱的场景。同构频谱共享和碎片频谱的充分利用，是提高频谱利用率的最有效方法。动态利用频谱资源，关键问题是系统间共存和抗干扰能力。灵活、充分利用碎片频谱，关键问题是有效抑制带外频谱泄漏。

触摸互联网（Tactile Internet）、机器型通信（MTC）、短促接入的场景。极低时延业务；突发、短帧传输；低成本终端具有较大的频率偏差，对正交不利。

多点协作通信场景。多个点信号发射和接收难度较大。

为了更好地支持5G各种应用场景和多样性的业务需求，基础波形需要满足如下条件：

更好地支持新业务，不仅仅是移动宽带业务，还需要支持物联网业务；

具备良好的扩展性，通过简单配置或修改即可适应新业务；

与其他技术具有良好的兼容性，能够与多天线技术、编码技术等相结合。

围绕业务需求，业界提出了多种对OFDM的改进技术：一类是依赖于滤波技术，通过滤波减小子带或者子载波的频谱泄漏，放松对时频同步的要求，克服OFDM的主要缺点；另一类主要是进一步提高频谱效率。

3.3.1　OFDM改进

目前无线通信5G技术中抑制带外泄漏的新波形技术方案是5G技术研究的一个重要方向。目前在3GPP会议上各公司提出来的主要新波形候选技术包括：加窗正交频分复用（CP-OFDM with WOLA，CP-OFDM with Weighted Overlap and Add）、移位的滤波器组多载波（FBMC-OQAM，Filter Bank Multicarrier-Offset QAM）、滤波器组的正交频分复用（FBOFDM，Filter Bank OFDM）、通用滤波多载波（UFMC，Universal Filtered Multicarrier）、滤波的正交频分复用（F-OFDM，Filtered OFDM）和广义频分复用（Greneralized Frequency Division Multiplexing，GFDM）。

1.加窗正交频分复用（CP-OFDM w ith WOLA）

CP-OFDM with WOLA是由高通公司牵头提出来的，简写为W-OFDM。W-OFDM的主要思想就是使用时域升余弦函数窗代替LTE的矩形窗。由于矩形窗边缘变化非常陡，因而频域上带外泄漏就比较大；而升余弦函数窗边缘变化比较缓慢，因而频域上带外泄漏就小。图3.30是W-OFDM发射端的处理框图，其中灰色框图是在LTE的发射处理过程中增加的。图3.31是加窗的方法简图，使用的加窗函数为时域升余弦函数窗，因此在符号间隔边缘处为变化比较缓慢的曲线。该曲线占用了一定的CP区域，而且会异致相邻符号间存在部分数据重叠。

W-OFDM的优点是：实现比较简单，只是在原来的LTE的发射处理过程中增加一个时域加窗就行，而且不需要修改物理层标准协议。W-OFDM的缺点为：抑制带外泄漏的效果有限，由于加窗占用了部分CP区域，因此抗多径时延信道能力下降。

2.移位的滤波器组多载波（FBMC-OQAM）

FBMC-OQAM也是在时域加窗，与W-OFDM不同的是：FBMC-OQAM的窗函数比较长，通常为4～5个符号长度，窗函数一般使用IOTA（Isotropic Orthogonal Transform Algo-rithm）函数。IOTA函数的时域波形和频域波形是相同的形状。因此FBMC-OQAM的时域和频域都收得比较紧，具有很好的带外抑制泄漏效果。FBMC-OQAM调制的数据为实数，即将复数的实部和虚部提取出来，分别进行调制处理。

FBMC-OQAM链路收发处理过程如图3.32所示。灰色框图是与OFDM系统收发链路的不同处理过程。与OFDM系统相比，FBMC-OQAM系统的最大区别在于：在发射端，基带经过IFFT处理后，还要进行多相滤波器的处理；在接收端，接收数据在进行FFT处理之前，要先经过多相滤波器的处理。

FBMC-OQAM的优点为：带外泄漏小，不需要CP，这样可以提高频谱效率。FBMCOQAM的缺点为：收发处理复杂度相对比较高，由于是实数调制，因此信道估计比较复杂，而且与MIMO技术相结合比较困难。

