5G系統(tǒng)中F-OFDM算法設(shè)計(jì)

高亞楠，楊　濤，胡　波

（復(fù)旦大學(xué) 電子工程系，上海 200433）

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5G系統(tǒng)中F-OFDM算法設(shè)計(jì)

高亞楠，楊濤，胡波

（復(fù)旦大學(xué) 電子工程系，上海 200433）

將 F（filter）-OFDM的框架應(yīng)用在傳統(tǒng)的LTE系統(tǒng)上。利用該新的波形技術(shù)，LTE系統(tǒng)可以支持更加靈活的參數(shù)配置，滿足未來(lái)5G豐富的業(yè)務(wù)需求。通過(guò)發(fā)射機(jī)子帶濾波器的設(shè)計(jì)，相鄰子帶間的帶外泄漏（OOB）可以被大幅度抑制。接收機(jī)采用匹配濾波機(jī)制實(shí)現(xiàn)各個(gè)子帶的解耦。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，比較OFDM系統(tǒng)和F-OFDM系統(tǒng)的誤塊率（BLER）性能，可以看到當(dāng)存在鄰帶干擾時(shí)，后者通過(guò)子帶濾波器對(duì)干擾的抑制，系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于前者。

F-OFDM；帶外泄漏（OOB）；子帶濾波器；誤塊率（BLER）

中文引用格式：高亞楠，楊濤，胡波.5G系統(tǒng)中 F-OFDM算法設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（7）：17-20，25.

英文引用格式：Gao Yanan，Yang Tao，Hu Bo.F-OFDM algorithm design for 5G system［J］.Application of Electronic Technique，2016，42（7）：17-20，25.

0　引言

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）憑借其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、抗多徑衰落能力強(qiáng)、抗碼間干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在4GLTE系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［1］。但由于OFDM空口技術(shù)在整個(gè)系統(tǒng)帶寬上只支持一種固定的參數(shù)配置，如循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）長(zhǎng)度、子載波間隔、FFT點(diǎn)數(shù)等，且矩形脈沖頻率響應(yīng)的旁瓣較大，衰減緩慢，導(dǎo)致OFDM系統(tǒng)具有對(duì)頻率偏差敏感、頻譜泄漏高、帶外干擾大等諸多缺點(diǎn)，使其在未來(lái)無(wú)線通信中的應(yīng)用受到了嚴(yán)重的限制［2］。

5G支持豐富的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，每種業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)波形參數(shù)的需求各不相同，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景來(lái)動(dòng)態(tài)地選擇和配置波形參數(shù)，同時(shí)又能兼顧傳統(tǒng)OFDM的優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)5G基礎(chǔ)波形的必然要求。Filter-OFDM，基于子帶濾波的OFDM，就是能滿足5G需求的波形技術(shù)。該技術(shù)將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)子帶，子帶之間只存在極低的保護(hù)帶開(kāi)銷(xiāo)，各個(gè)子帶可以根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)場(chǎng)景來(lái)配置不同的波形參數(shù)，支持5G對(duì)動(dòng)態(tài)軟空口的靈活需求。

1　F-OFDM系統(tǒng)模型

圖1　F-OFDM系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖

F-OFDM系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型如圖1所示。與傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)相比，F(xiàn)-OFDM將整個(gè)頻帶劃分為多個(gè)子帶，在收發(fā)兩端均增加了子帶濾波器。每個(gè)子帶可根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)需求來(lái)配置不同的波形參數(shù)，如子載波間隔、CP長(zhǎng)度、FFT點(diǎn)數(shù)等。發(fā)送端各個(gè)子帶的數(shù)據(jù)通過(guò)子載波編號(hào)后映射到不同的子載波上，并經(jīng)子帶濾波器進(jìn)行濾波，抑制鄰帶頻譜泄漏帶來(lái)的干擾。接收端采用匹配濾波器實(shí)現(xiàn)各子帶數(shù)據(jù)的解耦。為了簡(jiǎn)化分析，本文只考慮兩個(gè)子帶的情況。

2　算法設(shè)計(jì)

2.1兩個(gè)子帶的資源映射設(shè)計(jì)

由于兩個(gè)子帶的數(shù)據(jù)是獨(dú)立生成，為了保證采樣率一致，需要針對(duì)不同的子帶采用不同的時(shí)頻資源映射方案。表1中給出了兩個(gè)子帶的基本波形參數(shù)配置。

表1　兩子帶參數(shù)配置

對(duì)于子帶1，采用標(biāo)準(zhǔn)的LTE協(xié)議來(lái)進(jìn)行參數(shù)配置，其資源映射也按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來(lái)進(jìn)行［3］。在一個(gè)資源塊（Resource Block，RB）中，參考信號(hào)位置如圖2所示。

