面向5G的FQAM調(diào)制技術(shù)應(yīng)用研究

李新

【摘 要】在未來(lái)的5G時(shí)代，由于ITU IMT-2020定義了更加豐富的關(guān)鍵能力和評(píng)估場(chǎng)景，因此在設(shè)計(jì)調(diào)整編碼方案時(shí)，一些新的技術(shù)方案應(yīng)該被考慮作為候選方案來(lái)進(jìn)行研究和評(píng)估。對(duì)于干擾限制場(chǎng)景，最有前途的技術(shù)之一是頻率正交幅度調(diào)制（FQAM），這是因?yàn)?FQAM可提高小區(qū)邊緣的用戶吞吐量，而在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)邊緣用戶受干擾限制，僅能使用一些可用頻率的子載波。

【關(guān)鍵詞】5G；FQAM；OFDM

1 5G簡(jiǎn)介

日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量以及智能終端的普及，導(dǎo)致4G在容量、速率、頻譜等方面已經(jīng)不能滿足人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求，基于此，第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（5G）應(yīng)運(yùn)而生。

5G是面向2020 年以后移動(dòng)通信需求而發(fā)展的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。根據(jù)移動(dòng)通信的發(fā)展規(guī)律，5G 將具有超高的頻譜利用率和能效，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G 移動(dòng)通信提高一個(gè)量級(jí)或更高，其無(wú)線覆蓋性能、傳輸時(shí)延、系統(tǒng)安全和用戶體驗(yàn)也將得到顯著的提高。5G 移動(dòng)通信將與其他無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)密切結(jié)合，構(gòu)成新一代無(wú)所不在的移動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)，滿足未來(lái)10 年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000 倍的發(fā)展需求。因此，需要我們開(kāi)展研究，明確5G的業(yè)務(wù)和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，為5G技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)設(shè)計(jì)指引方向。

整個(gè)行業(yè)和學(xué)術(shù)界經(jīng)過(guò)多年的討論，第五代（5G）蜂窩網(wǎng)絡(luò)的要求和期望已經(jīng)明確表示。對(duì)于5G新引進(jìn)的用戶體驗(yàn)速率，在現(xiàn)有系統(tǒng)里類似為小區(qū)邊緣速率。ITU IMT-2020定義了用戶體驗(yàn)速率在未來(lái)需要達(dá)到100Mbits/s，這比4G系統(tǒng)高出近10倍，這將會(huì)成為一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。因?yàn)樵诨贠FDM技術(shù)的蜂窩小區(qū)邊緣（例如LTE小區(qū)），小區(qū)間干擾（ICI）帶來(lái)的問(wèn)題非常嚴(yán)重，而這一干擾的分布取決于干擾信號(hào)的調(diào)制方式。例如，對(duì)于QAM調(diào)制方式，在所有子載波都被占用的時(shí)候，小區(qū)間干擾接近高斯分布。所以為了緩解ICI從而調(diào)高用戶體驗(yàn)速率，引入新的調(diào)制編碼方案將變得十分有必要。FQAM作為相關(guān)的潛在候選方案之一，就是希望能夠主動(dòng)地改造小區(qū)間干擾，使得這一分布非高斯化，進(jìn)而提高信道容量。小區(qū)間干擾的統(tǒng)計(jì)特性能夠通過(guò)改變干擾用戶的調(diào)制方式加以改造。如果干擾用戶使用這種結(jié)合FSK和QAM特性的FQAM調(diào)制方式，將會(huì)得到統(tǒng)計(jì)分布非高斯化的小區(qū)間干擾，從而提升小區(qū)邊緣的性能。

2 FQAM原理

FQAM是頻移鍵控（FSK）和正交幅度調(diào)制（QAM）的組合，對(duì)于M進(jìn)制FQAM，M=MFMQ，每個(gè)（MF，MQ）-FQAM符號(hào)通過(guò)在MQ個(gè)QAM符號(hào)中選擇一個(gè)QAM符號(hào)來(lái)攜帶log2MQ比特，在MF個(gè)頻率中選擇一個(gè)頻率來(lái)攜帶log2MF比特。因此，任何（MF，MQ）-FQAM符號(hào)可以表示為一個(gè)長(zhǎng)度為log2M的二進(jìn)制向量，其中l(wèi)og2MF位對(duì)應(yīng)于MF階FSK調(diào)制中的一個(gè)頻率，最后的log2MQ位確定MQ階QAM中的一個(gè)符號(hào)，所以，M階 FQAM中所選擇的QAM符號(hào)通過(guò)選定的頻率發(fā)送。

