1.2 5G 标準化程序
第 2 章 5G 新空口關鍵技術
2.1 5G 波形設計
信号波形設計是移動通信系統的關鍵技術之一，其目的是把數字信号映射到适合無線信道傳輸的具體波形上。以往的蜂窩無線系統每一代在波形上都有很大的不同。1G 時代采用的是模拟制式的頻率調制（以及 FDMA 的多址接入方式）；2G 時代則采用了以 GSM 和 CDMA 為代表的數字調制的方式（以及TDMA/FDMA 相結合的多址接入方式）；3G 時代采用的是 DS-CDMA擴譜波形，頻譜使用效率有了很大的提高；4G 時代則采用了更加優異的OFDM 波形；5G 時代采用什麼樣的信号波形設計也就成為人們關注的一個焦點。
一般認為，在 5G 時代，對于波形設計具有如下要求。
（1）支援不同的使用者場景業務，主要是指 eMBB、mMTC 以及 URLLC 3類不同的場景的業務需求。
（2）适用于十分廣泛的頻率範圍（從低于 1GHz 一直到接近 100GHz）。
（3）靈活性和可擴充性好，可以針對不同場景支援靈活的子載波間隔等空口參數集（Numerology）。
（4）更高的頻譜效率，能有效地适配 MU-MIMO 功能。這對于頻率資源稀缺的低頻段以及需要提供高資料流量服務的場景非常重要。
（5）頻域限制性好，更低的帶内/帶外輻射，以降低互相間的幹擾。這對于在同一個載波上提供不同的服務類型以及上行非同步接入都很有好處。
（6）時域限制性好，支援更短的傳輸時間間隔（TTI）。這對于保障 URLLC和 eMBB 中的低延遲時間很重要。
（7）支援異步多址接入，以減小排程開銷和系統時延。這對于 mMTC 的上行尤其重要。
（8）功耗低，較低的峰均功率比（PAPR，Peak-to-Average-Power-Ratio）以提高發射機的功放效率。這對于終端側以及當系統工作在毫米波波段尤其重要。
（9）實作複雜性低，由于在 5G 中頻率帶寬大大增加了，計算的複雜度也相應增大，是以降低收發機實作的複雜度變得非常重要。此外，複雜度的降低也有助于降低處理時延，以滿足某些應用中低延遲時間的要求。
（10）協定開銷最小化，使信令和控制負荷最小化，以提升效率。
大體來講，可選擇的信号波形可以分兩類，即單載波波形和多載波波形。單載波波形的特點是具有較低的峰均比值，适合于覆寫受限和需要延長電池壽命等對功耗要求較高的場景；而多載波波形則具有較高的頻譜效率、支援靈活的資源配置設定以及和 MIMO 較好的适配性。由于 5G 擁有諸多應用場景，這兩大類波形都是可以考慮的，并可以适用于不同的場景。如單載波波形可能在 mMTC以及毫米波應用有一定價值，而多載波波形則适用于 5G 絕大多數場景。但是如果 5G NR 的系統要同時支援這兩大類波形對系統裝置将會帶來一定的挑戰。是以，在 3GPP R15 中，經過綜合考慮，業界更傾向于在上下行都采用 OFDM 類的多載波波形。而在上行對功率受限的場景則把 DFT-S-OFDM 這種具有單載波特性的波形作為可選項。
在 3GPP 标準化的前期讨論中，除 CP-OFDM 波形外，一些研究機構和公司也提出了一些不同的波形設計方案。這些新波形中不少是以 OFDM 為基礎的改進，部分新波形設計是在 OFDM 的基礎上加上額外的濾波器，以期獲得較好的頻譜限制性。通過對傳輸信道内的部分子載波或子載波集進行單獨濾波，使其更适宜于該特定子載波集的信号狀況和所需要支援的業務種類，并且可以實作異步系統的設計。是以，具有濾波的多載波波形可以被認為是用于靈活空口設計的一大關鍵因素，有可能是 5G 系統的關鍵元件之一。
本章選取比較有代表性的 CP-OFDM、FBMC、UFMC、GFDM 做介紹。
2.1.1 5G 主要候選波形
2.1.1.1 正交頻分複用波形
