5G 新空口关键技术

信号波形设计是移动通信系统的关键技术之一，其目的是把数字信号映射到适合无线信道传输的具体波形上。以往的蜂窝无线系统每一代在波形上都有很大的不同。1G 时代采用的是模拟制式的频率调制（以及 FDMA 的多址接入方式）；2G 时代则采用了以 GSM 和 CDMA 为代表的数字调制的方式（以及TDMA/FDMA 相结合的多址接入方式）；3G 时代采用的是 DS-CDMA扩谱波形，频谱使用效率有了很大的提高；4G 时代则采用了更加优异的OFDM 波形；5G 时代采用什么样的信号波形设计也就成为人们关注的一个焦点。一般认为，在 5G 时代，对于波形设计具有如下要求。（1）支持不同的用户场景业务，主要是指 eMBB、mMTC 以及 URLLC 3类不同的场景的业务需求。（2）适用于十分广泛的频率范围（从低于 1GHz 一直到接近 100GHz）。（3）灵活性和可扩展性好，可以针对不同场景支持灵活的子载波间隔等空口参数集（Numerology）。（4）更高的频谱效率，能有效地适配 MU-MIMO 功能。这对于频率资源稀缺的低频段以及需要提供高数据流量服务的场景非常重要。（5）频域约束性好，更低的带内/带外辐射，以降低相互间的干扰。这对于在同一个载波上提供不同的服务类型以及上行非同步接入都很有好处。（6）时域约束性好，支持更短的传输时间间隔（TTI）。这对于保障 URLLC和 eMBB 中的低时延很重要。（7）支持异步多址接入，以减小调度开销和系统时延。这对于 mMTC 的上行尤其重要。（8）功耗低，较低的峰均功率比（PAPR，Peak-to-Average-Power-Ratio）以提高发射机的功放效率。这对于终端侧以及当系统工作在毫米波波段尤其重要。（9）实现复杂性低，由于在 5G 中频率带宽大大增加了，计算的复杂度也相应增大，因此降低收发机实现的复杂度变得非常重要。此外，复杂度的降低也有助于降低处理时延，以满足某些应用中低时延的要求。（10）协议开销最小化，使信令和控制负荷最小化，以提升效率。大体来讲，可选择的信号波形可以分两类，即单载波波形和多载波波形。单载波波形的特点是具有较低的峰均比值，适合于覆盖受限和需要延长电池寿命等对功耗要求较高的场景；而多载波波形则具有较高的频谱效率、支持灵活的资源分配以及和 MIMO 较好的适配性。由于 5G 拥有诸多应用场景，这两大类波形都是可以考虑的，并可以适用于不同的场景。如单载波波形可能在 mMTC以及毫米波应用有一定价值，而多载波波形则适用于 5G 绝大多数场景。但是如果 5G NR 的系统要同时支持这两大类波形对系统设备将会带来一定的挑战。因此，在 3GPP R15 中，经过综合考虑，业界更倾向于在上下行都采用 OFDM 类的多载波波形。而在上行对功率受限的场景则把 DFT-S-OFDM 这种具有单载波特性的波形作为可选项。在 3GPP 标准化的前期讨论中，除 CP-OFDM 波形外，一些研究机构和公司也提出了一些不同的波形设计方案。这些新波形中不少是以 OFDM 为基础的改进，部分新波形设计是在 OFDM 的基础上加上额外的滤波器，以期获得较好的频谱约束性。通过对传输信道内的部分子载波或子载波集进行单独滤波，使其更适宜于该特定子载波集的信号状况和所需要支持的业务种类，并且可以实现异步系统的设计。因此，具有滤波的多载波波形可以被认为是用于灵活空口设计的一大关键因素，有可能是 5G 系统的关键组件之一。本章选取比较有代表性的 CP-OFDM、FBMC、UFMC、GFDM 做介绍。

