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新型多载波技术研究报告1
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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
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IMT-2020(5G)推进组
新型多载波专题组技术报告
技术报告
Technical Report
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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。
Frequency
Sub-carrier
spacing=
15 kHz
frame
10 ms
TTI
-1
TTI
-2
TTI-
10
1 ms
Slot
-1
Slot-
2
0.5 ms
Symbol-1 Symbol-2 Symbo l-7
CP (4.7 s)
66.7 s
CP(5.2 s)
Normal CP
frame
10 ms
TTI
-1
TTI
-2
TTI-
10
1 ms
Slot-
1
Slot-
2
0.5 ms
Symbol-1 Symbol-2 Symbo l-7
CP (16.7 s)
66.7 s
CP (16.2 s)
Extended CP
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
-50
-40
-30
-20
-10
0
OFDM PSD
Frequency(MHz)
PSD
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。
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