4G LTE 的核心技術是正交頻分複用（OFDM，Orthogonal Frequency DivisionMultiplex）技術。OFDM 是由多載波（MCM）技術發展而來的，最先由貝爾實驗室的 R.W. Chang 于 1966 年提出并申請了專利。OFDM 既是一種調制技術，也是一種多址技術。這一技術可以有效對抗無線通信中的多徑效應，也可以在較差的信道環境中有效傳輸大量資料。同時，OFDM 可以采用快速傅裡葉變換（FFT）的數字信号處理（DSP）方法簡單直接地實作。但是，早期由于受到技術條件的限制，實作傅裡葉變換所需裝置複雜度大、成本高，使得 OFDM 無法實作大規模應用。在 2G 和 3G 系統的标準化過程中，都曾經有提案建議采用OFDM，但是由于考慮到計算的複雜性和終端功耗等因素而被否決。
随着數字信号處理晶片技術的發展，OFDM 在數字音頻廣播系統（DAB）、數字視訊廣播系統（DVB-T）、無線區域網路（WLAN）（802.11a/g/n）、WiMAX（802.16）中都得到了應用，并最終成為 4G 和 5G 時代的首選波形技術。
目前，采用較多的是循環字首正交頻分複用（CP-OFDM）波形，其發送側和波形的基本原理及其基本特性如圖 2-1 所示。
OFDM 波形發送和接收完整示意如圖 2-2 所示。
CP-OFDM 通過在每一個符号（Symbol）的前部添加循環前置（如圖 2-3所示），有效對抗了最大延遲（Delay Spread）小于循環字首（CP）長度的無線信道多徑效應。
在 LTE 系統中，上行終端側在 IFFT 前通常先對資料進行一個離散傅裡葉變換（DFT）的操作，業界稱其為傅裡葉變換擴充 OFDM （ DFT-S-OFDM ， DiscreteFourier Transform Spread OFDM ） 或SC-FDMA。這樣做可以有效降低發射波形的峰值平均功率比（PAPR）以減輕功放回退的要求，進而降低了終端發射機的功耗。基站側在下行則不用進行此 DFT 擴充的操作。
在下行則不用進行此 DFT 擴充的操作。
CP-OFDM 作為目前為止無線通信中非常優秀的一種波形，它具有如下主要優點：
（1）頻譜效率非常高；
（2）有效抵抗無線信道所面臨的最大問題，即多徑效應和頻率選擇性衰落；
（3）可以采用快速傅裡葉變換算法處理，易于發射機和接收機的硬體實作，以及在頻域進行信道的均衡處理；
（4）利用子載波的正交性消除小區間的幹擾；
（5）易于和自适應調制技術及 MIMO 技術進行适配。由于具有這些優點，CP-OFDM 也成為 5G 的一大重要候選波形。
不過 CP-OFDM 也存在一些缺點，如下述幾點。
（1）OFDM 的矩形脈沖成形會帶來頻域上旁瓣較大并且衰減緩慢的問題。在實際系統中為避免相鄰頻段所受到的頻譜雜散洩漏，通常需要 10%左右的保護頻帶。這使得 OFDM 不太适宜于分段頻譜場景，因為這些場景需要滿足一定的帶外（OOB）名額要求。為了克服 OFDM 的這一缺點，可以考慮采用時域加窗技術，即 W-OFDM（Windowed-OFDM）。
（2）CP-OFDM 可能造成較大的相鄰信道幹擾（ACI，Adjacent ChannelInterference）。
（3）發射端較高的 PAPR 加大了功放的能耗，這個問題在 LTE 時代通常以上行側在 OFDM 波形前以預編碼的方式予以解決。
（4）系統整體性能對時間和頻率偏移非常敏感，少量的偏移就會對誤碼率産生較大影響，是以對于頻率和時間的同步要求很高。而在物聯網通信中許多情況下難以實作高精度的同步要求，與之并不十分比對。
（5）OFDM 的頻譜效率雖高，但是循環字首的使用仍然部分降低了頻譜效率，是以 5G 标準化過程中出現了一些不采用循環字首的改進提案以進一步提升 OFDM 的效率。
