5G移动通信的新型多址复用技术

华东理工大学研究生院

《高级数字通信》课程报告

开课学院： 信息科学与工程 专 业： 信号与信息处理 姓 名： 王坤 学 号： Y30150585 任课教师： 袁伟娜

2015年 11月

论文题目： 《5G移动通信的新型多址复用技术》 论文要求： 针对高级数字通信的某一具体领域，完成一篇新技术、新理论方面的课程论文； 论文应包括摘要，关键字，背景分析，正文，仿真结果和结论分析等； 教师评语： 出勤10％ 作业30％ 课程 选题10％ 论文 结构20％ 60％ 规范10％ 仿真20％ 总成绩 教师签字： 年 月 日 5G移动通信的新型多址复用技术

摘 要：滤波器组多载波（FBMC）技术因具有灵活的资源分配、高的谱效率、较强的抗双选择性衰落的能力、较好的解决了高速率无线通信和复杂均衡接收技术之间的矛盾，已成为5G无线通信系统的关键技术之一。OFDM 系统即是滤波器组多载波技术中选择矩形脉冲作为滤波器的一种特例，不过由于其选用时域矩形脉冲，虽然在时域具有良好局域化性质但频域却无限扩展，导致系统性能对频偏和相位噪声比较敏感，因此在某些场合并不适用，需要考虑性能更全面的滤波器组多载波技术。

关键字：5G通信，滤波器组，OFDM，FBMC

Abstract： Filter bank multicarrier (FBMC) technology has become one of the core technology of 5-generation broadband wireless communication system for its ability of flexible resource allocation、high spectral efficiency anti-double-selective fading channel and better resolving the contradiction of high-speed wireless communications and complicated equalization. OFDM is a special case of FBMC which chose a rectangular pulse as the sending and receive filter, the rectangular pulse is a time-limited pulse, but with unlimited frequency domain expansion, therefore it has the capacity of anti-inter-symbol interference (ISI), but inter-carrier interference (ICI) is a serious shortcoming. And so in some application system, there is a need to consider a more comprehensive FBMC technology.

Keywords： 5-generation communication，filter banks，OFDM，FBMC

1.引言

早期的无线通信主要用于船舶、航空、列车、公共安全等专用领域，用户数量很少。20世纪60年代，贝尔实验室提出了蜂窝的概念，使无线通信摆脱了传统的大区制结构，为无线通信的大规模商用奠定了基础。从20世纪70年代末到现在的几十年时间里，无线通信系统从第1代发展到了第4代，进入了一个飞速发展的时期，并随着多媒体信息化时代的到来，无线通信技术正渗透到社会生活的方方面面。基于视频、图像、数据的通信业务需求逐渐增大，传统的以语音通信为主的移动通信网络已经无法满足人们日益提升的消费需求。正在演进中的第四代移动通信网络技术（4G），如 LTE-A[1] (LTE-Advanced)已经提出系统基本指标：下行峰值速率1Gbps，上行峰值速率500Mbps，上下行峰值频谱利用率分别达到15Mbps/Hz和30Mbps/Hz。其系统带宽将从1.5Mhz到20Mhz，并且通过载波聚合技术最大能聚合带宽高达100Mhz。因此移动通信技术发展的最新要求就是要在较宽的频带内提供稳定可靠的高速数据传输，并且尽可能在有限的频谱资源上提升频谱效率。

多载波技术(Multi-carrier technique )在60、70年代由 Saltzberg[2]，Chang[3]，Weinstein[4]和Bingham[5]等人提出，最初受制于实现上的复杂性并没有在业界受到重视，随着数字信号处理技术的发展，尤其是快速傅立叶算法、大规模集成电路的出现，从90年代开始，多载波技术逐渐得到了大范围的应用。该技术其本质上就是把一路宽带高速数据流通过串并变换转换为并行的多路相对低速的数据流，然后再对应调制到相互正交的多个子载波上，从而有效延长符号周期，降低多径带来的频率选择性衰落影响。OFDM作为多载波技术中的特例，其每个子载波上传输的是矩形脉冲包络的复指数信号，并且在相邻时域符号间添加循环前缀（Cyclic prefix，CP）作为保护间隔。由于矩形脉冲优良的时域性能和CP 的保护，并通过频域单抽头均衡处理，OFDM 能够很好的抑制符号间干扰（Inter-symbol interference，ISI）和降低系统接收复杂度。只是传统OFDM相当于采用矩形脉冲来成型滤波，其频谱可以看作是Sinc函数与一组位于各个子载波频点上的δ函数的卷积，尽管频域上这组Sinc 谱重叠且相互正交，由于Sinc函数旁瓣较大、衰减缓慢。所以OFDM的子载波间正交性在复杂移动条件下的快时变衰落信道中是十分脆弱的，难以得到保证。