圖2　子帶1資源映射

子帶1的子載波間隔為15 kHz，每個(gè)RB包含12個(gè)子載波，其采樣率為：

子帶2的時(shí)頻資源映射參考具有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的子帶1來(lái)進(jìn)行，在一個(gè)RB中，參考信號(hào)位置如圖3所示。

子帶2的子載波間隔為30 kHz，每個(gè)RB包含6個(gè)子載波，其采樣率為：

這樣兩個(gè)子帶的采樣率保持一致。

2.2子載波映射

兩個(gè)不同配置的子帶同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，為了在接收端進(jìn)行正確的解耦，需要把整個(gè)頻帶的所有子載波進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，并把兩個(gè)子帶的數(shù)據(jù)映射到不同編號(hào)的子載波上，使其在頻域分開(kāi)。

圖3　子帶2資源映射

若子帶1作數(shù)據(jù)映射的子載波數(shù)量為M1，在所有 2 048個(gè)子載波中的編號(hào)為［KminKmax］，其中Kmin和Kmax的取值為［-1023，1 024］范圍內(nèi)的整數(shù)。同時(shí)，以子帶1的子載波間隔（15 kHz）為間距的保護(hù)子載波數(shù)量為N1。并假設(shè)子帶2作數(shù)據(jù)映射的子載波總數(shù)為M2，以子帶2的子載波間隔（30 kHz）為間距的保護(hù)子載波數(shù)量為N2。兩個(gè)子帶的子載波映射關(guān)系如圖4所示。

則第2個(gè)子帶的子載波編號(hào)為：

其中：Kmax+N1為偶數(shù)。

以每個(gè)子帶占據(jù)4個(gè)RB為例，則M1=4×12=48，M2=4×6=24。若子帶 1映射數(shù)據(jù)的子載波編號(hào)為［-24，-1］，［1，24］，中間的 0號(hào)子載波為直流分量，不作數(shù)據(jù)映射。并設(shè) N1=0，N2=1，則子帶 2映射數(shù)據(jù)的子載波編號(hào)為［14，37］。

2.3子帶濾波器設(shè)計(jì)

濾波器的設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的窗函數(shù)法，即對(duì)時(shí)域 Sinc函數(shù)加不同的窗函數(shù)，來(lái)獲得相應(yīng)濾波器的時(shí)域響應(yīng)。即：

其中：hd（n）是Sinc函數(shù)，hω（n）是窗函數(shù)，h（n）為濾波器系數(shù)。

本文采用升余弦窗來(lái)進(jìn)行子帶濾波器的設(shè)計(jì)，其傳輸函數(shù) Hω（ω）可以表示為［1，4］：

圖4　兩個(gè)子帶子載波映射關(guān)系

相應(yīng)的hω（n）為：

其中α（0≤α≤1）為滾降系數(shù)。

表2中給出了兩種常用的升余弦窗函數(shù)特征比較［1，5］。

表2　常用升余弦窗函數(shù)比較

系統(tǒng)的兩個(gè)子帶分別占據(jù)不同的頻點(diǎn)，因此子帶濾波器的作用是實(shí)現(xiàn)其在頻域上的解耦，并抑制帶外泄漏，減小鄰帶干擾。圖5給出了表2中兩種常用的窗函數(shù)頻率響應(yīng)特性，通過(guò)對(duì)比可以看到，漢寧窗對(duì)旁瓣的抑制和旁瓣的衰減速度要明顯優(yōu)于漢明窗，因此本文選擇漢寧窗來(lái)設(shè)計(jì)濾波器。

圖5　窗函數(shù)頻譜相應(yīng)性能對(duì)比

基帶濾波器系數(shù)采用 MATLAB的 fdatool工具箱生成，之后根據(jù)兩個(gè)子帶的中心頻率，將該基帶系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的頻率搬移。

由2.2節(jié)分析可知，子帶1的中心頻率為：

子帶2的中心頻率為：

仍以兩個(gè)子帶各占據(jù)4個(gè)RB為例，即子帶1的數(shù)據(jù)映射子載波編號(hào)為［-24，-1］，［1，24］，并設(shè) N1=0，N2= 1，則子帶1的中心頻率為：