（6）此外，毫米波波段（mmWave）需要非常大的傳輸帶寬，OFDM 在這種場景是否有效也有待于進一步的研究。
随着移動物聯網應用逐漸成為 5G 的主要驅動力之一，高效地支援帶有不同需求的異構服務逐漸變得越來越重要。
總的來說，在 5G 移動寬帶 eMBB 場景下，在 4G 系統中廣泛采用的CP-OFDM 仍然是重要的基礎波形。但是對于 mMTC/URLLC 等場景，CP-OFDM是不是最優的選擇成為 3GPP 标準化讨論的一個熱點。
2.1.1.2 基于濾波器組的多載波波形
基于濾波器組的多載波波形（FBMC，Filter-Bank Multi-Carrier）是一種多載波調制技術，該技術在發送和接收端都對每個子載波進行單獨濾波。為了在頻域獲得更好的限制性，所選擇的濾波器在時域可能會很長。由于 FBMC 本身對于多徑效應有一定的抵抗能力，是以通常不需要采用循環字首，避免了循環
字首所帶來的信道資源的浪費，可以獲得更高的傳效率。
FBMC 發射信号的基本原理如圖 2-4 所示。FBMC 技術可以采用正交幅度調制（QAM，Quadrature Amplitude Modulation）或者偏移正交幅度調制（OQAM，Offset Quadrature Amplitude Modulation）兩種調制方式。FBMC 在采用 OQAM 時被稱為 FBMC/OQAM（OQAM 的采用可以降低相鄰子載波的互相幹擾）。圖 2-5 所示為 FBMC 一種典型的基于 IFFT/ FFT的實作方式，其中調制方式采用了 OQAM，多相網絡（PPN，PolyphaseNetwork）是降低計算複雜度實作子載波濾波的一種方式。待發送的資料流經過串并轉換，然後通過 OQAM 調制，再通過 IFFT 變換以及 PPN 多相濾波器組後進行發送，而接收端則通過相應的逆變換恢複原始資料。
在 FBMC 中，各子載波濾波器之間是非正交的，是以其子載波之間存在互相幹擾，而 OQAM 的采用可以減小相鄰子載波間的幹擾。
5G 采用 FBMC 波形有如下好處：
（1）沒有擴充循環字首，傳輸效率得到了提高；
（2）對系統的同步要求不是很嚴格，是以适合一些非同步傳輸的場景；
（3）在頻域大大降低了旁瓣功率，減少了帶外洩漏，比較适合于碎片化的頻譜場景；
（4）在高移動性場景表現良好。
但是，FBMC 也存在一些問題，如：
（1）破壞了子載波間的正交性，這就意味着即使沒有任何信道的損害，在接收端也難以完美地複原發送端的 QAM 信号；
（2）FBMC 針對不同的子載波分别進行濾波處理，由于子載波的間隔較窄進而濾波器的長度較長才能滿足對于窄帶濾波的性能要求，是以其在突發性小檔案包或對時延要求較高的應用場景下的效果受到影響；
（3）濾波器的長度較長，增加了實作的複雜度；
（4）難以和 MIMO 技術适配。
總的來講，FBMC 避免了循環字首和大保護頻帶的使用，提高了系統的頻譜效率。同時，以适度的實作複雜度為代價，降低了載波間幹擾和相鄰信道幹擾水準，是現今主流的 CP-OFDM 方案的潛在後續技術。其理想目标場景可能是無須精準同步的異步傳輸、零碎頻譜、高速移動使用者等。
2.1.1.3 通用濾波多載波技術
基于通用濾波多載波（UFMC，Universal Filtered Multi-Carrier）技術是由歐盟資助的研究項目 5GNOW 提出的多載波調制技術，它和 FBMC 有類似之處，差別在于，在 UFMC 中濾波器處理的對象是一組子載波，通過在發射機中增加一組狀态可變的濾波器來改善頻譜成型。