4G LTE 的核心技术是正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency DivisionMultiplex）技术。OFDM 是由多载波（MCM）技术发展而来的，最先由贝尔实验室的 R.W. Chang 于 1966 年提出并申请了专利。OFDM 既是一种调制技术，也是一种多址技术。这一技术可以有效对抗无线通信中的多径效应，也可以在较差的信道环境中有效传输大量数据。同时，OFDM 可以采用快速傅里叶变换（FFT）的数字信号处理（DSP）方法简单直接地实现。但是，早期由于受到技术条件的限制，实现傅里叶变换所需设备复杂度大、成本高，使得 OFDM 无法实现大规模应用。在 2G 和 3G 系统的标准化过程中，都曾经有提案建议采用OFDM，但是由于考虑到计算的复杂性和终端功耗等因素而被否决。随着数字信号处理芯片技术的发展，OFDM 在数字音频广播系统（DAB）、数字视频广播系统（DVB-T）、无线局域网（WLAN）（802.11a/g/n）、WiMAX（802.16）中都得到了应用，并最终成为 4G 和 5G 时代的首选波形技术。目前，采用较多的是循环前缀正交频分复用（CP-OFDM）波形，其发送侧和波形的基本原理及其基本特性如图 2-1 所示。OFDM 波形发送和接收完整示意如图 2-2 所示。CP-OFDM 通过在每一个符号（Symbol）的前部添加循环前置（如图 2-3所示），有效对抗了最大延迟（Delay Spread）小于循环前缀（CP）长度的无线信道多径效应。在 LTE 系统中，上行终端侧在 IFFT 前通常先对数据进行一个离散傅里叶变换（DFT）的操作，业界称其为傅里叶变换扩展 OFDM （ DFT-S-OFDM ， DiscreteFourier Transform Spread OFDM ） 或SC-FDMA。这样做可以有效降低发射波形的峰值平均功率比（PAPR）以减轻功放回退的要求，从而降低了终端发射机的功耗。基站侧在下行则不用进行此 DFT 扩展的操作。在下行则不用进行此 DFT 扩展的操作。CP-OFDM 作为目前为止无线通信中非常优秀的一种波形，它具有如下主要优点：（1）频谱效率非常高；（2）有效抵抗无线信道所面临的最大问题，即多径效应和频率选择性衰落；（3）可以采用快速傅里叶变换算法处理，易于发射机和接收机的硬件实现，以及在频域进行信道的均衡处理；（4）利用子载波的正交性消除小区间的干扰；（5）易于和自适应调制技术及 MIMO 技术进行适配。由于具有这些优点，CP-OFDM 也成为 5G 的一大重要候选波形。不过 CP-OFDM 也存在一些缺点，如下述几点。（1）OFDM 的矩形脉冲成形会带来频域上旁瓣较大并且衰减缓慢的问题。在实际系统中为避免相邻频段所受到的频谱杂散泄漏，通常需要 10%左右的保护频带。这使得 OFDM 不太适宜于分段频谱场景，因为这些场景需要满足一定的带外（OOB）指标要求。为了克服 OFDM 的这一缺点，可以考虑采用时域加窗技术，即 W-OFDM（Windowed-OFDM）。（2）CP-OFDM 可能造成较大的相邻信道干扰（ACI，Adjacent ChannelInterference）。（3）发射端较高的 PAPR 加大了功放的能耗，这个问题在 LTE 时代通常以上行侧在 OFDM 波形前以预编码的方式予以解决。（4）系统整体性能对时间和频率偏移非常敏感，少量的偏移就会对误码率产生较大影响，因此对于频率和时间的同步要求很高。而在物联网通信中许多情况下难以实现高精度的同步要求，与之并不十分匹配。（5）OFDM 的频谱效率虽高，但是循环前缀的使用仍然部分降低了频谱效率，因此 5G 标准化过程中出现了一些不采用循环前缀的改进提案以进一步提升 OFDM 的效率。（6）此外，毫米波波段（mmWave）需要非常大的传输带宽，OFDM 在这种场景是否有效也有待于进一步的研究。随着移动物联网应用逐步成为 5G 的主要驱动力之一，高效地支持带有不同需求的异构服务逐渐变得越来越重要。总的来说，在 5G 移动宽带 eMBB 场景下，在 4G 系统中广泛采用的CP-OFDM 仍然是重要的基础波形。但是对于 mMTC/URLLC 等场景，CP-OFDM是不是最优的选择成为 3GPP 标准化讨论的一个热点。