滤波器组技术在数字信号处理领域是一种较为成熟的技术，经过几十年的发展，现己广泛应用于语音处理、快速计算、噪声处理、图像压缩、雷达信号处理、多媒体信号处理等领域[6]。在PHYDYAS项目中，由于重新设计了原型滤波器，FBMC具有更高的频谱分辨率。这使得FBMC具有相对OFDM小得多的带外干扰，这样更能够保证子信道间的独立性。基于这个特性，FBMC能够提供更好的动态频谱接入方法和更灵活的多用户接入机制。同时，研究表明FBMC仍然具备OFDM的高传输速率，去除ISI等优点，同时现有OFDM的功率控制、信号同步、信道编解码等技术都能直接应用于FBMC[7]。因此FBMC的研究对于认知无线电的发展具有十分重要的作用，同时对于缓解当下紧张的频谱资源有着间接的贡献。

2.第5代移动通信基本要求

从目前来看，移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，并给移动通信带来新的技术挑战。5G移动通信系统和网络必须支持爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景。因此，5G移动通信的基本要求如下：

1）传输速率要求：10Gbit/s峰值速率。根据移动通信历代发展规律，5G网络需要10倍于4G网络的峰值速率，即达到10Gbit/s量级的峰值速率，相当于10吉比特以太网速率，类似有线宽带骨干网络；

2）连接与流量要求：100倍的连接器件数。随着物联网的快速发展，到2020年连接的器件数目将达到500-1000亿。这就要求单位覆盖面积内支持的期间数

目极大增长，在一些场景下单位面积内通过5G移动网络连接的器件数目达到100万/平米，相对4G增长100倍；

3）时延和可靠性要求：相对于4G缩短为1/5-1/10，达到人力反应的极限如5ms（触觉反应）甚至更低，并提供真正的永远在线体验。端到端可靠性提升到99.999%甚至100%；

4）能耗和成本要求：绿色低碳是未来技术发展的重要需求，通过端到端的节能设计，支持更高的能耗效率，使网络综合能效提升1000倍，并使综合成本持续下降，在维护方面，实现精确监控网络资源和有效感知业务特性，并降低多制式共存、网络升级以及新功能引入等带来的复杂度。

3滤波器组的基本原理

滤波器组的基本原理是：输入信号首先通过分析端的一组分析滤波器及其级联的抽取器（下采样）被分解为多个子带信号。各个子带信号根据应用场合不同进行相应的处理。在综合端通过一组插值器（上采样）及其级联的综合滤波器组，将子带信号恢复成为原始输入信号或稍有失真的原始信号。抽取器和插值器用于改变采样速率，去除冗余信息，提高信号处理的效率。多速率滤波器组重构信号的误差一般来自三个方面：幅度失真、相位失真和混叠失真。如果这三种失真可以被完全消除，那么输出信号就可以完全重构出输入信号，这样的滤波器称之为完全重构（PR）滤波器组。然而，在一些应用中，比如有损编码中，系统允许一定的误差存在。在这种情况下，滤波器组可以设计成具有近似完全重构（NPR）特性的系统。此时系统的输出信号是原始信号的一个近似信号。

3.1 FBMC的基本原理

滤波器组多载波（FBMC）是一种频分复用技术，它通过一组滤波器对信道频谱进行分割以实现信道的频率复用（FDM）。最初，多载波传输思想是通过一组模拟滤波器实现的。这组模拟滤波器将信道的频谱分割成多个子带，相邻子带间留有足够的保护间隔，以防产生子信道间的干扰（ICI）。但这种多载波方式造成了频谱资源的极大浪费，而且对模拟滤波器的高要求限制了该技术的广泛应用。随着数字信号处理（DSP）技术的发展,特别是器件运算能力的飞速提高，人们己经可以利用数字滤波器组来代替模拟滤波器组实现信道频谱的分割，且通过对滤波器组中各分支滤波器频率响应的灵活设计可以将各子带间的保护间隔去掉，从而明显地提高了信道频谱的利用率。

在多载波通信系统中，离散傅立叶变换（DFT）滤波器是最普遍的调制解调技术，实际应用中，一般用快速傅立叶变换（FFT）实现[8]。发送端，调制器使用反向快速傅立叶变换（IFFT）技术。将宽带信号调制到各个子载波；接收端，解调器使用FFT，从子载波信号中解调出原始信号。图3-1为一个典型的多载波通

信系统实现框图：

图3-1 基于FFT的多载波调制解调框图

图中d为发送的频域多载波数字信号；M表示IFFT的位数，即将一个宽带信号调制成M个子载波信号；m表示信号序列号；i表示子载波序列号，范围为0≤i≤M-1。P/S表示并串转换，即将并行的M个子载波信号转换成串行的时域信号X(n)。S/P表示串并转换，将串行信号转换为M个并行的子载波信号。将发送端信号的采样频率为单位1，那么子载波频率间隔1/M，多载波信号X的时域周期T为子载波频率间隔的倒数，即T=M。这也说明在理想条件下，多载波符号在时域上不会出现重叠。