UFMC 可以看作是不采用子載波濾波的 CP-OFDM 和采用子載波濾波的FBMC 之間的一個折中。在 UFMC 中，是對一組子載波（子載波組）進行濾波。整個系統帶寬被分成若幹個子載波組，對每個子載波組分别進行濾波，濾波後的子載波組根據時頻資源的配置設定來進行傳送。當每個組中的子載波個數為 1 時，UFMC 就變成了 FBMC，是以，FBMC 也可以看成是 UFMC 的一種特殊情況。
濾波器的選擇可以很靈活，其目标在于降低帶外（OOB）發射和帶内失真。另外，采用不同濾波器時，UFMC 的實際性能很大程度取決于所考慮的場景和實際的濾波器設計。相比 CP-OFDM，更低的帶外發射使得 UFMC 更适于異步多址接入。UFMC 具有 CP-OFDM 的一些優點，如通過對附加濾波的适當選擇，使帶内失真的數量得以限制。另外，不同子載波組間也可以支援靈活的參數集。
UFMC 的一種發射接收實作方式的原理如圖 2-6 所示。圖中假定總共有 K個子載波，被分成 B 個子載波組，每個組中的子載波數可以不同。在接收端采用了 2N 點 FFT 來恢複發送的資料（隻采用其中的偶數序列的解調符号）。
UFMC 之是以對于子載波組而非子載波本身進行濾波是由于考慮到頻域資源的排程通常是以資源塊（RB）為最小單元，而非子載波本身。這樣做使得可以對不同的業務類型進行有針對性的處理。
UFMC 不需要添加循環字首。它在 5G 應用中有如下好處：
（1）對于時間和頻率的同步要求不那麼嚴格；
（2）不需要循環字首，傳輸效率得以提高；
（3）由于 UFMC 是對子載波組進行濾波處理，其濾波器的通帶較寬，是以濾波器的長度可以設計得相對較短，即其時間限制性較好，是以在小檔案包的場景其頻譜效率也相對高一些；
（4）比 CP-OFDM 更好地應用于碎片化頻譜的場景；
（5）可以在子載波組内動态地調整子載波間隔，進而可以實作調整符号長度以比對信道的相關時間（Coherence Time）。
UFMC 也存在一些不足：和 CP-OFDM 相比，其發送和接收的實作複雜度都要高一些。
2.1.1.4 廣義頻分複用技術
廣義頻分複用（GFDM，Generalized Frequency Division Multiplex）是一種廣義多載波調制技術。該技術和 FBMC 有類似之處，同樣采用了多載波濾波器組的概念，所不同的是，GFDM 以若幹個符号為機關增加了循環字首。GFDM實作的基本原理如圖 2-7 所示。根據不同的業務類型和應用，GFDM 可以選擇不同的濾波器和插入不同類型的 CP。
GFDM 波形具有如下特點：
（1）帶外洩漏低，使得它非常适合在非連續頻帶上傳輸；
（2）由于使用了循環字首，它在多徑效應的頑健性和易于均衡方面保持了CP-OFDM 的優點；
（3）GFDM 基于獨立的塊調制，使其可以具有靈活的幀結構，适用于不同的業務類型。但是 GFDM 需要較複雜的接收處理算法來消除碼間串擾和載波間幹擾，其塊處理的時延也較大。
2.1.1.5 其他波形選項
在對 5G 新波形的研究以及 3GPP 的會議讨論中，除了 CP-OFDM、FBMC、UFDM 和 GFDM 外，還出現了 f-OFDM、FMT、FB-OFDM 等其他一些波形提案，它們的基本思路大都是采用通過濾波器進行帶通濾波的多載波技術，每個方案都有各自的優缺點。
多載波波形的 PAPR 都較高。是以，PAPR 相對較低的單載波波形也在 5GNR 新波形的考慮範圍内。另外，在毫米波波段，單載波波形也有其優點。單載波波形包含如傳統的 MSK、GMSK 等調制波形等。目前，一些主要的單載波波形及其特性如表 2-1 所示。
但是，傳統的單載波波形由于頻譜效率較低、在頻率選擇性衰落信道下信号失真嚴重以及在頻域難以支援靈活的資源配置設定等缺點。相對來講，在 LTE 上行使用的傅裡葉變換擴充 OFDM 波形（DFT-S-OFDM）則兼具單載波和多載波波形的優點而顯得更為優越。
2.1.2 波形實作方式總結