5G移動(dòng)通信的新型多址復(fù)用技術(shù)

1、 華東理工大學(xué)研究生院高級(jí)數(shù)字通信課程報(bào)告開課學(xué)院： 信息科學(xué)與工程 專 業(yè)： 信號(hào)與信息處理 姓 名： 王坤 學(xué) 號(hào)： Y30150585 任課教師： 袁偉娜 2015年 11月論文題目： 5G移動(dòng)通信的新型多址復(fù)用技術(shù)論文要求：針對(duì)高級(jí)數(shù)字通信的某一具體領(lǐng)域，完成一篇新技術(shù)、新理論方面的課程論文；論文應(yīng)包括摘要，關(guān)鍵字，背景分析，正文，仿真結(jié)果和結(jié)論分析等；教師評(píng)語：出勤10作業(yè)30課程論文60選題10結(jié)構(gòu)20規(guī)范10仿真20總成績(jī)教師簽字： 年 月 日5G移動(dòng)通信的新型多址復(fù)用技術(shù)摘 要：濾波器組多載波（FBMC）技術(shù)因具有靈活的資源分配、高的譜效率、較強(qiáng)的抗雙選擇性衰落的能力、較好的解

2、決了高速率無線通信和復(fù)雜均衡接收技術(shù)之間的矛盾，已成為5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。OFDM 系統(tǒng)即是濾波器組多載波技術(shù)中選擇矩形脈沖作為濾波器的一種特例，不過由于其選用時(shí)域矩形脈沖，雖然在時(shí)域具有良好局域化性質(zhì)但頻域卻無限擴(kuò)展，導(dǎo)致系統(tǒng)性能對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感，因此在某些場(chǎng)合并不適用，需要考慮性能更全面的濾波器組多載波技術(shù)。關(guān)鍵字：5G通信，濾波器組，OFDM，F(xiàn)BMC Abstract： Filter bank multicarrier (FBMC) technology has become one of the core technology of 5-generation br

3、oadband 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

4、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 appl

5、ication system, there is a need to consider a more comprehensive FBMC technology.Keywords： 5-generation communication，filter banks，OFDM，F(xiàn)BMC1.引言早期的無線通信主要用于船舶、航空、列車、公共安全等專用領(lǐng)域，用戶數(shù)量很少。20世紀(jì)60年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室提出了蜂窩的概念，使無線通信擺脫了傳統(tǒng)的大區(qū)制結(jié)構(gòu)，為無線通信的大規(guī)模商用奠定了基礎(chǔ)。從20世紀(jì)70年代末到現(xiàn)在的幾十年時(shí)間里，無線通信系統(tǒng)從第1代發(fā)展到了第4代，進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期，并隨著多媒體信息化時(shí)

6、代的到來，無線通信技術(shù)正滲透到社會(huì)生活的方方面面。基于視頻、圖像、數(shù)據(jù)的通信業(yè)務(wù)需求逐漸增大，傳統(tǒng)的以語音通信為主的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足人們?nèi)找嫣嵘南M(fèi)需求。正在演進(jìn)中的第四代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（4G），如 LTE-A1 (LTE-Advanced)已經(jīng)提出系統(tǒng)基本指標(biāo)：下行峰值速率1Gbps，上行峰值速率500Mbps，上下行峰值頻譜利用率分別達(dá)到15Mbps/Hz和30Mbps/Hz。其系統(tǒng)帶寬將從1.5Mhz到20Mhz，并且通過載波聚合技術(shù)最大能聚合帶寬高達(dá)100Mhz。因此移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的最新要求就是要在較寬的頻帶內(nèi)提供穩(wěn)定可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸，并且盡可能在有限的頻譜資源上提升頻

