新型多载波专题组技术报告.pdf

IMT-2020(5G)推进组 新型多载波专题组技术报告 技术报告 Technical Report 版权声明 Copyright Notification 本文档由IMT-2020（5G）推进组新型多载波专题组成员单位起草 未经书面许可 禁止打印、复制及通过任何媒体传播 2015 IMT-2020推进组版权所有 第2页, 共51页 目录 1 简介 . 3 2 场景和需求 . 3 3 新波形关键技术 . 5 3.1 f-OFDM . 5 3.1.1 技术原理 . 5 3.1.2 优点 . 6 3.1.3 关键技术 . 8 3.2 UFMC . 11 3.2.1 技术原理 . 11 3.2.2 关键技术 . 14 3.3 FBMC . 17 3.3.1 技术原理 . 17 3.3.2 优点 . 18 3.3.3 关键技术 . 19 3.4 FMT技术 . 41 3.4.1 FMT系统原理 . 41 3.4.2 O-FMT系统原理 . 42 3.4.3 实现方案 . 43 3.4.4 FMT系统的关键性能 . 45 3.5 单载波技术(SC-FDE) . 46 3.5.1 技术原理 . 47 3.5.2 优点与关键技术 . 47 参考材料 . 50 第3页, 共51页 1 简介 波形是无线通信系统的基础技术。无线通信标准的主要特征，如帧结构、MIMO技术等，均需构建在特定的波形技术之上。并且，波形对无线通信系统的性能，如吞吐量、时延等指标也起着重要的影响。目前，3GPP NR标准已确定了小于53GHz的频段上的eMBB和URLLC业务的波形技术，其中下行采用OFDM技术，上行同时支持OFDM和DFT-s-OFDM波形。相比LTE的上下行波形技术，NR支持更高的频谱利用率（例如：基站侧支持最高96%频谱利用率），并且支持不同numerology的子带以频分复用的形式共存，这对波形的带外抑制性能提出了更高要求。 本文档的研究范畴一方面为符合当前NR R15协议的频域紧凑的波形技术，另一方面为未来NR波形的演进方案，例如mMTC波形和大于53GHz波形技术。 2 场景和需求 OFDM可以有效的对抗信道的多径衰落，具有比较简单的均衡解调算法，成熟的多天线技术，支持频率选择性调度，这些都是OFDM技术被确定为现有4G LTE网络的基础波形技术的重要原因。但是， OFDM本身的一些特性也需要进一步地增强或改变，以适应未来5G的新业务和新场景。如图 1所示，较高的带外泄露不利于未来碎片化频谱的利用；时频同步的要求制约了CoMP技术的性能增益，增大了系统开销与接入时延；固定的TTI长度、CP长度、子载波间隔等信道参数配置不能与用户个性化的信道环境和业务类型相匹配。 FrequncySb-cai spg=15kHzframe10 sTI-2I-Slot.5 yb1ll7CP (4.s)67(. )Nrafrae10 sTI-2I-Sotl.5 ybmol7CP (6.s) (1.)Extend-2015-105243-10OFD Sry(Mz)PS第4页, 共51页 图 1 OFDM的缺点 为了更好地支撑5G的各种应用场景，新波形的研究重点关注以下需求： - 更高频谱效率需求：LTE 系统各种为了满足带外泄漏需求，频谱效率有约10%的损失。因此，为了满足5G上下行极高数据速率的需求，设计高性能滤波器以提升频谱效率是系统设计的关键。该方法也支持一个载波中不同业务的多numerology设计，并降低不同业务间共存导致的频谱效率的损失。 - 对新业务的支持：5G的业务类型将更加丰富，尤其是各种形态的物联网业务的出现，对基础波形提出了更高要求。新的多载波技术不仅要能很好支撑传统业务，也需要对新业务，尤其是物联网业务具有良好的支持能力。因此，5G波形要考虑更低的PAPR设计，以降低终端功耗。 - 高速移动场景需求：5G 需要支持更高的移动速度（500km/h），其是中国特有的且需要重点关注的场景。因此，需要考虑波形对抗高多普勒的影响。一方面是考虑采用更高的numerology设计，另一方面是考虑把时频域转换到时延多普勒域，理论上可以把快速变化的信道变换到慢速变化的信道，从而可以高效地进行数据传输。 - 灵活性：在5G网络中，以人为中心的传统业务和以机器为中心的物联网业务同时存在，它们之间的巨大差异性对基础波形的灵活性提出了较高要求。能否灵活的为各种业务提供最佳性能是检验新型多载波的另一个重要指标。 - 可扩展性：新技术和新业务的涌现在不断加速，为了避免“一出现就落后”的局面，新的多载波技术需要具有良好的可扩展性，在不进行大的修改的前提下就可以支撑未来可能出现的新业务。考虑统一的波形实现架构，以支持波形的可扩展性。 - 低复杂度: 除了系统性能本身，合理的基带实现复杂度也是波形设计的关键。尤其是要重点考虑接收端波形检测的复杂度问题。另外，新波形带来的信道估计、非理想因素补偿等问题也需要重点考虑。 - 和其他技术的良好兼容：5G的各种需求需要通过融合新型调制编码、新型多址、Massive MIMO和新型多载波等在内的新技术共同达成，作为基础波形，新型多载波技术需要和其他技术能够很好的结合。 第5页, 共51页 3 新波形关键技术 3.1 f-OFDM 3.1.1 技术原理 f-OFDM是一种符合NR R15协议的基于OFDM的频域紧凑波形技术。 OFDM是一种严格正交的波形技术，为了维持它的正交性，整个系统带宽内的子载波间隔、CP长度等参数必须是不变的。因此在LTE系统中，它的子载波间隔、CP长度的选取均是按照所有场景和业务类型中的最差条件下进行设计。如果新的业务类型出现（例如：IoT），OFDM的参数可能不再适合这种新业务。此外，由于大多用户并不处于最差场景，按照最差场景设计的参数也会损失系统性能。 filtered-OFDM(f-OFDM)可以改善OFDM的上述问题，同时又能和LTE很好的后向兼容，是未来5G的很有竞争力的候选波形技术。本节对f-OFDM的基本实现方案进行了描述。由于f-OFDM的绝大部分模块和OFDM是一致的，这里所关注的仅是f-OFDM和OFDM不同的部分。 f-OFDM的发射机结构如图 2所示，这个结构可以看做是下行eNB的发射机结构，但对上行UE的发射机同样适用，区别只是上行通常只会有一个子带。其基本过程描述如下： 1、 数据首先根据调度的结果被分别映射到各个子带上，并进行相应的子载波映射。需要注意的是，不同子带之间需要预留保护子载波来隔离子带间的干扰。如果滤波器设计合理，保护子载波的数量可以控制到1个子载波甚至不需要保护子载波。 2、 对各个子带分别进行IFFT变换。由于子载波间隔可能不同，各个子带的IFFT size需选取合适的值使得变换后各子带的采样率相同。例如：如果15KHz子载波间隔的子带选取的是2048的IFFT size，那么30KHz子载波间隔的子带可以选用1024的IFFT size。 3、 加循环前缀操作。各个子带可以根据本子带的配置加相应长度的循环前缀。 4、 滤波操作。各个子带用本子带的滤波器进行滤波，限制本子带外的频域上的功率泄露。该步骤是f-OFDM的核心模块，后续章节会进行更加详细的介绍。 第6页, 共51页 图 2 f-OFDM发射机示意图 接收机如图 3所示，基本上是发射机的逆过程，此处不再赘述。 图 3 f-OFDM接收机示意图 3.1.2 技术优势 3.1.2.1 自适应OFDM参数 在未来5G中，业务类型将更加的丰富和多样化，同时，由于物联网等应用的兴起，UE的形态、成本、性能也将出现巨大的差异化，由此导致同一个网络甚至同一个小区中不同UE的信道场景、时延要求、吞吐量要求上出现较大的差异。显然，传统OFDMA的one-size-fits-all的设计理念无法为所有UE选择最优的系统参数，将会严重制约网络的性能。相反，Filtered-OFDMA可以按照信道场景或业务类型区分UE，为UE选择最合适的系统参数，优化网络的整体性能，容纳更加丰富的业务类型和信道场景。 图 4给出了这种场景下的f-OFDM参数自适应和资源映射的示意图，使用滤波器对资源在时频域上进行划分，将对应的UE的数据映射在对应的资源上，从而实现在同一个系统内第7页, 共51页 实现不同的OFDM参数的目的。 ftftOFD symbolduratinGuardimeSb-carie spingBlock-2Block-1Spectrum fil图 4 自适应OFDM参数示意图 3.1.2.2 上行异步信号传输 OFDM和DFT-s-OFDM的一个缺点是，当用作上行时，不同UE的信号必须基本上同时到达eNB，才能保证用户之间的正交性，因此在LTE中使用了TA调整的功能来保证这一要求。