3.滤波器组的正交频分复用（FB-OFDM）

FB-OFDM也是在时域加窗，时域加窗在技术原理上都属于子载波级滤波。与W-OFDM不同的是：FB-OFDM的窗函数可以比较长，也可以比较短，具体根据场景需要来灵活选择。与FBMC-OQAM不同的是：FB-OFDM调制的数据仍然为实数，因此可以与LTE保持比较好的兼容性，而且信道估计比较简单，与MIMO技术相结合比较容易。

FB-OFDM系统发射端原理如图3.33所示。其中灰色框内是多相滤波器模块的操作，这个操作代替了LTE的加CP操作，其余模块与LTE的完全相同。

多相滤波器的参数与选择的波形函数有关。当波形函数为矩形且符号间隔T1＝T0+CP（T0为子载波间隔的倒数，CP为循环前缀）时，多相滤波器模块的操作就等价于LTE中的添加CP的操作，FB-OFDM方案就变回到LTE方案了。

在FB-OFDM系统侧可以配置波形函数参数，不同的参数值对应着不同的波形函数。根据不同场景的需求侧重点，UE可以选择合适的波形函数调制发射数据。比如，对于带外泄漏抑制要求比较高的场景，可以选择升余弦函数、IOTA函数等；对于数据解调性能要求比较高，但对带外泄漏抑制要求不高且频偏和时偏比较小的场景，可以选择矩形函数回退到LTE。

符号间隔T1也可以作为FB-OFDM系统侧参数，并在多相滤波器模块中进行设置。当信道条件非常好时，T1可以小于T0，实现超奈奎斯特传输，提高系统容量。当信道条件差时，T1可以大于T0，使得FB-OFDM系统的符号间子载波间的数据接近正交、符号间隔T1也在多相滤波器模块中实现。

不同的波形函数及其相应的参数对带外泄漏抑制以及数据解调性能的影响也不同。需要对波形函数进行更多的研究，以挑选出一些更好的波形函数。

FB-OFDM系统接收端原理如图3.34所示，其中灰色框内是多相滤波器模块的操作，这个操作代替了LTE的去CP操作，其余模块与LTE的完全相同。

FB-OFDM的优点为：带外泄漏小；不同场景使用不同的波形函数，可以满足不同场景的重点需求；异步性能好；与LTE技术兼容性好；发射和接收端实现复杂度低。FB-OFDM的缺点为：由于没有CP，因而抗多径时延信道能力略微降低。

4.通用滤波多载波（UFMC）

UFMC属于子带级滤波。在传输带宽中，对每个RB的数据单独进行IFFT，然后加滤波器滤波，该滤波器在时域上添加，属于时域卷积操作，运算量比较大。经过滤波后的每个RB的数据再叠加合成一路数据。

UFMC不加CP，而是加保护间隔。在每个RB的时域数据上增加滤波器操作，会扩展数据符号的时域长度，为了避免相邻符号间的数据重叠，符号间需要增加保护间隔。

与F-OFDM不同，UFMC使用冲击响应较短的滤波器，且放弃了OFDM中的循环前缀方案。UFMC采用子带滤波，而非子载波滤波和全频段滤波，因而具有更加灵活的特性。子带滤波的滤波器长度也更小，保护带宽需求更小，具有比OFDM更高的效率。UFMC子载波间正交，非常适合接收端子载波失去正交性的情况。

由于放弃了CP的设计，可以利用额外的符号开销来设计子带滤波器，而且这些子带滤波器的长度要短于FBMC系统的子载波级滤波器，这一特性更加适合短时突发业务；UFMC与交织多址（IDMA）相结合，使得UFMC系统具备了支持多层传输的能力；UFMC能够极大地降低带外辐射，与传统OFDM相比，其带外辐射要明显低得多；UFMC还具有灵活的单载波支持能力，并且支持单载波和多载波的混合结构。

UFMC的优点为：以RB级为单位增加滤波器，这样滤波器参数比较固定。UFMC的缺点为：由于滤波器长度要小于等于保护间隔长度，因而带外泄漏抑制效果有限；每个RB都需要单独IFFT和滤波操作，复杂度比较高。

5.滤波的正交频分复用（F-OFDM）

F-OFDM也属于子带级滤波，与UFMC不同的是：以子带为单位进行滤波，子带带宽不固定；继续加CP，不加保护间隔；滤波器长度大于CP长度，为半个符号长度。

由于滤波器长度为半个符号长度，又没有保护间隔，因此F-OFDM信号的符号间会存在数据重叠和干扰。如图3.35所示，CP-OFDM信号的符号间是没有数据重叠的，而FOFDM信号的符号间存在数据重叠。F-OFDM接收端在解调时，忽略这个符号间的重叠干扰。

