5G移动通信的新型多址复用技术

1、华东理工大学研究生院高级数字通信课程报告开课学院:信息科学与工程专 业：信号与信息处理 姓 名：王坤学 号：y30150585任课教师：袁伟娜2015年11月论文题目：5g移动通信的新型多址复用技术论文要求：针对高级数字通信的某一具体领域，完成一篇新技术、新理论方面 的课程论文；论文应包括摘要，关键字，背景分析，正文，仿真结果和结论分析 等；教师评语：出勤10%作业30%课程选题10%论文结构20%60%规范10%仿真20%总成绩教师签字：年 月 日5g移动通信的新型多址复用技术摘 要：滤波器组多载波(fbmc)技术因具有灵活的资源分配、高的谱效率、 较强的抗双选择性衰落的能力、较好的解决了高

2、速率无线通信和复杂均衡接收技 术之间的矛盾，已成为5g无线通信系统的关键技术之一。ofdm系统即是滤 波器组多载波技术中选择矩形脉冲作为滤波器的一种特例，不过由于其选用时域 矩形脉冲，虽然在时域具有良好局域化性质但频域却无限扩展，导致系统性能对 频偏和相位噪声比较敏感，因此在某些场合并不适用，需要考虑性能更全面的滤 波器组多载波技术。关键字：5g通信，滤波器组，ofdm , fbmcabstract： filter bank multicarrier (fbmc) technology has become one of the core technology of 5-generation

3、broadband wireless communication system for its ability of flexible resource allocation x 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 chos

4、e a 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

5、application system, there is a need to consider a more comprehensive fbmc technology.keywords: 5-generation communication , filter banks , ofdm , fbmc1 引言早期的无线通信主要用于船舶、航空、列车、公共安全等专用领域，用户数 量很少。20世纪60年代，贝尔实验室提出了蜂窝的概念，使无线通信摆脱了传 统的大区制结构，为无线通信的大规模商用奠定了基础。从20世纪70年代末到 现在的儿十年时间里，无线通信系统从第1代发展到了第4代，进入了一个飞速 发展

6、的时期，并随着多媒体信息化时代的到来，无线通信技术正渗透到社会生活 的方方面面。基于视频、图像、数据的通信业务需求逐渐增大，传统的以语音通 信为主的移动通信网络已经无法满足人们fl益提升的消费需求。正在演进中的第 四代移动通信网络技术(4g),如lte-a1 (lte-advanced)已经提出系统基本指 标：下行峰值速率lgbps,上行峰值速率500mbps,上下行峰值频谱利用率分别 达到15mbps/hz和30mbps/hzo其系统带宽将从1.5mhz到20mhz,并且通过载 波聚合技术最大能聚合带宽高达loomhzo因此移动通信技术发展的最新耍求就 是要在较宽的频带内提供稳定可靠的高速数

7、据传输，并且尽可能在有限的频谱资 源上提升频谱效率。多载波技术(multi-carrier technique )在 60、70 年代由 saltzberg2, chang， weinstein和bingham等人提出，最初受制于实现上的复朵性并没有在业界受 到重视，随着数字信号处理技术的发展，尤其是快速傅立叶算法、大规模集成电 路的出现，从90年代开始，多载波技术逐渐得到了大范围的应用。该技术其本 质上就是把一路宽带高速数据流通过吊并变换转换为并行的多路相对低速的数 据流，然后再对应调制到相互正交的多个子载波上，从而有效延长符号周期，降 低多径带来的频率选择性衰落影响。ofdm作为多载波技术

8、中的特例，其每个 子载波上传输的是矩形脉冲包络的复指数信号，并且在相邻时域符号间添加循环 前缀(cyclic prefix, cp)作为保护间隔。由于矩形脉冲优良的时域性能和cp的 保护，并通过频域单抽头均衡处理，ofdm能够很好的抑制符号间干扰 (inter-symbol interference, isi)和降低系统接收复杂度。只是传统ofdm相当 于采用矩形脉冲来成型滤波，其频谱可以看作是sine函数与一组位于齐个子载 波频点上的§函数的卷积，尽管频域上这组sine谱重叠且相互止交，由于sine 函数旁瓣较大、衰减缓慢。所以ofdm的子载波间正交性在复朵移动条件下的 快时变衰落

9、信道中是十分脆弱的，难以得到保证。滤波器组技术在数字信号处理领域是一种较为成熟的技术，经过几十年的发 展,现己广泛应用于语咅处理、快速计算、噪声处理、图像压缩、雷达信号处理、 多媒体信号处理等领域6。在phydyas项口屮，由于重新设计了原型滤波器， fbmc具有更高的频谱分辨率。这使得fbmc具有相对ofdm小得多的带外干 扰，这样更能够保证子信道间的独立性。基于这个特性，fbmc能够提供更好的 动态频谱接入方法和更灵活的多用户接入机制。同时，研究表明fbmc仍然貝 备ofdm的高传输速率，去除isi等优点，同时现有ofdm的功率控制、信号 同步、信道编解码等技术都能直接应用于fbmc7o因