表1 （4，4）-FQAM的二進(jìn)制代碼

以16進(jìn)制FQAM為例，表1中列出了（4，4）-FQAM的二進(jìn)制代碼，其中，四進(jìn)制QAM（即四進(jìn)制PSK（QPSK）調(diào)制）符號(hào)）是按照格雷碼映射規(guī)則表示。 以以上二進(jìn)制代碼表示為基礎(chǔ)，圖1表示了（4，4）-FQAM信號(hào)星座的例子，即由4-QAM和4-FSK調(diào)制組合的16-FQAM方案。圖1A至圖1C表示了一個(gè)FQAM方案的概念。參考圖1A至1C，在圖1A所示的4-QAM方案中，可以通過(guò)在正交坐標(biāo)系中具有4個(gè)星座點(diǎn)來(lái)生成具有不同相位的4個(gè)復(fù)數(shù)符號(hào)。在圖1B所示的4-FSK調(diào)制方案中，可以通過(guò)使用4個(gè)頻率值來(lái)生成具有不同頻率值的4個(gè)復(fù)符號(hào)。在16-FQAM方案中，組合了4-QAM方案和4-FSK調(diào)制方案，如圖1C所示。因?yàn)镕QAM符號(hào)具有4個(gè)不同的頻率值，并且同時(shí)具有4個(gè)相位值，所以可以產(chǎn)生總共16個(gè)符號(hào)。

如上所述，不管QAM符號(hào)和頻率映射關(guān)系如何，僅由QAM方案可以表示的比特流的數(shù)量通過(guò)使用的頻率數(shù)達(dá)到了擴(kuò)展。也就是說(shuō)，只能通過(guò)FSK調(diào)制方式表示的比特流的數(shù)量通過(guò)使用每個(gè)FSK符號(hào)的相位和大小的QAM符號(hào)的數(shù)量達(dá)到了擴(kuò)展。總之，每個(gè)FQAM符號(hào)通過(guò)各自的相位和大小的組合及每個(gè)FQAM符號(hào)所映射的頻率上的位置來(lái)識(shí)別，進(jìn)行區(qū)分。

3 FQAM-OFDM系統(tǒng)

正交頻分多址（OFDMA）將是下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的主要多址接入方案，因?yàn)閮煞N接受的5G標(biāo)準(zhǔn)（長(zhǎng)期演進(jìn) - 高級(jí)和802.16m）均采用OFDMA作為多址接入技術(shù)。OFDMA的特點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和高頻譜效率，OFDMA系統(tǒng)多用戶多樣性不僅可以用于增加網(wǎng)絡(luò)容量，還可以降低能耗，當(dāng)向相應(yīng)的用戶分配“好”信道時(shí)，傳輸功率可以大大降低。將M階FQAM技術(shù)應(yīng)用到OFDMA網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路中，可以實(shí)現(xiàn)高帶寬效率，并使ICI加性噪聲非高斯，如圖2所示。

圖3是一個(gè)在無(wú)線通信系統(tǒng)中應(yīng)用FQAM時(shí)配置信號(hào)的示例，給出了當(dāng)FQAM方案應(yīng)用于正交頻分復(fù)用/正交頻分復(fù)用高級(jí)（OFDM / OFDMA）方案的無(wú)線通信系統(tǒng)時(shí)的一些幀，是應(yīng)用圖1C所示的16-FQAM方案的示例。在圖3中，橫軸表示時(shí)間，縱軸表示頻率。 時(shí)間軸上的分類單位是符號(hào)，頻率軸上的分類單位是副載波，包括一個(gè)符號(hào)和一個(gè)子載波的單元就是一個(gè)頻點(diǎn)。