7、譜效率。多載波技術(shù)(Multi-carrier technique )在60、70年代由 Saltzberg2，Chang3，Weinstein4和Bingham5等人提出，最初受制于實(shí)現(xiàn)上的復(fù)雜性并沒有在業(yè)界受到重視，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，尤其是快速傅立葉算法、大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，從90年代開始，多載波技術(shù)逐漸得到了大范圍的應(yīng)用。該技術(shù)其本質(zhì)上就是把一路寬帶高速數(shù)據(jù)流通過串并變換轉(zhuǎn)換為并行的多路相對(duì)低速的數(shù)據(jù)流，然后再對(duì)應(yīng)調(diào)制到相互正交的多個(gè)子載波上，從而有效延長(zhǎng)符號(hào)周期，降低多徑帶來的頻率選擇性衰落影響。OFDM作為多載波技術(shù)中的特例，其每個(gè)子載波上傳輸?shù)氖蔷匦蚊}沖包絡(luò)的復(fù)指數(shù)信號(hào)

8、，并且在相鄰時(shí)域符號(hào)間添加循環(huán)前綴（Cyclic prefix，CP）作為保護(hù)間隔。由于矩形脈沖優(yōu)良的時(shí)域性能和CP 的保護(hù)，并通過頻域單抽頭均衡處理，OFDM 能夠很好的抑制符號(hào)間干擾（Inter-symbol interference，ISI）和降低系統(tǒng)接收復(fù)雜度。只是傳統(tǒng)OFDM相當(dāng)于采用矩形脈沖來成型濾波，其頻譜可以看作是Sinc函數(shù)與一組位于各個(gè)子載波頻點(diǎn)上的函數(shù)的卷積，盡管頻域上這組Sinc 譜重疊且相互正交，由于Sinc函數(shù)旁瓣較大、衰減緩慢。所以O(shè)FDM的子載波間正交性在復(fù)雜移動(dòng)條件下的快時(shí)變衰落信道中是十分脆弱的，難以得到保證。濾波器組技術(shù)在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域是一種較為成熟的技

9、術(shù)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于語音處理、快速計(jì)算、噪聲處理、圖像壓縮、雷達(dá)信號(hào)處理、多媒體信號(hào)處理等領(lǐng)域6。在PHYDYAS項(xiàng)目中，由于重新設(shè)計(jì)了原型濾波器，F(xiàn)BMC具有更高的頻譜分辨率。這使得FBMC具有相對(duì)OFDM小得多的帶外干擾，這樣更能夠保證子信道間的獨(dú)立性。基于這個(gè)特性，F(xiàn)BMC能夠提供更好的動(dòng)態(tài)頻譜接入方法和更靈活的多用戶接入機(jī)制。同時(shí)，研究表明FBMC仍然具備OFDM的高傳輸速率，去除ISI等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)現(xiàn)有OFDM的功率控制、信號(hào)同步、信道編解碼等技術(shù)都能直接應(yīng)用于FBMC7。因此FBMC的研究對(duì)于認(rèn)知無線電的發(fā)展具有十分重要的作用，同時(shí)對(duì)于緩解當(dāng)下緊張的頻譜資源有著間接的

10、貢獻(xiàn)。2.第5代移動(dòng)通信基本要求從目前來看，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是未來移動(dòng)通信發(fā)展的兩大主要驅(qū)動(dòng)力，并給移動(dòng)通信帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)必須支持爆炸性的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)、海量的設(shè)備連接、不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景。因此，5G移動(dòng)通信的基本要求如下：1）傳輸速率要求：10Gbit/s峰值速率。根據(jù)移動(dòng)通信歷代發(fā)展規(guī)律，5G網(wǎng)絡(luò)需要10倍于4G網(wǎng)絡(luò)的峰值速率，即達(dá)到10Gbit/s量級(jí)的峰值速率，相當(dāng)于10吉比特以太網(wǎng)速率，類似有線寬帶骨干網(wǎng)絡(luò)；2）連接與流量要求：100倍的連接器件數(shù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，到2020年連接的器件數(shù)目將達(dá)到500-1000億。這就要求單位覆蓋面積