10、此fbmc的研究对于认知 无线电的发展具有i分重要的作用，同时对于缓解当下紧张的频谱资源有着间接 的贡献。2第5代移动通信基本要求从目前來看，移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力, 并给移动通信带来新的技术挑战。5g移动通信系统和网络必须支持爆炸性的移 动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景。因此， 5g移动通信的基本要求如下：1）传输速率要求:10gbit/s峰值速率。根据移动通信历代发展规律，5g网 络需要10倍于4g网络的峰值速率，即达到10gbit/s量级的峰值速率，相当于 10吉比特以太网速率，类似有线宽带骨干网络；2）连接与流量要求:100倍

11、的连接器件数。随着物联网的快速发展，到2020 年连接的器件数目将达到500-1000亿。这就要求单位覆盖面积内支持的期间数 目极大增长，在一些场景下单位而积内通过5g移动网络连接的器件数目达到100 万/平米，相对4g增长100倍；3）时延和可靠性要求：相对于4g缩短为1/5-1/10,达到人力反应的极限如 5ms （触觉反应）甚至更低，并提供真正的永远在线体验。端到端可靠性提升到 99.999% 甚至 100%；4）能耗和成本要求：绿色低碳是未来技术发展的重要需求，通过端到端的 节能设计，支持更高的能耗效率，使网络综合能效捉升1000倍，并使综合成本 持续下降，在维护方面，实现精确监控网络

12、资源和有效感知业务特性，并降低多 制式共存、网络升级以及新功能引入等带来的复杂度。3滤波器组的基本原理滤波器组的基本原理是：输入信号首先通过分析端的一组分析滤波器及其级 联的抽取器（卜采样）被分解为多个了带信号。各个了带信号根据应用场合不同 进行相应的处理。在综合端通过一组插值器（上采样）及其级联的综合滤波器组， 将子带信号恢复成为原始输入信号或稍有失真的原始信号。抽取器和插值器用于 改变采样速率，去除冗余信息，提高信号处理的效率。多速率滤波器组重构信号 的谋茅一般來口三个方面：幅度失真、相位失真和混叠失真。如杲这三种失真可 以被完全消除，那么输出信号就可以完全重构出输入信号，这样的滤波器称之

13、为 完全重构（pr）滤波器组。然而，在一些应用中，比如有损编码中，系统允许 一定的误弟存在。在这种情况下，滤波器组可以设计成具有近似完全重构（npr） 特性的系统。此时系统的输川信号是原始信号的一个近似信号。3.1 fbmc的基本原理滤波器组多载波（fbmc）是一种频分复用技术，它通过一组滤波器对信道 频谱进行分割以实现信道的频率复用（fdm）。最初，多载波传输思想是通过一 组模拟滤波器实现的。这组模拟滤波器将信道的频谱分割成多个了带，相邻了带 间留有足够的保护间隔，以防产生子信道间的干扰（ici）。但这种多载波方式造 成了频谱资源的极大浪费，而且对模拟滤波器的高耍求限制了该技术的广泛应用。

14、随着数字信号处理（dsp）技术的发展，特别是器件运算能力的飞速提高，人们己经可以利用数字滤波器组来代替模拟滤波器组实现信道频谱的分割，月通过对滤 波器组屮各分支滤波器频率响应的灵活设计可以将各子带间的保护间隔去掉，从 而明显地提高了信道频谱的利用率。在多载波通信系统屮，离散傅立叶变换（dft）滤波器是最普遍的调制解调 技术，实际应用屮，一般用快速傅立叶变换（fft）实现。发送端，调制器使 用反向快速傅立叶变换（ifft）技术。将宽带信号调制到各个子载波；接收端, 解调器使用fft,从了载波信号中解调出原始信号。图31为一个典型的多载波通 信系统实现框图：af1:p/sx(n)d.(mm)iff

15、t:发送端接收端o(m)d. (mm)_ 3(血)图31基于fft的多载波调制解调框图图小d为发送的频域多载波数字信号；m表示ifft的位数，即将一个宽带 信号调制成m个了载波信号；m表示信号序列号；i表示了载波序列号，范围为 p/s表示并串转换，即将并行的m个子载波信号转换成串行的时域 信号x（n）o s/p表示吊并转换，将审行信号转换为m个并行的了载波信号。将 发送端信号的采样频率为单位1,那么子载波频率间隔1/m,多载波信号x的时 域周期t为了载波频率间隔的倒数，即t=mo这也说明在理想条件下，多载波 符号在时域上不会出现重叠。3.2 fbmc在认知无线电中的潜在应用fbmc作为cr的物

16、理层传输技术虽然比ofdm更冇优势，但其仍处丁研 究的初级阶段。前面的章节已经提到过，ofdm的带外泄露比fbmc要大很多， 在cr屮，由丁频谱资源的稀缺性，ofdm大的带外干扰这一缺点就变得非常难 以接受。虽然ofdm可以使用加入保护频带和加窗方法來降低带外干扰的影响, 但这些方法都是以降低频谱利用率为代价的。fbmc以其相对非常小的带外干扰 引起了人们的关注。在qiwei zhang, kokkeler等人设计的一种过采样的基丁滤 波器组的多载波系统中（osfb）,可以发现,fbmc的带外干扰可以做到比ofdm 小3（）db左右在cr中，小的带外干扰意味着有更多的频谱可以使用。另外， fb

