可變子載波帶寬的自適應(yīng)空口波形調(diào)制技術(shù)研究的理論基礎(chǔ)概述目錄 1 1 1 3 3 5 6的無線通信系統(tǒng)為背景在OFDM的基礎(chǔ)上提出的改進(jìn)方案，在滿足未來5G通信需求的同時(shí)又可以很好地實(shí)現(xiàn)在空口物理層后向兼容4GLTE系統(tǒng)。本章通過闡述OFDM的結(jié)構(gòu)框架以及系統(tǒng)對信號的收發(fā)處理過程，再介紹F-OFDM系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上做出的改進(jìn)，對兩者之間的聯(lián)系與區(qū)別有一個(gè)清楚的認(rèn)知，給后續(xù)的串?dāng)_有高抗性等優(yōu)點(diǎn)。本節(jié)將通過表達(dá)式及時(shí)域與頻域波形介紹OFDM系統(tǒng)原OFDM作為4GLTE系統(tǒng)中關(guān)鍵的調(diào)制技術(shù)與傳輸方案，其核心思想通過頻假設(shè)系統(tǒng)由N個(gè)子載波構(gòu)成，則原本的信號的碼元速率RB經(jīng)過OFDM調(diào)制后碼元速率將變?yōu)樵瓉淼?/N,符號長度變?yōu)樵瓉淼腘倍，子信道帶寬為系統(tǒng)帶寬的1/N,根據(jù)香農(nóng)公式可以知道，信道帶寬越小，其信道特性越接近理想信道工波調(diào)制都能實(shí)現(xiàn)的降低碼元傳輸速率，真正讓OFDM在無線通信領(lǐng)域有一席之地的是它各個(gè)子載波的正交性，這個(gè)特性使得OFDM中的各個(gè)子載波在頻譜是其實(shí)OFDM的概念早在20世紀(jì)70年代就有學(xué)者提出，但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)并事變換串并雯換RF時(shí)頻同步調(diào)制解調(diào)并串變換插入導(dǎo)頻信道矯正解交織解碼編碼年科學(xué)技術(shù)的大力推進(jìn)，DSP芯片以及集成電路技術(shù)趨近成熟，OFDM才得以播標(biāo)準(zhǔn)(DVB)、非對稱數(shù)字式用戶線路(ADSL)等[I1,成為眾多無線接入網(wǎng)的核心標(biāo)準(zhǔn)，繼CDMA技術(shù)之后，與MIMO技術(shù)一同作為推動(dòng)4G系統(tǒng)發(fā)展的圖2-1OFDM系統(tǒng)收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)框圖在發(fā)送端，產(chǎn)生的二進(jìn)制比特流數(shù)據(jù)信號在傳輸信(CyclicRedundancyCheck,CRC)計(jì)算、碼塊分割、CRC射；通過串并轉(zhuǎn)換將單路串行傳輸信號分成N路并行傳輸信號；接著信號被傳是把信號從頻域變到時(shí)域；將得到的信號通過并串轉(zhuǎn)換合并成為一個(gè)完整的OFDM符號；然后進(jìn)行加CP操作，在OFDM的符號之間通過插入CP作為保護(hù)是去CP操作，然后進(jìn)行FFT(FastFourierTransform,快速傅里葉變換)處理，3FFT是把信號從時(shí)域變到頻域，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)要與發(fā)射機(jī)的IFFT點(diǎn)數(shù)保持一致，最通過上節(jié)的討論可知OFDM的本質(zhì)是多載波調(diào)制系統(tǒng)，其基本原理是將系統(tǒng)帶寬劃分成N個(gè)正交的子信道，原先以RB數(shù)據(jù)傳輸速率的串行比特流信號映射統(tǒng)還采取在OFDM符號中加入CP的方式用來避免碼間干擾的同時(shí)確保了子信道若設(shè)在OFDM系統(tǒng)中有N個(gè)并行傳輸子信道，其子載波可表達(dá)為：則在這個(gè)OFDM系統(tǒng)中的N路子信號之和可以表示為：為了在接收端接收到這N路疊加信號后能夠進(jìn)行正確的解耦，在第k個(gè)符號持續(xù)fk=k/2TB1.1.3OFDM的時(shí)域與頻域分析上一節(jié)討論了OFDM子載波正交的條件，現(xiàn)在來觀察OFDM頻域與時(shí)域上在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)OFDM符號是由多個(gè)正交子載波疊加而成的復(fù)合數(shù)據(jù)為了減小系統(tǒng)計(jì)算量，在OFDM理論研究中也常用基帶信號來等效設(shè)在單個(gè)子信道中，子載波頻率fk,一個(gè)碼元信號的持續(xù)時(shí)間等于TB,信號的尺度頻移，經(jīng)OFDM調(diào)制后的的時(shí)域波形與頻譜密度如圖2-2所示：形如圖2-3所示，5行分離。