11、內(nèi)支持的期間數(shù)目極大增長(zhǎng)，在一些場(chǎng)景下單位面積內(nèi)通過5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接的器件數(shù)目達(dá)到100萬/平米，相對(duì)4G增長(zhǎng)100倍；3）時(shí)延和可靠性要求：相對(duì)于4G縮短為1/5-1/10，達(dá)到人力反應(yīng)的極限如5ms（觸覺反應(yīng)）甚至更低，并提供真正的永遠(yuǎn)在線體驗(yàn)。端到端可靠性提升到99.999%甚至100%；4）能耗和成本要求：綠色低碳是未來技術(shù)發(fā)展的重要需求，通過端到端的節(jié)能設(shè)計(jì)，支持更高的能耗效率，使網(wǎng)絡(luò)綜合能效提升1000倍，并使綜合成本持續(xù)下降，在維護(hù)方面，實(shí)現(xiàn)精確監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)資源和有效感知業(yè)務(wù)特性，并降低多制式共存、網(wǎng)絡(luò)升級(jí)以及新功能引入等帶來的復(fù)雜度。3濾波器組的基本原理濾波器組的基本原理是：輸入信

12、號(hào)首先通過分析端的一組分析濾波器及其級(jí)聯(lián)的抽取器（下采樣）被分解為多個(gè)子帶信號(hào)。各個(gè)子帶信號(hào)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同進(jìn)行相應(yīng)的處理。在綜合端通過一組插值器（上采樣）及其級(jí)聯(lián)的綜合濾波器組，將子帶信號(hào)恢復(fù)成為原始輸入信號(hào)或稍有失真的原始信號(hào)。抽取器和插值器用于改變采樣速率，去除冗余信息，提高信號(hào)處理的效率。多速率濾波器組重構(gòu)信號(hào)的誤差一般來自三個(gè)方面：幅度失真、相位失真和混疊失真。如果這三種失真可以被完全消除，那么輸出信號(hào)就可以完全重構(gòu)出輸入信號(hào)，這樣的濾波器稱之為完全重構(gòu)（PR）濾波器組。然而，在一些應(yīng)用中，比如有損編碼中，系統(tǒng)允許一定的誤差存在。在這種情況下，濾波器組可以設(shè)計(jì)成具有近似完全重構(gòu)（NP

13、R）特性的系統(tǒng)。此時(shí)系統(tǒng)的輸出信號(hào)是原始信號(hào)的一個(gè)近似信號(hào)。3.1 FBMC的基本原理濾波器組多載波（FBMC）是一種頻分復(fù)用技術(shù)，它通過一組濾波器對(duì)信道頻譜進(jìn)行分割以實(shí)現(xiàn)信道的頻率復(fù)用（FDM）。最初，多載波傳輸思想是通過一組模擬濾波器實(shí)現(xiàn)的。這組模擬濾波器將信道的頻譜分割成多個(gè)子帶，相鄰子帶間留有足夠的保護(hù)間隔，以防產(chǎn)生子信道間的干擾（ICI）。但這種多載波方式造成了頻譜資源的極大浪費(fèi)，而且對(duì)模擬濾波器的高要求限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。隨著數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展,特別是器件運(yùn)算能力的飛速提高，人們己經(jīng)可以利用數(shù)字濾波器組來代替模擬濾波器組實(shí)現(xiàn)信道頻譜的分割，且通過對(duì)濾波器組中各分支