但在5G中，小区中终端数量会大量增加，并且很多业务只是传输很小的包，如果仍然沿用TA调整的思路去保证正交性，那么TA调整的信令开销将会大量增加，并且有可能出现信令本身比数据还大的情况。因此，取消严格的TA调整的信令，采用上行异步信号传输成了5G波形设计的一个重要需求。f-OFDM可以支持这一场景。 如图 5所示，各UE进行数据正常的OFDM变换后进行滤波，限制对其他子带产生干扰。在eNB，则分别滤出各UE所占用的子带，并在各个子带上进行同步以及正常的OFDM接收机过程。 第8页, 共51页 图 5 上行异步信号传输示意图 3.1.3 关键技术 3.1.3.1 滤波器设计 滤波器设计f-OFDM的关键问题，但f-OFDM本身并不对滤波器的设计方法做出限制。从需求角度看，f-OFDM的滤波器应当具有以下特点： 1、 具有极窄的过渡带。滤波器的频域幅度响应需要具有极窄的过渡带，以使子带的频谱快速降到可以接受的水平。过渡带的大小将保护子载波的数量，可以追求的设计目标是只预留一个保护子载波。 2、 具有相对较低的阻带衰减。阻带衰减水平决定了对其他子带的干扰水平，由于目前无线系统的工作SNR一般不会太高（如：低于30dB），因此阻带衰减也不需要设计的过高。除了满足不对本系统内的其它子带产生干扰，还应满足不对邻带的其他系统产生干扰。 3、 冲击响应能量尽量集中。f-OFDM本身允许较长的滤波器长度，为了达到上述两个目的，滤波器通常会有较长的冲击响应，很可能会超过CP的长度，这将会产生ISI。为了减小这种ISI，滤波器的能量应当尽量集中在冲击响应的中心部分，使ISI的大部分能量包含在CP中，便于处理这种ISI。 滤波器设计是一个研究成熟的领域，有众多方法可以实现较好的滤波器设计，下面给出一个具体的窗函数软截断的滤波器设计步骤作为示例： 1. 首先按照子带宽度生成对应的时域SINC脉冲。 2. 然后选择一个合适的滚降因子的一定长度的窗函数，例如升余弦窗。 3. 用上述升余弦窗乘以上述SINC脉冲，得到软截断后的滤波器。 下图给出了几种不同的滚降因子对应的滤波器，具有不同的滤波器系数。 第9页, 共51页 图 6 软截断后的滤波器冲击响应 这些滤波器有不同的带内响应、过渡带以及带外抑制等特性，下面的图中给出了这些参数，可以看出，滚降因子越大，带内失真越严重，过渡带越宽，带外抑制越好。在实际应用中需要根据需求选择合理的值。 图 7 过渡带示意图和带外泄露示意图 3.1.3.2 低复杂度滤波实现 滤波操作通常在时域通过线性卷积实现，假设滤波器响应为h(n)，长度为M，则滤波操作为： 10Mmy n x n m h m (1) 假设数据的总长度为N，那么总的复数乘法计算次数约为N*M。在f-OFDM中，为了控制子带间干扰，滤波器长度M通常会较大，计算复杂度非常高。为了减小复杂度，可以采用低复杂度的频域实现。下面给出一个例子进行说明。 -2015-05120.1.52.x 10t (s) =0.25810.68.102.4160.8-75-4302-1f (MHz) =0.25813.54.5.-20-64-6f (MHz) =0.2581第10页, 共51页 首先在待滤波数据前添加M-1个0，然后将数据进行分段，每段的长度为L+M-1，且连续两段数据中有M-1个数据是重叠的。L的选取是一个实现问题，原则上L的选取应当使L+M-1为2的整数次幂，方便进行IFFT变换。 对上述分段后的数据进行L+M-1点的FFT变换，并与滤波器的频域响应相乘，并再通过IFFT变回时域。即： 1 1 1IFFT FFT FFTi L M L M i L My n x n h n (2) 其中滤波器的频域响应 1FFTL M h n 在一次滤波操作中是不变的，只需计算一次，或者离线计算并存储下来即可。 由于频域乘法相当于时域循环卷积，因此上述计算得到的 iy n 相当于是 ix n 和h n的时域循环卷积结果。上述计算结果中， iy n 的前M-1个数据中包含了 ix n 的后M-1个数据的成分，其余部分则是线性卷积的结果。因此，可将每段 iy n 的前M-1个数据丢掉，并按照先后顺序将数据进行拼接，得到等效的线性卷积的结果。