F-OFDM的基本原理及其優(yōu)勢(shì)分析1F-OFDM的基本原理OFDM有著諸多的優(yōu)勢(shì)，但未來(lái)通信發(fā)展的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎我們想象，OFDM由多個(gè)子載波構(gòu)成卻只能進(jìn)行單一的波形參數(shù)配置，并不能夠滿足多業(yè)務(wù)場(chǎng)景的發(fā)展趨勢(shì)，OFDM急需更新?lián)Q代以便更好的服務(wù)于5G通信需求。F-OFDM就是其中的一個(gè)演進(jìn)方向。F-OFDM與OFDM一脈相承，同樣的把系統(tǒng)的寬帶分為若干個(gè)子帶，經(jīng)過(guò)串并變化與IFFT以及添加CP等過(guò)程，數(shù)據(jù)流信號(hào)經(jīng)歷完上述過(guò)程后形成的是OFDM信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)通過(guò)在每個(gè)子帶上添加濾波器，對(duì)子帶信號(hào)進(jìn)行最關(guān)鍵的濾波處理用以抑制OFDM中存在的帶外頻譜泄露，并且可以實(shí)現(xiàn)子帶的隔離減小干擾。同時(shí)在每個(gè)子帶濾波器可以調(diào)節(jié)波形參數(shù)滿足不同業(yè)務(wù)需求。圖2-4所示為F-OFDM系統(tǒng)的原理框圖。圖2-4F-OFDM系統(tǒng)原理框圖以下將具體介紹F-OFDM符號(hào)的產(chǎn)生及接收端濾波器對(duì)信號(hào)的濾波過(guò)程。對(duì)于單個(gè)子頻帶來(lái)講，其信號(hào)數(shù)據(jù)的處理流程如下：子帶1數(shù)據(jù)通過(guò)編碼及載波映射得到x1，接著，將信號(hào)x從以上討論可以看出，OFDM僅支持一個(gè)類(lèi)型的波形參數(shù)，不能夠滿足5G通信下多場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求。F-OFDM在向OFDM添加子帶濾波器的操作后可以形成任意數(shù)量根據(jù)實(shí)際服務(wù)場(chǎng)景需求配置不同的波形參數(shù)的子帶，并且根據(jù)子帶參數(shù)配置通過(guò)數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，這意味著F-OFDM不僅可以支持豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，還充分繼承了OFDM的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。2OFDM與F-OFDM的對(duì)比分析F-OFDM作為一種基于OFDM通過(guò)對(duì)收發(fā)兩端添加濾波器以對(duì)子帶進(jìn)行濾波的正交頻分復(fù)用技術(shù)，其具有OFDM技術(shù)頻譜利用率高抗多徑衰弱能力強(qiáng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)相較于OFDM其關(guān)鍵性能與技術(shù)特征都有一定程度的提升。如在系統(tǒng)的時(shí)域資源分配上，OFDM系統(tǒng)的子載波帶寬和CP長(zhǎng)度均固定，如圖2-6所示。很明顯OFDM這種單一分配方式并不適合5G通信中多業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)技術(shù)的要求。如端到端的車(chē)聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需要頻域較寬的子載波帶寬來(lái)提供極短的TTI，而物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器傳送數(shù)據(jù)量較低，但對(duì)系統(tǒng)連接數(shù)要求高，此時(shí)頻域需要配置較窄的子載波來(lái)保證連接需求[4]。