子帶2的中心頻率為：

若生成的基帶濾波器系數(shù)為 h=（h0，h1，…h(huán)T-1），T為濾波器長(zhǎng)度，可得搬移后子帶1的濾波器系數(shù)為：

子帶2的濾波器系數(shù)為：

在接收端濾波器選取時(shí)采用匹配濾波器。匹配濾波器具有兩個(gè)方面的功能：使輸出信號(hào)有用成分盡可能強(qiáng)，抑制信號(hào)帶外噪聲，使得信號(hào)在抽樣判決時(shí)刻的信噪比最大。因此匹配濾波器與本文兩個(gè)子帶的應(yīng)用場(chǎng)景相吻合，適用于對(duì)鄰帶干擾的進(jìn)一步抑制，同時(shí)進(jìn)行子帶間的解耦。

子帶1的接收機(jī)匹配濾波器為：

子帶2的接收機(jī)匹配濾波器為：

3　仿真結(jié)果及分析

3.1資源映射性能對(duì)比

為了驗(yàn)證資源映射算法的正確性，仿真時(shí)將整個(gè)頻帶分別配置為子載波間隔為15 kHz的OFDM系統(tǒng)和子載波間隔為30 kHz的OFDM系統(tǒng)。

3.2發(fā)射機(jī)帶外泄漏抑制性能

基帶濾波器系數(shù)生成時(shí)采用512階的漢寧窗，并得到了在不同子帶保護(hù)間隔配置下，未加子帶濾波器和使用子帶濾波器濾波后的帶外泄漏情況。

圖7是在N1=0和N2=1的配置下系統(tǒng)發(fā)射機(jī)帶外泄漏情況?？梢钥吹皆谖醇哟皶r(shí)，整個(gè)頻帶的旁瓣衰減緩慢，帶外泄漏嚴(yán)重；在增加子帶濾波器后，帶外泄漏被大幅度抑制，相比未加濾波器時(shí)，旁瓣衰減接近 30 dB。

圖6給出了仿真結(jié)果，可以看到，子載波間隔為30 kHz的OFDM系統(tǒng)在采用參考 LTE協(xié)議自行設(shè)計(jì)的資源映射算法并通過(guò)加性高斯白噪聲（AWGN）信道后，誤碼性能與子載波間隔為15 kHz的OFDM系統(tǒng)相近。

圖6　資源映射性能對(duì)比

圖8是在N1=0和N2=3的配置下系統(tǒng)發(fā)射機(jī)帶外泄漏情況?？梢钥吹较啾扔?N1=0、N2=1的配置，在 N2=3時(shí)，兩個(gè)子帶之間有明顯的保護(hù)間隔。在零頻處，子帶1有一個(gè)凹陷，是因?yàn)榱泐l處的子載波并沒(méi)有映射數(shù)據(jù)。

圖7　N1=0，N2=1發(fā)射機(jī)OOB性能

圖8　N1=0，N2=3發(fā)射機(jī)OOB性能

3.3OFDM和F-OFDM系統(tǒng)性能對(duì)比

圖9給出了在 ETU 3 km/h的信道下，不同的子帶保護(hù)間隔配置時(shí)，OFDM和F-OFDM的BLER性能對(duì)比。鏈路的參數(shù)配置為 QPSK調(diào)制、1/3 Turbo碼率，16QAM調(diào)制、1/2 Turbo碼率和 64QAM調(diào)制、3/4 Turbo碼率?？梢钥吹紽-OFDM系統(tǒng)通過(guò)子帶濾波器對(duì)帶外泄漏的抑制，其兩個(gè)子帶的BLER性能優(yōu)于存在鄰帶干擾的OFDM系統(tǒng)。圖9（a）是在N1=0，N2=1的條件下兩個(gè)子帶的性能對(duì)比；圖9（b）是在 N1=0，N2=3的條件下兩個(gè)子帶的性能對(duì)比。從圖9（b）可以看出當(dāng)兩個(gè)相鄰子帶之間的保護(hù)間隔增大時(shí)，F(xiàn)-OFDM系統(tǒng)的BLER值會(huì)進(jìn)一步降低，當(dāng)然這是以犧牲頻譜利用率為代價(jià)的。

4　結(jié)論

OFDM技術(shù)作為第4代無(wú)線通信中的主要波形技術(shù)，有其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，但是卻對(duì)定時(shí)偏差敏感，且?guī)庑孤﹪?yán)重，在整個(gè)頻帶上只支持一種參數(shù)配置。隨著5G的到來(lái)，OFDM波形技術(shù)已經(jīng)不能滿足靈活多變的業(yè)務(wù)需求，此時(shí) F-OFDM技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，支持各個(gè)子帶上靈活的參數(shù)配置，因此具有更加廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。發(fā)送端子帶濾波器的使用使得相鄰子帶間的帶外泄漏得到了有效的抑制，接收端采用匹配濾波器完成各個(gè)子帶的解耦。通過(guò)仿真結(jié)果可以看到，當(dāng)存在鄰帶干擾時(shí)，F(xiàn)OFDM系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于OFDM系統(tǒng)。

圖9　OFDM系統(tǒng)和F-OFDM系統(tǒng)BLER性能對(duì)比

［1］FARHANG-BOROUJENY B.OFDM versus filter bank multicarrier［J］.IEEE Signal Processing Magazine，2011，28 （3）：92-112.