14、濾波器頻率響應(yīng)的靈活設(shè)計(jì)可以將各子帶間的保護(hù)間隔去掉，從而明顯地提高了信道頻譜的利用率。在多載波通信系統(tǒng)中，離散傅立葉變換（DFT）濾波器是最普遍的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用中，一般用快速傅立葉變換（FFT）實(shí)現(xiàn)8。發(fā)送端，調(diào)制器使用反向快速傅立葉變換（IFFT）技術(shù)。將寬帶信號(hào)調(diào)制到各個(gè)子載波；接收端，解調(diào)器使用FFT，從子載波信號(hào)中解調(diào)出原始信號(hào)。圖3-1為一個(gè)典型的多載波通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖：圖3-1 基于FFT的多載波調(diào)制解調(diào)框圖圖中d為發(fā)送的頻域多載波數(shù)字信號(hào)；M表示IFFT的位數(shù)，即將一個(gè)寬帶信號(hào)調(diào)制成M個(gè)子載波信號(hào)；m表示信號(hào)序列號(hào)；i表示子載波序列號(hào)，范圍為0iM-1。P/S表示并串轉(zhuǎn)

15、換，即將并行的M個(gè)子載波信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行的時(shí)域信號(hào)X(n)。S/P表示串并轉(zhuǎn)換，將串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為M個(gè)并行的子載波信號(hào)。將發(fā)送端信號(hào)的采樣頻率為單位1，那么子載波頻率間隔1/M，多載波信號(hào)X的時(shí)域周期T為子載波頻率間隔的倒數(shù)，即T=M。這也說明在理想條件下，多載波符號(hào)在時(shí)域上不會(huì)出現(xiàn)重疊。3.2 FBMC在認(rèn)知無線電中的潛在應(yīng)用FBMC作為CR的物理層傳輸技術(shù)雖然比OFDM更有優(yōu)勢(shì)，但其仍處于研究的初級(jí)階段。前面的章節(jié)已經(jīng)提到過，OFDM的帶外泄露比FBMC要大很多，在CR中，由于頻譜資源的稀缺性，OFDM大的帶外干擾這一缺點(diǎn)就變得非常難以接受。雖然OFDM可以使用加入保護(hù)頻帶和加窗方法來降低帶外

16、干擾的影響，但這些方法都是以降低頻譜利用率為代價(jià)的。FBMC以其相對(duì)非常小的帶外干擾引起了人們的關(guān)注。在Qiwei Zhang，Kokkeler等人設(shè)計(jì)的一種過采樣的基于濾波器組的多載波系統(tǒng)中（OSFB），可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BMC的帶外干擾可以做到比OFDM小30dB左右9。在CR中，小的帶外干擾意味著有更多的頻譜可以使用。另外，F(xiàn)BMC也不需要在時(shí)域信號(hào)加入循環(huán)前綴，這進(jìn)一步提高了FBMC系統(tǒng)的頻譜利用率。4.FBMC相比OFDM的優(yōu)勢(shì)傳統(tǒng)的正交頻分復(fù)用（OFDM）的設(shè)計(jì)思想是將信道分成多個(gè)子信道，而所有子信道都是正交的，將數(shù)據(jù)符號(hào)調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸，這樣數(shù)據(jù)傳輸變得更為高速和穩(wěn)定。OFD

17、M的技術(shù)本質(zhì)就是FFT濾波器組，其原型濾波器最大的缺點(diǎn)是帶外衰落緩慢，這在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的頻譜泄漏。而FBMC技術(shù)的原型濾波器帶外快速衰落，非相鄰濾波器之間不存在干擾。在實(shí)際信道壞境中存在多徑和多普勒頻移現(xiàn)象，多徑引起的碼間干擾對(duì)無線通信有很大的影響。在傳統(tǒng)的OFDM方法中，一般釆用在信號(hào)波形上插入循環(huán)前綴（CP）的方法來對(duì)抗多徑10，保護(hù)間隔一般是符號(hào)周期的1/4或者1/8長(zhǎng)度，如圖4-1所示：圖4-1 OFDM符號(hào)添加循環(huán)前綴CP可見，循環(huán)前綴是將OFDM符號(hào)的一部分復(fù)制到符號(hào)前端，只要CP部分長(zhǎng)度人于最大多徑時(shí)延，那么多徑成分將在觀測(cè)窗口內(nèi)保持波形，也就是接收端能夠獲得完整無缺的O