如圖3所示，一個(gè)FQAM塊包括占用一個(gè)符號(hào)和4個(gè)子載波的4個(gè)頻率。 雖然在圖3中，包括在一個(gè)FQAM塊中的子載波被示出為相鄰的，但實(shí)際中并不限于此。此外，包括在一個(gè)FQAM塊中的子載波可能不會(huì)是連續(xù)的。以第一塊201為例，任何符號(hào)未被映射到4個(gè)符號(hào)中的第一音頻，第二音頻和第四音頻，而是被映射到第三音頻，映射到此音頻的符號(hào)具有“1 + j”相位值。也就是說(shuō)，F(xiàn)QAM符號(hào)通過(guò)符號(hào)本身所映射的音頻的頻率軸上的位置和符號(hào)本身的相位值的表示4比特的信息。

FQAM調(diào)制度可以通過(guò)QAM調(diào)制度和FSK調(diào)制度的組合來(lái)表示。當(dāng)FQAM調(diào)制度給定時(shí)，可以根據(jù)信道質(zhì)量來(lái)確定QAM調(diào)制度和FSK調(diào)制度之間的比率。例如，當(dāng)通道相對(duì)較差時(shí)，優(yōu)選地增加FSK調(diào)制度。另一方面，當(dāng)通道相對(duì)較好時(shí)，優(yōu)選增加QAM調(diào)制度。因此，支持FQAM方案的發(fā)送端和接收端可以根據(jù)信道質(zhì)量來(lái)確定QAM調(diào)制度和FSK調(diào)制度。 例如，當(dāng)發(fā)送端或接收端是基站時(shí)，基站可以確定QAM調(diào)制度和FSK調(diào)制度，并將所確定的調(diào)制度數(shù)或調(diào)制度數(shù)的組合通知給移動(dòng)臺(tái)。在這種情況下，可以通過(guò)地圖消息通知調(diào)制度數(shù)或調(diào)制度數(shù)的組合。為此，發(fā)送端和接收端中的至少一個(gè)可以存儲(chǔ)定義與信道質(zhì)量相對(duì)應(yīng)的QAM調(diào)制度和FSK調(diào)制度組合的表。

圖4給出了FQAM發(fā)射機(jī)的框圖?？梢钥闯觯琺個(gè)信息位分割成g組，OFDM的N個(gè)子載波塊被分成每個(gè)MF子載波的g個(gè)子塊（g=N/ MF）。 每組的第一個(gè)log2MF位用于選擇可攜帶的MF的子載波MQ-ary信號(hào)星座的符號(hào)映射組的下一個(gè)log2MQ位。 因此，每個(gè)子塊發(fā)送log2MF+log2MQ位，發(fā)射機(jī)的其他部分與傳統(tǒng)OFDM相同。

4 結(jié)論

在3G、4G時(shí)代，Turbo碼和正交振幅調(diào)制已經(jīng)使得在單天線情況下可以逼近香農(nóng)極限，但還是有足夠的研究空間去推進(jìn)一些更加優(yōu)秀的調(diào)制編碼方案應(yīng)用5G蜂窩系統(tǒng)里。

FQAM是基于OFDM的系統(tǒng)的FSK和QAM邊緣的組合，對(duì)于像LTE這樣受到ICI嚴(yán)重影響的系統(tǒng)，其噪聲分布取決于干擾信號(hào)的調(diào)制方案（在QAM情況下接近高斯，特別是當(dāng)子載波完全使用），F(xiàn)QAM設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是主動(dòng)干擾設(shè)計(jì)，使得ICI分布非高斯，具有提高信道容量的潛力。

通過(guò)對(duì)3GPP LTE下行鏈路進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真建模，仿真結(jié)果表明，誤幀率為1%時(shí)，在小區(qū)邊緣的用戶的傳輸速率可以提高約為3倍，小區(qū)邊緣吞吐量明顯增加。除了計(jì)算機(jī)模擬評(píng)估之外，性能也通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行評(píng)估，并觀察到類似的性能增益。因此FQAM可以被認(rèn)為是5G的小區(qū)邊緣性能改進(jìn)的候選技術(shù)。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]