同時(shí)因?yàn)镺FDM通常采用AQM和PSK調(diào)制，這兩種方式只改變子載發(fā)展趨勢，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)過串并變化與IFFT以及添加CP等過程，數(shù)據(jù)流信號經(jīng)歷完上述過程后形成的是濾波處理用以抑制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6k映制1添CPI臨號檢測以下將具體介紹F-OFDM符號的產(chǎn)生及接收端濾波器對于單個(gè)子頻帶來講，其信號數(shù)據(jù)的處理流程如下：子帶1數(shù)據(jù)通過編碼及載波映射得到x?,接著，將信號x?進(jìn)行N點(diǎn)的IFFT,再將IFFT變換后的數(shù)據(jù)添加循環(huán)前綴，以上就是本文前面討論過非常熟悉的OFDM信號產(chǎn)生過程；然后，將得到的數(shù)據(jù)通過子帶濾波器1,子帶濾波器可根據(jù)場景和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置。即可得到F-OFDM符號。在接收端，信號首先要經(jīng)過濾波器濾波，只有波形參數(shù)符合該子帶濾波器的子帶信號才能通過，并進(jìn)行后續(xù)對應(yīng)FFT和去從以上討論可以看出，OFDM僅支持一個(gè)類型的波形參數(shù)，不能夠滿足5G通信下多場景的業(yè)務(wù)需求。F-OFDM在向OFDM添加子帶濾波器的操作后可以參數(shù)配置通過數(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)用場景，還充分繼承了OFDM的傳統(tǒng)優(yōu)勢。1.3OFDM與F-OFDM的對比F-OFDM作為一種基于OFDM通過對收發(fā)兩端添加濾波器以對子帶進(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)場景對技術(shù)的要求。如端到端的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需要頻域較寬的子載波帶寬來提供極短的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保證連接需求41。而在F-OFDM系統(tǒng)中可以為各類業(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題。固定的子載波寬度15kHz頻域頻域固定的符號長度時(shí)域時(shí)域傳統(tǒng)語音視頻業(yè)務(wù)頻域8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)前綴長度為72,采用sinc函數(shù)型濾波器與截?cái)啻?，信噪比?8dB,信道選用高斯信道，得到功率密度譜如圖2-8所示。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-200dBW/Hz,這是因?yàn)镕-OFDM對每個(gè)子帶都進(jìn)行了濾波處理，且濾波器長度大于CP長度，大幅抑制了帶外泄露，且受到高斯白噪聲的影響更小。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原來不能使用的零碎的頻譜資源，從而又進(jìn)一步開銷；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，這導(dǎo)致了系統(tǒng)對異步信號支持性能較差，而F-OFDM在通過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1.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，可見頻譜資源2.在面對復(fù)雜多變的業(yè)務(wù)場景時(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長度有多種配置方案，可以更好地為通信93.在信令開銷上，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)，這上行鏈路中的信令開銷，同時(shí)導(dǎo)致對異步信號的傳輸性能較差。而F-OFDM由于濾波器的存在就不會(huì)面臨上述困擾3。CP配置，通過優(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