17、mc也不需要在时域信号加入循环前缀，这进一步捉高了 fbmc系统的频谱利用率o4.fbmc相比ofdm的优势传统的正交频分复用(ofdm)的设计思想是将信道分成多个子信道，而所 有了信道都是止交的，将数据符号调制到每个了信道上进行传输，这样数据传输 变得更为高速和稳定。ofdm的技术本质就是fft滤波器组，英原型滤波器最 大的缺点是带外衰落缓慢，这在实际应用中会产生严重的频谱泄漏。而fbmc 技术的原型滤波器带外快速衰落，非相邻滤波器z间不存在干扰。在实际信道坏境中存在多径和多普勒频移现象，多径引起的码间干扰对无线 通信冇很大的影响。在传统的ofdm方法屮，一般釆用在信号波形上插入循环 前缀(

18、cp)的方法來对抗多径叫保护间隔一般是符号周期的1/4或者1/8长度， 如图41所示：图4-1 ofdm符号添加循环前缀cp可见，循环前缀是将ofdm符号的一部分复制到符号前端，只要cp部分 长度人于最大多径吋延，那么多径成分将在观测窗口内保持波形，也就是接收端 能够获得完整无缺的ofdm符号波形。循环前缀的引入使得ofdm符号波形周期增大，在一定程度上造成了资源 的浪费，减少了符号率。不过在fbmc中，由于重叠因子的存在，时域符号间 木身就存在互相干扰，因此不需要插入gi或cp,这样，也就一定程度上提高了 系统的传输速率。与ofdm相比,fbmc用一组优化的滤波器组代替ofdm屮的矩形窗函数

19、, 从而达到降低带外衰减的廿的】；其次，fbmc的原型滤波器口j以被设计成带 有很大的灵活性去匹配吋间或者频率色散信道及具有较小的旁瓣去应对不同标 准的多址接入或机会式频谱接入通信；进一步，出于原型滤波器的冲击响应和频 率响应可以根据需要进行设计，各子载波之间不必是正交的，允许更小的频率保 护带，因此不需要插入循环前缀说】；最后，fbmc能实现个子载波带宽设置、 各子载波之间的交叠程度的灵活控制，从而可灵活控制ici,并且便于使用一些 零散的频谱资源。值得说明的是，因为子载波具有较窄的贷款，发射滤波器的冲击响应长度通 常很长，于是fbmc帧-般比ofdm的帧长，但fbmc符号中没有循环前缀,

20、从而可以弥补这种效率损失；此外，fbmc的计算复杂度高于ofdm,但由于 信号处理和屯子设备的显著进步，fbmc实际应用是可行的。5 课题总结随着当今信息社会的快速发展，无线通信系统的需求已经转变。人们已经不 再满足于传统的以语咅和低速率的数据业务为主的通信方式，而口益追求高速率 的多媒体业务，高速的传输速度成为必需。因此，为了适应未来高速无线数据传 输的需要，通信系统必须提高在衰落信道中的频谱利用率，使z能够在有限的频 谱资源上支持高速率数据和多媒体业务传输。止交频分复用技术ofdm,由于其良好的抗多径干扰能力、简单的信道均 衡技术、通过循环前缀消除isl ici等优点，非常适合作为cr物理

21、层的传输技 术。但是ofdm存在一些缺点，比如较高的带外泄露，需要使用循环前缀等， 这会降低频谱的利用率。基于此，滤波器组多载波技术fbmc,由于其较小的带 外十扰，被认为是一种可以替代ofdm的技术。本课题从5g移动通信岀发，首先提出第5代移动通信的基本耍求；其次, 对fbmc原理及潜在应用进行分析；最后，将fbmc与ofdm技术进行比较, 理论上验证了 fbmc的可行性，以及更适用于第5代移动通信应用技术。参考文献1 3gpp tr 36.913 requirements for further advancements for evolved universal terrestrial

22、radio access (e-utra)s.2oo9.2 b r. saltzberg, performance of an efficient parallel data transmission system,j. ieee trans. commun. tcchnol., dec.l967, vol. 15:805-811.3 r. w. chang, synthesis of band-limited orthogonal signals for multi-channel data transmission, j. bell syst. tech. j., dec. 1966, v

23、ol. 45:1775-17964 weinstein,s.; ebert, p., data transmission by frequency-division multiplexing using the discrete fourier transform, j. ieee transactions on communication technology, october 1971,vol. 19, no.5:628-634,5 john ac bingham, multicarricr modulation for data transmission: an idea whose t

24、ime has come, j. ieee communications magazine, june 1972, 22.12-117.6 a.gilloire, "experiments with subband acoustic echo cancellers for teleconferencing, ieee jcassp,pp.2141-2144,1987.7 frank schaich.vidar ringset. "compatibility of ofdm and fmbc systems and reconfiguration terminals,ict-zi1887,phydyas deliverable d7.1,jul.2