而在F-OFDM系統(tǒng)中可以為各類(lèi)業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)選擇和分配不同資源參數(shù)，可以很好的解決上述問(wèn)題。圖2-6OFDM系統(tǒng)的時(shí)頻資源分配圖2-7F-OFDM系統(tǒng)的時(shí)頻資源分進(jìn)行F-OFDM與OFDM系統(tǒng)的功率譜仿真分析，相關(guān)參數(shù)設(shè)置為子載波N=600，IFFT點(diǎn)數(shù)為1024，循環(huán)前綴長(zhǎng)度為72，采用sinc函數(shù)型濾波器與截?cái)啻埃旁氡葹?8dB，信道選用高斯信道，得到功率密度譜如圖2-8所示。圖2-8F-OFDM與OFDM的功率譜密度從圖2-8中可以看到，與OFDM相比，F(xiàn)-OFDM有著更低的帶外功率，在歸一化頻率等于|0.5|Hz時(shí)，相較于OFDM的-70dBW/Hz，F(xiàn)-OFDM功率降低至-200dBW/Hz，這是因?yàn)镕-OFDM對(duì)每個(gè)子帶都進(jìn)行了濾波處理，且濾波器長(zhǎng)度大于CP長(zhǎng)度，大幅抑制了帶外泄露，且受到高斯白噪聲的影響更小。OFDM為了保證能夠在高帶外泄露的情況下正常通信，需要預(yù)留系統(tǒng)頻譜資源的10%作為保護(hù)頻帶，而F-OFDM系統(tǒng)采用子載波間最小保護(hù)帶取代了這個(gè)保護(hù)帶，于是可以充分OFDM原來(lái)不能使用的零碎的頻譜資源，從而又進(jìn)一步提升了頻帶利用率；F-OFDM支持異步多址接入，極大地降低了信令開(kāi)銷(xiāo)和功率開(kāi)銷(xiāo)；還有就是為了保持OFDM中子載波的正交性，上行鏈路中均采用TA機(jī)制傳輸信號(hào)，這導(dǎo)致了系統(tǒng)對(duì)異步信號(hào)支持性能較差，而F-OFDM在通過(guò)在子帶增加濾波器進(jìn)行濾波并根據(jù)需求配置波形參數(shù)可以很好的解決上述存在于OFDM中的問(wèn)題。兩相對(duì)比之下不難看出，F(xiàn)-OFDM對(duì)頻帶資源分配能力有較強(qiáng)的靈活性，對(duì)頻譜資源有更高的利用率，對(duì)發(fā)射基站有著更低的消耗。OFDM與F-OFDM的性能對(duì)比可總結(jié)為如下：在頻帶利用率上，OFDM采用頻帶資源的10%用作系統(tǒng)保護(hù)帶，而F-OFDM的保護(hù)帶帶寬可以小到等于單個(gè)子載波的帶寬，可見(jiàn)頻譜資源有限的無(wú)線通信環(huán)境下，F(xiàn)-ODM更勝一籌。在面對(duì)復(fù)雜多變的業(yè)務(wù)場(chǎng)景時(shí)，OFDM只能提供單一的幀結(jié)構(gòu)，而F-OFDM的子載波間隔與CP長(zhǎng)度有多種配置方案，可以更好地為通信提供技術(shù)支持。在信令開(kāi)銷(xiāo)上，OFDM為了保持子載波的正交性，在上行傳輸時(shí)必須采用TA機(jī)制使得所有用戶數(shù)據(jù)能夠同時(shí)達(dá)到接收機(jī)，這大大增大了系統(tǒng)上行鏈路中的信令開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)導(dǎo)致對(duì)異步信號(hào)的傳輸性能較差。而F-OFDM由于濾波器的存在就不會(huì)面臨上述困擾[3]。綜上，F(xiàn)-OFDM能夠根據(jù)不同業(yè)務(wù)的時(shí)頻資源需求提供不同的子載波帶寬和CP配置，通過(guò)優(yōu)化濾波器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)將不同子載波之間的保護(hù)頻帶降低為一個(gè)子載波的帶寬，系統(tǒng)子帶內(nèi)部處理信號(hào)的方法與OFDM一致，可以很好的向前兼容4G[5]，并滿足未來(lái)5G通信中多業(yè)務(wù)場(chǎng)景、海量設(shè)備連接數(shù)、大范圍覆蓋率和高速率高可靠低時(shí)延低功耗的需求。F-OFDM中也有一些固有缺陷，例如：依舊存在OFDM系統(tǒng)中的高峰值