3.2 FBMC在认知无线电中的潜在应用

FBMC作为CR的物理层传输技术虽然比OFDM更有优势，但其仍处于研究的初级阶段。前面的章节已经提到过，OFDM的带外泄露比FBMC要大很多，在CR中，由于频谱资源的稀缺性，OFDM大的带外干扰这一缺点就变得非常难以接受。虽然OFDM可以使用加入保护频带和加窗方法来降低带外干扰的影响，但这些方法都是以降低频谱利用率为代价的。FBMC以其相对非常小的带外干扰引起了人们的关注。在Qiwei Zhang，Kokkeler等人设计的一种过采样的基于滤波器组的多载波系统中（OSFB），可以发现，FBMC的带外干扰可以做到比OFDM小30dB左右[9]。在CR中，小的带外干扰意味着有更多的频谱可以使用。另外，FBMC也不需要在时域信号加入循环前缀，这进一步提高了FBMC系统的频谱利用率。

4.FBMC相比OFDM的优势

传统的正交频分复用（OFDM）的设计思想是将信道分成多个子信道，而所有子信道都是正交的，将数据符号调制到每个子信道上进行传输，这样数据传输变得更为高速和稳定。OFDM的技术本质就是FFT滤波器组，其原型滤波器最大的缺点是带外衰落缓慢，这在实际应用中会产生严重的频谱泄漏。而FBMC技术的原型滤波器带外快速衰落，非相邻滤波器之间不存在干扰。

在实际信道坏境中存在多径和多普勒频移现象，多径引起的码间干扰对无线通信有很大的影响。在传统的OFDM方法中，一般釆用在信号波形上插入循环前缀（CP）的方法来对抗多径[10]，保护间隔一般是符号周期的1/4或者1/8长度，如图4-1所示：

图4-1 OFDM符号添加循环前缀CP

可见，循环前缀是将OFDM符号的一部分复制到符号前端，只要CP部分长度人于最大多径时延，那么多径成分将在观测窗口内保持波形，也就是接收端能够获得完整无缺的OFDM符号波形。

循环前缀的引入使得OFDM符号波形周期增大，在一定程度上造成了资源的浪费，减少了符号率。不过在FBMC中，由于重叠因子的存在，时域符号间本身就存在互相干扰，因此不需要插入GI或CP，这样，也就一定程度上提高了系统的传输速率。

与OFDM相比，FBMC用一组优化的滤波器组代替OFDM中的矩形窗函数，从而达到降低带外衰减的目的[11]；其次，FBMC的原型滤波器可以被设计成带有很大的灵活性去匹配时间或者频率色散信道及具有较小的旁瓣去应对不同标准的多址接入或机会式频谱接入通信；进一步，由于原型滤波器的冲击响应和频率响应可以根据需要进行设计，各子载波之间不必是正交的，允许更小的频率保护带，因此不需要插入循环前缀[12]；最后，FBMC能实现个子载波带宽设置、各子载波之间的交叠程度的灵活控制，从而可灵活控制ICI，并且便于使用一些零散的频谱资源。

值得说明的是，因为子载波具有较窄的贷款，发射滤波器的冲击响应长度通常很长，于是FBMC帧一般比OFDM的帧长，但FBMC符号中没有循环前缀，从而可以弥补这种效率损失；此外，FBMC的计算复杂度高于OFDM，但由于信号处理和电子设备的显著进步，FBMC实际应用是可行的。

5.课题总结

随着当今信息社会的快速发展，无线通信系统的需求已经转变。人们已经不再满足于传统的以语音和低速率的数据业务为主的通信方式，而日益追求高速率的多媒体业务，高速的传输速度成为必需。因此，为了适应未来高速无线数据传输的需要，通信系统必须提高在衰落信道中的频谱利用率，使之能够在有限的频谱资源上支持高速率数据和多媒体业务传输。

正交频分复用技术OFDM，由于其良好的抗多径干扰能力、简单的信道均衡技术、通过循环前缀消除ISI、ICI等优点，非常适合作为CR物理层的传输技术。但是OFDM存在一些缺点，比如较高的带外泄露，需要使用循环前缀等，

这会降低频谱的利用率。基于此，滤波器组多载波技术FBMC，由于其较小的带外干扰，被认为是一种可以替代OFDM的技术。

本课题从5G移动通信出发，首先提出第5代移动通信的基本要求；其次，对FBMC原理及潜在应用进行分析；最后，将FBMC与OFDM技术进行比较，理论上验证了FBMC的可行性，以及更适用于第5代移动通信应用技术。

参考文献

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Qiwei Zhang,Andre B.J Kokkeler,Gerard J.M. Smith, “An oversampled filter bank multicarrier system for cognitive radio”,2008 IEEE International Symposium on Persomal,Indoor and Mobile Radio Communications(PIMRC2008),2008.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rawg.html