［2］PAOLO B，STEFANO B，GIULIO C，et al.Modulation formats and waveforms for 5G networks：who will be the heir of OFDM？［J］.IEEE Signal Processing Magazine，2014，31（6）：80-93.

［3］3GPP TS 36.211 V9.1.0［DB/OL］.2010.www.3gpp.org.

［4］WUNDER G，KASPARICK M，TEN-BRINK S，et al. 5GNOW：challenging the LTE design paradigms of orthogonality and synchronicity［C］.Vehicular Technology Conference，IEEE Press，2012：1-5.

［5］PROAKIS J G，MANOLAKB D K.Digital signal processing，principles，algorithms，and applications［M］.2013.

德州儀器（TI）為電源工程師提供電源管理實(shí)驗(yàn)室套件系列

2016年 6月 22日，德州儀器（TI）推出 TI電源管理實(shí)驗(yàn)室套件（TI-PMLK）系列，為工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生和行業(yè)專(zhuān)家拉近了電源原理與實(shí)際應(yīng)用間的差距。該套件是首款為大學(xué)教育和職業(yè)發(fā)展打造的全新電源管理培訓(xùn)工具包。

所有的電子系統(tǒng)都需要一個(gè)電源解決方案。電源需求的增長(zhǎng)意味著對(duì)高度熟練的電源工程師的需求也將迎來(lái)激增。TI提供一系列的實(shí)驗(yàn)室套件以滿足這方面的需求，這些實(shí)驗(yàn)室套件用系統(tǒng)級(jí)推理與論證提供實(shí)際操作的電源管理學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。

TI-PMLK是一款綜合、易于使用且多用途的工具，幫助營(yíng)造一個(gè)簡(jiǎn)便快捷的學(xué)習(xí)環(huán)境，從而使學(xué)生們能夠?qū)?shí)驗(yàn)室中獲得的實(shí)踐學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于他們的電源解決方案設(shè)計(jì)方面。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室套件包括一個(gè)評(píng)估板和一本實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)手冊(cè)，其中包含主要電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)?、原理、案例研究和一組獨(dú)特實(shí)驗(yàn)集，以便快速理解實(shí)際應(yīng)用中所需要的電源。TI-PMLK系列包括行業(yè)中最常見(jiàn)的電源解決方案：降壓式、線性穩(wěn)壓器 （LDO）、升壓和即將推出的降壓-升壓。

電路板和實(shí)驗(yàn)系列可幫助強(qiáng)化多門(mén)電氣工程課程中的基礎(chǔ)理論，同時(shí)也被用于訓(xùn)練行業(yè)專(zhuān)家，幫助他們?cè)谠O(shè)計(jì)中做出明智的電源決定。TI-PMLK可以通過(guò)模塊化的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)教學(xué)，以滿足課程或課業(yè)需要，也可將行業(yè)內(nèi)的工程設(shè)計(jì)培訓(xùn)變得更為便利，以解決特定的應(yīng)用挑戰(zhàn)。

F-OFDM algorithm design for 5G system

Gao Yanan，Yang Tao，Hu Bo
（Department of Electronic Engineering，F(xiàn)udan University，Shanghai 200433，China）

In this paper，the framework of F-OFDM is applied in the traditional LTE system.Using this new waveform，LTE system can support more flexible parameter configuration，which will meet the increasing needs of the forthcoming 5G wireless communication.By designing proper transmit sub-band filters，the out of band leakage can be greatly suppressed.At the receiver，matched filter is used to realize the data decoupling of each sub-band.Finally，the block error rate（BLER）performance of OFDM and F-OFDM is compared through the computer simulation.The results show that the F-OFDM system performances better than the OFDM one in the presence of the adjacent band interference.

F-OFDM；out of band leakage（OOB）；sub-band filter；BLER

TN919

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.004

2016-03-21）

高亞楠（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線通信、數(shù)字信號(hào)處理，E-mail：yngao14@fudan.edu.cn。

楊濤（1970-），男，副教授，主要研究方向：認(rèn)知無(wú)線電、網(wǎng)絡(luò)信息感知及融合、智能信號(hào)處理。

胡波（1968-），男，教授，主要研究方向：數(shù)字信號(hào)處理。