18、FDM符號(hào)波形。循環(huán)前綴的引入使得OFDM符號(hào)波形周期增大，在一定程度上造成了資源的浪費(fèi)，減少了符號(hào)率。不過在FBMC中，由于重疊因子的存在，時(shí)域符號(hào)間本身就存在互相干擾，因此不需要插入GI或CP，這樣，也就一定程度上提高了系統(tǒng)的傳輸速率。與OFDM相比，F(xiàn)BMC用一組優(yōu)化的濾波器組代替OFDM中的矩形窗函數(shù)，從而達(dá)到降低帶外衰減的目的11；其次，F(xiàn)BMC的原型濾波器可以被設(shè)計(jì)成帶有很大的靈活性去匹配時(shí)間或者頻率色散信道及具有較小的旁瓣去應(yīng)對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)的多址接入或機(jī)會(huì)式頻譜接入通信；進(jìn)一步，由于原型濾波器的沖擊響應(yīng)和頻率響應(yīng)可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，各子載波之間不必是正交的，允許更小的頻率保護(hù)帶，因

19、此不需要插入循環(huán)前綴12；最后，F(xiàn)BMC能實(shí)現(xiàn)個(gè)子載波帶寬設(shè)置、各子載波之間的交疊程度的靈活控制，從而可靈活控制ICI，并且便于使用一些零散的頻譜資源。值得說明的是，因?yàn)樽虞d波具有較窄的貸款，發(fā)射濾波器的沖擊響應(yīng)長(zhǎng)度通常很長(zhǎng)，于是FBMC幀一般比OFDM的幀長(zhǎng)，但FBMC符號(hào)中沒有循環(huán)前綴，從而可以彌補(bǔ)這種效率損失；此外，F(xiàn)BMC的計(jì)算復(fù)雜度高于OFDM，但由于信號(hào)處理和電子設(shè)備的顯著進(jìn)步，F(xiàn)BMC實(shí)際應(yīng)用是可行的。5.課題總結(jié)隨著當(dāng)今信息社會(huì)的快速發(fā)展，無線通信系統(tǒng)的需求已經(jīng)轉(zhuǎn)變。人們已經(jīng)不再滿足于傳統(tǒng)的以語音和低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的通信方式，而日益追求高速率的多媒體業(yè)務(wù)，高速的傳輸速度成為

20、必需。因此，為了適應(yīng)未來高速無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰ㄐ畔到y(tǒng)必須提高在衰落信道中的頻譜利用率，使之能夠在有限的頻譜資源上支持高速率數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)傳輸。正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM，由于其良好的抗多徑干擾能力、簡(jiǎn)單的信道均衡技術(shù)、通過循環(huán)前綴消除ISI、ICI等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為CR物理層的傳輸技術(shù)。但是OFDM存在一些缺點(diǎn)，比如較高的帶外泄露，需要使用循環(huán)前綴等，這會(huì)降低頻譜的利用率?；诖?，濾波器組多載波技術(shù)FBMC，由于其較小的帶外干擾，被認(rèn)為是一種可以替代OFDM的技術(shù)。本課題從5G移動(dòng)通信出發(fā)，首先提出第5代移動(dòng)通信的基本要求；其次，對(duì)FBMC原理及潛在應(yīng)用進(jìn)行分析；最后，將FBMC與OFD

21、M技術(shù)進(jìn)行比較，理論上驗(yàn)證了FBMC的可行性，以及更適用于第5代移動(dòng)通信應(yīng)用技術(shù)。參考文獻(xiàn)1 3GPP TR 36.913 Requirements for further advancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)S.2009.2 B. R. Saltzberg, Performance of an efficient parallel data transmission system,J. IEEE Trans. Commun. Technol., Dec.1967, vol. 15:805811

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