基于滤波器组的多载波波形（FBMC，Filter-Bank Multi-Carrier）是一种多载波调制技术，该技术在发送和接收端都对每个子载波进行单独滤波。为了在频域获得更好的约束性，所选择的滤波器在时域可能会很长。由于 FBMC 本身对于多径效应有一定的抵抗能力，因此通常不需要采用循环前缀，避免了循环前缀所带来的信道资源的浪费，可以获得更高的传效率。FBMC 发射信号的基本原理如图 2-4 所示。FBMC 技术可以采用正交幅度调制（QAM，Quadrature Amplitude Modulation）或者偏移正交幅度调制（OQAM，Offset Quadrature Amplitude Modulation）两种调制方式。FBMC 在采用 OQAM 时被称为 FBMC/OQAM（OQAM 的采用可以降低相邻子载波的相互干扰）。图 2-5 所示为 FBMC 一种典型的基于 IFFT/ FFT的实现方式，其中调制方式采用了 OQAM，多相网络（PPN，PolyphaseNetwork）是降低计算复杂度实现子载波滤波的一种方式。待发送的数据流经过串并转换，然后通过 OQAM 调制，再通过 IFFT 变换以及 PPN 多相滤波器组后进行发送，而接收端则通过相应的逆变换恢复原始数据。在 FBMC 中，各子载波滤波器之间是非正交的，因此其子载波之间存在相互干扰，而 OQAM 的采用可以减小相邻子载波间的干扰。5G 采用 FBMC 波形有如下好处：（1）没有扩展循环前缀，传输效率得到了提高；（2）对系统的同步要求不是很严格，因此适合一些非同步传输的场景；（3）在频域大大降低了旁瓣功率，减少了带外泄漏，比较适合于碎片化的频谱场景；（4）在高移动性场景表现良好。但是，FBMC 也存在一些问题，如：（1）破坏了子载波间的正交性，这就意味着即使没有任何信道的损害，在接收端也难以完美地复原发送端的 QAM 信号；（2）FBMC 针对不同的子载波分别进行滤波处理，由于子载波的间隔较窄从而滤波器的长度较长才能满足对于窄带滤波的性能要求，因此其在突发性小文件包或对时延要求较高的应用场景下的效果受到影响；（3）滤波器的长度较长，增加了实现的复杂度；（4）难以和 MIMO 技术适配。总的来讲，FBMC 避免了循环前缀和大保护频带的使用，提高了系统的频谱效率。同时，以适度的实现复杂度为代价，降低了载波间干扰和相邻信道干扰水平，是现今主流的 CP-OFDM 方案的潜在后续技术。其理想目标场景可能是无须精准同步的异步传输、零碎频谱、高速移动用户等。