F-OFDM能为不同业务提供不同的子载波带宽和CP配置，以满足不同业务的时频资源需求，如图3.36所示。通过优化滤波器的设计，可以把不同带宽子载波之间的保护频带最低做到一个子载波带宽。F-OFDM使用了时域冲击响应较长的滤波器，子带内部采用了与OFDM一致的信号处理方法，可以很好地兼容OFDM。同时根据不同的业务特征需求，灵活地配置子载波带宽。

F-OFDM的优点：由于滤波器长度大于CP长度，因而带外泄漏抑制效果好于UFMC。F-OFDM的缺点为：子带宽度的变化将导致滤波器参数发生变化；子带宽度不能太窄，否则带外泄漏抑制效果将降低，符号间干扰将增大；发射和接收端实现复杂度相对比较高。

6.广义频分复用（GFDM）

GFDM调制方案通过灵活的分块结构和子载波滤波以及一系列可配置参数，能够满足不同场景的需求，即通过不同的配置满足不同的差错速率性能要求。GFDM可以对时间和频率进行更为细致的划分。

GFDM接收机流程如图3.37所示。

GFDM的关键特性是将时间频率资源划分为K个子载波和M个子符号，并允许根据需求来调整频谱的使用。当M＝1，A和B为傅里叶变换矩阵时，GFDM就会变成传统的OFDM系统。当K＝1，脉冲整形函数为Dirichlet脉冲时，GFDM就变成了SC-FDM系统。

脉冲整形滤波器的选择强烈影响着GFDM信号的频谱特性和符号差错率。为了利用脉冲整形降低带外辐射，如下两种技术需要配合GFDM使用，不同的方法其带外辐射抑制能力不同。

①插入保护符号（GS）：当使用无符号间干扰的发送滤波器和长度为rK（r＞0）的CP时，将第0个和第M-r个子符号设置为固定值（例如0）时，可以降低带外辐射，此GFDM称之为GS-GFDM。

②聚拢块边界：由于插入CP会导致发送数据量的减少，通过在发送端乘以一个窗口函数可以提供一个平滑的带外衰减，此GFDM称为W-GFDM。但是此方法也会导致噪声的放大，可以通过均方根块窗口进行消除，需要发送端和接收端进行匹配滤波处理。

3.3.2　超奈奎斯特技术（FTN）

超奈奎斯特技术，是通过将样点符号间隔设置得比无符号间串扰的抽样间隔小一些，在时域、频域或者两者的混合上使得传输调制覆盖更加紧密，这样相同时间内可以传输更多的样点，进而提升频谱效率。但是FTN人为引入了符号间串扰，所以对信道的时延扩展和多普勒频移更为敏感，FTN原理如图3.38所示。接收机检测需要将这些考虑在内，可能会被限制在时延扩展低的场景，或者低速移动的场景中。同时FTN对于全覆盖、高速移动的支持不如OFDM技术，而且FTN接收机比较复杂。FTN是一种纯粹的物理层技术。

FTN作为一种在不增加带宽、不降低BER性能的条件下，理论上潜在可以提升一倍速率的技术，其主要的限制在于干扰，主要依赖于所使用的调制方式。随着速率的提高，误码率也在提升。FTN的主要技术功能如下：

FTN能够提升25%的速率；

采用多载波调制时吞吐量增益更高。

FTN在5G中的应用，还须确定如下一些关键问题。如不能解决这些问题，FTN就只能在低速、低干扰的场景下应用。

移动性和时延扩展对FTN的影响；

与传统的MCS的比较；

与MIMO技术的结合；

在多载波中应用的峰均比的问题。

FTN可能会作为OFDM/OQAM等调制方式的补充，基于不同的信道条件可选择开启或者关闭。OFDM/OQAM/FTN发送链路如图3.39所示。在此方案中，FTN合并到OFDM/OQAM调制方案中。接收端使用MMSE IC-LE方案迭代抑制FTN和信道带来的干扰。干扰消除分为两步，一是ICI消除，二是ISI消除。

图3.40所示为SISOMMSE IC-LE内部结构，其中ICI使用反馈进行预测然后分别消除。