I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TOC\o"1-3"\h\u27996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 1215561.1正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM） 132441.1.1OFDM技術(shù)概述 125501.1.2OFDM的正交條件 353651.1.3OFDM的時(shí)域與頻域分析 3180661.2F-OFDM的基本原理 6267211.3OFDM與F-OFDM的對(duì)比分析 8F-OFDM技術(shù)是一種可變子載波帶寬的自適應(yīng)空口波形調(diào)制技術(shù)，是以現(xiàn)有的無(wú)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(lái)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(guò)闡述OFDM的結(jié)構(gòu)框架以及系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的收發(fā)處理過(guò)程，再介紹F-OFDM系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上做出的改進(jìn)，對(duì)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F-OFDM系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)提供相關(guān)的理論依據(jù)。1.1正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）作為4G中應(yīng)用最廣泛的空中接口技術(shù)方案，OFDM是LTE物理層中最基礎(chǔ)的調(diào)制復(fù)用技術(shù)，具有頻帶效率高對(duì)基帶傳輸?shù)倪m應(yīng)性高且對(duì)多徑衰落帶來(lái)碼間串?dāng)_有高抗性等優(yōu)點(diǎn)。本節(jié)將通過(guò)表達(dá)式及時(shí)域與頻域波形介紹OFDM系統(tǒng)原理。1.1.1OFDM技術(shù)概述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(guò)頻分復(fù)用從而提高系統(tǒng)的頻譜利用率，與傳統(tǒng)的多載波調(diào)制技術(shù)一樣，OFDM亦是采用將系統(tǒng)分成多個(gè)子信道，將原本高速串行的基帶碼元均勻且分散的調(diào)制到每個(gè)子載波上，形成多個(gè)并行的低速數(shù)據(jù)信號(hào)。假設(shè)系統(tǒng)由N個(gè)子載波構(gòu)成，則原本的信號(hào)的碼元速率RB經(jīng)過(guò)OFDM調(diào)制后碼元速率將變?yōu)樵瓉?lái)的1N，符號(hào)長(zhǎng)度變?yōu)樵瓉?lái)的N倍，子信道帶寬為系統(tǒng)帶寬的其實(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)限制，對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理成為了一大難題，所以一直未得到到推廣，直到近二十年科學(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才得以在無(wú)線通信中發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）、數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)（DVB）、非對(duì)稱數(shù)字式用戶線路（ADSL）等[11]，成為眾多無(wú)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)展的關(guān)鍵技術(shù)[12]。OFDM典型模型框如圖2-1所示：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(hào)在傳輸信道經(jīng)過(guò)循環(huán)冗余校驗(yàn)（CyclicRedundancyCheck,CRC）計(jì)算、碼塊分割、CRC配置連接、信道編碼和交織等處理流程，信號(hào)在物理信道經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)制轉(zhuǎn)化成子載波幅度和相位的映射；通過(guò)串并轉(zhuǎn)換將單路串行傳輸信號(hào)分成N路并行傳輸信號(hào)；接著信號(hào)被傳入快速傅里葉逆變換（InverseFastFourierTransform,IFFT）模塊，IFFT的目的是把信號(hào)從頻域變到時(shí)域；將得到的信號(hào)通過(guò)并串轉(zhuǎn)換合并成為一個(gè)完整的OFDM符號(hào)；然后進(jìn)行加CP操作，在OFDM的符號(hào)之間通過(guò)插入CP作為保護(hù)間隔，可以有效地降低碼間串?dāng)_和載波間干擾[3]。OFDM接收機(jī)的信號(hào)處理流程是發(fā)射機(jī)的逆過(guò)程，接收端將射頻信號(hào)與基帶信號(hào)進(jìn)行混頻處理后，首先進(jìn)行的是去CP操作，然后進(jìn)行FFT（FastFourierTransform,快速傅里葉變換）處理，F(xiàn)FT是把信號(hào)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，最后對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和譯碼處理將子載波的幅度和相位恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)。1.1.2OFDM的正交條件通過(guò)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(hào)映射到各個(gè)子載波上，成為N條碼元傳輸速率為1N現(xiàn)就OFDM的表達(dá)式進(jìn)行分析：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： xkt=Ak式中，Ak為第k路子載波的振幅。由基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；fk為第k路子載波的頻率；φk則在這個(gè)OFDM系統(tǒng)中的N路子信號(hào)之和可以表示為： et=k用復(fù)數(shù)的形式表示為： et=k為了在接收端接收到這N路疊加信號(hào)后能夠進(jìn)行正確的解耦，在第k個(gè)符號(hào)持續(xù)時(shí)間TB內(nèi)，第i個(gè)符號(hào)應(yīng)該滿足以下條件(i=k?1) 0TBcos經(jīng)過(guò)運(yùn)算可知，兩個(gè)子載波之間要滿足正交,子載頻需滿足： fk=k且要求子載波間隔： ?f=nTB1.1.3OFDM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(lái)觀察OFDM頻域與時(shí)域上的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)OFDM符號(hào)是由多個(gè)正交子載波疊加而成的復(fù)合數(shù)據(jù)信號(hào)，載波數(shù)據(jù)可以使用不同的調(diào)制方式來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理，常用的有正交幅度調(diào)制（QuadratureAmplitudeModulation,QAM）和相移鍵控調(diào)制（PSK）[4]。假設(shè)OFDM符號(hào)由N個(gè)子載波構(gòu)成，T為符號(hào)寬度，di為每個(gè)子載波攜帶信息量，則從t= (2-7)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(hào)來(lái)等效表示： st=i=0設(shè)在單個(gè)子信道中，子載波頻率fk，一個(gè)碼元信號(hào)的持續(xù)時(shí)間等于TB，信號(hào)通過(guò)編碼調(diào)制，映射到子載波上，這個(gè)過(guò)程在頻域上表現(xiàn)為載波數(shù)據(jù)與矩形脈沖頻譜卷積的結(jié)果。根據(jù)傅里葉變化的頻移特性，碼元頻譜密度在頻域上發(fā)生了圖2-2單個(gè)子載波碼元頻譜波形與時(shí)域波形由圖可知所以O(shè)FDM的頻域波形表現(xiàn)為Sa(fTB)圖2-3多路子載波頻譜波形與時(shí)域波形從圖中可以看出，系統(tǒng)波形雖在時(shí)域上表現(xiàn)為雜亂無(wú)章，從頻域圖上可以看出，在其余子載波處于零點(diǎn)時(shí)，剛好是某個(gè)子載波的幅度最大值。這說(shuō)明，盡管各路子載波在頻域上發(fā)生了重疊，但由于正交特性，實(shí)際上在他們并未對(duì)彼此產(chǎn)生影響。OFDM的這一特性使其能夠采用密集的子載頻，并且子信道間不需要添加額外的保護(hù)間隔，充分利用頻帶資源的同時(shí)也有效避免了子道間相互干擾的現(xiàn)象，降低了碼間串?dāng)_。在接收端利用正交特性可以將各路子載波容易且正確地進(jìn)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波的幅度和相位，不會(huì)改變子載波的位置和形狀，仍然保持子載波的正交性。所以每條子載波都能選擇最合適的調(diào)制方式來(lái)保證系統(tǒng)最佳通信方式。1.2F-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)。1.3OFDM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?，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。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銷和功率開銷；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(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)，這大大增大了系統(tǒng)上行鏈路中的信令開銷，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)