基于通用滤波多载波（UFMC，Universal Filtered Multi-Carrier）技术是由欧盟资助的研究项目 5GNOW 提出的多载波调制技术，它和 FBMC 有类似之处，区别在于，在 UFMC 中滤波器处理的对象是一组子载波，通过在发射机中增加一组状态可变的滤波器来改善频谱成型。UFMC 可以看作是不采用子载波滤波的 CP-OFDM 和采用子载波滤波的FBMC 之间的一个折中。在 UFMC 中，是对一组子载波（子载波组）进行滤波。整个系统带宽被分成若干个子载波组，对每个子载波组分别进行滤波，滤波后的子载波组根据时频资源的分配来进行传送。当每个组中的子载波个数为 1 时，UFMC 就变成了 FBMC，因此，FBMC 也可以看成是 UFMC 的一种特殊情况。滤波器的选择可以很灵活，其目标在于降低带外（OOB）发射和带内失真。另外，采用不同滤波器时，UFMC 的实际性能很大程度取决于所考虑的场景和实际的滤波器设计。相比 CP-OFDM，更低的带外发射使得 UFMC 更适于异步多址接入。UFMC 具有 CP-OFDM 的一些优点，如通过对附加滤波的适当选择，使带内失真的数量得以限制。另外，不同子载波组间也可以支持灵活的参数集。UFMC 的一种发射接收实现方式的原理如图 2-6 所示。图中假定总共有 K个子载波，被分成 B 个子载波组，每个组中的子载波数可以不同。在接收端采用了 2N 点 FFT 来恢复发送的数据（只采用其中的偶数序列的解调符号）。UFMC 之所以对于子载波组而非子载波本身进行滤波是由于考虑到频域资源的调度通常是以资源块（RB）为最小单元，而非子载波本身。这样做使得可以对不同的业务类型进行有针对性的处理。UFMC 不需要添加循环前缀。它在 5G 应用中有如下好处：（1）对于时间和频率的同步要求不那么严格；（2）不需要循环前缀，传输效率得以提高；（3）由于 UFMC 是对子载波组进行滤波处理，其滤波器的通带较宽，因此滤波器的长度可以设计得相对较短，即其时间约束性较好，因此在小文件包的场景其频谱效率也相对高一些；（4）比 CP-OFDM 更好地应用于碎片化频谱的场景；（5）可以在子载波组内动态地调整子载波间隔，从而可以实现调整符号长度以匹配信道的相关时间（Coherence Time）。UFMC 也存在一些不足：和 CP-OFDM 相比，其发送和接收的实现复杂度都要高一些。

广义频分复用（GFDM，Generalized Frequency Division Multiplex）是一种广义多载波调制技术。该技术和 FBMC 有类似之处，同样采用了多载波滤波器组的概念，所不同的是，GFDM 以若干个符号为单位增加了循环前缀。GFDM实现的基本原理如图 2-7 所示。根据不同的业务类型和应用，GFDM 可以选择不同的滤波器和插入不同类型的 CP。GFDM 波形具有如下特点：（1）带外泄漏低，使得它非常适合在非连续频带上传输；（2）由于使用了循环前缀，它在多径效应的顽健性和易于均衡方面保持了CP-OFDM 的优点；（3）GFDM 基于独立的块调制，使其可以具有灵活的帧结构，适用于不同的业务类型。但是 GFDM 需要较复杂的接收处理算法来消除码间串扰和载波间干扰，其块处理的时延也较大。

在对 5G 新波形的研究以及 3GPP 的会议讨论中，除了 CP-OFDM、FBMC、UFDM 和 GFDM 外，还出现了 f-OFDM、FMT、FB-OFDM 等其他一些波形提案，它们的基本思路大都是采用通过滤波器进行带通滤波的多载波技术，每个方案都有各自的优缺点。多载波波形的 PAPR 都较高。因此，PAPR 相对较低的单载波波形也在 5GNR 新波形的考虑范围内。另外，在毫米波波段，单载波波形也有其优点。单载波波形包含如传统的 MSK、GMSK 等调制波形等。目前，一些主要的单载波波形及其特性如表 2-1 所示。但是，传统的单载波波形由于频谱效率较低、在频率选择性衰落信道下信号失真严重以及在频域难以支持灵活的资源分配等缺点。相对来讲，在 LTE 上行使用的傅里叶变换扩展 OFDM 波形（DFT-S-OFDM）则兼具单载波和多载波波形的优点而显得更为优越。

2.1.2 波形实现方式总结